（机械电子工程专业论文）内燃机尾气余热利用的研究.pdf

摘要 内燃机尾气余热利用的研究 研究生：邹政耀导师：任祖平东南大学 摘要 我国汽车工业出现产销两旺的局面，汽车消耗的能源几乎完全依赖石油产品，而我 国的资源结构又是富煤少油，石油资源短缺与汽车工业的迅猛发展的矛盾越来越突出。 以提高车用内燃机综合利用效率的研究成为国内外研究的热点之一，但实际广泛应用的 成果不多见。 目前内燃机冷却水余热和排气余熟大约占燃料燃烧放出能量的5 0 - - 6 0 ，这部分 能量实际利用率很低。在对国内外相关研究总结和分析的基础上，针对车用内燃机和发 电用内燃机的实际使用情况，本文提出了余热综合利用的方案，把余热能量转换为液力 驱动能源，也可以根据需要作为车辆供暖的一部分能源，并对相应的方案进行了论证。 研究方法采用热工学理论计算，应用u g 软件进行建模，用三维剖面表达取热器的结构 等；设计了冷却水换热器与尾气换热器，进行了详细的热工学和传热学的计算；制作了 一个模型，在b j 2 0 2 0 越野车上进行了试验，获得试验数据，对数据进行了分析。 通过本文的研究分析，利用本文提出的方案，在较小的成本投入下，可获得较大的 经济效益，可行性也较好。 关键词：内燃机；余热；效率；液力传动 r e s e a r c ho nu t i l i z a t i o no f i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ew a s t eh e a t g r a d u a t e ：z o uz h e n g - y a o s u p e r v i s o r ：r e nz u - p i n g a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r yi sp r o s p e r o u s ，a n dt h ea u t o m o b i l ee n e r g ys o u r c e s d e p e n dm u c ho np e t r o l e u mp r o d u c t s b o w e v e r , t h ed o m e s t i cr e s o u r c es t r u c t u r ei ss h o r to f p e t r o l e u m , a n di tr e s u l t si nc r i t i c a lc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ei n s u f f i c i e n tp e t r o l e u m s u p p l ya n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t y p e o p l ea r ei n t e r e s t e di ni m p r o v i n g t h ei n t e r n a l - c o m b u s t i o n e n g i n e u t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y , b u t h a v el i t t l e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s n o ，t h ew a s t eh e a to fc o o l i n gw a t e ra n de x h a u s ta c c o u n t sf o r5 0 6 0p e r c e n to ff u e le n e r g y a n dh a sl o wu t i l i z a t i o n t h ew a s t eh e a ti n t e g r a t e du t i l i z a t i o np r o j e c tw a sp r o p o s e d 8 c c o r d i n gt ot h em o t o ra n dp o w e rg e n e r a t i o ne n g i n ea c t u a ls i t u a t i o n t h ew a s t eh e a tw a s c o n v e r t e dt oh y d r a u l i cd r i r ee n e r g yo rh e a t i n ge n e r g ya sr e q u i r e & t h em e d e lw a se s t a b l i s h e d i nu g a n dt h ee n g i n e e r i n gt h e r m e d y n u m i c st h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sw e r ec a r r i e do u t t h ec o o l i n gw a t e ra n de x h a u s th e a tc o n v e r t e rw a sd e s i g n e da n d ap r a c t i c a l i t ym o d e lw a se x p e r i m e n t i n gi nb j 2 0 2 0o f f 咖a dv e h i c l e e x p e r i m e n t a ld a t aw e r e g a i n e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o j e c tc a nb ea p p l i e dt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n da c h i e v e s c o n s i d e r a b l eb e n e f i t sa tl o wc o s t k e y w o r d s ：i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e ：w a s t eh e a t ：e f f i c i e n c y ：；h y d r a u l i cd r i r e i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：期：趟， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：玺亟耀导师签名：焦担垩日期：z 丑z 扣 饥雌 第一章绪论 第一章绪论 发展和环境是2 1 世纪人类面临的两大主题，汽车工业和这两大主题密切相关。汽 车在给人类带来诸多便利的同时，也带来了很多的社会问题，例如能源紧张，当今的主 要能源石油有1 3 是被汽车所消耗的。目前我国汽车年度销量已超越日本成为第二大国， 针对当前的汽车使用现状，本课题针对汽车发动机的特点，开发一种内燃机的尾气余热 综合利用装置，对于车辆暖机过程中的排放污染，空调的综合利用( 供暖和制冷) 及提升 乘车的生活配套条件，增加乘车的舒适性等方面具有一定的参考使用价值。同时该研究 的成果对于提高发电用内燃机的综合效率具有一定的应用价值。 1 1 内燃机余热利用概述 发动机在不同的工况下，燃料燃烧有很大一部分能量随尾气与冷却水散发了，按照 热能表现为有效功和各种损失的数量分配来研究燃料中总热量的利用情况，称为发动机 的热平衡。燃料的总热量大体可以分成四部分，其热平衡方程如下【i 】： q b = q 。十q 十哂十q l q b 一为燃料在缸内完全燃烧每小时所放出的热量 q 一为转化为有效功的热当量。 q 一为传给冷却介质的热量。它包括：工质向缸壁及燃烧室散出的热量；废气在排 气管道内散失的热量；摩擦发热所散失的热量；从润滑油散失的热量等。一般q 瓯值： 汽油机为2 5 一3 0 ，柴油机为2 0 一2 5 。柴油机因其压缩比高。燃气膨胀较为充 分，所以该比值下降。瓯可通过传给冷却水的热量来计算：q s = i c p ( t 。- t ，) ( k j h ) 。其 中：m c 为通过发动机冷却系统的冷却介质每小时的流量( k g h ) ；厶为冷却介质的比热 k j ( kg 1 0 ；t 。和t 。为冷却介质的进出口温度( k ) 。 q r 为废气带走的热量。废气排出时，由于温度很高，将带走相当一部分未曾利用的 热量，是属于发动机的主要损失。一般q r q b 的傻：汽油机为4 0 一4 5 ，柴油机为 3 5 一4 0 。柴油机中的燃气膨胀比汽油机充分，排气温度低，所以该值较小。 q 为其他热量损失。上述三项热量损失以外的热损失均用于此项损失，如辐射热损 失、不完全燃烧损失和其他没有计入的热损失等。这部分热量损失对汽油机和柴油机来 说，都大体相同，其q ，q b 约为5 。 这里没有单独考虑机械损失消耗的热量，因为摩擦损失所消耗的热量大部分被冷却 介质和润滑油带走，所以机械损失热量分别含在q 。和q l 中。发动机的热平衡就是通过 实验确定各项热量分配的比例数字，并从中分析哪些热损失可以通过采取措施进一步变 为有效功或作其他用途，以提高能量利用率。在发动机的不同工况下，其各项的比例是 不同的。表1 1 表示在全负荷工况下，发动机热平衡方程式各部分组成的大致数值。【1 j 表1 1 发动机的热平衡 热平衡方程式各项组成1 0 0 汽油机( )柴油机( ) 转变为有效功的热量q 2 5 - 3 03 0 4 0 废气带走的热量q r 3 0 - 5 02 5 - 4 5 冷却介质带走的热量q 1 2 - 2 71 5 - 3 5 其他热量损失瓴 2 - 1 02 一1 0 空间 已经相当有限，在这背景下通过内燃机余热综合利用的研究备受重视。目前如何回收这 东南大学硕士学位论文 部分热量一直是人们极为关注的问题，其中废气涡轮增压就是内燃机利用这一部分热量 最成功、应用最广泛的技术。其它的技术也在研究中，国内外有很多相关报道。例如： 上海交通大学根据现有汽车空调制冷系统、采暖系统及汽车发动机冷却水系统的特点， 结合单效溴化锂吸收式冷热水机组的性能，提出溴化锂吸收式制冷系统中的发生器，由汽 车发动机气缸套、气缸体、气缸盖组成，将溴化锂溶液直接充注在汽车发动机冷却空腔内， 从而实现了用一个单效溴化锂吸收式冷热水机组系统替代现有汽车空调的制冷系统、采 暖系统及汽车发动机冷却水系统的方案，结构简单，达到节省8 一1 2 的发动机动力 嘲。同济大学研究了一种新型的利用发动机余热的客车采暖系统，利用两级热回收技术， 同时对发动机缸套冷却水热量和发动机尾气热量进行回收，可满足客车在冬季的取暖要 求。由于该系统回收热量的能力比常规的非独立采暖系统大大提高，也可考虑将其作 为吸收式制冷的热源，作为车辆夏季空调。 1 2 内燃机余热利用国内外的研究背景与现状 目前利用发动机余热能量的应用装置主要有：废气涡轮增压、空调的综合供暖系统、 余热驱动的吸附制冷系统、温差发电系统等。 1 2 1 废气涡轮增压 目前运用最成功的是废气涡轮增压，但它不是直接利用余热的热量，而是利用尾气的 压力能来提高发动机的充量系数，不仅可以提高功率几成，甚至几倍，同时可以改善燃 烧过程，提高经济性，减少废气中的h c 、c o 及碳粒，降低噪声。因而增压是内燃机发 展的重要方向。有不少工业化先进的国家已把增压机作为内燃机的基本机型。但是在汽 油机上用废气涡轮增压技术有一些困难，具体如下： ( 1 ) 如果使用普通辛烷值的汽油，则使爆震趋势加大。高辛烷值的汽油价格又高了。 ( 2 ) 由于爆震趋势加大，而不得不使压缩比降低，这就使膨胀比降低，排气温度升高， 加上不能加大扫气来冷却受热零件，使热负荷增加。 ( 3 ) 汽油机的速度变化范围大，整个速度范围内的功率差别也大，涡轮增压机与汽油 机的匹配比柴油机更为困难。 ( 4 ) 涡轮增压汽油机的增压器直接影响空气和燃油量，其瞬态效应比柴油机差。 ( 5 ) 发动机空间小，总体布置困难。 目前在我国汽车上用废气涡轮增压的比例不是太高。m 主要用在1 8 升的轿车上。 由于其应用较多，本文不详细介绍。 1 2 2 空调的综合供暖系统“” 我国是世界上最大的大型客车消费国。据不完全统计，目前全国共有大中型客车( 车 长7 1 2 m ) 生产厂7 l 家，其中大型客车厂( 1 0 1 2 m ) 1 4 家。中国客车统计信息网 的4 6 家统计源企业，2 0 0 3 年生产各类客车9 6 8 6 4 辆，同比增加2 7 6 辆，增长0 2 9 ； 累计销售9 5 5 7 4 辆，同比减少5 2 3 辆，降低0 5 4 。其中有1 8 家企业同比有所增长， 占3 9 1 3 。 与国外通常的发展规律不同，我国大型客车产业主要不是通过技术创新推动的模式 来发展，而呈现明显的外部需求拉动型特征。首先，城市化水平的提高直接促进了大中 型客车尤其是公交客车的发展。2 0 0 0 年我国城市已超过8 0 0 个。伴随着城市化建设的同 时，城市的市政建设、城郊的各级公路建设也相应加快。预计到2 0 1 0 年城市化程度将 达到4 0 ，约有近6 亿人需要城市内和城市间的效能需求。其次是高速公路及高等级 公路的迅速扩展。第二次全国公路普查结果显示：到2 0 0 1 年底我国公路总里程1 6 9 8 万 公里，居世界第四位；高速公路里程1 9 万公里( 不舍港、澳、台) ，已超过加拿大、列 世界第二位；除西藏之外的其他3 0 个省、市、自治区都通了高速公路。第三是旅游市 2 第一章绪论 场快速发展。假日旅游经济兴起，大中型旅游车需求迅速增加，年需求量在8 0 0 0 辆。 随着客车市场的日益增长、成熟，整车技术不断完善，但车辆空调的舒适程度和技 术水平并未取得同步的更新。目前国产客车的空调系统中，关键部件依赖进口的局面并 未扭转。特别是采暖系统，加热功率不足、新鲜空气供应不足，许多人都有过冬季乘坐 空调车感觉缺氧、胸闷的体会。专家认为：我国的客车还未配备真正意义上能够满足冷、 热、除湿要求的空调系统。 采暖系统种类主要有以下几种： 客车的采暖系统按驱动方式分为独立燃烧式和余热式两种。余热式采暖系统是利用 发动机的余热( 冷却水或尾气) 采暖，运行成本低、经济性好、加工简单、使用方便。 但停车时不能供暖，用于大型车辆在寒冷地区时，对余热回收元件的性能要求很高。因 此，虽然余热式采暖系统的出现早于独立式，但是目前在国内大型客车尚无成功而广泛 的应用。仅经济型轿车大规模采用余热采暖。 独立式采暖系统由燃烧器和加热器两部分组成，燃料( 一般为轻柴油) 在专门设计 的燃烧器中燃烧，水或空气被加热后送到需采暖的空间。独立式系统可在车辆的各种运 行状态下工作，提高了舒适性。此外，利用微机控制还可按照设定的时间开始工作；对 发动机可进行预热、解决冷起动问题；还可对车厢进行预热；同时解决发动机机油和蓄 电池的保温问题。因此，在过去的近2 0 年中，独立式采暖系统得到迅速发展，出现了 许多专业生产厂家和系列化产品，如德国的w e b a s t o 和o e t f 、日本的m i k u n i 、捷克的 6 c o n 3 、国内的京威等。独立式比余热式的运行能耗高、电耗大，使用成本和制造成本 都比较高。 表1 2 是交通部所颁发的“营运客车类别划分及等级的推荐标准”中，关于客车冷 暖空调和通风换气量的相关规定。 表1 2 交通部关于客车冷暖空调和通风换气量的有关规定 大型高三级客车大型高二级客车大型高一级客车大型中级客车 兼有制冷和采暖功兼有制冷和采暖功能；制冷和采暖兼有制冷和采暖兼有制冷和采暖功 能：采用独立式制至少一种采用独立式：人均制冷采功能：人均装机制能：人均装机制冷量 冷和采暖装置：人暖量大于1 8 8 0 杉加冷量不小于 不小于1 8 8 0 k j ，加， 均制冷采暖量大1 8 8 0 材h r ，采采暖量不小于 于1 8 8 0 材h r暖量不小于 1 6 7 0 k j fh 1 6 7 0 ”| h r 有通风换气装置：有通风换气装置；人均通风换气量 有通风换气装置：有通风换气装置；人 人均通风换气量大 人均通风换气量均通风换气量大于 大于2 5 m 3 h r 于2 5 矿h r大于2 5 m 3 h r 2 0 脚3 h r 具备自动调节车内具备自动调节车内温度和通风换气燃烧式采暖系统燃烧式采暖系统和利 温度和通风换气量量的功能或设置供乘员自行调节冷 和利用捧气的采用摊气的采暖系统应 的功能暖量、通风换气量的开关装置暖系统应设置有设置有害气体安全报 设置故障自动诊断设置故障自动诊断和有害气体安全害气体安全报警 警装置 和有害气体安全报报警装置装置 警装置 表1 3 是目前给多家客车制造企业配套的某国内暖气设备商的产品规格。按照1 0 0 的热交换效率和3 元l 【g 的柴油价格，计算得到的柴油耗量和小时运行费用分列于第四、 第五列在我国客车行业中，因为没有高性能的非独立式采暖设备而大多选用独立式采 3 东南大学硕士学位论文 袁1 3 某国内暖气设备配套商的产品规格和能耗 产品型号功率 柴油耗量 小时运行费用 k w k 蚰 i 强佰m q n l 5 0 7 9o 6 72 0 风暖q n 2 6 0 7 9o 6 72 o q n 3 6 0 9 30 8 2 4 q n 5 6 5 1 6 31 44 2 q n 7 0 0 1 9 81 75 1 y j - q 11 6 1 1 61 o3 o y j - q 1 6 3 1 6 31 44 2 水暖 y j - q 1 9 8 1 9 8 1 7 5 1 y j - q 2 3 3 2 3 326 o y j - q 2 7 9 2 7 92 47 2 暖装置。但在实际使用( 特别是城市公交) 中，由于运行费用太高而常采用系统间歇工 作的方式，以降低运行成本，从而造成新风供应不足，乘客感觉胸闷、缺氧。 从表1 2 可知：客车采暖负荷由人员采暖和通风换气两部分设某大型中级客车的 核定乘员5 0 人，则采暖负荷为2 3 2 k w ；若车厢外的空气温度为0 c ，加热到2 0 送入 到车厢，满足通风换气量的加热功率为6 ，6 k w 。总的加热功率为：2 9 8 k w 。若使用热值 为1 0 0 0 0 k c a l k g 的轻柴油，耗景为2 6 k g h 。显然随着车厢外空气温度的下降，通风换气 所需的加热功率还需增加。上述的计算还未考虑加热设备的效率问题。一般地，若效率 取8 5 ，实际的柴油耗量为3 k g h 。 由此可见，独立式采暖系统虽然有许多优点，但是在实际使用中，运行费用居高不 下，极大地阻碍了其推广应用。针对目前国内客车采暖系统中存在的上述问题，国内的 上海交大，同济大学，北京理工大学等在这方面都有研究成果报道。下面是同济大学的 成果介绍，他们结合目前有一定使用规模的冷却液余热回收和船舶发动机尾气余热回收 技术，设计、开发了高效的余热回收系统，可回收的余热总量能够达到发动机出力的 1 2 0 1 5 0 ，足以满足车辆采暖之需。 余热回收系统工作原理与性能 余热回收系统的工作原理见图1 1 。如图l - l 所示，在车厢内布置采暖加热盘管和 新风加热盘管。前者利用所回收的热量加熟车厢内的循环空气；后者将外部的新鲜空气 毫 鼍 要 图1 - 1 系统工作原理示意图 4 加热、补充通风换气，改善车厢内的空气 品质。复合式热交换器与尾气消声器并联， 回收尾气的热量；为有效回收冷却液热量， 布置一个冷却液一采暖水热交换器。复合 式热交换器中使用了套管和热管两种换热 技术，在保证换热效率的同时充分降低尾 气的阻力。众所周知，城市公交车辆的行 驶速度变化范围很大，最高可达8 0 k m h ， 最低则接近于怠速。单纯使用热管虽可保 证发动机低工况下的换热性能，但在高工 况下可能会超过热管的最 高允许温度，使之报废。两种换热方式的 第一章绪论 结合，既保证高低工况下的换热效能、也可减小体积、降低尾气侧的阻力，从而保证发 动机的正常出力。在车辆起动时，发动机整体温度较低，电磁阀v 3 开启，此时车厢内 没有采暖。采暖系统中的水将尾气的热量回收后、加热冷却液；这样可以缩短发动机预 热时间、提高其使用寿命。在车辆正常行驶过程中，电磁阀v l 关闭、v 2 开启、v 3 关 闭。在车厢内散热、温度降低后的水首先与冷却液换热，温度升高后再在复合式热交换 器中进一步吸熟。 其使用范围介绍如下： 同济大学设计的余热回收装置可以用于柴油机，汽油机、天然气发动机等原动机。 图1 2 、1 3 分别为典型的柴油机和天然气发动机的能量平衡情况。可见二者的尾气余热 和冷却液余熟随着发动机工作状态的不同，其变化规律是不同的。若采用单纯的冷却液 余热或尾气余热回收，则用于柴油机的系统无法用于天然气发动机。使用本文的设计方 案，就可以很好地兼顾冷却液余热和尾气余热。因为二者的总和是一样的，只是所占的 比例有所不同而已。对柴油机，冷却液余热高些；对天然气发动机，尾气的余热高些。 图l - 2 柴油机的能量平衡图1 3 天然气发动机的能量平衡 据他们在改造的天然气发动机实验台架上实测的结果，使用图1 1 中的设计，能够保证 在各种运转情况下的回收效率，所回收热量与发动机出力的比例在1 2 0 1 5 0 。足以 满足车辆的采暖要求。 1 2 3 余热驱动的吸附制冷系统晦” 文献“给出的吸附式空调系统结构如图1 4 所示。由发动机排出的废气经阀3 a 加热 1 - 发动机；2 嚷尉床；3 4 - - 电曩一；5 一单向一； 一真空电碰一；7 一冷凝晷；l 一节流一；9 一蒸发霉； l o - - 真空爱 图l - 4 吸附式空调系统结构示意图 5 吸附床2 a 。解吸出的吸附质( 水蒸气) 则经单向阀5 a 进入冷凝器7 中冷凝后， 经节流阀8 节流降压降温进入蒸发器 9 中相变吸热制冷：同时，吸附床2 b 被 海水冷却降温，开启电磁阀6 b 后。床2 b 内的吸附剂则吸附蒸发器中的吸附 质。在a 床解吸，b 床吸附完毕后，阀3 b 、 4 a 打开，阀3 a 、4 b 、6 b 关闭，相应地将 依次打开阀5 b 、6 a ，又开始a 床吸附。b 床解吸的循环，如此交替工作。系统中 水的蒸发温度可达到4 5 c ，如采用直 接式空冷器，考虑到传热温差，一次风 的送风温度仍可达到1 2 1 5 。完全 东南大学硬士学位论文 可满足船舶空调对送风温度的要求。 1 2 4 温差发电 2 0 世纪7 0 年代以来，一些工业发达国家的学者提出了采用温差发电器来解决车用 内燃机余热利用的问题。依据热电直接转换原理，具有结构简单、无运动部件、无噪声 等特点，在低品位热能利用方面具有独特的效果：把它安装在内燃机的排气管上，能够 将内燃机运行余热直接转换为电能。温差发电的研究包括了热电器件和发电器两个方 面，是热电学的一个重要领域。 1 热电材料的研究 热电转换器件是温差发电器的基本元件，它的功能是将热能直接转换为电能，效率 取决于热电极材料的性能和器件的设计制造水平。自从2 0 世纪5 0 年代前苏联科学院的 i o 仃e 院士提出了半导体热电理论以来，用于温差发电的热电材料都是半导体材料，如 用于低温( 3 0 0 以下) 热电材料b i 2 t e 3 及其固溶体合金、中温( 3 0 0 c - 6 0 0 ) 热电材料 p b t es n t e 、高温( 6 0 0 - 9 0 0 ) 热电材料s i g e 等。衡量热电材料优劣的指标为“优 值”z = a 2 0 g ( 式中a 为塞贝克系数，九为电导率z 的量纲为k 1 ) 。研究中也常使用 z t 值( 称为无量纲优值，t 为绝对温度) 。能够用于温差发电的材料既要有较高的旺、 o 值又要有较低的九值，这是一个十分苛刻且矛盾的条件，以至于室温下热电材料z t 的最高值约为l 的状况至今未能突破。因而，寻找高优值的热电材料，一直是热电学研 究的重要内容，这些研究主要包括： ( 1 ) 熟电新材料的研究，如稀土硫化物、硒化物、富硼固体、方钴矿型化合物的研 究。这些研究表明，通过控制最佳载流子浓度或通过圆溶掺杂来解决良电导和热绝缘的 矛盾是有效的。 ( 2 ) 热电材料新结构的研究，包括梯度材料、复合材料和量子阱结构的熟电材料等。 热电材料的梯度结构包括材料载流子浓度的梯度化和层叠热电材料结合面的梯度化。合 理的梯度化结构可以使材料适应内部温度梯度的变化，使得最佳的材料能运用在最合理 的温度区域，提高总的转换效率。 ( 3 ) 热电材料制备新工艺的研究，常用的方法有熔体生长法和粉末冶金法，以及微 型半导体热电器件采用的气相生长法。制备方法与工艺的完善与否，对材料的性能影响 很大。粉末冶金法适用于大规模生产，而且原材料浪费少，获得的材料机械性能好，是 一种有前途的适合实用普及的工艺方法。 2 热电转换元件的模块化 单个热电转换器件的转换功率很小，需要经串，并联组合 制成转换模块，并实现产品的标准化、系列化。图1 5 为美 国碰z 公司为车辆余热转换研制的一种热电模块，由7 1 对 碲化铋热电偶联接起来，固定在一个被称为“蛋架”的框 架上；模块在温差2 0 0 时输出2 3 8 v 1 9 w 电流。该公司已 研制了4 种不同规格的产品，形成了一个系列，输出电功率 从2 5 w 至1 9 w 。 图1 - 5a z _ 2 0 熟电转换模 3 温差发电器结构 ( 1 ) 结构形式 温差发电器的结构取决于热源特征、散热方式和温度分布，以及发电器所用热电偶 的性能和排列情况。目前温差发电器主要有平板式和圆桶式两种。平板式温差发电器的 热电转换模块适合平铺在矩形通道上，形成类似于太阳能电池阵的热电偶阵，运行时热 6 第一章绪论 流从通道内流过，经壁面向转换模块传递热量。圆桶式温差发电器表面铺设的热电偶有 一定的弧度，一般用于较大型的结构上。一个典型的台架实验装置如图1 6 所示，图中 柴油机排气管通道上固定的是一个温差发电器实验装置，可以看出它的矩形结构和连接 导线。 ( 2 ) 热源与冷源 车用温差发电器的热源是发动机排气和冷却水 带走的余热，前者的温度可达8 0 0 左右，后者一般 在1 0 0 以下。温差发电器冷源的形式有空气自然对 流散热、强迫通风散热、水冷散热和环流散热4 种。 现在设计的热电偶臂长仅为3 - 1 0 m m ，冷热端间距很 小，所以，适当的冷源形式是获得较大温差的关键因 素之一。 图1 6 柴油机捧气温差发电实验装置 ( 3 ) 固定方法 目前，温差发电器的结构趋向通用化和组件化，热电模块固定在发电器外壁，固定 方式主要有粘结法和机械固定法。图l - 6 为机械固定的一个实例，其中的热源是一条矩 形管道，在它的外壁上布置有若干热电模块，模块的外侧设置了冷却水道，并用支架和 弹簧压紧。这种方法相对于粘结法来说，便于更换与检修，但是结构比较复杂，接触热 阻也比较大。 ( 4 ) 分区结构 充分利用温差的另一个措施是使各热电模块工作在最适当的温度范围内。由于排气 管内的热流体沿其流动方向温度在不断下降，因此，沿流动的方向将通道划分成若干温 度区域，在不周的温区内设簧不同材料的热电模块，使其工作在适当的温度下，从而获 得最大的转换效率和输出功率。 4 车用发动机余热的温差发电 近年来，车用发动机余热温差发电技术发展很快，国内外许多高校、科研机构、军 队、有关企业、汽车公司都有研究成果的报道。一些试验装置已经进行了实验室台架试 验、道路试验以及耐久性试验，转换规模在数百瓦至1 5 0 0 w 之间。日本n i s s a n 汽车公 司研究中心研制了一种温差发电器，它的外形尺寸为4 4 0 m m x l 8 0 m i n x l 7 0 r a m ，接在 3 0 0 0 c c 汽油机的排气管中部；所用的热电偶直径2 0 m m 、高度9 2 m m ，每8 对组成一个 模块，每个模块输出1 2 w 电能，总共7 2 块模块敷设在内通道的矩形外壁上。温差发电 器的外部采用水冷却，最大温差为5 6 3 k 。在道路实验中，当汽车以6 0 k m h 的速度爬坡 时，发电器可转换排气中l l 的热量。 美国h iz 技术公司b a s s 等人1 9 8 4 年发表了关于1 5 k w 温差发电器设计的论文， 1 9 9 0 年以后，在美国能源部的连续资助下进行了载重车柴油机排气余热温差发电的研 究，2 0 0 1 年在康明斯2 5 0 k w 柴油机上进行了台架和道路实验。试验在排气管上用7 2 块h z1 4 模块按圆周排列布置，冷端用水冷却，形成了2 5 0 2 7 0 温差。试验所用的 温差发电器输出功率主要依赖于发动机负载的变化，而受转速变化的影响较小。试验装 置共产生3 0 v l k w 的直流电，成本约为1 0 0 0 美元，回收需要一年半左右的时间。这一 装置的性能处于领先，但是获得的总功率不算高，到现在还没有进一步实用的报告。有 文献对国产解放1 4 1 汽车排气余热的温差发电做了研究：原车发电机输出功率为 3 5 0 k w ，额定电压1 4 v ，额定电流2 5 a 。计算表明，当使用9 6 0 个碲化铅热电偶，高温 热源为5 0 0 ( 2 ，低温热源为1 0 0 时，只要有1 6 6 1 0 j s 的排气余热就能转换得到与发电 7 东南大学硕士学位论文 机的输出相等的电量。而台架实验测得该车发动机在最低转速时排气的温度和流量已经 能满足这些要求，说明了排气余热的温差发电具有实用性。 1 3 内燃机余热利用研究发展趋势 通过对以上研究成果我们可以得出以下的结论； 1 、不管是车用还是其他用途的内燃机，根据需要可以回收其能量，用来作为提高内燃 机的效率、温差发电、空调供暖或制冷等等用途，而且可以看出目前这些研究将会越来 越实用。 2 、在把余热用作综合供暖目的时，使用冷却液与尾气两级余熟回收装置，可回收发动 机的大部分余热，足够满足客车采暖要求。同济大学设计开发的系统具有结构简单、控 制可靠、维护方便、运行成本低的特点，可以替代独立式采暖系统，或与其互为补充； 随着能够回收余热总量的增加，可考虑将这样的系统作为吸收式制冷的热源，从而实现 彻底的零运行费用车辆冷暖空调。 3 、对于温差发电的研究趋势，根据文献研究表明”3 ，温差发电系统的温差越大、热源温 度越高、材料优值越高，发电器的效率就越高。因此，提高温差发电器性能的方向是开 发高优值的热电材料和高效的转换器结构。由于近5 0 年来，热电材料的研究没有取得 期望的进展，因此，在现有材料的条件下开发高效温差发电器就成为了主攻的方向。在 这方面融合了先进设计方法和多学科的基础理论，如： ( 1 ) 优化设计研究。热电偶的优值除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关， 不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸，只有符合最优尺寸才能获得最佳的器 件优值。同时，设计中还要对温差发电器的负载等性能以及结构进行综合考虑，采用优 化、仿真和c a d 等现代设计方法进行优化设计，是今后研究的重要课题之一。 ( 2 ) 可靠性研究。可靠性较高一直是半导体热电器件的最主要的优点之一，但受设计、 制造和使用环境等因素的影响，器件的稳定性和使用寿命有明显的差别。有关失效机理 的分析和实验表明，半导体热电器件失效的主要原因是热电偶接头处发生的物质迁移， 接头处焊料或导流片的原子通过固体扩散的形式进入到电极材料中，成为额外的掺杂原 予，以及材料中掺入的杂质原子析出等改变了材料特性等。这些问题尚有待解决。 ( 3 ) 传热学的研究。温差发电器在设计中，需要根据热、冷源的形式，研究它的传热 方式、接触热阻、散热形式，几何形状及强化方法等问题。 ( 4 ) 多场协同转换器的研究。华南理工大学课题组根据排气管内热流的换热形式和热 电偶回路的基本定律，提出了一种全新的温差发电器结构。研究采用内置的轴向网状热 电转换模块和多级转换结构，冷源为分离式循环水冷，直接接入发动机的水冷系统。这 样做可以获得较大的温差、较高的热电偶集成度，并降低对热电材料! 值的要求，强化 了速度场、流场、温度场、电场的耦合，充分利用了余热流的能量。该研究已经完成理 论研究和验证性的实验。 温差发电器用于车用发动机的余热利用具有广泛的应用前景。从研究结果来看，目 前设计结构的温差不高熟电偶总数在1 0 0 0 个以下，存在着效率低、成本高、结构不 够紧凑等问题。在热电材料研究取得突破之前，采用强化热电直接转换技术，开发出大 功率、 高性能、高经济性的转换器件和转换系统，将是本课题的发展趋势。 1 4 本论文做的工作 在对上述相关研究分析和总结的基础上，提出内燃机余热综合利用的方案，具体是 利用内燃机的余热能量，得到可以用来驱动的液压能，同时还可以用来作为综合供暖能 源的一部分，在需要时可以加热食品。在提出方案后，设计换热器并进行理论计算，主 8 第一章绪论 要是热工学方面的计算；制作试验模型进行试验，得出试验数据进行验证。验证结果出 来以后，对结果进行分析，为以后设计此系统提出一些建议。 9 东南大学硕士学位论文 第二章内燃机余热生成量的模型建立与计算 本次计算的原始数据采用上汽通用“五菱之光”的标准型，具体的技术参数( 发动 机排量为1 0 5 升) 如下： 长宽x 高衄 轴距衄 裁轮后轮 整备质量k g 最大总质量k g 最小转弯直径m 乘员( 人) 发动机型号排量 额定功率h r 舶i n 最高车速k , h 油箱最大容积 3 6 9 5 x1 4 9 5 1 8 6 0 2 5 0 0 轮距衄 1 2 8 0 1 2 8 0 9 5 0 1 5 0 0 9 5 7 4 6 5 q 一1 a e 3 1 0 5 升 3 8 5 5 2 0 0 1 0 5 4 0 2 1 内燃机余热的生成规律 2 1 1 内燃机冷却余热的生成规律伽 发动机做功是通过燃料在燃烧室内燃烧放热来完成的。冷却余热同样是燃料燃烧放 热的产物，是由燃烧放热规律所决定的，同时受到多种因素的影响。采用了实验与数学 模拟相结合的方式对发动机冷却余热的生成规律进行探讨。在此，着重讨论转速和负荷 变化对发动机冷却余热生成的影响。 ( 1 ) 转速变化时发动机冷却余热的生成规律 将发动机喷油泵调节拉杆固定时，发动机性能指标随转速变化的关系称为发动机的 速度特性。但在澳4 试速度特性过程中，虽然油量调节拉杆固定在某一位置，每循环供油 量q ，却随转速而有所变化。为了更好地探讨转速对发动机余热生成的影响，从我们试验 的众多铡试工况中选择q ，比较接近的工况进行模拟。 选择的三个工况测试数据见表2 1 。 表2 1 转速对发动机冷却余热生成的影响 项目工况a工况b工况c 转速( r r a i n )2 0 0 01 8 0 51 4 0 4 油耗( 四缸) ( k g h ) 8 3 8 57 6 6 7 5 9 4 7 每循环供油量 ( 1 0 气g 缸) 3 4 93 5 43 5 4 冷却余热h 2 2 72 5 o2 3 9 程序模拟得到的发动机每缸、每循环的燃烧放热规律曲线如图1 所示。其中口姊4 矿 是指单位曲轴转角内燃料燃烧放热量。由图2 - 1 可见，当转速变化时，燃烧放热规律的 三个参数均会发生明显变化，特别是燃烧始点变化更为明显，它随转速降低而明显提前。 燃烧品质指数随转速的降低而增大，这在一定程度上抵消了燃烧始点变化的影响，使燃 烧放热峰值并没有随燃烧始点的提前而明显前移。燃烧持续角随着转速的降低而减小， 使燃烧放热更集中，所以曲线的峰值有所提高。 第二章内燃机余热生成量的模型建立与计算 1 21qos1 2l b 加2 4 勰 9 图2 - 1 转速对燃烧放热规律的影响 图2 - 2 转速对缸壁散热的影响 ( 1 ) 负荷变化时发动机冷却模拟得到单缸每循环生成的冷却余热跏随转速的变化 如图2 2 所示。在一个循环中单缸冷却余热的生成主要集中在燃烧放热阶段，即压缩过 程后期和膨胀过程初期。由于随着转速的降低，燃烧起始角提前，燃烧放热更为集中， 导致此阶段内工质压力和温度都升高，换热系数也随之增大，所以单缸每循环冷却余热 量增多。 ( 2 ) 负荷变化时发动机冷却余热的生成规律 当发动机保持某一转速不变时，其性能指标随负荷而变化的关系，称为发动机的负 荷特性。选择在2 0 0 0 r m i n 转速下，a 、b 、c _ - - - 个工况输出有效功率分别为。3 0 4 k w 、2 0 7 k w 和1 1 9 k w 。实验结果如表2 2 所示。模拟得到的负荷对燃烧放热规律的影响如图2 3 所示。 表2 2 负荷对发动机冷却余热生成的影响 项目工况a工况b工况c l 油耗( 四缸) ( k g h ) 8 3 8 55 4 1 83 8 1 4 冷却余热k - 2 3 o o1 7 2 11 3 8 4 由图2 - 3 可见，随着负荷的减小，每循环燃料质量减少，所以燃烧放热量也减少。 燃烧持续角随着负荷的减小而减小，这导致燃烧放热曲线的峰值逐渐向上止点前移动。 根据研究，虽然每循环冷却余热量的生成随负荷的减少而降低，但由于工质的最高爆发 压力和最高温度向左移动，最终导致有效功率占总输入热量比例减少，而冷却余热占总 输入热量比例增加。模拟得到的负荷对单缸每循环的冷却余热生成影响如图2 _ 4 所示。 影响冷却余热生成的因素还有很多，例如转速和负荷共同的影响、冷却水温度的影 响、环境温度的影响、喷油规律的影响等等，在此不能逐一探讨。从上述讨论得知转速 和负荷对冷却余热产生量的影响可以基本得到在各工况下冷却余热的产生量，例如取中 心嗍嘶舛伽o o n o n n o p一g、p者 东南大学硕士学位论文 等负荷时冷却余熟大约是轴功的7 5 。 图2 - 3 负荷对燃烧放热规律的影响 图争4 负荷对缸壁散热的影响 2 1 2 内燃机尾气余热的生成规律 尾气余热生成的规律与冷却水相似，也是与发动机的负荷，转速等参数有关。但有其特殊的规 律，由于捧气是不连续的，发动机捧气出口的温 度是在一定范围内变化的，变化规律如图2 _ 5 所 示“1 从图2 - 5 中可以看出，发动机的尾气温度 约为7 5 0 这是可以很好利用的中温余热。 2 2 换热器的设计计算 热量传递过程可以分为稳态和非稳态 过程。物体中各点温度不随时间变化的热 量传递过程，称为稳态过程，反之，则称 为非稳态过程。各种热力设备在持续不变 工况下运行时的热量传递过程为稳态过 程；而在起动、停机和变工况时所经历的 热量传递过程则为非稳态过程。一般情况 图2 - 5 发动机出口温度变化曲线下，在不加说明时都是指稳态传热过程。因 为本项目换热器大多数情况下是在稳态下工作，所以本次计算只讨论在稳态下的传热过 程。 1 换熟器结构形式的选择 o o o o o (、fpf軎l p ，喜 第二章内燃机余热生成量的模型建立与计算 冷却水迸a 压缩气体进入 净却水进a 压缩气体排出 图2 - 6 换热器布置方案一 压缩气体迸a 压缩气体排出 冷却水排出 冷却未排出 图2 - 7 换热器布置方案二 无论是取冷却水的热量还是取尾气的热量，为减小阻力，采用方案一；同时在设计 时，让换热器内细管的总截面积大大超过尾气或冷却水的管道，这样在换热器内尾气或 冷却水的流速大大降低，有利于充分换热。换热的管道采用水平布置，应该可以使系统 工作更为稳定。 2 换热器材料的选择 由表2 3 州知( 从原书中选了一部分，已经进行过比较筛选) ，从热导率来看，紫铜 的导热性能最好，价格也不是太贵，但是其密度太大，所以没有选择；钢和铁导热性能 不是太好，并且还要考虑防锈，也没有考虑选择：不锈钢倒是能防锈，但其导热性能不 行也没有选择；剩下的是铝和铝合金，其导热性能和密度都有很大的优势，纯铝的导热 性能很好，但是其机械强度不够没有选择，两种铝合金比较了一下，最终选择铝铜合金， 其密度比铝硅合金要稍大一些，但其导热性能也比它大一些，参考常用的换热器用的铝 合金的材料，就选择了铝铜合金。 东南大学硕士学位论文 表2 3 几种材料的密度、熟导率、比热容及对应温度 物质名称密度热导率比热容对应温度 堙所3 w ( m * k ) 材( 堙- x ) 铜( 紫铜) 8 8 0 0 3 8 3 ，80 ，3 8 1 0 铁( 纯的) 7 9 0 07 4 o 4 5 22 0 铝( 纯的)2 7 0 02 0 3 50 8 9 62 0 钢( 碳钢) 7 9 0 04 5 0 4 62 0 不锈钢( 铬1 8 0 4 ，镍 7 8 5 01 70 4 62 0 8 ) 铝硅合金( 7 8 - 8 0 a 1 2 6 3 01 6 10 8 5 4 2 0 2 2 2 0 s i ) 铝铜合金( 9 4 - 9 6 a 1 2 7 9 01 6 40 8 8 3 2 0 5 3 c u ) 3 通过圆筒壁的导热计算 根据选定的换热器的结构形式和工作原理，采用单层圆筒壁导热的计算公式，公式 如下； q = 2 i 晚( t w l tw