（车辆工程专业论文）汽车排气废热温差发电系统与发动机消声器一体化设计研究.pdf

独创性：声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：趔b ! l 摘要 随着汽车工业的不断发展，汽车保有量逐年攀升，如何实现车辆的节能减 排、降低百公里油耗成为政府部门、汽车生产商以及消费者重点关注的问题。改 进发动机性能无疑是提高燃油经济性的一个直接途径，然而发动机产业发展至今 已十分成熟，想要再取得重大突破已非常困难，因此可以从能源回收利用的角度 来实现车辆燃油经济性的提高。本课题针对发动机尾气热量高的特点，通过温差 发电转换装置将尾气余热转换化为电能，供车载用电设备使用或作为基于热电的 4 2 v 汽车弱混合动力系统的能量来源，实现尾气热量的重复利用，提高车辆的燃 油经济性。 本文介绍了课题组搭建的温差发电实验台架的构成，探讨了影响温差发电 系统效率的因素并提出针对性的改进方法；针对温差发电器废热箱体的不同结构 对尾气热量利用率的影响，设计了多种废热箱体内部结构，并进行实验验证和计 算机仿真：用温度传感器和g u i d et p 8 s 红外热像仪分别测量标定点温度并拍摄 箱体表面的温度分布情况；用c f d 软件f l u e n t 对不同内部结构的箱体进行仿真 研究，最后确定废热箱体的内部结构。 在温差发电实验台架进行尾气回收实验的过种中，有两个值得关注的问题： 一是废热箱体外形尺寸较大，在将来的装车实验中会与消声器安装位置发生冲 突；二是由于制造工艺及内部结构设计的原因，废热箱体的工作噪声较大。为了 解决废热箱体与消声器安装位置的矛盾以及噪声问题，本文提出了一种新的研究 方法，即将废热箱体与消声器进行一体化设计，通过实验验证与发动机仿真软件 g t - p o w e r 的仿真研究，提出一种较为可行的废热箱体设计方法，既解决了箱体 与消声器安装位置的矛盾、降低了箱体的工作噪声，同时也节省了原材料，体现 了环保的初衷。 温差发电系统通过回收发动机尾气所得到的电能，除了可储存在蓄电池中 供车载用电设备使用外，本文还提出其可以作为基于热电的4 2 v 弱混合动力系 统的能量来源之一，作为后续温差发电研究的方向。 关键词：温差发电；废热箱体；消声器；一体化设计 a b s t r a c t w i mt h ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y a n dl n c r e a s l n 。g p o s s e s s i n gc a p a c i t y o fv e h i c l e sw i t he a c hp a s s i n gy e a r , h o w t or e a l i z et n e e n e r g y s a l v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o nr e m a i n sas e r i o u sp r o b l e mt o g o v e m e n t s ，t h e a u t o n l o b i l ec o m p a n y i e sa n dt h ec o m s u m e r s ad i r e c tw a y t os o l v et h i sp r o b l e ml st o i n l p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l ea n g i n e ，h o w e v e r , t h ee n g i n ei n d u s t r y h a sb e e n d e v e l o p e dm a t u r e l yt om a k eh u g eb r e a k t h r o u g h t sa n dw e s h o u l df i n dm e t h o d sf r o m t h ep e r s p e c t i v eo fe n e r g yr e c y c l i n gt oi m p r o v ev e h i c l ef u e le c o n o m y t h i sp a p e ra i m s a tt h eh i g hh e a to fe n g i n ee x h a u s tg a sa n d c o n v e r s et h eh e a te n e r g yo ft h ee x h a u s tg a s i n t oe l e c t r i ce n e r g yt h r o u g ht h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rf o ro n - c a re l e c t r i ce q u i p m e n t u s i n go rt h ep o w e rr e s o u r c eo f4 2 vm i l d h y b r i ds y s t e mt or e a l i z et h er e c y c l i n g o f e x h a u s tg a se n e r g ya n di m p r o v i n g v e h i c l ef u e le c o n o m y t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ec o n s t i t u t i o na n d s t r u c t u r eo fat h e r m o e l e c t r i c g e n e r a t i o n t e s t b e n c h ，d i s c u s s e si n f l u e n c i n g f a c t o r so ft h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n s v s t e ma n dt h ei m p r o v i n gs u g g e s t i o n s s e v e r a li n n e rs t r u c t u r e s o fe x h a u s tg a sh e a t e x c t 龇g e rh a sb e e nd e s i g n e dt o r e s e a r c he x h a u s tg a sh e a ta v a i l a b i l i t yo fd i f f e r e n t i 1 1 】rs 仃u c t u r e s ，e x p e r i m e n t st e s t i n g a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n a l ef o l l o w e da s w e l l ：u s et e m p e r a t u r es e n s o rt om e a s u r et h et e m p e r a t u r eo f f i x e dp o i n t sa n dg u i d e t p 8 s 也e 彻a li n f r a r e di m a g e rt ot a k et h ep i c t u r eo fs u r f a c et e m p e r a t u r eo fh e a t e x c h a n g e r ；u s ec f ds o f t w a r e f l u e n tt os i m u l a t et h ed i f f e r e n ti n n e r s t r u c t u r eo f e x h a u s tg a sh e a te x c h a n g e r , t h e np i c ko u tt h eo p t i m u m i n n e rs 1 批t u e i nt h ep r o c e s so ft h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h e r ea r et w op r o b l e m s t ob ec o n s i d e r e d ：o n ei st h a tt h es h a p eo fe x h a u s tg a sh e a te x c h a n g e r i st o ol a r g e ，w h i c h w i l lb eac l a s h 讹t h ei n s t a l l a t i o np o s i t i o no ft h e m u f f l e ri nt h ef u t u r eo n 。c a r e x p e r i m e n t ；a n o t h e r i st h en o i s eo fe x h a u s tg a sh e a te x c h a n g e rb e c a u s e o 士t n e m a i l u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dt h ei n n e rs t r u c t r u e t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e r a d v a n c e san e wr e s e a r c hi d e aw h i c hi st om a k eai n t e g r a t i o nd e s i g no fe x h a u s tg a s h e a te x c k m g e ra n dt h em u f f l e r , t h e nb r i n gf o r w a r dad e s i g nm e t h o da c c o r d i n g t ot h e r e s u i to fe x p e r i m e n t st e s t i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nt h i sw a y , t h e c o n t r a d i c t i o no f h e a te x c h a n g ea n dt h em u f f l e rc a nb es o l v e d ，t h en o i s eo f t h ee x c h a n g ec a nb el o w e d d o w na i l d t h er a wm a t e r i a l c a nb ec u td o w n a sw e l lt or e a l i z et h e e n v i r o n m e n t p r o t e c t i n gi n t e n t i o n 1 i 。1 k e yw o r d s ：t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ；e x h a d e s i g n i i i 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景和意义l 1 2 国内外研究现状综述1 1 2 1 国内外汽车尾气温差发电的研究现状2 1 2 2 热电材料的发展现状5 1 2 3 温差发电技术在其它领域的应用7 1 3 本课题研究内容9 第二章温差发电及汽车噪声理论。1 0 2 1 温差发电原理1 0 2 1 1 赛贝克效应【2 1 1 l o 2 1 2 帕尔贴效应2 2 1 1 0 2 1 3 汤姆逊效应【2 3 j l l 2 1 4 热电材料的性能评估l 一1 1 2 2 噪声理论。l l 2 2 1 发动机噪声的分类。12 2 2 2 发动机空气动力噪声l2 2 2 3 消声元件声学分析。1 3 2 2 4 消声元件的设计要求。1 3 2 3 本章小结1 4 第三章汽车尾气温差发电实验系统。1 5 3 2 温差发电器的结构与安装位置1 7 3 2 1 温差发电器的结构1 7 3 2 2 温差发电器的安装位置1 8 3 3 温差发电系统效率的影响因素2 0 3 3 1 废热通道的内部结构2 0 3 3 2 热电模块拓扑结构2 4 3 3 3 热电模块性能2 4 3 3 4 发动机排量2 6 3 4 系统的能量储存与管理2 6 3 5 本章小结2 7 第四章废热通道减噪设计实验研究2 8 4 1 废热箱体噪声水平实验2 8 4 2 实验结果分析2 9 4 3 本章小结3 0 w 第五章废热箱体与消声器一体化设计3 l 5 1 消声器的基本理论一3 1 5 1 1 消声器的作用3l 5 1 2 消声器的分类和结构3 l 5 1 3 消声器的评价指标3 3 5 2g t - p o w e r 软件简介3 4 5 2 1g t o p o w e r 软件的发展3 4 5 2 2g t - p o w e r 模型数据库的组织体系及模块分类标准3 6 5 2 3g t - p o s t 后处理3 6 5 2 4g t - p o w e r 与c f d 软件耦合仿真3 6 5 3 废热通道与消声器一体化建模3 7 5 3 1 废热通道与消声器模型的建立3 7 5 3 2 废热通道与消声器一体化模型的声学分析。3 9 5 4 发动机模型的创建4 2 5 5 废热通道与消声器一体化模型的声学仿真4 4 5 6 废热通道与消声器一体化模型的改进4 7 5 7 本章小结4 8 总结与展望4 9 主要研究成果4 9 本论文的创新点5 0 进一步工作安排如 参考文献5 2 致 射5 5 发表论文及参研项目。5 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 汽车产业发展至今，我国已成为世界上的汽车产销大国。随着国民经济的 不断发展，汽车保有量也在逐年攀升，随之而来的环境问题、能源问题以及噪 声问题不断恶化。因此，节能减排成为我国汽车工业发展的大势所趋，也是响 应创建“环境友好型、资源节约型”社会号召的一项关键举措。 据公安部交管局统计，截至2 0 1 0 年9 月底，我国机动车保有量达1 9 9 亿 辆，其中汽车8 5 0 0 多万辆，据专家推测，随着我国汽车保有量的逐渐增加，到 2 0 2 0 左右，这一数据可能会达到2 亿辆左右，和美国相当。粗略估算现有的这 些汽车每年约消耗燃油1 2 亿吨，而一般汽车总体燃油能量利用率仅在3 0 左右， 汽车尾气所带走的热能约占发动机输出能量的4 0 t ，若能对这部分散失的能量 进行回收，实现重复利用，将能在很大程度上提高车辆的燃油经济性。假设目 前的温差发电系统效率能达到5 ，对应于尾气的热量相当于燃烧2 4 0 万吨燃油 所产生的能量，具有很大的回收利用价值。 此外，汽车正常行驶时的噪声所带来的噪声污染也日益严重【2 】。噪声是当 今世界三大公害( 大气污染、水污染、噪声污染) 之一，其影响面最广、直接 关系到人们的生活和健康。发动机产生的噪声在汽车噪声中占有很大比例，因 此，对发动机噪声产生机理以及噪声控制措施的研究显得尤为重要。 1 2 国内外研究现状综述 温差发电是一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源并将其转换成 为电能的有效方式1 3 j 。温差发电( t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ) 这一概念早在上世 纪6 0 年代就已被提出，主要用来解决汽车尾气能量浪费的问题。近年来，随着 汽车普及率的不断提高，能源资源的相关问题不断暴露，为解决不断恶化的能 源危机，实现能源的重复利用，越来越多的公司、科研机构以及高等院校致力 于汽车尾气温差发电的研究，如美国能源部、b s s t 、h i z 、v i s t e o n 、b m w 、 g m 、f o r d 、t o y o t a 等公司以及俄亥俄州州立大学、清华大学、同济大学、 武汉理工大学等高校，均取得了不同的进展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 国内外汽车尾气温差发电的研究现状 早在1 9 6 3 年，应用于汽车上的温差发电试验系统就被研制出来，但直到 二十多年前，人们才实现温差发电最重要技术的突破。 1 9 9 2 年，美国h i z 公司推出了应用于柴油运货车上的温差发电试验系统【4 l ( 如图1 1 ) 。该温差发电试验系统横截面为正六边形，废气从中间通过，冷端 为铝制散热盘，共有7 2 片h z 1 3 型热电模块，整个装置通过弹簧来夹紧固定。 此温差发电试验系统在设计时的发电功率为1 k w ，但实际用康明斯n t c 3 2 5 型 发动机试验时，所得到的功率只有4 0 0 w ，不到预定发电量的一半。日本n i s s a n 公司的温差发电试验系统冷热两端分别为铝制矩形截面的废热通道与水套，热 电模块按3 行1 2 列的形式排列，模块间距1 0 m m ，因此管道表面积的利用率只 有5 5 。在道路实验中，当汽车以6 0 k m h 的速度爬坡时，发电器可转换废气中 1 1 的热量【5 j ( 如图1 2 ) 。 图1 1h i z 公司应用于柴油运货车上的温差发电器 2 武汉理工大学硕士学位论文 。 c o l dp l a t et e m s 主望呈l ：置i ，矿f 呈 rnn f - 乏乏乏，矿芝 童豳圈豳豳蠢f 强露陵甓凌霪 圈圈圈圈圈豳i 浇凌露露跷霪 囊圈圈圈圈囵i 曩滋黝露髭霪 图卜2n i s s a n 公司温差发电器结构示意图 2 0 0 4 年，应美国能源部对车载温差发电器研究的要求，c l a k s o n 大学和 d e l p h i 公司合作研发了一套温差发电系统，该系统的预期发电量为3 0 0 w ，应用 于通用s i e r r a 皮卡_ k 1 6 1 。为达到预期发电量，热电模块组由1 6 块h z 2 0 型热电 模块组成，模块外形尺寸为7 5 x 7 5 x 5m m 3 ，重1 1 5 9 ，单片模块在冷热两端温差 为2 0 0 时的发电量至少可达到1 9 w 。这些模块分别贴在碳钢制成的温差发电器 的两个端面，冷端与铝制的水套相接触，并通过紧固元件夹紧。整个温差发电 装置的外形尺寸为3 3 0 x 2 7 3 2 1 6m m 3 ，总质量3 9 1 k g ( 如图1 3 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 图卜3c l a k s o n 大学和d e l p h i 公司研制的热电转换系统 2 0 0 4 年1 1 月，美国能源部f r e e d o mc a r 职能部门与b s s t 公司签订了一项 协议，共同成为开发和研究高效率热电系统的四个核心成员之一，该系统专为 乘用车设计，项目的即定目标是将燃油经济性提高1 0 个百分点，实现车辆的节 能减排【_ 7 1 。该团队的成员及其任务分工如下：b s s t 作为项目首席公司，主要负 责开发热电发动机( t h e r m o e l e c t r i ce n g i n e s ) 、热电模块和各总成；v i s t e o n 公司负 责开发高效率的功率转换和电子控制系统以及热交换器( h e a te x c h a n g e r ) ；b m w 和f o r d 公司负责开发适用于热电系统的整车平台；c a l t e c h 和j p l 公司负责先进 热电材料和模块性能的研究；v i r g i n i ap o l y t e c h n i c 公司负责开发先进的功率转换 和电子控制系统；n r e l 负责在测功机上对热电系统进行测试和评价。在该团队 的研究过程中，热交换器的结构形式经历了两个阶段：第一阶段的热交换器截 面为矩形，有两个进气口和一个出气口，有利于提高管道内气流温度；第二阶 段的热交换器截面为圆形，称为圆柱式热交换器，相较于之前的结构，圆柱式 的外形能更好地分流和管理热膨胀力，减小接触面的热阻，节省安装空间从而 降低系统复杂度。 2 0 0 8 年3 月，以美国通用汽车公司为首，包括宝马汽车及其零部件供应商、 俄亥俄州州立大学在内的多家汽车公司及科研机构着手热电技术的研究1 8 j 。该项 目在汽车排气管上安装一种特制的金属，以汽车尾气作为热源，采取空气冷却 4 武汉理工大学硕士学位论文 的方式进行温差发电形成电流，并通过电机来驱动汽车，但未见有关于该装置 结构的具体资料说明。该技术已在雪佛兰s u b u r b a n 上进行了装车试验，实验车 辆经历了5 万公里的行驶里程，实验结果表明，该系统将热能转化电能作为混 合动力驱动车辆，每加仑燃油可使车辆的行驶距离增加一英里，节省燃油约1 0 。 s u b u r b a n 属于大型车，如果该技术应用在小型车上，能增加的行驶里程会更多。 1 2 2 热电材料的发展现状 热电材料最显著的功能是直接将热能转换为电能，其性能对于温差发电系 统有着直接影响，按热电材料的组成成分，可以分为以下几类【9 j ： 1 ) 半导体合金热电材料 在目前已形成大规模商业用途的热电材料中，半导体合金热电材料的性能 是最优良的，它也是用途最广泛，技术性能最成熟的热电材料。目前在温差发 电系统中所使用的合金材料主要包括b i 2 t e 3 ，p b t e 和s i g e ，这几种材料已经研 究得比较成熟，性能较优，它们的主要区别是能承受的使用温度区间不同。b i 2 t e 3 是低温型热电材料，在室温下，它的优值较于另外两种是最高的，在已经大面 积商用的热电模块中，b i 2 t e 3 占了绝大多数，该材料的优值已十分接近l ，属于 较高的水平，在制冷方面以及低温区域的温差发电系统中使用得较为广泛。目 前，对于这一材料的加工工艺以及制备方法还在不断改进中，以期能使其达到 更好的性能【l 们。如麻省理工大学的研究学者提出，可以在b i 2 t e 3 的层状结构中 插入某些绝缘物质，有可能使其优值增加约3 倍。p b t e 材料主要用于中温区域， 温度范围约为4 0 0 7 0 0 k ，相关研究人员对p b t e 晶粒结构与其发电性能之间的 联系进行了准确的描述，可以将这一材料的优值提高到0 4 5 。s i g e 材料的使用 温度范围较高，可达7 0 0 k 到1 2 0 0 k 之间，当该材料处于1 2 0 0 k 的温度时，其 优值无限接近于l ，性能优良，多用于航空航天方面，如航空器上使用的同位素 温差发电系统以及某型号的火星探测器等。 2 ) 氧化物热电材料 氧化物热电材料所应用的温度范围为中高温区域，与其它热电材料比较而 言，氧化物热电材料具有以下优点：能适应高温及氧化的氛围并能长时间工作； 制备过程简单且无毒无污染；制做样品时可以直接在空气中烧结，成本低；正 是具备这些优点，氧化物热电材料在中高温热电领域有很大的发展空间j 。目 前所使用的氧化物热电材料主要以过渡金属为主，典型的有钴基氧化物热电材 料，而这其中尤以n a c 0 2 0 4 单晶热电材料的性能为最优。 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) s k u t t e r u d i t e 类热电材料 s k u t t e r u d i t e 类热电材料广泛应用于中温区域，具有良好的热电性能，主要 体现在载流子的迁移率较好以及赛贝克系数居中，虽然与其它热电材料相比其 热导率较高，但由于s k u t t e r u d i t e 类温差电材料本身的晶体结构较为特殊，可以 通过相关途径如合金化来降低晶格的热导率，实现热电材料在性能上的飞跃， 因此，s k u t t e r u d i t e 类热电材料是目前所研究的热电材料系统中极具研究与发展 潜力的材料之一【1 2 】。目前的热电材料以c o s b 3 为代表，由于该材料的晶格中存 在一定数量的空洞，需要填入适量金属原子以形成填充方钴矿化合物，经研究， 填充化合物的导热率显著降低，具有很好的实际应用价值。 以上介绍了目前热电材料的发展现状，随着温差发电技术的不断革新，对 热电材料的要求也越来越高，各国的学者以及研究人员也积极致力于高性能热 电材料的研究，主要的研究方向为l j ： 1 ) 掺杂化：通过在材料的结构组织中添加其它物质来改变其微观结构， 典型的例子是纳米化结构，在热电材料中添加纳米级别尺寸的杂质，用于复合 纳米结构的热电材料；通过对所掺杂质的组成、结构以及份量的调节来得到纳 米新相，以提高热电材料的优值。 2 ) 薄膜化：根据相关研究人员的研究结果，材料的薄膜化能极大的降低 材料的导热性，是提高热电材料性能的有效方法之一。蒲膜化方法的原理是改 变材料的量子结构从而改变材料的性质，如在费米能级时材料密度的增大可以 使材料的赛贝克系数增大；根据量子理论以及调节掺杂，材料的迁移率会在一 定的载流子密度下增大【1 4 】。由此可见，对材料的薄膜化处理方式能极大地提高 热电材料性能，具有良好的发展前景。 3 ) 梯级化：温度也是影响热电材料的一个关键因素，不同的热电材料有 其相应的适用温度范围，因此热电材料分为高温热电材料、中温热电材料以及 低温热电材料。温差发电器表面的温度分布并不均匀，因此温差发电器件的工 作温度并不相同而是具有一定的温度梯度。若在不同的温度范围内都能有与该 温度相适应的性能较好的热电材料，就能使材料的性能得到充分发挥。这种具 有温度梯级化功能的材料一般分为两种：一种是分段式温度梯级材料，顾名思 义，这种材料是由不同的热电材料分段组合而成，每一段材料都在自己最适宜 的温度范围内工作；另一种是载流子浓度温度梯级化功能材料，该材料是一段 整体，只是材料的载流子浓度在温度梯度方向上被逐步优化，这样就使得材料 总是工作在最适宜的温度范围【l5 1 。通过理论计算，温度梯级化功能材料的效率 6 武汉理工大学硕士学位论文 可达到约1 5 - 1 6 ，比普通热电材料高出将近一倍。 1 2 3 温差发电技术在其它领域的应用 温差发电技术的热源来源较为广泛，包括化石燃料、太阳能、地热能以及 放射性同位素热源等【i 们。美国军方由于野外作战的需要，开发出以普通化石燃 料作为热源的温差发电系统，该系统热端的热量由军队所用的燃油燃烧产生， 这些热量通过温差发电系统转化为电能，为战场上的各种用电设备使用。如美 国开发的一种燃烧式温差发电器，由1 2 0 对热电模块组成热电堆，可使用多种 军用燃油，装载一次燃油能使温差发电器连续工作1 2 小时，产生1 3 1 v 直流电 压，输出功率可达到1 2 0 w 。黎巴嫩大学的学者也进行了相关研究，他们所研 究的温差发电器热源为做饭用的火炉，热端与炉壁连接，冷端与空气接触，通 过空气冷却散热，该温差发电系统利用火炉与环境之间的温差来发电，取得了 一定成效。泰国也有研究人员进行了温差发电的研究，该系统的热源为太阳能， 通过放置于屋顶的金属板聚集太阳的能量，利用金属板集聚的热能与环境温度 之间的温差进行发电，电能带动风机转动促进屋内的空气对流，达到给房屋降 温的作用【1 7 】。此外，地热资源和放射性同位素热源也是温差发电系统热源的一 个重要来源。地热在地球内部蕴藏丰富，在地表面以下1 5 k m 范围内，每深1 0 0 m ， 温度升高3 k 。可以考虑把海水压入洋底深井中吸收地热再抽出来，与地面之间 存在数十度的温差，利用此温差可以启动温差电转换型的发电组，但此方案存 在温差小、成本高等缺点，目前还未见到相关应用的报道。放射性同位素热源 则在医学、海洋、地面以及空间等领域都有很好的应用前景。 除上述温差发电的应用外，在一些高科技领域也能见到温差发电技术的应 用，如：热电制冷技术应用于通信技术中，精确地控制光纤接口处的温度；热 电技术应用于微波通信技术，为沙漠、森林等无人区域的微波中转站提供电源。 除此之外，温差发电技术在垃圾焚烧余热发电以及钢铁厂废热发电中应用的研 究也在进行之中，待技术成熟后就能大规模投入生产使用。 此外，在人类征服月球的过程中，温差电技术也起着举足轻重的作用【1 引。 从1 9 6 9 年人类登上月球到2 0 0 1 年的进入火星探测，几十年间取得了很大的成 就，这其中热电转换技术具有不可替代的作用。利用热电转换技术，可以使一 枚硬大小的放射性同位素热源不断提供约2 0 年以上的电能，这是其他任何一种 能源技术都无法做到的。美国登月计划中“阿波罗”1 7 号飞船就是使用了热电 转换技术提供的电源从月球表面向地球成功地传送了数据，中央部分就是使用 武汉理工大学硕士学位论文 放射性同位素为热源的热电发电装置。到1 9 9 0 年为止，热电转换技术己成功应 用于美国国家宇航局2 0 多次太空飞行任务中，均取得了良好的效果，其中最长 的工作时间超过了1 5 年。 根据上述国内外研究现状可以总结出，对温差发电技术的研究，主要包括 以下几个方面的关键技术： 1 ) 热电材料：主要研究了适用于高温范围内的热电材料，以及对不同温 度区间的热电材料性能进行了优化，特别提到了温度梯级化功能材料，比普通 热电材料的效率要高出将近一倍【l 9 。 2 ) 温差发电系统的优化：热电模块结构参数的优化改进、温差发电系统 内阻与外阻的匹配问题以及其它影响系统效率的因素改进。 3 ) 冷却系统：目前的对温差发电系统的研究主要采用的冷方式为风冷和 水冷两种方式，其中水冷效果要优于风冷，但风冷在结构上较为简单，可根据 各自不同的特点进行选择。 目前对温差发电系统的研究大多处于实验阶段，国外有部分科研机构对温 差发电系统测试与计算机仿真方面的研究取得一定的成果。在现阶段的研究中， 取得了初步的成果，但研究中也存在一些需要改进的问题，可以作为今后研究 的方向，主要有以下几点： 1 ) 温差发电系统的效率问题。就目前的研究现状来看，温差发电系统的 结构并不复杂，需要解决的问题就是系统效率如何提高，应考虑影响系统效率 的因素，并寻找相应的解决方案。 2 ) 冷端的散热问题。目前的研究中采用的散热方式主要有风冷和水冷两 种，风冷结构简单但散热效果差，水冷散热效果较好但结构较复杂，需要建立 循环水冷系统。且碍于热电模块自身的导热性能，冷端的散热若不及时，热电 模块热端的热量很快传到冷端，减小模块两端的温度差，影响发电效率【2 0 1 。 3 ) 发动机工作状况对温差发电系统的影响。发动机即使正常工作时，自 身也会产生较大的震动，这会影响热电模块与温差发电器表面的贴合，影响尾 气热量与热电模块之间的热传递，降低发电效率；与此同时，高频的震动还有 可能破坏热电材料的内部晶体结构，影响热电模块的性能。 目前各国学者以及科研机构对汽车尾气温差发电的研究尚处于发展进步 阶段，对这一技术领域的探索还有很大的发展空间。一旦该技术应用成熟，到 达装车阶段，则可以有效的提高车辆的燃油利用率，实现车辆的节能减排，实 现能源资源的重复利用。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本课题研究内容 本课题旨在搭建一套汽车尾气温差发电实验台架系统，用来回收汽车尾气 所带走的能量，提高车辆燃油经济性，实现能源资源的重复利用，响应政府提 出的建设“节约型社会的号召。国内外现阶段的研究现状表明，利用温差发 电技术进行汽车尾气能量回收的效率不高，应着重研究影响温差发电系统效率 的因素；此外，由于所设计的温差发电器外形尺寸较大，在应用于实际装车中 可能会与消声器的位置发生冲突，为了解决这一矛盾，同时也降低温差发电器 工作时的噪声，在设计温差发电器时可以考虑将废热通道与消声器进行一体化 设计。针对以上情况，本课题所做的主要工作如下： 1 ) 在热电模块以及发动机性能不变的情况下，要提高发电效率，必须改 进温差发电器废热通道内部扰流结构的设计，让气体能在箱体内充分停留使其 能量能充分被热电模块利用的同时不对发动机的正常排气产生阻碍，影响发动 机正常工作，导致车辆动力性降低。因此，对废热通道内部的结构设计并进行 计算机仿真和实验研究是本课题研究的重点之一。 2 ) 针对温差发电器外形尺寸较大的特点，为避免其与消声器安装时位置 发生冲突，进行温差发电器与消声器一体化的结构设计，并基于功能强大的发 动机仿真软件g t - p o w e r 进行计算机仿真研究，同时，发动机台架的噪声实验也 同步进行，将实验与仿真结果进行对比，选择较优方案。 3 ) 建立温差发电回收能量的存储与管理系统，将温差发电所回收的电能 供车载用电设备使用，也可进行基于温差发电的4 2 v 汽车弱混合动力系统的研 究。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章温差发电及汽车噪声理论 2 1 温差发电原理 2 1 1 赛贝克效应砼” 早在1 9 世纪初，法国物理学家z j s e e b e c k 就发现了金属中的热电效应， 即将两种材料组成圆环的两个接头置于不同的温度环境中，该环状导体中将产 生电动势，这是热传导与电传导之间的两场耦合效应，即赛贝克效应，亦称之 为温差发电效应，这样的电路叫做温差电偶，该电路产生的电动势叫做温差电 动势，如图2 1 所示。温差发电技术利用热电材料的塞贝克效应，将热能直接转 换为电能。 4 1 , 热量敌瞄 图2 1 塞贝克效应与温差发电示意图 2 1 2 帕尔贴效应池3 帕尔贴效应是塞贝克效应的逆效应，最早由法国人帕尔贴所发现因而得 名。帕尔贴效应是指直流电流通过两种不同导热材料做成的导体时，接头处所 产生的吸热或放热现象，该热量称为帕尔贴热，帕尔贴热与回路中电流有如下 关系： 绋= 7 r 曲i ( 2 - 1 ) 式中，7 r a b 为帕尔贴系数，帕尔贴系数取决于一对材料本身的性能。帕尔 贴系数与温度有关，若接头处的温度不同，其吸收和放出的帕尔贴热也不同。 l o 对热电材料性能的评估主要用优值z 来描述，优值越大则说明热电材料的 效率越高，性能越好。热电材料的优值一般通过三个参数来衡量，即赛贝克系 数a 、电导率a 以及热导率k ，它们之间的关系如下式： z ：尘：生 k p k ( 2 3 ) 式中，p 为温差电材料的电阻率，口2 仃常被人称为品质因子。由该关系式 可以看出，热电材料的赛贝克系数和电导率越大、热导率越低，则材料的优值 越大，性能越好。在实际计量中，为了方便起见，常使用无量纲数值z t 来评估 热电材料的性能，t 为材料的绝对温度，即 z t ：o t2 c r t k ( 2 - 4 ) 2 2 噪声理论 评价汽车性能的指标有很多，如：可靠性、安全性、燃油经济性及噪声振 动等【2 5 1 。随着人们对汽车乘座舒适性要求越来越高，噪声振动性能也越来越受 到关注，逐渐成为评价一辆汽车的重要指标。除了顾客对车辆的要求，政府相 关法规也对车辆噪声进行限制，因此，顾客和政府两股力量使得汽车公司及科 研机构、高校都投入大量精力进行车辆降噪的研究。 汽车噪声分为以下三个部分：发动机及其附件的噪声，动力系统的噪声以 及车身的振动与噪声。本课题着重研究发动机排气压力在温差发电器件内形成 武汉理工大学硕士学位论文 的噪声，因此，着重介绍发动机噪声的相关理论。 2 2 1 发动机噪声的分类 发动机之于汽车就像心脏之于人体，发动机燃烧汽油( 柴油) 产生动力， 通过传动轴系，将动力传至车轮使汽车前进，这一系列过程中均会有噪声产生。 一般来说，发动机噪声可以分为三类：机械噪声、燃烧噪声和空气动力噪声【2 刚。 机械噪声是指气体在压力和惯性力的作用下，使运动部件产生冲击和振动 而产生的噪声，主要有活塞碰撞噪声、齿轮啮合噪声、供油系统噪声、正时系 统噪声、辅机系统噪声等。在发动机空气动力性噪声得到有效控制后，高速运 转时的机械噪声常常是主要的噪声源。 燃烧噪声产生于发动机气缸中，由于气缸中压力波的不断变化使其不间断 地对燃烧室内壁有冲击作用，从而产生振动，而形成了燃烧噪声。气缸内部结 构的刚性往往较大，具有很高的自振频率，因而燃烧噪声产生的振动及辐射噪 声具有高频的特点。由于缸内的压力波在发动机的一个工作循环内呈周期性变 化，其频率受到发动机转速的影响。燃烧噪声是由于气缸内部的压力波产生， 因此，压力波的压力越大，所产生的燃烧噪声也会越大。 空气动力噪声主要是由于气体扰动以及气体和其它物体相互作用而产生， 主要发生在进气和排气的过程中，它直接向大气辐射。当进气系统和排气系统 与发动机连接后就转化为进气口的噪声和排气尾管的噪声。 本课题主要进行汽车排气废热温差发电装置与发动机消声器一体化的研 究，因此对发动机噪声的研究侧重于空气动力噪声，尤其是排气部分的噪声。 2 2 2 发动机空气动力噪声 空气动力噪声的产生是由于气体的流动，或者物体在运动的过程中，与空 气产生撞击而形成涡流；另一种原因是空气的压力突然发生变化而产生的空气 膨胀与波动，这两种情况都会产生空气动力噪声。一般情况下，空气动力噪声 直接辐射向大气中，换言之，若发动机的排气系统没有安装消声器，排气噪声 将产生很大的声压级，低于排气噪声的是进气时和冷却风扇产生的噪声1 27 。 发动机排气噪声所包含的气体动力噪声有很多种。当排气阀打开时，气缸 内部燃烧产生的废气压力很大，会以很高的流速排出，由于紊流所产生的声功 率按流速的8 次方比例增大，噪声成分主要是高频噪声。当气体流经的管道较 狭窄或在管道转弯处时，气体就会与管壁发生激烈碰撞产生涡流而发出噪声。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 当气体流经排气支管、总管和排气尾管时容易引起管腔的共鸣。对于一端开放 另一端封闭的管件，噪声频率为f o = e 2 l ( c 为声速，l 为管长) ，若管道两端均 开放，则噪声频率加倍。气缸气体的排出具有问歇性，排气的基频为气缸数量 与每秒钟排气次数的乘积，也会出现其二、三倍的高次谐波。由于排气噪声属 于强噪声，在发动机噪声中占有很大的比例，因此一般发动机都必须安装消声 器。 2 2 3 消声元件声学分析 进气系统和排气系统是由一些管道和消声元件组成的系统。消声元件包括 扩张消声器、赫姆霍兹消声器和1 4 波长管等。在进气系统中，扩张消声器同时 也是空气过滤器。这些元件将使得一些频率的声波通过，同时也阻止了另一些 频率的声波传递，这样就起到了消声的效烈2 8 j 。 消声器分为被动消声器、主动消声器和半主动消声器 2 9 1 。被动消声器的原 理是将管道中的声音吸收或反射，来起到消声的作用；主动消声器通过电控系 统测量声源声波的幅值和相位，然后产生一个与声源同幅值反相位的声波，将 两个波能量抵消而起到消声作用；半主动消声器的核心是被动电控系统，当管 道内气体流动的状况发生变化时，半主动消声器通过气流来