摘 要 随着汽车数量的增加，石油资源消耗以及尾气污染日益加重。根据发动机的能量分析，燃料提供的能量中，只有25%~38%能够转换为发动机的有效输出，而汽车尾气带走高达30~45%。因此，发展汽车尾气余热能利用技术是非常必要的。 本文利用热电发电技术，首先设计了一种基于环形热电发电器的汽车尾气热电发电系统。然后，基于传热分析，建立了分析环形热电发电系统性能的数学模型。最后，利用Matlab仿真，探讨了不同尾气温度、尾气质量流率、电极高度和电极对数等参数对系统的输出功率和效率的影响。研究发现：随着尾气温度或尾气质量流率的增大，系统输出功率和效率均增大。然而，在电极高度或电极对数增大时，系统输出功率和效率均先增加后下降，即存在某个中间值，使得系统输出功率和效率达到最大。本文为汽车节能减排和环形热电发电系统的设计提供了一定的理论基础。 关键词：汽车尾气；热电发电；环形；Matlab；输出功率；效率

ABSTRACT

With the increase of automobiles, the consumption of petroleum resources and the pollution of exhaust have become increasingly serious. According to the energy analysis of the engine, only 25% -38% of the energy provided by fuel can be converted to the effective output of the engine, while the exhaust heat is up to 30-45% of the energy provided by the fuel. Therefore, it’s necessary to develop the technologies to reuse exhaust heat. In this paper, using thermoelectric generation technology, an automotive exhaust thermoelectric generation system based on annular-shaped thermoelectric generators was proposed firstly. Then, based on the analysis of heat transfer, a mathematical model for analyzing the performance of annular automotive exhaust thermoelectric generation systems was established. Follow that, on the basis of Matlab, the effects of different parameters such as exhaust temperature, exhaust mass flow rate, leg height, and the number of thermocouple on the output and efficiency of systems were analyzed. Following conclusions are obtained: With the increase of exhaust temperature or exhaust mass flow rate, both the output power and efficiency of systems increase. However, as the leg height or the number of thermocouple rise, both the output power and efficiency of systems increase before attaining maximums after which they declines. In other word, an optimal leg height or the number of thermocouple maximizing the output power and efficiency exists. This paper in some extent provides the theoretical basis for conserving energy and reducing emissions of automobiles and the design of annular automotive exhaust thermoelectric generation systems. Key words: automotive exhaust; thermoelectric generation; annular; Matlab; output power; efficiency 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本研究主要研究内容 3 第2章 数学模型的建立 4 2.1环形汽车尾气热电发电系统结构 4 2.2数学模型的建立 6 2.2.1数学模型的简化 6 2.2.2传热过程表述 6 2.2.3传热方程的建立 8 2.2.4功率和效率的计算 13 2.3 本章小结 14 第3章 基于Matlab的仿真计算及结果分析 15 3.1 尾气温度T_ex的影响 15 3.2 尾气质量流率q_m的影响 16 3.3 电极高度h的影响 18 3.4 电极对数N的影响 22 3.5 电极设计方案的确定 23 3.6 本章小结 24 第4章 总结与展望 25 总结 25 展望 25 参考文献 26 致谢 28 附录 29 附录1 29 附录2 38

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着社会经济的快速发展，我国汽车保有量每年都有较大增长，截至2017年底，我国汽车保有量达2.17亿辆，保有量占全球20%^[1]。目前我国千人汽车保有量156台，相比美国、德国、日本、韩国等发达国家，仍有很大差距，未来我国汽车市场仍然有很大发展潜力。随着汽车数量的增加，尾气污染和石油资源消耗日益加重，而与此同时，我国环境污染问题突出，石油对外依存度已达65.4%，因此发展汽车节能减排技术是十分必要的。 根据发动机的能量分析，燃料提供的能量中，只有25%~38%的能量能够转换为发动机的有效输出，而汽车尾气带走的热量高达燃料提供能量的30~45%^[2]。同时，汽车尾气温度远高于环境温度。因此，汽车尾气中携带的能量不仅量大，而且品位相对较高，有很大利用价值。如果能够充分利用这一废热能量，将有助于提高车辆的燃油经济性，更能够节约石油资源，减少温室气体排放，带来巨大的社会效益和经济效益。目前，汽车尾气余热能回收利用技术主要有废气涡轮增压、废热制冷、取暖以及热电发电等。其中热电发电器具有无运动部件、可靠性高和对环境无污染等优点，因而利用热电发电器回收汽车尾气废热得到了国内外学者和企业的重点关注。

1.2 国内外研究现状

1821年发现的塞贝克效应，以及其后发现的帕尔贴效应和汤姆逊效应，为热电发电提供了理论基础。国外对于热电发电系统的研究较早，热电发电器最早于1942年由前苏联研制成功，发电效率仅为1.5%～2%^[3]。由于受热电转换效率的制约和成本的限制，早期的热电发电器仅被应用于军事、航空等领域。随着其后一些性能优良的热电材料的发明，热电发电技术逐渐得到重视及发展。下面将就热电发电技术在汽车上的应用进行回顾。 1964年，美国克拉克森大学的研究人员Tomarchio研发了一款基于汽车尾气的热电发电系统，该系统在一定工况下能够为整车用电器提供足够的电力^[4]。美国Hi-Z公司于1984年为美国军方设计了一款热电发电系统，该系统发电功率1.5KW^[5]。此后，在1990年，美国能源部与Hi-Z公司合作开始了汽车尾气温差发电系统的研究。2001年，该公司使用其研发的热电模块，开发出了一款用于载重货车的汽车尾气热电发电系统，该系统功率为1KW，转换效率为5%^[6]。2003年，Hi-Z公司和克拉克森大学、通用汽车公司以及德尔福公司合作，研发出了一套成功应用于通用汽车公司生产的Sierra皮卡上的尾气热电发电系统^[7]。实验结果显示，该系统能提高燃油经济性1~2%。 日本、德国等发达国家在汽车尾气热电发电方面也有相关科研计划。早在1998年，日本 Nissan公司就使用Si-Ge合金的热电材料模块，成功开发出了一款汽车尾气热电发电装置并应用于一款3L排量的汽车上，在进行道路实验时，在以60km/h的车速爬坡时，该发电装置热电转换效率约为11%^[8]。2009年，德国大众汽车公司开发出装有尾气热电发电装置的汽车，在高速公路路况下，该装置热电模块发电功率约为600W，可减少燃油消耗量约5%。 我国对于热电发电技术的研究主要集中在高校。武汉理工大学、天津大学、华南理工大学等高校均有牵头相关973计划。吉林大学的董桂田较早进行了热电发电的研究，在解放牌汽车的基础上通过基于碲化铅的尾气热电发电系统，从理论上证明了汽车尾气热电发电替代发电机的可行性^[9]。华南理工大学张征等人设计了一种新的温差发电器结构，在结构上做了较大的优化，从而获得了较高的温差以及较高的模块集成度^[10][11]。华南理工大学张晓丹设计了一种圆筒式温差发电系统，对温差发电组件的发电性能及热应力等进行了研究，并搭建数学模型与Fluent仿真模拟结果进行比较^[12]。武汉理工大学的袁晓红设计了一种层叠平板式温差发电装置，对该温差发电装置热端气箱进行流固共辄换热数值仿真，提出了一种评价平板式温差发电装置表面温度均匀性的指标——温度均匀性系数^[13]。武汉理工大学邓亚东课题组对温差发电模块的排布方式、安装位置以及温差发电器与消声器、三元催化器的集成化做出了很多研究，取得了相关成果^[14-17]。 综合国内外研究现状发现，几乎所有汽车尾气热电发电系统均采用电极横截面为平面的平板形热电模块。事实上，汽车排气管具有圆环形外形。为了消除排气管与平板形热电模块间因几何形状不匹配形成的传热阻力对整个系统性能的不良影响，绝大多数系统均对排气管进行了重新设计。然而，这种措施不仅提高了排气管或与之相关的设备的设计和制造成本，也增加了系统复杂度和整车重量，降低了整车的燃油经济性。考虑到电极横截面为环形的环形热电模块具有与排气管相匹配的形状和较好的性能，本项目提出了一个基于环形热电模块的汽车尾气热电系统，即环形汽车尾气热电发电系统。

1.3 本研究主要研究内容

基于国内外研究现状，在深入了解现有汽车尾气热电发电的前景和不足的基础上，本研究设计了一种基于环形热电发电模块的汽车尾气热电发电系统，以降低汽车燃油消耗实现节能减排。该系统热电发电模块形状为环形，和排气管形状相匹配，以期得到较高的输出功率和热电转换效率，优化系统性能。并且该系统应该能较为方便的安装在汽车排气管上，工作可靠。本研究的主要内容如下：

1. 通过三维建模，设计一种新型的便于安装在排气管上的环形汽车尾气热电发电系统。
2. 基于一定假设，建立分析环形汽车尾气热电发电系统性能的数学模型。并基于此，借助Matlab编程，探讨不同参数如尾气温度、尾气质量流率、电极对数和电极高度等对环形汽车尾气热电发电系统输出功率和效率的影响。