● 摘要
随着汽车工业的高速发展，能源消耗量不断增大，汽车的节能问题越来越受到广泛的关注。发动机燃烧燃油产生的能量除了提供机械机构驱动以外，很大一部分余热通过各种方式散发到环境中。如果能将发动机的余热进行有效的回收，会对整机燃油经济性和排放带来极大的改善。热电发电机（Thermoelectric Generator, TEG）作为一种新型的发动机余热回收装置，具备结构紧密、性能稳定、无污染、无噪声、使用寿命长等优点，不需要中间传动件就可以将一部分发动机余热直接转换为电能，具有非常良好的发展潜力。本文提出了一种柴油机EGR系统新型平板换热器式热电发电装置，并利用建模仿真和试验研究手段，对热电发电装置的输出性能、结构优化以及使用经济性等方面进行了全面综合的分析。
首先，基于热电理论和传热学理论对平板换热器式热电发电装置建立了完整的一维数值传热模型。创新性地利用Newton-Raphson方法对数值模型离散处理并进行仿真运算，初步揭示了系统内部的能量传递过程，分析了热流体入口温度、流速以及冷却流体入口温度等影响热电发电装置输出性能的决定因素。
其次，在数值传热模型的基础上，基于Star-CCM+软件环境创建了热电发电装置的三维CFD仿真模型，进行了合理的网格划分和边界条件设置。研究分析了系统的温度分布、热流传递以及内部流体压强变化等影响热电发电装置输出性能的关键因素，同时研究了换热器的几何结构和翅片布置方案对热电发电模块两端的工作温差、流体压力损失以及换热热阻的影响。同时对热电发电装置的冷却系统进行优化，通过增大冷却管道的入口和出口截面面积以及在内部增加导热翅片，改善了热电发电模块冷端的冷却效果。
第三，基于真实的发动机系统参数，在GT-Power环境中建立了包括增压柴油发动机模型、EGR系统模型和平板换热器式热电发电装置模型在内的完整的系统仿真模型。论证分析了在目前技术条件情况下，选用EGR冷却器和热电发电装置前后串联布置方案的合理性和可行性。在稳态和瞬态工况条件下，对仿真模型中的EGR废气状态和热电发电装置的输出功率进行分析。结果表明，加装热电发电装置后废气压力损失极小，对发动机输出性能指标的影响非常有限。
第四，基于Simulink平台的QSS车辆仿真分析工具箱，对加装热电发电装置的车辆燃油消耗率和使用经济性分别进行了预测和分析。对比研究了换热器管采用不同材料对燃油消耗率的影响，同时对比分析了大型城市公共汽车和小型乘用车加装热电发电装置后，在燃油消耗率、发电成本以及回收成本年限上的表现。结果表明，由于公共汽车对质量的敏感程度低于小型乘用车，所以应用热电发电装置的经济潜力很大。
最后，利用英国拉夫堡大学（Loughborough University）动力总成试验室Caterpillar某型号发动机台架，搭建了平板换热器式热电发电装置的试验平台，在稳态和瞬态工况条件下对发动机各项输出参数、废气状态、能量流动和热电发电装置的输出性能等进行试验研究。通过试验数据和发动机仿真模型数据的对比分析，验证了模型的准确性，为今后进一步开发高性能热电发电装置创造了一定的基础。