汽车发动机废气余热发电系统仿真与研究

摘要

近年来，在经济社会快速发展的大背景下，我国能源消耗量大幅增加，石油进口量不断刷新纪录、对外依存度不断上升，节能减排已成为摆在全国人民面前一项重大而艰巨的任务。作为主要石油消耗产业之一的汽车产业，承担着越来越多的社会责任。内燃机作为汽车的传统动力源自发明以来已有近百年历史，人们不断追求的技术进步使其性能不断提高，但由于其燃烧循环固有特性的限制，内燃机热效率始终偏低，其中尾气排放带走了相当一部分能量。对于这部分能量，本文展开使用热电材料进行回收利用的研究工作。
　　 本文首先开展了TEG(Thermoelectric Generator)热端气箱与冷端水箱的实验与仿真研究。在热端研究中，通过实验获取了热端气箱表面温度与气箱出入口处排气温度MAP；利用实验测得的排气背压结果标定气箱压降等效模型，建立了气箱与发动机的集成仿真模型；使用该模型获取了排气流量MAP，得到了后续TEG发电性能计算所需的部分输入条件；使用仿真模型进行了气箱对发动机动力性、经济性与进气系统噪声影响的分析。在冷端研究中，通过对水箱内部效应的模拟，建立了TEG冷却系统与发动机的集成模型；针对水箱与发动机冷却系统的不同接入方式进行了仿真分析，发现采用小循环阶段接入方式时，发动机暖机时间明显延长，不宜采用；采用大循环阶段接入方式时，存在各水箱间水温升高不同步、水温达稳态后大小不同的问题。为消除以上问题，将现有的冷端水箱连接方式由串联改为并联，同时在水箱容量、冷却液进出口口径大小两方面进行了水箱的差异化设计。另外，为减轻TEG对发动机冷却性能的影响，从减薄水箱厚度着手，兼顾水箱的加工工艺性，对水箱容量进行了一定优化。仿真结果表明，改进后水箱间水温变化具有良好的同步性与一致性，水温达稳态的时间历程也有明显缩短，改进后的冷端结构具有较好的性能。
　　 最后，综合对TEG冷、热端的研究，建立了模块发电模型，结合对气箱表面温度分布的研究，重新设计了模块间电气连接的拓扑结构，建立了TEG系统级的发电性能计算模型，并进行了与整车模型的集成。使用集成模型进行了车辆工况下TEG性能的仿真研究，发现TEG在车辆低负荷工况下输出较差，对此进行了TEG的改进研究，仿真结果显示改进措施效果明显；为进一步提高温差，进行了冷端采用独立冷却回路的研究，发现在整车油耗增加不明显的情况下实现了TEG输出功率的大幅提升，通过对冷却风扇转速的优化，实现了风扇能耗降低与净输出功率的提升。