前言

为实现发动机冷却系统能量回收利用，利用数值计算的方法对基于温差发电技术的发动机冷却系统能量回收装置进行了设计，主要包括散热系统、能量回收管和温差发电片连接方式等内容的设计，并实际加工完成了该能量回收装置。

通过发动机台架实验研究表明，考虑到市售温差发电片耐高温不超过200℃的实际情况，对发动机冷却系统能量进行回收更为可行;同时也可以发现由于冷却系统自身温度较低，使得能量回收装置两端的温差相对较小，从而影响能量回收装置的输出功率。

基于温差发电冷却系统能量回收装置的设计

需要说明的是，实现发动机冷却系统能量回收首先需要保证冷却系统的正常工作，即需要完成散热功能。因为汽车发动机散热器对于汽车发动机来说是一个重要的部件，它关系着汽车发动机能不能安全快速运行的一个最为关键的因素，直接影响到发动机的性能。

必须保证具有良好的散热能力，为此在设计能量回收装置时采用将所设计的能量回收装置串入冷却系统中的方式，即能量回收装置与原有散热器为串联关系，如图所示。

采用此种结构一是能够充分利用发动机冷却液的余热进行发电，二是保留原有散热器使发动机的散热能力不下降。所设计的发动机冷却系统能量回收装置，目前没有成熟的针对该结构的设计方法，并且作为初步的理论分析，主要考虑相关影响因素对温差发电的影响。

其中，能量回收管与发动机冷却系统相连接，用于实现发动机冷却水能量的回收，组成温差发电器的热源部分;散热片、实心柱和实心板为温差发电器的散热部分，作为温差发电器的冷源;中间部分为温差发电片;其他为连接结构。

具体尺寸为实心板高度为原散热器的一半，宽度尺寸和原散热器一致;上部增加的散热片部分占原散热器的一半，使整个温差发电器和原散热器尺寸基本保持一致。

采用此种结构后，需要考虑两方面的问题:一是该结构如何保证两端温差，在发动机冷却系统温度基本稳定的情况下主要是如何保证冷端的温度;二是如何保证能量回收管表面温度保持一致。

对于温差发电器来说，如果两端温差不一致会导致整体输出功率受到影响，为此分别分析了冷端散热能力、能量回收装置表面温度均匀性和温差发电片连接方式等因素，从而完成该系统的设计。

1.1散热系统设计

如前所述，散热系统由散热片、实心柱和实心板组成，在设计过程中采用数值计算的方法对其散热能力进行了计算，计算过程基于ANSYS软件进行。由图中的能量回收装置结构可知，能量回收装置是对称结构，因此在分析过程中为了节省计算时间，可以只采用一半结构来进行分析，其网格模型如图所示。

根据产品材料，能量回收装置采用铝合金材质，导热系数为237W/mK，温差发电片依据半导体材质的特性，导热系数为0.6W/mK。

根据实际发动机工作过程中的温度，设定散热器内表面温度为85℃,外部发动机舱温度为30℃,在设置过程中温度设置分别在对应的表面设置完成，散热片的散热情况采用对流换热边界来设置完成，与温差发电片接触的一面的散热情况在考虑对流换热的同时还考虑了热辐射的影响，具体见图。

在设计过程中，发现对散热影响最大是用于连计算网格模型图边界条件设置接散热片和实心板的实心柱，在考虑其传递热量和加工等方面的因素，最终确定其根数为18根。

完成的计算结果如图所示，由侧视图可知，能量回收装置内表面温度为85℃,也即温差发电片的热端温度保持不变，散热系统与温差发电片接触的部分温度为60℃左右，温差发电片自身有一定的温度梯度，此时温差发电片两端的温差为25℃左右，采用该结构可以保持温差发电片两端有一定的温差，也即有一定的散热能力。

1.2能量回收管内部的结构设计

对于发动机能量回收装置内部结构来说，主要的目的是尽量使能量回收装置的表面温度保持均匀，这样温差发电片的输出电压基本一致，有利于能量的整体输出。为此结合现有散热器的基本结构，能量回收装置内部采用矩形盒结构，并增加隔板。

利用隔板把能量回收装置内部空间分成有限的几部分，其内部挡板又(a)侧视图(b)正视图有几种不同的结构，其中(a)为水平挡板汽车发动机能量回收装置温度场模式，水平分布3个挡板，挡板之间为水平关系;

为中间对称分布着6个挡板，两个挡板按一定的角度分布，分别与中轴线呈60°、45°和30°;(c)内部呈两个V字形分布，出口位置挡板之间的距离和出口直径一样;(d)与(b)结构基本一致，只不过在离入口不远处多加一个挡板，且6个挡板的一端都呈现V型。

(a)水平隔板模式(b)对称隔板模式(C)V字形模式(d)对称隔板家挡板模式

汽车发动机能量回收装置能量回收管结构示意图

由于计算过程中涉及到流体和固体的耦合问题，为此需要进行流固耦合。方法为在workbench中的流体计算模块的基础上增加固体计算模块，两种不同模块之间可以实现数据的相互传输，流体计算的结果可以作为固体计算时的边界条件，具体模式见图。

首先进行流体部分的计算，在计算流体部分时不需要隔板部分，只需要将流体经过的部分建模即可，同时由于几种不同结构的能量回收管所建立的模型基本相同，此次只给出了6(a)所示结构的网格模型，如图所示。

根据所研究的流体(冷却液密度1010kg/m3，动力粘度系数为0.0011Pa·s)以及发动机冷却水流速，入口速度设置为0.5m/s，入口温度为85℃,出口压力为0.1013MPa(在实验台上一般出口是常压)，在Fluent模块依次完成边界条件的设置，计算过程中需要利用能量方程，流动过程采用k-ε湍流模型，设置为稳态计算。

水平隔板模式

流体计算完成后，关掉Fluent模块，然后进入StaticStructure的Model模块，在此时禁用冷却液几何模型，只需要分析装置外壁即可，此时将流体计算的温度数据作为边界条件传递给固体计算。

对称隔板模式

因为冷却系统能量回收装置的材料是铝合金，所以需要构建铝合金材料，修改工程数据，增加铝合金材料Aluminum，密度为2700kg/m3，杨氏模量为7.2e+8Pa，泊松比0.33。

V字形模式

如图所示为几种不同内部结构的能量回收管表面温度的对比图。由图可知，第一种装置温度有变化，整体不是很均匀;由于第四种结构会使冷却液流动速度降低，使得整体温度较低;第三种的温度分布总体较为平稳，但是在边界位置处有温度较低点;第二种装置总体比较均匀．为此采用第二种结构方式。

对称隔板家挡板模式

1.3能量回收装置实物

结合实际条件，采用外协加工的方法实现该装置的焊接工作，为了能够减少变形在焊接过程中采用夹具的方法来固定，尽量减少变形量．焊接后的实物图如图所示。

1.4温差发电片的连接方式

温差发电片的连接方式对于其输出功率的大小有着直接的影响，需要综合考虑温差发电片片数、外接负载和温差发电输出电压和电流等数据。

在考虑能量回收装置整体结构的基础上，本次能量回收装置共安装了100片温差发电片，温差发电片型号为F30345，尺寸为40mm×40mm×3.8mm，最高温度不超过200℃。

综合考虑温差发电片两端的温差一般在15～35℃之间，其输出电压范围为0.7～1.7V之间，电流为100～280mA之间，因此如果考虑给汽车蓄电池充电，1000Ah蓄电池一般内阻值0.5mΩ,充电电压为12V，为此采用10片串联后10组并联方式连接，同时在电路中需要串入一定的电阻，使负载电阻大约为1Ω左右。

在选定温差发电片布置方式后，需要对充电电路进行设计，确保其能够给蓄电池正常充电．本实验过程中，采用商业稳压模块来实现。

冷却系统能量回收试验

为了验证所设计的能量回收装置是否可行，采用台架实验的方式进行了验证。

2.1台架实验系统

为了能够实现能量的回收，首先需要将设计的温差发电能量回收装置加入到台架系统中，具体方法是将温差发电器的出水口和入水口串入发动机冷却系统的进入管路。

所采用的台架系统由EQ491型发动机(具体参数如表所示)、电涡流测功机、测功机测控系统、汽油机ECU、计算机以及相关参数的测量装置和传感器组成。

表1EQ491型发动机参数

同时，为了测量热端冷却水的温度和环境温度，采用一级精度的K型镍铬-镍硅热电偶测量其温度值，热电偶通过调理电路后进入数据采集系统，采集系统采用阿尔泰公司的USB2002系统，数据采集仪与电脑连接，实时记录温度、电压等实验数据，具体设备参数见表，其精度见表。

表2主要试验设备

表4为发动机处于怠速条件下，当冷却系统温度保持在85℃时，冷热端温度、输出电压、电流及功率测量结果．需要说明的是由于采用了稳压模块，输出电压稳定在12V输出，同时为了消除实验误差，在实验过程中每个点分别测量三次，最后取平均值。

表3测量仪器参数及精度

表4台架试验测量结果

由表4可知，当发动机处于怠速工况时，温差发电器的热端温度基本保持在84℃左右，这和冷却系统的温度基本保持一致，而冷端温度基本保持在59℃上下，因此温差发电器两端的温差大约保持在25℃左右，此时采用该能量回收装置能够回收的电能功率大约为26W。

这表明采用该能量回收装置可以实现发动机冷却系统能量的回收利用.

如果发动机每小时油耗量为V(L/h)，燃油密度为ρ(kg/m3)，燃油热值为hu(kJ/kg)，根据经验大约有25%的燃油能量耗散到冷却系统，则发动机冷却系统的散热功率可以表示为:P=ρV0－3×0.25kW，EQ491发动机怠速油耗约为0.7L/h，汽油密度为730kg/m3。

汽油热值为43070kJ/kg，则此时发动机冷却系统的散热功率为:P=ρV0－3×0.25=730×0.70070×10－3×0.25=1.5kW．可知采用此种结构方式的发动机冷却系统能量回收装置的回收效率约为:26W/1500W=1.7%。

可见，采用温差发电技术进行发动机冷却系统能量回收是可行的，同时也发现回收的电能比较有限，主要原因是温差发电器两端的温差较低。因此要想提升温差发电器的输出功率，提高两端温差是十分必要的。

结论

在采用数值计算方法辅助设计的基础上，通过散热系统和能量回收管内部结构的分析，完成了基于温差发电技术的发动机冷却系统能量回收装置，并通过发动机台架实验进行了验证。可以得到以下结论:

(1)基于市售温差发电片对发动机冷却系统能量进行回收是可行的;

(2)实验表明，采用100片温差发电片，在温差发电片两端温差保持在25℃时，该能量回收装置可以实现大约26W的功率输出;

(3)基于温差发电技术的冷却系统能量回收由于受到两端温差的限制，输出功率较低。

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