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原文传递发动机温差发电器系统性能特性及结构优化方法的研究

论文题名：	发动机温差发电器系统性能特性及结构优化方法的研究
关键词：	汽车;涡轮增压柴油发动机;温差发电器;结构优化;冷却通道;排气通道
摘要：	汽车发动机70％的能量以热能的形式散发到周围环境中，并没有形成有效做功，发动机余热能回收再利用的节能潜力巨大，将发动机的余热能回收后再利用，可以有效地降低油耗、提高总能效率和减少有害物质的排放。温差发电是一项古老而又全新的节能环保技术，利用热电材料直接将热能转化为电能的特性，具有体积较小、重量轻、工作寿命长、工作无噪声、无磨损不需要维护等优点，在车用发动机上具有广阔的应用前景。　　本文通过实验对温差发电器(Thermoelectric Generator,TEG)进行了基础性研究，探究了温差发电器的工作原理，基于实验数据支撑，建立简单的一维模型和仿真的三维数值模型，通过模拟仿真计算深入挖掘并探索了深层工作机理，研究温差发电器内部传热过程和热电转换过程，并进行参数化材料特性研究。在基础性实验和数值模拟的基础上，针对单一材料的温差发电器热电转化效率不高的情况，研究基于分段比例的分段式TEG单元综合设计方法。另外，还重点研究了排气通道和冷却通道结构对发动机温差发电器(Engine Exhaust-based Thermoelectric Generator，ETEG)系统性能的影响，建立一台六缸涡轮增压柴油发动机的ETEG系统数值仿真模型，对排气通道、冷却通道和ETEG系统进行了耦合数值模拟计算，研究排气通道和冷却通道的结构优化设计，以及空冷和水冷2种冷却形式的冷却通道结构优化设计。论文主要内容如下。　　(1)搭建温差发电器基本性能实验系统，利用实验方法了解温差发电器的性能特性。研究冷却方式、冷源温度、热源温度、负载电阻、电流等因素对温差发电器性能的影响，熟悉温差发电器和热电材料的基本性能，为后续研究工作寻求实验数据的支撑和验证。　　(2)利用一维模型结构简单、灵活性好、计算量小、计算效率高的特点，对温差发电器和发动机排气通道进行一维计算;基于守恒方程和边界条件创建后续研究所使用的基础三维TEG单元模型，进行仿真三维模拟计算。模拟计算与实验结果进行验证，了解温差发电器的几何结构、排气特征和不同边界条件等对温差发电器性能的影响。　　(3)现阶段温差发电器的主要问题是热电转换效率偏低，限制了温差发电器的广泛应用。发动机余热回收系统中冷热端存在巨大的温度差，几乎没有一种材料可以在这样大的温度范围内有效工作，分段的TEG设计是解决这一问题的有效途径。本文通过功率因子和效率因子来确定两种不同热电材料组成的温差发电器的最佳温度范围，针对不同的设计要求和工作条件，提出分段式TEG单元的综合设计方法，并通过三维模型的模拟计算加以验证，证实该方法可以作为快速、准确设计不同热电材料分段式TEG单元的有效工具。　　(4)排气通道的温度分布决定ETEG系统中TEG模块的热端温度，而热端温度直接决定冷热端的温度差，进而影响着温差发电器性能。本文全面地研究排气通道尺寸、排气通道数量、导流片数量、导流片角度等排气通道的几何结构参数对热量分布、热电转化特性和ETEG系统工作性能的影响。基于数值计算和研究分析的结果，对ETEG系统排气通道的优化设计提供详细的合理化建议。　　(5)冷却通道的温度分布决定ETEG系统中TEG模块的冷端温度，冷端温度直接决定冷热端的温度差，从而影响着温差发电器性能。本文全面地研究空气冷却和液体冷却2种冷却方式的冷却效果，研究了不同冷却方式的流向、进口流速、导流片数量、导流片安装位置、导流片安装角度等对ETEG系统工作性能的影响。基于数值计算和研究分析的结果，对ETEG系统冷却通道的优化设计提供综合性的合理化建议。
作者：	刁海
专业：	动力机械及工程热物理；动力机械及工程
导师：	杜青
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文