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技术领域

本发明涉及一种汽车发电系统，更具体的说涉及一种汽车尾气温差发电系统。

背景技术

内燃机汽车工作时，燃料燃烧产生的能量不可能全部转化为动能，据有关资料统计，若将汽车燃油消耗总能设为100%，则只有约30%用于实际驱动汽车；剩余约70%的能量被以各种形式浪费，若对这部分废热加以回收发电，则会大幅提高内燃机的燃料利用效率，有效降低汽车的燃油消耗，减少对环境的污染，带来良好的社会效益和可观的经济效益。

温差发电是直接将余热废热等热能转化为电能的有效方式，具有无运动部件、无噪声、无污染、工作可靠、使用寿命长等优点，近年来得到世界许多国家的高度重视和大量投入。车用发动机余热温差发电技术近几年来发展很快，转换规模可在数百瓦至几千瓦之间，热电发电系统既可以有效的回收发动机废热，减少能源浪费以及排放的有害物质，又可以通过外部电路将所转换的电能储存到车用蓄电池或其他储能设备中，以供汽车电子设备使用，有效的提高了汽车的燃油利用率。

目前，商用车用发动机尾气温差发电系统中温差发电装置通常设置在涡轮增压器后的排气管路上。参见图6，该发动机尾气温差发电系统包括发动机1、发动机冷却水循环控制器3、涡轮增压器2和涡轮旁通气路5，涡轮旁通气路5一端与发动机1的排气口相连接，涡轮旁通气路5另一端与排气管7相连接，涡轮旁通气路5上设置有泄压阀4；涡轮增压器2后的排气管7上设置有温差发电装置6。但是，该种结构中，当发动机1在低速工况下时尾气温度及流量低，使得该温差发电装置6在低速工况下电压/电流的输出不稳定；同时，发动机1排出的尾气流经涡轮增压器2后必然会能量减少、温度下降（比流经涡轮增压器2前下降约200℃），使热电材料的选择局限在中低温区适用的BiTe系，使得该温差发电装置6的发电功率与转化效率较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的汽车发动机尾气温差发电系统中发电功率与转化效率较低、且在低速工况下电压/电流输出不稳定等问题，提供一种汽车尾气温差发电系统。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种汽车尾气温差发电系统，包括发动机、发动机冷却水循环控制器、涡轮增压器和涡轮旁通气路，所述涡轮增压器中的涡轮机进口与发动机的排气口相连接，涡轮增压器中的涡轮机出口与排气管相连接，所述涡轮旁通气路一端与发动机的排气口相连接，涡轮旁通气路另一端与排气管相连接，涡轮旁通气路上设置有泄压阀，所述的涡轮旁通气路上设置有温差发电装置，所述温差发电装置的进气口和出气口分别与涡轮旁通气路相连通，温差发电装置的冷却液进口和冷却液出口分别与发动机冷却水循环控制器的进出水管路相连通。

所述的温差发电装置通过导线与电能转换器相连接，所述的电能转换器通过导线与电能存储器相连接。

所述的温差发电装置包括集热气箱、发电模块和冷却水套，所述的集热端气箱为正方形截面纯铝材质的通心柱体气箱，所述的冷却端水套为纯铝材质的扁平长方体，所述发电模块的热端与集热气箱外表面贴合，发电模块的冷端与冷却水套内端外表面贴合，所述的冷却水套外端外表面上套置有卡箍，所述集热气箱的进气口和出气口分别与涡轮旁通气路相连通，所述冷却水套的进水口和出水口分别与发动机冷却水循环控制器的进出水管路相连通。

所述的发电模块单体共包含126个PN电偶对，各PN电偶按照16行×8列的矩阵排布。

所述发电模块的PN电偶对的电偶臂由PbTe热电材料制作而成。

所述的温差发电装置包括集热器、温差发电片和多个通心棱柱体，所述集热器包括中空的箱体和两端的进气口、出气口，集热器的进气口和出气口分别与涡轮旁通气路相连通，所述多个通心棱柱体排布在集热器的箱体内部，且多个通心棱柱体贯通集热器的箱体两面壳体，多个通心棱柱体的两端分别通过汇集管路与发动机冷却水循环控制器进出水管路相连通，所述的温差发电片设置在通心棱柱体外壳面上，且温差发电片的冷端与通心棱柱体的外壳面相贴合。

所述集热器的箱体与进气口和出气口之间分别设置有导流管。

所述的多个通心棱柱体等间距按矩形阵列排布在集热器的箱体内部。

所述的多个通心棱柱体垂直贯通集热器的箱体两面壳体。

所述通心棱柱体的外壳面上固定有绝热框架，所述的温差发电片固定在绝热框架上。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、设计新颖，保证了温差发电装置输出电压/电流的量级及稳定性，方便了电能的存储及管理。本发明中涡轮旁通气路上设置有泄压阀，涡轮旁通气路上设置有温差发电装置，温差发电装置的进气口和出气口分别与涡轮旁通气路相连通，温差发电装置的冷却液进口和冷却液出口分别与发动机冷却水循环控制器的进出水管路相连通；该涡轮旁通气路上的泄压阀仅在发动机高速工况下开启，在低速工况下是关闭的，即温差发电装置仅在高速工况下输出电能，与现有技术中温差发电装置设置在涡轮增压器后相比，避免了低速工况下温差发电装置输出电压/电流的不稳定，方便了电能的存储及管理。

2、本发明中温差发电装置设置在涡轮旁通气路上，温差发电装置所用热源为涡轮增压器前的尾气，温度可达600～650℃，而尾气流经涡轮增压器后其温度一般在400℃左右；因此相比现有技术中温差发电装置设置在涡轮增压器后面，本发明能够利用更多的尾气热量，从而能够得到更高的发电功率与转化效率。

3、优选的，本发明中温差发电装置的发电模块PN电偶对可以使用由中高温区适用的PbTe热电材料制作而成的电偶臂，与现有技术中设置在涡轮增压器后的温差发电装置所用的中低温区适用的BiTe热电材料相比，本发明能够得到更高的发电功率与转化效率。

4、优选的，本发明中可以选择使用的温差发电装置包括集热器、温差发电片和多个通心棱柱体，多个通心棱柱体排布在集热器的箱体内部，且多个通心棱柱体贯通集热器的箱体两面壳体，温差发电片设置在通心棱柱体外壳面上，且温差发电片的冷端与通心棱柱体的外壳面相贴合；使得温差发电片的热端与发动机尾气气流直接接触，发动机尾气能量在传导过程中损失极小，故可明显提高温差发电片的热端温度，进而提高了本温差发电装置的发电功率和发电效率。

5、本发明中在涡轮旁通气路上设置温差发电装置，可以和现有技术中设置在涡轮增压器后的温差发电装置联合使用互不干扰，进一步提高汽车尾气废热能源回收总功率、节能减排，扩大了热电发电机在汽车、特别是商用车领域的适用范围。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明中实施例一中温差发电装置结构示意图。

图3是本发明中实施例一中发电模块示意图。

图4是本发明中实施例二中温差发电装置结构示意图。

图5是本发明中实施例二中通心棱柱体结构示意图。

图6是现有的发动机余热温差发电系统结构示意图。

图中，发动机1，涡轮增压器2，发动机冷却水循环控制器3，泄压阀4，涡轮旁通气路5，温差发电装置6，排气管7，电能转换器8，电能存储器9，消声器10，集热气箱11，发电模块12，冷却水套13，电偶臂14，氧化铝陶瓷极板15，集热器61，温差发电片62，通心棱柱体63，导流管64，绝热框架65。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，一种汽车尾气温差发电系统，包括发动机1、发动机冷却水循环控制器3、涡轮增压器2和涡轮旁通气路5。

参见图1，所述的涡轮增压器2包括涡轮机和压缩机两部分，所述涡轮增压器2中的涡轮机进口与发动机1的排气口通过管路相连接，涡轮增压器2中的涡轮机出口与排气管7相连接；涡轮增压器2利用发动机1排出的尾气惯性冲力来推动涡轮机，涡轮机带动同轴的压缩机，压缩机压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增加压力进入气缸，当发动机转速增快，尾气排出量增加，尾气涡轮转速也同步增快，压缩机就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率。但是，发动机1在低速工况下时尾气流量低、冲力小，导致涡轮增压器2转速过低，影响了涡轮增压器2功效；为了提高发动机1在低速工况下涡轮增压器2的效率，可以使用较小气流通过面积的涡轮增压器2，同时又要保证发动机1高速工况下涡轮增压器2不超速，为此加装了涡轮旁通气路5。所述涡轮旁通气路5一端与发动机1的排气口相连接，涡轮旁通气路5另一端与排气管7相连接，涡轮旁通气路5上设置有泄压阀4；涡轮旁通气路5的开闭通过泄压阀4控制，当传感器检测到涡轮增压器2转速过高时，泄压阀4开启，一部分尾气不通过涡轮增压器2而是通过涡轮旁通气路5直接进入排气管7，使通过涡轮增压器2的尾气流量减少，涡轮增压器2转速下降，从而达到控制涡轮增压器2转速的目的。

参见图1，温差发电装置，是一种利用材料温差发电效应、能够将热能转化为直流电能的装置。所述的涡轮旁通气路5上设置有温差发电装置6，所述温差发电装置6的进气口和出气口分别与涡轮旁通气路5相连通以收集尾气热量；温差发电装置6的冷却液进口和冷却液出口分别与发动机冷却水循环控制器3的进出水管路相连通，构成水冷散热系统。所述的温差发电装置6通过导线与电能转换器8相连接，所述的电能转换器8通过导线与电能存储器9相连接。

实施例一

参见图2，本实施例中所述的温差发电装置6包括集热气箱11、发电模块12和冷却水套13，具体可参见本申请人同日申请的实用新型专利《一种汽车废气温差发电装置》内容。所述的集热端气箱11为正方形截面纯铝材质的通心柱体气箱，所述的冷却端水套13为纯铝材质的扁平长方体，所述发电模块12的热端与集热气箱1外表面贴合，发电模块2的冷端与冷却水套3内端外表面贴合；冷却水套3外端外表面上套置有卡箍，通过卡箍使发电模块12在集热气箱11和冷却水套13之间夹紧，以保证发电模块12的热端与集热气箱11外表面的接触面之间、发电模块12的冷端与冷却水套13内端外表面的接触面之间具备高的热传导效率。所述集热气箱11的进气口和出气口分别与涡轮旁通气路5相连通，所述冷却水套13的进水口和出水口分别与发动机冷却水循环控制器3的进出水管路相连通。

参见图3，所述的发电模块12由PN电偶对构成，各PN电偶对之间通过导线串联；所述的发电模块12单体共包含126个PN电偶对，各PN电偶按照16行×8列的矩阵排布。所述发电模块12的PN电偶对的电偶臂14由中高温区适用的PbTe热电材料制作而成，相比于现有的温差发电装置所用的中低温区适用的BiTe热电材料，热能够得到更高的发电功率与转化效率。

参见图3，所述发电模块12的PN电偶对的电偶臂14为正方形截面的实心柱体，电偶臂14两端通过绝缘导热材料氧化铝陶瓷极板15分别与冷却水套13和集热气箱11相贴合进行热交换。

参见图1，当发动机1运行在高速工况时，泄压阀4开启，发动机1排出的尾气中一部分尾气流经涡轮增压器2，另一部分尾气通过涡轮旁通气路5流经温差发电装置6。本温差发电装置6的集热气箱11收集的尾气热量传导至发电模块12的热端，发电模块12的冷端热量传导至冷却水套13，由此使得本温差发电装置6产生的直流电能通过导线传输至电能转换器8，做DC-DC转换处理后传输至电能存储器9保存。

实施例二

参见图4，本实施例中所述的温差发电装置6包括集热器61、温差发电片62和多个通心棱柱体63，具体可参见本申请人同日申请的实用新型专利《一种汽车尾气温差发电装置》内容。所述集热器61包括中空的箱体和两端的进气口、出气口，集热器61的进气口和出气口分别与涡轮旁通气路5相连通，所述多个通心棱柱体63排布在集热器61的箱体内部，且多个通心棱柱体63贯通集热器61的箱体两面壳体。多个通心棱柱体63的两端分别通过汇集管路与发动机冷却水循环控制器3进出水管路相连通，使冷却水以通心棱柱体63为管道循环流动，保证冷却水的快速循环；所述的温差发电片62设置在通心棱柱体63外壳面上，且温差发电片62的冷端与通心棱柱体63的外壳面相贴合，使得温差发电片62的热端与发动机尾气气流直接接触，发动机尾气能量在传导过程中损失极小，故可明显提高温差发电片62的热端温度，进而提高了本温差发电装置6的发电功率和发电效率。

参见图4，所述集热器61的箱体与进气口和出气口之间分别设置有导流管64。所述的多个通心棱柱体63垂直贯通集热器61的箱体两面壳体。

参见图4，所述的多个通心棱柱体63等间距按矩形阵列排布在集热器61的箱体内部。

参见图5，所述通心棱柱体61的外壳面上固定有绝热框架65，所述的温差发电片62固定在绝热框架65上。

参见图1，当发动机1运行在高速工况时，泄压阀4开启，发动机1排出的尾气中一部分尾气流经涡轮增压器2，另一部分尾气通过涡轮旁通气路5流经温差发电装置6。温差发电片62的热端直接与尾气气流进行吸热换能，温差发电片62的冷端通过通心棱柱体63壳体与发动机冷却水进行散热换能，使温差发电片62的热端和冷端之间产生温差发电效应，由此使得本温差发电装置6产生的直流电能通过导线传输至电能转换器8，做DC-DC转换处理后传输至电能存储器9保存。

本发明利用涡轮旁通气路5中的高温尾气为热源，发动机冷却剂循环系统为冷源，以此形成温差进行发电，产生的直流电能经电能转换器8处理后存入电能存储器9，从而回收该气路中的尾气热能，减少了能源浪费以及排放的有害物质，有效的提高了汽车的燃油利用率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。