热电现象(几种发动机余热回收技术，你都知道吗)

发动机是通过燃料燃烧做功产生机械能，在能量转换过程中就会有能量损失。根据研究表明，发动机转变为有效功的热当量占燃料燃烧总发热量的30%-45%（柴油机）或20%-30%（汽油机）。其他以废热形式排出车外的热量占燃烧总发热量的55%-70%（柴油机）或70%-80%（汽油机），因此汽车燃料燃烧所产能的热量只有三分之一左右被有效利用，其他大部分能量则通过发动机的冷却散热和高温尾气排热而损失掉。

下图为一个典型的发动机能量流图。

典型发动机能量流

其中废气在离开发动机燃烧室后，废气温度可高达800-900℃。因此，废气热含量高，可将高达35%的燃料能量带入环境，不仅浪费能源资源，而且还增加了碳排放量。为了能够提高发动机的热量利用率，减少能量损失，工程师们针对废气能量这块开发了多种余热回收技术，主要包括废气涡轮、朗肯循环以及热电联产，通过多种技术的应用，可以回收废热中30%以上的能量。

1、废气涡轮TC（Turbo-charging）

废气涡轮增压技术是把发动机排出的废气输入涡轮，通过涡轮作用提高进气压力，从而改善内燃机的动力性和经济性。关于废气涡轮增压技术目前市场已经发展的相当成熟，至今已经发展100余年，在中国市场，柴油机是几乎是100%增压，汽油机增压机占有率也达到了40%以上。目前中国市场上最先进的应用应该是两级涡轮增压柴油机，已经在长城GW4D20T和上汽大通π发动机上实现量产。

废气涡轮增压器

除了单纯使用废弃涡轮增压提高进气压力以外，目前还发展出了涡轮复合技术，通过机械连接将涡轮动力传递至曲轴，提高发动机扭矩输出。除此以外，在发动机电气化趋势下，通过废气涡轮增压驱动发电机发电也是一个重要的技术方向。具体可以翻看汽车动力总成前期文章。

涡轮复合技术

2、朗肯循环RC（Rankinecycle）

朗肯循环是一种简单的蒸汽动力循环，早在1970年代就开始了朗肯循环发动机余热回收技术的研究。在朗肯循环中，循环工质在蒸发器中吸收排气废热后由液态变为高压蒸汽从而推动膨胀机（汽轮机）发电，此时由高压蒸汽转变为低压蒸汽，而后经冷凝器冷凝为液态完成一个循环。原理图如下所示。

简单朗肯循环原理

本田朗肯循环发动机

根据试验结果，采用朗肯循环余热回收系统之后，发动机热效率可以提高约13%-20%，从上图本田朗肯循环发动机可以看出，系统结构对于空间的需求十分重要，因此受制于空间因素、成本和技术复杂性等原因，这项技术应多处于研究阶段。

3、热电联产（半导体温差发电）TEG（Thermoelectricgenerator）

半导体温差发电是利用由温差产生的塞贝克效应发电，塞贝克效应（Seebeck effect）又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。

塞贝克效应原理

TEG一般直接布置在发动机排气端，离发动机排气端口越近越好，当前车用温差发电模块最高温度一般不超过750℃，而在三元催化器出口位置尾气温度一般在800℃左右。将TEG模块布置在三元催化器与一级消声器之间的位置，靠近催化器端，充分利用余热高效发电。根据研究表明，通过温差发电大约可提高热效率10%以上。

以上三种余热回收技术优劣势简单对比：

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