内燃机作为石油消耗和环境污染的主要来源之一,其节能研究对能源安全和环境保护具有重大意义,在各项内燃机节能技术中,余热能利用的节能潜力最大。温差发电技术可以将热能直接转化成电能,具有结构简单、运行稳定以及可靠性高等优点,在内燃机排气余热回收方面具有广阔的发展和应用前景。本文从温差发电器与大温度梯度排气余热的匹配方法和温差发电系统集成化设计两个层面,开展了内燃机排气余热回收温差发电系统的理论和试验研究,以开发高效输出电能的小型轻量化和高度集成化温差发电系统。基于热电材料物性参数特点,提出了温差发电器梯级结构来匹配径向大温度梯度排气余热,以最大程度上利用适用于不同温度区间热电材料的性能优势。探究p-n型半导体材料等比和非等比条件下,结构参数和冷热源边界条件对梯级温差发电器输出性能的影响,并优选出最佳长度比例,探索其性能提升潜力。基于此方法,利用温差发电器性能测试平台对梯级温差发电器输出性能进行测试,结果表明梯级结构能够有效地匹配径向大温度梯度排气余热。基于梯级温差发电器结构,提出了轴-径向大温度梯度排气余热匹配方法,通过梯级-单级温差发电器复合布置形式,实现热电材料对排气余热能多梯度、多维度高效利用。在此基础上,探究集热性能和梯级发电器非等比结构对温差发电系统性能以及发电器最佳布置形式的影响,对复合布置形式下的系统性能进一步优化。结果证明,温差发电器复合布置形式与单一布置形式相比具有明显的性能优势,实现了电能的高效输出。针对温差发电系统小型轻量化与高效输出的技术要求,进行系统部件集热-散热耦合设计研究,通过集热器-散热器结构的协同设计优化,探究温差发电系统性能提升潜力。采用传统设计方法,结合冷热源流动特点对部件结构进行优选,以此为基础,采用耦合设计方法,通过集热-散热面积比这一变量,探究肋片高度、肋片长度比和内燃机工况等参数对温差发电系统性能的影响,在重量尺寸限制条件下,获得系统最佳结构。设计结果表明,集热-散热耦合设计可以提高温差发电系统最大输出功率23.1%,且对应的系统重量尺寸满足小型轻量化的设计要求,具有较大的功率提升潜力。基于集热-散热耦合设计方法,结合试验测试条件设计了最佳集热-散热面积比为0.48的温差发电系统部件并开发样机,搭建温差发电系统试验平台,测试系统在不同冷热源边界条件下的热力学参数和电学参数,评价温差发电系统的综合性能。根据仿真结果选取合适的温差发电器型号,并进行最佳运行条件匹配测试,提高发电器热电转换效率。试验结果表明,温差发电系统输出性能随热源流量和冷源流速的提高明显提升,当热源温度越高时,提升效果越显著,在试验测试条件下,温差发电系统的最大输出功率为16.4 W。基于消声器基本原理和结构特点,进行温差发电系统集成化设计,以取代排气系统中原有的消声器,提高内燃机排气系统的兼容性和集成性。通过消声型温差发电系统三维数值模型,探究阻性材料位置、管道穿孔率、真空式结构等因素对温差发电系统电学性能和声学性能的影响,优选最佳集成设计方案;在此基础上,针对局部换热不均匀以及消声性能不佳的情况,设计新型换热结构,改善气体流动特性,并利用金属泡沫材料的高导热性和降噪性,提高集成模型的输出功率和传递损失,获得高度集成化消声型温差发电系统。