柴油机是我们石油资源的主要消耗者之一，也是CO2排放的重要来源，开展柴油机节能研究对我们节能减排具有重要意义。柴油机燃烧柴油所产生的能量中，大约有30%的能量以废热形式由尾气排出，不但造成了燃料的浪费，而且会对环境产生负面影响。温差发电技术是利用热电转换材料直接将热能转换为电能的新能源技术，具有结构简单、可靠性高等优点，可以对柴油机排气中的废热进行有效的回收利用，在内燃机余热利用领域具有十分广泛的应用前景。本文通过对半导体温差发电原理进行总结和归纳，详细分析了柴油机余热特性和半导体热电材料性能。针对柴油机大温差余热回收的特点以及半导体热电材料最佳工作温度区间较窄的特性，提出了半导体材料梯级分段温差发电系统。本文从理论上建立了梯级分段和常规两种类型温差电单偶的数学模型，利用该数学模型对分段和常规温差电单偶进行了模拟分析，计算了不同条件下温差电单偶的输出功率和热电转换效率，并将分段温差电单偶的性能与常规温差电单偶进行对比。分析结果表明，提高热端表面温度、降低冷端表面温度、提高表面对流传热系数，缩短温差电单偶的长度和增大温差电单偶的横截面积可以提高温差电单偶的最大输出功率，但对热电转换效率的影响较为复杂，改变横截面积对热电转换效率影响较小，缩短温差电单偶的长度甚至会使最大转换效率降低。相比较于常规温差电单偶，分段温差电单偶可以适应较大的冷热端温差变化范围，输出功率和热电转换效率均有提高。且冷热端温差越大分段温差电单偶的性能优势越明显。当热端表面温度为700K，冷端表面温度为300K时，温差为400K，材料长度分段比例为3:1的分段温差电单偶输出功率较常规温差电单偶中输出功率较高的CoSb3温差电单偶仍高出33.5%。为了验证温差发电理论模型，本文设计并搭建了温差发电系统实验台，利用该试验台对温差电模块的性能进行了测试。获得了与理论分析相同的性能规律，同时，在对比热端温度和冷端温度变化对温差发电模块性能影响的过程中，发现在所测试的冷热端温度下，降低冷端温度比提高热端温度可以更有效的提高温差发电模块的输出功率。因此，在设计温差发电装置时，要注重冷端的散热设计。