利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置的製作方法
2023-11-09 12:45:02 2
本發明涉及內燃機餘熱利用領域，更確切地說，本發明涉及一種利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置。
背景技術：
節能是21世紀汽車發展三大主題之一。我國已經成為世界第一大汽車產銷國，據測算，到2020年我國汽車保有量將超過1.5億。汽車內燃機以燃料燃燒產生的熱量僅有25％被轉換成有用功輸出，除去5％的機械損失，剩下70％的熱量被冷卻水和尾氣帶走而白白耗散掉，因而對內燃機餘熱進行強制熱轉換將會產生很大一部分能量。將這部分能量用於對汽車設備的供電是非常有意義的。
溫差發電可以將內燃機的餘熱轉換為電能，實現能源的重複利用，達到節能減排的效果。目前針對內燃機餘熱利用的溫差發電裝置主要考慮的是冷源和熱源之間的溫差、發電量這些問題，沒有結合實際用途去設計溫差發電裝置。
目前針對內燃機活塞領域的研究逐漸增多，例如基於電機的可變壓縮比活塞，基於無線WIFI的可變壓縮比活塞。這些研究無一例外都需要解決活塞內部供電的問題，而活塞處於發動機內部，工作過程中作高速的往返直線運動，如果採用普通的線路連接方式，從活塞外部引進電源線路，一端固定，一端運動，可靠性差，而且如何布置是一個很大的問題。活塞頂部的平均溫度在400℃以上，活塞內部氣體溫度比活塞頂部的溫度低100℃以上，若能直接對這部分溫差進行利用，為活塞優化設計提供電能支持，將會有很大的應用價值和意義。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是發明一種利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置，實現對內燃機餘熱的回收利用，為活塞的優化設計提供電源。
為解決上述技術問題，本發明是採用如下技術方案實現的：
本發明所述的利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置，包括熱電模塊、集成穩壓電路、超級電容蓄能裝置、升壓降壓DC/DC電路、負載、散熱肋片，其特徵在於：
所述的熱電模塊安裝在活塞內部上頂面上，熱電模塊的熱端緊貼活塞內部上頂面，熱電模塊的冷端面上安裝有散熱肋片；
所述的熱電模塊、集成穩壓電路、超級電容蓄能裝置、升壓降壓DC/DC電路依次相連，升壓降壓DC/DC電路的輸出端接負載。
利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置，其特徵在於，所述的熱電模塊使用的材料為碲化鉍合金半導體材料。
利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置，其特徵在於，所述的熱電模塊利用活塞內部上頂面與活塞內部空氣之間的溫度差來實現熱能到電能的轉化，熱電模塊產生的電能經過集成穩壓電路、超級電容蓄能裝置、升壓降壓DC/DC電路為負載供電。
利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置，其特徵在於，所述的集成穩壓電路是由運算放大器組成的同相輸入恆壓源，通過調節可調電阻能夠改變輸出電壓值，穩定由溫差變化造成的溫差發電裝置輸出電壓波動，進而給超級電容蓄能裝置穩壓充電。
利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置，其特徵在於，所述的升壓降壓DC/DC電路是基於Buck-Boost升降壓斬波電路設計的，升壓降壓DC/DC電路穩定超級電容蓄能裝置的輸出電壓，用於匹配負載需求。
與現有技術相比本發明的有益效果是：
1.本發明所述的利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置，在活塞內部利用溫差進行發電，解決了活塞內部狹小空間的供電問題，為活塞優化設計提供電能支持，避免了從活塞外部引進電源線路帶來的問題，降低了技術難度，極大的簡化了供電線路，具有很大的應用價值和意義。
2.本發明所述的利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置，布置在活塞內部對內燃機的正常工作沒有影響。
附圖說明
下面結合附圖對本發明作進一步的說明：
圖1是本發明所述的利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置的工作流程示意圖；
圖2是本發明所述的利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置所涉及的活塞主視圖上的全剖視圖；
圖3是本發明所述的利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置的集成穩壓電路示意圖；
圖4是本發明所述的利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置的升壓降壓DC/DC電路示意圖。
具體實施方式
參閱圖1，本發明所述的利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置包括熱電模塊1、集成穩壓電路2、超級電容蓄能裝置3、升壓降壓DC/DC電路4、負載5、散熱肋片6。熱電模塊1、集成穩壓電路2、超級電容蓄能裝置3、升壓降壓DC/DC電路4依次相連，升壓降壓DC/DC電路4的輸出端和負載5相連。
參閱圖2，所述的熱電模塊1安裝在活塞內部上頂面7上，熱電模塊1的熱端緊貼活塞內部上頂面7，熱電模塊1的冷端面安裝有散熱肋片6。
熱電模塊1和活塞內部上頂面7之間塗有導熱矽脂，增強傳熱。
熱電模塊1使用的材料為碲化鉍合金半導體材料。
散熱肋片6用於加強熱電模塊1冷端的散熱，使熱電模塊1的冷端在正常溫度範圍內工作。
參閱圖3，所述的集成穩壓電路2是由運算放大器組成的同相輸入恆壓源，其中集成穩壓電路2輸出電壓UOUT＝(1+Rf/R1)·UZ，Rf是可調電阻，R1為定值電阻，UZ為穩壓管穩定電壓，可通過調節Rf的值改變集成穩壓電路2輸出電壓UOUT的值，因此集成穩壓電路2為連續可調的恆壓源。
參閱圖4，所述的升壓降壓DC/DC電路4是基於Buck-Boost升降壓斬波電路設計的，升壓降壓DC/DC電路4控制系統的電壓採集單元對負載5電壓變化進行實時採樣，系統採樣反饋電壓後與基準電壓進行比較，然後經PID調節器調節，輸出結果與三角波信號比較，調製產生所需PWM(Pulse width modulation脈寬調劑)脈衝的佔空比，PWM電路產生相應佔空比的PWM脈衝控制功率開關管Q的通斷。在開關管Q導通，二極體VD截止期間，升壓降壓DC/DC電路4輸入電壓Uin向電感L輸入能量，靠濾波電容C維持升壓降壓DC/DC電路4輸出電壓UOUT基本不變，實現負載5電壓的穩定；在開關管Q截止，二極體VD導通期間，電感L把前一階段貯存的能量釋放給電阻R和電容C，以此來實現負載5電壓的穩定。而且開關管Q導通時間越長，電源輸入給負載5的能量也越多，因此，升壓降壓DC/DC電路4輸出電壓UOUT也越高；同理，開關管Q導通時間越短，升壓降壓DC/DC電路4輸出電壓UOUT越低。
參閱圖1、圖2與圖3，內燃機在工作過程中，活塞內部上頂面7和活塞內部氣體的溫度不是恆定的，導致熱電模塊1熱端和冷端之間的溫差時刻發生變化，進一步引起熱電模塊1輸出電壓不穩定，集成穩壓電路2能夠使熱電模塊1的輸出電壓保持穩定。
參閱圖1與圖4，所述的超級電容蓄能裝置3在放電時，兩端電壓會隨放電的進行而不斷下降，導致超級電容蓄能裝置3的輸出電壓不穩定。升壓降壓DC/DC電路4能夠使超級電容蓄能裝置3的輸出電壓保持穩定。
參閱圖1、圖2、圖3與圖4，所述的熱電模塊1利用活塞內部上頂面7與活塞內部氣體之間的溫度差進行發電，熱電模塊1產生的電能經過集成穩壓電路2進行穩壓，進而為超級電容蓄能裝置3進行穩壓充電，升壓降壓DC/DC電路4使超級電容蓄能裝置3的輸出電壓保持穩定，為負載5提供穩定的輸入電壓。
利用內燃機餘熱的活塞溫差發電裝置的工作原理：
參閱圖1、圖2、圖3與圖4，所述的熱電模塊1利用活塞內部上頂面7與活塞內部氣體之間的溫度差進行發電，熱電模塊1產生的電能經過集成穩壓電路2進行穩壓，進而為超級電容蓄能裝置3進行穩壓充電，升壓降壓DC/DC電路4使超級電容蓄能裝置3的輸出電壓保持穩定，為負載5提供穩定的輸入電壓。
以負載5為某可變壓縮比活塞的步進電機為例，缸徑為80mm。在該可變壓縮比活塞內部上表面布置本活塞溫差發電裝置。熱電模塊1的形狀為圓柱形，底面半徑為25mm，厚度為3.7mm，在溫差為100℃的情況下，開路電壓為12V。熱電模塊1產生的電能經過集成穩壓電路2、超級電容蓄能裝置3、升壓降壓DC/DC電路4為步進電機的控制器、驅動器和步進電機本身供電，從而使步進電機穩定工作，為上述基於步進電機的可變壓縮比活塞解決了供電問題。
上述的具體實施方式僅僅是示意性的，本發明並不局限於上述的具體實施方式，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍下，還可以有很多不同形式的變換，這些均屬於本發明的保護範圍之內。