CN103306851A

CN103306851A - 一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置

Info

Publication number: CN103306851A
Application number: CN2013102118022A
Authority: CN
Inventors: 田华; 贾琦; 舒歌群; 卫海桥; 梁兴雨
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: CN103306851B

Abstract

本发明公开了一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，直接布置于内燃机冷却水套内，利用内燃机缸套冷却水之间的温差进行发电，主要由导热支撑套、温差发电模块、导热护罩、散热器组成。温差发电模块的冷端表面上包覆有导热护罩，热端表面敷设于导热支撑套表面，散热器安装于导热护罩的外表面。本发明采用模块化式结构设计，结构紧凑；直接布置于内燃机冷却水套内，冷热端温差大，单个温差发电模块输出功率高；缸套温差发电装置发出的电能可部分甚至全部代替发动机自身的发电机，为汽车内越来越多的用电设备提供电能；相比较传统内燃机用温差发电器，对排气被压没有影响，安装后对发动机性能没有影响。

Description

一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置

技术领域

本发明涉及内燃机余热回收利用领域，具体的说，是涉及一种利用内燃机缸套水与内燃机气缸壁之间的温差产生电能的温差发电装置。

背景技术

随着国民经济的发展，内燃机保有量逐年攀升，随之而来的环境问题和能源问题不断恶化，因此内燃机节能减排技术越来越受到世人关注。从目前汽车用发动机的热平衡来看，汽油机用于动力输出的功率只占燃油燃烧总热量的20%～30%，柴油机约占30%～45%，其余的热量以废热形式排出车外，造成了严重的能源浪费。若对内燃机的余热能进行回收，将大大降低内燃机的石油消耗。

温差发电正是一种合理利用余热废热，将热能转换为电能的有效方式，具有性能稳定、无噪音、无机械磨损、体积小、重量轻、使用寿命长等优点，是一种绿色环保的发电技术。目前针对内燃机余热回收的温差发电装置均采用将内燃机的高温排气引入发电装置内部作为热源，再利用空冷或引入内燃机冷却水作为冷源，从而建立温差，使温差发电装置工作。但这种装置结构仍存在一些问题，比如结构不够紧凑，为保证发电装置热端具有较高的温度，往往需要在热端布置换热翅片，强化传热；同时高温排气在由内燃机引入温差发电装置的过程中，排气温度会有较大幅度降低，造成余热品味的降低及余热能量的减少，从而降低温差发电装置的性能。

目前水冷式内燃机采用冷却水与气缸壁直接接触的方式对气缸进行冷却。内燃机的缸内最高温度一般在1700℃以上，远高于排气温度，气缸壁的平均温度一般在320℃以上，冷却水温度一般在60℃左右，气缸壁与冷却水之间存在超过260℃的温差。若能直接对这部分温差进行利用，将可以回收更多的余热能，具有重要的应用价值和意义。

发明内容

本发明要解决的是内燃机气缸壁的热量没有被充分利用的技术问题，提供了一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，充分利用内燃机气缸壁外部缸套较高温度的余热，实现对内燃机余热的高效回收，从而达到提高内燃机燃油经济性的目的。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，包括过盈配合地套装在内燃机缸套外部的导热支撑套，所述导热支撑套内壁具有与所述内燃机缸套外表面相同的形状，所述导热支撑套外壁的横截面为正N边形；

所述导热支撑套外壁的每个平面上布置有一列温差发电模块，所述温差发电模块紧密地周列于所述导热支撑套外壁表面；

所述温差发电模块外部的冷端表面设置有内壁和外壁的横截面均为正N边形的导热护罩，所述导热护罩将每个所述温差发电模块的上表面、下表面和外表面完全包覆，所述导热护罩过盈配合地套装在所述导热支撑套的外部并将所述温差发电模块的热端表面压紧在所述导热支撑套的外表面；

所述导热护罩外表面的每个平面上固定设置有散热器，所述散热器包括直接焊接于所述导热护罩或者通过散热底座安装于所述导热护罩的散热肋片；

除安装所述导热护罩和所述温差发电模块外，所述导热支撑套外壁表面预留有其总面积的10%～20%用于与冷却水直接换热；

所述导热支撑套与所述温差发电模块之间、所述温差发电模块与所述导热护罩之间均填充有导热硅脂。

所述导热支撑套的内、外表面，所述导热护罩的内、外表面，以及所述散热器与所述导热护罩的接触面均具有0.025～0.05μm的粗糙度。

所述正N边形中N的取值为4～10。

所述导热支撑套最薄处的厚度为1～2mm。

所述导热支撑套的材料选自陶瓷、铜、铝中的一种。

所述温差发电模块在所述导热支撑套外壁的每个平面上布置有1～20块。

所述温差发电模块热端工作温度为320～600℃，冷端工作温度为0～100℃。

所述导热护罩的厚度为1～2mm。

所述导热护罩的材料选自陶瓷或铝合金中的一种。

本发明的有益效果是：

（一）本发明的缸套温差发电装置采用模块化式设计，各部件独立加工完成后，按照安装规范的要求进行装配，结构紧凑；出现故障时，仅需对问题部件进行替换即可，维修方便；

（二）本发明的缸套温差发电装置直接布置于内燃机冷却水套内，其温差发电模块冷热端实际温差超过260℃，远远高于一般空冷式排气温差发电装置冷热端100℃以下的温差，较水冷式排气温差发电装置冷热端200℃左右的温差也有明显的提高，可以使单个温差发电模块输出更高的功率；

（三）本发明的缸套温差发电装置的输出功率一般在300W以上，汽车在夜间行车所需的电力大约为700W，本温差发电装置几乎可满足其一半的电力需求，在日间行车不需开启大灯的情况下甚至可满足整车正常行驶的全部电力需求；

（四）传统内燃机排气温差发电装置需安装于排气管上，在全负荷情况下会产生20kPa以上的排气被压，使内燃机排气阻力增大，影响缸内燃烧状态，使内燃机输出功率下降0.5～1kW，本发明的缸套温差发电装置，不需在排气管上安装装置，对排气被压没有影响，安装后对发动机性能没有影响。

附图说明

图1是本发明所提供的缸套温差发电装置的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明所提供的缸套温差发电装置的使用状态图。

图中：1、内燃机气缸；2、内燃机缸套；3、导热支撑套；4、温差发电模块；

5、导热护罩；6、散热器；7、内燃机气缸体；8、冷却水套。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1和图2所示，本实施例披露了一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，直接布置于内燃机冷却水套8内，利用内燃机缸套2与冷却水之间的温差进行发电，主要由导热支撑套3、温差发电模块4、导热护罩5、散热器6组成。温差发电模块4的冷端表面上包覆有导热护罩5，热端表面敷设于导热支撑套3表面，散热器6安装于导热护罩5的外表面。

导热支撑套3用于将热量由内燃机缸套2传递给温差发电模块4，同时为温差发电模块4的布置提供支撑平面。导热支撑套3采用导热且耐高温材料制成，例如陶瓷、铜、铝。

导热支撑套3内壁形成与内燃机缸套2外表面基本尺寸相同，工差配合为P7/h7的圆柱体腔体，使之与内燃机缸套2形成过盈配合，紧密接触，降低接触热阻，提高传热效率。

导热支撑套3外壁的横截面为正N边形，N的取值根据缸套2外表面直径与温差发电模块4尺寸之间的关系确定，使N个平面中每个平面均能够布置下一列温差发电模块4，且尽可能保证导热支撑套3最薄处的厚度在1～2mm之间，而导热支撑套3最厚处的厚度能够根据N的取值和导热支撑套3最薄处的厚度确定。通常来说，N的取值一般为4～10。

导热支撑套3外壁的每个平面上一列温差发电模块4的布置个数由温差发电模块4尺寸与内燃机气缸1行程决定，汽油机一般为1-2块，普通中高速四冲程柴油机一般为2-6块，船用低速二冲程柴油机由于缸体大、行程较长可布置10-20块。

温差发电模块4与导热支撑套3间填充导热硅脂，以提高温差发电模块4热端与导热支撑套3之间的传热效率，保证热端的高温。

温差发电模块4的选取，以热端工作温度为320～600℃，冷端工作温度为0～100℃的为宜。为使冷却水能正常的为内燃机气缸1冷却，以保证内燃机工作的可靠性，温差发电模块4在布置时应紧密的周列于导热支撑套3的表面，同时导热支撑套3外壁的上下端应共预留出导热支撑套3外壁总面积10%～20%的面积，用于与冷却水的直接换热。温差发电模块4间的连接方式为，若干只温差发电模块4并联成多组后再串联起来的结构。对于由一定数量的温差发电模块4装配的温差发电装置，并联连接温差发电模块4数量的增加提高了系统的回路电流和最大输出功率，但却降低了输出电压和温差发电装置的内电阻，串联温差发电模块4数量的增加规律则相反。在应用中温差发电模块4的串联和并联连接的数量根据负载电路进行调整，使温差发电装置的内阻与负载电阻相匹配。

温差发电模块4的冷端表面敷设用陶瓷、铝合金等高导热率、耐高温、耐腐蚀材料制成的导热护罩5。导热护罩5可以提高温差发电模块4冷端的散热量，降低冷端温度，同时可以隔绝冷却水与温差发电模块4直接接触，防止电路短路。

导热护罩5的内、外表面形状与导热支撑套3的外表面形状相同，也为正N边形。导热护罩5的内表面要与温差发电模块4的冷端表面紧密接触，并在接触面之间填充导热硅脂。导热护罩5的厚度为1-2mm，长度与每列所布置的温差发电模块4的总长度相同，同时其上、下两端面向内延伸至与导热支撑套3接触，在同一列的温差发电模块4之间也向内延伸至与导热支撑套3接触，从而将温差发电模块4完全包裹于导热护罩5内部。

导热护罩5表面安装有主要由散热肋片构成的散热器6，散热器6通常由铝高导热率材料制成。若导热护罩5采用铜、铝合金等金属材料制成，可直接在其表面焊接导热肋片作为散热器6；如果导热护罩5采用陶瓷等非金属材料制成，则可在导热护罩5上预留固定孔，将散热肋片焊接在散热底座上，再将散热底座通过螺栓固定安装于导热护罩5表面。散热器6可进一步提高温差发电模块4冷端的散热量，从而使温差发电模块4冷热端产生较大温差，提高缸套温差发电装置的发电量。

为保证缸套温差发电装置的性能，导热支撑套3内、外表面，导热护罩5的内、外表面，以及散热器6与导热护罩5的接触表面均需进行打磨抛光处理，使其粗糙度为0.025-0.05μm，降低各传热表面的接触热阻。

安装时，在温差发电模块4的冷端表面涂抹导热硅脂，并在其四角处涂抹少量粘合剂后将每列的温差发电模块4分别放置并临时固定在导热护罩5的相应位置；然后在温差电模块4的热端表面涂抹导热硅脂，将导热支撑套3插装到导热护罩5内，使温差电模块4热端表面与导热支撑套3外表面采用过渡配合，从而将温差电模块4压紧；再在导热护罩5外表面焊接或安装散热器6，最后将缸套温差发电装置整体套在内燃机缸套2外表面，内燃机缸套2外表面与导热支撑套3内表面利用过盈配合进行固定。

另外，为能将缸套温差发电装置顺利放置于冷却水套8内，需对内燃机气缸体7进行改造，扩大其缸孔直径至大于散热器6外表面的外接圆直径1～2mm。将固定好缸套温差发电装置的内燃机缸套2安装到内燃机气缸体7缸孔内，即完成整个装配过程。

以某型号直列6缸243kW柴油机，缸径113mm、行程140mm、湿式缸套为例，在其冷却水套8内安装本缸套温差发电装置。导热支撑套3采用陶瓷材质，其内表面尺寸与内燃机缸套2外表面尺寸相同，为直径130mm的圆柱形表面，导热支撑套3外表面为边长62.7mm的正八边形表面，导热支撑套3长147.7mm。在该导热支撑套3外表面，紧密的周列8列，每列布置2个，共16个外形尺寸为62.7mm×62.7mm×5.08mm的温差发电模块4。该温差发电模块4每块包含49对热电偶，热电偶P型材料为TAGS，N型材料为碲化铅。在冷却水温度50℃，缸套表面温度300℃，冷热端温差为250℃，负载电压为8V的条件下，每个温差发电模块4可输出19W功率，效率约为5.5%，整个缸套温差发电装置共输出功率304W功率。当发动机全负荷工作时，内燃机缸套2表面的温度将会达到320℃甚至更高，缸套温差发电装置冷热端温差将更大，会输出更大的电功率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，包括过盈配合地套装在内燃机缸套外部的导热支撑套，所述导热支撑套内壁具有与所述内燃机缸套外表面相同的形状，所述导热支撑套外壁的横截面为正N边形；

2.根据权利要求1所述的一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，所述导热支撑套的内、外表面，所述导热护罩的内、外表面，以及所述散热器与所述导热护罩的接触面均具有0.025～0.05μm的粗糙度。

3.根据权利要求1所述的一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，所述正N边形中N的取值为4～10。

4.根据权利要求1所述的一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，所述导热支撑套最薄处的厚度为1～2mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，所述导热支撑套的材料选自陶瓷、铜、铝中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，所述温差发电模块在所述导热支撑套外壁的每个平面上布置有1～20块。

7.根据权利要求1所述的一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，所述温差发电模块热端工作温度为320～600℃，冷端工作温度为0～100℃。

8.根据权利要求1所述的一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，所述导热护罩的厚度为1～2mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于内燃机余热回收的缸套温差发电装置，其特征在于，所述导热护罩的材料选自陶瓷或铝合金中的一种。