CN103726951A - 汽车余热利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种汽车余热利用方法，包括下述步骤：①车辆启动后将车辆内燃机排出的尾气中的部分热量传导至第一温差发电片组的热面，同时对第一温差发电片组的冷面持续进行降温，第一温差发电片组发电；②车辆水温超过80℃时将车辆内燃机冷却水中的部分热量传导至第二温差发电片组的热面，同时对第二温差发电片组的冷面持续进行降温，第二温差发电片组发电；③步骤①中发出的电流和步骤②中发出的电流通过电压适配器对车辆的蓄电池进行充电。本发明能够将内燃机工作时产生的热量转化为电能，替代现有车辆发电机对车辆电瓶进行充电，一方面能够提升内燃机的燃料利用效率，另一方面能够减轻内燃机的负载，使内燃机输出动力全部用于驱动车辆行走。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车余热利用方法，具体地说是一种汽车余热利用方法。
背景技术
目前使用内燃机驱动的汽车仍是汽车行业中的主流产品，内燃机在工作时，燃料燃烧产生的能量不可能全部转化为动能，而损失的部分能量以热量的形式随内燃机的尾气和缸体的冷却水散出，如果能将这部分热量加以回收利用则会大幅提高内燃机的燃料利用效率，而如何对内燃机损失的热量进行充分利用这一问题自从内燃机问世至今，尽管众多技术人员付出了大量的努力，但仍然收效甚微，目前本领域技术人员设计出的汽车内燃机余热回收方式及设备均处于理论实验阶段，其实际回收的能量均十分微弱，不具备实用价值。目前现有的车辆电瓶均需要发电机进行充电，发电机运转时需要使用内燃机输出的部分动力驱动，因此内燃机输出的动力无法全部用于驱动车辆行走。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽车余热利用方法，它能够将内燃机工作时产生的热量转化为电能，替代现有车辆发电机对车辆电瓶进行充电，一方面能够提升内燃机的燃料利用效率，另一方面能够减轻内燃机的负载，使内燃机输出的动力全部用于驱动车辆行走。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：汽车余热利用方法，包括下述步骤：
①车辆启动后将车辆内燃机排出的尾气中的部分热量传导至第一温差发电片组的热面，同时对第一温差发电片组的冷面持续进行降温，使第一温差发电片组热面与冷面之间的温差达到40℃以上，第一温差发电片组持续发电，第一温差发电片组热面与冷面之间的温差为40℃时的输出电压高于车辆蓄电池的输出电压；
②车辆水温超过80℃时将车辆内燃机冷却水中的部分热量传导至第二温差发电片组的热面，同时对第二温差发电片组的冷面持续进行降温，使第二温差发电片组热面与冷面之间的温差达到40℃以上，第二温差发电片组持续发电，第二温差发电片组热面与冷面之间的温差为40℃时的输出电压高于车辆蓄电池的输出电压；
③步骤①中第一温差发电片组发出的电流和步骤②中第二温差发电片组发出的电流通过电压适配器和充电电路对车辆的蓄电池进行充电。
步骤①中第一温差发电片组的冷面以及步骤②中第二温差发电片组的冷面均通过无机热超导管向空气中散热。
步骤①中车辆内燃机排出的尾气中的热量通过安装在车辆排气管中的无机热超导管传导至第一温差发电片组的热面。
步骤②中车辆内燃机冷却水在对内燃机的缸体进行降温后，进入设置在内燃机冷却水套的出水管道上的取热水箱，取热水箱外壁与第二温差发电片组的热面接触，内燃机冷却水的热量经取热水箱传导至第二温差发电片组的热面，内燃机冷却水在取热水箱内降温后沿内燃机冷却水套的出水管道进入散热器。
第一温差发电片组和第二温差发电片组均通过电压适配器和充电电路与车辆蓄电池连接，第一温差发电片组的热面与第一无机热超导管的一端接触，第一无机热超导管的另一端位于车辆排气管尾段内部，第一温差发电片组的冷面与第二无机热超导管接触，车辆内燃机的冷却水套与车辆散热器之间的冷却水出水管道上安装取热水箱，取热水箱外壁与第二温差发电片组的热面接触，第二温差发电片组的冷面与第三无机热超导管接触，第二无机热超导管和第三无机热超导管上均设置散热翅片。第一无机热超导管与车辆排气管的中轴线重合，第一无机热超导管通过3-6个金属支撑片与车辆排气管的内壁连接，各金属支撑片沿第一无机热超导管周圈均匀分布。第一无机热超导管与第一温差发电片组热面接触的一端、第二无机热超导管与第一温差发电片组冷面接触的一端以及第三无机热超导管与第二温差发电片组冷面接触的一端均加工成扁平状。车辆底盘上安装固定座，固定座通过螺栓与第一压板连接，第一无机热超导管、第一温差发电片组和第二无机热超导管位于第一压板和固定座之间。取热水箱通过螺栓与第二压板连接，第三无机热超导管和第二温差发电片组位于第二压板与取热水箱之间。第一无机热超导管、第一温差发电片组和第二无机热超导管侧面的非接触面上设置保温层。
本发明的优点在于：能够将内燃机工作时产生的热量转化为电能，替代现有车辆发电机对车辆电瓶进行充电，一方面能够提升内燃机的燃料利用效率，另一方面能够减轻内燃机的负载，使内燃机输出的动力全部用于驱动车辆行走；热量传导和散热效率均能达到极高的水准，可对车辆内燃机冷却水进行降温，使车辆散热器的负载也有所降低。
附图说明
图1是本发明所述对汽车余热进行利用的设备的结构示意图；
图2是图1的A向结构示意图；
图3是图1中I部放大结构示意图；
图4是图1中B-B剖视放大结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的汽车余热利用方法包括下述步骤：
①车辆启动后将车辆内燃机排出的尾气中的部分热量传导至第一温差发电片组1的热面，同时对第一温差发电片组1的冷面持续进行降温，使第一温差发电片组1热面与冷面之间的温差达到40℃以上，第一温差发电片组1持续发电，第一温差发电片组1热面与冷面之间的温差为40℃时的输出电压高于车辆蓄电池15的输出电压；
②车辆水温超过80℃时将车辆内燃机冷却水中的部分热量传导至第二温差发电片组2的热面，同时对第二温差发电片组2的冷面持续进行降温，使第二温差发电片组2热面与冷面之间的温差达到40℃以上，第二温差发电片组2持续发电，第二温差发电片组2热面与冷面之间的温差为40℃时的输出电压高于车辆蓄电池15的输出电压；
③步骤①中第一温差发电片组1发出的电流和步骤②中第二温差发电片组2发出的电流通过电压适配器13和充电电路14对车辆的蓄电池15进行充电。
本发明以温差发电的方式对车辆内燃机工作时产生的热量进行回收，车辆内燃机运转稳定后其冷却水温度和尾气温度均处于一个相对温度的范围内，不会出现大幅升降，能够确保温差发电片组持续发电。温差发电片组发出的电能向车辆蓄电池充电，供全车用电部件使用，需确保温差发电片组在内燃机正常工况下输出的电压高于车辆蓄电池的输出电压，在40℃的环境中反复试验得知，温差发电片组在内燃机正常工况下能够保持的最低温差为40℃，因此确保温差发电片组在温差为40℃时发出的电压高于车辆蓄电池的输出电压即可保证车辆正常行驶时不断向蓄电池充电。考虑到汽车尾气所加热的温度是变化的，是很受很多因素影响的，有时低，有时高，特别是发动机刚起动时。温差发电片的输出电压是会随温差而变化，但对蓄电池的充电必须高于电池端电压才能充电，如果低于电池端电压，电池可能反向放电。因而电池前端必须加阻止递向放电的二极管和必要的电压适配器，即温差发电片输出电压大范围变化时，适配环节经DC/DC直流变换器整定到稳定的高于蓄电池端电压某一值使电池一直处于充电状态，以提高效率，这可用“宽输入电压范围（10V-40V）同步降压型控制器”如TPS40050之类（美国Texas产品），输出整定为25V以上（或13V以上）对24V（或12V）汽车蓄电池充电。尾气所用温差发电片组电压较低，可经“低输入（1.8V-9.0V）多拓扑结构型高频PWM控制器”如TPS43000之类（亦为美国Texas产品）多组串并联后同样整定为25V以上对同一蓄电池充电。本发明将内燃机工作时产生的热量转化为电能，替代现有车辆发电机对车辆电瓶进行充电，一方面能够提升内燃机的燃料利用效率，另一方面能够减轻内燃机的负载，使内燃机输出的动力全部用于驱动车辆行走。
本发明为了加快温差发电片组冷面的散热速度，可在步骤①中第一温差发电片组1的冷面以及步骤②中第二温差发电片组2的冷面均通过无机热超导管向空气中散热。无机热超导管由华裔美国科学家渠玉芝先生发明，经美国斯坦福（SRI）研究院测试，其最高等效导热系数是金属银的32500倍，热阻趋近于零，在全世界27个国家（包括中国）取得专利权。众所周知，银是自然界中导热性能最佳的金属，而渠先生发明的无机热管导热性能比银还高数万倍，故被称为热超导管，相对于电阻接近零称为电超导而得名。因此在本发明中使用无机热超导管可使温差发电片组冷面的热量迅速传导至空气中，帮助温差发电片组冷面迅速降温，保持温差发电片组的温差，尽可能的提高温差发电片组的发电功率。
本发明在将内燃机尾气中的热量传导至温差发电片组热面时，为了追求较高的导热效率，也将步骤①中车辆内燃机排出的尾气中的热量通过安装在车辆排气管4中的无机热超导管传导至第一温差发电片组1的热面。由于温差发电片组的冷面需保持低温，因此无法直接安装在车辆排气管中，而将温差发电片组安装在车辆排气管的外壁时，由于接触面较小，导热效率难以保证，因此本发明将无机热超导管安装在车辆排气管中，通过无机热超导管将热量传导至温差发电片组的热面能够达到最佳的换热效率。
本发明所述内燃机冷却水的热量传导方式为：步骤②中车辆内燃机冷却水在对内燃机8的缸体进行降温后，进入设置在内燃机冷却水套的出水管道10上的取热水箱11，取热水箱11外壁与第二温差发电片组2的热面接触，内燃机冷却水的热量经取热水箱11传导至第二温差发电片组2的热面，内燃机冷却水在取热水箱11内降温后沿内燃机冷却水套的出水管道10进入散热器9。该结构不会对车辆冷却水循环构成阻力，同时还能够在冷却水进入散热器之前降低冷却水的温度，有利于减少车辆散热器的负载。
本发明具体连接关系如下：第一温差发电片组1和第二温差发电片组2均通过电压适配器13和充电电路14与车辆蓄电池15连接，第一温差发电片组1的热面与第一无机热超导管3的一端接触，第一无机热超导管3的另一端位于车辆排气管4尾段内部，第一温差发电片组1的冷面与第二无机热超导管6接触，车辆内燃机8的冷却水套与车辆散热器9之间的冷却水出水管道10上安装取热水箱11，取热水箱11外壁与第二温差发电片组2的热面接触，第二温差发电片组2的冷面与第三无机热超导管12接触，第二无机热超导管6和第三无机热超导管12上均设置散热翅片7。为降低热量损耗，本发明所述的温差发电片组需靠近热源，但温差发电片组自身的耐热温度有限（安全工作温度为100℃左右，超过150℃后会软化），内燃机冷却水的温度较稳定（80℃-90℃），可使第二温差发电片组2的热面直接与取热水箱接触，但车辆排气管的前、中、后段温度差别较大，其中前段和中段的温度均超过了温差发电片组自身的耐热温度，因此第一温差发电片组1须靠近车辆排气管的尾段安装，车辆排气管尾段的温度通常为80℃-100℃，符合温差发电片组自身的耐热温度，同时还能够提供足够的温度给温差发电片组的热面，保持温差发电片组的温差在40℃以上。
本发明为了进一步提高内燃机尾气与第一温差发电片组1热面之间的导热效率，可采用下述结构：第一无机热超导管3与车辆排气管4的中轴线重合，第一无机热超导管3通过3-6个金属支撑片5与车辆排气管4的内壁连接，各金属支撑片5沿第一无机热超导管3周圈均匀分布。金属支撑片5能够增加第一无机热超导管3与尾气的接触面积，同时还能够将排气管4管壁的热量传导至第一无机热超导管3，使第一无机热超导管3能够收集更多的热量向第一温差发电片传导。
本发明为了增加无机热超导管与温差发电片组的接触面积，可将第一无机热超导管3与第一温差发电片组1热面接触的一端、第二无机热超导管6与第一温差发电片组1冷面接触的一端以及第三无机热超导管12与第二温差发电片组2冷面接触的一端均加工成扁平状。
本发明所述第一无机热超导管3、第一温差发电片组1和第二无机热超导管6通过下述结构连接：车辆底盘16上安装固定座17，固定座17通过螺栓与第一压板18连接，第一无机热超导管3、第一温差发电片组1和第二无机热超导管6位于第一压板18和固定座17之间。该结构具有安装拆卸方便、便于在排气管尾段附件安装的优点。
本发明所述取热水箱11、第三无机热超导管12和第二温差发电片组2通过下述结构连接：取热水箱11通过螺栓与第二压板19连接，第三无机热超导管12和第二温差发电片组2位于第二压板19与取热水箱11之间。该结构具有取热水箱11与第二温差发电片组2换热面积大、占用空间小的优点。
本发明为了减少第一温差发电片组1受周围环境温度的影响，保持第一温差发电片组1热面与冷面之间的温差，可在第一无机热超导管3、第一温差发电片组1和第二无机热超导管6侧面的非接触面上设置保温层20。保温层20同时还能够对第一无机热超导管3、第一温差发电片组1和第二无机热超导管6起到保护作用，防止第一无机热超导管3、第一温差发电片组1和第二无机热超导管6在车辆行驶中被飞溅的砂石损坏。
Claims (10)
1. 汽车余热利用方法，其特征在于：包括下述步骤：
①车辆启动后将车辆内燃机排出的尾气中的部分热量传导至第一温差发电片组（1）的热面，同时对第一温差发电片组（1）的冷面持续进行降温，使第一温差发电片组（1）热面与冷面之间的温差达到40℃以上，第一温差发电片组（1）持续发电，第一温差发电片组（1）热面与冷面之间的温差为40℃时的输出电压高于车辆蓄电池（15）的输出电压；
②车辆水温超过80℃时将车辆内燃机冷却水中的部分热量传导至第二温差发电片组（2）的热面，同时对第二温差发电片组（2）的冷面持续进行降温，使第二温差发电片组（2）热面与冷面之间的温差达到40℃以上，第二温差发电片组（2）持续发电，第二温差发电片组（2）热面与冷面之间的温差为40℃时的输出电压高于车辆蓄电池（15）的输出电压；
③步骤①中第一温差发电片组（1）发出的电流和步骤②中第二温差发电片组（2）发出的电流通过电压适配器（13）和充电电路（14）对车辆的蓄电池（15）进行充电。
2.根据权利要求1所述的汽车余热利用方法，其特征在于：步骤①中第一温差发电片组（1）的冷面以及步骤②中第二温差发电片组（2）的冷面均通过无机热超导管向空气中散热。
3.根据权利要求1所述的汽车余热利用方法，其特征在于：步骤①中车辆内燃机排出的尾气中的热量通过安装在车辆排气管（4）中的无机热超导管传导至第一温差发电片组（1）的热面。
4.根据权利要求1所述的汽车余热利用方法，其特征在于：步骤②中车辆内燃机冷却水在对内燃机（8）的缸体进行降温后，进入设置在内燃机冷却水套的出水管道上（10）的取热水箱（11），取热水箱（11）外壁与第二温差发电片组（2）的热面接触，内燃机冷却水的热量经取热水箱（11）传导至第二温差发电片组（2）的热面，内燃机冷却水在取热水箱（11）内降温后沿内燃机冷却水套的出水管道（10）进入散热器（9）。
5.根据权利要求1所述的汽车余热利用方法，其特征在于：第一温差发电片组（1）和第二温差发电片组（2）均通过电压适配器（13）和充电电路（14）与车辆蓄电池（15）连接，第一温差发电片组（1）的热面与第一无机热超导管（3）的一端接触，第一无机热超导管（3）的另一端位于车辆排气管（4）尾段内部，第一温差发电片组（1）的冷面与第二无机热超导管（6）接触，车辆内燃机（8）的冷却水套与车辆散热器（9）之间的冷却水出水管道（10）上安装取热水箱（11），取热水箱（11）外壁与第二温差发电片组（2）的热面接触，第二温差发电片组（2）的冷面与第三无机热超导管（12）接触，第二无机热超导管（6）和第三无机热超导管（12）上均设置散热翅片（7）。
6.根据权利要求5所述的汽车余热利用方法，其特征在于：第一无机热超导管（3）与车辆排气管（4）的中轴线重合，第一无机热超导管（3）通过3-6个金属支撑片（5）与车辆排气管（4）的内壁连接，各金属支撑片（5）沿第一无机热超导管（3）周圈均匀分布。
7.根据权利要求5所述的汽车余热利用方法，其特征在于：第一无机热超导管（3）与第一温差发电片组（1）热面接触的一端、第二无机热超导管（6）与第一温差发电片组（1）冷面接触的一端以及第三无机热超导管（12）与第二温差发电片组（2）冷面接触的一端均加工成扁平状。
8.根据权利要求7所述的汽车余热利用方法，其特征在于：车辆底盘（16）上安装固定座（17），固定座（17）通过螺栓与第一压板（18）连接，第一无机热超导管（3）、第一温差发电片组（1）和第二无机热超导管（6）位于第一压板（18）和固定座（17）之间。
9.根据权利要求7所述的汽车余热利用方法，其特征在于：取热水箱（11）通过螺栓与第二压板（19）连接，第三无机热超导管（12）和第二温差发电片组（2）位于第二压板（19）与取热水箱（11）之间。
10.根据权利要求5所述的汽车余热利用方法，其特征在于：第一无机热超导管（3）、第一温差发电片组（1）和第二无机热超导管（6）侧面的非接触面上设置保温层（20）。
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