CN106677921B - 利用内燃机余热的活塞温差发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用内燃机余热的活塞温差发电装置，包括热电模块(1)、集成稳压电路(2)、超级电容蓄能装置(3)、升压降压DC/DC电路(4)、负载(5)、散热肋片(6)。热电模块(1)的热端紧贴活塞内部上顶面(7)，冷端面上安装有散热肋片(6)，热电模块(1)利用活塞内部上顶面(7)和活塞内部气体之间的温差进行发电，热电模块(1)产生的电能经过集成稳压电路(2)进行稳压，进而为超级电容蓄能装置(3)进行稳压充电，升压降压DC/DC电路(4)使超级电容蓄能装置(3)的输出电压保持稳定，为负载(5)提供稳定的输入电压。本发明不影响内燃机正常工作，解决了活塞内部狭小空间的供电问题，为活塞优化设计提供电能支持。

Description

利用内燃机余热的活塞温差发电装置
技术领域
本发明涉及内燃机余热利用领域，更确切地说，本发明涉及一种利用内燃机余热的活塞温差发电装置。
背景技术
节能是21世纪汽车发展三大主题之一。我国已经成为世界第一大汽车产销国，据测算，到2020年我国汽车保有量将超过1.5亿。汽车内燃机以燃料燃烧产生的热量仅有25％被转换成有用功输出，除去5％的机械损失，剩下70％的热量被冷却水和尾气带走而白白耗散掉，因而对内燃机余热进行强制热转换将会产生很大一部分能量。将这部分能量用于对汽车设备的供电是非常有意义的。
温差发电可以将内燃机的余热转换为电能，实现能源的重复利用，达到节能减排的效果。目前针对内燃机余热利用的温差发电装置主要考虑的是冷源和热源之间的温差、发电量这些问题，没有结合实际用途去设计温差发电装置。
目前针对内燃机活塞领域的研究逐渐增多，例如基于电机的可变压缩比活塞，基于无线WIFI的可变压缩比活塞。这些研究无一例外都需要解决活塞内部供电的问题，而活塞处于发动机内部，工作过程中作高速的往返直线运动，如果采用普通的线路连接方式，从活塞外部引进电源线路，一端固定，一端运动，可靠性差，而且如何布置是一个很大的问题。活塞顶部的平均温度在400℃以上，活塞内部气体温度比活塞顶部的温度低100℃以上，若能直接对这部分温差进行利用，为活塞优化设计提供电能支持，将会有很大的应用价值和意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是发明一种利用内燃机余热的活塞温差发电装置，实现对内燃机余热的回收利用，为活塞的优化设计提供电源。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
本发明所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置，包括热电模块、集成稳压电路、超级电容蓄能装置、升压降压DC/DC电路、负载、散热肋片，其特征在于：
所述的热电模块安装在活塞内部上顶面上，热电模块的热端紧贴活塞内部上顶面，热电模块的冷端面上安装有散热肋片；
所述的热电模块、集成稳压电路、超级电容蓄能装置、升压降压DC/DC电路依次相连，升压降压DC/DC电路的输出端接负载。
利用内燃机余热的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的热电模块使用的材料为碲化铋合金半导体材料。
利用内燃机余热的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的热电模块利用活塞内部上顶面与活塞内部空气之间的温度差来实现热能到电能的转化，热电模块产生的电能经过集成稳压电路、超级电容蓄能装置、升压降压DC/DC电路为负载供电。
利用内燃机余热的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的集成稳压电路是由运算放大器组成的同相输入恒压源，通过调节可调电阻能够改变输出电压值，稳定由温差变化造成的温差发电装置输出电压波动，进而给超级电容蓄能装置稳压充电。
利用内燃机余热的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的升压降压DC/DC电路是基于Buck-Boost升降压斩波电路设计的，升压降压DC/DC电路稳定超级电容蓄能装置的输出电压，用于匹配负载需求。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置，在活塞内部利用温差进行发电，解决了活塞内部狭小空间的供电问题，为活塞优化设计提供电能支持，避免了从活塞外部引进电源线路带来的问题，降低了技术难度，极大的简化了供电线路，具有很大的应用价值和意义。
2.本发明所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置，布置在活塞内部对内燃机的正常工作没有影响。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是本发明所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置的工作流程示意图；
图2是本发明所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置所涉及的活塞主视图上的全剖视图；
图3是本发明所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置的集成稳压电路示意图；
图4是本发明所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置的升压降压DC/DC电路示意图。
具体实施方式
参阅图1，本发明所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置包括热电模块1、集成稳压电路2、超级电容蓄能装置3、升压降压DC/DC电路4、负载5、散热肋片6。热电模块1、集成稳压电路2、超级电容蓄能装置3、升压降压DC/DC电路4依次相连，升压降压DC/DC电路4的输出端和负载5相连。
参阅图2，所述的热电模块1安装在活塞内部上顶面7上，热电模块1的热端紧贴活塞内部上顶面7，热电模块1的冷端面安装有散热肋片6。
热电模块1和活塞内部上顶面7之间涂有导热硅脂，增强传热。
热电模块1使用的材料为碲化铋合金半导体材料。
散热肋片6用于加强热电模块1冷端的散热，使热电模块1的冷端在正常温度范围内工作。
参阅图3，所述的集成稳压电路2是由运算放大器组成的同相输入恒压源，其中集成稳压电路2输出电压UOUT＝(1+Rf/R1)·UZ，Rf是可调电阻，R1为定值电阻，UZ为稳压管稳定电压，可通过调节Rf的值改变集成稳压电路2输出电压UOUT的值，因此集成稳压电路2为连续可调的恒压源。
参阅图4，所述的升压降压DC/DC电路4是基于Buck-Boost升降压斩波电路设计的，升压降压DC/DC电路4控制系统的电压采集单元对负载5电压变化进行实时采样，系统采样反馈电压后与基准电压进行比较，然后经PID调节器调节，输出结果与三角波信号比较，调制产生所需PWM(Pulse width modulation脉宽调剂)脉冲的占空比，PWM电路产生相应占空比的PWM脉冲控制功率开关管Q的通断。在开关管Q导通，二极管VD截止期间，升压降压DC/DC电路4输入电压Uin向电感L输入能量，靠滤波电容C维持升压降压DC/DC电路4输出电压UOUT基本不变，实现负载5电压的稳定；在开关管Q截止，二极管VD导通期间，电感L把前一阶段贮存的能量释放给电阻R和电容C，以此来实现负载5电压的稳定。而且开关管Q导通时间越长，电源输入给负载5的能量也越多，因此，升压降压DC/DC电路4输出电压UOUT也越高；同理，开关管Q导通时间越短，升压降压DC/DC电路4输出电压UOUT越低。
参阅图1、图2与图3，内燃机在工作过程中，活塞内部上顶面7和活塞内部气体的温度不是恒定的，导致热电模块1热端和冷端之间的温差时刻发生变化，进一步引起热电模块1输出电压不稳定，集成稳压电路2能够使热电模块1的输出电压保持稳定。
参阅图1与图4，所述的超级电容蓄能装置3在放电时，两端电压会随放电的进行而不断下降，导致超级电容蓄能装置3的输出电压不稳定。升压降压DC/DC电路4能够使超级电容蓄能装置3的输出电压保持稳定。
参阅图1、图2、图3与图4，所述的热电模块1利用活塞内部上顶面7与活塞内部气体之间的温度差进行发电，热电模块1产生的电能经过集成稳压电路2进行稳压，进而为超级电容蓄能装置3进行稳压充电，升压降压DC/DC电路4使超级电容蓄能装置3的输出电压保持稳定，为负载5提供稳定的输入电压。
利用内燃机余热的活塞温差发电装置的工作原理：
参阅图1、图2、图3与图4，所述的热电模块1利用活塞内部上顶面7与活塞内部气体之间的温度差进行发电，热电模块1产生的电能经过集成稳压电路2进行稳压，进而为超级电容蓄能装置3进行稳压充电，升压降压DC/DC电路4使超级电容蓄能装置3的输出电压保持稳定，为负载5提供稳定的输入电压。
以负载5为某可变压缩比活塞的步进电机为例，缸径为80mm。在该可变压缩比活塞内部上表面布置本活塞温差发电装置。热电模块1的形状为圆柱形，底面半径为25mm，厚度为3.7mm，在温差为100℃的情况下，开路电压为12V。热电模块1产生的电能经过集成稳压电路2、超级电容蓄能装置3、升压降压DC/DC电路4为步进电机的控制器、驱动器和步进电机本身供电，从而使步进电机稳定工作，为上述基于步进电机的可变压缩比活塞解决了供电问题。
上述的具体实施方式仅仅是示意性的，本发明并不局限于上述的具体实施方式，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围下，还可以有很多不同形式的变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.利用内燃机余热的活塞温差发电装置，包括热电模块(1)、集成稳压电路(2)、超级电容蓄能装置(3)、升压降压DC/DC电路(4)、负载(5)、散热肋片(6)，其特征在于：
所述的热电模块(1)安装在活塞内部上顶面(7)上，热电模块(1)的热端紧贴活塞内部上顶面(7)，热电模块(1)的冷端面上安装有散热肋片(6)；
所述的热电模块(1)、集成稳压电路(2)、超级电容蓄能装置(3)、升压降压DC/DC电路(4)依次相连，升压降压DC/DC电路(4)的输出端和负载(5)相连。
2.按照权利要求1所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的热电模块(1)使用的材料为碲化铋合金半导体材料。
3.按照权利要求1所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的热电模块(1)利用活塞内部上顶面(7)与活塞内部空气之间的温度差来实现热能到电能的转化，热电模块(1)产生的电能经过集成稳压电路(2)、超级电容蓄能装置(3)、升压降压DC/DC电路(4)为负载(5)供电。
4.按照权利要求1所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的集成稳压电路(2)是由运算放大器组成的同相输入恒压源，通过调节可调电阻能够改变输出电压值，稳定由温差变化造成的温差发电输出电压波动，进而给超级电容蓄能装置(3)稳压充电。
5.按照权利要求1所述的利用内燃机余热的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的升压降压DC/DC电路(4)是基于Buck-Boost升降压斩波电路设计的，升压降压DC/DC电路(4)稳定超级电容蓄能装置(3)的输出电压，用于匹配负载(5)需求。
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