本實(shí)用新型涉及內(nèi)燃機(jī)余熱利用領(lǐng)域，更確切地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

節(jié)能是21世紀(jì)汽車(chē)發(fā)展三大主題之一。我國(guó)已經(jīng)成為世界第一大汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)國(guó)，據(jù)測(cè)算，到2020年我國(guó)汽車(chē)保有量將超過(guò)1.5億。汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)以燃料燃燒產(chǎn)生的熱量?jī)H有25％被轉(zhuǎn)換成有用功輸出，除去5％的機(jī)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(duì)內(nèi)燃機(jī)余熱進(jìn)行強(qiáng)制熱轉(zhuǎn)換將會(huì)產(chǎn)生很大一部分能量。將這部分能量用于對(duì)汽車(chē)設(shè)備的供電是非常有意義的。

溫差發(fā)電可以將內(nèi)燃機(jī)的余熱轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)能源的重復(fù)利用，達(dá)到節(jié)能減排的效果。目前針對(duì)內(nèi)燃機(jī)余熱利用的溫差發(fā)電裝置主要考慮的是冷源和熱源之間的溫差、發(fā)電量這些問(wèn)題，沒(méi)有結(jié)合實(shí)際用途去設(shè)計(jì)溫差發(fā)電裝置。

目前針對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞領(lǐng)域的研究逐漸增多，例如基于電機(jī)的可變壓縮比活塞，基于無(wú)線WIFI的可變壓縮比活塞。這些研究無(wú)一例外都需要解決活塞內(nèi)部供電的問(wèn)題，而活塞處于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，工作過(guò)程中作高速的往返直線運(yùn)動(dòng)，如果采用普通的線路連接方式，從活塞外部引進(jìn)電源線路，一端固定，一端運(yùn)動(dòng)，可靠性差，而且如何布置是一個(gè)很大的問(wèn)題。活塞頂部的平均溫度在400℃以上，活塞內(nèi)部氣體溫度比活塞頂部的溫度低100℃以上，若能直接對(duì)這部分溫差進(jìn)行利用，為活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)提供電能支持，將會(huì)有很大的應(yīng)用價(jià)值和意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)余熱的回收利用，為活塞的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供電源。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本實(shí)用新型所述的利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置，包括熱電模塊、集成穩(wěn)壓電路、超級(jí)電容蓄能裝置、升壓降壓DC/DC電路、負(fù)載、散熱肋片，其特征在于：

所述的熱電模塊安裝在活塞內(nèi)部上頂面上，熱電模塊的熱端緊貼活塞內(nèi)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(wěn)壓電路、超級(jí)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(fù)載。

利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，所述的熱電模塊使用的材料為碲化鉍合金半導(dǎo)體材料。

利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，所述的熱電模塊利用活塞內(nèi)部上頂面與活塞內(nèi)部空氣之間的溫度差來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)化，熱電模塊產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓電路、超級(jí)電容蓄能裝置、升壓降壓DC/DC電路為負(fù)載供電。

利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，所述的集成穩(wěn)壓電路是由運(yùn)算放大器組成的同相輸入恒壓源，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻能夠改變輸出電壓值，穩(wěn)定由溫差變化造成的溫差發(fā)電裝置輸出電壓波動(dòng)，進(jìn)而給超級(jí)電容蓄能裝置穩(wěn)壓充電。

利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，所述的升壓降壓DC/DC電路是基于Buck-Boost升降壓斬波電路設(shè)計(jì)的，升壓降壓DC/DC電路穩(wěn)定超級(jí)電容蓄能裝置的輸出電壓，用于匹配負(fù)載需求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型的有益效果是：

1.本實(shí)用新型所述的利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置，在活塞內(nèi)部利用溫差進(jìn)行發(fā)電，解決了活塞內(nèi)部狹小空間的供電問(wèn)題，為活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)提供電能支持，避免了從活塞外部引進(jìn)電源線路帶來(lái)的問(wèn)題，降低了技術(shù)難度，極大的簡(jiǎn)化了供電線路，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和意義。

2.本實(shí)用新型所述的利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置，布置在活塞內(nèi)部對(duì)內(nèi)燃機(jī)的正常工作沒(méi)有影響。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明：

圖1是本實(shí)用新型所述的利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置的工作流程示意圖；

圖2是本實(shí)用新型所述的利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置所涉及的活塞主視圖上的全剖視圖；

圖3是本實(shí)用新型所述的利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置的集成穩(wěn)壓電路示意圖；

圖4是本實(shí)用新型所述的利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置的升壓降壓DC/DC電路示意圖。

具體實(shí)施方式

參閱圖1，本實(shí)用新型所述的利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)電裝置包括熱電模塊1、集成穩(wěn)壓電路2、超級(jí)電容蓄能裝置3、升壓降壓DC/DC電路4、負(fù)載5、散熱肋片6。熱電模塊1、集成穩(wěn)壓電路2、超級(jí)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(fù)載5相連。

參閱圖2，所述的熱電模塊1安裝在活塞內(nèi)部上頂面7上，熱電模塊1的熱端緊貼活塞內(nèi)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(nèi)部上頂面7之間涂有導(dǎo)熱硅脂，增強(qiáng)傳熱。

熱電模塊1使用的材料為碲化鉍合金半導(dǎo)體材料。

散熱肋片6用于加強(qiáng)熱電模塊1冷端的散熱，使熱電模塊1的冷端在正常溫度范圍內(nèi)工作。

參閱圖3，所述的集成穩(wěn)壓電路2是由運(yùn)算放大器組成的同相輸入恒壓源，其中集成穩(wěn)壓電路2輸出電壓U_OUT＝(1+R_f/R₁)·U_Z，R_f是可調(diào)電阻，R₁為定值電阻，U_Z為穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓，可通過(guò)調(diào)節(jié)R_f的值改變集成穩(wěn)壓電路2輸出電壓U_OUT的值，因此集成穩(wěn)壓電路2為連續(xù)可調(diào)的恒壓源。

參閱圖4，所述的升壓降壓DC/DC電路4是基于Buck-Boost升降壓斬波電路設(shè)計(jì)的，升壓降壓DC/DC電路4控制系統(tǒng)的電壓采集單元對(duì)負(fù)載5電壓變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，系統(tǒng)采樣反饋電壓后與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，然后經(jīng)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出結(jié)果與三角波信號(hào)比較，調(diào)制產(chǎn)生所需PWM(Pulse width modulation脈寬調(diào)劑)脈沖的占空比，PWM電路產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM脈沖控制功率開(kāi)關(guān)管Q的通斷。在開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通，二極管VD截止期間，升壓降壓DC/DC電路4輸入電壓U_in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U_OUT基本不變，實(shí)現(xiàn)負(fù)載5電壓的穩(wěn)定；在開(kāi)關(guān)管Q截止，二極管VD導(dǎo)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(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載5電壓的穩(wěn)定。而且開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，電源輸入給負(fù)載5的能量也越多，因此，升壓降壓DC/DC電路4輸出電壓U_OUT也越高；同理，開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)間越短，升壓降壓DC/DC電路4輸出電壓U_OUT越低。

參閱圖1、圖2與圖3，內(nèi)燃機(jī)在工作過(guò)程中，活塞內(nèi)部上頂面7和活塞內(nèi)部氣體的溫度不是恒定的，導(dǎo)致熱電模塊1熱端和冷端之間的溫差時(shí)刻發(fā)生變化，進(jìn)一步引起熱電模塊1輸出電壓不穩(wěn)定，集成穩(wěn)壓電路2能夠使熱電模塊1的輸出電壓保持穩(wěn)定。

參閱圖1與圖4，所述的超級(jí)電容蓄能裝置3在放電時(shí)，兩端電壓會(huì)隨放電的進(jìn)行而不斷下降，導(dǎo)致超級(jí)電容蓄能裝置3的輸出電壓不穩(wěn)定。升壓降壓DC/DC電路4能夠使超級(jí)電容蓄能裝置3的輸出電壓保持穩(wěn)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(nèi)部上頂面7與活塞內(nèi)部氣體之間的溫度差進(jìn)行發(fā)電，熱電模塊1產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓電路2進(jìn)行穩(wěn)壓，進(jìn)而為超級(jí)電容蓄能裝置3進(jìn)行穩(wěn)壓充電，升壓降壓DC/DC電路4使超級(jí)電容蓄能裝置3的輸出電壓保持穩(wěn)定，為負(fù)載5提供穩(wěn)定的輸入電壓。

利用內(nèi)燃機(jī)余熱的活塞溫差發(fā)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(nèi)部上頂面7與活塞內(nèi)部氣體之間的溫度差進(jìn)行發(fā)電，熱電模塊1產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓電路2進(jìn)行穩(wěn)壓，進(jìn)而為超級(jí)電容蓄能裝置3進(jìn)行穩(wěn)壓充電，升壓降壓DC/DC電路4使超級(jí)電容蓄能裝置3的輸出電壓保持穩(wěn)定，為負(fù)載5提供穩(wěn)定的輸入電壓。

以負(fù)載5為某可變壓縮比活塞的步進(jìn)電機(jī)為例，缸徑為80mm。在該可變壓縮比活塞內(nèi)部上表面布置本活塞溫差發(fā)電裝置。熱電模塊1的形狀為圓柱形，半徑為25mm,厚度為3.7mm，在溫差為100℃的情況下，開(kāi)路電壓為12V。熱電模塊1產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓電路2、超級(jí)電容蓄能裝置3、升壓降壓DC/DC電路4為步進(jìn)電機(jī)的控制器、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本身供電，從而使步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定工作，為上述基于步進(jìn)電機(jī)的可變壓縮比活塞解決了供電問(wèn)題。

上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，本實(shí)用新型并不局限于上述的具體實(shí)施方式，在不脫離本實(shí)用新型宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍下，還可以有很多不同形式的變換，這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。