本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)余熱利用領(lǐng)域，更確切地說，本發(fā)明涉及一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

汽車內(nèi)燃機(jī)以燃料燃燒產(chǎn)生的熱量僅有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汽車設(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)能的效果。目前針對內(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(nèi)部供電的問題，而活塞處于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，工作過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)很大的問題?；钊敳康钠骄鶞囟仍?00℃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：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是發(fā)明一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，利用活塞內(nèi)部上頂面的余熱進(jìn)行發(fā)電，采用機(jī)油進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，并對熱電模塊熱端和冷端之間的溫差進(jìn)行調(diào)控，為活塞的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供電源。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，包括熱電模塊、集成穩(wěn)壓電路、超級電容蓄能裝置、升壓降壓DC/DC電路、負(fù)載、冷卻裝置、電磁閥、活塞銷、連桿、第一熱電偶、第二熱電偶、微控制單元MCU，其特征在于：

所述的電磁閥包括電磁閥閥體、固定鐵芯、銜鐵彈簧、活動(dòng)銜鐵、橡膠閥門、電磁線圈；

所述的熱電模塊、集成穩(wěn)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電路的輸出端和負(fù)載相連；

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裝置；

所述的電磁閥安裝在冷卻裝置右側(cè)油道上；

所述的第一熱電偶安裝在冷卻裝置油腔上表面的右下角部位，第二熱電偶安裝在熱電模塊熱端面的右下角部位；

所述的第一熱電偶、第二熱電偶、電磁閥分別和微控制單元MCU相連。

一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，所述的連桿在桿身左右兩側(cè)，以連桿大端為入口，連桿小端為出口，各鉆有一條油道。

一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，所述的活塞銷內(nèi)的油道布置是左右對稱結(jié)構(gòu)，活塞銷在與左側(cè)活塞銷座油道口的接觸位置有一圈矩形截面油槽，活塞銷在與連桿左側(cè)油道口的接觸位置有一圈矩形截面油槽，在這兩圈油槽底部沿垂直于活塞銷軸線方向內(nèi)各自鉆有短油道，并通過平行于活塞銷軸線的長油道將短油道連接起來。

一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，所述的第一熱電偶和第二熱電偶為片式熱電偶。

一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，熱電模塊為電磁閥、微控制單元MCU供電。

一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，其特征在于，當(dāng)熱電模塊熱端和冷端之間的溫度差不超過限值時(shí)，微控制單元MCU控制電磁閥通電，冷卻裝置右側(cè)油道導(dǎo)通，機(jī)油泵將機(jī)油通過曲軸導(dǎo)入連桿的左側(cè)油道，依次經(jīng)過活塞銷左側(cè)油道、左側(cè)活塞銷座油道、冷卻裝置左側(cè)油道進(jìn)入冷卻裝置的油腔中，隨后機(jī)油通過冷卻裝置右側(cè)油道、右側(cè)活塞銷座油道、活塞銷右側(cè)油道、連桿右側(cè)油道流回；

當(dāng)熱電模塊熱端和冷端之間的溫度差超過限值時(shí)，微控制單元MCU控制電磁閥斷電，冷卻裝置右側(cè)油道中斷，停止供油，油道內(nèi)的機(jī)油處于不流動(dòng)狀態(tài)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明所述的一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(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)電源線路帶來的問題，降低了技術(shù)難度，極大的簡化了供電線路。

2.本發(fā)明所述的一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，在熱電模塊的冷端面安裝冷卻裝置，采用機(jī)油對熱電模塊進(jìn)行冷卻，降低熱電模塊冷端溫度，增大發(fā)電功率。

3.本發(fā)明所述的一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，對熱電模塊熱端和冷端溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)熱電模塊熱端和冷端之間的溫差低于限值時(shí)，才連續(xù)供油進(jìn)行冷卻，降低了機(jī)油泵負(fù)荷。

4.本發(fā)明所述的一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，布置在活塞內(nèi)部，對內(nèi)燃機(jī)的正常工作沒有影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的熱電模塊供電流程示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置主視圖上的全剖視圖；

圖3是本發(fā)明所述活塞銷的主視圖；

圖4是本發(fā)明所述活塞銷主視圖的C-C投影視圖；

圖5是本發(fā)明所述連桿的主視圖；

圖6是本發(fā)明所述連桿主視圖的A-A投影視圖；

圖7是本發(fā)明所述連桿主視圖的B-B投影視圖；

圖8是本發(fā)明所述第二熱電偶安裝位置示意圖；

圖9是本發(fā)明所述第一熱電偶安裝位置示意圖；

圖10是本發(fā)明所述電磁閥主視圖的全剖視圖；

圖11是本發(fā)明所述微控制單元MCU的工作流程示意圖；

圖12是本發(fā)明所述集成穩(wěn)壓電路的示意圖；

圖13是本發(fā)明所述升壓降壓DC/DC電路的示意圖。

圖中：1.熱電模塊，2.集成穩(wěn)壓電路，3.超級電容蓄能裝置，4.升壓降壓DC/DC電路，5.負(fù)載，6.冷卻裝置，7.電磁閥，8.活塞銷，9.連桿，10.第一熱電偶，11.第二熱電偶,12.微控制單元MCU，13.電磁閥閥體，14.固定鐵芯，15.銜鐵彈簧，16.活動(dòng)銜鐵，17.橡膠閥門，18.電磁線圈。

具體實(shí)施方式

如圖1與圖2所示，本發(fā)明所述的一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置，包括熱電模塊1、集成穩(wěn)壓電路2、超級電容蓄能裝置3、升壓降壓DC/DC電路4、負(fù)載5、冷卻裝置6、電磁閥7、活塞銷8、連桿9、第一熱電偶10、第二熱電偶11、微控制單元MCU12。

熱電模塊1、集成穩(wěn)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(fù)載5相連。

熱電模塊1安裝在活塞內(nèi)部上頂面上，熱電模塊1的熱端緊貼活塞內(nèi)部上頂面，熱電模塊1的冷端面安裝有冷卻裝置6。熱電模塊1和活塞內(nèi)部上頂面、冷卻裝置6油腔上表面之間涂有導(dǎo)熱硅脂，增強(qiáng)傳熱。

如圖2、圖3與圖4所示，對原機(jī)的活塞銷8進(jìn)行再加工，活塞銷8內(nèi)的油道布置是左右對稱結(jié)構(gòu)，活塞銷8在與左側(cè)活塞銷座油道口的接觸位置有一圈矩形截面油槽，活塞銷8在與連桿9左側(cè)油道口的接觸位置有一圈矩形截面油槽，在這兩圈油槽底部沿垂直于活塞銷8軸線方向內(nèi)各自鉆有四條短油道，并通過平行于活塞銷8軸線的四條長油道將這八條短油道連接起來。

每圈矩形截面油槽左右兩側(cè)各有一圈矩形截面的密封槽，密封槽內(nèi)安裝聚四氟乙烯O形密封圈，對油槽進(jìn)行密封。

如圖5、圖6與圖7所示，對原機(jī)的連桿9進(jìn)行再加工，在連桿9的桿身左右兩側(cè)，以連桿9大端為入口，連桿9小端為出口，各鉆有一條油道。

對原機(jī)的曲軸進(jìn)行再加工，從曲軸的軸端鉆進(jìn)兩條油道，并沿連桿軸頸鉆出油道。

如圖2所示，冷卻裝置6的冷卻介質(zhì)為機(jī)油，冷卻裝置6左右兩側(cè)各有一條油道，一端和冷卻裝置6油腔相連，另一端分別和左側(cè)活塞銷座油道、右側(cè)活塞銷座油道相連。冷卻裝置6油腔上表面和熱電模塊1冷端相貼合。

冷卻裝置6油腔內(nèi)的機(jī)油對熱電模塊1的冷端進(jìn)行冷卻，增大熱電模塊1冷端和熱端之間的溫差，增大發(fā)電功率。

如圖2與圖10所示，電磁閥7包括電磁閥閥體13、固定鐵芯14、銜鐵彈簧15、活動(dòng)銜鐵16、橡膠閥門17、電磁線圈18。

電磁閥7安裝在冷卻裝置6右側(cè)油道上，上端口為進(jìn)油口，下端口為出油口。通電時(shí)，電磁線圈18產(chǎn)生電磁力，活動(dòng)銜鐵16向左移動(dòng)，銜鐵彈簧15被壓縮，橡膠閥門17左移打開，冷卻裝置6右側(cè)油路導(dǎo)通；斷電時(shí)，電磁線圈18不產(chǎn)生電磁力，銜鐵彈簧15推動(dòng)活動(dòng)銜鐵16右移，橡膠閥門17右移關(guān)閉，冷卻裝置6右側(cè)油路阻斷。

如圖8與圖9所示，第一熱電偶10安裝在冷卻裝置6油腔上表面的右下角部位，第二熱電偶11安裝在熱電模塊1熱端面的右下角部位，第一熱電偶10和第二熱電偶11為片式熱電偶。

如圖11所示，第一熱電偶10、第二熱電偶11、電磁閥7分別接入微控制單元MCU12，微控制單元MCU12安裝在活塞內(nèi)部。

如圖12所示，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。

如圖13所示，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)果與三角波信號比較，調(diào)制產(chǎn)生所需PWM(Pulse widthmodulation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脈沖控制功率開關(guān)管Q的通斷。在開關(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容C和負(fù)載5，以此來實(shí)現(xiàn)負(fù)載5電壓的穩(wěn)定。而且保持開關(guān)管Q開關(guān)周期不變，開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)間越長，升壓降壓DC/DC電路4輸出電壓U_OUT越高；同理，開關(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。

如圖2、圖8、圖9、圖10與圖11所示，第一熱電偶10測量熱電模塊1冷端面的溫度，第二熱電偶11測量熱電模塊1熱端面溫度，并將熱電模塊1冷端面和熱端面的溫度反饋給微控制單元MCU12,微控制單元MCU12計(jì)算熱電模塊1熱端和冷端之間的溫度差。

當(dāng)熱電模塊1熱端和冷端之間的溫度差低于200℃時(shí)，微控制單元MCU12控制電磁閥7通電，冷卻裝置6右側(cè)油道導(dǎo)通，機(jī)油泵將機(jī)油通過曲軸導(dǎo)入連桿9的左側(cè)油道，依次經(jīng)過活塞銷8左側(cè)四條油道、左側(cè)活塞銷座油道、冷卻裝置6左側(cè)油道進(jìn)入冷卻裝置6的油腔中，隨后機(jī)油通過冷卻裝置6右側(cè)油道、右側(cè)活塞銷座油道、活塞銷8右側(cè)四條油道、連桿9右側(cè)油道流回，從而形成循環(huán)。

當(dāng)熱電模塊1熱端和冷端之間的溫度差超過200℃時(shí)，微控制單元MCU12控制電磁閥7斷電，冷卻裝置6右側(cè)油道中斷，停止供油，油道內(nèi)的機(jī)油處于不流動(dòng)狀態(tài)。

如圖1、圖2、圖12與圖13所示，熱電模塊1利用活塞內(nèi)部上頂面和冷卻裝置6油腔上表面之間的溫差進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電能經(jīng)過集成穩(wěn)壓電路2進(jìn)行穩(wěn)壓，進(jìn)而為超級電容蓄能裝置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。

如圖1、圖10與圖11所示，所述的電磁閥7和微控制單元MCU12是負(fù)載性質(zhì)的元器件，分別和升壓降壓DC/DC電路4的輸出端相連，由熱電模塊1提供電能。

一種基于溫度反饋控制的活塞溫差發(fā)電裝置的工作原理：

如圖1、圖2與圖11所示，當(dāng)熱電模塊1熱端和冷端之間的溫度差低于200℃時(shí)，微控制單元MCU12控制電磁閥7通電，冷卻裝置6右側(cè)油道導(dǎo)通，機(jī)油泵將機(jī)油通過曲軸導(dǎo)入連桿7的左側(cè)油道，依次經(jīng)過活塞銷9左側(cè)四條油道、左側(cè)活塞銷座油道、冷卻裝置6左側(cè)油道進(jìn)入冷卻裝置6的油腔中，隨后機(jī)油通過冷卻裝置6右側(cè)油道、右側(cè)活塞銷座油道、活塞銷9右側(cè)四條油道流回，從而形成循環(huán)；當(dāng)熱電模塊1熱端和冷端之間的溫度差超過200℃時(shí)，微控制單元MCU12控制電磁閥7斷電，冷卻裝置6右側(cè)油道中斷，停止供油，油道內(nèi)的機(jī)油處于不流動(dòng)狀態(tài)。

熱電模塊1利用活塞內(nèi)部上頂面的余熱進(jìn)行發(fā)電，使用機(jī)油對熱電模塊1冷端進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。熱電模塊1產(chǎn)生的電能經(jīng)過集成穩(wěn)壓電路2進(jìn)行穩(wěn)壓，進(jìn)而為超級電容蓄能裝置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。