一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置的制作方法

本发明涉及内燃机余热利用领域，更确切地说，本发明涉及一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置。

背景技术：

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，达到节能的效果。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。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是发明一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置，利用活塞内部上顶面的余热进行发电，采用机油进行强制冷却，并对热电模块热端和冷端之间的温差进行调控，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：

本发明所述的一种基于温度反馈控制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、冷却装置、电磁阀、活塞销、连杆、第一热电偶、第二热电偶、微控制单元MCU，其特征在于：

所述的电磁阀包括电磁阀阀体、固定铁芯、衔铁弹簧、活动衔铁、橡胶阀门、电磁线圈；

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电路的输出端和负载相连；

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装置；

所述的电磁阀安装在冷却装置右侧油道上；

所述的第一热电偶安装在冷却装置油腔上表面的右下角部位，第二热电偶安装在热电模块热端面的右下角部位；

所述的第一热电偶、第二热电偶、电磁阀分别和微控制单元MCU相连。

一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的连杆在杆身左右两侧，以连杆大端为入口，连杆小端为出口，各钻有一条油道。

一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的活塞销内的油道布置是左右对称结构，活塞销在与左侧活塞销座油道口的接触位置有一圈矩形截面油槽，活塞销在与连杆左侧油道口的接触位置有一圈矩形截面油槽，在这两圈油槽底部沿垂直于活塞销轴线方向内各自钻有短油道，并通过平行于活塞销轴线的长油道将短油道连接起来。

一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置，其特征在于，所述的第一热电偶和第二热电偶为片式热电偶。

一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置，其特征在于，热电模块为电磁阀、微控制单元MCU供电。

一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置，其特征在于，当热电模块热端和冷端之间的温度差不超过限值时，微控制单元MCU控制电磁阀通电，冷却装置右侧油道导通，机油泵将机油通过曲轴导入连杆的左侧油道，依次经过活塞销左侧油道、左侧活塞销座油道、冷却装置左侧油道进入冷却装置的油腔中，随后机油通过冷却装置右侧油道、右侧活塞销座油道、活塞销右侧油道、连杆右侧油道流回；

当热电模块热端和冷端之间的温度差超过限值时，微控制单元MCU控制电磁阀断电，冷却装置右侧油道中断，停止供油，油道内的机油处于不流动状态。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种基于温度反馈控制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。

2.本发明所述的一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置，在热电模块的冷端面安装冷却装置，采用机油对热电模块进行冷却，降低热电模块冷端温度，增大发电功率。

3.本发明所述的一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置，对热电模块热端和冷端温度进行监测，当热电模块热端和冷端之间的温差低于限值时，才连续供油进行冷却，降低了机油泵负荷。

4.本发明所述的一种基于温度反馈控制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

图1是本发明所述的热电模块供电流程示意图；

图2是本发明所述的一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置主视图上的全剖视图；

图3是本发明所述活塞销的主视图；

图4是本发明所述活塞销主视图的C-C投影视图；

图5是本发明所述连杆的主视图；

图6是本发明所述连杆主视图的A-A投影视图；

图7是本发明所述连杆主视图的B-B投影视图；

图8是本发明所述第二热电偶安装位置示意图；

图9是本发明所述第一热电偶安装位置示意图；

图10是本发明所述电磁阀主视图的全剖视图；

图11是本发明所述微控制单元MCU的工作流程示意图；

图12是本发明所述集成稳压电路的示意图；

图13是本发明所述升压降压DC/DC电路的示意图。

图中：1.热电模块，2.集成稳压电路，3.超级电容蓄能装置，4.升压降压DC/DC电路，5.负载，6.冷却装置，7.电磁阀，8.活塞销，9.连杆，10.第一热电偶，11.第二热电偶,12.微控制单元MCU，13.电磁阀阀体，14.固定铁芯，15.衔铁弹簧，16.活动衔铁，17.橡胶阀门，18.电磁线圈。

具体实施方式

如图1与图2所示，本发明所述的一种基于温度反馈控制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、冷却装置6、电磁阀7、活塞销8、连杆9、第一热电偶10、第二热电偶11、微控制单元MCU12。

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。

热电模块1安装在活塞内部上顶面上，热电模块1的热端紧贴活塞内部上顶面，热电模块1的冷端面安装有冷却装置6。热电模块1和活塞内部上顶面、冷却装置6油腔上表面之间涂有导热硅脂，增强传热。

如图2、图3与图4所示，对原机的活塞销8进行再加工，活塞销8内的油道布置是左右对称结构，活塞销8在与左侧活塞销座油道口的接触位置有一圈矩形截面油槽，活塞销8在与连杆9左侧油道口的接触位置有一圈矩形截面油槽，在这两圈油槽底部沿垂直于活塞销8轴线方向内各自钻有四条短油道，并通过平行于活塞销8轴线的四条长油道将这八条短油道连接起来。

每圈矩形截面油槽左右两侧各有一圈矩形截面的密封槽，密封槽内安装聚四氟乙烯O形密封圈，对油槽进行密封。

如图5、图6与图7所示，对原机的连杆9进行再加工，在连杆9的杆身左右两侧，以连杆9大端为入口，连杆9小端为出口，各钻有一条油道。

对原机的曲轴进行再加工，从曲轴的轴端钻进两条油道，并沿连杆轴颈钻出油道。

如图2所示，冷却装置6的冷却介质为机油，冷却装置6左右两侧各有一条油道，一端和冷却装置6油腔相连，另一端分别和左侧活塞销座油道、右侧活塞销座油道相连。冷却装置6油腔上表面和热电模块1冷端相贴合。

冷却装置6油腔内的机油对热电模块1的冷端进行冷却，增大热电模块1冷端和热端之间的温差，增大发电功率。

如图2与图10所示，电磁阀7包括电磁阀阀体13、固定铁芯14、衔铁弹簧15、活动衔铁16、橡胶阀门17、电磁线圈18。

电磁阀7安装在冷却装置6右侧油道上，上端口为进油口，下端口为出油口。通电时，电磁线圈18产生电磁力，活动衔铁16向左移动，衔铁弹簧15被压缩，橡胶阀门17左移打开，冷却装置6右侧油路导通；断电时，电磁线圈18不产生电磁力，衔铁弹簧15推动活动衔铁16右移，橡胶阀门17右移关闭，冷却装置6右侧油路阻断。

如图8与图9所示，第一热电偶10安装在冷却装置6油腔上表面的右下角部位，第二热电偶11安装在热电模块1热端面的右下角部位，第一热电偶10和第二热电偶11为片式热电偶。

如图11所示，第一热电偶10、第二热电偶11、电磁阀7分别接入微控制单元MCU12，微控制单元MCU12安装在活塞内部。

如图12所示，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U_OUT＝(1+R_f/R₁)·U_Z，R_f是可调电阻，R₁为定值电阻，U_Z为稳压管稳定电压，可通过调节R_f的值改变集成稳压电路2输出电压U_OUT的值，因此集成稳压电路2为连续可调的恒压源。

如图13所示，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 widthmodulation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U_in向电感L输入能量，靠电容C维持升压降压DC/DC电路4输出电压U_OUT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容C和负载5，以此来实现负载5电压的稳定。而且保持开关管Q开关周期不变，开关管Q导通时间越长，升压降压DC/DC电路4输出电压U_OUT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U_OUT越低。

如图2、图8、图9、图10与图11所示，第一热电偶10测量热电模块1冷端面的温度，第二热电偶11测量热电模块1热端面温度，并将热电模块1冷端面和热端面的温度反馈给微控制单元MCU12,微控制单元MCU12计算热电模块1热端和冷端之间的温度差。

当热电模块1热端和冷端之间的温度差低于200℃时，微控制单元MCU12控制电磁阀7通电，冷却装置6右侧油道导通，机油泵将机油通过曲轴导入连杆9的左侧油道，依次经过活塞销8左侧四条油道、左侧活塞销座油道、冷却装置6左侧油道进入冷却装置6的油腔中，随后机油通过冷却装置6右侧油道、右侧活塞销座油道、活塞销8右侧四条油道、连杆9右侧油道流回，从而形成循环。

当热电模块1热端和冷端之间的温度差超过200℃时，微控制单元MCU12控制电磁阀7断电，冷却装置6右侧油道中断，停止供油，油道内的机油处于不流动状态。

如图1、图2、图12与图13所示，热电模块1利用活塞内部上顶面和冷却装置6油腔上表面之间的温差进行发电，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。

如图1、图10与图11所示，所述的电磁阀7和微控制单元MCU12是负载性质的元器件，分别和升压降压DC/DC电路4的输出端相连，由热电模块1提供电能。

一种基于温度反馈控制的活塞温差发电装置的工作原理：

如图1、图2与图11所示，当热电模块1热端和冷端之间的温度差低于200℃时，微控制单元MCU12控制电磁阀7通电，冷却装置6右侧油道导通，机油泵将机油通过曲轴导入连杆7的左侧油道，依次经过活塞销9左侧四条油道、左侧活塞销座油道、冷却装置6左侧油道进入冷却装置6的油腔中，随后机油通过冷却装置6右侧油道、右侧活塞销座油道、活塞销9右侧四条油道流回，从而形成循环；当热电模块1热端和冷端之间的温度差超过200℃时，微控制单元MCU12控制电磁阀7断电，冷却装置6右侧油道中断，停止供油，油道内的机油处于不流动状态。

热电模块1利用活塞内部上顶面的余热进行发电，使用机油对热电模块1冷端进行强制冷却。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。