CN103993938A - 内燃机尾气废热回电装置 - Google Patents

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汪若尘
叶青
谢健
孙泽宇
陈龙
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Abstract

本发明公开一种内燃机尾气废热回电装置，包括换热器、热电发电组件、水冷板、紧定箍、高温板、进气锥、出气锥、连接法兰、外壳体。其中内燃机尾气经排气管从与法兰连接的进气锥输入，经过换热器内的集热装置时废气中的部分热量被集热装置收集并通过集热装置内的传热介质传导至安装在热电发电组件一端的高温板，热电发电组件的另一面由内通冷却水的水冷板冷却，高温板和水冷板之间产生温度差，热电发电组件在存在温度差情况下即可产生电量充电。发明的内燃机尾气废热回电装置具有结构简单、制造组装方便、发电效率高的特点。

Description

内燃机尾气废热回电装置
技术领域
本发明涉及一种温差发电装置，特别涉及内燃机尾气废热回电装置。
背景技术
废热温差发电是将内燃机尾气余热等低品位能源转换为电能的有效方式，目前汽车尾气废热回收利用的方式有多种，按照其使用用途来划分，大致有制冷空调、废热发电、废热取暖、改良燃料、废气涡轮增压等方式。近些年，美国、日本以及欧盟各发达国家在利用热电发电机回收汽车尾气废热方面的投入逐渐加大，如美国hz公司早在1990年已开发了热电发电组件样机，日本Nissan公司也于1998年设计了热电发电机样机，2004 年美国 Clarkson 大学也发明了的热电发电机样机。其中，美国Hi-Z 公司的 Bass 等基于一辆重载汽车的柴油发动机Cummins H-14 设计的一台热电发电机样机的最大发电功率超过 1kW；美国 Clarkson 大学 Thacher 等在美国能源部和 NYSERDA的支持下与德尔福公司共同研制的一台热电发电机样机可通过回收尾气废热发电实现提高整车燃油经济性 1~2％；日本Nissan汽车公司研究中心研制的一种排气温差发电器可以回收11%的热量；西班牙研制的排气温差发电器可以收37%的热量。
国内也开展了对汽车尾气余热收集的相关研究，目前该技术仍然处于一个初级阶段,之前热电发电技术的研究主要集中于一些热电基础理论以及热电材料方面。从2009年，中国科学院上海硅酸盐研究所与上海汽车集团股份有限公司技术研究中心在国家 973 重点基础研究发展计划专项资金的资助下，共同启动了一项热电技术在汽车尾气回收的新项目。汽车的动力转换效率仅40%左右，燃油中有多达60%左右的能量没有得到有效利用，若将这些能量的10%利用起来，将定会带来良好的社会效益和可观的经济效益，但从已报道的研究成果来看，目前技术还不成熟，仍有很长的路要走。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种应用赛贝克效应，利用汽车尾气废热进行发电，从而提高内燃机的能量利用效率的内燃机尾气废热回电装置。
本发明的技术方案为：一种内燃机尾气废热回电装置，一种内燃机尾气废热回电装置，包括进气锥、废热回电部件组、出气锥；所述废热回电部件组一端的壳体连接所述进气锥，所述废热回电部件组另一端的壳体连接所述出气锥；所述进气锥进气口处设有大端法兰，所述大端法兰与汽车排气***前端连接；所述出气锥出气口处设有小端法兰，所述小端法兰与排气***后端连接；所述废热回电部件组内部自上而下依次为水冷板、热电发电组件、高温板、换热器；所述水冷板通过冷却水管接头与外部水箱连通；所述热电发电组件的上下面分别与所述水冷板、所述高温板紧密贴合；所述高温板安装在所述换热器外表面，所述高温板通过换热介质管接头与换热介质储存装置连通；所述换热器内部为集热装置。该装置总体上具有结构简单、制造组装方便、发电效率高的特点。
作为本发明的进一步改进，所述进气锥与所述出气锥均为薄壁锥壳体并与所述壳体焊接，所述进气锥进气口与所述大端法兰焊接，所述出气锥出气口与所述小端法兰焊接；所述冷却水管接头包括一个进口和一个出口，所述冷却水管接头的进口和出口分别位于所述水冷板同一侧面的两端；所述换热介质管接头包括一个进口和一个出口，所述换热介质管接头的进口和出口分别位于所述高温板同一侧面的两端；所述水冷板上表面扣有所述紧定箍，所述紧定箍上有螺丝锁紧在所述外壳上，所述水冷板内部为进出端口焊有接头的蛇形管道，所述蛇形管道为一体铸造，上述改进结构简单、制造组装方便。
作为本发明的进一步改进，所述热电发电组件为温差发电组件，由单个热电发电片组成，采用三片热电发电片串联为一组，然后三组并联的方式连接成为一个矩形平面；所述热电发电组件低温面紧密贴合所述水冷板，所述热电发电组件高温面与所述高温板紧密贴合，该改进有利于热电发电组件提高发电能力。
进一步改进，所述换热器的截面为长方形，所述换热器内部的集热装置由铜板构成，内部为蛇形管道，外部与尾气接触部分有吸热涂层，所述集热装置与尾气流动方向平行均匀分布，并与所述换热器内壁焊接，该改进有利于集热装置充分的吸收内燃机废热。
本发明的有益效果为：本发明的汽车废气余热温差发电装置，汽车废气从进气锥输入，经过换热器时废气中的部分余热由换热器内的集热装置吸收并通过集热装置内的换热介质传递至安装在换热器外表面的高温板，热电发电组件的低温端与水冷板紧密贴合，即热电片热端被高温板加热，低温端被水冷板冷却，因此热电发电组件热端冷端产生温度差，从而产生电量。发明的内燃机尾气废热回电装置具有结构简单、制造组装方便、发电效率高的特点。另外，通过内燃机尾气废热回电装置为车载电池充电，充分提高了内燃机能源的利用率，降低了整车油耗，提高了燃油经济性。
附图说明
图1是本发明内燃机废热回电装置的整体结构示意图。
图2是本发明内燃机废热回电装置的横截面图。
图3是本发明内燃机废热回电装置中换热器内的集热装置示意图。
图中：1-大端法兰、2-进气锥、3-出气锥、4-水冷板、5-热电发电组件、6-高温板、7-换热器、8-集热装置、9-紧定箍、10-换热介质管接头、11-冷却水管接头、12-壳体、13-小端法兰、14-吸热涂层。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐明本发明的具体实施方式。
如图1~3所示，一种内燃机尾气废热回电装置，包括：进气锥2、废热回电部件组、出气锥3；所述废热回电部件组一端的壳体12连接所述进气锥2，所述废热回电部件组另一端的壳体12连接所述出气锥3；所述进气锥2进气口处设有大端法兰1，所述大端法兰1与汽车排气***前端连接，所述进气锥2另一端直接与换热器7前端连接；所述出气锥3一端直接与换热器7后端连接，所述出气锥3出气口处设有小端法兰13，所述小端法兰13与汽车排气***后端连接，此外，上述进气锥2与出气锥3均为薄壁锥壳体并与所述壳体12焊接，进气锥2进气口与所述大端法兰1焊接，出气锥3出气口与小端法兰13焊接。
所述废热回电部件组外部包括冷却水管接头11、换热介质管接头10、壳体12；所述废热回电部件组内部自上而下依次为水冷板4、热电发电组件5、高温板6、换热器7；所述水冷板4通过所述冷却水管接头11与外部水箱连通，所述冷却水管接头11包括一个进口和一个出口，分别位于所述水冷板4同一侧面的两端；所述热电发电组件5的上下面分别与水冷板4、高温板6紧密贴合；所述高温板6安装在换热器7外表面，所述高温板6通过所述换热介质管接头10与换热介质储存装置连通，所述换热介质管接头10包括一个进口和一个出口，分别位于所述高温板6同一侧面的两端；所述换热器7内部为集热装置8。
进一步的，所述水冷板4上表面扣有所述紧定箍9，所述紧定箍9上有螺丝锁紧在外壳12上，所述水冷板4内部为进出端口焊有接头的蛇形管道，为一体铸造；所述热电发电组件5为温差发电组件，采用美国HZ公司的HZ-20热电发电组件，由单个热电发电片组成，采用三片热电发电片串联为一组，然后三组并联的方式连接成为一个矩形平面；所述发电组件5低温面紧密贴合所述水冷板4，所述热电发电组件5高温面与所述高温板6紧密贴合；所述换热器7的截面为长方形；所述集热装置8由铜板构成，内部为蛇形管道，外部与尾气接触部分有吸热涂层，所述集热装置8与尾气流动方向平行均匀分布，并与所述换热器7内壁焊接。
本发明的工作原理结合图1、图2、说明如下：
汽车废气通过进气锥2进入换热器7的内部，废气中的部分余热被换热器7内集热装置8收集并通过集热装置8内部的换热介质传递至安装在换热器7外部的高温板6上，热电发电组件5两面分别与高温板6、水冷板4紧密贴合，水冷板4内部有冷却水通过，其冷却水由水箱提供，换热介质由换热介质储存装置提供，汽车废气在通过集热管后由出气锥进入汽车排气***。而热电发电组件5热端被高温板6加热，冷端被水冷板4冷却，因此热电发电组件5热端冷端产生温度差，从而产生位差电动势，最终实现发电的目的。发明的内燃机尾气废热回电装置具有结构简单、制造组装方便、发电效率高的特点。另外，通过内燃机尾气废热回电装置为车载电池充电，充分提高了内燃机能源的利用率，降低了整车油耗，提高了燃油经济性。

Claims (7)

1.一种内燃机尾气废热回电装置，其特征在于：包括进气锥（2）、废热回电部件组、出气锥（3）；所述废热回电部件组一端的壳体（12）连接所述进气锥（2），所述废热回电部件组另一端的壳体（12）连接所述出气锥（3）；
所述进气锥（2）进气口处设有大端法兰（1），所述大端法兰（1）与汽车排气***前端连接；所述出气锥（3）出气口处设有小端法兰（13），所述小端法兰（13）与排气***后端连接；
所述废热回电部件组内部自上而下依次为水冷板（4）、热电发电组件（5）、高温板（6）、换热器（7）；所述水冷板（4）通过冷却水管接头（11）与外部水箱连通；所述热电发电组件（5）的上下面分别与所述水冷板（4）、所述高温板（6）紧密贴合；所述高温板（6）安装在所述换热器（7）外表面，所述高温板（6）通过换热介质管接头（10）与换热介质储存装置连通；所述换热器（7）内部为集热装置（8）。
2.根据权利要求1所述的内燃机尾气废热回电装置，其特征在于：所述进气锥（2）与所述出气锥（3）均为薄壁锥壳体并与所述壳体（12）焊接，所述进气锥（2）进气口与所述大端法兰（1）焊接，所述出气锥（3）出气口与所述小端法兰（13）焊接。
3.根据权利要求1所述的内燃机尾气废热回电装置，其特征在于：所述冷却水管接头（11）包括一个进口和一个出口，所述冷却水管接头（11）的进口和出口分别位于所述水冷板（4）同一侧面的两端；所述换热介质管接头（10）包括一个进口和一个出口，所述换热介质管接头（10）的进口和出口分别位于所述高温板（6）同一侧面的两端。
4.根据权利要求1或3所述的内燃机尾气废热回电装置，其特征在于：所述水冷板（4）上表面扣有所述紧定箍（9），所述紧定箍（9）上有螺丝锁紧在所述外壳（12）上，所述水冷板（4）内部为进出端口焊有接头的蛇形管道，所述蛇形管道为一体铸造。
5.根据权利要求1所述的内燃机尾气废热回电装置，其特征在于：所述热电发电组件（5）为温差发电组件，由单个热电发电片组成，采用三片热电发电片串联为一组，然后三组并联的方式连接成为一个矩形平面；所述热电发电组件（5）低温面紧密贴合所述水冷板（4），所述热电发电组件（5）高温面与所述高温板（6）紧密贴合。
6.根据权利要求1所述的内燃机尾气废热回电装置，其特征在于：所述换热器（7）的截面为长方形。
7.根据权利要求1或6所述的内燃机尾气废热回电装置，其特征在于：所述换热器（7）内部的所述集热装置（8）由铜板构成，内部为蛇形管道，外部与尾气接触部分有吸热涂层，所述集热装置（8）与尾气流动方向平行均匀分布，并与所述换热器（7）内壁焊接。
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