温差发电式内燃机冷却系统方案设计与性能仿真

摘要

内燃机是目前最常用的动力机械，应用非常广泛，但是实际上内燃机的热效率并不高，只有25％左右，大约75％的能量通过摩擦消耗、冷却系统以及尾气带走，这部分能量被白白的浪费掉。目前，很多学者都对尾气中能量的回收做了研究，但对冷却系统带走的约30％的热量的回收研究很少，为了能够进一步提高内燃机的热效率，本文在前人研究的基础上对内燃机冷却系统所带走的热量的回收进行了研究。
　　本文采用本田WH125-6风冷内燃机为原机模型，在此基础上对内燃机的风冷系统进行重新设计，设计出一套采用热管传热的具有发电和冷却功能的新型内燃机温差发电式冷却系统。研究方法上，首先采用GT-POWER软件对原机模型进行建模，分析出该模型在不同转速下的内燃机气缸内的平均温度以及平均换热系数。通过C++软件根据所求得的两个参数编写出内燃机在不同转速下气缸内侧面的温度分布以及平均换热系数分布的UDF程序，再通过FLUENT软件对该内燃机的有限元模型进行温度场分析，分析出内燃机在不同转速下的温度场分布，通过与理论情况对比，确定输入参数的准确性，结果表明输入参数准确，为进一步的研究做准备。
　　利用ANSYSWorkbench软件中的Fluid Flow(Fluent)模块对温差发电式内燃机冷却系统的有限元模型进行温度场分析，分析出不同转速下该系统的温度场分布，通过与前面模拟出的WH125-6内燃机温度场进行对比，确定所设计的冷却系统能否满足冷却要求。结果表明所设计的系统的冷却能力能够满足要求，并且能够改善传统风冷发动机低速运转情况下内燃机温度过高的问题。
　　采用Workbench中的Thermal-Electric模块对热电单元的发电效果进行仿真计算，使用电路仿真软件Tina通过对两种不同的拓扑结构建立发电系统的等效模型，分析了系统的发电性能，并将两者拓扑结构所得结果进行对比，选择更适合系统的拓扑结构。结果显示采用合理的拓扑结构，系统有较好的功率输出；
　　最后，对热电单元的厚度、散热片的高度及节距进行了优化处理，以提高系统的发电效果及冷却效果。通过后期的研究发现，改进后整个系统的发电能力及冷却能力都得到提高。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 半导体温差发电技术在国内外的研究现状

1.3 热管传热技术在国内外的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 温差发电式内燃机冷却系统理论基础及三维模型建立

2.1 传热学的基本原理

2.2温差发电基本原理

2.3 热电材料及单元

2.4 热管传热基本理论

2.5 内燃机传热基本理论

2.6温差发电式内燃机冷却系统设计

2.7 本章小结

第3章 温差发电式内燃机冷却系统热源温度场分析

3.1 引言

3.2 发动机工作过程仿真

3.3 风冷发动机温度场分析及理论基础

3.4 本章小结

第4章 温差发电式内燃机冷却系统性能分析

4.1 概述

4.2 温差发电式内燃机冷却系统温度场分析

4.3 温差发电式内燃机冷却系统冷却性能分析

4.4 温差发电式内燃机冷却系统热电性能分析

4.5 本章小结

第5章 温差发电式内燃机冷却系统的优化仿真分析

5.1 引言

5.2 热电单元横截面积以及厚度对其发电性能的影响分析

5.3 散热片尺寸对系统散热性能的影响分析

5.4 散热片节距、长度及热电单元厚度的优化

5.5 优化后系统的发电与冷却性能分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢