CN102235212B - 用于废热回收的废气旁通流量控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于废热回收的废气旁通流量控制。具体地，提供了一种用于发动机的排气系统，其包括配置成从发动机接收废气的废热回收装置，并且包括与废气流体连通的第一流动通道以及与废气流体连通的第二流动通道。热交换器/能量回收单元设置于第二流动通道内，并使工作流体在其中循环用于将来自废气的热量交换给工作流体。控制阀设置于第一流动通道和第二流动通道的下游，处于废热回收装置中的低温区域内，以引导废气通过第一流动通道或第二流动通道。

Description

用于废热回收的废气旁通流量控制
技术领域
本发明的示例性实施例涉及用于内燃发动机的废热回收系统，更具体地，涉及具有鲁棒的废气旁通流量控制的废热回收装置。
背景技术
燃料价格的增长以及对废气排放的管理的增多已然导致机动车用的更有燃料效率的推进系统日益流行。高效率的内燃发动机、柴油发动机、以及使用了电动马达和内燃发动机的推进组合的混合推进系统仅是车辆设计师们考虑解决所述效率和管理挑战的部分解决方案。就传统的非混合动力的动力系而言，大约30％的燃料能量以废热形式丧失在排气系统中。就混合动力推进系统而言，在冷的环境温度操作期间，保持发动机、变速器、排气系统以及乘员舱室内的适当温度可能是具有挑战的，这是因为混合动力推进系统频繁地起动和停止内燃发动机。
在任一情形中，例如，与环境相比具有较大温度差的发动机排气系统都是用于回收以废热形式的有用能量以便用在车辆其他地方的适宜目标。热交换器可与发动机排气系统相关联，并且可以例如使用发动机冷却剂或另一种工作流体，以便通过排气系统从排气流中提取废热。由热交换器所回收的热量可用来在冷起动后帮助快速加热发动机或变速器，从而减少摩擦和增加系统效率。可备选地，回收的热量可用来通过热电发电来产生电力，其中，温度差产生了可被车辆电气系统使用的电压。由于排气温度可在整个操作周期内广泛地变化(从大约300℃到大约1000℃)，因此使用回收的废热的各种车辆系统(包括热交换器本身)必须监测过高温度状况，所回收的热量或能量在过高温度状况中可能是有害的。尽管排气温度不容易控制，但是在此情况下，通常是使发动机废气旁路绕过热交换器，以便在各种排气处理设备中经过适当的处理后释放到大气中。使废气绕过热交换器的旁通可需要使用安装成与热废气流体连通的旁通阀。在此环境中，所述阀经受极端苛刻的条件，因而需要非常稳健并且通常很昂贵的设计和材料。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种用于内燃发动机的排气系统包括配置成从内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路。下游废热回收装置可配置成接收废气，并进一步包括与废气管路流体连通的第一流动通道以及与废气管路流体连通的第二流动通道。热交换器/能量回收单元位于第二流动通道内，并具有工作流体的入口和出口，用于工作流体从其中循环通过，并将来自废气的热量交换给工作流体。流量控制阀位于第一和第二流动通道下游，处于废热回收装置的低温区域内，以便引导废气通过第一流动通道、第二流动通道、或它们的组合。
在另一个示例性实施例中，一种用于内燃发动机的排气系统包括配置成从内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路。下游废热回收装置可配置成接收废气，并进一步包括体积扩大部分。纵向延伸的流量分配器位于体积扩大部分内，并限定与废气管路流体连通的第一流动通道和与废气管路流体连通的第二流动通道。热交换器/能量回收单元位于第二流动通道内，并具有工作流体的入口和出口，用于工作流体从其中循环通过，并将来自废气的热量交换给工作流体。流量控制阀可枢转地连接至流量分配器的下游端，处于废热回收装置的低温区域内，并配置成引导废气通过第一流动通道、第二流动通道、或它们的组合。
在又一个示例性实施例中，提供了一种操作用于内燃发动机的排气系统的方法，该排气系统包括：配置成从内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路；配置成接收废气的下游废热回收装置。该废热回收装置包括：与废气管路流体连通的第一流动通道；与废气管路流体连通的第二流动通道；热交换器/能量回收单元，所述热交换器/能量回收单元位于第二流动通道内，具有供工作流体从其中循环通过的工作流体的入口和出口，并且将来自废气的热量交换给工作流体；以及，流量控制阀，所述流量控制阀位于第一和第二流动通道下游，处于废热回收装置的低温区域内，以便引导废气通过第一流动通道或第二流动通道。该方法包括：确定各车辆系统的热量或能量需求；如果各车辆系统需要热量或能量，那么致动流量控制阀以引导废气通过第二流动通道和热交换器/能量回收单元；以及，如果各车辆系统不需要热量或能量，那么致动流量控制阀以引导废气通过第一流动通道。
本发明也提供如下的解决方案：
解决方案1：一种用于内燃发动机的排气系统，包括：
配置成从所述内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路；
配置成接收所述废气的下游废热回收装置；所述废热回收装置进一步包括：
与所述废气管路流体连通的第一流动通道；
与所述废气管路流体连通的第二流动通道；
设置于所述第二流动通道内用于与输送到其中的所述废气交换热量的热交换器/能量回收单元；以及
流量控制阀，所述流量控制阀设置于所述第一流动通道和所述第二流动通道的下游，位于所述废热回收装置的低温区域内，以选择性地引导废气通过所述第一流动通道、所述第二流动通道、或它们的组合。
解决方案2：如解决方案1所述的用于内燃发动机的排气系统，进一步包括：
流量控制阀致动器；
控制器，所述控制器与传感器信号连通，并且配置成致动所述流量控制阀致动器和流量控制阀，以便基于来自所述传感器的信号选择性地引导废气通过所述第二流动通道和相关联的热交换器/能量回收单元，或者引导废气通过所述第一流动通道。
解决方案3：如解决方案2所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，来自工作流体的热量被输送至车辆系统。
解决方案4：如解决方案3所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述车辆系统可以包括内燃发动机、变速器、车辆内部的HVAC系统、或它们的组合。
解决方案5：如解决方案3所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述车辆系统可以包括配置成产生电力的热电发电机。
解决方案6：如解决方案1所述的用于内燃发动机的排气系统，进一步包括被动流量控制阀，所述被动流量控制阀设置于所述第一流动通道内，并且能够以跨其两端的预定压差来操作，以便引导所述废气通过所述第一流动通道。
解决方案7：如解决方案6所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述被动流量控制阀包括在所述被动流量控制阀上施加预定关闭力的偏置构件。
解决方案8：一种用于内燃发动机的排气系统，包括：
配置成从所述内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路；
配置成接收所述废气的下游废热回收装置，所述废热回收装置进一步包括：
体积扩大部分；
设置于所述体积扩大部分内的纵向延伸的流量分配器，所述流量分配器限定出与所述废气管路流体连通的第一流动通道以及与所述废气管路流体连通的第二流动通道；
设置于所述第二流动通道内的热交换器/能量回收单元，所述热交换器/能量回收单元具有工作流体入口和出口，用于工作流体从中循环通过从而将来自所述废气的热量交换给所述工作流体；以及
流量控制阀，所述流量控制阀被连接到所述纵向延伸的流量分配器的下游端，位于所述废热回收装置的低温区域内，并配置成选择性地引导所述废气通过所述第一流动通道、所述第二流动通道、或它们的组合。
解决方案9：如解决方案8所述的用于内燃发动机的排气系统，进一步包括：
流量控制阀致动器；
控制器，所述控制器与传感器信号连通，并且配置成致动所述流量控制阀致动器和所述流量控制阀，以便基于来自所述传感器的信号选择性地引导废气通过所述热交换器/能量回收单元、所述第一流动通道、或它们的组合。
解决方案10：如解决方案9所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，来自所述工作流体的热量被输送到车辆系统。
解决方案11：如解决方案10所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述车辆系统可以包括所述内燃发动机、变速器、车辆内部的HVAC系统、或它们的组合。
解决方案12：如解决方案10所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述车辆系统可以包括配置成产生电力的热电发电机。
解决方案13：一种操作用于内燃发动机的排气系统的方法，所述排气系统具有：配置成从内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路；配置成接收所述废气的下游废热回收装置；所述废热回收装置包括：与所述废气管路流体连通的第一流动通道、与所述废气管路流体连通的第二流动通道、设置于所述第二流动通道内并且具有供工作流体从其中循环通过从而将来自所述废气的热量交换给所述工作流体的工作流体入口和出口的热交换器/能量回收单元、以及设置于所述第一流动通道和所述第二流动通道下游并且处于所述废热回收装置的低温区域内以引导废气通过所述第一流动通道或所述第二流动通道的流量控制阀，所述方法包括：
确定车辆系统的热量或能量需求；
如果所述车辆系统需要热量或能量，那么就致动所述流量控制阀以引导废气通过所述第二流动通道和所述热交换器/能量回收单元；以及
如果所述车辆系统不需要热量或能量，那么就致动所述流量控制阀以引导废气通过所述第一流动通道。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点可在结合附图时从下面对用于实施本发明的最佳模式的详细描述中变得相当明显。
附图说明
其他目标、特征、优点和细节仅通过示例在对实施例的如下详细描述中以及在参考附图的详细描述中得以体现，附图中：
图1是具有内燃发动机和具体实现了本发明特征的相关排气处理系统的车辆的示意图；
图2是图1的排气处理系统的一部分的放大示意图，其处于第一操作模式；
图3是图1的排气处理系统的一部分的放大示意图，其处于第二操作模式；以及
图4是图1的排气处理系统的一部分的另一个实施例的放大示意图，其处于第一操作模式；以及
图5是图1的排气处理系统的一部分的另一个实施例的放大示意图，其处于第二操作模式。
具体实施方式
以下的描述本质上仅是示例性的，且并不旨在限制本发明、其应用或使用。应当理解的是，在全部附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
参考图1-3，示例性实施例是针对废热回收系统10，其用于从机动车辆17所用的内燃发动机16的排气处理系统14内的废气12回收废热。内燃发动机16从排气端口(未示出)排放热的废气12，并将废气12排入到排气收集器中，比如排气歧管18。排气系统管路20从排气歧管18接收废气12，并将废气向下游传送到一个或多个排气处理设备中(未示出)，所述排气处理设备配置成在废气12中的各种受管理成分被释放到大气之前将它们转换成不受管理的成分。这种排气处理设备可根据发动机的类型(柴油机、汽油机等)而变化。
位于排气处理系统14内、处于靠近或在排气歧管18内侧位置处的是废热回收(“EHC”)装置22。参考图2和图3，在示例性实施例中，EHC 22包括体积扩大部分24，其由纵向延伸的壁部或流量分配器26分开，以分别限定出第一流动通道28和第二流动通道30。流量入口32接收来自排气处理系统14的热废气12，流量出口34则引导来自EHC 22的废气。第一流动通道28被配置为允许废气12越过EHC 22而不回收来自废气12的任何废热或能量的流经通道，见图2。第二流动通道30在其内容纳有热交换器/量回收单元36，其配置成从穿过其的废气12中回收废热或能量，见图3。
入口管路38和出口管路40分别与热交换器/能量回收单元36连通，以将工作流体42(比如发动机冷却剂)传送到其中，并从其中将工作流体移除。例如，适宜的工作流体的其他示例可以是周围空气或压缩气体。在示例性实施例中，热交换器/量回收单元36可包括将工作流体42与废气12分开但却允许来自热废气的热量或能量传送到相对较冷的工作流体42的通道(未示出)。一旦从热交换器/能量回收单元36中移除，被加热的工作流体42可被分配到各个车辆部件或系统，比如内燃发动机16、变速器58、车辆内部HVAC系统60、排气处理系统14、或它们的组合。可备选地，回收的热量可用来通过热电发电机62产生电力，其中，温度差产生了可被车辆17的电气系统使用的电压。
EHC 22以及从所述EHC接收废热或能量的各个车辆部件和系统可被控制器(比如，动力系或车辆控制器44)监测，该控制器与各个传感器(比如，热交换器/能量回收单元36、内燃发动机16、变速器58、车辆内部60、或热电发电机62内的温度传感器46)信号连通。如此处所使用的，术语“控制器”可包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的、或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其他适宜部件。
在示例性实施例中，流量控制阀48枢转地连接到纵向延伸的壁部26的下游端50，并配置成围绕沿枢转柱54的方向延伸的轴线枢转。流量控制阀致动器56与EHC 22的外部相关联，并可操作以便使流量控制阀48在第一旁通位置(见图2，其中，非冷却废气12在不穿过热交换器/能量回收单元36的情况下通过EHC)和第二热回收位置(见图3，其中，进入EHC 22的非冷却废气12被迫穿过热交换器/能量回收单元36，在热交换器/能量回收单元36中，来自废气的废热被传递到工作流体42，并且冷却的废气12’从热交换器/能量回收单元36离开)之间移动。流量控制阀致动器56与控制器44信号连通，并从该控制器接收致动信号，这导致了流量控制阀48的选择性定位(例如，打开、关闭、部分地打开)，以便基于来自本文所描述的各个传感器的信号将热交换器/能量回收单元36和从工作流体42接收所回收热量的其他车辆系统维持在预定温度。
由于流量控制阀48和流量控制阀致动器56所经历的高温，所述阀在EHC22的纵向延伸的壁部26的下游端50的位置允许更加稳健的阀和致动器，这是由于在下游端50相比于在上游端58遇到的温度更低。当废气12、12’经过排气处理系统14时，温度损失可在每英尺大约50℃到大约125℃的范围内变化。在废气12、12’通过EHC 22的第一或第二流动通道28、30时施加在废气12、12’上的热负荷足以明显地有利于流量控制阀48和相关联致动器56的耐用性，或者足以使阀和致动器的稳健性减小并因而导致费用的减少，这都是因为在下游位置处的更低温度环境所致。
现在参考图4和图5，在本发明的另一个示例性实施例中，EHC 22的排气系统管路20被示出为分别划分为第一流动通道28和第二流动通道30。流动通道28引导废气12直接通过排气处理系统，并且通到各个下游的后处理设备(未示出)，这些后处理设备在废气12释放到大气之前处理废气12中的受管理成分，见图4。第二流动通道30将废气导入到并通过EHC 22的热交换器/能量回收单元36，见图5。入口管路38和出口管路40分别与热交换器/能量回收单元36流体连通，以将工作流体42(比如，发动机冷却剂)传送到热交换器/能量回收单元36，以及将工作流体42从其中移除。一旦从热交换器/能量回收单元36移除，被加热的工作流体42可被分配到所选择的车辆部件或系统。
EHC 22以及从EHC接收废热或能量的各车辆部件和系统可被控制器(比如，动力系或车辆控制器44(图1))监测，该控制器与各传感器(比如，热交换器/能量回收单元36内的温度传感器46)信号连通。在示例性实施例中，流量控制阀48位于第二流动通道30内，处于热交换器/能量回收单元36的下游。流量控制阀致动器56与流量控制阀48相关联，并且可操作以便使流量控制阀48在关闭位置(见图4，其中，废气12在不穿过热交换器/能量回收单元36的情况下通过第一流动通道28)和打开的热回收位置(见图5，其中，废气12自由地穿过热交换器/能量回收单元36，在热交换器/能量回收单元36中，废热被传递到工作流体42)之间移动。流量控制阀致动器56与控制器44信号连通，并从所述控制器接收致动信号，这导致了流量控制阀48的正确定位，以便将热交换器/能量回收单元36和从工作流体42接收所回收的热量的其他车辆系统维持在预定温度。
在图4和图5所示的实施例中，第二被动流量控制阀74位于第一流动通道28内。被动流量控制阀74可使用诸如弹簧76之类的偏置元件，所述偏置元件施加适于阀横截面面积的预定关闭扭矩，以使阀74在其两侧处于预定压差(大约5kPa)时关闭。在内燃发动机16的运行期间，控制器44命令流量控制阀致动器56打开流量控制阀48，并允许废气12流过热交换器/能量回收单元36，以便从其中提取热量。在控制器44确定不再需要热回收时，控制器将命令流量控制阀致动器56关闭流量控制阀48，这将导致热交换器/能量回收单元36和被动流量控制阀74上游处的排气系统背压增加。当排气背压超过偏置元件76的预定关闭力时，被动流量控制阀74打开，以允许废气12穿过第一流动通道28来通过EHC 22。被动流量控制阀74的应用是有用的，因为其可用于故障保护装置，以在流量控制阀48或流量控制致动器56失效从而使阀处于关闭位置时，确保废气12可通过EHC 22。
由于流量控制阀48和流量控制阀致动器56所经历的高温，因而所述阀在热交换器/能量回收单元36下游的位置允许更稳健的阀和致动器，这是因为在该位置处遭遇的温度更低。当废气12通过排气处理系统14时，温度损失可在每英尺大约50℃到大约125℃的范围内变化。在废气12通过EHC 22的热交换器/能量回收单元36时所施加在排气12上的热负荷足以明显有利于流量控制阀48和相应致动器56的耐用性，这是因为在下游位置处更低的温度环境所致。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可作出各种改变或可由等同物来替换本发明的元件。另外，可作出许多修改使特定情形或材料适应本发明的教导，而不脱离本发明的实质范围。因而，本发明意在不被限制于作为用于实现本发明所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落在本申请范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种用于内燃发动机的排气系统，包括：
配置成从所述内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路；
配置成接收所述废气的下游废热回收装置，所述废热回收装置进一步包括：
    与所述废气管路流体连通的第一流动通道；
    与所述废气管路流体连通的第二流动通道；
    设置于所述第二流动通道内用于与输送到其中的所述废气交换热量的热交换器/能量回收单元；
    流量控制阀，所述流量控制阀设置于所述第一流动通道和所述第二流动通道的下游，位于所述废热回收装置的低温区域内，以选择性地引导废气通过所述第一流动通道、所述第二流动通道、或它们的组合；以及
    被动流量控制阀，所述被动流量控制阀设置于所述第一流动通道内，并且能够以跨其两端的预定压差来操作，以便引导所述废气通过所述第一流动通道。
2.如权利要求1所述的用于内燃发动机的排气系统，进一步包括：
流量控制阀致动器；
控制器，所述控制器与传感器信号连通，并且配置成致动所述流量控制阀致动器和流量控制阀，以便基于来自所述传感器的信号选择性地引导废气通过所述第二流动通道和相关联的热交换器/能量回收单元，或者引导废气通过所述第一流动通道。
3.如权利要求2所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，来自工作流体的热量被输送至车辆系统。
4.如权利要求3所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述车辆系统可包括内燃发动机、变速器、车辆内部的HVAC系统、或它们的组合。
5.如权利要求3所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述车辆系统可以包括配置成产生电力的热电发电机。
6.如权利要求1所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述被动流量控制阀包括在所述被动流量控制阀上施加预定关闭力的偏置构件。
7.一种用于内燃发动机的排气系统，包括：
配置成从所述内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路；
配置成接收所述废气的下游废热回收装置，所述废热回收装置进一步包括：
    体积扩大部分；
    设置于所述体积扩大部分内的纵向延伸的流量分配器，所述流量分配器限定出与所述废气管路流体连通的第一流动通道以及与所述废气管路流体连通的第二流动通道；
    设置于所述第二流动通道内的热交换器/能量回收单元，所述热交换器/能量回收单元具有工作流体入口和出口，用于工作流体从中循环通过从而将来自所述废气的热量交换给所述工作流体；
    流量控制阀，所述流量控制阀被连接到所述纵向延伸的流量分配器的下游端，位于所述废热回收装置的低温区域内，并配置成选择性地引导所述废气通过所述第一流动通道、所述第二流动通道、或它们的组合；以及
    被动流量控制阀，所述被动流量控制阀设置于所述第一流动通道内，并且能够以跨其两端的预定压差来操作，以便引导所述废气通过所述第一流动通道。
8.如权利要求7所述的用于内燃发动机的排气系统，进一步包括：
流量控制阀致动器；
控制器，所述控制器与传感器信号连通，并且配置成致动所述流量控制阀致动器和所述流量控制阀，以便基于来自所述传感器的信号选择性地引导废气通过所述热交换器/能量回收单元、所述第一流动通道、或它们的组合。
9.如权利要求8所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，来自所述工作流体的热量被输送到车辆系统。
10.如权利要求9所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述车辆系统可以包括所述内燃发动机、变速器、车辆内部的HVAC系统、或它们的组合。
11.如权利要求9所述的用于内燃发动机的排气系统，其中，所述车辆系统可以包括配置成产生电力的热电发电机。
12.一种操作用于内燃发动机的排气系统的方法，所述排气系统具有：配置成从内燃发动机的排气端口接收废气的废气管路；配置成接收所述废气的下游废热回收装置；所述废热回收装置包括：与所述废气管路流体连通的第一流动通道、与所述废气管路流体连通的第二流动通道、设置于所述第二流动通道内并且具有供工作流体从其中循环通过从而将来自所述废气的热量交换给所述工作流体的工作流体入口和出口的热交换器/能量回收单元、设置于所述第一流动通道和所述第二流动通道下游并且处于所述废热回收装置的低温区域内以引导废气通过所述第一流动通道或所述第二流动通道的流量控制阀、以及设置于所述第一流动通道内的被动流量控制阀，所述方法包括：
确定车辆系统的热量或能量需求；
如果所述车辆系统需要热量或能量，那么就致动所述流量控制阀以引导废气通过所述第二流动通道和所述热交换器/能量回收单元；
如果所述车辆系统不需要热量或能量，那么就致动所述流量控制阀以引导废气通过所述第一流动通道；以及
以跨其两端的预定压差来操作所述被动流量控制阀，以便引导所述废气通过所述第一流动通道。
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