CN102365437A - 包括热电装置的、用于内燃发动机设备的能量回收系统 - Google Patents

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Abstract

一种能量回收系统，所述系统包括：-主管线(2)，所述主管线(2)能够输送发动机的排气；-至少第一热电装置(3)和第二热电装置(4)，所述第一热电装置(3)和第二热电装置(4)能够利用塞贝克效应产生电力，第二热电装置(4)位于第一热电装置(3)下游，所述热电装置均具有最优温度范围和最高容许温度。所述第二热电装置(4)的最优温度范围和最高容许温度分别低于所述第一热电装置(3)的最优温度范围和最高容许温度，并且所述系统还包括控制装置(11)，所述控制装置(11)用于控制经过所述第二热电装置的排气的流量，以防止所述第二热电装置暴露于超过其最高容许温度的温度下。

Description

包括热电装置的、用于内燃发动机设备的能量回收系统
技术领域
本发明涉及一种用于汽车的内燃发动机设备，特别是用于工业车辆的内燃发动机设备。更具体地，本发明涉及一种用于此发动机设备的能量回收系统。
背景技术
常规的内燃发动机设备包括例如能够通过排气歧管从发动机收集排气的排气管线。所述排气具有高速和高温，所述排气内含有大量能量。
已经设计出若干种系统来回收该能量的至少一部分，从而提高车辆效率，尤其是提高发动机设备的效率，这对于燃料消耗有直接影响。
一种常规的系统包括为排气管线装配有一个或数个利用塞贝克效应的热电装置。这样的热电装置能够通过对冷源与在排气管线内流动的热排气之间的热流进行转化来产生电力。所生成的电力然后能够用于车辆的各种元件的运行，和/或能够储存在诸如电池等的能量储存部件中。
然而，这种常规系统的一个重要的限制是：排气的流量和温度可能在非常大的范围内根据发动机运行状况而变化。因此，热电装置暴露于不断变化的高温水平和热流水平。结果，当排气温度远离所述热电装置的最优温度范围时，该热电装置的效率可能很差。在排气温度变得高于所述热电装置的最高容许温度的情况下，甚至可能存在损坏该热电装置的风险。
因此，从多种角度来看，似乎在能量回收方面存在着对发动机设备进行改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的能量回收系统，该能量回收系统能够克服常规发动机设备中出现的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种用于内燃发动机设备的能量回收系统，该能量回收系统更好地利用了排气中含有的能量且防止了对热电装置造成的任何损坏。
根据本发明，这样的能量回收系统包括：
主管线，该主管线能够输送所述发动机的排气；
至少第一热电装置和第二热电装置，该第一热电装置和第二热电装置能够通过对冷源与在所述主管线内流动的热排气之间的温度差进行转化来利用塞贝克效应产生电力，该第二热电装置位于第一热电装置下游，所述热电装置均具有最优温度范围和最高容许温度；
其中，所述第二热电装置的最优温度范围和最高容许温度分别低于所述第一热电装置的最优温度范围和最高容许温度，并且其中，所述系统还包括控制装置，该控制装置用于控制经过所述第二热电装置的排气的流量，以防止所述第二热电装置暴露于超过其最高容许温度的温度。
所述热电装置的最优温度范围是这样的温度范围：在该温度范围内存在最大转化效率，即在该温度范围内，所述热电装置利用给定的温度差而能够产生的电压最大。最高容许温度是这样一种温度：当高于该温度时，热电装置可能损坏。
在根据本发明的系统中，第一热电装置被设计为能够耐受高温，该高温优选至少对应于该装置在排气管线内的的位置处的排气的最高可能温度。因此，此第一热电装置在正常运行状况下不会损坏。此外，其最优温度范围非常高。结果，因为第一热电装置处于排气管线内，所以该第一热电装置暴露于排气的仍然非常高的温度下，并因此提供了令人满意的效率。
对于第二热电装置，本发明提供了根据发动机运行状况保证了防止过热且保证了最优效率的装置。
具体而言，该控制装置能够控制经过所述第二热电装置的排气的流量。此控制可以在排气的整个流量范围内是连续的，即在总流量的0％至100％之间是连续的。此控制也可以是离散的，例如带有各种的预先确定的设定，和/或可以仅在流量范围的一部分上进行。所述控制装置能够通过例如第一热电装置上游的排气温度和/或排气流量来引导，即通过发动机运行状况来引导。
如果排气非常热，则该控制装置能够限制、甚至能够停止经过第二热电装置的排气流，以防止第二热电装置过热。相反，如果排气温度较低，则该控制装置能够允许所有排气流均经过第二热电装置，只要第二热电装置入口处的排气温度低于其最高容许温度。
此外，该控制装置能够仅允许排气的一部分经过第二热电装置。这例如能够发生在排气具有中等温度时。通过降低排气流量，排气温度能够沿着所述主管线迅速降低，从而当排气达到第二热电装置的入口时，排气温度低于所述第二热电装置的最高容许温度。因此，在这种情况下，本发明使得能够利用排气中含有的能量的至少一部分。
对于本发明，由于本发明具有带有不同最优运行温度范围的数个热电装置，所以能够增加所回收的能量，并且能够提高该系统的总体效率，同时也能够在无需预冷却器的情况下保护这些热电装置。
在本发明的一实施方案中，所述系统能够包括另外的控制装置，该另外的控制装置用于控制由第一热电装置生成的电力。
例如，在排气具有相当低的温度和/或相当低的流量的情况下，能够设想降低由第一热电装置生成的电力或甚至禁用所述第一热电装置。的确，这保证了第二热电装置暴露于未降低到其最优温度范围以下的温度，从而所述第二热电装置能够具有良好的效率。应当注意，第一热电装置的(至少部分)禁用基本不影响总体效率，因为所述第一热电装置的效率在排气温度低于其最优温度范围时很差。将第一热电装置(至少部分)禁用也能够保证第二热电装置下游的排气温度足够高以使例如SCR(选择性催化还原)系统等的后处理装置能够具有良好的效率。
优选地，不通过对排气流量的控制来获得第一热电装置的(至少部分)禁用。换言之，第一热电装置不被隔离，而是仍然暴露于全部的排气流。
例如，所述另外的控制装置能够设计为控制与第一热电装置相关的冷源的流量和/或温度，和/或控制第一热电装置的电力输出。
根据本发明的一实施例，所述系统包括次级管线，该次级管线的入口在第一热电装置和第二热电装置之间连接到所述主管线，该次级管线的出口在所述第二热电装置下游连接到所述主管线，所述系统还包括阀，该阀能够将所述主管线内流动的排气的一部分朝着第二热电装置引导并将所述排气的其余部分朝着所述次级管线引导。
所述次级管线能够包括次级热电装置，该次级热电装置能够通过对所述冷源与在所述次级管线内流动的热排气之间的热流进行转化来利用塞贝克效应产生电力，所述次级热电装置的最优温度范围和最高容许温度分别高于所述第二热电装置的最优温度范围和最高容许温度。
利用这种布置结构，本发明使得能够在第二热电装置已被旁通的同时、回收所述第一热电装置下游的排气中仍然含有的能量的一部分。例如，该次级热电装置能够与第一热电装置具有相同的最优温度范围和最高容许温度。在一个可能的实施例中，这些装置可以是相同的。在另一个可能的实施例中，该次级热电装置的最优温度范围和最高容许温度处于第一热电装置和第二热电装置的最优温度范围和最高容许温度之间。
例如，第一热电装置的最优温度范围大约为300℃至500℃，而第二热电装置的最优温度范围大约为150℃至300℃。
典型地，第二热电装置的最高容许温度可以低于400℃，例如大约为350℃至400℃。
已经构思出：第一热电装置包括由属于如下组中的至少一种材料制成的热电元件：(p-Zn4Sb3，n-Mg2Si)，(p-CoSb3，n-CoSb3)。第二热电装置包括含有Bi2Te3的热电元件。
根据本发明的一个实施例，所述系统包括第三热电装置，所述第三热电装置能够通过对冷源与在所述主管线内流动的热排气之间的温度差进行转化来利用塞贝克效应产生电力，所述第三热电装置位于第二热电装置下游，所述第三热电装置的最优温度范围和最高容许温度分别低于所述第二热电装置的最优温度范围和最高容许温度，所述系统还包括控制装置，该控制装置用于控制经过第三热电装置的排气的流量，以防止所述第三热电装置暴露于超过其最高容许温度的温度下。换言之，根据本发明的系统在沿着所述主管线的下游方向上包括适于降低温度的相继的三级热电装置。
所述冷源能够是发动机冷却流体、辅助冷却流体和/或环境空气。
每个热电装置均能够连接到电池和/或一个或多个通过电力运行的车辆部件。
本发明也涉及一种包括前述能量回收系统的内燃发动机设备。
通过参照附图来阅读以下描述，这些及其他优点将变得显而易见，所述附图表示了根据本发明的车辆的作为非限制性示例的实施例。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解以下对本发明数个实施例的详细描述，然而，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例。在附图中：
图1、图2和图3分别是根据本发明的第一、第二和第三实施例的、内燃发动机设备的排气管线的示意图。
具体实施方式
内燃发动机通常包括限定了多个气缸的发动机缸体。进气通过进气管线被朝着发动机输送，以向气缸进行供给，所述进气管线包括进气歧管。在每个气缸内形成的气体能够通过至少一个排气管线收集，所述排气管线可以包括排气歧管，且排气然后通过排气管线1被朝着大气输送，所述排气管线1可包括多个排气后处理装置和消声器。
如图1所示，排气管线1包括主管线2，所述主管线2包括第一热电装置3和第二热电装置4，该第二热电装置4位于第一热电装置3下游。热电装置3、4能够利用塞贝克效应产生电力。
在图示的实施例中，热电装置3、4是大致圆柱形的且围绕主管线2。每个热电装置3、4均包括布置在内壁6和外壁7之间的热电元件5。内壁6布置成靠近主管线2或与主管线2接触，以热连接到该主管线，从而实现从热排气到热电元件5的良好传热。此外，冷却剂回路8或其支路输送发动机冷却流体并热连接到外壁7，即热连接到所述热电元件5的另一侧，以实现从热电元件5到冷却流体的良好传热。
在图示的实施例中，冷却剂回路8装配有阀9，所述阀9的开口由控制装置(未示出)控制，例如根据排气温度和/或流量来控制，和/或根据发动机运行状况来控制。此外，热电装置3、4连接到如下电路，该电路可以包括一个或多个电池和/或一个或多个通过电力运行的车辆部件。该电路优选装配有用于控制所述电路内的电流的装置。每个热电装置均能够装配有其自身的独立电路，或者它们能够共享同一公共电路。
热电元件5包括如下材料或材料的组，所述材料能够将由于主管线2内流动的热排气与冷却剂回路8内流动的冷却剂之间的温度差而引起的热流转化为电力。
在未示出的其他实施例中，用于热电装置3、4的冷源能够单独或组合地包括辅助冷却剂回路和/或环境空气，所述辅助冷却剂回路与发动机冷却回路不同，所述辅助冷却剂回路例如是发动机进气冷却回路或车辆驾驶室空调回路。而且，不同的热电装置能够装配有同一冷源或装配有不同的冷源。
排气管线1包括次级管线10，该次级管线10的入口在第一热电装置3和第二热电装置4之间连接到主管线2，该次级管线10的出口在第二热电装置4下游连接到主管线2。换言之，该次级管线10布置成与所述主管线的设有第二热电装置的部分并联。在主管线2和次级管线10之间的上游联结点处设置有阀11，该阀11能够将主管线2内流动的排气的一部分朝着第二热电装置4引导并将所述排气的其余部分朝着次级管线10引导。结果，当必要时，热电装置4能够被完全或部分地旁通。
第一热电装置3设计为能够耐受高温，这意味着：无论发动机运行状况如何，第一热电装置3总是暴露于热排气。不需要保护该第一热电装置3，因为热电装置3的最高容许温度高于主管线2内流动的排气在第一装置3的位置处的最高可能温度。此外，第一热电装置3具有高的最优温度范围。因为第一热电装置3位于主管线2的最上游，这保证了所述第一热电装置3在排气仍然非常热时暴露于排气，由此产生所述第一热电装置3的令人满意的效率。
例如，第一热电装置3的最优温度范围大约为300℃至500℃，且第一热电装置3可以包括含有(p-Zn4Sb3，n-Mg2Si)的热电元件5。
另一方面，第二热电装置4具有较低的最优温度范围，从而所述第二热电装置4能够使用第一热电装置3下游的具有较低温度的排气，以有效生成电力。例如，此最优温度范围大约为150℃至300℃。此第二热电装置4可以包括含有Bi2Te3的热电元件5。
一般地，具有较低的最优温度范围的材料也具有通常低于400℃或甚至低于350℃的较低的最高容许温度。
对于图1中的设备，第二热电装置4用于在排气温度不过高时生成电力，而当所述温度过高时，第二热电装置4能够至少部分被旁通，以保护其不过热。因此，本发明保证了第二热电装置的入口处的排气温度始终不会超过所述第二热电装置4的最高容许温度。这使得能够在不损坏热电装置3、4的情况下有效利用热排气的能量。
图2中示出了本发明的第二实施例。该第二实施例相当于图1中的第一实施例的改进，次级管线10设有次级热电装置20，该次级热电装置20能够利用塞贝克效应来产生电力。
所述次级热电装置20的最优温度范围和最高容许温度分别高于所述第二热电装置4的最优温度范围和最高容许温度。例如，次级热电装置20由与第一热电装置3相同的热电元件5制成，或甚至与所述第一热电装置3相同。
利用这种布置结构，当排气非常热且因此被至少部分地朝着次级管线10引导以保护第二热电装置4免于过热时，在次级管线10内流动的所述排气的能量不会损失且能够由该次级热电装置20用来生成电力。
图3中示出了本发明的第三实施例。
第一热电装置3、第二热电装置4和第三热电装置12相继设置在主管线2上。从第一热电装置到第三热电装置，这些装置具有逐渐减小的最优温度范围和最高容许温度。
此外，排气管线1包括附加分支13，该附加分支13的入口连接到次级管线10，且该附加分支13的出口在第三热电装置12下游连接到主管线2。分别地，阀14设置在主管线2和次级管线10之间的下游联结点处，阀15设置在附加分支13和次级管线10之间的联结点处。
第一热电装置3总是暴露于排气。取决于排气温度和/或排气流量，第二热电装置4和/或第三热电装置12暴露于或不暴露于这些排气，以保护它们免于过热。第二热电装置4和第三热电装置12能够独立地暴露于或不暴露于排气。此外，必要时，总是能够将第二热电装置4和第三热电装置12中的任一个重新激活。
与图2的第二实施例类似，也可以在次级管线10和/或附加分支13上设置具有合适的最优温度范围和最高容许温度的、另外的热电装置。
当然，本发明不限于上文中通过非限制性示例描述的实施例，相反，其涵盖了本发明的所有实施例。

Claims (14)

1.一种用于内燃发动机设备的能量回收系统，所述系统包括：
-主管线(2)，所述主管线(2)能够输送所述发动机的排气；
-至少第一热电装置(3)和第二热电装置(4)，所述第一热电装置(3)和第二热电装置(4)能够通过对冷源与在所述主管线(2)内流动的热排气之间的热流进行转化来利用塞贝克效应产生电力，所述第二热电装置(4)位于所述第一热电装置(3)下游，所述热电装置均具有最优温度范围和最高容许温度；
其特征在于，所述第二热电装置(4)的最优温度范围和最高容许温度分别低于所述第一热电装置(3)的最优温度范围和最高容许温度，并且，所述系统还包括控制装置(11)，所述控制装置(11)用于控制经过所述第二热电装置(4)的排气的流量，以防止所述第二热电装置(4)暴露于超过所述第二热电装置(4)的最高容许温度的温度下。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括另外的控制装置(9)，所述另外的控制装置(9)用于控制由所述第一热电装置(3)生成的电力。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述另外的控制装置被设计为控制所述冷源的流量和/或温度。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括次级管线(10)，所述次级管线(10)的入口在所述第一热电装置(3)和所述第二热电装置(4)之间连接到所述主管线(2)，所述次级管线(10)的出口在所述第二热电装置(4)下游连接到所述主管线(2)，所述系统还包括阀(11)，所述阀(11)能够将所述主管线(2)内流动的排气的一部分朝着所述第二热电装置(4)引导并将所述排气的其余部分朝着所述次级管线(10)引导。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述次级管线(10)包括次级热电装置(20)，所述次级热电装置(20)能够通过对冷源与在所述次级管线(10)内流动的热排气之间的温度差进行转化来利用塞贝克效应产生电力。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述次级热电装置(20)的最优温度范围和最高容许温度分别高于所述第二热电装置(4)的最优温度范围和最高容许温度。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一热电装置(3)的最优温度范围大约为300℃至500℃，而所述第二热电装置(4)的最优温度范围大约为150℃至300℃。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第二热电装置(4)的最高容许温度低于400℃。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一热电装置(3)包括由属于如下组中的至少一种材料制成的热电元件：(p-Zn4Sb3，n-Mg2Si)，(p-CoSb3，n-CoSb3)。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第二热电装置(4)包括含有Bi2Te3的热电元件。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括第三热电装置(12)，所述第三热电装置(12)能够通过对冷源与在所述主管线(2)内流动的热排气之间的温度差进行转化来利用塞贝克效应产生电力，所述第三热电装置(12)位于所述第二热电装置(4)下游，所述第三热电装置(12)的最优温度范围和最高容许温度分别低于所述第二热电装置(4)的最优温度范围和最高容许温度，所述系统还包括控制装置(14)，所述控制装置(14)用于控制经过所述第三热电装置(12)的排气的流量，以防止所述第三热电装置暴露于超过所述第三热电装置的最高容许温度的温度下。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的系统，其特征在于，所述冷源包括发动机冷却流体、辅助冷却流体和/或环境空气。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的系统，其特征在于，每个所述热电装置(3、4、12)均连接到电池和/或一个或多个通过电力运行的车辆部件。
14.一种内燃发动机设备，其特征在于，所述内燃发动机设备包括根据权利要求1至13中的任一项所述的系统。
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