CN104213967A - 具有集成的碳氢化合物吸收器的废热回收系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的具有集成的碳氢化合物吸收器的废热回收系统，该车辆包括产生包括碳氢化合物的排气的内燃机以及催化转化器，该系统包括排气管道、排气热交换器、热交换器旁路阀、具有冷却剂旁路以及冷却剂旁路阀的冷却剂回路、和控制器。排气热交换器包括通过排气可流动的至少一个通道，该通道具有涂布有碳氢化合物吸收材料的内表面，该碳氢化合物吸收材料配置为吸收碳氢化合物。热交换器和冷却剂旁路阀被配置为分别选择性地引导至少一部分排气和冷却剂至排气热交换器或绕过其。它们由控制器控制，使得排气中的碳氢化合物可通过涂层被选择性地吸收和释放。

Description

具有集成的碳氢化合物吸收器的废热回收系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种具有集成的碳氢化合物吸收器的废热回收系统及其方法。
背景技术
从车辆的内燃机排放的废气包含许多空气污染物，其包括但不限于，一氧化碳(CO)、未燃烧碳氢化合物、氮氧化物(NOx)、和颗粒物质。许多车辆包括车辆排放物控制装置(诸如催化转化器)，来将这些空气污染物中的一些转化成不被管制的排气成分。这样的装置通常需要处在最低操作温度，以使得处理排放物的效率最大化。为了在发动机冷启动状况中有效地处理排气中的碳氢化合物(在这些冷启动状况中车辆的各个构件处在操作温度机制之下)，一些车辆实施碳氢化合物吸收器模块，以在其被排放之间采集碳氢化合物排放物。这允许它们在诸如催化转化器的构件达到最低操作温度时被处理。
许多车辆还包括排气热回收(EGHR)装置和/或系统，以利用排气中的热量。在这样的系统中，废热可被经由热交换器或排气循环(EGR)冷却器转换成在车辆中的其他系统中使用的冷却剂。产生的经冷却的排气还可循环至内燃机的进气歧管。
发明内容
提供了一种车辆中的具有集成的碳氢化合物吸收器的废热回收系统。该车辆通常具有产生包括碳氢化合物的排气的内燃机以及催化转化器。废热回收系统包括和内燃机以及催化转化器流体连通的排气管道。排气可从内燃机通过排气管道流动至催化转化器。
废热回收系统还包括配置为接收来自排气管道的至少一部分排气的排气热交换器，以允许在排气和冷却器之间的热交换。排气热交换器具有通过其气体可流动的至少一个通道。该至少一个通道具有由碳氢化合物吸收材料制成的内表面。
该废热回收系统还包括排气旁路管，其配置为选择性地引导排气至排气热交换器，或绕过排气热交换器。
废热回收系统还包括和排气热交换器流体连通的冷却剂回路。冷却剂回路配置为将冷却剂循环通过排气热交换器，使得热量可从排气传递至冷却剂。冷却剂回路包括冷却剂旁路和冷却剂旁路阀。冷却剂旁路阀配置为选择性地引导至少一部分冷却剂至排气热交换器，或通过冷却剂旁路使得排气绕过排气热交换器。
废热回收系统还包括配置为基于至少一个参数控制排气旁路阀和冷却剂旁路阀的控制器。这允许排气中的碳氢化合物被至少一个通道的涂层吸收和从其释放。
还提供了一种将由内燃机产生的排气中的碳氢化合物发送至车辆中的催化转化器的方法。该方法使用上述的废热回收系统。该方法首先通过控制器确定催化转化器是否具有在优化的操作温度之上或之下的温度。
在确定催化转化器的温度在优化的操作温度之下之后，该方法继而包括引导至少一部分排气以及至少一部分冷却剂至排气热交换器，以保持该至少一个通道处在低于吸收阈值温度之下的温度。在该吸收阈值温度之下，排气中的碳氢化合物被该至少一个通道的涂层所吸收，直至催化转化器在优化的操作温度之上。
在确定催化转化器的温度在优化的操作温度之上之后，该方法继而包括引导排气和冷却剂，以基本绕过排气热交换器。
该方法继而包括通过控制器确定涂层是否具有采集在其中的任意碳氢化合物。在确定该涂层具有采集在其中的碳氢化合物之后，该方法继而包括增加排气至排气热交换器，以将该至少一个通道加热至释放阈值温度之上。在该释放阈值温度之上，采集在涂层中的碳氢化合物被释放，且重新引入将由催化转化器接收的排气中。
当结合附图时，本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势从下文中用于实施本发明的最佳模式的详尽描述中是轻易地明显的。
附图说明
图1A和1B是根据不同的实施例的废热回收系统的示意性流程图；
图2是图1A和1B的废热回收系统的排气热交换器的示意性横截面图；和
图3是示出了操作图1A和1B中的废热回收系统的方法的示意流程图。
具体实施方式
本领域普通技术人员将认识到诸如“以上”、“以下”、“向上”、“向下”等仅用于描述附图，而不代表对由所附的权利要求所限定的本发明的范围的限制。任意数字标识(诸如“第一”或“第二”)仅为示意性的，且不意图以任意方式限制本发明的范围。
参见附图，其中相同的附图标记在若干幅附图中适用处对应相同或相似的构件，图1A和1B中示出了车辆(未示出)中的废热回收系统。车辆通常包括内燃机12和催化转化器14。内燃机12产生排气，且催化转化器14将排气中的污染物(诸如未燃烧的碳氢化合物)转化成无毒分子。催化转化器14可为地板下转化器。
废热回收系统10被用于通过将来自排气的废热传递至冷却剂而将其回收。废热回收系统10还被用于在催化转化器14加热直至优化的操作温度时(诸如在车辆的冷启动期间)吸收排气中的碳氢化合物，如下文中更详尽地描述的。
废热回收系统10通常包括排气管道16和排气热交换器18。排气管道16和内燃机12以及催化转化器14流体连通。排气可从内燃机12通过排气管道16流动至催化转化器14。
排气热交换器18被配置为接收来自排气管道16的排气，且允许在排气和冷却剂之间的热量传递，如上所述。
现在参照图2，排气热交换器18通常包括通道20和限定围绕通道20的内部腔室24的壳体22。通道20配置为允许排气流动通过其。内部腔室24配置为通过接收冷却剂使得其和通道20接触而允许排气和冷却剂之间的热传递。每一个通道20通常为能够允许排气流动通过其的任意通路。示例性地，在一个实施例中，通道20可为管，如图2所示。在另一未示出的实施例中，通道20可为中空板。
尽管图2示出了排气热交换器18具有四个通道20，将理解其可具有任意数量的通道20。此外，尽管图2示出了排气热交换器18具有基本矩形的横截面，将理解其可具有任意规则或不规则几何形状的横截面，其包括但不限于圆形。
每一个通道20包括具有涂层28的内表面26。涂层28通常由碳氢化合物吸收材料制成，其包括但不限于诸如沸石的微孔和中孔(meso-porous)材料。涂层28用作碳氢化合物吸收器，且被配置为吸收排气中的碳氢化合物。这允许在催化转化器14低于优化的操作温度时(诸如在发动机冷启动期间)降低的量的碳氢化合物从车辆排出，如上所述。
参照回图1A和1B，废热回收系统10还包括热交换器旁路阀30。热交换器30配置为选择性地引导至少一部分排气从排气管道16至排气热交换器18，或基本绕开排气热交换器18。热交换器旁路阀30可被电促动，且可为但不限制为三通阀，如图1A所示，或挡板阀，如图1B所示。
排气热交换器18和排气旁路阀30可为排气热回收(EGHR)装置32的一部分，如图1B所示。EGHR32和排气管道16流体连通，且位于内燃机12下游和催还转化器14的上游。EGHR装置32可包括通过其排气可流动的第一通路34和第二通路36。在这样的实施例中，排气热交换器18可定位在第二通路36中。热交换器30可选择性地引导排气通过第二通路36流动至排气热交换器18，或通过第一通路34绕过排气热交换器18。
废热回收系统10还包括和排气热交换器18流体连通的冷却剂回路38。冷却剂回路38配置为将冷却剂循环通过内部腔室24，使得热量可在排气和冷却剂之间传输。冷却剂回路38包括冷却剂旁路40和冷却剂旁路阀42。冷却剂旁路阀42配置为选择性地引导至少一部分冷却剂至排气热交换器18，或通过冷却剂旁路40，使得排气绕过排气热交换器18。如关于热交换器旁路30的情形一样，冷却剂旁路阀42可被电促动，且可为但不限制为三通阀。
废热回收系统10还包括至少一个控制器44，以控制排气流和冷却剂流。控制器44可被电连接至排气热交换器旁路阀30、冷却剂旁路阀42、排气热交换器18、和/或催化转换器14中的至少一个，如由图1A和1B中的虚线所示出的。控制器44被配置为基于至少一个参数控制热交换器旁路阀30和冷却剂旁路阀42。该参数可为但不限制为排气热交换器18的通道20中的温度和/或催化转化器14中的温度。这些温度可通过位于相应的位置中的温度传感器(未示出)测量。替换地，控制器44可配置为基于其他操作参数确定温度，该参数包括但不限于排气的流速，其可由位于相应的位置中的流动传感器(未示出)测量。
如上所述，为了有效地处理排气中的碳氢化合物和其他污染物，催化转换器14应在优化的操作温度之上。在一个实施例中，优化的操作温度可为250摄氏度。当催化转化器14的温度低于该温度时，继而控制器44可控制热交换器旁路阀30，以引导排气流动通过热交换器18，使得排气中的碳氢化合物可被每个通道20的涂层28所吸收。
为了使得每个通道20的涂层28吸收碳氢化合物，通道20中的温度必须低于吸收阈值温度。在其中涂层28的碳氢化合物吸收材料是沸石的实施例中，吸收阈值温度可为60摄氏度。为了实现此，控制器44可引导冷却剂旁路阀42，以引导冷却剂流动通过排气热交换器18，在该排气热交换器中冷却剂可使得排气冷却至低于吸收阈值温度。流动至排气热交换器18的冷却剂的量，以及因此冷却剂旁路阀42的位置，取决于多少排气必须被冷却以低于吸收阈值温度。
在催还转化器14的温度升高到优化的操作温度之上之后，排气必须被直接发送至催化转化器14，绕过排气热交换器18，使得碳氢化合物可被处理而不需要首先被吸收。为了实现此，控制器44可设置热交换器旁路阀30至一位置中，以引导排气基本绕过排气热交换器18。此外，冷却剂对于冷却排气来说不再是必须的，且由此，控制器44可设置冷却剂旁路阀42至一位置，以引导冷却剂流动通过冷却剂旁路40，由此基本绕过排气热交换器18。
控制器44还可配置为确定是否在涂层28中存在任意采集的碳氢化合物。在催化转换器14的温度高于优化的操作温度之后，这些碳氢化合物可继而被释放和重新引导将被催化转换器14吸收的排气中。为了实现释放，通道20中的温度必须高于吸收阈值温度。在其中涂层28的碳氢化合物吸收材料是沸石的一个实施例中，释放阈值温度可为100摄氏度。为了实现此，控制器44可控制热交换器旁路阀30逐渐地打开，且增加至排气热交换器18的排气流，由此将通道20中的温度升高至释放阈值温度之上。
现在参照图3，示出了用于将排气中的碳氢化合物从内燃机12发送至催化转换器14的方法100。该方法100使用上述的废热回收系统10。方法100在步骤102处开始，在该步骤中内燃机12产生排气，且催化转化器14具有一温度。
在步骤102之后，方法100行进至步骤104。在步骤104处，控制器确定催化转化器14的温度在优化的操作温度之上或之下。如上所述，为了使得催化转化器有效地处理污染物(诸如碳氢化合物)，其必须高于优化的操作温度。如上所述，在一个实施例中，优化的操作温度可为250摄氏度。
如果催化转化器14的温度高于优化的操作温度，如由图3中的(+)符号所标示的，则方法100直接转至如下所述的步骤108。如果催化转化器14的温度低于优化的操作温度，如由图3中的(-)符号所标示的，则方法100直接转至步骤106。
在步骤106处，至少一部分排气和至少一部分冷却剂被引导至排气热交换器18。如上所述，通道20的涂层28由碳氢化合物吸收材料制成，其允许排气中的碳氢化合物被吸收，而同时催化转化器14被加热至优化的操作温度。但是，为了实现吸收，通道20中的温度必须低于吸收阈值温度。如上所述，在一个实施例中，吸收阈值温度可为60摄氏度。
控制器44可设置热交换器旁路阀30和冷却剂旁路阀42在相应的位置中，以允许排气和冷却剂流动至排气热交换器18。每一个流的确切的量可取决于需要被冷却的排气的量。
步骤104和步骤106被重复，直至催化转化器14的温度高于优化的操作温度。方法100随后可转至步骤108。
在步骤108处，排气和冷却剂被引导为基本绕过排气热交换器18。如上所述，一旦催化转化器14已经达到优化的操作温度，其可继而处理排气中的碳氢化合物，且由此，不再需要碳氢化合物的吸收。控制器44可设置热交换器旁路阀30和冷却剂旁路阀42在相应的位置中，以使得排气和冷却剂各自绕过排气热交换器18。
在步骤108之后，方法100行进至步骤110。在步骤110处，控制器44确定每一个通道20的涂层28是否具有采集在其中的碳氢化合物。如果是，如由图3中的(-)符号所标示的，则方法100转至步骤112。如果不是，如由图3中的(+)符号所标示的，则方法100在步骤114处结束。
在步骤112处，至排气热交换器18的排气逐渐增加。这将通道20中的温度升高至吸收阈值温度之上，如上所述。采集在涂层28中的碳氢化合物继而被从涂层28释放，且重新引入至排气中。具有碳氢化合物的排气可继而被催化转化器14接收，以使得其被如上所述地处理。
步骤110和112被重复，直至控制器44确定在任意通道20的涂层28中不存在采集的碳氢化合物。方法100继而可在步骤114处结束。
该详尽的描述和附图或图表仅用于支持和描述本发明，但本发明的范围应仅由权利要求书限定。尽管已经描述了用于执行所公开的发明的最佳模式(如果已知的话)以及其他实施例，存在有各种可替换设计和实施例用于实施由所附的权利要求书限定的本发明。

Claims (10)

1.一种用于车辆的具有集成的碳氢化合物吸收器的废热回收系统，该车辆具有产生包括碳氢化合物的排气的内燃机以及催化转化器，该废热回收系统包括：
排气管道，其和内燃机以及催化转化器流体连通，排气可从内燃机通过排气管道流动至催化转化器；
排气热交换器，配置为接收来自排气管道的至少一部分排气，以允许在排气和冷却剂之间的热传递，该排气热交换器具有通过其排气可流动的至少一个通道，该至少一个通道包括具有由碳氢化合物吸收材料制成的涂层的内表面；
热交换器旁路阀，被配置为选择性地引导至少一部分排气从排气管道至排气热交换器，或绕过排气热交换器；
冷却剂回路，其和排气热交换器流体连通，该冷却剂回路被配置为循环冷却剂通过排气热交换器，使得热量可在排气和冷却剂之间传递，该冷却剂回路包括冷却剂旁路和冷却剂旁路阀，其配置为选择性地引导至少一部分冷却剂至排气热交换器或通过冷却剂旁路使得冷却剂绕过排气热交换器；和
控制器，配置为基于至少一个参数控制热交换器旁路阀和冷却剂旁路阀，使得排气中的碳氢化合物被涂层选择性地吸收和从涂层释放。
2.如权利要求1所述的废热回收系统，其中该碳氢化合物吸收材料是沸石。
3.如权利要求1所述的废热回收系统，其中该至少一个参数是排气热交换器的所述至少一个通道内的温度和所述催还转换器内的温度中的至少一个。
4.如权利要求3所述的废热回收系统，其中该控制器被配置为将热交换器旁路阀和冷却剂旁路阀设定至相应的位置，使得至少一部分排气和至少一部分冷却剂流动进入排气热交换器，以保持所述至少一个通道中的温度低于吸收阈值温度，使得所述涂层吸收排气中的碳氢化合物。
5.如权利要求3所述的废热回收系统，其中所述控制器被配置为将所述热交换器旁路阀和所述冷却剂阀设定在相应的位置中，使得所述排气和所述冷却剂在所述催化转化器中的温度高于优化的操作温度时基本绕开所述排气热交换器。
6.如权利要求3所述的废热回收系统，其中所述控制器被配置为调节所述热交换器旁路阀，以增加流动通过排气热交换器的排气以将排气热交换器中的排气的温度增加至释放阈值温度之上，使得由吸收层吸收的任意碳氢化合物被从所述涂层释放且引入所述排气中。
7.一种将来自内燃机的排气中的碳氢化合物经由废热回收系统发送至车辆中的催化转化器的方法，该废热回收系统具有排气热交换器，排气热交换器配置为允许在排气和冷却剂之间的热传递，该排气热交换器具有通过其排气可流动的至少一个通道，该至少一个通道包括具有由碳氢化合物吸收材料制成的涂层的内表面，该方法包括：
通过控制器确定催化转化器是否具有在优化的操作温度之上或之下的温度；
在确定所述催化转化器的温度在优化的操作温度之下后，引导至少一部分排气和至少一部分冷却剂至排气热交换器，以保持所述排气热交换器的所述至少一个通道低于吸收阈值温度，使得排气中的碳氢化合物由所述至少一个通道的涂层吸收，直至所述催化转化器高于所述优化的操作温度；
在确定催化转化器的温度在优化的操作温度之上之后，引导排气和冷却剂以基本绕过排气热交换器；
通过控制器确定涂层是否具有采集在其中的任意碳氢化合物；和
在确定所述涂层具有采集在其中的碳氢化合物之后，增加所述排气至所述排气热交换器，以将所述至少一个通道加热至吸收阈值温度之上，直至由所述涂层采集的碳氢化合物被释放且重新引入将由所述催化转化器吸收的排气中。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述废热回收系统还包括冷却剂旁路阀和热交换器旁路阀，其配置为分别选择性地引导至少一部分冷却剂和至少一部分排气流动通过所述排气热交换器或绕过该排气热交换器。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述碳氢化合物吸收材料是沸石。
10.一种用于车辆的、具有集成的碳氢化合物吸收器的废热回收系统，该车辆具有产生包括碳氢化合物的排气的内燃机以及催化转化器，该废热回收系统包括：
排气管道，其和内燃机以及催化转化器流体连通，排气可从内燃机通过排气管道流动至催化转化器；
排气热回收(EGHR)装置，其和排气管道流体连通，该排气热回收装置定位在所述内燃机下游且在所述催化转化器上游，所述排气热回收装置包括：
第一通路和第二通路，通过其排气可流动；
排气热交换器，定位在第二通路中，该排气热交换器配置为允许在排气和冷却剂之间的热传递，该排气热交换器具有通过其排气可流动的至少一个通道，该至少一个通道包括具有由碳氢化合物吸收材料制成的涂层的内表面；和
热交换器旁路阀，其配置为选择性地引导至少一部分排气通过第一通路和第二通路中的至少一个；
冷却剂回路，其和排气热交换器流体连通，该冷却剂回路被配置为循环冷却剂通过排气热交换器，使得热量可在排气和冷却剂之间传递，该冷却剂回路包括冷却剂旁路和冷却剂旁路阀，其配置为选择性地引导至少一部分冷却剂至排气热交换器或通过冷却剂旁路使得冷却剂绕过排气热交换器；和
控制器，配置为基于至少一个参数控制热交换器旁路阀和冷却剂旁路阀，使得排气中的碳氢化合物被涂层选择性地吸收和从该涂层释放。
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