CN104662272B - 具有热电发生器的排气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种排气装置(20)，特别是用于内燃机(22)的排气装置，其带有排气管(21)，该排气管(21)包括至少一个废气涡轮增压器(23)以及一个沿着废气的流动方向(S)继后设置的、具有热电换能级(25)的热电换能器配置组件(24)，其中，排气管(21)配置有至少一个旁通管(27)，所述旁通管在废气涡轮增压器(23)之前在上游导引废气地从排气管(2)中分岔出来，以便将废气的至少一部分(B)排入所述至少一个旁通管(27)中，其中，所述至少一个旁通管(27)在热电换能级(25)之后在下游导引废气地通入所述排气管(21)中。

Description

具有热电发生器的排气装置
技术领域
本发明涉及一种排气装置。
背景技术
例如机动车的内燃机的废气通常具有很高的热能。为了利用此热能和避免将其未加利用地排放到环境中，已知这样的排气装置，其包括一个用于废气能量回收的热电换能配置组件。这种排气装置通过部分的能量回收而能够明显提高内燃机的能量总效率。
在这种情况下使用热电发生器，已知它们可以整合在废气催化器中并且包括热电换能元件，这些换能元件基于众所周知的“塞贝克效应”将热能转换为电能。简而言之，为此利用了在换能元件的两个端部之间的温差，该温差在机动车的情况中通常存在于废气与冷却剂之间，这两种物质彼此隔离地流过热电发生器。由于热电发生器为众所周知的，故可以省略对该物理过程的详细说明。
在已知的配置组件中，在内燃机的一定运转范围内(特别是在高负载级时)会出现三种彼此独立的“过载情况”。在废气质量流量过高的情况下产生第一过载情况。这种过载情况导致排气背压上升并且导致内燃机的换气功明显上升，其中后者对满负荷油耗或者说满负荷功率具有负面影响。另一种过载情况可能通过如下情况而出现，即，将热量增强地引入被导引流过热电发生器的冷却剂中并且其不能通过与此作用联接的车辆冷却循环回路足够程度地排出。第三过载情况在超过热电发生器的热电材料的允许最高温度的情况下产生，由此该材料可能受损。为了避免这些过载情况，已知设置这样一种热电发生器，该热电发生器包括自己的旁通，该旁通例如整合在热电发生器中。这种已知配置组件附加地需要独自控制通过该旁通的流量的控制系统。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种排气装置，该排气装置至少部分地消除所述及的缺点并且特别是通过尽可能简单而有效的方式尽可能地避免上述三种过载情况。
此目的借助具有以下特征的排气装置得以实现，即：排气装置带有排气管，该排气管包括至少一个废气涡轮增压器以及一个沿废气的流动方向继后设置的、具有热电换能级的热电换能器配置组件，其中，所述排气管配置有至少一个旁通管，所述旁通管在废气涡轮增压器之前在上游导引废气地从所述排气管中分岔出来，以便将废气的至少一部分排入所述至少一个旁通管中，所述至少一个旁通管在所述热电换能级之后在下游导引废气地通入所述排气管中，其特征在于：所述热电换能级包括热电发生器、至少一个热交换器和一个与该热交换器联接的冷却循环回路，其中，所述至少一个热交换器与所述排气管作用联接，以便在所述排气管和与所述热交换器联接的冷却循环回路之间实现热交换，此外，所述热电换能级的热电发生器与所述冷却循环回路作用联接，使得所述热电发生器设置在冷却循环回路内部并由此在排气管外部，其中，经由与排气管作用联接的热交换器往冷却循环回路的冷却介质上实施热交换并将冷却介质加热，经加热的冷却介质接着又对热电发生器加载，其中，所述至少一个旁通管包括用于选择性地和至少部分地关闭和/或打开该旁通管的调节元件，该调节元件构造成废气涡轮增压器的废气门翻盖。
据此提供一种排气装置，特别是用于内燃机的排气装置，其带有排气管，该排气管包括至少一个废气涡轮增压器以及一个沿着废气的流动方向继后设置的、具有热电换能级的热电换能器配置组件，其中，所述排气管配置有至少一个旁通管，所述旁通管在废气涡轮增压器之前在上游导引废气地从排气管中分岔出来，以便将废气的至少一部分排入所述至少一个旁通管中。此外，所述至少一个旁通管在热电换能级之后在下游导引废气地通入所述排气管中。
因此也就提出一个或者多个旁通管，所述旁通管在废气涡轮增压器或者其涡轮前面从排气管中分岔出来，为的是将废气的至少一部分从排气管排入相应的旁通管中，并且相对热电换能级后继地在下游将其引回排气管中。
在废气涡轮增压器前面或在其涡轮前面至少部分地排出废气，由此，一方面用来降低针对废气涡轮增压器的涡轮的增压压力。
另一方面借助该配置系统实现了：借助至少部分的废气排出还可以影响/调控对热电换能级加载的废气流。通过这种方式，能够特别是在废气质量流量大和废气温度特别高的高发动机负载情况下通过有益方式避免上述三种过载情况或者减少其影响。
因此该配置系统允许为废气涡轮增压器或者其涡轮以及同时为热电换能级设置一个组合式的旁通配置系统，其中，该配置系统构造特别简单并且具有很小的结构空间需求。换言之，作为替代而实现了：废气涡轮增压器和换能级共同享有同一旁通管并因此以有益方式可以放弃用于热电发生器的附加的、独立的旁通配置系统以及放弃对流过旁通配置系统的流量的独立控制。
根据另一个实施方式，热电换能器配置组件包括一个沿着废气的流动方向相对热电换能级继后设置的催化级，其中，所述至少一个旁通管在所述热电换能级与在下游继后的所述催化级之间导引废气地通入排气管中。
借助这个构造方式，便将由所述至少一个旁通管导引的废气在催化级前面重新引回排气管中。由此，虽然是借助这一个或者多个旁通管可提供热电换能级的一种绕行，然而所述催化级同时可以既用于在排气管内流动的废气也用于由这一个或多个旁通管导引的废气。因此可以放弃在旁通管内部的附加的催化器配置系统。
例如所述热电换能级可以包括一个热电发生器。
另外，所述热电发生器可以设置在排气管内部，以便利用在排气管中导引的废气对热电发生器加载。
这意味着：热电发生器直接置于排气管内并且因此直接由在其中导引的废气流迎流或者加载。
根据另一个实施方式，热电换能级包括至少一个热交换器和一个与该热交换器联接的冷却循环回路。
据此热电换能级这样构造：为了在排气管和同热交换器联接的冷却循环回路之间实现热交换，将一个或者多个热交换器与排气管作用联接。在此，热交换器可以间接或直接与在排气管中导引的废气热交换地联接。
另外，所述热电换能级的热电发生器可以与冷却循环回路作用联接。在这种情况中，热电发生器设置在冷却循环回路内部并由此是在排气管外部。优选地，经由与排气管作用联接的热交换器往冷却循环回路的冷却介质上实施热交换并将冷却介质加热。经加热的冷却介质接着又对热电发生器加载并由此通过输热而提供能量回收所要求的温差。
例如，热电发生器可以具有夹层状的热电结构和/或热电管式结构，特别是管束传热器。
另外，所述至少一个旁通管可以包括一个用于选择性地和至少部分地关闭和/或打开该旁通管的调节元件，特别是可操作的翻盖。优选该调节元件构造成废气涡轮增压器的废气门翻盖(Wastegateklappe)。这个废气门翻盖已经针对于废气催化器的区域内存在的废气温度而设计。当然，在这种情况下在需要时可以进行特殊适配，例如着眼点在几何结构方面。此外，废气门翻盖的该应用具有下述优点：总归通常必须要为废气涡轮增压器设置此废气门翻盖，因而，基于组合式的旁通管及其调节元件之故它也可以用于热电换能级，所以也就不需要附加的构件，从而对此不产生附加费用和附加的故障风险。
作为可选方案，也可以使用其他的调节元件，该调节元件适合于耐受局部存在的温度并提供规定的功能。
与调节元件的实施方式无关，可以将该调节元件要么设置在相应旁通管的入口位置的区域内(也就是说设置在从排气管导出的区域内)，要么设置在相应旁通管的出口位置的区域内(也就是说设置在其通入排气管中的区域内)。当然，在入口区域与出口区域之间位于旁通管内部的位置也是可能的。同样，每个旁通管可以在所述位置处配置一个独自的调节元件或者多个调节元件。同样也可以将一个调节元件共同地配置给多个旁通管。
根据另一个实施方式，所述热电换能级包括一个径向催化器(Radialkatalysator)和/或一个轴向催化器(Axialkatalysator)。
此外，所述至少一个旁通管可以基本上构造在排气管之外。这意味着：这一旁通管或者多个旁通管中的至少一个旁通管基本上与排气管分开，由此并非是整合在排气管的部件中。虽然联结部段特别是可以设置在用于与这一旁通管或者多个旁通管的管道部段相接的入口区域和出口区域的范围内，但优选不应该完全整合到其他的部件中。这种结构允许特别简单而经济的制造和装配。
作为可选方案，可以通过废气涡轮增压器的废气门通道在几何结构上的适配来实现所述一个或者多个旁通管，使得该通道在所述的入口和出口位置处从排气管分岔出来或者说通入该排气管中。
附图说明
下文将参照附图借助两个实施例进一步详细地阐述本发明。附图中示出：
图1为根据现有技术的排气装置；
图2为根据本说明书的带有旁通管和换能器配置组件的排气装置的示意图；
图3为用于图2所示出排气装置的换能器配置组件的可选的实施方式。
具体实施方式
在图1中示出了根据现有技术的排气装置10。该排气装置10包括一个具有弯头(歧管)12的排气管11，该弯头为了导出废气例如可以与机动车的内燃机(未示出)相连接。另外，排气管11还包括一个具有涡轮13的废气涡轮增压器和一个设置在下游的焰管14，焰管具有整合的热电发生器15以及对此沿流动方向继后设置的废气催化器16，所述废气催化器例如设计为轴向催化器。此外，排气装置10可以分为热侧(“Hot end”)和冷侧(“ColdEnd”)，其中，所述“Hot end”包括下列部件：排气管11、弯头12、涡轮13和旁通管17。在这种情况中，所述“Cold End”包括下列部件：焰管14和废气催化器16。
旁通管17沿流动方向在涡轮13之前从排气管11中分岔出来并且通常在涡轮17之后为了引回分支的废气而通入排气管11中。
热电发生器15是一种用于实现废气能量回收的系统并且利用所谓的“塞贝克效应”将热转换为电能。为此需要一个产生于在排气管中被导引的废气与流过热电发生器15的冷却剂之间的温差。
然而已知的这种配置系统10具有如下缺点：产生的排气背压在内燃机的某些运行状态中上升，由此使得内燃机的换气功以不利的方式升高。另外，引入热电发生器15的冷却剂中的热量也上升，从而不能足够程度地将该引入的热量从所使用的散热器/冷却器中导出。另外还存在着由于过高的废气温度而可能使热电发生器的热电材料受损害的危险。
热电发生器15在所示出实施方式中例如设计成所谓的径向催化器。这意味着：该热电发生器被轴向迎流、但是沿径向方向通流。另外，焰管14包括(如所说明的那样)作为第二催化元件的废气催化器16，该催化元件例如体现为轴向催化器。两件式分为第一催化器15和第二催化器16(它们各有一个自己的孔芯(Monolithe))的方式能够实现特别是有益的加热特性以及改善的排放。
图2示出了一个(例如用于内燃机的)带有排气管21的排气装置20，该排气管21包括一个废气涡轮增压器或者说其涡轮23以及一个沿废气的流动方向S继后设置的、具有热电换能级25的热电换能器配置组件24。排气管21配置有一旁通管27，该旁通管在废气涡轮增压器的涡轮23之前在上游导引废气地从排气管21中分岔出来，以便将废气的至少一部分排入旁通管27中。旁通管27在热电换能级25之后在下游导引废气地通入排气管21中或者说换能器配置组件24的继后部分中。
另外，热电换能器配置组件24还包括一个沿废气的流动方向S相对热电换能级25继后设置的催化级24，该催化级例如构造成轴向催化器。由此，旁通管27在热电换能级25与在下游继后的催化级26之间导引废气地通入排气管21中或者换能器配置组件24中。
在所示的实施方式中，热电换能级25构造成热电发生器并且设置在排气管21内部，使得在排气管21中流动的废气直接流过该热电发生器并对其加载。
热电发生器具有一种夹层状的热电结构。在图3中示出了一个此外的可选方案。
为了影响/调控所述旁通管27的通流状况，该旁通管27包括一个调节元件28(仅仅示意性表示)，例如形式上为可操作的翻盖，用于选择性地和至少部分地关闭和/或打开旁通管27。如果调节元件28处于关闭的位置中，那么旁通管27便被关闭，从而阻止废气通流并且废气完全通过排气管21被导引(箭头A)。
如果调节元件28相反地处于一个至少部分打开的位置中，那么废气的至少一部分就可以流过旁通管27(箭头B)。废气的剩余部分(只要存在的话)则继续沿循排气管21流动(箭头A)。
所述调节元件28例如可以构造成废气门翻盖。此外，调节元件28可以设置在旁通管27的任意位置上，优选在入口位置27a的区域内或者在所示出的出口位置27b的区域内。
如同样从图2中可以看出的那样，旁通管27基本上构造在排气管21以外并且仅仅在入口位置27a的区域内和在出口位置27b的区域内与该排气管或者排气管21的部件相连接。
图3示出了用于图2所示出的排气装置20的换能器配置组件34的可选实施方式。所示出的换能器配置组件34同样包括一个换能级35以及一个催化级36。与图2的换能器配置组件24不同，图3中示出的换能级25具有一种热电管式结构。在这种情况下，例如它也可以是管束传热器。

Claims (7)

1.排气装置，其带有排气管(21)，该排气管(21)包括至少一个废气涡轮增压器(23)以及一个沿废气的流动方向(S)继后设置的、具有热电换能级(25)的热电换能器配置组件(24)，其中，所述排气管(21)配置有至少一个旁通管(27)，所述旁通管在废气涡轮增压器(23)之前在上游导引废气地从所述排气管(21)中分岔出来，以便将废气的至少一部分排入所述至少一个旁通管(27)中，所述至少一个旁通管(27)在所述热电换能级(25)之后在下游导引废气地通入所述排气管(21)中，其特征在于：所述热电换能级(25)包括热电发生器、至少一个热交换器和一个与该热交换器联接的冷却循环回路，其中，所述至少一个热交换器与所述排气管(21)作用联接，以便在所述排气管(21)和与所述热交换器联接的冷却循环回路之间实现热交换，此外，所述热电换能级(25)的热电发生器与所述冷却循环回路作用联接，使得所述热电发生器设置在冷却循环回路内部并由此在排气管(21)外部，其中，经由与排气管(21)作用联接的热交换器往冷却循环回路的冷却介质上实施热交换并将冷却介质加热，经加热的冷却介质接着又对热电发生器加载，其中，所述至少一个旁通管(27)包括用于选择性地和至少部分地关闭和/或打开该旁通管(27)的调节元件(28)，该调节元件构造成废气涡轮增压器的废气门翻盖。
2.如权利要求1所述的排气装置，其特征在于：所述热电换能器配置组件(24)包括沿着废气的流动方向(S)相对所述热电换能级(25)继后设置的催化级(26)，其中，所述至少一个旁通管(27)在所述热电换能级(25)与在下游继后的所述催化级(26)之间导引废气地通入所述排气管(21)中。
3.如权利要求1或2所述的排气装置，其特征在于：所述热电发生器具有夹层状的热电结构和/或热电管式结构。
4.如权利要求1或2所述的排气装置，其特征在于：所述热电换能级(25)包括径向催化器和/或轴向催化器。
5.如权利要求1或2所述的排气装置，其特征在于：所述至少一个旁通管(27)基本上构造在所述排气管(21)之外。
6.如权利要求1所述的排气装置，其特征在于：所述排气装置是用于内燃机的排气装置。
7.如权利要求3所述的排气装置，其特征在于：所述热电发生器具有管束传热器。
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