CN105992699A - 具有内燃机和余热收集壳体的车辆、用于利用一部分由内燃机排出的热量的方法及固定式系统、尤其是中央供暖站 - Google Patents

具有内燃机和余热收集壳体的车辆、用于利用一部分由内燃机排出的热量的方法及固定式系统、尤其是中央供暖站 Download PDF

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Abstract

用于利用一部分由内燃机1排出的热量的设备和方法，其中，借助包围排气弯管2的至少一部分和/或内燃机的排气设备的在发动机侧的区段3a的至少一部分的余热收集壳体4，在余热收集壳体中包含的空气被加热并且该已加热的空气间接或直接用于加热导入车辆的乘客舱或固定式装置中的空气。冷却液或机油可以经由导管18‑19被已加热的空气加热。

Description

具有内燃机和余热收集壳体的车辆、 用于利用一部分由内燃机排出的热量的方法及 固定式系统、尤其是中央供暖站
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的具有内燃机和余热收集壳体的车辆以及一种根据权利要求21的特征的方法。
背景技术
利用在内燃机的废气中含有的热量是已知的。就此而言，例如可参考说明了一种具有废气热交换器的车辆的DE 10 2009 032 566A1。废气热交换器是一方面被热的废气流过并且另一方面被内燃机的冷却剂流过的热交换器。该废气热交换器能够实现部分“热量回收”，也就是说，能够实现从热的废气到内燃机的冷却剂中的热量传递。借助废气热交换器可以使内燃机的暖机阶段变短。一些规定用于所谓的“寒冷地带”的车辆配备有废气热交换器，以便由此实现一定的加热支持。此外，对于废气热交换器不利的是，与没有废气热交换器的排气设备相比，排气背压由此变化并且总是不得不发生一定的“吸热”，也就是说，废气热交换器必须总是被冷却以避免过热。
发明内容
本发明的任务是创造一种车辆或固定式系统，在该车辆中或在该固定式系统中能够以其它的方式、即不经过废气热交换器地利用由内燃机排出的热量。此外，本发明的任务是给出一种相应的用于利用由内燃机排出的热量的一部分的方法。
该任务通过权利要求1或21或22的特征来解决。本发明的有利的设计方案和进一步扩展构型可以由从属权利要求中得出。
尽管本发明在下面主要结合车辆进行说明，但是要明确指出本发明不限于在车辆中或结合车辆的应用，而是也可以“固定地”、即位置固定地使用，例如结合中央供暖站。
本发明的出发点是具有内燃机和排气弯管的车辆，热的来自内燃机的废气经由该排气弯管导入到排气设备的“在发动机侧的区段”中。术语排气设备的“在发动机侧的区段”尤其包括在排气弯管与排气设备的连接在发动机侧的区段上的在车辆的底部区域中延伸的区段之间的区段。
本发明的核心在于，借助包围或者说围住排气弯管的至少一部分和/或排气设备的在发动机侧的区段的一部分的“余热收集壳体”来加热位于余热收集壳体中的空气。术语“余热收集壳体”可以广泛地进行设计。该术语不必限于“壳体”，而是整体上一般可以在空气引导元件的意义上进行解释。
排气弯管的至少一部分和/或排气设备的在发动机侧的区段的一部分通过余热收集壳体在热学和声学上被“封装”。该双重功能(热学上和声学上的封装)是本发明的重要优点，因为由此可以减少声学上的抑制耗费(例如将发动机舱与乘客舱分开的前围板的隔音)。
然而优选地，排气弯管和/或排气设备的在发动机侧的区段的一部分尽可能完全由余热收集壳体封装，因为整个系统的效率由此得到改善。
本发明的另一优点可看作在于，本发明无须“介入”到排气设备中就可工作，也就是说排气设备不必改变。
从排气弯管和/或排气设备的在发动机侧的区段到位于余热收集壳体中的空气的热量传递主要经由热辐射和对流来实现。因此，根据本发明直接利用在所谓的“热端”上的、即在排气弯管和/或排气设备的靠近发动机的区段上的发动机余热。该“热端”构成最直接的并且最有成效的、即最高效的对发动机余热的“入口”。借助按本发明的余热收集壳体实现该“热端”的“系统性封装”。该热端是在具有内燃机的车辆的发动机舱中的最强烈的热辐射源。直接“冷却”热端在发动机舱中的技术上的运行安全性方面也具有不同的优点。
根据本发明，在余热收集壳体中被加热的空气
——用于加热要导入到车辆的乘客舱中的空气和/或
——用于加热内燃机的冷却液和/或
——用于加热内燃机的机油和/或用于(仅仅)冷却发动机舱，其中，在最后一种情况下将已加热的来自余热收集壳体的空气引导到周围环境中。
根据本发明的一种进一步扩展构型，设有空气-空气热交换器，在余热收集壳体中被加热的空气的热量能经由该空气-空气热交换器传递给要导入到车辆的乘客舱中的空气。因此，经由余热收集壳体“回收”的发动机余热可以用于加热乘客舱空气。该空气-空气热交换器可以直接布置在车辆的所谓的空调模块或者说空调设备中，也就是说布置在前围板(乘客舱与发动机舱之间的分隔板)的面向乘客舱的一侧。借助这种空气-空气热交换器可以实现相对自发响应的加热或者可以提高经由内燃机的冷却系统提供的加热功率，这尤其对于所谓的“寒冷地带车辆”是有利的。这种空气-空气热交换器作为加热支持对于现代的柴油车辆(与具有汽油机的车辆相比，该柴油车辆经由冷却系统排出相对少的热量)也是有利的。
备选于或补充于空气-空气热交换器，可以设有空气-冷却剂热交换器，在余热收集壳体中被加热的空气的热量能经由该空气-冷却剂热交换器传递给内燃机的冷却循环的冷却剂。借助这种空气-冷却剂热交换器可实现热量从内燃机的热端区域转移给内燃机的冷却剂，这使内燃机的暖机阶段明显变短并且对有害物质排放产生有利作用。
备选于或补充于空气-空气热交换器或空气-冷却剂热交换器，可以设有空气-油热交换器，在余热收集壳体中被加热的空气的热量能经由该空气-油热交换器传递给内燃机的机油循环的油、即传递给内燃机的机油。以这种方式也可以使内燃机的暖机阶段通过从热端区域的热量回收而变短。
因为余热收集壳体围住弯管的至少一部分或整个排气弯管和/或排气设备的在发动机侧的或者说靠近发动机的区段的一部分，因此余热收集壳体也作为消音器起作用。热端区域因而在一定程度上通过余热收集壳体在声学上被封装。因此，迄今为止必要的并且常见的声学上的衰减措施至少部分不被使用。有利的是，余热收集壳体涂覆有或盖上相应耐热的、消声的层。
根据本发明的一种进一步扩展构型，所述排气设备的至少一个催化器布置在余热收集壳体内部。该催化器例如可以是NOX存储催化器、SCR催化器(用于实施选择性催化还原的催化器)或类似物。
对此备选地或补充地可以规定，废气涡轮增压器或废气涡轮增压器的至少一个在涡轮机侧的区域布置在余热收集壳体内部。
排气设备的在发动机侧的或者说靠近发动机的区段与排气设备的在车辆的底部区域中延伸的区段相连接。排气设备的在排气弯管和车辆的底部区域之间延伸的那个区段称为排气设备的在发动机侧的或靠近发动机的区段。也可以规定，余热收集壳体在排气设备的在发动机侧的或者靠近发动机的区段的整个长度上延伸。换句话说，可以规定，余热收集壳体延伸直至排气设备的在车辆的底部区域中延伸的区段。
出于热学上的原因可以规定，余热收集壳体至少一部分、尤其是大部分由金属板制成。对此备选地，余热收集壳体也可以由充分耐热的塑料材料制成。
根据本发明的一种进一步扩展构型，所述余热收集壳体具有空气进口，空气可以经由该空气进口从周围环境或从车辆的发动机舱流入到余热收集壳体中。位于发动机舱中的空气在达到内燃机的运行温度之后比周围环境空气更热并且在流入到余热收集壳体中之后由热端、即由排气弯管和/或排气设备的在发动机侧的或者说靠近发动机的区段进一步加热。
根据本发明的一种进一步扩展构型，所述余热收集壳体具有用于已加热的空气的第一空气出口。可以规定该第一空气出口与空气-空气热交换器和/或空气-冷却剂热交换器和/或空气-油热交换器处于流体连接。
根据本发明的一种进一步扩展构型，所述余热收集壳体具有第二空气出口，在余热收集壳体中被加热的空气能经由该第二空气出口在绕开第一空气出口的情况下直接(未经利用地)导出到周围环境中。于是，这在不需要将热量经由空气-空气热交换器传递给要导入乘客舱中的空气时或者在不需要将回收的热量导入到内燃机的冷却剂或机油中时是有意义的。因此，发动机舱可以经由该第二空气出口直接冷却(热学上的运行安全性由此改善)，而不将热量输送给发动机的冷却剂或机油或者乘客舱空气。从余热收集壳体经由第二空气出口流出的空气可以直接向下朝向行驶车道从车辆中导出。运行状态“冷却发动机”对于很多或大量的车辆运行状态来说可以是本发明的优选应用。
此外可以设有鼓风机，该鼓风机在余热收集壳体中产生指向第一空气出口和/或第二空气出口的空气流动。换句话说，空气可以借助这种的鼓风机经由余热收集壳体的空气进口被吸入或者空气可以经由空气进口吹入。如已经提及的那样，空气从周围环境或从车辆的发动机舱吸入或吹入到余热收集壳体中。该鼓风机可以布置在余热收集壳体内部。对此备选地，该鼓风机也可以布置在空气进口的区域中。
根据本发明的一种进一步扩展构型，在余热收集壳体中被加热的并且被引导经过空气-空气热交换器和/或空气-冷却剂热交换器和/或空气-油热交换器的并且在其中冷却的空气经由排出空气通道导出到周围环境中。
根据本发明的一种进一步扩展构型，设有能借助致动机构控制的阀或活门装置，其中，根据阀或活门装置的位置
——来自余热收集壳体的全部空气流经由第一空气出口和空气-空气热交换器和/或空气-冷却剂热交换器和/或空气-油热交换器流出，或
——来自余热收集壳体的已加热的全部空气流在绕开第一空气出口的情况下(未经利用地)被引导到周围环境中，或
——来自余热收集壳体的已加热的空气流的第一部分体积流经由第一空气出口流出并且来自余热收集壳体的已加热的空气流的第二部分体积流在绕开第一空气出口的情况下(未经利用地)流出到周围环境中。
致动机构和/或阀或活门装置不必与排气设备处于直接的热力连接，这简化了致动机构和阀或活门装置的热学设计。
当回收的热量应该用于加热乘客舱空气和/或内燃机的冷却剂和/或机油时，将来自余热收集壳体的全部空气流引导通过第一空气出口是有意义的。当不需要加热乘客舱空气或内燃机的冷却剂或机油，而应该冷却发动机舱时，将来自余热收集壳体的全部空气流在绕开第一空气出口的情况下直接引导到周围环境中是有意义的。
当不仅应该冷却发动机舱，而且应该加热乘客舱空气和/或加热内燃机的冷却剂或内燃机的机油时，上述“混合运行”(第三个列举划线)可以是有意义的。
根据本发明的一种进一步扩展构型，致动机构具有电伺服驱动装置，借助该致动机构能控制阀或活门装置。
此外可以规定，阀或活门装置具有未操作的初始位置，在该初始位置中，来自余热收集壳体的全部空气流在绕开第一空气出口的情况下被引导到周围环境中。阀或活门装置例如可以借助弹簧装置预紧到未操作的初始位置中。由此确保阀或活门装置在致动机构发生故障或失效时转入到未操作的初始位置中。
如开头已经提到的那样，本发明的主题不仅是一种具有内燃机和余热收集壳体的车辆，而且也包括一种相应的用于利用一部分由内燃机排出的热量的方法，其中，借助包围排气弯管的至少一部分和/或内燃机的排气设备的在发动机侧的区段的至少一部分的余热收集壳体，在余热收集壳体中包含的空气被加热并且该已加热的空气间接或直接用于加热导入到车辆的乘客舱中的空气。
附图说明
下面结合附图详细阐述本发明，其中：
图1以示意性视图示出在“暖机发动机”的状态下的本发明的基本原理，
图2示出按本发明的在“加热车辆内舱”的状态下的系统，以及
图3示出按本发明的在“冷却发动机舱”的状态下的系统。
具体实施方式
图1示出在此未详细示出的车辆的内燃机1。在内燃机1上用法兰连接有排气弯管2。来自内燃机1的各个气缸的废气经由该排气弯管2导入到排气设备3中。
在图1所示的实施例中，整个排气弯管2和排气设备3的在发动机侧的区段3a被余热收集壳体4包围。因此，排气弯管2和排气设备的靠近发动机的或者说在发动机侧的区段3a被余热收集壳体4“封装”。排气弯管2和排气设备3的在发动机侧的或者说靠近发动机的区段3a也称为“热端”。在排气设备3的在发动机侧的区段3a中布置有废气涡轮增压器5和废气催化器6。
不仅排气弯管2而且废气涡轮增压器5和催化器6在内燃机的运行中达到多个100℃(直到750℃)的温度。因此，位于余热收集壳体4中的空气被强烈加热。
余热收集壳体4具有空气进口7，空气可以经由该空气进口从车辆的发动机舱流入到余热收集壳体4中，这通过箭头8表明。
此外，余热收集壳体4具有第一空气出口9。在余热收集壳体4中被加热的空气可以经由该第一空气出口9和空气通道10流动通过空气-冷却剂热交换器11。经由该空气-冷却剂热交换器发生与内燃机的在此未详细示出的冷却剂循环的热耦合。冷却剂经由接口18流入。已加热的冷却剂经由接口19流出。在散热给冷却剂之后而被冷却的空气经由排出空气通道12和排出空气活门13导出到周围环境中，这通过箭头14表示。
此外，余热收集壳体4具有第二空气出口15和与其配合作用的排出空气活门16，该排出空气活门在图1示出的位置中是关闭的。因此，在图1示出的位置中，从余热收集壳体4流出的全部热的空气流经由空气-冷却剂热交换器11被引导到周围环境中，其中，热量存储到内燃机的冷却剂中。
由所述两个排出空气活门13、16构成的活门装置可以借助致动器17偏转。该致动器17例如可以是电动机。通过排出空气活门13、16的偏转可以使排出空气通道12关闭并且使第二空气出口15打开。在这种情况下，在余热收集壳体4中被加热的全部空气直接经由第二空气出口15流出并进入到周围环境中，这在图3中示出。
因此，图3示出运行状态“冷却发动机舱”。
图2示出运行状态“加热车辆内舱”。在该运行状态中，在余热收集壳体4中被加热的空气经由第一空气出口9流入到空气-空气热交换器11a中。该空气-空气热交换器11a除了被来自余热收集壳体4的已加热的空气流过之外还被要加热的空气20流过。该要加热的空气20在空气-空气热交换器11a中被加热，这通过箭头21示出。已加热的空气随后被吹入到车辆的乘客舱中。在空气-空气热交换器11a中冷却的空气经由排出空气通道12和排出空气活门13被引导到周围环境中。

Claims (22)

1.车辆，包括：
——内燃机(1)，
——排气弯管(2)，热的来自内燃机(1)的废气经由该排气弯管导入到排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)中，
其特征在于，所述排气弯管(2)的至少一部分和/或所述排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)的一部分被余热收集壳体(4)包围，其中，位于余热收集壳体(4)中的空气通过排气弯管(2)的和/或排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)的余热而被加热。
2.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，在余热收集壳体(4)中被加热的空气
——为了加热要导入到车辆的乘客舱中的空气(20、21)和/或
——为了加热内燃机的冷却液(18、19)和/或为了加热内燃机(1)的机油和/或为了冷却车辆的发动机舱而被引导到周围环境中。
3.根据权利要求1或2之一所述的车辆，其特征在于，设有空气-空气热交换器(11a)，在余热收集壳体(4)中被加热的空气的热量能经由该空气-空气热交换器传递给要导入到车辆的乘客舱中的空气(20、21)。
4.根据权利要求1至3之一所述的车辆，其特征在于，设有空气-冷却剂热交换器(11)，在余热收集壳体(4)中被加热的空气的热量能经由该空气-冷却剂热交换器传递给内燃机(1)的冷却剂循环的冷却剂(18、19)。
5.根据权利要求1至4之一所述的车辆，其特征在于，设有空气-油热交换器，在余热收集壳体(4)中被加热的空气的热量能经由该空气-油热交换器传递给内燃机(1)的机油循环的油。
6.根据权利要求1至5之一所述的车辆，其特征在于，所述排气设备(3)的至少一个催化器(6)布置在余热收集壳体(4)内部。
7.根据权利要求1至6之一所述的车辆，其特征在于，在余热收集壳体(4)内部布置有废气涡轮增压器(5)或废气涡轮增压器(5)的至少一个在涡轮机侧的区域。
8.根据权利要求1至7之一所述的车辆，其特征在于，所述排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)与排气设备(3)的在车辆的底部区域中延伸的区段相连接，其中，余热收集壳体(4)在排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)的整个长度上延伸。
9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于，所述余热收集壳体(4)一直达到排气设备(3)的在车辆的底部区域中延伸的区段。
10.根据权利要求1至9之一所述的车辆，其特征在于，所述余热收集壳体(4)至少一部分、尤其是大部分由金属板制成。
11.根据权利要求1至10之一所述的车辆，其特征在于，所述余热收集壳体(4)具有用于要加热的空气的空气进口(7)。
12.根据权利要求1至11之一所述的车辆，其特征在于，所述余热收集壳体具有用于已加热的空气的第一空气出口(9)。
13.根据权利要求12所述的车辆，其特征在于，所述第一空气出口(9)与空气-空气热交换器(11a)和/或空气-冷却剂热交换器(11)和/或空气-油热交换器处于流体连接。
14.根据权利要求1至13之一所述的车辆，其特征在于，所述余热收集壳体(4)具有第二空气出口(15)，在余热收集壳体(4)中被加热的空气能经由该第二空气出口在绕开第一空气出口(9)的情况下未经利用地导出到周围环境中。
15.根据上述权利要求之一所述的车辆，其特征在于，设有鼓风机，该鼓风机在余热收集壳体(4)中产生指向所述第一空气出口和/或所述第二空气出口(9、15)的空气流动。
16.根据上述权利要求之一所述的车辆，其特征在于，来自空气-空气热交换器(11a)或空气-冷却剂热交换器(11)或空气-油热交换器的冷却的空气能经由排出空气通道(12)导出到周围环境中。
17.根据上述权利要求之一所述的车辆，其特征在于，设有能借助致动机构(17)控制的阀或活门装置(13、16)，其中，根据阀或活门装置(13、16)的位置
——来自余热收集壳体(4)的全部空气流经由第一空气出口(9)流出，或
——来自余热收集壳体(4)的全部空气流在绕开第一空气出口(9)的情况下流出到周围环境中，或
——来自余热收集壳体(4)的空气流的第一部分体积流经由第一空气出口(9)流出并且来自余热收集壳体(4)的空气流的第二部分体积流在绕开第一空气出口(9)的情况下流出到周围环境中。
18.根据权利要求17所述的车辆，其特征在于，所述致动机构(17)具有电伺服驱动装置。
19.根据权利要求17或18之一所述的车辆，其特征在于，所述阀或活门装置(13、16)具有未操作的初始位置，在该初始位置中，来自余热收集壳体(4)的全部空气流在绕开第一空气出口(9)的情况下流出到周围环境中。
20.根据权利要求1至19之一所述的车辆，其特征在于，所述内燃机(1)是柴油机或汽油机。
21.用于利用一部分由内燃机(1)排出的热量的方法，其中，借助包围排气弯管(2)的至少一部分和/或内燃机(1)的排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)的至少一部分的余热收集壳体(4)，将在余热收集壳体(4)中包含的空气加热并且该被加热的空气间接或直接用于加热导入到车辆的乘客舱中的空气。
22.固定式系统，尤其是中央供暖站，包括
——内燃机(1)，
——排气弯管(2)，热的来自内燃机(1)的废气经由该排气弯管导入到排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)中，
其特征在于，排气弯管(2)的至少一部分和/或排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)的一部分被余热收集壳体(4)包围，其中，位于余热收集壳体(4)中的空气通过排气弯管(2)的和/或排气设备(3)的在发动机侧的区段(3a)的余热而被加热。
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