CN107687514B - 用于变速器预热的热电发电机 - Google Patents

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Abstract

同样提供了一种用于利用热电发电机来加温变速器流体的车辆、系统、以及方法。所公开的是具有内燃机的车辆、包含变速器流体的变速器、配置为去除来自发动机的热量的冷却剂回路、以及热电发电机。热电发电机与由发动机产生的热废气以及循环通过冷却剂回路的温度相对较低的冷却剂非接触式热连通。热电发电机从废气相关物与冷却剂之间的温度梯度来产生电流并且将来自废气的热量传递至冷却剂。将热冷却剂输送至变速器热交换器以加热变速器流体。加热元件设置为与变速器流体热接触，并且加热元件是由热电发电机产生的电流供电。

Description

用于变速器预热的热电发电机
技术领域
本发明大体上涉及具有内燃机和变速器的动力系统的热管理，并且更加具体地涉及用于捕获内燃机的废热以选择性地加温车辆的变速器流体的系统和方法。
背景技术
内燃机用于通过将化学能转化为机械能来给车辆提供动力，机械能又可以进一步被转化为电能。机械能被传递至变速器，该变速器选择恰当的齿轮来驱动车辆。被供应至内燃机的化学能通常呈精炼化石燃料(诸如，汽油或者柴油燃料)或者蒸馏酒精(诸如，乙醇)的形式。内燃机中的燃料的燃烧所产生的热量的仅仅一部分被转化为有用的机械能和/或用于提供乘客舒适性，剩余热量则通过车辆的冷却和排气系统浪费掉。
自动变速器通常使用变速器流体，该变速器流体可以是基于石油的或者是合成的，其作为用于变速器的内部部件的润滑流体以及作为液压流体来激活离合器以进行恰当的齿轮速比选择。在车辆的初始启动期间，变速器流体的温度大约为环境空气的温度，这在寒冷的冬季会使得流体具有高粘性，从而导致变速器自旋损失(即，能量损失)、部件磨损增加、以及燃料经济性降低，直到变速器流体达到操作温度。
因此，需要通过将一部分废热转化为有利用途来提高内燃机的效率。有利的是在车辆冷却和排气系统中捕获废热以便在初始车辆启动期间预先加热或者加温变速器流体以提高效率以及提高变速器的寿命。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种具有热电发电机的车辆，该热电发电机用于捕获发动机的废热以选择性地加温变速器的变速器流体。内燃机包括发动机冷却剂通道和排气导管，该发动机冷却剂通道与冷却剂回路流体连接以去除来自发动机的废热，该排气导管可操作用于将热废气流输送远离发动机。具有与排气导管热接触的热侧和与冷却剂回路热接触的冷侧的热电发电机设置在发动机冷却剂出口的下游。较高温度的废气与较低温度的冷却剂之间的温度梯度生成电流，并且热量从较高温度的废气传递至流过冷却剂回路的温度相对较低的冷却剂。变速器热交换器设置在热电发电机下游的冷却剂回路中。
车辆可以进一步包括电加热元件，该电加热元件与变速器热交换器热连通或者配置为给车辆的乘客舱提供热量。该加热元件可以由热电发电机生成的电流供电。控制模块可以设置用于选择性地断开加热元件的电力。
冷却剂回路可以包括在发动机冷却剂出口下游和在热电发电机上游的辅助冷却剂泵。该辅助冷却剂泵可以配置为：当紧邻热电发电机之前的冷却剂的温度高于第一预定温度时，提供通过热电发电机的第一流速，并且当紧邻热电发电机之后的冷却剂的温度高于第二预定温度(该第二预定温度高于第一预定温度)时，提供通过热电发电机的第二流速，其中，第二流速大于第一流速。
冷却剂回路可以进一步包括变速器热交换器旁通路径和旁通阀，该旁通阀设置在变速器热交换器上游的冷却剂回路中。该旁通阀包括第一位置和第二位置，该第一位置配置为引导冷却剂流过旁通路径，从而绕过变速器热交换器，该第二位置配置为引导冷却剂流过变速器热交换器。
在另一实施例中，提供了用于具有内燃机的车辆的变速器增温系统。该变速器增温系统包括：加热环路，该加热环路配置为使冷却剂循环通过车辆的内燃机；辅助泵，该辅助泵可操作用于使冷却剂循环通过加热环路；热电发电机，该热电发电机设置在辅助泵下游的加热环路中。热电发电机包括与加热环路流体连接的冷却剂通道和废气通道。变速器热交换器设置在热电发电机下游的加热环路中。变速器热交换器包括与加热环路流体连通的冷却剂通道和与变速器流体连通的变速器流体通道。
变速器增温系统可以进一步包括：与变速器热交换器的变速器流体通道热连通的电加热元件、变速器热交换器旁通环路、以及设置在变速器热交换器上游的加热环路中的阀门。该阀门包括第一位置和第二位置，该第一位置配置为引导冷却剂流过旁通环路，从而绕过变速器热交换器，该第二位置配置为引导冷却剂流过变速器热交换器。
在又另一实施例中，提供了用于加温具有内燃机的车辆上的变速器的方法。该方法包括如下步骤：启动内燃机，从而生成热废气；使冷却剂循环通过与内燃机流体连通的加热环路；使热废气穿过热电发电机的热侧；以及使温度相对较低的冷却剂穿过热电发电机的冷侧，从而生成电流并且将来自废气的热量传递至冷却剂。该方法进一步包括：使来自变速器的一部分变速器流体循环通过变速器热交换器并且使离开热电发电机的冷侧的加热冷却剂循环通过变速器热交换器以便当环境空气温度高于预定环境温度时或者当内燃机高于预定发动机温度时将来自加热冷却剂的热量传递至变速器流体。
该方法可以进一步包括如下步骤：当紧邻热电发电机上游的冷却剂的温度大于预定进口温度时，将通过热电发电机的冷侧的冷却剂的流速增加至第一增加流速(F1)；以及当紧邻热电发电机下游的加热冷却剂的温度大于预定出口温度时，进一步将通过热电发电机的冷侧的冷却剂的流速增加至第二增加流速(F2)，其中，第二增加流速大于第一增加流速(F2＞F1)。
该方法可以进一步包括如下步骤：在内燃机关闭之后，继续利用辅助冷却剂泵来使冷却剂循环通过热电发电机的冷侧长达预定时间；其中，辅助冷却剂泵是由热电发电机生成的电力供电。
该方法可以进一步包括如下步骤：当变速器流体的温度达到预定温度时，使加热冷却剂从变速器热交换器绕过。
该方法可以进一步包括如下步骤：如果紧邻热电发电机上游的冷却剂的温度大于预定进口温度或者如果紧邻热电发电机下游的加热冷却剂的温度大于预定出口温度，则增加通过热电发电机的冷侧的冷却剂的流速。
该方法可以进一步包括如下步骤：如果紧邻热电发电机上游的冷却剂的温度低于预定进口温度或者如果紧邻热电发电机下游的加热冷却剂的温度低于预定出口温度，则减小通过热电发电机的冷侧的冷却剂的流速。
该方法可以进一步包括如下步骤：当变速器流体小于预定温度时，使离开热电发电机的冷侧的加热冷却剂循环通过变速器热交换器，并且当变速器流体大于预定温度时，使离开热电发电机的冷侧的加热冷却剂绕过变速器热交换器。
该方法可以进一步包括如下步骤：在内燃机关闭之后，使离开热电发电机的冷侧的加热冷却剂循环通过变速器热交换器长达预定时间。
通过参照如下描述和附图，其它方面、示例、以及优点将变得显而易见。
附图说明
结合附图对示例性实施例进行的如下描述将使得上述和其它方面变得更加显而易见且更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明的机动车辆的示意图，该机动车辆具有用于捕获来自发动机的废热以加温变速器的系统；以及
图2是根据本发明的用于捕获来自发动机的废热的示例性热电发电机的透视剖视图。
具体实施方式
如下描述本质上仅仅是示例性的并且不意在限制本公开、应用、或者使用。参照附图，其中，在附图中，相似附图标记与相似或者类似元件相对应。图1是具有系统100的机动车辆10的示意图，系统100用于捕获来自发动机102的废热并且将该废热传递至变速器104。如下文将更详细地描述的，系统100使用热电发电机108来捕获来自发动机的废热。
机动车辆10包括内燃机102，内燃机102联接至自动变速器104以将来自内燃机102的转矩传输至变速器104。内燃机102可以是混合动力系统的一部分，其中，发动机102可以用于直接推动车辆10或者驱动发电机，该发电机产生电力以给电动机供电。尽管将内燃机102(其包括以汽油、柴油、天然气、和/或酒精进行操作的发动机)公开作为示例，但在不背离本发明的范围的情况下可以包括能够生成热废气的其它动力源，诸如，生成热尾气的固体氧化物燃料电池。
用于捕获来自发动机102的废热并且将该废热传递至变速器104的系统100包括：废气导管106、冷却剂回路116、热电发电机108。废气导管106设置用于将来自内燃机102的热燃烧气体输送远离车辆10。冷却剂回路116设置用于去除来自内燃机102的废热。热电发电机108设置为与冷却剂回路116协作以捕获燃烧气体中的废热以供车辆10的其它系统的有利使用，诸如，给乘客舱提供补充热量、在冷启动期间加温发动机102和/或变速器104。
冷却剂回路116包括与发动机冷却剂进口112和发动机冷却剂出口114流体连通的发动机冷却剂通道110。为了管理内燃机102生成的热量，使冷却剂循环通过冷却剂通道110以去除通过内燃机102的操作生成的多余热量。冷却剂可以是内燃机中常用的任何冷却剂，包括但不限于：水、乙二醇、以及丙二醇、以及其混合物。
冷却剂回路116具有主要冷却剂泵118，主要冷却剂泵118设置在冷却剂出口114下游并且配置为使冷却剂连续地循环通过冷却剂回路116，包括发动机冷却剂通道110。当冷却剂在冷却剂进口112与冷却剂出口114之间循环通过内燃机102时，通过内燃机102的操作生成的热量被传递至冷却剂。主要冷却剂泵118可以是由内燃机102驱动的机械泵或者由车辆的电力系统供电的电动泵。
如图1中示出的，冷却剂回路116包括冷却环路120和加热环路122。主要冷却剂泵118配置为使离开发动机冷却剂出口114的冷却剂循环通过冷却环路120和/或加热环路122并且返回至发动机冷却剂进口112。冷却环路120包括散热器103，散热器103将来自发动机102的多余废热驱散到大气中。在发动机102的初始启动期间，令人期望的是使内燃机102尽可能快地达到正常操作温度以便减少排放并且提高效率。
恒温阀124设置在冷却环路120中的冷却剂出口114的下游以便限制离开冷却剂出口114的冷却剂流向散热器103以在冷启动期间实现更快的发动机预热。恒温阀124限制冷却剂流向散热器103直到离开内燃机102的冷却剂的温度达到预定温度，诸如，发动机102的高效性能的期望操作温度。一旦内燃机102达到期望操作温度，恒温阀124就选择性地切换至打开位置并且允许冷却剂在冷却环路120中流动以便循环通过散热器103以将多余废热驱散到环境空气中。
加热环路122向机动车辆10的乘客舱提供热量。加热环路122包括加热器芯126，加热器芯126设置在内燃机102的发动机冷却剂出口114的下游并且与其流体连通。加热器芯126可以是管道和鳍片类型、平板和鳍片、或者任何其它已知热交换器，该热交换器配置为将来自冷却剂的热量传递至循环通过内舱区域以提供乘客舒适性的空气流。可以通过辅助泵125来提高通过加热环路122的冷却剂的流速，辅助泵125位于冷却剂出口114的下游和加热器芯126的上游。辅助泵125可以包括任何合适的大小和/或风格的流体泵，并且优选地以电力驱动但不是必须的，并且可以包括例如12伏特的流体泵。
热电发电机108设置在辅助泵125下游的和加热器芯126上游的加热环路122中。图2中示出的示例性热电发电机108包括两种不同的热电材料；n-型半导体132(带负电的载体)和p-型半导体134(带正电的载体)。当热电发电机108的热侧128与冷侧130之间存在温度梯度时，这两种不同的热电材料产生直流电流。通常，电压与热侧128和冷侧130之间的温度差成比例；并且离开热电发电机108的电流量是n-型半导体132和p-型半导体134的内部电阻以及外部负载电阻的函数。
为了用在机动车辆10中，热电发电机108可以通过如下方式来发电：将热侧128配置为挽回来自内燃机102的热废气的热量并且使冷侧适应于暴露至辅助泵125下游的相当冷的冷却剂流。热侧128可以与冷侧130非接触式热连通，其中，来自热排气的热量被传递至流过冷侧130的冷却剂。非接触式热连通意味着流过热侧128的热废气流不会与流过热电发电机108的冷侧的冷却剂混合；然而，热能却从较高温度的废气传递至较低温度的冷却剂。通过热电发电机108的热废气流可以相对于冷却剂流是平行流、对向流、以及/或者错流。
从热废气传递至离开热电发电机108的冷却剂的额外热量可以进行有利使用，诸如，给乘客舱提供补充热量。这对于具有较小节能发动机的车辆或者混合车辆尤其有利，这种车辆可能在较冷的冬季不能产生足够的废热来提供适当的乘客舒适性。额外热量也可以用于在初始车辆启动期间预先加热或者加温变速器104。在初始启动期间加温变速器104通过降低变速器流体的粘性来提高效率，从而使得自旋损失减少以及燃料效率增加，并且可能使变速器104的操作寿命增加。
热电发电机108产生的电力也可以进行有利使用，诸如，给乘客舱提供补充热量、预先加热变速器104或者甚至是内燃机102以更快的预热、以及/或者给诸如冷却剂泵等电气部件供电。电加热器元件136可以被放置在运动型多用途车和乘客车的第二和/或第三排座椅中以便给后排乘客提供热量。电加热器元件136可以设置在变速器104的油底壳中以便与变速器流体热接触。可替代地，电加热器元件136可以被集成到变速器流体热交换器138中。电加热器元件136可以由热电发电机108生成的电力供电。
在图1中示出的，变速器热交换器138设置在加热器芯126下游的和发动机冷却剂进口112上游的加热环路122中。变速器热交换器138包括与变速器104的变速器流体出口和变速器流体进口流体连通的变速器流体通道。变速器流体回路139设置为使来自变速器104的一部分变速器流体循环至变速器热交换器138并且返回至变速器104。变速器流体回路139与流过变速器热交换器138的冷却剂非接触式热连通，从而在冷启动期间使热量从冷却剂传递至变速器流体。
旁通阀140设置在加热器芯126下游的和变速器热交换器138上游的加热环路122中。旁通阀140配置为：当期望对变速器流体加温时，选择性地引导冷却剂流过变速器热交换器138，或者当不期望对变速器流体加温时，绕过变速器热交换器138。旁通阀140可以包括例如三通阀，该三通阀具有用于接收加热器芯126下游的冷却剂流的进口、第一出口、以及第二出口。旁通阀140的第一出口连接至第一流体流路142并且与其流体连通，第一流体流路142绕过变速器热交换器138，如虚线示出的。旁通阀140的第二出口连接至通过变速器热交换器138的第二流体流路144并且与其流体连通，如粗实线示出的。冷却剂与流过变速器热交换器138的变速器流体非接触式热连通，其中，热量从冷却剂传递至变速器流体。
如图1中示出的，当发动机的温度低于预定温度时，旁通阀140可以引导冷却剂沿着第一流体流路142的流动，从而绕过变速器热交换器138。这是为了避免变速器104在极其寒冷的天气中的启动期间用作散热器。当发动机的温度等于或者大于预定温度时，旁通阀140可以引导发动机冷却剂沿着第二流体流路144的流动，从而通过变速器热交换器138。预定温度可以被定义为内燃机102的期望操作温度或者更低的温度。应理解，预定温度的准确范围和值可以取决于内燃机102的准确大小和配置而不同。
车辆10可以包括：发动机温度传感器146，该发动机温度传感器146配置为感测离开冷却剂出口114的发动机冷却剂的温度；变速器流体温度传感器148，该变速器流体温度传感器148配置为感测变速器104内的变速器流体的温度；以及热电发电机进口冷却剂温度传感器150和热电发电机出口冷却剂温度传感器152，其分别配置为感测分别进入和离开热电发电机108的冷却剂的温度。温度传感器146、148、150、152可以包括能够取决于应用而感测发动机冷却剂和/或变速器流体的温度的任何合适的传感器。温度传感器146、148、150、152可以电子地联接至控制模块154，控制模块154可以包括但不限于非通用计算机，该非通用计算机具有与温度传感器146、148、150、152进行通信并且触动旁通阀140所必须的所有必要硬件、软件、控制算法、通信链路、存储器等。控制模块154可以接收来自温度传感器146、148、150、152的信号并且向旁通阀140发送信号以便引导发动机冷却剂沿着第一流体流路142(从而绕过变速器热交换器138)或者第二流体流路144(从而加温流过变速器热交换器138的变速器流体)中的一个的流动。
提供了一种用于加温具有内燃机102的车辆10上的变速器104的方法。该方法包括：启动内燃机102并且由于操作而产生许多废气，并且使冷却剂循环通过与内燃机102流体连通的冷却剂回路116。连续地测量发动机冷却剂的温度。通过冷却环路120中的散热器103的冷却剂流受到限制直到冷却剂达到预定温度，该预定温度取决于发动机102的类型和大小以及车辆10的目的为大约180°F至220°F。
热废气穿过热电发电机108的热侧128并且相对较低温度的冷却剂在加热环路122中穿过热电发电机108的冷侧130，从而生成电流并且将来自废气的热量传递至加热环路122中的冷却剂。
在加热环路122中，当环境空气温度高于预定环境温度时或者当离开内燃机102的冷却剂高于预定发动机温度时，离开热电发电机108的冷侧130的加热冷却剂则循环通过变速器热交换器138以便将来自冷却剂的热量传递至变速器流体。如果环境空气温度低于预定环境温度，诸如30°F至35°F，则通常不期望使加热冷却剂循环通过变速器热交换器138，这是因为变速器104可能是较大的散热器并且使发动机102上升至运行温度要花相当长的时间。
该方法可以进一步包括：设置与变速器流体热连通的电加热元件136并且使用热电发电机108生成的电流来给电加热元件136供电。一旦变速器流体的温度上升至操作温度或者预定温度(其可以高于或者低于变速器的正常操作温度)，加热冷却剂就从变速器热交换器138绕过。
为了防止热电发电机108过热以及从其流过的冷却剂沸腾，辅助泵125可以用于增加通过热电发电机108的冷却剂的流速以便去除来自热电发电机108的热量。当紧邻热电发电机108上游的冷却剂的温度大于预定进口温度时，辅助泵125可以使通过热电发电机108的冷侧130的冷却剂的流速增加至第一增加流速(F1)，并且当紧邻热电发电机108下游的加热冷却剂的温度大于预定出口温度时，进一步使冷却剂的流速增加至第二增加流速(F2)。第二增加流速大于第一增加流速(F2＞F1)。热电发电机108预定进口和出口温度可以是基于制造商的热电发电机108的安全评级和所使用的冷却剂的沸点进行设定。
在内燃机102关闭之后，辅助泵125继续泵送冷却剂通过热电发电机108的冷侧130长达预定时长，大约2至4分钟，以便避免陷在热电发电机108中的冷却剂沸腾。
如果紧邻热电发电机108上游的冷却剂的温度低于期望进口温度或者如果紧邻热电发电机108下游的加热冷却剂的温度低于期望出口温度，则通过热电发电机108的冷侧130的冷却剂的流速可以减小以便提供充足接触时间以使更多热量从流过热侧的废气传递至冷却剂。
如果变速器流体小于正常操作温度或者小于较低预定温度，则离开热电发电机108的冷侧130的加热冷却剂可以在适用的情况下经过变速器热交换器138。如果变速器流体大于预定温度，则离开热电发电机108的冷侧130的加热冷却剂从变速器热交换器138绕过。
该方法可以包括如下步骤：使离开热电发电机108的冷侧130的加热冷却剂循环通过加热器芯126。
详细描述和附图是用于支持和描述本发明，但本发明的范围仅仅由权利要求书限定。尽管已经详细地描述了用于执行所要求的发明的一些最佳模式和其它实施例，但也存在用于实践所附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (6)

1.一种机动车辆，其包括：
发动机，所述发动机具有配置用于从其流过的冷却剂流的发动机冷却剂通道，其中，所述发动机冷却剂通道包括冷却剂进口和冷却剂出口；
变速器，所述变速器联接至所述发动机，其中，所述变速器包括变速器流体进口和变速器流体出口；
排气导管，所述排气导管可操作用于将废气流输送远离所述发动机；
冷却剂回路，所述冷却剂回路与所述发动机的所述冷却剂出口流体连通；
热电发电机，所述热电发电机具有与所述排气导管热接触的热侧和与所述冷却剂出口下游的所述冷却剂回路热接触的冷侧，借此，流过所述排气导管的较高温度的废气与循环通过所述冷却剂回路的温度相对较低的冷却剂之间的温度梯度生成电流，并且热量从所述较高温度的废气传递至所述温度相对较低的冷却剂；以及
变速器热交换器，所述变速器热交换器设置在所述热电发电机的下游的所述冷却剂回路中，其中，所述变速器热交换器包括与所述变速器流体出口和所述变速器流体进口流体连通的变速器流体通道，
其中，所述冷却剂回路包括在所述发动机冷却剂出口的下游和在所述热电发电机的上游的辅助冷却剂泵，其中，所述辅助冷却剂泵配置为：当紧邻所述热电发电机之前的所述冷却剂的温度高于第一预定温度时，提供通过所述热电发电机的第一流速，并且当紧邻所述热电发电机之后的所述冷却剂的温度在高于所述第一预定温度的第二预定温度之上时，提供通过所述热电发电机的第二流速，其中，所述第二流速大于所述第一流速。
2.根据权利要求1所述的机动车辆，其进一步包括电加热元件，所述电加热元件是由所述热电发电机生成的所述电流供电。
3.根据权利要求2所述的机动车辆，其中，所述电加热元件与所述变速器热交换器热接触。
4.根据权利要求3所述的机动车辆，其中，所述加热元件包括控制模块，所述控制模块配置为当所述变速器流体高于预定温度时断开所述加热元件的电力。
5.根据权利要求2所述的机动车辆，其中，所述电加热元件配置为给所述车辆的乘客舱提供热量。
6.根据权利要求1所述的机动车辆，所述冷却剂回路进一步包括：
变速器热交换器旁通环路；以及
设置在所述变速器热交换器的上游的加热环路中的阀门，
其中，所述阀门包括第一位置和第二位置，所述第一位置配置为引导冷却剂流过所述旁通环路，从而绕过所述变速器热交换器，所述第二位置配置为引导冷却剂流过所述变速器热交换器。
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