CN109075244A - 车用能量回收单元 - Google Patents

Abstract

一种用于在车辆排气系统(6)中使用的能量回收单元(8)，该能量回收单元(8)包括：入口(24)，该入口(24)用于接收来自排气系统(6)的排气；出口(26)，该出口(26)用于使排气返回至排气系统(6)；热电发电机(20)，该热电发电机(20)布置在入口(24)与出口(26)之间；以及阀装置，该阀装置能够操作成引导进入入口(24)的排气穿过热电发电机(20)以使热电发电机(20)能够由排气中所含的热能产生电能，其中，阀装置能够操作成改变排气流穿过热电发电机(20)的方向。

Description

车用能量回收单元

技术领域

本公开涉及用于在车辆排气系统中使用的能量回收单元。本公开的方面涉及车辆排气系统和包括这种能量回收单元的车辆。

背景技术

热电发电机(TEG)利用赛贝克效应(Seebeck effect)将热能转换为电能。典型的TEG包括置于由介电基板材料制成的覆盖件之间的具有高导热率的多个金属板，其中，所述多个金属报之间具有热电材料。

众所周知的是，车辆发动机的效率仅为约30％，并且车辆发动机在正常使用中产生大量废热。近年来，TEG装置已经被结合到车辆排气系统中，以便利用来自排气的废热。这减小了发电机比如发动机上的交流发电机的载荷，从而改善燃料消耗。

与以这种方式使用TEG相关联的问题是，TEG仅能在相对较窄的温度范围内有效地操作——在低温下，能量产生的效率非常低；而在高温下，热电材料有因过热而受到损害的危险。在某些情况下，已经发现TEG的前缘可能在TEG的大部分已经达到对于发生高效操作而言适当的高温之前就过热。因此，必须使用旁路阀将热的排气转移离开热电材料，以防止对TEG的损害和由此导致的系统性能的降低。

已经设计出本发明以缓解或克服上述问题中的至少一些问题。

发明内容

根据本发明的方面，提供了一种用于在车辆排气系统中使用的能量回收单元，该能量回收单元包括：入口，该入口用于接收来自排气系统的排气；出口，该出口用于使排气返回至排气系统；热电发电机，该热电发电机布置在入口与出口之间；以及阀装置，该阀装置能够操作成引导进入入口的排气穿过热电发电机以使热电发电机能够由排气中所包含的热能产生电能，其中，阀装置能够操作成改变排气流穿过热电发电机的方向。

有利地，以上描述的能量回收单元能够使排气流穿过热电发电机的方向交替，并由此防止热电发电机的前缘过热，从而延长热电发电机的使用寿命。此外，排气的交替流动产生了比由单个方向流动所实现的在热电发电机的热交换表面上的温度曲线更均匀的温度曲线。这意味着热排气转移离开热电发电机的频率较低，并且更多的排气被热电发电机直接利用来产生电力。因此，系统性能得以改善。

能量回收单元可以包括气体管网，气体管网构造成连接入口和出口。气体管网可以包括第一旁路管道和第二旁路管道，第一旁路管道和第二旁路管道在入口与出口之间延伸，并且第一旁路管道和第二旁路管道沿热电发电机的相应的相反端部布置。排气从入口沿第一流动方向流动通过旁路管道而至出口。

将两个旁路管道结合到能量回收单元中特别有利于提供通过能量回收单元的排气流的分配方面的灵活性，因为这增加了供排气采用的可用路线。

阀装置能够操作成引导排气从第一旁路管道沿第二流动方向穿过热电发电机而至第二旁路管道，或者引导排气从第二旁路管道沿与第二流动方向相反的第三流动方向穿过热电发电机而至第一旁路管道。这提供了用于使排气流穿过热电发电机的方向交替的机构，这特别有助于产生穿过热电发电机的均匀的温度曲线并且防止热电发电机的前缘过热。

热电发电机可以布置成使得第二流动方向和第三流动方向大致垂直于第一流动方向。以这种方式构造能量回收单元允许通过旁路管道并经过热电发电机的排气流被严格地调节。由于第一流动方向与第二流动方向或第三流动方向之间的角度的相对急剧的改变，排气将基本上继续沿第一流动方向流动，除非排气通过阀装置而被作用以改变方向。这确保了基本上所有的排气在需要时绕过热电发电机，从而进一步降低前缘过热的可能性。

阀装置可以包括布置在入口处的第一阀，第一阀包括第一阀构件，第一阀构件能够通过第一阀致动器定位以控制排气流进入第一旁路管道和第二旁路管道。阀装置还可以包括布置在出口处的第二阀，第二阀包括第二阀构件，第二阀构件能够通过第二阀致动器定位以控制排气从第一旁路管道和第二旁路管道的排出。以这种方式，通过旁路管道或位于旁路管道之间的排气流的比例和方向可以根据单元的能量回收需要而被容易地控制和改变。

阀构件可以为瓣的形式，该瓣由于其相对于其深度的大的表面积而特别有益于在需要时引导排气流，这意味着在不引导流时，瓣不会显著地阻挡流。

在实施方式中，第一阀构件和第二阀构件可以是能够绕相应的枢轴旋转的。

第一阀致动器和第二阀致动器可以是能够串联操作的。这允许致动器使第一阀构件和第二阀构件移动大致相同的程度而至互补的位置。替代性地，或另外地，第一阀致动器和第二阀致动器可以是能够独立操作的，使得第一阀构件和第二阀构件可以被移动至不同位置。能够独立操作的阀致动器增强了对经过热电发电机的流进行调节的能力，由此优化能量产生，同时使对热电发电机的热损害的风险最小。

第一阀构件能够定位成引导排气流进入第一旁路管道和第二旁路管道两者，在这种情况下，第二阀构件能够定位成允许排气离开第一旁路管道和第二旁路管道两者，由此允许基本上所有的排气沿第一流动方向流动。该构型使热电发电机能够在需要时被完全绕过，例如以避免过热。

第一阀构件能够定位成封闭第一旁路管道的入口，并且第二阀构件能够定位成封闭第二旁路管道的出口，使得基本上所有的排气从第二旁路管道流动穿过热电发电机而至第一旁路管道。

第一阀构件能够定位成封闭第二旁路管道的入口，并且第二阀构件能够定位成封闭第一旁路管道的出口，使得基本上所有的排气从第一旁路管道流动穿过热电发电机而至第二旁路管道。

第一阀构件能够定位成部分地封闭第一旁路管道或第二旁路管道的入口。第二阀构件能够定位成部分地封闭第一旁路管道或第二旁路管道的出口。提供对旁路管道的入口和出口的局部封闭的能力使阀装置能够控制通过每个管道的单独的排气流量。

能量回收单元可以包括多个热电发电机以实现更大的能量产生能力。在这些实施方式中，阀装置能够操作成引导排气流穿过每个热电发电机，并且能够操作成改变排气流穿过每个热电发电机的方向。

根据另一实施方式，提供了一种用于车辆排气系统的能量回收单元，该能量回收单元包括：排气入口和排气出口，排气入口和排气出口布置在相反端部处，并且热电发电机(TEG)阵列横向地布置在相反端部之间；阀机构，阀机构布置成引导排气从单元的第一侧沿第一方向穿过TEG阵列而至单元的第二侧，并且阀机构还布置成引导排气从单元的第二侧沿相反的第二方向穿过TEG而至单元的第一侧，并且至少一个冷却剂管道与TEG阵列中的相应的一个TEG阵列的冷表面热接触；冷却剂管道，冷却剂管道包括用于冷却剂流入的入口和用于冷却剂流出的出口，入口大致居中地定位在单元的第一侧与第二侧的中间；以及流动导引件，流动导引件布置成将冷却剂居中地引导远离冷却剂入口并将冷却剂沿能量回收单元的第一侧和第二侧朝向冷却剂出口引导。

在能量回收单元中，改变排气的方向有益于提高发电效率并提高TEG的寿命。通过最初居中地引导冷却剂，可以在能量回收单元的每一侧的冷却剂中实现更一致的温度曲线。以这种方式，无论排气是沿第一方向引导还是沿第二方向引导，冷却曲线都应当大致相同，因此进一步提高能量回收单元的效率和寿命。

在一个实施方式中，冷却剂入口定位在能量回收单元的排气入口端处。这样的布置对于冷却目的而言更有效，因为冷却剂在冷却剂入口处具有其最低温度，并且温度朝向冷却剂出口增加。另一方面，排气在排气入口端处具有其最高温度。以这种方式，温度差在冷却剂入口包括在能量回收单元的与排气入口相同的一端处时最大。

冷却剂入口和冷却剂出口可以定位在能量回收单元的同一端处。这样的布置提供了改善的安装和结合，因为冷却剂贮存器可以设置在贮存器的定位有冷却剂出口和冷却剂入口两者的一端处。

在一个实施方式中，冷却剂出口包括单个端口。同样地，冷却剂入口包括单个端口(具有或不具有单个端口出口)。采用单个端口提供了改善的可维修性，因为与多个端口用于入口和/或出口的情况相比存在较少的泄漏路径。

在一个实施方式中，出口朝向能量回收单元的一侧设置。

流动导引件可以包括在入口与出口之间限定相邻的流动路径的多个共面的壁。

在一个实施方式中，流动导引件包括U形壁，该U形壁具有布置在能量回收单元的冷却剂入口和出口端处的弯曲部，冷却剂入口定位在U形壁内并且冷却剂出口定位在U形壁外，以将管道分成将冷却剂居中地引导远离冷却剂入口的中央通道和将冷却剂朝向冷却剂出口引导的相对的侧部通道。

根据本发明的另一方面，提供了一种结合有根据上述方面的能量回收单元的车辆排气系统。

根据本发明的又一方面，提供了一种结合有根据上述方面的能量回收单元或车辆排气系统的车辆。

在本申请的范围内，明确意在可以单独地或以任何组合的方式采用在前面段落中、在权利要求书中和/或在以下描述和附图中所阐述的各个方面、实施方式、示例和替代方案以及特别是其各个特征。也就是说，可以以任何方式和/或组合的方式来组合全部实施方式和/或任何实施方式的特征，除非这些特征是不可兼容的。申请人保留修改任何原始提交的权利要求或因此提交的任何新的权利要求的权利，包括将任何原始提交的权利要求修改成从属于任何其他权利要求的任何特征和/或并入任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管最初没有以该方式要求。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的一个或更多个实施方式进行描述，在附图中：

图1为结合有可以在车辆排气系统中实施的根据本发明的实施方式的能量回收单元的车辆的示意性框图；

图2为可以在如图1中示出的车辆排气系统中实施的能量回收单元的立体图；

图3为可以结合到图2中示出的能量回收单元中的根据本发明的实施方式的TEG模块的立体分解图；

图4为图2中示出的能量回收单元的立体剖视图；

图5a至图5c为以根据本发明的各种实施方式的不同模式操作的图2中示出的能量回收单元的示意性平面图；

图6为根据本发明的另一实施方式的图2中示出的能量回收单元的俯视剖视图；

图7a为与图6类似的视图，其示出了排气沿第一方向流动通过TEG模块；

图7b为与图6类似的视图，其示出了排气沿第二方向流动通过TEG模块；

图8为根据本发明的另一实施方式的能量回收单元的立体剖视图；

图9为图2中示出的能量回收单元的立体透视图，其示出了根据另一实施方式的内部TEG模块；以及

图10为根据本发明的又一实施方式的在车辆排气系统中实施的能量回收单元的立体图。

具体实施方式

图1为车辆2的示意性框图，该车辆2包括连接至车辆排气系统6的发动机4。根据本发明的实施方式，能量回收单元8结合在车辆排气系统6中。来自车辆排气系统6的热排气在从车辆2排出之前穿过能量回收单元8。能量回收单元8利用来自穿过能量回收单元8的排气的热能，使用热电发电机(图1中未示出)将热能转换成电能。

图2示出了图1的能量回收单元8的立体图。能量回收单元8包括由气体管网22包围的TEG模块20。气体管网22包括入口管24和出口管26，入口管24和出口管26布置在能量回收单元8的相应的相反端部处。在TEG模块20的相对侧的侧面有两个单独的旁路管道28、30，以连接入口管24和出口管26。

能量回收系统8还包括阀装置，该阀装置能够操作成对通过系统8的排气流进行控制，该阀装置包括入口阀(图2中未示出)和出口阀(图2中未示出)，入口阀定位在旁路管道28、30的接合部32处，与入口管24直接相对并位于入口管24附近，出口阀定位在旁路管道28、30的接合部34处，与出口管34直接相对并位于出口管34附近。入口阀和出口阀各自均包括阀瓣(图2中未示出)，阀瓣可以被旋转以改变阀的方向，由此通常通过引导排气流进入及离开旁路管道28、30中的一者来控制排气流通过能量回收单元8的方向。每个阀瓣的运动由相应的阀致动器36控制，阀致动器36控制每个阀瓣的偏转程度和方向，由此控制排气流通过能量回收单元8的方向。

在一些实施方式中，阀致动器能够独立操作，使得一个阀可以比另一个阀打开至更大程度。在其他实施方式中，使用单个“操纵”杆(未示出)对各阀致动器进行操作，从而能够同时控制两个阀，使得各阀瓣的偏转彼此成镜像。

在一些操作模式中，排气仅通过旁路管道28、30中的一者或两者从入口管24流动至出口管26，从而完全绕过TEG模块20并限定主气流方向。在其他操作模式中，排气中的一些或所有排气沿与主要流动方向大致正交的横向流动方向流动通过TEG模块20。随后参照图5a至图5c提供对能量回收单元的操作模式的更详细描述。

图3示出了结合到图2的能量回收单元8中的根据本发明的实施方式的TEG模块20的立体分解图。

TEG模块20包括多个TEG单元40，所述多个TEG单元40平行于彼此布置，并且与包括TEG模块20的主轴线42的平面正交地放置。TEG单元40与相邻的TEG单元40沿主轴线42以规则间距间隔开。

每个TEG单元40均包括置于由介电基板材料(比如陶瓷)制成的覆盖件之间的具有高导热率的多个金属板(未示出)，其中，所述多个金属板之间具有热电材料(例如，半导体材料)。介电覆盖件的外部面限定了TEG单元40的热交换表面——热侧热交换表面和冷侧热交换表面。相对的TEG单元40的热侧热交换表面由下述共同的金属结构限定，该金属结构包括每个TEG单元40的通过桥接件连结以产生大致“U”形横截面的结构的金属板。

TEG单元40在使用中布置成使得主热交换表面大致正交于TEG模块20的主轴线42，其中，TEG单元40以交替的取向布置，使得每个TEG单元40的热侧热交换表面面向面对的TEG单元40的热侧热交换表面。

TEG模块20还包括冷却剂管阵列43。冷却剂管阵列43包括多个U形流冷却剂管44，所述多个U形流冷却剂管44具有入口端部和出口端部，其中，入口端部和出口端部布置在每个U形流冷却剂管44的同一端处，其中，一个端部在竖向方向上定位在另一端部的上方。因此，每个U形流冷却剂管44内的冷却剂流体沿一个方向从入口流入到U形流冷却剂管44中，并且沿相反方向朝向出口流动并流出U形流冷却剂管44。所述多个U形流冷却剂管44散布在TEG模块20内，使得每个U形流冷却剂管44布置在相对的TEG单元40的每对冷侧热交换表面之间并与其基本上平行地对准，并且邻近TEG模块20的每个端部处的TEG单元40的面向外的冷侧热交换表面。每个U形流冷却剂管44布置成使得管的其中冷却剂流体从入口流入的部分大致平行于相关联的TEG单元40的冷侧热交换表面延伸并与该冷侧热交换表面接触。

TEG模块20还包括大致平行于每个TEG单元40的热侧热交换表面延伸并与该热侧热交换表面接触的一对平行的金属板。这些板形成限定排气通路46的一系列通道，排气可以通过排气通路46流动通过TEG模块20。

在TEG模块20中插入有多个楔形件48，以分隔相邻TEG单元40的相邻U形流冷却剂管44。夹紧带50绕TEG模块20的周缘延伸，并与主轴线42共面，TEG模块20的部件沿主轴线42布置。TEG模块20还设置有定位在TEG模块20的主轴线的两端处的一对桥状端部缓冲件52。在组装后，楔形件48在TEG模块20中保持就位以确保冷却剂室牢固地保持就位。

因此，在图3中示出的TEG模块装置中，主要组成部件以下述顺序设置：U形流冷却剂管44、TEG单元40、排气通路46、TEG单元40、U形流冷却剂管44、楔形件48、U形流冷却剂管44、TEG单元40、排气通路46、TEG单元40、U形流冷却剂管44、楔形件48等。

在使用中，热排气被引导通过TEG模块20的排气通路46，从而使热侧热交换表面的温度升高。同时，冷却流体(例如，水)穿过TEG模块20的冷却管阵列43以保持冷侧热交换表面的温度。这在每个TEG单元40上产生必要的温度梯度以产生能量。冷却流体的使用使每个TEG单元的温度梯度最大化并从而使电输出最大化。

在一些实施方式中，对流器翅片53比如在标准对流散热器中设置的那些对流器翅片可以从每个热侧热交换表面延伸到排气通路46中。对流器翅片53的存在增大了导热材料与热排气接触的表面面积，由此增大了沿排气通路46向热侧热交换表面的热传递。

采取各种措施以确保冷侧热交换表面与U形流冷却剂管44保持紧密接触，以用于使热传递最大化。例如，如上所述，楔形件48插入相邻的U形流冷却剂管44之间。夹紧带50还在TEG模块部件上产生向内指向的夹紧力，并且端部缓冲件52使该夹紧力的作用更均匀地分散在TEG模块20的横截面上，以防止由于不均匀的压力导致的部件的任何翘曲或变形。

应当注意的是，本文中所有的方向参考，例如对“左”、“右”、“上”、“下”、“竖向”以及“水平”的参考是相对于附图中示出的实施方式做出的。然而，将理解的是，能量回收单元及其组成部件可以在使用中以与附图中示出的取向不同的取向布置和安装，并且这些布置应当被认为落入本发明的由所附权利要求限定的范围内。

图4为图2中的能量回收系统8的立体剖视图。能量回收系统包括芯部54，该芯部54包括多个TEG单元40，在这种情况下为两个双面TEG单元和两个单面TEG单元。每个双面TEG单元包括第一TEG阵列55a和相对的第二TEG阵列55b。每个TEG阵列55a、55b并排布置，并且其“热”侧附接至相应TEG单元40的外壳体56，使得其冷侧面向相邻TEG单元40的冷侧面。由楔形件(未示出)分隔的分隔板对57附接至壳体56并且布置在相邻TEG阵列55a、55b的中间并与相邻TEG阵列55a、55b分开。以这种方式，第一冷空气冷却通道或冷却剂管道58a和第二冷空气冷却通道或冷却剂管道58b布置成与TEG阵列55a、55b的每个冷侧表面相邻或由TEG阵列55a、55b的每个冷侧表面部分地限定。板57将相应的冷空气冷却通道48a、48b彼此隔离。

每个TEG壳体56均是封闭的并与芯部54的相邻壳体56分隔开，使得提供了横向排气通路59，横向排气通路59在壳体56之间穿过并且根据阀瓣60、62的取向从一个旁路管道28穿至另一旁路管道30。排气通路59还在壳体56和能量回收系统8的外部结构61的内表面中间、每个壳体56的另一侧上穿过。在结构61的外表面上设置有另外的TEG阵列55c、55d，TEG 55c、55d的热侧连接至结构61，以便传导来自通路59中的排气的热能。另外的冷却管道58c、58d连接至另外的TEG阵列55c、55d的冷侧。

图5a至图5c是从上方观察的图2的能量回收单元8或从侧面观察的图4的能量回收单元8的示意性平面图。图5a至图5c示出了能量回收单元8的不同操作模式。

每个操作模式与入口阀和出口阀的不同构型相关联。具体地，每个操作模式均由流动通过TEG模块20和旁路管道28、30的排气的相对比例限定，相对比例由每个阀瓣60、62相对于排气的主要流动方向偏转的程度以及偏转发生的方向确定。存在三种主要操作模式——图5a中示出的“旁路”模式；图5b中示出的“全流量”模式；以及图5c中示出的“导向(feathering)”模式。

在旁路模式中，入口阀瓣60或出口阀瓣62基本上都没有偏转，并且因此入口阀瓣60或出口阀瓣62保持与排气的主要流动方向大致平行。这允许排气在完全不进入TEG模块20的情况下无阻碍地从入口管24经过入口阀的每一侧流入旁路管道28、30、经过出口阀并随后通过出口管26离开能量回收单元8。

要注意的是，排气将不改变方向，从而除非存在对沿旁路管道28、30流动的显著阻力，排气才进入TEG模块20的排气通路46。因此，在旁路模式中，基本上所有的排气流动通过旁路管道28、30。

当TEG模块20处于过热危险时，能量回收单元8以旁路模式操作。例如，这可能在进入能量回收单元的排气处于过高的温度时、或者在排气已经流动通过TEG模块20一段较长的时间时发生。

在全流量模式中，入口阀瓣60和出口阀瓣62沿相反方向最大程度地偏转，入口阀瓣60和出口阀瓣62各自完全延伸横过旁路管道28、30中的不同的一者的口部。这防止气流从气流进入的同一旁路管道离开能量回收单元8，并因此迫使所有的排气通过TEG模块20，这是因为不存在用于气体通过任一旁路管道28、30从入口管24流动至出口管26的直接路径。

例如，如从图5b的平面图中可以观察到的，入口阀瓣60最大程度地向下偏转，从而使得排气完全流入到上旁路管道30；然而，由于出口阀瓣62最大程度地向上偏转，排气不能直接从上旁路管道30通过出口管26离开能量回收单元8。相反，来自上旁路管道30的排气被迫通过TEG模块20的排气通路46并进入下旁路管道28，以便到达出口管26。通过TEG模块20的气体通路46的横向流动方向可以通过使输入阀瓣60和输出阀瓣62的偏转方向反转(如由图5b中的虚线所指示的)而被反转。

作为排气与TEG单元40的金属板之间的高效热交换以及由该热产生的电能的结果，排气在其穿过每个排气通路46时显著地冷却。因此，每个TEG单元40的前缘比该单元的其余部分升温得快得多。

在本发明的实施方式中，阀瓣的偏转方向以及因此通过TEG模块20的排气通路46的横向流动方向被周期性地交替。这防止了TEG模块20的前缘的过热，由此延长了TEG模块20的使用寿命。

能量回收单元8的性能也得到改善，这是因为交替流动产生了比通过单个方向流动所实现的在每个热侧热交换表面上的温度曲线更均匀的温度曲线。这意味着使用旁路模式的频率较低，并且更多的排气被TEG模块20利用来产生电力。

在图5c中示出的导向模式中，入口阀瓣60和出口阀瓣62被偏转至不同程度，其中，旁路管道28、30两者都没有完全闭合。这允许一些气体流动通过旁路管道28、30，但是产生对流动的足够阻力以迫使排气中的一些排气进入TEG模块20。因此，导向模式可以被认为是旁路模式与全流量模式的组合。

例如，如可以在图5c中观察到的，入口阀瓣60最大程度地向下偏转，而输出阀瓣62保持与主要流动方向大致平行。因此，排气沿下述两个路径中的一个路径流动：第一路径对应于从入口管24直接流动通过上旁路管道30而至出口管26；第二路径对应于从上旁路管道30流动通过TEG模块20的气体通路46而至下旁路管道28并且进入出口管26。

可以根据要流动通过TEG模块20的气体通路46的气体的比例来改变输出阀瓣62的偏转程度和方向(如由图5c中的虚线所指示的)。图5c中的出口阀瓣62的更大的向上偏转导致更高比例的气体穿过TEG模块20。

该模式有助于确保在高气体温度下，穿过TEG模块20的排气的量(以及因此输入至每个TEG单元40的热的量)由冷却剂管阵列43的水冷能力支持。

尽管图5a至图5c中示出了具体的阀偏转，但是应当注意的是，能量回收单元8的功能在入口阀瓣60和出口阀瓣62的偏转与所示出的偏转反向的情况下将基本上不会被影响。例如，在导向模式中，只要阀瓣60、62中的任一者的偏转角度保持可改变，就足以使另一阀瓣沿特定方向最大程度地偏转，以便控制流动通过TEG模块20的排气的量。

应当注意的是，能够独立操作的阀的存在将是能量回收单元以导向模式操作的那些实施方式的有用元件，因为这将实现每个阀瓣的精确控制。相比之下，“操纵”杆的存在将是能量回收单元以旁路模式或全流量模式操作的那些实施方式中的有用附加件，这是因为两个阀瓣的偏转程度应当理想地彼此成镜像。使用操纵杆来使阀偏转自动化在需要周期性交替流动的情况下将是特别有用的。

参照图6，冷却剂管道58a至58d在从能量回收单元8的上方观察的剖视图中示意性地示出。冷却剂管道58a至58d包括入口70和出口72。入口70和出口72两者均设置在冷却剂管道58的同一端处。在该实施方式中，入口70和出口72设置在单元8的入口24端处。入口70为与出口72类似的单个端口。出口72布置在回收单元8的一侧处并布置成朝向TEG阵列(未示出，但是可以从图4中看到)的一端。

冷却剂管道58a至58d具有带倒圆端部的矩形轮廓和自立地位于冷却剂管道内的U形流动导引件74。流动导引件74具有朝向回收单元8的入口24的倒圆端部76和朝向出口26延伸的腿部78。以这种方式，流动导引件74将管道分隔成两个“温的”外侧通道80以及“冷的”中央通道82。因此，冷却液能够沿两个方向朝向出口72流动。首先，冷却液沿“冷的”中央通道82流动。然后，冷却剂流在回收单元8的出口26端附近分开并使冷却剂流的方向反转以通过沿外侧通道80流动而朝向冷却剂出口72流动。因此，外侧冷却剂通道80被供应有温度大致相同的冷却剂。

使冷却剂以这种方式流动的影响参照如图7a和图7b中示出的排气流进行最佳地解释，其中，图7a和图7b中示出的排气流对应于上述关于图5b进行说明的操作模式。关于图7a和图7b针对“最上”、“最下”、“上游”、“下游”、“上面”和“下面”的参考指的是图中示出的取向。

图7a中示出的排气流示出了与图5b相对应的构型，其中，入口瓣最大程度地向下并且出口瓣最大程度地向上。因此，排气被向下引导通过TEG阵列(未示出)。通过对比图7a和图6可以看到，排气大致横向于沿通道80、82流动时的冷却剂。排气由冷却剂冷却，使得上游气体比下游气体热。引入到冷却剂中的热能使被朝向出口72引导的冷却液的最上侧通道80比中央通道82和最下侧通道80热。

相比之下，图7b中的排气流示出了与图5b相对应的构型，其中，入口瓣最大程度地向上(如处于虚线位置中)并且出口瓣最大程度地向下。因此，排气向上流动穿过TEG阵列。以这种方式，最下侧通道80中的冷却液由于上游排气比下游排气热而经历最高程度地热能交换。以这种方式，最下侧通道80与中央冷却剂通道82和最上侧冷却剂通道80相比包括最热的冷却剂。

以这种方式，无论排气流的方向如何，排气都应当被冷却至基本上相同的程度。在这样的布置中，当位于每个阵列的端部处的TEG经历温度极限并且存在性能降低或者甚至损坏的风险时，入口阀瓣60和出口阀瓣62可以被重新构造成使位于阵列的相反端部处的TEG的温度曲线反向。能量回收单元8将因此变得更高效并因此具有延长的使用寿命。

将入口70和出口72布置在单元8的同一端部处的另一益处在于，在另一端部处留出空间来容置单元的其他特征件，比如例如单元的电连接件。

图8示出了结合有根据本发明的替代性实施方式的TEG模块20的能量回收单元8的立体剖视图。在该实施方式中，像在图2和图4中的实施方式中一样，旁路管道28、30位于TEG模块20的每侧的侧面。然而，TEG模块20与前述实施方式的TEG模块的不同之处在于，TEG单元40和限定在这些单元40之间的排气通路46定向成平行于包括主轴线42的平面放置。

此外，每个TEG单元40基本上沿旁路管道28、30的整个长度延伸，使得排气流可以在旁路通道28、30中的任何纵向点处进入TEG模块20的每个排气通路46。

排气通常水平地流动通过排气通路46。要注意的是，在缺少用于相对于主要流动方向正交地引导排气流的特征件的情况下，由于在能量回收单元8的靠近入口管24的端部处进入排气通路46的排气将趋于在更靠近出口管26的纵向点处离开通路，因此排气通常采取穿过每个排气通路46的倾斜路径。

图8中示出的实施方式结合有热电偶装置70以对TEG模块20内的间隔开的位置处的温度进行测量。在该实施方式中，相应的热电偶装置70插入到排气通路46的一个排气通路的每个端部中(并且定位在排气通路46进入旁路管道28、30中的位置处或附近)，以便测量任一端部处的温度，并由此确定TEG模块20上(即，垂直于TEG模块20的主轴线42)的温度差。

使用热电偶装置70测量的温度可以被用于确定能量回收单元8的最佳操作模式。例如，如果热电发电机的一部分的温度被测得为高于操作的某一安全阈值，则阀致动器可以自动地改变阀瓣的偏转，使得能量回收单元8以旁路模式操作。在另一示例中，当排气通路46的两个端部之间的温度差被认为是大于某一预定阈值时，阀致动器将自动地改变阀瓣60、62的偏转方向。这使通过TEG模块20的横向流动方向反向并且重新平衡TEG模块20内的温度。这可以持续进行直到热电偶装置70指示TEG单元40的温度已经达到安全值为止，并且然后，阀致动器可以使能量回收单元8返回至全流量模式或导向模式。

要注意的是，热电偶70可以以类似于图8中示出的方式用于本发明的任何实施方式中。

图9示出了也结合有图3的TEG模块20的根据本发明的另一实施方式的能量回收单元8。能量回收单元8的壳体在图9中示出为透明的，以便使内部TEG模块20可见；但将理解的是，实际上TEG模块20通常从外部不可见。

与图2中示出的前述实施方式类似，在图9中示出的实施方式中，TEG模块20布置成使得排气通路46与通过能量回收单元8的主气流的方向垂直。换句话说，通过TEG模块20的排气流位于与发生主气流通过能量回收单元8的方向大致垂直的平面中。

然而，与能量回收单元8的旁路管道28、30布置在能量回收单元8的两侧以用于水平横向流动的前述实施方式(图2中示出)相比，在图9的构型中，旁路管道28、30定位在TEG模块20的上方和下方，使得通过TEG模块20的排气通路46的任何气流是大致竖向的。

图10示出了根据本发明的另一实施方式的能量回收单元8，其中，该能量回收单元8包括TEG模块20的另一替代性构型。与图8中示出的实施方式类似，TEG单元40的热交换表面位于与能量回收单元8中的主气流的方向平行的平面中。然而，与图8的实施方式相比，在图10的实施方式中，能量回收单元8布置成使得旁路管道28、30定位在TEG模块20的上方和下方。因此，通过TEG模块20的排气通路46的任何气流是大致竖向的。与图8的布置类似，在图10中示出的实施方式中，排气通常采用通过每个排气通路的倾斜路径。

在本发明的其他实施方式(未示出)中，入口管24或出口管26布置成相对于能量回收单元8内的主气流的方向以锐角(例如，45°)倾斜。这与入口管24和出口管26两者彼此大致平行且与能量回收单元8内的主气流的方向大致平行的前述实施方式不同。在一些实施方式中，入口管24和出口管26两者都相对于能量回收单元8内的主气流的方向以锐角倾斜。管可以倾斜至同一程度(使得管实际上彼此平行)，或者管可以倾斜至不同的程度。入口管和出口管的这种布置是有用的，因为该布置增大了能量回收单元的定位的灵活性，从而允许该布置安装在排气系统的弯曲部附近，并且由此有效地使用可用空间。

可以在不脱离所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下对上述示例进行许多修改。

Claims (26)

1.一种用于在车辆排气系统中使用的能量回收单元，所述能量回收单元包括：

入口，所述入口用于接收来自所述排气系统的排气；

出口，所述出口用于使排气返回至所述排气系统；

热电发电机，所述热电发电机布置在所述入口与所述出口之间；以及

阀装置，所述阀装置能够操作成引导进入所述入口的排气穿过所述热电发电机以使所述热电发电机能够由所述排气中所包含的热能产生电能，其中，所述阀装置能够操作成改变排气流穿过所述热电发电机的方向。

2.根据权利要求1所述的能量回收单元，包括气体管网，所述气体管网构造成连接所述入口和所述出口。

3.根据权利要求2所述的能量回收单元，其中，所述气体管网包括第一旁路管道和第二旁路管道，所述第一旁路管道和所述第二旁路管道在所述入口与所述出口之间延伸，并且所述第一旁路管道和所述第二旁路管道沿所述热电发电机的相应的相反端部布置，并且其中，排气从所述入口沿第一流动方向流动通过所述旁路管道而至所述出口。

4.根据权利要求3所述的能量回收单元，其中，所述阀装置能够操作成引导排气从所述第一旁路管道沿第二流动方向穿过所述热电发电机而至所述第二旁路管道，或者引导排气从所述第二旁路管道沿与所述第二流动方向相反的第三流动方向穿过所述热电发电机而至所述第一旁路管道。

5.根据权利要求4所述的能量回收单元，其中，所述热电发电机布置成使得所述第二流动方向和所述第三流动方向大致垂直于所述第一流动方向。

6.根据权利要求3至5中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述阀装置包括布置在所述入口处的第一阀，所述第一阀包括第一阀构件，所述第一阀构件能够通过第一阀致动器定位以控制排气流进入所述第一旁路管道和所述第二旁路管道。

7.根据权利要求6所述的能量回收单元，其中，所述阀装置包括布置在所述出口处的第二阀，所述第二阀包括第二阀构件，所述第二阀构件能够通过第二阀致动器定位以控制排气从所述第一旁路管道和所述第二旁路管道的排出。

8.根据权利要求7所述的能量回收单元，其中，所述第一阀构件和所述第二阀构件能够绕相应的枢轴旋转。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的能量回收单元，其中，所述第一阀致动器和所述第二阀致动器能够串联操作，以使所述第一阀构件和所述第二阀构件移动大致相同的程度而至互补的位置。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述第一阀致动器和所述第二阀致动器能够独立操作，使得所述第一阀构件和所述第二阀构件能够被移动至不同位置。

11.根据权利要求7至10中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述第一阀构件能够定位成引导排气流进入所述第一旁路管道和所述第二旁路管道两者，并且所述第二阀构件能够定位成允许排气离开所述第一旁路管道和所述第二旁路管道两者，由此允许基本上所有的所述排气沿所述第一流动方向流动。

12.根据权利要求7至11中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述第一阀构件能够定位成封闭所述第一旁路管道的入口，并且所述第二阀构件能够定位成封闭所述第二旁路管道的出口，使得基本上所有的所述排气从所述第二旁路管道流动穿过所述热电发电机而至所述第一旁路管道。

13.根据权利要求7至12中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述第一阀构件能够定位成封闭所述第二旁路管道的入口，并且所述第二阀构件能够定位成封闭所述第一旁路管道的出口，使得基本上所有的所述排气从所述第一旁路管道流动穿过所述热电发电机而至所述第二旁路管道。

14.根据权利要求7至13中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述第一阀构件能够定位成部分地封闭所述第一旁路管道或所述第二旁路管道的入口。

15.根据权利要求7至14中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述第二阀构件能够定位成部分地封闭所述第一旁路管道或所述第二旁路管道的出口。

16.根据任一前述权利要求所述的能量回收单元，包括多个热电发电机，其中，所述阀装置能够操作成引导排气流穿过每个热电发电机并且能够操作成改变排气流穿过每个热电发电机的方向。

17.根据任一前述权利要求所述的能量回收单元，其中，排气入口和排气出口布置在所述能量回收单元的相反端部处，并且热电发电机(TEG)阵列横向地布置在所述能量回收单元的所述相反端部之间，并且其中，所述阀装置布置成引导所述排气从所述能量回收单元的第一侧沿第一方向穿过所述热电发电机而至所述能量回收单元的第二侧，并且所述阀装置还布置成引导所述排气从所述能量回收单元的所述第二侧沿相反的第二方向穿过所述热电发电机而至所述单元的所述第一侧，所述能量回收单元还包括：

至少一个冷却剂管道，所述至少一个冷却剂管道与所述热电发电机阵列中的相应的一个热电发电机阵列的冷表面热接触；所述冷却剂管道或每个冷却剂管道包括用于冷却剂流入的入口和用于冷却剂流出的出口，所述入口大致居中地定位在所述单元的所述第一侧与所述第二侧的中间；以及

流动导引件，所述流动导引件布置成将所述冷却剂居中地引导远离所述冷却剂入口并将所述冷却剂沿所述能量回收单元的所述第一侧和所述第二侧朝向所述冷却剂出口引导。

18.根据权利要求17所述的能量回收单元，其中，所述冷却剂入口定位在所述能量回收单元的排气入口端处。

19.根据权利要求17或权利要求18所述的能量回收单元，其中，所述冷却剂入口和所述冷却剂出口定位在所述能量回收单元的同一端处。

20.根据权利要求19所述的能量回收单元，其中，所述流动导引件包括U形壁，所述U形壁包括位于一端处的弯曲部，所述冷却剂入口定位在所述U形壁内并且所述冷却剂出口定位在所述U形壁外，以将所述冷却剂管道分成将冷却剂居中地引导远离所述冷却剂入口的中央通道和将冷却剂朝向所述冷却剂出口引导的相反的侧部通道。

21.根据权利要求17至20中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述冷却剂出口包括单个端口。

22.根据权利要求17至21中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述冷却剂入口包括单个端口。

23.根据权利要求22所述的能量回收单元，其中，所述冷却剂出口朝向所述能量回收单元的一侧设置。

24.根据权利要求17至23中的任一项所述的能量回收单元，其中，所述流动导引件包括在所述入口与所述出口之间限定相邻的冷却剂流动路径的多个共面的壁。

25.一种包括根据任一前述权利要求所述的能量回收单元的车辆排气系统。

26.一种包括根据权利要求1至24中的任一项所述的能量回收单元或根据权利要求25所述的车辆排气系统的车辆。