CN109383230A - 机动车的排气和车厢空气之间的直接换热的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种设备包括排气和车厢空气换热器，该排气和车厢空气换热器具有排气入口、排气出口、车厢空气入口和车厢空气出口，由此在机动车辆的排气和车厢空气之间直接热交换。还公开了一种加热机动车辆中的车厢空气的相关方法。

Description

机动车的排气和车厢空气之间的直接换热的设备和方法

技术领域

本文件总体上涉及机动车辆设备领域，并且更具体地，涉及一种新型改进的用于机动车辆中的排气和车厢空气之间的直接热交换的设备和方法。

背景技术

内燃发动机仅将总能量的一小部分从燃料转换成机械能。剩余部分作为热量伴随发动机冷却剂和排气而损失。

普通机动车辆车厢加热装置依靠发动机冷却剂和车厢空气之间的热交换来加热乘客舱。当机动车辆在低环境温度条件下静止时，发动机冷却剂冷却至环境温度。不幸的是，发动机冷却剂需要大量时间才能充分加热以缓慢加热循环通过客舱的空气。此外，应该理解的是，从发动机冷却剂中去除这种热能减慢了发动机预热的过程，这又增加了燃料消耗并降低了燃料经济性。

新型改进的设备提供发动机排气和车厢空气之间的直接热交换，而无需使用将减慢车厢加热过程的任何其它中间工作流体。有利地，在减排装置(例如催化转化器)的下游获取排气能量，以便不损害正常的后处理预热过程并由此将燃烧气体排放保持在期望的设计参数内。

发明内容

依据本文所述的目的和好处，提供一种用于在机动车辆中的排气和车厢空气之间直接热交换的设备。该设备包含换热器，该换热器具有排气入口、排气出口、车厢空气入口和车厢空气出口。

该设备可以进一步包括排气入口导管，排气入口导管具有连接至排气导管的第一端和连接至排气入口的第二端。进一步地，该设备可以包括位于第一端的排气流量控制阀。

该设备可以进一步包括连接至排气出口的排气排放导管。另外，该设备可以进一步包括连接至车厢空气入口的车厢空气入口导管和连接至车厢空气出口的车厢空气出口导管。

更进一步地，该设备可以包括使空气循环通过车厢空气入口导管、换热器和车厢空气出口导管的车厢空气循环风扇。

更进一步地，该设备可以包括控制器。该控制器可以配置为控制排气流量控制阀的操作。另外，控制器可以进一步配置为控制车厢空气循环风扇的操作。

该设备可以进一步包括车厢温度监控器和排气温度监控器。这两个监控器都可以连接至控制器。此外，在一些实施例中，排气流量控制阀可以连接在机动车辆的催化转化器的下游。

除了排气和车厢空气换热器之外，一些实施例可以进一步包括冷却剂和车厢空气换热器。在这样的实施例中，控制器可以以使机动车辆的加热效率最大化的方式控制两个换热器的操作。

根据又一方面，提供了一种用于加热机动车辆中的车厢空气的方法。该方法包含使排气和车厢空气循环通过换热器，由此在排气和车厢空气之间直接交换热量而无需使用任何其它工作流体。

该方法可以进一步包括通过操作排气流量控制阀将排气转移至换热器的步骤。此外，该方法可以包括将该排气流量控制阀定位在机动车辆的催化转化器的下游。

更进一步地，该方法可以包括配置控制器以控制排气流量控制阀的操作的步骤。此外，该方法可以包括使用车厢空气循环风扇使车厢空气循环通过换热器的步骤。在这样的实施例中，控制器还可以配置为控制车厢空气循环风扇的操作。

更进一步地，该方法可以包括仅使用换热器中的排气加热车厢空气的步骤。在其它实施例中，该方法可以包括将排气和车厢空气换热器与机动车辆冷却剂和车厢空气换热器配对。在这样的实施例中，该方法还可以包括以下步骤：配置控制器以便(a)使用排气和车厢空气换热器中的排气加热车厢空气，直至机动车辆冷却剂达至预定温度；以及(b)在冷却剂达至预定温度之后，使用机动车辆冷却剂和车厢空气换热器中的机动车辆冷却剂加热车厢空气。

在以下描述中，示出并描述了该设备和方法的若干优选实施例。应当认识到，设备和方法能够具有其它不同的实施例，并且其各个细节能够在各种显而易见的方面进行修改，而不脱离后附权利要求中阐述和描述的设备和方法。因此，附图和说明书应当被认为是说明性的而不是限制性的。

附图说明

结合于本文并形成说明书的一部分的附图，阐述了用于机动车辆中的排气和车厢空气之间的直接热交换的设备和方法的若干方面，并且与说明书一起用于解释其某些原理。在图中：

图1是设备的排气回路的示意图；

图2与图1对应，示出了来自机动车辆的发动机的未转移并正常的排气流；

图3是类似于图1的视图，示出了排气流量控制阀的操作，将100％的排气从发动机转移至排气和车厢空气换热器；

图4是类似于图1的视图，示出了处于中间位置的排气流量控制阀，其中排气流在正常流动路径与排气与车厢空气换热器之间分配；

图5是排气和车厢空气换热器的详细示意图；

图6是替代性实施例的示意图，其中设备包括排气和车厢空气换热器以及发动机冷却剂和车厢空气换热器二者；

图7是示出用于该设备的控制电路的示意框图。

现在将详细参考换热器的当前优选实施例，其示例在附图中示出。

具体实施方式

现在参考图1-4、5和7，示出了新型改进的设备10的第一实施例，其适于在机动车辆的排气和车厢空气之间提供直接热交换。有利地，排气和车厢空气之间热交换过程中的任何中间工作流体的消除确保车厢空气最快速和最有效的加热，从而允许机动车辆的客舱更快地加热，特别是在低环境温度/冬季天气条件下长时间静止之后。

设备10包括排气和车厢空气换热器12，其具有排气入口14、排气出口16、车厢空气入口18和车厢空气出口20，由此在汽车的排气和车厢空气之间直接热交换。

如图1所示，设备10还包括排气入口导管22，其具有连接至机动车辆的排气导管26的第一端24。排气入口导管22的第二端28连接至排气入口14。设备10进一步包括在第一端24处的排气流量控制阀30，排气入口导管22在第一端24处连接至排气导管26。

设备10还包括连接至排气出口16的排气排放导管32。在所示实施例中，排气排放导管32具有连接至排气导管26的排放端34。单向流量控制阀(未示出)可以设置在排气排放导管32中，例如邻近排放端34。这种单向流量控制阀确保排气从排气排放导管32流入机动车辆中的排气导管26。

如图5中最佳示出的，设备10包括车厢空气入口导管36以及车厢空气出口导管38，其中，车厢空气入口导管连接至排气和车厢空气换热器12的车厢空气入口18，车厢空气出口导管38连接至排气和车厢空气换热器的车厢空气出口20。

如图5中进一步所示，设备10包括车厢空气循环风扇40。在所示实施例中，车厢空气循环风扇40设置在车厢空气入口导管36中并用于使车厢空气循环通过车厢空气入口导管36(注意动作箭头A)、排气和车厢空气换热器12的车厢空气通道42(注意动作箭头B)和车厢空气出口导管38(注意动作箭头C)。新鲜空气也可以通过车厢空气入口导管36输送至排气和车厢空气换热器12。

通过排气入口导管22的排气流(a)由动作箭头D示出，通过排气和车厢空气换热器12的排气流(b)由动作箭头E示出，以及通过排气排放导管32的排气流(c)由动作箭头F示出。应当理解的是，排气和车厢空气换热器12的车厢空气循环通道42和排气循环通道44通过具有高导热性材料的壁彼此完全隔离，以允许热排气和被那些热排气加热的循环车厢空气之间的有效和高效的热交换。

如图7中最佳示出的，设备10还包括控制器50。控制器50可以采用例如专用微处理器或电子控制单元(ECU)这样的计算装置的形式，其根据来自适当控制软件的指令进行操作。因此，控制器50可以包含一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个网络接口，它们都通过通信总线彼此通信。控制器50可操作地连接至排气流量控制阀30和车厢空气循环风扇40，且配置为控制排气流量控制阀30和车厢空气循环风扇40的操作。

如图7中进一步所示，设备10还可以包括排气温度监控器52和车厢空气温度监控器54。如图7所示，排气温度监控器52和车厢空气温度监控器54可操作地连接至控制器50并向控制器50提供与排气温度和车厢空气温度相关的数据。控制器50响应于该数据以高效且有效的方式操作排气流量控制阀30和车厢空气循环风扇40。根据加热要求、排气流量和排气温度，实现对通过换热器12的排气流量的非常精确的控制。

在夏季或在没有加热车厢空气的请求的其它时间，控制器50向排气流量控制阀30的致动器发送必要的信号以使排气流量控制阀关闭入口导管22，从而引导100％的排气从该阀的上游的发动机56和催化转化器58通过排气导管26，以通过排气出口60排放至环境中。因此，当排气流量控制阀30处于该位置时，应该理解的是，排气和车厢空气换热器12中的车厢空气不进行热交换。

相反，当车厢空气温度监控器54所指示车厢空气温度下降至低于预定值或设定点时，控制器50通过调节排气流量控制阀30的位置来响应加热请求。如图3所示，排气流量控制阀30已完全打开，以将100％的排气从上游发动机56和催化转化器58通过排气入口导管22转移至排气和车厢空气换热器12。在那里，来自排气的热量被传递至车厢空气以加热车厢以使乘客舱乘员舒适。图3中所示的排气流量控制阀30的完全打开位置适合在寒冷的冬日最初用排气加热车厢空气。在与车厢空气进行热交换之后，这些排气通过排气排放导管32排放回排气排放导管32并通过排气出口60返回至环境。有利地，通过在排气和车厢空气之间提供直接的热交换以及消除任何中间工作流体，可以实现更快速和响应的车厢空气加热。

在通过机动车辆的暖通空调(HVAC)系统控制自动或手动选择的客舱初始加热至预定温度或设定点之后，控制器50向排气流量控制阀致动器发送信号将排气流量控制阀30置于中间位置(见图4)，使得来自发动机56和催化转化器58的排气流在通向排气和车厢空气换热器12的排气入口导管22与直接通向排气出口60的排气排放导管32之间分离。更具体地，控制器按需对从车厢空气温度监控器54接收的数据指示的车厢空气温度和从排气温度监控器52接收的数据指示的排气温度做出响应，以保持用于机动车的客舱所需的预定或设定点温度。

在图6所示的替代实施例中，设备10还包括冷却剂和车厢空气换热器70，用于在发动机冷却剂和车厢空气之间进行热交换。这种冷却剂和车厢空气换热器70在本领域中是公知的。

如图6所示，排气和车厢空气换热器12串联地设置在冷却剂和车厢空气换热器70的下游。如图6实施例中进一步所示，车厢空气循环风扇40设置在车厢空气出口导管38中的两个换热器的下游。在设备10包括排气和车厢空气换热器12以及发动机冷却剂和车厢空气换热器70的情况下，控制器50配置为基于数据输入以最高的效率操作设备10，该数据输入包括但不限于车厢空气温度数据，排气温度数据，发动机冷却剂温度数据(用于该实施例的冷却剂温度监控器72)和用于通过HVAC系统控制的车厢空气的期望或设定点温度。有利地，排气和车厢空气换热器12在寒冷的冬天早晨或在发动机冷却剂和车厢空气换热器70能够提供有效的车厢空气加热之前必须首先从低环境温度加热的其它时间提供车厢空气的快速加热。一旦发动机冷却剂已经充分加热，控制器50可以使用两个换热器12、70来加热车厢空气。作为选择地，一旦发动机冷却剂充分加热以有效且高效地执行该功能，控制器50可以指示通过冷却剂和车厢空气换热器70执行所有车厢空气的加热。在这种情况下，不再需要通过排气流量控制阀30将任何排气从排气排放导管32转移至排气入口导管22中。

与以上描述一致，提供了一种加热机动车辆中的车厢空气的方法。该方法包括使排气和车厢空气循环通过排气和车厢空气换热器12的步骤，由此在排气和车厢空气之间直接热交换而无需使用任何其它工作流体。

方法可以进一步包括通过排气流量控制阀30的操作将排气转移至排气和车厢空气换热器12的步骤。此外，该方法可以包括将排气流量控制阀30定位在机动车辆的发动机56和催化转化器58的下游，在那里排气的转移不会损害正常的后处理预热过程和环境控制。

方法还可以包括配置控制器50以控制排气流量控制阀30的操作。进一步地，方法可以包括使用车厢空气循环风扇40使车厢空气循环通过排气和车厢空气换热器12。在这样的实施例中，方法可以进一步包括配置控制器50以控制车厢空气循环风扇40的操作的步骤。

在诸如图1-5和7中所示的许多可行性实施例中的一个中，方法可以包括仅用排气和车厢空气换热器12中的排气加热车厢空气。在另一个可行性实施例中——例如图6中所示并包括图7中示出的虚线，方法可以包括将排气和车厢空气换热器12与机动车辆冷却剂和车厢空气换热器70配对。在这样的实施例中，方法可以包括配置控制器50(a)利用排气和车厢空气换热器12中的排气加热车厢空气，直至机动车冷却剂达至机动车冷却剂温度监控器72所指示的预定温度；以及(b)机动车辆在冷却剂达至机动车辆冷却剂温度监控器所指示的预定温度之后，利用机动车冷却剂和车厢空气换热器70中的冷却剂加热车厢空气。

为了说明和描述的目的，提出了前述内容。其并不旨在详尽无遗或将实施例限制为所公开的精确形式。根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。例如，图6示出了串联的排气和车厢空气换热器12以及机动车辆冷却剂和车厢空气换热器70。应该理解的是，它们可以相对于车厢空气流并行设置。在这样的实施例中，控制器50将连接至车厢空气流量控制阀74以引导空气(a)单独通过排气和车厢空气换热器12，(b)单独通过机动车辆冷却剂和车厢空气换热器70，或(c)通过排气和车厢空气换热器12以及机动车辆冷却剂和车厢空气换热器70二者。当依照所附权利要求公平、合法、公正地享有的广度来解释时，所有这些修改和变化都处在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种设备，包含：

排气和车厢空气换热器，所述排气和车厢空气换热器具有排气入口、排气出口、车厢空气入口和车厢空气出口，由此在机动车辆的排气和车厢空气之间直接交换热量。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括排气入口导管，所述排气入口导管具有连接至排气导管的第一端和连接至所述排气入口的第二端。

3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括位于所述第一端的排气流量控制阀。

4.根据权利要求3所述的设备，进一步包括连接至所述排气出口的排气排放导管。

5.根据权利要求4所述的设备，进一步包括连接至所述车厢空气入口的车厢空气入口导管和连接至所述车厢空气出口的车厢空气出口导管。

6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括车厢空气循环风扇，所述车厢空气循环风扇使所述车厢空气循环通过所述车厢空气入口导管、所述排气和车厢空气换热器以及所述车厢空气出口导管。

7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括控制器，所述控制器配置为控制(a)所述排气流量控制阀和(b)所述车厢空气循环风扇的操作。

8.根据权利要求7所述的设备，进一步包括连接至所述控制器的车厢温度监控器和排气温度监控器。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的设备，进一步包括冷却剂和车厢空气换热器。

10.一种加热机动车辆中的车厢空气的方法，包括：

使排气和车厢空气循环通过排气和车厢空气换热器，由此在所述排气和所述车厢空气之间直接进行热交换而无需任何其它工作流体。

11.根据权利要求10所述的方法，包括通过操作排气流量控制阀将所述排气转移至所述排气和车厢空气换热器。

12.根据权利要求11所述的方法，包括将所述排气流量控制阀定位在所述机动车辆的催化转化器的下游。

13.根据权利要求12所述的方法，包括配置控制器以控制所述排气流量控制阀的操作。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，包括(a)使用车厢空气循环风扇使车厢空气循环通过所述排气和车厢空气换热器，(b)配置所述控制器以控制所述车厢空气循环风扇的操作，(c)仅使用在所述排气和车厢空气换热器中的所述排气加热所述车厢空气以及(d)将所述排气和车厢空气换热器与机动车辆冷却剂和车厢空气换热器配对。

15.根据权利要求13-14中任一项所述的方法，包括配置所述控制器以便(a)使用所述排气和车厢空气换热器中的所述排气加热所述车厢空气，直至所机动车辆冷却剂达至预定温度；以及(b)在所述机动车辆冷却剂达至预定温度之后，使用所述机动车辆冷却剂和车厢空气换热器中的所述机动车辆冷却剂加热车厢空气。