CN203146080U - 用于发动机的排气系统和加热系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种用于发动机的排气系统和加热系统。该排气系统包括催化转化器、位于催化转化器下游的集热器、经由热虹吸管蒸发器接收排气废热用于在储存和/或在车厢加热系统中使用的传热系统。通过这种方式，尤其是在发动机冷启动时，可以利用废热以提供更好的车厢加热。

Description

用于发动机的排气系统和加热系统
技术领域
本实用新型总的来说涉及汽车领域，更具体地，涉及用于发动机的排气系统和加热系统。
背景技术
车辆可回收废气热量来传递至内燃机中的各种其他系统。
例如，美国专利第7832204号描述了一种用于发动机的热管系统，其允许热量在两个或更多个不同的发动机系统之间进行传递。该热管系统包括锅炉端，其可以将热量从高温区传递至低温区的冷凝端。锅炉端可连接至排气系统的一个区域而冷凝端可连接至另一发动机系统(诸如发动机冷却液系统)来用于传递热量。
实用新型内容
本实用新型的发明人已经认识到上述系统的各种问题。具体地，因为系统首先需要排气系统预热，所以在发动机启动时不能快速加热。另外，在冷启动操作期间，传递热量离开排气系统会延迟催化转化器“起燃(light-off)”。因此，催化转化器不能以有效温度运行来燃烧捕集的碳氢化合物，从而增加了废气排放。
由此，解决上述问题的一个示例性方法是使用热管和适当的相变材料来回收催化转化器上游和/或下游的废气热量。另外，热量可以被储存以在发动机启动时立即用于车厢加热和/或发动机加热(通过用储存的热量加热发动机冷却液)。通过这种方式，可以通过所储存的热量从排气系统回收热量而不会对达到催化转化器起燃温度的速率产生不利的影响，同时在发动机冷启动时提供更快速的车厢加热以及可能更快速的发动机加热(以减少发动机摩擦并因此提高燃料经济性)。
根据一个实施例，一根或多根热管将过量的废气热量传导至封闭的热虹吸回路中，该回路包括容纳和包含在加热器芯体内的相变材料。在发动机熄火之前的发动机预热操作期间，一根或多根热管将过量的废气热量传导至热虹吸回路，热虹吸回路又将热量传递至加热器芯体以储存在加热器芯体内的相变材料中。然后，当车辆熄火时，加热器芯体中的相变材料储存热量以在随后的发动机冷启动期间使用。在冷启动期间，气流可穿过加热器芯体以将热量从相变材料传递至乘客车厢空气，从而向车辆的车厢提供温暖的空气。可选地，发动机冷却液也可以在发动机冷却液系统至加热器芯体的发动机冷却液回路中循环，以经由热传递从相变材料中吸收热量，然后能够使升温的冷却液返回至发动机以加热冷的发动机和减少发动机摩擦。
注意，热虹吸回路和加热器芯体的相变材料之间的热传递可通过加热器芯体内的非接触操作实现，例如通过热交换器。类似地，根据需要，发动机冷却液回路(其与热虹吸回路分离)和加热器芯体的相变材料之间的热传递可通过加热器芯体中的非接触操作实现，例如通过加热器芯体中的另一热交换器。因此，在一个实例中，加热器芯体可包括三个或更多个热交换器：一个用于热虹吸回路和相变材料之间的热传递、一个用于相变材料和车厢空气之间的热传递、一个用于相变材料和发动机冷却液之间的热传递。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于发动机的排气系统，包括：催化转化器；集热器，位于催化转化器的下游；热虹吸蒸发器，包括连接至集热器的多根热管；第一导管，将热虹吸蒸发器连接至另一系统的加热器芯体；以及第二导管，将加热器芯体连接至热虹吸蒸发器。
优选地，加热器芯体包括用于将热量储存至少10小时的相变材料，加热器芯体还连接至发动机冷却液系统。
优选地，热虹吸蒸发器垂直位于集热器上方，并且多根热管近似正交于集热器的顶面进行定向。
优选地，集热器连接至排气通道，集热器的横截面积大于排气通道的横截面积。
优选地，催化转化器为最后的排放控制装置。
优选地，加热器芯体连接在车厢加热系统中。
优选地，另一系统包括加热器芯体和风扇，并且另一系统为车厢加热系统。
优选地，每根热管都包括与集热器连接的柔性连接部。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种用于发动机的加热系统，包括：加热器芯体，与车厢流体连通；风扇，与加热器芯体流体连通；传热系统，将排气系统的部件被动地热连接至加热器芯体，传热系统包括一根或多根热管和封闭的热虹吸回路。
优选地，加热器芯体还热连接至发动机冷却液回路，加热器芯体包括用于储存热量的相变材料。
优选地，储热容器经由一根或多根热管垂直连接在排气集热器的上方，并且集热器位于排气系统的最终催化排放控制装置的下游。
优选地，加热器芯体不连接至发动机冷却液回路。
根据本实用新型的又一方面，提供了一种用于发动机的传热系统，包括：集热器，连接至催化转化器下游的排气通道；热虹吸蒸发器，垂直位于集热器上方，热虹吸蒸发器包括将热虹吸蒸发器连接至集热器的多根热管；以及第一导管，将热虹吸蒸发器连接至另一发动机系统。
优选地，每根热管均包括柔性连接部。
优选地，热虹吸蒸发器安装至车辆框架，并且每根热管均包括允许在排气系统部件和热虹吸蒸发器之间移动的柔性区域。
通过本实用新型，尤其是在发动机冷启动时，可以利用废热以提供更好的车厢加热。
应当理解，提供上面的综述是为了以简化的形式引入将在下面的详细说明书中进一步描述的概念的集合。这并不意味着识别要求保护主题的关键或必要特征，其范围由所附权利要求来唯一地限定。另外，所要求保护的主题不限于解决上面提到的或在本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开的实施例的用于发动机的示例性排气系统。
图2示意性示出了可包括在图1的示例性系统中的示例性热管。
具体实施方式
以下描述涉及包括相变材料的传热系统，相变材料以能够从排气系统回收热能的方式布置。例如，本文描述的示例性布置方式可使热能被回收并储存来用于乘客车厢的后续加热。例如，根据本公开的一个实施例，传热系统可被配置成从排气系统回收热量并经由加热器芯体将所述热量提供给乘客车厢，而无需将加热器芯体连接至发动机冷却液系统。多种热管可包括在所公开的系统之内。例如，一根或多根热管可将排气系统连接至包括相变材料的系统。另外，该系统可使用热虹吸蒸发器以方便地控制热量的传递和储存。
例如，即便在发动机未运转时，传热系统也可利用与加热器芯体中的相变材料协作的热虹吸蒸发器来储存热量。例如，热虹吸蒸发器可通过一根或多根热管与催化转化器下游的排气系统部件连通。热虹吸蒸发器可垂直位于下游部件上方。通过这种方式，即使发动机不再运转之后，热量也可传递至热虹吸蒸发器。例如，热虹吸蒸发器可以隔热以储存从排气系统回收的热量来被动、重力驱动地循环穿过管道到达加热器芯体，使得储存的热量可以在发动机启动时立即使用。
应当理解，本文描述的“垂直上方”代表的是一个部件/零件相对于车辆行驶的地面垂直位于另一个部件/零件的上方。
另外，传热系统可包括各种传热液以在各种不同的操作条件下从排气系统获得热能。通过这种方式，根据需要，可以从排气系统中回收热能以向各种其他系统提供热量，诸如车厢加热系统、润滑系统和/或其他排气系统部件。由于传热液可循环穿过吸收、传输和释放热能的传热系统，所以其通常被称为“工作流体”。
此外，示例性系统相较于传统设计具有更简单的设计。例如，如上所述，在发动机启动时，储存在加热器芯体内的相变材料中的热量可以被供给车厢加热系统。通过将热虹吸蒸发器连接至催化转化器下游的排气系统的部件并将热虹吸蒸发器连接至包括相变材料的加热器芯体，车厢加热系统可在发动机启动时向乘客车厢提供热量，其中车厢加热系统与发动机冷却液系统分离且无需依靠发动机冷却液系统，因此在发动机冷启动时(例如，当发动机被冷却至环境温度时)无需等待发动机冷却液系统预热。另外，如上所述，将排气系统连接至热虹吸蒸发器的一根或多根热管可以向车厢加热系统提供热量而不延迟催化转化器起燃。
图1是用于发动机12的示例性排气系统10的示意图。排气系统10可包括一个或多个排气通道14，其与发动机12连通以将废气排放至大气。此外，排气系统10可包括诸如催化转化器18的一个或多个废气排放控制装置16，以在将废气释放至大气之前减少废气中的颗粒。
排气系统10还可包括位于催化转化器18下游的集热器20。在一个实例中，催化转化器18是排气系统10中的最终排放控制装置。换言之，催化转化器是最后的排放控制装置，因此在催化转化器18下游没有任何其他排放控制装置。如图所示，集热器20可具有的截面积大于直接位于集热器20上游的每个排气通道14的截面积。由此，集热器20会影响从一个或多个排气通道14进入集热器20的废气的流动特性。例如，废气的速率在进入集热器20时会减小。由此，集热器20可保持来自排气系统10的热量。在一些实施例中，集热器20为排气系统具有集热能力和消音能力的两用部件。
应当理解，排气系统10通过实例以简化形式示出，并且可以包括除图1所示部件之外的附加和/或可选的部件。
例如，排气系统10可包括除催化转化器18之外附加和/或可选的各种排放控制装置。由此，排气系统10可包括三效催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或者它们的组合。在一些实施例中，在发动机运行期间，通过以特定的空燃比操作发动机的至少一个汽缸，可以周期性地重置一个或多个排放控制装置。
此外，应当理解，排气系统10可包括提供排气空燃比指示的各种传感器，例如线性氧传感器或者UEGO(通用或宽域排气氧)、双态氧传感器或EGO、HEGO(热EGO)、NOx传感器、HC传感器和/或CO传感器。
在发动机12运行期间，排气系统10的部件温度会增加。例如，集热器20的温度可达到与穿过集热器20的废气温度几乎等同的温度。为了利用这种潜在热能，传热系统22可连接至排气系统10。
传热系统22可包括热虹吸蒸发器24和一个或多个导管。如图1所示，传热系统22可包括第一导管26和第二导管28，但是其他适当数量的导管也是可能的而不偏离本公开的范围。
传热系统22可包括一种或多种相变材料以使热能传递离开排气系统并将回收的热能提供给其他发动机系统。在该实例中，传热系统22可以以传递热能离开催化转化器18下游的排气系统10的方式进行布置。传热系统22可从废气中捕获热量而不是使得所有热能通过一个或多个排气通道14而排放至环境中。例如，传热系统22可包括与排气系统10接触的部件以经由传导回收热量。换言之，传热系统22可包括与排气系统10的部件物理接触和热接触的部件。
例如，热虹吸蒸发器24可垂直位于集热器20上方，如上所述垂直上方是相对于车辆行驶的地面而言的。在一些实施例中，热虹吸蒸发器24可以是热交换部件。另外，在一些实施例中，热虹吸蒸发器24中可包括各种材料和结构以增加热虹吸蒸发器24的储热能力和传热能力。
如图所示，热虹吸蒸发器24可经由多根热管30与集热器20流体连通。由此，多根热管30可将热虹吸蒸发器24物理和热连接至集热器20。由于具有较高温度的流体会自然上升至具有较低温度的流体上方，因此多根热管30可帮助促进热能从集热器20垂直传递至热虹吸蒸发器24。另外，如图所示，热管30可以从集热器20基本垂直地延伸。例如，每根热管30的至少一部分可大致正交于集热器20的顶面。换言之，热管30可基本垂直于车辆行驶的地面定向。另外，如图所示，每根热管30的一部分可从垂直部分以朝向热虹吸蒸发器24的方向弯曲。应当理解，这种弯曲部分会以各种角度重新定向排气热量。另外，在一些实施例中，多根热管30可以不包括弯曲部分。
图1示出了四根热管30。然而，应当理解，传热系统22可包括位于集热器20和热虹吸蒸发器24另一侧的另外四根热管30。应当理解，可以采用各种数量的热管30而不偏离本公开的范围。
多根热管30均可包括柔性区域32。例如，柔性区域32可包括在每根热管30的基本垂直部分中。这种柔性区域可降低部件之间的振动。例如，可以期望将热虹吸蒸发器24连接至车辆的框架(未示出)。如上所述，集热器20可连接至一个或多个排气通道14，因此，柔性区域32能够使排气系统部件相对于安装至框架的热虹吸蒸发器24移动。
例如，柔性区域32可以是多根热管30的褶皱部分。由此，这些褶皱部分可提供利于流体在集热器20和热虹吸蒸发器24之间旋转运动的额外优势。换言之，柔性区域32可引起流体的旋转，这有助于加热热虹吸蒸发器24的内表面。
应当理解，柔性区域32可以由任何适当的材料组成以补偿热虹吸蒸发器24和集热器20之间的移动。另外，应当理解，柔性区域32可包括与多根热管30的非柔性区域34相同的材料。在一些实施例中，柔性区域32可包括与非柔性区域34不同的材料。
通过这种方式，在车辆预热后，剩余的热量经由热管30传递至热虹吸蒸发器24，然后热虹吸蒸发器24储存热量以用于被动、重力驱动地循环穿过导管26至加热器芯体36，加热器芯体36可连接至如上所述的车厢加热系统。具体地，由于热虹吸蒸发器24中的工作流体受热会从液态形式变为蒸气形式，所以传递至热虹吸蒸发器24的热量会引起蒸发。蒸发的工作流体经由导管26被传递至包括一个或多个PCM组200的加热器芯体36。每个PCM组200都可包括被配置成储存热量的多个相变材料元件。由于来自蒸发工作流体的热量在加热器芯体36处被储存在一个或多个PCM组200中，因此，工作流体在加热器芯体36中被冷却并凝结成液体，然后经由导管28返回至热虹吸蒸发器24。这些储存在加热器芯体36中的热量在发动机关闭后可保存有效至少10小时甚至多达16-24小时，因此在发动机冷启动时可立即用于车厢加热系统，其可以加热被引导至乘客车厢的进气。另外，发动机冷却液系统(未示出)可包括具有其他部件(例如，泵、散热器等)的发动机冷却液回路42。在发动机启动期间，发动机冷却液(经由发动机冷却液回路42)也可以穿过(车厢加热系统38的)加热器芯体36来通过先前储存在PCM组200中的废气热量来进行加热。这种被加热的发动机冷却液还可用于通过与加热器芯体36分隔开的发动机冷却液系统的发动机冷却液加热器芯体对车厢进行额外加热，从而在发动机冷启动期间向乘客车厢空气提供多个热源并且较快地进行发动机预热。第一和第二导管与热管、热虹吸蒸发器及加热器芯体结合形成了闭合的热虹吸回路。
在可选实施例中，加热器芯体36可以不包括相变材料，因此加热器芯体可以不与发动机冷却液回路42连接。
如上所述，加热器芯体36可以是车厢加热系统38的部件。例如，车厢加热系统38可以向车厢(未示出)提供热量，使得车辆驾驶员和任何乘客都可以在乘客车厢中享受舒适的温度。为了向乘客车厢中散热，风扇40可以任意合适的取向指向加热器芯体36来将热量经由对流传递至乘客车厢。
应当理解，车厢加热系统38以简化形式示出，并可以包括除图1所示部件之外的附加和/或可选的部件，例如，具有独立风扇或仍利用风扇40的其他基于发动机冷却液的加热器芯体。另外，应当理解，在一个实施例中车厢加热系统38可以不连接至发动机冷却液系统。然而，如上所述，车厢加热系统38可连接至除传热系统22之外的发动机冷却液系统。车厢加热系统38相对于传热系统22和排气系统10的特定空间布置方式通过实例的方式提供以示出一般概念。由此，车厢加热系统38可具有不同于所示实例的空间布置方式而不偏离本公开的范围。换言之，车厢加热系统38、传热系统22和/或排气系统10的部件不一定是按比例绘制的。
另外，应当理解，车厢加热系统38与传热系统22和排气系统10分隔开。由此，车厢加热系统38并不包括集热器、热虹吸蒸发器或者催化转化器。车厢加热系统38包括与加热乘车厢有关的加热器芯体、风扇和其他车厢加热部件(例如，车厢通风孔、将加热器芯体连接至通风孔的加热管道等)，另外，这些部件也与传热系统22和排气系统10分隔开。
回到传热系统22，通过如上所述的布置方式，加热器芯体36可以储存在发动机启动时使用的热量。本实用新型的实用新型人已经认识到，对于一些环境条件，在一个实例中，加热器芯体36的PCM组200可以在发动机点火关闭后保持足够的热量长达至少10小时甚至达到16-24小时。因此，其可以在发动机启动时提供即时的乘客舒适性。
另外，由于车厢加热系统38可以在与发动机冷却液系统独立且任选地不连接至发动机冷却液系统的情况下向车厢提供热量，所以可以简化加热系统的设计。因此，还可以简化发动机冷却液系统的设计。例如，发动机冷却液系统相较于被配置成支持车厢加热系统的发动机冷却液系统可具有更小的尺寸并且容纳更少的冷却液。减少冷却液系统中的冷却液体积还可以使发动机预热更快，因此减少了冷启动燃料消耗和排放。
另外，通过利用催化转化器18下游的排气系统10的热能，实现起燃的速率不会受到传热系统22的不利影响。因此，催化转化器18的性能不会被传热系统22妨碍，并且可以满足冷启动排放标准。
应当理解，传热系统22以实例的方式提供，因此不意味着局限于参照图1所示出和描述的实施例。因此，应当理解，传热系统可包括除图1所示特征之外的附加和/或可选的特征。
图2示意性示出了根据本公开实施例的热管62的截面图。例如，该截面可以沿着热管的纵向轴线。例如，热管62可以是一个或多个热管30。
热管62可以为任何合理的形状并且不局限于术语“管”在传统意义上所代表的中空圆柱体。相反，热管62可以一般认为是用于热能传递的管道。由此，可以假设热管62具有任何适当的几何形状。例如，热管62可以是紧密地与诸如集成排气歧管46的排气歧管的轮廓一致的分支或叶状结构。应当理解，其他几何形状也是可能的而不偏离本公开的范围。另外，热管62可以是单个热管或者是热管束，例如管束可包括封装在共同壳体中的多个热管。
热管62可包括外壳64、液膜层66、芯吸层(wicking layer)68和蒸气空间70。如图所示，外壳64可以为外层，液膜层66和芯吸层68依次形成为比外壳64更靠内的层。最终，蒸气空间70可以为最里面的层。例如，蒸气空间70可以为热管62内的中心空间。
外壳64可以为导热固体。例如，外壳64可以为铜壳。然而，其他传导性固体也是可能的而不偏离本公开的范围。作为传导性固体，外壳64可允许热能被动吸收(如箭头72所示)和被动释放(如箭头74所示)。如图所示，可以在蒸发区域76内被动吸收热能。如上所述，蒸发区域76可以对应于热源，诸如排气系统的部件。例如，蒸发区域76可连接至集热器20和/或排气歧管46以经由传导吸收热能。由此，蒸发区域76可以与集热器20和/或排气歧管46中的至少一个表面物理接触。通过这种方式，蒸发区域76可以与集热器20和/或排气歧管46相连。
如图所示，可以在冷凝区域78中被动地释放热能。作为一个实例，冷凝区域78可连接至热虹吸蒸发器24以经由传导释放热能。换言之，冷凝区域78可以连接热虹吸蒸发器24。然而，应当理解，冷凝区域78可连接至任何发动机系统，以经由传导向这些系统的部件提供热能。作为另一个实例，冷凝区域78可经由对流向大气释放热能。绝热区域80可以是蒸发区域76和冷凝区域78之间的区域。绝热区域80可描述热管62净传热为零的区域。换言之，绝热区域80无法从/向周围环境吸收/释放热能。
液膜层66可以包括传热液(HTF)82。HTF82对于本领域技术人员来说还可被描述成工作流体。HTF82可以是用于吸收/释放热能的任何适当的流体。另外，可以选择和调整用于传热系统的HTF的特定类型以使HTF的流体特性与连通于传热系统的系统的期望工作温度恰当地匹配。
HTF82可以在液膜层66中以通常由箭头84所示的方向流动。如图所示，HTF82可以从冷凝区域78流至蒸发区域76。换言之，HTF82可以从热管62的较冷侧流至较暖侧。
芯吸层68可以包括任何适当的材料以在相变期间辅助HTF移动。例如，芯吸层68可辅助蒸发的HTF从液膜层66移动至蒸发区域76内的蒸气空间70。另外，芯吸层68可辅助冷却的HTF蒸气从蒸气空间70移动至冷凝区域78内的液膜层66。因此，芯吸层68可以由非吸收性材料组成。作为一个实例，芯吸层68可包括涂蜡纤维。然而，其他材料也是可能的而不偏离本公开的范围。在一些实施例中，可以在单独的壳体内的热管62的各层之间传送HTF液体和/或蒸气。
蒸气空间70可包括蒸气形式的HTF。HTF蒸气可以在蒸气空间70中以通常由箭头86所示的方向流动。如图所示，HTF蒸气可以从蒸发区域76流动至冷凝区域78。换言之，HTF蒸气可以从热管62的较热侧流至较冷侧。
通过这种方式，可通过热管62来吸收和释放热能。通过利用诸如HTF82的材料，热能可以被从一个环境传送并供给另一个环境。由于吸收和释放的热能总量对应于HTF发生相变所需的潜在总能量，所以工作流体于热管62内在液态形式和蒸气形式之间循环。
本文所描述的系统以不同方式利用一个或多个热管来回收否则会被浪费和/或损害下游系统部件的热能。例如，如上所述，可以从排气系统回收热能以向乘客车厢提供热量。
应当理解，本文公开的结构和布置在本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应在限制性的意义上来理解，因为众多变型是可能的。例如，上面的技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和结构以及其他特征、功能和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求特别指出被认为新颖和显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可能涉及“元件”或“第一元件”或等同称谓。这样的权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。可以通过对当前的权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护所公开的特征、功能、元件和/或属性的其他组合和子组合。无论与原始权利要求相比在范围上更宽、更窄、相同还是不同，这些权利要求也被认作包括在本公开的主题内。

Claims (10)

1.一种用于发动机的排气系统，其特征在于，所述排气系统包括：
催化转化器；
集热器，位于所述催化转化器的下游；
热虹吸蒸发器，包括连接至所述集热器的多根热管；
第一导管，将所述热虹吸蒸发器连接至另一系统的加热器芯体；以及
第二导管，将所述加热器芯体连接至所述热虹吸蒸发器。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述加热器芯体包括用于将热量储存至少10小时的相变材料，所述加热器芯体还连接至发动机冷却液系统。
3.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述热虹吸蒸发器垂直位于所述集热器上方，并且所述多根热管近似正交于所述集热器的顶面进行定向。
4.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述集热器连接至排气通道，所述集热器的横截面积大于所述排气通道的横截面积。
5.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述催化转化器为最后的排放控制装置。
6.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述加热器芯体连接在车厢加热系统中。
7.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述另一系统包括所述加热器芯体和风扇，并且所述另一系统为车厢加热系统。
8.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，每根热管都包括与所述集热器连接的柔性连接部。
9.一种用于发动机的加热系统，其特征在于，所述加热系统包括：
加热器芯体，与车厢流体连通；
风扇，与所述加热器芯体流体连通；
传热系统，将排气系统的部件被动地热连接至所述加热器芯体，所述传热系统包括一根或多根热管和封闭的热虹吸回路。
10.根据权利要求9所述的加热系统，其特征在于，所述加热器芯体还热连接至发动机冷却液回路，所述加热器芯体包括用于储存热量的相变材料。
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