专利名称：废气废热回收的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及废热回收以及对来自流体例如车用发动
机废气的回收废热的利用。
背景技术：
在内燃机运转时，由燃烧得到的能量的很大 一部分都作为排向大气的废气中的热量而浪费了 。 一些人已经提出了用于回收车辆中的废气废热的系统，例如将废气热量传给发动机冷却剂。然而，可能在某些运转工况下并不适于利用这种技术。例如，如果附加传热可引起液体沸腾，那么就不希望进行传热，在这种情况下，动力系冷却系统将会需要具有更大的能力(更大的散热器和风扇)来防止这种情况发生。因此， 一些人已经提出了允许选择性地将废气热量传给发动机冷却剂的车辆系统。例如， 一些车辆排气系统具有与主排气流的一部分平行延伸的旁通管，排气系统中带有流量控制阀从而控制流量。流量控制阀选择性地改变来自主气流的废气的方向，经过与主气流平行延伸的独立旁通管并且在经过换热器之后回到主排气流。旁通管中的换热器将废气的热量传给被引导流过换热器的发动机冷却剂。这样，就可以在需要时将热量传给发动机冷却剂。当不要求从排气的传热时，驱动这些阀来引导废气直通排气系统，绕过旁通管与换热器。但是这样的系统需要额外的装置空间用于旁通管和换热器以及岡(和用于阀的致动器)，用于改变流动方向。此外，通过使废气转向，当从一个流道切换到另 一个时，排气系统中可能有不希望有的压降变化或者在排气背压中出现不希望有的变化。
发明内容
—实施例提供了 一种沿着用于具有发动机的车辆的排气系统的主排气流道使用的废热回收换热器组件。该废热回收换热器可以包括真空室，该真空室包括内壁和外壁、装在该室中的氢化物芯块以
5及可操作地接合该氢化物芯块的发热元件。电导线从该真空室延伸且 被构造成连接电流源。该换热器还可以包括在该内壁之内的排气室， 该排气室是该主排气流道的一部分。该换热器可以包括包围该外壁的 外壳并且限定出处于该外壳与该外壁之间的吸热介质室、构造成容纳 和引导吸热介质进入吸热介质室的入口 、以及构造成容纳和引导吸热 介质/人吸热介质室出来的出口 。—实施例提供了 一种车辆，其具有发动机和可操作地接合 发动机来引导废气沿着主排气流道离开该发动机的发动机排气系统。 该发动机排气系统包括构造成沿着主流道引导废气的中间管。该车辆 还包括具有密封真空室的废热回收换热器，该密封真空室包括内壁和 外壁、装在该室中的氢化物芯块、以及可操作地接合该氢化物芯块的 发热元件。电导线从发热元件延伸到该真空室的外部。内壁之内的排 气室形成该主排气流道的一部分。外壳包围着该外壁，在该外壳与该 外壁之间限定出吸热介质室。该外壳具有构造成容纳和引导吸热介质 进入吸热介质室的入口以及构造成容纳和引导吸热介质从吸热介质 室出来的出口。—实施例提供了 一种选择性地从流经用于具有发动机的车 辆的排气系统的主流道的废气中吸收废热的方法，该方法包括以下步 骤使该发动机运转，由此促使废气沿着该主流道流过排气室；使吸 热介质流过围绕排气室的吸热室；在吸热室与排气室之间设置密封真 空室；确定是否需要从废气向吸热介质的传热；以及，在确定了需要 从废气向吸热介质传热时，向可操作地接合真空室中的氢化物芯块的 发热元件供应电流，由此在该真空室中释》欠氢。 —实施例的一个优点是，获得了发动机更快的暖机，其可 以改善燃料经济性以及车辆排放。实施例的 一个优点是，获得了客舱的更快升温。
实施例的一个优点是，当不要求向冷却剂供入热量时，可 以停止从废气向发动机冷却剂传热。这还可以在相对小的装置尺寸情 况下实现，从而避免与车辆其它部件的相互干扰。此外，不需要用来 在从废气向发动机冷却剂的传热模式与停止传热的模式之间切换的 活动部件。这可以得到改善的性能。—实施例的一个优点是，当在传热模式与非传热模式切换时，排气系统中没有压降变化或其它背压变化。
图1是具有废气废热回收系统的车辆的示意图。
图2是废气废热回收系统的 一 部分的示意性透视图。
图3是废热回收换热器的示意性剖视图。
图4是根据第二实施例的废热回收换热器的剖视图。 [G015]图5是根椐第三实施例的废气废热回收系统的一部分的示 意图。
具体实施例方式参照图1-3，示出了车辆的一部分，总体上以20表示。车 辆20包括具有发动机冷却系统24的内燃机22,该发动机冷却系统包 括水泵26，该水泵可以是发动机驱动的，用于泵送冷却剂通过系统 24。调温器28选择性地允许或阻止冷却剂流过散热器30。这些部件 都是常规的，因此本文不做详细说明。冷却剂还用于在取暖、通风和空调(HVAC)系统32中提 供热量。冷却剂管道34引导冷却剂从发动机22到废热回收换热器40。 任选的电动泵38沿着冷却剂管道34设置并且用于在发动机关闭时泵 送冷却剂。这种电动泵38可能是合乎需要的，例如，当该车辆是时 常在发动机22关闭时工作的混合动力电动车辆时。第二冷却剂管道 42引导冷却剂从换热器40的冷却剂出口 43到HVAC模块46的加热 器芯子44，并且第三冷却剂管道48引导冷却剂从加热器芯子44回到 发动才几冷却系统24。发动机排气系统50以常规方式接收来自发动机22的排气。 排气系统50包括排气管52，其位于排气后处理装置例如催化转化器 54的上游。中间排气管56从催化转化器54向下游延伸。中间排气管 56可具有从催化转化器54延伸至换热器40上的排气入口 60的上游 部，以及从排气出口 62延伸至消声器58的下游部。或者，替换地， 中间排气管56可以贯穿换热器40并且构成其一部分，在下游端连接 消声器58。尾管64从消声器58延伸出并且将排气引向大气。排气系 统50可以包括其它常规排气系统部件，代替或加至本实施例所描述的排气部件。在任何情况下，换热器40都沿着废气流经的废气主排 气流道65 ^殳置。废热回收换热器40具有外壳66,该外壳包围并形成用于从
排气接收热量的腔室(例如冷却剂室68)的外壁。冷却剂入口 36和
冷却剂出口 43分别将冷却剂引入和引出冷却剂室68。冷却剂室68的
内壁由真空室70的外壁74形成。冷却剂传热片72从真空室外壁74 A々卜延/f由i;义i检女A4r糸1室68由Mi在4丸面《s tL空奮70 M cti多# 报 々山4dt ^会/ + 4dt么、、六长/:《t卞乂山免"1=玄^ 70 、db扭叮〈" tt '"旦
山qi「 u 土 ' u 、 '"「 Va /力u u ji卞a *^'"「 u上 'u /。r j / u j
换热器40的独立部件，或者，如果中间排气管56穿过换热器40，内 壁76就可以由中间排气管56自身形成。排气传热片80从内壁76向 内延伸以增大排气室78中的传热面积。真空室70中设置至少一个氢化物芯块(hydride pellet) 82。 电导线84连接电阻器86 (或其它的在有电流通过时会发热的电气元 件)。电导线84延伸穿过外壳66并且电连接到控制器88。控制器88 可以是独立的，或是车辆控制器的一部分，并且选择性地给导线84 提供电流。现在将描述图1-3所示车辆20内的系统的操作。在当发动 机冷却剂加热至其工作温度并且发动机22在运转时的车辆运行条件 下，调温器28开启，且水泵26泵送冷却剂通过散热器30和加热器芯 子44。如果需要对客舱(未示出)加热，那么HVAC模块46就引导 空气流通过加热器芯子44。当然，从发动机22出来的废气将流过排 气系统50并且流出排气管64而流向大气。在这种情况中，控制器88 不发出电流流过导线84。没有流向导线84的电流，氢化物芯块82就 保留它的氢，因此在真空室70中引起真空以用作绝热体。因此'只 有一点或没有从废气传递到冷却剂。另 一方面，如果发动机冷却剂是冷的并且发动机在运转， 调温器28就关闭并且控制器88发出电流流过导线84(并且由此流过 电阻器86)。在调温器关闭的情况下，冷却剂就不会流过散热器30来 冷却已经冷了的冷却剂。而且，电阻器86产生的热量将促使氢化物 芯块释放氢进入真空室70内，因此将真空室70从绝热体变成导热体。 流过排气室78的废气中的热量将通过真空室70传递并且传入冷却剂 室68中的冷却剂。冷却剂传热片72和排气传热片80提供更大的表
8面面积用于增大从排气到冷却剂的传热率。当从废热回收换热器40流出的冷却剂流入加热器芯子44时，其将会更热，这就能够更快地对客抢升温。而且，更热的冷却剂将从加热器芯子44流回发动机22，这样也能够更快进行发动机暖机。 一旦冷却剂达到期望温度，控制器88就停止给导线84的电流，这将促使氢化物芯块82从真空室70重新吸收氢，使真空室70又成为绝热体。应当注意到，在上述两种运行条件下，发动机排气的流道和背压都没有改变 一 一 无论工作条件怎样，废气都是沿着相同的主排气流道65流过换热器40。而且，没有用来在传热状态与非传热状态之间切换的活动部件(没有阀，等等)。当冷却剂变暖且车辆20在发动4/L 22不运转的情况下运行时(与混合动力车辆的情况一样)，就可以用到任选的电动泵30。在这种情况中，电动泵38可以保持冷却剂泵送通过加热器芯子44以便提供热量给客舱。通向导线84的电流可以保持断开，因为没有排气在流过排气系统50。图4示出了第二实施例。因为该实施例与第一实施例类似，所以，用类似的元件标号标示类似的元件，但是采用IOO序列的标号。在第二实施例中，中间排气管156形成或连接真空室HO的内壁176以限定出废热回收换热器140的排气入口 160与排气出口162之间的排气室178。真空室170形成在内壁176与外壁174之间，有氢化物芯块182装在其中并且连接到电导线184。外壳166形成冷却剂室168的外壁，在冷却剂入口 136与冷却剂出口 143之间，有冷却剂传热片172用于增大传热的表面面积。不同于第一实施例，第二实施例具有处于真空室170的外壁174与冷却剂室168的内壁190之间的部件。热电器件191与绝热材料包192和灌封材料194中的高温导电体193交替着以形成电功率产生組件195。灌封材料194有助于保护导电体l93避免受热，但可以采用绝热来降低向冷却剂的直接传热(而不是通过热电器件191)。热电器件191定位成使它们的热端面对排气室178并且它们的冷端面对冷却剂室168。当不要求从废气传热时，操作与第一实施例相同。没有电流提供给导线184,因此氢化物芯块182保留氢，使真空室170用作绝热体。而在需要传热时，电流流过导线184,加热电阻器(该实施 例中未示出)，促使氢化物芯块182释放氢进入真空室170内。在真 空室170装满氢的情况下，热量容易从流过排气室178的废气中传出， 传过真空室170、热电器件191并且传入流过冷却剂室168的冷却剂。 当热量经过热电器件191时，就产生电流。因此，该实施例除了第一 实施例所述的冷却剂加热之外还包括发电。在该实施例中，真空室170 用来限制向热电器件191的传热，从而确保不会有过多的需要热电器 件191处理。图5示出了第三实施例。因为该实施例与第一实施例类似， 所以，用类似的元件标号来标示类似的元件，但是采用200序列的标 号。该实施例中所述的元件可用于车辆或固定设备中。在第三实施例中，产生热废流的组件222例如发动机，产 生热流体如废气，该废气被引导通过管252、任选的排气(或其它流 体)处理组件254、中间管256、废热回收换热器240以及任选的消 声器258和尾管264 (如果用于发动机排气系统的话)。或者，組件 222可以是例如燃料电池。在该实施例中，通向换热器240的导管234 可以输送水或制冷剂(或其它吸热流体)，然后水或制冷剂被引导通 过第二导管242流向由热流体驱动的机器2%例如涡轮。涡轮296(或 其它装置)可以连接到第二机器297,例如经由传动轴298连到发电 机。仍采用控制器288来向电导线284提供电流，该电导线仍连接到 真空室(该实施例中未示出)中的氢化物芯块(该实施例中未示出)。 泵238泵送流体通过换热器240。此外，向氢化物芯块供应和去除电流控制着真空室用作绝 热体或导热介质。在该实施例中，当机器296是涡轮、组件2"是发 动机并且控制器288向导线284供应电流时，从废气向流体的传热可 用来沸腾该流体，该流体然后驱动涡轮296。然后涡轮296经由传动 轴298驱动发电机297。如果该系统是用于车辆中，那么由废气中的 废热产生的附加电流能够使车辆交流发电机(未示出)的尺寸变小。作为另 一种替换，排气中的废热可以选择性地传递通过真 空室来加热介质，其用于混合动力电动车辆中的电池组加热，或者， 该热量可以选择性地传给润滑油来改善车辆变速器(未示出)的加热 和性能。
尽管详细描述了本发明的某些实施例，但熟悉本发明所涉
及领域的技术人员将看出存在多种替换方案和实施例，用于在所附权利要求的范围内实施本发明。
权利要求
1、一种沿着用于具有发动机的车辆的排气系统的主排气流道使用的废热回收换热器组件，该废热回收换热器包括真空室，该真空室包括内壁和外壁、装在该室中的氢化物芯块、以及可操作地接合该氢化物芯块的发热元件，并且该发热元件具有从该真空室延伸且被构造成连接电流源的电导线；由该内壁限定出的排气室，该排气室是该主排气流道的一部分；以及包围该外壁的外壳，并且该外壳限定出处于该外壳与该外壁之间的吸热介质室、构造成容纳和引导吸热介质进入吸热介质室的入口以及构造成容纳和引导吸热介质从吸热介质室出来的出口。
2、 如权利要求1所述的废热回收换热器组件，其特征在于，该 吸热介质是发动机冷却剂，该入口连到构造成从发动机中引导发动机 冷却剂的第一管道，该出口连到构造成引导发动机冷却剂到HVAC模 块中加热器芯子的第二管道。
3、 如权利要求1所述的废热回收换热器组件，其特征在于包括 多个从该外壁延伸到吸热介质室中的传热片。
4、 如权利要求1所述的废热回收换热器组件，其特征在于包括 多个从该内壁延伸到排气室中的排气传热片。
5、 如权利要求1所述的废热回收换热器组件，其特征在于，电 流源是连到电导线的控制器，发热元件是电阻器。
6、 如权利要求1所述的废热回收换热器组件，其特征在于包括 热电器件，该热电器件设置在外壁与吸热介质室之间且定向成当从真空室向吸热介质室传热时发电。
7、 一种车辆，包括发动机；可操作地接合该发动机来引导废气沿着主排气流道离开该发动机的发动机排气系统，该发动机排气系统包括构造成沿着主流道引导废气的中间管；以及具有密封真空室的废热回收换热器，该密封真空室包括内壁和外壁、装在该室中的氢化物芯块以及可操作地接合该氢化物芯块且具有从该真空室延伸出的电导线的发热元件；内壁之内的排气室形成该主 排气流道的一部分；外壳包围着该外壁并在该外壳与该外壁之间限定 出吸热介质室，构造成容纳和引导吸热介质进入吸热介质室的入口以 及构造成容納和引导吸热介质从吸热介质室出来的出口 。
8、 如权利要求7所述的车辆，其特征在于，包括连在该出口与 涡轮之间的管道从而引导吸热介质到涡轮，同时，该涡轮可驱动地连 到发电机。
9、 如权利要求8所述的车辆，其特征在于，吸热介质是制冷剂。
10、 如权利要求7所述的车辆，其特征在于，发动机排气系统包 括催化转化器和消声器，并且排气室设置在催化转化器的下游以及消 声器的上游。
11、 如权利要求7所述的车辆，其特征在于，吸热介质是发动机 冷却剂，并且该车辆包括连在电动泵与该入口之间的第一管道，以及 连在该出口与HVAC模块中的加热器芯子之间的第二管道。
12、 如权利要求7所述的车辆，其特征在于包括多个从该外壁延 伸到吸热介质室中的传热片。
13、 如权利要求7所述的车辆，其特征在于包括多个从该内壁延伸到排气室中的排气传热片。
14、 如权利要求7所述的车辆，其特征在于包括可操作地接合电 导线由此选择性地向电导线供应电流的控制器。
15、 如权利要求7所述的车辆，其特征在于包括设置在该外壁与 该吸热介质室之间且定位成当从该真空室向该吸热介质室传热时发 电的热电器件。
16、 一种选择性地从流经用于具有发动机的车辆的排气系统的主 流道吸收废热的方法，该方法包括步骤a) 运转该发动斥几，由此促4吏废气沿着该主流道流过排气室；b) 使吸热介质流过围绕排气室的吸热室；c) 在吸热室与排气室之间设置密封真空室；d) 确定是否需要从废气向吸热介质传热；以及e )向可操作地接合真空室中的氢化物芯块的发热元件供应电流，由此在确定了需要从废气向吸热介质传热时在该真空室中释放氢。
17、 如权利要求16所述的方法，其特征在于还包括以下步骤f) 在密封真空室与吸热室之间提供热电器件；以及g) 向可操作地接合真空室中的氳化物芯块的发热元件供应电流， 由此在确定了需要从热电器件发电时在该真空室中释放氩。
18、 如权利要求16所述的方法，其特征在于，吸热介质是发动 机冷却剂，并且该方法还包括以下步骤使发动机冷却剂从吸热室流 到HVAC模块的加热器芯子。
19、 如权利要求16所述的方法，其特征在于包括以下步骤f) 加热该吸热介质成气态，和g)引导该气体到涡轮。
20、 一种沿着加热流体流道使用的废热回收换热器组件，该加热 流体流道从用废热产生热流体的组件中引导出，该废热回收换热器包 括密封真空室，该密封真空室包括内壁和外壁、装在该室中的氢化 物芯块以及可操作地接合该氢化物芯块并且具有从该真空室中延伸 且构造成连接电流源的电导线的发热元件；由该内壁限定出的加热流体室，该加热流体室是该加热流体流道 的一部分；以及包围该外壁的外壳，并且该外壳限定出处于该外壳与该外壁之间 的吸热介质室、构造成容纳和引导吸热介质进入吸热介质室的入口以 及构造成容纳和引导吸热介质从吸热介质室出来的出口 。
全文摘要
本发明涉及废气废热回收。具体地，提供了一种沿着用于发动机的排气系统的主排气流道使用的废热回收换热器组件及操作方法。该废热回收换热器包括密封真空室，该密封真空室包括装在该室中的氢化物芯块以及从该氢化物芯块延伸的电导线。沿着主排气流道的排气室沿着真空室的内壁设置。外壳包围着真空室并且限定出吸热介质室。吸热介质流过吸热介质室并且当向氢化物芯块供应电流时从流经排气室的排气吸收热量。
文档编号F01N5/02GK101457684SQ20081018550
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月14日
发明者G·A·梅杰 申请人:通用汽车环球科技运作公司