包括热电发电机的车辆的制作方法

本公开总体上涉及加热或冷却内燃机。

背景技术：

热电模块是基于半导体的电子部件，其可以用于电力产生。当跨热电模块施加温度差时，则产生dc电力。如此，热电模块可以用来将热能转换为电能。在其他应用中，热电模块可以被应用作为热泵或珀耳帖(peltier)冷却器。

通过燃烧燃料，内燃机将燃料的化学能转换为可以用来做功的能量。通常，仅仅一部分在燃料燃烧中释放的能量通过内燃机转换为期望功。在一些内燃机中，燃烧的能量的大部分以废热的形式损失。

技术实现要素：

车辆包括在运行状态与非运行状态之间可选择的内燃机(ice)。热电发电机(teg)与ice热接触，用于转换来自ice的热能以输出电能。车辆具有电动泵，用于通过冷却剂回路循环液态冷却剂。电动泵选择性地可以由来自teg的电能输出供电。冷却剂回路与ice、散热器以及teg流体连通；并且在冷却剂回路中teg在散热器的下游。

附图说明

通过参考以下详细描述和附图，本公开的实例的特征将变得显而易见，其中同样的附图标记对应于类似(尽管可能并不相同)的部件。为了简洁起见，附图标记或具有前述功能的特征可以或可以不结合它们所出现的其他附图进行描述。

图1是本文所公开的车辆的实例的框图；

图2a和图2b合在一起是描述冷却如本文所公开的车辆的内燃机(ice)的方法的流程图。

具体实施方式

本文所公开的车辆及方法的实例利用热电发电机(teg)来将来自内燃机(ice)的热能转换为可使用的电能。当ice处于运行状态时，通过燃料的燃烧产生热能。由ice所产生的热能的至少一部分被teg转换为电能，且该电能的至少一部分被用来为电动泵供电。teg可以与ice热接触。例如，teg可以与ice的排气系统相接触。在本公开中，ice的排气系统是ice的一部分。当teg与ice热接触时，液态冷却剂冷却teg的冷侧。电动泵，选择性地由来自teg的电能输出供电，使液态冷却剂循环通过冷却剂回路。冷却剂回路与ice、散热器以及teg流体连通。

如本文所使用的，“热接触”意思是指在主体之间形成表面到表面的接触，以使得可以发生热传导。应当理解，诸如“热胶”、钎焊材料、焊接材料的材料可以设置在“热接触”的两个主体之间。对于两个热接触的主体而言，彼此粘附并不是必须的，只要它们处于热接触并且在两个主体之间通过接触表面可以发生热传导即可。

现在参考图1，描述了本公开的车辆10的一个实例。车辆10包括内燃机(ice)12、热电发电机(teg)14、电动泵16，以及散热器18。车辆10还可以包括采暖通风及空调(hvac)模块20、散热器旁通阀22以及与teg14分开且与之不同的dc电源24(例如，dc电力发电机66或电能存储装置46)。

在图1所示的实例中，ice12和teg14热接触，并且ice12、teg14以及散热器18与冷却剂回路26流体连通，同时在冷却剂回路26中teg14在散热器18的下游。在该实例中，ice12所产生的热能的一部分从ice12直接传递至teg14(例如，通过从排气系统65的传导)，并且通过冷却剂回路26循环的液态冷却剂被用来(经由液态冷却的热交换器29)冷却teg14的一个或多个热电模块54的冷侧58。在该实例中，液态冷却剂可以通过液态冷却的热交换器29从teg14接收残留热能68。

ice12可以是通过利用诸如氧气的氧化剂与发动机内诸如汽油、柴油的燃料引起燃烧反应来产生原动力的任何发动机。ice12在运行状态和非运行状态之间可选择。如本文所使用的，运行状态意思是指在ice12内正在发生燃烧反应。相反，非运行状态意思是指在ice12内没有正在发生燃烧反应。燃烧反应产生气体，比如二氧化碳和水蒸汽，其(例如，向活塞)施加力并产生原动力。燃烧反应还产生热能。包括废气的燃烧产物，通过ice12的排气系统65被引导离开ice12。排气系统65可以包括，例如排气歧管、催化转换器、消音器、排气管、排气系统连接器、吊架以及附接至排气系统的传感器。在该公开中，排气系统65被包括在ice12中。

在一些现有的内燃机中，内燃机所产生的热能作为废热损失到环境。然而，在图1中所示的车辆10的实例中，ice12和teg14热接触，且ice12所产生的热能的一部分被直接传递到teg14。得以传递到teg14的该部分热能至少部分被转换成可以被teg14使用的电能。

通过冷却剂回路26循环的液态冷却剂的实例包括水和称为saej814发动机冷却剂的冷却剂浓缩物(防冻剂，一个实例是乙二醇)的混合物，通过引用结合于此。应当理解，本文所公开的液态冷却剂并不限于水/防冻剂混合物。例如，可以使用包括天然和合成机油、液压流体以及硅树脂的液体作为液态冷却剂。如图1所描述的，(经由冷却剂回路26的)液态冷却剂可以流动通过散热器18以使液态冷却剂冷却。一旦液态冷却剂被散热器18冷却，则液态冷却剂可以接着冷却与热电模块(tem)54热接触的ice12和/或液态冷却的热交换器(teghx)29。散热器18可以是液体到空气热交换器，包括典型的汽车散热器。散热器18可以使发动机冷却剂流动通过。应当理解，通过散热器18从液态冷却剂交换的热量可以直接通过散热器18的管和散热片(未示出)直接传递，或者可以有中间热交换器，例如端-箱冷却器(未示出)。

在图1中所描述的本公开的实例中，teg14将ice12所产生的热能转换以输出电能。teg14包括至少一个热电模块54。每个热电模块54具有设置为与ice12热接触的热侧56和在热侧56远端的冷侧58。ice12所产生的热能的一部分被传递到热电模块(多个)54的热侧56。每个热电模块54通过塞贝克效应将从ice12传递的热能转换为电能以用于车辆10消耗或存储。在图1中以虚线来描绘电能。例如，电能显示为从teg控制器62出来并传导至风扇50、泵16以及电能存储装置24、46。液态冷却的热交换器29设置在每个热电模块54的冷侧58上，以将残留热能从热电模块54传递给液态冷却剂。液态冷却剂通过电动泵16经由冷却剂回路26泵送通过液态冷却的热交换器29。

热电模块54可以是热电模块54的阵列(未示出)。阵列中的热电模块54可以按照串联、并联或其组合电连接至其阵列中的其他热电模块54。

热电模块54的非限制性实例为：hz-20热电模块，可以从hi-z技术公司得到，加州圣迭戈米拉马路7606号，92126-4210(7606miramarroad，sandiegoca92126-4210)；tg12-6热电模块，可以从马洛工业公司得到，德克萨斯州达拉斯远景公园路10451号，75238(10451vistaparkrd，dallas，tx75238)；powercard-γ^tm，可以从字母能源公司得到，加州海沃德伊顿兰丁26225号d座，94545(26225edenlandingroad，suited，hayward，ca94545)；以及方钴矿热电模块，可以从古川有限责任公司得到，日本茨城筑波观音台1-25-13，305-0856(1-25-13kannondai，tsukuba，ibaraki305-0856，japan)。teg14还可以包括teg控制器62。teg控制器62可以将teg14所产生的电能引导到电负载(例如，电动泵16、电动风扇50，鼓风机30等)。

在本公开的实例中，在ice12处于运行状态或非运行状态时，teg14可以由ice12所产生的热能生成电能。在实例中，在ice12已经从运行状态切换到非运行状态之后，teg14能够产生从约1.5wh(瓦特时)到约15wh的电能。

对一个实例进行了测试。teg被安装在车辆的排气系统上，并且该车辆经受硬驾驶周期以使发动机和排气系统完全预热。在本公开的受测试实例中，teg在时间为0时产生了最大312.85瓦特的电功率，其在时间为90秒时指数衰减到约6瓦特。时间常数为约22.73秒。在0秒和90秒的界限之间对指数功率方程积分，显示出在受测实例中经过第一个90秒产生了6975瓦特秒(1.938瓦特时)的能量。1.938wh足以运行5瓦特泵约23分钟。

teg14所产生的电能可以由电动泵16消耗。电动泵16使液态冷却剂循环通过冷却剂回路26。电动泵16可以是靠电能运行并且能够使液态冷却剂循环通过冷却剂回路26的任何泵。在一些实例中，电动泵16可以泵送液态冷却剂通过冷却夹套64以冷却ice12。如本文所使用的，冷却夹套64意思是指限定在ice12中(例如，在围绕汽缸的缸体中，以及在围绕燃烧室的汽缸盖中)的通路的网络，用来利用来自冷却剂回路26的液态冷却剂冷却ice12。如本文所使用的，在本公开的实例中，如果ice12的部分被允许在没有液态冷却剂循环的情况下冷却，则液态冷却剂可以用来将ice12的部分保持得比ice12的该部分应该的更暖。

电动泵16可以选择性地由来自teg14的电能输出供电。当ice12处于非运行状态时，电动泵16可以由teg14供电。电动泵16还可以由和teg14分开且不同的dc电源24供电。dc电源24可以是dc电力发电机66或电能存储装置46。电能存储装置46的实例是化学电池或电容器。teg14需要在热侧56和冷侧58之间的温度差以从teg14产生电力。因此，如本文所使用的，“热”和“冷”是彼此相对而言的。“热”意思是指具有比“冷”更高的温度，由此跨teg14建立热梯度以产生电力。

在图1中所示的实例中，dc电源24可以选择性地对电动泵16供电来为teg14注入液态冷却剂以冷却teg14的冷侧58，从而开始由teg14产生电力。当ice12处于运行状态时，ice12可以向dc电力发电机66提供机械功(例如，通过转动dc电力发电机66的电枢)，并且dc电力发电机66随后可以将来自ice12机械功转换成dc电力，其可以用来对电动泵16供电。当teg14和dc电力发电机66不能提供足够的电能来对电动泵16供电时，电能存储装置46可以向电动泵16提供电能。

在本公开的实例中，teg14所产生的电能可以对电动风扇50供电。电动风扇50可以帮助散热器18冷却液态冷却剂。在一个实例中，散热器18可以包括一系列的薄管和/或散热片，液态冷却剂在其中循环通过，从而允许液态冷却剂被管和/或散热片周围的空气冷却。电动风扇50可以响应于控制信号吸入环境空气通过散热器18。随着液态冷却剂流动通过散热器18，通过电动风扇50通过散热器18的环境空气可以冷却液态冷却剂。利用来自电动风扇50的强制空气对流，散热器18可以将经过散热器的液态冷却剂冷却到足够低的温度，以将ice12和/或车辆10的其他部件维持在操作温度限制内(即，在沸溢温度或化学降解限度以下)。在一些情况下，可能需要在ice12处于非运行状态时操作电动风扇50，以将ice12和/或车辆10的其他部件维持在操作温度限制内。因此，如本文所使用的术语“操作温度限制”并不暗指仅当某部件或ice12正在运转时维持温度。

电动风扇50可以选择性地由来自teg14的电能输出供电。当ice12处于非运行状态且自然对流未能提供足够的冷却能力时，电动风扇50可以由teg14供电。

在图1中所示的实例中，电动风扇50可以帮助散热器18冷却经由冷却剂回路26在液态冷却的热交换器29上游的液态冷却剂。在图1所描述的实例中，在冷却剂回路26中teg14在散热器18的下游。当ice12处于运行状态时，ice12可以向dc电力发电机66提供机械功(例如，通过转动dc电力发电机66的电枢)，并且dc电力发电机66随后可以将来自ice12机械功转换成dc电力，其可以用来对电动风扇50供电。当teg14和dc电力发电机66不能提供足够的电能以对电动风扇50供电且自然对流未能向散热器18提供足够的冷却能力时，电能存储装置46可以对电动风扇50供电。

teg14所产生的电能还可以被hvac模块20的鼓风机30消耗。除了鼓风机30之外，hvac模块20可以包括加热器芯32、除霜出口34、地板/面板出口36以及加热器控制阀38。鼓风机30通过hvac模块20输出空气52。加热器芯32设置在鼓风机30的下游以加热来自鼓风机30的空气52。加热器芯32可以是液体到空气热交换器，用于将来自液态冷却剂的热能传递到由鼓风机30输出的空气52。因此，液态冷却剂可以将来自ice12的热能输送至加热器芯32。除霜出口34将加热的空气52引导向挡风玻璃、窗户(多个)和/或镜子(多个)。地板/面板出口(多个)36将加热的空气52引导向车辆10的乘客舱的地板或其他位置(例如，朝向乘客上身区域)。加热器控制阀38选择性地调节液态冷却剂通过冷却剂回路26的加热器芯分支33的流动。加热器控制阀38可以用来阻塞冷却剂回路26的加热器芯分支33，以通过引导泵送能量来泵送冷却剂通过冷却剂回路26的更小体积的打开分支，减少电动泵16上的负载。

鼓风机30可以选择性地由来自teg14的电能输出供电。当ice12处于非运行状态时，鼓风机30可以由teg14供电。当ice12处于运行状态时，ice12可以在dc电力发电机66上执行机械功(例如，通过转动dc电力发电机66的电枢)，并且dc电力发电机66随后可以将来自ice12机械功转换成dc电力，其可以用来对鼓风机30供电。当teg14和dc电力发电机66不能提供足够的电能来对鼓风机30供电时，电能存储装置46可以向鼓风机30供电。

teg14所产生的电能还可以存储在电能存储装置46中。电能存储装置46可以是任意的电能存储装置，比如化学电池(例如，铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等)或电容器。电能存储装置46可以连接至dc总线48。通过dc总线48，电能存储装置46可以接收附加的电力(例如，从dc电力发电机66)并向车辆10的各种部件提供电力(例如，电动泵16、电动风扇50、鼓风机30等)。

可以由teg14所产生的电能供电的电负载的其他非限制性实例为，娱乐系统、照明、电动马达、螺线管、仪器、导航系统以及通信系统。

如以上所提到的，车辆10还可以包括散热器旁通阀22。在一个实例中，散热器旁通阀22可以是常规的双金属弹簧恒温器。在其他实例中，散热器旁通阀22可以在除了冷却温度之外或者作为替代冷却温度的条件下操作为打开/关闭。当ice12处于非运行状态时，散热器旁通阀22可以响应于冷却剂温度在旁通温度范围内，选择性地旁通冷却剂回路26的散热器分支，以及响应于冷却剂温度在预定阈值以上选择性地打开冷却剂回路26的散热器分支。旁通温度范围可以在约100℃以下。例如，常规的双金属弹簧恒温器可以在约95℃下开始打开并在约100℃下完全打开。在一些实例中，旁通温度范围可以在90℃的“预热”发动机温度以下。在其他实例中，旁通温度可以在发动机摩擦降低情况下的温度之下，例如约60℃。

由于机油粘度通常是温度依赖的，旁通温度范围可以取决于针对发动机的机油规范。允许散热器18将ice12冷却到较低的温度可以通过在处于非运行状态下的排气系统65与冷却剂之间制造更大的温度差延长teg14的操作，这是因为排气系统65通常将比发动机缸体冷却地更快。当车辆10停放时，可以允许缸体(冷却剂)冷却到相比较于车辆10在启动/停止情况下的更低的温度。

当ice12在车辆10停止(例如在交通中)时自动关闭时，会遇到启动/停止情况。当驾驶员释放制动器并压下加速器时，ice12自动重新启动。然而，车辆系统可以确定在启动/停止情况与车辆10正在停放之间的差异，例如，通过监测车辆10中的传感器和开关。例如，如果ice12被操作者关闭，例如通过移除钥匙、或者在无钥匙车辆中按压启动/停止按钮，车辆10可以确定车辆10已经被停放。

通过旁通冷却剂回路26的散热器分支，散热器旁通阀22允许车辆10保存ice12所产生的潜在热能，这允许更多的热能被输送至加热器芯32。因此，加热器芯32可以向来自鼓风机30的空气52提供更多的热量。在图1中所示出的实例中，当跨teg14没有足够的温度差时，散热器旁通阀22可以旁通冷却剂回路26的散热器分支以产生电能而无需冷却散热器18中的液态冷却剂。当ice12过热时(例如，在阈值温度以上的温度下)，通过打开冷却剂回路26的散热器分支，散热器旁通阀22允许ice12通过将热量经由散热器18排入环境70而得以更迅速地冷却。

在本公开的实例中，ice12可以是混合动力系40的一部分。虽然图1包括了混合动力系40，但是应当理解，一些实例包括ice12，却并不包括电驱动马达42或驱动电池44。此类实例可以不是混合动力车辆。除了ice12之外，混合动力系40可以包括电动马达42和驱动电池44。电动马达42可以选择性地为车辆10的至少一个驱动轮(未示出)提供动力。冷却剂回路26可以与电动马达42和/或驱动电池44流体连通。来自电动马达42和/或驱动电池44的热能可以传递给在冷却剂回路26内循环的液态冷却剂。液态冷却剂随后可以选择性地将来自电动马达42和/或驱动电池44的热能输送至ice12或加热器芯32。当电动马达42为车辆10的至少一个驱动轮提供动力时，ice12可以处于非运行状态。teg14可以为电动泵16供电，以当在混合动力系40中启动时，保持ice12预热并准备好更清洁和有效地运行。

图2a和图2b合在一起是描述冷却如本文所公开的车辆的内燃机(ice)的方法的流程图。方法100包括“利用来自电能存储装置的电能启动ice”，如标记有附图标记105的方框所示。“运行ice，由此产生热能”在110处。“利用热电发电机(teg)将热能的一部分转换为电能以用于被电负载消耗或存储”在115处。“以电能的至少一部分为电动泵供电”在120处。“其中：电动泵使液态冷却剂循环通过冷却剂回路；冷却剂回路与ice和teg流体连通；以及液态冷却剂冷却ice”在125处。

“其中，当ice处于非运行状态时实现将热能的一部分转换为电能”在130处。“阀闭冷却剂回路的一部分以降低电动泵上的负载”在135处。

“其中利用来自电能存储装置的附加电能实现对电动泵的供电”在140处。“其中未利用来自电能存储装置的附加电能实现对电动泵的供电”在150处。“其中：冷却剂回路与加热器芯流体连通；液态冷却剂将热能的另一部分传递给加热器芯；以及加热器芯传递该热能的另一部分，用于升高车辆的乘客舱的温度、对车辆的窗户除雾，或者同时升高乘客舱的温度和对窗户除雾”在160处。连接符“a”显示了在图2a中描述的流程图的部分如何连接到图2b中描述的流程图的部分。

“确定液态冷却剂的温度”在180处。“将液态冷却剂的温度与风扇阈值温度作比较”在185处。“如果液态冷却剂的温度高于风扇阈值温度，则启用选择性由teg供电的电动风扇以通过散热器吸入环境空气”在190处。“如果液态冷却剂的温度低于或等于风扇阈值温度，则停用电动风扇”在195处。

应当理解，在本公开的实例中，冷却剂可以用于加热ice12的部分。例如，teg14可以安装至排气系统65。来自排气系统65的热量可以通过teg14传递给冷却剂。随后可以将冷却剂泵送通过冷却夹套64，以加热处于非运行状态下的ice12的部分或减缓其冷却的速度。

该方法还可以使ice12比没有teg14的情况下更迅速地达到稳定的操作温度。在实例中，对于本公开的ice12而言稳定的操作温度在冷却夹套64中为约90℃至约105℃。

应当理解，本文所提供的范围包括所声明的范围以及在该声明的范围内的任意值或子范围。例如，从约1.5wh至约15wh的范围应当被解释为不仅包括明确叙述的约1.5wh至约15wh的界限，而且包括单独的值，比如1.8wh、10wh、11wh、14wh等，以及包括子范围，比如从约约1.5wh至约11wh、从约8wh至约12wh、从约10wh至约13wh等。此外，当使用“约”描述值时，意思是指涵盖偏离所述值的最小变化(达到+/-10％)。

此外，应当理解，术语“连接/连接的/连接部”、“接触/相接触”和/或类似术语在本文中被宽泛地限定为涵盖各种相异的连接/相接触的布置和组装技术。这些布置和技术包括但不限于：(1)在一个部件和另一个部件之间的直接连通而在其间没有中间部件；以及(2)一个部件和另一部件利用其间的一个或多个部件的连通，条件是与其他部件“连接”/“接触”的该一个部件以某种方式与其他部件可操作地连通(尽管在其间存在一个或多个附加的部件)。

尽管已经详细描述了若干实例，应当理解，可以对所公开的实例进行修改。因此，前述描述被认为是非限制性的。