專利名稱：具有多個(gè)冷卻劑加熱模式的車輛廢熱回收設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于車輛的廢熱回收。
背景技術(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑、發(fā)動(dòng)機(jī)油和變速器流體的快速預(yù)熱對(duì)于在冷起動(dòng)(即，當(dāng)車輛沒 有運(yùn)行并且發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器相對(duì)較冷時(shí))期間改善燃料經(jīng)濟(jì)性是重要的。對(duì)于柴油和混合 動(dòng)力應(yīng)用而言，由于燃燒的燃料更少，所以發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱尤其具有挑戰(zhàn)性。

發(fā)明內(nèi)容
在已知廢熱回收系統(tǒng)中，在冷卻劑溫度達(dá)到預(yù)定溫度(即，模式切換溫度)時(shí)停止 冷卻劑加熱，所述預(yù)定溫度通常稍微低于發(fā)動(dòng)機(jī)恒溫器開啟以經(jīng)由散熱器冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的溫 度。通常通過將旁通閥移動(dòng)至旁通模式來停止冷卻劑加熱，在旁通模式中，排氣流旁通熱交 換器且大致不發(fā)生冷卻劑加熱。本文提供允許在達(dá)到該典型模式切換溫度之后在沒有使冷 卻劑沸騰的風(fēng)險(xiǎn)的情況下繼續(xù)廢熱回收的設(shè)備。因而，在期望發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑加熱以改進(jìn)車 輛效率和燃料經(jīng)濟(jì)性時(shí)(例如，在冬天和輕負(fù)載駕駛期間)，實(shí)現(xiàn)附加的廢熱回收。具體地，提供一種用于具有發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛的設(shè)備，所述設(shè)備包括排氣系統(tǒng)，排氣通 過所述排氣系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)排出。熱交換器至少部分地定位在排氣系統(tǒng)內(nèi)。冷卻劑流動(dòng)通道 設(shè)置成與發(fā)動(dòng)機(jī)和熱交換器熱連通。旁通閥能以第一模式操作，以將排氣沿第一流動(dòng)路徑 引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器，以將廢熱以第一冷卻劑加熱模式傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道。所述閥還能 以第二模式操作，以將排氣的至少一部分沿第二流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器，以將廢熱以 第二冷卻劑加熱模式傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道。通過限制僅流到熱交換器的一部分或者將經(jīng) 過熱交換器的流動(dòng)限制為來自于發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流的僅一部分，第二流動(dòng)路徑相對(duì)于第一流 動(dòng)路徑被限制。因而，相對(duì)于第一冷卻劑加熱模式的第一流動(dòng)路徑減少經(jīng)過熱交換器的冷 卻劑溫度升高。所述閥還能以第三模式操作，其中，排氣以旁通模式旁通熱交換器，在旁通模式期 間，沒有發(fā)生經(jīng)由熱交換器的顯著冷卻劑加熱。優(yōu)選地，各種傳感器定位在排氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng) 機(jī)中，且操作性地連接到控制器。所述控制器基于感測(cè)的車輛操作狀況并根據(jù)存儲(chǔ)算法來 估計(jì)經(jīng)過熱交換器的冷卻劑溫度升高，并相應(yīng)地控制旁通閥的移動(dòng)。 一種在具有這種設(shè)備的車輛上管理廢熱回收的方法，包括監(jiān)測(cè)車輛操作狀況，所 述車輛操作狀況包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、發(fā)動(dòng)機(jī)速度和空氣/燃料比。然后， 基于監(jiān)測(cè)的車輛操作狀況來預(yù)測(cè)經(jīng)過熱交換器的排氣溫度和排氣流率。然后，估計(jì)在經(jīng)過 熱交換器的預(yù)測(cè)排氣溫度和流率時(shí)由于排氣流引起的冷卻劑溫度增加。然后，基于估計(jì)的 冷卻劑溫度增加來控制旁通閥以改變經(jīng)過熱交換器的排氣流量。所述閥被控制以建立至少 兩種不同的冷卻劑加熱模式且建立旁通模式，在所述冷卻劑加熱模式中，排氣經(jīng)由不同的 流動(dòng)路徑流經(jīng)熱交換器，在旁通模式中，大致沒有排氣流經(jīng)熱交換器。因而，通過采用多個(gè) 冷卻劑加熱模式，該方法實(shí)現(xiàn)附加的熱提取，但是確保離開熱交換器的冷卻劑不會(huì)沸騰。
方案1. 一種用于具有發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛的設(shè)備，所述設(shè)備包括排氣系統(tǒng)，排氣通過所述排氣系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)排出；熱交換器，所述熱交換器至少部分地定位在排氣系統(tǒng)內(nèi)；冷卻劑流動(dòng)通道，所述冷卻劑流動(dòng)通道與發(fā)動(dòng)機(jī)和熱交換器熱連通；以及旁通閥，所述旁通閥能以第一冷卻劑加熱模式操作，以將排氣沿第一流動(dòng)路徑引 導(dǎo)經(jīng)過熱交換器，以將廢熱傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道；所述閥能以第二冷卻劑加熱模式操作， 以將排氣的至少一部分沿第二流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器，以將廢熱傳遞給冷卻劑流動(dòng)通 道；其中，第二流動(dòng)路徑相對(duì)于第一流動(dòng)路徑被限制；且所述閥能以旁通模式操作，以引導(dǎo) 排氣旁通熱交換器，在旁通模式期間，沒有發(fā)生經(jīng)由熱交換器的顯著冷卻劑加熱。方案2.根據(jù)方案1所述的設(shè)備，其中，所述旁通閥具有能彼此獨(dú)立地移動(dòng)的第一 部分和第二部分；其中，在第二冷卻劑加熱模式中，第一部分處于第一位置且第二部分處于 第二位置，使得第二部分將到熱交換器的流動(dòng)部分地阻塞以建立第二流動(dòng)路徑。

方案3.根據(jù)方案2所述的設(shè)備，還包括擋板，所述擋板設(shè)置成在旁通閥和熱交換器之間引導(dǎo)排氣，使得在第二冷卻劑加 熱模式中，排氣僅僅流經(jīng)熱交換器的一部分。方案4.根據(jù)方案1所述的設(shè)備，其中，所述旁通閥在第一冷卻劑加熱模式中處于 第一位置，在第二冷卻劑加熱模式中處于第二位置，且在旁通模式中處于第三位置；其中， 第二位置在第一位置和第三位置之間以將排氣流在旁通熱交換器的另一個(gè)流動(dòng)路徑和第 二流動(dòng)路徑之間分離。方案5.根據(jù)方案1所述的設(shè)備，還包括至少一個(gè)傳感器，所述至少一個(gè)傳感器能操作感測(cè)車輛操作狀況；控制器，所述控制器操作性地連接到所述至少一個(gè)傳感器和旁通閥，且能操作在 所述至少一個(gè)傳感器感測(cè)第一組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立第一冷卻劑加熱模式， 在所述至少一個(gè)傳感器感測(cè)第二組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立第二冷卻劑加熱模 式，在所述至少一個(gè)傳感器感測(cè)第三組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立第三冷卻劑加熱 模式。方案6.根據(jù)方案5所述的設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)傳感器包括冷卻劑溫度傳感 器；其中，所述第一組車輛操作狀況包括小于第一預(yù)定溫度的冷卻劑溫度；其中，所述第二 組車輛操作狀況包括大于第一預(yù)定溫度且小于第二預(yù)定溫度的冷卻劑溫度；且其中，所述 第三組車輛操作狀況包括大于第二預(yù)定溫度的冷卻劑溫度。方案7.根據(jù)方案6所述的設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)傳感器還包括能操作感測(cè)發(fā) 動(dòng)機(jī)負(fù)載的傳感器；其中，所述第二組車輛操作狀況包括小于預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù) 載。方案8. —種用于具有發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛的設(shè)備，所述設(shè)備包括排氣系統(tǒng)，排氣通過所述排氣系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)排出；熱交換器，所述熱交換器定位在排氣系統(tǒng)內(nèi)；冷卻劑流動(dòng)通道，所述冷卻劑流動(dòng)通道與發(fā)動(dòng)機(jī)和熱交換器熱連通；以及旁通閥，所述旁通閥能操作建立至少兩種不同的冷卻劑加熱模式，其中，排氣被引 導(dǎo)經(jīng)過熱交換器以將熱量傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道中的冷卻劑，其中，所述兩種不同的冷卻劑加熱模式由不同的流動(dòng)路徑表征，其中，排氣流的不同部分被引導(dǎo)到熱交換器或者排氣 流經(jīng)過熱交換器的不同部分；且其中，所述旁通閥還能操作建立旁通模式，在旁通模式期 間，排氣旁通熱交換器，從而沒有發(fā)生經(jīng)由熱交換器的顯著冷卻劑加熱。方案9.根據(jù)方案8所述的設(shè)備，其中，所述旁通閥具有能彼此獨(dú)立地移動(dòng)的第一 部分和第二部分；其中，在第一冷卻劑加熱模式中，第一部分和第二部分兩者均處于第一位 置，在旁通模式中，第一部分和第二部分兩者均處于第二位置；且其中，在第二冷卻劑加熱 模式中，第一部分處于第一位置且第二部分處于第二位置，使得第二部分將到熱交換器的 流動(dòng)部分地阻塞。方案10.根據(jù)方案8所述的設(shè)備，還包括擋板，所述擋板設(shè)置成在旁通閥和熱交換器之間引導(dǎo)排氣，使得在第二冷卻劑加 熱模式中，排氣僅僅流經(jīng)熱交換器的一部分。方案11.根據(jù)方案8所述的設(shè)備，其中，所述旁通閥在第一冷卻劑加熱模式中處于 第一位置，在第二冷卻劑加熱模式中處于第二位置，且在旁通模式中處于第三位置；其中， 第二位置在第一位置和第三位置之間以將排氣流在旁通熱交換器的另一個(gè)流動(dòng)路徑和第 二流動(dòng)路徑之間分離。方案12.根據(jù)方案8所述的設(shè)備，還包括至少一個(gè)傳感器，所述至少一個(gè)傳感器能操作感測(cè)車輛操作狀況； 控制器，所述控制器操作性地連接到所述至少一個(gè)傳感器和旁通閥，且能操作移 動(dòng)致動(dòng)器，以便在所述至少一個(gè)傳感器感測(cè)第一組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立第一冷卻 劑加熱模式；在所述至少一個(gè)傳感器感測(cè)第二組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立第二冷卻 劑加熱模式；以及在所述至少一個(gè)傳感器感測(cè)第三組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立旁通模式。方案13.根據(jù)方案12所述的設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)傳感器包括冷卻劑溫度傳 感器；其中，所述第一組車輛操作狀況包括小于第一預(yù)定溫度的冷卻劑溫度；其中，所述第 二組車輛操作狀況包括大于第一預(yù)定溫度且小于第二預(yù)定溫度的冷卻劑溫度；且其中，所 述第三組車輛操作狀況包括大于第二預(yù)定溫度的冷卻劑溫度。方案14.根據(jù)方案12所述的設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)傳感器還包括能操作感測(cè) 與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載相對(duì)應(yīng)的所述車輛操作狀況之一的傳感器；其中，所述第二組車輛操作狀況 包括小于預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載。方案15. —種在車輛上管理廢熱回收的方法，包括監(jiān)測(cè)車輛操作狀況，所述車輛操作狀況包括冷卻劑溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、發(fā)動(dòng)機(jī)速度 和空氣/燃料比；基于所述監(jiān)測(cè)車輛操作狀況來預(yù)測(cè)經(jīng)過熱交換器的排氣溫度和排氣流率；估計(jì)在經(jīng)過熱交換器的預(yù)測(cè)排氣溫度和流率時(shí)由于排氣流引起的冷卻劑溫度增 加；以及基于估計(jì)的冷卻劑溫度增加來控制閥以改變經(jīng)過熱交換器的排氣流量；其中，所 述閥被控制建立至少兩種不同的冷卻劑加熱模式且建立旁通模式，在所述冷卻劑加熱模式中，排 氣經(jīng)由不同的流動(dòng)路徑流經(jīng)熱交換器，在旁通模式中，大致沒有排氣流經(jīng)熱交換器。方案16.根據(jù)方案15所述的方法，其中，在估計(jì)冷卻劑溫度增加小于或等于第一 預(yù)定溫度時(shí)，排氣沿第一流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器以將廢熱以第一冷卻劑加熱模式傳遞 給冷卻劑流動(dòng)通道，其中，在估計(jì)冷卻劑溫度增加大于第一預(yù)定溫度且小于第二預(yù)定溫度 時(shí)，排氣中的至少一部分沿第二流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器以將廢熱以第二冷卻劑加熱模 式傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道；其中，第二流動(dòng)路徑相對(duì)于第一流動(dòng)路徑被限制；且其中，在估 計(jì)冷卻劑溫度增加大于第二預(yù)定溫度時(shí)，排氣以旁通模式旁通熱交換器。本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)及其他特征和優(yōu)點(diǎn)從用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式的以 下詳細(xì)描述結(jié)合附圖顯而易見。


圖1是具有用于廢熱回收的設(shè)備的第一實(shí)施例的車輛的第一實(shí)施例的示意圖，所 述設(shè)備具有多個(gè)冷卻劑加熱模式；圖2A是圖1中的設(shè)備處于第一冷卻劑加熱模式的示意圖；圖2B是圖2A的閥的示意性側(cè)視圖；圖3是圖1-2B中的設(shè)備處于第二冷卻劑加熱模式的示意圖；圖4是圖1-3中的設(shè)備處于熱交換器旁通模式的示意圖；圖5是用于圖1的車輛的用于廢熱回收的設(shè)備的替代實(shí)施例的示意圖，所述設(shè)備 具有多個(gè)冷卻劑加熱模式且處于第一冷卻劑加熱模式；圖6是圖5中的設(shè)備處于第二冷卻劑加熱模式的示意圖；圖7是圖5和6的設(shè)備處于旁通模式的示意圖；圖8是用于圖1的車輛的用于廢熱回收的設(shè)備的替代實(shí)施例的示意圖，所述設(shè)備 具有多個(gè)冷卻劑加熱模式且處于第一冷卻劑加熱模式；圖9是圖8中的設(shè)備處于第二冷卻劑加熱模式的示意圖；圖10是圖8和9的設(shè)備處于旁通模式的示意圖；和圖11是可以經(jīng)由圖1-10中任何設(shè)備執(zhí)行的管理廢熱回收的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖，其中相同的附圖標(biāo)記在所有的若干視圖中都表示相同的部件，圖1示 出了車輛10，車輛10具有用于推進(jìn)車輛10的發(fā)動(dòng)機(jī)12 (標(biāo)識(shí)為E)、操作性連接到發(fā)動(dòng)機(jī) 12的變速器14 (標(biāo)識(shí)為T)、以及用于加熱客艙(以假想圖形式被標(biāo)記為18)的客艙加熱器 16 (標(biāo)識(shí)為H)。發(fā)動(dòng)機(jī)10為汽油或柴油類型的內(nèi)燃機(jī)，并且在排氣系統(tǒng)19中產(chǎn)生排氣，該排氣系 統(tǒng)19包括排氣歧管20和從其延伸的排氣管22。相對(duì)較熱的排氣經(jīng)由排氣管22的入口 24 離開歧管20。提供了廢熱回收系統(tǒng)25以便選擇性地獲取一些廢熱，用于為發(fā)動(dòng)機(jī)12提供 熱量。催化轉(zhuǎn)換器(未示出)也可以定位在排氣系統(tǒng)18中在歧管20和設(shè)備14之間。如果 設(shè)置合適的閥和冷卻劑流動(dòng)管道以將冷卻劑在合適的狀況下引導(dǎo)通過變速器14和加熱器 16，回收的廢熱也可以提供給變速器14和加熱器16。廢熱回收系統(tǒng)25包括定位在排氣系 統(tǒng)19中的廢熱回收裝置熱交換器(EHRDHE) 28、閥30和排氣旁通致動(dòng)器32，致動(dòng)器32可控，以便選擇性地打開閥30從而允許排氣管22中的一些排氣流動(dòng)通過EHRDHE 28并到達(dá)排氣 管22的出口 26。冷卻劑經(jīng)由冷卻劑流動(dòng)通道流經(jīng)EHRDHE 28，冷卻劑流動(dòng)通道包括入口流 動(dòng)通道34和出口流動(dòng)通道36。入口流動(dòng)通道34將冷卻劑從發(fā)動(dòng)機(jī)12運(yùn)送到EHRDHE28。 出口流動(dòng)通道36將冷卻劑從EHRDHE 28運(yùn)送到發(fā)動(dòng)機(jī)12。流動(dòng)通道可以是管道或柔性或 剛性導(dǎo)管，或者可以在任何車輛部件中的通道中鏜孔、鉆孔、鑄造或以其它方式形成。取決于閥30的位置(即，模式)，設(shè)備25能以多個(gè)模式操作。如關(guān)于圖4進(jìn)一步 描述的那樣，在閥30未打開時(shí)，所述排氣旁通EHRDHE28，從排氣管22流動(dòng)離開車輛10而不 會(huì)給EHRDHE 28增加任何熱量。也設(shè)置關(guān)于圖2A和3所述的兩個(gè)冷卻劑加熱模式。電子 控制器40與致動(dòng)器32操作地連接，并且根據(jù)作為輸入信號(hào)從設(shè)置在車輛10上的各種傳感 器接收的車輛操作狀況來控制致動(dòng)器32。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度傳感器33A定位成感測(cè) 流入發(fā)動(dòng)機(jī)12中的冷卻劑溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載傳感器33B定位成感測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載。發(fā)動(dòng)機(jī) 負(fù)載傳感器33B可以是感測(cè)歧管絕對(duì)壓力的傳感器或者測(cè)量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)12的空氣質(zhì)量流 量的空氣流量傳感器(根據(jù)加熱金屬絲至預(yù)定溫度所需電流量計(jì)算)。這些感測(cè)狀況由控 制器40與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載相關(guān)聯(lián)。空氣/燃料比傳感器33C用于測(cè)量空氣與燃料比，這影響預(yù) 期排氣溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器33D也操作性地連接到控制器34。在該實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī) 速度傳感器33D的至少一部分置于曲軸42上，且可以是霍爾效應(yīng)傳感器或其它類型的傳感 由控制器40接收的信息表示這樣的操作狀況如流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)12的冷卻劑溫度 (由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度傳感器33A指示)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載(由發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載傳感器33D指示)。 傳感器33A、33B、33C、33D可以直接測(cè)量操作狀況，或者可以提供用于預(yù)測(cè)模型中的信息， 所述預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)或估計(jì)這些操作狀況。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將很容易理解將表示車輛操 作狀況的這些信息提供給控制器40的各種方式，并且也很容易理解可以被存儲(chǔ)在控制器 40上以便對(duì)這些信息進(jìn)行處理的各種算法。參考圖2A，設(shè)備25包括部分地分開排氣管22的壁44。旁通閥30在樞轉(zhuǎn)元件或 鉸鏈45處樞轉(zhuǎn)地連接到壁44，其中，樞轉(zhuǎn)軸線穿過鉸鏈45。圖1的排氣旁通致動(dòng)器32(在 圖2A中未示出，但是在圖2A的平面上方)可控制以選擇性地移動(dòng)閥30，以便建立圖2A所 示的第一冷卻劑加熱模式、圖3所示的第二冷卻劑加熱模式、以及圖4所示的旁通模式。止 擋件46A、46B在排氣管22內(nèi)延伸以限定閥30的運(yùn)動(dòng)范圍。閥30包括第一部分30A和第二部分30B。部分30A、30B能圍繞鉸鏈45獨(dú)立地樞 轉(zhuǎn)。第二部分30B配合在第一部分30A的開口中，如圖2B所示。在兩部分相對(duì)于鉸鏈45 處于相同旋轉(zhuǎn)位置時(shí)，它們從樞轉(zhuǎn)軸線延伸到止擋件46A、止擋件46B或它們之間的旋轉(zhuǎn)位置。參考圖2A，當(dāng)閥30處于第一模式時(shí)，兩部分30A、30B均處于第一位置，在壁44的 一側(cè)上阻塞流動(dòng)，因而將排氣流以第一冷卻劑加熱模式沿第一流動(dòng)路徑引導(dǎo)通過熱交換器 28，如示出了進(jìn)入熱交換器28的排氣的流動(dòng)箭頭A和示出了離開熱交換器28的排氣的流 動(dòng)箭頭B所示。一些熱量經(jīng)由熱交換器16從排氣傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑，從而流動(dòng)通道36 中的冷卻劑比流動(dòng)通道34中的冷卻劑更熱。參考圖1，控制器40基于來自于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載傳感器33B、空氣/燃料比傳感器33C 和發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器33D的信息預(yù)測(cè)排氣溫度和流率，且估計(jì)在預(yù)測(cè)溫度和流率下由于排氣流引起的經(jīng)過熱交換器28的冷卻劑溫度增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)12充分加熱從而冷卻劑溫度傳 感器33A指示流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)12的冷卻劑高于第一預(yù)定溫度且估計(jì)的溫度增加小于第二預(yù)定 溫度時(shí)，于是通過控制閥30以第二模式操作將發(fā)生持續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)加熱，如圖3所示，其中， 第二閥部分30B移動(dòng)到圖3所示的第二位置。第二冷卻劑加熱模式的目的是在第一冷卻劑 加熱模式之后繼續(xù)從排氣提取熱量，但防止離開熱交換器的冷卻劑沸騰。在第二模式中，由 圖2A中箭頭A所示的流動(dòng)路徑被部分阻塞。與閥30處于第一位置時(shí)相比，排氣流中的大部 分沿壁44的與熱交換器28相對(duì)的側(cè)引導(dǎo)，如流動(dòng)箭頭C所示。由于第二部分30B移動(dòng)到第 二位置，因而在鉸鏈45和第一閥部分30A之間形成開口或窗口 47。排氣中的大部分通過窗 口 47并流出排氣出口 26，如流動(dòng)箭頭C所示。排氣中的小部分流經(jīng)熱交換器28，如示出了 進(jìn)入熱交換器28的排氣流的箭頭D和示出了離開熱交換器28的排氣流的箭頭E所示，流經(jīng) 熱交換器的排氣被冷卻，從而在流動(dòng)箭頭D處的排氣比在流動(dòng)箭頭E處的排氣更熱。箭頭 D、E和C表示第二冷卻劑加熱模式的第二流動(dòng)路徑。一些熱量從排氣提取且傳遞給流動(dòng)通 道36中的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑；然而，與第一冷卻劑加熱模式相比，冷卻劑加熱以較低速率進(jìn)行， 因?yàn)樵诘诙鋮s劑加熱模式中排氣的僅一部分路由通過熱交換器28。這樣，在不會(huì)導(dǎo)致離 開熱交換器28的冷卻劑沸騰的情況下允許附加的廢熱回收。參考圖4，當(dāng)冷卻劑溫度傳感器33A指示流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)12的冷卻劑溫度大于第二預(yù) 定溫度時(shí)或者當(dāng)基于來自于傳感器33A、33B、33C、33D的信息估計(jì)的冷卻劑溫度增加大于 第二預(yù)定溫度時(shí)，那么控制器40將移動(dòng)第一閥部分30A，以與止擋件46B處的第二閥部分 30B對(duì)齊。因而，所有排氣流以旁通模式沿第三流動(dòng)路徑從壁44的與熱交換器28相對(duì)的側(cè) 上引導(dǎo)，如流動(dòng)箭頭F所示，從而旁通熱交換器28。參考圖5-7，作為設(shè)備14的替代，操作性地連接到發(fā)動(dòng)機(jī)12的設(shè)備114的另一個(gè) 實(shí)施例能操作用多個(gè)冷卻劑加熱模式完成廢熱回收。與設(shè)備14相同的設(shè)備114部件使用 相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)。設(shè)備114包括在熱交換器28之間朝排氣管入口 24延伸的擋板50。 擋板50將從入口 24到熱交換器28的排氣分開。當(dāng)閥30處于第一模式以建立圖5的第一 冷卻劑加熱模式時(shí)，擋板50對(duì)冷卻劑加熱具有很少的影響，因?yàn)樗信艢饬鞅灰龑?dǎo)經(jīng)過熱 交換器28，如由流動(dòng)箭頭A所示的入口流所示，入口流分成經(jīng)過熱交換器28的兩個(gè)流動(dòng)路 徑(由流動(dòng)箭頭Al和A2所示)且流經(jīng)熱交換器28，如流動(dòng)箭頭B 1、B2和B3所示離開。當(dāng)閥30被控制以建立關(guān)于圖3所述的第二冷卻劑加熱模式時(shí)，第二閥部分30延 伸到擋板50以部分阻塞到熱交換器28的排氣流，如圖6所示。因而，僅一部分排氣流經(jīng)熱 交換器28，如流動(dòng)箭頭D所示。由于擋板50將該流引導(dǎo)到熱交換器28的一部分(S卩，在圖 6中線52以下顯示的部分，線52與擋板50對(duì)齊)，因而，僅熱交換器28的該部分用于從排 氣提取熱量。入口排氣流的其余部分在壁44的相對(duì)側(cè)上引導(dǎo)，從而旁通熱交換器28，如流 動(dòng)箭頭C所示。當(dāng)閥30被控制建立關(guān)于圖4所述的旁通模式時(shí)，經(jīng)過熱交換器28的所有流都被 阻塞，如圖7所示，且入口排氣流旁通熱交換器28，如流動(dòng)箭頭F所示。參考圖8-10，作為設(shè)備14的替代，操作性地連接到發(fā)動(dòng)機(jī)12的設(shè)備214的另一個(gè) 實(shí)施例能操作用多個(gè)冷卻劑加熱模式完成廢熱回收。與設(shè)備14相同的設(shè)備214部件使用 相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)。設(shè)備214包括操作性地連接到圖1的控制器40的旁通閥230，以建 立兩個(gè)冷卻劑加熱模式和旁通模式。閥230沒有如閥30那樣的兩個(gè)分開部分，而仍然提供可變冷卻劑加熱模式?？刂破?0可用脈寬調(diào)制來控制閥230。此外，設(shè)置附加傳感器33E 以確定閥位置。傳感器33E可以是位置、溫度或壓力傳感器，其中，閥位置由控制器基于傳 感器33E提供的信息根據(jù)存儲(chǔ)算法來計(jì)算。
參考圖8，當(dāng)閥230處于所示的第一模式的第一位置時(shí)，在壁44的一側(cè)上的流動(dòng)被 阻塞，因而所有排氣流以第一冷卻劑加熱模式沿第一流動(dòng)路徑引導(dǎo)通過熱交換器28，如示 出了進(jìn)入熱交換器28的排氣的流動(dòng)箭頭A和示出了離開熱交換器28的排氣的流動(dòng)箭頭B 所示。第一模式由控制器40建立，如關(guān)于圖2A所述。一些熱量經(jīng)由熱交換器16從排氣傳 遞給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑，從而流動(dòng)通道36中的冷卻劑比流動(dòng)通道34中的冷卻劑更熱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)12充分加熱從而冷卻劑溫度傳感器33A指示流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)12的冷卻劑高 于第一預(yù)定溫度時(shí)，控制器40將控制閥230根據(jù)與關(guān)于圖3所述相同的傳感器信息和控 制算法(除了控制器40發(fā)送信號(hào)使得致動(dòng)器(未示出)將閥230保持在所示中間位置之 外)以第二模式操作，如圖9所示，在中間位置中，由圖8中箭頭A所示的流動(dòng)路徑被部分 阻塞。由于在閥230和管22的壁之間可獲得更大的流動(dòng)開口(在圖9的視圖中作為最上 壁示出)，與當(dāng)閥230處于第一位置時(shí)相比，排氣流中的大部分沿壁44的與熱交換器28相 對(duì)的側(cè)引導(dǎo)到排氣出口 26，如流動(dòng)箭頭C所示。從排氣入口 24到熱交換器28可獲得較小 的流動(dòng)開口，因而排氣中的小部分流經(jīng)熱交換器28，如示出了進(jìn)入熱交換器28的排氣流的 箭頭D和示出了離開熱交換器的排氣流的箭頭E所示，流經(jīng)熱交換器的排氣被冷卻，從而在 流動(dòng)箭頭D處的排氣比在流動(dòng)箭頭E處的排氣更熱。因而，在第二冷卻劑加熱模式中，通過 熱交換器28的流量相對(duì)于第一冷卻劑加熱模式被限制。箭頭D、E和C表示第二冷卻劑加 熱模式的第二流動(dòng)路徑。一些熱量從排氣提取且傳遞給流動(dòng)通道36中的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑 ’然 而，與第一冷卻劑加熱模式相比，冷卻劑加熱以較低速率進(jìn)行，因?yàn)樵诘诙鋮s劑加熱模式 中排氣的僅一部分路由通過熱交換器28。以較低速率加熱在不會(huì)導(dǎo)致離開熱交換器28的 冷卻劑沸騰的情況下允許附加的廢熱回收。參考圖10，當(dāng)冷卻劑溫度傳感器33A指示流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)12的冷卻劑溫度大于第二 預(yù)定溫度時(shí)或者當(dāng)基于來自于傳感器33A、33B、33C、33D、33E的信息估計(jì)的冷卻劑溫度增 加大于第二預(yù)定溫度時(shí)，那么控制器40將使閥230移動(dòng)到止擋件46B處的第三位置(即， 以第三模式操作)。因而，所有排氣流以旁通模式沿第三流動(dòng)路徑在壁44的與熱交換器28 相對(duì)的側(cè)上引導(dǎo)，如流動(dòng)箭頭F所示，從而旁通熱交換器28。因而，圖2A-10的任何設(shè)備允許控制器根據(jù)存儲(chǔ)算法命令多個(gè)冷卻劑加熱模式以 增加車輛效率。具體地，控制器40執(zhí)行在車輛上管理廢熱回收的方法300，如圖11的流程 圖所述。方法300包括步驟302 使用操作性地連接到控制器40的傳感器33A-33D來監(jiān)測(cè) 車輛操作狀況，所述車輛操作狀況包括冷卻劑溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、發(fā)動(dòng)機(jī)速度和空氣/燃料 比，如上所述。方法然后包括步驟304 基于監(jiān)測(cè)車輛操作狀況來預(yù)測(cè)經(jīng)過熱交換器28的 排氣溫度和排氣流率，假定旁通閥30或230完全打開(處于第一模式)。在步驟306下，控 制器40然后根據(jù)存儲(chǔ)算法來估計(jì)在預(yù)測(cè)的經(jīng)過熱交換器28的排氣溫度和流率時(shí)由于排氣 流引起的冷卻劑溫度增加。在步驟308下，旁通閥(30或230)然后基于估計(jì)的冷卻劑溫度 增加被控制為第一冷卻劑加熱模式或第二冷卻劑加熱模式以改變經(jīng)過熱交換器28的排氣 流量。此外，如果估計(jì)的冷卻劑溫度增加高于第二預(yù)定溫度，旁通閥30或230可以被控制 為旁通模式，以便防止冷卻劑流動(dòng)通道36中的冷卻劑沸騰。因而，閥30或230被控制建立至少兩種不同的 冷卻劑加熱模式且建立旁通模式，在所述冷卻劑加熱模式中，排氣經(jīng)由不 同的流動(dòng)路徑流經(jīng)熱交換器28，在旁通模式中，大致沒有排氣流經(jīng)熱交換器28。具體地，根據(jù)方法300，當(dāng)估計(jì)的冷卻劑溫度增加小于或等于第一預(yù)定溫度時(shí)，排 氣沿第一流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器28，以便以第一冷卻劑加熱模式將廢熱傳遞給冷卻劑 流動(dòng)通道36。當(dāng)估計(jì)的冷卻劑溫度增加大于第一預(yù)定溫度且小于第二預(yù)定溫度時(shí)，排氣的 至少一部分沿第二流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器28，以便以第二冷卻劑加熱模式將廢熱傳遞 給冷卻劑流動(dòng)通道36。第二流動(dòng)路徑相對(duì)于第一流動(dòng)路徑被限制，其中，與第一冷卻劑加熱 模式相比，熱交換器28的入口減少或者排氣流經(jīng)過或通過的熱交換器28的部分減少。當(dāng) 估計(jì)的冷卻劑溫度增加大于第二預(yù)定溫度時(shí)，排氣以旁通模式旁通熱交換器28，在旁通模 式期間，經(jīng)由熱交換器28沒有發(fā)生顯著的冷卻劑加熱。雖然已經(jīng)詳細(xì)地描述了用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，但是本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù) 人員在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)可以想到用于實(shí)施本發(fā)明的各種替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于具有發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛的設(shè)備，所述設(shè)備包括排氣系統(tǒng)，排氣通過所述排氣系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)排出；熱交換器，所述熱交換器至少部分地定位在排氣系統(tǒng)內(nèi)；冷卻劑流動(dòng)通道，所述冷卻劑流動(dòng)通道與發(fā)動(dòng)機(jī)和熱交換器熱連通；以及旁通閥，所述旁通閥能以第一冷卻劑加熱模式操作，以將排氣沿第一流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng) 過熱交換器，以將廢熱傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道；所述閥能以第二冷卻劑加熱模式操作，以將 排氣的至少一部分沿第二流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器，以將廢熱傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道； 其中，第二流動(dòng)路徑相對(duì)于第一流動(dòng)路徑被限制；且所述閥能以旁通模式操作，以引導(dǎo)排氣 旁通熱交換器，在旁通模式期間，沒有發(fā)生經(jīng)由熱交換器的顯著冷卻劑加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述旁通閥具有能彼此獨(dú)立地移動(dòng)的第一部分 和第二部分；其中，在第二冷卻劑加熱模式中，第一部分處于第一位置且第二部分處于第二 位置，使得第二部分將到熱交換器的流動(dòng)部分地阻塞以建立第二流動(dòng)路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括擋板，所述擋板設(shè)置成在旁通閥和熱交換器之間引導(dǎo)排氣，使得在第二冷卻劑加熱模 式中，排氣僅僅流經(jīng)熱交換器的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述旁通閥在第一冷卻劑加熱模式中處于第一 位置，在第二冷卻劑加熱模式中處于第二位置，且在旁通模式中處于第三位置；其中，第二 位置在第一位置和第三位置之間以將排氣流在旁通熱交換器的另一個(gè)流動(dòng)路徑和第二流 動(dòng)路徑之間分離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括至少一個(gè)傳感器，所述至少一個(gè)傳感器能操作感測(cè)車輛操作狀況；控制器，所述控制器操作性地連接到所述至少一個(gè)傳感器和旁通閥，且能操作在所述 至少一個(gè)傳感器感測(cè)第一組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立第一冷卻劑加熱模式，在所 述至少一個(gè)傳感器感測(cè)第二組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立第二冷卻劑加熱模式，在 所述至少一個(gè)傳感器感測(cè)第三組車輛操作狀況時(shí)移動(dòng)旁通閥以建立第三冷卻劑加熱模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)傳感器包括冷卻劑溫度傳感器；其 中，所述第一組車輛操作狀況包括小于第一預(yù)定溫度的冷卻劑溫度；其中，所述第二組車輛 操作狀況包括大于第一預(yù)定溫度且小于第二預(yù)定溫度的冷卻劑溫度；且其中，所述第三組 車輛操作狀況包括大于第二預(yù)定溫度的冷卻劑溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)傳感器還包括能操作感測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī) 負(fù)載的傳感器；其中，所述第二組車輛操作狀況包括小于預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載。
8.一種用于具有發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛的設(shè)備，所述設(shè)備包括排氣系統(tǒng)，排氣通過所述排氣系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)排出；熱交換器，所述熱交換器定位在排氣系統(tǒng)內(nèi)；冷卻劑流動(dòng)通道，所述冷卻劑流動(dòng)通道與發(fā)動(dòng)機(jī)和熱交換器熱連通；以及旁通閥，所述旁通閥能操作建立至少兩種不同的冷卻劑加熱模式，其中，排氣被引導(dǎo)經(jīng) 過熱交換器以將熱量傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道中的冷卻劑，其中，所述兩種不同的冷卻劑加 熱模式由不同的流動(dòng)路徑表征，其中，排氣流的不同部分被引導(dǎo)到熱交換器或者排氣流經(jīng) 過熱交換器的不同部分；且其中，所述旁通閥還能操作建立旁通模式，在旁通模式期間，排氣旁通熱交換器，從而沒有發(fā)生經(jīng)由熱交換器的顯著冷卻劑加熱。
9.一種在車輛上管理廢熱回收的方法，包括監(jiān)測(cè)車輛操作狀況，所述車輛操作狀況包括冷卻劑溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、發(fā)動(dòng)機(jī)速度和空 氣/燃料比；基于所述監(jiān)測(cè)車輛操作狀況來預(yù)測(cè)經(jīng)過熱交換器的排氣溫度和排氣流率； 估計(jì)在經(jīng)過熱交換器的預(yù)測(cè)排氣溫度和流率時(shí)由于排氣流引起的冷卻劑溫度增加；以及基于估計(jì)的冷卻劑溫度增加來控制閥以改變經(jīng)過熱交換器的排氣流量；其中，所述閥 被控制建立至少兩種不同的冷卻劑加熱模式且建立旁通模式，在所述冷卻劑加熱模式中， 排氣經(jīng)由不同的流動(dòng)路徑流經(jīng)熱交換器，在旁通模式中，大致沒有排氣流經(jīng)熱交換器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，在估計(jì)冷卻劑溫度增加小于或等于第一預(yù)定溫 度時(shí)，排氣沿第一流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器以將廢熱以第一冷卻劑加熱模式傳遞給冷卻 劑流動(dòng)通道，其中，在估計(jì)冷卻劑溫度增加大于第一預(yù)定溫度且小于第二預(yù)定溫度時(shí)，排氣 中的至少一部分沿第二流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器以將廢熱以第二冷卻劑加熱模式傳遞 給冷卻劑流動(dòng)通道；其中，第二流動(dòng)路徑相對(duì)于第一流動(dòng)路徑被限制；且其中，在估計(jì)冷卻 劑溫度增加大于第二預(yù)定溫度時(shí)，排氣以旁通模式旁通熱交換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有多個(gè)冷卻劑加熱模式的車輛廢熱回收設(shè)備和方法。一種用于具有發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛的設(shè)備，所述設(shè)備包括排氣系統(tǒng)，排氣通過所述排氣系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)排出。熱交換器至少部分地定位在排氣系統(tǒng)內(nèi)。冷卻劑流動(dòng)通道設(shè)置成與發(fā)動(dòng)機(jī)和熱交換器熱連通。旁通閥能以第一模式操作，以將排氣沿第一流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器，以將廢熱傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道；還能以第二模式操作，以將排氣的至少一部分沿第二流動(dòng)路徑引導(dǎo)經(jīng)過熱交換器，以將廢熱以第二冷卻劑加熱模式傳遞給冷卻劑流動(dòng)通道。第二流動(dòng)路徑相對(duì)于第一流動(dòng)路徑被限制。也提供管理廢熱回收的方法。
文檔編號(hào)F02N19/10GK102052128SQ20101053741
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者D·B·格拉斯福德, G·P·普賴爾 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司