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CN102016257B - 用于内燃机的排气系统 - Google Patents

用于内燃机的排气系统 Download PDF

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Abstract

一种用于内燃机(2)的排气系统(1)，其中热电发电机(TEG)(3)设有热侧和冷侧，热侧设置在排气系统(1)上并且能由内燃机(2)的废气加热并且在热侧与废气流之间设置具有第一导热性的第一换热器并且在那儿至少第二热电发电机(4)设置在排气系统(1)上，第二换热器具有与第一导热性不同的导热性。通过按本发明的结构热电发电机(3、4)能在内燃机的明显更宽的工作点范围上发电。

Description

用于内燃机的排气系统
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的排气系统。
背景技术
对于技术领域例如参阅欧洲权利申请EP1475532A2。由该申请已知具有抽吸装置和排气装置的内燃机，其中排气装置和抽吸装置通过废气导回装置彼此导气地连接。热电发电机设置在废气导回装置上，以便由废气热量获得电流。为了保证优化的热量通过废气导回管输送至热电发电机，在热电发电机之前或之后在废气导回管中设置阀，所述阀与工作点相关地由控制器控制。为了得到在热电发电机的热侧与冷侧之间的优化的温度差，热电发电机以其冷侧连接到冷却剂回路上。
另外由日本公开文件JP7012009A2已知热电发电机设置在内燃机的排气系统上，本发明由该公开文件出发，其中排气管划分成多个并联地导气的支路。在这些支路的每一个上设置两个热电发电机，因此在最小的排气背压中能够得到优化的发电。另外通过这种分支的排气系统能明显节省结构空间。
由现有技术已知的对于热电发电机的布置的缺点是，内燃机的相对窄的转速范围或负载范围，在该范围中热电发电机优化地工作，因为效率非常明显地与废气温度有关。另外在内燃机在高的转速范围或负载范围中运行较长的时间的情况下，存在过热的危险。
发明内容
本发明目的是，避免上述缺点以及改善用热电发电机发电的效率。
为此，本发明提供一种用于内燃机的排气系统，第一热电发电机设有热侧和冷侧，热侧设置在排气系统上并且能由内燃机的废气加热并且在热侧与废气流之间设置具有第一导热性的第一换热器，其特征在于：至少第二热电发电机设置在排气系统上，第二热电发电机包括第二换热器，第二换热器的导热性与第一导热性不同。
在最简单的实施形式中，具有导热性较小的换热器的热电发电机设置在离内燃机较近并且具有导热性较高的换热器的第二热电发电机设置在离内燃机较远。通过这种措施防止，第一热电发电机由于用过热的废气的过热而毁坏，同时具有较高导热性的换热器的第二热电发电机通过按本发明的措施在较低温度的情况中具有较高的效率，该第二热电发电机与已经冷却的较冷的废气处于作用连接。
按特别优选的第一实施形式，排气系统至少具有沿废气的流动方向依次设置的第一和第二旁路，第一热电发电机沿废气的流动方向设置在第一旁路中并且第二热电发电机设置在第二旁路中并且在至少一个旁路中设置用于废气的封闭元件。
优选地，第一热电发电机具有带有较小的导热性的换热器并且第二热电发电机具有带有较大的导热性的换热器。通过这样的设置结构得到在发电时非常良好的效率。
按特别优选的第二实施形式，其中排气系统具有旁路，第一和第二热电发电机彼此并联地设置在旁路中，每个热电发电机能由废气加热，给至少一个热电发电机配设用于废气的封闭元件。
优选地，内燃机的废气具有与工作点有关的较冷或较热的温度，其中，所述封闭元件能被转换，使得较热的废气能引导至具有导热性较小的换热器的热电发电机。通过这样的设置结构对于特别优选的第二实施形式便也得到在发电时非常良好的效率。
有利的是，所述封闭元件能由控制器控制。该控制措施是特别优选的。如果控制器是内燃机控制器，那么这按有利的方式也是特性场控制。
优选地，热电发电机的冷侧连接到冷却剂循环内。通过这样的设置结构得到在热电发电机的热侧与冷侧之间的优化的温度降。
优选地，另一个封闭元件设置在排气系统中并且所述另一个封闭元件能被转换，使得所有废气流过旁路。通过这样的设置结构实现非常快地加热热电发电机。
附图说明
下面借助在两幅图中的两个特别优选的实施例详细解释本发明。
图1示意显示用于内燃机的排气系统的本发明的第一实施形式；
图2示意显示用于内燃机的排气系统的本发明的第二实施形式。
具体实施方式
下面相同的附图标记对于在两个附图中的相同的构件有效。
热电发电机(TEG)下面理解成半导体构件，该半导体构件在热侧和冷侧之间存在温度差的情况下产生电流。因为热电发电机已经由现有技术充分已知，所以该热电发电机在本申请中不详细解释。另外热电发电机可以理解成单个的半导体构件以及由多个单个的半导体构件连接成组。
图1示意地显示用于内燃机2的按本发明的排气系统1的第一实施例。在开始为双管式的排气系统1设置在内燃机2上，其中每个管配设一个废气净化装置10。在内燃机2的废气的流动方向上在废气净化装置10之后，排气系统1设计成单管式的。紧接着，排气系统具有第一旁路1′，在该旁路中设置第一热电发电机3。在第一热电发电机3之后在旁路1′中设置封闭元件5。在封闭元件5之后第一旁路1′又导气地通入排气系统1中。紧接着，排气系统1具有第二旁路1″，在该旁路中设置第二热电发电机4。在第二旁路1″又导气地通入排气系统1之前，在第二热电发电机4之后在第二旁路中同样设置封闭元件5。紧接着在排气系统1中沿废气的流动方向首先设置未标数字的中间消声器并且紧接着设置同样未标数字的后消声器。另外并联于第二旁路1″地在排气系统1中设置用于排气系统1的封闭元件5′。
封闭元件5、5′可由控制器6例如内燃机控制器优选与内燃机的工作点有关地在特性场上控制。热电发电机3、4的热侧设置在排气系统1上并且可由内燃机2的废气加热，而热电发电机3、4的冷侧在本实施例中与冷却剂循环7处于作用连接。冷却剂循环7具有用于输送冷却剂的冷却剂泵8以及两个用于冷却冷却剂的换热器9。
每个热电发电机3、4在其热侧与废气流之间具有带有确定的导热性的换热器。按本发明离内燃机较近的热电发电机3的换热器的导热性比第二热电发电机4的换热器的导热性小。通过排气系统1的按本发明的结构，第一热电发电机3比第二热电发电机4用更热的废气加载。由于换热器的不同的导热性补偿如下效果，即废气在排气系统1的长度上的冷却，因此用于获得整个结构的发电的效率明显增大。如果废气在内燃机的确定的工作点中过热，那么在第一热电发电机3之后的封闭元件5封闭，以可靠地避免过热。热的废气现在仅通过第二热电发电机4引导，该第二热电发电机由于当时冷却的废气可总是完全使用。如果内燃机的转速和/或负载还继续升高，那么通过第二热电发电机4的废气流也可利用在第二热电发电机4之后的封闭元件5切断。从而可靠地防止两个热电发电机3、4受到过热。通过在排气系统1中的封闭元件5′，按有利的方式整个废气质量流可通过热电发电机3、4引导，用于尽可能快地加热以发电。
在其它的实施例中，在其它的旁路中也可以设置另外的热电发电机，所述其它旁路又具有带有不同导热性的换热器。在确定的情况下也可以放弃冷却剂循环7，例如在设置空气冷却装置的情况下。所述两个换热器9降到唯一的大的换热器或者更多个较小的换热器也是可能的。废气净化系统10在另外的实施例中可以集成在排气系统1的其它的位置上。封闭元件5、5′的布置在另外的实施例中也可以这样构成，使得所述封闭元件例如沿废气的流动方向设置在热电发电机3、4之前。例如排气翻盖或转盘也可以用作为封闭元件5、5′。优选排气系统1和旁路1′、1″为了最小的流动损失具有相同的废气通流横截面。
图2示意地显示用于内燃机2的按本发明的排气系统1的尤其优选的第二实施例。尤其优选的第二实施例与在图1中尤其优选的第一实施例的区别在于，热电发电机3、4、11(在本实施例中采用三个热电发电机)彼此并联地设置在唯一的分支的旁路1″′中。如已经在特别优选的第一实施例中的那样，在特别优选的第二实施例中热电发电机3、4、11也分别具有带有不同的导热性的换热器。从而废气可以借助于沿废气的流动方向设置在热电发电机3、4、11之后的封闭元件5，根据内燃机的运行状态即与转速或要求的转矩有关地，从而按照废气温度，相应通过一个或两个或在排气系统1的封闭元件5′封闭的情况下通过所有三个热电发电机3、4、11引导。如果由于内燃机的运行状态通过高的载荷或转速要使得废气过热，以至至少热电发电机3、4、11会热毁坏，那么各封闭元件5完全封闭，其中如在第一实施例中描述的那样，热的废气流过排气管1。从而可靠地避免热电发电机3、4、11的热毁坏。另外对于特别优选的第一实施例的所有解释也适用于特别优选的第二实施例。
特别优选的第二实施例的实际结构如下可见：
第一热电发电机3：非常强的热气换热器(例如高的肋片密度)，在具有按本发明的排气系统1的车辆的30-70km/h的范围中热电发电机3的最大功率。
第二热电发电机4：热气换热器的相对于第一级降低的功率(例如降低的肋片密度、肋片类型)，在具有按本发明的废气系统1的车辆的70至130km/h的范围中热电发电机的最大功率。
第三热电发电机11：非常弱的热气换热器，在具有按本发明的废气系统1的车辆的130至180km/h的范围中热电发电机的最大功率。
总体上通过排气系统1的按本发明的结构得到如下优点：
相对单级的热电发电机明显更广泛的应用范围。
通过优化的低温热电发电机(具有非常良好的导热性的换热器)也用在城市交通或低载荷阶段中(速度范围大约30至大约70km/h)。
通过优化的高温热电发电机(具有非常小的导热性的换热器)即使在相对高的速度中热回收也是可能的，通过弱的热气换热器而没有热电材料的过载、没有背压问题(大约130至大约180/h的速度)。
在中等速度范围中(速度范围大约70至大约130km/h)优化热电发电机，目的是得到在最经常行驶的速度窗中的优化的总体利用。
附图标记列表
1     排气系统
1′   第一旁路
1″   第二旁路
1″′ 第三旁路
2     内燃机
3     第一热电发电机
4     第二热电发电机
5     封闭元件
5′   排气系统的封闭元件
6     控制器
7     冷却剂循环
8     冷却剂泵
9     换热器
10    废气净化装置
11    第三热电发电机

Claims (8)

1.用于内燃机(2)的排气系统(1)，第一热电发电机(3)设有热侧和冷侧，热侧设置在排气系统(1)上并且能由内燃机(2)的废气加热并且在热侧与废气流之间设置具有第一导热性的第一换热器，其特征在于：至少第二热电发电机(4)设置在排气系统(1)上，第二热电发电机包括第二换热器，第二换热器的导热性与第一导热性不同。
2.按权利要求1所述的排气系统，其特征在于：排气系统(1)至少具有沿废气的流动方向依次设置的第一和第二旁路(1′、1″)，第一热电发电机(3)沿废气的流动方向设置在第一旁路(1′)中并且第二热电发电机(4)设置在第二旁路(1″)中并且在至少一个旁路(1′、1″)中设置用于废气的封闭元件。
3.按权利要求2所述的排气系统，其特征在于：第一热电发电机(3)具有带有较小的导热性的换热器并且第二热电发电机(4)具有带有较大的导热性的换热器。
4.按权利要求1所述的排气系统，其中排气系统具有旁路，其特征在于：第一和第二热电发电机(3、4)彼此并联地设置在旁路(1′)中，每个热电发电机(3、4)能由废气加热，给至少一个热电发电机(3、4)配设用于废气的封闭元件(5)。
5.按权利要求2或4所述的排气系统，内燃机的废气具有与工作点有关的较冷或较热的温度，其特征在于：所述封闭元件(5)能被转换，使得较热的废气能引导至具有导热性较小的换热器的热电发电机(3、4)。
6.按权利要求5所述的排气系统，其特征在于：所述封闭元件(5)能由控制器(6)控制。
7.按权利要求1至4任一项所述的排气系统，其特征在于：热电发电机(3、4)的冷侧连接到冷却剂循环(7)内。
8.按权利要求2至4任一项所述的排气系统，其特征在于：另一个封闭元件(5′)设置在排气系统(1)中并且所述另一个封闭元件(5′)能被转换，使得所有废气流过旁路(1′、1″)。
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