CN106677869B - 用于车辆的热回收装置及其总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车辆的排气热回收总成，包含：排气管路节段；冷却液管路节段；以及热膨胀支架，其中热膨胀支架位于排气管路节段和冷却液管路节段之间，热膨胀支架与排气管路节段和冷却液管路节段相连接并限定排气管路节段到冷却液管路节段的之间的垂直距离。

Description

用于车辆的热回收装置及其总成

【技术领域】

本发明涉及一种用于车辆的热回收装置及其总成。

【背景技术】

通常，人们希望在车辆冷起动情况期间，尽快使发动机温度上升并达到预定温度以实现较高的燃料经济性。但是发动机升温难以在期望的较短时间内实现。此外，在冷气候条件期间，可能存在车厢加热的需求，这也会延长发动机在达到最佳温度之前的运行时间。另一方面，发动机排气中的热量没有得到有效的利用。

【发明内容】

根据本发明的一个方面，公开了一种用于车辆排气和发动机冷却液回路之间的热交换的热回收装置，包含：容纳冷却液管道的冷却液管路节段；以及沿冷却液管路节段的长度设置的热膨胀支架；其中热膨胀支架的两个端部连接至冷却液管路阶段。

在一个实施例中，热膨胀支架包括具有带有第一热膨胀系数的第一层和带有第二热膨胀系数的第二层的双金属片，第二热膨胀系数小于第一热膨胀系数，且第二层位于第一层和冷却液管路节段之间。

在一个实施例中，冷却液管路节段包括刚性材料，并在与热膨胀支架相对的表面成型为凹面。

在一个实施例中，热膨胀支架的中间部分连接至车辆的排气系统中的排气管路节段。

在一个实施例中，在冷状态下热膨胀支架基本与排气管路节段和冷却液管路节段平行，在热状态下热膨胀支架侧位移增加排气管路节段和冷却液管路节段之间的垂直距离。

根据本发明的另一个方面，公开了一种用于车辆的排气热回收总成，包含：排气管路节段；冷却液管路节段；以及热膨胀支架，其中热膨胀支架位于排气管路节段和冷却液管路节段之间，热膨胀支架与排气管路节段和冷却液管路节段相连接并限定排气管路节段到冷却液管节路段的之间的垂直距离。

在一个实施例中，热膨胀支架包括双金属片。

在一个实施例中，双金属片包括具有第一热膨胀系数的第一层和具有第二热膨胀系数的第二层，第一热膨胀系数大于第二热膨胀系数，第一层位于排气管路节段和第二层之间。

在一个实施例中，第一层是铜和第二层是钢。

在一个实施例中，双金属片包括具有第一热膨胀系数的第一层和具有第二热膨胀系数的第二层，第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数，第二层的两个末端与冷却液管路节段和排气管路节段中的一个相连接，第一层的中间部分与冷却液管路节段和排气管路节段中的另一个相连接。

在一个实施例中，热膨胀支架的两个末端与排气管路节段和冷却液管路节段中的一个连接，且热膨胀支架中间部分与排气管路节段和冷却液管路节段中的另一个连接。

在一个实施例中，热膨胀支架通过沿纵向间隔开的第一连接器和第二连接器与排气管路节段和冷却液管路节段中的一个连接，并通过沿纵向位于第一连接器和第二连接器之间的第三连接器连接至排气管路节段和冷却液管路节段中的另一个。

在一个实施例中，排气管路节段为排气管路的一部分。

在一个实施例中，排气管路节段为排气管热遮罩。

在一个实施例中，冷却液管路节段为可容纳冷却液管路的刚性部件。

在一个实施例中，冷却液管路节段与发动机冷却液回路流体连通并构成发动机冷却液回路的至少一部分。

在一个实施例中，冷却液管路节段与车厢加热器芯子流体连通

在一个实施例中，热膨胀支架具有基本线性的结构,在冷状态下热膨胀支架基本与排气管路节段和冷却液管路节段平行，在热状态下热膨胀支架位移增加排气管路节段和冷却液管路节段之间的垂直距离。

根据本发明的另一个方面，公开了一种用于车辆的排气热回收系统，包含：发动机排气管路；通过发动机的冷却液回路；以及排气热回收总成，排气热回收总成包括热膨胀支架，其中所述热膨胀支架位于排气管路的一个排气管路节段和冷却液回路的一个冷却液管路节段之间并在其长的方向延伸，所述热膨胀支架与所述排气管路节段和冷却液管路节段相连接并限定所述排气管路节段到所述冷却液管节路段的之间的垂直距离。

在一个实施例中，所述冷却液回路包括加热器芯子，冷却液通过所述加热器芯子传输来自冷却液的热量至乘客车厢。

单独或结合附图阅读下面的具体实施方式，本发明的上述优点和其它优点以及特征将变得显而易见。

【附图说明】

为了更加完整地理解本发明的实施例，应参考在附图中更为详细地说明以及下文中通过示例描述的实施例，其中：

图1的框图示意性说明了包括本发明一个实施例的热回收系统的车辆。

图2A示意性说明了本发明一个实施例的车辆排气热回收总成，其中热膨胀支架处于冷状态。

图2B示意性说明了图2A中所示的车辆排气热回收总成，其中热膨胀支架处于热状态。

图3示意性说明了根据本发明的一个实施例的车辆排气热回收装置的截面示意图。

图4A为车辆排气热回收总成的另一实施例的示意图，其中热膨胀支架处于冷状态。

图4B为车辆排气热回收总成的另一实施例的示意图，其中热膨胀支架处于热状态。

图5A为车辆排气热回收总成的再一实施例的示意图，其中热膨胀支架处于冷状态。

图5B为车辆排气热回收总成的再一实施例的示意图，其中热膨胀支架处于热状态。

【具体实施方式】

对于附图中的标号，相同或类似的标号用于指示相同或类似的部件。在下文的描述中，在多个实施例中描述了多个操作参数和部件。这些具体的参数和部件仅作为示例包括在本文中而并不意味着限定。

发明人认识到由于对改进发动机燃料经济性的要求，需要提供一种发动机废热回收系统，其能够利用发动机排气的废热以缩短发动机达到最佳运行温度的时间，并且能充分利用车辆内的有限空间，从而满足现代车辆设计中对封装空间的要求。

本说明书描述了一种用于车辆的热回收装置及总成其利用设置于排气管路节段和冷却液管路阶段之间的热膨胀支架，能够根据不同温度实现对排气废热的差异化利用，例如在冷状态下使更多的热量从排气转移至发动机冷却液，而在热状态下减少热量从排气转移至发动机冷却液的转移。本发明的发动机废热回收系统能够充分利用发动机排气中的热量使发动机冷却液迅速升温至发动机优化运行所需的温度，并能够改善车辆气候系统的性能(例如加热、除霜性能)而无需额外的热源例如PTC加热器等。同时，由于采用了体积较小的热膨胀支架，无需使用结构复杂、体积更大的排气热交换器，即使封装空间十分有限的小型车也能够采用本发明。

图1示意性说明了包括本发明一个实施例的排气热回收总成的车辆。排气热回收总成包含：排气管路节段，冷却液管路节段，以及位于排气管路节段和冷却液管路节段之间的热膨胀支架。其中热膨胀支架与排气管路节段和冷却液管路节段相连接，并限定了排气管路节段到冷却液管节段之间的垂直距离。

出于说明目的，本发明的说明书及附图中参照常见的内燃发动机10作为驱动源的车辆对热回收总成100进行了描述。应理解，此热回收总成100也可用于其它类型的车辆，例如但不限于混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)等。

参见图1，车辆1可包括发动机10。发动机10运行过程排出燃烧过的气体(总体上气流以空心箭头表示)，高温的排气115通过排气系统被导引到发动机10外部。排气系统可包括于减少污染排放和降低噪声的各种部件(未显示)和和排气115通过的排气管路。当排气115流动通过排气系统时，将热量传输给排气系统的各种部件、排气管路和周围环境。

在发动机10运转期间，由于燃烧过程和运动部件的摩擦导致发动机10的温度升高。具有内燃发动机10的车辆1可包括总体上冷却液流体以细箭头表示的发动机冷却液回路190以控制发动机10的温度及调节车辆的车厢温度。发动机冷却液回路190可包括泵(未显示)以使冷却液125在发动机冷却液回路190内循环。通过发动机冷却液回路190的冷却液125流动通过发动机10时与发动机进行热交换。在一个或多个实施例，通过发动机10的冷却液125可包括干路190c以及两个冷却液回路190a和190b。可进一步包括阀门180以根据冷却液125的温度调节冷却液125在冷却液车厢支路190a和冷却液散热器支路190b之间的分配。可选地，可进一步包括控制器170以控制阀门180的调节以调节冷却液流量的分配。在冷却液车厢支路190a，冷却液125可流动通过加热器芯子160以将来自冷却液125的热量传输给乘客车厢。冷却液125还可流动通过冷却液散热器回路190b。在此回路中，冷却液125通过与环境进行热交换的散热器140。散热器140可降低冷却液的温度，有助于将发动机10的温度保持在设定的最大温度之下以防止发动机10过热。在另一个实施例中，散热器140和加热器芯子160可均设置在发动机冷却液回路190的单个支路中。

在本发明的一个或多个实施例中，提供连接至排气管道和冷却液管道的排气热回收总成100。排气热回收总成100包括热膨胀支架130，其能根据其周围温度自动调节排气管路节段110到冷却液管路节段120之间的垂直距离。因此，排气热回收总成可使得排气系统和冷却液系统进行期望的热交换。例如，当冷却液125温度低于发动机温度时，冷却液125吸收来自发动机10的热量。当流动至发动机10的冷却液125的温度大于发动机温度，热量可从冷却液125被传输至发动机10。例如在冷起动情况期间，冷却液125温度可近似于环境温度。通过排气热回收总成100，冷却液125吸收排气的热量，从而能够将热量传递给发动机10，使发动机10的温度升高得更快。通过用排气废热加热发动机冷却液125，可比在不存在排气热回收总成100的情况下更快地加热发动机10。随着发动机10的温度上升到最佳工作温度，例如90摄氏度，可能需要减少甚至消除从排气115传递给发动机冷却液125的热量，以防止发动机10的温度超过其最大温度并导致发动机10过热。在本发明的一个或多个实施例中，排气热回收总成100使排气管路节段到冷却液管节段之间的垂直距离增加以减少从排气传递至发动机冷却液125的热量。图2-5具体描述了本发明排气热回收总成的一个或多个实施例。

参考图2A至2B，热回收系统可包括热回收总成200。热回收总成200连接到排气系统和冷却液系统。在一个实施例中，热回收总成200包括排气管路节段110，冷却液管路节段120，和设置在排气管路节段110和冷却液管路节段120之间的热膨胀支架230。热膨胀支架230可沿基本与排气管路节段110或冷却液管路节段120长度方向平行的方向(纵向“L”)在排气管路节段110和冷却液管路节段120之间延伸。图2A示意性说明了处于冷状态的排气热回收总成230。图2B示意性说明了处于热状态的排气热回收总成200。当热膨胀支架230处于如图2A所示的冷状态时，排气管路节段110和冷却液管路节段120之间的垂直距离“W”较小，从而使得较多的热量从排气管路节段110传递至冷却液管路阶段120。当处于如图2B所示的热状态时，热膨胀支架230膨胀伸长。因为热膨胀支架230的两个端部固定，热膨胀支架230只能在与纵向“L”垂直的方向位移使得排气管路节段110和冷却液管路节段120之间的垂直距离“W”变大。因而，较少的热量从排气管路节段110传递至冷却液管路阶段120。

在一个或多个实施例中，热膨胀支架230可包括双金属片(bimetallic strip)。常见地，双金属片可由两片具有不同热膨胀特性的金属片构成，其能够将温度改变转换为机械位移。具体地，如图2A所示，热膨胀支架230可包括第一层210和第二层220，第一层210具有第一热膨胀系数C1，而第二层220具有第二热膨胀系数C2,其中第一热膨胀系数C1大于第二热膨胀系数C2。在一个非限定实施例中，第一层210的材料可包括铜而第二层220的材料可包括钢。第一层210和第二层220可在纵向“L”沿其整个长度连接在一起，例如通过铆接、焊接、铜焊(brazing)等本领域常见的成型双金属片的方法。

这样，当处于冷状态时，例如当车辆冷起动时，热膨胀支架230的第一层210和第二层220可沿纵向“L”具有几乎相同的尺寸，可具有例如基本线性的结构，并与排气管路节段110和冷却液管路节段120保持基本平行。随着车辆起动，冷却液温度上升，导致热膨胀支架230温度上升。此时，由于第一层210的第一热膨胀系数C1大于第二层220的第二热膨胀系数C2，在热状态下第一层210的体积膨胀较大，而第二层220的体积膨胀较小，使得热膨胀支架230变形弯曲，产生如图2B示意性显示的侧位移，并导致排气管路节段110和冷却液管路节段120之间的垂直距离“W”变大。这样，能够减少或消除从排气管路节段110传递至冷却液管路节段120的热量，防止冷却液125温度过高，并进一步防止发动机10过热。

在图2A-2B所示的实施例中，第一层210可相较于第二层220更靠近排气管路节段110。即，第一层210可位于第二层220和排气管路节段110之间，或者第二层220可位于第一层210和冷却液管路阶段120之间。这种设置的优点尤其在于由于具有较大热膨胀系数C1的第一层210更加靠近温度较高的排气管路节段110，其易受到排气管路节段110的影响而发生更大的变形，从而减少热量从排气管道的传递至冷却液以防止发动机过热。

在一个或多个实施例中，热膨胀支架230可在其两个端部连接至冷却液管路节段120，并在位于这两个端部之间的中间部分连接至排气管路节段110。例如，热膨胀支架230可具有沿纵向“L”间隔开并分别将第二层220的两个末端连接至冷却液管路节段120的第一连接器232和第二连接器240、以及沿纵向“L”位于第一连接器232和第二连接器240之间并将第一层210的中间部分连接至排气管路节段110的第三连接器250。第一、第二、及第三连接器232、240、250与多个部件的连接可分别独立地通过例如焊接、铆接、粘接等多种方式实现。此外，第一连接器232可包括分别连接至冷却液管路节段120和排气管路节段110的阳接头和阴接头(未显示)，二者可通过例如螺纹连接、卡扣连接等方式相互可拆卸地连接。同样，第二连接器240和第三连接器250也可具有相类似的结构。这样，能够实现热膨胀支架230与冷却液管路节段120和排气管路节段110的可拆卸连接。在另一实施例中，热膨胀支架230可直接通过例如焊接、铆接、粘接等多种方式与冷却液管路节段120和排气管路节段110。即，第一、第二、及第三连接器可以是例如焊接、铆接、粘接的连接点。参考图1，图2A和图2B，车辆可包括防止排气管的热量传递至车辆其它部件的热遮罩。热遮罩可与排气管相邻且可为刚性结构。在一个实施例中，排气管路节段110可为排气管热遮罩的一部分。热膨胀支架230可连接至排气管热遮罩。排气的热量通过排气管热遮罩与热膨胀支架230进行热交换。这种结构能够利用车辆中的现有结构而无需对排气管进行重新设计，从而降低了生产制造成本。在另一实施例中，根据需要，排气管路节段110也可为排气管路的一部分。热膨胀支架230能够连接至该排气管路节段110而无需为排气管热遮罩留出空间。

在一个实施例中，冷却液管路节段120可为冷却液回路190的一部分。即，冷却液管路节段120与发动机冷却液回路190流体连通，并构成了发动机冷却液回路190的一部分。在一个实施例中，由于与热膨胀支架230连接的需要，冷却液管路节段120可为刚性结构的管路。更进一步地，冷却液管路节段120可连接在冷却液回路190的车厢支路190a中，并与加热器芯子160流体连通。应理解，在另外一个或多个实施例中，根据需要，冷却液管路节段120也可连接在冷却液回路190的散热器支路190b中，或者也可连接在冷却液回路190的其它支路或干路190c中。

图3是显示本发明的一个实施例的热回收装置310的截面图。热回收装置310包括冷却液管路节段320和热膨胀支架330。在一个实施例中，热回收装置310的纵向(L)结构和图2A及图2B所示的结构类似。在一个实施例中，冷却液管路节段320可包括刚性材料，并在与热膨胀支架330相对的表面成型为凹面以容纳冷却液管道。冷却液管路节段320的两个端部可通过连接器350或其它方式(例如焊接、铆接、粘接)与热膨胀支架330连接成为一个整体。冷却液管路的一部分能够放置在冷却液管路节段320的凹面中，从而无需改变冷却液管路的结构。这种结构在空间有限的小型车辆的情况下尤为有利，因为在某些实例中冷却液管路可能采用柔性管道(例如塑料或橡胶软管)以充分利用有限的空间。本实施例的结构可直接利用冷却液管路的现有结构，而无需将冷却液管路的一部分成型为刚性结构并连接至热膨胀支架，从而实现了对较小空间的最佳利用。

图4A-4B为根据本发明的另一个实施例的排气热回收总成400的的示意图。如图4A-4B所示，热膨胀支架430可在其两个端部连接至排气管路节段110，并在位于这两个端部之间的中间部分连接至冷却液管路节段120。具体地，第一连接器432和第二连接器440可分别将第二层420的两个末端连接至排气管路节段110，而第三连接器450可将第一层410的中间部分连接至冷却液管路节段120。在另一实施例中，热膨胀支架430可直接通过例如焊接、铆接、粘接等多种方式与冷却液管路节段120和排气管路节段110连接而不需要第一、第二、及第三连接器。

热膨胀支架430处于如图4A所示的冷状态时，排气管路节段110和冷却液管路节段120之间的垂直距离“W”较小，从而使得较多的热量从排气管路节段110传递至冷却液管路阶段120。当处于如图4B所示的热状态时，热膨胀支架430膨胀伸长。因为热膨胀支架430的两个端部固定，热膨胀支架430只能在与纵向“L”垂直的方向位移使得排气管路节段110和冷却液管路节段120之间的垂直距离“W”变大。因而，较少的热量从排气管路节段110传递至冷却液管路阶段120。

图5A-5B为根据本发明的另一个实施例的排气热回收总成500的示意图。如图5A-5B所示，热膨胀支架530可采用不同于双金属片的结构。例如,其可仅包括具有单一较大热膨胀系数的材料。类似地，其可通过第一、第二连接器532、540连接至排气管路节段110，并通过第三连接器550连接至冷却液管路节段120。这样，在如图5A所示的冷状态下，热膨胀支架530可相对于排气管路节段110和冷却液管路节段120保持基本平行。排气管路节段110和冷却液管路节段120之间的垂直距离“W”较小，从而使得较多的热量从排气管路节段110传递至冷却液管路阶段120。当处于如图5B所示的热状态时，热膨胀支架530膨胀伸长。因为热膨胀支架530的两个端部固定，热膨胀支架530只能在与纵向“L”垂直的方向位移使得排气管路节段110和冷却液管路节段120之间的垂直距离“W”变大。因而，较少的热量从排气管路节段110传递至冷却液管路阶段120。

应理解，在可替代实施例中，热膨胀支架530也可通过第一、第二连接器在其两个端部连接至冷却液管路节段120，并通过第三连接器在其中间部分连接至排气管路节段110。

如本说明书所陈述的,本发明通过一个或多个实施例提供了一种用于车辆的热回收装置及总成。然而应理解，本领域中的技术人员可以对这些具体实施例进行多种改变、修改和变化而不脱离本发明权利要求限定的实质和范围。

Claims (20)

1.一种用于车辆排气和发动机冷却液回路之间的热交换的热回收装置，包含：

容纳冷却液管道的冷却液管路节段；以及

沿所述冷却液管路节段的长度设置的热膨胀支架；其中

所述热膨胀支架的两个端部连接至所述冷却液管路节段，所述热膨胀支架的中间部分与排气管路节段连接，所述排气管路节段与所述冷却液管路节段隔开一定距离，

所述热膨胀支架构造成响应于温度的升高而变形，以增大所述距离从而减少所述冷却液管路节段和所述排气管路节段之间的热量传输。

2.根据权利要求1所述的热回收装置，其中，所述热膨胀支架包括具有带有第一热膨胀系数的第一层和带有第二热膨胀系数的第二层的双金属片，所述第二热膨胀系数小于所述第一热膨胀系数，且所述第二层位于所述第一层和所述冷却液管路节段之间。

3.根据权利要求1所述的热回收装置，其中，所述冷却液管路节段包括刚性材料，并在与所述热膨胀支架相对的表面成型为凹面。

4.根据权利要求1所述的热回收装置，其中，所述热膨胀支架的中间部分连接至车辆的排气系统中的所述排气管路节段。

5.根据权利要求4所述的热回收装置，其中，在冷状态下所述热膨胀支架基本与所述排气管路节段和所述冷却液管路节段平行，在热状态下所述热膨胀支架侧位移增加所述排气管路节段和所述冷却液管路节段之间的垂直距离。

6.一种用于车辆的排气热回收总成，包含：

排气管路节段；

冷却液管路节段；以及

热膨胀支架，其中所述热膨胀支架位于所述排气管路节段和所述冷却液管路节段之间，所述热膨胀支架与所述排气管路节段和冷却液管路节段相连接并限定所述排气管路节段到所述冷却液管节路段的之间的垂直距离，所述热膨胀支架的两个末端与所述排气管路节段和所述冷却液管路节段中的一个连接，且所述热膨胀支架中间部分与所述排气管路节段和所述冷却液管路节段中的另一个连接。

7.根据权利要求6所述的排气热回收总成，其中，所述热膨胀支架包括双金属片。

8.根据权利要求7所述的排气热回收总成，其中，所述双金属片包括具有第一热膨胀系数的第一层和具有第二热膨胀系数的第二层，所述第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数，所述第一层位于所述排气管路节段和所述第二层之间。

9.根据权利要求8所述的排气热回收总成，其中第一层是铜和第二层是钢。

10.根据权利要求7所述的排气热回收总成，其中所述双金属片包括具有第一热膨胀系数的第一层和具有第二热膨胀系数的第二层，所述第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数，所述第二层的两个末端与所述冷却液管路节段和所述排气管路节段中的一个相连接，所述第一层的中间部分与所述冷却液管路节段和排气管路节段中的另一个相连接。

11.根据权利要求6所述的排气热回收总成，其中，所述热膨胀支架构造成响应于温度的升高而变形以增加所述垂直距离。

12.根据权利要求11所述的排气热回收总成，其中，所述热膨胀支架通过沿纵向间隔开的第一连接器和第二连接器与所述排气管路节段和所述冷却液管路节段中的一个连接，并通过沿纵向位于所述第一连接器和所述第二连接器之间的第三连接器连接至所述排气管路节段和所述冷却液管路节段中的另一个。

13.根据权利要求6所述的排气热回收总成，其中，所述排气管路节段为排气管路的一部分。

14.根据权利要求6所述的排气热回收总成，其中，所述排气管路节段为排气管热遮罩。

15.根据权利要求6所述的排气热回收总成，其中，所述冷却液管路节段为可容纳冷却液管路的刚性部件。

16.根据权利要求6所述的排气热回收总成，其中，所述冷却液管路节段与发动机冷却液回路流体连通并构成所述发动机冷却液回路的至少一部分。

17.根据权利要求16所述的排气热回收总成，其中，所述冷却液管路节段与车厢加热器芯子流体连通。

18.根据权利要求6所述的排气热回收总成，其中，所述热膨胀支架具有基本线性的结构,在冷状态下所述热膨胀支架基本与所述排气管路节段和所述冷却液管路节段平行，在热状态下所述热膨胀支架位移增加所述排气管路节段和所述冷却液管路节段之间的垂直距离。

19.一种用于车辆的排气热回收系统，包含：

发动机排气管路；

通过发动机的冷却液回路；以及

排气热回收总成，排气热回收总成包括热膨胀支架，其中所述热膨胀支架位于排气管路的一个排气管路节段和冷却液回路的一个冷却液管路节段之间并在其长度的方向延伸，所述热膨胀支架与所述排气管路节段和冷却液管路节段相连接并限定所述排气管路节段到所述冷却液管节路段之间的垂直距离，所述热膨胀支架的两个末端与所述排气管路节段和所述冷却液管路节段中的一个连接，且所述热膨胀支架中间部分与所述排气管路节段和所述冷却液管路节段中的另一个连接。

20.根据权利要求19所述的排气热回收系统，其中所述冷却液回路包括加热器芯子，冷却液通过所述加热器芯子以传输来自冷却液的热量至乘客车厢。

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