用于油温控制的热电装置.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103306786 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103306786 A *CN103306786A* (21)申请号 201310074566.4 (22)申请日 2013.03.08 1204083.8 2012.03.08 GB F01N 5/02(2006.01) F01P 11/08(2006.01) (71)申请人 福特环球技术公司 地址 美国密歇根州 (72)发明人 R海伦 - 劳伦曾 IG派格 (74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 代理人 赵蓉民 (54) 发明名称 用于油温控制的热电装置 (57) 摘

2、要 本公开描述了通过用热电装置加热机油而提 高发动机暖机速度并且用该热电装置利用机油和 排气之间的温度梯度发电的系统和方法。本发明 公开了一种车辆发动机， 其包括 ： 机油储藏器 ； 排 气系统 ； 以及具有热侧和冷侧并连接到电池的热 电装置， 其中该热电装置构造成使得热侧热耦合 到排气系统， 而冷侧热耦合到机油储藏器。 分流阀 和通道设置在排气系统中， 以选择地输送排气到 位于机油储藏器中或其附近的热电装置。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附

3、图2页 (10)申请公布号 CN 103306786 A CN 103306786 A *CN103306786A* 1/2 页 2 1. 一种车辆发动机， 包括 ： 机油储藏器 ； 排气系统 ； 以及 热电装置， 其具有热耦合到所述排气系统的热侧和热耦合到所述机油储藏器的冷侧， 并且所述热电装置连接到电池。 2. 根据权利要求 1 所述的车辆发动机， 其中所述热电装置可以第一模式操作， 在所述 第一模式中所述热侧和所述冷侧之间的温差用于产生储存在所述电池中的电。 3. 根据权利要求 1 所述的车辆发动机， 其中所述热电装置可以第二模式操作， 在所述 第二模式中当来自所述电池的电施加于所述热电

4、装置时， 所述热电装置形成温差以在所述 机油储藏器中产生热。 4. 根据权利要求 1 所述的车辆发动机， 其中所述机油储藏器包括干底壳， 并且其中所 述热侧直接耦合到所述排气系统的通道的壁， 在其间没有其他部件， 并且其中所述冷侧直 接耦合到所述机油储藏器的壁， 在其间没有其他部件。 5. 根据权利要求 1 所述的车辆发动机， 其中所述机油储藏器包括外表面部分， 所述外 表面部分基本为平面以允许与所述热电装置密切接触。 6. 根据权利要求 1 所述的车辆发动机， 其中所述机油储藏器包括内表面部分， 所述内 表面部分包括至少一个翼片以帮助所述机油储藏器和所述热电装置之间的热交换。 7. 根据权利

5、要求 1 所述的车辆发动机， 其中所述排气系统包括分流通道部件， 其适于 将排气从所述排气系统输送给所述热电装置。 8. 根据权利要求 7 所述的车辆发动机， 其中所述分流通道包括一个或更多个翼片部 件， 以帮助所述分流通道部件和所述热电装置之间的热交换。 9. 根据权利要求 1 所述的车辆发动机， 其中所述发动机包括分流阀， 用于选择地引导 排气到所述分流通道。 10. 根据权利要求 9 所述的车辆发动机， 其中所述分流阀选择地可操作用于选择地引 导所述排气到所述热电装置的所述热侧。 11. 根据权利要求 9 所述的车辆发动机， 其中所述分流阀是响应于机油温度而受控的。 12. 根据权利要求

6、 9 所述的车辆发动机， 其中所述分流阀设置在微粒捕集器的下游。 13. 一种系统， 包括 ： 电池 ； 以及 热电装置， 其连接到所述电池并具有热侧和冷侧 ； 机油储藏器， 其热耦合到所述热电装置的所述冷侧 ； 以及 分流阀， 其选择地引导来自排气系统的排气到热耦合于所述热电装置的所述热侧的分 流通道中。 14. 根据权利要求 13 所述的系统， 其中所述机油储藏器包括内表面部分， 所述内表面 部分包括至少一个翼片， 以帮助所述机油储藏器和所述热电装置之间的热交换。 15. 根据权利要求 13 所述的系统， 其中所述分流通道包括至少一个翼片以帮助所述分 流通道和所述热电装置之间的热交换。 1

7、6. 根据权利要求 13 所述的系统， 还包括混合动力车辆。 17. 一种方法， 包括 ： 权 利 要 求 书 CN 103306786 A 2 2/2 页 3 当机油温度在第一阈值以下时用热电装置加热机油 ； 当所述机油温度在所述第一和第二阈值之间时用所述热电装置发电 ； 以及 如果所述机油温度在所述第二阈值以上， 则调整分流阀以将排气输送到排气管中而不 是分流通道中。 18. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中所述第一阈值为 100， 而第二阈值为 160。 19. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中所述第一阈值是 120， 而第二阈值是 140。 20. 根据权利要求 17 所述

8、的方法， 其中发电还包括使用来自跨越所述热电装置在油底 壳中的机油温度和所述分流通道中的排气之间的温差的能量， 其中所述油底壳热耦合到所 述热电装置的冷侧， 而所述分流通道热耦合到所述热电装置的热侧。 权 利 要 求 书 CN 103306786 A 3 1/5 页 4 用于油温控制的热电装置 0001 优先权要求 0002 本申请要求 2012 年 3 月 8 日提交的英国专利申请 No.1204083.8 的优先权， 其全 部内容通过参考合并于此用于所有目的。 技术领域 0003 本申请涉及利用热排气中的能量。 背景技术 0004 本公开涉及控制车辆中的机油温度和 / 或车辆中的发电。具体

9、说， 但不限制于此， 本发明涉及在混合动力车辆中利用热电装置来控制机油温度和发电。 0005 已知的热电效应是直接转化温度差为电压。热电装置具有 “热侧” 和 “冷侧” 并且 在每侧有不同温度时产生电压。 然而， 热电装置也可以以逆模式操作， 其中当电压施加于该 装置时， 该装置产生温度差。 0006 在车辆中使用热电装置用于发电的目的是已知的。冷侧热耦合到热交换器和 / 或 冷却剂源。例如， 在 Reiners 的 US 2009/0139207 中， 排气热施加给热侧， 并且冷侧被冷却 套冷却， 冷却套接收通过热交换器的冷却剂。 0007 车辆中已知的热电装置可以用于发电的目的但不是以逆模

10、式工作。 0008 在冷却剂比机油温度低时实现内燃机的最佳燃料经济性 / 排放物折衷也是已知 的。然而， 在发动机正常运转期间， 机油温度通常类似于冷却剂温度。为了在机油和冷却剂 之间实现较大的温度差， 需要向机油输入大量的热。对于典型的小客车， 该热量约为几千 瓦。 0009 约三分之一的燃料能量是作为排气中的废热而损耗的。 这相比最佳油温也是相对 高的温度， 特别是在发动机暖机时。 0010 当从冷状态起动时， 发动机的燃烧效率减小， 因为冷汽缸体在压缩冲程中从气缸 吸取热。 0011 为了获得最佳燃料经济性改进和对发动机可获得的用于座舱加热的热量， 在新欧 洲行驶循环 （NEDC） 中的

11、第一个 400 秒钟期间超过两千瓦的热输送给机油 （对通常以 25运 行的冷车辆进行的测试循环） 。而且， 混合动力车辆往往具有显著更慢的暖机速率， 并且除 了减速之外， 不能回收废能量。因此希望提供燃料更高效的车辆。希望以低成本方式实现 该目的， 而不削弱其他功能， 如座舱加热、 高热注入到散热器等。 发明内容 0012 提高车辆特别是混合动力车辆的暖机速率是令人期望的。根据本发明的第一方 面， 提供一种车辆发动机， 其包括 ： 机油储藏器 ； 适于从发动机去除排气的排气系统 ： 以及 具有热侧和冷侧的热电装置， 其中该热电装置构造成使得热侧热耦合到来自发动机的排 气， 而冷侧热耦合到机油储

12、藏器。 说 明 书 CN 103306786 A 4 2/5 页 5 0013 本发明描述这样的系统和方法， 其通过用热电装置加热油而增加发动机暖机速 度， 并且用该热电装置利用发动机油和排气之间的温度梯度来发电。本公开描述一种车辆 发动机， 其包括发动机油储藏器 ； 排气系统 ； 以及具有热侧和冷侧并且连接到电池的热电 装置， 其中该热电装置构造成使得热侧热耦合到排气系统， 而冷侧热耦合到发动机油储藏 器。在排气系统中设置分流阀和通道， 以选择性地输送排气到位于机油储藏器中或其附近 的热电装置。 0014 仅仅根据以下说明或结合附图的详细描述， 本发明的上述优点和其他优点以及特 征将是显而易

13、见的。 0015 应该理解， 上面提供的发明内容是为了以简单的形式介绍在具体实施方式中进一 步描述的构思选择。这并不意味着代表要求保护的主题的关键或基本的特征， 要求保护的 主题的保护范围由具体实施方式后的权利要求唯一地限定。而且， 要求保护的主题不限于 解决上面指出的或本发明任何部分中指出的任何缺点的实施。而且， 本发明人已经认识到 这里指出的缺点， 但不认为它们是已知的。 附图说明 0016 图 1 是根据本发明的发动机系统的示意图。 0017 图 2 是描述本发明的方法的高水平流程图。 具体实施方式 0018 本发明使热能够传递给机油从而增加总体车辆燃料经济性， 同时还发电。这对于 在寒

14、冷气候中由于暖机和高电力需求而具有很差的燃油经济性的车辆是特别有益的。而 且， 混合电动车辆的延长的暖机时间可利用本发明的目的减少。 当不需要热时， 不需要额外 的系统冷却以避免损坏， 并且因此车辆冷却系统没有额外的负担。 0019 图 1 示出包括发动机 12 的车辆发动机系统 10。燃料在空气中的燃烧发生在发动 机 12 的上部 14， 燃料的燃烧产生废气。提供排气系统 20 以从发动机 12 除去排气， 虽然一 部分排气可通过排气再循环系统循环返回到发动机气缸以减少排放物， 但是至少一部分排 气经排气管 22 排入大气。 0020 发动机下部16设置机油储藏器或底壳18。 底壳18中的机

15、油向上泵送并且在机油 在重力作用下向下流动以再次聚集在底壳18中之前用于润滑上部14中的发动机的运动部 件。 0021 具有热侧和冷侧的热电装置 30 设置在底壳 18 的下表面处。该热电装置 30 构造 成使得热侧 29 热耦合到来自发动机 12 的排气， 而冷侧 31 热耦合到底壳 18 内的机油， 其中 热侧直接耦合到排气系统通道的壁， 而在其之间无需其他部件， 并且其中冷侧直接耦合到 该储藏器的壁， 而在其之间无需其他部件。 例如， 热电装置的热侧可与排气通道的外壁共面 接触， 而冷侧可与机油储藏器的外壁共面接触， 该外壁与接触机油的内壁相对。 0022 底壳 18 可具有平坦外表面部

16、分， 用于与热电装置 30 密切接触。在其冷侧 31 上， 热电装置可进一步连接到机油底壳的下表面。包括分流通道通道 33 和通风道 37 的排气系 统的通道壁可邻接热电装置30的热侧29。 在一个例子中， 储藏器和排气通道可形成或连接 到热电装置的外壳。在可选实施例中， 热电装置可以构造成使得其适合于直接形成储藏器 说 明 书 CN 103306786 A 5 3/5 页 6 的侧面和排气通道的壁。 0023 底壳 18 还可具有内表面部分， 其包括向内伸出的翼片以帮助底壳 18 和热电装置 30之间的热交换。 这些翼片40在热电装置和油底壳18的交界处可以包括叶片或隆起以为 热交换提供更大

17、的表面积。 0024 分流阀 32 沿着排气系统 20 设置， 用于分流从发动机 12 去除的排气， 并经由分流 通道 33 向热电装置 30 的热侧引导排气。排气系统 20 的第一通道 24 从排气歧管 25 向分 流阀 32 输送排气。当排气由分流阀 32 引导时， 排气经分流通道 33 输送到热电装置的热 侧 29。通气通道 37 将排气引导回到排气管 22。分流通道 33 可包括内翼片 39 以帮助热交 换。 这些翼片在热电装置和分流通道的交界处可以包括叶片或隆起以为热交换提供更大的 表面积。 0025 热电装置 30 电连接到电池 / 蓄电池 40 形式的电源。在一个例子中， 车辆可

18、以是 包括马达 42 的混合动力车辆， 该马达 42 可以选择地连接于车辆动力传动系统， 而电池 40 电连接到马达 42。 0026 热电装置 30 能够以第一模式操作， 在第一模式中热侧和冷侧之间的温度差用于 发电， 所产生的电在车辆内使用。因此， 该温度差跨越热排气和油底壳 18 内的机油。所产 生的电可以储存在电池 40 内或用于驱动发动机或如车辆座舱加热器的辅助部件。电池还 可以用于操作电气系统， 如驱动窗户、 座椅、 显示器等。 在另一个实施例中， 电池可储存随后 用于在热电装置冷侧产生热的电力， 以在发动机冷起动后加热机油。 0027 热电装置 30 还能够用第二模式操作， 在第

19、二模式中当来自电池 40 的电施加于该 装置 30 时， 形成产生热的温度差。产生的热用于加热机油以改善燃料经济性和 / 或发动机 12 的排放物。这种第二模式在发动机冷起动后特别有用。 0028 温度传感器 34 设置在油底壳 18 内用于测量机油温度， 并且表示温度的信号提供 给 PID 控制器 36。附加的温度传感器 35 可用于测量热电装置的温度。PID 控制器 36 构造 成以多种方式控制发动机油温， 包括通过控制分流阀 32 的操作。 0029 PID 控制器 36 通信地连接到分流阀 32， 并在需要时指示分流阀 32 打开以引导排 出的排气到热电装置 30。例如， 在测量的温度

20、低于预定值， 如 130时， 分流阀 32 可以被指 示打开。然而， PID 控制器 36 可以被编程以对机油温度执行更复杂的控制。为了维持机油 温度， 并且在机油温度高于预定温度或最大温度时使热电装置 30 能够操作， 两种选择都是 可利用的。根据正常的机油冷却剂热交换器， 第一种选择是关闭分流阀 32 以通过热电装置 30 除去排气流， 第二种选择是经由单独的散热器冷却机油或使热能够传递给冷却剂。这可 以利用绕冷却器的简单的机油或冷却剂旁通实现。 0030 也可提供其他传感器， 例如冷却剂温度传感器或热电装置温度传感器， 以防止热 电装置 30 的过热。这些传感器可连接于 PID 控制器

21、36， 使得分流阀 32 可以响应地关闭， 以在测量的温度高于预定值时防止排气输送到热电装置 30。排气系统 20 包括微粒捕集器 26， 用于从排气除去沉积物， 并且分流阀 32 位于微粒捕集器 26 的下游。 0031 发动机至少可以包括微粒捕集器、 催化剂和过滤器其中之一， 并且分流阀可位于 微粒捕集器、 催化剂或过滤器的下游， 以便被引导到热电装置热侧的被除去的排气基本无 沉积物或杂质。 0032 为了从加热底壳 18 中的机油获得最大益处， 机油应以最小的热传递输送到发动 说 明 书 CN 103306786 A 6 4/5 页 7 机部件。为了实现该目的， 可以旁通或不安装普通的机

22、油 / 冷却剂热交换器。 0033 在另一个实施例中， 热电装置 30 可位于干底壳中， 其中热侧被直接耦合到排气系 统的通道的壁， 其之间没有其他部件， 并且其中冷侧被直接耦联到储藏器的壁， 其之间没有 其他部件。这在机油在发动机中使用之前具有减少来自机油的热损耗的益处。 0034 本发明可以用于减小交流发电机或电池 40 的尺寸， 并且这可在巡航或加速时减 小交流发电机负载， 这再次减小燃料消耗。 0035 热电装置可以连接到电源， 如车辆电池、 交流发电机等。 0036 热电装置可以用第一模式操作， 在第一模式中热侧和冷侧之间的温度差用于发 电， 产生的电供车辆使用。产生的电可以由电源存

23、储。 0037 热电装置可以用第二模式操作， 在第二模式中当来自电源的电施加于热电装置 时， 该热电装置形成温度差从而产生热供车辆内使用。发动机适于利用产生的热来至少加 热机油。 0038 热电装置可位于机油储藏器处或其内以便冷侧热耦合到机油储藏器。 0039 机油储藏器可以包括发动机的机油底壳。机油储藏器可包括干底壳。 0040 机油储藏器可适于连接热电装置。机油储藏器可具有基本平面的外表面部分， 以 允许与热电装置的密切接触。机油储藏器可具有内表面部分， 其包括一个或多个翼片部件 以帮助机油储藏器和热电装置之间的热交换。热电装置可附连到机油储藏器的下表面。 0041 排气系统可包括第一通道

24、部件， 其适于输送来自发动机的排气。该第一通道部件 可以经由分流阀与热电装置流体连通。 第一通道部件可包括一个或多个翼片部件以帮助第 一通道部件和热电装置之间的热交换。 0042 下面参考图 2， 其描述用于操作上述系统的方法 200。该方法从发动机启动事件开 始， 然后进行到步骤 202。在步骤 202， 评估机油温度是否在第一阈值以下。机油温度可通 过温度传感器34测量并且传送给PID控制器36。 如果油温不在第一阈值以下 （NO） ， 则方法 进行到步骤 204， 在步骤 204 热电装置以第一模式操作， 在该模式中从排气和底壳中的机油 之间的温差产生电能。如果机油温度在第一阈值温度以下

25、 （YES） ， 则方法进行到步骤 206， 在步骤 206 热电装置以第二模式操作， 在第二模式中来自电池的电用于加热油底壳内的机 油。 0043 当测量的温度， 例如机油温度， 在第一和第二阈值之间时， 分流阀可被调整为向热 电装置的热侧引导被排出的排气。第一和第二阈值可以分别是 100 和 160。在可替代的 实施例中， 第一和第二阈值可以是 120 和 140。在第一阈值温度以下， 热电装置可以在用 于加热机油的第二模式下操作。 在第二阈值温度以上， 当排气温度和油温都高时， 可将分流 阀调整为旁通分流通道 33 以引导排气到排气管 22， 以便热电装置将很少的能量从温度差 转换。而且

26、， 当分流排气到热电装置没有能量优点时， 分流阀被调整为引导排气流到排气 管， 此时可将排气中的任何反压力最小化。 0044 在步骤 208， 判断机油温度是否高于第一阈值并低于第二阈值。如果机油温度不 高于第一阈值 （NO） ， 则方法进行到步骤 210， 在步骤 210 热电装置的操作保持在第二模式， 在第二模式中机油被加热直到机油温度高于第一阈值。 如果油温高于第一阈值且小于第二 阈值 （YES） ， 则方法进行到212， 在212热电装置以第一模式操作， 在第一模式中热电装置30 的热侧 29 上的热排气和冷侧 31 上的较不热的机油之间的温差被转换成电， 其储存在电池 说 明 书 C

27、N 103306786 A 7 5/5 页 8 40 中。 0045 在步骤 214， 判断机油温度是否超过第二阈值。如果油温没有超过第二阈值 （NO） ， 则方法进行到 216， 在 216 热电装置以第一模式操作， 直到油温超过第二阈值。如果在 216 之后， 或在 214， 机油温度不超过第二阈值 （YES） ， 则方法进行到 218， 在 218 将分流阀 32 调 整为直接输送排气到排气管而不是到分流通道 33 中。 0046 第二阈值温度以上的机油温度与用于热电装置的排气之间不具有足够大的温差 用于产生足够的电来克服由于分流阀向热电装置引导排气导致的反压力带来的任何效率。 0047

28、 本发明描述了多个系统和方法， 其使用热电装置加热机油而提高发动机暖机速 度， 并使用该热电装置通过机油和排气之间的温度梯度来发电。本公开描述了一种车辆发 动机， 其包括 ： 机油储藏器 ； 排气系统 ； 以及具有热侧和冷侧并且连接到电池的热电装置， 其中该热电装置构造成以便热侧热耦合到排气系统， 而冷侧热耦合到机油储藏器。分流阀 和通道设置在排气系统中， 以选择性地输送排气到位于机油储藏器内或其附近的热电装 置。 0048 应当理解， 这里描述的配置和方法本质上是示例性的， 并且这些具体的实施例不 被当作是限制性的， 因为许多变化都是可能的。例如， 上述技术可应用于 V-6、 I-4、 I-

29、6、 V-12、 对置 4 缸以及其他发动机类型。本方面的主题包括这里所公开的各种系统和配置、 以 及其他特征、 功能和 / 或特性的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。 0049 后面的权利要求具体指出认为是新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。 这些 权利要求可能涉及 “一个” 元件或 “第一” 元件或其等同物。这种权利要求应理解为包括一 个或更多这类元件 / 部件的结合， 既不要求也不排除两个或更多这类元件。所公开的特征、 功能、 元件和 / 或特性的其他组合和子组合可通过本权利要求的修改或本申请或相关申请 中提出新权利要求来主张。这类权利要求与原始权利要求的保护范围相比， 无论更宽、 更 窄、 等效或不同， 都被当做包括在本发明的主题内。 说 明 书 CN 103306786 A 8 1/2 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103306786 A 9 2/2 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103306786 A 10