用于混合动力车辆的废热回收的方法和系统.pdf

本发明公开了用于运转发动机的系统和方法，该发动机包括描述的排气热量回收系统。该系统可以选择性地或同时地从发动机排气提供能量以产生电能或使发动机暖机。在一个示例中，排气能量升高传热媒介的温度并且经由旁通阀将传热媒介传输至发动机冷却剂热交换器或膨胀器。

权利要求书
1.  一种发动机系统，包含：
包括沿排气系统设置的蒸发器的发动机；
与所述蒸发器流体连通的膨胀器；
与所述蒸发器流体连通的冷凝器；
与所述冷凝器热连接的发动机冷却剂热交换器，所述发动机冷却剂热交换 器包括与所述蒸发器的输入流体连通的输出。

2.  根据权利要求1所述的发动机系统，进一步包含包括与所述膨胀器直接 流体连通的第一出口以及与泵或所述发动机冷却剂热交换器直接流体连通的 第二出口的旁通阀。

3.  根据权利要求2所述的发动机系统，其中所述旁通阀的入口与所述膨胀 器的出口直接流体连通。

4.  根据权利要求2所述的发动机系统，进一步包含控制器，所述控制器包 括存储在非瞬态存储器中用于运转所述旁通阀的指令。

5.  根据权利要求4所述的发动机系统，其中所述指令响应于发动机工况而 调节所述旁通阀的运转状态。

6.  根据权利要求5所述的发动机系统，其中所述发动机的所述运转状态基 于所述发动机是否在旋转并燃烧空气和燃料。

7.  根据权利要求5所述的发动机系统，其中所述发动机的所述运转状态基 于发动机冷却剂温度。

8.  一种用于运转发动机的方法，包含：
运转发动机；
在第一运转模式中经由蒸发器汲取发动机排气热量并且经由膨胀器将所 述发动机排气热量转化为电能；以及
在第二运转模式中经由所述蒸发器汲取发动机排气热量并且经由热交换 器将所述发动机排气热量传输至发动机冷却剂。

9.  根据权利要求8所述的方法，其中响应于发动机冷却剂温度小于第一阈 值温度而启用所述第二运转模式。

10.  一种用于运转发动机的方法，包含：
运转发动机；
在第三运转模式期间经由调节旁通阀将传热媒介从蒸发器传输至膨胀器 和发动机冷却剂热交换器而同时增加发动机冷却剂温度和发电机的电力输出。

说明书用于混合动力车辆的废热回收的方法和系统
【技术领域】
本发明涉及用于回收混合动力车辆的废热的系统和方法。本发明描述的系 统和方法提供用于从排气回收热量以减小发动机暖机时间并且产生电力。
【背景技术】
内燃发动机将燃料中的一部分化学能转换成旋转的能量和热量。发动机产 生的一部分热能可以称为废热能量。美国专利7,353,661描述了从发动机冷却 剂或排气汲取发动机气热量以驱动发电机的系统。用于产生电能的相同的制冷 剂还用于冷却车厢。从发动机热量产生的电能可以存储在电池中或者在车内使 用。然而，从发动机汲取热量来产生电能可能不总是有益的。例如，因为发动 机排放和燃料经济性可能会劣化，当从冷机状况起动发动机时可能不希望从发 动机汲取热量。所以，可能不运转该系统，或者如果在冷机状况期间运转该系 统可能不会提供希望的输出。
【发明内容】
发明人在此已经认识到上述缺点并且已经开发了一种发动机系统，包含： 包括沿排气系统设置的蒸发器的发动机；与蒸发器流体连通的膨胀器 (expander)；与蒸发器流体连通的冷凝器；与冷凝器热连通(thermal  communication)的发动机冷却剂热交换器，发动机冷却剂热交换器包括与蒸 发器的输入流体连通的输出。
通过汲取发动机排气热量，可以既产生电力也改善发动机暖机以改善发动 机燃料经济性和排放。特别地，从发动机排气汲取的热量可以传输至膨胀器和 /或将发动机排气热量传输至发动机冷却剂以加热发动机的发动机热交换器。 已加热的发动机冷却剂可以允许发动机在较短的时间段内达至希望的发动机 运转温度，从而减少发动机排放并改善燃料经济性。在一个示例中，可以选择 性地运转旁通阀以将传热媒介或工作流体传输至膨胀器和发动机冷却剂热交 换器中的一者或两者。这样，可以改善排气热量回收系统的功能。
根据本发明的一个实施例，响应于发动机冷却剂温度高于第二温度阈值而 启用第一运转模式，第二温度阈值高于第一温度阈值。
根据本发明的一个实施例，进一步包含调节旁通阀的位置以在第一运转模 式和第二运转模式之间切换。
根据本发明的一个实施例，进一步包含响应于流出蒸发器的传热媒介温度 而调节旁通阀的位置以在第一运转模式和第二运转模式之间切换。
根据本发明的一个实施例，进一步包含在第二运转模式期间增加轴的温 度。
根据本发明的一个实施例，进一步包含在第一运转模式中在经由发动机排 气加热传热媒介之前预热传热媒介。
根据本发明的一个实施例，进一步包含在第一运转模式中经由旁通阀将传 热媒介从蒸发器仅传输至膨胀器。
根据本发明的一个实施例，进一步包含在第二运转模式中经由旁通阀将传 热媒介从蒸发器仅传输至热交换器。
根据本发明的一个实施例，进一步包含响应于发动机温度而调节旁通阀的 位置。
根据本发明的一个实施例，进一步包含响应于传热媒介的温度而调节旁通 阀的位置。
根据本发明的一个实施例，进一步包含将传热媒介从发动机冷却剂热交换 器传输至车辆乘客舱中的加热器芯体。
本发明可以提供多个优点。特别地，该方法通过减少发动机暖机时间可以 改善发动机起动的排放和燃料经济性。此外，该方法可以从多个位置汲取发动 机热量使得需要更少的发动机排气热量来运转旋转发电机的膨胀器。此外，与 仅依靠来自汽缸体的热量提供乘客舱热量相比，该方法可以向车辆乘客舱更快 地提供热量。
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。
应理解，提供上文的概述用于以简化形式引入一系列原理，其将在具体实 施方式中进一步进行描述。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或实质 特征，所要求保护的主题的范围唯一地由权利要求书确定。此外，所要求保护 的主题并不局限于解决上文或本说明书中任意部分所提到的缺点的实施方式。
【附图说明】
单独或结合附图阅读具体实施例中的示例实施例，可以更加完全地理解本 发明中描述的优点。
图1是发动机的示意图；
图2显示示例车辆传动系配置；
图3显示排气热量回收系统的示意图；
图4显示用于回收并利用排气能量的方法的流程图；
图5显示用于混合动力车辆的预想示例发动机运转序列。
【具体实施方式】
本发明涉及从发动机排气回收能量以及使用回收的能量来改善车辆运转。 可以从图1描述的这类发动机或者柴油发动机回收排气能量。发动机可以是图2 中显示的混合动力车辆的一部分。可以经由图3中显示的排气能量回收系统从 发动机排气汲取能量。可以根据图4显示的流程图描述的方法来运转排气能量 回收系统。可以图5中的序列显示的序列运转发动机和排气热量回收系统。
参考图1，内燃发动机10包含多个汽缸，其显示在图1中的一个汽缸通过电 子发动机控制器12控制。发动机10包括燃烧室30和活塞36位于其中并连接至曲 轴40的汽缸壁32。飞轮97和环形齿轮99连接至曲轴40。起动机96包括小齿轮 轴98和小齿轮95。小齿轮轴98可以选择性地推进小齿轮95以接合环形齿轮99。 起动机96可直接地安装在发动机的前面或发动机的后面。在一些示例中，起动 机96可通过带或链选择性地提供扭矩至曲轴40。在一个示例中，当与发动机曲 轴不接合时起动机96处于基准状态。燃烧室30显示为分别通过进气门52和排气 门54与进气歧管44和排气歧管48连通。可以通过进气凸轮51和排气凸轮53运转 每个进气和排气门。进气凸轮51的位置可以通过进气凸轮传感器55确定。排气 凸轮53的位置可以通过排气凸轮传感器57确定。进气凸轮51和排气凸轮53可以 相对于曲轴40运动。
燃料喷射器66显示为设置以直接将燃料喷射到燃烧汽缸30内，本领域内技 术人员称之为直接喷射。可替代地，可将燃料喷射至进气道，本领域内的技术 人员称之为进气道喷射。燃料喷射器66按照来自控制器12的信号脉冲宽度成比 例地传输液态燃料。燃料通过燃料系统(未示出)运送到燃料喷射器66，所述 燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨(未示出)。此外，进气歧管44显示 为与可选的调节节流板64的位置的电子节气门62连通以控制空气从进气口42 流向进气歧管44。在一个示例中，高压、双级燃料系统可用于产生较高的燃料 压力。在一些示例中，节气门62和节流板64可以设置在进气门52和进气歧管44 之间使得节气门62是进气道节气门。
无分电器点火系统88响应于控制器12通过火花塞92给燃烧室30提供点火 火花。通用或宽域排气氧(UEGO)传感器126显示为连接至排气系统73中催化转 化器70上游的排气歧管48。可替代地，可用双态排气氧传感器代替UEGO传感器 126。
在一个示例中，转化器70可包括多个催化剂砖。在另一个示例中，可使用 多个排放控制设备，其每个具有多个砖。在一个示例中转化器70可以是三元催 化剂。排气系统还可以包括从排气汲取能量的蒸发器150。蒸发器150显示为设 置在转化器70下游发动机10的排气系统中并且是排气热量回收系统151的一部 分。可替代地，蒸发器150可以设置在转换器70的上游。
图1中控制器12显示为常规的微型计算机，包括：微处理器单元(CPU)102、 输入/输出端口(I/O)104、只读存储器(ROM)106、随机存取存储器(RAM) 108、不失效存储器(KAM)110和常规数据总线。控制器12显示为接收来自连 接至发动机10的传感器的各种信号，除了上文讨论的那些信号，还包括：来自 连接至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT)；连接至加 速踏板130用于感应脚132应用力的位置传感器134的信号；来自连接至进气歧 管44的压力传感器122的发动机歧管压力(MAP)的测量值；来自感应曲轴40 位置的霍尔效应传感器118的发动机位置传感器信号；来自传感器120的进入发 动机的空气质量的测量值；来自传感器58的节气门位置的测量值。也可感应大 气压力(传感器未显示)用于由控制器12处理。在本发明的优选方面，发动机 位置传感器118在曲轴每个旋转时产生预订数目的等距脉冲，根据其可确定发 动机转速(RPM)。
在一些示例中，如图2显示的在混合动力车辆中发动机可连接至电动马达/ 电池系统。此外，在一些示例中，可采用其它发动机配置，例如柴油发动机。
在运转期间，发动机10内的每个汽缸通常经历四冲程循环：循环包括进气 冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。在进气冲程中，通常排气门54关闭且 进气门52打开。空气通过进气歧管44流入燃烧室30，并且活塞36移动到汽缸的 底部以便增加燃烧室30内的容积。本领域技术人员通常将活塞36接近汽缸的底 部并且在其冲程的终点时(例如当燃烧室30处于最大容积时)所处的位置称为 下止点(BDC)。在压缩冲程中，进气门52和排气门54关闭。活塞36向汽缸的 顶部运动以便压缩燃烧室30内的空气。本领域技术人员将活塞36处于其冲程的 终点并且接近汽缸的顶部时(例如当燃烧室30处于最小容积时)所处的位置称 为上止点(TDC)。在下文称为喷射的过程中，将燃料引入燃烧室。在下文称 为点火的过程中，通过已知的点火方式例如火花塞92点燃喷射的燃料致使燃 烧。在膨胀冲程中，膨胀的气体将活塞36推回至下止点。曲轴40将活塞的运动 转换为旋转轴的旋转扭矩。最后，在排气冲程期间，排气门54打开以将燃烧过 的空气燃料混合物释放至排气歧管48，并且活塞回到上止点。需要指出的是上 文仅描述为实施例，并且可改变进气门、排气门的打开和/或关闭正时，例如 以提供正气门重叠或负气门重叠、推迟进气门关闭或各种其它的实施例。
图2是车辆传动系200和车辆290的框图。可以通过发动机10驱动传动系 200。可以通过图1显示的发动机起动系统或经由传动系集成的起动机/发电机 (DISG)或电机240起动发动机10。此外，发动机10可以经由扭矩致动器(比 如燃料喷射器、节气门、凸轮轴、气门升程等)204产生或调节扭矩。
发动机输出扭矩可以传输至双质量飞轮232的输入侧。发动机转速以及双 质量飞轮输入侧位置和转速可以通过发动机位置传感器118确定。双质量飞轮 232可以包括用于抑制传动系扭矩扰动的弹簧和单独质量(未显示)。双质量 飞轮232的输出侧显示为机械地连接至分离离合器236的输入侧。可以电动地或 液压地驱动分离离合器236。位置传感器234可以设置在双质量飞轮232的分离 离合器一侧上以感应双质量飞轮232的输出位置和转速。分离离合器236的下游 侧显示为机械地连接至DISG输入轴237。
可以运转DISG240以提供扭矩至传动系200或者将传动系扭矩转换为存储 在电能存储装置275中的电能。DISG240比图1中显示的起动机96具有更高的输 出扭矩能力。此外，DISG240直接驱动传动系200或者被传动系200直接驱动。 电能存储装置275可以是电池、电容器或电感器。DISG240的下游侧经由241机 械连接至变矩器206的泵轮285。DISG240的上游侧机械连接至分离离合器236。 变矩器206包括涡轮286以输出扭矩至输入轴270。输入轴270将变矩器206机械 连接至自动变速器208。变矩器206还包括变矩器旁通锁止离合器(TCC)212。 当TCC锁定时扭矩从泵轮285直接传输至涡轮286。经由控制器12调节控制阀的 位置而液压地运转TCC。在一个示例中，变矩器可以指变速器的部件。可经由 位置传感器239确定变矩器涡轮转速和位置。在一些示例中，238和/或139可以 是扭矩传感器或者可以是组合式位置和扭矩传感器。
当变矩器锁止离合器212完全分离时，变矩器206经由变矩器涡轮286和变 矩器泵轮285之间的液体传递(例如液压扭矩路径)将发动机扭矩传输至自动 变速器208，从而实现扭矩放大。相反，当变矩器锁止离合器212完全接合时， 经由变矩器离合器将发动机输出扭矩直接传输(例如摩擦扭矩路径)至变速器 208的输入轴(未显示)。可替代地，可以部分地接合变矩器锁止离合器212， 从而能调节直接传输至变速器的扭矩量。控制器12可以配置用于响应于多种发 动机工况或者基于基于驾驶员的(driver-based)的发动机运转请求通过调节 变矩器锁止离合器而调节通过变矩器212传输的扭矩量。
自动变速器208包括挡位离合器(例如挡位1-N，其中N是4-10之间的整数) 211和前进离合器210。可以选择性地接合挡位离合器211和前进离合器210以推 进车辆。来自自动变速器208的扭矩输出从而可以经由输出轴260传输至车轮 216以推进车辆。具体地，在输出驱动扭矩传输至车轮216之前自动变速器208 可以响应于车辆行驶状况传输在输入轴270处的输入驱动扭矩。
此外，通过接合车轮制动器218还可以施加摩擦力至车轮216。在一个示例 中，响应于驾驶员用他的脚踩压制动器踏板(未显示)而可以接合车轮制动器 218。在其它示例中，控制器12或连接至控制器12的控制器可以控制车轮制动 器的接合。同样，响应于驾驶员将他的脚从制动器踏板释放而可以通过分离车 轮制动器218减小至车轮216的摩擦力。此外，作为发动机自动停止程序的一部 分，车辆制动器可以经由控制器12而施加摩擦力至车轮216。
机械泵214可以提供压缩的变速器流体至自动变速器208以提供液压压力 而接合多个离合器，比如前进离合器210、挡位离合器211、发动机分离离合器 236和/或变矩器锁定离合器212。例如，机械泵214可以根据变矩器206而运转， 并且可以通过发动机或DISG的旋转经由输入轴241驱动。从而，机械泵214中产 生的液压压力可以随发动机转速和/或DISG转速的增加而增加，并且可以随发 动机转速和/或DISG转速的减小而减小。
还可以提供电动泵215以在DISG以小于例如300RPM的转速旋转时增加变速 器管路压力。可以响应于DISG转速而经由控制器12选择性地运转电动泵215。 从而，在没有启用电动泵215期间当DISG转速高于阈值转速时机械泵214可以提 供变速器管路压力。然而，当DISG转速小于阈值转速时，可以启用电动泵215 以提供变速器管路压力。
控制器12可配置用于接收来自如图1中更详细显示的发动机10的输入并相 应地控制发动机的扭矩输出和/或变矩器、变速器、DISG、离合器和/或制动器 的运转。作为一个示例，可以通过调节火花正时、燃料脉冲宽度、燃料脉冲正 时和/或空气充气(通过控制节气门开度和/或气门正时、气门升程)以及用于 涡轮或机械增压发动机的增压的组合而控制发动机扭矩输出。在柴油发动机的 情况下，控制器12可以通过控制燃料脉冲宽度、燃料脉冲正时和空气充气控制 发动机扭矩输出。在所有的情况中，可在逐缸基础(cylinder-by-cylinder  basis)上执行发动机控制以控制发动机扭矩输出。如本技术领域中已知，控 制器12还可以通过调节流向或流自DISG的磁场和/或电枢绕组的电流而控制 DISG产生的扭矩输出和电能。
当满足发动机停止(engine stop)状况时，控制器12可以通过切断至发 动机的燃料和火花而发起发动机停止。然而，在一些示例中发动机可以继续旋 转。此外，为了维持变速器中一定量的转矩，控制器12可将变速器208的旋转 部件固定在变速器的壳体259上并从而固定在车架上。特别地，控制器12可以 接合一个或多个变速器离合器(比如前进离合器210)并且将接合的变速器离 合器锁到变速器壳体259和车辆上。可以改变(例如增加)变速器离合器压力 以调节变速器离合器的接合状态并提供希望的变速器扭矩量。当满足发动机再 起动状况时和/或车辆驾驶员想要启动车辆时，控制器12可以通过恢复发动机 汽缸中的燃烧而再启用发动机。
发动机停机期间还可以基于变速器离合器压力调节车轮制动器压力以在 减小通过车轮传输的扭矩时辅助锁定(tie up)变速器。具体地，当锁定一个 或多个接合的变速器离合器时通过应用车轮制动器218，可以在变速器上施加 相反的力，并因此施加在传动系上，从而保持变速器齿轮处于主动接合以及变 速器齿轮系中的扭转势能，而不移动车轮。在一个示例中，在发动机停机期间 可以调节车轮制动器压力以协调车辆制动器的应用和接合的变速器离合器的 锁定。这样，通过调节车轮制动器压力和离合器压力，当发动机停机时可以调 节变速器中保留的转矩量。
现在参考图3，显示了排气热量回收系统151的详细示意图。排气热量回收 系统151包括在图1和2的系统中。可以经由图4中的方法控制排气热量回收系统 151。
蒸发器150将热能从发动机排气传输至流动通过蒸发器150的工作流体。工 作流体可以由乙二醇/水混合物、碳氢化物或其它热量传输媒介组成。当发动 机排气温度足以发起工作流体的相位改变时工作流体以液相进入蒸发器150并 以气相流出。如果发动机排气温度太低不能支持相位改变，加热的液相工作流 体可以流出蒸发器150。发动机排气在排气入口324进入并在排气出口330流出 蒸发器150。传热媒介(例如流体)在传热媒介输入323处进入蒸发器150并在 传热媒介出口327流出蒸发器150。
阀门304将气相或液相的工作流体引导至膨胀器302和排气热量回收系统 泵308中的一者或两者。可替代地，如果泵308在形成排气热量回收系统151的 回路中设置在热交换器310和蒸发器150之间的位置处，阀门304将气相或液相 的工作流体引导至膨胀器302和热交换器310中的一者或两者。传热媒介或工作 流体在入口325处进入并在出口326处流出膨胀器302。在第一运转状态中，阀 门304的第一出口388将工作流体从蒸发器150仅引导至膨胀器302。在第二运转 状态中，阀门304的第二出口389将工作流体从蒸发器150仅引导至排气热量回 收系统泵308的入口357或者可替代地传输至发动机冷却剂热交换器310的入口 321。在第三运转模式中，阀门304将工作流体从蒸发器150引导至排气热量回 收系统泵308的入口357或者发动机冷却剂热交换器310的入口321以及膨胀器 302。
通过将工作流体直接提供至排气热量回收系统泵308或热交换器310的入 口，来自排气的热能可以经由热交换器310传输至发动机10的冷却剂。传热媒 介或工作流体在入口321处进入并在出口322处流出。此外，来自排气的热能可 以经由加热器芯体333传输至车辆乘客舱337。可替代地，加热器芯体333可以 包括在发动机冷却回路367中以从热交换器310接收热发动机冷却剂。经由热交 换器310加热发动机冷却剂可以允许发动机更快暖机以可以改善发动机燃料经 济性以及可以减少发动机排放。提供热量至车辆乘客舱337可以在发动机停止 较短时间段时减小运转电子加热器来加热乘客舱的需要或者如果提供有电子 加热器则减小加热乘客舱的电能。
在发动机冷却剂温度较低期间(例如在发动机冷机起动期间)，还可以经 由流动通过热交换器310的热的冷却剂将排气热能传输至变速器和/或轴355。 可替代地，变速器和/或轴355可以是与包括热交换器310的冷却回路独立的冷 却回路的一部分。可以经由将热量从发动机冷却剂传输至环境空气的车辆散热 器359降低发动机10的发动机冷却剂温度。发动机冷却剂旁通阀391允许发动机 冷却剂进入或旁通散热器359。在发动机冷却剂温度低于暖机冷却剂温度(例 如88℃)期间排气热量回收系统阀门304设置用于将工作流体从蒸发器150 直接引导至排气热量回收系统泵308的入口。排气热量回收系统阀门304的位置 可以基于位于排气热量回收系统蒸发器150的传热媒介输出327处的温度传感 器351的输出。
排气热量回收系统阀门304在第一和第三模式中将气相的工作流体引导至 膨胀器302。气体在膨胀器302中膨胀从而旋转发电机312。当发电机312旋转时 可以从发电机312输出电能。电能可以存储在电能存储装置275中以驱动马达或 DISG240。此外，可以将电能传输至车辆附件335。传输至车辆附件335的电能 驱动车辆附件335。车辆附件可以包括但不限于电动车辆乘客舱加热器、发动 机水泵和空调压缩器。
膨胀的工作流体气体流出膨胀器302并引导至冷凝器306的传热媒介或工 作流体入口328，其中环境空气通过冷凝器306以在工作流体在出口329处流出 之前将工作流体气体还原成液态。工作流体以液相流出冷凝器306并进入排气 热量回收系统泵308。
控制器12可以经由调节提供至排气热量回收系统泵308的电压/电流来调 节排气热量回收系统泵308输出的流率。另外，控制器12可以接收来自温度传 感器351的输入。此外，控制器12可以调节排气热量回收系统阀门304的位置。
从而，图1-3的系统提供了一种发动机系统，包含：包括沿排气系统设置 的蒸发器的发动机；与蒸发器流体连通的膨胀器；与蒸发器流体连通的冷凝器； 与冷凝器热连通的发动机冷却剂热交换器，发动机冷却剂热交换器包括与蒸发 器的输入流体连通的输出。发动机系统进一步包含包括与膨胀器直接流体连通 的第一出口以及与泵或发动机冷却剂热交换器直接流体连通的第二出口的旁 通阀门。
在一些示例中，发动机系统包括其中旁通阀的入口与膨胀器的出口直接流 体连通。发动机系统进一步包含控制器，该控制器包括存储在非瞬态存储器中 用于运转旁通阀的指令。发动机系统包括其中指令用于响应于发动机工况而调 节旁通阀的运转状态。发动机系统包括其中发动机的运转状态基于发动机是否 在旋转并燃料空气和燃料。发动机系统包括其中发动机的运转状态基于发动机 冷却剂温度。
现在参考图4，显示了用于回收并利用车辆中排气能量的方法的流程图。 图4中的方法可以存储为图1-3显示的系统中的非瞬态存储器中的可执行指令。 此外，图4中的方法可以提供图5中显示的预想运转序列。
在402处，方法400确定工况。工况可以包括但不限于排气温度、发动机冷 却剂温度、变速器冷却剂温度、在蒸发器150出口侧的排气热量回收工作流体 温度。确定工况之后方法400前进至404。
在404处，方法400判断工作媒介(例如排气热量回收系统内的传热材料) 是以液态还是气态流出蒸发器150。当排气温度不足以提供使工作媒介状态从 流体改变为气体的工作媒介温度增加时工作媒介可以液态流出蒸发器150。在 一个示例中，方法400基于蒸发器150的出口处的温度来确定工作媒介是以液态 还是气态流出蒸发器150。如果方法400判断工作媒介以气态流出蒸发器150， 答案为是且方法400前进至408。否则，答案为否且方法400前进至406。
在406处，方法400将排气热量回收系统阀门304调节至第二状态，其中蒸 发器150的输出仅直接传输至泵308的入口357。从而，阀门304旁通膨胀器302 和冷凝器306使得来自发动机排气的热能提供至流动通过热交换器310和/或变 速器/轴355的发动机冷却剂。这样，可以使发动机10以更快的速率暖机以改善 发动机燃料的经济性和排放量。将阀门304调节至第二运转状态之后方法400 前进至退出。
在408处，方法400判断电池荷电状态是否高于(G.T.)第一荷电状态阈值。 第一荷电状态阈值低于第二荷电状态(SOC)。在一个示例中，基于电池电压 或者可替代地经由库仑计算(coulomb counting)来估算电池SOC。如果方法 400判断电池荷电状态高于阈值，答案为是且方法400前进至412。否则，答案 为否且方法400前进至410。
在410处，方法400将排气热量回收系统阀门304调节至第一状态，其中来 自蒸发器150的输出仅且直接引导至膨胀器302。从而，热的气态工作媒介引导 至膨胀器302，其中工作媒介使膨胀器302旋转并带动发电机314。发电机314 将旋转能转换为车辆附件可以消耗的电能。这样，可以使用发电机314的输出 来驱动车辆附件。此外，工作媒介在通过冷凝器306之后从气态改变为液态。 当发动机冷却剂温度高于工作媒介的温度时液相的工作媒介在热交换器310处 预热。将阀门304调节至第一运转状态之后方法400前进至退出。
在412处，方法400判断发动机温度是否高于第一阈值温度。第一阈值温度 可以是低于416处的第二阈值温度的温度。如果方法400判断发动机温度高于第 一阈值温度，答案为是且方法400前进至416。否则，答案为否且方法400前进 至414。
在414处，方法400调节阀门304的位置以将输出从蒸发器150直接引导至泵 308的入口。即，旁通膨胀器302和冷凝器306。通过将阀门304调节至第二位置， 当发动机暖机时可以加热发动机冷却剂。此外，还可以通过来自发动机排气的 热量加热变速器和/或轴355以减小摩擦和粘度损失。调节阀门304的位置之后 方法400前进至退出。
在416处，方法400判断发动机温度是否高于第二阈值温度。第二阈值温度 可以高于412处第一阈值温度的温度。如果方法400判断发动机温度高于第二阈 值温度，答案为是且方法400前进至424。否则，答案为否且方法400前进至418。
在418处，方法400判断发动机温度是否增加。当发动机温度在指定时间间 隔内较高时可以判断发动机温度增加。如果方法400判断发动机温度增加，答 案为是且方法400前进至422。否则，答案为否且方法400前进至420。
在420处，方法400调节阀门304的位置以将蒸发器150的输出直接引导至泵 308的入口和膨胀器302。即，一部分热的媒介转化为电能同时第二部分的主要 目的是增加发动机冷却剂温度以使发动机暖机。如果发动机冷却剂温度处于其 运转温度并且排气热量回收系统中传热媒介的温度高于发动机冷却剂温度，则 排气热量经由车辆散热器释放至环境空气。此外，如果发动机冷却剂温度处于 暖机水平并且传热媒介处于较低温度，热交换器310作用为预热排气热量回收 系统中的传热媒介使得需要较少的排气能量来汽化传热媒介。调节阀门304的 位置之后方法400前进至退出。
在422处，方法400调节阀门304的位置以将蒸发器150的输出直接引导至泵 308的入口。从而，旁通膨胀器302和冷凝器306。通过将阀门304调节至第二位 置，可以加热发动机冷却剂同时发动机暖机。此外，变速器和/或轴355可以通 过来自发动机排气的热量加热从而可以减小摩擦和粘度损失。可替代地，如果 发动机冷却剂温度高于排气热量回收系统中传热媒介的温度，来自排气的热量 可以经由散热器359释放至大气。在调节阀门304的位置之后方法400前进至退 出。
在424处，方法400将排气热量回收系统阀门304调节至第一状态，其中将 来自蒸发器150的输出仅且直接传输至膨胀器302。这样，热的气态工作媒介被 引导至膨胀器302，其中工作媒介使膨胀器302旋转并带动发动机314。发电机 314将旋转能转化为车辆附件可以消耗的电能。从而，可以使用发电机314的输 出来驱动车辆了附件。此外，工作媒介在通过冷凝器306之后从气态改变为液 态。当发动机冷却剂温度高于工作媒介的温度时液相的工作媒介在热交换器 310处预热。将阀门304调节至第二运转状态之后方法400前进至退出。
图4中的方法提供了一种运转发动机的方法，包含：运转发动机；在第一 运转模式中经由蒸发器汲取发动机排气热量并经由膨胀器将发动机排气热量 转化为电能；以及在第二运转模式中经由蒸发器汲取发动机排气热量并经由热 交换器将发动机排气热量传输至发动机冷却剂。方法包括其中响应于发动机冷 却剂温度小于第一阈值温度而启用第二运转模式。方法包括其中响应于发动机 冷却剂温度高于第二温度阈值而启用第一运转模式，第二温度阈值高于第一温 度阈值。
在一些示例中，方法进一步包含调节旁通阀的位置以在第一运转模式和第 二运转模式之间切换。方法进一步包含响应于传热媒介流出蒸发器的温度而调 节旁通阀的位置以在第一运转模式和第二运转模式之间切换。方法进一步包含 在第二运转模式期间增加轴的温度。方法进一步包含在第一运转模式中经由发 动机排气加热传热媒介之前预热传热媒介。
图4中的方法提供了一种运转发动机的方法：包含：运转燃烧空气燃料混 合物的发动机；在第三运转模式中通过调节旁通阀将传热媒介从蒸发器传输至 膨胀器和发动机冷却剂热交换器而同时增加发动机冷却剂温度和发电机的电 力输出。方法进一步包含在第一运转模式中经由旁通阀将来自蒸发器的传热媒 介仅传输至膨胀器。方法进一步包含在第二运转模式中经由旁通阀将来自蒸发 器的传热媒介仅传输至热交换器。
在一些示例中，方法进一步包含响应于发动机温度而调节旁通阀的位置。 方法进一步包含响应于传热媒介的温度而调节旁通阀的位置。方法进一步包含 将来自发动机冷却剂热交换器的传热媒介传输至车辆乘客舱中的加热器芯体。
现在参考图5，显示了用于混合动力车辆的预想的示例发动机运转序列。 可以经由图4中的方法运转图1-3中的系统来提供图5中的序列。垂直线T0-T11 代表序列中的相关时间。每个图表与其它图表同时发生。
从图5顶部起的第一幅图表是发动机冷却剂温度相对于时间的图表。X轴代 表时间并且时间从图5的左侧向图5的右侧增加。Y轴代表发动机冷却剂温度并 且发动机冷却剂温度朝Y轴箭头方向增加。水平线504代表第一发动机阈值温 度。水平线502代表第二发动机阈值温度。
从图5的顶部起的第二幅图表是旁通阀状态(例如阀门304的运转状态)相 对于时间的图表。X轴代表时间并且时间从图5的左侧向图5的右侧增加。Y轴代 表旁通阀状态。通过沿Y轴的数字指示三个旁通阀状态。当位于以数字1指示的 第一状态时旁通阀304将工作媒介(例如水/乙二醇、制冷剂等)从蒸发器150 的出口引导至膨胀器302。当位于以数字2指示的第二状态时旁通阀304将工作 媒介从蒸发器150的出口引导至泵308的入口。当位于以数字3指示的第三状态 时旁通阀304将工作媒介从蒸发器150的出口引导至泵308和膨胀器302的入口。
从图5顶部起的第三幅图表是电池荷电状态相对于时间的图表。X轴代表时 间并且时间从图5的左侧向图5的右侧增加。Y轴代表电池荷电状态并且电池荷 电状态朝Y轴箭头方向增加。水平线506代表第一阈值电池荷电状态。
从图5顶部起的第四幅图表是发动机运转状态相对于时间的图表。X轴代表 时间并且时间从图5的左侧向图5的右侧增加。Y轴代表发动机运转状态。当发 动机运转状态轨迹处于较高水平时发动机在运转。当发动机运转状态轨迹处于 较低水平时发动机停止旋转。
从图5顶部起的第五幅图表是电机(例如DISG)状态相对于时间的图表。X 轴代表时间并且时间从图5的左侧向图5的右侧增加。Y轴代表电机状态。通过 沿Y轴的数字指示三个电机状态。在通过数字3指示的第三运转状态中电机或 DISG240作为马达运转(例如向传动系提供正扭矩)。在通过数字2指示的第二 运转状态中电机运转处于关闭状态。在通过数字1指示的第一运转状态中电机 以发电机(例如将机械能转换成电能并向传动系提供负扭矩)状态运转。
在时间T0处，发动机冷却剂温度处于较低水平，旁通阀预设置为第二运转 状态，而如处于较低水平的发动机状态轨迹所指示的发动机是关闭的。电池SOC 处于较高水平而电机处于关闭状态。从而，车辆可能停车并且温度低于正常的 车辆运转温度。
在时间T1处，发动机状态转变为较高水平以指示发动机起动。可以响应于 驾驶员或控制器发动机起动请求而起动发动机。驾驶员发动机起动请求可以经 由钥匙开关或按钮作出。电机状态响应于发动机起动请求(未显示)而从关闭 状态转变为马达状态。在时间T1处电机可以旋转发动机以起动。随着马达向传 动系提供扭矩，电池荷电状态开始减小。旁通阀处于指示将工作媒介从蒸发器 直接引导至泵308或传输至热交换器310的第二状态。这样，可以将排气能量引 导至发动机冷却剂以使发动机更迅速地暖机。发动机冷却剂温度小于第一阈值 504，但是它开始增加。
在时间T2处，发动机冷却剂温度在增加并且达到第二发动机阈值温度502。 旁通阀响应于发动机温度达到阈值温度502而改变状态。电池SOC已经减小但是 处于高于阈值506的稳定值。马达在时间T2之前停机并且当它停机时没有从电 池消耗电能。
通过改变旁通阀的运转状态，将排气能量仅传输至发电机来代替仅传输至 热交换器。这样，在发动机达到运转温度之后，与将排气能量引导至热交换器 相比，将排气能量传输至使用该能量可能更加受益的装置。膨胀器可以旋转发 电机使得当发动机暖机时可以存储电能。
在时间T2和T3之间发动机继续运转而电机关闭。电池SOC保持相对较高而 旁通阀保持处于第一运转状态以将排气能量转化为电能。发动机冷却剂温度保 持处于较高水平。
在时间T3处，发动机状态转变为发动机关闭状态。当驾驶员需求扭矩较低 时发动机可以停止以节省燃料。电机状态响应于发动机停止旋转而从关闭状态 转变为以马达运转。电池SOC随着电机的启用而开始减小。发动机停止以后旁 通阀继续以第一状态运转以继续从排气系统汲取能量。发动机停止之后发动机 冷却剂温度开始转变为较低水平。
在时间T4处，发动机冷却剂温度响应于发动机停止而下降到第二阈值水平 502以下。旁通阀状态响应于发动机冷却剂温度下降到第二阈值水平502以下而 改变。发动机住持停止并且电池SOC随着电机从电池消耗能量而继续减小。
在时间T5处，电池SOC减小至阈值506以下。如发动机状态转变为较高水平 指示的发动机响应于较低的SOC而再起动。紧接着发动机再起动之后电机从马 达模式(例如状态3)切换为发电模式(例如状态1)。旁通阀保持处于旁通阀 将工作媒介引导至膨胀器302和泵308的第三状态。
在时间T6处，发动机冷却剂温度随着发动机的运转而增加至高于第二阈值 水平502的水平。旁通阀响应于发动机温度高于阈值温度502而改变状态。特别 地，旁通阀改变为将来自蒸发器的所有输出引导至膨胀器的状态1。当旁通阀 处于该状态时排气热量回收系统输出最大的电力输出。电池SOC继续增加而电 机保持处于作为发电机运转并向电池充电的第一状态。
在时间T7处，电池SOC达到响应于较高水平的SOC而关闭电机的水平。发动 机继续运转而发动机冷却剂温度保持处于较高水平。旁通阀保持处于状态1。
在时间T8处，如发动机状态轨迹转变为较低水平所指示的发动机停止而电 机以马达运转状态启用。发动机响应于较低的驾驶员需求扭矩或其它工况(未 显示)而可以停止。响应于停用发动机而启用电机。启用电机之后电池荷电状 态开始减小。旁通阀响应于发动机冷却剂温度保持在阈值502以上而保持将工 作媒介引导至膨胀器302。在一些示例中，旁通阀响应于发动机停止而可以从 状态1切换为状态2或3使得将排气能量传输至泵/热交换器来代替仅传输至膨 胀器以升高发动机冷却剂温度。
在时间T9处，发动机冷却剂温度减小至小于阈值502的水平。结果是，旁 通阀状态从状态1转变为状态3。电池荷电状态随着电机继续运转而继续减小。 发动机保持停止而电机运转。
在时间T10处，排气热量回收系统旁通阀状态响应于发动机冷却剂温度减 小至阈值水平504以下而从将传热媒介提供至膨胀器和泵的状态3转变为将传 热媒介仅提供至泵/热交换器的状态2。响应于发动机冷却剂温度小于较低水平 而再启用发动机。时间T10之后电机继续以马达模式运转一段时间。
在时间T11处，发动机冷却剂温度增加至高于阈值水平502的水平。排气能 量回收系统旁通阀状态响应于发动机冷却剂温度超过阈值水平502而从状态2 改变为状态1。电池荷电状态随着旁通阀运转状态从状态2改变为状态1而开始 增加。发动机继续运转而电机处于停机状态。
从而，排气热量回收系统旁通阀状态可以调节为引导至分配了排气能量的 地方。特别地，排气能量可以引导至发动机进气冷却剂以增加发动机温度或传 输至旋转发电机以提供电能的膨胀器。如果发动机暖机，发动机冷却剂能量可 以传输至传热媒介以在传热媒介进入蒸发器之前预热传热媒介使得可以需要 更少的排气热量来汽化传热媒介。
本领域内的普通技术人员所理解的，图4中描述的方法代表任意数量处理 策略中的一者或多者，比如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。这样， 所描述的多个步骤或功能可以描述的序列、并行执行，或在某些情况下有所省 略。同样，由于便于说明和描述，处理顺序并非达到本文描述的目标、特征和 优点所必需的，而提供用于说明和描述的方便。即使没有明确地描述，本领域 内的普通技术人员可理解取决于使用的特定策略可以反复执行一个或多个描 述的步骤或功能。此外，所描述的动作、操作、方法和/或功能可以形象地代 表编程进发动机控制系统中计算机可读存储器媒介的代码。
总而言之，本领域技术人员阅读本说明书之后，可想到多种替代和变型而 不背离描述的实质和范围。例如，可用天然气、汽油、柴油或替代燃料配置运 转的I3、I4、I5、V6、V8、V10和V12发动机可使用本发明来优化。