CN103375232A - 具有集成到发动机排气***中的斯特林发动机的车辆 - Google Patents
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Abstract
根据示例性实施例，斯特林发动机集成到车辆的排气***中。所述***包括联接到冷却***和排气***的发动机。排放物控制***联接到排气***。斯特林发动机具有联接到冷却***的一端和在发动机和排放物控制***之间选择性地联接到排气***的另一端，且配置成由从排气流提取的热量驱动。斯特林发动机驱动电能发电机，其提供电能，用于存储在能量存储***中。
Description
技术领域
技术领域总体上涉及车辆的电功率生成，且更具体地涉及可以通过从车辆排气***提取热量来提供电能的斯特林发动机（Stirling engine）。
背景技术
车辆设计者持续地寻找增加车辆操作效率的技术。已经进行一些改进以在车辆操作期间使用更少能量，同时其它改进试图回收在车辆操作期间消耗或损失的能量。例如，从车辆燃料提供的能量的大约68％通过内燃发动机的无效损失，其中一些在排气***中，该损失为热量的形式。由于能量损失是不希望的，回收在车辆操作期间通常浪费的热能中的一些将是有利的。
斯特林发动机经由发动机的热侧和冷侧之间的温度差操作。图1-4是图示常规斯特林发动机的基本操作的部分剖视图。参考图1，斯特林发动机10显示在收缩阶段。气缸12定位成在气缸12的一端具有热源14且在相对端具有冷却源16。活塞18设置成由于气缸12内的气体24的加热和冷却而在气缸12内移动。置换器22有助于在热源14（斯特林发动机10的热侧）和冷却源16（斯特林发动机10的冷侧）之间移动气体24。活塞18经由轴20联接到飞轮（未示出），从而允许斯特林发动机10经由活塞18在气缸内振动而产生功，这是通常已知的。斯特林发动机的功的一种形式是通过从斯特林发动机10驱动发电机而将活塞18的机械移动转换为电能。
在收缩阶段，气体24收集在冷却源16附近且由于从气体提取热量而收缩。冷却源16可以是散热器（例如，冷却翅片）或主动冷却源（例如，围绕斯特林发动机10的冷端泵送的冷却流体）。收缩气体24驱动活塞18到气缸12中，如箭头26所示。
现在参考图2，图示了斯特林发动机10的传递阶段。在传递阶段，置换器22朝向斯特林发动机10的冷侧移动（如箭头28所示），朝向斯特林发动机的热侧驱动气体24。这将气体24定位在热源14上，从而它们能够在膨胀阶段加热，如图3所示。
如图3所示，气体24在由热源14加热后膨胀。热源14可以是任何热源，包括但不限于燃料燃烧器或燃料燃烧发动机（如，内燃发动机）的排气。膨胀气体24向外驱动活塞18，如箭头30所示。
现在参考图4，斯特林发动机的操作的最后阶段也是传递气体24。在该传递阶段，置换器22经由飞轮（未示出）移动（如箭头32所示）到气缸12中，这促使气体24朝向斯特林发动机10的冷侧，从而循环可以再一次开始重复，如结合图1所述。
因而，斯特林发动机可以用于回收当代机动车辆排气***中的否则浪费的热能中的一些。然而，当代车辆经受在车辆操作期间必须保持的排放物控制标准。一些排放物控制***必须实现一定操作温度以完全有效，且该操作温度通常通过排气加热实现。因而，斯特林发动机可能从排气回收如此多的热能，使得排放物控制***不能实现在车辆操作期间有效地保持排放物控制标准的预期操作温度。
因此，期望提供将斯特林发动机包含在车辆中用于电功率生成同时保持车辆排放物要求的***和方法。此外，本公开的其它期望特征和特性将从随后的说明结合附图以及前述技术领域和背景技术显而易见。
发明内容
根据示例性实施例，斯特林发动机集成到车辆的排气***中。所述***包括联接到冷却***和排气***的发动机。排放物控制***联接到排气***。斯特林发动机具有联接到冷却***的一端和在发动机和排放物控制***之间选择性地联接到排气***的另一端，且配置成由从排气流提取的热量驱动。斯特林发动机驱动电能发电机，其提供电能，用于存储在能量存储***中。
根据示例性实施例，提供一种操作集成到车辆的排气***中的斯特林发动机的方法。所述方法包括：控制阀以将排气流引导到车辆的排放物控制***，直到发生预定条件。而且，在发生预定条件之后所述阀被控制以将排气流引导到斯特林发动机。由此，所述斯特林发动机经由从排气流提取的热量操作，从而斯特林发动机可以驱动发电机以产生电能，用于存储在能量存储***中。
方案1. 一种***，包括：
发动机；
联接到所述发动机的冷却***；
联接到所述发动机的排气***；
联接到所述排气***的排放物控制***；
斯特林发动机，所述斯特林发动机在其第一端联接到冷却***且在第二端在发动机和排放物控制***之间选择性地联接到排气***，并且使用冷却***和从排气流提取的热量驱动；
联接到斯特林发动机且通过斯特林发动机驱动的电能发电机，以产生电能；以及
联接到电能发电机的能量存储***，用于存储由电能发电机产生的电能。
方案2. 根据方案1所述的***，还包括联接到排气***和斯特林发动机的阀，用于将斯特林发动机选择性地联接到排气***。
方案3. 根据方案2所述的***，还包括联接到发动机和阀的控制***，用于控制排气流何时引导到斯特林发动机。
方案4. 根据方案3所述的***，其中，所述控制***在足以允许排放物控制***达到操作温度的时间段之后操作旁通阀以将排气流引导到斯特林发动机。
方案5. 根据方案3所述的***，还包括联接到排放物控制***和所述控制***的排放物传感器，且其中，所述控制***在排气排放物被感测低于阈值之后操作阀以将排气流引导到斯特林发动机。
方案6. 根据方案3所述的***，还包括：
联接到排放物控制***和所述控制***的温度传感器，且其中，所述控制***在排放物控制***的温度被感测高于阈值之后操作阀以将排气流引导到斯特林发动机。
方案7. 根据方案1所述的***，其中，所述排放物控制***包括排放物控制装置以下组中的一个：催化转换器；柴油氧化催化剂；烃吸收器；选择性催化还原或柴油颗粒过滤器。
方案8. 根据方案1所述的***，其中，所述电能发电机包括联接到斯特林发动机的交流发电机。
方案9. 根据方案1所述的***，其中，所述能量存储***包括多个可再充电蓄电池单元。
方案10. 一种方法，包括：
控制阀以将排气流从车辆的排气***引导到排放物控制***，直到发生预定条件；
在发生预定条件之后控制所述阀以将排气流引导到斯特林发动机；
经由在第一侧从排气流提取的热量和由车辆的冷却***冷却的第二侧操作所述斯特林发动机；
经由由斯特林发动机驱动的发电机产生电能；以及
籍此，在发生预定条件之后，通过从排气流提取热量而产生电能。
方案11. 根据方案10所述的方法，其中，所述预定条件包括足以允许车辆的排放物控制***达到操作温度的时间段到期。
方案12. 根据方案10所述的方法，其中，所述预定条件包括经由排气***中的排放物传感器确定排气***内的排放物低于阈值。
方案13. 根据方案10所述的方法，其中，所述预定条件包括经由排放物控制***中的温度传感器确定排放物控制***的温度高于阈值。
方案14. 根据方案10所述的方法，还包括存储由发电机产生的电能。
方案15. 一种车辆，包括：
发动机；
联接到所述发动机的冷却***；
联接到所述发动机的排气***；
联接到所述排气***的排放物控制***；
在发动机和排放物控制***之间联接到排气***的阀，用于选择性地引导排气流；
斯特林发动机，所述斯特林发动机在其第一端联接到冷却***且在第二端经由阀选择性地联接到排气***，并且配置成使用冷却***和从排气流提取的热量驱动；
联接到阀的控制***，用于控制斯特林发动机何时选择性地联接到排气***；
联接到斯特林发动机且通过斯特林发动机驱动的电能发电机，以产生电能；以及
联接到电能发电机的能量存储***，用于存储由电能发电机产生的电能。
方案16. 根据方案15所述的车辆，其中，所述控制***在足以允许排放物控制***达到操作温度的时间段之后操作阀以将排气流引导到斯特林发动机。
方案17. 根据方案15所述的车辆，还包括联接到排气***和所述控制***的排放物传感器，且其中，所述控制***在排气排放物低于阈值之后操作阀以将排气流引导到斯特林发动机。
方案18. 根据方案15所述的车辆，还包括：
联接到排放物控制***和所述控制***的温度传感器，且其中，所述控制***在排放物控制***的温度高于阈值之后操作阀以将排气流引导到斯特林发动机。
方案19. 根据方案15所述的车辆，其中，所述排放物控制***包括排放物控制装置以下组中的一个：催化转换器；柴油氧化催化剂；烃吸收器；选择性催化还原或柴油颗粒过滤器。
方案20. 根据方案15所述的车辆，其中，所述电能发电机包括联接到斯特林发动机的交流发电机。
附图说明
在下文结合如下附图描述本发明的主题，在附图中，类似的附图标记表示类似的元件，且：
图1-4是用于理解常规斯特林发动机的基本操作的图示；
图5是根据示例性实施例的集成到车辆的排气***中的斯特林发动机的框图；和
图6是图示根据本公开示例性实施例的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，且并不旨在限制本公开主题或其使用。此外，并不旨在受限于前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中提出的任何明确的或隐含的理论。
在该文本中，相对措辞，例如第一和第二等，仅用于将一个实体或动作从另一个实体或动作区分，而不必需要或暗示这种实体或动作之间的任何实际这种关系或顺序。序数，例如第一，第二，第三等，简单地表示多个中的不同单个，并不暗示任何顺序或次序，除非权利要求语言中明确定义。
此外，以下描述涉及“连接”或“联接”在一起的元件或特征。如本文使用的，“连接”可指代一个元件/特征被直接地接合到（或者直接地连通）另一个元件/特征，并且不必是机械地。类似地，“联接”可指代一个元件/特征直接地或间接地接合（或者直接地或间接地连通）另一个元件/特征，并且不必是机械地。然而，应当理解，尽管两个元件在一个实施例中被描述为“连接”，在替代实施例中，类似的元件可以被“联接”，并且反之亦然。因此，尽管本文示出的示意图示出了元件的示例性布置，但是在实际的实施例中也可以出现附加的中间元件、装置、特征或部件。
最后，为了简要起见，这里不对涉及车辆机械和电气部件以及***的其他功能性方面（以及***的各个操作部件）的常规技术和部件进行详细描述。此外，在本文包含的各个视图中所示的连线意在表示各个元件之间的示例性功能关系及/或物理联接。应当注意，在本公开的实施例中可出现许多替代或附加功能关系或物理连接。
参考附图，其中，类似的附图标记指代类似部件，图5示出了包括本公开的示例性实施例的车辆100。车辆100可以是多种不同类型车辆中的任一种，例如，轿车、旅行车、货车、或运动型多用途车（SUV），并可以是两轮驱动（2WD）、四轮驱动（4WD）、或全轮驱动（AWD）。车辆100也可以具备多个不同类型的发动机（例如，汽油或柴油燃料燃烧发动机、灵活燃料车辆（FFV）发动机（即，使用汽油与乙醇的混合物）、气态混合物（例如，氢和/或天然气）燃料发动机、燃烧/电动马达混合动力发动机、以及电动马达）中任一种或其组合。
在图5所示的实施例中，车辆100是混合动力电动车辆，包括内燃发动机102和电动马达104两者。内燃发动机102和/或电动马达104可以整体形成，从而一个或两者通过一个或多个驱动轴108机械地联接到车轮106中的至少一些。示例性实施例中还包括能量存储***110（例如，具有多个可再充电蓄电池单元的蓄电池组件）、逆变器112和冷却***114。内燃发动机102、电动马达104、能量存储***110和逆变器112与控制***116操作性连通。
控制***116可包括各种传感器和车辆控制模块或电子控制单元（ECU）（例如逆变器控制模块和车辆控制器）。能量存储***110可以配置成将高压直流（DC）功率提供给逆变器112，其可以包括联接到电动马达104的三相电路（未示出），以将DC功率转换为交流（AC）功率。
冷却***114在其外部被连接到车架，且虽然未详细示出，但是其中包括多个冷却通道，冷却通道容纳工作流体，例如水和/或乙二醇。冷却***114分别通过冷却剂路径118和120被联接到内燃发动机102和逆变器112。
根据示例性实施例，冷却***114还经由入口冷却剂路径124和返回冷却剂路径126联接到斯特林发动机122。在一些实施例中，冷却***114可以借助于用于内燃发动机102的高温冷却***和用于斯特林发动机122和车辆100其它部件的低温冷却***实施。供应的冷却剂将斯特林发动机122的冷侧保持在大约冷却剂温度，提供与斯特林发动机的热侧足够的温度差，以在斯特林发动机122内驱动一个或多个活塞（未示出），如本领域技术人员理解的。为了给斯特林发动机的热侧提供热源，斯特林发动机122经由阀130选择性地联接到排气***128，从而排气可以选择性地引导给斯特林发动机122，以通过使用来自于排气流的热量而产生斯特林发动机的热侧。阀130由控制器116操作，其经由下文更详细讨论的标准将斯特林发动机122选择性地联接到排气***128。
车辆100还包括排放物控制装置132，在某些实施例中可以是催化转换器。在其它实施例中，排放物控制装置，例如但不限于，柴油氧化催化剂、烃吸收器、选择性催化还原装置、颗粒过滤器（包括柴油颗粒过滤器）或其它排放物控制***可以在任何具体实施方式中使用。将理解的是，从排气***128的尾管128’部段排出的排放物需要保持在排放物规定内。因此，控制器116控制阀130以旁通斯特林发动机122，直到排放物控制***实现期望操作温度。在一个实施例中，控制器116允许在控制阀将排气流引导到斯特林发动机122之前从内燃发动机102起动一定时间段到期。该时间段被选择以在时间上足以允许排放物控制***132实现期望操作温度，因而将根据车辆模型而变。在其它实施例中，温度传感器134可联接到（或集成到）排放物控制***132以将排放物控制***132的温度提供给控制器116。
在另外的实施例中，排放物传感器136可联接到排气***128以将排放物数据提供给控制器116，用于确定何时操作阀130将排气流引导到斯特林发动机122。
当斯特林发动机122联接到排气***128时，来自于排气的热量给斯特林发动机122提供热源。斯特林发动机的冷侧由上述冷却***114提供。将理解的是，斯特林发动机的冷侧和热侧之间的温度差驱动斯特林发动机122，继而驱动交流发电机138（或与斯特林发动机122独立或者集成到斯特林发动机122中的其它发电机），以产生电能，用于存储在车辆100的能量存储***110中。
将理解的是，排放物控制***132必须变为操作温度以按照预期工作。因此，控制***116操作阀130旁通（选择性地断开）斯特林发动机122以防接收排气流，直到发生一些条件或足够时间段，从而排放物控制***132可以适当地工作。在任何示例性实施例中，当确定排放物控制***132实现操作温度时，控制***116操作阀300将排气流从排气***128引导到斯特林发动机122。当这发生时，斯特林发动机122通过入口140从排气***接收热量，且经由出口142将排气返回排气***。因而，斯特林发动机122的热侧的温度升高，直到在斯特林发动机122的冷侧（如上所述被冷却）之间存在足够的差。温度差于是驱动斯特林发动机122，继而驱动发电机138。
图6图示用于理解本公开的示例性方法200的流程图。可通过软件、硬件、固件、或其任何组合来执行与图6的方法200相关执行的各种任务。为了说明起见，以下对图6的方法的描述可参考上文结合图5所述的元件。实践中，可由所述***的不同元件来执行图6的方法200的一部分。还应当理解，图6的方法可包括任何数量的额外或替代任务，图6的方法可包括在具备这里未详细描述的附加功能的更复杂的程序或过程中。此外，图6所示的任务中的一个或多个可以从图6的方法200的实施例省去，只要预期总体功能保持完好无损即可。
例程在步骤202开始，其中，检测发动机起动（例如，内燃发动机102（图5）的起动）。接下来，判定204确定是否检测到将斯特林发动机（图5中122）联接到排气***（图5中128）的条件，从而斯特林发动机122可以接收排气流。这种条件可以是时间间隔到期，从而确定排放物控制***（图5中132）处于操作温度内或者排气排放物低于阈值（经由图5中的排放物传感器136）。如果未发生所述条件，步骤206继续将排气流从斯特林发动机122旁通。
相反，如果判定204确定已经发生所述条件，步骤208通过操作阀（图5中130）将斯特林发动机122联接到排气***128而接合斯特林发动机，从而斯特林发动机122可驱动发电机（图5中138），以产生功率，用于存储在能量存储***（图5中110）中。判定210确定内燃发动机（图5中102）是否关闭，在该情况下例程结束（步骤212）。然而，判定210的否定确定将例程循环回到判定204，其确定此时是否未检测到所述条件（例如，排放物控制***132的温度下降低于期望温度阈值）。只要排气***在所需排放物规定内操作，斯特林发动机122就操作发电机138以产生电能，用于由车辆（图5中100）使用和存储在能量存储***（图5中110）中。
因此斯特林发动机包含在车辆排气***中以回收浪费的热能且提供附加电功率，同时保持排放物控制要求。虽然已经在上述发明内容和详细描述中说明了至少一个示例性实施例，但应当理解，存在大量的变型。还应当理解的是，示意性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式对本公开的范围、应用或构造构成限制。相反，上述发明内容和详细描述将向本领域的技术人员提供应用示例性实施例的便捷路径。应当理解，可对元件的功能及设置进行各种改变而不脱离所附权利要求及其合法等价物界定的本公开范围。
Claims (10)
1.一种***，包括：
发动机；
联接到所述发动机的冷却***；
联接到所述发动机的排气***；
联接到所述排气***的排放物控制***；
斯特林发动机，所述斯特林发动机在其第一端联接到冷却***且在第二端在发动机和排放物控制***之间选择性地联接到排气***，并且使用冷却***和从排气流提取的热量驱动；
联接到斯特林发动机且通过斯特林发动机驱动的电能发电机，以产生电能；以及
联接到电能发电机的能量存储***，用于存储由电能发电机产生的电能。
2.根据权利要求1所述的***，还包括联接到排气***和斯特林发动机的阀，用于将斯特林发动机选择性地联接到排气***。
3.根据权利要求2所述的***，还包括联接到发动机和阀的控制***，用于控制排气流何时引导到斯特林发动机。
4.根据权利要求3所述的***，其中，所述控制***在足以允许排放物控制***达到操作温度的时间段之后操作旁通阀以将排气流引导到斯特林发动机。
5.根据权利要求3所述的***，还包括联接到排放物控制***和所述控制***的排放物传感器，且其中，所述控制***在排气排放物被感测低于阈值之后操作阀以将排气流引导到斯特林发动机。
6.根据权利要求3所述的***，还包括：
联接到排放物控制***和所述控制***的温度传感器，且其中，所述控制***在排放物控制***的温度被感测高于阈值之后操作阀以将排气流引导到斯特林发动机。
7.根据权利要求1所述的***，其中，所述排放物控制***包括排放物控制装置以下组中的一个：催化转换器；柴油氧化催化剂；烃吸收器；选择性催化还原或柴油颗粒过滤器。
8.根据权利要求1所述的***，其中，所述电能发电机包括联接到斯特林发动机的交流发电机。
9.一种方法，包括：
控制阀以将排气流从车辆的排气***引导到排放物控制***，直到发生预定条件；
在发生预定条件之后控制所述阀以将排气流引导到斯特林发动机；
经由在第一侧从排气流提取的热量和由车辆的冷却***冷却的第二侧操作所述斯特林发动机；
经由由斯特林发动机驱动的发电机产生电能；以及
籍此，在发生预定条件之后，通过从排气流提取热量而产生电能。
10.一种车辆，包括：
发动机；
联接到所述发动机的冷却***；
联接到所述发动机的排气***；
联接到所述排气***的排放物控制***；
在发动机和排放物控制***之间联接到排气***的阀，用于选择性地引导排气流；
斯特林发动机，所述斯特林发动机在其第一端联接到冷却***且在第二端经由阀选择性地联接到排气***，并且配置成使用冷却***和从排气流提取的热量驱动；
联接到阀的控制***，用于控制斯特林发动机何时选择性地联接到排气***；
联接到斯特林发动机且通过斯特林发动机驱动的电能发电机，以产生电能；以及
联接到电能发电机的能量存储***，用于存储由电能发电机产生的电能。
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