CN109695519A - 低温车辆条件下的热源 - Google Patents

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Abstract

提供了用于操作车辆的内燃机的方法和设备。内燃机包括排气***，该排气***具有被配置为将空气流引导到内燃机的进气管和被配置为引导来自内燃机的排气流的排气管。排气***还具有排气再循环回路以将排气流的至少一部分从排气管引导到进气管。经由与排气再循环冷却器中的排气成分的冷凝风险增加相关联的事件产生刺激。响应于刺激，将热量供应到进气管、排气管或排气再循环回路中的至少一个。

Description

低温车辆条件下的热源
技术领域
本公开总体上涉及车辆排气***，并且更具体地涉及包括排气再循环回路的车辆排气***。
背景技术
本节提供与本公开有关的背景信息且不一定是现有技术。
内燃机常规上包括具有至少一个汽缸的发动机缸体。每个汽缸容纳活塞，该活塞经由连杆连接到曲轴，并且结合汽缸盖限定燃烧室。从进气管接收的空气与燃料的混合物被引入燃烧室并且以循环方式点燃，由此产生快速膨胀的气体，该气体驱动活塞的线性移动，其进而被连杆转换为曲轴的旋转。
由燃料燃烧产生的废气经由排气***排放到大气中。这些废气中的一些废气包括严格调节的燃烧副产物，诸如NOx。用于减少这些废气排放的一种技术是通过排气再循环(EGR)进行，该技术通常涉及将排气的一部分再循环回到流入发动机汽缸的进气中。通过将排气再循环回到发动机汽缸，可以降低发动机中的火焰温度，从而导致降低排气中NOx的产生。
为了进一步减少NOx产生，EGR再循环回路可以包括EGR冷却器，其在排气再次引入进气之前降低排气的温度。降低排气温度进一步降低了发动机中的火焰温度，由此进一步降低了NOx产生。
EGR冷却器易于结垢，这降低了冷却器的热效率，由此削弱了冷却器降低排气温度并且因此减少有害的排气产生的能力。
因此，希望提供一种减少EGR冷却器的结垢的排气***。此外，希望排气***可重复使用且设计简单。另外，从以下结合附图和前面的技术领域及背景技术进行的详细描述和所附权利要求书中将更清楚地明白本发明的其它期望特征和特性。
发明内容
提供了一种用于车辆的内燃机的设备。内燃机包括进气管，该进气管被配置为将空气流引导到内燃机。内燃机还包括排气***，该排气***包括排气管，该排气管被配置为引导来自内燃机的排气流。排气***进一步包括排气再循环回路，其被配置为将排气流的至少一部分从排气管引导到进气管。排气再循环回路包括排气再循环冷却器。内燃机还包括热发生器，该热量发生器被配置为将热量供应到进气管、排气再循环回路以及排气管中的至少一个。热量发生器包括反应物溶液，其被配置为响应于外部刺激而以放热方式进行化学反应。
在一个实施例中，外部刺激包括机械脉冲。
在一个实施例中，排气***进一步包括致动器，该致动器被配置为响应于与车辆起动相关联的事件而提供机械脉冲。
在一个实施例中，其中热量发生器的反应物之间的放热化学反应是可逆反应。
在一个实施例中，放热化学反应的一种或多种产物进行吸热反应以形成反应物溶液，当加热后部件与热量发生器达到热平衡时，该吸热反应受到高于平衡温度的温度的刺激。
在一个实施例中，放热反应的反应物溶液包括乙酸钠和水的过饱和溶液。
在一个实施例中，热量发生器包括缠绕物，该缠绕物具有在与加热后部件接触的第一表面位置处的导热材料，以及在与第一表面位置相对的第二表面位置处的隔热材料，其中反应物溶液保持在第一表面位置与第二表面位置之间。缠绕物可以被配置为包围加热后部件的至少一部分，使得放热反应产生的热通量被引向加热后部件。
在一个实施例中，内燃机是柴油发动机并且预定温度是酸露点。
本文还提供了一种用于操作车辆的内燃机的方法。内燃机包括排气***和进气管，该进气管被配置为将空气流引导到内燃机。该排气***包括排气管，该排气管被配置为引导来自内燃机的排气流。排气***进一步包括排气再循环回路，其被配置为将排气流的至少一部分从排气管引导到进气管。排气再循环回路包括排气再循环冷却器。根据该方法，在与排气***中的排气成分的冷凝风险增加相关联的时间产生刺激。响应于刺激，产生热量并且将热量供应到进气管、排气管或排气再循环回路中的至少一个。
在一个实施例中，产生刺激的步骤包括产生机械脉冲。
在一个实施例中，在加热后部件与热量发生器达到热平衡之后，放热反应被逆转。
在一个实施例中，放热反应的一种或多种产物以可逆方式进行吸热反应以形成反应物溶液，该吸热反应受到高于平衡温度(例如高于排气的酸露点)的温度的刺激。
在一个实施例中，反应物溶液包括乙酸钠和水的过饱和溶液。
在一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：在与加热后部件接触的第一表面位置处通过导热材料热传导来自热量发生器的热量，并且在与第一表面位置相对的第二表面位置处用隔热材料对来自热量发生器的热量进行隔热，使得来自热量发生器的热通量指向加热后部件。
在一个实施例中，内燃机是柴油发动机并且预定温度是酸露点。
本文还提供了一种用于在低温条件下向车辆部件提供热量的方法，该方法包括响应于与车辆起动相关联的事件而产生刺激以用于发起热量发生器中的反应物溶液的放热反应，并且响应于该刺激，并且从热量发生器向车辆部件供应热量。
在一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：在加热后部件达到平衡温度之后逆转放热反应。
在一个实施例中，放热反应的产物被配置为以可逆方式进行吸热反应以形成反应物溶液，该吸热反应被高于平衡温度的温度刺激。
在一个实施例中，反应物溶液包括乙酸钠和水的过饱和溶液。
附图说明
下文将结合以下附图描述示例性实施例，其中相同标号表示相同元件，且其中：
图1是具有本公开的排气***的车辆的侧视图；
图2A是根据示例性实施例的内燃机和排气***的示意图；
图2B是根据示例性实施例的内燃机和另一个排气***的示意图；
图3A是根据示例性实施例的热量发生器的示例性图示；
图3B示出了穿过图3A中所示的线B-B的横截面；
图4是示出可以在示例性实施例的热量发生器中使用的放热反应的温度相对于时间升高的曲线图；
图5是说明根据示例性实施例的操作本公开的排气***的方法的流程图；以及
图6是说明根据示例性实施例的本公开的另一种方法的流程图。
具体实施方式
以下具体实施方式本质上仅仅是示例性的，而并不意图限制本文公开的发明或本文公开的本发明的应用和用途。另外，除非明确陈述为要求保护的主题，否则无意受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中呈现的任何原则或理论的约束，无论是明示的还是暗示的。
本公开的实施例可以包括如图1中所示的机动车辆100。如图1中所示，车辆100包括内燃机101、排气***102以及排气管105。
如图2A的示意图中所示，发动机101可以包括一个或多个汽缸。每个汽缸包括活塞。活塞可以包括连杆，其随曲轴一起转动。汽缸盖与活塞配合以限定燃烧室。经由进气口103接收空气(由短虚线示出)并且将空气与燃料混合。空气与燃料的混合物被引入发动机101的燃烧室中并且被点燃，导致产生高温的膨胀燃烧气体，这使活塞在汽缸内线性移动，由此转动曲轴。
在点燃之后，废燃烧气体(由长点划线示出)从汽缸中排出并流入排气管105，该排气管被配置为引导排气流离开发动机101。排气管105可以具有通向大气的一端以便将这些气体排放到大气中。
为了减少有害的排气排放，诸如NOx，排气***102可以包括排气再循环回路120。排气再循环回路120可以被配置为将至少一些排气(由粗实线示出)从排气管105引导到进气口103。通过将来自排气管105的排气的一部分经由排气再循环回路120引导到进气口，可用于燃烧的空气量减少，因为否则可用于燃烧的空气的一部分被排气替换。
由于可用于燃烧的空气量的减少，发动机汽缸中的火焰温度可能降低。火焰温度的降低可以减少汽缸中点火期间的NOx产生。
如图2A中所示，为了进一步减少NOx产生，排气可以经由排气再循环单元120改变方向。在再循环期间，当排气流过该排气再循环回路120时，排气可以经由排气再循环(EGR)冷却器122冷却。
EGR冷却器122可以是专用冷却器，例如专用热交换器；专用的“壳管”式冷却器；或专用“堆叠”式冷却器。
EGR冷却器122可能易于结垢。具体地，EGR冷却器可能由于EGR冷却器122内部的排气冷凝而结垢。本发明人观察到，在低于预定温度的排气温度下，EGR冷却器内部可能发生由于冷凝而形成的液滴。在用于柴油发动机的排气再循环***中，预定温度可以是燃烧最终产物或排气的酸露点。EGR冷却器122中的排气冷凝还降低了排气与EGR冷却器122之间的热传递效率。
由于在车辆起动时柴油发动机的排气温度较低，因此在柴油发动机中通常会遇到EGR冷却器的冷凝结垢。已经观察到，在车辆起动时柴油发动机的EGR冷却器中通常会发生碳氢化合物和其它排气颗粒的冷凝，因为通常在车辆起动时或之后不久会遇到低于酸露点的排气温度。如本文使用的术语“车辆起动”描述了起动发动机101(发动机温度可以近似等于环境温度)与发动机温度和排气部件温度高于酸露点之间的时间段。
此外，冷凝结垢也可能在排气***102的其它地方发生问题。例如，如果车辆包括涡轮增压器，则排气可以朝向涡轮增压器的压缩机叶轮的“冷”入口侧引导。在这种配置中，压缩机叶轮周围的排气冷凝可能对压缩机叶轮的结构完整性产生负面影响。
在实施例中，提供热量发生器200以在车辆起动时向排气***102供应热量。通过在车辆起动时向排气***102供应热量，排气温度升高。在具有EGR再循环回路120的车辆中，排气温度的升高允许减少EGR冷却器122内部的排气的冷凝量减少，否则会在车辆起动时会发生冷凝。在一些实施例中，车辆可以包括控制***，该控制***被配置为取决于排气温度来选择性地确定是否允许排气流过EGR再循环回路，以便减少EGR冷却器122内部的冷凝。在这些实施例中，热量发生器200将允许在车辆起动之后更早地使用EGR再循环回路。
在一些实施例中，热量发生器200还可以被配置为在除了车辆起动之外的时间向排气***102供应热量。例如，热量发生器200可以可操作地连接到温度传感器，诸如温度计或热电偶。如果发动机的温度下降到预定温度(诸如排气的酸露点)以下，则可以经由处理器控制热量发生器以向排气***102供应热量。本领域技术人员应该认识到，酸露点取决于燃烧的特定燃料的组成和所产生的排气组成以及排气的压力和温度。因此，这些参数可以用于近似给定操作状态的酸露点。
在各种实施例中，热量发生器200可以向排气***102和/或进气口103的一个以上部件供应热量。在其它实施例中，热量发生器200可以仅向排气***102或进气口103中的一个部件供应热量。
在一个实施例中，热量发生器200可以向排气管105供应热量。如上面所解释，向排气管供应热量使排气变暖，使得在车辆起动期间在排气***102内部发生较少的排气冷凝，或者使得EGR再循环回路120可以在车辆起动后更快地使用。
在一个实施例中，热量发生器200可以另外或替代地向排气再循环回路120供应热量。例如，如果排气再循环回路包括一系列细管和EGR冷却器122，则热量发生器200可以向管、EGR冷却器122或者管和EGR冷却器122两者供应热量。向排气再循环回路120供应热量将再循环排气加热，使得在车辆起动期间在EGR冷却器122内部发生较少的排气冷凝。此外，排气再循环回路120的管通常直径较小并且具有多个弯曲部。因此，这些管通常具有排气***102的一个最高热惯性值，因此花费最长时间来与周围大气达到热平衡。因而，从热量发生器向排气再循环回路管供应热量可以是有益的以便补偿这种高水平的热惯性。
在另一个实施例中，热量发生器200可以另外或替代地向进气管103供应热量。在该实施例中，热量发生器200可以允许减少由排气冷凝在其它车辆部件上引起的腐蚀。例如，如图2B中所示，涡轮增压器130可以被设置在排气流和进气流中。被设置在进气流中的涡轮增压器的压缩机叶轮可能由于进气管103中的再循环排气的液滴冷凝而被腐蚀。利用热量发生器200向进气管103供应热量，可以减少进气管103中的再循环排气的冷凝量，并且因此可以减少对涡轮增压器130的压缩机叶轮的腐蚀量。
此外，以上述方式使用热量发生器200向排气***102供应热量还可以允许在车辆起动之前使用EGR再循环单元。
在图3中示出了示例性热量发生器200。热量发生器200可以具有圆柱形形式，使得热量发生器可以缠绕在进气管103、排气再循环回路120的管和/或EGR冷却器122和/或排气管105周围。
热量发生器200可以是柔性的或者具有相对非柔性的形式。优选地，热量发生器200包括纺织品缠绕物，其可以缠绕在排气***102的各种部件周围。
热量发生器200优选地在表面位置202处导热，该表面位置与热量发生器200供应热量的排气***的部件接触。此外，热量发生器200优选地在表面位置205处隔热，该表面位置不与热量发生器供应热量的排气***的部件接触。这种配置的一个示例是在其“内”表面202上结合不锈钢(该表面将与被供应热量的车辆部件接触)和在其“外”表面205上的编织玻璃纤维织物(该表面不与被供应热量的车辆部件接触)的缠绕物。以此方式，由热量发生器200产生的大部分热量将被引导通过内表面202到达排气***102的部件，同时减少通过外表面205损失到大气的热量。
优选地，产生热量的机制是容纳在热量发生器200内的溶液209中的反应物的化学放热反应。化学放热反应允许以最少的燃料或电池使用量产生热量，并且可以使用简单的机制来发起化学反应。放热反应可以具有相对慢的反应速率，使得在相对较长的时间段内产生热量。
放热反应可以响应于外部刺激而发生。刺激可以是基于热量的，诸如将反应物的混合物的温度升高到将发生反应的某个温度。在一些实施例中，刺激是机械刺激，诸如对反应物的混合物的机械脉冲。可以使用简单的、可靠的机械致动器207(诸如实心球)来向容纳在热量发生器200中的反应物输送机械脉冲。
响应于与车辆起动相关联的用户发起的动作，刺激可能受到影响。该动作本质上可能是机械的。例如，该动作可以通过致动器来实现，该致动器被配置为响应于以下一项或多项而向热量发生器200施加机械脉冲：用户打开车门；用户在驾驶员座椅上施加重量或压力；用户将钥匙***车辆点火装置；用户转动车辆点火钥匙；诸如制动器、加速器或离合器踏板等车辆控制机构的移动；或者发动机曲轴的旋转。在一个实施例中，被设置在化学反应物的混合物内部的球可以响应发动机起动而受到外部脉冲，由此向反应物的混合物输送脉冲。这将允许简单的、紧凑的配置以允许将脉冲输送到反应物。在另一个实施例中，座椅上的压力引起脉冲杆移动，该杆撞击热量发生器200以便向热量发生器200输送脉冲，由此发起放热反应。
另外或替代地，动作本质上可以是电动的，诸如车门的自动解锁。例如，由驾驶员的钥匙扣发出以用于解锁车门的信号可以触发压电致动器以向反应物的混合物输送机械脉冲以刺激放热反应。
优选地，放热反应是可逆的，使得化学反应的产物可以反应以重新形成反应的反应物。优选地，逆反应响应于产物周围环境的温度超过露点而发生。换句话说，放热反应的产物将在超过露点的环境温度下恢复到反应物。该逆反应可以是相变，诸如熔化。放热反应的产物也可以是溶液的形式。
利用这种类型的可逆反应，热量发生器200是可重复使用的。换句话说，热量发生器200可以在与车辆起动相关联的较冷条件期间经由放热反应来加热车辆部件，然后当车辆起动后发动机的温度升高时进行吸热反应，使得放热反应的产物反应以形成放热反应的反应物。这将允许在随后的车辆起动过程期间重新使用同一热量发生器200来加热车辆部件。
换句话说，当排气再循环回路的温度低于露点并且因此排气易于在EGR冷却器122内部冷凝时，热量发生器200可以通过放热反应产生热量。然后，在车辆起动之后，当发动机缸体101的温度升高使得排气再循环回路120在高于产物熔点的温度下操作并且因此排气不易于在EGR冷却器122中冷凝时，较高的温度刺激吸热反应(这与初始放热反应相反)，使得放热反应的产物转换回反应物。因而，随后可以在随后的车辆起动过程中重新使用热量发生器200来加热排气再循环回路120。
用于放热反应的优选反应物是乙酸钠和水，更具体是乙酸钠和水的过饱和溶液209。乙酸钠与水发生可逆反应来以下列方式形成晶体：
从图4的曲线图中可以看出，乙酸钠与水的放热反应可导致在约4秒内温度升高超过20℃。此外，从该曲线图中可以看出，反应继续在初始热量增加之后相对较长时间输出热量。
如上所述，该活化能量可以经由机械脉冲供应。
通过机械脉冲供应活化能量以刺激放热反应具有多种益处。不需要燃料使用来供应这种活化能量，而是可以使用简单的机制来提供这种活化能量。
在乙酸钠与水的上述反应中，乙酸钠与水的晶体形成可导致体积膨胀约13％。
为了适应与晶体形成相关联的这种体积膨胀，热量发生器200可能没有完全充满乙酸钠和水的混合物，使得存在固体晶体可以膨胀的备用体积。另外或替代地，热量发生器200的材料可以是可弹性变形的，使得材料可以“拉伸”以适应与晶体形成相关联的体积膨胀。
现在参考图5，说明了根据示例性实施例的操作排气***120的方法300。方法300开始于302，指示已发生与车辆起动相关联的事件。如上面所详述，与车辆起动相关联的事件可以包括打开车门、在驾驶员座椅上施加重量或压力、***钥匙到车辆点火装置中、按压车辆踏板或者发动机起动。
在304处，响应于该事件而产生刺激。可以经由使用传感器检测事件然后机械地或电气地产生刺激来执行刺激的产生。替代地，可以经由与事件相关的机构207的简单机械致动(诸如被设置在热量发生器内部的金属球响应于发动机起动而被施加脉冲)来执行刺激的产生。
在306处，通过溶液209响应于刺激的放热反应产生热量。通过放热化学反应产生热量。在308处，将热量供应到车辆排气***的部件(其可以是进气管103、排气管105或排气再循环单元120中的至少一个)以加热该部件。随后，当加热后部件(例如，进气口102、排气管105或EGR冷却器220)的温度高于加热后部件与热量发生器处于热平衡时的平衡温度时，方法300可以在310处终止，该平衡温度高于放热反应产物的熔点，导致将溶液209的吸热反应逆转到乙酸钠与水的过饱和溶液中。
在替代实施例中，除了加热EGR再循环单元的部件之外，热量发生器的放热反应可以用于其它目的。例如，放热反应可以用于在车辆起动时向其它车辆部件(诸如驱动轮、车辆座椅或车厢加热器)供应热量，而不会对车辆燃料经济性产生负面影响。在实施例中，放热反应可以是可逆的，使得随后可以与上述相同的方式重新使用热量发生器200。
参考图6，一种用于在低温条件下向车辆部件提供热量的方法400。方法400开始于402，指示已发生与车辆起动相关联的事件。如上面所详述，与车辆起动相关联的事件可以包括打开车门、在驾驶员座椅上施加重量或压力、***钥匙到车辆点火装置中、按压车辆踏板或者发动机起动。
在404处，响应于该事件而产生刺激。可以经由使用传感器检测事件然后机械地或电气地产生刺激来执行刺激的产生。替代地，可以经由与事件相关的机构207的简单机械致动(诸如被设置在热量发生器内部的金属球响应于发动机起动而被施加脉冲)来执行刺激的产生。在406处，通过溶液209响应于刺激的放热反应产生热量。可以通过热电偶产生热量。然而，优选地，通过放热化学反应产生热量。在408处，将热量供应到车辆部件(其可以是驱动轮、车辆座椅或车厢加热器)以加热该部件。然后，当加热后部件(例如，进气口102、排气管105或EGR冷却器220)高于产物熔点时，方法400可以在410处终止，由此导致将溶液209的吸热反应逆转到乙酸钠与水的过饱和溶液中。
虽然前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当明白的是，存在许多变化。还应当明白的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。实情是，前述详细描述将给本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的便捷指引。应当理解的是，在不脱离所附权利要求书和其合法等同物的范围的情况下，可以对元件的功能和设置作出各种改变。

Claims (10)

1.一种车辆的内燃机，包括：
进气管，其被配置为将空气流引导到内燃机；
排气管，其被配置为引导来自所述内燃机的排气流；
排气再循环回路，其被配置为将所述排气流的至少一部分从所述排气管引导到所述进气管，所述排气再循环回路包括排气再循环冷却器；以及
热量发生器，其被配置为向选自由所述进气管、所述排气再循环回路、所述排气管或其组合组成的组中的加热后部件供应热量，其中所述热量发生器包括反应物溶液，所述反应物溶液被配置为响应于外部刺激而进行放热反应以形成所述放热反应的一种或多种产物。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述外部刺激包括机械脉冲。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述放热反应是可逆反应。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述热量发生器包括缠绕物，所述缠绕物具有在与所述加热后部件接触的第一表面位置处的导热材料以及在与所述第一表面位置相对的第二表面位置处的隔热材料，所述反应物溶液保持在所述第一表面位置与所述第二表面位置之间，其中所述缠绕物被配置为包围所述加热后部件的至少一部分使得所述放热反应产生的热通量被引向所述加热后部件。
5.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述内燃机是柴油发动机。
6.一种用于操作车辆的内燃机的方法，所述内燃机具有进气管，其被配置为将空气流引导到所述内燃机；排气管，其被配置为引导来自所述内燃机的排气流；以及排气再循环回路，其被配置为将所述排气流的至少一部分从所述排气管引导到所述进气管，所述方法包括：
影响与车辆起动相关联的事件；
响应于所述事件而产生刺激以发起热量发生器中反应物溶液的放热反应；以及，
响应于所述刺激而从所述热量发生器向选自由所述进气管、所述排气管、所述排气再循环回路或其组合组成的组中的加热后部件供应热量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中产生刺激包括产生机械脉冲。
8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括在所述加热后部件与所述热量发生器处于热平衡时所述加热后部件达到平衡温度之后逆转所述放热反应。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述内燃机是柴油发动机。
10.一种用于在低温条件下向车辆部件提供热量的方法，所述方法包括响应于与车辆起动相关联的事件而产生刺激以用于发起热量发生器中的反应物溶液的放热反应，并且响应于所述刺激而从所述热量发生器向所述车辆部件供应热量。
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