组合热交换器和排气消声器的制作方法

本发明涉及用于车辆的组合热交换器和排气消声器。

背景技术：

通常地，车辆的内燃发动机安装有排气系统。排气系统具有减少发动机的噪声同时从发动机释放排气的功能。为了减少噪声，排气消声器被设置为限定使得噪声减小的排气路径。此外，排气系统还可包括用于将排气中的有毒气体转换为毒性更小的气体的催化转化器。

来自排气的热量可从排气回收并且例如用于加热车辆的客舱、散热器内的冷却剂、机油或被称为换热装置(heat-to-heatdevice)中的变速器油。回收的热量也可用于使用热功转换(heat-to-power)装置产生电能或向车辆的传动系提供附加功率。为了从排气回收热量，热交换器可定位为排气系统的一部分。在用于内燃发动机的这种热交换器中，热量从排气被传送至工作介质例如流体。热交换器可为不同的设计例如管式或平板式热交换器。但是，热交换器太庞大，并且如果这些热交换器集成在排气管线中则常常发生空间冲突。通常，还需要旁路以在更高的发动机载荷下关闭废热回收系统。

ep2733322描述了一种用于排气系统的热交换器。在ep2733322中，示出沿用于排气的第一路径设置热交换器管道，并且还示出其中排气旁通绕过热交换器管道的旁通通路。然而，改进似乎可能与热交换器效率相关并且进一步与旁通通路中的噪声减弱相关。

因而，具有集成热交换器的现有技术排气系统似乎仍有改进空间。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述及其它缺陷，本发明的一个目的是提供减轻现有技术系统的至少一部分问题的组合热交换器和排气消声器。

根据本发明的第一方面，提供了用于车辆的组合热交换器和排气消声器(combinedheatexchangerandexhaustsilencer，也可译作“热交换器和排气消声器组件”)，包括：用于排气流的入口和出口；外壳，设置有在入口处的第一端部和在出口处的第二端部使得排气能够流经外壳；设置在外壳内的旁通管，该旁通管具有穿孔壁部，该旁通管限定了用于排气穿过外壳的第一流道；设置在外壳内的第二管道，该第二管道具有穿孔壁部，第二管道被设置为从外壳的第一端部延伸至第二端部；设置在所述外壳内的第三管道，所述第三管道具有穿孔壁部，所述第三管道被设置为从所述外壳的第一端部延伸至第二端部，所述第三管道具有比所述第二管道的外径更大的内径，其中所述第二管道设置在所述第三管道内使得所述第二管道的外表面与所述第三管道的内表面之间的空间限定了用于排气穿过所述外壳的第二流道；用于限定热交换流体的流道的热交换器管道，该热交换器管道被设置为在第二流道内围绕第二管道外周的螺旋形，吸音材料设置在外壳内并且围绕旁通管和第三管道，该吸音材料进一步被设置在第二管道的内部；旁通阀，其被构造为：在第一状态下允许用于排气的流路经由旁通管的流道从入口至出口打开，并且在第二状态下关闭所述流路，藉此排气的至少主要部分被迫使穿过第二流道。

管道的穿孔壁部包括在管道的材料内形成通孔的冲孔。所述冲孔在管道的内部与外部之间延伸。

旁通阀被构造为至少可在第一状态与第二状态之间切换。第一状态通常地是“旁通状态”，其中排气流被旁通而不流经第二流道。在第二状态下，排气流经第二流道从而与热交换器管道进行热交换，藉此第二状态可以是“热交换状态”。此外，旁通阀可仅部分关闭从而排气流经第一流道和第二流道。这样，可控制排气流从而控制至热交换器管道的热量。

热交换器管道被构造为将热交换流体(即“冷却介质”或“工作流体”)供至被构造为从热交换流体回收热量的热交换器单元。热交换器单元可以例如是换装置或热功转换装置。因而，相对较高温度的热交换流体在热交换器管道内被运输至热交换器单元，在此回收热量并且将其传送至其它地方(例如加热车辆的某些部件，或转换为机械动力从而为传动系提供动力)。

本发明基于这样的认识：热交换器可通过包括可构造的旁通阀被集成在排气消声器中。旁通阀可控制排气流流经旁通管和/或至少一个具有围绕其设置的热交换器管道的管道。管道(旁通管、第二管道和第三管道)具有穿孔(例如冲孔)并且被吸音材料所围绕，这样，在热交换器被占用(第二状态)和处于旁通状态二者都实现了消声功能。

根据本发明的一个实施例，螺旋形热交换器管道可以是围绕第二管道的双螺旋线圈，其中热交换器管道沿位于外壳内的第二管道的基本整个长度缠绕在第二管道周围。螺旋类型的热交换器管道具有弹簧似的构成，其有利地允许具有较小断裂风险的热膨胀。

根据本发明的一个实施例，热交换器管道可包括热交换器管道的外表面上的散热片。因而，为了进一步增加热交换器管道与排气之间的接触面积以提高热交换器的效率，在热交换器管道的外部上包括散热片。

根据本发明的实施例，吸音材料可进一步被设置为从外壳的第一端部至第二端部填充外壳，吸音材料进一步被设置为填充至少在外壳内部的第二管道的内部。这样，改进了旁通阀在第一状态和第二状态下的消声功能。例如，这样至少在组合热交换器和排气消声器的外壳的整个长度上改进了消声功能。

在本发明的一个实施例中，第三管道可包括用于在外壳的第二端部处收集冷凝液体的非穿孔壁部。在第二状态下，相对较高温度的排气在第一端部处进入热交换器管道所处的第二流道，当排气沿第二流道行进时它冷却(即与热交换器管道进行热交换)并且冷凝液体(例如水)可形成于第二端部处。没有冲孔的非穿孔壁部可被构造为收集冷凝液体。

组合热交换器和排气消声器可包括前壁和后壁，其中入口处于所述前壁中，所述出口处于所述后壁中，所述前壁被设置为在第一端部处关闭外壳并且后壁被设置为在第二端部处关闭外壳。由于前壁和后壁关闭了外壳，入口和出口被构造为允许排气进入和离开外壳。

根据本发明的一个实施例，旁通管的轴向长度可比所述外的长度短，使得间隔形成于旁通管的端部与前壁和后壁之间，其中第三管道的轴向长度可比所述外壳的长度短，使得间隔形成于第三管道的端部与前壁和后壁之间，藉此排气能够从入口经由旁通管的端部处与前壁和后壁的相应间隔并且经由第三管道的端部处与前壁和后壁的间隔流至第二流道并且从第二流道流至出口。换句话说，第二管道比第三管道和旁通管更长。这样，用于排气的路径形成在第二流道中且具有间隔。

在一个实施例中，第二管道的轴向长度可使得第二管道从前壁延伸至后壁。

旁通阀可设置在若干可能的位置上。一个可能的实例是旁通阀被设置为关闭旁通管上的第一流路。因而，旁通阀设置在旁通管内并且藉此被构造为通过关闭第一流道来关闭第一流路。例如，旁通阀可位于旁通管的靠近所述外壳在后壁处的第二端部的端部处。这样，旁通阀不会暴露于穿过前壁处入口进入外壳的相对较高温度的排气。在另一实施例中，旁通阀可位于旁通管的靠近外壳在前壁处的第一端部的端部处。藉此，在第二状态下排气不允许进入旁通管。

在一个实施例中，可能具有如下构造的第二阀：在第一状态下，关闭从入口经由第二流道至出口的第二流路。因此，第二流路包括第二流道并且该第二流路可在第一状态下被旁通阀关闭。这样，热交换功能可至少部分被关闭。

旁通阀和第二阀可形成三通阀。这种阀能够打开第一路径同时关闭第二路径。

吸音材料有利地是多孔材料。例如吸音材料可以是玻璃纤维棉、矿物棉、陶瓷棉或岩棉。

根据本发明的第二方面，提供了包括组合热交换器和排气消声器的车辆。

本发明第二方面的其它效果和特征基本上类似于如上所述本发明的第一方面。

总之，根据不同实施例，本发明涉及用于车辆的组合热交换器和排气消声器，包括旁通阀，其被构造为：在第一状态下允许用于排气的流路经由至少部分穿孔的旁通管从入口至出口打开，并且在第二状态下关闭该流路，藉此至少排气的主要部分被迫使穿过包括热交换器管道的第二流道。通过至少部分穿孔的第二管道与至少部分穿孔的第三管道之间的环隙形成第二流道。吸音材料围绕旁通管和第三管道，并且还设置在第二管道的内部。

当研究所附权利要求和下面的描述时本发明的其它特征和优点将更为明显。本领域技术人员认识到，本发明的不同特征可组合以形成除了在下文中描述之外的实施例而不脱离本发明的范围。

附图说明

现在参照示出本发明示例实施例的附图更详细地描述本发明的这些及其它方面，其中：

图1示意性地示出根据本发明示例实施例的车辆；

图2示出根据本发明示例实施例的组合热交换器和排气消声器；

图3a是图2中组合热交换器和排气消声器的截面图；

图3b是图2中组合热交换器和排气消声器的截面图，其中旁通阀处于第一状态；

图3c是图2中组合热交换器和排气消声器的截面图，其中旁通阀处于第二状态；

图4示出围绕第二管道设置的示例热交换器管道；

图5示出本发明的示例实施例；并且

图6示出本发明示例实施例的截面图。

具体实施方式

在详细说明中，主要参照汽车形式的车辆描述根据本发明的系统和方法的不同实施例。但是，本发明主要同样地用于其它类型的车辆例如卡车、公共汽车等等。因而，本发明可体现为很多不同的形式并且不应当被诠释为局限于此处阐述的实施例；相反，这些实施例是为了彻底性和完整性，并且向本领域技术人员完全表达了本发明的范围。相同的附图标记自始至终指的是相同的元件。

图1示意性地示出汽车100形式的车辆。汽车100包括内燃发动机(ice)102，其排气连接管道至催化转化器104。排气从ice流至催化转化器104，催化转化器104被构造为减少排气中的有毒气体量。随后，排气流至根据本发明实施例的组合热交换器和排气消声器106。

图2结合图3a-c示出根据本发明实施例的组合热交换器和排气消声器200。组合热交换器和排气消声器200具有入口202和出口204，通过入口202排气可进入组合热交换器和排气消声器200(例如来自于ice102或催化转化器104)，通过出口204排气可离开组合热交换器和排气消声器200。还具有外壳201，外壳201在组合热交换器和排气消声器200的入口202侧处设置有第一端部203，在出口204侧处设置有第二端部205，使得排气能够流过外壳201。在外壳内部具有带有穿孔壁部207的旁通管206，旁通管206的壁部207具有进入旁通管206内部的多个径向通孔。旁通管206限定了在旁通状态排气穿过外壳201的流道(未示出，参见图3c)。对于该组合系统200的热交换部分，第二管道210设置在外壳201内，第二管道210也具有穿孔壁，在本实施例中整个第二管道是穿孔的(在其它实施例中第二管道也可为仅部分穿孔的)。第二管道210从外壳201的第一端部203延伸至第二端部205。这有助于改进热交换状态下的消声(如下所述)。在外壳201内还有第三管道212。第三管道212也具有穿孔壁并且从外壳201的第一端部203延伸至第二端部205。在本实施例中，整个第三管道是穿孔的(在其它实施例中第三管道也可为仅部分穿孔的)。此外，第三管道的内径比第二管道210的外径大。这就使得第二管道210能够设置在第三管道212的内部。例如，第二管道210和第三管道212可同心设置。因而第二管道210的外表面与第三管道212的内表面之间具有间隔，其限定了用于排气穿过外壳201的第二流道303。热交换器管道216被设置成围绕第二管道210螺旋形地设置以限定用于热交换流体的流道，该热交换流体包括水、油、乙二醇、乙醇、甲醇或例如水/乙二醇、水/乙醇或水/甲醇等等本领域已知的组合。热交换器管道216设置在第二流道303内使得在第二流道内流动的排气的热量可被传送至热交换器管道216内的热交换流体。在该实施例中，热交换器管道216被设置为双螺旋线圈(例如围绕在第二管道210周围缠绕的螺旋状管道)的形式。旁通管206和第三管道212可通过刚性地附接于(例如通过焊接或螺钉附接于)外壳的安装板230被固定就位在外壳内。第二管道210可安装于前壁227和后壁225。

进一步参照图2，在本实施例中在旁通管206上设置旁通阀220(参见图3a-c)。旁通阀220被构造为打开和关闭排气从入口202经由旁通管206至出口204的流路。因而，在第一状态下，旁通阀被构造为允许从入口202经由旁通管206的流道302至出口204的排气流路是打开的。在第二状态下，旁通阀被构造为关闭该流路，藉此排气的至少主要部分被强迫通过第二流道303。当排气流过第二流道时，它流动接触热交换器管道216从而热量可从排气被传送至在热交换器管道216内流动的热交换器流体。在该特定实施例中，旁通阀220关闭旁通管206内的流路。但是，旁通阀220可位于旁通管206外部，例如沿排气流在旁通管206前面的入口处，从而在第一状态下将排气引导至旁通管206并且在第二状态下至第二流道303。

此外，吸音材料218(例如玻璃纤维棉)围绕旁通管206和第三管道212设置。此外，吸音材料218也设置在第二管道210内部。优选地，吸音材料218从第一端部203至第二端部205填充外壳以及第二管道212的内部。这就改进了在旁通状态和在第二状态(热交换状态)下组合热交换器和排气消声器200的消声效果。

在图2所示的实施例中，外壳具有扁圆形截面形状，但是其它形状也是可能的(例如圆形、长方形等等)。此外，入口和出口可以是外壳的一部分，或如图2所示，入口202可以是前壁225的一部分并且出口可以是后壁227的一部分，前壁和后壁被安装以封闭外壳201的第一端部203和第二端部205。入口和出口可以是穿过各个壁的通孔，并且必要时可包括附加管道。前壁225和后壁227可例如通过螺钉或焊接紧固于外壳。

进一步参照图2结合图3b-c，第二管道210的轴向长度使得第二管道210从前壁225延伸至后壁227，因而最大化了第二管道210在外壳内的长度从而提供了更长的热交换器管道216并且改进了第二状态(热交换状态下)的消声。此外，旁通管206比外壳的长度短，因此在前壁225与旁通管206之间形成间隔222并且在后壁227与旁通管206之间形成间隔223。此外，第三管道212比外壳的长度短。由于该构造，排气能够经由旁通管206端部处与前壁225和后壁227的各个间隔222、223从入口202流至第二流道303并且从第二流道303流至出口204。

此处示出的实施例被示为具有两个热交换单元250，每个都包括第二管道210、第三管道212和热交换器管道216。但是，本发明同样适用于单个热交换单元或两个以上的热交换单元例如三个、四个、五个热交换单元等等。在图2中，两个热交换单元与旁通管206大致平行地设置在旁通管的相反侧上。

图3a示出组合热交换器和排气消声器200沿a-a'的截面图。在图3a中，示出第二管道210轴向设置在第三管道212的内部。此外，形成第二流道303的间隔形成于第二管道210与第三管道212之间。热交换器管道216设置在第二流道303内。此外，吸音材料218围绕旁通管206和第三管道212，并且吸音材料进一步填充第二管道210的内部219。

图3b-c示出处于两个不同状态的组合热交换器和排气消声器200沿b-b'的截面，第一状态是旁通状态(图3b)并且第二状态是热交换器状态(图3c)。

首先参照图3b，旁通阀处于第一状态，其中旁通阀220是打开的。在该第一状态，旁通状态，箭头指示的排气进入入口202并且排气的主要部分将流经由第一管道206限定的第一流道302。第一流道是第一状态下排气的最低阻力路径，因此排气的主要部分将在第一流道302内流经旁通管206。因为第二流道303是打开的，所以一部分排气可流经第二流道303。穿孔允许声波穿透到第一管道206外部并且被吸音材料218(例如玻璃纤维棉)所吸收。换句话说，在旁通阀220的第一状态下有效地完成消声。

现在看图3c，示出旁通阀220处于第二状态下的组合热交换器和排气消声器200的截面，在第二状态下，穿过第一流道的流路被关闭。在该第二状态，排气进入入口202并且因为第一流道302关闭而被迫至第二流道303。第二管道210和第三管道212的穿孔允许声波穿透管道210、212并且至少部分被周围的吸音材料218和第二管道210内的吸音材料所吸收。此外，第二管道210内的吸音材料关闭了穿过第二管道210的路径，藉此进一步迫使排气流经热交换器管道216所处的第二流道303。当排气流经第二流道303时，它与由导热材料(例如钢、不锈钢或任何其它兼容热交换流体)的金属制成的热交换器管道216相接触。热交换流体(例如水、油、乙二醇、乙醇、甲醇或例如水/乙二醇、水/乙醇或水/甲醇等等本领域已知的组合)在热交换器管道216内从热交换器管道216的入口(未示出)流至出口(未示出)。当进入热交换器管道216时热交换流体具有相对较低温度，在此它被相对较高温度的排气所加热。因而，当热交换流体离开热交换器管道216时的温度与它进入热交换器管道216时相比更高。此外，旁通阀可仅部分关闭从而排气流经第一流道302和第二流道303。这样，可控制排气的流并因此控制至热交换器管道216的热量。

双螺旋类型的热交换器管道216是有利的，因为与单缠绕的热交换器管道相比它增加了排气与热交换器管道之间的接触面积并且增加了用于热交换流体的流路的长度，藉此提高了热交换器的效率。此外，因为车辆排气系统中的温度范围能从大约-50℃至大约2000℃，所以排气系统的零件将受热膨胀。双螺旋类型的热交换器管道216具有类似弹簧的结构，其有利地允许热膨胀的断裂风险较小。

现在看图4，示出根据示例的组合热交换器和排气消声器200的热交换器管道416。该热交换器管道416包括热交换器管道416外表面上的散热片420。该散热片420进一步增加了热交换器管道416的外表面积从而进一步提高了热交换器的效率，即通过散热片420增加了排气与热交换器管道416之间的接触面积。散热片420如图4所示是基本上平行于管道主体415的纵向散热片420。当然，其它类型的散热片也是可能的并且在本发明的范围内，例如螺旋形方式环形地设置在管道主体415周围的螺旋形散热片。每个散热片可为沿整个热交换器管道的整体。可选地或附加地，每个散热片可沿整个热交换器管道被切割为若干片。热交换器管道可例如具有范围为4mm-13mm的直径。旁通管206可具有范围为30mm-90mm的内径。

参照图5示出本发明的其它实施例，其中第三管道512包括在外壳的第二端部205处用于收集冷凝液体(例如水)的非穿孔壁部514。非穿孔的壁部514因而形成可以收集和容纳液体的圆角部分。冷凝液体可通过其它管子(未示出)被传送离开组合热交换器和排气消声器200。

图6示出另一个实施例的截面图，其是包括旁通阀220和第二阀620的三通旁通阀装置。第二阀620被设置为打开或关闭穿过第二流道303(此处仅一个流道303具有相应的阀，但是当然两个热交换单元可都包括相应的第二阀)的流并且被设置为使得第一状态下从入口经由第二流道303至出口的第二流路关闭。图6所示实施例的编号部件与参照图3a-c和图2已经论述的编号部件相同并且不再赘述。

旁通阀220或620例如电动机(未示出)或气动马达(未示出)所致动。电动机是优选的；但是在阀附近温度过热的情形下气动马达是有利的。致动器(例如电动机)被控制单元(未示出)控制为基于例如对热量回收和/或防止热交换器单元250过热的需要来打开或关闭旁通阀。用于旁通阀的杆221延伸到外壳201外部从而能通过外部致动器(未示出)控制旁通阀的状态。

控制单元可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其它可编程装置。

所属技术领域的技术人员认识到，本发明绝不局限于如上所述的优选实施例。相反，很多改进和变化可能处于所附权利要求的范围内。例如，旁通管可设置在第二管道内部。换句话说，旁通管、第二管道和第三管道均可同心地设置。

在权利要求中，措辞“包括”不排除其它元件或步骤的存在，并且不定冠词“一个”不排除多个的存在。单处理机或其它单元可完成权利要求记载的若干项目的功能。在彼此不同的从属权利要求中记载的某些测量未示出这些测量组合的纯粹事实不能带来优点。权利要求中的任何附图标记不应当被诠释为限定其范围。