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CN107084032B - 车辆消声器中的用于郎肯循环的热交换器 - Google Patents

车辆消声器中的用于郎肯循环的热交换器 Download PDF

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CN107084032B CN201710081362.1A CN201710081362A CN107084032B CN 107084032 B CN107084032 B CN 107084032B CN 201710081362 A CN201710081362 A CN 201710081362A CN 107084032 B CN107084032 B CN 107084032B
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Abstract

本公开提供一种车辆消声器中的用于郎肯循环的热交换器。一种车辆设置有发动机，发动机具有废气系统，废气系统包括消声器主体，消声器主体内包含控制废气流经调谐管的阀。车辆具有在包含工作流体的闭合回路中依次流体连通的膨胀器、冷凝器、泵和蒸发器。蒸发器布置在消声器主体内并支撑消声器主体中的阀和调谐管，蒸发器与废气和工作流体热接触。

Description

车辆消声器中的用于郎肯循环的热交换器
技术领域
多个实施例涉及用于向车辆中的热力循环(诸如郎肯循环)中的工作流体传递热的热交换器。
背景技术
包括混合动力车辆的车辆具有内燃发动机，内燃发动机产生高温废气。车辆还可包括具有废热且需要冷却的多个系统(例如，具有冷却剂流体的发动机冷却剂系统)。在操作期间，热力循环(诸如，郎肯循环)可用于(例如，通过使用发动机废气)回收车辆中的废热并使用热交换器将能量提供至车辆。通常，发动机废气可在热交换器中直接加热热力循环中的工作流体。
发明内容
根据实施例，提供一种车辆，所述车辆设置有发动机，发动机具有废气系统，废气系统包括消声器主体，消声器主体内包含控制废气流经调谐管的阀。车辆具有在包含工作流体的闭合回路中依次流体连通的膨胀器、冷凝器、泵和蒸发器。蒸发器布置在消声器主体内并支撑消声器主体中的阀和调谐管，蒸发器与废气和工作流体热接触。
根据另一实施例，提供一种车辆消声器，所述车辆消声器设置有壳体，所述壳体具有废气入口和废气出口。调谐管布置在壳体内并支撑用以控制废气流经调谐管的阀。设置有导管，郎肯循环中的工作流体流动通过所述导管。导管布置在壳体内并支撑调谐管，并且与废气和工作流体热接触。
根据又一实施例，提供一种控制车辆的方法。在热力循环中的热交换器中加热工作流体，热交换器布置在消声器内以支撑消声器中的调谐管并与发动机废气热接触。响应于接收到指示工作流体的温度的信号，控制与调谐管关联的阀的位置以控制废气流经调谐管。
根据本公开的各个实施例提供关联、非限制的优点。例如，诸如郎肯循环的热力循环可用于将热能转换成机械能或电能。已致力于当发动机废气在车辆中释放废热时更有效地从发动机废气中收集热量。本公开提供具有热交换器或蒸发器的郎肯循环，该热交换器或蒸发器设置在消声器内或作为内燃发动机的排气系统中的消声器。废气在蒸发器中加热并蒸发工作流体。消声器中的热交换器或蒸发器的结构用于减小由内燃发动机的排气发出的噪音的量，并且被构造为降低声音或隔音的结构，以减小由发动机产生的压力和关联的声音。蒸发器结构可包括用于废气的多个通道，对这些通道进行谐波调谐，以产生相消干涉而消除相反的声波。与在废气流中设有两个单独的装置(例如，消声器和用于热力循环的蒸发器)不同，通过将蒸发器并入消声器结构，可降低发动机上的总背压，进而使发动机效率和车辆的燃料经济性增加。消声器中的蒸发器结构用于降低废气温度，进而还减小发动机废气的压力和声压或声学压力，并使车辆的噪音减小。
附图说明
图1示出了根据实施例的车辆的系统的示意图；
图2示出了用于图1的郎肯循环的简化的压力-焓图；
图3示出了在多种操作条件下用于图1的郎肯循环的简化的压力-焓图；
图4示出了根据实施例的具有热交换器的消声器的示意图；
图5示出了根据实施例的控制车辆的热交换器和消声器的方法。
具体实施方式
根据需要，在此提供本公开的详细实施例；然而，应理解公开的实施例仅为示例并且可以以各种和替代的形式来体现。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种形式使用本公开的代表性基础。以化学术语描述的组分是指添加到说明书中特定的任何组合物时的组分，并且不一定排除一旦混合时混合物的组分之间的化学相互作用。如本公开中描述的流体可指处于各种状态或相(包括汽相、液相、汽/液混合相、过热气体、过冷液体等)的物质。
热力循环(诸如郎肯循环)可用于将热能转化成机械能或电能。已致力于当发动机废气在车辆中释放废热时更有效地从发动机废气中收集热量。本公开提供具有热交换器或蒸发器的郎肯循环，该热交换器或蒸发器设置在消声器内或作为内燃发动机的排气系统中的消声器。废气在蒸发器中加热并蒸发工作流体。消声器中的蒸发器结构用于减小由内燃发动机的排气发出的噪音的量，并且被构造为降低声音或隔音的结构以减小由发动机产生的压力和关联的声音。热交换器或蒸发器结构可包括用于废气的多个通道，对这些通道进行谐波调谐以产生相消干涉而消除相反的声波。与在废气流中设有两个单独的装置(例如，消声器和蒸发器)不同，通过将蒸发器并入消声器结构，可降低发动机上的总背压，进而使发动机效率和车辆的燃料经济性增加。消声器中的蒸发器结构用于降低废气温度，进而还减小发动机废气的压力和声压或声学压力，并使车辆的噪音减小。
图1示出了根据示例的车辆10中的各个系统的简化示意图。各个车辆系统中的流体可通过与郎肯循环的热交换器内的工作流体进行热传递而被冷却，并且工作流体进而在郎肯循环的冷凝器中使用外界空气而被冷却。郎肯循环通过将车辆中的废热转换成电能或机械能而允许能量回收，不然的话车辆中的废热将传递到外界空气。
车辆可以是具有可用于车轮的多个扭矩源的混合动力车辆。在其它示例中，车辆是仅具有发动机的传统车辆。在示出的示例中，车辆具有内燃发动机50和电机(M/G)52。电机52可以是马达或马达/发电机。发动机50和电机52经由变速器54连接到一个或更多个车轮55。变速器54可以是齿轮箱、行星齿轮系统或其它变速器。离合器56可设置在发动机50、电机52以及变速器54之间。动力传动系统可以以各种方式(包括并联、串联或串-并联混合动力车辆)进行配置。
电机52接收来自牵引电池58的电力以将扭矩提供至车轮55。例如，在制动操作期间，电机52还可作为发电机操作以提供电力为电池58充电。
发动机50可以是内燃发动机(诸如压燃式发动机或火花点火式发动机)。发动机50具有排气系统60，废气通过排气系统60从发动机50中的汽缸排出到大气。排气系统60具有连接到发动机汽缸的排气口的排气歧管。排气系统60可包括用于噪声控制的一个或更多个消声器61。排气系统60可包括一个或更多个排放控制系统(诸如，三元催化剂、催化转化器、微粒过滤器等)。在一些示例中，排气系统60还可包括废气再循环(EGR)系统和/或压缩装置(诸如涡轮增压器)。
发动机50还具有冷却剂系统62。冷却剂系统包含在操作期间从发动机50去除热的发动机冷却剂流体，该冷却剂流体可包括水、乙二醇和/或其它流体。发动机50可设置有具有通道的内部冷却夹套或外部冷却夹套，以使用再循环的发动机冷却剂流体从发动机50的各个区域去除热。冷却剂系统62可包括泵、散热器和储液器(未示出)。
车辆具有热力循环70。在一个示例中，循环70是郎肯循环。在另一个示例中，循环70是变型的郎肯循环或包括在循环操作期间经历不止一次相转变的工作流体的另一热力循环。郎肯循环70包含工作流体。在一个示例中，工作流体在系统中经历相变并且是混合相流体。工作流体可以是R-134a、R-245或基于所述循环的期望的操作参数的其它有机或无机化学制冷剂。循环70与用于发动机的冷却剂系统62分开。
循环70具有被构造为使工作流体的压力增加的泵72、压缩机或其它装置。泵72可以是离心泵、容积泵等。工作流体从泵72流到一个或更多个热交换器。热交换器可以是被构造为向工作流体传递热的预热器、蒸发器、过热器等。
示出的示例具有第一热交换器74，该热交换器被构造为预热器。设置有第二热交换器76，并且该热交换器可被配置为蒸发器。在其它示例中，可在泵72的下游设置更多或更少的热交换器。例如，循环70可仅设置有热交换器76，或可设置有三个或更多个热交换器以加热工作流体。此外，泵72的下游的热交换器可相对于彼此以各种方式布置或定位，例如，并联、如图所示的串联或串联和并联流动的组合。
热交换器74、76被构造为从外部热源传热以加热循环70中的工作流体并引起液相到汽相的相变。在示出的示例中，热交换器74被构造为将热从冷却剂回路62中的发动机冷却剂流体传递到循环70中的工作流体。因此，发动机冷却剂在返回到发动机50之前温度降低以从其中去除热，并且热交换器74在冷却剂系统62中充当散热器。同样地，循环70的工作流体的温度在热交换器74中升高。
在其它示例中，如下文更详细讨论的，热交换器74被构造为将热从车辆系统中的另一流体(包括但不限于发动机润滑流体、变速器润滑流体和电池冷却流体)传递到循环70的工作流体。在进一步的示例中，设置多个预热热交换器74并且每个预热热交换器74与单独的车辆系统流体连通以从其中接收热。可设置阀或其它流动控制机构以选择性地引导或控制至多个热交换器的流动。
在另一个示例中，热交换器74位于热交换器76的下游，使得热交换器74被构造为过热器，并从来自各个车辆系统的流体(包括但不限于废气再循环(EGR)流动)传热。热交换器74提供用于EGR流动的散热器，从而将废热提供到循环70中的工作流体。热交换器74相对于热交换器76的定位可以是基于车辆系统的废热流体的平均温度或可用热量的。
在循环70中还设置第二热交换器76。在一个示例中，热交换器76被构造为将热从发动机排气系统60中的废气传递到所述循环的工作流体。对于热交换器76，排气系统60中的发动机废气可流动通过热交换器76以将热直接传递到循环70中的工作流体。热交换器76可与排气系统60中的消声器61集成在一起，或者热交换器76可设置为消声器61，并且可替代具有一个或更多个消声器的排气系统60中的传统消声器。
发动机排气系统60可具有穿过热交换器76或与热交换器76接触的第一流动路径78。发动机排气系统60还可具有第二流动路径或旁通流动路径80以转移在热交换器76周围流动的至少一部分废气。如下所述，第二流动路径或旁通流动路径80可由消声器的调谐管设置。可设置阀82以控制流经热交换器76的废气量，进而对传递到工作流体的热的量以及膨胀器84上游的工作流体的温度和状态提供控制。热交换器76可以以多种方式构造，例如，热交换器76可以是用于工作流体的单程或多程热交换器，并可提供共流、交叉流或逆流。
如下文进一步讨论的，热交换器74、76中的至少一个被构造为向循环70中的工作流体传递足够的热以使工作流体蒸发。蒸发器接收液相或液-汽混合相溶液的工作流体，并将该工作流体加热到汽相或过热汽相。本公开总体上描述了使用热交换器76作为利用发动机废气60的蒸发器；然而，循环70中的热交换器74可设置为蒸发器。
膨胀器84可以是汽轮机(诸如离心汽轮机或轴流汽轮机)或其它类似的装置。随着工作流体膨胀，通过工作流体旋转或致动膨胀器84而产生功。膨胀器84可连接到马达/发电机(M/G)86以旋转马达/发电机从而产生电力，或连接到其它机械联动装置以将额外的机械能提供到传动轴和车轮55。膨胀器84可通过轴或其它机械联动装置连接到发电机86。发电机86连接到电池58以提供给电池58充电的电力。可在发电机86和电池58之间设置逆变器或AC-DC转换器(AC/DC)88。
工作流体离开膨胀器84并流到循环70中的热交换器90(也称为冷凝器90)。冷凝器90可位于车辆10的前部区域。冷凝器90被构造为与外界气流92接触使得热从工作流体传递到外界气流92以从工作流体去除热并冷却和/或冷凝工作流体。冷凝器90可以是一级或多级冷凝器，并可根据循环70的需要使用阀或其它机构来控制经过各级的工作流体的流动。
在一些示例中，循环70包括流体储存器94或干燥器。储存器94可设置为用于循环70中工作流体的流体或液体储存器。泵72从储存器94汲取流体以完成循环70。如从图1可以看出的，循环70是闭合回路循环，使得工作流体不与车辆中的其它流体或外界空气混合。
如下文描述的，循环70可包括被配置为使循环在预定参数内操作的控制器96。控制器96可以与泵72、膨胀器84以及循环70和车辆10中的各种阀和/或传感器通信。
控制器96可以与发动机控制单元(ECU)、变速器控制单元(TCU)、车辆系统控制器(VSC)等集成或通信，也可与各种车辆传感器通信。用于车辆10的控制系统可包括任何数量的控制器，且可集成到单个控制器中，或具有多个模块。一些或所有控制器可通过控制器局域网(CAN)或其它系统连接。控制器96和车辆控制系统可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器或中央处理器(CPU)。例如，计算机可读存储装置或介质可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性存储和非易失性存储。KAM是可以用于在CPU掉电时存储各种操作变量的永久或非易失性存储器。计算机可读存储装置或介质可以使用任意数量的已知存储装置(诸如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、闪存或能够存储数据的任意其它电、磁、光学或组合的存储装置)来实现，这些数据中的一些数据代表在控制车辆或循环70时由控制器使用的可执行指令。
图2示出了用于如图1中所示的郎肯循环或热力循环70的工作流体的压力-焓图。该图的纵轴上是压力(P)而横轴上是焓(h)。焓的单位可以是每单位质量的能量，例如kJ/kg。
参照图1至图2，在一个示例中，在循环中的点130处设置温度传感器和压力传感器以在泵72入口处测量循环中的工作流体的温度和压力。还可在点134处在膨胀器84的入口处和点136处在膨胀器84的出口处设置温度传感器和/或压力传感器。这些温度传感器和压力传感器与控制器96通信并被配置为向控制器96发送信号。控制器96还可与阀82通信并向阀82或阀82的关联的控制机构发送信号，以控制阀82的位置。
在一个或更多个实施例中，车辆还可设置有空调系统100。系统100与循环70分开或者与循环70相独立。空调系统100可形成用于车辆10的采暖、通风和空调(HVAC)系统的一部分。通过车辆乘客，HVAC系统100将温度受控的空气提供到车辆或乘客舱以进行车舱气候控制。空调系统100具有与外界空气92接触的第一热交换器101或冷凝器。冷凝器101可位于车辆10的前部区域。冷凝器101被构造为用于在外界空气和系统100中的制冷剂或其它流体之间进行热传递。
空调系统100还可包括膨胀装置、阀或节流阀102以及压缩机或抽吸装置104。系统100具有与将被引导到车舱108的气流110以及系统100中的制冷剂接触的另一个热交换器106。用于车舱调节的气流110流过热交换器106并被热交换器106中的制冷剂冷却，随后根据车辆乘客的需要流向车舱108。
弧圆(dome)120提供了工作流体的各个相之间的分隔线。在弧圆120左边的区域122中，工作流体是液体或过冷液体。在弧圆120右边的区域126中，工作流体是蒸汽或过热蒸汽。在弧圆120下方的区域124中，工作流体是混合相(例如，液相和汽相的混合)。沿着圆顶120的左手侧(在此处区域122和124相遇)，工作流体是饱和液体。沿着圆顶120的右手侧(在此处区域124和126相遇)，工作流体是饱和蒸汽。
根据实施例，在图2的图上示出了图1的郎肯循环70。出于本公开的目的而简化了所绘制的循环70，并且尽管在实际应用中在循环70或系统中可能存在损失，但是并没有示出任何损失。损失可包括抽吸损失、管道损失、压力和摩擦损失、通过各个部件的热损失以及系统中的其它不可逆性。如图2中示出的循环70的操作被简化，而假设压力恒定、绝热、可逆和/或等熵过程步骤，如适当的和在下文描述的那样；然而，本领域的普通技术人员应认识到在实际应用中循环70可相对于这些假设有所不同。所述循环被绘制为在高压PH和低压PL之间操作。图中还示出了等温线，例如TH和TL。
循环70在工作流体进入泵72的点130处开始。在130处，工作流体是液体并且可以被过冷至比PL处的饱和温度低2-3摄氏度或更多的温度。在点132处，工作流体以较高压力PH并以液相离开泵72。在示出的示例中，从130到132的抽吸过程被建模为等熵或绝热可逆的。
在132处，工作流体进入一个或更多个热交换器(例如，热交换器74、76)。在热交换器74、76中使用来自发动机废气和其它的车辆废热源的废热来加热工作流体。在点134处，工作流体以蒸汽或过热蒸汽离开热交换器。从132到134的加热过程被建模为恒压过程。如从图中可以看出的，从132到134的过程在PH处发生，并且在134处温度增加到TH。工作流体开始在132处为液相并在134处以过热汽相离开热交换器74、76。
在点134处，工作流体作为过热蒸汽进入膨胀器84(诸如，汽轮机)。随着工作流体膨胀而驱动膨胀器或使膨胀器旋转以产生功。在点136处，工作流体以压力PL离开膨胀器84。如所示出的，在136处，工作流体可以是过热蒸汽。在其它示例中，工作流体在离开膨胀器84之后可以是饱和蒸汽或者可以是混合相并处在区域124中。在进一步的示例中，工作流体在弧圆120的右手侧的饱和蒸汽线的几摄氏度内。在示出的示例中，从134到136的膨胀过程被建模为等熵或绝热可逆的。随着工作流体膨胀，膨胀器84引起装置内的压降和相应的温降。
在136处，工作流体进入一个或更多个热交换器(例如，热交换器90)。在热交换器90中使用通过车辆的前部区域接收的外界空气来冷却工作流体。在点130处，工作流体离开热交换器90随后流到泵72。在循环70中还可包括储存器。从136到130的冷却过程被建模为恒压过程。如从图中可以看出的，从136到130的过程在PL处发生。在热交换器90中工作流体的温度可降低。工作流体开始在136处为过热蒸汽或汽-液混合相并在130处以液体离开热交换器90。
在一个示例中，循环70被配置为在PH与PL的压力比约为3时进行操作，或者在进一步的示例中，压力比约为2.7。在其它示例中，压力比可以更高或更低。根据车辆10及其周围环境的要求，循环70可适于在各种外界环境中操作。在一个示例中，循环70被配置为在可能的外界温度范围内操作。外界温度可对可用于热交换器90中的工作流体的冷却量提供限制。在一个示例中，循环70可以在-25摄氏度至40摄氏度的外界温度或环境温度内操作。在其它示例中，循环70可以以更高和/或更低的外界温度操作。
由循环70提供的功率可以是废热流体的质量流量、废热流体的温度、工作流体在点134处的温度以及外界空气的质量流量的函数。例如，在废气提供唯一的废热源的情况下，由循环70提供的功率是通过热交换器76的废气的质量流量、进入热交换器76的废气的温度、工作流体在点134处的温度以及外界空气的质量流量的函数。对于具有不止一个废热源的系统，由循环70提供的功率还会涵盖每个源的质量流量和温度。在一个示例中，循环70输出的功率在1.0kW-2.0kW的数量级上，在进一步的示例中，对于废气温度的范围为600-800摄氏度且废气质量流量的范围为50-125kg/hr的循环，输出的功率大约为1.5kW。
对于车辆10，循环70的效率可以基于发电机86产生的电力以及来自废热源(例如发动机废气、发动机冷却剂等)的可用的热传递的速率来确定。可用的热传递的速率是通过循环的关联的热交换器的废热流体的质量流量和热交换器两端的废热流体的温度差的函数。在一个示例中，测量的仅使用废气热的循环效率平均在8％以上，而在进一步的示例中，对于仅使用废气废热的循环，测量的循环效率平均在10％以上。
对于系统操作和维持系统效率，在循环70中的特定操作点处维持工作流体的状态或相可能是关键的。例如，可能需要将热交换器74、76中的一个或两者设计为使用液相、混合相流体和汽相流体。在循环中的点130处工作流体可能需要是液相以防止泵72内的气阻。此外，基于膨胀器84的结构，在点134和136之间可能期望工作流体保持为蒸汽，这是因为混合相可能会降低系统70的效率或使装置84磨损。基于外界空气温度和控制周围空气流量的车速，还可限制可用于热交换器90内的工作流体的冷却量和/或冷却速率。此外，在车辆启动时当发动机废气和/或发动机冷却剂尚未达到它们的操作温度时可以限制可用于工作流体的加热量和/或加热速率。
例如，基于最低的外界空气操作温度TL,min和最高的外界空气操作温度TH,max，循环70可以在多种操作条件下操作。基于循环和循环中的各个点处的操作状态以及由这些操作状态施加的约束来选择工作流体。此外，可通过改变通过热交换器74、76的废气或其它废热源的流量从而控制传递到工作流体的热的量和点134处的工作流体的温度来控制循环70在期望的温度和压力范围内操作。还可通过基于外界空气温度、流量和湿度提供工作流体流经的额外的级或限制的级来控制热交换器90，从而控制点130处的冷却量和工作流体温度。此外，工作流体的流量可由泵72控制，使得工作流体在每个热交换器74、76、90中具有较长或较短的滞留时间，从而控制传递到工作流体或从工作流体传递的热的量。
如图3所示，循环70可以在多种操作条件下操作。图3示出了循环70的两种操作条件。示出的循环150在最低的外界空气操作温度TL,min处或附近操作。示出的循环152在最大的外界空气操作空气TH,max处或附近操作。基于循环和循环中各个点处的操作状态以及由这些操作状态施加的约束来选择工作流体，例如，在每个循环150、152的点130处保持工作流体为如虚线154所示的压缩流体。线154表示在点130处泵入口的目标状态，在一个示例中，线154比饱和液体线或弧圆120的左手侧冷2至4摄氏度。此外，可通过使用阀82来改变通过热交换器76的废气的流量从而控制传递到工作流体的热的量和点134处的工作流体的温度来控制循环70在期望的温度和压力范围内操作。阀82可以是两位阀或者可以是可控的以提供可变流动。还可通过基于外界空气温度、流量和湿度提供用于使工作流体流经的额外的级或限制的级来控制热交换器90，从而控制点130处的冷却量和工作流体温度。此外，工作流体的流量可由泵72控制，使得工作流体在每个热交换器74、76、90中具有较长或较短的滞留时间，从而控制传递到工作流体或从工作流体传递的热的量。
图4示出了集成了用于循环70的热交换器76和旁通阀82的用作消声器61的设备或装置200的示意图。
装置200具有限定内部区域212或空间的消声器主体202或壳体202。该主体限定废气入口204以接收来自发动机的废气。该主体还具有位于入口204下游的废气出口206。在一个示例中，主体202由连续侧壁208和一对相对的端壁210限定。入口204和出口206可以位于相对的壁210上，如图所示的，或者在另一实施例中可定位在同一个壁210上。入口204和出口206示出为彼此偏移，使得入口204和出口206沿着彼此平行的轴线延伸。在其它示例中，入口204和出口206可彼此同轴。
主体202的内部区域212提供用于各个热交换器和消声器降噪部件的位置或空间。一个或更多个调谐管214、216被支撑在内部区域212内。在示出的示例中，消声器200具有两个调谐管214、216。在其它示例中，消声器200可仅具有一个调谐管或多于两个的调谐管。每个管214、216均是空心的且具有开口端，并且可设置为圆筒形管或管道。调谐管214、216可对废气的声音进行控制，并影响由车辆产生的总噪声。调谐管214、216中的一个或两者可具有沿着管的长度间隔开或位于管的多个位置处的穿孔。
在其它示例中，调谐管214、216中的一个或两者具有实心壁使其不具有穿孔。
示出的第一调谐管214为独立式的管，例如，该管的两端与壳体202间隔开或者从端壁210插入。调谐管214可被设置为图1中的旁路80。示出的第二调谐管216连接到出口206，并连接到端壁210中的一个并至少部分地由端壁210中的所述一个支撑。
热交换器220也设置在消声器200的内部区域212内。导管218被成形为设置热交换器220(诸如蒸发器76)以传递来自消声器主体202中的废气和流经导管218的工作流体的热。
导管218和热交换器220用作支撑消声器主体202内的调谐管214和阀。在一个示例中，导管218仅支撑调谐管214，在其它示例中，如图所示，导管218支撑调谐管214、216两者。在传统的消声器中，隔板(partition)或挡板(baffle)可设置在内部区域212内以作为桥并将调谐管214、216支撑在期望的位置，还用于支撑消声器200内的任何消声材料。在本示例中，热交换器220自身的结构为消声器内的一个或更多个调谐管214、216提供必要支撑和定位功能。导管218和热交换器220与废气和工作流体热接触。
热交换器220或蒸发器具有主体，该主体限定有工作流体流动通过的第一通道和废气流动通过的第二通道。在一个示例中，热交换器220可以由连续的导管218或管道形成，该连续的导管218或管道是弯曲、弯的或以其它方式成形以提供用于使消声器200中的工作流体经其通过的连续路径。导管218可成形为(例如)线圈、螺旋状或其它复杂的折叠、扭曲或盘绕的形状，以为工作流体提供弯曲的或曲折的流动路径。导管218可成形为填充消声器的内部区域212内的空间并支撑调谐管214、216。导管218的中空内部提供第一通道，导管218的外表面形成第二通道。
在其它示例中，可通过堆叠的或以其它方式形成的且被连接成为其中的工作流体形成通道的一个或更多个板来设置热交换器220。随后这些板可盘绕或以其它方式成形或形成为填充消声器的内部区域212内的体积并支撑调谐管214、216。
总体来讲，热交换器220的外表面形成第二通道并与废气接触。热交换器220具有用于工作流体的入口222和出口224，入口222和出口224可设置为消声器的壳体202上的端口。在其它示例中，热交换器220可具有多个入口222和多个出口224。热交换器220的外表面还可用作挡板或消声器内的其它导流器或分流器，以控制或引导废气的流动。
热交换器220成形为使得热交换器220环绕或围绕消声器中的调谐管214。热交换器220从调谐管214向外延伸至壳体202的内壁以防止调谐管在壳体内运动。热交换器220围绕调谐管214使得调谐管被定位在壳体的中央区域内。
热交换器220还可围绕壳体202内的其它调谐管(诸如管216)，以至少部分地支撑并定位调谐管216。热交换器220从调谐管216向外延伸至壳体的内壁，以防止调谐管在壳体内运动，并将调谐管定位在壳体的中央区域内。
热交换器220可以是单级热交换器，或者可具有彼此平行布置或串联布置的多个级。工作流体在进入热交换器220时可以是液相、汽相和液汽混合相中的一种，并且工作流体可以以汽相离开热交换器。
热交换器220被设计为通过向工作流体传递热而降低废气的温度。在一个示例中，热交换器220可将废气的温度降低大约400摄氏度。在其它示例中，热交换器将废气的温度从700摄氏度降低到低至100摄氏度。这种废气温度的主动降低提供关联的噪声减小，这允许整个废气系统具有较少的消声器和/或减小的总消声器体积。此外，由于热交换器用作挡板或其它降噪特征以抵消废气的压力波，因此消声器中的热交换器220的结构使关联的噪声减小。
热交换器220可由各种材料制成并被相应地制造。在示出的示例中，热交换器220由金属(诸如钢)制成，并焊接或以其它方式连接在一起。在一个示例中，可基于其它材料的导热性、熔融温度或其它材料属性(诸如耐蚀性或耐化学性等)，由这些材料制成热交换器。出于对工作流体和废气的考虑，热交换器220还可被设计为具有压降(例如)以为热交换器220内的废气提供低的或受控的压降，从而限制发动机上的背压。
热交换器220为工作流体提供加热，使得工作流体的能量或焓增加。由于这是一个大体上恒压的过程，因此当达到工作流体的蒸发潜热时传递到工作流体的热使工作流体发生相变。工作流体从液相转变为液汽饱和混合相，然后转变为汽相。热交换器可设置有连接到工作流体出口的周期性(periodic)蒸汽出口或通风口，或者热交换器可以以其它方式成形或形成为防止或减少用于热交换器中的工作流体的通道中的会导致蒸发器的热疲劳和潜在的泄漏问题的汽塞(vapor pocket)或“热点(hot spot)”。
阀230连接到调谐管214或由调谐管214支撑。阀230控制通过调谐管214的废气流动。阀230可被设置为图1中的阀82。
阀230具有运动元件232。运动元件可以是翻板、盘或相对于调谐管214可运动的其它形状的元件。铰链、杆等将运动元件232连接到调谐管214。运动元件232可定位在调谐管214的端部。在本示例中，阀的运动元件232定位在调谐管214的下游端，这允许废气流动通过设置在管214中的任何穿孔。在其它示例中，阀元件232可定位在管214的上游端或管的中央或中间区域。阀元件232具有与调谐管214配合的尺寸，以控制通过管的废气流动。
阀230的运动元件232在第一位置(关闭位置)和第二位置(打开位置)之间运动。当阀230和运动元件232处于第一位置时，元件232压抵密封调谐管214或与调谐管214配合，以防止废气流动通过阀230和调谐管214。当阀和运动元件232处于第二位置时，运动元件232运动使得在调谐管214和阀元件232之间形成用于废气流动通过的空间。在一个示例中，阀230是两位阀，使得运动元件仅具有第一位置和第二位置。在其它示例中，阀230可以被控制为可变位置且可变流量的阀，使得运动元件232可处于第一位置、第二位置或处于第一位置和第二位置之间的任意数量的部分打开的位置。
阀230具有控制运动元件232相对于调谐管214的位置的阀机构234。在一个示例中，机构234是弹簧，使得阀元件232响应于施加到弹簧上的力(该力可以是循环中的工作流体压力或废气压力)而运动。弹簧可偏置处于第一位置的阀元件232，使得阀230响应于诸如高的废气压力或高的工作流体压力的力而打开。在另一个示例中，通过恒温元件设置机构234，使得阀230响应于温度(例如，工作流体的温度)而打开。在又一示例中，通过机电机构(诸如螺线管、电动马达或其它致动器)设置机构234，或者，可以通过使用流体地连到循环70中的工作流体的先导线路(pilot line)而气动地或液压地控制机构234。
控制器236连接到用于可控机构(诸如机电致动器)的机构234。控制器236可以是如图1中示出的控制器96，或者可以是与控制器96通信的单独的控制器。控制器236与阀机构234通信，并且还可与用于感测循环中的工作流体的温度的温度传感器238和/或用于感测循环70中的工作流体的压力的压力传感器240通信。控制器236响应于接收到指示工作流体的温度和/或压力的信号而控制阀230的位置以控制流经调谐管214的废气流。在一个示例中，传感器238、240位于泵72的入口，例如，位于循环70中的点130处。通过将点130处的工作流体的温度和压力提供至控制器236，可以得知点130处的工作流体的状态，并且控制器236可控制阀230的位置，以保持点130处的工作流体的状态或者提供更多或更少的废气流经热交换器从而改变点130处的工作流体的状态。控制器236控制阀230的位置以保持循环70中的点130大体上沿着如图3中所示的线154。
还可基于消声器220的入口处的废气温度、外界温度或环境温度、车速、发动机负载、废气流量、工作流体流量和其它因素来控制或改变阀230的位置。至控制器236的这些额外的输入允许更好地控制循环中的工作流体的状态并且可用于减少滞后或阀循环。
通过控制通过调谐管214的废气流动，还控制了经过或通过热交换器220的废气流动。当阀230关闭时，通过调谐管214的废气流动被阻挡，使得废气被迫流经热交换器220以加热工作流体。当阀230打开时，废气的至少一部分流经调谐管214，这减少了流动经过或通过热交换器220的导管218的废气部分，并为热交换器220提供旁通功能，以防止过度加热工作流体。
由于冷凝器的热容量，循环70中的蒸发器和膨胀器基于操作条件(例如，外界温度、车速、发动机负载)而改变，蒸发器220的旁通阀230用于调节通过蒸发器从废气传递到工作流体的能量。总体来讲，通过泵入口或点130(对应于线154上的点)处的工作流体状态来控制阀230。当点130处的工作流体温度过高时，进一步打开旁通阀230以减少传递到工作流体的能量并使工作流体的温度下降。当点130处的工作流体温度过低时，循环70过冷地操作，则进一步关闭旁通阀230以增加传递到工作流体的能量并使工作流体的温度升高。
图5示出了用于控制车辆中的消声器200的方法300的示例。方法300的各个实施例可包括更多或更少的步骤，并且可以以与示出的顺序不同的顺序执行这些步骤。
在302处，测量工作流体的温度，并向控制器236发送指示温度的信号。还可测量工作流体的压力，并向控制器236发送指示压力的信号。在一个示例中，在循环中的点130处测量温度和压力。在其它示例中，在其它位置测量温度和压力，并且可通过测量的值和其它循环操作参数来推出点130处的温度和压力。
在步骤304处，确定温度阈值。可通过控制器236经由图3中的线154限定的函数或查找表来确定温度阈值(Tth)。
在步骤306和步骤310处，将点130处的工作流体的温度与温度阈值进行比较。如果温度小于阈值，则方法进行到步骤308，并控制阀230的位置，使得阀关闭或从其当前状态至少部分地关闭。如果温度大于阈值，则方法进行到步骤312，并控制阀230的位置，使得阀打开或从其当前状态至少部分地打开。如果温度等于温度阈值，则方法300进行到步骤314并将阀230的位置保持处于其当前状态。
如果阀230是可变位置阀，则控制器236还可基于测量的温度和阈值之间的温度差，确定阀打开或关闭的程度为多少，或使阀的位置从其当前状态改变多少。
方法在步骤316处结束。方法300可通过控制器236以特定的时间间隔运行，或者可以在循环控制策略下连续运行。
虽然上文描述了示例性实施例，但并非意味着这些实施例描述了本公开的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以作出各种改变。此外，可以组合各种实现的实施例的特征以形成本公开进一步的实施例。

Claims (18)

1.一种车辆，包括：
发动机，具有废气系统，所述废气系统包括消声器主体，所述消声器主体内包含控制废气流经调谐管的阀；
膨胀器、冷凝器、泵和蒸发器，在包含工作流体的闭合回路中依次流体连通；以及
控制器，与所述阀、用于感测工作流体的温度的温度传感器以及用于感测工作流体的压力的压力传感器通信，控制器响应于接收到指示工作流体的温度的第一信号和指示工作流体的压力的第二信号而控制所述阀的位置从而控制废气流经蒸发器，
其中，蒸发器布置在消声器主体内并支撑消声器主体内的所述阀和调谐管，蒸发器与废气和工作流体热接触，
其中，蒸发器包括用于废气的多个通道，所述多个通道被谐波调谐以产生相消干涉而消除相反的声波。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，温度传感器布置在闭合回路中的冷凝器和泵之间。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述阀布置在调谐管的下游端；
其中，控制器控制所述阀的位置，使得泵的入口处的工作流体为液相。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中，蒸发器包括主体，主体限定有工作流体流经的第一通道和废气流经的第二通道，
其中，第二通道将消声器主体的废气入口与消声器主体的废气出口流体地连接，使得不管所述阀的位置如何废气都流经消声器主体。
5.根据权利要求4所述的车辆，其中，蒸发器的主体在消声器主体内设置有至少一个挡板。
6.根据权利要求1所述的车辆，其中，工作流体是混合相的工作流体。
7.一种车辆消声器，包括：
壳体，具有废气入口和废气出口；
调谐管，布置在壳体内并支撑用于控制废气流经调谐管的阀；
郎肯循环导管，工作流体流动通过所述郎肯循环导管，所述郎肯循环导管布置在壳体内并支撑调谐管，并且与废气和工作流体热接触由此提供用于郎肯循环的蒸发器，
其中，所述郎肯循环导管包括用于废气的多个通道，所述多个通道被谐波调谐以产生相消干涉而消除相反的声波。
8.根据权利要求7所述的车辆消声器，其中，所述阀具有防止废气流经调谐管的第一位置和使废气流经调谐管的第二位置。
9.根据权利要求7所述的车辆消声器，其中，导管围绕调谐管，使得调谐管布置在壳体的中央区域内。
10.根据权利要求9所述的车辆消声器，其中，导管以盘绕的形状形成，使得导管在调谐管的外壁和壳体的内壁之间延伸。
11.根据权利要求9所述的车辆消声器，其中，调谐管具有第一端和相对的第二端，第一端和第二端间隔开并分别从壳体的废气入口和废气出口插入。
12.根据权利要求7所述的车辆消声器，其中，调谐管是第一调谐管；消声器还包括布置在壳体内的第二调谐管。
13.根据权利要求12所述的车辆消声器，其中，第一调谐管和第二调谐管彼此平行。
14.根据权利要求12所述的车辆消声器，其中，第二调谐管由壳体内的导管支撑。
15.一种控制车辆的方法，包括：
在热力循环中的热交换器中加热工作流体，热交换器被布置在消声器内以支撑消声器内的调谐管并与发动机废气热接触；
响应于接收到指示工作流体的温度和压力的信号，控制与调谐管关联的阀的位置以控制废气流经调谐管，
其中，热交换器包括用于废气的多个通道，所述方法包括对所述多个通道进行谐波调谐以产生相消干涉而消除相反的声波。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：响应于工作流体的温度大于阈值而打开所述阀，使得消声器中的废气的至少一部分流经调谐管。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：响应于工作流体的温度小于阈值而关闭所述阀，以增加通过热交换器的废气流。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，热力循环是郎肯循环，所述方法还包括：
在郎肯循环中的泵的入口处测量热力循环中的工作流体的温度；
其中，控制所述阀使得泵入口处的工作流体为液相。
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