專(zhuān)利名稱(chēng)：排氣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種排氣系統(tǒng)，其用催化劑凈化廢氣并將廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能。
背景技術(shù)：
通常，排氣系統(tǒng)包括廢氣排放催化劑如三元催化劑，以通過(guò)除去包含在廢氣中的有害物質(zhì)如一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物等等?lái)凈化發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣。當(dāng)催化劑在其活性溫度被激活時(shí)，催化劑能有效凈化廢氣，其活性溫度例如在350℃和800℃之間的范圍中。
高溫廢氣的相當(dāng)高的熱能部分用來(lái)增加廢氣排放催化劑的溫度，直到它達(dá)到活性溫度為止。然而，其余的廢熱能散失掉而沒(méi)有收集起來(lái)。已經(jīng)研制出了廢熱發(fā)電裝置，通過(guò)將熱能轉(zhuǎn)換成電能來(lái)收集熱能。
在某些類(lèi)型的上述廢熱發(fā)電裝置中，熱電轉(zhuǎn)換模塊放在廢氣流過(guò)的排氣管(高溫側(cè))和冷卻單元(低溫側(cè))之間，熱電轉(zhuǎn)換模塊的每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換件都根據(jù)高溫側(cè)和低溫側(cè)之間的溫差發(fā)電(相關(guān)技術(shù)1JP-A-10-234194)。在升高高溫側(cè)的溫度時(shí)必須增大溫差以便改善熱電轉(zhuǎn)換效率。在另一種類(lèi)型的廢熱發(fā)電裝置中，在排氣通道中提供的催化劑用來(lái)凈化廢氣以及在反應(yīng)熱下增加廢氣溫度(熱電轉(zhuǎn)換模塊的高溫側(cè)的溫度)(相關(guān)技術(shù)2JP-A-2000-352313)。
通常，在排氣系統(tǒng)中，當(dāng)催化劑的溫度低時(shí)，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，為了發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)工作必須迅速增加催化劑的溫度。因而，在排氣系統(tǒng)中高溫廢氣(具有高熱能)經(jīng)過(guò)的位置提供廢氣排放催化劑，例如在排氣歧管等等附近。然后，將廢熱發(fā)電裝置設(shè)置在排氣系統(tǒng)中的廢氣排放催化劑的下游，例如在輔助消聲器附近的位置。然而，在廢氣催化劑下游位置處經(jīng)過(guò)的廢氣的溫度變低，這是因?yàn)樗挥脕?lái)增加催化劑的溫度或它在流動(dòng)時(shí)散失，導(dǎo)致熱能的減少。結(jié)果，廢熱發(fā)電裝置的熱電轉(zhuǎn)換效率降低，不能有效地收集熱能。
在發(fā)動(dòng)機(jī)的高負(fù)荷下(在高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)，廢氣排放催化劑的溫度變得相當(dāng)高，因?yàn)樗慌艢馄绻芨浇母邷貜U氣加熱。當(dāng)催化劑的溫度超過(guò)活性溫度時(shí)，其凈化效果變壞，這可能使得催化劑熱劣化。按照慣例在排氣系統(tǒng)中，當(dāng)催化劑的溫度超過(guò)活性溫度時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在富油狀態(tài)中以便降低催化劑溫度。這可能增加供油量，導(dǎo)致燃料效率變壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種排氣系統(tǒng)，其防止催化劑的劣化，同時(shí)提高燃料效率。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的排氣系統(tǒng)包括用來(lái)凈化廢氣的初級(jí)廢氣排放控制單元和用來(lái)通過(guò)將熱能轉(zhuǎn)換成電能來(lái)收集熱能的第一廢熱收集單元。除了允許廢氣流過(guò)其中的第一通道之外，排氣系統(tǒng)還包括第二通道，廢氣在不通過(guò)初級(jí)廢氣排放控制單元的情況下流過(guò)第二通道。排氣系統(tǒng)包括第一通道內(nèi)的初級(jí)廢氣排放控制單元以便凈化流過(guò)其中的廢氣。排氣系統(tǒng)包括用來(lái)在第一通道和第二通道之間改變氣體流動(dòng)的控制件。在催化劑的溫度變高的情況下，控制廢氣流過(guò)排氣系統(tǒng)中的第二通道，以便避免由于高溫廢氣引起的催化劑溫度的過(guò)度增加。這使得能防止催化劑中的熱劣化。這還可以消除通過(guò)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在富油狀態(tài)降低廢氣溫度來(lái)防止催化劑溫度升高的需求。此外，能將廢氣的熱能作為電能收集起來(lái)，導(dǎo)致燃料效率提高。
排氣系統(tǒng)還可以包括次級(jí)廢氣排放控制單元，其設(shè)置在排氣通道上的第一通道和第二通道結(jié)合處。
在允許次級(jí)廢氣排放控制單元凈化排氣系統(tǒng)中的廢氣的情況下，控制件用來(lái)控制廢氣向第二通道中的流動(dòng)。如果能通過(guò)次級(jí)廢氣排放控制單元凈化廢氣，第一廢熱收集單元就能從廢氣中收集熱能，導(dǎo)致燃料效率提高。
在排氣系統(tǒng)中，可以基于初級(jí)廢氣排放控制單元中的溫度或次級(jí)廢氣排放控制單元中的溫度來(lái)控制控制件的工作?？刂萍绱斯ぷ?，即當(dāng)初級(jí)廢氣排放控制單元或次級(jí)廢氣排放控制單元中的溫度超過(guò)一個(gè)預(yù)定溫度時(shí)，廢氣流過(guò)第二通道。預(yù)定溫度基于初級(jí)廢氣排放控制單元或次級(jí)廢氣排放控制單元中的催化劑的活性溫度來(lái)確定。
在排氣系統(tǒng)中，基于初級(jí)廢氣排放控制單元或次級(jí)廢氣排放控制單元中的溫度控制所述控制件的工作。例如，如果初級(jí)廢氣排放控制單元中的催化劑溫度變得較低，則通過(guò)減少流過(guò)第二通道的廢氣的流量來(lái)增加流過(guò)第一通道的廢氣的流量，以便廢氣的熱能用來(lái)增加初級(jí)廢氣排放控制單元中的催化劑溫度。同時(shí)如果初級(jí)廢氣排放控制單元中的催化劑溫度變得較高，則增加流過(guò)第二通道的廢氣的流量以減少流過(guò)第一通道的廢氣的流量，以便降低催化劑溫度。廢氣的熱能不用來(lái)增加催化劑溫度但受到第一廢熱收集單元的控制，因而，可以避免由于高溫廢氣引起的催化劑溫度的升高，防止催化劑中的熱劣化。此外，廢氣的熱能可以有效地用作電能。根據(jù)次級(jí)廢氣排放控制單元中的催化劑溫度來(lái)控制所述控制件的工作，當(dāng)次級(jí)廢氣排放控制單元中的催化劑溫度達(dá)到活性溫度時(shí)，廢氣能在次級(jí)廢氣排放控制單元中進(jìn)行凈化。因而，流過(guò)第二通道的廢氣的流量增加以減小流過(guò)第一通道的廢氣的流量，以便能通過(guò)第一廢熱收集單元來(lái)收集廢氣的熱能。
排氣系統(tǒng)可以包括第二通道中的熱交換件，用來(lái)將廢氣的熱量傳遞到第一廢熱收集單元，并且熱交換件具有用來(lái)凈化廢氣的催化劑。
排氣系統(tǒng)可以包括熱交換件，其將廢氣的熱能傳遞到第一廢熱收集單元的高溫側(cè)。熱交換件具有用來(lái)凈化流過(guò)第二通道的廢氣的催化劑。在排氣系統(tǒng)中，廢氣在第二通道中被凈化，并且熱交換件用來(lái)吸收催化劑中的反應(yīng)熱以及廢氣的熱能。第一廢熱收集單元收集的熱能的總量增大。
在排氣系統(tǒng)中，第一通道和第二通道可以結(jié)合成一個(gè)單一構(gòu)件，第一通道形成在該構(gòu)件的中央，第二通道形成在第一通道的外圍上。
在排氣系統(tǒng)中，第二通道形成在第一通道的外側(cè)上，第一通道形成在構(gòu)件的中央，第一廢熱收集單元設(shè)置在第二通道的外側(cè)上。第一廢熱收集單元構(gòu)造成將流過(guò)第二通道的廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能。在排氣系統(tǒng)中，流過(guò)形成于構(gòu)件中央的第一通道的高溫廢氣(表現(xiàn)出更高的熱能)使得能迅速增加催化劑的溫度。
在排氣系統(tǒng)中，上述構(gòu)件可以位于內(nèi)燃機(jī)中的排氣歧管附近。
從排氣系統(tǒng)中的排氣歧管排出的廢氣的熱能不太可能在排氣歧管附近(高溫廢氣通過(guò)其排出的排氣歧管的下游)減小，因而，優(yōu)選地，盡可能近地在排氣歧管附近提供該構(gòu)件。另外，也可以將該構(gòu)件設(shè)置在排氣歧管內(nèi)，如果這種布置是可用的。
在排氣系統(tǒng)中，控制件可以用來(lái)改變從內(nèi)燃機(jī)流到第一通道和第二通道中的每個(gè)廢氣流量。在上述系統(tǒng)中，能調(diào)節(jié)流過(guò)第二通道的廢氣的流量。
排氣系統(tǒng)設(shè)有第二廢熱收集單元，其包括在次級(jí)廢氣排放控制單元下游的熱電元件(熱電轉(zhuǎn)換件)。
在排氣系統(tǒng)中，第二廢熱收集單元用來(lái)提高將廢氣的熱能作為電能收集的效率。這使得能將沒(méi)有在第一廢熱收集單元中收集到的廢熱能作為電能來(lái)收集，導(dǎo)致燃料效率提高。這也可以允許進(jìn)一步降低廢氣溫度，增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。
在排氣系統(tǒng)中，可以在熱交換件上攜帶催化劑。
上述排氣系統(tǒng)設(shè)有熱交換件的熱交換片，在熱交換片上攜帶催化劑用來(lái)凈化流過(guò)第二通道的廢氣。排氣系統(tǒng)凈化第二通道中的廢氣，并且除了廢氣的熱能之外，還允許熱交換片吸收催化劑中的反應(yīng)熱，以便增加第一廢熱收集單元收集的熱能的數(shù)量。
在排氣系統(tǒng)中，控制件可以形成一個(gè)閥，操作該閥以預(yù)定程度關(guān)閉和打開(kāi)第一通道和/或第二通道。
在上述排氣系統(tǒng)中，能用以預(yù)定程度打開(kāi)/關(guān)閉的所述閥精細(xì)地調(diào)節(jié)流過(guò)第一通道和第二通道的每個(gè)廢氣流量。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的排氣系統(tǒng)的示意性全圖；圖2是圖1中所示的上游催化劑的一部分的分解透視圖；圖3是圖1中所示的上游催化劑的側(cè)視圖；圖4是沿圖3中所示側(cè)視圖的IV-IV獲得的剖視圖；圖5是圖4中所示旁通通道的排出口周?chē)牟糠值姆糯笠晥D；圖6是沿圖3中所示側(cè)視圖的VI-VI獲得的剖視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的排氣系統(tǒng)的示意性全圖；圖8是圖7中所示廢熱發(fā)電裝置的透視圖；圖9是廢熱發(fā)電裝置的前視圖；圖10是沿圖9中所示前視圖的X-X獲得的剖視圖；圖11是沿圖9中所示前視圖的XI-XI獲得的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的實(shí)施例。
在本實(shí)施例中，排氣系統(tǒng)安裝在車(chē)輛上用來(lái)凈化來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣，同時(shí)將廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能。根據(jù)實(shí)施例的排氣系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)廢氣排放催化劑，一個(gè)位于排氣歧管附近(在下文中稱(chēng)為上游催化劑)，另一個(gè)位于其下游(在下文中稱(chēng)為下游催化劑)。在排氣歧管附近的上游催化劑具有廢熱發(fā)電單元。在本實(shí)施例中，除了上述廢熱發(fā)電單元之外，沒(méi)有提供另外的廢熱發(fā)電裝置。在后面描述的另一個(gè)實(shí)施例中，提供了另外的廢熱發(fā)電裝置。
將參考作為排氣系統(tǒng)的示意性全圖的圖1描述本實(shí)施例的排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
排氣系統(tǒng)1安裝在車(chē)輛M上，組成四缸發(fā)動(dòng)機(jī)(未示出)的排氣歧管EM下游的排氣系統(tǒng)。排氣系統(tǒng)1主要包括上游催化劑2、下游側(cè)的下游催化劑3、輔助消聲器4和主消聲器5，上游催化劑2具有廢氣排放凈化功能如初級(jí)廢氣排放控制單元，和具有熱電轉(zhuǎn)換功能如第一廢熱收集單元，下游催化劑3具有廢氣排放凈化功能如次級(jí)廢氣排放控制單元。從發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸排出的廢氣在排氣歧管EM處結(jié)合，設(shè)置在排氣歧管EM附近的上游催化劑2通過(guò)球形接頭機(jī)構(gòu)(未示出)與排氣管6a相連，下游催化劑3設(shè)置在排氣管6a的下游端部，排氣管6a與下游催化劑3相連。輔助消聲器4設(shè)置在排氣管6b的下游端，排氣管6c與輔助消聲器4相連，主消聲器5通過(guò)球形接頭機(jī)構(gòu)(未示出)設(shè)置在排氣管6c的下游端，尾管(未示出)設(shè)置在主消聲器5的下游。
上游催化劑2具有穿過(guò)其中央的作為第一通道的排氣通道和在排氣通道兩側(cè)的作為第二通道的旁通通道。上游催化劑2的排氣通道具有三元催化劑用來(lái)除去一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸?。上游催化?讓來(lái)自排氣歧管EM的高溫(高熱能)廢氣流進(jìn)入。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的冷狀態(tài)中，上游催化劑2用來(lái)凈化廢氣，直到下游催化劑3的三元催化劑的溫度達(dá)到活性溫度開(kāi)始凈化廢氣為止。上游催化劑2在排氣通道的兩側(cè)設(shè)有廢熱發(fā)電單元，它們每個(gè)都將通過(guò)旁通通道的廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能，以便通過(guò)DC/DC變換器(未示出)等等將電能充入電池(未示出)中。當(dāng)不再需要上游催化劑2用排氣通道中的三元催化劑凈化廢氣時(shí)，也就是說(shuō)在下游催化劑3中提供的三元催化劑被加熱達(dá)到活性溫度從而凈化廢氣時(shí)，上游催化劑2開(kāi)始進(jìn)行廢熱發(fā)電。稍后將詳細(xì)描述上游催化劑2的構(gòu)造。
下游催化劑3充滿(mǎn)三元催化劑以除去一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸?。?dāng)下游催化劑3讓溫度低于通過(guò)上游催化劑2的廢氣的溫度(較低的熱能)的廢氣進(jìn)入時(shí)，下游催化劑3在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷下高溫時(shí)開(kāi)始凈化廢氣，更具體地說(shuō)，在三元催化劑的溫度達(dá)到活性溫度時(shí)開(kāi)始凈化廢氣。
在上游催化劑2中提供的三元催化劑等同于在下游催化劑3中提供的三元催化劑。上游催化劑2中的三元催化劑很可能在廢氣的高熱量下熱劣化。結(jié)果，與在下游催化劑3中提供的相比，在上游催化劑2中提供更多的三元催化劑。三元催化劑形成為各種金屬或金屬氧化物的小球，并且在例如350℃到800℃之間的活性溫度范圍被激活，三元催化劑在上述活性溫度范圍中表現(xiàn)出催化劑的作用。在上游催化劑2和下游催化劑3的每一個(gè)中的三元催化劑的溫度都通過(guò)熱電偶檢測(cè)，溫度信號(hào)US、DS被傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(電控單元)7，溫度信號(hào)US、DS分別代表上游催化劑2和下游催化劑3中的三元催化劑的檢測(cè)溫度。
小型的輔助消聲器4是一個(gè)噪聲消除器，其輔助主消聲器5的噪聲消除作用。輔助消聲器4設(shè)置在主消聲器5的上游，用來(lái)減小廢氣的聲能。不是必須提供輔助消聲器4，因?yàn)榕c通常采用的排氣系統(tǒng)相比，排氣系統(tǒng)中的排氣噪聲分別由于上游和下游催化劑2和3的作用而變得相對(duì)較小。
主消聲器5是主要的噪聲消除器，其比輔助消聲器4大，并具有比輔助消聲器4更大的噪聲消除作用。主消聲器5設(shè)置在輔助消聲器4的下游，用來(lái)進(jìn)一步減小已經(jīng)被輔助消聲器4減小到一定程度的聲能。
發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7包括CPU(中央處理單元)、ROM(只讀存儲(chǔ)器)、RAM(隨機(jī)存取存貯器)等等。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7基于從各個(gè)傳感器發(fā)送的檢測(cè)值設(shè)定各個(gè)控制值，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)和與其相關(guān)的元件。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7還控制流過(guò)排氣系統(tǒng)1的上游催化劑2中的排氣通道和旁通通道的廢氣的流量。
將參考圖2到6描述上游催化劑2的構(gòu)造。圖2是上游催化劑的一部分的分解透視圖，圖3是圖1中所示的上游催化劑的側(cè)視圖，圖4是沿圖3中所示側(cè)視圖的線(xiàn)IV-IV獲得的剖視圖，圖5是圖4中所示旁通通道的排出口周?chē)牟糠值姆糯笠晥D，圖6是沿圖3中所示側(cè)視圖的線(xiàn)VI-VI獲得的剖視圖。
用螺栓(未示出)將上游催化劑2在其上游端的入口20與排氣歧管EM下游端處的排出口EMa固定在一起。入20具有與排出口EMa相同的直徑，且其下游端與錐形管21相連。錐形管21的直徑越往下游越小，并且錐形管21的下游端與上游催化劑2的主體22相連。上游催化劑2的主體22在其下游端與錐形管23相連，錐形管23的直徑越往下游越小，錐形管23在其下游端處通過(guò)螺栓(未示出)與球形接頭機(jī)構(gòu)固定在一起。
主體22具有從上游延伸到下游的管形形狀，其包括一個(gè)在其中央的排氣通道25和在排氣通道25兩側(cè)的兩個(gè)旁通通道26(看圖4和6)。主體22的外圍分別具有四個(gè)壁，即兩個(gè)側(cè)壁22a和兩個(gè)外壁22b(看圖6)，與外壁22b平行的內(nèi)壁22c以一個(gè)預(yù)定間隔設(shè)置在主體22內(nèi)(看圖6)。排氣通道25由側(cè)壁22a和內(nèi)壁22c確定，排氣通道25具有大致矩形形狀的橫截面且在錐形管21和23之間延伸。每個(gè)旁通通道26都包括側(cè)壁22a、外壁22b、內(nèi)壁22c和兩個(gè)熱交換件29，旁通通道26具有大致矩形形狀的橫截面且位于排氣通道25的外側(cè)。
外壁22b沿著其縱向方向設(shè)有兩個(gè)熱交換件29。在設(shè)有熱交換件29的位置分別形成兩個(gè)開(kāi)口22d(看圖2)，開(kāi)口22d具有大致矩形的形狀，熱交換件29的熱交換片29b插入其中(圖2和6)。外壁22b在每個(gè)開(kāi)口22d的兩個(gè)外側(cè)具有凸緣22e(看圖2和6)。外壁22b具有多個(gè)螺栓孔22f，以便用螺栓35將開(kāi)口22d的外圍與熱交換件29和冷卻單元31固定在一起(看圖2)，每個(gè)螺栓孔22f都具有陰螺紋。
內(nèi)壁22c在其最上游側(cè)具有開(kāi)口22g，在其最下游側(cè)具有排出口22i，以便排氣通道25與旁通通道26連通(看圖4)。旁通通道26讓來(lái)自排氣通道25的最上游部分的廢氣進(jìn)入，并將廢氣排出到排氣通道25的最下游部分中。內(nèi)壁22c的內(nèi)側(cè)具有門(mén)部22j，用來(lái)打開(kāi)/關(guān)閉排出口22i，如圖4和5中所示。當(dāng)門(mén)部22j關(guān)閉時(shí)，其尺寸足以完全覆蓋排出口22i，并且門(mén)部22j關(guān)于軸22k可旋轉(zhuǎn)地固定在其上游側(cè)的端部。門(mén)部22j在流過(guò)旁通通道26的廢氣的壓力下打開(kāi)，在流過(guò)排氣通道25的廢氣的壓力下關(guān)閉。這樣，分別依據(jù)旁通通道26和排氣通道25中的氣壓(氣體流速)來(lái)確定門(mén)部22j的開(kāi)度。
小球形的三元催化劑填充在開(kāi)口22g和排出口22i之間的部分中，開(kāi)口22g和排出口22i都形成于排氣通道25中，排氣通道25作為初級(jí)廢氣排放控制單元組成用來(lái)凈化廢氣的三元催化劑27。排氣通道25包括三元催化劑27和排氣孔22i之間的閥22m，如圖4中所示。閥22m的尺寸(與排氣通道25的橫截面積對(duì)應(yīng))足以完全覆蓋排氣通道25。然后，閥22m的中央關(guān)于軸22n可旋轉(zhuǎn)地固定，通過(guò)一個(gè)致動(dòng)器(未示出)使軸22n轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)來(lái)自圖1中所示的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS來(lái)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，以便使軸22n(或閥22m)轉(zhuǎn)動(dòng)。閥22m的開(kāi)度受發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7的控制，當(dāng)操作閥22m使其與內(nèi)壁22c成直角時(shí)，排氣通道25完全關(guān)閉，當(dāng)操作閥22m使其與內(nèi)壁22c平行時(shí)(與排氣通道25完全連通)，排氣通道25完全打開(kāi)。閥22m、軸22n、致動(dòng)器和門(mén)部22j以及軸22k組成一個(gè)包括通道打開(kāi)/關(guān)閉結(jié)構(gòu)的控制件。
發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7從上游催化劑2接收溫度信號(hào)US和從下游催化劑3接收溫度信號(hào)DS，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS發(fā)送到致動(dòng)器以使閥22m轉(zhuǎn)動(dòng)(看圖1)。當(dāng)上游催化劑2的催化劑溫度低于上游側(cè)的下限時(shí)(三元催化劑的活性溫度的下限例如350℃)，和當(dāng)上游催化劑2的催化劑溫度等于或高于上游側(cè)的下限而下游催化劑3的催化劑溫度低于下游側(cè)的下限時(shí)(三元催化劑的活性溫度的下限例如350℃)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS，以便完全打開(kāi)閥22m。在這種情況下，打開(kāi)閥22m以打開(kāi)排氣通道25讓廢氣進(jìn)入。廢氣的壓力用來(lái)完全關(guān)閉門(mén)部22j，以便關(guān)閉旁通通道26。阻塞廢氣向旁通通道26中的流動(dòng)。當(dāng)下游催化劑3的催化劑溫度等于或高于下游側(cè)的下限或更高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS。在這種情況下，閥22m完全關(guān)閉以關(guān)閉排氣通道25，因而，廢氣不會(huì)流到排氣通道25中。門(mén)部22j在流過(guò)旁通通道26的廢氣的壓力下完全打開(kāi)，以便打開(kāi)旁通通道26，這樣，允許廢氣流過(guò)旁通通道26。當(dāng)上游催化劑2的催化劑溫度變得高于上游側(cè)的上限時(shí)(三元催化劑的活性溫度的上限例如800℃)，可以從發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS以完全關(guān)閉閥22m。
四個(gè)廢熱發(fā)電單元28分別安裝在形成于上游催化劑2的主體22中的開(kāi)口22d中，基于熱電轉(zhuǎn)換模塊30構(gòu)造廢熱發(fā)電單元28，基于熱電轉(zhuǎn)換模塊30的尺寸構(gòu)造組成單元28的每個(gè)元件。廢熱發(fā)電單元28從低溫側(cè)和高溫側(cè)將合適的壓力(17kg/cm2)施加到熱電發(fā)電單元28，從而提高熱電轉(zhuǎn)換效率。廢熱發(fā)電單元28設(shè)有熱交換件29、作為熱電轉(zhuǎn)換元件的熱電轉(zhuǎn)換模塊30和冷卻單元31。
熱交換件29主要由基部29a和熱交換片29b形成，如圖6中所示。基部29a具有厚板形形狀，且具有一個(gè)與熱電轉(zhuǎn)換模塊30的高溫端面緊密接觸的平坦表面?；?9a的外圍具有螺栓孔29c，每個(gè)螺栓35都通過(guò)螺栓孔29c來(lái)安裝以將熱交換件29與主體22固定在一起，使其與外壁22b(凸緣部22e)接合，如圖2中所示。基部29a的另一個(gè)表面具有附接于其上的熱交換片29b。熱交換片29b的每個(gè)翼片的高度都如此設(shè)定，即它不與主體22的內(nèi)壁22c接觸，熱交換件29附接到主體22上，如圖4中所示。熱交換件29的熱交換片29b的表面積被擴(kuò)大以增加與廢氣接觸的部分的面積，以便吸收更多的廢熱能。每個(gè)熱交換件29都配備有形成于主體22中的相應(yīng)的開(kāi)口22d，以便用各自的螺栓35與每個(gè)冷卻單元31固定在一起(看圖2)。這使得能形成每個(gè)旁通通道26(看圖4)。
可以將與三元催化劑27相同的小球形三元催化劑燒進(jìn)熱交換片29b的每個(gè)翼片的表面中，以便在熱交換件29上攜帶三元催化劑。上述結(jié)構(gòu)使得能凈化流過(guò)旁通通道26的廢氣，同時(shí)將熱能轉(zhuǎn)換成電能。在這種情況下，熱交換片29b能吸收由三元催化劑引起的反應(yīng)熱產(chǎn)生的熱能以及廢氣的熱能。這使得能提高廢熱發(fā)電單元28的熱電轉(zhuǎn)換效率。
熱電轉(zhuǎn)換模塊30包括多個(gè)熱電元件(未示出)，例如由Bi2Te3形成的p型和n型半導(dǎo)體，它們電氣上串聯(lián)布置且關(guān)于熱力上并聯(lián)布置。熱電轉(zhuǎn)換模塊30具有大致正方形的形狀，其面積小，具有彼此平行地水平布置的高溫端面和低溫端面。利用基于塞貝克效應(yīng)的兩個(gè)端面之間的溫差，熱電轉(zhuǎn)換模塊30用來(lái)將熱能轉(zhuǎn)換成電能，以便從兩個(gè)電極(未示出)輸出電能。
冷卻單元31用來(lái)將合適的壓力施加到熱電轉(zhuǎn)換模塊30的低溫端面，以便固定熱電轉(zhuǎn)換模塊30并用水冷卻熱電轉(zhuǎn)換模塊30。冷卻單元31具有蓋子32、主體33和冷卻水管34。
主體33的蓋子32具有厚板部32a，其尺寸與主體33的尺寸相同(看圖2和3)。厚板部32a在兩側(cè)具有安裝部32b，冷卻水管34附接到安裝部32b上(看圖2和3)。每個(gè)安裝部32b都具有安裝孔32c和冷卻水孔32d，冷卻水管34通過(guò)安裝孔32c安裝，冷卻水孔32d連接到安裝孔32c的下側(cè)(看圖4)。每個(gè)冷卻水孔32d都貫穿到蓋子32的底面以便與冷卻部33a相連。螺栓孔(未示出)形成于厚板部32a的每個(gè)角中，通過(guò)這些螺栓孔，主體33和熱交換件29用各自的螺栓35附接到主體22(看圖2)。
主體33形成用蓋子32關(guān)閉的厚盒狀形狀，其尺寸稍長(zhǎng)于熱電轉(zhuǎn)換模塊30的尺寸。主體33的凹入部組成冷卻部33a，冷卻水流入冷卻部33a中(看圖6)，冷卻部33a具有用來(lái)冷卻冷卻水的散熱片33b，散熱片33b的每個(gè)翼片都具有相同的高度以便在設(shè)置到主體33上時(shí)與蓋子32的底部接觸，主體33的底面是平坦的以便與熱電轉(zhuǎn)換模塊30的低溫端面緊密接觸。螺栓孔(未示出)形成于主體33的每個(gè)角中，通過(guò)這些螺栓孔，蓋子32和熱交換件29附接到主體22上，然后用螺栓35將它們固定在一起(看圖2)。
蓋子32設(shè)定成通過(guò)用四個(gè)螺栓35上緊而固定在主體33上(看圖2)，并通過(guò)焊接將兩個(gè)冷卻水管34附接到蓋子32上以形成冷卻單元31。還通過(guò)四個(gè)螺栓35經(jīng)由熱電轉(zhuǎn)換件29將冷卻單元31固定到主體22上。這些螺栓35的使用使得能在合適的表面壓力下將熱電轉(zhuǎn)換模塊30放入冷卻單元31和熱交換件29之間。
上游催化劑2具有兩個(gè)布置在縱向方向上的冷卻單元31，上游側(cè)的冷卻單元31上游的冷卻水管34和下游側(cè)的冷卻單元31下游的冷卻水管34通過(guò)散熱器軟管(未示出)連接到散熱器(未示出)，其它的冷卻水管34彼此相連(看圖2)。在冷卻單元31中，用散熱器冷卻的冷卻水通過(guò)冷卻水管34和冷卻水孔32d進(jìn)入到冷卻部33a中，然后，冷卻水流過(guò)散熱片33b的翼片以便冷卻熱電轉(zhuǎn)換模塊30，保持低溫(看圖4)。
將參考圖1到6描述排氣系統(tǒng)1的工作。將在下面的情況下描述排氣系統(tǒng)1的每個(gè)工作(1)上游催化劑2中的催化劑溫度低于上游側(cè)的下限；(2)上游催化劑2中的催化劑溫度等于或高于上游側(cè)的下限，并且下游催化劑3中的催化劑溫度低于下游側(cè)的下限；和(3)下游催化劑3中的催化劑溫度等于或高于下游側(cè)的下限。
(1)將在上游催化劑2中的催化劑溫度低于上游側(cè)的下限的情況下對(duì)排氣系統(tǒng)1的工作進(jìn)行描述。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸中排出廢氣，廢氣經(jīng)由排氣歧管EM進(jìn)入上游催化劑2。在上游催化劑2中，廢氣流入排氣通道25中，經(jīng)過(guò)三元催化劑27。
由于在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)排氣系統(tǒng)的溫度總體上較低，所以三元催化劑27的催化劑溫度低于上游側(cè)的下限，也就是說(shuō)催化劑溫度還沒(méi)有達(dá)到活性溫度?；趤?lái)自上游催化劑2的溫度信號(hào)US，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7將完全打開(kāi)閥22m的驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS發(fā)送到致動(dòng)器，然后，致動(dòng)器使軸22n轉(zhuǎn)動(dòng)以完全打開(kāi)閥22m。當(dāng)閥22m完全打開(kāi)時(shí)，排氣通道25打開(kāi)以允許廢氣從其中流過(guò)。廢氣的總壓力使得門(mén)部22j進(jìn)入完全關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉旁通通道26，中斷廢氣向其中的流動(dòng)。因而，每個(gè)廢熱發(fā)電單元28都沒(méi)有利用廢熱量發(fā)電，這時(shí)，冷卻水沒(méi)有在廢熱發(fā)電單元28的冷卻單元31中循環(huán)。
在通過(guò)上游催化劑2后，廢氣進(jìn)入下游催化劑3。當(dāng)廢氣進(jìn)入下游催化劑3，穿過(guò)三元催化劑時(shí)，催化劑溫度低于下游側(cè)的下限，也就是說(shuō)，催化劑溫度還沒(méi)有達(dá)到活性溫度。
在通過(guò)下游催化劑3后，廢氣流過(guò)輔助消聲器4和主消聲器5，由廢氣流動(dòng)引起的噪聲在輔助消聲器4和主消聲器5被消除，然后，噪聲被消除的廢氣排入到大氣中。
在這種情況下，由于旁通通道26關(guān)閉，廢氣的熱能僅僅能用來(lái)增加三元催化劑的溫度，而沒(méi)有被廢熱發(fā)電單元28消耗，結(jié)果，由于廢氣溫度的升高，三元催化劑27的催化劑溫度可以迅速增加。
(2)將在上游催化劑2中的催化劑溫度等于或高于上游側(cè)的下限、并且下游催化劑3中的催化劑溫度低于下游側(cè)的下限的情況下對(duì)排氣系統(tǒng)1的工作進(jìn)行描述。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，排氣系統(tǒng)的溫度總體上逐漸增加。廢氣經(jīng)由排氣歧管EM進(jìn)入上游催化劑2。然后，廢氣流入上游催化劑2的排氣通道25中，經(jīng)過(guò)三元催化劑27。由于上游催化劑2位于排氣歧管EM附近，所以廢氣可以在保持于高溫的同時(shí)流入排氣通道25中。因而，三元催化劑27的催化劑溫度急劇增加，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到活性溫度。在催化劑溫度達(dá)到活性溫度的瞬間之后，三元催化劑27開(kāi)始凈化廢氣，這時(shí)，三元催化劑27的催化劑溫度變得等于或高于上游側(cè)的下限。
在通過(guò)上游催化劑2后，廢氣消耗其熱能加熱三元催化劑27。溫度降低的廢氣進(jìn)入下游催化劑3，廢氣被允許進(jìn)入以通過(guò)下游催化劑3中的三元催化劑，下游催化劑3的催化劑溫度逐漸增加，但低于下游側(cè)的下限，也就是說(shuō)，催化劑溫度沒(méi)有達(dá)到活性溫度?；趤?lái)自上游催化劑2的溫度信號(hào)US和來(lái)自下游催化劑3的溫度信號(hào)DR，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7將完全打開(kāi)閥22m的驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS發(fā)送到致動(dòng)器。當(dāng)閥22m處于完全打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，排氣通道25打開(kāi)。由于門(mén)部22j處于完全關(guān)閉狀態(tài)，所以旁通通道26關(guān)閉。在上述情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7可以構(gòu)造成將驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS發(fā)送到致動(dòng)器，以便根據(jù)上游催化劑2或下游催化劑3的催化劑溫度逐漸減小閥22m的開(kāi)度。這可以允許廢氣逐漸增大流入旁通通道26中的廢氣的流量。結(jié)果，廢熱發(fā)電單元28發(fā)電，可以防止上游催化劑2的催化劑溫度的過(guò)度升高。
在通過(guò)下游催化劑3后，廢氣流入輔助消聲器4和主消聲器5中，由廢氣流動(dòng)引起的噪聲在輔助消聲器4和主消聲器5被消除。已經(jīng)被凈化和消除噪聲的廢氣排入到大氣中。
在上述情況下，雖然下游催化劑3中的催化劑溫度沒(méi)有達(dá)到活性溫度，但上游催化劑2在一定程度上凈化了廢氣。由于旁通通道26關(guān)閉，廢氣的熱能僅僅可以用來(lái)加熱上游催化劑2和下游催化劑3中的三元催化劑，而沒(méi)有被廢熱發(fā)電單元28消耗。由于廢氣溫度的升高，這使得能迅速增加下游催化劑3中的催化劑溫度。如果下游催化劑3部分地表現(xiàn)出凈化能力，它就能凈化已經(jīng)通過(guò)處于部分打開(kāi)狀態(tài)中的旁通通道26的廢氣。
(3)將在下游催化劑3中的催化劑溫度等于或高于下游側(cè)的下限的情況下對(duì)排氣系統(tǒng)1的工作進(jìn)行描述。在發(fā)動(dòng)機(jī)的高負(fù)荷(在高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)中，高溫廢氣進(jìn)入上游催化劑2和下游催化劑3，上游催化劑2和下游催化劑3的催化劑溫度都達(dá)到活性溫度。
下游催化劑3的催化劑溫度變得等于或高于下游側(cè)的下限，也就是說(shuō)，催化劑溫度達(dá)到了活性溫度?；趤?lái)自下游催化劑3的溫度信號(hào)DS，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU7將驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS發(fā)送到致動(dòng)器以完全關(guān)閉閥22m。響應(yīng)接收到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)RS，致動(dòng)器使軸22n轉(zhuǎn)動(dòng)以便完全關(guān)閉閥22m。當(dāng)閥22m完全關(guān)閉時(shí)，排氣通道25關(guān)閉，這時(shí)，由于廢氣向排氣通道25中的流動(dòng)中斷了，所以三元催化劑27不凈化廢氣。
當(dāng)廢氣流入旁通通道26中時(shí)，門(mén)部22j在廢氣的壓力下被帶入完全關(guān)閉狀態(tài)以打開(kāi)旁通通道26，以便允許廢氣的流動(dòng)。在每個(gè)廢熱發(fā)電單元28中，流過(guò)旁通通道的廢氣的熱能被吸收到熱交換件29的熱交換片29b的翼片中。然后，將高溫傳遞到熱電轉(zhuǎn)換模塊30的高溫端面。在每個(gè)廢熱發(fā)電單元28中，冷卻水在冷卻單元31中循環(huán)以便將低溫傳遞到熱電轉(zhuǎn)換模塊30的低溫端面。最后，廢熱發(fā)電單元28用來(lái)根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換模塊30中的高溫和低溫的差別進(jìn)行發(fā)電，然后將發(fā)出的電充入電池中。
在熱交換片29b上攜帶三元催化劑的情況下，通過(guò)三元催化劑來(lái)凈化流過(guò)旁通通道26的廢氣，三元催化劑引起的反應(yīng)熱由熱交換片29b吸收。
在通過(guò)上游催化劑2后，廢氣進(jìn)入下游催化劑3。由于下游催化劑3中的催化劑溫度已經(jīng)達(dá)到活性溫度，所以廢氣能被其凈化。通過(guò)了下游催化劑3的廢氣進(jìn)入輔助消聲器4和主消聲器5中，廢氣的噪聲在輔助消聲器4和主消聲器5被消除，已經(jīng)被凈化和消除噪聲的廢氣排入到大氣中。
由于下游催化劑3中的催化劑溫度已經(jīng)達(dá)到活性溫度，所以廢氣能被凈化。旁通通道26打開(kāi)以便通過(guò)由廢熱發(fā)電單元28進(jìn)行的發(fā)電來(lái)收集廢熱能。而不會(huì)為了增加上游催化劑2中的三元催化劑27的催化劑溫度而消耗廢熱能，結(jié)果，三元催化劑27的催化劑溫度沒(méi)有增加，防止了催化劑溫度超過(guò)活性溫度的上限。
在排氣系統(tǒng)1中，上游催化劑2位于排氣歧管EM附近，在其中央具有充滿(mǎn)三元催化劑的排氣通道25。在組成排氣系統(tǒng)1的元件中呈現(xiàn)最高熱能的廢氣進(jìn)入三元催化劑27，這使得即使催化劑溫度低于活性溫度，也能將催化劑溫度迅速升高到活性溫度。排氣系統(tǒng)1包括旁通通道26，旁通通道26設(shè)置在排氣通道25的兩側(cè)。上述旁通通道26提供貯熱和隔熱作用，這樣進(jìn)一步提高了三元催化劑27的溫度升高效果。
排氣系統(tǒng)1具有廢熱發(fā)電單元28，用來(lái)收集流過(guò)上游催化劑2中除了排氣通道25之外的旁通通道26的廢氣的熱能。在不需要廢氣加熱三元催化劑27的情況下，允許廢氣進(jìn)入旁通通道26以便用來(lái)收集廢氣的熱能。在排氣系統(tǒng)1中，由于上游催化劑2位于排氣歧管EM附近，所以能從具有最高熱能的廢氣中有效地收集電能。由于排氣系統(tǒng)1具有下游催化劑3，所以當(dāng)下游催化劑3的催化劑溫度達(dá)到活性溫度時(shí)，能中斷廢氣向上游催化劑2的排氣通道25中的流動(dòng)，這使得能防止上游催化劑2中的催化劑溫度增加得超過(guò)活性溫度，避免三元催化劑的劣化。不需要為了降低上游催化劑2中的催化劑溫度而使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在富油狀態(tài)中。這可以防止燃料的過(guò)度消耗，又可以收集大量熱能作為電能，導(dǎo)致燃料效率提高。由于三元催化劑不太可能劣化，所以能減少三元催化劑的數(shù)量，這樣使得上游和下游催化劑2、3中的每一個(gè)都很緊湊。
允許排氣系統(tǒng)1根據(jù)上游和下游催化劑2、3中各自的催化劑溫度分別控制通過(guò)排氣通道25和旁通通道26的廢氣的流量，這使得能允許三元催化劑27和廢熱發(fā)電單元28都在排氣歧管EM附近工作，導(dǎo)致能有效地利用廢氣的熱能。
在熱交換片29b上攜帶三元催化劑的排氣系統(tǒng)1中，催化劑的效果可以得到增強(qiáng)，并且可以提高吸收由三元催化劑的反應(yīng)熱產(chǎn)生的熱能的效果。在這種情況下，能可靠地凈化逸入旁通通道26的廢氣。因而，即使沒(méi)有提供下游催化劑3，排氣系統(tǒng)1也能充分地執(zhí)行其作用。
在排氣系統(tǒng)1中，能減小由廢氣流動(dòng)引起的噪聲，從而減小輔助消聲器4和主消聲器5的尺寸。排氣系統(tǒng)1在沒(méi)有輔助消聲器4的情況下也能充分地執(zhí)行其作用。排氣系統(tǒng)1表現(xiàn)出收集廢熱能的極好效率，這可以減小廢熱量的溫度和體積。氣體流量總的降低可以允許抵抗廢氣壓力的阻力減小，從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。
將參考圖7描述根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的排氣系統(tǒng)41的結(jié)構(gòu)。圖7是根據(jù)該實(shí)施例的排氣系統(tǒng)的示意圖。與排氣系統(tǒng)1中相同的組成排氣系統(tǒng)41的元件用與前述實(shí)施例中相同的附圖標(biāo)記表示，因而省略對(duì)其每一個(gè)的說(shuō)明。
除了提供一個(gè)作為第二廢熱收集單元的廢熱發(fā)電裝置42代替輔助消聲器4(看圖1)之外，排氣系統(tǒng)41的結(jié)構(gòu)與排氣系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)相同。如在前述實(shí)施例中已經(jīng)描述的，根據(jù)本實(shí)施例的排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲小于通常采用的排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。在本實(shí)施例中，排氣系統(tǒng)41具有起輔助消聲器作用的廢熱發(fā)電裝置42，以便提高收集廢熱能作為電能的效率。排氣系統(tǒng)41主要由上游催化劑2、下游催化劑3、廢熱發(fā)電裝置42和主消聲器5形成。廢熱發(fā)電裝置42位于設(shè)置排氣系統(tǒng)1的輔助消聲器4的位置。排氣管6b和6c分別連接到廢熱發(fā)電裝置42的上游端和下游端。
廢熱發(fā)電裝置42將沒(méi)有被上游催化劑2收集的廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能，所得到的電能通過(guò)DC/DC變換器充入電池中。
將參考圖8到11描述廢熱發(fā)電裝置42的結(jié)構(gòu)。圖8是廢熱發(fā)電裝置的透視圖，圖9是圖7中所示的廢熱發(fā)電裝置的前視圖，圖10是沿圖9中所示前視圖的線(xiàn)X-X獲得的剖視圖，圖11是沿圖9中所示前視圖的線(xiàn)XI-XI獲得的剖視圖。
廢熱發(fā)電裝置42具有四部分類(lèi)型(沿著外周分成4個(gè)部分)的排氣管，沿著外周布置有四個(gè)廢熱發(fā)電單元43(看圖10)，廢熱發(fā)電裝置42中的每個(gè)廢熱發(fā)電單元43都用來(lái)將廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能。
在廢熱發(fā)電裝置42中，連接到上游側(cè)的排氣管6b的廢氣引入管44設(shè)置在上游側(cè)的末端，連接到下游側(cè)的排氣管的廢氣排出管45設(shè)置在下游側(cè)的末端。有四個(gè)分開(kāi)的排氣管46，它們通過(guò)焊接在廢氣引入管44和廢氣排出管45之間彼此相連。那些分開(kāi)的排氣管46中的每一個(gè)都每隔90°地布置在廢熱發(fā)電裝置42的中央，分別形成四個(gè)分開(kāi)的排氣通道47各自的框架(看圖10)。
分開(kāi)的排氣管46具有薄板狀形狀的主要部分，當(dāng)從側(cè)視圖看時(shí)，其分開(kāi)的排氣管46具有等腰梯形的形狀(看圖10)，每個(gè)由長(zhǎng)側(cè)邊和兩個(gè)側(cè)邊確定的角都是45°，每個(gè)側(cè)邊都連接在長(zhǎng)側(cè)邊和短側(cè)邊的各個(gè)端部之間。與分開(kāi)的排氣管46的長(zhǎng)側(cè)邊對(duì)應(yīng)的外板設(shè)有若干開(kāi)口。每個(gè)開(kāi)口都具有大致正方形的形狀，熱交換件48的熱交換片48b插入到其上。外板具有形成于其中的螺栓孔，通過(guò)螺栓孔，沿著開(kāi)口的外周用螺栓將熱交換件48上緊。
每個(gè)分開(kāi)的排氣管46的側(cè)板都被焊接到相鄰的分開(kāi)的排氣管的相應(yīng)側(cè)板上，分開(kāi)的排氣管每個(gè)都間隔90°布置。然后，四個(gè)分開(kāi)的排氣管46沿著外圍連接起來(lái)且形成大致正方形的形狀，如側(cè)視圖所示(看圖10)。每個(gè)分開(kāi)的排氣管46都具有熱交換件48。通過(guò)閉合所述開(kāi)口形成分開(kāi)的排氣道47。四個(gè)分開(kāi)的排氣管46的每個(gè)內(nèi)板的兩端都通過(guò)焊接連接到上游側(cè)的分離件46a，并通過(guò)焊接連接到下游側(cè)的接合件46b(看圖11)。分離件46a形成得象四角棱錐的形狀，其寬度越往上游越小，以便來(lái)自廢氣引入管6b的廢氣的流動(dòng)被分離到四個(gè)分開(kāi)的排氣通道47中。接合件46b形成得象四角棱錐的形狀，其寬度越往下游越小，以便每個(gè)流過(guò)四個(gè)分開(kāi)的排氣通道47的廢氣結(jié)合起來(lái)。
廢熱發(fā)電單元43主要由熱電轉(zhuǎn)換模塊49形成，基于熱電轉(zhuǎn)換模塊49的尺寸形成組成單元43的各種元件。在廢熱發(fā)電單元43中，合適的壓力(例如，17kg/cm2)從低溫側(cè)和高溫側(cè)施加到熱電轉(zhuǎn)換模塊49上。廢熱發(fā)電單元43由彈性系統(tǒng)柔性地壓擠，以便提高熱電轉(zhuǎn)換模塊49的熱電轉(zhuǎn)換效率。然后，將每個(gè)廢熱發(fā)電單元43分別安裝在分開(kāi)的排氣管46的開(kāi)口中。廢熱發(fā)電單元43設(shè)有熱交換件48、熱電轉(zhuǎn)換模塊49、冷卻單元50和彈簧夾54。
熱交換件48主要由基部48a和熱交換片48b形成?；?8a的尺寸在寬度和縱向方向上大于熱電轉(zhuǎn)換模塊49的尺寸，基部48a的上表面具有一個(gè)平坦表面，以使得其與熱電轉(zhuǎn)換模塊49的高溫端面緊密接觸?；?8a的外周部具有多個(gè)形成于其中的孔，通過(guò)這些孔，用螺栓固定和上緊分開(kāi)的排氣管46。附接到基部48a的熱交換片48b具有合適高度以便當(dāng)將熱交換件48附接到分開(kāi)的排氣管46時(shí)，熱交換片48b的每個(gè)翼片都靠近分開(kāi)的排氣管46的側(cè)板和內(nèi)板但不與它們接觸。因而，熱交換片48b的全部翼片基本上形成等腰梯形形狀，如圖10中所示。熱交換件48安裝到分開(kāi)的排氣管46的開(kāi)口中并被用螺栓58緊固，以便形成分開(kāi)的排氣通道47(看圖10，11)。熱交換片48b的每個(gè)翼片的高度都可以如此設(shè)定，即它與分開(kāi)的排氣管46的側(cè)板和內(nèi)板接觸。然而，在這種情況下，每個(gè)翼片或分開(kāi)的排氣管46都必須形成得能被充分變形，并具有廢氣吸收作用。
熱電轉(zhuǎn)換模塊49與前述實(shí)施例中所述的熱電轉(zhuǎn)換模塊30相同。
冷卻單元50用來(lái)將合適的壓力施加到熱電轉(zhuǎn)換模塊49的低溫端面，以便固定熱電轉(zhuǎn)換模塊49并用水冷卻熱電轉(zhuǎn)換模塊49，冷卻單元50具有蓋子51、主體52和冷卻水管53。
主體52的蓋子51具有一個(gè)板部，圓形底孔形成于該板部的中央，以便接收將安裝在其中的壓擠件57。支承部9設(shè)置在該孔的兩側(cè)，每個(gè)支承部9都用來(lái)從兩側(cè)支承板簧56和放置冷卻水管53。安裝孔形成于各個(gè)支承部的外側(cè)中，以便將各個(gè)冷卻水管53安裝在其中。還在支承部中形成冷卻水孔，每個(gè)冷卻水孔都分別與安裝孔的下側(cè)部連通。冷卻水孔穿過(guò)蓋子51的底部，以便與主體52的冷卻部52連通(看圖11)。在所述板部的每個(gè)角處形成有孔，通過(guò)這些孔，用螺栓將主體52緊固。
主體52具有盒狀的形狀，其厚度很大。主體52的凹入部組成冷卻部52a，冷卻水流到冷卻部52a中(看圖11)。冷卻部52a設(shè)有用來(lái)使冷卻水冷卻的散熱片52b。散熱片52b的每個(gè)翼片都具有同樣的高度，以便在被設(shè)置到主體52上時(shí)與蓋子51的底部接觸。主體52的底面是平的，以便與熱電轉(zhuǎn)換模塊49的低溫端面緊密接觸。在主體52的每個(gè)角中形成有螺栓孔，通過(guò)這些螺栓孔，用螺栓將蓋子51緊固。
蓋子51設(shè)定成通過(guò)收緊四個(gè)螺栓(未示出)而固定到主體52上，并通過(guò)焊接將兩個(gè)冷卻水管53附接到蓋子51上以形成冷卻單元50。廢熱發(fā)電裝置42具有四個(gè)布置在周向方向上的冷卻單元50(看圖10)。兩個(gè)分別附接到相鄰的冷卻單元50上的冷卻水管53通過(guò)散熱器軟管(未示出)連接到散熱器(未示出)。其它的冷卻水管53通過(guò)連接管53在相鄰的冷卻單元50之間相連(看圖8)。在每個(gè)冷卻單元50中，允許已經(jīng)被散熱器冷卻的冷卻水通過(guò)冷卻水管53和冷卻水孔進(jìn)入冷卻部52a中，并進(jìn)一步允許其通過(guò)散熱片52b的翼片。熱電轉(zhuǎn)換模塊49被冷卻，從而能保持低溫。
彈簧夾54用來(lái)將預(yù)定壓力從冷卻單元50的外部施加到熱電轉(zhuǎn)換模塊49，以便將其固定到冷卻單元50和熱交換件48之間。這時(shí)，彈簧夾54用來(lái)自多個(gè)板簧的彈力作為一個(gè)整體柔性地壓擠廢熱發(fā)電單元43。四個(gè)彈簧夾54沿著廢熱發(fā)電裝置42的外周固定到廢熱發(fā)電裝置42以便將其緊固，因而，彈簧夾54包括夾子55、多個(gè)板簧56和壓擠件57。
夾子55包括存儲(chǔ)部55a、連接部55b、固定部55c(看圖8)。存儲(chǔ)部55a、連接部55b和固定部55c全部由單個(gè)板形成。當(dāng)在前方觀(guān)察時(shí)，存儲(chǔ)部55a具有凹入部。與板簧56具有相同形狀但尺寸稍小的開(kāi)口55d形成于存儲(chǔ)部55a的中央(圖8)。開(kāi)口55d的外周用來(lái)壓擠板簧56。連接部55b用來(lái)將存儲(chǔ)部55a連接到兩端處的固定部55c，通過(guò)相對(duì)于連接部55b以直角彎曲組成夾子55的板的兩端來(lái)形成固定部55c，以便固定部55c與相鄰的夾子55的底面接觸。在每個(gè)固定部55c中都形成三個(gè)螺栓孔，螺栓穿過(guò)這些螺栓孔。當(dāng)連接和固定4個(gè)夾子55時(shí)，它們形成大致圓形的形狀，如剖視圖所示，覆蓋廢熱發(fā)電裝置42的最外部(看圖10)。
板簧56具有大致橢圓形的形狀，如平面圖所示。由于板簧56具有小的彈簧常數(shù)，所以彈簧夾54通過(guò)堆疊多個(gè)板簧56來(lái)產(chǎn)生彈力。
壓擠件57具有半球形形狀，以便與板簧56進(jìn)行點(diǎn)接觸。壓擠件57的圓形底面的尺寸足以與在蓋子51中形成的孔配合。
在彈簧夾54中，壓擠件57與冷卻單元50的蓋子51的孔配合。多個(gè)板簧56堆積在壓擠件57上，夾子55位于板簧56上以便用存儲(chǔ)部55a覆蓋板簧56。板簧56在兩側(cè)由蓋子51的支承部支承，堆積的板簧56的頂面高于支承部。夾子55的固定部55c相對(duì)于兩側(cè)處的夾子55的固定部55c對(duì)齊，以便用螺栓59和螺母60固定相鄰的夾子55的固定部55c，如圖10中所示。用四個(gè)彈簧夾54固定廢熱發(fā)電裝置42，四個(gè)彈簧夾54被沿著外周固定且象帶子一樣地起作用。
將參考圖7到11描述排氣系統(tǒng)41的工作。除了排氣系統(tǒng)41在不由輔助消聲器4消除噪聲的情況下發(fā)電之外，本實(shí)施例的排氣系統(tǒng)41與前述實(shí)施例中的排氣系統(tǒng)1相同。在下文中將描述排氣系統(tǒng)41與排氣系統(tǒng)1不同的工作。
在廢熱發(fā)電裝置42中，廢氣從廢氣引入管44流出，冷卻水從連接到散熱器的冷卻水管53流出。引入的廢氣被分離件46a分別分流到四個(gè)分開(kāi)的排氣通道47中。引入的廢氣部分地用來(lái)加熱上游催化劑2中的三元催化劑或被消耗以轉(zhuǎn)換成電能。因而，引入的廢氣的熱能低于引入到上游催化劑2中的廢氣的熱能。
在每個(gè)分開(kāi)的排氣通道47中，廢氣通過(guò)熱交換件48的熱交換片48b的翼片，然后流向下游。當(dāng)廢氣從其中經(jīng)過(guò)時(shí)，熱交換片48b吸收廢氣的熱能，熱交換件48將吸收的能量傳遞到熱電轉(zhuǎn)換模塊49的高溫端面。
冷卻水通過(guò)冷卻單元50的每個(gè)冷卻部52a中的散熱片52b的翼片，并流向下游。冷卻單元50將低溫冷卻水傳遞到熱電轉(zhuǎn)換模塊49的低溫端面。
每個(gè)熱電轉(zhuǎn)換模塊49都根據(jù)傳遞到高溫端面的高溫和傳遞到低溫端面的低溫之間的溫差發(fā)電，發(fā)出的電能充入電池中。由于能充分地保持高溫和低溫，溫差變得很大，所以所發(fā)的電變得相當(dāng)高。
在廢熱發(fā)電裝置42中將廢氣的熱能作為電能收集之后，廢氣被引入到主消聲器5中。由于已經(jīng)收集了廢氣的熱能，因而其溫度降低。
除了通過(guò)前述實(shí)施例獲得的效果之外，排氣系統(tǒng)41還能將廢氣的熱能作為電能收集起來(lái)，導(dǎo)致燃料效率提高。由于進(jìn)一步降低了廢氣溫度，所以能提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。
如關(guān)于實(shí)施例描述的，應(yīng)該懂得，本發(fā)明能以各種形式實(shí)施，而不局限于此。
在該實(shí)施例中，提供了兩個(gè)催化劑系統(tǒng)。然而，本發(fā)明可以構(gòu)造成包括設(shè)有廢熱發(fā)電單元的一個(gè)催化劑系統(tǒng)。在上述情況下，在熱交換片上攜帶三元催化劑以便凈化通過(guò)旁通通道的廢氣。在上述兩個(gè)催化劑系統(tǒng)的每一個(gè)中，使用相同的三元催化劑來(lái)凈化廢氣。然而，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，可以在各個(gè)催化劑系統(tǒng)中使用不同的催化劑來(lái)凈化廢氣，例如，催化劑中的一種可以使用氧化催化劑，另一種可以使用還原催化劑。
在該實(shí)施例中，具有廢熱發(fā)電單元的催化劑系統(tǒng)位于排氣歧管附近。然而，催化劑系統(tǒng)可以位于排氣系統(tǒng)中的任意位置上。另外，催化劑系統(tǒng)也可以位于最下游部分的排氣歧管內(nèi)。
在根據(jù)該實(shí)施例的排氣系統(tǒng)中，兩個(gè)催化劑系統(tǒng)分別設(shè)置在上游和下游側(cè)。然后基于各個(gè)催化劑系統(tǒng)中的催化劑溫度來(lái)控制閥的打開(kāi)。然而，可以?xún)H僅提供一個(gè)具有廢熱發(fā)電單元的催化劑系統(tǒng)來(lái)控制閥的打開(kāi)，以便催化劑溫度處于活性溫度范圍內(nèi)。
在該實(shí)施例中，控制所述設(shè)置在排氣通道中的閥完全關(guān)閉/打開(kāi)。然而，可以根據(jù)催化劑溫度逐步控制閥的打開(kāi)。由致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的閥可以設(shè)置在旁通通道中，以便可以根據(jù)催化劑溫度控制閥的打開(kāi)。
在該實(shí)施例中，不僅可以采用水冷型的冷卻單元，而且可以采用氣冷型的冷卻單元。
本發(fā)明的排氣系統(tǒng)可以防止催化劑的劣化，并從廢氣中有效地收集熱能，導(dǎo)致燃料效率提高。
權(quán)利要求
1.一種排氣系統(tǒng)，包括允許從內(nèi)燃機(jī)排出的廢氣流過(guò)其中的排氣通道；包括凈化所述廢氣的催化劑的初級(jí)廢氣排放控制單元；第一廢熱收集單元，其包括將所述廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電元件；其中所述排氣通道分成設(shè)有所述初級(jí)廢氣排放控制單元的第一通道和設(shè)有所述第一廢熱收集裝置的第二通道，所述第一廢熱收集裝置包括所述熱電元件，所述排氣系統(tǒng)還包括控制件，其工作以改變所述廢氣在所述第一通道和第二通道之間的流動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的排氣系統(tǒng)，還包括次級(jí)廢氣排放控制單元，其設(shè)置在所述排氣通道上的第一通道和第二通道結(jié)合處。
3.如權(quán)利要求2或3所述的排氣系統(tǒng)，其中基于所述初級(jí)廢氣排放控制單元內(nèi)的溫度和所述次級(jí)廢氣排放控制單元內(nèi)的溫度中的至少一個(gè)來(lái)控制所述控制件的工作。
4.如權(quán)利要求3所述的排氣系統(tǒng)，其中所述控制件如此工作，即當(dāng)所述初級(jí)廢氣排放控制單元內(nèi)的溫度和所述次級(jí)廢氣排放控制單元內(nèi)的溫度中的一個(gè)超過(guò)預(yù)定溫度時(shí)，所述廢氣流過(guò)第二通道。
5.如權(quán)利要求4所述的排氣系統(tǒng)，其中所述預(yù)定溫度基于所述初級(jí)廢氣排放控制單元和次級(jí)廢氣排放控制單元中的一個(gè)的催化劑的活性溫度來(lái)確定。
6.如權(quán)利要求2所述的排氣系統(tǒng)，還包括第二廢熱收集單元，其包括在所述次級(jí)廢氣排放控制單元下游的熱電元件。
7.如權(quán)利要求1或2所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一通道和第二通道結(jié)合成一個(gè)單一構(gòu)件；所述第一通道設(shè)置在所述構(gòu)件的中央；和所述第二通道設(shè)置在第一通道的外圍上。
8.如權(quán)利要求1或2所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第二通道包括熱交換件，該熱交換件將廢氣的熱量傳遞到所述廢熱收集裝置；和所述廢熱收集裝置具有用來(lái)凈化所述廢氣的催化劑。
9.如權(quán)利要求8所述的排氣系統(tǒng)，其中在所述熱交換件上攜帶所述催化劑。
10.如權(quán)利要求7所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一通道和第二通道結(jié)合成的構(gòu)件位于內(nèi)燃機(jī)中的排氣歧管附近。
11.如權(quán)利要求1到4中任一個(gè)所述的排氣系統(tǒng)，其中所述控制件用來(lái)改變流入第一通道和第二通道中的各廢氣流量。
12.如權(quán)利要求16所述的排氣系統(tǒng)，其中所述控制件包括一個(gè)閥，操作該閥以預(yù)定程度關(guān)閉和打開(kāi)所述第一通道和第二通道中的一個(gè)。
全文摘要
一種排氣系統(tǒng)(1)設(shè)有允許從內(nèi)燃機(jī)排出的廢氣流過(guò)其中的排氣通道，包括凈化廢氣的催化劑(2，3)如三元催化劑(27)的廢氣排放控制單元，和將廢氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能的廢熱收集單元。排氣通道(25)形成于設(shè)有廢氣排放控制單元的排氣系統(tǒng)的中央，在排氣通道(25)的兩側(cè)形成旁通通道(26)，廢氣在不通過(guò)廢氣排放控制單元的情況下流過(guò)旁通通道(26)。廢熱收集單元(29)設(shè)置在每個(gè)旁通通道(26)的外側(cè)上。
文檔編號(hào)F01N3/20GK1732334SQ200380107606
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2003年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者村田清仁 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社