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CN105102769A - 废热回收系统和控制这种系统中所包括的正排量膨胀机的质量流率的方法 - Google Patents

废热回收系统和控制这种系统中所包括的正排量膨胀机的质量流率的方法 Download PDF

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CN105102769A CN201480017639.9A CN201480017639A CN105102769A CN 105102769 A CN105102769 A CN 105102769A CN 201480017639 A CN201480017639 A CN 201480017639A CN 105102769 A CN105102769 A CN 105102769A
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Abstract

一种用于控制正排量膨胀机(44)质量流率的方法和设备包括：将工作流体泵送(54)到热交换器(56)以将流体转换为工作蒸气。将工作蒸气的至少一部分储存在蓄积器(58)中，蓄积器(58)连接到热交换器。储存在蓄积器中的工作蒸气的至少一部分经由脉冲宽度调制阀(64)选择性地释放到正排量膨胀机以提高膨胀机效率。

Description

废热回收系统和控制这种系统中所包括的正排量膨胀机的质量流率的方法
相关申请
本申请要求在2013年3月25日提交的美国专利申请序列号No.61/804,849的优先权和权益，该专利申请以全文引用的方式并入到本文中。
背景技术
常规内燃机(ICE)具有有限的制动热效率(BTE)。在燃烧过程中产生的能量可能仅部分地转换成有用功。大部分燃料能量在废气中作为废热丢弃。优选地从废气俘获或回收废热中的某些或全部以改进发动机的热效率，因此降低燃料消耗并且降低CO2排放。
发明内容
一种用于控制正排量膨胀机的质量流率的方法和设备包括：将工作流体泵送到热交换器以将流体转换成工作蒸气。将工作蒸气的至少一部分储存在蓄积器中，蓄积器连接到热交换器。储存在蓄积器中的工作蒸气的至少一部分经由脉冲宽度调制阀选择性地释放到正排量膨胀机以提高膨胀机效率。
附图说明
对于本领域技术人员而言，当结合附图来考虑时，通过下文的详细描述，本公开的上述以及其它的优点将会变得显而易见：
图1是废热回收系统的一实施例的示意实施例；
图2A是描绘了不足膨胀损失的废热回收系统的压力与体积关系图；
图2B是描绘了过度膨胀损失的废热回收系统的压力与体积关系图；以及
图3是另一废热回收系统的示意实施例。
具体实施方式
应了解本发明可以呈现各种替代取向和步骤顺序，除非明确地规定为相反情况。还应了解在附图中示出和下文的说明书中的具体装置和过程只是本发明的发明构思的示例性实施例。因此，关于所公开的实施例的具体尺寸、方向或其它物理特征并不认为是限制性的，除非明确地陈述为相反情况。
能使用废热回收循环来回收来自内燃机的废热能的至少一部分。这种循环的一个示例可能诸如有机朗肯循环(ORC)，但本发明并不限于这种循环。
在图1中描绘了废热回收(WHR)系统10的一实施例。
在图1中，在系统10中的正排量膨胀机装置12由皮带或齿轮箱18直接机械地联接到ICE16的曲轴14。通过这个连接，膨胀机装置12可以向曲轴14供应额外扭矩和功率。通过将膨胀机装置12连接到ICE16，改进了ICE16的总热效率，导致较低燃料消耗和更低CO2排放。
WHR系统包括热俘获回路20、正排量膨胀机装置12、冷凝器22、进给泵24和工作流体。工作流体是适合ICE的废热流动或这种流体混合物的温度范围的二相流体。在大部分实施例中，流体的两相是液体和气体或蒸气。
泵24从一个装置向另一个装置移动流体，如图1所示。冷凝器22在膨胀机装置22中做功之后使流体冷凝。
热俘获回路20包括热交换器26和通向热交换器26和离开热交换器26的流体管线。第一管线28使流体从涡轮增压器30进入到热交换器26内。涡轮增压器30连接到ICE16。第一管线28离开热交换器26，其中，第一管线28延伸到后处理装置。后处理装置可以是诸如(但不限于)粒子过滤器、催化转换器和/或选择性催化还原装置。
第二管线32连接正排量膨胀机装置12、冷凝器22和泵24与热交换器26。虽然在上文中使用了“第二管线”和“第一管线”并且暗示每一个是单独管线，可以意识到多个管线可以包括“第一管线”或“第二管线”。
在诸如图1所描绘的一实施例中，在热交换器26中的第一管线28包含从ICE16经由涡轮增压器30的废热流动。在热交换器26内，第一管线28能以任何方式延伸，可以包括曲线方式。第一管线28也可以分成热交换器26内的多个管线。
第二管线32也可以以任何方式在热交换器26内延伸，包括曲线方式。第二管线32也可以分成热交换器26内的多个管线。
无论在热交换器26内第一管线28或第二管线32的大小、形状或设计如何，优选地，第一管线28或第二管线32彼此相邻或接触，使得来自第一管线28的热通过对流、传导和/或辐射而与第二管线32进行交换。
来自第一管线28的热使第二管线32中的流体转换为气体或蒸气。蒸气通过第二管线32行进到正排量膨胀机装置12。蒸气在装置12中膨胀以生成有用功，有用功可以被发送到传动系。
如上文所描述的那样，在描绘的实施例中，热交换器26从ICE经由涡轮增压器30接收在第一管线28中的热流体。涡轮增压器30可以包括涡轮34，涡轮34连接到压缩机36。压缩机36向ICE16提供压缩空气，如经由管线38所示，管线38将压缩机36连接到ICE16。压缩空气比周围空气密度更大，这使得ICE16在操作时更高效并且更强大，因为更多空气进入燃烧腔室。ICE16依次经由管线40将热废气递送到涡轮34，管线40连接ICE16与涡轮34。涡轮34将热废气转换为旋转能，然后旋转能以机械方式传送到压缩机36。虽然在本文中讨论和描绘了涡轮增压器30，可以意识到本发明的废热回收系统10能在没有涡轮增压器30的情况下以基本上相同方式操作。
通常，WHR系统10将被设计成在ICE16的正常操作点最佳地工作，得到根据正常发动机速度和负荷的热交换器26的最佳蒸发压力和温度和工作流体的最佳质量流量。可以通过利用适合于车辆操作条件的热交换器26、冷凝器22、泵24和膨胀机装置12的大小和类型而实现优化。
然而，ICE16也可以在高动态条件诸如高变化性发动机速度和发动机负荷下操作，导致WHR系统10的动态操作条件。在这些条件下，必须控制工作流体的质量流率和/或蒸发压力和温度以使WHR系统10所生成的功率最大。
在其中正排量膨胀机装置12通过皮带或齿轮箱18直接连接到ICE16并且更特定而言ICE曲轴14的实施例中，膨胀机装置12和发动机速度具有固定速比。可以认识到在此情形下，对于具有固定排量的膨胀机装置12而言，不能独立于发动机速度控制工作流体的质量流率。在此条件下，在热交换器26中发生非最佳蒸发压力。可以认识到，如果流体并不在热交换器26中最佳地蒸发，其将不在膨胀机装置12中做相同功，因此，使得WHR系统效率比其原本可能的效率更低。
继续此示例，当车辆以恒定速度行驶并且道路斜率增加时，在ICE16上的负荷也增加。增加的发动机负荷导致更高的燃料消耗并且因此在废气中能回收更多热能。为了优化废热回收，当WHR系统10以恒定并且最佳工作条件操作时，工作流体的质量流率增加。在ICE16和正排量膨胀机装置12以恒定速度操作时，不能改变膨胀机装置12的质量流率，导致热交换器压力升高。在膨胀机装置12具有固定排量和膨胀比时，膨胀机装置12入口压力升高将造成不足膨胀损失增加并且因此降低WHR系统10的转换效率，这可以从图2A认识到。图2B示出了相反情况，其为流体过度膨胀的情形。这种情形也是不合需要的，因为，这减少了能用于从流体提取的功量。
在图2A和图2B中，使用以下附图标记，在下文中定义：
Pex是当活塞腔室向出口打开时在工作流体排放口的压力；
Pin是活塞腔室中膨胀阶段结束时压力；
Psu是吸入压力，因此是进入活塞腔室的流体压力；
Vs.exp是不能使用的死体积；以及
Vs.cp是活塞将覆盖的可用体积。
在ICE和WHR系统的可变发动机速度或其它动态操作条件下可以采用类似基本原理。为了使WHR系统的转换效率最高，将独立于发动机速度来控制工作流体的质量流率和/或热交换器压力。
本文所描述的装置和方法利用图1所描绘的结构通过控制WHR系统10中的正排量膨胀机装置12的热循环过程而克服了上文所讨论的缺点。更具体而言，控制正排量膨胀机装置12的质量流率并且控制废热热交换器装置12中的工作流体的压力水平。
正排量膨胀机装置12通过将蒸气填充到固定体积诸如活塞腔室而工作。如上文所描述的那样，由热交换器26供应蒸气。在闭合了活塞腔室体积之后，截留蒸气并且迫使活塞移位或膨胀。根据具体情况，一个或多个活塞递送功到膨胀机轴(膨胀机轴附连到活塞)，使得膨胀机轴旋转。
如上文所指示，正排量膨胀机装置12由皮带或齿轮箱18直接机械联接到ICE曲轴14。因此，可以认识到，由膨胀机装置12生成的扭矩添加到ICE曲轴14，因此增加了发动机的功率输出。
在图3中描绘了WHR系统42的另一实施例。在图3中，在系统42中的正排量膨胀机装置44由皮带或齿轮箱50直接机械联接到ICE48的曲轴46。通过这个连接，膨胀机装置44可以向曲轴46供应额外扭矩和功率。通过将膨胀机装置44连接到ICE48，改进了ICE48的总热效率，导致较低燃料消耗和较低的CO2排放。
虽然本说明书将使用膨胀机装置44的示例，可以认识到本文所讨论的构思也可以适用于压缩机。
WHR系统包括正排量膨胀机装置44、冷凝器52、进给泵54和工作流体。工作流体是适合ICE的废热流动或这种流体混合物的温度范围的二相流体。在大部分实施例中，流体的两相是液体和气体或蒸气。
泵54从一个装置向另一个装置移动流体，如图3所示。当流体在膨胀机装置22中做功之后冷凝器52使流体冷凝。
提供热交换器56并且热交换器56连接到泵54。第一管线60使热流体进入到热交换器56内。热流体可以来自ICE48或另一机构，诸如来自涡轮增压器(未图示)，涡轮增压器可以连接到ICE48。热交换器56可以连接到后处理装置(未图示)。后处理装置可以是诸如(但不限于)粒子过滤器、催化转换器和/或选择性催化还原装置。
第二管线62连接正排量膨胀机装置44、冷凝器52和泵54与热交换器56。虽然在上文中使用了“第二管线”和“第一管线”并且暗示每一个是单独管线，可以意识到多个管线可以包括“第一管线”或“第二管线”。
在诸如图3所描绘的一实施例中，在热交换器26中的第一管线60包含自ICE48的废热流动。在热交换器56内，第一管线60能以任何方式延伸，可以包括曲线方式。第一管线60也可以分成热交换器56内的多个管线。
第二管线62也可以以任何方式在热交换器56内延伸，包括曲线方式。第二管线62也可以分成热交换器56内的多个管线。
无论在热交换器56内第一管线60或第二管线62的大小、形状或设计如何，优选地，第一管线60或第二管线62彼此相邻或接触，使得来自第一管线28的热通过对流、传导和/或辐射而与第二管线32进行交换。
来自第一管线60的热使第二管线62中的流体转换为气体或蒸气。蒸气行进通过第二管线62，在第二管线62中，其能进入蓄积器58。蓄积器58是压力储存器，其中，流体可以诸如由外部源而保持在压力下。
使用不太强大的泵和/或固定排量膨胀机，蓄积器58允许系统42应对系统42极端需求，以对于暂时需求做出更快响应并且消除脉动。
脉冲宽度调制阀64设置于第二流体管线62中。阀64被设计成打开和闭合持续调制的时段。阀64连接到发动机控制器66。
调制阀64是优选的，因为其完全打开或完全闭合地操作。调制阀64相对快速地在完全打开与完全闭合之间转变，使得通过阀64流动的流体并不由于转变而损失压力。另外，调制阀64仅具有两个位置：打开和闭合。阀64并不具有导致不合需要的流体压降的中间位置，优选地，在打开与闭合之间的任何转变时间尽可能短。
使用阀64的调制方面使得在打开时间与闭合时间之间的比例给予系统10中所需要的流动控制。举例而言，关于如何来调制该阀64以给予所需流动控制，如果必须限制流动，可以延迟阀64的打开。替代地，如果需要额外流动，阀64可以保持打开持续较长时间，和/或其能在活塞腔室填充循环期间打开多次。
基于前文描述，可以认识到阀64保持打开(或闭合)的时间是膨胀机44速度的函数。例如，利用在本文中大体上描述的活塞型膨胀机，阀64可以打开或闭合的时间将通常与活塞腔室填充循环在相同量级。
在图3所描绘的实施例中，阀64被示出在蓄积器58下游。另外，所描绘的实施例仅示出了在第二管线62中的一个阀64。可以认识到阀64可以位于第二管线62的并非图示部分的其它部分中并且可以使用额外阀。优选地，阀64位于热交换器出口68与膨胀机44的入口70之间。
阀64、控制器66和蓄积器58一起工作以控制热交换器56中的压力和直接机械连接到ICE48的固定排量膨胀机44的质量流率。
阀64保持闭合，例如，在发动机48和膨胀机44通常以恒定工作条件操作时。然而，例如，当发动机负荷增加时，阀64可以打开。同时，控制器66减小了发动机扭矩和燃料消耗。自蓄积器58的蓄积压力通过阀64流到膨胀机44以增加膨胀机压力并且增加系统42的质量流率。因此，可以意识到通过根据需要打开阀64，可以独立于膨胀机44速度来控制膨胀机44的质量流率和/或热交换器56压力。
根据专利法规的条款，以被认为表示本发明优选实施例的方面描述了本发明。然而，应当指出的是在不偏离本发明的精神或范围的情况下能以不同于具体示出和描述的方式来实践本发明。

Claims (7)

1.一种控制正排量膨胀机的质量流率的方法，包括：
将工作流体泵送到热交换器以将所述流体转换成工作蒸气；
将所述工作蒸气的至少一部分储存在蓄积器中，所述蓄积器连接到所述热交换器；以及
经由脉冲宽度调制阀将所述储存的工作蒸气的至少一部分选择性地释放到正排量膨胀机以提高所述膨胀机的效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：将所述阀连接到发动机控制器，所述发动机控制器连接到发动机，当所述储存的工作蒸气从所述蓄积器释放到所述膨胀机时所述控制器减小发动机扭矩和到所述发动机的燃料。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工作蒸气在所述膨胀机中产生扭矩，所述扭矩递送到所述内燃机的曲轴。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，来自所述膨胀机的工作蒸气转移到冷凝器以将所述工作蒸气转换回液体。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，独立于所述发动机速度来控制所述工作蒸气的所述质量流率。
6.一种废热回收系统，包括：
固定排量膨胀机，所述固定排量膨胀机直接连接到内燃机以经由所述膨胀机中的工作流体向所述发动机提供补充扭矩；
冷凝器，其连接到所述膨胀机以冷凝来自所述膨胀机的所述工作流体；
泵，其连接到所述冷凝器以用于从所述冷凝器移动所述工作流体；
热交换器，其连接到所述泵，所述热交换器使所述流体汽化；
蓄积器，其连接到所述热交换器以储存所述汽化流体的至少一部分；
脉冲宽度调制阀，其连接到所述蓄积器以将所述储存的汽化流体选择性地释放到所述固定排量膨胀机。
7.根据权利要求6所述的废热回收系统，其特征在于，控制器连接所述阀与所述发动机。
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