CN103518053B - 用于内燃机废热利用的管道回路和用于运行该管道回路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机（2）废热利用的管道回路（4）和运行管道回路（4）的方法。工作介质在管道回路（4）中循环。所述管道回路（4）包含供给泵（6）、至少一个热交换器（8）、膨胀机（10）、用于存储液体工作介质的给水储箱（14）、和冷凝器（12），其中，所述给水储箱（14）通过管道（29）连接到所述供给泵（6）。所述供给泵（6）具有回流管道（30），液体工作介质经由所述回流管道可从所述供给泵（6）排出。

Description

用于内燃机废热利用的管道回路和用于运行该管道回路的方法

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机废热利用的管道回路和用于运行该管道回路的方法。

背景技术

从DE10228868B4已知一种用于利用蒸汽发动机产生机械功的装置。在闭合循环系统中布置给水储箱、供给泵、用于产生蒸汽的蒸发器、蒸汽发动机和冷凝器。给水通过所述供给泵从所述给水储箱供给所述蒸发器。所述给水被供给给蒸发器和蒸汽发动机。从蒸汽发动机离开的降低压力的蒸汽利用冷凝器冷凝。冷凝水被供给给所述给水储箱。通过所述给水储箱存在一个保护气体腔室。在所述装置不运行时，所述保护气体应从所述闭合循环系统的零件挤出并且防止对寒冷敏感的零件损坏。

发明内容

具有本发明的特征的内燃机废热利用的管道回路和用于运行管道回路的方法所具有的优点是所述供给泵具有回流管道，液体工作介质通过所述回流管道可从所述供给泵排出。通过回流管提供一个附加的液压连接，其能够使液体工作介质从所述供给泵移除。液体工作介质从所述供给泵的内部腔室可直接通过所述回流管道排出并且不是必须通过流入所述供给泵和流出供给泵的管道运出。

在结束工作介质在管道回路中的循环后，来自于热交换器的蒸汽状工作介质可在所述供给泵和热交换器之间的管道中和在供给泵中膨胀并且液体工作介质因此从供给泵和热交换器之间的管道和供给泵被挤出。从供给泵挤出的液体工作介质通过所述回流管道直接到达所述给水储箱中。通过挤出所述液体工作介质与蒸汽状工作介质可避免在管道回路结冰时供给泵发生损坏。通过所述蒸汽状工作介质在供给泵中和在连接的管道中膨胀，能够避免在管道回路结冰时发生损坏。即使所述水不全部从管道回路移除，液体工作介质在所述管道回路的这些零件中的量也显著减少，在结冰时的体积膨胀不再导致所述管道回路的部件损坏。

在其他描述中给出根据本发明的方法和装置的有利设计方案和改进方案。

因为被挤出的液体工作介质从供给泵直接输送到所述给水储箱中，所述回流管道布置在供给泵和给水储箱之间是有利的。所述回流管道并行于所述管道地布置，所述管道使所述给水储箱与供给泵连接。在连接所述给水储箱与供给泵的管道中可设置止回阀，所述止回阀阻止工作介质回流，从而所述回流管道是连接到给水储箱的备用连接。

有利地，提供一具有旁通阀的旁通连接，这是因为通过旁通连接蒸汽状工作介质在管道回路启动时直接从热交换器通到所述冷凝器并且在解冻时也是有帮助的。

截止阀设置在使所述给水储箱与供给泵连接的管道中是有利的，这是因为通过所述截止阀限定从给水储箱到供给泵的流动方向。液体工作介质从供给泵到给水储箱的不希望的回流在所述管道回路正常运行时通过所述截止阀避免。

通过设置在所述回流管道中的止回阀以简单的方式控制所述供给泵排空液体工作介质。如果所述止回阀闭合，则没有液体工作介质从所述供给泵通过所述回流管道到达给水储箱。如果要排空所述供给泵，则所述止回阀可开启并且由此所述液体工作介质从所述供给泵被挤出到所述给水储箱中。

如果在内燃机停止后结束所述管道回路的循环，则表明是特别适宜的，这是因为内燃机在停止后可不将热能传导到所述管道回路上并因此不需要所述工作介质在管道回路中继续循环和所述管道回路的各部件继续运行。通过结束所述管道回路的各部件的继续运行可减小能量消耗。

如果所述液体工作介质从供给泵通到所述给水储箱中，已表明所述方法是特别有利的，这是所述给水储箱是所述管道回路内部的储存器，通过所述给水储箱可存储大量的液体工作介质。通过这个过程不需要用来存储液体工作介质的附加容器。

有利地，所述旁通连接的旁通阀闭合，从而禁止蒸汽状工作介质通过旁通连接返回。位于热交换器中的高压蒸汽状工作介质只有在朝向所述供给泵的方向上膨胀的可能性，并且以这种方式特别有效地将液体工作介质从所述供给泵挤出到所述给水储箱。

通过所述止回阀布置在所述回流管道中给出特别简单地控制液体工作介质从所述供给泵挤出的可能性。如果液体工作介质要从所述供给泵挤出，则这通过开启止回阀实现。在液体工作介质被挤出后，所述止回阀闭合。

附图说明

在附图中示出本发明的一个实施例，并且在下面的说明中将对其详细阐明。在唯一的附图中示意性地示出管道回路。

具体实施方式

工作介质在用于内燃机2的废热利用的管道回路4中循环。在管道回路4中布置至少一个热交换器8、一个膨胀机10、一个冷凝器12、一个给水储箱14和至少一个供给泵6。

内燃机2可尤其实施为空气压缩的自燃式内燃机或者混合压缩的强迫点燃式内燃机2。具体地，废热利用的管道回路4和用于运行管道回路4的所属方法适用于汽车。所述用于运行本发明的管道回路4的方法当然也适用于其他应用情形。

内燃机2燃烧燃料，以便产生机械能。在这里产生的废气通过排气系统喷出，其中在排气系统中设置废气催化器。所述排气系统的管道段22通过热交换器8。来自废气或者废气返回的热能通过在热交换器8中的管道段22传导到管道回路4中的工作介质上，从而工作介质在热交换器8中可被蒸发和过热。

管道回路4的热交换器8通过管道25而与膨胀机10连接。膨胀机10可实施为涡轮机或者活塞机。通过管道25，蒸汽状工作介质从热交换器8流到膨胀机10并且驱动膨胀机10。膨胀机10可具有一个传动轴11，膨胀机10通过传动轴11而与负载连接。由此，例如机械能可传递到传动系或者用于驱动泵的发电机等。

在通过膨胀机10后，工作介质通过管道26到达冷凝器12。通过膨胀机10降低压力的工作介质在冷凝器12中被冷却。冷凝器12可与冷却循环系统20连接。这个冷却循环系统20可以是例如内燃机2的冷却循环系统。

在冷凝器12中被液化的工作介质通过另一管道27输送到给水储箱14。在管道回路4中在管道27的段中附加于供给泵6可存在一冷凝泵13，冷凝泵13将被液化的工作介质从冷凝器12输送到给水储箱14。给水储箱14用作管道回路4中液体工作介质的储存器。

来自给水储箱14的液体工作介质通过管道29由供给泵6输送到管道24中。在管道29中存在截止阀15，以限定从给水储箱14到供给泵6的流动方向。截止阀15阻止工作介质从供给泵6回流到给水储箱14。

在管道24中可存在第一阀28，第一阀28形式为调压阀，用于调整热交换器8入口的工作介质的压力。工作介质的蒸汽温度允许借助于热交换器8入口的预定压力进行调整。

管道24直接通到热交换器8中，工作介质在热交换器8中被蒸汽和必要时被过热。通过管道25，蒸发的工作介质重新到达膨胀机10。工作介质重新穿过管道回路4。通过至少一个供给泵6和膨胀机10给出工作介质通过管道回路4的通路方向。因此，内燃机2的废气和废气返回的成分通过热交换器8持续地带走热能，其以机械能或电能的形式释放。

在管道回路4中设置旁通连接32，旁通连接32并行于膨胀机10布置。蒸汽状工作介质通过旁通连接32旁通膨胀机10流过。蒸汽状工作介质从热交换器8通过管道25到达旁通连接32中，从旁通连接32通过管道26到达冷凝器12中。

在旁通连接32中设置旁通阀33，旁通阀33在管道回路4正常运行时闭合。如果蒸汽状工作介质要旁通流过膨胀机10，例如在膨胀机10停止时，则旁通阀33开启，使蒸汽状工作介质能够从膨胀机10旁通流过。

管道回路4具有回流管道30。回流管道30并行于管道29布置，管道29使给水储箱14与供给泵6连接。回流管道30直接连接供给泵6和给水储箱14。通过回流管道40能够使液体工作介质从供给泵6流到给水储箱14。在这里，回流管道30可与供给泵6的液体工作介质可存在于其中的多个或全部内部体积连接。有利地，供给泵6和回流管道30之间的连接布置在供给泵6内部深的位置上，以便通过重力支持所述排空过程。

在回流管道30中布置止回阀31，止回阀31禁止供给泵6和给水储箱14的连接。在正常运行条件下，止回阀31闭合以禁止工作介质在朝向给水储箱14的方向上流动。

水可用作工作介质，或者符合热动力学要求的其它液体。所述工作介质在通过管道回路4时经历热动力学状态变化，理想地对应朗肯循环过程(Rankine-Cycle-Process)。在液相中，工作介质通过供给泵6压缩到适于蒸发的压力级别。接着，废气的热能通过热交换器8提供给工作介质。在这里，所述工作介质等压地被蒸发并且接着被过热。然后，蒸汽状工作介质在膨胀机10中绝热地降低压力。此时得到机械能或电能。蒸汽状工作介质然后在冷凝器12中被冷却并且通过供给泵6重新供给给热交换器8。

由于使用水或者在低温时会结冰的其它液体，管道回路4或者管道回路4的零件必须用对抗冰冻特别敏感的部件制成。通过所述工作介质结冰，所述工作介质经历状态变化，其中，所述工作介质变硬并且可能膨胀。管道回路4的部件在这个过程中可能被毁坏或者损坏。

根据本发明的用于运行内燃机2废热利用的管道回路4的方法表明，管道回路4的部件通过全部或部分地排空液体工作介质而不会结冰。在这里，在结束工作介质的循环后，供给泵6中的液体工作介质通过来自热交换器8的蒸汽状工作介质挤出。

在内燃机2停止后，膨胀机10和至少一个泵6、13被关闭。工作介质不再通过管道回路4循环。

在工作介质循环结束后，在热交换器8中产生的蒸汽状工作介质不再通过膨胀机10到达冷凝器12中。来自热交换器8的高压的蒸汽状工作介质膨胀并且从热交换器8和连接的管道24、25挤出液体工作介质。因为蒸汽状工作介质不能在朝向冷凝器12方向上通过停止的膨胀机10扩散，蒸汽状工作介质流入管道24和连接的供给泵6中。存在于管道24和供给泵6中的液体工作介质通过扩散的蒸汽状工作介质挤出到回流管道30中并且从那里挤出到给水储箱14中。为了能够使液体工作介质从供给泵6流到给水储箱14，回流管道30中的止回阀31开启。

如果在管道24中存在第一阀28，则该第一阀28在适用于本发明的方法时完全开启，从而蒸汽状工作介质可从管道24到供给泵6膨胀。

在部分液体工作介质通过蒸汽状工作介质从管道24或者供给泵6挤出后，作用于留在热交换器8中的液体工作介质上的压力下降。通过降低热交换器8中的压力，蒸发温度降低，从而通过存储在热交换器8中的热能，仍留在热交换器8中的液体工作介质蒸发。这些后来蒸发的工作介质也扩散到管道24、25中，从而热交换器8继续被排空。

在管道回路4部分被排空后，止回阀30闭合。在管道28和供给泵6中存在大量的高温蒸汽状工作介质。在继续冷却管道回路4时，工作介质的压力继续下降，从而只有部分蒸汽状工作介质进一步被液化。少量的液体工作介质在管道回路4的部件(例如热交换器8或者供给泵6)上结冰时可不导致损坏。

如果管道回路4中存在并行于膨胀机10布置的旁通连接32，适用于运行管道回路4的方法的旁通阀33必须被闭合。这意味着在工作介质循环结束后，旁通阀33保持闭合或者被闭合，从而来自热交换器8的蒸汽状工作介质不可能通过旁通连接32旁通膨胀机10到达冷凝器12。

Claims (11)

1.用于内燃机(2)废热利用的管道回路(4)，其中，工作介质在管道回路(4)中循环，所述管道回路(4)具有一个供给泵(6)、至少一个热交换器(8)、一个膨胀机(10)、一个用于存储液体工作介质的给水储箱(14)和一个冷凝器(12)，其中，所述给水储箱(14)通过管道(29)而与所述供给泵(6)连接，其特征在于，

所述供给泵(6)具有回流管道(30)，液体工作介质能够经由所述回流管道(30)通过来自所述热交换器(8)的蒸汽状工作介质从所述供给泵(6)排出。

2.根据权利要求1所述的管道回路(4)，其特征在于，所述回流管道(30)在所述供给泵(6)和给水储箱(14)之间并行于所述管道(29)地布置。

3.根据权利要求1所述的管道回路(4)，其特征在于，具有旁通阀(33)的旁通连接(32)并行于所述膨胀机(10)布置。

4.根据权利要求1所述的管道回路(4)，其特征在于，截止阀(15)布置在所述管道(29)中，以限定从所述给水储箱(14)到供给泵(6)的流动方向。

5.根据权利要求1或2所述的管道回路(4)，其特征在于，止回阀(31)布置在回流管道(30)中，所述止回阀(31)禁止工作介质朝向给水储箱(14)流动。

6.用于运行根据前述权利要求中任一项所述的内燃机(2)废热利用的管道回路(4)的方法，其中，所述管道回路(4)的部件通过部分排空液体工作介质而抗冰冻地制成，其特征在于，在结束工作介质循环后，供给泵(6)中的液体工作介质通过来自所述热交换器(8)的蒸汽状工作介质挤出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在内燃机停止后结束工作介质循环。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，液体工作介质被从所述供给泵(6)引导到所述给水储箱(14)中。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，为了从所述供给泵(6)挤出所述液体工作介质，一并行于所述膨胀机(10)布置的旁通连接(32)的旁通阀(33)闭合，从而蒸汽状工作介质被禁止通过所述冷凝器(12)返回，并且只释放蒸汽状工作介质通过回流管道(30)的返回。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，为了从所述供给泵(6)挤出液体工作介质，开启一布置在所述回流管道(30)中的止回阀(31)。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在工作介质从所述供给泵(6)挤出后，关闭所述止回阀(31)。