增强的废热回收系统的制作方法
【专利说明】增强的废热回收系统
[0001]相关申请
[0002]本申请要求在2013年3月12日提交的美国专利申请序列号N0.61/804，849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】
[0003]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】
[0004]一种用于改进内燃机效率的方法改变了膨胀机装置的活塞腔室中的体积。膨胀机装置通常以固定膨胀机装置速度操作以对斜板膨胀机轴做功。斜板膨胀机轴连接到活塞腔室中活塞的第一端。
【附图说明】
[0005]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:
[0006]图1是废热回收系统的一实施例的示意图；
[0007]图2A是描绘了在不足的膨胀损失下的废热回收系统的压力与体积关系图；
[0008]图2B是描绘了在过度膨胀损失下的废热回收系统的压力与体积关系图；
[0009]图3是固定体积斜板活塞膨胀机的一实施例的示意局部剖视侧视图；
[0010]图4是描绘了不可变的膨胀机装置的第一循环的压力与体积关系的曲线图并且其也描绘了可变膨胀机装置的第二循环的压力与体积关系的曲线图；
[0011]图4A是用于图4的不可变膨胀机装置的体积与位移关系的曲线图；
[0012]图4B是用于图4的不可变膨胀机装置的端口状态与时间关系的曲线图；
[0013]图4C是用于图4的可变膨胀机装置的体积与位移关系的曲线图；
[0014]图4D是用于图4的可变膨胀机装置的端口状态与时序关系的曲线图；
[0015]图5是可变体积斜板活塞膨胀机的一实施例的示意局部剖视侧视图；以及
[0016]图6是描绘了在固定体积斜板活塞膨胀机与可变体积斜板活塞膨胀机之间差异的压力与体积关系图。
【具体实施方式】
[0017]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。
[0018]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是诸如有机朗肯循环(ORC)，但本发明并不限于这种循环。
[0019]在图1中描绘了废热回收(WHR)系统10的一实施例。
[0020]在图1中，在系统10中的正位移膨胀机装置12由皮带或齿轮箱18直接机械地联接到ICE 16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ICE 16，改进了 ICE 16的总热效率，导致较低燃料消耗和更低CO2排放。
[0021]虽然本说明书将使用膨胀机装置12的示例，可以认识到本文所讨论的方面也可以适于压缩机。
[0022]WHR系统包括热俘获回路20、正位移膨胀机装置12、冷凝器22、进给栗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。
[0023]栗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。
[0024]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ICE 16。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。
[0025]第二管线32连接正位移膨胀机装置12、冷凝器22和栗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构成“第一管线”或“第二管线”。
[0026]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ICE 16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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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行进到正位移膨胀机装置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。
[0030]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ICE 16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ICE 16。压缩空气比周围空气密度更大，这使得ICE 16在操作时更高效并且更强大，因为更多空气进入燃烧腔室。ICE 16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。
[0031]通常，WHR系统10将被设计成在ICE 16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、栗24和膨胀机装置12的大小和类型而实现优化。
[0032]然而，ICE 16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。
[0033]在其中正位移膨胀机装置12通过皮带或齿轮箱18直接连接到ICE 16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，对于具有固定位移的膨胀机装置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。
[0034]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ICE 16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ICE 16和正位移膨胀机装置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具有固定位移和膨胀比时，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。
[0035]在图2A和图2B中，使用以下附图标记，在下文中定义:
[0036]Prai是当活塞腔室向出口打开时在工作流体排放口的压力；
[0037]Pin是活塞腔室中膨胀阶段结束时压力；
[0038]Psu是吸入压力，因此是进入活塞腔室的流体压力；
[0039]Vs.exp是不能使用的死体积；以及
[0040]Vsep是活塞将覆盖的可用体积。
[0041]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。
[0042]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中的正位移膨胀机装置12的热循环过程而克服了上文所讨论的缺点。更具体而言，控制正位移膨胀机装置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。
[0043]正位移膨胀机装置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位移或膨胀。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。
[0044]如上文所指示，正位移膨胀机装置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。通过控制ICE活塞腔室的入口开口打开以使蒸气进入腔室的时刻，可以最小化过度膨胀损失和不足膨胀损失，并且因此能使膨胀机装置