废热回收系统的制作方法

专利名称：废热回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废热回收系统，并且更具体地，涉及一种使用朗肯(Rankine)循 环的废热回收系统。
背景技术：
已开发出使用朗肯循环的废热回收系统以从车辆发动机的废热回收机械能(动 力)。朗肯循环通常包括泵送工作流体的泵、通过发动机的废热来加热工作流体的热交换 器、使加热后的工作流体膨胀以回收机械能的膨胀器、以及使膨胀的工作流体冷凝的冷凝ο日本专利申请公开No. 2007-85195公开了一种具有两个热交换器的废热回收系 统。该废热回收系统的朗肯循环包括第一热交换器和第二热交换器，第一热交换器通过与 发动机的冷却水的热交换来加热工作流体，第二热交换器通过与发动机的排气的热交换来 加热工作流体。第一热交换器用作冷却水锅炉，而第二热交换器用作排气锅炉。通过泵输送 的工作流体在流经第一热交换器和第二热交换器时吸收热，在流经膨胀器时产生机械能， 并在流经冷凝器时释放热。当如在发动机起动的情况下发动机冷却水的温度低时，发动机的燃料效率通常降 低。在所引用的参考文献的废热回收系统中，如果将工作流体在流经第一热交换器时所吸 收的热传递至冷却水以迅速升高冷却水的温度，则可提高发动机的燃料效率。但是，流经朗 肯循环的工作流体从冷凝器释放热。因此，冷却水的温度并不迅速升高，并且发动机的燃料 效率降低。本发明涉及一种废热回收系统，其中，当发动机冷却水的温度低时，通过迅速升高 冷却水的温度来提高发动机的燃料效率。

发明内容
根据本发明的一个方面，发动机的废热回收系统包括朗肯循环、第一旁通通道、第 一阀以及控制单元。所述朗肯循环允许工作流体经过其中循环流通。所述朗肯循环具有第 一热交换器、第二热交换器、膨胀器以及冷凝器。第一热交换器设置用于在工作流体与发动 机之间或者在工作流体与同发动机进行热交换的第一中间介质之间进行热交换。第二热交 换器设置用于在工作流体与发动机的排气之间或者在工作流体与同发动机的排气进行热 交换的第二中间介质之间进行热交换。膨胀器设置用于使工作流体膨胀以回收机械能。冷 凝器设置用于使工作流体冷凝。第一旁通通道连接至所述朗肯循环以允许工作流体经过其 中。相对于工作流体的流动方向，第一旁通通道的一端位于冷凝器的上游侧，而第一旁通通 道的另一端位于冷凝器的下游侧。第一阀设置用于打开和关闭第一旁通通道。控制单元设 置用于控制废热回收系统的操作。当发动机或第一中间介质的温度低于第一预定值时，控 制单元打开第一阀。从以下结合附图的描述中，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。附图以示例的方式图示了本发明的原理。


通过参照以下对当前优选的实施方式的描述以及附图，可最好地理解本发明及其 目的和优点，其中图1是示出根据本发明的第一实施方式的废热回收系统的示意图；图2是示出根据本发明的第二实施方式的废热回收系统的示意图；图3是示出根据本发明的第三实施方式的废热回收系统的示意图；图4是示出根据本发明的第四实施方式的废热回收系统的示意图；图5是示出根据本发明的第一实施方式的一种改型的废热回收系统的示意图；图6是示出根据本发明的第一实施方式的另一种改型的废热回收系统的示意图；图7是示出根据本发明的第一实施方式的又一种改型的废热回收系统的示意图； 以及图8是示出根据本发明的第三实施方式的一种改型的废热回收系统的示意图。
具体实施例方式以下将参照附图来描述本发明的实施方式。图1示出了根据本发明的第一实施方 式的废热回收系统100。该废热回收系统100包括朗肯(Rankine)循环110。朗肯循环110 具有齿轮泵111、冷却水锅炉112、排气锅炉113、膨胀器114以及冷凝器115。齿轮泵111 设置用于泵送工作流体。冷却水锅炉112设置用于在工作流体与同发动机140进行热交换 的冷却水之间进行热交换，其用作本发明的第一热交换器。排气锅炉113设置用于在工作 流体与发动机140的排气之间进行热交换，其用作本发明的第二热交换器。膨胀器114设 置用于使被冷却水锅炉112和排气锅炉113加热并汽化后的工作流体膨胀，从而产生机械 能(动力)。冷凝器115设置用于使膨胀的工作流体冷凝。齿轮泵111、冷却水锅炉112、排 气锅炉113、膨胀器114以及冷凝器115按照该顺序连接以形成封闭的回路。用于对发动机 140进行冷却的冷却水用作用于加热冷却水锅炉112的第一中间介质。来自发动机140的 排气用作用于加热排气锅炉113的介质。温度高的排气在发动机140起动后迅速加热工作 流体。因此，排气锅炉113能够比冷却水锅炉112更迅速地加热工作流体。发动机140的 冷却水在设置有发动机140、冷却水锅炉112以及散热器130的冷却水回路α中流动。膨胀器114具有输出轴114Α，该输出轴114Α由使汽化工作流体在膨胀器114中膨 胀而产生的机械能驱动而旋转。电动发电机116连接至输出轴114Α以将旋转驱动力转化 为电力。齿轮泵111具有连接至电动发电机116的驱动轴111Α。第一旁通通道117连接至朗肯循环110以允许工作流体穿过第一旁通通道117， 从而绕过冷凝器115。当从工作流体的流动方向看时，第一旁通通道117的一端位于冷凝 器115的上游侧且位于膨胀器114的下游侧。第一旁通通道117的另一端位于冷凝器115 的下游侧且位于齿轮泵111的上游侧。流经第一旁通通道117的工作流体的压力损失比流 经冷凝器115的工作流体的压力损失小得多。电磁阀118设置于第一旁通通道117的中间 位置处，用于打开和关闭第一旁通通道117，其用作本发明的第一阀。电磁阀118电连接于 对废热回收系统100的操作进行控制的控制单元150。控制单元150根据温度传感器160获得的温度信息来控制电磁阀118的操作，该温度传感器160在沿冷却水流动方向的发动 机140下游侧处测量冷却水的温度。因此，第一旁通通道117是通过电磁阀118而被打开 或关闭的。第二旁通通道119连接至朗肯循环110以允许工作流体经过第二旁通通道119， 从而绕过冷凝器115和齿轮泵111。第二旁通通道119的一端位于膨胀器114的下游侧且 位于齿轮泵111的上游侧。第二旁通通道119的另一端位于齿轮泵111的下游侧且位于冷 却水锅炉112的上游侧。尽管在本实施方式中第二旁通通道119绕过冷凝器115和齿轮泵 111，但是第二旁通通道119也可以仅仅绕过齿轮泵111。止回阀120设置于第二旁通通道 119的中间位置处，用于打开和关闭第二旁通通道119，其用作本发明的第二阀。当位于齿 轮泵111的上游侧处的工作流体的压力Pl高于位于齿轮泵111的下游侧处的工作流体的 压力P2(P1 > P2)时，止回阀120打开第二旁通通道119。以下将描述第一实施方式的废热回收系统100的操作。将对以下两种情况进行描 述即，一种情况——发动机140的冷却水的温度为第一预定值Thl或更高；以及另一种情 况——发动机140的冷却水的温度低于第一预定值Thl。当温度传感器160获得的发动机140的冷却水的温度为第一预定值Thl或更高 时，控制单元150使电磁阀118关闭，从而关闭第一旁通通道117。在第一旁通通道117关闭的情况下，由齿轮泵111输送的工作流体通过在流经冷 却水锅炉112和排气锅炉113时从发动机140的冷却水和排气中吸热而汽化成高温气体。 汽化的工作流体随后通过膨胀器114而膨胀。位于齿轮泵111的上游侧处的工作流体的压 力Pl低于位于齿轮泵111的下游侧处的工作流体的压力P2 (Pl < P2)，从而使得止回阀120 关闭，并且因此第二旁通通道119是关闭的。另外，第一旁通通道117也是关闭的。因此， 从膨胀器114流出的工作流体流入到冷凝器115中。工作流体在通被冷凝器115冷凝时释 放热并随后由齿轮泵111转移至冷却水锅炉112。膨胀器114通过工作流体的膨胀而被驱 动。通过所述膨胀所产生的机械能还驱动电动发电机116和齿轮泵111。另一方面，当温度传感器160获得的发动机140的冷却水温度低于第一预定值Thl 时，控制单元150使电磁阀118打开，从而打开第一旁通通道117，由此允许工作流体循环通 过第一旁通通道117。膨胀器114和齿轮泵111由电动发电机116产生的机械能驱动。在第一旁通通道117由此被打开的情况下，由齿轮泵111输送的工作流体通过在 流经冷却水锅炉112之后流经排气锅炉113时从发动机140的排气中吸热而汽化。汽化的 工作流体随后通过膨胀器114而膨胀。在第一旁通通道117打开的情况下，流经第一旁通 通道117的工作流体的压力损失比流经冷凝器115的工作流体的压力损失小得多。因此， 大部分工作流体经过第一旁通通道117而不是绕过冷凝器115，并且流入到齿轮泵111中。 由于膨胀器114的入口容量(或者说是要被吸入膨胀器114中的工作流体的体积)大于齿 轮泵111的入口容量(或者说是要被吸入齿轮泵111中的工作流体的体积)，因此位于齿轮 泵111的上游侧且位于膨胀器114的下游侧处的工作流体的压力Pl超过位于齿轮泵111 的下游侧且位于冷却水锅炉112的上游侧处的工作流体的压力P2(P1 > P2)。结果，止回阀 120打开，从而打开第二旁通通道119。在朗肯循环110的这种状态下，从膨胀器114流出 的工作流体被分成两路，一路经由第一旁通通道117流经齿轮泵111，而另一路流经第二旁 通通道119，从而绕过齿轮泵111。流入到冷却水锅炉112中的高温工作流体在流经冷却水锅炉112时将它的热传递至发动机140的冷却水。因此，发动机140的冷却水的温度迅速 升高，由此提高发动机140的燃料效率。根据第一实施方式的废热回收系统100，当发动机140的冷却水的温度低于第一 预定值Thl时，允许工作流体的经过第一旁通通道117的循环。膨胀器114、第一旁通通道 117、齿轮泵111、冷却水锅炉112以及排气锅炉113协同形成循环回路。由此，绕过冷凝器 115的工作流体由膨胀器114输送并随后被供应至冷却水锅炉112。因此，当发动机140的 冷却水的温度仍然如同在发动机140起动的情况下那样低时，发动机140的冷却水的温度 被迅速升高，从而提高发动机140的燃料效率。当位于齿轮泵111的上游侧处的工作流体的压力Pl超过位于齿轮泵111的下游 侧处的工作流体的压力P2(P1 >P2)时，第二旁通通道119打开。由于由膨胀器114输送 的一部分工作流体绕过可能引起压力损失的齿轮泵111，因此避免了由于齿轮泵111所引 起的工作流体的压力损失。图2示出了根据本发明第二实施方式的废热回收系统200。尽管第一实施方式的 第一旁通通道117仅绕过冷凝器115，但是第二实施方式的第一旁通通道217却绕过膨胀器 114以及冷凝器115。为了便于说明，随后的实施方式中的相似或相同的部件或元件将以与 已经在第一实施方式中使用过的参考数字相同的参考数字来表示，并且将省略其描述。第一旁通通道217连接至朗肯循环210，从而绕过膨胀器114和冷凝器115。第一 旁通通道217的一端位于膨胀器114的上游侧且位于排气锅炉113的下游侧。第一旁通通 道217的另一端位于冷凝器115的下游侧且位于齿轮泵111的上游侧。流经第一旁通通道 217的工作流体的压力损失比流经膨胀器114的工作流体的压力损失小得多，也比流经冷 凝器115的工作流体的压力损失小得多。电磁阀218设置于第一旁通通道217的中间位置 处，用于打开和关闭第一旁通通道217，其用作本发明的第一阀。电磁阀218电连接于对废 热回收系统200的操作进行控制的控制单元250。单向离合器221安装在输出轴114A上位于膨胀器114和电动发电机116之间的 位置处，用作本发明的离合器。单向离合器221将旋转驱动力从膨胀器114传递至齿轮泵 111，但是阻断旋转驱动力从齿轮泵111向膨胀器114的传递。以下将描述第二实施方式的废热回收系统200的操作。将对以下两种情况进行描 述即，一种情况——发动机140的冷却水的温度为第一预定值Thl或更高；以及另一种情 况——发动机140的冷却水的温度低于第一预定值Thl。当温度传感器160获得的发动机140的冷却水的温度为第一预定值Thl或更高 时，控制单元250使电磁阀218关闭，从而关闭第一旁通通道217。在第一旁通通道217关闭的情况下，从齿轮泵111输送的工作流体在朗肯循环210 中按照该顺序循环流经冷却水锅炉112、排气锅炉113、膨胀器114以及冷凝器115。膨胀 器114的输出轴114A通过工作流体的膨胀而被驱动旋转。单向离合器221将旋转驱动力 从膨胀器114传递至齿轮泵111。电动发电机116和齿轮泵111通过膨胀器114产生的机 械能而被驱动。另一方面，当温度传感器160获得的发动机140的冷却水温度低于第一预定值Thl 时，控制单元250使电磁阀218打开，从而打开第一旁通通道217，由此允许工作流体循环通 过第一旁通通道217。齿轮泵111通过电动发电机116产生的机械能而被驱动。
在第一旁通通道217由此被打开的情况下，由齿轮泵111输送的工作流体通过在 流经冷却水锅炉112之后流经排气锅炉113时从发动机140的排气中吸热而汽化。由于第 一旁通通道217是打开的且膨胀器114处于停止状态(这将在稍后描述)，因此从排气锅炉 113中流出的大部分工作流体经由第一旁通通道217被吸入到齿轮泵111中而不流经膨胀 器114。结果，流经朗肯循环210的工作流体的整体压力基本相等，并且工作流体在几乎没 有压差的情况下流入到冷却水锅炉112中。由于膨胀器114的输出轴114A之后未接收到 旋转驱动力，因此齿轮泵111是通过电动发电机116产生的机械能而被驱动的。单向离合 器221阻断旋转驱动力从齿轮泵111向膨胀器114的传递。被泵送到冷却水锅炉112中的 高温工作流体在流经冷却水锅炉112时将它的热传递至发动机140的冷却水。由此，发动 机140的冷却水的温度迅速升高，从而提高发动机140的燃料效率。根据第二实施方式的废热回收系统200，当发动机140的冷却水的温度低于第一 预定值Thl时，允许工作流体循环通过第一旁通通道217。齿轮泵111、冷却水锅炉112、排 气锅炉113以及第一旁通通道217协同形成循环回路。由此，绕过膨胀器114和冷凝器115 的工作流体被供应至冷却水锅炉112。因此，当发动机140的冷却水的温度如同在发动机 140起动的情况下那样低时，发动机140的冷却水的温度迅速升高，从而提高发动机140的 燃料效率。流经朗肯循环210的工作流体的整体压力基本相等，从而工作流体在几乎没有压 差的情况下流入到冷却水锅炉112中。单向离合器221阻断旋转驱动力从齿轮泵111向膨胀器114的传递，由此防止膨 胀器114将工作流体传送至冷凝器115。图3示出了根据本发明第三实施方式的废热回收系统300。第三实施方式的废热 回收系统300包括绕过冷凝器115和齿轮泵111的第一旁通通道317以及绕过冷却水锅炉 112、排气锅炉113以及膨胀器114的第三旁通通道322。膨胀器114、第一旁通通道317、 冷却水锅炉112以及排气锅炉113协同形成第一封闭回路A，而齿轮泵111、第三旁通通道 322以及冷凝器115协同形成第二封闭回路B。另外，用作用于对第一旁通通道317和第三 旁通通道322的打开和关闭进行控制的标准的冷却水温度存在滞后现象。第一旁通通道317连接至朗肯循环310，从而绕过冷凝器115和齿轮泵111。第一 旁通通道317的一端位于冷凝器115的上游侧且位于膨胀器114的下游侧。第一旁通通道 317的另一端位于齿轮泵111的下游侧且位于冷却水锅炉112的上游侧。流经第一旁通通 道317的工作流体的压力损失比流经冷凝器115的工作流体的压力损失小得多，也比流经 齿轮泵111的工作流体的压力损失小得多。第一三通阀318设置于第一旁通通道317的上 述一端处，用于打开和关闭第一旁通通道317，其用作本发明的第一阀。第一三通阀318电 连接于对废热回收系统300的操作进行控制的控制单元350。第一三通阀318起到将从膨 胀器114流出的工作流体的方向切换至冷凝器115或第一旁通通道317的作用。第三旁通通道322连接至朗肯循环310以允许工作流体经过第三旁通通道322，从 而绕过冷凝器115和齿轮泵111。第三旁通通道322的一端位于第一旁通通道317的所述 一端的下游侧且位于冷凝器115的上游侧。第三旁通通道322的另一端位于第一旁通通道 317的所述另一端的上游侧且位于齿轮泵111的下游侧。第二三通阀323设置在第三旁通 通道322的所述另一端处，用于打开和关闭第三旁通通道322，其用作本发明的第三阀。第二三通阀323电连接于控制单元350。第二三通阀323起到将从齿轮泵111流出的工作流 体的方向切换至冷却水锅炉112或第三旁通通道322的作用。另外，从发动机140出来的冷却水通道在发动机140的下游侧处被分成两个冷却 水回路包括冷却水锅炉112的一个回路α 1以及包括散热器130的另一个回路α 2。冷 却水回路α 1和α 2的打开和关闭是通过温度调节装置3 来切换的，该温度调节装置324 能够根据发动机140的冷却水的温度来操作。以下将描述第三实施方式的废热回收系统300的操作。将对以下两种情况进行描 述即，一种情况——发动机140的冷却水的温度为第二预定值Th2或更高，该第二预定值 Th2比前面提到的第一预定值Thl略高，例如高两度；以及另一种情况——发动机140的冷 却水的温度低于第一预定值Thl。当发动机140的冷却水的温度为第二预定值Th2或更高时，控制单元350使第 一三通阀318移动至允许从膨胀器114流出的工作流体进入冷凝器115中的位置。也就是 说，第一旁通通道317关闭，从而切断工作流体通过第一旁通通道317的循环。另外，控制 单元350使第二三通阀323移动至允许从齿轮泵111中泵送出的工作流体进入到冷却水锅 炉112中的位置。也就是说，第三旁通通道322关闭，从而切断工作流体通过第三旁通通道 322的循环。在这种情况下，由齿轮泵111输送的工作流体在朗肯循环310中按照该顺序循环 流经冷却水锅炉112、排气锅炉113、膨胀器114以及冷凝器115。膨胀器114是通过工作流 体的膨胀而被驱动的。通过所述膨胀所产生的机械能驱动电动发电机116和齿轮泵111。当发动机140的冷却水的温度为高于第二预定值Th2的第三预定值Th3或者更高 时，操作温度调节装置324以关闭冷却水回路α 1并打开冷却水回路α 2。当发动机140的 冷却水的温度低于第三预定值Th3时，操作温度调节装置324以打开冷却水回路α 1并关 闭冷却水回路α 2。因此，当发动机140的冷却水的温度为第三预定值Th3或更高时，温度 调节装置3M用来关闭包括冷却水锅炉112的冷却水回路α 1并打开包括散热器130的冷 却水回路α 2。因此，发动机140的废热从散热器130释放。为了提高发动机140的燃料效 率，发动机140的高温冷却水的任何可回收热都应当通过朗肯循环310来回收。因此，冷却 水回路α 1不完全封闭，而是略微开放的。当发动机140的冷却水的温度低于第一预定值Thl时，控制单元350使第一三通 阀318移动至允许从膨胀器114流出的工作流体进入到第一旁通通道317中的位置。也就 是说，膨胀器114、第一旁通通道317、冷却水锅炉112以及排气锅炉113因此在第一旁通通 道317打开的情况下协同形成第一封闭回路Α。另外，控制单元350使第二三通阀323移动 至允许从齿轮泵111中泵送出的工作流体进入到第三旁通通道322中的位置。也就是说， 齿轮泵111、第三旁通通道322以及冷凝器115因此在第三旁通通道322打开的情况下协同 形成第二封闭回路B。在这种情况下，循环通过第一封闭回路A的工作流体通过在流经排气锅炉113时 从发动机140的排气中吸热而汽化。汽化的工作流体随后被转移至膨胀器114从而被膨胀。 经由第一旁通通道317流动至冷却水锅炉112的高温工作流体在流经冷却水锅炉112时将 它的热传递至发动机140的冷却水。由此，发动机140的冷却水的温度迅速升高，从而提高 发动机140的燃料效率。
循环通过第二封闭回路B的工作流体通过齿轮泵111而流经第三旁通通道322。工 作流体在靠近第三旁通通道322的出口的位置处从膨胀器114吸热并从冷凝器115释放所 吸收的热。由此，被冷凝器115冷却的工作流体被供应至齿轮泵111，用于冷却齿轮泵111。根据第三实施方式的废热回收系统300，当发动机140的冷却水的温度低于第一 预定值Thl时，允许工作流体通过第一旁通通道317的循环。在这种情况下，膨胀器114、第 一旁通通道317、冷却水锅炉112以及排气锅炉113协同形成循环回路。由此，绕过冷凝器 115和齿轮泵111的工作流体由膨胀器114供应至冷却水锅炉112而不流经冷凝器115和 齿轮泵111。因此，当发动机140的冷却水的温度仍然如同在发动机140起动的情况下那样 低时，发动机140的冷却水的温度迅速升高，从而提高发动机140的燃料效率。
齿轮泵111直接连接至电动发电机116，而在齿轮泵111与电动发电机116之间没 有任何离合器。该齿轮泵111由电动发电机116直接驱动。第三旁通通道322使得齿轮泵 111的上游端和下游端彼此连通，因而齿轮泵111使工作流体循环通过第二封闭回路B。由 此，电动发电机116的动力负荷减小。被冷凝器115冷却的工作流体被供应至齿轮泵111，使得齿轮泵111被冷却。如果电动发电机116和齿轮泵111是彼此一体形成的，电动发电机116也被冷却。由于被用作用于对第一旁通通道317和第三旁通通道322的打开和关闭进行控制 的标准的冷却水温度存在滞后现象，因此第一旁通通道317和第三旁通通道322并不是频 繁地打开和关闭。因此，防止了由于频繁操作所引起的噪声产生和机器劣化。图4示出了根据本发明第四实施方式的废热回收系统400。第四实施方式的废热 回收系统400与第三实施方式的废热回收系统300的不同之处在于在第三旁通通道322 的中间位置处设置电磁阀425用于打开和关闭第三旁通通道322，以代替位于第三旁通通 道322的所述另一端处的第二三通阀323。废热回收系统400包括朗肯循环410。电磁阀 425用作本发明的第三阀。当发动机140的冷却水的温度低于第一预定值Thl时，控制单元450操作第一三 通阀318，从而允许从膨胀器114流出的工作流体流入到第一旁通通道317中。然后，膨胀 器114、第一旁通通道317、冷却水锅炉112以及排气锅炉113协同形成第一封闭回路A。另 外，当电磁阀425打开时，允许工作流体循环通过第三旁通通道322。然后，齿轮泵111、第 三旁通通道322以及冷凝器115协同形成第二封闭回路B。在这种情况下，第一封闭回路A和第二封闭回路B中的每一个都不形成单独的封 闭回路，而是封闭回路A与封闭回路B彼此连通，从而允许工作流体在封闭回路A与封闭回 路B之间循环。当工作流体的压力随着流经包括膨胀器114的第一封闭回路A的工作流体 的温度升高而过度增大时，过剩的工作流体被转移到包括冷凝器115的第二封闭回路B。因 此，防止了流经第一封闭回路A的工作流体的压力过度增大。任何可能紧随着第一旁通通 道317和第三旁通通道322打开之后而发生的流经第一封闭回路A的工作流体的量和流经 第二封闭回路B的工作流体的量的不平衡都可随着时间的推移而得以解决，这是因为允许 工作流体在两个封闭回路A和B之间循环。已经在上面的第一实施方式至第四实施方式的上下文中对本发明进行了描述，但 是本发明并不局限于这些实施方式。可以以如下所示例的多种方式来实施本发明对于本领 域技术人员来说是显而易见的。
在第一实施方式至第四实施方式中，可以在冷凝器115的上游侧处(或者在靠近 冷凝器115的入口的位置处)设置阀，用于切断工作流体经过冷凝器115的循环。所述阀用 作本发明的第四阀。图5示出了根据本发明第一实施方式的改型的废热回收系统500。废 热回收系统500包括朗肯循环510。用作本发明的第四阀的阀5 设置于靠近冷凝器115 的入口的位置处，用于切断工作流体经过冷凝器115的循环。当温度传感器160获得的发动 机140的冷却水的温度低于第一预定值Thl时，控制单元550操作电磁阀118，从而打开第 一旁通通道117并且还关闭阀526，由此切断工作流体经过冷凝器115的循环。因此，所有 已经在流经排气锅炉113时吸收了热的工作流体都绕过冷凝器115。电磁阀118和阀5 可以组合以形成三通阀。在第一实施方式至第四实施方式中，发动机140可经由传动带连接至齿轮泵111 的驱动轴111A，用于驱动齿轮泵111。在第一实施方式至第四实施方式中，可设置成使得流经朗肯循环110的工作流体 直接经过发动机140而不是发动机140的冷却水回路α。图6示出了根据本发明第一实 施方式的另一种改型的这种废热回收系统600。废热回收系统600包括朗肯循环610。第 一热交换器212与发动机140 —体地形成，用于在工作流体与发动机140之间进行热交换。 设置温度传感器260用于测量发动机140的温度，以代替第一实施方式的温度传感器160。 控制单元150根据温度传感器260获得的温度信息来控制电磁阀118的操作，从而打开或 关闭第一旁通通道117。第二旁通通道119的所述另一端位于齿轮泵111的下游侧且位于 第一热交换器212的上游侧。本改型的其余结构与第一实施方式的结构基本相同。当温度传感器260获得的发动机140的温度为第一预定值Thl'或更高时，控制单 元150使电磁阀118关闭，从而关闭第一旁通通道117。另一方面，当温度传感器260获得 的发动机140的温度低于第一预定值Thl'时，控制单元150使电磁阀118打开，从而打开 第一旁通通道117，由此允许工作流体循环通过第一旁通通道117。膨胀器114、第一旁通通 道117、齿轮泵111、第一热交换器212以及排气锅炉113协同形成循环回路。由此，旁通冷 凝器115的工作流体由膨胀器114输送并随后被供应至第一热交换器212。因此，当发动机 140的温度仍然如同在发动机140起动的情况下那样低时，发动机140的温度迅速升高，从 而提高发动机140的燃料效率。在第一实施方式至第四实施方式中，排气锅炉113可被设置用于在工作流体与同 排气进行热交换的第二中间介质之间进行热交换。图7示出了根据本发明第一实施方式 的又一改型的废热回收系统700。废热回收系统700包括朗肯循环710。排气锅炉214设 置用于在排气与第二中间介质回路β中的第二中间介质之间进行热交换。第二热交换器 213设置用于在工作流体与第二中间介质之间进行热交换。第二中间介质在设置有排气锅 炉214、泵170以及第二热交换器213的第二中间介质回路β中流动。在第一实施方式中，膨胀器114可以是可变容量型。当发动机140的冷却水的温 度低于第一预定值Thl时，通过调节膨胀器114的容量，能够分别操作齿轮泵111和膨胀器 114以输送相同量的工作流体。具有这种可变容量型膨胀器114的废热回收系统100可省 却第二旁通通道119。在第三实施方式中，可在齿轮泵111与电动发电机116之间设置离合器。当发动 机140的冷却水的温度低于第一预定值Thl时，该离合器可阻断旋转驱动力从电动发电机11116向齿轮泵111的传递，从而防止齿轮泵111被驱动。具有这种离合器的废热回收系统 300可省却第三旁通通道322和第二三通阀323。参照图8，其示出了根据本发明第三实施方式的改型的废热回收系统800的，第三 旁通通道322的所述一端位于齿轮泵111的上游侧且位于冷凝器115的下游侧。废热回收 系统800包括朗肯循环810。在第三实施方式中，废热回收系统300可省却第三旁通通道322和第二三通阀 323。当发动机140的冷却水的温度低于第一预定值Thl时，随后在其上游侧关闭的情况下 操作的齿轮泵111空转，从而引起动力损失。但是，简化了废热回收系统300的结构。在第三实施方式中，可设置附加通道用于第一旁通通道317与第三旁通通道322 之间的连通。这种附加通道允许第一封闭回路A与第二封闭回路B之间的连通，其中，第一 封闭回路A包括膨胀器114、第一旁通通道317、冷却水锅炉112以及排气锅炉113，第二封 闭回路B包括齿轮泵111、第三旁通通道322以及冷凝器115。因此，此改型提供了与第四 实施方式相同的效果。在第三实施方式中，当发动机140的冷却水的温度低于第一预定值Thl时，并且当 第一旁通通道317和第三旁通通道322都打开时，旁通通道317和322中的至少一个可以 暂时关闭。在这种情况下，包括膨胀器114、第一旁通通道317、冷却水锅炉112以及排气锅 炉113的第一封闭回路A与包括齿轮泵111、第三旁通通道322以及冷凝器115的第二封闭 回路B彼此连通。因此，此改型同样提供了与第四实施方式相同的效果。在第一实施方式至第四实施方式中，可根据表示发动机140的冷却水的温度的任 何参数而不是温度传感器160获得的温度来执行打开和关闭旁通通道的控制。
权利要求
1.一种发动机(140)废热回收系统(100，200，300，400，500，600，700，800)，包括朗肯循环(110，210，310，410，510，610，710，810)，所述朗肯循环(110，210，310，410， 510,610,710,810)允许工作流体循环经过所述朗肯循环，所述朗肯循环(110,210,310, 410,510,610,710,810)具有第一热交换器(112，212)，所述第一热交换器(112,21 用于在所述工作流体与所述 发动机(140)之间或在所述工作流体与同所述发动机(140)进行热交换的第一中间介质之 间进行热交换；第二热交换器(113，213)，所述第二热交换器(113，21 用于在所述工作流体与所述 发动机(140)的排气之间或在所述工作流体与同所述发动机(140)的排气进行热交换的第 二中间介质之间进行热交换；膨胀器(114)，所述膨胀器(114)用于使所述工作流体膨胀以回收机械能；以及 冷凝器(115)，所述冷凝器(11 用于使所述工作流体冷凝， 所述废热回收系统(100，200，300，400，500，600，700，800)的特征在于， 第一旁通通道(117,217,317)连接至所述朗肯循环(110，210，310，410，510，610，710， 810)以允许所述工作流体经过所述第一旁通通道(117，217，317)，其中，相对于所述工作 流体的流动方向而言，所述第一旁通通道(117，217，317)的一端位于所述冷凝器(115)的 上游侧，且所述第一旁通通道(117，217，317)的另一端位于所述冷凝器(115)的下游侧； 设置第一阀(118，218，318)用于打开和关闭所述第一旁通通道(117，217，317)；以及 设置控制单元(150，250，350，450，550)用于控制所述废热回收系统(100,200,300, 400，500，600，700，800)的操作，其中，当所述发动机(140)或所述第一中间介质的温度低 于第一预定值CThl，Thl')时，所述控制单元(150，250，350，450，550)打开所述第一阀 (118,218,318)。
2.如权利要求1所述的废热回收系统(100，300，400，500，600，700，800)，其特征在于， 所述第一旁通通道(117，317)的所述一端位于所述膨胀器(114)的下游侧，且所述第一旁 通通道(117，317)的所述另一端位于所述第一热交换器(112)的上游侧。
3.如权利要求2所述的废热回收系统(100，500，600，700)，其特征在于，设置泵(111)用于泵送所述工作流体，其中，所述第一旁通通道(117)的所述另一端位 于所述泵(111)的上游侧；第二旁通通道(119)连接至所述朗肯循环(110，510，610，710)以允许所述工作流体经 过所述第二旁通通道(119)，其中，所述第二旁通通道(119)的一端位于所述泵(111)的上 游侧且位于所述膨胀器(114)的下游侧，且所述第二旁通通道(119)的另一端位于所述泵 (111)的下游侧且位于所述第一热交换器(112，212)的上游侧；以及 设置第二阀(120)用于打开和关闭所述第二旁通通道(119)， 其中，当位于所述泵(111)的上游侧的工作流体的压力(Pl)高于位于所述泵(111)的 下游侧的工作流体的压力(P2)时，所述第二阀(120)打开。
4.如权利要求3所述的废热回收系统(100，500)，其特征在于，所述第二阀(120)为止 回阀。
5.如权利要求2所述的废热回收系统(300，400，800)，其特征在于，设置泵(111)用于 泵送所述工作流体，其中，所述第一旁通通道(317)的所述另一端位于所述泵(111)的下游侧。
6.如权利要求5所述的废热回收系统(300，400，800)，其特征在于，第三旁通通道(32 连接至所述朗肯循环(310，410，810)以允许所述工作流体经过所 述第三旁通通道(322)，其中，所述第三旁通通道(322)的一端位于所述泵(111)的上游侧 且位于所述第一旁通通道(317)的所述一端的下游侧，且所述第三旁通通道(322)的另一 端位于所述泵(111)的下游侧且位于所述第一旁通通道(317)的所述另一端的上游侧；以 及设置第三阀(323)用于打开和关闭所述第三旁通通道(322)，其中，当所述发动机(140)或所述第一中间介质的温度低于所述第一预定值(Thl)时， 所述控制单元(350，450)打开所述第三阀(323)；其中，所述膨胀器(114)、所述第一旁通通道(317)、所述第一热交换器(112)以及所述 第二热交换器(11 协同形成第一封闭回路(A)；并且其中，所述泵(111)和所述第三旁通通道(32 协同形成第二封闭回路(B)。
7.如权利要求6所述的废热回收系统，其特征在于，所述第三旁通通道(322)的所述一 端位于所述冷凝器(115)的上游侧。
8.如权利要求6所述的废热回收系统000)，其特征在于，所述第一封闭回路(A)和所 述第二封闭回路(B)彼此连通，从而允许所述工作流体在所述第一封闭回路(A)与所述第 二封闭回路(B)之间循环。
9.如权利要求1所述的废热回收系统000)，其特征在于，设置泵(111)用于泵送所述工作流体；设置电动发电机(116)用于驱动所述泵(111)并将所述膨胀器(114)产生的机械能转 化成电力；以及在所述膨胀器(114)与所述电动发电机(116)之间设有离合器021)，其中，所述第一旁通通道017)的所述一端位于所述第二热交换器(113)的下游侧 且位于所述膨胀器(114)的上游侧，且所述第一旁通通道017)的所述另一端位于所述泵 (111)的上游侧。
10.如权利要求1至5和权利要求9中任一项所述的废热回收系统(500)，其特征在于， 当所述发动机(140)或所述第一中间介质的温度为高于所述第一预定值(Thl)的第二预定 值(TM)或者更高时，所述控制单元(550)打开所述第一阀(118)。
11.如权利要求6至8中任一项所述的废热回收系统(300，400)，其特征在于，当所 述发动机(140)或所述第一中间介质的温度为高于所述第一预定值(Thl)的第二预定值 (Th2)或者更高时，所述控制单元(350，450)关闭所述第一阀(318)和所述第三阀(323)。
12.如权利要求1至9中任一项所述的废热回收系统(500)，其特征在于，第四阀(526) 在所述冷凝器(115)的上游侧、所述膨胀器(114)的下游侧处连接至所述朗肯循环(510)， 用于切断所述工作流体经所述冷凝器(115)的循环，当所述发动机(140)或所述第一中间 介质的温度低于所述第一预定值(Thl)时，所述控制单元(550)关闭所述第四阀(5 )。
全文摘要
一种发动机废热回收系统，包括朗肯循环、第一旁通通道、第一阀以及控制单元。所述朗肯循环允许工作流体循环经过其中。所述朗肯循环具有第一热交换器、第二热交换器、膨胀器以及冷凝器。所述第一热交换器在工作流体与发动机之间或在工作流体与同发动机进行热交换的第一中间介质之间进行热交换。所述第一旁通通道允许工作流体经过。所述第一旁通通道的一端位于冷凝器的上游侧，而另一端位于冷凝器的下游侧。所述第一阀打开和关闭第一旁通通道。当发动机或第一中间介质的温度低于第一预定值时，所述控制单元打开所述第一阀。
文档编号F02G5/02GK102042119SQ20101051356
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月14日 优先权日2009年10月15日
发明者井口雅夫, 川口真广, 森英文, 榎岛史修 申请人:株式会社丰田自动织机