增強(qiáng)的廢熱回收系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】增強(qiáng)的廢熱回收系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求在2013年3月12日提交的美國專利申請序列號N0.61/804，849的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該專利申請以全文引用的方式并入到本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]常規(guī)內(nèi)燃機(jī)(ICE)具有有限的制動熱效率(BTE)。在燃燒過程中產(chǎn)生的能量可能僅部分地轉(zhuǎn)換成有用功。大部分燃料能量在廢氣中作為廢熱丟棄。優(yōu)選地從廢氣俘獲或回收廢熱中的某些或全部以改進(jìn)發(fā)動機(jī)的熱效率，因此降低燃料消耗并且降低CO2排放。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一種用于改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)效率的方法改變了膨脹機(jī)裝置的活塞腔室中的體積。膨脹機(jī)裝置通常以固定膨脹機(jī)裝置速度操作以對斜板膨脹機(jī)軸做功。斜板膨脹機(jī)軸連接到活塞腔室中活塞的第一端。
【附圖說明】
[0005]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，當(dāng)結(jié)合附圖來考慮時(shí)，通過下文的詳細(xì)描述，本公開的上述以及其它的優(yōu)點(diǎn)將會變得顯而易見:
[0006]圖1是廢熱回收系統(tǒng)的一實(shí)施例的示意圖；
[0007]圖2A是描繪了在不足的膨脹損失下的廢熱回收系統(tǒng)的壓力與體積關(guān)系圖；
[0008]圖2B是描繪了在過度膨脹損失下的廢熱回收系統(tǒng)的壓力與體積關(guān)系圖；
[0009]圖3是固定體積斜板活塞膨脹機(jī)的一實(shí)施例的示意局部剖視側(cè)視圖；
[0010]圖4是描繪了不可變的膨脹機(jī)裝置的第一循環(huán)的壓力與體積關(guān)系的曲線圖并且其也描繪了可變膨脹機(jī)裝置的第二循環(huán)的壓力與體積關(guān)系的曲線圖；
[0011]圖4A是用于圖4的不可變膨脹機(jī)裝置的體積與位移關(guān)系的曲線圖；
[0012]圖4B是用于圖4的不可變膨脹機(jī)裝置的端口狀態(tài)與時(shí)間關(guān)系的曲線圖；
[0013]圖4C是用于圖4的可變膨脹機(jī)裝置的體積與位移關(guān)系的曲線圖；
[0014]圖4D是用于圖4的可變膨脹機(jī)裝置的端口狀態(tài)與時(shí)序關(guān)系的曲線圖；
[0015]圖5是可變體積斜板活塞膨脹機(jī)的一實(shí)施例的示意局部剖視側(cè)視圖；以及
[0016]圖6是描繪了在固定體積斜板活塞膨脹機(jī)與可變體積斜板活塞膨脹機(jī)之間差異的壓力與體積關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]應(yīng)了解本發(fā)明可以呈現(xiàn)各種替代取向和步驟順序，除非明確地規(guī)定為相反情況。還應(yīng)了解在附圖中示出和下文的說明書中的具體裝置和過程只是本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例。因此，關(guān)于所公開的實(shí)施例的具體尺寸、方向或其它物理特征并不認(rèn)為是限制性的，除非明確地陳述為相反情況。
[0018]能使用廢熱回收循環(huán)來回收來自內(nèi)燃機(jī)的廢熱能的至少一部分。這種循環(huán)的一個(gè)示例可能是諸如有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)，但本發(fā)明并不限于這種循環(huán)。
[0019]在圖1中描繪了廢熱回收(WHR)系統(tǒng)10的一實(shí)施例。
[0020]在圖1中，在系統(tǒng)10中的正位移膨脹機(jī)裝置12由皮帶或齒輪箱18直接機(jī)械地聯(lián)接到ICE 16的曲軸14。通過這個(gè)連接，膨脹機(jī)裝置12可以向曲軸14供應(yīng)額外扭矩和功率。通過將膨脹機(jī)裝置12連接到ICE 16，改進(jìn)了 ICE 16的總熱效率，導(dǎo)致較低燃料消耗和更低CO2排放。
[0021]雖然本說明書將使用膨脹機(jī)裝置12的示例，可以認(rèn)識到本文所討論的方面也可以適于壓縮機(jī)。
[0022]WHR系統(tǒng)包括熱俘獲回路20、正位移膨脹機(jī)裝置12、冷凝器22、進(jìn)給栗24和工作流體。工作流體是適合ICE的廢熱流動或這種流體混合物的溫度范圍的二相流體。在大部分實(shí)施例中，流體的兩相是液體和氣體或蒸氣。
[0023]栗24從一個(gè)裝置向另一個(gè)裝置移動流體，如圖1所示。冷凝器22在膨脹機(jī)裝置22中做功之后使流體冷凝。
[0024]熱俘獲回路20包括熱交換器26和通向熱交換器26和離開熱交換器26的流體管線。第一管線28使流體從渦輪增壓器30進(jìn)入到熱交換器26內(nèi)。渦輪增壓器30連接到ICE 16。第一管線28離開熱交換器26，其中，第一管線28延伸到后處理裝置。后處理裝置可以是諸如(但不限于)粒子過濾器、催化轉(zhuǎn)換器和/或選擇性催化還原裝置。
[0025]第二管線32連接正位移膨脹機(jī)裝置12、冷凝器22和栗24與熱交換器26。雖然在上文中使用了“第二管線”和“第一管線”并且暗示每一個(gè)是單獨(dú)管線，可以意識到多個(gè)管線可以構(gòu)成“第一管線”或“第二管線”。
[0026]在諸如圖1所描繪的一實(shí)施例中，在熱交換器26中的第一管線28包含從ICE 16經(jīng)由渦輪增壓器30的廢熱流動。在熱交換器26內(nèi)，第一管線28能以任何方式延伸，可以包括曲線方式。第一管線28也可以分成熱交換器26內(nèi)的多個(gè)管線。
[0027]第二管線32也可以以任何方式在熱交換器26內(nèi)延伸，包括曲線方式。第二管線32也可以分成熱交換器26內(nèi)的多個(gè)管線。
[0028]無論在熱交換器26內(nèi)第一管線28或第二管線32的大小、形狀或設(shè)計(jì)如何，優(yōu)選地，第一管線28或第二管線32彼此相鄰或接觸，使得來自第一管線28的熱通過對流、傳導(dǎo)和/或輻射而與第二管線32進(jìn)行交換。
[0029]來自第一管線28的熱使第二管線32中的流體轉(zhuǎn)換為氣體或蒸氣。蒸氣通過第二管線32行進(jìn)到正位移膨脹機(jī)裝置12。蒸氣在裝置12中膨脹以生成有用功，有用功可以被發(fā)送到傳動系。
[0030]如上文所描述的那樣，在描繪的實(shí)施例中，熱交換器26從ICE經(jīng)由渦輪增壓器30接收在第一管線28中的熱流體。渦輪增壓器30可以包括渦輪34，渦輪34連接到壓縮機(jī)36。壓縮機(jī)36向ICE 16提供壓縮空氣，如經(jīng)由管線38所示，管線38將壓縮機(jī)36連接到ICE 16。壓縮空氣比周圍空氣密度更大，這使得ICE 16在操作時(shí)更高效并且更強(qiáng)大，因?yàn)楦嗫諝膺M(jìn)入燃燒腔室。ICE 16依次經(jīng)由管線40將熱廢氣遞送到渦輪34，管線40連接ICE16與渦輪34。渦輪34將熱廢氣轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能，然后旋轉(zhuǎn)能以機(jī)械方式傳送到壓縮機(jī)36。雖然在本文中討論和描繪了渦輪增壓器30，可以意識到本發(fā)明的廢熱回收系統(tǒng)10能在沒有渦輪增壓器30的情況下以基本上相同方式操作。
[0031]通常，WHR系統(tǒng)10將被設(shè)計(jì)成在ICE 16的正常操作點(diǎn)最佳地工作，得到根據(jù)正常發(fā)動機(jī)速度和負(fù)荷的熱交換器26的最佳蒸發(fā)壓力和溫度和工作流體的最佳質(zhì)量流量。可以通過利用適合于車輛操作條件的熱交換器26、冷凝器22、栗24和膨脹機(jī)裝置12的大小和類型而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
[0032]然而，ICE 16也可以在高動態(tài)條件諸如高變化性發(fā)動機(jī)速度和發(fā)動機(jī)負(fù)荷下操作，導(dǎo)致WHR系統(tǒng)10的動態(tài)操作條件。在這些條件下，必須控制工作流體的質(zhì)量流率和/或蒸發(fā)壓力和溫度以使WHR系統(tǒng)10所生成的功率最大。
[0033]在其中正位移膨脹機(jī)裝置12通過皮帶或齒輪箱18直接連接到ICE 16并且更特定而言ICE曲軸14的實(shí)施例中，膨脹機(jī)裝置12和發(fā)動機(jī)速度具有固定速比?？梢哉J(rèn)識到在此情形下，對于具有固定位移的膨脹機(jī)裝置12而言，不能獨(dú)立于發(fā)動機(jī)速度控制工作流體的質(zhì)量流率。在此條件下，在熱交換器26中發(fā)生非最佳蒸發(fā)壓力?？梢哉J(rèn)識到如果流體并不在熱交換器26中最佳地蒸發(fā)，其將不在膨脹機(jī)裝置12中做相同功，因此，使得WHR系統(tǒng)效率比其原本可能的效率更低。
[0034]繼續(xù)此示例，當(dāng)車輛以恒定速度行駛并且道路斜率增加時(shí)，在ICE 16上的負(fù)荷也增加。增加的發(fā)動機(jī)負(fù)荷導(dǎo)致更高的燃料消耗并且因此在廢氣中能回收更多熱能。為了優(yōu)化廢熱回收，當(dāng)WHR系統(tǒng)10以恒定并且最佳工作條件操作時(shí)，工作流體的質(zhì)量流率增加。在ICE 16和正位移膨脹機(jī)裝置12以恒定速度操作時(shí)，不能改變膨脹機(jī)裝置12的質(zhì)量流率，導(dǎo)致熱交換器壓力升高。在膨脹機(jī)裝置12具有固定位移和膨脹比時(shí)，膨脹機(jī)裝置12入口壓力升高將造成不足膨脹損失增加并且因此降低WHR系統(tǒng)10的轉(zhuǎn)換效率，這可以從圖2A認(rèn)識到。圖2B示出了相反情況，其為流體過度膨脹的情形。這種情形也是不合需要的，因?yàn)?，這減少了能用于從流體提取的功量。
[0035]在圖2A和圖2B中，使用以下附圖標(biāo)記，在下文中定義:
[0036]Prai是當(dāng)活塞腔室向出口打開時(shí)在工作流體排放口的壓力；
[0037]Pin是活塞腔室中膨脹階段結(jié)束時(shí)壓力；
[0038]Psu是吸入壓力，因此是進(jìn)入活塞腔室的流體壓力；
[0039]Vs.exp是不能使用的死體積；以及
[0040]Vsep是活塞將覆蓋的可用體積。
[0041]在ICE和WHR系統(tǒng)的可變發(fā)動機(jī)速度或其它動態(tài)操作條件下可以采用類似基本原理。為了使WHR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率最高，將獨(dú)立于發(fā)動機(jī)速度來控制工作流體的質(zhì)量流率和/或熱交換器壓力。
[0042]本文所描述的裝置和方法利用圖1所描繪的結(jié)構(gòu)通過控制WHR系統(tǒng)10中的正位移膨脹機(jī)裝置12的熱循環(huán)過程而克服了上文所討論的缺點(diǎn)。更具體而言，控制正位移膨脹機(jī)裝置12的質(zhì)量流率并且控制廢熱熱交換器裝置12中的工作流體的壓力水平。
[0043]正位移膨脹機(jī)裝置12通過將蒸氣填充到固定體積諸如活塞腔室而工作。如上文所描述的那樣，由熱交換器26供應(yīng)蒸氣。在閉合了活塞腔室體積之后，截留蒸氣并且迫使活塞位移或膨脹。根據(jù)具體情況，一個(gè)或多個(gè)活塞遞送功到膨脹機(jī)軸(膨脹機(jī)軸附連到活塞)，使得膨脹機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。
[0044]如上文所指示，正位移膨脹機(jī)裝置12由皮帶或齒輪箱18直接機(jī)械聯(lián)接到ICE曲軸14。因此，可以認(rèn)識到由膨脹機(jī)裝置12生成的扭矩添加到ICE曲軸14，因此增加了發(fā)動機(jī)的功率輸出。通過控制ICE活塞腔室的入口開口打開以使蒸氣進(jìn)入腔室的時(shí)刻，可以最小化過度膨脹損失和不足膨脹損失，并且因此能使膨脹機(jī)裝置