本發(fā)明涉及適于用于內(nèi)燃(IC)發(fā)動機的熱回收系統(tǒng)和方法的領(lǐng)域，所述內(nèi)燃發(fā)動機可從IC發(fā)動機的廢氣回收熱量。

背景技術(shù)：

能量回收系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是已知的，并且通常包括熱交換系統(tǒng)，其中來自IC發(fā)動機的廢氣用于將工作流體從液體轉(zhuǎn)換成蒸汽，其中蒸汽繼而又驅(qū)動連接到發(fā)電機的渦輪。

然而，通常這種組合系統(tǒng)在捕獲來自廢氣的廢排放熱的方面效率低，導(dǎo)致低于預(yù)期的能量轉(zhuǎn)化率。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是提供一種操作發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括一種提供了系統(tǒng)的總效率的提高的熱回收系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一個目的是克服或至少解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點和缺陷。

結(jié)合描述本發(fā)明實施方式的附圖，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將在下面的描述變得顯而易見。

發(fā)明概述

根據(jù)本發(fā)明，盡管這不應(yīng)視為以任何方式限制本發(fā)明，但提供了操作發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括熱回收系統(tǒng)，具有：

·至少第一熱交換器和第二熱交換器；

·用于接收來自內(nèi)燃機的排氣輸入的排氣管道；

·配置為吸收熱能的工作流體；

·集熱回路，用于引導(dǎo)工作流體與第一和第二熱交換器的管的外表面接觸；

·其中工作流體首先引導(dǎo)到第二熱交換器，然后引導(dǎo)到第一熱交換器，第一熱交換器定位在第二熱交換器的上游(相對于排氣流)；以及

·渦輪，其可操作地連接到所述集熱回路，并且可操作地連接到發(fā)電機，

所述方法包括：

·測量工作流體的變量，所述工作流體配置成當(dāng)離開第一熱交換器時吸收熱能；

·測量工作流體的變量，所述工作流體配置成當(dāng)離開第二熱交換器時吸收熱能；

·至少部分地經(jīng)由發(fā)動機熱回收算法在電子控制模塊內(nèi)確定發(fā)動機操作變量、渦輪操作變量以及由發(fā)電機產(chǎn)生的對應(yīng)于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的能量的組合。

本發(fā)明的另一形式在于用于內(nèi)燃機的廢熱回收系統(tǒng)，包括

至少第一熱交換器和第二熱交換器；

用于接收來自所述內(nèi)燃機的廢氣流輸入的排氣管道；

配置為吸收熱能的工作流體；

集熱回路，其可操作地連接到所述第一熱交換器和所述第二熱交換器，以將熱能從所述廢氣排出流傳遞到所述工作流體；

其中所述工作流體首先引導(dǎo)到所述第二熱交換器，然后引導(dǎo)到所述第一熱交換器，所述第一熱交換器相對于所述廢氣流位于所述第二熱交換器的上游；以及

可操作地連接到所述集熱回路并可操作地連接到發(fā)電機的渦輪，

工作流體控制裝置，其控制工作流體流入所述第二熱交換器中；

工作流體控制閥，其可操作地連接到控制模塊，所述控制模塊能夠響應(yīng)于所述廢熱回收系統(tǒng)、內(nèi)燃機或發(fā)電機的至少一個變量的變量來控制工作流體控制裝置的操作。

術(shù)語“排氣”和“廢氣”在本文中可互換使用，以指通過內(nèi)燃機的操作產(chǎn)生的排氣。

操作參數(shù)

優(yōu)選地，發(fā)動機操作變量是：發(fā)動機施加的負(fù)載、發(fā)動機速度、進入發(fā)動機的空氣質(zhì)量流量、進入發(fā)動機的燃料流率、排氣溫度以及排氣的氧氣濃度。

優(yōu)選地，工作流體的變量是至少兩個：工作流體的壓力和溫度。

優(yōu)選地，預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)包括燃料經(jīng)濟性和由能量回收系統(tǒng)產(chǎn)生的能量的量。

優(yōu)選地，發(fā)動機熱回收算法包括發(fā)動機負(fù)載和速度以及至少在集熱回路中的流體壓力和溫度的映射。

優(yōu)選地，通過排氣溫度測量裝置測量排氣溫度。

優(yōu)選地，排氣溫度測量裝置的位置包括至少一個從以下組中選擇的位置：在第一熱交換器和第二熱交換器之前、在第一熱交換器和第二熱交換器之后以及在第一熱交換器和第二熱交換器之間。

優(yōu)選地，該方法還包括通過流體控制裝置可操作地控制排氣在熱量分配回路中流動的步驟。

優(yōu)選地，排氣控制裝置是流量控制閥。

優(yōu)選地，該方法還包括通過流體控制裝置可操作地控制工作流體在集熱回路中流動的步驟。

優(yōu)選地，工作流體控制裝置是流量控制閥。

本發(fā)明的另一方面包括用于廢熱回收系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括所述的方法。

本發(fā)明的另一方面是包括如上所述的控制系統(tǒng)的車輛。

附圖簡要說明

通過示例的方式，在下文中參照附圖將對本發(fā)明的實施方式進行更全面地描述，其中：

圖1示出了本發(fā)明的排氣熱回收裝置處于串聯(lián)構(gòu)造的第一構(gòu)造的示意圖；

圖2示出了本發(fā)明的排氣熱回收裝置處于并聯(lián)構(gòu)造的第二構(gòu)造的示意圖。

發(fā)明詳述

圖1中的本發(fā)明是一種串聯(lián)構(gòu)造，包括第一熱交換器單元(12)和第二熱交換器單元(14)，其每一個具有排氣入口開口(分別為16和18)以及排氣出口開口(分別為20和22)。排氣出口(22)通向外部環(huán)境(64)。排氣管道(24)將IC發(fā)動機(28)的排氣系統(tǒng)(26)連接到排氣入口開口(16)。

排氣進入集熱回路(17)由二通閥(51)控制，當(dāng)IC發(fā)動機仍處于啟動模式時，該二通閥將排氣流轉(zhuǎn)出該系統(tǒng)。采取這種預(yù)防措施以在發(fā)動機處于穩(wěn)定的操作狀態(tài)之前限制來自排氣的在熱交換器中積聚(結(jié)垢)的顆粒物質(zhì)的量。該狀態(tài)由控制系統(tǒng)模塊使用來自溫度傳感裝置(10)和發(fā)動機負(fù)載傳感器(29)的數(shù)據(jù)來確定。

集熱回路(17)包括第一(12)和第二(14)熱交換器，其分別具有工作流體入口開口(32)和(30)以及分別具有流體出口開口(36)和(34)，以允許吸熱工作流體通過。單向閥(53)確保進入集熱回路(17)中的單向流動。

吸熱工作流體配置或選擇為能夠容易地從排氣吸收熱量。合適的吸熱工作流體包括流體，例如水、氨、制冷劑氣體或其混合物，但不限于這些。

發(fā)動機(28)具有配置成測量或計算發(fā)動機上負(fù)載的負(fù)載傳感器(29)。也可測量其它發(fā)動機操作變量，例如發(fā)動機溫度、發(fā)動機速度、排氣溫度和氧氣濃度。各種測量裝置可位于發(fā)動機上，以便提供關(guān)于發(fā)動機操作變量的數(shù)據(jù)。

控制系統(tǒng)模塊(60)可操作地連接到發(fā)動機負(fù)載傳感裝置(29)，并且與第二熱交換器上的溫度傳感裝置(31)和第一熱交換器上的溫度傳感裝置(33)連通。

控制系統(tǒng)模塊(60)還可操作地連接到泵(13)，以便調(diào)節(jié)泵(13)的運行，以控制集熱回路(17)內(nèi)的工作流體的工作壓力。

溫度傳感裝置(31)和(33)，例如熱電偶，可測量進入每個相應(yīng)熱交換器的工作流體的溫度，并將該信息傳送到控制系統(tǒng)模塊(60)。類似地，壓力傳感裝置(41)和(43)，例如壓力傳感器，可測量進入每個相應(yīng)熱交換器的工作流體的壓力，并將該信息傳送到控制系統(tǒng)模塊。

另外，溫度傳感裝置(35)和(37)分別定位或靠近出口端口(34)和(36)，以便分別提供離開第二和第一熱交換器的工作流體的溫度數(shù)據(jù)，并將這種數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)模塊(60)。類似地，壓力傳感裝置(45)和(47)，例如壓力傳感器，可測量離開每個相應(yīng)熱交換器的工作流體的壓力，并將該信息傳送到控制系統(tǒng)模塊。

壓力傳感器(40)也可位于熱回收系統(tǒng)中，以在工作流體通過二通閥(58)之前測量工作流體的壓力。特別地，附加的壓力傳感裝置(48)和(42)可正好位于能量發(fā)生器渦輪(50)之前和之后，以測量通過渦輪的過熱蒸汽的壓力或流量。類似地，溫度傳感裝置(38)和(39)可位于能量發(fā)生器渦輪(50)之前和之后，以測量通過渦輪的過熱蒸汽的溫度。超速切斷閥(55)在渦輪(50)超速的情況下由控制系統(tǒng)模塊(60)關(guān)閉，如由集成到渦輪中的傳感器檢測到的。在積聚壓力超過預(yù)設(shè)值的情況下打開安全閥(54)。

在發(fā)動機(28)的操作期間，控制系統(tǒng)模塊(60)接收來自負(fù)載傳感器(29)的發(fā)動機操作變量數(shù)據(jù)，例如發(fā)動機負(fù)載，以及來自排氣溫度傳感器(10)的排氣溫度，還有來自流體回路內(nèi)的工作流體溫度和壓力數(shù)據(jù)以及其它發(fā)動機操作變量。根據(jù)該數(shù)據(jù)，確定熱回收系統(tǒng)中的工作流體的最佳工作壓力和工作流體流入第二熱交換器(14)中的流量。

一旦選擇最佳壓力，其確定為從渦輪(50)產(chǎn)生最大量的回收能量的壓力，則控制系統(tǒng)模塊(60)經(jīng)由溫度傳感器(35)和(37)測量流體溫度，然后將所述溫度與用于通過發(fā)動機映射的最佳工作壓力的參考溫度表進行比較。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，映射是某些控制信號的量和定時與所需定時和其它已知變量的多維表，其它已知變量例如發(fā)動機速度、負(fù)載和溫度，包括其它變量。

如果在溫度傳感裝置(35)和(37)處測量的溫度小于映射在控制系統(tǒng)模塊(60)中的參考溫度，則控制系統(tǒng)模塊(60)操作閥(52)減少進入第二熱交換器(14)中的工作流體入口質(zhì)量流率(如由流量計(9)檢測)。

如果溫度傳感裝置(35)和(37)檢測到流體溫度大于目標(biāo)參考溫度，則控制系統(tǒng)模塊(60)將通過打開閥(52)增加工作流體入口質(zhì)量流率(如由流量計(9)檢測)。類似地，如果排氣溫度超過預(yù)定值(如由排氣管道上的溫度傳感裝置(59)檢測)，則控制系統(tǒng)模塊(60)將通過打開閥(52)增加工作流體入口質(zhì)量流率(如由流量計(9)檢測)。

如果分別在溫度和壓力傳感裝置(49)和(40)處測量的溫度和壓力小于在控制系統(tǒng)模塊(60)中映射的參考溫度和壓力，則控制系統(tǒng)模塊(60)操作閥(58)將渦輪(50)周圍的部分或全部工作流體轉(zhuǎn)移到膨脹裝置(62)(例如盤繞的毛細(xì)管)中。如果在溫度傳感裝置(49)處測量的溫度大于目標(biāo)參考溫度，則控制系統(tǒng)模塊(60)將通過打開閥(52)增加工作流體入口質(zhì)量流率(如由流量計(9)檢測)。

關(guān)于圖2中的系統(tǒng)，熱交換器的并聯(lián)配置，發(fā)動機(28)具有負(fù)載傳感器(29)，并且控制系統(tǒng)模塊(60)接收來自負(fù)載傳感器(29)的數(shù)據(jù)。

此外，溫度傳感裝置(31)和(37)位于集熱回路(17)的工作流體入口(30)和出口(36)開口附近?？刂葡到y(tǒng)模塊(60)與這些溫度傳感裝置(31)和(37)連通，以接收工作流體溫度相關(guān)信息。從溫度傳感裝置(35)、(33)、(49)和(38)獲得附加的工作流體溫度相關(guān)信息，并由控制系統(tǒng)模塊(60)接收。另一溫度傳感裝置(59)位于排氣管道上，并且排氣溫度數(shù)據(jù)然后中繼到控制系統(tǒng)模塊(60)。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，溫度傳感裝置可以多種方式連接到控制模塊(60)，以允許將溫度數(shù)據(jù)從溫度傳感裝置傳遞到控制模塊。對于壓力傳感裝置和流量測量裝置兩者也是如此，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說這兩者是已知的。

當(dāng)發(fā)動機(28)運行時，包括發(fā)動機負(fù)載、發(fā)動機速度、空氣和燃料的質(zhì)量流量的發(fā)動機操作變量則連同來自溫度傳感裝置(59)的排氣溫度數(shù)據(jù)一起中繼到控制系統(tǒng)模塊(60)。然后，發(fā)動機熱回收算法確定通過系統(tǒng)的入口端口(30)的最佳工作流體壓力和入口質(zhì)量流率。

一旦確定了最佳壓力，則控制系統(tǒng)模塊(60)測量在溫度傳感裝置(35)和(37)處的流體溫度，以提供溫度數(shù)據(jù)T₁和T₂，其與熱回收算法提供的最佳工作壓力的參考溫度進行比較。如果T₁和T₂小于參考溫度，則控制系統(tǒng)模塊(60)操作以減小通過閥(52)的工作流體入口質(zhì)量流率(如由流量計(9)檢測)。如果T₁和T₂大于參考溫度，則控制系統(tǒng)模塊(60)操作以增加通過閥(52)的工作流體入口質(zhì)量流率(如由流量計(9)檢測)。

控制系統(tǒng)模塊(60)還可操作地連接到泵(13)，以便調(diào)節(jié)泵(13)的運行，以控制在集熱回路(17)內(nèi)的工作流體的工作壓力。

基于由發(fā)動機熱回收算法確定的最佳壓力，控制閥(56)和(57)可由控制系統(tǒng)模塊(60)操作，以將通過排氣管道(24)行進的排氣引導(dǎo)到第一熱交換器(12)中或通過引導(dǎo)廢氣或其至少一部分通過旁路部分或廢氣旁路管線(61)，將廢氣引導(dǎo)到第二熱交換器(14)中。當(dāng)引導(dǎo)廢氣通過第一熱交換器(12)，然后直接進入第二熱交換器(14)時，這被稱為串聯(lián)布置(如圖1所示)。當(dāng)引導(dǎo)廢氣的一部分通過旁路部分或廢氣旁路管線(61)進入第二熱交換器(14)時，這被稱為并聯(lián)布置。

應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明的范圍內(nèi)考慮的是引導(dǎo)通過旁路部分(61)的排氣量可在0-100％的范圍內(nèi)。當(dāng)100％的排氣引導(dǎo)通過旁路部分(61)進入到第二熱交換器(14)中并關(guān)閉閥(57)時，該裝置不是并聯(lián)也不是串聯(lián)，而是僅僅依賴于單個熱交換器裝置。根據(jù)使用發(fā)動機熱回收算法確定的操作條件及其相關(guān)聯(lián)的發(fā)動機映射，100％的排氣可以這種方式引導(dǎo)。

如果由壓力傳感器(41)測量的最佳壓力低于或高于預(yù)定壓力，則控制系統(tǒng)模塊(60)控制閥(56)和(57)以確定排氣分流比。例如，如果在40％負(fù)載下的最佳壓力為15巴，則由控制系統(tǒng)模塊(60)操作的控制閥(56)和(57)將調(diào)節(jié)第一和第二熱交換器(12)和(14)并聯(lián)設(shè)置并確定排氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。然后將引導(dǎo)大約60％的排氣質(zhì)量流經(jīng)由入口端口(16)進入第一熱交換器(12)，然后引導(dǎo)剩余的大約40％的排氣質(zhì)量流通過旁路部分(61)，以當(dāng)廢氣通過第一熱交換器(12)的出口端口(20)離開時與廢氣混合，然后通過入口閥(18)進入第二熱交換器(14)中。

對于40％旁路的實施例來說，在控制閥(56)和(57)處確定的排氣比率則可由控制系統(tǒng)模塊(60)根據(jù)由發(fā)動機變量的需要來改變，該發(fā)動機變量包括但不限于用于熱交換器的并聯(lián)設(shè)置的發(fā)動機負(fù)載和排氣溫度，條件是計算的發(fā)動機熱回收算法。排氣比率將根據(jù)用于發(fā)動機的不同速度和負(fù)載的熱回收算法而變化。

通過回收廢熱，運行蘭金循環(huán)以產(chǎn)生額外的功率。蘭金循環(huán)組件包括渦輪(50)、渦輪發(fā)電機(19)和(20)、單向閥(56)和(57)、泵(18)和冷凝器(21)。除了蘭金循環(huán)的冷卻組件之外，還有冷凝器冷卻回路(27)和緩沖罐(15)。

在圖2中，P1表示高壓，并且P2略高于由真空泵(18)產(chǎn)生的大氣壓力或真空壓力。如果系統(tǒng)不需要真空，則不需要真空泵(18)。

如現(xiàn)在將看到的，通過使用控制系統(tǒng)模塊(60)和發(fā)動機熱回收算法的應(yīng)用，發(fā)動機熱回收算法可選地與用于發(fā)動機的發(fā)動機管理系統(tǒng)集成，針對發(fā)動機操作變量和來自發(fā)電機的能量產(chǎn)生數(shù)據(jù)的發(fā)動機映射現(xiàn)在可有利地優(yōu)化電力產(chǎn)生，取決于發(fā)動機操作變量，以及優(yōu)化產(chǎn)生廢氣的內(nèi)燃機的運行，以適應(yīng)期望的操作。