CN101182797A - 兰金循环系统和液压储能系统的组合 - Google Patents

兰金循环系统和液压储能系统的组合 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用兰金循环系统和液压储能系统的组合来驱动至少一个汽车组件的方法。该方法包括在第一发动机状态期间从兰金循环系统中产生流体动力，以驱动至少一个汽车组件；以及在第二发动机状态期间从液压储能系统中产生流体动力，以驱动至少一个汽车组件。

Description

兰金循环系统和液压储能系统的组合
技术领域
本发明涉及使用结合了液压储能系统和兰金循环系统来驱动汽车组件的系统、装置和方法。
背景技术
随着燃料费用的上升，对提升汽车中的燃料经济性做了许多努力。通过提高发动机的效率，也许可以提升燃料经济性。为此，已经研究了提高发动机效率的各种系统和方法。
用来提高能量效率的系统之一就是兰金(Rankine)循环系统。兰金循环系统利用兰金热力循环将热能转化为机械功。兰金循环系统通常包括如下组件：锅炉、汽轮机、冷凝器和泵。作为兰金循环系统的一个例子，诸如水这类工作介质经过管道系统流通到各组件，使得工作介质膨胀来驱动连接着的机械装置。例如，水可以通过泵提供给蒸发器或者锅炉来产生水蒸汽。水蒸汽通过汽轮机膨胀以产生动力输出。水蒸汽可以循环回冷凝器，在此，水蒸汽转换回液相。
过去，为将兰金循环系统结合到汽车中并提高这些系统的效率作出了尝试。例如，美国专利6,725,662号揭示了将兰金循环用于汽车驱动系统的一种方法。类似地，美国专利6,952,924号描述了一种用于汽车的兰金循环装置，该装置包括解决工作介质泄漏到系统外的问题的系统。
作为另一个在汽车中使用兰金循环的例子，美国专利公布2004/0211180号揭示了通过兰金循环系统收集来自发动机的余热以产生转动驱动力的方法。
另外，美国专利公布2004/0184923号揭示了一种流体机，该流体机可操作于加压流体的泵模式和转化流体压力并产生机械能的马达模式。在此，描述了能使泵模式和马达模式两者运行的特别的气门机构。
本申请的发明人意识到汽车中的兰金循环系统的运用可能在工作介质未被保持在工作温度的某些应用中受限。因此，兰金循环系统并非在所有工况下都是充分可操作的。例如，在汽车初始冷起动期间，兰金循环系统就无法产生所需要的能量输出。此时必须等待工作介质达到基本的工作温度。
发明内容
与兰金循环系统的这些应用相关联的某些问题可以通过兰金循环系统(或其他排气热回收系统)与液压储能系统的组合来解决。在组合系统中，当兰金循环系统处于非工作状态，例如工作流体正在加热到工作温度的阶段，液压储能系统可以从液压储能器放出流体动力。
作为一个示例，组合系统可用于运行一个或多个汽车组件，例如前端辅助驱动装置(FEAD)，包括交流发电机，空调压缩机，水泵，动力转向泵等。当发动机第一次起动时，可使用液压储能系统向操作连接到汽车配件的液压马达放出流体动力。当兰金循环系统中的工作介质正在加热时，液压储能器可向液压马达提供动力。一旦工作介质处于工作温度，兰金循环系统会接替液压储能系统驱动液压泵和液压马达，来提供液压动力以运行FEAD。发动机一关闭，兰金循环系统用来产生存储在储能器中的流体动力，以供汽车重起动时使用。通过使用组合系统来产生FEAD驱动，可以提高发动机效率。
附图说明
图1是汽车发动机的示例实施例的示意图；
图2是用于汽车的包括兰金循环系统和液压储能系统的组合系统的示例实施例的示意图；
图3是使用包括兰金循环系统和液压储能系统的组合系统从起动工况驱动FEAD组件的方法的示例实施例的流程图；
图4是使用包括兰金循环系统和液压储能系统的组合系统的方法的示例实施例的另一个流程图。
具体实施方式
图1是显示了包括在汽车/机动车的推进系统中的多汽缸发动机10的一个汽缸的示意图。应当理解，如下发动机描述及对应的图1提供了可应用兰金循环系统和液压储能系统的组合的示例环境。不脱离本发明的范围，上述系统还适用于其他汽车发动机。虽然这里的例子描述了兰金循环，如果需要，也可以使用其他排气热回收系统或循环。
发动机10至少部分地由包括控制器12的控制系统和经输入装置130来自汽车操作者132的输入来控制。在这个例子中，输入装置130包括加速器踏板和产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即汽缸)30包括燃烧室壁32和位于其中的活塞36。活塞36连接曲轴40，以将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可以通过传动系统连接到客车的至少一个驱动轮。另外，起动机马达可以通过飞轮连接到曲轴40，以实现发动机10的起动运行。
燃烧室30可通过进气歧管42从进气道44接收进气，并通过排气道48排出燃烧气体。进气道44和排气道48可分别通过各自的进气门52和排气门54选择性地与燃烧室30相通。在某些实施例中，燃烧室30可具有两个或两个以上的进气门和/或两个或两个以上的排气门。
进气门52经电动气门驱动器(EVA)51由控制器12控制。类似地，排气门54经EVA 53由控制器12控制。在某些工况下，控制器12改变提供给驱动器51、53的信号来控制相应的进气门和排气门的开启与关闭。进气门52和排气门54的位置可由气门位置传感器55、57分别确定。在可选实施例中，一个或多个进气门和排气门由一个或多个凸轮驱动，可利用凸轮廓线变换(CPS)，可变凸轮正时(VCT)，可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个来改变气门操作。例如，汽缸30可选择地包括由电动气门驱动控制的进气门和由包括CPS和/或VCT的凸轮驱动控制的排气门。
在这个例子中，进气门52和排气门54可通过各自的凸轮驱动系统51、53由凸轮驱动来控制。凸轮驱动系统51、53可以包括一个或多个凸轮，且利用由控制器12操控的凸轮廓线变换(CPS)，可变凸轮正时(VCT)，可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个来改变气门操作。进气门52和排气门54的位置可由位置传感器55、57分别确定。在可选实施例中，进气门52和/或排气门54可由电动气门驱动控制。例如，汽缸30可选择地包括由电动气门驱动控制的进气门和由包括CPS和/或VCT系统的凸轮驱动控制的排气门。
燃料喷射器66如图所示设置在进气道44中，配置为提供将燃料喷射进入燃烧室30上游的进气道的所谓的进气道喷射。燃料喷射器66喷射与经电子驱动器68从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例的燃料。燃料通过包括燃料箱、燃料泵、燃料导管的燃料系统(图未示)供给到燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可选择地或者另外包括直接与燃烧室30相连的燃料喷射器，用于直接将燃料喷射到那里，采用所知的直接喷射方式。
燃料喷射器66如图所示直接与燃烧室30相连，用于将与经电子驱动器68从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例的燃料直接喷射到燃烧室中。以这样的方式，燃料喷射器66提供所谓燃料的直接喷射进入到燃烧室30内。燃料喷射器可以位于例如燃烧室的侧部或者燃烧室的顶部。燃料通过包括燃料箱、燃料泵、燃料导管的燃料系统(图未示)供给到燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可选择地或另外包括设置在进气道44中的燃料喷射器，燃料喷射器配置为提供将燃料喷射进入燃烧室30上游的进气道的所谓的进气道喷射。
进气歧管42包括带有节流板64的节气门62。在这个具体例子中，节流板64的位置由控制器12通过提供给与节气门62配套的电动机或驱动器的信号所改变，该配置通常称为电子节气门控制(ETC)。以此方式，操控节气门62以改变提供给燃烧室30及其他发动机汽缸的进气。节流板64的位置可以通过节气门位置信号TP提供给控制器12。进气歧管42包括质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122，用于分别向控制器12提供信号MAF、MAP。
点火系统88在选择的运行模式下，响应来自控制器12的火花提前信号SA，通过火花塞92向燃烧室30提供点火火花。虽然这里示出了火花点火组件，但在一些实施例中，燃烧室30或者发动机10的一个或多个其他燃烧室可以用压缩点火模式运行，点火火花可有可无。
排气传感器126如图所示连接到位于排放控制装置70上游的排气道48。排气传感器126可以是任何合适的用于提供排气空燃比指示的传感器，例如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)，双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。排放控制装置70如图所示沿位于排气传感器126下游的排气道48设置。排放控制装置70可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或者他们的组合。在一些实施例中，在发动机10的运行期间，通过在特定空燃比中运行发动机的至少一个汽缸来周期性地重置排放控制装置70。
图1中显示的作为微型计算机的控制器12包括微处理器单元102，输入/输出端口104，用于可执行程序和校准值的电子存储介质，在这个特定例子中表现为只读存储器芯片106，随机存取存储器108，保活存储器110以及数据总线。除了上面已经讨论的信号，控制器12接收来自连接到发动机10的传感器的各种信号，包括来自质量空气流量传感器120的吸入质量空气流量测量值(MAF)，来自连接到冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)，来自连接到曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型的传感器)的齿面点火传感器信号(PIP)，来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)，来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速信号RPM由控制器12从信号PIP产生。在一个例子中，作为发动机转速传感器的传感器118在曲轴每旋转一周时产生特定数量的等间距脉冲。
如上所述，图1仅描述了多汽缸发动机中的一个汽缸，每个汽缸类似地都包括自已的一组进气门/排气门，燃料喷射器，火花塞等。
图2是用于汽车的包括兰金循环系统202和液压储能系统204的组合系统200的示例实施例的示意图，该汽车包括如图1所描述的类似的发动机。例如，在某些实施例中，兰金循环系统可以与发动机集成，以使兰金循环系统的锅炉利用发动机排气系统的一部分。
再次参阅图2，在所描述的实施例中，兰金循环系统和液压储能系统的组合操作连接以驱动液压马达206。该示例中，液压马达适于驱动至少一个汽车组件，例如FEAD组件。虽然描述为驱动FEAD组件，应当理解，该系统也可配置为驱动汽车的任何适合的可驱动组件。
如上所述，传统的兰金循环系统包括：锅炉、汽轮机、冷凝器和泵。作为兰金循环系统的一个例子，诸如水这类工作介质经过管道系统流通到各组件，使得工作介质膨胀来驱动连接着的机械装置。例如，水可以通过泵提供给蒸发器或者锅炉来产生水蒸汽。水蒸汽通过汽轮机膨胀以产生动力输出，用于驱动所连接的机械装置或者向组件或系统提供电力。水蒸汽可以循环回冷凝器，在此，水蒸汽转换回水相。虽然上述系统用水作为工作介质，但也可以用其他合适的流体而不脱离本发明的范围。这里所描述的兰金循环系统被认为是流体机。
在图2的例子中，锅炉208可以是如图1所示的发动机的排气系统的排气歧管或其他组件。锅炉适于将诸如水这类工作介质加热为饱和蒸汽。过热蒸汽通过汽轮机210膨胀，以产生动力输出。汽轮机210可连接汽车交流发电机以产生供汽车使用的电力。在某些例子中，来自兰金循环系统的动力输出可以以流体动力输出的形式产生。该流体动力输出可以驱动液压泵和/或液压马达来驱动例如FEAD组件的汽车组件。
动力输出产生之后，工作介质(例如水蒸汽)导入冷凝器或热交换器212。冷凝器可以是系统所需要的任何适合的冷却器。冷凝器将水蒸汽冷却成流体的饱和液体。当泵214驱动工作介质(工作流体)从冷凝器212回到锅炉208时，该循环重复进行。泵214可以是任何适合的泵，包括电泵、机械泵等。
作为一个示例，锅炉部分可以是排气歧管中的腔体。所述腔体铸造在排气歧管中，使得流体可以流经该腔体。另外，在一些实施例中，一系列管子焊接到排气系统的一部分。管道配置为热量可从排气壁管提取，或在一些实施例中，热量也可以使用横流式热交换器提取。
汽轮机连接包括液压泵、压力调节器、控制阀和液压马达的液压系统。例如，汽轮机连接液压泵216，在稳态工况下提供液压动力来运行一个或多个汽车组件。例如，汽轮机操作连接到配置为驱动FEAD的液压泵。需要指出，箱或其他合适的存储装置都可在液压系统中提供。在一些实施例中，压力调节器调节液压系统中的压力。压力调节器连接控制器，根据发动机的工况和使用情况确保系统中压力合适。
如下具体所描述的，兰金循环系统202操作连接液压储能系统204。发动机运行在稳态工况期间，兰金循环系统提供动力输出驱动液压马达来驱动汽车组件。然而，依据发动机工况的检测，如果兰金循环系统的工作流体不处于工作温度，或者发动机关闭，则包括液压储能器218、止回阀220、控制阀222的液压储能系统将起动。在兰金循环系统的工作流体不处于工作温度的情况下，液压储能系统的起动包括释放存储的流体动力，使得液压储能器218产生动力驱动液压马达来驱动汽车组件。在发动机停掉的情况下，控制阀或类似装置重新引导从兰金循环系统产生的流体动力存储回液压储能器中。这样，组合系统就可以为下一次发动机起动工况做好准备。
图3是基于不同的发动机工况驱动FEAD组件的方法的一个实施例的流程图。虽然描述为驱动FEAD组件，但应当理解，该方法也可以用来驱动其他组件。如所描述的，如310处所示发动机起动。例程继续到320，此处将确定兰金循环系统的工作介质是否处于工作温度。
因此，如上所述，为了兰金循环系统的运行，锅炉必须充分加热工作介质从第一相到第二相，例如从液体到蒸汽。根据汽车的工况，在工作介质处于足够温度以从第一相转化为第二相之前会有一个延迟。例如，冷起动工况会导致兰金循环系统运行的延迟。
在一些实施例中，运用温度传感器或者温度估计来识别发动机的状态。这些温度传感器和/或温度估计可以用来确定兰金循环系统的工作介质的状态或者温度。图1中的控制器12接收来自传感器的信号来确定组合系统的运行。例如，温度传感器可以识别发动机是处于第一发动机状态还是第二发动机状态。第一发动机状态的识别可以在工作介质基本处于有效利用兰金循环系统的工作温度时发生。第二发动机状态的识别可以在工作介质没有处于有效利用兰金循环系统的工作温度时发生。因此，当温度传感器探测到冷发动机工况(例如冷起动工况)时，控制器会发出信号来控制液压储能系统的运行。
继续参阅图3，如果工作介质没有处于工作温度(如图中322处所示)，则例程继续到324，加热兰金循环系统的工作介质。在加热工作介质期间、之前或者之后，例程继续，通过液压储能器的操作运行液压系统。如前所述，液压储能器包括预存储的流体动力，可释放该动力来驱动液压马达。使用液压马达来驱动FEAD组件。因此，在工作介质没有基本处于工作温度的转换期间，流体会从液压储能器释放(步骤326)。该流体动力可用来驱动液压马达(步骤328)。这样，用于驱动FEAD组件的液压系统可以在兰金循环和/或发动机系统暖机时运行。
一旦工作介质基本处于工作温度(步骤332)，例程就继续，兰金循环系统提供能量以驱动液压系统。
图4是使用包括兰金循环系统和液压储能系统的组合系统以驱动FEAD组件的方法的流程图。程序开始于402，发动机运行在稳态以使发动机运行在阀值工作温度或之上。
在这样的稳态工况期间，兰金循环系统所产生的流体动力驱动液压系统，如404所示。如上所述，工作介质膨胀使得汽轮机驱动液压系统的液压泵。液压泵驱动液压马达来驱动FEAD组件。兰金循环系统驱动FEAD组件，继续稳态运行。
该方法继续到步骤406，关掉发动机。用户到达目的地停下汽车时，就会关掉发动机。发动机关闭视为第三发动机状态。此时，兰金循环系统仍处于工作温度，然而不再需要驱动FEAD组件的流体动力输出了。控制器检测到这一第三发动机状态，会发出信号改变流体动力的方向。例如，第三发动机状态的识别会导致控制阀或类似机械阀/电子-机械阀运行。从而，在这样的情况下，从兰金循环系统产生的流体动力重导入液压储能器(步骤408)。所述流体动力储存在该液压储能器中(步骤410)，为图3所表示的前述冷起动工况再次发生时使用。
本发明的权利要求特别指出了具有新颖性和非显而易见性的特定的组合和子组合。这些权利要求会提到“一个”元素或“第一”元素或者类似说法。这些权利要求应当理解为包括了一个或一个以上这样元素的组合，既非必须，也不排除两个或两个以上这样的元素。兰金循环系统与液压储能系统、方法、步骤、装置的其他组合和子组合，和/或其他特征、功能、元素，和/或特性可以通过修改现有权利要求被要求保护，或在本申请或者相关申请中提出新的权利要求。这些权利要求，不论在范围上比原始权利要求更宽、更窄、相同或者不同，也应当认为包含在了本发明的主题中。

Claims (21)

1.一种驱动至少一个汽车组件的方法，其特征在于，该方法包括：
在第一发动机状态期间从排气热回收系统中产生流体动力，以驱动所述至少一个汽车组件；
在第二发动机状态期间从液压储能系统中产生流体动力，以驱动所述至少一个汽车组件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排气热回收系统包括兰金循环系统，所述兰金循环系统包括锅炉、泵、汽轮机和冷凝器。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锅炉是汽车排气系统的一部分。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述锅炉是排气歧管或者在所述排气系统内。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一发动机状态是稳态发动机运行状态。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一发动机状态期间，所述排气热回收系统的工作介质基本上处于工作温度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二发动机状态是冷起动工况。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二发动机状态期间，所述排气热回收系统的工作介质没有处于工作温度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在第三发动机状态期间，将流体动力储存到所述液压储能系统中。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第三发动机状态是发动机关闭。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述排气热回收系统产生流体动力来储存到所述液压储能系统中。
12.一种用于汽车的组合系统，其特征在于，该系统包括：
兰金循环系统，适于当所述兰金循环系统处于工作温度时产生流体动力来驱动至少一个汽车组件；及
液压储能系统，适于当所述兰金循环系统未处于工作温度时产生流体动力来驱动所述至少一个汽车组件。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，在冷起动工况期间，所述兰金循环系统未处于工作温度。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述兰金循环系统操作连接到液压泵。
15.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述兰金循环系统适于产生流体动力来存储在所述液压储能系统中。
16.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述兰金循环系统包括锅炉，所述锅炉是汽车排气系统的一部分。
17.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述流体动力适于驱动操作连接到所述至少一个汽车组件的液压马达。
18.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述兰金循环系统操作连接到交流发电机以产生用于所述汽车的电力。
19.一种运行前端辅助驱动组件的方法，其特征在于，该方法包括：
在第一发动机状态期间，通过兰金循环系统产生动力输出；
在第一发动机状态期间，利用所述动力输出驱动操作连接到所述前端辅助驱动组件的液压马达；
将来自所述兰金循环系统的动力输出存储到液压储能系统中；及
在第二发动机状态期间，释放存储在所述液压储能系统中的所述动力输出来驱动操作连接到所述前端辅助驱动组件的液压马达。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述第一发动机状态期间，所述兰金循环系统的工作介质处于工作温度。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，在所述第二发动机状态期间，所述发动机处于冷起动工况。
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