CN102482987A - 带有提供流体控制并将流体能量转换为其他可用能量形式的移动流体膨胀器的流体流动控制系统 - Google Patents

Abstract

用于控制主流体到下游流动产生装置的流动的流体流动控制系统，包括带有可变膨胀比和可变速度的移动流体膨胀器，其布置成接收主流体流并使主流体膨胀，从而导致主流体的温度下降。系统还包括可选的热交换器，其布置成接收温度下降的主流体和温度较高的二级流体，并在主流体和二级流体之间产生可变程度的热交换，使得二级流体被主流体冷却。主流体从热交换器排出并被供应到流动产生装置。

Description

带有提供流体控制并将流体能量转换为其他可用能量形式的移动流体膨胀器的流体流动控制系统

背景技术

本申请主要涉及流体流动控制。具体来说，本申请涉及的应用是使用节流装置来降低移动流体的流速，目的是实现某种功能，比如在火花点火的内燃机中空气/燃料比控制。

传统上，很多不同类型的流动控制应用中对于流体流动的控制都是通过使用节流阀实现的。节流阀从本质来讲是有适当形状的元件，其放置在流动通道内，目的是调整有效流动面积，以满足实现功能性目的所需的流动要求。比如，节流阀传统上在汽车应用中作为流动控制设备使用。节流阀的一些普通应用包括：汽油发动机中的气流控制，其同样也起到控制发动机功率的作用；废气再循环控制；使用气动调速器的柴油发动机的气流控制等。在传统的节流阀中，流体流动是通过调节节流阀的位置来加以变化的，调节方法是通过根据要求减少或增加有效流动面积。但是，由于其设计，传统节流阀导致了流体流中的大幅压力下降，并且在产生流体流动时大量能量通过客服由节流阀引入的压力限制而浪费。

因此，虽然节流阀实现了期望的流动控制目的，但是为了产生流体流动，节流阀下游的抽吸装置消耗了大量的能量。产生装置如此消耗的能量则必然以热量、振动以及噪音的形式被损耗掉。这种能量损耗在流体流速很高的情况下尤为突出，比如发动机高转速下的空气进气，并且这在流量降低程度要求较高的情况下更加恶化，比如在部分负荷运行中。

发明内容

根据本申请，传统节流阀在降低流体流速方面的缺点至少有部分通过使用具有可变膨胀比并且优选地可用于速度控制的移动流体膨胀器得以克服。移动流体膨胀器代替了传统的节流阀。术语“移动流体膨胀器”包括任何符合以下描述的任何装置，该装置带有元件，该元件被流体移动从而流体在该元件上做功，从而导致流体的膨胀。额外的流动控制可以在移动流体膨胀器中通过控制膨胀器的运转速度来实现。可以使用不同的膨胀器构造，包括但不限于旋转式以及往复式移动流体膨胀器。移动流体膨胀器在实现流动控制装置功能的同时还将流体流量流的动能、压力、和/或热能转换为其他可用形式的能量。此处所描述之系统可以普遍代替任何流动限制装置，此时有机会回收在节流过程中所损耗的能量的大部分。

在一个实施例中，用以控制主流体至下游流动产生装置的流动的流体流动控制系统包括具有可变膨胀比和速度控制的移动流体膨胀器，其布置成接收主流体流并使主流体膨胀，从而实现期望的流速，同时使得主流体温度降低。移动流体膨胀器是可控的，用以改变运转速度以及施加给主流体的膨胀比。系统还包括可选的热交换器，其布置成用以接收温度降低的主流体以及温度较高的二级流体，并在初级和二级流体之间进行期望程度的热交换，使得初级流体为二级流体进行冷却，热交换器带有出口，主流体可以通过其排放，从而供应给流动产生装置。

在某些实施例中，系统的主要功能可能是流动控制，而在另一些实施例中，主要功能还可能是降温，并且在某些其它实施例中有可能在不同程度上使用流动控制以及降温的组合，以实现系统预期的功能。

移动流体膨胀器还可任选地驱动一个或更多附属装置，其非限定性示例为发电机。

在某些实施例中，移动流体膨胀器包括旋转式膨胀器，如可变膨胀比涡轮，其中膨胀比的变化是通过适当调整流动面积、气流速度以及流体在涡轮叶片上的入射角来实现的。比如，旋转式膨胀器可以包括可变喷嘴涡轮（VNT）或带有可滑动活塞或套管用以调整通向移动流体膨胀器的涡轮叶轮的流动面积的涡轮。移动流体膨胀器的速度可以进行调节以获得最佳功能，这通过使用被驱动（附属）装置对膨胀器的输出轴适当地加载来实现。

在某些实施例中，移动流体膨胀器包括往复式膨胀器，如斜盘式活塞系统，其中膨胀比的变化是通过改变活塞行程来实现的。额外的流动控制可以通过改变移动流体膨胀器的运转速度来实现。比如，往复式膨胀器可以包括改变活塞行程的系统，其目的是控制下游压力并由此控制流速。 

在其他实施例中，移动流体膨胀器可以使用一个或多个带凸角的旋转式活塞，如在Wankel发动机中使用的那样，以获得相似的功能。

移动流体膨胀器通过提供相同的流动控制功能而取代了传统的节流阀。这是通过调整移动流体膨胀器内主流体的膨胀程度（如通过在涡轮中调整可变喷嘴或活塞）以及调整移动流体膨胀器的运转速度来实现的，从而获得从移动流体膨胀器内排出的流体期望压力和温度，进而获得所需密度，从而提供主流体的期望质量流速。膨胀的主流体在涡轮上或移动流体膨胀器的其他移动元件上做功并产生机械功率。另外，主流体的膨胀还导致了主流体温度的降低。

流体流动控制系统能够与不同类型的下游流动产生装置共同使用。在某些实施例中，流动产生装置是内燃机。主流体包括空气并且被供应到内燃机的进气口。

内燃机可以作为配有客舱的车辆的一部分。在这种情况下，热交换器可以布置成接收来自客舱的较热的空气作为二级流体并且冷却该空气并将空气返回客舱。

在其他情况下，热交换器可以布置成接收来自子系统的二级流体，并冷却二级流体并将二级流体返回子系统。热交换器以及子系统可以形成二级流体的闭合流体回路。

在某些实施例中，系统可进一步包括与移动流体膨胀器相连接的发电机，其由移动流体膨胀器驱动而产生电流。系统还可包括电能存储装置以及与其相连的充电装置，充电装置布置成接收发电机产生的电流并对电能存储装置进行充电。

在一般实施例中，系统可进一步包括一个或多个与移动流体膨胀器相连接的附属装置，其由移动流体膨胀器驱动而实现预期功能。 

附图说明

因此在用上位概念描述了本发明之后，现在对附图将进行参考，附图不一定是按比例绘制的，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的流体流动控制系统的示意描述；

图2是根据本发明另一个实施例的流体流动控制系统的示意描述；且

图3是根据本发明的另外一个实施例的流体流动控制系统的示意描述。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明进行更为详尽的描述，附图展示了本发明的部分但不是全部实施例。实际上，这些发明可以以多种不同形式加以实施，不应理解为受限于文中所述实施例；相反，这些实施例的提供以使本发明满足可应用的法律要求。在本文中相同部件使用相同的标号。

图1描述的是根据本发明的一个实施例的流体流动控制系统。系统包括移动流体膨胀器10，其通过导管12接收主流体流，使主流体膨胀，并通过导管14将膨胀后的流体排出。附图示出的实施例中的移动流体膨胀器10包括可变膨胀比涡轮，其带有可旋转轴16。可变膨胀比涡轮包括可变几何形状机械装置（如可变涡轮喷嘴或滑动活塞，未展示），其位置可以通过致动器构件18进行调节，致动器构件通过合适的致动器装置（未展示）进行移动。流体流动控制系统进一步包括热交换器20，其从导管14接收膨胀后的主流体。热交换器的构造还用来通过进口导管22接收二级流体，并在主流体和二级流体间进行热交换，并通过出口导管24排出二级流体。主流体通过导管26由热交换器排出，供给下游流动产生装置30。 

在一个实施例中，如果决定导管14下游的应用在功能上得益于膨胀器所产生的冷却效应，则可以省略热交换器20。在另一个实施例中，可以规定动态地改变与移动通过导管14的流体的热交换的程度，以在导管14下游的系统和/或在二级流体流动系统中产生令人满意的功能。

由移动流体膨胀器10产生的主流体的膨胀导致主流体温度的下降。降温的程度取决于膨胀器两边压力的下降；通常来讲，膨胀器两边较大的压力下降会导致较大的温度下降。降温后的主流体通过导管14进入热交换器，与通过进口导管22进入热交换器的二级流体相比温度较低。因此，热交换器使得二级流体通过主流体得以冷却。

移动流体膨胀器10内部的可变几何形状机械装置通过使用致动器构件18进行调节，以产生通过膨胀器的期望流速。这也帮助将入流的流体最佳地引导至旋转的叶片上，以获得最大的能量提取，而损失最小。

移动流体膨胀器10的速度可以通过调整由与膨胀器相连的被驱动装置40施加的负载而进行调整，以最大化能量提取同时获得预期的流动及压力下降。

图1的流体流动控制系统可以用来调整流向各种不同类型的流动产生装置30的流动。 

本发明的一个能获得显著益处的特定应用是内燃机中的节流阀。在一台典型的内燃机中，大气中的空气通过空气滤清器进入并流过节流阀。根据发动机功率要求，通过诸如蝶形阀的装置对节流阀进行调整，以减少可用流动面积并获得期望空气流速。空气以较低的流速被吸入发动机内。这种布置有一个严重的限制就是在节气门中对气流进行节流的过程中会有相当大的能量损耗，并且这种能量损耗总是在发动机以需要较大程度节流的高转速、低负荷状态运转时更为显著。这是因为固定的发动机排量通常不能够被改变以根据负荷状况来改变气流。

参照图2，结合内燃机30展示了根据本发明另一个实施例的流体流动控制系统。系统包括移动流体膨胀器10，其通过导管12接收主流体流（即，空气或空气或燃料混合物），使主流体膨胀，并通过导管14将膨胀后的流体排出。空气在供给移动流体膨胀器10之前首先通过空气滤清器11。附图实施例中的移动流体膨胀器10包括可变膨胀比涡轮。可变膨胀比涡轮包括可变几何形状机械装置（如可变涡轮喷嘴或滑动活塞，未展示），其位置可以通过致动器构件18进行调节，致动器构件通过合适的致动器装置（未展示）进行移动。流体流动控制系统进一步包括热交换器20，其从导管14接收膨胀后的主流体。热交换器构造成还用来通过进口导管22接收二级流体，并在主流体和二级流体间进行热交换，并通过出口导管24排出二级流体。主流体通过导管26由热交换器排出，供给发动机30的进气歧管32。发动机的废气从发动机的排气歧管34通过排气系统36排出。

移动流体膨胀器的致动器构件18根据需要进行调节，以优化引入到移动流体膨胀器涡轮的气流，进而优化能量提取。如此提取的机械能通过涡轮轴供给发电机40，其将来自涡轮轴的机械能转换为电流。如有需要，膨胀器的速度可以通过改变由被驱动装置40施加的负荷进行调整，以获得最大的能量提取。由发电机40所产生的电流传至逆变器/整流器充电和控制系统42，再至适当的电存储装置44，其既可以是已有装置，也可以是为本发明的应用所定制的。

更普遍的来讲，代替发电机40或在发电机40之外，移动流体膨胀器40还可驱动一个或多个其他附属装置。移动流体膨胀器可以通过之间的机械连接直接驱动每一个附属装置，或通过气动装置、液压装置、电力装置或者磁力装置间接地驱动每一个附属装置。

穿过移动流体膨胀器10的热力学膨胀过程从入流空气移除了热量，因此离开膨胀器的空气温度比入口空气温度低很多。为了满足发动机30对温度的要求，离开的空气被引导通过可选的热交换器20，在那里该空气从需要被冷却的任何流体获得预定程度的热量。在图2所示实施例中，来自车辆客舱28的热空气被循环通过热交换器20并与来自移动流体膨胀器10的空气进行热交换。客舱空气的流体循环通常是一个开路，其中新鲜空气源源不断地向客舱供应，一部分空气被排放到周围环境中去，如图中箭头所示进入或排除客舱28。

注意，如果决定导管14下游的应用在功能上得益于膨胀器所产生的冷却效应，则可以省略热交换器20。在另一个实施例中，可以规定动态地改变从移动通过导管14的流体的热交换的程度，以实现在导管14下游的系统的令人满意的功能。

由来自根据本发明的移动流体膨胀器的降温主流体所提供的冷却效应不仅限于为客舱进行空气调节，而且还可以用来满足任何冷却需求。比如，如图3所示，基本上如在图2进行描述的系统被示出为与子系统50联合使用，子系统使用二级流体。如有需要，热交换器20、导管22和24、以及子系统50可以形成二级流体的闭合流体回路。发动机入口空气温度可以根据发动机需求进行调节，通过适当地调节热交换器20中的主流体与二级流体之间的热交换完成调节。

本发明的实施例可用于回收机械能以及来自流体流动控制过程的冷却潜能。这两者皆取决于通过膨胀器的流速以及膨胀器所造成的膨胀程度。在某些应用中，流体的冷却效应可以通过使用外部流体进行可变地恢复，或传递至流动产生系统以获得预期功能益处。因此，诸如加工工厂之类的大型设施通过应用本发明的这两个方面很可能大幅受益。

当本发明的流体流动控制系统同内燃机一起使用的时候，与典型的城市行驶循环相比，行驶循环测量结果示出了约5％的实现燃料经济性益处的潜能。当系统在发动机不得不频繁在需要合理流体流动和进气流体的显著节流的高转速、低负荷状况下运转的工况下被应用时，能量恢复益处会更高。

根据本发明，移动流体膨胀器所产生的能量可以在其产生之后立即就被使用（比如立即驱动另一个装置），或产生的能量可以以适合的转换形式进行存储以备随后的使用。而且，所产生的能量既可以持续使用又可以间歇使用。

本领域技术人员在接受了前述描述和附图中所展现的益处之后，容易想到本文所述本发明的许多变型以及其他实施例。因此，应当理解，这些发明不限于说明书中特定的实施例，且变型及其他实施例也被包括在所附权利要求书的范围内。尽管此处使用了具体术语，但是它们只是在通常含义和叙述性意义下被使用，并不起到限制作用。

Claims (21)

1.一种用于控制主流体到下游流动产生装置的流动的流体流动控制系统，包括：

具有可变膨胀比的移动流体膨胀器，其被布置成接收主流体流并使主流体膨胀，从而产生主流体的温度降低，移动流体膨胀器可控以改变流速以及施加给主流体的膨胀比；以及

热交换器，其布置成用以接收温度降低的主流体以及温度较高的二级流体，并在主流体和二级流体之间进行热交换，使得主流体对二级流体进行冷却，热交换器带有出口，主流体可以通过其排放以供应给流动产生装置。

2.根据权利要求1所述的流体流动控制系统，其中移动流体膨胀器在其运转速度方面是可控的。

3.根据权利要求1所述的流体流动控制系统，其中移动流体膨胀器可操作以使得主流体膨胀至预设压力并将预设流速施加至主流体。

4.根据权利要求1所述的流体流动控制系统，其中热交换器在主流体和二级流体之间的热交换程度方面是可控的。

5.根据权利要求1所述的流体流动控制系统，其中移动流体膨胀器包括可变膨胀比涡轮。

6.根据权利要求1所述的流体流动控制系统，与内燃机组合地布置成接收来自热交换器出口的主流体，其中主流体包括空气并被供给到内燃机的进气口。

7.根据权利要求6所述的与内燃机组合的流体流动控制系统，其中内燃机是带有客舱的车辆的一部分，且热交换器布置成接收作为二级流体的来自客舱的相对来说的热空气并对该空气进行不同程度的冷却并将该空气返回到客舱。

8.根据权利要求6所述的与内燃机组合的流体流动控制系统，其中热交换器布置成接收来自子系统的二级流体并冷却该二级流体，并且将该二级流体返回到子系统。

9.根据权利要求6所述的与内燃机组合的流体流动控制系统，进一步包括与移动流体膨胀器相连接的发电机，其由移动流体膨胀器驱动而产生电流。

10.根据权利要求9所述的与内燃机组合的流体流动控制系统，进一步包括电能存储装置以及与其相连的充电装置，充电装置布置成接收发电机产生的电流并对电能存储装置进行充电。

11.一种控制可膨胀主流体到流动产生装置的流动的方法，包括以下步骤：

在移动流体膨胀器中使主流体膨胀，该移动流体膨胀器从主流体中提取机械能并使主流体的温度下降；

使温度降低后的主流体经历与温度较高的二级流体的热交换，使得二级流体被主流体冷却；并且

将来自热交换器的主流体供应到下游流动产生装置。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括调节主流体和二级流体之间的热交换进而控制供应至流动产生装置的主流体的温度的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中流动产生装置包括带有进气歧管的内燃机，并且主流体包括空气，并且其中供应步骤包括将主流体供应至进气歧管。

14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括控制主流体在移动流体膨胀器中被膨胀程度的步骤。

15.根据权利要求12所述的方法，其中二级流体包括来自车辆客舱的空气，并且进一步包括将由主流体进行冷却的二级流体供应回客舱的步骤。

16.根据权利要求12所述的方法，其中二级流体在开放流体回路中流动。

17.根据权利要求12所述的方法，其中二级流体在闭合流体回路中流动。

18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括使用移动流体膨胀器驱动一个或多个附属装置的步骤。

19.根据权利要求18所述的方法，其中一个或多个附属装置包括产生电流的发电机，以及进一步包括使用来自发电机的电流对电存储装置进行充电的步骤。

20.根据权利要求18所述的方法，其中一个或多个附属装置由膨胀器通过之间的机械连接直接驱动。

21.根据权利要求18所述的方法，其中一个或多个附属装置被间接驱动。

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