CN103380285A

CN103380285A - 用于在车辆中将热能转换为机械能的系统

Info

Publication number: CN103380285A
Application number: CN2012800094633A
Authority: CN
Inventors: Z·卡多斯; D·雅恩斯
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: EP2678548B1; WO2012115572A1; JP2014509367A; KR20130131446A; RU2561814C2; BR112013017886A2; CN103380285B; EP2678548A1; SE535316C2; RU2013143299A; SE1150169A1; EP2678548A4; KR101508327B1; US20130312418A1

Abstract

本发明涉及一种用于在车辆中将热能转换为机械能的系统。该系统包括：管路回路（35）；泵（36），其用于使媒介在所述管路回路中循环；至少一个蒸发器（31、32、38），在所述至少一个蒸发器中使媒介从热源（4、28）吸收热能，从而使媒介气化；涡轮机（39），其适于被气化的媒介驱动，以便产生机械能；以及冷凝器设备（24、42），在所述冷凝器设备中使媒介放出热量从而使媒介冷凝。所述冷凝器设备包括：第一冷凝器（24），在所述第一冷凝器中媒介将热量向在所述冷却循环回路中循环的冷却剂放出；和第二冷凝器（42），其相对于媒介在管路回路（35）中的流动方向定位在第一冷凝器（24）的下游，媒介在所述第二冷凝器中将热量向处于周围环境温度下的空气中放出。

Description

用于在车辆中将热能转换为机械能的系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于在车辆中将热能转换为机械能的系统。

背景技术

当燃料在内燃机中燃烧时，化学能被转换为机械能。化学能中的相当一部分没有被转换为机械能，而是被转换为以多种方式释放到周围环境中的热能。这其中的一个示例是排放到周围空气中的废气中的热能。另一个示例是从车辆中的多种热介质中冷却掉的热能。这种热介质的示例是将内燃机冷却的冷却系统中的冷却剂。在此，冷却剂通常在位于车辆前部的散热器中被冷却。许多内燃机是增压式的。增压空气在被导入发动机之前，通常在至少一个增压空气冷却器中被冷却。用于降低氮氧化物排放的已知惯例是将废气的一部分再循环。再循环的废气在它们再循环至发动机之前，在至少一个EGR冷却器中被冷却。

WHR（废热回收）系统用于将热能转换为机械能。WHR系统包括具有泵的回路，所述泵使媒介在管线回路中循环。管线回路包括蒸发器和涡轮，媒介在所述蒸发器中由来自热源的热量气化，所述涡轮由被气化的媒介驱动。当媒介膨胀遍及涡轮时，媒介的热能的一部分被转换为机械能，所述机械能可用于直接操作或被转换为电能。媒介在冷凝器中冷凝。媒介在冷凝器中被冷却至低温是重要的，因为这有益于WHR系统的效率。

媒介还可在车辆前部处的空气冷却式冷凝器中被冷却。在该位置处，处于周围环境温度下的冷空气流流经冷凝器。因此，循环媒介可被冷却至与周围环境温度接近的温度。循环媒介在这种冷凝器中所经历的冷却与周围环境空气的温度紧密相关，也与其他参数、例如空气湿度以及冷却空气经过增压空气冷却器的流速紧密相关。由于这些参数中的大部分取决于周围环境空气的状态，因此难以调节空气冷却式冷凝器中的冷却以使媒介被冷却至期望的温度。

发明内容

本发明的目的是提出一种系统，其能够以有效的方式将热能转换为机械能，同时冷凝器设备能够被调节并在车辆中占据相对少量的空间。

该目的由引言中提及的类型的设备实现，该设备的特征由权利要求1特征部分中所表明的特性体现。空气冷却式冷凝器的一个优点是，媒介能够被冷却至与周围环境温度接近的温度。将媒介冷却至尽可能低温对WHR系统的效率是有益的。空气冷却式冷凝器的一个缺点是难以调节媒介的冷却，因为周围环境空气的温度和湿度可能变化。空气冷却式冷凝器的另一个缺点是，其需要在车辆的前表面处的相对较大的装配空间，以使其能够由周围环境空气为媒介提供必要的冷却。借助于冷却剂冷却式冷凝器冷却WHR系统中的媒介所经受的不利影响是：媒介不能被冷却至与在空气冷却式冷凝器中冷却相比同样低的温度。冷却剂冷却式冷凝器的一个优点是，可由相对较简单的装置来调节冷却剂经过冷凝器的温度和流动。因此，能够调节媒介的冷却。冷却剂冷却式冷凝器的另一个优点是，其能够被制成明显小于容量相似的空气冷却式冷凝器。冷却剂冷却式冷凝器还可基本上定位在车辆中的任意处。

本发明使用这样一种冷凝器设备，其中，媒介首先在冷却剂冷却式冷凝器中被冷却，然后在空气冷却式冷凝器中被冷却。冷却剂冷却式冷凝器和空气冷却式冷凝器以那样的顺序串联定位，使得该冷凝器设备基本上可具有相应类型的冷凝器的所有上述积极特征。由于媒介在冷却剂冷却式冷凝器中经历第一步冷却，因此下游的空气冷却式冷凝器可被制得明显较小，并在车辆的前部处占据较少的空间。在已经在冷却剂冷却式冷凝器中被冷却至低温之后，媒介在下游的空气冷却式冷凝器中能够被冷却至与周围环境温度接近的温度。调节冷却剂经过冷却剂冷却式冷凝器的温度和流动的可能性意味着能够调节整个冷凝器设备。

根据本发明的一个实施例，车辆由内燃机提供动力，所述内燃机由在冷却系统中循环的冷却剂冷却，且在该冷却循环回路中冷却第一冷凝器中冷却媒介的冷却剂的温度将低于在发动机的冷却系统中循环的冷却剂的温度。使用用于冷却发动机的冷却系统中的相对较热的冷却剂来在第一蒸发器中冷却媒介是可行的，但不是特别有效。因此合适的是使用较低温度的冷却剂。如果媒介在第一冷却剂冷却式冷凝器中被冷却至低温，那么第二空气冷却式冷凝器就不必具有特别高的容量，因而可占据少量空间。

根据本发明的一个优选的实施例，所述冷却循环回路构成与用于冷却发动机的冷却系统相独立的冷却系统。独立的冷却系统是指，其冷却剂和构件独立于发动机的冷却系统。替代性地，所述冷却循环回路可形成用于冷却发动机的冷却系统的一部分，且该冷却循环回路中的冷却剂处于与发动机的主要部分相比明显更低的温度。所述冷却循环回路有益地包括空气冷却式冷却器，在该空气冷却式冷却器中，循环冷却剂至少部分地由周围环境温度下的空气来冷却。因此，该冷却循环回路中的冷却剂在被用于冷却第一冷凝器中的媒介之前，可处于非常低的温度下。所述冷却循环回路不仅有益地包括第一冷凝器，而且还有益地包括用于冷却另外的媒介至少一个冷却器。在车辆中需要将多个部件冷却至与能够由车辆的燃烧系统中的冷却剂实现的温度相比更低的温度。这样的组成可以是AC装置中的制冷剂、齿轮箱油和电气控制单元。

根据本发明的一个优选的实施例，该系统包括用于调节媒介在第一冷凝器中的冷却的装置。通过调节冷却剂经过第一冷凝器的流动和温度，能够以令人满意的方式调节冷凝器设备的冷却。空气冷却式冷凝器中的冷却很大程度上取决于经过冷凝器的周围环境空气的温度、湿度和流速。基于与这些参数有关的信息，空气冷却式冷凝器中的冷却能够被估算，但不能被控制。在冷却剂冷却式冷凝器中冷却媒介的冷却剂的流动和温度都能够被调节。所述流动可由控制冷却剂泵来调节，所述冷却剂泵使冷却剂在冷却循环回路中循环。冷却剂的温度可由启动加温单元等将热能供送至冷却循环回路来升高，且可由断开由在冷却循环回路中循环的冷却剂冷却的其他组成来降低。

根据本发明的一个优选的实施例，使媒介在蒸发器中从废气中吸收热量，所述废气在排出管路中从发动机引导出来。来自内燃机的废气是具有高温的很好的热源。该热能通常散失到周围环境中。替代性地或组合地，还可使媒介在蒸发器中从废气中吸收热量，所述废气在回流管路中再循环至发动机。再循环废气在被引导至发动机之前，通常在至少一个EGR冷却器中被冷却。在这种情况下，再循环废气提供了有效的冷却，同时它们中的部分热能被转换为机械能。

根据本发明的一个实施例，所述车辆设有适于由排出管路中的废气驱动的涡轮机，所述系统包括：在涡轮机的下游位置处从排出管路中的废气中吸收热能的至少一个蒸发器，和在在涡轮机的上游位置处从被引导至回流管路中的再循环废气中吸收热量的至少一个蒸发器。在这种情况下，媒介首先由在涡轮机上游的排出管路中的温度较低的废气加温，然后由在回流管路中的更高温度下的再循环废气加温。媒介在这种情况下可被加温至高温，从而导致在涡轮机中的机械能的良好产出。所述系统可包括在回流管路中串联布置的两个蒸发器。由于废气在回流管路中处于相当高的温度下，因此在很多情况下都可适合使废气经历两步冷却，以便从废气中利用尽可能多的热能，同时再循环废气提供到低温的冷却。在排出管路中和用于废气再循环的管路中都具有蒸发器使得发动机的废气中的相当大部分的热能被用于在涡轮机中产生机械能。

附图说明

下面参照附图通过示例来描述本发明的一个优选的实施例，在附图中：

图l示出了一种用于在车辆中将热能转换为机械能的设备。

具体实施方式

图1示出了由增压式内燃机2提供动力的车辆1。车辆1可以是由增压式柴油发动机提供动力的重型车辆。来自发动机2的汽缸的废气经由排出歧管3被引导至排出管路4。排出管路4中的将处于高于大气压力下的废气被引导至涡轮单元的涡轮机5。因此，涡轮机5被提供有驱动力，所述驱动力经由连接部传递至压缩机6。压缩机6于是压缩经由过滤器7被引导至输入管路8中的空气。增压空气冷却器9设置在输入管路8中。增压空气冷却器9定位于车辆1的前部处的区域中。增压空气冷却器9的目的是冷却被引导至发动机2的压缩空气。压缩空气在增压空气冷却器9中由空气冷却，所述空气由散热器风扇10和车辆的向前移动所引起的气流推动经过所述增压空气冷却器9。散热器风扇10经由合适的连接部由发动机2驱动。

发动机2由在冷却系统中循环的冷却剂来冷却。由冷却剂泵11使冷却剂在冷却系统中循环。所述冷却系统包括恒温器12。冷却剂在冷却系统中由靠近散热器风扇10装配的散热器13来冷却。散热器13相对于该区域中冷却空气流的方向定位在增压空气冷却器9的下游。所述冷却系统包括管路14，所述管路14将冷却剂从散热器13引导至发动机2。冷却剂泵11定位于管路15中。所述冷却系统包括管路16和管路17，所述管路16将冷却剂从发动机2引导至恒温器12，所述管路17将冷却剂从恒温器12引导至第一冷却剂冷却式冷凝器13。在冷却剂温度低于期望的操作温度时，恒温器12导引冷却剂从管路16经由管路14、15至发动机2。在冷却剂温度高于期望的操作温度时，恒温器12导引冷却剂从管路16经由管路17至散热器13。

车辆1具有带有循环冷却剂的低温冷却循环回路，所述循环冷却剂的温度明显低于发动机的冷却系统中的冷却剂的温度。冷却剂借助于冷却剂泵18在低温冷却循环回路中循环。低温冷却循环回路中的冷却剂适于在散热器19中冷却，所述散热器19装配在车辆的前部处的区域中。散热器19相对于该区域中冷却空气流的方向定位在增压空气冷却器9上游。低温冷却循环回路包括管路20，所述管路20从散热器19引导冷的冷却剂。管路20然后分成四个并联管路。第一并联管路包括呈冷凝器21形式的冷却器以冷却车辆的AC（空调）单元中的制冷剂。第二并联管路包括油冷却器22以冷却车辆的齿轮箱油。第三并联管路包括冷却器23以冷却车辆的至少一个电气控制单元。第四并联管路包括WHR系统中的冷凝器24。此处，在低温冷却循环回路中的冷却剂冷却在WHR系统中循环的媒介。媒介在冷凝器24中被冷却至其冷凝温度。所述四个并联管路在共同管路25中连通起来，所述共同管路引导冷却剂回到散热器19。低温冷却循环回路包括控制单元26，所述控制单元能够调节冷却剂泵18的操作，从而调节冷却剂经过低温冷却循环回路的流动。控制单元26必要时还可启动加温单元27，以便在冷却剂温度过低时使冷却剂升温。加温单元27可以是电气单元或热交换器，其中，在低温冷却循环回路中的冷却剂通过来自发动机冷却系统的暖的冷却剂升温。如果需要使低温冷却循环回路中的冷却剂的温度降低，控制单元26能够借助于在相应并联管路中的未示出的阀来关断经过一个或多个互相并联的冷却器21-24的冷却剂流。因此，控制单元26能够调节在低温冷却循环回路中循环的冷却剂的流动和温度。为此，控制单元26可以是设有合适的软件的计算机单元。

内燃机2设有用于将废气再循环的、被称为EGR（废气再循环）的系统。这种再循环涉及将与压缩空气混合的废气引导至发动机汽缸。这导致较低的燃烧温度和废气中氮氧化物NO_x的较低含量。来自排出管路4的废气中的一部分再循环经过回流管路28。回流管路28包括EGR阀29，回流管路28中的废气流能够由所述EGR阀调节，以便控制再循环的废气的量。控制单元30适于基于与发动机当前操作状态有关的信息来控制EGR阀29。为此，控制单元30可以是设有用于此目的的合适的软件的计算机单元。回流管路28包括：第一EGR冷却器31，再循环废气在其中经历第一步冷却；和第二EGR冷却器32，再循环废气在其中经历第二步冷却。在所述EGR冷却器31、32中被冷却之后，再循环废气例如经由混合装置33与输入管路8中的压缩空气混合。然后，压缩空气与再循环废气的混合物经由歧管34被引导至发动机的相应汽缸。

车辆1配备有用于将从内燃机2引导出来的废气中的热能转换为机械能的WHR系统。该系统包括具有泵36的管路回路35，所述泵36适于使媒介在管路回路35增压和循环。媒介起初通过泵36被引导至热交换器37，媒介在所述热交换器中经历一定的加温，所述热交换器可以是同流换热器。媒介从热交换器37被引导至蒸发器32，所述蒸发器32在这种情况下采用第二EGR冷却器的形式，媒介在所述第二EGR冷却器中由再循环废气加温。媒介混合物同时被引导至采用热交换器形式的蒸发器38，媒介在所述热交换器中在涡轮机5的下游位置处由废气管路4中的废气加温。然后，管路回路35结合在一起，使得来自蒸发器32、38的媒介共同地被引导至呈第一EGR冷却器形式的另一个蒸发器31，媒介在所述另一个蒸发器中经历进一步的加温。当离开蒸发器31时，媒介完全地气化并被额外地加热。离开第一EGR冷却器31的气态媒介被引导至涡轮机39。媒介膨胀经过涡轮机39，将媒介混合物中的部分热能转换为机械能。在这种情况下，涡轮机39驱动将机械能转换为电能的发电机40。电能储存在能量储存装置41中。储存在能量储存装置41中的电能可有益地用于推动车辆或操作其部件。替代性地，涡轮机39可连接至能够与车辆传动系连接的飞轮或类似的机械能储存单元。当飞轮连接至传动系时，车辆被提供有额外的推动力。

当气态媒介已经在涡轮机39中膨胀时，该媒介将处于更低的压力和更低的温度下。气态媒介从涡轮机39被引导至热交换器37，媒介在所述热交换器中由来自泵36的液态媒介冷却。然后，气态媒介被引导至第一冷凝器24，媒介在所述第一冷凝器中由低温冷却循环回路中的冷却剂冷却。然后，媒介被引导至第二冷凝器42，所述第二冷凝器相对于媒介在管路回路35中的流动方向定位在第一冷凝器24的下游。第二冷凝器42在车辆1的前部处定位于部分地在冷却剂冷却式第二冷凝器19前方的位置处。媒介在第二冷凝器42中由处于周围环境温度下的空气冷却。周围环境空气通过空气风扇10和由车辆的向前移动所引起的气流而被牵引经过第二冷凝器42。当气态媒介在第一冷凝器24和第二冷凝器42中被冷却时，其转变为液态。因此，当媒介离开第二冷凝器42时，其可被冷却至与周围环境温度接近的温度。此时液态媒介从第二冷凝器42被引导至泵36。

在这种情况下，使用了包括第一冷却剂冷却式冷凝器24和第二空气冷却式冷凝器42的冷凝器设备。通常被额外加热的气态媒介在第一冷却剂冷却式冷凝器24中被冷却至媒介的冷凝温度。因此，媒介在第一冷却剂冷却式冷凝器24中开始冷凝。然后，媒介被引导至第二空气冷却式冷凝器42，气态媒介的其余部分在所述第二空气冷却式冷凝器42中冷凝。然后，第二空气冷却式冷凝器42中的液态媒介被额外冷却至与周围环境温度接近的温度。由于媒介在第一冷却剂冷却式冷凝器24中已经经历良好的第一步冷却，因此媒介可借助于相对较小的第二空气冷却式冷凝器42经过第二步冷却至与周围环境温度接近的温度，所述第二空气冷却式冷凝器由此可在车辆的前部处占据相对少量空间。

因此在这种情况下，低温冷却循环回路中的冷却剂的流动和温度可借助于控制单元26来控制。因此，控制单元26能够控制媒介在第一冷却剂冷却式冷凝器24中的冷却。基于例如已知周围环境空气的温度和湿度以及冷却空气流经空气冷却式冷凝器42的速度，控制单元26能够估算媒介在空气冷却式冷凝器42中的冷却程度。该信息使控制单元26例如能够调节低温冷却循环回路中的冷却剂泵18的操作，使得媒介在第一冷凝器24和第二冷凝器42中完全经历期望的冷却。因此，冷凝器设备使得调节媒介在冷凝器设备中的冷却成为可能，这在空气冷却式冷凝器中是不可能的。

在空气冷却式冷凝器42在车辆的前部处占据相对少量空间的情况下，低温冷却循环回路中的冷却剂也能够部分地由处于周围环境温度下的空气来冷却。这使得在冷却剂离开散热器19时，低温冷却循环回路可以处于低温下。因此，媒介在第一冷凝器24中和互相并联的冷却器21、23中的冷却变得有效。

在这种情况下，热能从发动机的废气中被吸收。来自内燃机的废气是从中重新获得热能的很好的热源。如果发动机2是柴油发动机，那么当发动机2处在高负载下时，废气在涡轮单元的涡轮机5的上游可处于大约600-700℃的温度下。因此，回流管路28中的再循环废气起初可能处于该温度下。废气的温度在涡轮机5下游可以是约200-300℃。在这种情况下，媒介起初在两个互相并联的蒸发器32、38中被加温。在蒸发器38中，媒介由已膨胀经过涡轮机的废气加温。在另一个蒸发器中，媒介由回流管路28中的已经经历第一步冷却后的废气加温。在两种情况下，媒介都可以由处于相似温度下、因而是200-300℃的废气加温。然后，所有媒介被引导至蒸发器31，媒介在所述蒸发器中由回流管路28中的再循环废气加温。再循环废气在此可处于大约600-700℃的温度下。然而，用于WHR系统中的媒介具有不应被超过的上限温度。合适尺寸的蒸发器31、32、38将使媒介可在被引导至涡轮机39之前被加温至适合于特定媒介的高温。被引导至涡轮机的媒介的高温使得可产生大量的机械能。

本发明决不限于附图所参照的实施例，而是可以在权利要求的范围内自由地变化。

Claims

1.一种用于在车辆中将热能转换为机械能的系统，所述车辆具有带有循环冷却剂的冷却循环回路，所述系统包括：管路回路（35）；泵（36），其用于使媒介在所述管路回路中循环；至少一个蒸发器（31、32、38），在所述至少一个蒸发器中使媒介从热源（4、28）吸收热能，以使得媒介气化；涡轮机（39），其适于由气化的媒介驱动，以便产生机械能；和冷凝器设备（24、42），在所述冷凝器设备中使媒介放出热量，以使得媒介冷凝，其特征在于，所述冷凝器设备包括：第一冷凝器（24），媒介在所述第一冷凝器中将热量向在所述冷却循环回路中循环的冷却剂放出；和第二冷凝器（42），其相对于媒介在管路回路（35）中的流动方向定位在第一冷凝器（24）的下游，媒介在所述第二冷凝器中将热量向处于周围环境温度下的空气中放出。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述车辆由内燃机（2）驱动，所述内燃机由在冷却系统中循环的冷却剂冷却，在所述冷却循环回路中冷却第一冷凝器（24）中媒介的冷却剂的温度低于在内燃机的冷却系统中循环的冷却剂的温度。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述冷却循环回路构成与冷却内燃机（2）的冷却系统相独立的冷却系统。

4.如前面权利要求中任一所述的系统，其特征在于，所述冷却循环回路包括空气冷却式冷却器（19），其中，循环冷却剂至少部分地由周围环境温度下的空气冷却。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述冷却循环回路不仅包括第一冷凝器（24），而且还包括用于冷却另外的媒介的至少一个另外的冷却器（21-23）。

6.如前面权利要求中任一所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于调节媒介在第一冷凝器（24）中的冷却的装置（18、26、27）。

7.如权利要求2至6中任一所述的系统，其特征在于，使媒介在蒸发器（38）中从在排出管路（4）中的、从内燃机引导出来的废气吸收热能。

8.如权利要求2至7中任一所述的系统，其特征在于，使媒介在至少一个蒸发器（31、32）中从在回流管路（28）中的再循环废气中吸收热能。

9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述车辆具有涡轮机（5），所述涡轮机适于由排出管路（4）中的废气驱动，并且所述系统包括：在涡轮机（5）的下游位置处从排出管路（4）中的废气中吸收热能的至少一个蒸发器（38）；和在涡轮机（5）的上游位置处从被引导至回流管路（28）中的再循环废气中吸收热能的至少一个蒸发器（31、32）。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括串联布置在回流管路（28）中的至少两个蒸发器（31、32）。