CN105781786A - 控制车辆中热力系统的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制车辆中热力系统的方法和系统。一种车辆具有废热流体的车辆系统。在包含工作流体的热力循环中提供有顺序地流体连通的膨胀器、冷凝器、泵和蒸发器。蒸发器配置用于将热量从废热流体传输至工作流体。当外界温度变化时控制邻近于泵的至少一个阀门以控制流过至少一个室的流体，从而保持泵入口处流体的压力处于高于与冷凝器出口处温度关联的饱和蒸汽压力的阈值压力。

Description

控制车辆中热力系统的方法和系统
技术领域
多个实施例涉及控制车辆中用于废热能量回收的热力系统，比如兰金循环。
背景技术
车辆(包括混合动力车辆)具有产生高温排气的内燃发动机。车辆还可以具有具有废热并且需要冷却的多个系统，例如具有冷却剂流体的发动机冷却剂系统。在使用热交换器的运转期间可以使用热力循环(比如兰金循环)来回收车辆内的废热。可能需要控制该循环以满足预定的运转参数，并且这对于外界环境(ambientenvironment)可变的车辆应用是具有挑战的。
发明内容
在一个实施例中，提供一种具有具有废热流体的车辆系统的车辆。在包含工作流体的热力循环中以顺序地流体连通的方式提供膨胀器(expander)、冷凝器、泵以及蒸发器。蒸发器配置用于将热量从废热流体传输至工作流体。室通过上游阀连接至泵的入口并且通过下游阀连接至泵的出口。控制器配置用于控制上游阀和下游阀使得工作流体在泵的入口处的压力处于阈值压力。阈值压力是工作流体的饱和蒸汽压力加上压力偏移(pressureoffset)。饱和蒸汽压力是工作流体在冷凝器的出口处的温度的函数。温度和饱和蒸汽压力随外界温度(ambienttemperature)而变化。
在另一个实施例中，提供一种具有具有废热流体的车辆系统的车辆。在包含工作流体的热力循环中以顺序地流体连通的方式提供膨胀器、冷凝器、泵和蒸发器。蒸发器配置用于将热量从废热流体传输至工作流体。多个室设置为并联地流体连接并且位于冷凝器和泵之间。至少一个阀与多个室流体连通并且配置用于选择性地控制工作流体在多个室之间的流动。控制器配置用于控制至少一个阀以改变循环的容积使得工作流体在泵的入口处的压力处于阈值压力。阈值压力是工作流体的饱和蒸汽压力加上压力偏移。饱和蒸汽压力是工作流体在冷凝器的出口处的温度的函数。温度和饱和蒸汽压力随外界温度而变化。
在又一个实施例中，提供一种使用混合相的工作流体来控制车辆中的闭环中的泵、蒸发器、膨胀器和冷凝器的方法用于废热能量回收。控制邻近泵的至少一个阀以当外界温度变化时保持泵入口处流体的压力处于高于与冷凝器出口处温度关联的饱和蒸汽压力的阈值压力。
本发明的多个示例具有关联的、非限制性优点。例如，可以使用车辆中的热力循环来回收废热和能量并且提高车辆效率。热力循环可以是兰金循环。车辆在变化的外界状况中运转，并且这些外界状况(例如外界或环境温度)可能在宽的温度范围中迅速变化。随着外界状况改变可能需要修改热力循环的工况以保持循环的高效运转。例如，工作流体在冷凝器的出口处的温度是高于外界温度的温度，并且工作流体在冷凝器出口(泵入口)处的压力处于在与冷凝器出口处温度关联的饱和蒸汽压力之上偏移的压力处。在一个示例中，循环具有与泵并联设置并且通过各自的阀流体地连接至泵入口和出口的压力室或存储器。通过控制阀，可以增加或减小循环中的压力以应对外界温度的变化。在一个示例中，循环具有彼此并联设置并且在泵的上游的多个室，其中一个或多个阀用于控制通过每个室的工作流体的流动。通过控制阀，可以增加或减小容积以分别提供循环的减小的或增加的压力并且以应对外界温度的改变。
附图说明
图1说明根据实施例的车辆的系统的示意图；
图2说明用于图1的兰金循环的简化压焓图；
图3说明用于图1的兰金循环在多个工况处的简化压焓图；
图4说明根据实施例的具有压力控制装置的简化兰金循环的示意图；
图5说明根据另一个实施例的具有压力控制装置的简化兰金循环的示意图。
具体实施方式
根据需要，本说明书中公开了本发明的具体实施例；然而，应理解公开的实施例仅为本发明的示例，其可以以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可以放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。以化学术语描述的组分指在添加到本说明书中指定的任何组合中时的组分，并且不一定排除混合物一旦混合后混合物的组分之间的相互化学作用。本发明描述的流体可以指包括汽相、液相、混合的汽/液相、过热气体、过冷液体等的多种状态或相位的物质。
可以使用兰金循环将热能转化成机械或电功率。已经付出努力以更有效地或者从车辆中排出废热的一个以上的系统(比如发动机冷却剂、发动机或变速器油、排气再循环(EGR)气体、排气等)收集热能。本发明提供具有随着工作流体蒸发而提供相位分离的蒸发器的兰金循环，从而提高循环效率并且保持蒸发器中工作流体的液相和汽相的总体上平均的温度分配。
图1说明根据示例的车辆10内的多个系统的简化示意图。经由兰金循环的热交换器内工作流体的热传递可以冷却多个车辆系统中的流体，并且继而在兰金循环的冷凝器中使用外界空气(ambientair)来冷却工作流体。兰金循环通过将本来会传输至外界空气的车辆中的废热转换成电功率或机械功率而允许能量回收。
车辆可以是具有车轮可用的多个扭矩源的混合动力车辆。在其它示例中，车辆可以是仅具有发动机的传统车辆或者是仅具有电机的电动车辆。在显示的示例中，车辆具有内燃发动机50和电机52。电机52可以是马达或马达/发电机(M/G)。发动机50和电机52经由变速器54连接至一个或多个车轮55。变速器54可以是变速箱、行星齿轮系统或其它变速器。可以在发动机50、电机52和变速器54之间提供离合器56。可以以包括并联、串联或串联-并联混合动力车辆的多种方式配置动力传动系统。
电机52从牵引电池58接收电功率以将扭矩提供至车轮55。例如在制动运转期间，电机52还可以作为发电机运转以提供电功率来给电池58充电。
发动机50可以是内燃发动机，比如压燃式发动机或火花点火式发动机。发动机50具有将排气从发动机50的汽缸排放至大气的排气系统60。排气系统60可以包括用于噪声控制的消声器。排气系统60还可以包括减排系统(emissionssystem)，比如催化转化器、微粒过滤器等。
发动机50还可以具有冷却剂系统62。冷却剂系统包含在运转期间从发动机50去除热量的发动机冷却剂流体，该流体可以包括水、乙二醇和/或其它流体。发动机50可以设置有具有使用再循环的发动机冷却剂流体从发动机50的多个区域去除热量的通道的内部或外部冷却套。冷却剂系统62可以包括泵和存储器(未显示)。
车辆具有热力循环70。在一个示例中，循环70是兰金循环。在另一个示例中，循环70是变型的兰金循环或者在循环运转期间包括在一个以上的相位转变的工作流体的另一种热力循环。兰金循环70包含工作流体。在一个示例中，工作流体经历相位改变并且在系统内是混合相的流体。工作流体可以是R-134a、R-245或者基于希望的循环运转参数的另一种有机或无机化学制冷剂。
循环70具有泵72、压缩机或者配置用于增加工作流体的压力的其它装置。泵72可以是离心泵、正排量泵等。工作流体从泵72流至一个或多个热交换器。热交换器可以是预热器、蒸发器、过热器以及配置用于将热量传输至工作流体的类似装置。
显示的示例具有第一热交换器74，该热交换器配置为预热器。提供有第二热交换器76并且该热交换器可配置为蒸发器。在其它示例中，可以在泵72的下游提供更多或更少的热交换器。例如，循环70可以仅提供有热交换器76或者可以提供有三个或更多个热交换器来加热工作流体。额外地，泵72下游的热交换器可以相对于彼此以多种方式布置或设置，例如并联、如显示的串联或者串联和并联流动的组合。
热交换器74、76配置用于从外部热源传输热量以加热循环70内的工作流体。在显示的示例中，热交换器74配置用于将热量从冷却剂回路62中的发动机冷却剂流体传输至循环70中的工作流体。因此，发动机冷却剂的温度在返回至发动机50之前减小以从其去除热量，并且热交换器74作为冷却剂系统62中的散热器(heatsink)运行。在热交换器74内，循环70的工作流体的温度类似地增加。
在其它示例中，如下文更详细讨论的，热交换器74配置用于将热量从车辆系统中的另一种流体(包括但不限于发动机润滑流体、变速器润滑流体和电池冷却流体)传输至循环70的工作流体。在进一步的示例中，提供有多个预加热热交换器74并且每个热交换器与独立的车辆系统流体连通以从其接收热量。可以提供引导和控制流体至多个热交换器的阀门调节或另一种流体控制机构。
在另一个示例中，热交换器74位于热交换器76的下游使得其配置为过热器并且从来自多个车辆系统的流体(包括但不限于排气再循环(EGR)流)传输热量。热交换器74提供用于EGR流的散热器并因此将废热提供至循环70中的工作流体。热交换器74相对于热交换器76的定位可以基于车辆系统的流体的平均温度或者可用热量。
在循环70中还提供第二热交换器76。在一个示例中，热交换器76配置用于将热量从发动机排气系统60的排气传输至循环的工作流体。发动机排气系统60可以具有通过热交换器76或者与其接触的第一流动路径78。发动机排气系统60还可以具有绕过热交换器76转移排气流的第二或旁通流动路径80。可提供阀门82用以控制流过热交换器76的排气量，从而提供对传输至工作流体的热量的量以及热交换器76的出口处或膨胀器84上游的工作流体的温度和状态的控制。
如下文进一步讨论的，热交换器74、76中的至少一者配置用于将足够的热量传输至循环70中的工作流体以使工作流体蒸发。蒸发器接收液相或液体蒸汽混合相溶液的工作流体并且将工作流体加热成蒸汽相或过热蒸汽相。本发明总体上描述了使用利用发动机排气60的热交换器76作为蒸发器；然而，其它车辆系统可以与循环70中作用为蒸发器的热交换器一起使用。
膨胀器84可以是涡轮，比如离心或轴流涡轮或者另一种类似装置。随着工作流体膨胀，通过工作流体旋转膨胀器84以产生功。膨胀器84可以连接至马达/发电机86以旋转马达/发电机而产生电力，或者连接至另一个机械联动装置(mechanicallinkage)以将额外的功率提供至驱动轴和车轮55。膨胀器84可以通过轴或另一种机械联动装置连接至发电机86。发电机86连接至电池58以提供电力而给电池58充电。可以在发电机86和电池58之间提供逆变器或交流-直流(AC-DC)转换器88。
工作流体离开膨胀器84并且流至循环70中的热交换器90，也称为冷凝器90。冷凝器90可以位于车辆10的前部区域。冷凝器90配置用于与外界气流92接触使得热量从工作流体传输至外界气流以从工作流体去除热量并且冷却和/或冷凝工作流体。冷凝器90可以是单级或多级，并且通过循环70需要的多个级使用阀门或其它机构可以控制工作流体的流动。
在一些示例中，循环70包括流体储存器94或者干燥机。储存器94可以提供为在循环70中用于工作流体的流体或液体储存器。泵72从储存器94汲取流体以完成循环70。如从图1看见的，循环70是闭环循环使得工作流体与车辆中的其它流体或者与外界空气不混合。
如下文描述的，循环70可以包括配置用于在预定参数内运转循环的控制器96。控制器96可以与发动机控制单元(ECU)、变速器控制单元(TCU)、车辆系统控制器(VSC)等集成或者可以与其通信，并且还可以与多个车辆传感器通信。用于车辆10的控制系统可以包括任意数量的控制器并且可以集成到单个控制器中或者具有多个模块。可以通过控制器局域网(CAN)或其它系统连接一些或所有控制器。控制器96和车辆控制系统可以包括与多种类型的计算机可读存储装置或媒介通信的微处理器或中央处理器(CPU)。计算机可读存储装置或媒介可以包括例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性和非易失性存储。KAM是可以用于当CPU掉电时存储多个运转变量的持久或非易失性存储器。可以使用任何数量的已知存储装置(比如可编程只读存储器(PROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或者能存储数据的任何其它电子、磁性、光学或者组合存储器，该数据中的一些数据代表控制器控制车辆或循环70时所使用的可执行指令)实施计算机可读存储装置或媒介。
在一个或多个实施例中，车辆还可以设置有空调系统100。空调系统100可以形成用于车辆的暖通空调(HVAC)系统的一部分。HVAC系统将控制温度的空气提供至车辆或乘客舱用于车辆乘员的车舱气候控制。空调系统100具有与外界空气92接触的第一热交换器101或冷凝器。冷凝器101可以位于车辆10的前部区域。冷凝器101配置用于在外界空气与系统100中的制冷剂或其它流体之间进行热传递。
空调系统100还可以包括膨胀装置、阀或节流器102以及压缩机或泵送装置104。系统100具有与引导至车舱108的气流110和系统100中的制冷剂接触的另一个热交换器106。意欲用于车舱调节的气流110流过并且被热交换器106中的制冷剂冷却，并且随后按车辆乘员的需要流动至车舱108。
以用于图3中工作流体的压-焓(P-h)图说明图2中显示的兰金或热力循环70。该图的垂直轴线上是压力(P)而水平轴线上是焓(h)。焓的单位可以是每单位质量的能量，例如kJ/kg。
圆顶(dome)120提供了工作流体的多个相位之间的分离线。在圆顶120左侧的区域122中的工作流体是液体或过冷液体。在圆顶120的右侧的区域126中的工作流体是蒸汽或过热蒸汽。在圆顶120下面的区域124中的工作流体是混合相(例如液体和蒸汽相的混合)。沿圆顶120的左手侧，其中区域122和124汇合，工作流体是饱和液体。沿圆顶120的右手侧，其中区域124和126汇合，工作流体是饱和蒸汽。
根据实施例在图上说明图2的兰金循环70。出于本发明的目的而简化了描绘的循环70，并且尽管在实际应用中可能存在损失但是没有说明循环70或系统中的任何损失。损失可以包括泵送损失、管道损失、压力和摩擦损失、多个部件的热量损失以及系统中的其它不可逆性。图3中显示的循环70的运转简化为假定恒定压力、绝热、可逆和/或适当的且在下文描述的等熵处理步骤；然而，本技术领域的普通技术人员应理解在实际应用中循环70可以从这些假设变化。循环描绘为在高压PH和低压PL之间运转。图上也显示了恒温线，例如TH和TL。
循环70在工作流体进入泵72的点130处开始。工作流体在130处是液体并且可以被过冷却至低于PL处饱和温度2-3摄氏度或更多的温度。工作流体在点132处以较高的压力(PH)并且以液相离开泵72。在显示的示例中，从130至132的泵送过程建模为等熵的或者绝热的且可逆的。
工作流体在132处进入一个或多个热交换器(例如热交换器74、76)。在热交换器74、76内使用来自车辆系统中的流体的废热加热工作流体。在显示的示例中，使用发动机冷却剂和排气加热工作流体。工作流体在点134处离开热交换器。从132至134的加热过程建模为恒压过程。如图中可见的，从132至134的过程发生在PH处，并且在134处温度增加至TH。工作流体在132处以液相开始并且在134处以过热汽相离开热交换器74、76。在显示的示例中，工作流体以混合的液-汽相流体进入热交换器76并且以汽相离开热交换器76。
工作流体在点134处作为过热蒸汽进入膨胀器84(比如涡轮)。工作流体随着它膨胀而驱动或旋转膨胀器以产生功。工作流体在点136处以压力PL离开膨胀器84。如显示的，工作流体在136处可以是过热蒸汽。在其它示例中，工作流体在离开膨胀器84之后可以是饱和蒸汽或者可以是混合相并且在区域124内。在进一步的示例中，工作流体在圆顶120的右手侧的饱和蒸汽线的几摄氏度内。在显示的示例中，从134至136的膨胀过程建模为等熵的或者绝热的并且可逆的。膨胀器84随着工作流体的膨胀而导致装置两边的压力下降以及对应的温度下降。
工作流体在136处进入一个或多个热交换器(例如热交换器90)。在热交换器90内使用通过车辆的前部区域接收的外界空气冷却工作流体。工作流体在点130处离开热交换器并且随后流至泵72。循环70中还可以包括储存器。从136至130的冷却过程建模为恒压过程。从附图可见，从136至130的过程发生在PL处。在热交换器90内工作流体的温度可以减小。工作流体在136处作为过热蒸汽或蒸汽-液体混合相开始并且在130处作为液体离开热交换器90。
在一个示例中，循环70配置用于以约为3的PH与PL的压力比率而运转，或者在进一步的示例中，循环70配置用于以约为2.7的压力比率而运转。在其它示例中，压力比率可以更高或更低。循环70可以适配用于在车辆要求的多个外界环境以及在其周围的环境中运转。在一个示例中，循环70配置用于在可能的外界温度的范围内运转。外界温度可以提供对可用于热交换器90中工作流体的冷却量的限制。在一个示例中，循环70可以在-25摄氏度和40摄氏度的外界或环境温度之间运转。在其它示例中，循环70可以在更高和/或更低的外界温度中运转。
循环70提供的功率可以是废热流体的质量流率、废热流体的温度、工作流体在点134处的温度以及外界空气的质量流率的函数。例如，对于仅排气提供废热源，循环70提供的功率是通过热交换器76的排气的质量流率、进入热交换器76的排气的温度、工作流体在点134处的温度以及外界空气的质量流率的函数。对于具有一个以上废热源的系统，循环70提供的功率还会包括每个源的质量流率和温度。在一个示例中，循环70输出的功率约为0.5-1.5kW，而在进一步的示例中，当排气温度的范围为500-800摄氏度并且排气质量流率的范围为50-125kg/hr时一个循环的功率约为1kW。
可以基于发电机86产生的电力以及从废热源(例如发动机排气、发动机冷却剂等)可用的热传递的速率来确定循环70相对于车辆的效率。可用的热传递的速率是通过关联的循环热交换器的废热流体的质量流率和热交换器两边的废热流体的温度差异的函数。在一个示例中，仅使用排气热量的循环效率测量为平均在5％以上，而在进一步的示例中，对于仅使用排气废热循环的循环效率测量为平均在8％以上。
对于系统运转和保持系统效率而言在循环70内的特定运转点保持工作流体的状态或相位可能是关键的。例如，热交换器74、76中的一者或两者可能需要设计成在液相、混合相的流体和蒸汽相流体中使用。在循环中的点130处可能需要工作流体为液相以防止泵72内的气塞(airlock)。额外地，基于膨胀器84的结构，在点134和136之间可能需要工作流体保持为蒸汽，因为混合相可能减小系统效率或者使装置84磨损。基于控制外界气流速率的车速和外界气温，还可以限制可用于热交换器90内的工作流体的冷却的量和/或速率。此外，在车辆启动时当发动机排气和/或发动机冷却剂没有达到它们的运转温度时可以限制可用于加热工作流体的量和/或速率。
如图3显示的，可以在多个工况处运转循环70。图3说明了用于循环70的两个工况。循环150显示为在最小外界空气运转温度(TL,min)处或附近运转。循环152显示为在最大外界空气运转温度(TH,max)处或附近运转。基于循环中多个点的循环和运转状态以及这些运转状态施加的约束来选择工作流体。
额外地，通过修改通过热交换器74、76的排气或其它废热源的流率可以控制循环70以在希望的温度和压力范围内运转，从而控制传输至工作流体的热量的量及其在点134处的温度。通过提供用于使工作流体流过的额外的级或限制的级可以基于外界空气温度、流率和湿度控制热交换器90，从而控制点130处冷却的量和工作流体的温度。额外地，可以通过泵72控制工作流体的流率，使得工作流体在每个热交换器90、74和76中具有较长或较短的停留时间，从而控制传输至工作流体或从工作流体传输的热量的量。
图4说明了用于配置用于在变化的外界温度中使用的车辆的循环的示例。循环200显示为简化的循环，并且在一个示例中可以是上文描述的并且在车辆10中使用的循环70。为了便利，给予与循环70相似或共用的部件相同的参考号。
在循环200中，在点130处工作流体被控制为保持处于在工作流体的饱和压力之上偏移的压力，并且在一个示例中保持在饱和压力之上3-6psi。如果压力偏移太高，则循环200可能太冷并且采用更多热量来使工作流体蒸发，从而减小总体效率。如果压力偏移太低，则循环可能不能使所有工作流体在点130处为液体，这可能导致循环200中的汽塞(vaporlock)。
点130处的工作流体温度可以是在外界温度或环境温度之上偏移的温度，并且在一个示例中工作流体在点130处的温度至少比外界温度高10℃使得存在用于使冷凝器90有效地排出热量的足够的温度差异。随着外界或环境温度不断地变化，不可能将冷凝器出口温度控制为固定的设置点温度。例如，对于20℃的外界温度，填充有R-134a的系统的希望的运转点130可能为115psi和30℃。外界温度变为35℃时，在130处希望的运转点可以是至少175psi和45℃，以将工作流体转化为液体。环境温度为0℃时，在130处希望的运转点可以是大约64psi和10℃以保持系统的效率。图3中的线154说明了在外界温度的范围中用于希望的运转点130的线。
图4中的循环200通过提供对循环200中工作流体的压力的控制而提供对点130处以及用于循环的工况的控制。总体上工作流体室202提供有连接至泵72的入口206的第一控制阀(V1)204以及连接至泵72的出口210的第二控制阀(V2)208。以与泵72并联流动的配置提供室202。第一阀204可以是上游阀而第二阀208可以是下游阀。
室202可以是具有固定容积和固定的外壁的存储器，例如罐。可以在打开位置和关闭位置之间控制阀204、208。在进一步的示例中，阀204、208可以被控制至调节或调整流动的中间位置。可以机械、液压、气动或电动地控制阀204、208。在一个示例中，阀是二通阀并且通过螺线管机电地驱动。
在一个示例中，泵出口210处的压力(P2)可以是泵入口206处的压力(P1)的2-4倍，或者泵72两边的运转压力比率(P2/P1)为2-4。室202可以预填充或填充有具有在P1和P2之间的室压力(PC)的工作流体。
使用控制器212控制阀204、208。控制器212可以独立于另一个控制器(比如控制器96)或与之集成。控制器212还可以与设置用于测量工作流体在泵入口206处的温度(T)、压力(P)和/或环境温度的一个或多个传感器214通信。控制器212还可以接收来自系统200或车辆10的其它传感器的输入。
在第一示例中，当环境温度增加时，系统200的压力也需要增加。控制器212接收来自传感器214指示泵入口206处压力的信号并且还接收来自传感器214指示外界温度的信号。如果控制器212确定压力P1小于阈值压力(例如在130处关联温度的饱和蒸汽压力之上偏移的压力)，则控制器212指令第一阀204至打开位置并且指令第二阀208至关闭位置。打开上游或第一阀204以将工作流体从室202添加至系统200。阀208保持关闭。室中的工作流体的压力高于泵入口206处流体的压力，那么打开阀204增加了泵入口处的压力并且在泵出口处产生对应的较高的压力。
在第二示例中，当环境温度减小时，系统200的压力也需要减小。控制器212接收来自传感器214指示泵入口206处压力的信号并且还接收来自传感器214指示外界温度的信号。如果控制器212确定压力P1高于阈值压力(例如在130处关联温度的饱和蒸汽压力之上偏移的压力)，则控制器212指令第一阀204至关闭位置并且指令第二阀208至打开位置。打开下游或第二阀208以将工作流体从系统200添加至室202。阀204保持关闭。室中工作流体的压力低于泵出口210处流体的压力，那么打开阀208使得工作流体流入室202并且增加室内的压力同时泵出口210处的压力P2减小并且系统200的压力减小。
控制器212运转阀204、208以在外界温度变化时将泵入口处流体的压力保持在阈值压力或高于与冷凝器出口处温度关联的饱和蒸汽压力的偏移压力(offsetpressure)。在一个示例中，阈值压力是3-6psi，并且饱和蒸汽压力是区域124中与温度关联的压力。注意，随着温度增加，饱和蒸汽压力也增加。从图2可见，对于穿过圆顶120的给定的温度而言，饱和压力保持恒定值。控制器212运转系统200使得在点130处冷凝器90出口的温度处于外界温度之上的偏移处。阈值压力是工作流体的饱和蒸汽压力加上压力偏移。饱和蒸汽压力是工作流体在冷凝器出口处或运转点130处的温度的函数。温度以及饱和蒸汽压力随着外界温度的变化而改变。
图5说明了用于配置用于在变化的外界温度中使用的车辆的循环的示例。循环250显示为简化的循环，并且在一个示例中可以是上文描述的并且在车辆10中使用的循环70。为了便利，给予与循环70相似或共用的部件相同的参考号。
在循环250中，在点130处工作流体可以被控制为保持处于在工作流体的饱和压力之上偏移的压力，并且在一个示例中保持在饱和压力之上3-6psi。如果压力偏移太高，则循环250可能太冷并且采用更多热量来使工作流体蒸发，从而减小总体效率。如果压力偏移太低，则循环可能不能使所有工作流体在点130处为液体，这可能导致循环250中的汽塞。
点130处的工作流体温度可以是在外界温度或环境温度之上偏移的温度，并且在一个示例中工作流体在点130处的温度至少比外界温度高10℃使得存在用于使冷凝器90有效地排出热量的足够的温度差异。随着外界或环境温度不断地变化，不可能将冷凝器出口温度控制为固定的设置点温度。例如，对于20℃的外界温度，填充有R-134a的系统的希望的运转点130可能为115psi和30℃。外界温度变为35℃时，在130处希望的运转点可以是至少175psi和45℃以将工作流体转化为液体。环境温度为0℃时，在130处希望的运转点可以是大约64psi和10℃以保持系统的效率。图3中的线154说明了在外界温度的范围中希望的运转点130的线。
图5中的循环250通过提供对循环250的容积的控制而提供对点130处以及用于循环的工况的控制。通过控制循环250的容积，压力也被控制，这是由于较低的容积与较高的压力关联。总体上，以并联流动配置设置具有关联的控制阀的多个室以提供通过系统250的具有不同容积的不同路径。使用控制阀控制通过一个或多个室的工作流体的流动路径。随着外界或环境温度增加，控制阀以引导工作流体通过较低容积的室以提供较低容积循环250并增加压力。随着外界或环境温度减小，控制阀以引导工作流体通过较高容积的室以提供较高容积循环250并减小压力。
在一个示例中，系统250具有以并联流动配置设置的三个室252、254和256。第一室252具有显示为位于室252上游的关联的流动控制阀258。室252还可以具有第二阀260，该阀可以是流动控制阀或止回阀。第二室254具有显示为位于室254上游的关联的流动控制阀262。室254还可以具有第二阀264，该阀可以是流动控制阀或止回阀。第三室256具有显示为位于室256上游的关联的流动控制阀266。室256还可以具有第二阀268，该阀可以是流动控制阀或止回阀。
室252、254、256的容积可以彼此不同，室252的容积最小，室256的容积最大，而室254的容积在第一室252和第三室256的容积的中间。在另一个示例中，室252、254、256可以具有与控制用于使工作流体同时流过一个室或多个室的阀门调节相同或相似的容积。在进一步的示例中，一些室可以具有相似的容积，而另一个室具有更大或更小的容积以提供系统容积的多种组合。
阀258、262、266可以是独立的阀门或者可以是在具有一个入口端和多个出口端的阀总成中。类似地，阀260、264、268可以是独立的阀门或者可以在具有一个入口端和多个出口端的阀总成中。可以在室252、254、256的上游提供进入歧管(inletmanifold)并且可以在室252、254、256的下游提供输出歧管。
在其它示例中，系统250可以具有多于或少于三个的室。可以以多种方式设置室，例如沿三个独立的轴线延伸的独立且不同的室或者沿共同的轴线延伸的同心或嵌套的室等。可以以多种方式控制室的阀门，例如用于使工作流体一次仅通过一个室流动或者用于使工作流体同时通过两个或更多个室流动以进一步增加容积或提供对系统250中容积的控制。每个室可以具有固定的容积，从而减小移动的部件的数量、减小重量并减小系统250的复杂度。
可以在打开位置和关闭位置之间控制阀258、262、266中的每者。在进一步的示例中，阀258、262、266可以被控制至调节或调整流动的中间位置。可以机械、液压、气动或电动地控制阀258、262、266。在一个示例中，阀258、262、266是二通阀并且通过螺线管机电地驱动。在另一个示例中，阀258、262、266可以合并在具有一个入口端口和三个出口端口的四通阀中。
使用控制器270控制阀258、262、266。控制器270可以独立于另一个控制器(比如控制器96)或与之集成。控制器270还可以与设置用于测量工作流体在泵入口206处的温度(T)、压力(P)和/或环境温度的一个或多个传感器272通信。控制器270还可以接收来自系统250或车辆10的其它传感器的输入。
在第一示例中，系统250在工作流体仅流过第二室254的情况下运转使得阀262打开并且阀258、266关闭。当环境温度增加时，系统250的压力也需要增加。控制器270接收来自传感器272指示泵入口处或在点130处冷凝器出口处的压力(P1)的信号，并且还接收来自传感器272指示外界温度的信号。如果控制器270确定压力P1小于阈值压力(例如在130处关联温度的饱和蒸汽压力之上偏移的压力)，则控制器270指令阀258至打开位置并且指令阀262、266至关闭位置使得工作流体现在仅流过第一室252并且系统250的容积减小。室252和系统250较小的容积使泵入口处的压力增加并且导致在泵出口处和用于系统250的对应的较高的压力。
在第二示例中，系统250在工作流体仅流过第二室254的情况下运转使得阀262打开并且阀258、266关闭。当环境温度减小时，系统250的压力也需要减小。控制器270接收来自传感器272指示泵入口处或在点130处冷凝器出口处的压力(P1)的信号，并且还接收来自传感器272指示外界温度的信号。如果控制器270确定压力P1高于阈值压力(例如在130处关联温度的饱和蒸汽压力之上偏移的压力)，则控制器270指令阀266至打开位置并且指令阀258、262至关闭位置使得工作流体现在仅流过第三室256并且系统250的容积增加。室256和系统250较大的容积使得泵入口处的压力减小并且导致在泵出口处和用于系统250的对应的较低的压力。
在第三示例中，系统250在工作流体仅流过第二室254的情况下运转使得阀262打开并且阀258、266关闭。当环境温度减小时，系统250的压力也需要减小。控制器270接收来自传感器272指示泵入口处或在点130处冷凝器出口处的压力(P1)的信号，并且还接收来自传感器272指示外界温度的信号。如果控制器270确定压力P1高于阈值压力(例如在130处关联温度的饱和蒸汽压力之上偏移的压力)，则控制器270指令阀258、262至打开位置并且指令阀266至关闭位置使得工作流体现在流过第一和第二室252、254两者并且系统250的容积增加。室252、254和系统250的较大的组合容积使得泵入口处的压力减小，并且导致在泵出口处和用于系统250的对应的较低的压力。
控制器270运转阀258、262、266以在外界温度变化时改变系统250的容积并且将流体在泵入口处的压力保持在阈值压力或者在与冷凝器出口处温度关联的饱和蒸汽压力之上的偏移压力。在一个示例中，阈值压力是3-6psi，并且饱和蒸汽压力是区域124中与温度关联的压力。注意，随着温度增加，饱和蒸汽压力也增加。从图2可见，对于圆顶120中给定的温度而言，饱和压力保持恒定值。控制器270运转系统250使得在点130处冷凝器90出口的温度处于外界温度之上的偏移处。阈值压力是工作流体的饱和蒸汽压力加上压力偏移。饱和蒸汽压力是工作流体在冷凝器的出口处或运转点130处的温度的函数。温度和饱和蒸汽压力随着外界温度的变化而改变。
本发明的多个示例具有关联的、非限制性优点。例如，可以使用车辆中的热力循环来回收废热和能量并且提高车辆效率。热力循环可以是兰金循环。车辆在变化的外界状况中运转，并且这些外界状况(例如外界或环境温度)可能在宽的温度范围中迅速变化。随着外界状况改变可能需要修改热力循环的工况以保持循环的高效运转。例如，工作流体在冷凝器的出口处的温度是高于外界温度的温度，并且工作流体在冷凝器出口(泵入口)处的压力处于在与冷凝器出口处温度关联的饱和蒸汽压力之上偏移的压力。在一个示例中，循环具有与泵并联设置并且通过各自的阀流体地连接至泵入口和出口的压力室或存储器。通过控制阀，可以增加或减小循环中的压力以应对外界温度的变化。在一个示例中，循环具有彼此并联设置并且在泵的上游的多个室，其中一个或多个阀用于控制通过每个室的工作流体的流动。通过控制阀，可以增加或减小容积以分别提供循环的减小的或增加的压力并且应对外界温度的改变。
尽管上文描述了示例性实施例，但并非意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性，并且应理解不脱离本发明的精神和范围可以作出各种改变。此外，可以组合各种实现的实施例的特征以形成本发明进一步的实施例。

Claims (20)

1.一种车辆，包含：
车辆系统，具有废热流体；
膨胀器、冷凝器、泵和蒸发器，在包含工作流体的热力循环中顺序地流体连通，所述蒸发器配置用于将热量从所述废热流体传输至所述工作流体；
室，通过上游阀连接至所述泵的入口并且通过下游阀连接至所述泵的出口；以及
控制器，配置用于控制所述上游阀和所述下游阀使得所述泵的所述入口处所述工作流体的压力处于阈值压力，所述阈值压力是所述工作流体的饱和蒸汽压力加上压力偏移，所述饱和蒸汽压力是所述冷凝器的出口处所述工作流体的温度的函数，所述温度和所述饱和蒸汽压力随外界温度而变化。
2.根据权利要求1所述的车辆，进一步包含与所述泵的所述入口流体连通的压力传感器；
其中，所述控制器进一步配置用于接收来自所述压力传感器指示所述泵的所述入口处所述工作流体的所述压力的信号。
3.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述控制器进一步配置用于响应于所述入口处所述工作流体的所述压力低于所述阈值压力而通过指令所述上游阀打开并且指令所述下游阀关闭来控制所述上游阀和所述下游阀，所述上游阀配置用于将加压的流体从所述室提供至所述入口以增加所述工作流体的所述压力。
4.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述控制器进一步配置用于响应于所述入口处所述工作流体的所述压力高于所述阈值压力而通过指令所述上游阀关闭并且指令所述下游阀打开来控制所述上游阀和所述下游阀，所述下游阀配置用于将加压的流体从所述泵的出口提供至所述室并且减小所述工作流体的所述压力。
5.一种车辆，包含：
车辆系统，具有废热流体；
膨胀器、冷凝器、泵和蒸发器，在包含工作流体的热力循环中顺序地流体连通，所述蒸发器配置用于将热量从所述废热流体传输至所述工作流体；
多个室，被设置为并联地流体连接并且位于所述冷凝器和所述泵之间；
至少一个阀，与所述多个室流体连通并且配置用于选择性地控制所述工作流体在所述多个室之间的流动；以及
控制器，配置用于控制所述至少一个阀以改变所述循环的容积使得所述泵的入口处工作流体的压力处于阈值压力，所述阈值压力是工作流体的饱和蒸汽压力加上压力偏移，所述饱和蒸汽压力是所述冷凝器的出口处所述工作流体的温度的函数，所述温度和所述饱和蒸汽压力随外界温度而变化。
6.根据权利要求5所述的车辆，其中，所述多个室中的第一室具有第一容积，并且所述多个室中的第二室具有高于所述第一容积的第二容积。
7.根据权利要求6所述的车辆，进一步包含与所述泵的所述入口流体连通的压力传感器；
其中，所述控制器进一步配置用于接收来自所述压力传感器指示所述泵的所述入口处所述工作流体的所述压力的信号，并且当所述压力小于所述阈值压力时控制所述至少一个阀以使所述工作流体流过所述第一室，从而减小所述循环的所述容积并且使所述泵的所述入口处的压力增加。
8.根据权利要求6所述的车辆，进一步包含与所述泵的所述入口流体连通的压力传感器；
其中，所述控制器进一步配置用于接收来自所述压力传感器指示所述泵的所述入口处所述工作流体的所述压力的信号，并且当所述压力高于所述阈值压力时控制所述至少一个阀以使所述工作流体流过所述第二室，从而增加所述循环的所述容积并且使所述泵的所述入口处的压力减小。
9.根据权利要求6所述的车辆，其中，所述多个室中的第三室具有高于所述第二容积的第三容积；并且
其中，所述至少一个阀包含与所述多个室中的每个室关联的阀。
10.一种控制车辆的方法，包含：
使用混合相的工作流体控制车辆中闭环中的泵、蒸发器、膨胀器和冷凝器用于能量回收；以及
控制邻近所述泵的室的至少一个阀，以在外界温度变化时保持泵入口处所述流体的压力处于阈值压力，该阈值压力高于与冷凝器出口处的温度关联的饱和蒸汽压力。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述阈值压力保持处于在所述饱和蒸汽压力之上偏移的压力。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述冷凝器出口的所述温度处于高于外界温度的偏移处；并且
其中，所述饱和蒸汽压力随着所述冷凝器出口处所述流体的温度的增加而增加。
13.根据权利要求10所述的方法，进一步包含：
将热量从所述车辆中的废热流体传输至所述蒸发器中的所述流体从而提供所述流体的汽相；
使用所述汽相的所述流体旋转所述膨胀器以产生功率；
将热量从所述冷凝器中的所述流体传输至外界空气从而提供所述流体的液相；以及
使用所述泵来泵送所述液相的所述流体。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一个阀是流体地连接至所述泵入口和室的上游阀，所述方法进一步包含：
控制下游阀以当外界温度变化时保持所述泵入口处所述流体的所述压力处于阈值压力，所述下游阀邻近所述泵并且流体地连接至泵出口和室，其中，所述室与所述泵并联地流体连接。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包含：
从与所述泵入口流体连通的压力传感器接收所述压力小于所述阈值压力的信号；以及
打开所述上游阀并且关闭所述下游阀以通过将加压的流体从所述室提供至所述泵入口来增加所述泵入口处的压力。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包含：
从与所述泵入口流体连通的压力传感器接收所述压力高于所述阈值压力的信号；以及
关闭上游阀并且打开下游阀以通过将加压的流体从所述泵出口提供至所述室中来降低所述泵入口处的压力。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一个阀是第一阀，所述第一阀控制通过位于第一阀和所述泵入口之间的第一室的流动，所述方法进一步包含：
控制第二阀以当外界温度变化时保持所述泵入口处所述流体的所述压力处于所述阈值压力，所述第二阀邻近于所述泵并且控制通过位于所述第二阀和所述泵入口之间的第二室的流动，所述第二室与所述第一室并联地流体连接，所述第二室的容积高于所述第一室的容积。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包含：
从与所述泵入口流体连通的压力传感器接收所述压力小于所述阈值压力的信号；以及
打开所述第一阀并且关闭所述第二阀以减小所述闭环的容积从而增加所述泵入口处的压力。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包含：
从与所述泵入口流体连通的压力传感器接收所述压力高于所述阈值压力的信号；以及
关闭所述第一阀并且打开所述第二阀以增加所述闭环的容积从而降低所述泵入口处的压力。
20.根据权利要求10所述的方法，进一步包含：
从与所述泵入口流体连通的压力传感器接收所述压力高于所述阈值压力的信号；以及
控制所述至少一个阀以选择性地控制所述流体流动至并联地流体连接的多个室中的至少一者，以增加所述闭环的容积从而减小所述泵入口处的压力，每个室从所述冷凝器出口接收流体并且将流体提供至所述泵入口。
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