CN107250494A

CN107250494A - 废热回收和转换

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Publication number: CN107250494A
Application number: CN201680010358.XA
Authority: CN
Inventors: 克劳迪奥·菲利波内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2017-10-13
Also published as: US20180051652A1; CA2975515C; WO2016123614A1; US20200141353A1; EP3250791A4; BR112017016486A2; US10544753B2; CA2975515A1; AU2016211197A1; EP3250791A1

Abstract

根据本发明的实施例提供了用于废热回收转换的系统和方法。废热回收转换系统包括非侵入地安装到发动机上的壳体。废热回收转换系统还包括壳体内的功率变换装置(PCU)。PCU包括热交换器、膨胀机、电力发电机和流体泵。热交换器、膨胀机、流体泵和流体储存器形成热力回路，其使用来自废热的热能来驱动电力发电机。这种配置下的废热回收转换系统可以减少污染物，同时可以节省燃料。

Description

废热回收和转换

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年1月30日提交的美国临时专利申请62/125,743和2015年2月1日提交的美国临时专利申请62/110,596的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

将热能转换成可用能量(例如机械能和/或电能)的电力系统通常由独立部件组成，这些独立部件经由凸缘、配件、联轴器、电线导管等通过柔性软管和刚性管热耦合(例如，液压和电气)。这些联轴器互连电力系统的各个零件，包括阀门、传感器、断路器、辅助监测设备、控制设备等。这些联轴器可以造成低效率和故障。例如，涉及振动应力(例如，车辆)的实现可以在经由联轴器通过整个电力系统传播的部件上引起共振。因此，这种实现使用机械解耦来避免故障和/或增加寿命。然而，解耦可以对电力系统造成其他压力。例如，机械解耦闭环热工水力和电气系统可能导致热工水力管和电气连接上的疲劳和谐振循环。

另外,电力系统使用上述联轴器在独立部件之间传递流体。例如，一些部件执行热力学功能(例如膨胀、冷凝、加压、减压、以及流体能量含量的增加/减少)以产生扭矩和/或电。因此，系统的效率、可靠性和耐久性通常随独立部件之间的联轴器长度的增加而减小。因此，需要最小化在高振动环境中工作的电力系统中的联轴器的数量和长度。

另外，电力系统可采用废热回收系统，其包括热交换器以捕获废热，并利用它来提高性能、降低燃料消耗和污染物排放。然而，热交换器也可以造成故障和低效率。例如，加压管的簇可焊接到热交换器集管以用作管壳式热交换器。如果任何管发生机械故障和/或泄漏(例如，由于腐蚀、疲劳)，则不可能将它们从集管中拆卸，因此它们的修理和维护可能是昂贵的。另外，通常用于将管密封到热交换器集管的焊接工艺可能导致冶金应力并加速腐蚀和/或机械故障。因此，需要最小化维护或替换电力系统中的热交换器的成本和精力。

总体而言，通过集成它们来增加非侵入式可改装废热回收和转换系统部件的可靠性，以缩短其热工水力连接并同时增强其相对于振动应激源的保护，代表了经济和环境优势。这种废热回收和转换系统可以减少污染物排放并增强公众安全。

发明内容

根据本发明的实施例提供了用于废热回收转换的系统和方法。废热回收转换系统包括可安装到发动机上的壳体。废热回收转换系统还包括壳体内的功率变换装置。PCU包括热交换器、膨胀机、电力发电机和流体泵。热交换器、膨胀机、流体泵和流体储存器形成热力回路，其使用来自废热的热能来驱动电力发电机。

附图说明

并入且构成本说明书的一部分的附图说明了本发明的几个实施例，并与说明书一起用于解释描述废热回收和转换系统及各种部件的装置和方法的原理。

图1A表示说明根据本发明的方面的废热回收和转换系统的示例性配置的框图。

图1B是说明根据本发明的方面的示例性功率变换装置(PCU)的框图。

图1C是说明根据本发明的方面的PCU的框图。

图1D是说明根据本发明的方面的示例性PCU的框图。

图2A说明根据本发明的方面的示例性发动机室的侧视图。

图2B说明根据本发明的方面的示例性发动机室的侧视图。

图3A说明根据本发明的方面的示例性PCU安装总成的顶部透视图。

图3B说明根据本发明的方面的示例性机车发动机室顶盖的顶部透视图。

图3C说明根据本发明的方面的示例性PCU安装总成的侧面透视图。

图4说明根据本发明的方面的PCU安装总成的示例性有源隔振器的侧面透视图。

图5说明根据本发明的方面的装配在覆盖发动机室的发动机罩上的示例性PCU的侧面透视图。

图6说明根据本发明的方面的示例性PCU的侧面透视图。

图7说明根据本发明的方面的示例性PCU的下部透视图。

图8说明根据本发明的方面的示例性PCU的侧面透视图。

图9说明根据本发明的方面的示例性PCU的侧面透视图。

图10说明根据本发明的方面的发动机室的示例性加固结构的侧面透视图。

图11说明根据本发明的方面的示例性加固结构的侧面透视图。

图12A说明根据本发明的方面的示例性振动和冲击衰减系统的侧面透视图。

图12B说明根据本发明的方面的示例性振动和冲击衰减系统的侧面透视图。

图12C说明根据本发明的方面的示例性振动和冲击衰减系统的侧面透视图。

图13A说明根据本发明的方面的示例性机动车辆平台的后部透视图。

图13B说明根据本发明的方面的装配到机动车辆平台的示例性PCU的后部透视图。

图13C说明根据本发明的方面的装配到机动车辆平台的示例性PCU的后部透视图。

图13D说明根据本发明的方面的装配到机动车辆平台的示例性PCU的后部透视图。

图13E说明根据本发明的方面的装配到机动车辆平台的示例性PCU的后部透视图。

图14说明根据本发明的方面的装配到海洋运输平台的示例性PCU的透视图。

图15A说明根据本发明的方面的耦合到内燃动车组的示例性PCU的底部透视图。

图15B说明根据本发明的方面的耦合到DMU的示例性PCU的底部透视图。

图15C说明根据本发明的方面的耦合到DMU的示例性PCU的底部透视图。

图16说明根据本发明的方面的将热交换器示例性地装配到排气歧管的透视图。

图17A说明根据本发明的方面的将叠式热交换器示例性地装配到排气管的侧面透视图。

图17B说明根据本发明的方面的将叠式热交换器示例性地装配到排气管的底部透视图。

图18A说明根据本发明的方面的将高压密封管非永久性地装配到热交换器集管的管板的示例性系统的侧面透视图。

图18B说明根据本发明的方面的将高压密封管非永久性地装配到热交换器集管的管板的示例性系统的侧面透视图。

图19A说明根据本发明的方面的高压密封管的示例非永久性装配的侧面透视图。

图19B说明根据本发明的方面的示例性热交换器集管的侧面透视图。

图20A说明根据本发明的方面的将叠式热交换器装配到废气排放管的示例性系统的功能组件图表。

图20B说明全集成废热回收和转换系统，其中，功率变换装置根据本发明的方面嵌有废气排放管外部结构。

图20C说明全集成废热回收和转换系统，其中，功率变换装置根据本发明的方面嵌有废气排放管外部结构。

图21A说明根据本发明的方面的示例性地装配歧管热交换器的侧面透视图。

图21B说明根据本发明的方面的示例性歧管热交换器的内部构件的侧面透视图。

图21C说明根据本发明的方面的装配歧管热交换器的示例性过程的功能流程图。

图22说明根据本发明的方面的应用到柴油机驱动车辆并示出在加速和巡航条件下通过电源管理系统将热能源(即，废气)转换为用于将电力分配到传动系统、蓄电池组和电网的调整过的电的废热回收系统的示例性框图。

图23说明根据本发明的方面的应用到柴油机驱动车辆并示出将热能源(即，废气)转换为调整过的电以支持在制动到充电蓄电池期间调节产生的电的电源管理系统并为辅机负载供给的废热回收系统的示例性框图。

图24说明根据本发明的方面的应用到柴油机驱动车辆并示出转换来自蓄电池组的调整过的电以驱动压缩机以通过压缩发动机进气减少污染物排放的废热回收系统的示例性框图。

图25说明根据本发明的方面的运用流经歧管或通道的废能流体以将经由热交换器回收的热能转换为机械扭矩、电和压缩空气的废热回收系统的示例性框图，其中，转换能量通过由功率变换装置(PCU)支持的能源转换与利用系统管理。

图26说明根据本发明的方面的应用于例如由内燃动车(DMU)组(或任何运输平台)的操作表示的转换废热和机械能的形成废热回收和转换系统的部件的示例性布局的框图。

图27说明根据本发明的方面的废热回收组和经配置为将监测和操作数据传输在每个装置间以及传输到数据监测和收集中心的转换PCU的透视图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在由图中分组的参考附图中说明。尽可能地，在整个附图中将使用相同的附图标记或字母来指代相同或相似的零件。

本方面总体涉及用于整体的、非侵入的、可逆地改装的废热回收和转换的系统和方法。更确切地说，本文公开的系统和方法通过联络热交换器从一个或多个流体源提取废热能以形成一个或多个热力学闭环。对各种专用热交换器的访问可由计算机控制器管理，当废热源(例如，一个或多个流体源)是高度动态的时，例如对于汽车、铁路、海洋应用以及固定应用(包括发电厂和一般将热能排放到环境的所有应用)，该计算机控制器最大化废热回收效率。

另外，本文公开的系统和方法提供了一种废热回收系统，其包括用于将一个或多个功率变换装置(PCU)安装到内燃(IC)机(例如，铁路、汽车、海运、采矿运输车、自卸车、移动发电厂等)的安装总成，其是侵入的，可改装的、可维护的和可逆的。根据本发明的方面，安装总成使用在发动机运行期间衰减振动和冲击的无源和/或有源隔振器将PCU和废热回收系统中的热交换器与发动机解耦。由于本文公开的PCU可以改装到现有的平台上，这些平台不是设计成调适与附加电力系统的热工水力和电气耦合，所以本发明的安装总成与PCU一起经配置为侵入的，其是通过最小化或避免与由原厂设备制造商(即，发动机设备和位于发动机室内的设备)提供的部件的配置的干扰。

另外，本文公开的系统和方法提供非永久性整体管密封和机械支撑系统，其经配置为将管密封到热交换器集管的管板。集成的非永久管密封系统可应用于具有一个或多个孔的热交换器集管，并且其尺寸可以适于匹配任何管的尺寸，该尺寸用于例如本文公开的涉及管附接的废热回收系统的实施。非永久性整体管密封系统允许通过避免拆卸永久焊接管来更换形成热交换器的泄漏或损坏的管。因此，非永久性整体管密封系统降低了更换泄漏管的时间和成本，同时提高了热交换器的可靠性。

图1A是说明根据本发明的方面的具有最小化或消除的热工水力管和能够在高度振动的环境中操作的电气管道的高度集成、压实的废热回收和转换(WHRC)系统10的示例性配置的示意图。WHRC系统10可经配置为包括多个热交换器20、21、22、23、24、25、26A和26B以及145。这些热交换器在本文中称为中间冷却回热式热交换器(IR-HEX)20、发动机冷却系统热交换器(EC-HEX)21、叠式热交换器(S-HEX)22、歧管热交换器(M-HEX)23、冷凝器换热器(C-HEX)24、膨胀机回热式热器热交换器(EX-HEX)25、发电机/电机冷却热交换器(GEN-HEX)26A和26B以及电子功率模块热交换器(EPM-HEX)145。热交换器20、21、22、23、24、25、26A、26B、145与来自发动机40的至少一个整体功率变换装置(PCU)30和废热能源(WTES)结合操作。在该实施例中，WTES由下文称为“第二流体130”的高温和低温废液表示，其中，数字130L和130H分别表示具有低温和高温的第二流体130。所参考的热交换器20、21、22、23、24、25、26A、26B、145可经配置为在第二流体130和在下文中称为“第一流体29”的工作流体29(例如，水、有机流体、液态金属、热量转移工程流体)之间传递热能，从而在WHRC系统10的部件内循环。第一流体29通过兰朗肯循环发电部件(即涡轮、泵、热交换器)执行热能从第二流体130转换到机械能和电能。

根据本发明的方面，发动机40可由内燃机(例如汽油、柴油、燃气发动机)表示。然而，本发明的整体WHRC系统10可与任何热源耦合并且非侵入式用该热源改装。在实施例中，发动机40可经配置为包括高温第二流体(高温废气)130H在其中流动的高温排气歧管106、低温第二流体(低温废气)130L在其中流动的相对低温的废气排放管102、和进气歧管104。在该实施例中，所参考的歧管106和排气管102可以是原厂设备制造商(OEM)部件。在由歧管106和废气排放管102表示的位置处安装和/或热耦合的热交换器(例如，EC-HEX21、S-HEX22和/或M-HEX23)可以从一个发动机变化到另一个发动机，可经配置为非侵入和可逆地改装发动机OEM组件，而无需修改这些部件。另外，虽然在图1A中没有详细描述，但热交换器20、21、22、23、24、25、26A、26B和/或145以及形成WHRC系统10的热工水力闭合郎肯循环回路的其他部件可经配置为最小化或消除通常分布在形成郎肯循环的各种热工水力部件间的连接管和电气部件，因为WHRC系统10的部件可以完全集成在形成PCU30的壳体内。在其中OEM部件约束可能会引起采用连接管的一些实施方式中，WHRC系统10可经配置为包括在数量和长度高度方面减少的柔性、高压、绝缘管，因为关键废热回收和转换部件与PCU30集成，从而消除了由耦合器、配件、刚性管等表示的热工水力连接。

PCU30将来自由热交换器20、21、22、23、24、25、26A、26B和/或145加热的第一流体29的热能转换成电能和/或机械能，其可用于增加发动机40的功率、减少燃料消耗、减少污染物排放和/或向辅机负载提供电力和/或机械动力。根据图1A所示的本发明的方面，PCU30和热交换器20、21、22、23、24、25、26A、26B和/或145可以与发动机40的OEM部件可逆地改装。因此，WHRC10所表示的优点之一是其组件适应发动机40和其发动机室的物理约束的能力。

在实施例中，PCU30可经配置为单个、紧凑、模块化的壳体装置，其通过凸缘部件提供优化的热工水力耦合，以便最小化管道长度。在实施例中，PCU(例如，C-HEX24、E-HEX25、GEN-HEX26、流体泵107、流体储存器108、止回阀109、喷气器110、控制器114、三通阀118A、压力容器117、调压器(TV-PR)118、止回阀119、涡轮压缩机122、发电机/电机127、膨胀机128)的部件之间的最大距离是几英尺(例如，两(2)英尺或更短)。另外，在实施例中，PCU30的部件完全包含在壳体内，使得与PCU30的部件相互连接的所有管和电线完全包含在壳体内。因此，PCU30的部件是热工水力和电耦合的。PCU30可经配置用于提高WHRC系统10的效率、可靠性和可维护性。在一些实施例中，若干PCU30模块可与单个发动机40或单个WTES并联或串联配置装配。

PCU30可包括并集成C-HEX24、EX-HEX25和GEN-HEX26A和26B(这里统称为GEN-HEX26)。另外，PCU30可以包括并集成以下每个组件中的至少一个：第一流体泵107、第一流体储存器108、止回阀109、喷气器110、本文称为“控制器114”的主动或被动冷却的电子控制器外壳114、加固结构116、有源和/或无源隔振器304、压力容器117、三通阀调压(TV-PR)118、三通阀118A、止回阀119、电动和涡轮膨胀机驱动的涡轮压缩机122、回热式控制泵124、风扇125、发电机/电机127、中间冷却回热式热交换器(I-HEX)20和膨胀机128。根据本方面的方面，上述部件可完全集成并且完全容纳在单个模块PCU30内，其具有通过嵌有其相应壳体的通道和电连接的热工水力和电耦合的所有部件，从而最小化或消除PCU模块30内部和外部的管和电缆。

控制器114可以包括冗余电子控制系统，其经配置用于监测和控制表征发电机/电机127操作模式的热力学和电变量的参数。因此，控制器114调节电压输出并管理恢复和调整过的电力。为了执行由WHRC系统10回收的能量的高精度控制，控制器114还可以经配置用于调节第一流体29的质量流率，以便调整由驱动发电机/电机127的膨胀机128产生的电。因此，控制器114可实时控制发电机/电机127的操作模式，例如，作为发动机40的占空比的函数。例如，根据占空比(和产生的总WTES)，控制器114可控制电动机/电机127作为发电机操作以提供电和压缩空气，或者作为电机以仅提供压缩空气。根据本发明的方面，当发电机/电机127作为电机操作时，控制器114管理作为电源的发动机40产生的电力或来自蓄电池的电力(参见，例如图25、3501)以经由涡轮压缩机122压缩进气32H，从而减少污染物。

废热回收系统10的实施例可以如下操作。储存器108包含由泵107加压的第一流体29，其排出压力可由控制器114调节。第一流体29的质量流率和压力可经由泵107的速度和扭矩控制和/或通过结合或独立致动三通阀118A和三通阀调压器TV-PR118来调节，其中，耦合到TV-PR118的入口的止回阀119A和119B防止流体倒流。在泵107的排出口处被加压后，第一流体29可被分为提供给I-HEX20的第一部分29A和提供给EX-HEX25的第二部分29B。经由控制TV-PR118和泵107的特性，控制器114控制和调节在整个WHRC系统10中循环的第一流体29的总质量流率，以及第一流体29的这些部分中的每一个的质量流率，即分别是第一流体29A和29B。

根据本文公开的实施例，附图标记29A、29B、29C、29D、29E和29F表示WHRC系统10中具有不同能量含量(即不同压力、温度和质量流率)的第一流体29。或者，或非排他地，在一些实施例中，第一流体29、29A、29B、29C和29D表示物理上不同的工作流体，其中，每个工作流体经优化用于高性能，同时在形成WHRC系统10的电力循环的专用热交换器内循环。当第一流体29由不能混合的各种工作流体29A、29B29、C、29D、29E和29F表示时，集成在PCU30内的热交换器以及第一流体储存器108和泵107(例如，热量交换器23、24、25、26A、26B和/或145)可经配置为在各种流体之间隔离地操作。因此，热交换器可经配置用于以不使第一和第二流体不混合的方式执行热耦合各种流体的功能。

在示例性实施方式中，引入EX-HEX25的第一流体29的第一部分29A经由与在膨胀机128内发生膨胀过程之后提供给EX-HEX25的第一流体29C的热耦合而获得热能。WHRC系统10的这种实施可以提供更高的回收效率，因为EX-HEX25能够恢复涡轮膨胀机128的损失。由受控的TV-PR118调节的第一流体29A将EX-HEX25排出并且可被提供给与废气排放管102非侵入地集成和/或安装在废气排放管102中的S-HEX22。第一流体29的该部分经由与低温废能第二流体130L的热交换而获得废气排放管102中的热能(术语“流体”等用于对废能流体混合物作为例如由发动机40排气表示的那些进行处理)。在实施例中，第二流体130L可表示由涡轮增压器216排出的废气，该涡轮增压器216可以是发动机40的OEM部件。当第一流体29D流经S-HEX22时，它通过与流经排气管102的第二流体130L的热耦合来增加其热能含量。在S-HEX22的出口处，第一流体29E可经配置用于引入M-HEX23以进一步增加其能量含量。作为在发动机40内发生的燃烧过程的结果，第二流体130H直接被泵入排气歧管106。因此，第二流体130H表示最热的废热流体。如果选择用于WHRC系统10的工作流体是有机流体，则止回阀119可经配置为当包含在压力容器117中的加压惰性气体可在控制器114的控制下通过阀118A1致动得到释放时防止或减少回流到S-HEX22中。当第一流体29E由有机流体表示时可以启动该特征，该有机流体可能由排气歧管106内的各个位置处的第二流体13OH或在涡轮增压器废气涡轮机排出口128A处的废气排放管102的可能部分表示的高温(相对于有机流体约束)而受到损坏。换句话说，当第二流体130表示高温(第二流体130H)并且超过有机流体操作温度时，控制器114启动阀118A1。因此，包含在压力容器117中的惰性的不可燃的加压气体(即，CO2、氩)使包含在形成M-HEX23的通道中的第一流体29库存移动，从而将第一流体29(当由有机液体表示时)从可能会临时产生超过有机流体耐受温度的温度的WTES区域移除。因此，当用作第一流体29时，压力容器117中的惰性气体被用作安全特征以防止对有机流体造成损害。当该特征被启动时，惰性气体通过由止回阀109和喷气器110(例如，真空泵)表示的自动除气系统排出。确切地说，包含在压力容器117中的惰性气体通过膨胀机128、EX-HEX25和C-HEX24有效地将有机工作流体29移出M-HEX23之外。所产生的惰性气体体积占用第一流体储存器108体积的一部分。止回阀109和喷气器110排出相应的惰性气体体积，从而在恢复WHRC系统10的正常操作时将液压回路重新设置为仅由工作流体29自动重新填充。

经由TV-PR118和三通阀118A的调节而提供给I-HEX20的第一流体29B的部分经由与热压缩空气32(以下称为热“第三流体32H”，其由与PCU30集成的空气压缩机122产生)的热耦合来增加其能量含量。当第一流体29B离开I-HEX20时，它进入EC-HEX21，其可以与进气歧管104(例如，OEM部件)装配和/或安装(非侵入地)。EC-HEX21还可包括与发动机40油冷却系统的热耦合，以便从发动机冷却剂系统和从发动机油冷却系统回收热能。在实施例中，EC-HEX21可是热耦合到与在与PCU30内集成的发动机40设备共同定位的非侵入热交换器表面的夹套式发动机冷却系统。在将其与离开EX-HEX25的第一流体29A的部分混合并且将S-HEX22作为预热的第一流体29D引入废气排放管102中之前，EC-HEX21进一步增加第一流体29B的能量含量。

在废气排放管102中，S-HEX22通过从第二流体130L传递的热能来增加第一流体29D(由任何比例的工作流体29A和29B形成)的热能含量。此时，第一流体29E引入排气歧管106中的M-HEX23。当工作流体29E流经M-HEX23时，其热能含量进一步增加，并且根据工作流体的类型，将第一流体29E过度加热到较高能量含量的第一流体29F。在流经所述热交换器之后，现在已经过度加热至第一流体29F的第一流体29引入涡轮膨胀机128，其机械地耦合到发电机/电机127。当第一流体29F在涡轮膨胀机128内膨胀时，其能量含量降低。作为附加的安全特征，第一流体29F可通过溢流阀29R排出。这种安全特征防止了PCU30的旋转部件例如由于电机/发电机127产生电时的电负载的损失而超速。在异常操作期间，由控制器114控制和被动或主动地致动的溢流阀29R可绕过第一流体29F以降低涡轮膨胀机128的速度。在正常操作期间，在涡轮膨胀机128的排出口处，第一流体29C引入EX-HEX25，用于将热能含量传递到冷却器第一流体29A，由于泵107的操作而从流体储存器108逆流。离开EX-HEX25的第一流体29C通过重力和压差被动地进入C-HEX24(例如，电容器或散热器)，或者通过再循环泵124主动进入，并通过与第四流体的热传递以液态返回，该第四流体112可以是来自发动机40外部的环境的冷空气。第一流体29现在被重新设置回第一流体储存器108中。

WHRC系统10可以包括一系列热力学闭环，其经由I-HEX20、EC-HEX21、S-HEX22、M-HEX23、C-HEX24、EX-HEX25以及GEN-HEX26A和26B将由发动机40表示的WTES传递最大化至第一流体29。因此，WTES经由涡轮膨胀机128转换成机械能。机械能可直接(经由直接驱动)或间接(经由齿轮箱)传送到发电机/电机127的旋转部件，以产生由控制器114控制和调整的电能。如上所述，控制器114还可以分配转换过的无污染电力，以增强发动机40的性能、减少污染物排放、并为辅助电负载(即空调、灯、压缩机、伺服致动器)提供额外的电。另外，由PCU30产生的无污染转换电力和机械功率可用于驱动冷却风扇112的电机，并提供用于特殊应用的特征。例如，如下面关于图13C、图13D和图15A所详细描述的，特殊应用可包括车辆推进(例如，通过驱动耦合到轴的电机，参见图13D的1331)。根据本文发明的实施例操作的WHRC系统10可以提供至少5％至最大23％的燃料节省和相应的污染物排放减少中，从而显着提高发动机40的效率。

另外，根据本发明的方面，为了进一步减少污染物排放，同时降低燃料消耗，WHRC系统10可经配置用于压缩进气歧管104内的进气。在该配置中，如上所述，形成电机/发电机127的PCU30的旋转部件可直接或间接地耦合到一个或多个压缩机涡轮。涡轮压缩机涡轮122可经配置用于表示由各种涡轮级和涡轮机类型(即，径向、轴向)形成的压缩机系统。热第三流体32H是环境空气133借助涡轮压缩机涡轮122流经过滤器133A的结果。根据发动机40的占空比和控制器114的设定，PCU30可通过电动电机/发电机127来驱动。压缩机涡轮122还可独立地或者与电机/发电机127旋转部件和膨胀机涡轮128的机械耦合相结合来驱动。热压缩的第三流体32H引入IR-HEX20，以便在引入发动机40进气歧管104之前降低压缩的第三流体32C的温度。

在一些实施例中，形成OEM涡轮增压器216的压缩机系统可经配置为与压缩机涡轮122串联操作。在该配置中，OEM涡轮增压压缩机122b向OEM中间冷却器系统137提供热压缩空气，并将冷却压缩空气引入进气歧管104中。为了避免使用止回阀和朝向压缩机涡轮122的倒流，由WHRC10污染减少特征产生的冷压缩的第三流体32C经由与进气歧管104改装的非侵入文丘里型喷射器104V引入进气气缸气口(未示出)。在该配置中，当膨胀涡轮128不向压缩机涡轮122提供机械能时，并且当OEM涡轮增压器216提供不足的压缩空气(即，怠速和低功率设置操作时)，压缩机涡轮122将电驱动冷压缩空气32C提供给发动机40进气口。当发动机40在中等功率和高功率设置下操作时，压缩机涡轮122由膨胀机涡轮128驱动。因此，由涡轮增压器216、废气涡轮机128A和中间冷却器137形成的OEM压缩机系统可经配置为补充有附加的、独立中间冷却的压缩空气32C，以在发动机40怠速且在低功率设置时增加进气歧管104的加压。或者，在一些实施例中，压缩机涡轮122可经配置用于替代涡轮增压器216和中间冷却系统137。

图1B示出示例性PCU30的框图，其可以与本文先前描述的相同或相似。因此，PCU30可包括C-HEX24、EX-HEX 25和GEN-HEX26。另外，PCU30可包括形成电子控制器114、电子功率模块和调节器外壳141(以下称为“调节器141”)和电子功率模块热交换器145(EPM-HEX)的组件。功率调节器141包括执行电力整流并调节电压、频率和电流的电子部件，以处理调整到电力发电机/电机127和/或从其调整的电力输出。EPM-HEX145回收由控制器114和由调节器141组成的所有部件所产生的废热能。PCU30还包括GEN-HEX26，其回收由电力发电机/电机127产生的废热能。热交换器24、25、26可利用第一流体29作为在待冷却的部件之间传递热能的装置(即，电机/发电机127的转子、定子、轴承、形成控制器114的功率模块、以及由调节器141组成的功率模块)，同时，由PCU30组件表示的废能一旦传递到第一流体29，则增加工作流体能量含量，从而提高WHRC系统效率。在图1B中，除了经由泵107加压之后提供的由第一流体29所表示的冷却之外，调节器141可以是外壳，第四流体112(冷却空气)可在其中流动以提供对控制器114及其功率模块的冷却。第四流体112可被动地流动，或通过操作风扇125主动地流动。风扇125可由控制器114控制，并由通过PCU30或发动机40提供的电供电。

除了图1A和图1B中描述的PCU30特征之外，可运用至少两个四通阀和压力控制器118B或多个TV-PR118(图1A所示出)来提高循环通过EPM-HEX145、GEN-HEX26和EX-HEX25的第一流体29质量流率的部分的精度，如图1C所示出。更确切地说，图1C说明类似于上面关于图1A和图1B描述的PCU30的实施例。在该实施例中，控制器114通过使用除了泵107之外的由控制器114控制的泵124来控制通过PCU30的组件以及通过IR-HEX20、EC-HEX21、S-HEX22和M-HEX23(所有热交换机)的第一流体29的质量流率。由控制器114控制的泵124和107、四通阀118B和三通阀118A的组合操作能够精细地调节所示出的在各种热工水力回路中循环的第一流体29s的质量流率。在该配置中，可以通过对流经GEN-HEX26的第一流体29质量流率的精确调节来建立对电机/发电机127的精细温度控制。

图1D是说明PCU30的另一实施例的框图，其类似于本文所述。根据本发明的方面，PCU30包含M-HEX23和/或S-HEX的另一配置。更确切地说，PCU30可包括导管或歧管149(例如绝缘管或导管)，废能第二流体130在其中流动(即，分别为高温或低温废气130H和130L)。随着第二流体130流经歧管149，它将热能传递到工作流体29，在M-HEX23或S-HEX22(由第一流体29热物理性质施加的高温或低温限制)内循环而不混合第二流体130，因为这些流体仅通过热交换器(即，M-HEX23和/或S-HEX22)热耦合。在该实施例中，来自工作流体储存器108的第一流体29由于由泵107和泵124执行的加压而流经PCU30的各个部件，其中通过阀门118A和118B的主动致动而执行第一流体29质量流率的精细调节。在该设置中，通过在OEM涡轮增压器之后将OEM发动机排气导管或排气歧管与导管149耦合，PCU30可以以微创方式改装WTES(例如，第二流体130)，其中，导管149可嵌有整体的PCU30组件，并且完全容纳在表示PCU30的外壳内。另外，在这种设置中，由M-HEX23或S-HEX22表示的背压不会影响OEM涡轮增压器性能，因为第二流体130仅在OEM涡轮增压器中扩展之后才将热能传递到WHRC系统10。通过以图1D所示出的配置调节通过M-HEX23的第一流体29质量流率可在引发包含在发动机40的燃烧产物中的水蒸气冷凝的温度下冷却第二流体130。因此，导管149内表现的背压可由真空表示，从而进一步增加OEM涡轮增压器和整体发动机40的性能和效率。

根据本发明的方面，WHRC系统10可以改装在专用于各种应用的内燃机上。作为示例，发动机40可由机车发动机表示，然而专用于移动或固定应用的任何内燃机可用本发明的WHRC系统10进行非侵入改装。

图2A和图2B说明与本文公开的实施例一致的示例性机车发动机室200的侧视图。如图2A所示出，机车发动机室200包括发动机40和废气排放管102，其可以与本文先前所述的废气排放管相同或相似。另外，机车发动机室200包括可拆卸的顶盖206和加固结构208。根据本发明的方面，可拆卸的顶盖206允许替换包括PCU30部件的外壳的非侵入安装。加固结构208可经配置为包括安装在发动机室周围的金属管的组件，以支撑PCU30的重量，该PCU30与发动机80非侵入地改装，而不会干扰位于发动机室200内的OEM部件。加固结构208可围绕发动机室200的框架和可拆卸的顶盖206非侵入机械地耦合(例如，螺栓连接或焊接)。图2B描绘容纳在发动机室200内的发动机40的排气歧管106，其可以与先前描述的排气歧管106相同或相似。另外，图2B说明耦合到装备发动机40的活塞缸套组件(未示出)的歧管过渡部分212和OEM涡轮增压器216的壳体。

图3A、图3B和图3C说明包括加固结构208的机车发动机室200的透视图，其可以与先前在本文中公开的和参考图1中的数字116相似或相同。根据本发明的方面，机车发动机室200改装有PCU30，其可与本文先前公开的相同或相似。更确切地说，PCU30可用使用安装导轨301(图3C)和安装外壳302的发动机室200进行改装，其可将WHRC系统10的各种部件结合为单个模块。为了简化图3A、图3B和图3C所示的说明，未说明安装在安装外壳302内的各种部件(即PCU30)。在这些插图中，安装外壳是PCU30的骨架表示。

图3A、图3B和图3C说明通过拆卸顶盖206并且用成形的安装外壳302将其(它们)替换而改装在机车发动机室(例如，发动机室200)上的PCU30，以便通过从安装外壳302的基本结构延伸的延伸盖表面306来保持顶盖206的功能。参考图3A和图3C，可与本文先前描述的相同或相似的隔振器304(例如，减振器、阻尼器等)使PCU30、安装导轨301和安装外壳302脱离发动机室200的振动和冲击。在实施例中，隔振器304耦合在改装在发动机室(例如，加固结构208)和安装导轨301或安装外壳302的加固结构之间。在实施例中，隔振器304可以由动态振动衰减系统主动控制。为了简单起见，图3A、图3B和图3C仅说明PCU30和安装外壳302的框架，因为PCU30包括关于图1A、图1B、图1C和图1D先前描述的部件。

图4说明根据本发明的方面的示例性P有源隔振器403。在该配置中，有源隔振器403可由形成隔振器的囊状物表示。在实施例中，有源振动控制软件(例如，由控制器114执行)控制有源隔振器403。例如，基于发动机室200上的冲击或振动(例如由一个或多个加速度计检测到)，有源振动控制软件可以输出振动控制信号405，其使有源隔振器403主动地更改其减震特性。

图5说明在容纳机车发动机室(例如，发动机室200)的结构上改装的PCU30的透视图。在该配置中，PCU30配备有运用第一流体112(即环境空气)和检修门503的冷却系统501。冷却系统501可经配置为包括一个或多个C-HEX24和风扇125，其可以与本文之前描述的相同或相似。如图5所示，冷却系统501位于PCU30的顶部。然而，冷却系统501可经配置为相对于PCU30在不同位置处与第四流体112交换热能。例如，冷却系统501的所有部件中的一些可以位于PCU30的侧面或底部。

图6、图7、图8和图9示出根据不同的改装应用的冷却流体的流动方向可设置在PCU30的各个位置处的冷却通风口702、601、602、701、801和901中的一个或多个的示例性配置。

图10和图11示出多个非侵入地替换机车发动机室(例如，机车发动机室200)的顶盖(例如，顶盖206)的PCU30和形成外骨骼的加固结构116和208的示例性透视图，该加固结构可以非侵入地用机车发动机室改装，以根据本发明的方面分配一个或多个PCU30的重量。加固结构208和116是非侵入的，因为它们并不干扰装配系统中的现有结构或部件。例如，装配机车的发动机室(例如，发动机室200)可用加固结构208和116进行改装，以有助于支撑PCU30的重量。值得注意的是，PCU30可经配置为基于不同的发动机占空比(例如，发动机40的占空比)来输出不同或相同的额定功率。如实施例中所述，与本发明内容一致的实施例提供一种机车安装系统，其形成对机车发动机室200的现有结构206是非侵入性的PCU30的支撑和防护。

图12A、图12B和图12C说明根据本发明的方面的示例性振动和冲击衰减系统1200。振动和冲击衰减系统1200包括安装导轨301和隔振器304，其可以与本文先前描述的相同或相似。另外，振动和冲击衰减系统1200包括辊1202、x轴平移器1203、y轴平移器1204和z轴平移器1205。此外，振动和冲击衰减系统1200包括表示与电机/发电机127集成的PCU30旋转部件的旋转质量块1365。

为了清楚起见，图12A分别说明振动和冲击衰减系统1200。振动和冲击衰减系统1200可以安装在安装导轨301和隔振器304上，其可以与先前公开的相同或相似。参考图12A描绘了主要的x轴、y轴和z轴的运动，其中，x轴和y轴在地面平面内，z轴相对于地面垂直。振动和冲击衰减系统1200包括辊1202、x轴平移器1203、y轴平移器1204和z轴平移器1205，其允许振动和冲击衰减系统1200垂直、横向和纵向平移。对于每个轴平移器，专用有源或无源衰减系统1207耦合到冲击衰减系统1200。衰减系统1207可由弹簧加载的冲击和阻尼吸收器(即，被动)或由控制器114控制的有源阻尼系统来表示。此外，振动和冲击衰减系统1200的实施例可包括与z轴平移器1205的支架耦合(例如，通过轴承)的旋转质量块1206，其减轻或中和对PCU(例如，电力发电机/电机127、涡轮膨胀机128、压缩机涡轮122、耦合器和轴承系统的旋转部件)中的耦合器的振动、震动和冲击。

图12B说明结合示例性PCU30的振动和冲击衰减系统1200，其可以与本文先前描述的相同或相似。另外，PCU30包括壳体1208和包含轴承、多级涡轮定子和转子、密封件、用于流体(例如，第一流体29)经由涡轮膨胀机128膨胀的压力入口的蜗壳1209。蜗壳1209可耦合到扩散器系统1211。扩散器1211可经配置为在进入EX-HEX25之前通过减小膨胀器128排出口处的背压来增加离开涡轮增压器128的第一流体29(例如，工作流体)涡轮增压器128排放效率，同时在结构上支撑从EX-HEX25排出并进入C-HEX24的第一流体29的导流板，其中，泵124可集成在壳体1406内。

图12C说明由振动和冲击衰减系统1200容纳和耦合的形成PCU30的整体内部部件的附加特征。更确切地说，结构部件1215将电力发电机/电机127、膨胀机128、蜗壳1209、扩散器1211和EX-HEX25(以及包括在壳体1406内的图12B中的C-HEX24的部分)以提供由次级振动和冲击衰减系统1200、安装导轨301和主隔振器304支撑的刚性系统，这扩大对PCU30的所有部件的振动和冲击的保护。值得注意的是，联轴器1217提供用于压缩机系统(例如，涡轮压缩机122)的接口以机械地耦合到电力发电机/电机127的旋转部件。

图13A至图13E说明在汽车平台1300上实施的示例性PCU30。PCU30可以与本文先前描述的相同或相似。根据本发明的方面，PCU30可以非侵入地改装在现有和/或先前装配的汽车平台1300上。与本文先前描述的示例一致，汽车平台1300包括发动机(例如，发动机40)、排气管102，其中，相对低温的第二流体130L(例如，废气)被排放到大气中。另外，根据本发明的方面，汽车平台1300包括主振动衰减系统(例如，隔振器304)和次级振动和冲击衰减系统(例如，振动和冲击衰减系统1200)，其可以是与先前描述的相同或相似的。图13B说明安装在汽车平台1300后部的PCU30的示例。如图所示出，PCU30可经配置有源包围和/或并入排气管102的至少一部分，以便集成图1D所示的导管149。PCU30(包括C-HEX24、风扇125)可以与本文先前描述的相同或相似。此外，PCU30包括冷却通风口1311、1312、1313和1314、以及风扇125和C-HEX24，其可基于围绕汽车平台1300的风冷流以不同的速率操作。在汽车平台1300上非侵入地改装的PCU30的示例性实施例可经配置为通过与汽车平台1300的速度成比例的气流挡板(未示出)来提供冷却流体112流(例如，环境空气)，从而最小化或消除对PCU30冷却风扇125的需要。

如前所述，PCU30是使用由内燃机(例如，发动机40)的操作表示的废热能源(WTES)产生电力的WHRC系统(例如，废热回收和转换系统10)的一部分。根据本发明的方面，图13C说明耦合到汽车平台1300的车轮1325的牵引电机1321。牵引电机1321包括直接或间接驱动车轮1325的电子电机(感应或永磁体)。根据本文先前描述的本发明的方面，PCU30将废热能转换成可以用于支撑汽车平台1300辅助电负载(例如，用于特殊运输的制冷装置)以及推进的电，这会降低燃料消耗和污染物排放。在实施例中，PCU30还可对可由牵引电机1321产生的再生制动能量进行充电的蓄电池组进行充电。图13D说明装配有由可在汽车平台1300上的PCU30驱动的一个或多个牵引电机1331的汽车平台1300，并且可集成蓄电池组，该蓄电池组表示通过再生制动和由PCU30组成的电机/发电机127再充电的电能存储机构的。图13E描述运用由汽车平台1300的运动产生的风冷流1341的PCU30的各种配置，以提高PCU30的效率，减小C-HEX24和风扇125的尺寸。在该配置中，PCU30冷却表面可以相对于由汽车平台1300的运动产生的气流产生最小摩擦力的方式定位。如图所示出，一个或多个PCU30可经配置用于安装在汽车平台1300的顶部、侧面或底部。所表示的PCU30不按规定比例。

根据本发明的WHRC系统(例如，废热回收系统10)和PCU(例如，PCU30)不限于机车和汽车上的实施。例如，图14说明聚集在排气管102附近的一个或多个PCU系统30，以便转换由海洋平台1400产生的废热能。在该配置中，通过来自一个或多个船用柴油发动机(例如，跨海洋船只)的第二流体130(例如，废气)的转换产生的电可由PCU30调整(例如，使用控制器114、电力发电机/电机127和功率调节器141)，用于分配到海洋平台调车场和电动公共汽车。在该配置中，单个PCU30可经缩放以匹配由包含在第二流体130中的废能表示的额定功率。或者，可聚集PCU30模块组(例如，如图14所示的放大的“区域A”所示出)以匹配由第二流体130表示的总能量。

图15A说明根据本发明的方面的耦合到具有一个或多个发动机40的内燃动车组(DMU)1500的示例性PCU30。PCU30和发动机40可以与本文先前描述的相同或相似。PCU30可以使用主振动和冲击衰减系统(隔振器304和/或有源隔振器405)和次级振动和冲击衰减系统(例如，振动和冲击衰减系统1200)以一种与本文之前所述的相同或相似的方式安装到DMU1500。此外，可以与先前描述相同或相似的的通风口(例如，通风口1311、1312、1313和1314)、C-HEX(例如，C-HEX24)和风扇(例如，风扇125)可以经配置为不干扰DMU1500的现有设备，并最大化风冷流以实现高PCU30转换效率。

如前所述，PCU30可以将发动机40产生的废热(例如，电气和排气系统的热能)转换成电力，然后将其分配给各种负载。例如，PCU30产生的电(例如，使用电力发电机/电机127和涡轮膨胀机128)可被分配以支持辅机负载(例如，冷却系统)和蓄电池以及OEM或改装的牵引电机1505。另外，在一些示例中，PCU30可经由第三轨连接或集电弓连接将功率分配给电源电网。牵引电机1505可经配置为永久磁体或者为与DMU车桥1506中的至少一个改造和耦合的感应式电机。图15B和图15C说明DMU1500的示例，其包括将图15B中的废气排放管102装配到经修改的排气管1525(图15C)以允许对S-HEX22进行改装。

图16说明根据本发明的方面的通过DMU1500的排气歧管106的M-HEX23的示例性装配(或改装)。M-HEX23、排气歧管106和DMU1500可以与本文先前所述的相同或相似。示例性的M-HEX23包括密封集管1605、管束1609和入口/出口1613。密封集管1605可经配置为通过将其耦合并密封到排气歧管106的端部而非侵入且可逆地改装到排气歧管106。第一流体29可通过入口和出口1613循环通过管束1609，同时在现在由歧管106形成的“壳侧”上，高温第二流体130H由于发动机40的操作而循环。管束1609的示例性配置也在图21A中示出。

图17A和图17B说明通过排气管102的S-HEX22的示例性装配(或改装)的透视图。S-HEX22和排气管102可以与本文先前所述的相同或相似。示例性的S-HEX22包括密封集管1705、管束1709和入口/出口1713。虚线箭头表示最终将管束1709(例如，S-HEX22)定位在排气管102中的方向。密封集管1705可通过耦合到排气歧管102的端部并且密封排气歧管106中的非永久性管密集管1709而非永久地装配到排气歧管102。第一流体29可通过入口和出口1713循环通过管束1709，同时低温第二流体130L(例如，在OEM涡轮增压器中膨胀之后的废气)在现在由管束1709的外表面和排气管102的内表面形成的“壳侧”上循环。

图18A和图18B说明非永久性的高压热交换器密封集管机构1800(例如，密封集管1605和密封集管1705)，其可以与本文先前描述的相同或相似。密封集管1800通过运用收纳螺母1817(定制设计或标准螺母)、切割环1821和套圈1825、用于紧密装配到与孔1801同心的锥形座1826中的管板1809中的孔1801(例如，定制的异形孔)来运用机械装置将管1805(例如，管束1609和1709)密封到管板1809。更确切地说，螺母1817机械地啮合管板1809(例如，通过螺纹)并且抵靠孔1801内部的座1826(例如，专门设计的座)压缩切割环1821和套圈1825，以迫使切割环1821和套圈1825进入管1805的外壁。切割环1821将套圈1825对齐在切割环1821和螺母1817之间，从而密封并增强组件的机械耦合，甚至在严重的振动下。通过紧固螺母1817执行的切割环1821和套圈1825、管板1809和管1805之间的接触将管1805固定在管板1809中，并且在管1805和管板1809之间提供高压密封。高压密封允许任何流体通过入口/出口1833将集管盖1829引入集管腔1837，并确保流体可在管板1809和管1805之间的接口处引入或排出管1805而没有泄露。集管盖1829和管板1809可通过密封件1813机械地耦合和密封。定制或特殊孔轮廓的集成性质允许将该方法和装置应用于具有任何数量的孔/管的热交换器集管，并且可以对在涉及管密封和机械支撑的任何应用中使用的任何尺寸的管进行调整。这种非永久性管密封特征允许更换泄漏或损坏的管，而不需要主要设备要求来拆卸永久固定的管，并因此减少从热交换器更换泄漏管的时间和成本。

图19A和图19B说明装配有类似于图18A和图18B中描述的高压热交换器密封集管接口的较大管集箱1900。更确切地说，图19A示出密封集管1809和单个示例性管1805的集管盖1829之间的密封方法。图19B示出较大的管集箱1900，其中，管集箱1909可经配置为通过孔1901密封多个管1805(未示出)。孔1901经配置为调适与图18A、图18B和图19A(例如，锥形座1826)所示出的类似或相同的内锥形座。较大的管集箱1900的示例性实施例可经配置为具有间壁，以将给定数量的管1901与另一密封到同一管集箱1909的给定数量的管1901分离。例如，密封到管集箱1902的与管集箱1903的部分对称的部分的管1805可经配置用于密封两个不同的第一流体29，因为密封件1913分离并密封这些对称的管集箱部分。管集箱1900的形状可以是任何合适的形状，例如圆形、矩形、正方形、三角、多边形和弯曲形。因此，集管盖的形状可具有与管集箱1909的形状相匹配的形状。

图20A说明用专用或定制的S-HEX22来改造排气管102的示例性方法。排气管102和S-HEX22可以与本文先前描述的相同或相似。根据本发明的方面，S-HEX22经配置为通过拆卸现有的凸缘2005并且从顶部插入S-HEX22而将排气管安装在排气管102的内部容积内，以非侵入地装配或改装该排气管。顶部凸缘2009和底部凸缘2011允许S-HEX22与排气管102内部对齐并机械地耦合它，以便结构坚固性，同时防止热交换器被喷出。形成S-HEX22的每个结构部件可是几何形状以提供最小的流体阻力并且可配备有孔2006以最大化湍流，同时保持流经热交换器的壳侧(例如，废气侧)的第二流体130上的低背压。S-HEX22可经配置用于表示一系列具有锥形形状的弯管的管束2013，以便紧密地模仿该图中所示出的特定排气管102的内部几何形状。该实施例包括顶部非永久性密封管集箱1909和底部非永久性密封管集箱1909。耦合到管集箱盖(未示出)的入口和/或出口2025和2027(在该结构中对称)使得能够密封循环第一流体29(例如，工作流体29)。当S-HEX22降低到排气管102中时，可以通过具有各种直径的孔2006的穿孔对称的凸缘或盖2009来固定它，以降低背压和声学特征。

图20B示出OEM排气管102，其用S-HEX22非侵入地改装，其中，热交换器的入口和出口直接耦合到与排气管102集成的PCU30。在该配置中，形成PCU30的部件包括在排气管102内或者定位在排气管102的外部，以便最小化或消除S-HEX22和PCU30部件之间的热工水力连接。作为示例，图20B示出经配置为耦合到排气管102的外部结构的PCU30。作为另一示例，图20B示出经配置为与排气管102的结构完全集成的PCU30。在该配置中，C-HEX24的表面将通过将C-HEX24定位并集成在排气管102的顶部或侧面上而暴露于第四流体(例如，环境空气)112，并且对称的S-HEX22入口/出口(例如，2027和2025)将消除，因为热交换器集管盖可与膨胀机涡轮122蜗壳和EX-HEX25出口集成。

图21A、图21B和图21C说明根据本发明的方面的OEM排气歧管106中的M-HEX23的示例性装配(或改装)。M-HEX23可由管束1609、非永久性密封集管1605、可更换的入口/出口1613形成，这可以与先前描述的相同或相似。另外，M-HEX23可以包括滑动支撑叶片2112。滑动支撑叶片2112在排气歧管106内循环时重定向热第二流体130H流。另外，滑动支撑叶片2112支撑管束1609。滑动支撑叶片2112包括合适的形状和通道，以在最小化背压的同时保持结构强度。在该配置中，形成管束1609的管1805可以随着该热交换器在排气歧管106内滑动而在排气歧管106内部自由地膨胀和收缩。配置为管束1609的M-HEX23的非侵入改装安装包括将整个管束1609和密封凸缘1605滑动到OEM废气歧管106内部，而不需要修改所述排气歧管。

图21B详细说明在滑动支撑叶片2112上的管束1609的实施例2100。如图所示出，支撑叶片2112可京配置为允许管1805通过在排气歧管106的内壁上防滑动而膨胀和收缩。滑动和支撑叶片2112通过锁定机构2114机械地耦合到支撑管2114A。如图21A所示出，为了在驱动第二流体13OH的流动的同时减小背压，支撑和滑动叶片2112可配备有贯孔2013和2015。

图21C说明根据本发明的方面的非侵入地装配在排气歧管106中的密封集管1605。通过用管束1609改装排气歧管106的直线部分并借助于密封件1813和压缩式线夹(未示出)或经由任何其他的折边方法来密封排气歧管而非侵入地从废气(例如，第二流体130)回收热能的示例性方法。在该示例中，表示M-HEX23的燃料束1609可通过将热交换器从排气歧管106的与OEM涡轮增压器系统216(图1A)相对的端滑动到排气歧管中而被非侵入地改装。因此，当管束1609完全插入排气歧管内时，耦合排气歧管106的端和管集箱1605的夹具会施加压缩管集箱1605的密封件1813的力，从而确保由管束1609和排气歧管106的内壁构成的管的外表面现在形成的“壳侧”的密封。随着发动机40气缸经由端口和凸缘106B机械地耦合到排气歧管106，表现在与排气歧管106的热膨胀和收缩相结合的操作期间的移动，柔性构件106C允许排气歧管自由地膨胀或收缩。在该配置中，排气歧管106表现的机械移动不会对管束1609产生应力，因为管由滑动叶片2112(图21A和图21B所示出)支撑。

图22至图24说明从内燃机40平台(即机车、汽车、DMU、海洋、固定)上改装的WHRC系统(例如，WHRC系统10)的“功率流”，其中PCU30经配置为通过集成电荷存储系统(例如，蓄电池)并且包括改装定制的牵引电机(例如，1321、1331、1506)来混合并提高内燃机的效率，以在再生制动期间增加燃烧机功率并恢复电能。

图22说明用于汽车和轨道应用的本发明的WHRC系统的PCU30的示例性实施例，其中，车辆以加速和巡航模式操作。如图所示出，在加速/巡航操作模式下，箭头“功率”沿着转换器的方向流动，其中，一部分回收的能量可通过蓄电池组存储，调整为用2或3相操作的电辅机负载，或经反转以驱动牵引电机(例如1321、13311、1506)。电源管理由控制器114执行。

图23描述总结用于汽车和轨道应用的本发明的WHRC系统的PCU30的配置的框图，其中，车辆正在减速或制动。在这些操作模式下，牵引电机可经配置为作为发电机操作以对蓄电池再充电和/或将能量调度到辅机负载(或者经由例如图15C的第三轨1510调度到电网)。同样，控制器114可经配置为在车辆减速时管理再生制动。

图24描述了总结用于汽车和轨道应用的本发明的WHRC系统的PCU30的配置的框图，其中，车辆在怠速或启动，并且PCU30的蓄电池系统可经配置用于提供功率以增加发动机进气量并减少污染物排放，这符合本文所述的PCU30减排特征。

图25说明根据本发明的方面的用于由内燃机(例如40)驱动的车辆和固定平台的混合的整体PCU30的配置的示例性框图。该图所示出的图表总结了用于生成和分配调节电力的热能回收部件和转换电气部件。图25概括了经由电动压缩机涡轮122产生的压缩空气的各种操作模式(即，加速/巡航、减速和再生制动以及减排)。在该总结表示中，热交换器由本文所描述的大多数热交换器的累积效应表示(例如，Ex-HEX25、IR-HEX20、EC-HEX21、S-HEX22、M-HEX23和GEN-HEX26)。在该配置中，C-HEX24与储存器108集成。

图26说明根据本发明的方面的包括PCU30、发动机排气歧管149以及本文所描述的其它部件的WHRC系统10的示例性布局的框图。

图27说明用机车发动机(例如，发动机40)改装的一组PCU30，其中，每个PCU30可经配置用于提供最佳匹配机车操作和占空比的额定功率。在该配置中，PCU系统30可经配置为在低、中等和最大机车功率设置下输出最大效率。在该配置中，给定的PCU可经优化为作为第一流体29与有机流体一起工作，以在怠速和/或在低功率设置下操作时回收由发动机产生的非常低的废热能。另一个PCU可经配置为作为第一流体29与不同的有机流体一起操作，以便最大化在中等功率设置下匹配机车发动机操作的废热能特性的效率，剩余的PCU30可配置为作为第一流体29经与水一起操作，以最大化功率回收功率，而不受有机流体表示的温度限制。另外，形成簇的PCU30可经配置为通过电力和热工水力将功率从一个PCU传递到另一PCU来最大化调节回收的电能的总产量。在该配置中，在任何时候，每个单独的PCU30可与正在回收的废能量的量成比例和根据实时机车的发动机占空比增加或减少其发电量。另外，在形成PCU组的任何装置的故障的情况下，剩余的PCU30可自动重新配置以增加发电量，以便不影响所产生的净电量和成比例的燃料节约。在这种情况下，故障装置或任何剩余的操作装置可无线警报远程接收器，以便组织PCU在机车操作者最便捷时进行交换。可与控制器114集成或作为独立收发器独立管理的无线通信收发机2701也可用于在标准数据传输协议下传输技术数据。由控制器114收集并且(由无线方式)由发射机2701传输的数据可包括电价/功率比、累积产量(即，kWhr)、热力学参数、振动和磨损参数，这可用于实时技术和经济性能评估并计划在发生损坏或故障之前更换部件。

本发明不限于本申请中描述的特定示例，其旨在作为各方面的说明。在不脱离其精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变化，这对于本领域技术人员是显而易见的。在本发明的范围内的功能上等同的方法和装置除了本文列举的那些之外，对于本领域技术人员来说将从上述描述中变得显而易见。这样的修改和变化旨在属于所附权利要求的范围内。本发明仅受所附权利要求的条款以及这些权利要求的等同物的全部范围的限制。应该理解，本专利申请文件中所用的术语仅是为了描述特定实施例，而且并不在于限制本发明。

对于本文中使用的大致任何复数和/或单数术语，本领域技术人员可以适当地根据上下文和/或应用从复数转换为单数形式和/或从单数转换为复数形式。为了清楚起见，可以在此明确阐述各种单数/复数排列。

本领域技术人员将理解，一般来说，本文使用的术语，特别是所附权利要求(例如，所附权利要求书的主体)中的术语通常旨在作为“开放”术语(例如，术语“包括”应当理解为“包括但不限于”，术语“具有”应理解为“至少具有”，术语“包括”应理解为“包括但不限于”等)。本领域技术人员将进一步理解，如果要引入特定数量的权利要求声明，则这种意图将在权利要求书中明确地叙述，并且在没有这种叙述的情况下，不存在这样的意图。例如，作为对理解的帮助，以下所附权利要求可以包含介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求陈述。然而，使用这些词语不应理解为通过不定冠词“a”或“an”引入的权利要求陈述会限制任何特定的包含这种权利要求陈述的权利要求和仅包含一个这样的陈述的示例，即使相同的权利要求包括介绍性的短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词如“a”或“an”(例如，“a”和/或“an”应解释为“至少一个“或”一个或多个“)；对于使用用于引入权利要求陈述的定冠词也是如此。另外，即使明确地叙述了引入的权利要求叙述的具体数量，本领域技术人员将认识到，这种叙述应理解为至少表示所述的数字(例如，仅叙述“两个叙述”而没有其他修饰符是指至少两个叙述，或两个或更多个叙述)。此外，在类似于“A、B和C中的至少一个”的实例的情况下，一般而言，这种结构的意图在于本领域技术人员将理解惯例的意义(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于：只有A、只有B、只有C，A和B一起、A和C一起、B和C在一起、和/或A、B和C在一起等)。在类似于“A、B或C中的至少一个”的实例的情况下，一般而言，这种结构的意图在于本领域技术人员将理解惯例的意义(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于：只有A、只有B、只有C，A和B一起、A和C一起、B和C在一起、和/或A、B和C在一起等)。本领域技术人员将进一步理解，实际上，无论在说明书、权利要求书或附图中呈现两个或多个替代术语的任何分离词和/或短语应理解为考虑到包括术语之一、任何一个术语、或两个术语。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。另外，在本发明的特征或方面根据马库什群体描述的情况下，本领域技术人员将认识到，本发明也因此根据马库什集团成员的任何个别成员或亚组来描述。

虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文公开的各个方面和实例是为了说明的目的，而不是限制性的，其真实范围和精神由所附权利要求书指出。

Claims

1.一种废热回收转换系统(10)，包括：

壳体(402),所述壳体(402)经配置用于安装在发动机(40)上；以及

功率变换装置(30)，所述功率变换装置(30)在所述壳体内，所述PCU包括：

多个热交换器(24、25、26)；

膨胀机(128)；

电力发电机(127)；以及

流体泵(107)；

其中，所述多个热交换器、所述膨胀机、所述流体泵和所述流体储存器形成热力回路，所述热力回路使用来自废热的热能驱动所述电力发电机。

2.根据权利要求1所述的废热回收转换系统，进一步包括多个隔振器(304)，所述多个隔振器(304)经配置用于安装在所述壳体和所述发动机之间。

3.根据权利要求1或2所述的废热回收转换系统，其中，包括所述PCU的所述多个热交换器包括电容器。

4.根据权利要求1至3所述的废热回收转换系统，其中，包括所述PCU的所述多个热交换器包括发电机热交换器(26)，所述发电机热交换器(26)将来自所述电力发电机的废热传递到第一流体。

5.根据权利要求1至4所述的废热回收转换系统，其中，所述PCU进一步包括电源模块热交换器(145)，所述电源模块热交换器(145)安装到所述PCU的电子设备，并且经配置为将废热从所述电子设备传递到第一流体。

6.根据权利要求1至5所述的废热回收转换系统，其中，所述多个热交换器、所述膨胀机、所述电力发电机和/或所述流体泵之间的电线和管的最大长度约为两英尺。

7.根据权利要求1至6所述的废热回收转换系统，进一步包括发动机冷却系统热交换器(21)，所述发动机冷却系统热交换器(21)经配置为：

安装到所述发动机的进气歧管(104)；以及

将废热从所述进气歧管传递到所述第一流体。

8.根据权利要求1至6所述的废热回收转换系统，进一步包括叠式热交换器(22)，所述叠式热交换器(22)经配置为：

安装在所述发动机的排气管(102)内；以及

将废热从流经所述排气管的第二流体传递到所述第一流体。

9.根据权利要求1至6所述的废热回收转换系统，进一步包括歧管热交换器(23)，所述歧管热交换器热交换器(23)经配置为：

安装到所述发动机的排气歧管(106)；以及

将废热从流经所述排气歧管的第二流体传递到所述第一流体。

10.根据权利要求9所述的废热回收转换系统，其中，所述歧管热交换器经配置用于装配在所述发动机内的所述排气歧管上。

11.根据权利要求9所述的废热回收转换系统，其中，所述歧管热交换器位于所述壳体内。

12.根据权利要求1至6所述的废热回收转换系统，其中，所述车辆是机车。

13.根据权利要求12所述的废热回收转换系统，其中，机架结构安装在所述机车的发动机室上方。

14.根据权利要求12所述的废热回收转换系统，其中，机架结构安装在所述机车的底盘下方。

15.根据权利要求1至6所述的废热回收转换系统，其中，所述车辆是汽车平台。

16.根据权利要求1至6所述的废热回收转换系统，其中，所述车辆是海洋平台。

17.一种方法，所述方法包括用权利要求1至6中所述的任一项的废热余热回收和转换系统(10)对发动机(40)进行改装。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括用废热从所述进气歧管传递到第一流体的歧管热交换器(21)来改装所述发动机的进气歧管。

19.根据权利要求17或18所述的方法，进一步包括用将流经所述排气管的第二流体的废热传递到第一流体的叠式热交换器(22)改装所述发动机的排气管。

20.根据权利要求17至19所述的方法，进一步包括用将流经所述排气歧管的所述第二流体的废热传递到所述第一流体的歧管热交换器(23)来改装排气歧管(106)。