CN108474270A - 用于燃式发动机和whr系统的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料式发动机和车辆(1)中的WHR系统的冷却系统。冷却系统包括：将处于第一温度(T1)的冷却剂引导至WHR系统的冷凝器(18)的第一管线(23)，将处于第二温度(T2)的冷却剂引导至冷凝器(18)的第二管线(24)，至少一个所述管线(23，24)中的冷却剂的流量可通过阀装置(25，26，29)进行调节，并且控制单元(20)被构造成控制阀装置(25，26，29)，使得从所述管线(23，24)引导至冷凝器(18)的冷却剂的温度和流量造成冷凝器(18)中的工作介质冷却至实际操作条件下的预定冷凝温度/压力。

Description

用于燃式发动机和WHR系统的冷却系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于燃式发动机和WHR系的冷却系统。
背景技术
WHR系统(废热回收系统)可用于车辆中，以回收废热能并将其转换为机械能或电能。WHR系统包括对工作介质加压并使其在闭合回路中循环的泵。该回路包括一个或多个蒸发器，工作介质该蒸发器中被一个或多个热源(诸如来自燃式发动机的排气)加热并蒸发。被加压和加热的气态工作介质被引导至膨胀器中并在膨胀器中膨胀。膨胀器产生可用于操作车辆或车辆上的装置的机械能。替代地，膨胀器连接至产生电能的发电机。离开膨胀器的工作介质被引导至冷凝器。工作介质在冷凝器中冷却至其冷凝的温度。液化的工作介质被重新引导至对介质加压的泵中。因此，能够借助于WHR系统从例如来自车辆的内燃机的废气中回收废热能。因此，WHR系统可以减少燃式发动机的燃料消耗。
为了实现WHR系统中的高热效率，冷凝器中的工作介质应被冷却至尽可能低的冷凝温度并且基本上没有过冷。因此，为了实现WHR系统中的高热效率，工作介质必须冷却至适当的冷却效果。然而，冷凝器中的工作介质的适当冷却效果在不同的操作条件期间变化，诸如随着例如从废气供应至蒸发器的热效果而变化。由于来自排气的供应热量可能迅速地变化，因此困难的是持续提供冷却效果以实现WHR系统的高热效率。
US2013/0118423示出一种冷却回路，该冷却回路具有对电机进行冷却的循环的冷却剂。冷却回路包括冷却管线和旁路管线，冷却剂在该冷却管线中对WHR系统的冷凝器中的工作介质进行冷却，该旁路管线引导介质绕过冷凝器。利用在特定压力下打开的泄压阀对通过旁路管线的冷却剂流进行控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却系统，该冷却系统能够快速且简单地提供对WHR系统的冷凝器中的工作介质的冷却效果的调节，以便基本上持续地建立冷凝器中的工作介质的冷凝温度/压力，WHR系统在该冷凝温度/压力下获得高热效率。
上述目的通过根据权利要求1的特征部分所述的冷却系统实现。在这种情况下，冷却燃式发动机的冷却系统也用于冷却WHR系统的冷凝器中的工作介质。为了持续WHR系统中的高热效率，需要在不同的操作条件期间调节冷凝器中的工作介质的冷却效果。冷却系统包括将两种不同温度的冷却剂引导至冷凝器的两个管线。借助于阀装置可以调节其中至少一个管线中冷却剂的流率。如果实际冷凝温度/压力太高，则冷却效果会增加。在这种情况下，可以调节阀装置并增加将处于较低温度的冷却剂引导至冷凝器的管线中的流率，和/或降低将处于较高温度的冷却剂引导至冷凝器的管线中的流率。结果，被引导至冷凝器的冷却剂接收更低的温度，导致冷凝器中的工作介质的冷却效果增加和冷凝温度更低。另一方面，如果实际冷凝温度/压力过低，可以调节阀装置并降低将处于较低温度的冷却剂引导至冷凝器的管线中的流率，和/或增加将处于较高温度的冷却剂引导至冷凝器的管线中的流率。结果，被引导至冷凝器的冷却剂接收更高的温度，导致冷凝器中的工作介质的冷却效果减少和冷凝温度更高。温度的调节以及冷却剂的流速可以快速和简单地进行。因此，能够在不同的操作条件期间获得WHR系统的基本持续高的热效率。由于实际原因，许多时候适于避免WHR系统中出现负压。在这种情况下，适于获得刚好高于1bar的冷凝压力。预定压力范围可以例如在1.1bar至1.5bar的范围内。应该注意的是，工作介质的冷凝压力具有相应的冷凝温度。
根据本发明的实施方式，第二管线包括第二散热器，冷却剂在被引导至冷凝器之前在该第二散热器中被冷却至第二温度。在这种情况下，可以在第二管线中提供比第一管线中低得多的冷却剂温度。被引导至冷凝器的冷却剂的温度可在两个管线中的冷却剂温度所限定的温度范围内进行调节。控制被引导至冷凝器的冷却剂的温度和冷凝器中的工作介质的冷却效果的能力随着温度范围的大小而增加。冷却剂可以在第一散热器和第二散热器中被空气流冷却。第一散热器和第二散热器可以被共同的空气流冷却，其中第二散热器被定位在第一散热器的上游位置。在这种情况下，第二管线中的冷却剂可以被冷却至接近环境温度的温度。散热器可以设置在车辆的前部。
根据本发明的实施方式，阀装置包括被构造成调整第一管线中的流率的第一阀构件和被构造成调整第二管线中的流率的第二阀构件。在这种情况下，可以单独地和基本上彼此独立地调整管线中的流率。冷却系统可以包括被构造成调整旁路管线中的流率的第三阀构件。在恒温器将冷却剂引导至旁路管线的操作条件期间，可以借助于第三阀构件减少旁路管线中的冷却剂流量。当第三阀构件减少通过旁路管线的冷却剂流量时，通过第一管线和第二管线的冷却剂流量将增加。所以，几乎关闭的第三阀导致流向冷凝器的流率增加。因此，可以借助于第三阀构件有效地改变流向冷凝器的冷却剂流量，从而改变冷凝器中的工作介质的冷却效果。优选地，其中至少一个阀构件以无级方式调整冷却剂流量。在这种情况下，可以高精度地调节冷却剂流量以及冷凝器中的工作介质的冷却效果。
根据本发明的实施方式，第一管线将冷却剂从冷却系统中位于燃式发动机下游和恒温器上游的管线引导至冷凝器。在这种情况下，冷却系统中处于最高温度的冷却剂经由第一管线被引导至冷凝器。第一管线中的高冷却剂温度有利于两个管线中的冷却剂之间的大温差。第二管线将冷却剂从冷却系统中位于燃式发动机下游和恒温器上游的管线引导至冷凝器。在这种情况下，第一管线和第二管线引导来自冷却系统中的同一条管线的冷却剂。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括冷凝器入口管线，来自所述管线的冷却剂在该冷凝器入口管线种被引导至冷凝器。冷凝器入口管线可以具有使得来自两个管线的冷却剂在进入冷凝器之前被充分混合的设计。冷却系统可以包括将来自冷凝器的冷却剂引导至发动机入口管线的冷凝器出口管线。在这种情况下，可以使用来自冷凝器的被加热的冷却剂在冷启动之后相对快速地将燃式发动机加热到其操作温度。
根据本发明的实施方式，冷却系统可以包括传感器，该传感器感测与冷凝器中的工作介质的实际冷凝温度/压力有关的参数。实现在不同操作条件下将实际冷凝温度/压力调节到预定温度/压力的条件是接收与实际冷凝温度/压力有关的信息。这种传感器可以感测冷凝器中的压力或温度。或者，其可以感测离开冷凝器的冷却剂的温度。离开冷凝器的冷却剂的温度与冷凝温度密切相关。控制单元可以被构造成：借助于所述参数来估算冷凝器中的工作介质的实际冷凝温度，将实际冷凝温度与实际操作条件下的预定冷凝温度进行比较，并且控制阀装置以消除实际冷凝温度和预定冷凝温度之间的可能的差异。控制单元可以访问在不同操作条件下的预定冷凝温度/压力的存储值。
根据本发明的实施方式，WHR系统中的工作介质是乙醇。乙醇在1bar下的蒸发温度大约为78℃。相对容易的是实现冷却剂处于低于乙醇蒸发温度的合适水平并且将冷凝器中的乙醇冷却至刚好高于78℃的冷凝温度。然而，可以使用其它工作介质，诸如R245fa。
根据本发明的实施方式，工作介质在WHR系统的蒸发器中借助于来自燃式发动机的排气被加热。来自燃式发动机的排气含有大量热能，这些热能通常被供应到环境中。能够借助于WHR系统回收废气中的大部分热能。
附图说明
下面参照附图描述本发明的作为示例的优选实施方式，其中：
图1示出了根据本发明的优选实施方式的冷却系统。
具体实施方式
图1示出了给示意性公开的车辆1提供动力的燃式发动机2。燃式发动机2可以是柴油发动机。车辆1可以是重型车辆。车辆1包括冷却系统，该冷却系统包括发动机入口管线3，该发动机入口管线设置有使冷却剂在冷却系统中循环的泵4。泵4将冷却剂循环至燃式发动机2。当冷却剂已经循环经过燃式发动机2时，其被接收在发动机出口管线5中。恒温器6设置在发动机出口管线5的端部处。如果冷却剂的温度低于恒温器6的调整温度，则冷却剂经由旁路管线7被引导返回发动机入口管线3和泵4。如果冷却剂的温度高于恒温器6的调整温度，则散热器入口管线8将冷却剂引导至设置在车辆1的前部的第一散热器9。冲压空气和散热器风扇10提供通过散热器9的冷却空气流。当冷却剂已经循环通过第一散热器9时，冷却剂经由返回管线11被引导返回发动机入口管线3和泵4。
车辆配置有WHR系统(废热回收系统)。WHR系统包括泵12，该泵对工作介质加压并使工作介质在闭合回路13中循环。在这种情况下，工作介质是乙醇。但是，可以使用其它种类的工作介质，诸如R245fa。泵12对工作介质加压并使工作介质循环到蒸发器14。工作介质在蒸发器14中例如被来自燃式发动机的排气加热。工作介质在蒸发器14中被加热到其蒸发所处的温度。工作介质从蒸发器14循环到膨胀器15。
被加压和加热的工作介质在膨胀器15中膨胀。膨胀器15产生旋转运动，该旋转运动经由适当的机械传动装置16传递到车辆1的动力传动系的轴杆17。替代地，膨胀器15可以连接至将机械能转换成电能的发电机。电能可以存储在电池中。在工作介质已经通过膨胀器15之后，其被引导至冷凝器18。工作介质在冷凝器18中被来自冷却系统的冷却剂冷却至其冷凝所处的温度。工作介质被从冷凝器18引导至接收器19。泵12从接收器19的底部吸取工作介质，确保只有处于液态的工作介质被供应至泵12。第一控制单元20控制WHR系统的操作。第一控制单元20控制泵12和膨胀器15的操作。WHR系统使得可以将来自排气的热能转换成机械能或电能。
排气的热能以及因此蒸发器14中的工作介质的加热在不同的操作条件期间变化。为了在WHR系统中实现高热效率，将利用相应的变化的冷却效果对冷凝器18中的工作介质进行冷却。有利的是在不同的操作条件下建立尽可能低的冷凝压力。但是，由于实际原因，适合避免WHR系统中的负压。鉴于这些事实，适合将冷凝器18中的工作介质冷却至刚好高于1bar的冷凝压力。因此，为了保持高热效率，有必要鉴于来自排气的所供应热能来调节冷凝器18中的工作介质的冷却效果，使得冷凝压力将刚好高于1bar。工作介质乙醇在1bar的冷凝压力下的冷凝温度为78℃。在这种情况下，适当的是在冷凝器18中实现刚好高于78℃的冷凝温度。
冷却系统包括对冷凝器18中的工作介质进行冷却的回路。该回路包括将冷却剂引导至冷凝器18的冷凝器入口管线21和将来自冷凝器18的冷却剂引导返回冷却系统的发动机入口管线3的冷凝器出口管线22。该回路包括将冷却剂在平行管线中从发动机出口管线5的位置5a引导至冷凝器入口管线21的第一管线23和第二管线24。第一管线23包括第一阀构件25，该第一阀构件以无级方式调整第一管线23中的冷却剂流量。第一冷却管线中的冷却剂具有温度T1。温度T1可以在90～100℃的温度范围内。第二管线24包括第二阀构件26和第二散热器27，该第二阀构件以无级方式调整第二管线24中的冷却剂流量，该第二散热器设置在位于车辆1前部的第一散热器9前方的位置中。冷却剂在第二散热器27中被环境温度的空气冷却。第二管线24中的冷却剂在离开第二散热器27时具有温度T2。温度T2可以在30～50℃的温度范围内。在所有情况期间，冷却剂温度T2都远低于冷却剂温度T1。因此，第一管线23和第二管线24将具有不同温度的冷却剂引导至冷凝器18。冷却剂在以基本均匀的冷却剂形式进入冷凝器之前在冷凝器入口管线21中混合。进入冷凝器18的冷却剂的温度和流率取决于温度T1、温度T2和两个平行管线23及24中的冷却剂的流率。增压空气冷却器28设置在第一散热器9与第二散热器27之间。第三阀构件29以无级方式调整旁路管线7中的冷却剂流量。冷却系统的第二控制单元30控制阀构件25、26和29，并因此控制通过第一管线23、第二管线24和旁路管线7的冷却剂流量。传感器31感测离开冷凝器18的冷却剂的温度。
在内燃机2的操作期间，泵4使冷却剂在冷却系统中循环并通过燃式发动机2。发动机出口管线5中的具有温度T1的冷却剂的第一部分被引导进第一管线23中并被引导至冷凝器入口管线21。发动机出口管线5中的冷却剂的第二部分被引导进第二管线24中并被引导至第二散热器27。离开第二散热器27的冷却剂具有温度T2。冷却剂的第三部分被引导至恒温器6。在发动机出口管线5中的冷却剂的温度比恒温器6的调整温度低时的操作条件期间，恒温器6将冷却剂的第三部分引导至旁路管线7。在发动机出口管线5中的冷却剂的温度比恒温器6的调整温度高时的操作条件期间，恒温器6将冷却剂的第三部分引导至第一散热器9。
第二控制单元30接收来自第一控制单元20的与WHR系统的操作条件有关的信息，并且接收来自传感器31的与离开冷凝器18的冷却剂的温度有关的信息。鉴于该信息，第二控制单元30估算冷凝器18中的工作介质的实际冷凝温度/压力。控制单元可以访问在不同操作条件下的工作介质的期望冷凝温度/压力的存储信息。控制单元20将实际冷凝温度/压力与预定操作条件下的预定冷凝温度/压力进行比较。
如果估算出的实际冷凝温度/压力高于预定冷凝温度/压力，则需要冷凝器18中的工作介质的冷却效果增加。工作介质的冷却效果与进入冷凝器18的冷却剂的温度和流率有关。在这种情况下，控制单元20控制第二阀构件26，使得通过第二管线24的冷却剂流量增加。替代地或组合地，控制单元20控制第一阀构件25，使得通过第一管线23的冷却剂流量减小。在这种情况下，被引导至冷凝器18的冷却剂包括更高含量的来自第二管线24的处于较低温度T2的冷却剂以及更低含量的来自第一管线23的处于较高温度T1的冷却剂。结果，温度更低的冷却剂被引导至冷凝器18，从而导致冷凝器18中的工作介质的冷却效果增加以及更低的冷凝温度/压力。替代地或组合地，控制单元20控制第一阀构件25和第二阀构件26，使得流向冷凝器18的冷却剂的总流量增加，这也增加了工作介质的冷却效果。
如果估算出的实际冷凝温度低于期望冷凝温度，则需要冷凝器18中的工作介质的冷却效果降低。在这种情况下，控制单元20控制第一阀构件25，使得通过第一管线23的冷却剂流量增加。替代地或组合地，控制单元20控制第二阀构件26，使得通过第二管线24的冷却剂流量减小。在这种情况下，被引导至冷凝器18的冷却剂包括更高含量的来自第一管线23的处于较高温度T1的冷却剂以及更低含量的来自第二管线24的处于较低温度T2的冷却剂。结果，温度更高的冷却剂被引导至冷凝器18，从而导致冷凝器18中的工作介质的冷却效果降低以及更高的冷凝温度/压力。替代地或组合地，控制单元20可以控制第一阀构件25和第二阀构件26，使得流向冷凝器18的冷却剂的总流量减少，并且因此降低冷凝器18中的工作介质的冷却效果。
在恒温器6将冷却剂引导至旁路管线7时的操作条件期间，控制单元20还能够控制第三阀构件29，以改变冷凝器18中的工作介质的冷却效果。可以通过第三阀构件29来节流通过旁路管线7的冷却剂流。当第三阀构件29关闭时，通过旁路管线7的流率将减小。结果，通过第一管线23和第二管线24的流率将增加，并且被引导至冷凝器18的冷却剂的总量增加。因此，可以借助于第三阀构件29改变流向冷凝器18的冷却剂流率，并且因此改变冷凝器18中的工作介质的冷却效果。在燃式发动机2的冷启动期间，有利的是借助于第三阀构件29将冷却系统中相对大部分的冷却剂引导至冷凝器18。在这种情况下，冷却剂在第一步中在冷凝器18中被加热，并且在第二步中在燃式发动机2中被加热，从而导致冷却剂和燃式发动机快速加热到其操作温度。
本发明不限于所描述的实施方式，而是可以在权利要求的范围内自由变化。

Claims (14)

1.一种用于车辆(1)中的燃式发动机和WHR系统的冷却系统，其中所述冷却系统包括：第一散热器(9)，循环冷却剂在所述第一散热器中被冷却；恒温器(6)，当冷却剂的温度比所述恒温器(6)的调整温度更高时，所述恒温器将所述冷却剂引导至所述第一散热器(9)，并且当所述冷却剂的温度比所述调整温度更低时，所述恒温器使所述冷却剂绕过所述第一散热器(9)到达旁路管线(7)，其中所述冷却系统包括：第一管线(23)，其将处于第一温度(T1)的冷却剂引导至所述WHR系统的冷凝器(18)；第二管线(24)，其将处于第二温度(T2)的冷却剂引导至所述冷凝器(18)；阀装置(25，26，29)，所述管线(23，24)中的至少一条管线中的冷却剂的流率能够通过所述阀装置调节；以及控制单元(20)，所述控制单元被构造成控制所述阀装置(25，26，29)，使得从所述管线(23，24)引导至所述冷凝器(18)的冷却剂总量的温度和流率致使所述冷凝器(18)中的工作介质冷却至预定冷凝温度/压力，其特征在于，所述第二管线(24)包括第二散热器(27)，所述冷却剂在被引导至所述冷凝器(18)之前在所述第二散热器中被冷却至所述第二温度(T2)。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却剂在所述第一散热器(9)和所述第二散热器(27)中由空气流冷却。
3.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述第一散热器(9)中的冷却剂和所述第二散热器(27)中的冷却剂由共同的空气流冷却，所述第二散热器(27)被定位在相对于所述第一散热器(9)的上游位置中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述阀装置包括被构造成调整所述第一管线(23)中的流率的第一阀构件(25)和被构造成调整所述第二管线(24)中的流率的第二阀构件(26)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括第三阀构件(29)，所述第三阀构件被构造成调整所述旁路管线(7)中的流率。
6.根据权利要求4或5所述的冷却系统，其特征在于，所述阀构件(25，26，29)中的至少一个阀构件被构造成以无级方式调整冷却剂流量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述第一管线(23)将冷却剂从所述冷却系统中被定位在所述燃式发动机(2)下游和所述恒温器(6)上游的管线(5)引导至所述冷凝器(18)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述第二管线(24)将冷却剂从所述冷却系统中被定位在所述燃式发动机(2)下游和所述恒温器(6)上游的管线(5)引导至所述冷凝器(18)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括冷凝器入口管线(21)，来自所述管线(23，24)的冷却剂在所述冷却剂到达所述冷凝器(18)之前在所述冷凝器入口管线中混合。
10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括冷凝器出口管线(22)，所述冷凝器出口管线将来自所述冷凝器(18)的冷却剂引导至发动机入口管线(3)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括传感器(31)，所述传感器感测与所述冷凝器(18)中的所述工作介质的实际冷凝温度/压力有关的参数。
12.根据权利要求11所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括控制单元(30)，所述控制单元被构造成：借助于所述参数来估算所述冷凝器(18)中的所述工作介质的实际冷凝温度/压力；将所述实际冷凝温度/压力与实际操作条件下的预定冷凝温度/压力进行比较；并且控制所述阀装置(25，26，29)，以消除所述实际冷凝温度/压力与所述预定冷凝温度/压力之间的可能差异。
13.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述WHR系统中的所述工作介质是乙醇。
14.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述工作介质借助于来自所述燃式发动机(2)的排气而在所述WHR系统的蒸发器(14)中被加热。
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