CN109863285A - 用于冷却燃式发动机和whr系统的冷却系统 - Google Patents

用于冷却燃式发动机和whr系统的冷却系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于冷却车辆(1)中的燃式发动机(2)和WHR系统的冷却系统。冷却系统包括构造成将冷却剂冷却至第一温度(T1)的第一散热器(8)、构造成将冷却剂冷却至第二温度(T2)的第二散热器(10)、引导冷却剂绕过散热器(8，10)的散热器旁通管线(12)。第一阀装置(6)构造成将冷却剂引导至散热器旁通管线(12)和/或散热器(8，10)。第二阀装置(26)构造成从第一散热器(8)接收冷却剂并将其引导至冷凝器旁通管线(29)和/或WHR系统的冷凝器(20)。控制单元(13)构造成控制第一阀装置(6)和第二阀装置(26)，使得适当温度的冷却剂被引导至燃式发动机(2)和冷凝器(20)。

Description

用于冷却燃式发动机和WHR系统的冷却系统
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于冷却燃式发动机和WHR系统的冷却系统。
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成机械能或电能。WHR系统包括泵，该泵使工作介质加压并在闭合回路中循环。闭合回路包括一个或多个蒸发器，工作介质在该蒸发器中通过一个或多个热源(例如来自燃式发动机的废气)加热和蒸发。加压和加热的气态工作介质被引导至膨胀器，工作介质在膨胀器中膨胀。膨胀器产生可用于操作车辆或车辆上的设备的机械能。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被冷却至其冷凝的温度。离开冷凝器的液化工作介质被重新引导至对介质加压的泵。因此，例如来自车辆中的燃式发动机的废气的废热能可以借助于WHR系统回收。因此，WHR系统可以减少燃式发动机的燃料消耗。
为了在WHR系统中实现高的热效率，工作介质必须在冷凝器中被冷却至尽可能低的冷凝温度，并且基本上没有过冷。因此，为了在冷凝器中实现适当的冷凝温度，工作介质必须由特定温度和特定流速的冷却剂冷却。相同的冷却系统可用于冷却燃式发动机和冷凝器中的工作介质。为了实现燃式发动机的高效率，冷却剂在被引导至燃式发动机之前可在散热器中被冷却至大约90℃的温度。为了实现WHR系统的高热效率，通常适合将不同温度的冷却剂引导至冷凝器。在工作介质是乙醇的情况下，适合将温度为约60-70℃的冷却剂引导至冷凝器。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却系统，其能够以简单和有效的方式通过两种不同温度的冷却剂来冷却WHR系统中的冷凝器和燃式发动机中的工作介质。
上述目的通过根据权利要求1的冷却系统实现。包括两个散热器的冷却系统能够将离开燃式发动机的冷却剂冷却至两个不同的温度。从燃式发动机接收冷却剂的第一阀装置将冷却剂的一部分引导至散热器旁通管线而不进行冷却，并且将冷却剂流的剩余部分引导至散热器以冷却至所述两个不同温度。因此，冷却系统可以触及三种不同温度的冷却剂，以冷却燃式发动机和冷凝器中的工作介质。借助于第一阀装置和第二阀装置，可以混合三种不同温度的冷却剂，使得适当温度的冷却剂被引导至燃式发动机，而适当温度的冷却剂被引导至冷凝器。控制单元可以触及所存储的信息，该信息关于在不同运行条件下将被引导至燃式发动机的冷却剂的适当温度和将被引导至冷凝器的冷却剂的适当温度。
根据本发明的实施方式，第一散热器和第二散热器并排布置在公共气流通道中。在这种情况下，各个散热器中的冷却剂可以由相同温度的空气冷却。现代燃式发动机的冷却需求已经降低，因此对车辆前部处的大型散热器的需求也降低。因此，存在空间以将第二散热器与第一散热器并排布置在车辆的前部。第二散热器与第一散热器一起冷却冷却剂，该冷却剂在冷却系统中循环并冷却燃式发动机和WHR系统的冷凝器中的工作介质。替代地，可以将第二散热器布置在第一散热器的上游的位置。
根据本发明的实施方式，第一散热器和第二散热器被设计成使得冷却剂在第二散热器中被冷却至比在第一散热器中更低的温度。在冷却剂在相同尺寸的第一散热器和第二散热器中被并行冷却的情况下，可以降低流向第二散热器的冷却剂流，使得通过第二散热器的冷却剂流将小于通过第一散热器的冷却剂流。在这种情况下，冷却剂以比通过第一散热器更慢的速度通过第二散热器流动。因此，第二散热器中的冷却剂在比第一散热器中的冷却剂更长的时间段期间经受冷却空气流。结果，第二散热器中的冷却剂被冷却至比第一散热器中的冷却剂更接近冷却空气的温度。替代地或组合地，第二散热器可以大于第一散热器，或者具有提供比第一散热器更有效的冷却冷却剂的设计。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括将冷却剂从第一散热器的入口罐引导至第二散热器的入口罐的冷却剂管线。冷却剂管线可以设有相对小的流动面积，使得进入入口罐的相对小部分的冷却剂被传递到第二散热器的入口罐。替代地，第二散热器中的管可提供比第一散热器中的管更窄的流动路径。替代地，第一散热器包括入口罐，该入口罐在底部处经由冷却剂通道被固定地连接至第二散热器的入口罐的上部。在这种情况下，冷却剂通道可以设有流动限制区域。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括将冷却剂从第一散热器的出口罐引导至第二散热器的入口罐的冷却剂管线。在这种情况下，冷却剂流的第一部分被引导通过第一散热器，冷却剂流的剩余第二部分被引导通过第一散热器和第二散热器。因此，冷却剂流的第二部分在串联的第一散热器和第二散热器中被冷却，这确保离开第二散热器的冷却剂具有比离开第一散热器的冷却剂更低的温度。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括将冷却剂从冷凝器引导至发动机入口管线的冷凝器出口管线。因此，被引导至燃式发动机的冷却剂是来自散热器旁通管线、第一散热器和冷凝器出口管线的冷却剂的混合物。
在本发明的实施方式中，第一阀装置为第一三通阀。第一三通阀可以接收从发动机出口管线接收冷却剂流的入口、将所接收的冷却剂的一部分引导至散热器旁通管线的第一出口和将所接收的冷却剂的剩余部分引导至散热器的第二出口。第一阀装置可具有与常规冷却系统中的恒温器基本上对应的任务。优选地，第一三通阀装置可以以无级方式调节。在这种情况下，可以以高精度改变流向散热器和散热器旁通管线的冷却剂流速。在这种情况下，第一阀装置被设计成单一阀单元。替代地，第一阀装置设计成两个二通阀，其中第一二通阀布置在散热器旁通管线中，第二二通阀布置在散热器入口管线中。
在本发明的实施方式中，第二阀装置为第二三通阀。第二三通阀具有从第一散热器接收冷却剂的入口、将所接收的冷却剂的一部分引导至冷凝器的第一出口和将冷却剂的剩余部分引导至冷凝器旁通管线的第二出口。优选地，第二三通阀装置可以以无级方式调节。在这种情况下，可以高精度地调节从第一散热器到冷凝器和冷凝器旁通管线的冷却剂流速。在这种情况下，第二阀装置被设计成单一阀。替代地，第二阀装置设计成两个二通阀，其中第一二通阀布置在冷凝器进口管线和第二二通阀布置在冷凝器旁通管线中。
根据本发明的实施方式，控制单元构造成从传感器接收信息，该传感器感测与冷凝器中的工作介质的实际冷凝温度/压力相关的参数。在冷凝器中的实际温度/压力与期望冷凝温度/压力之间存在差异的情况下，控制单元可以调节第一阀装置和/或第二阀装置，以便以消除所述差异的方式改变冷凝器中的工作介质的冷却。
根据本发明的实施方式，控制单元构造成控制第一阀装置和第二阀装置，使得被引导至冷凝器的冷却剂具有导致将冷凝器中的工作介质冷却至刚好高于1巴的冷凝压力的温度和流速。在大多数操作条件期间，可以将冷却剂流引导至冷凝器，这导致将冷凝器中的工作介质冷却至期望冷凝温度/压力。然而，由于实际原因，避免WHR系统中的负压很多时候是适当的。在这种情况下，适合获得刚好高于1巴的冷凝压力。期望压力范围可以是在例如1.1-1.5巴的范围中。应当注意，工作介质的冷凝压力具有对应的冷凝温度。WHR系统中的工作介质可以是乙醇。乙醇在1巴下具有约78℃的蒸发温度。相对容易地实现在乙醇蒸发温度以下的适当水平处的冷却剂温度，并在冷凝器中将乙醇冷却至刚好高于78℃的冷凝温度。然而，也可以使用其它工作介质，例如R265fa。
根据本发明的实施方式，控制单元构造成从构造成感测冷却系统的不同位置处的冷却剂的温度的多个温度传感器接收信息，并且借助于该信息来控制第一阀装置和第二构件。控制单元可以构造成从构造成感测发动机出口管线中的冷却剂的温度、离开第一散热器的冷却剂的温度和离开第二散热器的冷却剂的温度的温度传感器接收信息。在这种情况下，控制单元具有所有可触及的冷却剂的温度信息，这些冷却剂可以借助第一阀装置和第二阀装置混合并且被输送给燃式发动机和冷凝器。替代地或组合地，冷却剂可接收关于发动机入口管线中的冷却剂的温度和冷凝器入口管线中的冷却剂的温度的信息。在这种情况下，控制单元接收关于被引导至燃式发动机和冷凝器的冷却剂的温度的直接反馈。
附图说明
在以下参考附图作为示例描述本发明的优选实施方式，其中：
图1示出了根据本发明的冷却系统，
图2更详细地示出了图1中的第一散热器和第二散热器，
图3示出了第一散热器和第二散热器的替代实施方式，以及
图4示出了第一散热器和第二散热器的另一替代实施方式。
具体实施方式
图1示出了由燃式发动机2提供动力的示意性公开的车辆1。车辆1可以是重型车辆，燃式发动机2可以是柴油发动机。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系统中的冷却剂循环的泵4。泵4使冷却剂循环通过燃式发动机2。当冷却剂已经冷却燃式发动机2时，其被接收在发动机出口管线5中。第一三通阀6形式的第一阀装置布置在发动机出口管线5的端部处。冷却系统包括将冷却剂引导至第一散热器8的入口罐8a的散热器入口管线7。连接管线9a将冷却剂从第一散热器8的入口罐8a引导至第二散热器10的入口罐10a。散热器风扇11提供通过第一散热器8和第二散热器10的冷却空气流。第一散热器8和第二散热器10并排布置。因此，冷却剂在散热器8，10中通过相同温度的空气冷却。冷却系统包括引导冷却剂绕过第一散热器8和第二散热器10的散热器旁通管线12。第一三通阀6通过控制单元13控制。第一三通阀6可以以无级方式调节。第一三通阀6从发动机出口管线5接收冷却剂，并将冷却剂的一部分引导至散热器旁通管线12，将冷却剂的剩余部分引导至散热器入口管线7。
车辆设置有WHR系统(废热回收系统)。WHR系统包括泵14，该泵对闭合回路15中的工作介质加压并使其循环。在这种情况下，工作介质是乙醇。然而，也可以使用其它种类的工作介质，例如R265fa。泵14对工作介质加压并使其循环到蒸发器16。工作介质在蒸发器16中例如通过来自燃式发动机的排气加热。工作介质在蒸发器16中被加热到其蒸发的温度。工作介质从蒸发器16循环到膨胀器17。加压且加热的工作介质在膨胀器17中膨胀。膨胀器17产生旋转运动，该旋转运动可以经由适当的机械传动装置18被传递到车辆1的动力传动系的轴杆19。替代地，膨胀器17可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。所存储的电能可被供应至用于在稍后的状态下驱动车辆或车辆上的部件的电机。
在工作介质已经通过膨胀器17之后，其被引导至冷凝器20。工作介质在冷凝器20中通过来自冷却系统的冷却剂冷却至其冷凝的温度。工作介质从冷凝器20被引导至接收器21。接收器21中的压力可以借助于压力调节器而改变。泵14从接收器21抽吸工作介质。第二控制单元22控制WHR系统的操作。第二控制单元22控制泵14和膨胀器17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。温度传感器23或压力传感器感测冷凝器20中的冷凝温度或冷凝压力。最好将冷凝压力设置得尽可能低。然而，由于实际原因，避免WHR系统中的负压是适当的。鉴于这些事实，在冷凝器20中提供将工作介质冷却至刚好高于l巴的冷凝压力是适当的。因此，为了保持高的热效率，需要调节冷凝器20中的工作介质的冷却效果，使得冷凝压力将会将刚好高于1巴。工作介质乙醇在1巴下具有78℃的冷凝温度。在这种情况下，在冷凝器20中实现刚好高于78℃的冷凝温度是适当的。
冷却系统包括将冷却剂引导至冷凝器20的冷凝器入口管线24a。来自第二散热器的出口罐10b的冷却剂经由第二散热器出口管线25被引导至冷凝器入口管线24a。回流管线24b将冷却剂从冷凝器20引导至发动机入口管线3。第二阀装置以第二三通阀26的形式经由第一散热器出口管线27从第一散热器8a的出口罐8b接收冷却剂。第二三通阀26通过控制单元13控制。第二三通阀26可以以无级方式调节。第二三通阀26将冷却剂流的一部分从第一散热器出口管线27经由冷却剂管线28引导至冷凝器入口管线24a。来自第一散热器8和第二散热器10的冷却剂流在冷凝器入口管线24a中混合。第二三通阀26将冷却剂流的剩余部分引导至冷凝器旁通管线29。初始温度传感器30感测发动机出口管线5中的冷却剂的温度T0。第一温度传感器31感测第一散热器出口管线27中的冷却剂的温度T1，第二温度传感器32感测第二散热器出口管线25中的冷却剂的温度T2。
图2示出了图1中的第一散热器8和第二散热器10的视图。冷却剂从散热器入口管线7经由入口端口8a'被引导至第一散热器8的入口罐8a。冷却剂流的第一部分在第一散热器8中被冷却。冷却剂流的第一部分在其经由出口端口8b'被引导至第一散热器出口管线27之前被接收在出口罐8b中。进入第一散热器8的入口罐8a的冷却剂流的第二部分经由出口8a"、冷却剂管线9a和入口10a'被引导至第二散热器10的入口罐10a。当冷却剂的第二部分在第二散热器10中被冷却时，其被接收在第二散热器出口罐10b中，并经由出口10b'被引导至第二散热器出口管线25。在这种情况下，形式为冷却剂管线9a的冷却剂通道用于将冷却剂从第一散热器8引导至第二散热器10。冷却剂管线9a具有相对小的横截面积。因此，通过第二散热器的流动阻力将高于通过第一散热器8的流动阻力。因此，通过第二散热器10的冷却剂流的第二部分将小于通过第一散热器8的第一冷却剂流。通过第二散热器10的较小冷却剂流使得可以在第二散热器中将冷却剂冷却至比在第一散热器中更低的温度。在第二散热器10中提供比在第一散热器8中更高的流动阻力的替代方式是，将第二散热器10中的冷却剂管设计成具有比在第一散热器8中更窄的冷却剂管。另一替代方案是为冷却剂管线9a或第二散热器出口管线25提供节流阀。
在操作期间，控制单元13从所述温度传感器30，31，32基本连续地接收关于实际冷却剂温度的信息。控制单元13还从第二控制单元22接收关于WHR系统的操作条件的信息。控制单元13可以例如从传感器23接收关于冷凝器20中的实际冷凝温度的信息。控制单元13估计冷凝器20中的工作介质的期望冷凝温度。当使用乙醇作为工作介质时，在大多数操作条件下，约80℃的冷凝温度是理想的。控制单元13估计将被引导至冷凝器20的冷却剂的适当温度，以便提供期望冷凝温度。此外，控制单元13估计将被引导至燃式发动机2的冷却剂的适当温度。被引导至燃式发动机2的冷却剂的适当温度可以是大约90℃。被引导至冷凝器20的冷却剂的适当温度可以在60-70℃的温度范围内。
发动机出口管线5中的冷却剂的初始温度T0表示冷却系统中的冷却剂的冷却需求。在发动机出口管线5中的冷却剂的初始温度T0低的情况下，控制单元13调节三通阀6，使得其将冷却剂流的一小部分引导至散热器管线7，并将冷却剂流的剩余大部分引导至散热器旁通管线12。在发动机出口管线5中的冷却剂的初始温度T0高的情况下，控制单元13调节三通阀6，使得其将冷却剂流的大部分引导至散热器入口管线7，并将冷却剂流的剩余小部分引导至散热器旁通管线12。因此，流向散热器入口管线7的冷却剂流速和流向散热器旁通管线12的冷却剂流速可以通过第一三通阀6改变。被引导至散热器入口管线7的冷却剂流的第一部分在第一散热器8中被冷却至第一温度T1，并且冷却剂流的第二部分在第二散热器中被冷却至第二温度T2。第二温度T2低于第一温度T1。
考虑到来自温度传感器30，31，32的关于实际冷却剂温度T0，T1，T2的信息，控制单元13估计第一三通阀6和第二三通阀26的适当定位。第一阀装置6和第二阀装置26以这样的方式被控制，使得被引导至燃式发动机2的冷却剂获得大约90℃的温度。流向燃式发动机的冷却剂流是在散热器旁通管线12、冷凝器旁通管线29和冷凝器回流管线24b中的冷却剂流的混合物。第一阀装置6和第二阀装置26以这样的方式被控制，使得被引导至冷凝器20的冷却剂获得大约60-70°的温度。流向冷凝器的冷却剂流是在第一散热器出口管线27和第二散热器出口管线25中的冷却剂流的混合物。
图3示出了第一散热器8和第二散热器10的替代实施方式。在这种情况下，第一散热器8和第二散热器10的入口罐8a、10a经由冷却剂通道9b彼此连接，使得它们形成连贯的入口罐体。冷却剂通道9b包括相对于相应的入口罐8a、10a中的流动面积减小的流动面积。冷却剂通道9b限制流向第二入口罐10a的冷却剂流，使得冷却剂流的主要部分被引导通过第一散热器8。因此，通过第二散热器10的冷却剂流将低于通过第一散热器的冷却剂流，这导致冷却剂在第二散热器10中被冷却至比在第一散热器8中更低的温度。
图4示出了散热器8，10的另一可选实施方式。在这种情况下，来自散热器入口管线7的全部冷却剂流被引导通过第一散热器8。离开第一散热器8的冷却剂流的第一部分被引导至第一散热器出口管线27，并且离开第一散热器8的冷却剂流的剩余第二部分经由冷却剂管线9c被引导至第二散热器10的入口罐10a。冷却剂流的第二部分在第二散热器10中在第二步骤中被冷却。冷却剂在第二散热器10中在第二步骤中的冷却确保了冷却剂在第二散热器10中被冷却至比在第一散热器8中更低的温度。
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地变化。

Claims (13)

1.一种用于冷却车辆(1)中的燃式发动机(2)和WHR系统的冷却系统，其中，冷却系统包括发动机入口管线(3)，其将循环冷却剂引导至燃式发动机(2)，冷凝器入口管线(24a)，其将冷却剂引导至冷凝器(20)，在所述冷凝器中，所述冷却剂构造成冷却WHR系统中的工作介质，第一散热器(8)，其构造成将冷却剂冷却至第一温度(T1)，第二散热器(10)，其构造成从第一散热器(8)接收冷却剂并且在冷却剂被引导至冷凝器入口管线(24a)之前将冷却剂冷却至第二温度(T2)，散热器旁通管线(12)，其引导冷却剂绕过散热器(8，10)并到达发动机入口管线(3)，第一阀装置(6)，其构造成从发动机出口管线(5)接收冷却剂并将其引导至散热器旁通管线(12)和/或散热器(8，10)，其特征在于，冷却系统包括第二阀装置(26)，其构造成从第一散热器(8)接收冷却剂并将其引导至冷凝器入口管线(24a)和/或经由冷凝器旁通管线(29)被引导至发动机入口管线(3)，以及控制单元(13)，其构造成控制第一阀装置(6)和第二阀装置(26)，使得适当温度的冷却剂经由发动机入口管线(3)被引导至燃式发动机(2)，并且适当温度的冷却剂经由冷凝器入口管线(24a)被引导至冷凝器(20)。
2.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于，第一散热器(8)和第二散热器(10)并排布置在公共气流通道(11a)中。
3.根据权利要求1或2的冷却系统，其特征在于，第一散热器(8)和第二散热器(10)设计成使得冷却剂在第二散热器(10)中被冷却至比在第一散热器(8)中更低的温度。
4.根据前述权利要求中任一项的冷却系统，其特征在于，冷却系统包括冷却剂管线(9a)，所述冷却剂管线将冷却剂从第一散热器(8)的入口罐(8a)引导至第二散热器(10)的入口罐(10a)。
5.根据前述权利要求1-3中任一项所述的冷却系统，其特征在于，第一散热器(8)包括入口罐(8a)，所述入口罐在底部处经由冷却剂通道(9b)被固定地连接至第二散热器(10)的入口罐(10a)的上部。
6.根据前述权利要求1-3中任一项的冷却系统，其特征在于，冷却系统包括冷却剂管线(9c)，所述冷却剂管线将来自第一散热器(8)的出口罐(8a)引导至第二散热器(10)的入口罐(10a)。
7.根据前述权利要求中任一项的冷却系统，其特征在于，冷却系统包括将冷却剂从冷凝器(20)引导至发动机入口管线(3)的冷凝器出口管线(24b)。
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，第一阀装置是三通阀(6)。
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，第二阀装置是三通阀(26)。
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，控制单元(10)构造成从传感器(23)接收关于冷凝器(20)中的工作介质的温度或压力的信息。
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，控制单元(10)构造成控制第一阀装置(6)和第二阀装置(26)，使得被引导至冷凝器(20)的冷却剂具有导致冷凝器(20)中的工作介质冷却至刚好高于1巴的冷凝压力的温度和流速。
12.根据前述权利要求中任一项的冷却系统，其特征在于，控制单元(13)构造成从构造成感测冷却系统的不同位置中的冷却剂的温度的多个温度传感器(30，31，32，33，34)接收信息，并且借助于该信息来控制第一阀装置(6)和第二阀装置(26)。
13.根据权利要求12的冷却系统，其特征在于，控制单元(13)构造成从构造成感测发动机出口管线(5)中的冷却剂的温度、离开第一散热器(8)的冷却剂的温度(T1)和离开第二散热器(10)的冷却剂的温度(T2)的温度传感器(30，31，32)接收信息。
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