CN110318852A - 具有用于回收废热的系统的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆，包括：具有燃烧室和废气管的发动机和用于回收发动机废热的系统，该系统包括：i)配置为通过从源自发动机的加热介质传递热量来蒸发工作流体的第一热交换器；ii)膨胀器单元，配置为使在第一热交换器中已蒸发的工作流体膨胀并产生功率输出；iii)配置为冷凝工作流体的第二热交换器；和iv)用于将已冷凝的工作流体供给至第一热交换器的至少一个泵。该系统使用水作为工作流体，工作流体/水通道设置在膨胀器单元与废气管之间，将膨胀的工作流体/水引导至废气管中，第二热交换器与废气管相关联地设置并配置为冷凝存在于废气中的水，第二热交换器位于废气管的一点或区域处或下游，膨胀的工作流体/水在该点或区域处被引导至废气中。

Description

具有用于回收废热的系统的车辆
技术领域
本发明涉及一种车辆，其包括内燃发动机和根据权利要求1的前序部分的用于回收发动机废热的系统。
背景技术
为了提高用于车辆动力的内燃发动机的能量效率，已知使用朗肯系统(Rankinesystem)利用发动机的废热，其中蒸发步骤中的再循环工作流体(如乙醇)从废气或者发动机的冷却水吸收热量，并经由例如连接于发电机的膨胀涡轮机将能量/动力返回发动机。这种类型的系统还包括冷凝器和用于使流体再循环的泵。在US2015/0176482中公开了这种系统的示例。
在US2013/0333381中公开了朗肯系统的另一个示例，其中朗肯系统与用于将水注入进气歧管或直接注入发动机的燃烧室的系统组合。这种注水系统是众所周知的。(目的是降低燃烧温度，减少NOx的产生，并减少与发动机爆燃相关的问题。)在US2013/0333381中，两个系统通过共用的双模式热交换器而组合，该热交换器包括用于蒸发朗肯循环回路的工作流体的蒸发器和将用于注水系统的废气的水蒸汽转化为水的冷凝器。US2013/0333381的系统似乎意图在其中运行朗肯系统的蒸发模式下或者其中运行注水系统的冷凝模式下一次操作一个系统。US2013/0333381的主要目的是与使用两个单独的系统相比减少所需的空间。
与这里讨论的朗肯系统类型相关的一般问题是安全问题，即与封闭的朗肯系统中可燃流体如乙醇或丙酮(acetone)的加压相关联的风险(泄漏，火灾，爆炸等)。这又导致了降低泄漏风险(工作流体从系统泄漏和空气(氧气)泄漏到系统中)所需要的特殊部件、特殊材料等的成本增加。
US2013/0333381通过提及水作为朗肯回路的工作流体的实例无意地解决了这个安全问题。然而，出于热力学原因，通常优选使用比这种类型应用中朗肯回路中的水温度更低的温度下蒸发的流体。而且，水例如比乙醇在更高的温度下冻结，很难使闭环冷冻安全。除了US2013/0333381的这些潜在问题之外，以及除了US2013/0333381的朗肯循环和注水系统不能同时操作之外，US2013/0333381还有另一个缺点，即双模式热交换器具有其在废气管处的限定位置，这意味着朗肯回路工作流体/水的蒸发和废气中水的冷凝在相同(废气)温度下进行。通常更有效的是蒸发更靠近发动机(其中废气温度更高)的朗肯工作流体并且冷凝离发动机更远(其中废气温度更低)的废气中的水。
因此，需要一种用于车辆的高效废热回收系统，其与例如US2015/0176482公开的朗肯循环相比具有更高的安全性和更低的成本。对于US2013/0333381，用于废热回收和注水的组合系统也存在改进的空间。
发明内容
本发明涉及一种车辆，其包括具有燃烧室和废气管的内燃发动机以及用于回收内燃发动机的废热的系统，其中废热回收系统包括：i)第一热交换器，其配置为通过从源自发动机的已加热介质传递热量来蒸发工作流体；ii)膨胀器单元(expander unit)，其配置为使已在第一热交换器中蒸发的工作流体膨胀并产生功率输出；iii)第二热交换器，其配置为冷凝工作流体；以及iv)至少一个泵，用于将冷凝的工作流体供给至第一热交换器。
本发明的特征在于废热回收系统配置为使用水作为工作流体，其中工作流体/水通道设置在膨胀器单元与废气管之间，以便将膨胀的工作流体/水引导至废气管中，其中第二热交换器被设置为与废气管相关联并且被配置为冷凝存在于废气中的水，并且其中第二热交换器定位在废气管的一点或区域处或下游处，膨胀的工作流体/水在该点或区域处被引导至废气中。
因此，本发明的废热回收系统是使用水作为工作流体的开放式朗肯型系统，其中离开膨胀器单元的膨胀蒸汽被送出至废气管。第二热膨胀器即冷凝器设置在膨胀蒸汽的进给点处或下游的废气管处，以使已穿过第一热交换器和膨胀器的水/蒸汽冷凝(以及由发动机中的燃烧导致的水的冷凝)。因此，冷凝水能重新导入第一热交换器，在膨胀器单元中膨胀，并再次引导至废气管中。
该解决方案具有以下几个优点：由于废热回收系统利用水并且对膨胀器单元下游的环境开放(因为废气管对周围环境开放)，因此传统闭环朗肯系统的主要安全问题得到了解决，即在封闭系统中加压易燃液体如乙醇的相关风险(泄漏，火灾，爆炸等)。该系统还可由较便宜的部件组成，因为使用水并且因为系统的至少一部分在低压下操作。此外，本发明的系统具有内置的安全功能，其中压力可释放至废气管。与US2013/0333381中公开的系统相比，本发明具有使得第一热交换器(蒸发器)定位在靠近发动机、废气温度高处并且第二热交换器(冷凝器)定位在远离发动机、废气温度低(靠近尾管)处的优点。
除第二热交换器(冷凝器)处的废气温度可由于距发动机的距离增加而降低(例如与US2013/0333381相比)之外，膨胀蒸汽排放至废气管中进一步冷却了废气。此外，排放还增加了废气中的水浓度(高达约15-20％)。总之，能够非常有效地进行冷凝过程，这使得第二热交换器(冷凝器)能够较紧凑(较小)。
在本发明的一个实施例中，车辆还包括用于将水直接或间接地导入内燃发动机的燃烧室的系统，其中车辆包括配水系统，该配水系统配置为将第二热交换器中冷凝的水分配在第一热交换器与燃烧室之间。
因此，注入燃烧室的水也能够在第二热膨胀器中冷凝并重新导入燃烧室(或进入第一热交换器)。本实施例的废气中的水浓度高，这就能够使用紧凑的冷凝器。冷凝水可储存在水箱中。常规的单独注水系统所需的水箱再填充可能是不必要的，或者至少很少需要，因为在发动机运行期间将水添加于系统(即废气管)是燃料燃烧的结果。水不断被更换，因此存在消除或至少减少水箱中例如藻类生长的风险。这种充足的水供应意味着可将更多的水注入燃烧室，这又可使发动机更有效地运行。
与US2013/0333381中公开的设备相比，该实施例具有的优点除了如上所述可将蒸发器放置得更靠近发动机并且冷凝器更远离发动机从而提高效率外，废热回收系统和注水系统还可同时运行。
在本发明的一个实施例中，用于将冷凝的工作流体供给至第一热交换器的至少一个泵包括高压泵。优选地，高压泵能够为工作流体/水提供至少20巴、优选至少30巴、更优选至少40或50巴的压力。在这里讨论的大多数应用类型中，70巴的压力可能是合适的压力。高于100巴的压力可能太高。太低的压力将不会令废热回收系统的效率足够高和/或可能导致难以将蒸汽排放至废气管。
在本发明的一个实施例中，车辆包括水箱，该水箱被设置为用于存储在第二热交换器中冷凝的水。
在本发明的一个实施例中，膨胀器单元包括蒸汽膨胀器部件和功率输出部件，功率输出部件连接于发电机以产生电力或者机械连接到内燃发动机的动力传动系统。膨胀器单元是众所周知的。例如，膨胀器单元可包括轴向活塞膨胀器、往复活塞膨胀器、涡轮机、涡旋膨胀器等。由于膨胀器单元在下游侧处向废气管开放，因此它应优选适于保持上游侧的压力。活塞式膨胀器通常适用于此目的。涡轮机可设置有电控减速器以保持压力。
在本发明的一个实施例中，配水系统包括从第二热交换器通向第一热交换器和发动机的水管。可包括水箱的一个公共管道可用于将冷凝水从第二热交换器传递至分支点，其中一个管道进一步通向第一热交换器而另一个管道进一步通向发动机(即直接或间接地通向燃烧室)。
在本发明的一个实施例中，水箱形成用于废热回收系统和用于将水直接或间接导入燃烧室的系统的公共水箱。
在本发明的一个实施例中，车辆包括冷凝泵，该冷凝泵配置为将水从第二热交换器泵送至水箱。
在本发明的一个实施例中，配水系统包括设置在水箱上游的低压泵，其中低压泵被配置为将水泵朝向第一热交换器和发动机泵送。因此可使用共同的管道。
在本发明的一个实施例中，源自发动机的加热介质是废气。即使用于蒸发的加热介质例如是源自发动机的冷却介质或油，膨胀的工作流体/水也可排放至废气管中。
在本发明的一个实施例中，内燃发动机被设置为用于推进车辆。
附图说明
下面参考附图对本发明进行描述，其中：
图1以示意图示出了本发明的实施例。
具体实施方式
图1以示意图示出了本发明的实施例。图1中所示的示意性系统旨在表示布置在车辆上的系统，其中发动机被设置为用于推进车辆。车辆本身未在图1中示出或指示。
车辆包括内燃发动机1，在该示例中，内燃发动机1设置有四个燃烧室/汽缸2以及废气管3。发动机被设置为推进车辆。箭头18表示进入发动机1的空气。燃料当然也被导入燃烧室2中。
该车辆设有用于回收内燃发动机1的废热的系统。该废热回收系统配置为使用水作为工作流体，并包括：第一热交换器4，被配置为通过传递源自发动机1废气的热量来蒸发工作流体/水；膨胀器单元5，被配置为使已在第一热交换器4中蒸发的蒸汽膨胀器部件5a中的工作流体/水膨胀并在功率输出部件5b中产生功率输出。功率输出5b可连接于发电机(未示出)以产生电力，电力例如可用于对混合动力车辆中的电池充电。提供通道11从而将工作流体/水从第一热交换器4传递至膨胀器单元5。
废热回收系统还包括：第二热交换器6，其被配置为冷凝工作流体/水；以及用于将已冷凝的工作流体/水供给至第一热交换器4的多个泵7、8、9。
工作流体/水通道12设置在膨胀器单元5与废气管3之间，以便在点或区域13处将膨胀的工作流体/水引导至废气管3中。
第二热交换器6与废气管3相关联地设置，在这种情况下尽可能靠近废气管3的尾管，并且其被配置为冷凝存在于废气管中的水。
第一热交换器4尽可能靠近发动机1放置，从而在废气冷却之前利用废气的热量。第二热交换器6(冷凝器)放置在远离发动机1的位置，从而废气至少有一段冷却的时间。当进入第一热交换器4时，废气的温度可能是约800℃，当进入第二热交换器6时，废气的温度可能是约100℃。
第二热交换器6位于废气管3的点13的下游，膨胀的工作流体/水在点13处被引导至废气中。由此，排至废气管3中的工作流体/水能在第二热交换器中冷凝。
穿过第一和第二热交换器4、6的流由虚线表示。
图1中的实施例还包括用于将水直接或间接地导入内燃发动机1的燃烧室2中的系统，即，例如可在空气进入燃烧室2之前将水导入进气18中。
该车辆包括配水系统，该配水系统被配置为将在第二热交换器6中冷凝的水分配在第一热交换器4与燃烧室2之间。该示例性的配水系统包括：冷凝泵7，用于将水从冷凝器6经由第一导管14供给至水箱10；低压泵(例如约10巴)8，用于将水从水箱10朝向分支17供给，并进一步向分别通向第一热交换器4和发动机1的第二和第三导管15、16供水；以及高压泵(例如约70巴)9，用于将水供给至第一热交换器4并进一步供给至废热回收系统中的膨胀器单元5。
可例如在冷凝泵7与罐10之间设置水过滤器(未示出)以清洁水。
在低压泵8之后水的温度可大约为50℃(10巴)并且在第一热交换器4中由废气加热之后大约为500℃(70巴)。离开膨胀器单元5、或者更确切地说离开蒸汽膨胀器部件5a的水/蒸汽可具有大约150℃的温度和大约2巴的压力。
水箱10形成用于废热回收系统和用于将水直接或间接导入燃烧室2的系统的公共水箱。
与用于将水直接或间接导入燃烧室2的包括单独水箱的传统系统相比，上述系统的优点在于：自动重新填充此处所述系统的水箱。
本发明不限于上述实施例，而是可以在权利要求的范围内以各种方式进行修改。例如，配水系统可以不同的方式设置，即导管、泵等。此外，水/蒸汽通道12可选地沿第一热交换器4的某处结束，即排放点或区域13不是必须位于第一热交换器4的下游，而是可位于沿第一热交换器4的某处。将用于低压蒸汽进入废气管3的排放点13定位在第一热交换器4的中间某处以利用蒸汽中的剩余焓即回收以进一步提高效率是有利的。在一个变型中，蒸汽的第一部分可沿第一热交换器4的某处排出，并且蒸汽的第二部分可在第一热交换器4的下游排出。

Claims (12)

1.一种车辆，包括：
-具有燃烧室(2)和废气管(3)的内燃发动机(1)，
-用于回收所述内燃发动机(1)的废热的废热回收系统，其中所述废热回收系统包括：
i)第一热交换器(4)，其配置为通过从源自所述内燃发动机(1)的已加热介质传递热量来蒸发工作流体；
ii)膨胀器单元(5)，其配置为使在所述第一热交换器(4)中已蒸发的工作流体膨胀并产生功率输出；
iii)第二热交换器(6)，其配置为冷凝所述工作流体；和
iv)至少一个泵(7,8,9)，用于将已冷凝的工作流体供给至所述第一热交换器(4)；
其特征在于：
所述废热回收系统被配置为使用水作为工作流体，
其中工作流体/水通道(12)设置在所述膨胀器单元(5)与所述废气管(3)之间，以便将膨胀的工作流体/水引导至所述废气管(3)中，
其中所述第二热交换器(6)与所述废气管(3)相关联地设置并且配置为冷凝存在于所述废气中的水，并且
其中所述第二热交换器(6)位于所述废气管(3)的一点或区域(13)处或下游，膨胀的工作流体/水在所述点或区域处被引导至所述废气中。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中所述车辆还包括：
-用于将水直接或间接导入所述内燃发动机(1)的燃烧室(2)中的系统，其中所述车辆包括配水系统(7,8,9,10,14,15,16,17)，所述配水系统配置为将在所述第二热交换器(6)中冷凝的水分配在所述第一热交换器(4)与所述燃烧室(2)之间。
3.根据权利要求1或2所述的车辆，其中用于将已冷凝的工作流体供给至所述第一热交换器的所述至少一个泵包括高压泵(9)。
4.根据权利要求3所述的车辆，其中所述高压泵(9)能够提供具有至少20巴、优选至少30巴、更优选至少40或50巴、最优选约70巴的压力的工作流体/水。
5.根据前述权利要求中任一项所述的车辆，其中所述车辆包括水箱(10)，所述水箱(10)被设置为用于存储在所述第二热交换器(6)中冷凝的水。
6.根据前述权利要求中任一项所述的车辆，其中所述膨胀器单元(5)包括蒸汽膨胀器(5a)和功率输出(5b)，所述功率输出连接于用于产生电力的发电机或者机械连接于所述内燃发动机(1)的动力传动系统。
7.根据权利要求2所述的车辆，其中所述配水系统(7,8,9,10,14,15,16,17)包括从所述第二热交换器(6)通向所述第一热交换器(4)和通向所述内燃发动机(1)的水管道(14,15,16)。
8.根据权利要求2和5所述的车辆，其中所述水箱(10)形成用于所述废热回收系统和用于将水直接或间接导入所述燃烧室(2)的系统的公共水箱。
9.根据权利要求8所述的车辆，其中所述车辆包括冷凝泵(7)，所述冷凝泵(7)配置为将水从所述第二热交换器(6)泵送至所述水箱(10)。
10.根据权利要求9所述的车辆，其中所述配水系统(7,8,9,10,14,15,16,17)包括设置在所述水箱(10)的上游的低压泵(8)，其中所述低压泵(8)配置为将水朝向所述第一热交换器(4)和所述内燃发动机(1)泵送。
11.根据前述权利要求中任一项所述的车辆，其中源自所述内燃发动机(1)的所述加热介质是废气。
12.根据前述权利要求中任一项所述的车辆，其中所述内燃发动机(1)被设置为用于推进所述车辆。
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