CN111527297A - 用于转换来自内燃机损失热的热能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将来自尤其是机动车的内燃机(1)损失热的热能转换为机械能的装置，其中，设置有用于工作介质的工作回路(2)，该工作介质在采用损失热情况下可被加热和蒸发，其中，在工作回路(2)中设置有用于从工作介质的热中获得机械能的膨胀机(6)，其中，该工作回路(2)延伸经过在该工作介质流动方向(S)上布置在该膨胀机(6)上游的换热器，其中，该换热器包括具有低温段(4.1)和高温段(4.2)的废气再循环换热器(4)、废气换热器(3)和在该内燃机(1)中的相变冷却器，其中，该换热器由按照如下顺序的串联连接构成，即，依次为该废气再循环换热器(4)的低温段(4.1)、该废气换热器(3)、该内燃机(1)中的相变冷却器、该废气再循环换热器(4)的高温段(4.2)。

Description

用于转换来自内燃机损失热的热能的装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于转换来自内燃机损失热(散失热，废热)的热能的装置。
背景技术
由US 2014/0137554 A1已知一种余热回收系统，其将工作流体连通至流体通道，流体通道形成在内燃式内燃机的发动机缸体和/或缸盖中以形成换热器。流体通道形成在发动机高温区附近以给工作流体供应足够的热能以便蒸发工作流体，而工作流体有利地冷却发动机缸体和/或缸盖以改善燃料效率。该发动机换热器布置在废气再循环过热器的下游和废气换热器的上游，从而使得发动机换热器相对于余热回收系统热动力学循环处于最佳位置，其中，再循环废气的冷却被优先化。通过在余热回收系统内布置若干阀来提供以下可能性，即，可选择多个并行流动路径以实现最佳运行。
发明内容
本发明基于以下任务，即，提供一种改善的用于转换来自内燃机损失热的热能的装置。
根据本发明，该任务通过一种根据权利要求1的用于转换来自内燃机损失热的热能的装置来完成。
本发明的有利设计是从属权利要求的主题。
根据本发明的用于将来自尤其机动车的内燃机损失热的热能转换为机械能的装置包括用于工作介质的工作回路，在使用损失热的情况下该工作介质可被加热和蒸发，其中，在该工作回路中设置有用于从工作介质热中获得机械能的膨胀机，其中，该工作回路延伸经过在工作介质流动方向上设于膨胀机上游的换热器，其中，该换热器包括具有低温段和高温段的废气再循环换热器、废气换热器和在内燃机中的相变冷却器，其中，该换热器通过按照顺序串联连接下述部件构成：废气再循环换热器的低温段、废气换热器、内燃机中的相变冷却器和废气再循环换热器的高温段。
在一个实施方式中，至少一个换热器、尤其是废气再循环换热器的至少一部分呈逆流换热器形式构成。为了针对过热改善工作安全性，逆流换热器或者逆流换热器的若干部分可被顺流换热器取代，但这以牺牲系统性能为代价。
根据本发明，该废气换热器在工作回路中串联布置在内燃机的上游和废气再循环换热器的低温段的下游。在内燃机中，所述冷却设计为相变冷却(PCC)。它允许将水或者水-乙醇混合物用作冷却介质并且以高蒸发压力运行。相变冷却容许持续的高壁温，因此可以缓解所谓的夹点问题(Pinch-Punkt-Problematik)。在用在重型商用车辆中时，能够展现出7％至8％的燃油节省潜力。相比于并联连接，可以将燃料效率提高例如2％。
附图说明
以下，结合附图来详述本发明的实施例，其中：
图1是具有用于废气余热回收的工作回路的内燃机的示意图，
图2是附加冷却系统的示意图。
彼此对应的零部件在所有图中带有相同的附图标记。
具体实施方式
图1是具有工作回路2的内燃机1的示意图，工作回路设计用于执行蒸汽循环、尤其是克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环。
给内燃机1供应燃烧空气V，燃烧空气的一部分由新风F构成。内燃机1的废气A的一部分经过废气换热器3和排气装置(未示出)被排出到环境中，一部分通过废气再循环换热器4与新风F汇合以便与之一起形成燃烧空气V。
废气再循环换热器4具有低温段4.1和高温段4.2，其中，低温段4.1在废气流中位于高温段4.2的下游。
工作回路2从废气再循环换热器4的低温段4.1起依次串联经过废气换热器3、内燃机1直至废气再循环换热器4的高温段4.2。在内燃机1中可以采用呈相变冷却(PCC)形式的冷却。在工作回路2中设有工作介质例如水和/或乙醇和/或甲醇。
工作介质在工作回路2内循环，工作介质在使用损失热、尤其是废气余热和/或来自内燃机1的损失热的情况下可被加热和蒸发。在工作回路2中，工作介质在经过废气再循环换热器4的高温段4.2之后被供给膨胀机6以从工作介质的热中获得机械能。工作介质在泵7的驱动下在工作回路2内循环。
工作回路2在工作介质流动方向S上在膨胀机6下游延伸经过冷凝器8和泵7而回到废气再循环换热器4的低温段4.1。工作介质通过在废气再循环换热器4和废气换热器3中的废气余热以及通过内燃机1中的发动机热而被加热且至少部分被蒸发。工作介质在膨胀机6中膨胀，在此，热能被转化为机械能，机械能随后或许借助发电机(未示出)被转化为电能或以其它方式被利用。工作介质因膨胀而冷却且随后被引导经过冷凝器8并在那里被冷却和冷凝，随后它又到达泵7。
蒸发冷却的压力和温度可以被如下控制：
温度借助工作介质的质量流被调节。如果在膨胀机入口处的工作介质温度要被降低，则必须增大工作介质质量流。如果在膨胀机入口处的工作介质温度要被提高，则必须减小工作介质质量流。泵7此时可以被设计成是电动可变的，或者也可以通过可变的传动机构与内燃机1的发动机转速相关联。在固定不变地关联至发动机转速时，质量流可通过可变冲程或旁通来调节。
蒸发压力可以通过例如呈涡旋膨胀机、螺杆机、活塞膨胀机形式的容积式膨胀机6在大范围内通过膨胀机6转速来调节，因为入口体积流和转速几乎相互成线性关系。如果透平(例如径流透平或轴流透平)被用作膨胀机6，则该压力通过透平的有效横截面和流通量来得到。该横截面也可以设计成是可变的，例如通过可变的透平形状或可变的局部负荷。
对于内燃机1的蒸发冷却，容积式膨胀机6和透平的组合可被证明是特别有利的：利用容积式膨胀机6的转速，可以调节蒸发压力。下游的透平能够在结构尺寸小的情况下有效利用在冷凝压力很低时的大体积流。来自蒸发器的工作介质流、即来自由废气再循环换热器4的低温段4.1、废气换热器3、内燃机1和废气再循环换热器4的高温段4.2构成的串联结构的工作介质流在被送入容积式膨胀机6时具有高温和高蒸发压力。容积式膨胀机6通过其转速来调节入口体积流以及因此入口压力。下游的透平还可以在允许的结构尺寸情况下有效利用由低冷凝压力决定的大体积流。自例如呈透平形式的膨胀机6流出并流向冷凝器8的工作介质流具有低温和很低的冷凝压力。
压力调节可以基于如下准则：
蒸发压力在蒸发冷却中确定被冷却部分的壁温。高壁温在燃烧时保证较小热传递，由此实现温度更高且或许更快速的燃烧，此时有出现更多氮氧化物(NOx)的趋势。在对NOx要求严苛的发动机运行(如市内或在低温废气后处理时)中，能有目的地以低蒸发压力进行，以减少氮氧化物排放。
在正常运行中，应该如此调节蒸发压力，即使得，壁温大致达到可用传统冷却系统获得的值。较高壁温也可以安全运行，因为相较于借助冷却水的方式可以明显更精确地调节该温度。因此，必须将与临界值保持较小安全距离。较高壁温导致了较低油耗，同时有较高的NOx排放。两种排放之间的折中可以通过蒸发压力的附加自由度来更好地调节。
在保证待冷却部件安全运行并遵守有害物排放时，可以如此调节蒸发压力，即使得，膨胀机6(或这些膨胀机)的功率在减去泵7的功率后是最佳的。
温度调节应该保证系统内的最高温度不高出所用工作介质的或例如用于密封的所用构建材料的分解温度。此外，工作介质进入膨胀机6的入口温度应该符合膨胀机6的要求。在使用透平的情况下，输出蒸汽不应该过湿，以免透平受到滴蚀威胁。
可以设有以下传感器：在膨胀机6的入口处的压力传感器，在膨胀机6的入口处的温度传感器，在泵7的入口处的压力传感器和温度传感器，在泵7的出口处的压力传感器。
此外，可以在泵7的下游设置质量流量传感器，尤其是如果泵7无法用模型来良好地描述。其它的温度传感器可以布置在蒸发器的单独部件(即废气再循环换热器4的低温段4.1、废气换热器3、内燃机1和废气再循环换热器4的高温段4.2)的上游和/或下游。
图2示出附加冷却系统10的示意图。在冷却空气流K中，作为第一个，例如在车辆前部存在增压空气冷却器(Ladeluftkuehler)11。增压空气冷却可直接或间接地进行，在间接系统中也可以采用多级。具有低温度水平冷却需求的其它部件也可以被集成进来。另外，可以设有空调冷凝器(未示出)。
在冷却空气流K中在增压空气冷却器11的下游设置有用于蒸发冷却的再冷却器(Rückkühler)12。它也应该被供以温度尽量低的空气。但增压空气冷却或低温冷却具有优先地位。中间冷却器12位于冷却水回路13中。借助两位三通阀14，冷却水回路13的温度具有下限，以防止过低的冷凝温度或者在以水作为工作介质情况下防止冻结。冷却水泵15最好是(机械或电动)可调的并且如此小地调节冷却水回路13中的质量流量，即使得，保证在工作回路2中的泵7过冷。可选地，可调式冷却水泵15将冷却水回路13中的质量流量设置成如此大，即使得，该系统的功率平衡(膨胀机6的功率–泵7的功率–冷却水泵15的功率)尽量最佳。在冷却水泵15的下游，冷却水流过工作回路2的作为冷凝换热器构成的冷凝器8。
废气余热利用系统的所述过程控制融合了缸盖内温度升高原理和串联连接的废气余热回收系统。
因为热源例如像废气在被汲热时变冷，而缸盖因同时由燃烧和摩擦造成的供热而未变冷，故在缸盖内存在持续的高供热温度，从而可以实现工作介质即水(或水/乙醇混合物)的高效使用。由此几乎可以使余热回收系统的效率翻倍，同时，对系统的热输入因发动机冷却的附加热输入而被显著增大。
该装置的系统性能在此可被显著提高。可以针对燃烧、废气后处理以及增压获得其他优点。燃烧因更均匀的壁温而造成较少热损耗，增压和废气后处理因较高废气温度而受益。由此，可以通过更均匀的壁温来过度补偿可能较高的NOx水平。
附图标记列表
1 内燃机
2 工作回路
3 废气换热器
4 废气再循环换热器
4.1 低温段
4.2 高温段
6 膨胀机
7 泵
8 冷凝器
10 冷却系统
11 增压空气冷却器
12 再冷却器
13 冷却水回路
14 两位三通阀
15 冷却水泵
A 废气
F 新风
K 冷却空气流
S 流动方向
V 燃烧空气。

Claims (6)

1.一种用于将来自尤其是机动车的内燃机(1)损失热的热能转换为机械能的装置，其中，设置有用于工作介质的工作回路(2)，该工作介质在采用损失热的情况下能被加热和蒸发，其中，在该工作回路(2)中设置有用于从该工作介质的热中获得机械能的膨胀机(6)，其中，该工作回路(2)延伸经过在该工作介质流动方向(S)上布置在该膨胀机(6)上游的换热器，其中，该换热器包括具有低温段(4.1)和高温段(4.2)的废气再循环换热器(4)、废气换热器(3)和在该内燃机(1)中的相变冷却器，其特征在于，该换热器由按照如下顺序的串联连接构成，即，依次为该废气再循环换热器(4)的低温段(4.1)、该废气换热器(3)、该内燃机(1)中的相变冷却器、该废气再循环换热器(4)的高温段(4.2)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，水和/或乙醇和/或甲醇被用作工作介质。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该内燃机(1)的冷却的温度能借助该工作介质的质量流量来调节。
4.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该膨胀机(6)包括容积式膨胀机。
5.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该膨胀机(6)包括透平。
6.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，设有附加的冷却系统(10)，其借助冷却空气被冷却且设计用于冷却该工作回路(2)的作为冷凝换热器构成的冷凝器(8)。
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