專利名稱：采用有機(jī)朗肯循環(huán)的排放臨界增壓冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢熱能量轉(zhuǎn)換，更具體地，涉及采用提供排放臨界增壓冷卻的朗肯循環(huán)(RC)系統(tǒng)的廢熱回收系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
諸如有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)的朗肯循環(huán)(RC)能夠捕獲通常會(huì)被浪費(fèi)的熱能(“廢熱”)的一部分并將所捕獲的一部分熱能轉(zhuǎn)換為能做有用功的能量。采用朗肯循環(huán)的系統(tǒng)通常被稱作廢熱回收(WHR)系統(tǒng)。例如，來自內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的熱量，例如廢氣熱能和其它發(fā)動(dòng)機(jī)熱源(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、廢氣、增壓氣體、水套)能被捕獲并被轉(zhuǎn)換成有用的能量(例如，電能或機(jī)械能)。按照這種方式，廢熱能的一部分能夠被回收，以提高包括一個(gè)或更多個(gè)廢熱源的系統(tǒng)的效率。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，一種系統(tǒng)包括朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)，該朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)提供對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口上游的輸入增壓流的排放臨界增壓冷卻，該輸入增壓流包括廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源中的至少一個(gè)。該系統(tǒng)包括:鍋爐，該鍋爐流體連接到輸入增壓流，并被配置為將來自所述輸入增壓流的熱傳送到朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的工作流體并使所述工作流體蒸發(fā)；能量轉(zhuǎn)換裝置，該能量轉(zhuǎn)換裝置流體連接到所述鍋爐，并被配置為接收蒸發(fā)的工作流體并轉(zhuǎn)換所傳送的熱能；冷凝器，該冷凝器流體連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置，并被配置為接收工作流體，其中，從該工作流體轉(zhuǎn)換能量；泵，該泵具有流體連接到所述冷凝器的出口的入口和流體連接到所述鍋爐的入口的出口，所述泵被配置為將來自所述冷凝器的流體移送至所述鍋爐；用于調(diào)節(jié)朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的至少一個(gè)參數(shù)，以改變離開所述鍋爐的所述輸入增壓流的溫度的機(jī)構(gòu)；傳感器，該傳感器被配置為感測(cè)所述輸入增壓流的溫度特性；以及控制器。所述控制器被配置為確定輸入增壓流的足以滿足或超過預(yù)定目標(biāo)排放的目標(biāo)溫度，并使得所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)所述朗肯動(dòng)力循環(huán)的至少一個(gè)參數(shù)以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)排放。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，一種內(nèi)燃機(jī)包括朗肯動(dòng)力循環(huán)冷卻子系統(tǒng)，該朗肯動(dòng)力循環(huán)冷卻子系統(tǒng)提供對(duì)內(nèi)燃 機(jī)進(jìn)氣口上游的輸入增壓流的排放臨界增壓冷卻，該輸入增壓流包括廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源中的至少一個(gè)。該朗肯子系統(tǒng)包括:鍋爐，該鍋爐流體連接到所述輸入增壓流，并被配置為將來自所述輸入增壓流的熱傳送到所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的工作流體并使所述工作流體蒸發(fā)；能量轉(zhuǎn)換裝置，該能量轉(zhuǎn)換裝置流體連接到所述鍋爐，并被配置為接收蒸發(fā)的工作流體并轉(zhuǎn)換所傳送的熱能；冷凝器，該冷凝器流體連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置，并被配置為接收工作流體，其中，從所述工作流體轉(zhuǎn)換能量；泵，該泵具有流體連接到所述冷凝器的出口的入口以及流體連接到所述鍋爐的入口的出口，所述泵被配置為將來自所述冷凝器的流體移送至所述鍋爐；調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器被配置為調(diào)節(jié)所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的至少一個(gè)參數(shù)，以改變離開所述鍋爐的所述輸入增壓流的溫度；傳感器，該傳感器被配置為感測(cè)所述輸入增壓流的溫度特性；以及控制器，該控制器被配置為確定所述輸入增壓 流的閾值溫度，低于該閾值溫度就足以滿足或超過預(yù)定目標(biāo)排放，并使得所述調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所述朗肯動(dòng)力循環(huán)的至少一個(gè)參數(shù)，以將所感測(cè)的溫度維持在所確定的閾值溫度內(nèi)。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了一種冷卻內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口上游的輸入增壓流的方法，所述輸入增壓流包括廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源中的至少一個(gè)，該方法包括以下步驟:向朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的鍋爐提供所述輸入增壓流，以將來自所述輸入增壓流的熱傳送到所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的工作流體并使所述工作流體蒸發(fā)；轉(zhuǎn)換所傳送的熱能；使所述工作流體冷凝，其中，從所述工作流體轉(zhuǎn)換能量；泵送所述冷凝的工作流體以移送所述工作流體通過朗肯動(dòng)力循環(huán)；確定所述輸入增壓流的足以滿足或超過預(yù)定目標(biāo)排放的目標(biāo)溫度；感測(cè)離開所述鍋爐的所述輸入增壓流的溫度；以及控制所述朗肯動(dòng)力循環(huán)的至少一個(gè)參數(shù)，以將所述輸入增壓流的溫度維持在所述目標(biāo)溫度或維持為低于所述目標(biāo)溫度。


圖1是根據(jù)示例性實(shí)施方式的包括朗肯循環(huán)的一般廢熱回收系統(tǒng)的圖示。圖2是根據(jù)示例性實(shí)施方式的包括朗肯循環(huán)和換熱器旁通的廢熱回收系統(tǒng)的圖
/Jn ο圖3是根據(jù)示例性實(shí)施方式的包括用于至少冷卻EGR氣體的朗肯循環(huán)的廢熱回收系統(tǒng)的圖不。圖4是根據(jù)示例性實(shí)施方式的包括用于冷卻EGR氣體和增壓空氣混合物的朗肯循環(huán)的廢熱回收系統(tǒng)的圖示。
具體實(shí)施例方式下文將結(jié)合示例性實(shí)施方式對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行說明。然而，本公開不應(yīng)被理解為限于這些實(shí)施方式。相反，提供這些實(shí)施方式以使得本公開是全面的并且完整的，這些實(shí)施方式將向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分表達(dá)本發(fā)明的范圍。可能由于清晰和簡(jiǎn)潔的原因而未描述對(duì)公知的功能和結(jié)構(gòu)的說明。此外，除本文描述的實(shí)施方式以外，還可以包括任何變型和進(jìn)一步的改進(jìn)以及對(duì)所公開的原理的進(jìn)一步應(yīng)用，這些對(duì)于本公開所涉及的領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是容易想到的。本文公開的實(shí)施方式使用ORC來執(zhí)行針對(duì)增壓氣體的排放臨界冷卻的至少一部分，所述增壓氣體包括新鮮增壓空氣和/或EGR氣體。為了滿足當(dāng)前的排放水平，增壓氣體必須冷卻到特定目標(biāo)溫度值，以獲得良好的NOx/顆粒物質(zhì)折衷。圖1描述了系統(tǒng)10的不例性實(shí)施方式,該系統(tǒng)10將有機(jī)朗肯循環(huán)與發(fā)動(dòng)機(jī)(例如，柴油發(fā)動(dòng)機(jī))結(jié)合以從發(fā)動(dòng)機(jī)回收廢熱，并將該熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)功(motive work)或按照其它方式應(yīng)用或傳送該能量。系統(tǒng)10通常包括鍋爐(或過熱器)12、可以連接到負(fù)載(例如，發(fā)電機(jī))的能量轉(zhuǎn)換裝置(例如，諸如渦輪機(jī)的膨脹機(jī)、熱交換器等)14、冷凝器16、泵
18、換熱器22和控制器63，它們共同構(gòu)成了 RC子系統(tǒng)。下面進(jìn)行進(jìn)一步描述，工作流體(例如霍尼韋爾(Honeywell)的Genetron R-245fa、Therminol 、陶氏(Dow)化學(xué)公司的 Dowtherm J、Fluorinol、甲苯、十二烷、異十二烷、甲基十一烷、新戊烷、新戊烷、辛烷、水/甲醇混合物或蒸汽)通過一系列管道穿過系統(tǒng)10。管道24連接在冷凝器16的出口 26與泵18的入口 28之間。管道30連接在泵18的出口 32與換熱器22的入口 36之間。管道38連接在換熱器22的出口 40與鍋爐12的入口 44之間。管道46連接在鍋爐12的出口 48與能量轉(zhuǎn)換裝置14的入口 50之間。管道52連接在廢熱源54與鍋爐12的入口 56之間。廢熱源54可以是任何可接受的廢熱源，諸如EGR氣體、增壓空氣、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑或發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣。管道58連接在鍋爐12的出口 60之間。根據(jù)廢熱源54的性質(zhì)，通過管道58離開鍋爐12的廢熱可以被傳送至例如發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR回路、車輛排氣系統(tǒng)、增壓空氣回路或發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路。管道62連接在能量轉(zhuǎn)換裝置14的出口 64 (例如，擴(kuò)散器出口)與換熱器22的入口 66之間。管道68連接在換熱器22的出口 70與冷凝器16的入口 72之間。管道74連接在低溫源76與冷凝器16的出口 78之間。低溫源76可以是例如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑、低溫冷卻劑回路和/或環(huán)境空氣。最后，管道80連接在冷凝器16的出口 82與(根據(jù)應(yīng)用)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路、散熱器或大氣之間。

在系統(tǒng)10中，鍋爐12被設(shè)置為利用來自廢熱源54的熱，該熱通過鍋爐12以在高壓下增加供應(yīng)給鍋爐12的工作流體的溫度。下文對(duì)此進(jìn)行詳述，在特定工作狀況下，工作流體從換熱器22通過管道38在出口 44處供應(yīng)至鍋爐12。當(dāng)工作流體在出口 48離開鍋爐12時(shí)，由于從廢熱源54傳送至工作流體的熱穿過鍋爐12，工作流體在高壓高溫下處于氣體狀態(tài)。該氣體通過管道46到達(dá)能量轉(zhuǎn)換裝置14，在能量轉(zhuǎn)換裝置14中，來自氣體的能量能夠利用本領(lǐng)域公知的技術(shù)來用于做功。例如，能量轉(zhuǎn)換裝置14可以是渦輪機(jī)，其使軸(未示出)轉(zhuǎn)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(未示出)生成電能或驅(qū)動(dòng)其它機(jī)械部件以產(chǎn)生機(jī)械能和/或電能。該附加轉(zhuǎn)換能量可以按照機(jī)械或電的方式被傳送至發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，或用來向寄生電池和/或存儲(chǔ)電池供電。另選地，該能量轉(zhuǎn)換裝置可以用于將來自系統(tǒng)10的能量傳送到另一個(gè)系統(tǒng)(例如，將來自系統(tǒng)10的熱能傳送到加熱系統(tǒng)的流體)。能量轉(zhuǎn)換裝置14不會(huì)將來自工作流體的全部熱能轉(zhuǎn)換為功。因而，在出口 64從能量轉(zhuǎn)換裝置14排出的工作流體在高溫下保持為氣體狀態(tài)(對(duì)于一些工作流體)。下文進(jìn)行詳述，工作流體穿過管道62到達(dá)換熱器22，在換熱器22中，在特定工作狀況下，被用來將熱能傳送到從冷凝器16排出的工作流體。然后，工作流體穿過管道68到達(dá)冷凝器16，在冷凝器16中，工作流體被連接到冷凝器16的低溫源76冷卻。通過管道24從冷凝器16排出的工作流體處于低溫低壓的液態(tài)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，出于至少兩個(gè)原因，冷凝器16被用來降低工作流體的溫度。第一，盡管高溫工作流體是所期望的，以從能量轉(zhuǎn)換裝置14獲得最大功(即，以獲得朗肯循環(huán)的最大效率)，但是系統(tǒng)10的首要要求是維持穿過鍋爐12的廢熱源54的期望熱損耗。因此，低溫工作流體應(yīng)當(dāng)被供應(yīng)給鍋爐12。第二，在液態(tài)下增加工作流體的壓力所耗費(fèi)的能量比在氣態(tài)下增加其壓力所耗費(fèi)的能量少得多。因此，相比其它情況下的氣泵，用來提供壓力增加的泵18的強(qiáng)度要求更低并且更加便宜。泵18的出口 32處的工作流體通過管道30供應(yīng)給換熱器22的入口 36以及旁通閥20的入口 34。下面進(jìn)行詳述，在高負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況下，由控制器63控制的旁通閥20被移動(dòng)至開啟位置，使得至少一部分低溫工作流體通過而直接到達(dá)鍋爐12。在構(gòu)成正常發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況的部分負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況下，旁通閥20被移動(dòng)至閉合位置，從而使得低溫工作流體能夠流經(jīng)管道30到達(dá)換熱器22。如上所述，換熱器22提供從來自渦輪機(jī)14的高溫排氣向由泵18供應(yīng)的低溫流體的熱傳遞。該熱傳遞增加了供應(yīng)給鍋爐12的工作流體(其維持在液態(tài))的溫度。當(dāng)然，較高溫度的工作流體不能像較冷的工作流體那樣有效地冷卻通過鍋爐12的廢熱流，但是在大部分工作狀況下，由較高溫度的工作流體提供的熱損耗是讓人滿意的。此外，因?yàn)楣ぷ髁黧w在升溫后進(jìn)入鍋爐12，所以相比另外的未使用換熱器22的情況，從鍋爐12供應(yīng)到渦輪機(jī)14的工作流體(在氣態(tài)下)處于更高的能量狀態(tài)。這給渦輪機(jī)14提供了更多的能量，進(jìn)而能夠產(chǎn)生更多的輸出功。如上所述，系統(tǒng)10應(yīng)被設(shè)計(jì)為能夠在較廣的工況范圍下工作。針對(duì)系統(tǒng)10的目的，工作狀況主要由供應(yīng)給鍋爐12的廢熱的溫度和壓力來反映。當(dāng)廢熱源54是EGR回路的一部分時(shí)，廢熱排氣58必須不能超過最大閾值溫度。在一些應(yīng)用中，從鍋爐12流經(jīng)管道58的廢熱的出口溫度必須足夠低，以使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放要求。如果所需的發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱流冷卻不被滿足(如果是增壓空氣、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑或EGR氣體)，則發(fā)動(dòng)機(jī)將不符合排放規(guī)定。如果廢熱流是排氣，則因?yàn)榕艢馄髋懦龅呐艢獠恍枰M(jìn)行冷卻，所以這不成為問題。此外，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，可以使用系統(tǒng)10來實(shí)現(xiàn)至少一部分所需的增壓冷卻，以達(dá)到目標(biāo)排放值，例如 ，政府強(qiáng)制排放值。這是通過根據(jù)由控制器63執(zhí)行的控制方案將來自增壓空氣和/或EGR的熱傳 送到RC子系統(tǒng)中的高壓工作流體來實(shí)現(xiàn)的?？刂破?3可以是發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)(還被稱作發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU))或獨(dú)立于ECU的其它控制器或與ECM/ECU進(jìn)行通信的一個(gè)或更多個(gè)分布式控制裝置。該控制器可以包括用于確定EGR和/或流經(jīng)管道58到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管(未示出)的增壓空氣的最大閾值溫度廢熱的軟件和/或硬件，并且包括用于控制系統(tǒng)10的至少一個(gè)參數(shù)以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在所需的最大排放水平內(nèi)工作的其它模塊。例如，圖1示出了多個(gè)控制器信號(hào)線90-98，各個(gè)控制器信號(hào)線可以傳送感測(cè)和/或控制信號(hào)。在實(shí)施方式中，控制器能夠接收由設(shè)置在管道52和/或58處的傳感器提供的信號(hào)。該傳感器可以是溫度(T)傳感器或T傳感器和壓力(P)傳感器的組合(例如，增量(delta)溫度或壓力傳感器)，以在信號(hào)線90和/或92上生成表示在這些管道中流動(dòng)的廢熱的溫度和/或溫度/壓力組合的信號(hào)，并且控制器接收來自信號(hào)線90和/或92的信息，并且確定要調(diào)節(jié)朗肯子系統(tǒng)的哪些參數(shù)，以使得廢熱流的溫度，例如，離開鍋爐/過熱器12的輸入增壓(EGR氣體和/或增壓空氣)的溫度低于將排放維持為等于或低于所要求或期望的最高水平時(shí)所需要的最大閾值溫度。用于將排放維持為等于或低于所要求或者期望的最高水平的最大溫度(和/或壓力)的確定可以涉及使用算法，訪問查找表、圖或一些其它已知的確定最大輸入增壓溫度值的方法。另外，EGR和/或增壓空氣的廢熱的最大閾值溫度可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行模式或預(yù)測(cè)運(yùn)行模式而變化?？刂破骺梢詾橄到y(tǒng)10的運(yùn)行提供調(diào)節(jié)，例如使全部廢熱流的一部分旁通經(jīng)過系統(tǒng)10的一個(gè)或更多個(gè)部件。例如，如下面詳述，信號(hào)線98可以向換熱器22或通過換熱器連通廢熱流的系統(tǒng)部件(圖1中未示出)提供控制信號(hào)。其它控制可以包括:控制朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的參數(shù)，以控制由低溫源76經(jīng)由控制器信號(hào)線94進(jìn)行冷卻的冷卻量或冷卻速率，以及經(jīng)由控制器信號(hào)線96控制泵18，例如，通過調(diào)節(jié)泵速或限制流體在泵18中或沿著RC循環(huán)回路的其它點(diǎn)的流動(dòng)。此外，控制器信號(hào)線90-98可以向控制器63提供關(guān)于各個(gè)系統(tǒng)部件是否運(yùn)行正常的信息(例如，實(shí)時(shí)信息)。在一般發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載狀況下，來自冷凝器16的低溫工作流體為經(jīng)過鍋爐12的廢熱流提供足夠的冷卻。因此，在正常負(fù)載狀況下，工作流體經(jīng)過換熱器22，該換熱器22降低了供應(yīng)給冷凝器16的工作流體的溫度并且增加了供應(yīng)給鍋爐12的工作流體的溫度。更具體地，當(dāng)氣態(tài)工作流體從入口 66至出口 77流經(jīng)換熱器22的第一流動(dòng)路徑時(shí)，其將熱能傳送到流經(jīng)從入口 36到出口 40的第二流動(dòng)路徑的較低溫液態(tài)工作流體。由此，供應(yīng)給冷凝器16的氣態(tài)工作流體溫度較低，冷凝器16也更榮易將其冷凝為液體。此外，供應(yīng)給鍋爐12的液態(tài)工作流體處于較高溫度。此后，在鍋爐12中受熱后供應(yīng)給能量轉(zhuǎn)換裝置14的氣態(tài)工作流體相比在循環(huán)中未使用換熱器22的情況處于更高的能量狀態(tài)。盡管在正常負(fù)載狀況下從廢熱中去除了較少的熱量，但是廢熱溫度能夠被維持為低于滿足所需排放的最大閾值。因而，系統(tǒng)10可以容納由換熱器22提供的附加的熱，并且因?yàn)樵摳郊拥臒崾沟媚芰哭D(zhuǎn)換裝置14能夠做出更多有用功或者傳送更多的能量，所以實(shí)現(xiàn)了更高的效率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增加時(shí)(例如，加速期間、上坡、拖拉重物等)，負(fù)載越增加，則提供給鍋爐12的廢熱溫度越高。如上所述，在廢熱源54在EGR回路中和/或增壓空氣回路中的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，例如，鍋爐12必須從廢熱源抽取足夠的熱，以確保其維持為低于最高閾值溫度，進(jìn)而確保在預(yù)定排放目標(biāo)值的工況下或者低于預(yù)定排放目標(biāo)值的工況下運(yùn)行。因此，系統(tǒng)10被設(shè)計(jì)為感測(cè)增加的負(fù)載狀況，并相應(yīng)地啟動(dòng)控制以經(jīng)由控制器26調(diào)節(jié)廢熱流溫度。如上所述，可以 基于與目標(biāo)排放水平對(duì)應(yīng)的目標(biāo)溫度來啟動(dòng)控制，并且針對(duì)不同的運(yùn)行模式和/或負(fù)載，目標(biāo)溫度可以具有不同的值。圖2是根據(jù)示例性實(shí)施方式的系統(tǒng)100的圖示，在該實(shí)施方式中，對(duì)增壓空氣和/或EGR進(jìn)行冷卻，以滿足使用RC(例如，0RC)的工作流體的目標(biāo)排放水平，并且控制工作流體在各種發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載狀況下旁通經(jīng)過換熱器。在該實(shí)施方式中，能量轉(zhuǎn)換裝置包括膨脹機(jī)(渦輪機(jī))140與發(fā)電機(jī)142的組合。圖2以及下文描述的圖3和圖4中的部件具有與以上給出的圖1中的部件相同的附圖標(biāo)記。如圖2所示，管道30連接在泵18的出口 32、旁通閥20的入口 34以及換熱器22的入口 36之間。管道38連接在換熱器22的出口 40、旁通閥20的出口 42以及鍋爐12的入口 44之間。溫度傳感器61連接到管道58以檢測(cè)離開鍋爐12的廢熱的溫度，并且在信號(hào)線90上向控制器63提供輸出信號(hào)，該控制器63在信號(hào)線98上提供用來控制旁通閥20的位置的信號(hào)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的增加，更高溫度的廢熱被供應(yīng)給鍋爐/過熱器12。如上所述，在廢熱源54處于EGR回路和/或增壓空氣回路中的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，例如，鍋爐12必須從所述廢熱提取足夠的熱，以確保將其維持為低于該負(fù)載的最大閾值溫度，從而確保在等于或低于預(yù)定排放目標(biāo)值的狀況下運(yùn)行。系統(tǒng)100感測(cè)到負(fù)載狀況增加，相應(yīng)地啟動(dòng)旁通閥20，如有必要，直接將工作流體從冷凝器16 (通過泵18)引導(dǎo)到鍋爐12。在圖2所述的實(shí)施方式中，傳感器61感測(cè)流經(jīng)管道58的廢熱溫度。在實(shí)施方式中，傳感器61能夠向控制器63提供表不廢熱溫度的輸出信號(hào)?？刂破?3包括能夠解釋來自傳感器61的輸出信號(hào)的電子器件(未示出)以確定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載水平。當(dāng)負(fù)載水平達(dá)到預(yù)定水平時(shí)，如傳感器61所指示，控制器63使得旁通閥20部分開啟，從而將流經(jīng)管道30的一部分較冷工作流體直接從泵18弓I導(dǎo)至鍋爐12。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增加，控制器63可以進(jìn)一步開啟旁通閥20，以將更多的較冷工作流體直接引導(dǎo)至鍋爐12 (即，旁通經(jīng)過換熱器22)。系統(tǒng)100可以被設(shè)計(jì)為使得當(dāng)旁通閥20完全開啟時(shí)，向鍋爐12提供足夠的較冷工作流體，以防止離開鍋爐12的廢熱超過預(yù)定最大溫度。需要明白的是，其它控制系統(tǒng)可以用來感測(cè)或確定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載并相應(yīng)地控制旁通閥20。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地設(shè)想預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其中，更直接地監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，并且基于離開鍋爐12的廢熱流的預(yù)期溫度來調(diào)節(jié)旁通閥20。在該配置中，系統(tǒng)預(yù)測(cè)由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況的變化而導(dǎo)致的熱交換器中的熱慣性。由于上述旁通的結(jié)果，在負(fù)載增加的狀況下，至少一部分工作流體沒有經(jīng)過換熱器22，在換熱器22中，工作流體在進(jìn)入鍋爐12之前溫度會(huì)升高。在這些狀況下，相比系統(tǒng)中沒有換熱器旁通閥的情況，由于去除了來自換熱器22的熱輸入，所以工作流體的流速減小。隨后，從渦輪機(jī)140排出的較高溫度的氣體被冷凝器16冷卻。這導(dǎo)致冷凝器16處的較高的壓力，渦輪機(jī)140處的較低的壓力比以及相應(yīng)的渦輪機(jī)140處的較低的功率輸出。換句話說，由于冷凝器16必須在沒有換熱器22冷卻工作流體的益處的情況下冷卻從渦輪機(jī)140排出的工作流體，并且由于從鍋爐12供應(yīng)給渦輪機(jī)140的工作流體未被換熱器22預(yù)熱，系統(tǒng)100的效率降低了。由于高負(fù)載狀況在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間中僅占相對(duì)小的百分比(例如，百分之五到百分之十)，所以此效率損失是可接受的。從上文可明顯看出，當(dāng)換熱器22的旁通特性使得系統(tǒng)10能夠容許在高負(fù)載狀況下發(fā)生的峰值熱損耗要求時(shí)，系統(tǒng)10可以被設(shè)計(jì)為在最通常的運(yùn)行點(diǎn)(即，正常發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載狀況)下有效運(yùn)行。因此，可以選擇較低功率的渦輪機(jī)140。更具體地，如果系統(tǒng)10中不包括旁通閥20，則要求渦輪機(jī)14能夠承受上述的高負(fù)載工作狀況，即使這些高負(fù)載工作狀況出現(xiàn)頻率不高。這就需要更加堅(jiān)固并且更加昂貴的渦輪機(jī)140 (例如，最大輸出為35KW)，其可能實(shí)質(zhì)上在大部分時(shí)間中(即，正常負(fù)載狀況下)未被充分使用。通過實(shí)現(xiàn)上述旁通特征，可以使用強(qiáng)度和價(jià)格較低的渦輪機(jī)140 (例如，最大輸出為25KW)。此外，通過將旁通閥20置于泵18的輸出部而非系統(tǒng)100的高溫側(cè)，旁通閥20可以被設(shè)計(jì)為在較低溫度液態(tài)而非高溫氣態(tài)下運(yùn)行。因此，相比其它所需的情況，旁通閥20可以更加緊湊、簡(jiǎn)單和便宜。此外，相比其它所需的情況，泵18的流速和功率也更低。圖3示出了根據(jù)實(shí)施方式的示例性O(shè)RC冷卻系統(tǒng)200，在該實(shí)施方式中，利用ORC子系統(tǒng)A僅冷卻EGR氣體，其中通過子系統(tǒng)A的增壓冷卻要求滿足目標(biāo)排放水平，該目標(biāo)排放水平可以是預(yù)定的當(dāng)前允許水平或者是期望的發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平。

如圖3所示，ORC子系統(tǒng)A將離開發(fā)動(dòng)機(jī)211的排氣歧管210的EGR氣體的熱能傳送至子系統(tǒng)A的工作流體。更具體地，ORC子系統(tǒng)A包括傳送泵18，該傳送泵18將高壓液態(tài)工作流體移送到鍋爐/過熱器12的鍋爐入口處，其中來自EGR增壓氣體的熱能被傳送到ORC工作流體。在鍋爐/過熱器12中，工作流體汽化并產(chǎn)生高壓蒸汽，該高壓蒸汽在過熱器處離開鍋爐/過熱器14，并進(jìn)入高壓膨脹機(jī)(渦輪機(jī))140的入口。ORC冷卻系統(tǒng)200能夠從高壓渦輪機(jī)140產(chǎn)生附加的做功輸出。例如，所述附加功可以通過電能或機(jī)械能的方式傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，或者可以用來向電力裝置、寄生電池或存儲(chǔ)電池供電。在圖3所示的實(shí)施方式中，膨脹蒸汽帶動(dòng)渦輪機(jī)140，渦輪機(jī)140帶動(dòng)發(fā)電機(jī)142。發(fā)電機(jī)142產(chǎn)生的功率可以經(jīng)由功率電子器件222饋送至傳動(dòng)馬達(dá)發(fā)電機(jī)(DMG) 220。膨脹的氣體從渦輪機(jī)16出口離開并且隨后經(jīng)由凝汽器16被冷卻和冷凝，其可以由LTS冷卻， 在該情況下中LTS是包括具有RAM空氣流的冷凝冷卻器226和冷凝冷卻泵228的液體回路，盡管如此，還可以采用其它冷凝冷卻裝置，例如直接空氣冷卻熱交換器。該冷凝工作流體從冷凝器16的出口處離開并被供應(yīng)至傳送泵18，以完成循環(huán)并增加工作流體壓力。盡管未示出，但是還可以設(shè)置增壓泵，以防治傳送泵18出現(xiàn)氣穴。圖3示出，ORC子系統(tǒng)A包括位于從渦輪機(jī)140到冷凝器16的工作流體路徑中以及位于從傳送泵18到鍋爐/過熱器12的鍋爐的路徑中的換熱器22，以提高RC的熱效率。如上所述，換熱器22是包括兩條路徑的熱交換器。工作流體在從渦輪機(jī)140的出口(未示出)離開后進(jìn)入冷凝器16之前沿著兩條路徑中的第一條移動(dòng)。然而在第一路徑中，換熱器22在工作流體進(jìn)入冷凝器16之前降低了工作流體的溫度。在穿過冷凝器16后，工作流體在第二路徑中被供給泵18移送通過換熱器22。沿著第二路徑，熱從換熱器22傳送回溫度較低的工作流體，隨后被供應(yīng)至鍋爐/過熱器12。盡管圖3中未示出，但是離開ORC子系統(tǒng)A的EGR氣體需要使用傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的輔助冷卻，例如，使用低溫液體冷卻回路或利用空氣直接冷卻。EGR增壓可以與由壓縮機(jī)234壓縮的增壓空氣組合，所述壓縮機(jī)234連接到由離開排氣歧管210的廢氣供電的渦輪機(jī)236并被其驅(qū)動(dòng)。所述增壓空氣在被壓縮機(jī)234壓縮時(shí)被加熱。該加熱的增壓空氣被供應(yīng)至增壓空氣冷卻器(CAC) 238，在其中冷卻后與冷卻后的EGR氣體在混合器240中組合。包括冷卻后的EGR氣體和冷卻壓縮后的空氣的組合增壓混合物被供應(yīng)至發(fā)動(dòng)機(jī)211的進(jìn)氣歧管242。EGR增壓氣體流的流量可以由EGR閥232來控制。系統(tǒng)200還包括連接到鍋爐/過熱器12的EGR氣流上游的傳感器261，其用來感測(cè)EGR氣體的溫度，如上文針對(duì)圖1所述。盡管傳感器261被示出為位于EGR閥232的上游，但是傳感器261可以設(shè)置在鍋爐的上游的任意位置。另外，盡管圖3中未示出，但是換熱器22可以包括圖2的系統(tǒng)10中所示的旁通閥20。系統(tǒng)200中的另一個(gè)溫度控制機(jī)構(gòu)是限流器262，其可被控制器63控制以調(diào)節(jié)ORC子系統(tǒng)A中的工作流體的流速。系統(tǒng)200可以包括僅一個(gè)控制器或更多個(gè)控制器來調(diào)節(jié)流出ORC子系統(tǒng)A的廢熱流(EGR)的溫度。在應(yīng)用多個(gè)控制機(jī)構(gòu)時(shí)，各個(gè)控制機(jī)構(gòu)有時(shí)可以單獨(dú)使用，或者與其它控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合以獲得期望的冷卻速率和用于冷卻的氣體量。圖4示出了根據(jù)實(shí)施方式的ORC增壓冷卻系統(tǒng)300，在該實(shí)施方式中，ORC子系統(tǒng)A在組合增壓冷卻器中對(duì)EGR氣體和增壓空氣這二者進(jìn)行冷卻。其中的部件的附圖標(biāo)記與以上所述的系統(tǒng)10、100、200的任意一個(gè)中的部件的附圖標(biāo)記相同。如圖4所述，從壓縮機(jī)234排出的空氣增壓流在混合器340中與來自EGR閥232的EGR氣體進(jìn)行混合，且該增壓混合物被傳送穿過ORC熱交換器(即鍋爐/過熱器12)，以將熱傳送到0RC。該冷卻后的氣體混合物被傳送至增壓冷卻器338 (例如，CCAC)的入口以進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，并且離開增壓冷卻器338的出口的冷卻后的氣體混合物被供應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)211的進(jìn)氣歧管242。其它實(shí)施方式可以包括來自增壓氣體熱輸入的變型。這些變型包括僅使用增壓空氣熱輸入的系統(tǒng)。其它變體是使用增壓空氣和EGR冷卻，其中這些氣體保持非混合，輸入到ORC的增壓空氣和EGR熱可以是并行或者是串聯(lián)熱輸入構(gòu)造。同時(shí)，增壓冷卻器可以完全省略，或者在該處設(shè)置旁通閥以允許附加溫度控制。此外，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的其它熱源(包括水套冷卻、油冷卻或廢氣冷卻)可以被包括在使用RC和能量轉(zhuǎn)換裝置以提高能量回收的增壓冷卻系統(tǒng)的實(shí)施方式中。盡管本文描述了有限數(shù)量的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易認(rèn)識(shí)到，可以對(duì)這些實(shí)施方式 中的任一個(gè)進(jìn)行變型，并且這些變型將在本公開的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種包括朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的系統(tǒng)，該朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)提供對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口上游的輸入增壓流的排放臨界增壓冷卻，該輸入增壓流包括廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源中的至少一個(gè)，該系統(tǒng)包括 鍋爐，該鍋爐流體連接到所述輸入增壓流，并被配置為將來自所述輸入增壓流的熱傳送到所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的工作流體并使所述工作流體蒸發(fā)； 能量轉(zhuǎn)換裝置，該能量轉(zhuǎn)換裝置流體連接到所述鍋爐，并被配置為接收蒸發(fā)的工作流體并轉(zhuǎn)換所傳送的熱能； 冷凝器，該冷凝器流體連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置，并被配置為接收所述工作流體，其中，從所述工作流體轉(zhuǎn)換能量； 泵，該泵具有流體連接到所述冷凝器的出口的入口以及流體連接到所述鍋爐的入口的出口，所述泵被配置為將來自所述冷凝器的流體移送至所述鍋爐； 用于調(diào)節(jié)所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的至少一個(gè)參數(shù)以改變離開所述鍋爐的所述輸入增壓流的溫度的裝置； 傳感器，該傳感器被配置為感測(cè)所述輸入增壓流的溫度特性；以及控制器，該控制器被配置為確定所述輸入增壓流的足以滿足或超過預(yù)定目標(biāo)排放的目標(biāo)溫度，并使得所述裝置調(diào)節(jié)朗肯動(dòng)力循環(huán)的至少一個(gè)參數(shù)以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)排放。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括流體連接到所述鍋爐并在所述鍋爐的上游的混合室，其中，所述輸入增壓流包括在所述混合室中混合的增壓廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源這二者。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述能量轉(zhuǎn)換裝置是渦輪機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括連接到所述渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，用于調(diào)節(jié)的所述裝置包括換熱器旁通閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，用于調(diào)節(jié)的所述裝置包括所述工作流體的流動(dòng)路徑中的限流器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，用于調(diào)節(jié)的所述裝置包括所述泵中的變速控制器。
8.一種包括朗肯動(dòng)力循環(huán)冷卻子系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，該朗肯動(dòng)力循環(huán)冷卻子系統(tǒng)提供對(duì)所述內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口上游的輸入增壓流的排放臨界增壓冷卻，所述輸入增壓流包括廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源中的至少一個(gè)，該內(nèi)燃機(jī)包括 鍋爐，該鍋爐流體連接到所述輸入增壓流，并被配置為將來自所述輸入增壓流的熱傳送到所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的工作流體并使所述工作流體蒸發(fā)； 能量轉(zhuǎn)換裝置，該能量轉(zhuǎn)換裝置流體連接到所述鍋爐，并被配置為接收蒸發(fā)的工作流體并轉(zhuǎn)換所傳送的熱能； 冷凝器，該冷凝器流體連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置，并被配置為接收所述工作流體，其中，從所述工作流體轉(zhuǎn)換能量； 泵，該泵具有流體連接到所述冷凝器的出口的入口以及流體連接到所述鍋爐的入口的出口，所述泵被配置為將來自所述冷凝器的流體移送至所述鍋爐； 調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器被配置為調(diào)節(jié)所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的至少一個(gè)參數(shù)以改變離開所述鍋爐的所述輸入增壓流的溫度；傳感器，該傳感器被配置為感測(cè)所述輸入增壓流的溫度特性；以及 控制器，該控制器被配置為確定所述輸入增壓流的閾值溫度，低于該閾值溫度就足以滿足或超過預(yù)定目標(biāo)排放，并使得所述調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)朗肯動(dòng)力循環(huán)的至少一個(gè)參數(shù)以將所感測(cè)到的溫度維持在所確定的閾值溫度內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)還包括流體連接到所述鍋爐并在所述鍋爐的上游的混合室，其中，所述輸入增壓流包括在該混合室中混合的增壓廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源這二者。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述能量轉(zhuǎn)換裝置是渦輪機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)還包括連接到所述渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述調(diào)節(jié)器包括換熱器旁通閥。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述調(diào)節(jié)器包括所述工作流體的流動(dòng)路徑中的限流器。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述調(diào)節(jié)器包括所述泵中的變速控制器。
15.一種冷卻內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口上游的輸入增壓流的方法，該輸入增壓流包括廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源中的至少一個(gè)，該方法包括以下步驟 向朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的鍋爐提供所述輸入增壓流，以將來自所述輸入增壓流的熱傳送到所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的工作流體并使所述工作流體蒸發(fā)； 轉(zhuǎn)換所傳送的熱能； 使所述工作流體冷凝，其中，從所述工作流體轉(zhuǎn)換能量； 泵送所述冷凝的工作流體以移送所述工作流體通過朗肯動(dòng)力循環(huán)； 確定所述輸入增壓流的足以滿足或超過預(yù)定目標(biāo)排放的目標(biāo)溫度； 感測(cè)離開所述鍋爐的所述輸入增壓流的溫度；以及 控制朗肯動(dòng)力循環(huán)的至少一個(gè)參數(shù)以將所述輸入增壓流的溫度維持在所述目標(biāo)溫度或維持為低于所述目標(biāo)溫度。
全文摘要
本公開提供了一種包括朗肯動(dòng)力循環(huán)冷卻子系統(tǒng)的系統(tǒng)，該朗肯動(dòng)力循環(huán)冷卻子系統(tǒng)提供對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口上游的輸入增壓流的排放臨界增壓冷卻，該輸入增壓流包括廢氣再循環(huán)(EGR)源和增壓空氣源中的至少一個(gè)。該系統(tǒng)包括鍋爐，該鍋爐流體連接到所述輸入增壓流，并被配置為將來自所述輸入增壓流的熱傳送到所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的工作流體并使所述工作流體蒸發(fā)；能量轉(zhuǎn)換裝置，該能量轉(zhuǎn)換裝置流體連接到所述鍋爐，并被配置為接收蒸發(fā)的工作流體并轉(zhuǎn)換所傳送的熱能；冷凝器，該冷凝器流體連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置，并被配置為接收所述工作流體，其中，從所述工作流體轉(zhuǎn)換能量；泵，該泵具有流體連接到所述冷凝器的出口的入口以及流體連接到所述鍋爐的入口的出口，所述泵被配置為將來自所述冷凝器的流體移送至所述鍋爐；調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所述朗肯動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)的至少一個(gè)參數(shù)，以改變離開所述鍋爐的所述輸入增壓流的溫度；以及傳感器，該傳感器被配置為感測(cè)所述蒸發(fā)的輸入增壓流的溫度特性。該系統(tǒng)包括控制器，該控制器能夠確定所述輸入增壓流的足以滿足或超過預(yù)定目標(biāo)排放的目標(biāo)溫度，并使得所述調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)朗肯動(dòng)力循環(huán)的至少一個(gè)參數(shù)以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)排放。
文檔編號(hào)F02M25/07GK103237961SQ201180038724
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者T·C·恩斯特, C·R·尼爾森 申請(qǐng)人:康明斯知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司