廢熱回收系統控制方法和裝置與流程
2024-02-27 21:42:15
本發明涉及適於用於內燃(IC)發動機的熱回收系統和方法的領域，所述內燃發動機可從IC發動機的廢氣回收熱量。
背景技術：
能量回收系統在本領域中是已知的，並且通常包括熱交換系統，其中來自IC發動機的廢氣用於將工作流體從液體轉換成蒸汽，其中蒸汽繼而又驅動連接到發電機的渦輪。
然而，通常這種組合系統在捕獲來自廢氣的廢排放熱的方面效率低，導致低於預期的能量轉化率。
發明目的
本發明的目的是提供一種操作發動機的方法，該發動機包括一種提供了系統的總效率的提高的熱回收系統。
本發明的另一個目的是克服或至少解決現有技術的缺點和缺陷。
結合描述本發明實施方式的附圖，本發明的其它目的和優點將在下面的描述變得顯而易見。
發明概述
根據本發明，儘管這不應視為以任何方式限制本發明，但提供了操作發動機的方法，該發動機包括熱回收系統，具有：
·至少第一熱交換器和第二熱交換器；
·用於接收來自內燃機的排氣輸入的排氣管道；
·配置為吸收熱能的工作流體；
·集熱迴路，用於引導工作流體與第一和第二熱交換器的管的外表面接觸；
·其中工作流體首先引導到第二熱交換器，然後引導到第一熱交換器，第一熱交換器定位在第二熱交換器的上遊(相對於排氣流)；以及
·渦輪，其可操作地連接到所述集熱迴路，並且可操作地連接到發電機，
所述方法包括：
·測量工作流體的變量，所述工作流體配置成當離開第一熱交換器時吸收熱能；
·測量工作流體的變量，所述工作流體配置成當離開第二熱交換器時吸收熱能；
·至少部分地經由發動機熱回收算法在電子控制模塊內確定發動機操作變量、渦輪操作變量以及由發電機產生的對應於預定標準的能量的組合。
本發明的另一形式在於用於內燃機的廢熱回收系統，包括
至少第一熱交換器和第二熱交換器；
用於接收來自所述內燃機的廢氣流輸入的排氣管道；
配置為吸收熱能的工作流體；
集熱迴路，其可操作地連接到所述第一熱交換器和所述第二熱交換器，以將熱能從所述廢氣排出流傳遞到所述工作流體；
其中所述工作流體首先引導到所述第二熱交換器，然後引導到所述第一熱交換器，所述第一熱交換器相對於所述廢氣流位於所述第二熱交換器的上遊；以及
可操作地連接到所述集熱迴路並可操作地連接到發電機的渦輪，
工作流體控制裝置，其控制工作流體流入所述第二熱交換器中；
工作流體控制閥，其可操作地連接到控制模塊，所述控制模塊能夠響應於所述廢熱回收系統、內燃機或發電機的至少一個變量的變量來控制工作流體控制裝置的操作。
術語「排氣」和「廢氣」在本文中可互換使用，以指通過內燃機的操作產生的排氣。
操作參數
優選地，發動機操作變量是：發動機施加的負載、發動機速度、進入發動機的空氣品質流量、進入發動機的燃料流率、排氣溫度以及排氣的氧氣濃度。
優選地，工作流體的變量是至少兩個：工作流體的壓力和溫度。
優選地，預定標準包括燃料經濟性和由能量回收系統產生的能量的量。
優選地，發動機熱回收算法包括發動機負載和速度以及至少在集熱迴路中的流體壓力和溫度的映射。
優選地，通過排氣溫度測量裝置測量排氣溫度。
優選地，排氣溫度測量裝置的位置包括至少一個從以下組中選擇的位置：在第一熱交換器和第二熱交換器之前、在第一熱交換器和第二熱交換器之後以及在第一熱交換器和第二熱交換器之間。
優選地，該方法還包括通過流體控制裝置可操作地控制排氣在熱量分配迴路中流動的步驟。
優選地，排氣控制裝置是流量控制閥。
優選地，該方法還包括通過流體控制裝置可操作地控制工作流體在集熱迴路中流動的步驟。
優選地，工作流體控制裝置是流量控制閥。
本發明的另一方面包括用於廢熱回收系統的控制系統，該控制系統包括所述的方法。
本發明的另一方面是包括如上所述的控制系統的車輛。
附圖簡要說明
通過示例的方式，在下文中參照附圖將對本發明的實施方式進行更全面地描述，其中：
圖1示出了本發明的排氣熱回收裝置處於串聯構造的第一構造的示意圖；
圖2示出了本發明的排氣熱回收裝置處於並聯構造的第二構造的示意圖。
發明詳述
圖1中的本發明是一種串聯構造，包括第一熱交換器單元(12)和第二熱交換器單元(14)，其每一個具有排氣入口開口(分別為16和18)以及排氣出口開口(分別為20和22)。排氣出口(22)通向外部環境(64)。排氣管道(24)將IC發動機(28)的排氣系統(26)連接到排氣入口開口(16)。
排氣進入集熱迴路(17)由二通閥(51)控制，當IC發動機仍處於啟動模式時，該二通閥將排氣流轉出該系統。採取這種預防措施以在發動機處於穩定的操作狀態之前限制來自排氣的在熱交換器中積聚(結垢)的顆粒物質的量。該狀態由控制系統模塊使用來自溫度傳感裝置(10)和發動機負載傳感器(29)的數據來確定。
集熱迴路(17)包括第一(12)和第二(14)熱交換器，其分別具有工作流體入口開口(32)和(30)以及分別具有流體出口開口(36)和(34)，以允許吸熱工作流體通過。單向閥(53)確保進入集熱迴路(17)中的單向流動。
吸熱工作流體配置或選擇為能夠容易地從排氣吸收熱量。合適的吸熱工作流體包括流體，例如水、氨、製冷劑氣體或其混合物，但不限於這些。
發動機(28)具有配置成測量或計算發動機上負載的負載傳感器(29)。也可測量其它發動機操作變量，例如發動機溫度、發動機速度、排氣溫度和氧氣濃度。各種測量裝置可位於發動機上，以便提供關於發動機操作變量的數據。
控制系統模塊(60)可操作地連接到發動機負載傳感裝置(29)，並且與第二熱交換器上的溫度傳感裝置(31)和第一熱交換器上的溫度傳感裝置(33)連通。
控制系統模塊(60)還可操作地連接到泵(13)，以便調節泵(13)的運行，以控制集熱迴路(17)內的工作流體的工作壓力。
溫度傳感裝置(31)和(33)，例如熱電偶，可測量進入每個相應熱交換器的工作流體的溫度，並將該信息傳送到控制系統模塊(60)。類似地，壓力傳感裝置(41)和(43)，例如壓力傳感器，可測量進入每個相應熱交換器的工作流體的壓力，並將該信息傳送到控制系統模塊。
另外，溫度傳感裝置(35)和(37)分別定位或靠近出口埠(34)和(36)，以便分別提供離開第二和第一熱交換器的工作流體的溫度數據，並將這種數據傳送到控制系統模塊(60)。類似地，壓力傳感裝置(45)和(47)，例如壓力傳感器，可測量離開每個相應熱交換器的工作流體的壓力，並將該信息傳送到控制系統模塊。
壓力傳感器(40)也可位於熱回收系統中，以在工作流體通過二通閥(58)之前測量工作流體的壓力。特別地，附加的壓力傳感裝置(48)和(42)可正好位於能量發生器渦輪(50)之前和之後，以測量通過渦輪的過熱蒸汽的壓力或流量。類似地，溫度傳感裝置(38)和(39)可位於能量發生器渦輪(50)之前和之後，以測量通過渦輪的過熱蒸汽的溫度。超速切斷閥(55)在渦輪(50)超速的情況下由控制系統模塊(60)關閉，如由集成到渦輪中的傳感器檢測到的。在積聚壓力超過預設值的情況下打開安全閥(54)。
在發動機(28)的操作期間，控制系統模塊(60)接收來自負載傳感器(29)的發動機操作變量數據，例如發動機負載，以及來自排氣溫度傳感器(10)的排氣溫度，還有來自流體迴路內的工作流體溫度和壓力數據以及其它發動機操作變量。根據該數據，確定熱回收系統中的工作流體的最佳工作壓力和工作流體流入第二熱交換器(14)中的流量。
一旦選擇最佳壓力，其確定為從渦輪(50)產生最大量的回收能量的壓力，則控制系統模塊(60)經由溫度傳感器(35)和(37)測量流體溫度，然後將所述溫度與用於通過發動機映射的最佳工作壓力的參考溫度表進行比較。
本領域的技術人員將理解，映射是某些控制信號的量和定時與所需定時和其它已知變量的多維表，其它已知變量例如發動機速度、負載和溫度，包括其它變量。
如果在溫度傳感裝置(35)和(37)處測量的溫度小於映射在控制系統模塊(60)中的參考溫度，則控制系統模塊(60)操作閥(52)減少進入第二熱交換器(14)中的工作流體入口質量流率(如由流量計(9)檢測)。
如果溫度傳感裝置(35)和(37)檢測到流體溫度大於目標參考溫度，則控制系統模塊(60)將通過打開閥(52)增加工作流體入口質量流率(如由流量計(9)檢測)。類似地，如果排氣溫度超過預定值(如由排氣管道上的溫度傳感裝置(59)檢測)，則控制系統模塊(60)將通過打開閥(52)增加工作流體入口質量流率(如由流量計(9)檢測)。
如果分別在溫度和壓力傳感裝置(49)和(40)處測量的溫度和壓力小於在控制系統模塊(60)中映射的參考溫度和壓力，則控制系統模塊(60)操作閥(58)將渦輪(50)周圍的部分或全部工作流體轉移到膨脹裝置(62)(例如盤繞的毛細管)中。如果在溫度傳感裝置(49)處測量的溫度大於目標參考溫度，則控制系統模塊(60)將通過打開閥(52)增加工作流體入口質量流率(如由流量計(9)檢測)。
關於圖2中的系統，熱交換器的並聯配置，發動機(28)具有負載傳感器(29)，並且控制系統模塊(60)接收來自負載傳感器(29)的數據。
此外，溫度傳感裝置(31)和(37)位於集熱迴路(17)的工作流體入口(30)和出口(36)開口附近。控制系統模塊(60)與這些溫度傳感裝置(31)和(37)連通，以接收工作流體溫度相關信息。從溫度傳感裝置(35)、(33)、(49)和(38)獲得附加的工作流體溫度相關信息，並由控制系統模塊(60)接收。另一溫度傳感裝置(59)位於排氣管道上，並且排氣溫度數據然後中繼到控制系統模塊(60)。
如本領域技術人員將理解的，溫度傳感裝置可以多種方式連接到控制模塊(60)，以允許將溫度數據從溫度傳感裝置傳遞到控制模塊。對於壓力傳感裝置和流量測量裝置兩者也是如此，對於本領域技術人員來說這兩者是已知的。
當發動機(28)運行時，包括發動機負載、發動機速度、空氣和燃料的質量流量的發動機操作變量則連同來自溫度傳感裝置(59)的排氣溫度數據一起中繼到控制系統模塊(60)。然後，發動機熱回收算法確定通過系統的入口埠(30)的最佳工作流體壓力和入口質量流率。
一旦確定了最佳壓力，則控制系統模塊(60)測量在溫度傳感裝置(35)和(37)處的流體溫度，以提供溫度數據T1和T2，其與熱回收算法提供的最佳工作壓力的參考溫度進行比較。如果T1和T2小於參考溫度，則控制系統模塊(60)操作以減小通過閥(52)的工作流體入口質量流率(如由流量計(9)檢測)。如果T1和T2大於參考溫度，則控制系統模塊(60)操作以增加通過閥(52)的工作流體入口質量流率(如由流量計(9)檢測)。
控制系統模塊(60)還可操作地連接到泵(13)，以便調節泵(13)的運行，以控制在集熱迴路(17)內的工作流體的工作壓力。
基於由發動機熱回收算法確定的最佳壓力，控制閥(56)和(57)可由控制系統模塊(60)操作，以將通過排氣管道(24)行進的排氣引導到第一熱交換器(12)中或通過引導廢氣或其至少一部分通過旁路部分或廢氣旁路管線(61)，將廢氣引導到第二熱交換器(14)中。當引導廢氣通過第一熱交換器(12)，然後直接進入第二熱交換器(14)時，這被稱為串聯布置(如圖1所示)。當引導廢氣的一部分通過旁路部分或廢氣旁路管線(61)進入第二熱交換器(14)時，這被稱為並聯布置。
應當注意，在本發明的範圍內考慮的是引導通過旁路部分(61)的排氣量可在0-100％的範圍內。當100％的排氣引導通過旁路部分(61)進入到第二熱交換器(14)中並關閉閥(57)時，該裝置不是並聯也不是串聯，而是僅僅依賴於單個熱交換器裝置。根據使用發動機熱回收算法確定的操作條件及其相關聯的發動機映射，100％的排氣可以這種方式引導。
如果由壓力傳感器(41)測量的最佳壓力低於或高於預定壓力，則控制系統模塊(60)控制閥(56)和(57)以確定排氣分流比。例如，如果在40％負載下的最佳壓力為15巴，則由控制系統模塊(60)操作的控制閥(56)和(57)將調節第一和第二熱交換器(12)和(14)並聯設置並確定排氣的質量分數。然後將引導大約60％的排氣質量流經由入口埠(16)進入第一熱交換器(12)，然後引導剩餘的大約40％的排氣質量流通過旁路部分(61)，以當廢氣通過第一熱交換器(12)的出口埠(20)離開時與廢氣混合，然後通過入口閥(18)進入第二熱交換器(14)中。
對於40％旁路的實施例來說，在控制閥(56)和(57)處確定的排氣比率則可由控制系統模塊(60)根據由發動機變量的需要來改變，該發動機變量包括但不限於用於熱交換器的並聯設置的發動機負載和排氣溫度，條件是計算的發動機熱回收算法。排氣比率將根據用於發動機的不同速度和負載的熱回收算法而變化。
通過回收廢熱，運行蘭金循環以產生額外的功率。蘭金循環組件包括渦輪(50)、渦輪發電機(19)和(20)、單向閥(56)和(57)、泵(18)和冷凝器(21)。除了蘭金循環的冷卻組件之外，還有冷凝器冷卻迴路(27)和緩衝罐(15)。
在圖2中，P1表示高壓，並且P2略高於由真空泵(18)產生的大氣壓力或真空壓力。如果系統不需要真空，則不需要真空泵(18)。
如現在將看到的，通過使用控制系統模塊(60)和發動機熱回收算法的應用，發動機熱回收算法可選地與用於發動機的發動機管理系統集成，針對發動機操作變量和來自發電機的能量產生數據的發動機映射現在可有利地優化電力產生，取決於發動機操作變量，以及優化產生廢氣的內燃機的運行，以適應期望的操作。