发动机流体的热电回收和珀尔帖加热的利记博彩app

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【专利摘要】一种与内燃机一起使用的余热回收设备和方法，该余热回收设备包括热电设备，该热电设备连接到内燃机的部件以在这些部件之间传递热量，利用从需要冷却的部件中提取的热量来产生电能，并将电能转换成热能以传递给需要加热的部件。
【专利说明】发动机流体的热电回收和珀尔帖加热
[0001]本申请要求2010年11月5日提交的美国临时申请N0.61/410，653和2011年7月14日提交的国际申请N0.PCT/US2011/043994的优先权。
【技术领域】
[0002]本发明涉及与内燃机联接的余热回收(WHR)系统。更具体地，本发明涉及一种包括热电装置的余热回收和管理系统，该热电装置用作“热中心(thermal hub)”，以通过在各种发动机及车辆部件和系统之间传递热量、将热量转换成电能并将所储存的电能转换成热量而有助于加热和冷却这些发动机及车辆部件和系统。
【背景技术】
[0003]与内燃机成一体的余热回收系统使得能够利用排气中的热能和其它子系统中的热能，否则，这些热能将白白丧失。当余热回收系统被结合在具有内燃机的车辆中时，余热回收系统除了从排气中回收能量之外还增加了某些优点。例如，该余热回收系统能够设计成从EGR (排气再循环)系统中回收热量，这减小了发动机冷却系统上的冷却负荷。

【发明内容】

[0004]本发明提供了一种用于改善从内燃机的余热回收的方法和设备。对于额外能量的回收整体上提高了该系统的效率。
[0005]本发明包括一种与内燃机设备联接的、能够作为发电机或加热装置工作的热电装置。根据本文描述的实施例，该内燃机包括余热回收设备。该热电装置用作能量中心(energy hub)，以在需要排热的装置与需要添加能量的装置之间传递能量。因此，本发明能够在某些装置使用其它装置中的回收热量的同时、减小该某些装置上的冷却负荷。
[0006]用于内燃机的余热回收设备可包括工作流体回路，在该工作流体回路上连接有:用于将热能转换成机械能或电能的膨胀机；冷凝器；用于使工作流体在该回路中移动的泵；以及第一热交换器，该第一热交换器用于将热量从内燃机排气和/或其它余热源传递到工作流体。
[0007]根据一个实施例，本发明涉及一种用于当工作流体在发动机未运行时的环境条件下冻结的情形中、融化上述系统中的工作流体的设备和方法。更具体地，热电发电机被连接到余热回收设备以将一部分热能转换成电能，并且该热电发电机可以被选择性地操作，以将所储存的电能转换成热量来融化工作流体。
[0008]根据本发明，工作流体回路包括第二热交换器，该第二热交换器以可操作方式连接到排气再循环冷却器，以将热量从正被再循环到发动机空气入口的排气传递给工作流体。
[0009]在本发明的说明中，结合具有兰金循环式余热回收设备的内燃机描述了该设备和方法，但应该理解，本发明也适用于其它类型的余热回收或再利用装置。
[0010]根据本发明，热电装置(TED)被结合在余热回收(WHR)设备中，以充当用于如下系统的热中心，该系统包括内燃机、车辆发热部件和耗热部件、以及余热回收设备。根据本发明的TED包括热电发电机和诸如电池的电能储存装置。该TED还可以连接成用于向一个或多个电能消耗装置提供电力。该热电发电机可以操作成用于从热量中产生电能以储存在所述电池中，或者反过来运行以从由电池提供的电能中产生热量。通过利用TED作为能量中心，能够根据子系统的状况和要求而从这些子系统移除能量或向这些子系统添加能量。各个子系统的热量是不同的，但热量较多的是发动机排气、排气再循环(EGR)系统、增压空气冷却器(CAC)和WHR系统。TED能量中心能用于从子系统回收热量，或者使用所储存的电能向其它子系统提供热量。根据成本/效益比研究，其它的热管理策略现在变得明显更低。
[0011]通过将电能转换成热量，TED能量中心能够有利地在发动机预热的同时向乘员室提供热量。另外，在处于“旅馆模式”的同时(即，当车辆停车并且发动机停机时)，该TED能够加热或冷却乘员室/卧铺车厢。如果需要辅助该TED，则可以提供利用燃料(天然气、汽油、柴油、或它们中的任一种或全部)燃烧的小型加热器作为另外的热源，以在预热期间使用或在旅馆模式期间用于发电。
[0012]该TED还能够向可以受益于加热的各种子系统提供热量，例如，当发动机在处于相对低的环境温度下一段时间之后冷起动期间。
[0013]该TED热中心的一项具体应用是WHR系统的工作流体冻结的问题，例如，在未运行时暴露于季节性低环境温度的车辆中，这种情况可以发生在寒冷的夜间在室外整夜停车时。
[0014]通过提供一种用于启动其工作流体冻结的余热回收系统并融化该工作流体的方法和设备，本发明解决了上述冻结问题。根据本发明，所述热电发电机反向(即，作为热量发生器)工作，以将所储存的电能转换成热量，从而在需要时融化所述工作流体。
[0015]在本发明的说明中，结合兰金循环式余热回收设备描述了该设备和方法，但应该理解，本发明适用于使用工作流体的任何余热回收或再利用装置。
[0016]有利地，根据本发明的、用于融化余热回收系统工作流体的设备和方法缩短了其工作流体冻结的系统所需的启动时间，这延长了能够进行热量回收的时间。通过更好地满足在车辆起动之后启动EGR系统的时间要求，上述改进有助于具有EGR热交换器的系统满足排放法规。【专利附图】

【附图说明】
[0017]通过参考以下详细说明并结合附图来阅读，将更好地理解本发明，在附图中:
[0018]图1是根据本发明的、作为热中心的热电装置的系统图；
[0019]图2是根据本发明的、包括热电设备的余热回收设备的一个实施例的示意图；并且
[0020]图3是根据本发明的、与内燃机的各种部件和余热回收设备成一体的热电系统的示意图。
【具体实施方式】
[0021]如图1中概略地示出的，本发明包括热电装置(TED) 1，该热电装置(TED) I被结合在具有内燃机和余热回收(WHR)设备的车辆中。该TED充当用于内燃机和其子系统或部件、车辆发热部件和耗热部件、以及余热回收设备的热中心。利用TED作为能量中心，能够根据一个或多个子系统的热状态(即，子系统的热状况以及是否需要热量排放或热量添加)而从该子系统排出能量或向该子系统添加能量。各个子系统的热量是不同的，但热量较多的是发动机排气、排气再循环(EGR)系统、增压空气冷却器(CAC)和WHR系统。TED能量中心(energy hub)能用于从一个或多个子系统2回收热量，或者使用所储存的电能向其它子系统3提供热量。根据成本/效益比研究，其它的热管理策略现在变得明显更低。
[0022]该TED例如能够用于从发热子系统2(例如，增压空气冷却器(CAC)、发动机冷却剂子系统、排气再循环冷却器、发动机机油子系统、发动机排气流、传动流体子系统、和WHR工作流体)中移除并回收热量。该TED能够把所回收的能量作为电能储存在储存装置3 (例如电池)中。替代地或另外，该TED能够将电能直接提供给车辆上的能量消耗装置。
[0023]该TED还能够向可以受益于加热的各种子系统提供热量，例如，当发动机在处于相对低的环境温度下一段时间之后冷起动时。热量接收子系统4例如可以包括增压空气冷却器(CAC)、发动机冷却剂子系统、排气再循环冷却器、发动机机油子系统、燃料系统、发动机机油子系统、发动机排气流、传动流体子系统、排气后处理喷射子系统和WHR工作流体。
[0024]该TED能量中心能够为需要冷却的部件5(例如，发动机机油子系统、燃料系统、传动流体子系统和WHR工作流体)提供冷却，这能够降低对于这些系统的排热要求。
[0025]关于用于该热电装置的操作的冷源6，该TED能够通过热交换器而以可操作方式连接到环境空气和发动机冷却剂子系统。
[0026]另外，通过将电能转换成热量并通过热交换器来为乘员室加热空气，该TED能量中心能够有利地在发动机预热的同时向乘员室提供热量。另外，在处于“旅馆模式”的同时(即，当车辆停车并且发动机停机时)，该TED能够加热或冷却乘员室/卧铺车厢。为了辅助该TED，可以提供利用燃料(天然气、汽油、柴油、或它们中的任一种或全部)燃烧的小型加热器作为另外的热源，以在预热期间使用或在旅馆模式期间用于发电。
[0027]下图2示出了作为本发明的一个应用实例的热电装置200，该热电装置200被作为能量中心连接在包括兰金循环式余热回收设备10的内燃机100设备中。本发明被与如下的兰金循环式余热回收设备相结合地示出，例如在2011年7月14日提交的、共同拥有且共同待决的国际专利申请N0.PCT/US2011/043994中描述的兰金循环式余热回收设备，该国际专利申请的公开内容在此通过引用的方式并入。然而，所示出和描述的实施例旨在是示意性而非限制性的；本发明可适用于其它类型的余热回收循环和设备，例如埃里克森(Ericsson)循环或其它底循环(bottoming cycle)。
[0028]在正常操作期间，热电装置200能够根据部件的热状态而从底循环工作流体中移除热量。热能被从热源处移除并由热电单元转换成电能。替代地，如下文所述，热电装置200也能够根据与此相反的热状态(即，该部件是否需要热量添加而非热量提取)而向部件提供热能。
[0029]内燃机100包括进气歧管102和排气歧管104。新鲜空气通过进气管线106供应到进气歧管，如本领域中已知的，该新鲜空气可由涡轮压缩机107供应并被增压空气冷却器108冷却。排气的一部分被排气再循环(EGR)系统再循环到进气歧管102中，该排气再循环(EGR)系统包括EGR阀110、EGR冷却器112和连接到进气歧管的返回管线114。
[0030]EGR阀110还控制排气向排气导管116 (例如排气竖管或尾管)的流动，废弃的排气从该排气导管116释放到环境中。
[0031]如上所述，内燃机100还可以包括排气涡轮机117，该排气涡轮机117安装在排气导管116上以驱动涡轮压缩机107。还可以包括其它装置，例如由排气驱动以产生电能的复式涡轮机。该内燃机还可以包括排气后处理系统118，例如用于在排气被释放到环境中之前转化该排气中的NOx和/或去除该排气中的颗粒物或未燃烧的碳氢化合物。
[0032]如本示例性实施例中所示，余热回收设备10是闭环系统，其中，工作流体被压缩、由排气加热并膨胀以回收热能。
[0033]本示例性实施例中所示的兰金循环式余热回收设备10包括被形成为闭环的工作流体回路12，工作流体在该工作流体回路中循环。膨胀机14连接在工作流体回路12上并由工作流体驱动，以将工作流体中的热能转换成机械能。输出轴16可以连接成用于驱动发电机或者连接成用于向发动机提供扭矩。膨胀机14可以是如图所示的涡轮机，或者可以是涡旋膨胀机或能够从工作流体中回收热能的其它装置。
[0034]冷凝器20连接在工作流体回路12上，以接收离开所述膨胀机14的工作流体。冷凝器20冷却并冷凝该工作流体。冷凝器冷却器环路22被连接成用于把从工作流体传递给冷却流体的热量从冷凝器20输送出去。冷凝器冷却器环路22可以方便地连接到车辆冷却系统23 (即，散热器)或另一个冷却系统。
[0035]泵24接收离开所述冷凝器20的、被冷凝的工作流体，并将工作流体泵送到工作流体回路12的加热侧，工作流体在该加热侧被加热。
[0036]工作流体回路12的加热侧包括彼此平行布置的第一加热管线30和第二加热管线
32。第一加热管线30和第二加热管线32在分流节点处分支，阀34连接在该分流节点上以控制工作流体向这些加热管线中的流动。如下文更详细地描述的，阀34可以响应于系统要求和限制而将工作流体流选择性地引导到一条加热管线中或将该工作流体流分流到两个加热管线30、32中。该加热管线30、32在合流节点18处重新组合成与膨胀机14的入口相连的单个管线13。
[0037]第一加热管线30以可操作方式连接到锅炉36或热交换器，该锅炉36或热交换器从将被释放到环境的、废弃的发动机排气中传递热量。该排气通过由排气导管116中的阀40控制的环路38运送到锅炉36。替代地，第一加热管线30也可以环行到在排气导管116上连接的热交换器中，以接收更多的排气热量。
[0038]与所述第一加热管线平行的第二加热管线32在阀34处分支并以可操作方式连接到EGR冷却器112，以将来自EGR气体的热量传递给工作流体。EGR冷却器112充当用于第二加热管线32中的工作流体的锅炉。在第一加热管线30和第二加热管线32中流动的、分别被排气锅炉36和EGR冷却器112加热的工作流体在管线13中的合流结点29处合流并被引导到膨胀机14。
[0039]通过使用分离的加热管线，与工作流体在进入EGR冷却器之前被排气锅炉36中的排气加热相比，用于从冷却EGR气体的EGR冷却器112中回收热能的工作流体在进入EGR冷却器时处于更低的温度。这具有如下优点:EGR冷却器112的运行更有效。由于额外加热的工作流体仅被添加到第一加热管线30而非包括EGR冷却器112的第二加热管线32中，所以，工作流体在EGR冷却器中不会过热，并且EGR冷却器能够更容易地将EGR气体冷却到供发动机使用的期望温度或目标温度。
[0040]离开膨胀机14的工作流体处于比该工作流体的冷凝温度明显更高的温度，例如在如图所示的余热回收设备中，它可以比冷凝温度高大约100°c。必须从工作流体中去除该热能，并且，在图2的设备中，如下文所述，该热负荷被部分地传递到冷凝器热交换器环路22并部分地传递到热电装置200。
[0041]包括热电发电机和电能储存器(例如电池)的热电装置200与余热回收系统10成一体，以将一部分热能转换成电能。热电装置200通过流动回路205连接，以将TED冷侧工作流体循环到冷源，该冷源可以包括热交换器。该冷源可以是环境空气或发动机冷却剂系统。热电装置200还通过回路201与第一热交换器202连接以从EGR冷却器112提取热量、与第二热交换器204连接以从冷凝器20提取热量、并与第三热交换器206连接以从下游排气热交换器36提取热量。如图3所示，热电装置回路201可以包括在该热电装置和上述这些热交换器之间形成各自环路的导管。热电装置热侧工作流体在第一热交换器202、第二热交换器204、第三热交换器206与热电装置200之间循环。这些热交换器可以是串流式热交换器、逆流式热交换器或其它布置结构。这些TED热交换器位于WHR热交换器的、温差最大(即，非工作流体(从其提取热量的流体)最热但工作流体最冷)的部分处。如果非工作流体侧的最大温度太高，则可以将TED热交换器移动到最大温差位置的下游，即，在配对的WHR热交换器的中点处或其下游。
[0042]替代地，WHR系统也可以是根本不包括膨胀装置14的系统。随着TEG和电池技术的发展和改进，该WHR系统能够被标准的TEGWHR系统取代，标准的TEG WHR系统的尺寸足够大，以应对所有的WHR系统排热要求。
[0043]本发明的一个优点在于，由TED200从EGR冷却器112和冷凝器20中的至少一个移除的额外热量降低了发动机冷却剂系统的要求，因为这两个装置均可以连接到发动机冷却剂系统。
[0044]增压空气冷却器和发动机排气冷却器一般是逆流式热交换器，根据设计，它们在正被冷却的流体的入口位置处具有离开交换器的最高温度流体，该入口位置优选是TED热交换器所处的位置。如果流体的温度或流体中的润滑剂的温度太高，那么，这种热交换设计可能导致WHR工作流体劣化。如果余热回收系统中的工作流体变得过热(其中，温度上升对于能量的添加非常敏感)，则这是特别担心的。在工作流体完全蒸发的过热情形期间，还担心热传递系数的急剧降低，并导致热交换器自身的壁温度急剧上升。热交换器的热循环以及在壁材料中存在的大温度梯度将损坏该冷却器。使用该TED移除热量有助于避免或减轻这些问题。本发明减少了冷却剂需求并增加了余热回收，这提高了系统效率。
[0045]该WHR系统较长时间地暴露于低温下可能导致工作流体冻结。热交换器中的工作流体通常利用穿过热交换器鳍片或管的强制对流而向自身传递热量，该热交换器鳍片或管自身从正被冷却的流体(例如，增压空气、排气)的强制对流中接收热量。当工作流体进入冻结状态时，这种通常有效的热传递不再可能，并且热量必须通过传导和自然对流来传递。在这些状况下，该流体将需要相当长的时间来融化。
[0046]根据本发明，通过向热电装置200施加电压，该装置产生热量，从而形成将加热并融化该工作流体的温度梯度。因此，TED200热交换器204能够将冷凝器20中的WHR工作流体加热到可操作的工作温度。还能够通过连接到EGR冷却器112的热交换器202来实现这种热传递。这大大减少了预热时间，从而允许发动机系统更快地满足排放法规，并降低由于热状况而导致部件或流体损坏的风险。
[0047]向发动机的工作流体增加热电回收的另一益处在于:能够在不对空气泵送回路(进气或排气)添加限制的情况下提取热量，这是易于提高燃料经济性的功能。
[0048]现在转向图3，根据本发明的热电装置系统包括热电发电机200和诸如电池的用于电能的储存装置210。电池210可以作为用于该装置的电能来源而连接到车辆能量消耗装置212。替代地或另外，热电发电机200也可直接连接到能量消耗装置212。该TED通过冷侧回路205连接到冷源218，该冷侧回路205包括阀207、209以控制冷侧回路中的流动。该TED系统包括阀212、214，以通过回路201控制热电设备工作流体在热电发电机200和一个或多个热交换器203、204、206、208之间的流动。控制器216被连接成用于从传感器220接收温度数据，该传感器220被定位成感测或确定WHR工作流体的热状态。温度传感器220在图3中被示为位于各个热电设备热交换器202、204、206和208内，因为这些热交换器都与WHR工作流体及发动机子系统热接触。控制器210确定WHR工作流体是需要热量提取还是需要热量添加，以控制冷凝器冷却剂环路22上的阀。控制器210还控制工作流体泵24，以在WHR工作流体充分融化或处于其能够被泵送的温度下时进行操作。
[0049]用于热电回收的热交换器可以位于热量可用于回收或需要添加热量之处。除了EGR冷却器热交换器202、WHR冷凝器热交换器204和排气尾管热交换器206之外，例如还可以在增压空气冷却器108或传动流体冷却器中的一个或多个处设有热交换器208。该热交换器可以用作底循环式余热回收系统中的预加热器、锅炉或过热器(super-heater)。
[0050]通过提供用于为乘员室加热空气的热交换器208，TED200能够有利地在发动机预热的同时向乘员室提供热量。替代地，TED设备200也可连接成用于提供电能以操作诸如电阻加热器的加热装置。另外，在处于“旅馆模式”的同时(即，当车辆停车并且发动机停机时)，利用储存在电池储存系统205中的电能，TED200能够操作空气调节单元212来加热或冷却乘员室/卧铺车厢。
[0051]余热回收系统可以有许多种构造。串联、并联或串-并联组合式系统能够从多个源(包括EGR、排气、增压空气、机油或车辆上的任何其它热量源)提取热量。还可以存在若干种底循环。尽管图中所示的实例是针对并联式兰金循环，但本发明能够适用于任何热交换器。
[0052]已经针对其优选原理、实施例和组成部分描述了本发明，然而，本领域技术人员将会理解，在不偏离如所附权利要求限定的本发明范围的情况下，可以进行某些替换。
【权利要求】
1.一种用于具有内燃机的车辆的热电设备，包括:热电装置，所述热电装置包括热电发电机，用于选择性地利用从工作流体提取的热能来产生电能，以及用于选择性地将电能转换成热能以加热所述工作流体；电池，所述电池连接到所述热电装置，用于储存由所述热电装置产生的电能以及用于向所述热电装置提供电能；工作流体回路，所述工作流体回路连接到所述热电装置并包括热交换器，所述热交换器被连接以在所述工作流体和内燃机部件之间传递热量；以及控制器，响应于至少一个部件的热状态，所述控制器控制所述热电装置加热所述工作流体以向所述至少一个部件提供热量，或者控制所述热电装置利用从所述至少一个部件接收到的、被加热的工作流体来产生电能。
2.根据权利要求1所述的热电设备，其中，所述内燃机包括余热回收设备，并且其中，所述热电设备的工作流体回路包括以可操作方式连接到所述余热回收设备的部件以在该部件和所述热电工作流体回路之间传递热量的热交换器。
3.根据权利要求2所述的热电设备，其中，所述余热回收设备是具有膨胀机和冷凝器的闭合循环系统，并且其中，所述热电设备的工作流体回路包括以可操作方式连接到所述冷凝器以选择性地向所述冷凝器传递热能和从所述冷凝器传递热能的热交换器。
4.根据权利要求2所述的热电设备，其中，所述余热回收设备包括以可操作方式连接的、用于从内燃机的废弃的排气流向所述余热回收设备的工作流体传递热能的热交换器，并且其中，所述热电设备包括用于在所述废弃的气流和所述热电设备之间传递热能的热交换器。
5.根据权利要求2所述的热电设备，其中，所述余热回收设备包括以可操作方式连接的、用于从内燃机的排气再循环冷却器向所述余热回收设备的工作流体传递热能的热交换器，并且其中，所述热电设备包括从所述排气再循环冷却器向所述热电设备传递热能的热交换器。
6.根据权利要求1所述的热电设备，其中，所述热电设备被以可操作方式连接，以从如下项中的至少一个提取热量:增压空气冷却器、发动机冷却剂系统、排气再循环系统冷却器、发动机机油系统、排气流、传动流体系统、和余热回收设备的工作流体回路。
7.根据权利要求1所述的热电设备，其中，所述热电设备被以可操作方式连接，以向如下项中的至少一个供应热能:增压空气冷却器、发动机冷却剂系统、发动机机油系统、排气流、传动流体系统、车辆乘员室、排气后处理喷射系统、和余热回收设备的工作流体系统。
【文档编号】H01L35/30GK103460419SQ201180053262
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年11月7日 优先权日:2010年11月5日
【发明者】约翰·吉布尔, 塞缪尔·麦克劳克林 申请人:马克卡车公司