專利名稱：機械并熱配接到驅動公共負載的發(fā)動機上的有機朗肯循環(huán)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有機朗肯循環(huán)(ORC ， organic Rankine cycle)系統(tǒng)，渦輪機械輸出端在該系統(tǒng)中配接到具有發(fā)動機機械能輸出端的公共負載 上，當有機朗肯循環(huán)對發(fā)動機進行冷卻的時候，有機朗肯循環(huán)利用發(fā) 動機的廢熱能蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)流體。發(fā)電機或其它負載可由本發(fā)明 的組合式發(fā)動機/有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)所驅動。
背景技術：
有效的發(fā)電系統(tǒng)適于解決許多領域中的重要電力需求，該發(fā)電系 統(tǒng)提供了低成本的能量，且具有最小的環(huán)境影響，并且該發(fā)電系統(tǒng)可 容易并快速地作為獨立單元而安置，以便集成到現(xiàn)存的電網中。往復 式發(fā)動機是這些分布式能源中最普通且技術上最成熟的，但也可以使 用渦輪機。這些發(fā)動機可通過使用通?？色@得的燃料，比如汽油、天 然氣及柴油而以25%-40%的效率發(fā)電。然而，這些發(fā)動機一直存在大 氣排放，比如氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)及顆粒排放的問題。內燃發(fā)動機的效率可通過底循環(huán)(bottoming cycle)而在沒有增加排 放輸出量的情況下得以提高。 一種形式的底循環(huán)是有機(具有流體交變 相)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)熱配接到往復式發(fā)動機上并且運行發(fā)電機。如

圖1所示，現(xiàn)有慣例提供了由單獨發(fā)動機主軸驅動的單獨負載， 該發(fā)動機通過廢熱而與有機朗肯循環(huán)裝置集成起來。其中，發(fā)動機19 為驅動主發(fā)電機21的主軸提供動力。發(fā)動機的排放物24穿過蒸發(fā)器25，該蒸發(fā)器將來自管路26的有機朗肯循環(huán)流體蒸發(fā)。管路27內蒸 發(fā)的流體驅動渦輪機28，該渦輪4幾28具有驅動輔助發(fā)電機32的主軸 31。管路34內的渦輪機流出物在冷凝器35中冷凝，該冷凝器35借助 由風扇37產生的周圍空氣流36而被冷卻。管路40內的冷凝流體經由 管路26而被泵41驅動到蒸發(fā)器25內。發(fā)電機21、 32的輸出電量作用于電力組合與調節(jié)電路43，以便驅 動公共負栽44，該公共負載44可以是或不是公用電網。這種方法要求單獨冗余發(fā)電機、控制裝備及電力轉換構件。電力 組合電路對這種系統(tǒng)是額外的負擔。相對于圖1描述的系統(tǒng)利用了較少百分比的發(fā)動機廢熱，并且沒 有考慮發(fā)動機的散熱要求。因此這種系統(tǒng)甚至不可能接近獲得最大效 率。發(fā)明公開本發(fā)明的多個方面包括在相關有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中利用大致全 部必須從驅動負載的發(fā)動機中消除的熱量，該有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱配 接并機械配接到發(fā)動機上；利用有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)來消除大致全部必 須從驅動負栽的發(fā)動機中抽取的熱量；直接地借助由發(fā)動機與有機朗 肯循環(huán)系統(tǒng)提供的機械動力而運4亍單個機械負栽，該有機朗肯循環(huán)系 統(tǒng)機械地并熱配接到發(fā)動機上；沖是供與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)共享機械負 載的發(fā)動機，而不需要冗余的重復裝備；借助發(fā)動機與機械地配接到 發(fā)動機上的有機朗肯循環(huán)來驅動單個發(fā)電機，而不需要復雜的負載共 享及電力組合設備。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)動機的主軸才/u械地配接到有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的渦 輪機的主軸上，大致全部的發(fā)動機廢熱用來蒸發(fā)與有機朗肯循環(huán)流體， 進而將組合式系統(tǒng)的效率最大化。進一步根據(jù)本發(fā)明，冷凝的有機朗 肯循環(huán)流體流經多種與發(fā)動機有關的冷卻器，包括以下冷卻器中的一 個或多個入口空氣(增壓空氣)冷卻器；發(fā)動機冷卻劑；發(fā)動機油冷卻器；廢氣再循環(huán)(EGR)冷卻器；及在蒸發(fā)器中使用的發(fā)動機廢氣。根據(jù)本發(fā)明，有機朗肯循環(huán)渦輪機與發(fā)動機曲柄之間的配接結構 可以為共享主軸，或者其可包括用于限制扭矩施加的配接件裝置，比 如離合器；配接件可包括用于定向地限制扭矩的裝置，比如楔塊離合 器或飛輪離合器。配接件也可以包括速度改變配接件比如齒輪組、帶 驅動、流體扭矩轉換器或可變速度變速器(transmission)。液體到液體的熱交換器46-48的使用替換了大型的液體到空氣的 熱交換器及其相關風扇，且可觀地降低了成本及/或可觀地減少了內置 于冷卻劑中的發(fā)動機油冷卻器。本發(fā)明的其它特征包括蒸發(fā)器被動地或作為對控制器的響應而 旁通(有機朗肯循環(huán)流體或廢氣)，以便維持有機朗肯循環(huán)蒸汽的溫度； 繞過熱交換器而旁通有機朗肯循環(huán)流體或發(fā)動機流體，以便維持發(fā)動 機的溫度；組合起來的熱交換器；對渦輪油加壓的發(fā)動機油泵；發(fā)動 機內的冷卻劑通道內的有機朗肯循環(huán)流體；通過冷卻劑冷凝器加熱有 機朗肯循環(huán)流體而對入口空氣制冷；通過額外的冷凝器冷卻及/或蒸發(fā) 器旁通而在渦輪機失效的過程中繞開有機朗肯循環(huán)渦輪機，或者用于 控制渦輪機壓降；通過質量流及可變速度變速器而控制渦輪機的壓力； 及將蒸發(fā)器作為消音器及/或減排裝置而采用。考慮到如附圖中所展示發(fā)明的示例性實施例的以下詳述，本發(fā)明 的其它方面、特征與優(yōu)點將變得更加清楚。附圖簡述圖1為利用了有機朗肯循環(huán)(ORC)的往復式發(fā)動機的簡化且程式 化框圖，該發(fā)動機驅動輔助發(fā)電機。 ， .圖2為根據(jù)本發(fā)明的往復式發(fā)動機的簡化且程式化框圖，該發(fā)動 機與有機朗肯循環(huán)底循環(huán)結合起來，且該發(fā)動機驅動單個發(fā)電機。圖3為采用了多個新穎特征的本發(fā)明實施例的簡化且程式化視圖。圖4為借助飛輪離合器而配接到相關有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的渦輪機上的發(fā)動機的局部視圖。圖5展示了螺線管促動器離合器。圖6展示了可變速度變速器。 圖7展示了流體配接件。 圖7a展示了齒輪。圖8為質量流調節(jié)的簡化且程式化的局部視圖，該質量流用于控 制渦輪機壓力比。圖9為組合在一起的發(fā)動機冷卻劑、發(fā)動機油與有機朗肯循環(huán)工 作流體熱交換器的局部視圖。圖IO為組合在一起的油、廢氣再循環(huán)空氣與有機朗肯循環(huán)工作流 體熱交換器的視圖。圖11為借助旁通閥而控制發(fā)動機溫度的簡化且程式化的局部視圖。圖12為采用了有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的發(fā)動機的筒化且程式化的視 圖，有機朗肯循環(huán)工作流體在該子系統(tǒng)中包括發(fā)動機冷卻劑。圖13為繞過蒸發(fā)器旁通有機朗肯循環(huán)工作流體，以便確保足夠的 發(fā)動機冷卻的局部視圖。圖14為采用了有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的發(fā)動機的局部視圖，發(fā)動機 入口空氣在該子系統(tǒng)中借助空調循環(huán)而被冷卻。圖15為組合在一起的消音器、污染物催化劑與有機朗肯循環(huán)工作 流體蒸發(fā)器的簡化且程式化的示意圖。實施本發(fā)明的模式如圖2所示，本發(fā)明最簡單的實施例消除了對輔助發(fā)電機32(圖1) 及與輔助發(fā)電機32相關的功率組合處理的需求。這是通過促使渦輪機 28、發(fā)動機19及單個發(fā)電機21軸裝到相同的主軸20上而實現(xiàn)的。由 于渦輪才幾轉子直4妾配4妄到發(fā)動機主軸上，發(fā)動機首先啟動并且實際上 將渦輪機作為負載而驅動，直到發(fā)動機內產生的熱量變的足以導致有機朗肯循環(huán)渦輪機28將扭矩傳供纟合主軸20。
圖3展示了具有有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的往復式發(fā)動機的示例性簡 化表示，有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)利用了大致全部的發(fā)動機廢熱。其中， 蒸發(fā)器中不是僅僅利用了廢熱，而是具有多個預熱器45、 48，每個預 熱器包括具有有機朗肯循環(huán)流體的熱交換器，有機朗肯循環(huán)流體借助 發(fā)動機廢熱而#皮加熱從而增加溫度。
廢氣管24內的廢氣被饋送以驅動渦輪增壓器51，該渦輪增壓器 51在入口 52內壓縮周圍空氣，并且將管路54內的壓縮空氣提供給預 熱器45 。壓縮熱量通過與管路26a內的有機朗肯循環(huán)流體之間的熱交 換而大致地從增壓空氣中除去，從而在管路55內提供了更加冷卻的壓 縮空氣。設置于管路55內且更加濃密的冷卻器入口空氣導致發(fā)動機效 率增加了幾個百分點。
離開管路26b內的預熱器45的有機朗肯循環(huán)流體作用于預熱器 46，該預熱器46根據(jù)情況而在管3各57內接收來自發(fā)動機冷卻套及/或 曲徑的冷卻劑。穿過熱交換器46的冷卻劑由泵59所驅動，泵59可借 助帶60而機械地配接到由組合式發(fā)動機/渦輪機主軸20所驅動的滑輪 61上。
有機朗肯循環(huán)流體然后流經管i 各26c而到達預熱器47,預熱器47 也通過管路63而接收發(fā)動機油。油經由管路64并借助泵65而返回到 發(fā)動機，泵65顯示為借助一對互相嚙合的齒輪67、 68而一皮齒輪驅動。
將會實現(xiàn)上述預熱的熱交換器46、 47可遠小于并且因此而價格低 于散熱器(其為液體到空氣)及油冷卻器(其為油到周圍空氣或油到發(fā)動 機冷卻劑)。這是因為具有位于熱交換器兩邊的強制液體對流熱傳遞， 并且因為強制對流是由有機朗肯循環(huán)流體泵41、冷卻劑泵59及油泵 65所提供的，而不是通過使用耗能及浪費空間的風扇所提供的，該風 扇將在典型的散熱器或周圍冷卻式油冷卻器中所需要。
有機朗肯循環(huán)流體然后經由管^各26d而流動到熱交換器48,有機 朗肯循環(huán)流體在此借助廢氣再循環(huán)(EGR)管路24a內的廢氣再循環(huán)流而被加熱。冷卻后的廢氣再循環(huán)氣體借助管路71而傳導至空氣入口。
有機朗肯循環(huán)流體然后經由管路26e而流動到蒸發(fā)器25，蒸發(fā)器 25包括雙相熱交換器，雙相熱交^:器通過管路24b而接收來自渦輪機 的廢氣，并且將廢氣作用于廢氣管24c。
穿過預熱器45-48及蒸發(fā)器25的有機朗肯循環(huán)流體接收可能最高 的焓，同時在沒有使用風扇的情況下而為發(fā)動機提供冷卻功能。有機 朗肯循環(huán)流體然后'流經管路27以便驅動渦輪機28,耗散的有機朗肯循 環(huán)流體穿過管路29而到達冷凝器35。冷凝器上的風扇37經由帶38并 借助公共主軸20上的滑輪39而纟皮驅動。有機朗肯循環(huán)流體然后流經 管路40,并且借助泵41而被驅動到預熱器45。
發(fā)電機21可借助適當?shù)碾娍偩€73而連接到功率調節(jié)電路75，該 功率調節(jié)電路75又與電負載76互相連接，電負載76可以電網。控制 器79可以對負載狀態(tài)、渦輪機內的狀態(tài)比如壓力比、速度及溫度及發(fā) 動機狀態(tài)進行響應，以便借助旁通閥81、 82而控制系統(tǒng)內的多種因素， 包括滿輪機減壓。
雖然為清晰起見而在圖3中沒有顯示，對有機朗肯循環(huán)渦輪機潤 滑油進行加壓的油泵可以典型地凈皮為業(yè)界所知的系統(tǒng)內的電機所運 轉。然而，為了更加好地確保渦4么機的可操作性，渦輪機油泵可以相 對于油泵65(圖3)而描述的相同方式而配接到主軸20上(或者圖4中的 渦輪機的主軸20a上)。備選地，如果認為在本發(fā)明的任何實施中適當 的話，離開熱交換器47的發(fā)動機油可在經由管路64而返回到發(fā)動機 之前穿過渦輪機28。
雖然圖3中展示了四個預熱器，但本發(fā)明可利用預熱器45-48中所 選擇的一個而得以實施，以便通過減小熱交換器的尺寸用于減小成本， 而獲得由組合式發(fā)動機/有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)所產生的最低單元功率成 本，同時減小了發(fā)動機入口的溫度，并且增加了有機朗肯循環(huán)流體的 溫度，從而改善了發(fā)動機效率與有沖幾朗肯循環(huán)的循環(huán)效率。
在與內燃機，比如用于驅動發(fā)動機的內燃機一起使用的典型有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的主泵典型地由電機所驅動，該 電機由電網供電，該電網由發(fā)電機供電。類似地，為冷凝器提供冷卻 空氣的風扇也典型地由電機所驅動，該電機由電網供電。在任何有機 朗肯循環(huán)構件、系統(tǒng)控制或電網功率失效的情況下，有機朗肯循環(huán)系 統(tǒng)構件應當受到保護，并且應當確保往復式發(fā)動機的冷卻。由于系統(tǒng)提供的功率中的大多數(shù)是由發(fā)動機而不是由有機朗肯循 環(huán)子系統(tǒng)提供的，在有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)失效的情況下，發(fā)動機系統(tǒng) 應當能夠運行，因為發(fā)動機將供應實質性的功率，雖然效率可能會較低。圖4為圖3系統(tǒng)的修改實施例的局部視圖，其中，渦輪機沒有軸 裝到與發(fā)動機相同的主軸20上，而是軸裝到主軸20a上，主軸20a通 過飛輪離合器80而連接到發(fā)動機上。由于飛輪離合器的緣故，發(fā)動機 可在沒有轉動渦輪機的情況下而轉動。在常規(guī)運行時，當發(fā)動機啟動 并且當熱量充分地積累起來的時候，渦輪機將產生扭矩。由于從發(fā)動 機輸入的熱量增加，渦輪機速度將連續(xù)地增加，直到僅僅轉動了離合 器一半的渦輪機的速度將容易地達到發(fā)動機速度為止。此時，渦輪機 將通過飛輪離合器而將扭矩供應給主軸20。在有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)將會失效的情況下，飛輪離合器將會把主 軸20a從主軸20隔離開來。渦輪機常規(guī)地通過閥81而被饋送加熱后 的有機朗肯循環(huán)流體，閥82則保持阻塞。但是當存在有機朗肯循環(huán)子 系統(tǒng)失效的時候，為了防止發(fā)動機的過熱，旁通閥82打開，閥81則 關閉，從而使發(fā)動機熱量從管路27經由管路29而傳送到冷凝器35。 為額外的風扇或為了冷凝器處增加的速度風扇的緣故，可制造裝置以 便從有機朗肯循環(huán)流體除去額外的熱量，進而補償不再轉化成由渦輪 機使用的熱量。作為對系統(tǒng)特性比如發(fā)動機溫度、渦輪機壓力比的響應，閥81 、 82可,皮計算機所控制。另一方面，閥81、 82可簡單地包括被動地簧動 的蒸汽閥。多種配接結構可用于發(fā)動機19與渦輪28之間。比如，如此前相對于圖2和圖3而描述的那樣，它們可軸裝到公共主軸20上。另一方 面，沒有使用飛輪離合器80，取而代之可以使用螺線管促動的離合器 83，如圖5所示。備選地，可以使用如圖6所示的可變速度變速器84。 可以使用如圖7所示的流體配接件85?？梢允褂门酝ㄩy82(圖3和圖4)來對經過渦輪機的流量進行減壓， 以避免超過最大渦輪機壓力比、經過渦4侖機的有機朗肯循環(huán)流體內的 壓降。備選地，渦輪機速度與壓力比之間的關系可通過改變經過有機 朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的質量流量速率而得以改變。這展示于圖8中，其中 控制器79從壓力傳感器86而監(jiān)視渦輪機入口壓力Pl的讀數(shù)，同時監(jiān) 視由壓力傳感器87所顯示的渦輪^L出口壓力P2。如果壓降變的太高的 話，控制器可通過導致設置在管路26a內的限流閥89減小有機朗肯循 環(huán)流體的質量流量而減小有機朗肯循環(huán)流體的流量。類似地，如果渦 輪機沒有達到最大壓力的話，控制器可通過限流閥89而控制增加流量。 從而允許有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)將渦輪機的速度從跨過渦輪機的壓降中 脫離出來，從而允許多種負載下的最大效率。作為借助閥89而控制質量流量的一種選擇是使用此前相對于圖6 而提及的可變速度變速器84。在這種情況下，渦輪機的速度可基本上 在最大效率速度保持恒定，從而允許可變速度變速器根據(jù)機械配接建 立的情況而適應渦輪發(fā)動機速度與發(fā)動機速度之間、或與負載速度之 間的差異。出于經濟考慮，可變速度變速器看起來可能不太適當。在這種情 況下，發(fā)動機速度與渦輪機速度之間的配接比可選擇成在經過全負載 下的渦輪機的最大壓降處而優(yōu)化。這可能在減小的發(fā)動機負載處引起 不太優(yōu)化的壓力比。備選地，可為優(yōu)化目的而選擇中間壓力比，并且 相應地使用限壓旁通閥82或質量^fu量控制閥89。如圖9所示，為了減小空間與成本，可利用多流體熱交換器46、 47而將來自管路57的發(fā)動機冷卻流體、來自發(fā)動機并穿過管路63與 64的油及從管路26b傳導至26d的有機朗肯循環(huán)流體匯聚起來。類似地，如圖IO所示，多流體熱交換器47、 48可將在管路63、 64內循環(huán) 的發(fā)動機油、從管路24a流到管路71的廢氣再循環(huán)流及從管路26c流 動到管路26e的有機朗肯循環(huán)流體匯聚起來。為了最大化發(fā)動機效率，有必要提供具有可能最冷溫度的增壓空 氣。如果有機朗肯循環(huán)流體在熱交^:器45內加熱到太大程度的話，那 么發(fā)動機冷卻劑或發(fā)動機油可能變的太熱是可能的。為了提供增壓空 氣的最大冷卻，熱交換器45可制成過度地大，并且如果有必要的話， 通過熱交換器45的有機朗肯循環(huán)流體的量可被旁通，以便允許冷卻劑 與發(fā)動機油的適當冷卻，如圖11所示。旁通閥92包括遠程感應溫度 控制閥，溫度在熱交換器46的冷卻劑出口處被感應到。如果冷卻劑溫 度升到高于某種預定程度的話，比如大約在93。C(200。F)的話，遠程感 應溫度控制閥92將成正比例地打開，從而繞過熱交換器45旁通有機 朗肯循環(huán)工作流體中的部分，從而使有機朗肯循環(huán)工作流體能夠將發(fā) 動機冷卻劑或油在熱交換器46、 47內更有效地進行冷卻。閥92可備 選地穿過管路54、 55而放置，以^更繞過熱交換器45旁通入口空氣。類似地，如果發(fā)動機冷卻劑降到低于所需要溫度的話，比如大約 在70。C(160。F)的話，遠程感應溫度控制閥94將成正比例地打開，以便 繞過熱交換器46旁通冷卻劑中的一部分，從而使冷卻劑可維持最小的 所需要溫度。通過相同的方式，如果有必要維持最小溫度比如大約為 43。C(110。F)的話，遠程感應溫度控制閥96將旁通發(fā)動機油。備選地， 閥94、 96可分別放置在管路26b與26c之間，或者放置在管路26c與 26d之間，以繞過相應的熱交換器46、 47旁通有機朗肯循環(huán)工作流體。此外，圖11展示了有機朗肯循環(huán)工作流體所需要的過熱溫度，可 通過以由控制器79所確定的方式調節(jié)旁通閥99，并作為對溫度傳感器 100的響應而維持于管路27內，而不顧由于發(fā)動機差異而發(fā)生于熱交 換器45-48內的波動，該溫度傳感器100可對管路27內的過熱有機朗 肯循環(huán)工作流體的溫度做出響應。閥99可被控制器79所控制，或者 它可以為控制與有機朗肯循環(huán)工作流體壓力成比例的閥的壓力感應泡，比如TXV類型的閥。圖12展示了可用于本發(fā)明中癥會出的任何實施例的多個其它變型實施例。 一個創(chuàng)新是管路26b內的有機朗肯循環(huán)流體直4矣作用于發(fā)動機 冷卻劑通道，比如冷卻劑套及/或發(fā)動機曲徑，加熱后的冷卻劑作用于 管路26c。從而提供了直接地傳遞到有機朗肯循環(huán)流體的最大發(fā)動機熱 量。然而，在有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)變的不運轉，從而使渦輪機沒有將 熱量轉換成主軸上的扭矩的情況下，可以設置裝置以確保發(fā)動機將保 持冷卻。在主有機朗肯循環(huán)流體泵41a被供電，尤其是如果被電網供 電的情況下，存在主有機朗肯循環(huán)流體泵41a失效的危險。為了確保 發(fā)動機的冷卻劑，提供了由主軸20，比如利用對帶104進行驅動的滑 輪103，所驅動的后備泵41b。泵41的尺寸定制為在某個壓力下提供 減小的流量，當發(fā)動機運行于其設計點的時候，該壓力將在發(fā)動機的 出口處引起飽和的有機朗肯循環(huán)工作流體。不到一半的有機朗肯循環(huán)熱負載來自發(fā)動機冷卻套及/或曲徑，而 絕大數(shù)熱量則來自發(fā)動機廢氣系統(tǒng)。為了確保將發(fā)動機熱量除去，蒸 發(fā)器借助閥99而被繞開，如此前所述的那樣。此外，渦輪機必須通過關閉閥81并打開閥82而被繞開，以便將 繞過渦輪機的有機朗肯循環(huán)工作流體轉移。如果這些閥未被計算機所 控制的話，那么它們可以包括被動彈簧蒸汽閥。當有機朗肯循環(huán)工作 流體作為發(fā)動機的冷卻劑使用的時候，冷凝器35上可設置有額外的風 扇，或者風扇37可優(yōu)選地由主軸20所驅動，如此前相對于圖3所描 述的那樣。如果風扇37將被電力所驅動的話，那么通過功率調節(jié)設備 為風扇37提供由發(fā)電機21所提供的電力是優(yōu)選的，如圖12所示，而 不是依賴于電網電力。因此，當發(fā)動機運行的時候，風扇37將具有電 力并且將能夠將發(fā)動機熱量從有機朗肯循環(huán)工作流體中除去。作為從管路24b到管路24c繞過蒸發(fā)器旁通廢氣的備選實施例， 如圖13所示，有機朗肯循環(huán)工作流體可借助閥106繞過蒸發(fā)器而被旁 通，閥106可由控制器79所控制，或者可以簡單地為被動閥，該被動閥在高溫時比如大約在120。C(250。F)時打開。然而，在這種情況下，蒸 發(fā)器必須設計成在沒有損壞蒸發(fā)器完整性的情況下而達到廢氣溫度。參考圖14，制冷循環(huán)可提供巨大冷卻容量，并具有相對少的功率 輸入，并且因此而具有較高的效率。為了從發(fā)動機19處獲得最大效率， 壓縮熱量及更多的壓縮熱量可借助熱交換器而從發(fā)動機入口空氣中除 去，該熱交換器具有制冷劑比如冷卻到甚至低于周圍空氣溫度的 R134a。配接到主軸20上的壓縮機107通過管路108而給冷凝器109提供 了壓縮制冷劑。冷卻后的液體制冷劑然后經由通過膨脹閥113的管路 112及管路114而作用于蒸發(fā)器的入口處，該蒸發(fā)器包括熱交換器45a, 蒸發(fā)器在其入口處將發(fā)動機的入口空氣進行冷卻。該實施例可與沒有 在空氣入口處使用渦輪壓縮機的發(fā)動機一起使用，也可以與在空氣入 口處使用了渦輪壓縮機的發(fā)動機一起使用。如圖14所示，壓縮機107 配接到與渦輪機及發(fā)動機相同的主軸20上。本發(fā)明的該方面獲得了空 氣入口溫度，該空氣入口溫度低于借助發(fā)動機冷卻劑可能獲得入口空 氣冷卻溫度，并且避免了使用昂貴寄生風扇的必要性，該風扇將要求 用于借助周圍空氣而冷卻入口空氣。如圖14所示，本發(fā)明可借助組合式冷凝器35、 109而得以實施， 從而使制冷循環(huán)中的廢熱可將有4幾朗肯循環(huán)工作流體預熱到一定程 度。較大比例的發(fā)動機廢熱攜帶于廢氣流中，因此合格的底循環(huán)將大 體上將熱交換器(比如蒸發(fā)器)結合于發(fā)動機廢氣中。為了獲得進一步的 效率，本發(fā)明的一方面包括將往復式發(fā)動機的廢氣消音器及用于除去 N0X及/或顆粒的催化劑的功能與用于有機朗肯底循環(huán)的過熱熱交換器 的功能相互共享。參考圖15，組合式消音器與蒸發(fā)器25a導致有機朗 肯循環(huán)工作流體在盤旋形溝道120內運行，該盤旋形溝道由翅片 (fin)121、 12的較大表面區(qū)域所包圍。翅片相對靠近地隔開，并且在每 行溝道120內具有相反的流動角，以便擴散并壓制廢氣的壓力脈沖，進而減小了廢氣噪音，并且可能地消除了對單獨廢氣消音器的需求。 此外，翅片121上可覆蓋有適當?shù)拇呋瘎┎牧希员銣p少一氧化碳與NOx的排放。這種催化劑典型地運行于高溫，并且與蒸發(fā)器25a內的 周圍環(huán)境隔開。通過控制有機朗肯循環(huán)工作流體在組合式消音器/蒸發(fā) 器25a入口處的溫度(使用與此前描述技術類似的旁通技術)，催化劑的 溫度可得以控制，同時利用了所有丟棄的熱量，而不是將熱量耗散到 環(huán)境中。因此，借助作為底循環(huán)而用于內燃機的有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)， 可獲得另外的效率。
權利要求
1.一種設備，其包括負載(21)；具有主軸(20)的內燃發(fā)動機(19)，所述內燃發(fā)動機(19)通過所述主軸(20)將扭矩傳遞給所述負載，所述發(fā)動機具有接收來自源(51)的空氣的空氣入口，所述發(fā)動機具有穿過熱交換器(25)的廢氣(24)；包括渦輪機(28)的有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)，所述渦輪機(28)具有配接到所述發(fā)動機主軸上的主軸(20、20a)，且所述有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)具有在所述熱交換器內蒸發(fā)的有機朗肯循環(huán)工作流體；其特征在于所述有機朗肯循環(huán)工作流體在蒸發(fā)之前由從所述發(fā)動機的一個或多個發(fā)動機流體中吸取的熱量所預熱(45-48)，以由此冷卻所述發(fā)動機，所述熱交換器包括用于借助發(fā)動機廢氣(24)而對所述有機朗肯循環(huán)工作流體進行加熱的蒸發(fā)器(25)，所述蒸發(fā)器(25)具有盤旋形的有機朗肯循環(huán)流體流動管路(120)，且所述管路上設置有廢氣壓力脈沖減小翅片(120、121)；空氣調節(jié)子循環(huán)系統(tǒng)，其具有機械地配接到所述主軸(20)上的冷卻劑壓縮機(107)、接收來自所述壓縮機的冷卻劑流的冷卻劑冷凝器(109)、通過來自所述冷卻劑冷凝器的冷卻劑流的膨脹閥(113)、及在所述膨脹閥與所述壓縮機之間流動連通的蒸發(fā)器(45a)，所述蒸發(fā)器包括熱交換器，所述熱交換器在所述冷卻劑流與從所述源流動到所述空氣入口的空氣之間提供了熱連通；渦輪機旁通閥(81、82)，其選擇性地可操作，以繞過所述渦輪機旁通所述有機朗肯循環(huán)工作流體；以及用于橫跨所述渦輪機控制有機朗肯循環(huán)工作流體壓降的裝置(81、82、84、89)。
2. —種設備，其包括負載(21);及具有主軸(20)的內燃發(fā)動機(19),所述內燃發(fā)動機(19)通過所述主 軸(20)將扭矩傳遞給所述負載； 其特征在于包括渦輪機(28)的有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)，所述渦輪機(28)具有配接 到所述發(fā)動機主軸上的主軸(20、 20a)，且所述有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)具 有有機朗肯循環(huán)工作流體，所述有機朗肯循環(huán)工作流體#1所述發(fā)動機 產生的熱量(25)所蒸發(fā)，所述渦輪機具有借助以下方式中的一種而配 接到所述發(fā)動機主軸上的主軸(a)所述發(fā)動機與所述渦輪機軸裝到相 同的主軸上，(b)所述渦輪機主軸借助飛輪離合器(80)而配接到所述發(fā) 動機主軸上，及(c)所述渦輪機主軸借助流體配接件(85)而配接到所述 發(fā)動一幾主軸上。
3. —種設備，其包括 廢氣熱交換器(25);內燃發(fā)動機(19)，其配置成將扭矩傳遞給主軸(20),所述發(fā)動機配 置成通過所述廢氣熱交換器而提供廢氣(24);有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)，其配置成具有位于流體通道(26、 27、 29、 40 、 45-48)內且在所述廢氣熱交換器內蒸發(fā)的工作流體；其特征在于所述流體通道配置成在所迷有機朗肯循環(huán)工作流體蒸發(fā)之前，借 助從所述發(fā)動機的至少 一個發(fā)動機流體中吸取的熱量來預熱(45-48) 所述有機朗肯循環(huán)工作流體。
4. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，所述廢氣熱交換器(25) 具有選擇性地可操作的旁通閥(99、 106)，以維持預定的過熱的有機朗 肯循環(huán)蒸汽溫度。
5. 如權利要求4所述的設備，其特征在于，所述旁通閥(99)配置 成繞過所述廢氣熱交換器(25)旁通所述發(fā)動機廢氣(24)。
6. 如權利要求4所述的設備，其特征在于，所述旁通閥(106)配置成繞過所述廢氣熱交換器(25)旁通所述有機朗肯循環(huán)流體。
7. 如權利要求4所述的設備，其特征在于，控制器(79)對有機朗 肯循環(huán)蒸汽溫度(100)進行響應，以便選擇性地操作所述旁通閥(99)。
8. 如權利要求4所述的設備，其特征在于，所述旁通閥(99、 106) 為^皮動恒溫閥。
9. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道配 置成將來自發(fā)動機冷卻劑通道的發(fā)動機熱量傳遞(46)給所述有機朗肯 循環(huán)流體。
10. 如權利要求9所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道(46)。 — 一
11. 如權利要求10所述的設備，其特征在于，所迷冷卻劑熱交換 器(46)具有至少 一個選擇性地可4喿作的旁通閥(94)。
12. 如權利要求11所述的設備，其特征在于，所迷旁通閥(94)配 置成繞過所述冷卻劑熱交換器(46)旁通所述有機朗肯循環(huán)流體。
13. 如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述旁通閥(94)配 置成繞過所述冷卻劑熱交換器(46)旁通發(fā)動機冷卻劑。
14. 如權利要求9所述的設備，其特征在于，所迷流體流動通道 (26b 、 26c)配置成將所述有機朗肯循環(huán)流體傳導通過所述發(fā)動機(19) 內的冷卻劑通道。
15. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，所迷流體流動通道 配置成對來自發(fā)動機油通道(63、 64、 65)的熱量進行傳遞(47)。
16. 如權利要求15所述的設備，其特征在于，所迷流體流動通道 包括與所述發(fā)動機油熱配4妾的油熱交換器(47)。
17. 如權利要求16所述的設備，其特征在于，所述油熱交換器(47) 具有至少 一個選擇性地可操作的旁通閥(96)。
18. 如權利要求17所迷的設備，其特征在于，所述旁通閥(96)配 置成繞過所述油熱交換器旁通所迷有機朗肯循環(huán)流體。
19. 如權利要求17所述的設備，其特征在于，所述旁通閥(96)配 置成繞過所述油熱交換器旁通發(fā)動機油。
20. 如權利要求15所述的設備，其特征在于， 配置成對發(fā)動^L油進行循環(huán)的油泵(65); 所述渦輪機(28)具有油潤滑系統(tǒng)；以及所述油泵配置成對用于所述油潤滑系統(tǒng)的油進行加壓。
21.如權利要求15所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道配置成將來自發(fā)動機冷卻劑通道的發(fā)動機熱量傳遞(46)到所述有機朗肯循環(huán)流體。
22. 如權利要求21所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道 (26b、 26c、 26d)與位于相應的單獨熱交換器(46、 47)內的發(fā)動機冷卻 劑通道(57)和發(fā)動機油通道(63 、 64)熱配接。
23. 如權利要求21所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道 (26b、 26d)與位于單個熱交換器(46、 47)的相應單獨盤管內的發(fā)動機冷 卻劑通道(57)與發(fā)動機油通道(63 、 64)熱配接。
24. 如權利要求15所述的^殳備，其特征在于，所述流體流動通道 配置成傳遞(48)來自發(fā)動機廢氣氣體循環(huán)流動通道(24a、 71)的發(fā)動機 熱量。
25. 如權利要求24所述的i史備，其特征在于，所述流體流動通道 (26c、 26d、 26e)借助相應的單獨熱交換器(48、 47)而與廢氣氣體循環(huán) 流動通道(24a、 71)并與發(fā)動機油通道(63、 64)熱配接。
26. 如權利要求24所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道 (26c、 26e)借助單個熱交換器(47、 48)的相應單獨盤管而與廢氣氣體循 環(huán)流動通道(24a、 71)并與發(fā)動才幾油通道(63、 64)熱配接。
27. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道 配置成傳遞(48)來自發(fā)動機廢氣氣體循環(huán)流動通道(24a、 71)的發(fā)動機 熱量。
28. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道配置成傳遞(45)來自發(fā)動機壓縮的(51)入口空氣通道(54、 55)的發(fā)動機熱量。
29. 如權利要求28所述的設備，其特征在于，所述流體流動通道 (26a、 26b)包括與所述發(fā)動機壓縮的入口空氣通道(54、 55)熱配接的入 口空氣熱交換器(45)。
30. 如權利要求29所述的設備，其特征在于，所述熱交換器具有 選擇性地可操作的旁通閥(92)。
31. 如權利要求30所述的設備，其特征在于，所述旁通閥(92)配 置成繞過所述入口空氣熱交換器(45)旁通所述有機朗肯循環(huán)流體。
32. 如權利要求30所述的設備，其特征在于，所述旁通閥(92)配 置成繞過所述入口空氣熱交換器(45)旁通所述入口空氣。
33. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，所述廢氣熱交換器 (25a)具有盤旋形的有機朗肯循環(huán)流體流動管路(120)，且所述管路上設 置有廢氣壓力脈沖減小翅片(120、 121)。
34. 如權利要求33所述的i殳備，其特征在于，所述翅片(120、 121) 相對于所述盤旋形管路中的每一行而朝向一定角度，所述角度與所述 翅片相對于靠近所述每一行的盤旋形管路行所朝向的角度相對。
35. 如權利要求33所述的設備，其特征在于，所述翅片(121)中的 至少 一部分^支催化劑所覆蓋，所述催化劑選擇成有助于減少所述廢氣 中的氮氧化物與顆粒中的至少 一種。
36. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，渦輪機旁通閥(81、 82)選擇性地可操作，以繞過所迷渦輪機旁通所述有機朗肯循環(huán)工作流 體。
37. 如權利要求36所述的設備，其特征在于，所述閥(81、 82)配 置成在所述有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)失效的情況下繞開所述渦輪機(28)， 由此繼續(xù)冷卻所述發(fā)動才幾。
38. 如權利要求36所述的設備，其特征在于，所述有機朗肯循環(huán) 子系統(tǒng)包括冷凝器(35),所述冷凝器(35)配置成在常規(guī)運行時提供第一熱傳遞量，而在有機朗肯循環(huán)失效的情況下則提供大于所述第一量的 第二熱傳遞量。
39. 如權利要求36所述的設備，其特征在于， 所述流體流動通道(26、 27)包括蒸發(fā)器(25); 所述發(fā)動機配置成為所述蒸發(fā)器提供發(fā)動機廢氣(24);及 選擇性地可操作的蒸發(fā)器旁通閥(99、 106)。
40. 如權利要求39所述的設備，其特征在于，所述蒸發(fā)器旁通閥 (99)配置成繞過所述蒸發(fā)器(25)旁通廢氣(24)。
41. 如權利要求39所述的設備，其特征在于，所述蒸發(fā)器旁通閥 (106)配置成繞過所述蒸發(fā)器(25)旁通所述有機朗肯循環(huán)工作流體。
42. 如權利要求36所述的設備，其特征在于，所述渦輪機旁通閥 (81、 82)選擇性地可操作，以控制橫跨所述渦輪機的壓降。
43. —種設備，其包括配置成將扭矩作用于主軸(20)上的發(fā)動機(19)，所述發(fā)動機具有配 置成接收來自源(54、 51)的空氣的空氣入口； 其特征在于空氣調節(jié)子循環(huán)系統(tǒng)，其具有機械地配接到所述主軸上的冷卻劑 壓縮機(107)、接收來自所述壓縮機的冷卻劑流的冷卻劑冷凝器(109)、 具有到所述冷卻劑冷凝器的流體配接件的膨脹閥(113)、及蒸發(fā)器 (45a)，所述蒸發(fā)器在所述膨脹閥與所述壓縮機之間提供流體配接，所 述蒸發(fā)器包括熱交換器，所述熱交換器在所述冷卻劑流與從所述源流 動到所述空氣入口的空氣之間提供熱配接。
44. 如權利要求43所述的設備，其特征在于，包括渦輪機(28)的 有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)，所述渦輪機(28)具有配接到所述發(fā)動機主軸(20) 上的主軸(20、 20a)，且所述有^^朗肯循環(huán)子系統(tǒng)配置成具有位于流體 流動通道(26、 27、 29、 40、 45-48)內且由所述發(fā)動機產生的熱量(24) 所蒸發(fā)(25)的有機朗肯循環(huán)工作流體，所述有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)包括 靠近所述冷卻劑冷凝器(109)而設置的有機朗肯循環(huán)流體冷凝器(35)，并且所述有機朗肯循環(huán)流體冷凝器(35)配置成將來自所述冷卻劑流的 熱量傳遞到所述有機朗肯循環(huán)工作流體。
45. 如權利要求43所述的i殳備，其特征在于，入口空氣的所述源 包括發(fā)動機入口空氣壓縮機(51)。
46. —種設備，其包括配置成為主軸(20)提供扭矩的內燃發(fā)動機(l9); 包括渦輪機(28)的有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)，所述渦輪機(28)配接到 所述主軸(20)上，且所述渦輪機(28)配置成使得有機朗肯循環(huán)工作流體 膨脹；其特征在于用于控制跨過所述渦輪機的有機朗肯循環(huán)工作流體壓降的裝置 (81、 82、 84、 89),所述裝置選自(a)用于控制所述有機朗肯循環(huán)工 作流體質量流量的裝置(89),及(b)將所述渦輪機(28)配接到所述發(fā)動 機主軸(20)上的固定變速器(85a)，且所述發(fā)動機(19)配置成在一定比值 下運行于預定轉速，從而導致所述渦輪機在優(yōu)化的渦輪機轉速下運 行，從而獲得最大可允許的渦輪壓降，并且旁通閥(82)配置成選擇性 地繞過所述渦輪機旁通所述有機朗肯循環(huán)工作流體，以防止跨過所述 渦輪機的所述壓降超過所述最大可允許的壓降。
全文摘要
發(fā)動機(19)的主軸(20)配接到有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的渦輪機(28)上，該有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)從發(fā)動機入口空氣、冷卻劑、油、廢氣再循環(huán)及廢氣中吸取熱量(45-48、25)。旁通閥(92、94、96、99)控制著發(fā)動機的溫度。渦輪機的壓降借助旁通閥(82)或質量流量控制閥(113)而得以控制。具有配接到發(fā)動機主軸上的壓縮機(107)的制冷子系統(tǒng)使用其蒸發(fā)器(45a)來冷卻發(fā)動機入口空氣。有機朗肯循環(huán)蒸發(fā)器(25a)可包括消音器，該消音器包括壓力脈沖減小翅片(121、122)，這些翅片中的一些上具有NO_X及/或顆粒減少催化劑。
文檔編號F02G5/04GK101243243SQ200680029386
公開日2008年8月13日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權日2005年6月16日
發(fā)明者B·P·比德爾曼, K·R·麥科爾德, L·張, T·D·拉德克利夫 申請人:Utc電力公司