專利名稱：廢熱回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廢熱回收系統(tǒng)，并且更具體地，涉及一種使用朗肯(Rankine)循 環(huán)的廢熱回收系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已開發(fā)出使用朗肯循環(huán)的廢熱回收系統(tǒng)以從車輛發(fā)動機(jī)的廢熱回收機(jī)械能(動 力)。朗肯循環(huán)通常包括泵送工作流體的泵、通過發(fā)動機(jī)的廢熱來加熱工作流體的熱交換 器、使加熱后的工作流體膨脹以回收機(jī)械能的膨脹器、以及使膨脹的工作流體冷凝的冷凝ο日本專利申請公開No. 2007-85195公開了一種具有兩個熱交換器的廢熱回收系 統(tǒng)。該廢熱回收系統(tǒng)的朗肯循環(huán)包括第一熱交換器和第二熱交換器，第一熱交換器通過與 發(fā)動機(jī)的冷卻水的熱交換來加熱工作流體，第二熱交換器通過與發(fā)動機(jī)的排氣的熱交換來 加熱工作流體。第一熱交換器用作冷卻水鍋爐，而第二熱交換器用作排氣鍋爐。通過泵輸送 的工作流體在流經(jīng)第一熱交換器和第二熱交換器時吸收熱，在流經(jīng)膨脹器時產(chǎn)生機(jī)械能， 并在流經(jīng)冷凝器時釋放熱。當(dāng)如在發(fā)動機(jī)起動的情況下發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度低時，發(fā)動機(jī)的燃料效率通常降 低。在所引用的參考文獻(xiàn)的廢熱回收系統(tǒng)中，如果將工作流體在流經(jīng)第一熱交換器時所吸 收的熱傳遞至冷卻水以迅速升高冷卻水的溫度，則可提高發(fā)動機(jī)的燃料效率。但是，流經(jīng)朗 肯循環(huán)的工作流體從冷凝器釋放熱。因此，冷卻水的溫度并不迅速升高，并且發(fā)動機(jī)的燃料 效率降低。本發(fā)明涉及一種廢熱回收系統(tǒng)，其中，當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度低時，通過迅速升高 冷卻水的溫度來提高發(fā)動機(jī)的燃料效率。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，發(fā)動機(jī)的廢熱回收系統(tǒng)包括朗肯循環(huán)、第一旁通通道、第 一閥以及控制單元。所述朗肯循環(huán)允許工作流體經(jīng)過其中循環(huán)流通。所述朗肯循環(huán)具有第 一熱交換器、第二熱交換器、膨脹器以及冷凝器。第一熱交換器設(shè)置用于在工作流體與發(fā)動 機(jī)之間或者在工作流體與同發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱交換的第一中間介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。第二熱交 換器設(shè)置用于在工作流體與發(fā)動機(jī)的排氣之間或者在工作流體與同發(fā)動機(jī)的排氣進(jìn)行熱 交換的第二中間介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。膨脹器設(shè)置用于使工作流體膨脹以回收機(jī)械能。冷 凝器設(shè)置用于使工作流體冷凝。第一旁通通道連接至所述朗肯循環(huán)以允許工作流體經(jīng)過其 中。相對于工作流體的流動方向，第一旁通通道的一端位于冷凝器的上游側(cè)，而第一旁通通 道的另一端位于冷凝器的下游側(cè)。第一閥設(shè)置用于打開和關(guān)閉第一旁通通道。控制單元設(shè) 置用于控制廢熱回收系統(tǒng)的操作。當(dāng)發(fā)動機(jī)或第一中間介質(zhì)的溫度低于第一預(yù)定值時，控 制單元打開第一閥。從以下結(jié)合附圖的描述中，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。附圖以示例的方式圖示了本發(fā)明的原理。


通過參照以下對當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方式的描述以及附圖，可最好地理解本發(fā)明及其 目的和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)的示意圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)的示意圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)的示意圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)的示意圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的一種改型的廢熱回收系統(tǒng)的示意圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的另一種改型的廢熱回收系統(tǒng)的示意圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的又一種改型的廢熱回收系統(tǒng)的示意圖； 以及圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的一種改型的廢熱回收系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方 式的廢熱回收系統(tǒng)100。該廢熱回收系統(tǒng)100包括朗肯(Rankine)循環(huán)110。朗肯循環(huán)110 具有齒輪泵111、冷卻水鍋爐112、排氣鍋爐113、膨脹器114以及冷凝器115。齒輪泵111 設(shè)置用于泵送工作流體。冷卻水鍋爐112設(shè)置用于在工作流體與同發(fā)動機(jī)140進(jìn)行熱交換 的冷卻水之間進(jìn)行熱交換，其用作本發(fā)明的第一熱交換器。排氣鍋爐113設(shè)置用于在工作 流體與發(fā)動機(jī)140的排氣之間進(jìn)行熱交換，其用作本發(fā)明的第二熱交換器。膨脹器114設(shè) 置用于使被冷卻水鍋爐112和排氣鍋爐113加熱并汽化后的工作流體膨脹，從而產(chǎn)生機(jī)械 能(動力)。冷凝器115設(shè)置用于使膨脹的工作流體冷凝。齒輪泵111、冷卻水鍋爐112、排 氣鍋爐113、膨脹器114以及冷凝器115按照該順序連接以形成封閉的回路。用于對發(fā)動機(jī) 140進(jìn)行冷卻的冷卻水用作用于加熱冷卻水鍋爐112的第一中間介質(zhì)。來自發(fā)動機(jī)140的 排氣用作用于加熱排氣鍋爐113的介質(zhì)。溫度高的排氣在發(fā)動機(jī)140起動后迅速加熱工作 流體。因此，排氣鍋爐113能夠比冷卻水鍋爐112更迅速地加熱工作流體。發(fā)動機(jī)140的 冷卻水在設(shè)置有發(fā)動機(jī)140、冷卻水鍋爐112以及散熱器130的冷卻水回路α中流動。膨脹器114具有輸出軸114Α，該輸出軸114Α由使汽化工作流體在膨脹器114中膨 脹而產(chǎn)生的機(jī)械能驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。電動發(fā)電機(jī)116連接至輸出軸114Α以將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力轉(zhuǎn)化 為電力。齒輪泵111具有連接至電動發(fā)電機(jī)116的驅(qū)動軸111Α。第一旁通通道117連接至朗肯循環(huán)110以允許工作流體穿過第一旁通通道117， 從而繞過冷凝器115。當(dāng)從工作流體的流動方向看時，第一旁通通道117的一端位于冷凝 器115的上游側(cè)且位于膨脹器114的下游側(cè)。第一旁通通道117的另一端位于冷凝器115 的下游側(cè)且位于齒輪泵111的上游側(cè)。流經(jīng)第一旁通通道117的工作流體的壓力損失比流 經(jīng)冷凝器115的工作流體的壓力損失小得多。電磁閥118設(shè)置于第一旁通通道117的中間 位置處，用于打開和關(guān)閉第一旁通通道117，其用作本發(fā)明的第一閥。電磁閥118電連接于 對廢熱回收系統(tǒng)100的操作進(jìn)行控制的控制單元150?？刂茊卧?50根據(jù)溫度傳感器160獲得的溫度信息來控制電磁閥118的操作，該溫度傳感器160在沿冷卻水流動方向的發(fā)動 機(jī)140下游側(cè)處測量冷卻水的溫度。因此，第一旁通通道117是通過電磁閥118而被打開 或關(guān)閉的。第二旁通通道119連接至朗肯循環(huán)110以允許工作流體經(jīng)過第二旁通通道119， 從而繞過冷凝器115和齒輪泵111。第二旁通通道119的一端位于膨脹器114的下游側(cè)且 位于齒輪泵111的上游側(cè)。第二旁通通道119的另一端位于齒輪泵111的下游側(cè)且位于冷 卻水鍋爐112的上游側(cè)。盡管在本實(shí)施方式中第二旁通通道119繞過冷凝器115和齒輪泵 111，但是第二旁通通道119也可以僅僅繞過齒輪泵111。止回閥120設(shè)置于第二旁通通道 119的中間位置處，用于打開和關(guān)閉第二旁通通道119，其用作本發(fā)明的第二閥。當(dāng)位于齒 輪泵111的上游側(cè)處的工作流體的壓力Pl高于位于齒輪泵111的下游側(cè)處的工作流體的 壓力P2(P1 > P2)時，止回閥120打開第二旁通通道119。以下將描述第一實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)100的操作。將對以下兩種情況進(jìn)行描 述即，一種情況——發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度為第一預(yù)定值Thl或更高；以及另一種情 況——發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl。當(dāng)溫度傳感器160獲得的發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度為第一預(yù)定值Thl或更高 時，控制單元150使電磁閥118關(guān)閉，從而關(guān)閉第一旁通通道117。在第一旁通通道117關(guān)閉的情況下，由齒輪泵111輸送的工作流體通過在流經(jīng)冷 卻水鍋爐112和排氣鍋爐113時從發(fā)動機(jī)140的冷卻水和排氣中吸熱而汽化成高溫氣體。 汽化的工作流體隨后通過膨脹器114而膨脹。位于齒輪泵111的上游側(cè)處的工作流體的壓 力Pl低于位于齒輪泵111的下游側(cè)處的工作流體的壓力P2 (Pl < P2)，從而使得止回閥120 關(guān)閉，并且因此第二旁通通道119是關(guān)閉的。另外，第一旁通通道117也是關(guān)閉的。因此， 從膨脹器114流出的工作流體流入到冷凝器115中。工作流體在通被冷凝器115冷凝時釋 放熱并隨后由齒輪泵111轉(zhuǎn)移至冷卻水鍋爐112。膨脹器114通過工作流體的膨脹而被驅(qū) 動。通過所述膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械能還驅(qū)動電動發(fā)電機(jī)116和齒輪泵111。另一方面，當(dāng)溫度傳感器160獲得的發(fā)動機(jī)140的冷卻水溫度低于第一預(yù)定值Thl 時，控制單元150使電磁閥118打開，從而打開第一旁通通道117，由此允許工作流體循環(huán)通 過第一旁通通道117。膨脹器114和齒輪泵111由電動發(fā)電機(jī)116產(chǎn)生的機(jī)械能驅(qū)動。在第一旁通通道117由此被打開的情況下，由齒輪泵111輸送的工作流體通過在 流經(jīng)冷卻水鍋爐112之后流經(jīng)排氣鍋爐113時從發(fā)動機(jī)140的排氣中吸熱而汽化。汽化的 工作流體隨后通過膨脹器114而膨脹。在第一旁通通道117打開的情況下，流經(jīng)第一旁通 通道117的工作流體的壓力損失比流經(jīng)冷凝器115的工作流體的壓力損失小得多。因此， 大部分工作流體經(jīng)過第一旁通通道117而不是繞過冷凝器115，并且流入到齒輪泵111中。 由于膨脹器114的入口容量(或者說是要被吸入膨脹器114中的工作流體的體積)大于齒 輪泵111的入口容量(或者說是要被吸入齒輪泵111中的工作流體的體積)，因此位于齒輪 泵111的上游側(cè)且位于膨脹器114的下游側(cè)處的工作流體的壓力Pl超過位于齒輪泵111 的下游側(cè)且位于冷卻水鍋爐112的上游側(cè)處的工作流體的壓力P2(P1 > P2)。結(jié)果，止回閥 120打開，從而打開第二旁通通道119。在朗肯循環(huán)110的這種狀態(tài)下，從膨脹器114流出 的工作流體被分成兩路，一路經(jīng)由第一旁通通道117流經(jīng)齒輪泵111，而另一路流經(jīng)第二旁 通通道119，從而繞過齒輪泵111。流入到冷卻水鍋爐112中的高溫工作流體在流經(jīng)冷卻水鍋爐112時將它的熱傳遞至發(fā)動機(jī)140的冷卻水。因此，發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度迅速 升高，由此提高發(fā)動機(jī)140的燃料效率。根據(jù)第一實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)100，當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一 預(yù)定值Thl時，允許工作流體的經(jīng)過第一旁通通道117的循環(huán)。膨脹器114、第一旁通通道 117、齒輪泵111、冷卻水鍋爐112以及排氣鍋爐113協(xié)同形成循環(huán)回路。由此，繞過冷凝器 115的工作流體由膨脹器114輸送并隨后被供應(yīng)至冷卻水鍋爐112。因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)140的 冷卻水的溫度仍然如同在發(fā)動機(jī)140起動的情況下那樣低時，發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度 被迅速升高，從而提高發(fā)動機(jī)140的燃料效率。當(dāng)位于齒輪泵111的上游側(cè)處的工作流體的壓力Pl超過位于齒輪泵111的下游 側(cè)處的工作流體的壓力P2(P1 >P2)時，第二旁通通道119打開。由于由膨脹器114輸送 的一部分工作流體繞過可能引起壓力損失的齒輪泵111，因此避免了由于齒輪泵111所引 起的工作流體的壓力損失。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)200。盡管第一實(shí)施方式的 第一旁通通道117僅繞過冷凝器115，但是第二實(shí)施方式的第一旁通通道217卻繞過膨脹器 114以及冷凝器115。為了便于說明，隨后的實(shí)施方式中的相似或相同的部件或元件將以與 已經(jīng)在第一實(shí)施方式中使用過的參考數(shù)字相同的參考數(shù)字來表示，并且將省略其描述。第一旁通通道217連接至朗肯循環(huán)210，從而繞過膨脹器114和冷凝器115。第一 旁通通道217的一端位于膨脹器114的上游側(cè)且位于排氣鍋爐113的下游側(cè)。第一旁通通 道217的另一端位于冷凝器115的下游側(cè)且位于齒輪泵111的上游側(cè)。流經(jīng)第一旁通通道 217的工作流體的壓力損失比流經(jīng)膨脹器114的工作流體的壓力損失小得多，也比流經(jīng)冷 凝器115的工作流體的壓力損失小得多。電磁閥218設(shè)置于第一旁通通道217的中間位置 處，用于打開和關(guān)閉第一旁通通道217，其用作本發(fā)明的第一閥。電磁閥218電連接于對廢 熱回收系統(tǒng)200的操作進(jìn)行控制的控制單元250。單向離合器221安裝在輸出軸114A上位于膨脹器114和電動發(fā)電機(jī)116之間的 位置處，用作本發(fā)明的離合器。單向離合器221將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力從膨脹器114傳遞至齒輪泵 111，但是阻斷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力從齒輪泵111向膨脹器114的傳遞。以下將描述第二實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)200的操作。將對以下兩種情況進(jìn)行描 述即，一種情況——發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度為第一預(yù)定值Thl或更高；以及另一種情 況——發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl。當(dāng)溫度傳感器160獲得的發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度為第一預(yù)定值Thl或更高 時，控制單元250使電磁閥218關(guān)閉，從而關(guān)閉第一旁通通道217。在第一旁通通道217關(guān)閉的情況下，從齒輪泵111輸送的工作流體在朗肯循環(huán)210 中按照該順序循環(huán)流經(jīng)冷卻水鍋爐112、排氣鍋爐113、膨脹器114以及冷凝器115。膨脹 器114的輸出軸114A通過工作流體的膨脹而被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。單向離合器221將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力 從膨脹器114傳遞至齒輪泵111。電動發(fā)電機(jī)116和齒輪泵111通過膨脹器114產(chǎn)生的機(jī) 械能而被驅(qū)動。另一方面，當(dāng)溫度傳感器160獲得的發(fā)動機(jī)140的冷卻水溫度低于第一預(yù)定值Thl 時，控制單元250使電磁閥218打開，從而打開第一旁通通道217，由此允許工作流體循環(huán)通 過第一旁通通道217。齒輪泵111通過電動發(fā)電機(jī)116產(chǎn)生的機(jī)械能而被驅(qū)動。
在第一旁通通道217由此被打開的情況下，由齒輪泵111輸送的工作流體通過在 流經(jīng)冷卻水鍋爐112之后流經(jīng)排氣鍋爐113時從發(fā)動機(jī)140的排氣中吸熱而汽化。由于第 一旁通通道217是打開的且膨脹器114處于停止?fàn)顟B(tài)(這將在稍后描述)，因此從排氣鍋爐 113中流出的大部分工作流體經(jīng)由第一旁通通道217被吸入到齒輪泵111中而不流經(jīng)膨脹 器114。結(jié)果，流經(jīng)朗肯循環(huán)210的工作流體的整體壓力基本相等，并且工作流體在幾乎沒 有壓差的情況下流入到冷卻水鍋爐112中。由于膨脹器114的輸出軸114A之后未接收到 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，因此齒輪泵111是通過電動發(fā)電機(jī)116產(chǎn)生的機(jī)械能而被驅(qū)動的。單向離合 器221阻斷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力從齒輪泵111向膨脹器114的傳遞。被泵送到冷卻水鍋爐112中的 高溫工作流體在流經(jīng)冷卻水鍋爐112時將它的熱傳遞至發(fā)動機(jī)140的冷卻水。由此，發(fā)動 機(jī)140的冷卻水的溫度迅速升高，從而提高發(fā)動機(jī)140的燃料效率。根據(jù)第二實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)200，當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一 預(yù)定值Thl時，允許工作流體循環(huán)通過第一旁通通道217。齒輪泵111、冷卻水鍋爐112、排 氣鍋爐113以及第一旁通通道217協(xié)同形成循環(huán)回路。由此，繞過膨脹器114和冷凝器115 的工作流體被供應(yīng)至冷卻水鍋爐112。因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度如同在發(fā)動機(jī) 140起動的情況下那樣低時，發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度迅速升高，從而提高發(fā)動機(jī)140的 燃料效率。流經(jīng)朗肯循環(huán)210的工作流體的整體壓力基本相等，從而工作流體在幾乎沒有壓 差的情況下流入到冷卻水鍋爐112中。單向離合器221阻斷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力從齒輪泵111向膨脹器114的傳遞，由此防止膨 脹器114將工作流體傳送至冷凝器115。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)300。第三實(shí)施方式的廢熱 回收系統(tǒng)300包括繞過冷凝器115和齒輪泵111的第一旁通通道317以及繞過冷卻水鍋爐 112、排氣鍋爐113以及膨脹器114的第三旁通通道322。膨脹器114、第一旁通通道317、 冷卻水鍋爐112以及排氣鍋爐113協(xié)同形成第一封閉回路A，而齒輪泵111、第三旁通通道 322以及冷凝器115協(xié)同形成第二封閉回路B。另外，用作用于對第一旁通通道317和第三 旁通通道322的打開和關(guān)閉進(jìn)行控制的標(biāo)準(zhǔn)的冷卻水溫度存在滯后現(xiàn)象。第一旁通通道317連接至朗肯循環(huán)310，從而繞過冷凝器115和齒輪泵111。第一 旁通通道317的一端位于冷凝器115的上游側(cè)且位于膨脹器114的下游側(cè)。第一旁通通道 317的另一端位于齒輪泵111的下游側(cè)且位于冷卻水鍋爐112的上游側(cè)。流經(jīng)第一旁通通 道317的工作流體的壓力損失比流經(jīng)冷凝器115的工作流體的壓力損失小得多，也比流經(jīng) 齒輪泵111的工作流體的壓力損失小得多。第一三通閥318設(shè)置于第一旁通通道317的上 述一端處，用于打開和關(guān)閉第一旁通通道317，其用作本發(fā)明的第一閥。第一三通閥318電 連接于對廢熱回收系統(tǒng)300的操作進(jìn)行控制的控制單元350。第一三通閥318起到將從膨 脹器114流出的工作流體的方向切換至冷凝器115或第一旁通通道317的作用。第三旁通通道322連接至朗肯循環(huán)310以允許工作流體經(jīng)過第三旁通通道322，從 而繞過冷凝器115和齒輪泵111。第三旁通通道322的一端位于第一旁通通道317的所述 一端的下游側(cè)且位于冷凝器115的上游側(cè)。第三旁通通道322的另一端位于第一旁通通道 317的所述另一端的上游側(cè)且位于齒輪泵111的下游側(cè)。第二三通閥323設(shè)置在第三旁通 通道322的所述另一端處，用于打開和關(guān)閉第三旁通通道322，其用作本發(fā)明的第三閥。第二三通閥323電連接于控制單元350。第二三通閥323起到將從齒輪泵111流出的工作流 體的方向切換至冷卻水鍋爐112或第三旁通通道322的作用。另外，從發(fā)動機(jī)140出來的冷卻水通道在發(fā)動機(jī)140的下游側(cè)處被分成兩個冷卻 水回路包括冷卻水鍋爐112的一個回路α 1以及包括散熱器130的另一個回路α 2。冷 卻水回路α 1和α 2的打開和關(guān)閉是通過溫度調(diào)節(jié)裝置3 來切換的，該溫度調(diào)節(jié)裝置324 能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度來操作。以下將描述第三實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)300的操作。將對以下兩種情況進(jìn)行描 述即，一種情況——發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度為第二預(yù)定值Th2或更高，該第二預(yù)定值 Th2比前面提到的第一預(yù)定值Thl略高，例如高兩度；以及另一種情況——發(fā)動機(jī)140的冷 卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl。當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度為第二預(yù)定值Th2或更高時，控制單元350使第 一三通閥318移動至允許從膨脹器114流出的工作流體進(jìn)入冷凝器115中的位置。也就是 說，第一旁通通道317關(guān)閉，從而切斷工作流體通過第一旁通通道317的循環(huán)。另外，控制 單元350使第二三通閥323移動至允許從齒輪泵111中泵送出的工作流體進(jìn)入到冷卻水鍋 爐112中的位置。也就是說，第三旁通通道322關(guān)閉，從而切斷工作流體通過第三旁通通道 322的循環(huán)。在這種情況下，由齒輪泵111輸送的工作流體在朗肯循環(huán)310中按照該順序循環(huán) 流經(jīng)冷卻水鍋爐112、排氣鍋爐113、膨脹器114以及冷凝器115。膨脹器114是通過工作流 體的膨脹而被驅(qū)動的。通過所述膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械能驅(qū)動電動發(fā)電機(jī)116和齒輪泵111。當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度為高于第二預(yù)定值Th2的第三預(yù)定值Th3或者更高 時，操作溫度調(diào)節(jié)裝置324以關(guān)閉冷卻水回路α 1并打開冷卻水回路α 2。當(dāng)發(fā)動機(jī)140的 冷卻水的溫度低于第三預(yù)定值Th3時，操作溫度調(diào)節(jié)裝置324以打開冷卻水回路α 1并關(guān) 閉冷卻水回路α 2。因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度為第三預(yù)定值Th3或更高時，溫度 調(diào)節(jié)裝置3M用來關(guān)閉包括冷卻水鍋爐112的冷卻水回路α 1并打開包括散熱器130的冷 卻水回路α 2。因此，發(fā)動機(jī)140的廢熱從散熱器130釋放。為了提高發(fā)動機(jī)140的燃料效 率，發(fā)動機(jī)140的高溫冷卻水的任何可回收熱都應(yīng)當(dāng)通過朗肯循環(huán)310來回收。因此，冷卻 水回路α 1不完全封閉，而是略微開放的。當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl時，控制單元350使第一三通 閥318移動至允許從膨脹器114流出的工作流體進(jìn)入到第一旁通通道317中的位置。也就 是說，膨脹器114、第一旁通通道317、冷卻水鍋爐112以及排氣鍋爐113因此在第一旁通通 道317打開的情況下協(xié)同形成第一封閉回路Α。另外，控制單元350使第二三通閥323移動 至允許從齒輪泵111中泵送出的工作流體進(jìn)入到第三旁通通道322中的位置。也就是說， 齒輪泵111、第三旁通通道322以及冷凝器115因此在第三旁通通道322打開的情況下協(xié)同 形成第二封閉回路B。在這種情況下，循環(huán)通過第一封閉回路A的工作流體通過在流經(jīng)排氣鍋爐113時 從發(fā)動機(jī)140的排氣中吸熱而汽化。汽化的工作流體隨后被轉(zhuǎn)移至膨脹器114從而被膨脹。 經(jīng)由第一旁通通道317流動至冷卻水鍋爐112的高溫工作流體在流經(jīng)冷卻水鍋爐112時將 它的熱傳遞至發(fā)動機(jī)140的冷卻水。由此，發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度迅速升高，從而提高 發(fā)動機(jī)140的燃料效率。
循環(huán)通過第二封閉回路B的工作流體通過齒輪泵111而流經(jīng)第三旁通通道322。工 作流體在靠近第三旁通通道322的出口的位置處從膨脹器114吸熱并從冷凝器115釋放所 吸收的熱。由此，被冷凝器115冷卻的工作流體被供應(yīng)至齒輪泵111，用于冷卻齒輪泵111。根據(jù)第三實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)300，當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一 預(yù)定值Thl時，允許工作流體通過第一旁通通道317的循環(huán)。在這種情況下，膨脹器114、第 一旁通通道317、冷卻水鍋爐112以及排氣鍋爐113協(xié)同形成循環(huán)回路。由此，繞過冷凝器 115和齒輪泵111的工作流體由膨脹器114供應(yīng)至冷卻水鍋爐112而不流經(jīng)冷凝器115和 齒輪泵111。因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度仍然如同在發(fā)動機(jī)140起動的情況下那樣 低時，發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度迅速升高，從而提高發(fā)動機(jī)140的燃料效率。
齒輪泵111直接連接至電動發(fā)電機(jī)116，而在齒輪泵111與電動發(fā)電機(jī)116之間沒 有任何離合器。該齒輪泵111由電動發(fā)電機(jī)116直接驅(qū)動。第三旁通通道322使得齒輪泵 111的上游端和下游端彼此連通，因而齒輪泵111使工作流體循環(huán)通過第二封閉回路B。由 此，電動發(fā)電機(jī)116的動力負(fù)荷減小。被冷凝器115冷卻的工作流體被供應(yīng)至齒輪泵111，使得齒輪泵111被冷卻。如果電動發(fā)電機(jī)116和齒輪泵111是彼此一體形成的，電動發(fā)電機(jī)116也被冷卻。由于被用作用于對第一旁通通道317和第三旁通通道322的打開和關(guān)閉進(jìn)行控制 的標(biāo)準(zhǔn)的冷卻水溫度存在滯后現(xiàn)象，因此第一旁通通道317和第三旁通通道322并不是頻 繁地打開和關(guān)閉。因此，防止了由于頻繁操作所引起的噪聲產(chǎn)生和機(jī)器劣化。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)400。第四實(shí)施方式的廢熱 回收系統(tǒng)400與第三實(shí)施方式的廢熱回收系統(tǒng)300的不同之處在于在第三旁通通道322 的中間位置處設(shè)置電磁閥425用于打開和關(guān)閉第三旁通通道322，以代替位于第三旁通通 道322的所述另一端處的第二三通閥323。廢熱回收系統(tǒng)400包括朗肯循環(huán)410。電磁閥 425用作本發(fā)明的第三閥。當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl時，控制單元450操作第一三 通閥318，從而允許從膨脹器114流出的工作流體流入到第一旁通通道317中。然后，膨脹 器114、第一旁通通道317、冷卻水鍋爐112以及排氣鍋爐113協(xié)同形成第一封閉回路A。另 外，當(dāng)電磁閥425打開時，允許工作流體循環(huán)通過第三旁通通道322。然后，齒輪泵111、第 三旁通通道322以及冷凝器115協(xié)同形成第二封閉回路B。在這種情況下，第一封閉回路A和第二封閉回路B中的每一個都不形成單獨(dú)的封 閉回路，而是封閉回路A與封閉回路B彼此連通，從而允許工作流體在封閉回路A與封閉回 路B之間循環(huán)。當(dāng)工作流體的壓力隨著流經(jīng)包括膨脹器114的第一封閉回路A的工作流體 的溫度升高而過度增大時，過剩的工作流體被轉(zhuǎn)移到包括冷凝器115的第二封閉回路B。因 此，防止了流經(jīng)第一封閉回路A的工作流體的壓力過度增大。任何可能緊隨著第一旁通通 道317和第三旁通通道322打開之后而發(fā)生的流經(jīng)第一封閉回路A的工作流體的量和流經(jīng) 第二封閉回路B的工作流體的量的不平衡都可隨著時間的推移而得以解決，這是因為允許 工作流體在兩個封閉回路A和B之間循環(huán)。已經(jīng)在上面的第一實(shí)施方式至第四實(shí)施方式的上下文中對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但 是本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施方式。可以以如下所示例的多種方式來實(shí)施本發(fā)明對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
在第一實(shí)施方式至第四實(shí)施方式中，可以在冷凝器115的上游側(cè)處(或者在靠近 冷凝器115的入口的位置處)設(shè)置閥，用于切斷工作流體經(jīng)過冷凝器115的循環(huán)。所述閥用 作本發(fā)明的第四閥。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的改型的廢熱回收系統(tǒng)500。廢 熱回收系統(tǒng)500包括朗肯循環(huán)510。用作本發(fā)明的第四閥的閥5 設(shè)置于靠近冷凝器115 的入口的位置處，用于切斷工作流體經(jīng)過冷凝器115的循環(huán)。當(dāng)溫度傳感器160獲得的發(fā)動 機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl時，控制單元550操作電磁閥118，從而打開第 一旁通通道117并且還關(guān)閉閥526，由此切斷工作流體經(jīng)過冷凝器115的循環(huán)。因此，所有 已經(jīng)在流經(jīng)排氣鍋爐113時吸收了熱的工作流體都繞過冷凝器115。電磁閥118和閥5 可以組合以形成三通閥。在第一實(shí)施方式至第四實(shí)施方式中，發(fā)動機(jī)140可經(jīng)由傳動帶連接至齒輪泵111 的驅(qū)動軸111A，用于驅(qū)動齒輪泵111。在第一實(shí)施方式至第四實(shí)施方式中，可設(shè)置成使得流經(jīng)朗肯循環(huán)110的工作流體 直接經(jīng)過發(fā)動機(jī)140而不是發(fā)動機(jī)140的冷卻水回路α。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí) 施方式的另一種改型的這種廢熱回收系統(tǒng)600。廢熱回收系統(tǒng)600包括朗肯循環(huán)610。第 一熱交換器212與發(fā)動機(jī)140 —體地形成，用于在工作流體與發(fā)動機(jī)140之間進(jìn)行熱交換。 設(shè)置溫度傳感器260用于測量發(fā)動機(jī)140的溫度，以代替第一實(shí)施方式的溫度傳感器160。 控制單元150根據(jù)溫度傳感器260獲得的溫度信息來控制電磁閥118的操作，從而打開或 關(guān)閉第一旁通通道117。第二旁通通道119的所述另一端位于齒輪泵111的下游側(cè)且位于 第一熱交換器212的上游側(cè)。本改型的其余結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)基本相同。當(dāng)溫度傳感器260獲得的發(fā)動機(jī)140的溫度為第一預(yù)定值Thl'或更高時，控制單 元150使電磁閥118關(guān)閉，從而關(guān)閉第一旁通通道117。另一方面，當(dāng)溫度傳感器260獲得 的發(fā)動機(jī)140的溫度低于第一預(yù)定值Thl'時，控制單元150使電磁閥118打開，從而打開 第一旁通通道117，由此允許工作流體循環(huán)通過第一旁通通道117。膨脹器114、第一旁通通 道117、齒輪泵111、第一熱交換器212以及排氣鍋爐113協(xié)同形成循環(huán)回路。由此，旁通冷 凝器115的工作流體由膨脹器114輸送并隨后被供應(yīng)至第一熱交換器212。因此，當(dāng)發(fā)動機(jī) 140的溫度仍然如同在發(fā)動機(jī)140起動的情況下那樣低時，發(fā)動機(jī)140的溫度迅速升高，從 而提高發(fā)動機(jī)140的燃料效率。在第一實(shí)施方式至第四實(shí)施方式中，排氣鍋爐113可被設(shè)置用于在工作流體與同 排氣進(jìn)行熱交換的第二中間介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式 的又一改型的廢熱回收系統(tǒng)700。廢熱回收系統(tǒng)700包括朗肯循環(huán)710。排氣鍋爐214設(shè) 置用于在排氣與第二中間介質(zhì)回路β中的第二中間介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。第二熱交換器 213設(shè)置用于在工作流體與第二中間介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。第二中間介質(zhì)在設(shè)置有排氣鍋 爐214、泵170以及第二熱交換器213的第二中間介質(zhì)回路β中流動。在第一實(shí)施方式中，膨脹器114可以是可變?nèi)萘啃?。?dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫 度低于第一預(yù)定值Thl時，通過調(diào)節(jié)膨脹器114的容量，能夠分別操作齒輪泵111和膨脹器 114以輸送相同量的工作流體。具有這種可變?nèi)萘啃团蛎浧?14的廢熱回收系統(tǒng)100可省 卻第二旁通通道119。在第三實(shí)施方式中，可在齒輪泵111與電動發(fā)電機(jī)116之間設(shè)置離合器。當(dāng)發(fā)動 機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl時，該離合器可阻斷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力從電動發(fā)電機(jī)11116向齒輪泵111的傳遞，從而防止齒輪泵111被驅(qū)動。具有這種離合器的廢熱回收系統(tǒng) 300可省卻第三旁通通道322和第二三通閥323。參照圖8，其示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的改型的廢熱回收系統(tǒng)800的，第三 旁通通道322的所述一端位于齒輪泵111的上游側(cè)且位于冷凝器115的下游側(cè)。廢熱回收 系統(tǒng)800包括朗肯循環(huán)810。在第三實(shí)施方式中，廢熱回收系統(tǒng)300可省卻第三旁通通道322和第二三通閥 323。當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl時，隨后在其上游側(cè)關(guān)閉的情況下 操作的齒輪泵111空轉(zhuǎn)，從而引起動力損失。但是，簡化了廢熱回收系統(tǒng)300的結(jié)構(gòu)。在第三實(shí)施方式中，可設(shè)置附加通道用于第一旁通通道317與第三旁通通道322 之間的連通。這種附加通道允許第一封閉回路A與第二封閉回路B之間的連通，其中，第一 封閉回路A包括膨脹器114、第一旁通通道317、冷卻水鍋爐112以及排氣鍋爐113，第二封 閉回路B包括齒輪泵111、第三旁通通道322以及冷凝器115。因此，此改型提供了與第四 實(shí)施方式相同的效果。在第三實(shí)施方式中，當(dāng)發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度低于第一預(yù)定值Thl時，并且當(dāng) 第一旁通通道317和第三旁通通道322都打開時，旁通通道317和322中的至少一個可以 暫時關(guān)閉。在這種情況下，包括膨脹器114、第一旁通通道317、冷卻水鍋爐112以及排氣鍋 爐113的第一封閉回路A與包括齒輪泵111、第三旁通通道322以及冷凝器115的第二封閉 回路B彼此連通。因此，此改型同樣提供了與第四實(shí)施方式相同的效果。在第一實(shí)施方式至第四實(shí)施方式中，可根據(jù)表示發(fā)動機(jī)140的冷卻水的溫度的任 何參數(shù)而不是溫度傳感器160獲得的溫度來執(zhí)行打開和關(guān)閉旁通通道的控制。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動機(jī)(140)廢熱回收系統(tǒng)(100，200，300，400，500，600，700，800)，包括朗肯循環(huán)(110，210，310，410，510，610，710，810)，所述朗肯循環(huán)(110，210，310，410， 510,610,710,810)允許工作流體循環(huán)經(jīng)過所述朗肯循環(huán)，所述朗肯循環(huán)(110,210,310, 410,510,610,710,810)具有第一熱交換器(112，212)，所述第一熱交換器(112,21 用于在所述工作流體與所述 發(fā)動機(jī)(140)之間或在所述工作流體與同所述發(fā)動機(jī)(140)進(jìn)行熱交換的第一中間介質(zhì)之 間進(jìn)行熱交換；第二熱交換器(113，213)，所述第二熱交換器(113，21 用于在所述工作流體與所述 發(fā)動機(jī)(140)的排氣之間或在所述工作流體與同所述發(fā)動機(jī)(140)的排氣進(jìn)行熱交換的第 二中間介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換；膨脹器(114)，所述膨脹器(114)用于使所述工作流體膨脹以回收機(jī)械能；以及 冷凝器(115)，所述冷凝器(11 用于使所述工作流體冷凝， 所述廢熱回收系統(tǒng)(100，200，300，400，500，600，700，800)的特征在于， 第一旁通通道(117,217,317)連接至所述朗肯循環(huán)(110，210，310，410，510，610，710， 810)以允許所述工作流體經(jīng)過所述第一旁通通道(117，217，317)，其中，相對于所述工作 流體的流動方向而言，所述第一旁通通道(117，217，317)的一端位于所述冷凝器(115)的 上游側(cè)，且所述第一旁通通道(117，217，317)的另一端位于所述冷凝器(115)的下游側(cè)； 設(shè)置第一閥(118，218，318)用于打開和關(guān)閉所述第一旁通通道(117，217，317)；以及 設(shè)置控制單元(150，250，350，450，550)用于控制所述廢熱回收系統(tǒng)(100,200,300, 400，500，600，700，800)的操作，其中，當(dāng)所述發(fā)動機(jī)(140)或所述第一中間介質(zhì)的溫度低 于第一預(yù)定值CThl，Thl')時，所述控制單元(150，250，350，450，550)打開所述第一閥 (118,218,318)。
2.如權(quán)利要求1所述的廢熱回收系統(tǒng)(100，300，400，500，600，700，800)，其特征在于， 所述第一旁通通道(117，317)的所述一端位于所述膨脹器(114)的下游側(cè)，且所述第一旁 通通道(117，317)的所述另一端位于所述第一熱交換器(112)的上游側(cè)。
3.如權(quán)利要求2所述的廢熱回收系統(tǒng)(100，500，600，700)，其特征在于，設(shè)置泵(111)用于泵送所述工作流體，其中，所述第一旁通通道(117)的所述另一端位 于所述泵(111)的上游側(cè)；第二旁通通道(119)連接至所述朗肯循環(huán)(110，510，610，710)以允許所述工作流體經(jīng) 過所述第二旁通通道(119)，其中，所述第二旁通通道(119)的一端位于所述泵(111)的上 游側(cè)且位于所述膨脹器(114)的下游側(cè)，且所述第二旁通通道(119)的另一端位于所述泵 (111)的下游側(cè)且位于所述第一熱交換器(112，212)的上游側(cè)；以及 設(shè)置第二閥(120)用于打開和關(guān)閉所述第二旁通通道(119)， 其中，當(dāng)位于所述泵(111)的上游側(cè)的工作流體的壓力(Pl)高于位于所述泵(111)的 下游側(cè)的工作流體的壓力(P2)時，所述第二閥(120)打開。
4.如權(quán)利要求3所述的廢熱回收系統(tǒng)(100，500)，其特征在于，所述第二閥(120)為止 回閥。
5.如權(quán)利要求2所述的廢熱回收系統(tǒng)(300，400，800)，其特征在于，設(shè)置泵(111)用于 泵送所述工作流體，其中，所述第一旁通通道(317)的所述另一端位于所述泵(111)的下游側(cè)。
6.如權(quán)利要求5所述的廢熱回收系統(tǒng)(300，400，800)，其特征在于，第三旁通通道(32 連接至所述朗肯循環(huán)(310，410，810)以允許所述工作流體經(jīng)過所 述第三旁通通道(322)，其中，所述第三旁通通道(322)的一端位于所述泵(111)的上游側(cè) 且位于所述第一旁通通道(317)的所述一端的下游側(cè)，且所述第三旁通通道(322)的另一 端位于所述泵(111)的下游側(cè)且位于所述第一旁通通道(317)的所述另一端的上游側(cè)；以 及設(shè)置第三閥(323)用于打開和關(guān)閉所述第三旁通通道(322)，其中，當(dāng)所述發(fā)動機(jī)(140)或所述第一中間介質(zhì)的溫度低于所述第一預(yù)定值(Thl)時， 所述控制單元(350，450)打開所述第三閥(323)；其中，所述膨脹器(114)、所述第一旁通通道(317)、所述第一熱交換器(112)以及所述 第二熱交換器(11 協(xié)同形成第一封閉回路(A)；并且其中，所述泵(111)和所述第三旁通通道(32 協(xié)同形成第二封閉回路(B)。
7.如權(quán)利要求6所述的廢熱回收系統(tǒng)，其特征在于，所述第三旁通通道(322)的所述一 端位于所述冷凝器(115)的上游側(cè)。
8.如權(quán)利要求6所述的廢熱回收系統(tǒng)000)，其特征在于，所述第一封閉回路(A)和所 述第二封閉回路(B)彼此連通，從而允許所述工作流體在所述第一封閉回路(A)與所述第 二封閉回路(B)之間循環(huán)。
9.如權(quán)利要求1所述的廢熱回收系統(tǒng)000)，其特征在于，設(shè)置泵(111)用于泵送所述工作流體；設(shè)置電動發(fā)電機(jī)(116)用于驅(qū)動所述泵(111)并將所述膨脹器(114)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn) 化成電力；以及在所述膨脹器(114)與所述電動發(fā)電機(jī)(116)之間設(shè)有離合器021)，其中，所述第一旁通通道017)的所述一端位于所述第二熱交換器(113)的下游側(cè) 且位于所述膨脹器(114)的上游側(cè)，且所述第一旁通通道017)的所述另一端位于所述泵 (111)的上游側(cè)。
10.如權(quán)利要求1至5和權(quán)利要求9中任一項所述的廢熱回收系統(tǒng)(500)，其特征在于， 當(dāng)所述發(fā)動機(jī)(140)或所述第一中間介質(zhì)的溫度為高于所述第一預(yù)定值(Thl)的第二預(yù)定 值(TM)或者更高時，所述控制單元(550)打開所述第一閥(118)。
11.如權(quán)利要求6至8中任一項所述的廢熱回收系統(tǒng)(300，400)，其特征在于，當(dāng)所 述發(fā)動機(jī)(140)或所述第一中間介質(zhì)的溫度為高于所述第一預(yù)定值(Thl)的第二預(yù)定值 (Th2)或者更高時，所述控制單元(350，450)關(guān)閉所述第一閥(318)和所述第三閥(323)。
12.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的廢熱回收系統(tǒng)(500)，其特征在于，第四閥(526) 在所述冷凝器(115)的上游側(cè)、所述膨脹器(114)的下游側(cè)處連接至所述朗肯循環(huán)(510)， 用于切斷所述工作流體經(jīng)所述冷凝器(115)的循環(huán)，當(dāng)所述發(fā)動機(jī)(140)或所述第一中間 介質(zhì)的溫度低于所述第一預(yù)定值(Thl)時，所述控制單元(550)關(guān)閉所述第四閥(5 )。
全文摘要
一種發(fā)動機(jī)廢熱回收系統(tǒng)，包括朗肯循環(huán)、第一旁通通道、第一閥以及控制單元。所述朗肯循環(huán)允許工作流體循環(huán)經(jīng)過其中。所述朗肯循環(huán)具有第一熱交換器、第二熱交換器、膨脹器以及冷凝器。所述第一熱交換器在工作流體與發(fā)動機(jī)之間或在工作流體與同發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱交換的第一中間介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。所述第一旁通通道允許工作流體經(jīng)過。所述第一旁通通道的一端位于冷凝器的上游側(cè)，而另一端位于冷凝器的下游側(cè)。所述第一閥打開和關(guān)閉第一旁通通道。當(dāng)發(fā)動機(jī)或第一中間介質(zhì)的溫度低于第一預(yù)定值時，所述控制單元打開所述第一閥。
文檔編號F02G5/02GK102042119SQ20101051356
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者井口雅夫, 川口真廣, 森英文, 榎島史修 申請人:株式會社豐田自動織機(jī)