废热回收系统的制作方法

专利名称：废热回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废热回收系统。
背景技术：
日本未经审查的专利申请公告No. 2008-8224公开了一种废热回收系统，该系统 用于动力单元并且具有工作流体在其中循环的朗肯循环装置。该动力单元具有内燃发动机 和涡轮增压器。涡轮增压器将压缩空气供给至发动机。朗肯循环装置具有泵、压缩空气蒸 发器、冷却蒸发器、膨胀器、冷凝器及管。工作流体循环通过由管道连接的泵、压缩空气蒸发 器、冷却蒸发器、膨胀器及冷凝器。
日本未经审查的专利申请公告No. 2007-239513公开了另一种废热回收系统，该 系统用于动力单元并且具有工作流体在其中循环的朗肯循环装置。该动力单元具有内燃发 动机和废气再循环通道，排出发动机的部分废气通过废气再循环通道被再循环进入到发动 机中作为再循环废气。朗肯循环装置具有泵、废气蒸发器、膨胀器、冷凝器及管。在废气蒸 发器中，工作流体通过与再循环废气进行热交换而被加热。工作流体循环通过由管道连接 的泵、废气蒸发器、膨胀器及冷凝器。
在上述废热回收系统中，因为再循环废气和压缩空气均具有高的温度，所以工作 流体能够通过在废气蒸发器和压缩气体蒸发器中的热交换而被适当加热。这提供增加的朗 肯循环装置中的能量回收。
另外，压缩空气蒸发器用作压缩空气的中间制冷器并且废气蒸发器用作再循环废 气的冷却装置的废热回收系统不需要额外的中冷器和冷却装置，从而导致废热回收系统的 尺寸减小及结构简化。
上述压缩空气和再循环废气——即，进入流体——应当优选地在被冷却时被引入 到内燃发动机中。这是因为压缩空气的冷却导致内燃发动机的输出增加，并且也因为再循 环废气的冷却导致排放到大气中的废气中氮氧化物的减少。
然而，在上述废热回收系统中，难以充分冷却进入流体，比如压缩空气或再循环废 气，因为冷凝器直接连接到泵，因此进入压缩空气蒸发器的工作流体的温度或者进入废气 蒸发器的工作流体的温度与冷凝温度接近。
为了解决上述问题，可以在冷凝器与泵之间设置接收器和过冷器。这样，在冷凝器 的下游流动的工作流体肯定被接收器液化，并且已液化的工作流体被过冷器冷却。因而，进 入压缩气体蒸发器和废气蒸发器的工作流体的温度肯定能够降低，从而允许压缩空气和再 循环气体的适当冷却。
然而，在这种情况下，不管发动机的输出，仅有给定量的热量从冷凝器和过冷器中 释放，因而工作流体会被过度冷却并且朗肯循环装置中能量回收会减少。当压缩空气或再 循环废气需要被进一步冷却以增加发动机输出时，换句话说，当压缩空气或再循环废气所 需要的冷却负载高时，压缩空气和再循环废气不能够被冷却到要求的温度水平，这会导致 发动机的性能降低。
本发明旨在提供这样的一种废热回收系统S卩，该系统能够选择性地优先考虑提高朗肯循环装置中的能量回收或提高发动机的性能。发明内容
根据本发明的方面，废热回收系统用于包括内燃发动机的动力单元。该废热回收系统包括朗肯循环装置，在朗肯循环装置中，工作流体循环通过泵、蒸发器、膨胀器、然后通过热交换装置，在蒸发器中在工作流体与在被冷却时被引入到内燃发动机中的进入流体之间发生热交换。热交换装置包括使工作流体冷凝的冷凝器；连接至冷凝器的下游并且存储液相工作流体的接收器；连接至接收器的下游并且使液相工作流体过冷的过冷器；以及用来改变冷凝器与过冷器的比率的选择装置。废热回收系统还包括用于确定进入流体所需要的冷却负载的确定装置，以及用于根据由确定装置确定的所需要的冷却负载对选择装置进行控制的控制器。
根据结合附图、通过示例来说明本发明的原理的以下描述，本发明的其他方面和优点将变得明显。


图1为根据本发明的第一实施方式的废热回收系统的示意图2为示意图，其示出当工作流体从第二热交换器的下游位置进入接收器时，图1 的废热回收系统的操作；
图3与图2相似，但图3示出当工作流体从第一热交换器的下游位置进入接收器时，图1的废热回收系统的操作；
图4为根据本发明的废热回收系统的第二实施方式的示意图5为示意图，其示出当工作流体进入第二接收器时，图4的废热回收系统的操作；
图6与图5相似，但图6示出当工作流体进入第一接收器时，废热回收系统的操作；
图7为根据本发明的废热回收系统的第三实施方式的示意图8为示意图,其示出当动力单元的所需的输出低时，图7的废热回收系统的过冷式冷凝器的操作；
图9与图8相似，但图9示出当动力单元的所需的输出高时，废热回收系统的过冷式冷凝器的操作；
图10为根据本发明的废热回收系统的第四实施方式的示意图11为截面图，其示出当动力单元的所需的输出低时，图10的废热回收系统的过冷式冷凝器的操作；
图12与图11相似，但图12示出当动力单元的所需的输出高时，废热回收系统的过冷式冷凝器的操作；以及
图13为根据本发明的废热回收系统的第五实施方式的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图描述根据本发明的废热回收系统的实施方式。
参照图1，第一实施方式的废热回收系统被安装在车辆中并且用于车辆的动力单 元1A。废热回收系统包括朗肯循环装置3A和控制器11A。控制器IlA对应于本发明的确定装置。
动力单元IA具有内燃发动机5、作为压力感应压缩机的涡轮增压器7以及散热器 9。发动机5为具有水套(图中未示出)的常规的水冷式汽油发动机，其中，冷却剂流动通 过该水套。发动机5具有入口 5B和出口 5A，冷却剂经由入口 5B和出口 5A流进和流出水 套。发动机5还具有用于排放废气的出口 5C和用于引入压缩气体的入口
涡轮增压器7和散热器9为广泛使用的类型。涡轮增压器7被排出发动机5的废 气驱动以压缩吸入空气。压缩空气作为进入流体被提供至发动机5。散热器9具有入口 9A 和出口 9B，发动机冷却剂经由入口 9A和出口 9B流进和流出散热器9。在散热器9中，热交 换在散热器9中流动的冷却剂与车辆外部的空气或室外空气之间发生。在散热器9附近设 置有电动风扇9C，电动风扇9C电连接至控制器11A。
发动机5和涡轮增压器7被管13至15连接。压缩空气所流动通过的管14和管 15连接至将在下面详细描述的朗肯循环装置3A的蒸发器21。蒸发器21具有第一入口 21A 和第一出口 21B。废气所流动通过的管13连接至发动机5的出口 5C和涡轮增压器7。管 14连接至涡轮增压器7和蒸发器21的第一入口 21A。管15被连接至蒸发器21的第一出 口 21B和发动机5的入口
涡轮增压器7还连接到管16和管17。尽管在附图中没有示出，但管16连接至车 辆的消声器且管17连接至进气口。管16通过涡轮增压器7连接到管13。管17通过涡轮 增压器7连接到管14。
发动机5和散热器9由冷却剂所流动通过的管18和管19连接。管18连接至发 动机5的出口 5A和散热器9的入口 9A。管19连接至散热器9的出口 9B和发动机5的入 口 5B。在管19中设置有电动操作的第一泵P1，第一泵Pl电连接至控制器11A。第一泵Pl 可以设置在管18中。
朗肯循环装置3A包括蒸发器21、电动操作的第二泵P2、膨胀器23、第一热交换器 25、第二热交换器26、第三热交换器27、接收器29、管30至41以及阀Vl至V6。管30至41 相配合以形成流体回路，作为工作流体的HFC134a制冷剂流动通过该流体回路。
第二泵P2电连接至控制器IlA并且对应于本发明的泵。管36至39以及阀Vl至 V6对应于本发明的选择装置。管34、35分别对应于本发明的第一连接管和第二连接管。管 36,37分别对应于本发明的第一分支管和第二分支管。管38、39分别对应于本发明的第一 回流管和第二回流管。阀V1、V2分别对应于本发明的第一分支阀和第一连接阀。阀V3和 阀V4分别对应于本发明的第二分支阀和第二连接阀。阀V5和阀V6分别对应于本发明的 第一回流阀和第二连接阀。
蒸发器21具有第二入口 21C和第二出口 21D，以及第一入口 21A和第一出口 21B。 蒸发器21中形成有在第一入口 21A与第一出口 21B之间连接的第一通道21E和在第二入 口 21C与第二出口 21D之间连接的第二通道21F。在蒸发器21中，热交换在第一通道21E 中流动的压缩空气与第二通道21F中流动的工作流体之间发生，使得压缩空气被冷却且工 作流体被加热。
膨胀器23具有入口 23A和出口 23B，工作流体经由入口 23A和出口 23B流入和流 出膨胀器23。由蒸发器21加热的工作流体在膨胀器23中膨胀以产生机械转动动力。所产 生的机械转动动力用来在连接至膨胀器23的发电机(未示出)中产生电力。所产生的电 力存储在电池(未示出)中。
第一热交换器25具有入口 25A和出口 25B，工作流体经由入口 25A和出口 25B流 进和流出第一热交换器25。在第一热交换器25中，在膨胀器23中膨胀和蒸发的工作流体 通过与室外空气进行热交换而被冷却和液化。第一热交换器25用作工作流体的冷凝器。在 第一热交换器25附近设置有电动操作的风扇25C，风扇25C电连接至控制器11A。
第二热交换器26和第三热交换器27在结构上与第一热交换器25相似。第二热 交换器26具有入口 26A和出口 26B，工作流体经由入口 26A和出口 26B流入和流出第二热 交换器26。第三热交换器27具有入口 27A和出口 27B，工作流体经由入口 27A和出口 27B 流入和流出第三热交换器27。在第二热交换器26和第三热交换器27附近分别设置有电动 操作的风扇26C、27C，风扇26C、27C电连接至控制器11A。
在朗肯循环装置3A中，根据第二热交换器26的相对于接收器29的位置，第二热 交换器26用作冷凝器以及也用作过冷器。第三热交换器27用作过冷器。
接收器29具有入口 29A和出口 29B，工作流体经由入口 29A和出口 29B流入和流 出接收器29。接收器29中形成有储存室29C。经由入口 29A流入接收器29中的工作流体 被分离成气相流体和液相流体。液相工作流体临时存储在储存室29C中，然后经由出口 29B 流出接收器29。
第二泵P2、蒸发器21、膨胀器23以及第一热交换器25、第二热交换器26、第三热 交换器27被管30至41连接。具体来说，管30在第三热交换器27的出口 27B与第二泵P2 之间连接。管31在第二泵P2与蒸发器21的第二入口 21C之间连接。管32在蒸发器21 的第二出口 21D与膨胀器23的入口 23A之间连接。管33在膨胀器23的出口 23B与第一 热交换器25的入口 25A之间连接。管34在第一热交换器25的出口 25B与第二热交换器 26的入口 26A之间连接。管35在第二热交换器26的出口 26B与第三热交换器27的入口 27A之间连接。
管36、38的一端连接至管34，并且管37、39的一端连接至管35。管36、37的另一 端连接至管40的一端。管40的另一端连接至接收器29的入口 29A。管38、39的另一端连 接至管41的一端。管41的另一端连接至接收器29的出口 29B。
在朗肯循环装置3A中，第二泵操作为使通过管30至41的工作流体循环。从第二 泵P2排放出的工作流体流动通过蒸发器21和膨胀器23并且进入第一热交换器25。工作 流体最终流动通过第三热交换器27并再次进入第二泵P2。
如在朗肯循环装置3A中的工作流体的流动方向上看到的那样，蒸发器21位于第 二泵P2的下游并且膨胀器23位于蒸发器21的下游。第一热交换器25串联地位于膨胀器 23的下游，并且第二热交换器26串联地位于第一热交换器25的下游。第三热交换器27串 联地位于第二热交换器26的下游，并且第二泵P2位于第三热交换器27的下游。
阀Vl至V6中的每一个能够操作为选择性地允许或阻止工作流体经其流动。阀Vl 至V6电连接至控制器11a。
阀Vl设置在管36中。阀V2在位于管36的下游并且位于管38的上游的位置处设置在管34中。阀V3设置在管37中。阀V4在位于管37的下游并且位于管39的上游的 位置处设置在管35中。阀V5设置在管38中，阀V6设置在管39中。
控制器IlA对风扇9C、25C、26C、27C的操作进行控制以便适当调节从冷却剂和工 作流体中释放进入到室外空气中的热的量。控制器IlA还对第一泵Pl和第二泵P2的操作 进行控制。控制器IlA使用例如来自车辆的电控单元或ECU(未示出)的信号对车辆的加 速踏板位置进行监测。基于所监测到的加速踏板位置，控制器IlA确定发动机5所需要的 输出。基于发动机5所需要的输出，控制器IlA然后确定压缩空气所需要的冷却负载。基 于确定的所需要的冷却负载，控制器IlA对相应的阀Vl至V6进行调节。根据阀Vl至V6 的操作，接收器29的入口 29A选择性地连接至管34或管35。控制器IlA还用作对发动机 5的所需要的输出进行监测的传感器。
下面将描述本发明的废热回收系统的操作。
参照图2，当动力单元IA的发动机5操作为对车辆进行驱动时，排出发动机5的出 口 5C的废气通过管13、涡轮增压器7和管16传送并且从消声器(未示出)排出进入到室 外空气中。涡轮增压器7被废气驱动，从而室外空气经由管17被吸入到涡轮增压器7中， 然后在涡轮增压器7中被压缩。压缩空气通过管14、蒸发器21的第一通道21E及管15传 送，并且然后经由入口 被引入到发动机5中。
控制器IlA对第一泵P1、第二泵P2以及风扇9C、25C、26C、27C进行操作。在动力 单元IA中，在使发动机5冷却之后经由出口 5A排出发动机5的冷却剂流动通过管18且经 由入口 9A进入散热器9。在散热器9中流动的冷却剂通过与周围空气进行热交换而被冷 却。控制器IIA对风扇9C的操作进行控制使得冷却剂被适当冷却。经由出口 9B排出散热 器9的被冷却的冷却剂流动通过管19并经由入口 5B进入发动机5以便用于使发动机5冷 却。
在朗肯循环装置3A中，控制器IlA对阀Vl至V6进行控制。如果发动机5的所需 要的输出，即，监测到的加速踏板位置低于预定值，则控制器IlA确定出压缩空气所需要的 冷却负荷低于预定阈值。在这种情况下，控制器IlA使阀V2、V3、V6打开，并且使阀V1、V4、 V5关闭。这样，当管36、管38与管34断开时，管37、39连接至管35，从而接收器29的入口 29A连接至管35。
从第二泵P2排放出的工作流体在管31中流动，然后经由第二入口 21C进入到蒸 发器21的第二通道21F中，在蒸发器21的第二通道21F中热交换在工作流体与流动通过 蒸发器21的第一通道21E的压缩空气之间发生。因为压缩空气在排出涡轮增压器7之后 具有约150°C的温度，所以流动通过第二通道21F的工作流体被加热到一定范围的程度。在 第一通道21E中流动的压缩空气通过将热量释放至在第二通道21F中流动的工作流体而被 冷却，并且然后被传送到发动机5。
由蒸发器21加热之后，排出第二出口 21D的高温、高压的工作流体流动通过管32 并且经由膨胀器的入口 23A进入膨胀器23。工作流体在膨胀器23中减压或膨胀由此产生 压力能，该压力能用于在连接至膨胀器23的发电机中产生电力。
由膨胀器23减压之后，排出出口 23B且流动通过管33的工作流体然后经由第一 热交换器的入口 25A进入第一热交换器25。工作流体通过将热量释放至周围空气而在第一 交换器25中被冷却。控制器IlA对风扇25C进行控制使得工作流体被适当冷却。然后，排出出口 25B并且流动通过管34的被冷却的工作流体经由第二热交换器的入口 26A进入第 二热交换器26。
工作流体通过与周围空气进行热交换而在第二热交换器26中被进一步冷却。在 这种情况下，控制器IlA对风扇26C的操作进行控制使得工作流体被适当冷却。经由出口 26B排出第二热交换器26的被冷却的工作流体从管35流动到管37中。然后，工作流体在 管40中流动并经由入口 29A进入接收器29。在接收器29中，工作流体被分离成气相流体 和液相流体，并且液相工作流体存储在储存室29C中。经由出口 29B排出接收器29的液相 工作流体流动通过管41、管39而进入到管35中，然后经由入口 27A进入第三热交换器27。 即，排出第二热交换器26的出口 26B的工作流体进入第三热交换器27，而绕过设置在管35 中的阀V4。
工作流体通过与周围空气交换热量而在第三热交换器27中被进一步冷却。在这 种情况下，控制器IlA对风扇27C的操作进行控制使得工作流体被适当冷却。第三热交换 器27使在接收器29中液化的工作流体冷却。在这种情况下，第一热交换器25和第二热交 换器26用作冷凝器，第三热交换器用作过冷器。排出第三热交换器27的出口 27B的被冷 却的工作流体流动通过管31并再次进入蒸发器21。
如果发动机5的所需要的输出，即，监测到的加速踏板位置超过预定值，则压缩空 气所需要的冷却负载高。这是因为有必要通过使蒸发器21中的压缩空气进一步冷却来增 加压缩空气的密度，以便向发动机5提供大量的压缩空气并因而增加发动机5的输出。如 果控制器IlA基于发动机5的所需要的输出确定出压缩空气所需要的冷却负载超过阈值， 则控制器IlA对阀Vl到V6进行控制使得阀V1、V4、V5打开，而阀V2、V3、V6关闭。这样， 管36、38连接至管34，而管37、39与管35断开，从而接收器29的入口 29A连接至管34。
排出第一热交换器25的出口 25B的被冷却的工作流体从管34流动到管36中。然 后，工作流体在管40中流动并且经由接收器29的入口 29A进入接收器29。排出接收器29 的出口 29B的液相工作流体流动通过管41、38进入到管34中，并且然后进入第二热交换器 26的入口 26A。即，排出第一热交换器25的出口 25B的工作流体进入第二热交换器26，同 时绕过设置在管34中的阀V2。
工作流体通过与周围空气进行热交换而在第二热交换器26中被进一步冷却。第 二热交换器26使在接收器29中液化的工作流体冷却。排出第二热交换器26的出口 26B 的被冷却的工作流体流动通过管35并且经由第三热交换器27的入口 27A进入第三热交换 器27，在第三热交换器中工作流体被进一步冷却。
在这种情况下，第一热交换器25用作冷凝器，第二热交换器26和第三热交换器27 用作过冷器。与图2的情形相比，工作流体被进一步冷却到接近室外温度的温度。
在废热回收系统的上述朗肯循环装置3A中，工作流体通过与压缩空气进行热交 换而在蒸发器21中被加热，而排出涡轮增压器7的压缩空气通过将其热量释放至工作流体 而被有效冷却。在废热回收系统中，蒸发器21用作压缩空气的中冷器，从而允许更大量的 压缩空气被供给到发动机5。
废热回收系统的朗肯循环装置3A具有第一热交换器25、第二热交换器26、第三 热交换器27、接收器29、管36至39、以及阀Vl至V6。第一热交换器25、第二热交换器26、 第三热交换器27位于膨胀器23的下游和第二泵P2的上游。第一热交换器25、第二热交换器26、第三热交换器27由管30和管33至35串联连接。控制器IlA根据压缩空气所需要 的冷却负载对阀Vl至V6进行控制并且控制器IlA能够操作为将接收器29选择性地连接 到在第一热交换器25的下游的管34或者连接到在第二热交换器26的下游的管35。当第 二热交换器26如图2示出的那样位于接收器29的上游时，第一热交换器25和第二热交换 器26用作冷凝器，第三热交换器27用作过冷器。另一方面，当第二热交换器26如图3示 出的那样位于接收器29的下游时，第一热交换器25用作冷凝器，第二和第三热交换器26、 27用作过冷器。
如果发动机5的所需要的输出低，则不需要非常降低压缩气体的温度以根据发动 机5的所需要的输出为发动机5供给压缩空气。换句话说，在朗肯循环装置3A中，不需要非 常降低进入蒸发器21的工作流体的温度。因而，如果控制器IlA确定出压缩空气所需要的 冷却负载低于阈值，则控制器IlA以图2的情况的方式对阀Vl至V6进行控制，使得第一热 交换器25和第二热交换器26用作冷凝器。这样，与图3的情况相比，用作冷凝器的热交换 器的数量增加，而用作过冷器的热交换器的数量减小。即，仅通过第三热交换器27来完成 过冷操作，因此在废热回收系统的如图2所示的状态下，冷凝器的比率大于过冷器的比率。 这防止工作流体的过度冷却并且允许朗肯循环装置中的电力回收的增加。
如果控制器IlA确定出发动机5所需要的输出高，并且因此压缩空气所需要的冷 却负载超过阈值，则控制器IlA以图3的情况的方式对阀Vl至V6进行控制。这样，存在于 冷凝器或第一热交换器25下游的工作流体被接收器29液化，然后被过冷器或第二热交换 器26、第三热交换器27过冷。在这种情况下，过冷器的比率大于冷凝器的比率，并且在第二 热交换器26和第三热交换器27中，液化的工作流体能够被冷却到接近室外空气温度的温 度。因而，进入蒸发器21的工作流体的温度能被充分降低并且压缩空气能够被适当冷却， 因而即使当压缩空气所需要的冷却负载高时，也能满足所需要的冷却负载。此外，能够增加 发动机5的输出并且能够满足发动机5所要求的输出。在这种情况下，因为仅有第一热交 换器25用作冷凝器，所以在朗肯循环装置3A中回收的电力的量减小。
该实施方式的废热回收系统使控制器IlA能够基于发动机5的所需要的输出适当 确定压缩空气所需要的冷却负载。
因而，第一实施方式的废热回收系统能够选择性地优先考虑增加朗肯循环装置3A 中的电力回收或增加发动机5的输出。
另外，管36至39以及阀Vl至V6用作选择装置导致废热回收系统的简化的结构 以及减少的制造成本。
图4、5和6示出了根据本发明的废热回收系统的第二实施方式。如图4所示，第 二实施方式的朗肯循环装置3A包括第二泵P2、蒸发器21、膨胀器23、第一热交换器25、第 二热交换器26、第三热交换器27，第一接收器43、第二接收器45、管30至39、以及阀Vl至 V4。管36至39和阀Vl至V4对应于本发明的选择装置。
第一接收器43和第二接收器45与第一实施方式的接收器29在结构上相似。第 一接收器43具有入口 43A和出口 43B，工作流体经由入口 43A和出口 43B流入和流出第一 接收器43。第二接收器45具有入口 45A和出口 45B，工作流体经由入口 45A和出口 45B流 入和流出第二接收器45。第一接收器43和第二接收器45中分别形成有储存室43C、45C。
管36、管38的一端连接至管34，管37、管39的一端连接至管35。管36的另一端连接至第一接收器43的入口 43A。管37的另一端连接至第二接收器45的入口 45A。管38 的另一端连接至第一接收器43的出口 43B。管39的另一端连接至第二接收器45的出口 45B。
阀Vl设置在管36中。管34在位于管36的下游并且位于管38的上游的位置处 设置在管34中。阀V3设置在管37中。阀V4在位于管37的下游位置并且位于管39的上 游的位置处设置在管35中。废热回收系统的其他元件或部件与第一实施方式的废热回收 系统的与其相对应的兀件或部件相似。相同的附图标记用于第一实施方式和第二实施方式 中共有的元件或部件，并且对于第二实施方式将省略这样的元件或部件的描述。
在第二实施方式的废热回收系统中，如果控制器IlA确定出发动机5所需要的输 出低并且压缩空气所需要的冷却负载低于预定阈值，则如图5所示，控制器IlA使阀V2、V3 打开，并且使阀V1、V4关闭。工作流体在第一热交换器25和第二热交换器26中被冷却后 从管35流入到管37中，然后经由入口 45A进入第二接收器45。经由出口 45B排出第二接 收器45的液相工作流体流动通过管39进入到管35中，然后经由入口 27A进入第三热交换 器27。即，排出第二热交换器26的出口 26B的工作流体进入第三热交换器27而绕过设置 在管35中的阀V4。在这种情况下，第一热交换器25和第二热交换器26用作冷凝器，第三 热交换器27用作过冷器。因而，与图6的将在下面描述的情况相比，冷凝器的比率大于过 冷器的比率。这防止工作流体的过度冷却并且允许朗肯循环装置3A中电力回收的增加。
如果控制器IlA确定出发动机5的所需要的输出高并且压缩空气所需要的冷却负 载超过阈值，则如图6所示，控制器IlA使阀V1、V4打开并且使阀V2、V3关闭。这样，管36 连接至管34，而管37与管35断开，从而第一接收器43的入口 43A连接至管34。
工作流体在第一热交换器25中被冷却后从管34流入到管36中，然后经由第一接 收器43的入口 43A进入第一接收器43。排出第一接收器43的出口 43B的液相工作流体流 动通过管38进入到管34中，然后进入第二热交换器26的入口 26A。即，排出第一热交换器 25的出口 25B的工作流体进入第二热交换器而绕过设置在管34中的阀V2。工作流体在第 二热交换器26中被冷却后在第三热交换器27中被进一步冷却。
在图6的情况中，与图3的情况一样，第一热交换器25用作冷凝器，第二热交换器 26和第三热交换器27用作过冷器。与图5的情况相比，过冷器的比率大于冷凝器的比率， 并且工作流体冷却到接近室外温度的温度。因而，压缩空气能够在蒸发器21中充分冷却， 由此允许大量压缩空气被供给至发动机5，导致发动机5的输出增加。即使当发动机5所需 要的输出高并且压缩空气所需要的冷却负载高，也能满足所需要的冷却负载。第二实施方 式也提供了与第一实施方式的优点相似的优点。
因而，第二实施方式的废热回收系统能够选择性地优先考虑增加朗肯循环装置中 的电力回收或增加发动机5的输出。
图7、图8以及图9示出了根据本发明的废热回收系统的第三实施方式。第三实施 方式与第一实施方式的不同之处在于过冷式冷凝器47用来替代第一实施方式中的第一 热交换器25、第二热交换器26、第三热交换器27、接收器29、及阀Vl至V6。电动操作的风 扇47A设置在过冷式冷凝器47的附近并且电连接至控制器11A。第三实施方式的废热回收 系统还具有温度和压力传感器48。
过冷式冷凝器47通过管65连接至膨胀器23的出口 23B，并且通过管66连接至第二泵P2。如图7和图8所示，过冷式冷凝器47具有竖直延伸的第一头部49和第二头部 51，在第一头部49与第二头部51之间水平延伸的管53A至53J、第一活塞55和第二活塞 57、接收器59以及驱动器61。第一活塞55、第二活塞57和驱动器61对应于本发明的选择>j-U ρ α装直。
如图8所示，第一头部49形成有竖直延伸的第一头部腔室49Α和第一活塞55所插入通过的孔49Β。孔49Β设置有密封件63Α。第一活塞55能够在第一头部腔室49Α中竖直移动。第一活塞55具有活塞杆55Α和连接至活塞杆55Α的一端的活塞头55Β。
第一头部腔室49Α被分成位于活塞头55Β的上侧的第一主腔室49C和位于活塞头 55Β的下侧的第一副腔室49D。第一头部49具有入口 49Ε和出口 49F。入口 49Ε形成在第一头部49的上部部分中并且与第一主腔室49C连通。入口 49Ε连接至管65。出口 49F形成在第一头部49的下部部分中并与第一副腔室49D连通。出口 49F连接至管66。
与第一头部49 一样，第二头部51形成有竖直延伸的第二头部腔室51Α和第二活塞57所插入通过的孔51Β。孔51Β设置有密封件63Β。第二活塞57能够在第二头部腔室 5IA中竖直移动。第二活塞57具有活塞杆57Α和连接至活塞杆57Α的一端的活塞头57Β。
第二头部腔室5IA被分成位于活塞头57 Β的上侧的第二主腔室5IC和位于活塞头 57Β的下侧的第二副腔室51D。第一头部51具有与第二主腔室51C连通的出口 51Ε和与第二副腔室51D连通的入口 51F。
管53Α至53J设置成在过冷式冷凝器47中以固定的间隔平行于彼此。在任何两个相邻的管53Α至53J之间设置有散热片67。管53Α至53J的每一个在其一端处连接至第一头部49并且与第一头部腔室49Α连通。管53Α至53J的每一个在其另一端处连接至第二头部51并且与第二头部腔室51Α连通。第一头部49的第一头部腔室49Α通过管53Α至 53J与第二头部51的第二头部腔室5IA连通。在过冷式冷凝器47中，管53Α至53J的每一个用作冷凝器或过冷器。在过冷式冷凝器47中，管比如53Α的数目应当为三个或更多。
接收器59设置有入口通道59Α和出口通道59Β。接收器59中形成有储存室59C， 储存室59C与入口通道59Α和出口通道59Β连通。储存室59C的下部部分形成贮存室59D。 入口通道59Α连接至第二头部51的出口 51Ε，出口通道59Β连接至第二头部51的入口 51F。 接收器59连接至第二头部51，并且储存室59C与第二头部腔室51Α连通。
如图7所示，驱动器61电连接至控制器IlA并且控制器IlA对驱动器61的操作进行控制。控制器Ila存储工作流体的饱和蒸汽压力的数据。
驱动器61连接至第一活塞55和第二活塞57的活塞杆55Α、57Α的端部。尽管在附图中没有示出，但驱动器61具有已知的马达和齿轮机构，并且驱动器61在控制器IlA的控制下被操作使得第一活塞55和第二活塞57在第一头部49和第二头部51的相应的第一头部腔室49Α和第二头部腔室5IA中一起竖直移动(见图8)。
温度和压力传感器48电连接至控制器IlA0温度和压力传感器48对排出过冷式冷凝器47且在管66中流动的工作流体的温度和压力，即，进入第二泵Ρ2的工作流体的温度和压力进行监测。换句话说，温度和压力传感器48基于进入第二泵Ρ2的工作流体的温度和压力对工作流体的状态进行监测。温度和压力传感器48将对应于工作流体的状况的值发送至控制器11Α。废热回收系统的其它元件或部件与第一实施方式的废热回收系统的相对应的元件或部件相似。
同样，在第三实施方式的废热回收系统中，与第一实施方式的情况一样，排出蒸发器21的高温、高压工作流体在膨胀器23中减压。排出膨胀器23的出口 23B的工作流体流动通过管65并进入过冷式冷凝器47的第一头部49的第一主腔室49C。然后，控制器IlA 对风扇47A进行操作。
如果控制器IlA确定出发动机所需要的输出低，并且压缩空气所需要的冷却负载低于阈值，则控制器IlA对驱动器61进行控制,使得第一活塞55和第二活塞57在第一头部49和第二头部51的相应的第一头部腔室49A和第二头部腔室51A中一起向下移动。这样，在第一头部腔室49A中，第一主腔室49C的比率变得比第一副腔室49D的比率大。同样在第二头部腔室51A中，第二主腔室51C的比率变得比第二副腔室51D的比率大。因而，在连接至第一头部49和第二头部51的管53A至53J中，与第一主腔室49C和第二主腔室51C 连通的管的容积比与第一副腔室49D和第二副腔室51D连通的管的容积大。
具体地，在管53A至53J中，管53A至53G与第一主腔室49C和第二主腔室51C连通，而管53H至53J与第一副腔室49D和第二副腔室51D连通。在从管65流入到第一主腔室49C中之后，工作流体流动通过管53A至53G，在管53A至53G中工作流体的热量被释放到过冷式冷凝器47周围的空气中，然后工作流体进入第二主腔室51C。即，在管53A至53J 中，管53A至53G用作冷凝器。
流入到第二主腔室5IC中的工作流体然后流动通过入口通道59A进入到接收器59 的储存室59C中，在接收器59的储存室59C中，工作流体被分离成气相流体和液相流体。液相工作流体被储存在贮存室59D中，然后流动通过出口通道59B进入到第二副腔室51D中。 流动通过管53H至53J的工作流体被过度冷却并进入第一副腔室49D。S卩，在管53A至53J 中，管53H至53J用作过冷器。过冷的工作流体排出第一头部49，然后流动通过管66进入到第二泵P2中。
如果控制器IlA确定出发动机5的所需要的输出高并且压缩空气所需要的冷却负载超过阈值，则控制器IlA对驱动器61进行控制使得第一活塞55和第二活塞57在第一头部49和第二头部51的相应的第一头部腔室49A和第二头部腔室51A中一起向上移动。这样，在第一头部腔室49A中，第一副腔室49D的比率变得比第一主腔室49C的比率大。同样在第二头部腔室51A中，第二副腔室51D的比率比第二主腔室51C的比率大。因而，在连 接至第一头部49和第二头部51的管53A至53J中，与第一副腔室49D和第二副腔室51D连通的管的容积变得比与第一主腔室49C和第二主腔室51C连通的管的容积大。
具体地，在管53A至53J中，管53A至53C与第一主腔室49C和第二主腔室51C连通，而管53D至53J与第一副腔室49D和第二副腔室51D连通。在从管65流入到第一主腔室49C中之后，工作流体流动通过管53A至53C，并且然后进入第二主腔室51C。S卩，在管 53A至53J中，管53A至53C用作冷凝器。
在排出接收器59之后，流动通过管53D至53J的液相工作流体被过度冷却并且进入第一副腔室49D。即，在管53A至53J中，管53D至53J用作冷却器。如图8的情况那样， 过冷的工作流体排出第一头部49，并且然后流动通过管66进入到第二泵P2中。
如上所述，在第三实施方式的废热回收系统的过冷式冷凝器47中，通过与第一头部49和第二头部51中的第一活塞55和第二活塞57的整体竖直运动同样的方式来改变第一头部腔室49A中的第一主腔室49C与第一副腔室49D之间的容积比率和第二头部腔室51A中的第二主腔室51C与第二副腔室51D之间的容积比率。在过冷式冷凝器47中，能够 改变用作冷凝器的管的数目和用作过冷器的管的数目。因而，如果控制器IlA确定出压缩 空气所需要的冷却负载低于阈值，则如图8所示的那样用作冷凝器的管的数目增加，而用 作过冷器的管的数目减少。即，在过冷式冷凝器47中，冷凝器的比率大于过冷器的比率。 因而，第三实施方式的废热回收系统防止工作流体的过度冷却并因此允许朗肯循环装置3A 能量回收的增加。如果控制器IlA确定出压缩空气的所需要的冷却负载超过阈值，则如图 9所示的那样用作冷凝器的管的数目减少，而用作过冷器的管的数目增加。即，在过冷式冷 凝器47中，过冷器的比率变得比冷凝器的比率大。因而，即使当压缩空气所需要的冷却负 载高时，第三实施方式的废热回收系统也能满足高冷却负载的要求，导致压缩空气的充分 冷却并且因而导致发动机5的输出增加。在这种情况下，在朗肯循环装置3A中回收的电力 量减少。
另外，控制器IlA将工作流体的、由温度和压力传感器48监测得到的温度和压力， 即，对应于工作流体的状态的值与工作流体的饱和蒸汽压力的数据进行比较。当过冷式冷 凝器47中的冷凝器与过冷器的比率如上所述的那样被改变时，控制器IlA也基于压缩空气 所需要的冷却负载对驱动器61的操作进行控制，使得在管66中流动的工作流体的压力高 于饱和蒸汽压力。具体地，控制器IlA将对应于压缩空气所需要的冷却负载的值与对应于 工作流体状态的值进行比较，然后，控制器IlA根据对应于所需要的冷却负载的值与对应 于工作流体的状态的值之间的较大值对控制驱动器61的操作进行控制。以此方式，第三实 施方式的废热回收系统防止第二泵P2中的工作流体的空化，同时使过冷式冷凝器47的过 冷器中工作流体过冷。这防止对第二泵P2造成损害，导致废热回收系统的耐久性增加。废 热回收系统也能满足压缩空气所需要的冷却负载。即，第三实施方式的废热回收系统提供 给系统增加的耐久性以及发动机5的提高的性能。第三实施方式的废热回收系统也提供与 第一实施方式的优点相似的优点。
因而，第三实施方式的废热回收系统能够选择性地优先考虑增加朗肯循环装置3A 中的电力回收或增加发动机5的输出。
图10、11和12示出了根据本发明的废热回收系统的第四实施方式。第四实施方 式与第三实施方式的不同之处在于过冷式冷凝器69用来替代第三实施方式的过冷式冷 凝器47。电动操作的风扇69C设置在过冷式冷凝器69的附近并且电连接至控制器IlA0
如图10和图11所示，过冷式冷凝器69具有竖直延伸的第一头部71和第二头部 73、在第一头部71与第二头部73之间水平延伸的管75A至75L、接收器77、活塞79以及驱 动器81。活塞79和驱动器81对应于本发明的容积改变装置和选择装置。
第一头部71形成有竖直延伸的第一头部腔室71A。第一头部71具有分隔壁71B， 分隔壁71B将第一头部腔室71A分成第一主腔室71C和第一副腔室71D。第一头部71具有 入口 71E和出口 71F。入口 71E形成在第一头部71的上部部分中并且入口 71E与第一主腔 室71C连通。入口 71E连接至管65。出口 71F形成在第一头部71的下部部分中并且与第 一副腔室71D连通。出口 71F连接至管66。
与第一头部71—样，第二头部73形成有竖直延伸的第二头部腔室73A。第二头 部73具有分隔壁73B，分隔壁73B将第二头部腔室73A分成第二主腔室73C和第二副腔室 73D。第二头部73具有出口 73E和入口 73F。出口 73E与第二主腔室73C连通。入口 73F形成在第二头部73的下部部分中并且入口 73F与第二副腔室73D连通。
如图11所示，管75A至75L设置成在过冷式冷凝器69中以固定的间隔平行于彼此。尽管附图中未示出，但如图8和图9的情况的那样，在任意两个相邻的管75A至75L之间设置有散热片。管75A至75L中的每一个在其一端处连接至第一头部71并且与第一头部腔室7IA连通。管75A至75L中的每一个在其另一端处连接至第二头部73并且与第二头部腔室73A连通。第一头部71的第一头部腔室7IA通过管75A至75L与第二头部73的第二头部腔室73A连通。具体地，在管75A至75L中，管75A至751与第一主腔室71C和第二主腔室73C连通，而管75J至75L与第一副腔室71D和第二副腔室73D连通。在过冷式冷凝器69中，管75A至751相配合以形成上部热交换器69A，并且管75J至75L相配合以形成下部热交换器69B。而且，在过冷式冷凝器69中，管比如75A的数目应当为三个或更多。 可以适当选择上部热交换器69A和下部热交换器69B中的管比如75A的数目。
接收器77设置有入口通道77A和出口通道77B。接收器77中形成有与入口通道 77A和出口通道77B连通的储存室77C。接收器77中具有分隔壁77D。接收器77还具有活塞79所插入通过的孔77E。孔77E设置有密封件63C。
入口通道77A连接至第二头部73的出口 73E，出口通道77B连接至第二头部73的入口 73F。接收器77连接至第二头部73，储存室77C与第二头部腔室73A连通。
在接收器77的储存室77C中，活塞79能够沿着接收器77和分隔壁77D的内壁竖直移动。活塞79具有活塞杆79A和连接至活塞杆79A的一端的活塞头77B。活塞头79B具有向下延伸以便围绕活塞杆79A的一部分的裙部79C。尽管在附图中未示出，但密封件设置在活塞头79B周围以在活塞头79B与接收器77的内壁之间，以及在活塞头79B与分隔壁 77D之间进行密封。在储存室77C中，除了由活塞头79B限定的空间的部分，接收器77的内壁以及分隔壁77D用作贮存室77F。
如图10所示，驱动器81电连接至控制器11A，并且控制器IlA对驱动器81的操作进行控制。
驱动器81连接至活塞79的活塞杆79A的端部。和图7的驱动器61 —样，驱动器 81具有已知的马达和齿轮机构(未示出)，并且驱动器81在控制器IlA的控制下被操作使得活塞79在接收器77的储存室77C中竖直移动(见图11)。废热回收系统的其它元件或部件与第一实施方式和第三实施方式的废热回收系统的相对应的元件或部件相似。
同样在第四实施方式的废热回收系统中，如第三实施方式的情况的那样，流出膨胀器23的工作流体流动通过管65并进入过冷式冷凝器69的第一头部腔室7IA的第一主腔室71C。然后，控制器IlA对风扇69C进行操作。
流入到第一头部71的第一主腔室71C中的工作流体朝向第二头部73流动通过管 75A至751、或者上部热交换器69A。在这种情况下，在远离入口 71E或管65的用圆点表示的区域中，工作流体通过将热量释放至过冷式冷凝器69周围的空气而被冷却和液化。因而，在上部热交换器69A的用圆点表示的区域中，工作流体被充分过冷。S卩，在过冷式冷凝器69中，上部热交换器69A具有用作冷凝器的区域以及用作过冷器的区域。
流入到第二头部73的第二主腔室73C中的工作流体流动通过入口通道77A进入到接收器77的储存室77C的贮存室77F中。与工作流体流动通过上部热交换器69A的情况不同，在该情况下，所有的工作流体处于液相中。当被过度冷却时，流动通过出口通道77B进入到第二副腔室73D中的工作流体流动通过管75J至75L、或下部热交换器69B，然后进 入第一副腔室71D。即，在过冷式冷凝器69中，下部热交换器69B用作过冷器。过冷的工作 流体排出第一头部71，然后流动通过管66进入到第二泵P2中。
如果控制器IlA确定出发动机5的所需要的输出低并且压缩空气所需要的冷却负 载低于阈值，则控制器IlA对驱动器81进行控制使得活塞79在储存室77C中向下移动。这 样，储存室77C中的贮存室77F的容积增加，并且在上部热交换器69A中液化的大量工作流 体流入到储存室77C中。因而，在上部热交换器69A中，用作冷凝器的区域增加。在该情况 下，在过冷式冷凝器69中，大约一半或更多的上部热交换器69A用作冷凝器以便从工作流 体释放热量，而上部热交换器69A的其余部分与下部热交换器69B相配合以使工作流体过 冷。即，在上部热交换器69A中冷凝器的比率变得比上部热交换器69A中过冷器的比率大。
如果控制器IlA确定出发动机5的所需要的输出高并且压缩空气所需要的冷却负 载超过阈值，则控制器IlA对驱动器81进行控制使得活塞79如图12所示的那样在储存室 77C中向上移动。这样，储存室77C中的贮存室77F的容积减小，然后储存室77C被工作流 体填满。溢出的液相工作流体流入到上部热交换器69A中由此以用作过冷器。因而，在上 部热交换器69A中，用作过冷器的区域的容积比基本上用作过冷器的区域的容积大。在该 情况下，在过冷式冷凝器69中，约30%的上部热交换器69A用作冷凝器以便从工作流体释 放能量，而约70%的上部热交换器69A与下部热交换器69B相配合以使工作流体过冷。即， 上部热交换器69A中过冷器的比率比上部热交换器69A中冷凝器的比率大。
如上所述，在第四实施方式的废热回收系统的过冷式冷凝器69中，贮存室77F的 容积由于活塞79的竖直运动而发生变化。在过冷式冷凝器69的上部热交换器69A中，能够 改变用作冷凝器的区域的比率和基本上用作过冷器的区域的比率，换句话说，在管75a到 751中，能够改变用作冷凝器的容积的比率和用作过冷器的容积的比率。因而，废热回收系 统能够根据压缩空气所需要的冷却负载来改变上部热交换器69A中用作冷凝器的区域的 比率和基本上用作过冷器的区域的比率，同时保持用作过冷器的管75J至75L或下部热交 换器69B，从而允许朗肯循环装置3a中增加能量回收并且增加发动机5的输出。
同样在第四实施方式的废热回收系统中，当过冷式冷凝器69的上部热交换器69A 中的用作冷凝器的区域的比率与基本上用作过冷器的区域的比率被改变时，控制器IlA根 据对应于压缩空气所需要的冷却负载的值与对应于工作流体的状况的值之间的较大值对 驱动器61的操作进行控制使得在管66中流动的工作流体的压力高于蒸汽饱和压力。第四 实施方式的废热回收系统也提供了与第一实施方式和第三实施方式的优点相似的优点。
同样，第四实施方式的废热回收系统能够选择性地优先考虑增加朗肯循环装置3A 中的电力回收或发动机5的输出。
图13示出了根据本发明的废热回收系统的第五实施方式。第五实施方式的废热 回收系统也安装在车辆中并且用于车辆的动力单元1B。该废热回收系统包括朗肯循环装置 3B、温度传感器83A至83D、压力传感器83E和控制器11B。控制器IlB对应于本发明的确定装置。
动力单元IB具有内燃发动机2、管4、作为废气再循环通道的管6A和管6B以及管 12。温度传感器83D设置在管6A中。温度传感器83A和调节阀85设置在管6B中。与第 一实施方式的动力单兀IA —样,动力单兀IB具有散热器9、风扇9C、管18和19、以及第一泵P1。风扇9C和第一泵Pl电连接至控制器11B。
发动机2为具有水套(未示出)的常规的水冷柴油机，其中，LLC或长寿命冷却剂流动通过水套。发动机2具有用于排放废气的出口 2A和用于引入随后将说明的混合物的入口 2B。发动机2还具有入口 2D和出口 2C，冷却剂经由入口 2D和出口 2C流进和流出水套。
管4在其一端处被连接至发动机2的出口 2A并且在其另一端处连接至车辆的消声器(未不出)。排出发动机2的废气被传送经过管4到达消声器。
管6A在其一端处连接至管4并且管6A在其另一端处连接至下面将详细描述的蒸发器22的第一入口 22A。管6B在其一端处连接至蒸发器22的第一出口 22B并且管6B在其另一端处连接至发动机2的入口 2B。管12在其一端处连接至管6B并且在其另一端处连接至车辆的进气口(未示出)。室外空气被引入通过管12进入到管6B中。流动通过管4 的部分废气被传送通过管6A、6B，并且作为进入流体和进入空气的此类再循环废气的混合物被引入到发动机2中。
调节阀85电连接至控制器11B。通过对调节阀85的开口进行调节来完成从管4 流入到管6A中的废气的流速的调节。
温度传感器83A、83D电连接至控制器11B。温度传感器83A对排出蒸发器22的第一出口 22B和流动通过管6B的再循环废气的温度进行监测，并且向控制器IlB发送监测数据。温度传感器83D对流动通过管6A且进入蒸发器22的第一入口 22A的再循环废气的温度进行监测，并且向控制器IlB发送监测数据。
管18在其一端处连接至发动机2的出口 2C并且在其另一端处连接至散热器9的入口 9A。管19在其一端处连接至散热器9的出口 9B并且在其另一端连接至发动机2的入 Π 2D。
朗肯循环装置3B与第四实施方式的朗肯循环装置3A的不同之处在于蒸发器22 被用来替代蒸发器 21。第二泵P2、温度和压力传感器48、风扇69C及驱动器81电连接至控制器11B。
蒸发器22具有第二入口 22C、第二出口 22D、以及上述第一入口 22A和第一出口 22B。蒸发器22中形成有在第一入口 22A与第一出口 22B之间连接的第一通道22E以及在第二入口 22C与第二出口 22D之间连接的第二通道22F。在蒸发器22中，热交换在第一通道22E中流动的再循环废气与第二通道22F中流动的工作流体之间发生，使得再循环废气被冷却并且工作流体被加热。
管31在第二泵P2与蒸发器22的第二入口 22C之间连接。管32在蒸发器22的第二出口 22D与膨胀器23的入口 23A之间连接。
在管31中设置有温度传感器83B。在管66中设置有温度传感器83C和压力传感器83E。温度传感器83B、83C和压力传感器83E电连接至控制器11B。
温度传感器83B对流动通过管31并且进入蒸发器22的第二入口 22C的工作流体的温度进行监测。温度传感器83B向控制器IlB发送监测数据。
温度传感器83C对流动通过管66并且进入第二泵P2的工作流体的温度进行监测。温度传感器83C向控制器IlB发送监测数据。
压力传感器83E对流动通过管66的工作流体的压力，即，在膨胀器23的下游且在第二泵P2的上游存在的工作流体的压力(冷凝压力)进行监测。压力传感器83E向控制 器IlB发送监测数据。压力传感器83E可以与温度传感器83C以及温度和压力传感器48 成一体。
控制器IlB对风扇9C、69C的操作进行控制，使得从工作流体或冷却剂释放到室外 空气中的热量被适当调节。控制器IlB还对调节阀85和第一泵P1、第二泵P2的操作进行 控制。基于由传感器83A至83E监测到的再循环废气的温度、工作流体的温度、以及工作流 体的冷凝压力，控制器IlB确定用于使再循环废气冷却所需要的冷却负载。同样控制器IlB 存储工作流体的饱和蒸汽压力的数据。基于确定的所要求的冷却负载，控制器IlB对驱动 器81的操作进行控制。控制器IlB对驱动器81的操作进行控制使得流动通过管66的工 作流体的压力高于蒸汽饱和压力。废热回收系统的其它元件或部件与第四实施方式的废热 回收系统的相对应的元件或部件相似。
下面将描述本发明的废热回收系统的操作。
当动力单元IB的发动机2操作为对车辆进行驱动时，排出发动机2的出口 2A的 废气被传送通过管4并且从消声器(未示出)排出。控制器IlB对调节阀85的开口进行 调节使得管4中的部分废气流入到管6A中。流入到管6A中的废气，即，再循环废气，经由 蒸发器22的第一入口 22A进入到蒸发器22中，流动通过第一通道22E，然后经由蒸发器22 的第一出口 22B流出蒸发器22进入到管6B中。流动通过管6B的再循环废气与引入通过 管12的室外空气混合，并且这种混合物经由发动机2的入口 2B进入到发动机2中。
控制器118使第一泵？1、第二泵？2、以及风扇9(、69(被操作。在使发动机2冷却 后，冷却剂通过与室外空气进行热交换而在散热器9中被冷却，然后再次进入发动机2以便 用来使发动机2冷却。
在朗肯循环装置3B中，从第二泵P2中排出的工作流体在管31中流动，然后经由 第二入口 22C进入到蒸发器22的第二通道22F中，在蒸发器22的第二通道22F中，热交换 在工作流体体与流动通过蒸发器22的第一通道22E的再循环废气之间发生。由于再循环 废气具有约500°C的温度，所以流动通过蒸发器22的第二通道22F的工作流体被适当加热。 在第一通道22E中流动的再循环废气通过将热量释放至在第二通道22F中流动的工作流体 而被冷却，然后，再循环废气被传送至发动机2。
在由蒸发器22加热之后，流出第二出口 22D的高温、高压工作流体流动通过管32 并经由膨胀器23的入口 23A进入膨胀器23。工作流体在膨胀器23中被减压或膨胀从而产 生压力能，该压力能用来在连接至膨胀器23的发电机中产生电力。然后，工作流体流动通 过过冷式冷凝器69并进入第二泵P2。
基于来自温度传感器83A至83D以及来自压力传感器83E的监测数据，控制器IIB 确定再循环废气所需要的冷却负载。
如果由温度传感器83A监测到的温度低，则能够确定出再循环废气通过蒸发器22 中的热交换而被充分冷却。因而，控制器IlB确定出再循环废气所需要的冷却负载低，SP， 所要求的冷却负载低于设定阈值。
类似地，当由温度传感器83D监测到的温度低时，能够确定出再循环废气的温度 低，因此，控制器IlB确定出再循环废气所需要的冷却负载低。
类似地，当温度传感器83B、83C以及压力传感器83E监测到的温度和压力低时，工作流体的温度低，因此蒸发器22的用于使再循环废气冷却的能力高。因此，控制器IlB确定出再循环废气所需要的冷却负载低。
在这种情况下，因为进入蒸发器22的工作流体的温度在朗肯循环装置3B中并不需要非常低，所以控制器IlB如在控制器IlA确定出发动机5所需要的输出低(见图11) 的第四实施方式中的情况那样对驱动器81的操作进行控制。
这样，在过冷式冷凝器69中上部热交换器69A中的冷凝器的比率比上部热交换器 69A中过冷器的比率大。这允许朗肯循环装置3B中电力回收的增加。
如果由温度传感器83A监测到的温度高，则能够确定出蒸发器22中的再循环废气的冷却是不充分的。控制器IlB确定出再循环废气所需要的冷却负载高，S卩，所需要的冷却负载超过阈值。
类似地，当温度传感器83D监测到的温度高时，能够确定出再循环废气的温度高， 因此蒸发器22的用于使再循环废气冷却的能力高。因此，控制器IlB确定出再循环废气所需要的冷却负载高。
类似地，当温度传感器83B、83C和压力传感器83E监测到的温度和压力高时，能够确定出排出过冷式冷凝器69的工作流体的温度不是非常低。在该情况下，能够确定出工作流体在蒸发器22中被加热到高温，换句话说，用作加热蒸发器22中的工作流体的热源的再循环废气具有高的温度。因此，控制器IlB确定出再循环废气所需要的冷却负载高。
在这种情况下，需要进一步降低进入蒸发器22的工作流体的温度，因此，控制器 IlB如在控制器IlA确定出发动机5的所需要的输出高(见图12)的第四实施方式中的情况那样对驱动器81的操作进行控制。
因而，在过冷式冷凝器69的上部热交换器69A中，过冷器的比率大于冷凝器的比率。因而，废热回收系统能够满足再循环废气所需要的冷却负载，从而导致再循环气体与混合物之比增加，并因此导致通过管4排放到大气中的废气中的氮氧化物的量减少。
该实施方式的废热回收系统使控制器IlB能够基于由温度传感器83A至83D监测到的工作流体和再循环废气的温度以·及基于由压力传感器83E监测到的工作流体的冷凝压力适当地确定再循环废气所要求的冷却负载。第五实施方式的废热回收系统也提供与第一实施方式、第三实施方式和第四实施方式的优点相似的优点。
因而，第五实施方式的废热回收系统也能够选择性地优先考虑增加朗肯循环装置 3B中的电力回收或增加发动机2的输出。
应当理解本发明不限于上述实施方式，而是在不脱离本发明的范围的情况下，可以以多种方式对本发明进行修改。
在第一实施方式和第二实施方式中，废热回收系统可以设置有传感器，比如在第三实施方式、第四实施方式和第五实施方式中所使用的传感器48,并且控制器IlA可以对阀Vl至V6的操作进行控制，使得在管30中流动的工作流体的压力不低于饱和蒸汽压力。 在该情况下，控制器IlA也可以根据对应于所需要的冷却负载的值与由传感器监测到的温度和压力的值之间的较大值，即，对应于工作流体的状态的值对阀Vl至V6的操作进行控制。
在第一实施方式至第四实施方式中，朗肯循环装置3A可以具有废气蒸发器比如 22而不是蒸发器21，使得废热回收系统用于动力单元比如IB (见图13)。
在第五实施方式的废热回收系统中，控制器IlB可以基于发动机2的可以从车辆 的加速踏板位置确定出的所需要的输出来确定再循环废气所需要的冷却负载。在该情况 下，控制器IlB可以基于由传感器83A至83E监测到的温度和压力与发动机2的所需要的 输出的综合结果来确定再循环废气所需要的冷却负载。替代性地，第五实施方式的废热回 收系统可以省去传感器83A至83E，并且控制器IlB可以仅基于发动机2的所需要的输出来 确定再循环废气所需要的冷却负载。
可以改变第五实施方式的废热回收系统使得传感器83A至83E中的任一个被使 用，或者传感器83A至83E中的任意组合被使用。
在第一实施方式至第四实施方式中，废热回收系统可以设置有在第五实施方式中 使用的传感器比如83A至83E中的任何传感器，使得基于传感器监测到的温度或压力来确 定压缩空气所需要的冷却负载。在该情况下，该系统可以具有所有传感器，比如83A至83E， 或仅具有这些传感器中的一个。替代性地，该系统可以具有这些传感器的任意组合。控制器 IlA可以基于发动机5所需要的输出以及由传感器比如83A至83E监测到的温度或压力，或 者基于由传感器比如83A至83E监测到的温度或压力来确定压缩空气所需要的冷却负载。
在第一实施方式至第五实施方式中，控制器IlAUlB可以构造成基于车辆速度来 确定压缩空气或再循环废气所需要的冷却负载。在这种情况下，如果车辆速度超过预定值， 则在热交换器25至27中以及在过冷式冷凝器47、69中热量从工作流体中被适当释放，从 而在管30、66中流动的工作流体的温度降低。换句话说，然后，在管30、66中流动的工作流 体的冷凝压力降低。在该情况下，压缩空气能够在蒸发器21中被适当冷却，并且再循环废 气也能够在蒸发器22中被适当冷却。因而，控制器IlAUlB能够确定出压缩空气或再循环 废气所需要的冷却负载为低。另一方面，如果车辆速度低于预定值，则用于使工作流体冷却 的过冷式冷凝器47、69以及热交换器25至27的能力变低，并且因此在管30、66中流动的 工作流体的温度，即，在管30、66中流动的工作流体的冷凝压力增加。在该情况下，在蒸发 器21中压缩空气不能被充分冷却，并且在蒸发器22中再循环废气也不能被充分冷却。因 而，控制器IlAUlB能够确定出压缩空气或再循环废气所需要的冷却负载高。控制器11A、 IlB可以仅基于所监测到的车辆速度，或者基于所监测到的车辆速度与发动机2、5所需要 的输出、由温度传感器83A至83D所监测到温度以及由压力传感器83E所监测到的压力的 任意组合来确定压缩空气或再循环废气所需的冷却负载。
在第一实施方式至第四实施方式中，除了蒸发器21，还可以设置废气蒸发器，比如 22。类似地，在第五实施方式中，除了蒸发器22，还可以设置压缩空气蒸发器，比如21。
在第一实施方式至第五实施方式中，废热回收系统可以设置有任何蒸发器而不是 在上述实施方式中使用的蒸发器。这种蒸发器可以构造成用于工作流体与发动机冷却剂之 间的、工作流体与用于发动机2、5的润滑油之间的、或者工作流体与废气而不是再循环废 气之间的热交换。在这种情况下，工作流体可以由发动机2、5的废热通过冷却剂适当地加 热，从而允许朗肯循环装置3A、3B中电力回收的增加。另外，冷却剂还能够通过与工作流体 的热交换而被冷却，从而允许发动机2、5适当地冷却，同时减小冷却装置比如散热器9的尺 寸。
在第一实施方式和第二实施方式中，阀V1、V2可以由分配阀替代，该分配阀允许 排出第一热交换器25的出口 25B的工作流体选择性地流动通过管34或者流动通过管36。这种分配阀应当优选地设置在管34、36的连接处。类似地，阀V3、V4可以由分配阀替代，该分配阀允许排出第二热交换器26的出口 26B的工作流体选择性地流动通过管35或者流动通过管37。这种分配阀应当优选地设置在管35、37的连接处。在第一实施方式中，阀V5、V6可以由分配阀替代，该分配阀允许排出接收器29的出口 29B的工作流体选择性地流动通过管38或者流动通过管39。这种分配阀应当优选地设置在管38、39和41的连接处。这种分配阀应当优选地电连接至控制器IlA并且由控制器IlA控制。这种分配阀对应于本发明的选择阀。在第四实施方式中，活塞79和驱动器81可以由如下任何合适的容积改变装置或选择装置替代即，该装置能通过比如压力和热量的手段来改变贮存室77F的容积。这种装置例如包括膜片、波纹管和恒温器。本发明适用于车辆。
权利要求
1.一种废热回收系统，用于包括内燃发动机(2、5)的动力单元(1A、1B)，所述废热回收系统包括朗肯循环装置(3A、3B)，在所述朗肯循环装置(3A、3B)中，工作流体循环通过泵(P2)、 蒸发器(21、22)、膨胀器(23)并且然后通过热交换装置，在所述蒸发器(21，22)中在所述工作流体与在被冷却时引入到所述内燃发动机(2、5)中的进入流体之间发生热交换；其特征在于所述热交换装置包括冷凝器(25、26、53A 至 53G、53A 至 53C、69A)，所述冷凝器(25、26、53A 至 53G、53A 至 53C、69A)用来使工作流体冷凝；接收器(29、43、45、59、77)，所述接收器(29、43、45、59、77)连接于所述冷凝器(25、26、 53A至53G、53A至53C、69A)的下游并存储液相工作流体；过冷器(26、27、53H 至 53J、53D 至 53J、69A、69B)，所述过冷器(26、27、53H 至 53J、53D 至53J、69A、69B)连接于所述接收器(29、43、45、59、77)的下游并且使所述液相工作流体过冷；以及选择装置(36至39、￥1至￥6、55、57、61、79、81)，所述选择装置(36至39、V1至V6、55、 57、61、79、81)用来改变所述冷凝器与所述过冷器的比率，所述废热回收系统还包括确定装置(11A、11B)，所述确定装置(IlAUlB)用来确定所述进入流体所需要的冷却负载；以及控制器(IlAUlB)，所述控制器(IlAUlB)根据所述确定装置(IlAUlB)确定的所需要的冷却负载来控制所述选择装置。
2.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中，所述热交换装置包括串联连接的多个热交换器(25、26、27)，所述选择装置允许所述接收器(29)连接于所述热交换器(25、26、 27)中的任意热交换器的下游。
3.根据权利要求2所述的废热回收系统，其中，所述多个热交换器由连接于所述膨胀器(23)的下游的第一热交换器(25)、通过第一连接管(34)连接于所述第一热交换器(25) 的下游的第二热交换器(26)、以及通过第二连接管(35)连接于所述第二热交换器(26)的下游的第三交换器(27)来提供，其中，所述选择装置根据所述确定装置(IlA)确定的所需的冷却负载将所述接收器 (29)选择性地连接至所述第一连接管(34)或连接至所述第二连接管(35)。
4.根据权利要求3所述的废热回收系统，其中，所述接收器为单个的，所述选择装置包括在所述接收器(29)的上游连接于所述第一连接管(34)的第一分支管(36)；在所述接收器(29)的上游连接于所述第二连接管(35)的第二分支管(37)；在所述接收器(29)的下游、于所述第一分支管(36)的下游的位置处连接于所述第一连接管(34)的第一回流管(38)；在所述接收器(29)的下游、于所述第二分支管(37)的下游的位置处连接于所述第二连接管(35)的第二回流管(39)；第一选择阀，所述第一选择阀允许所述工作流体选择性地流入到所述第二热交换器(26)中或者流入到所述第一分支管(36)中；第二选择阀，所述第二选择阀允许所述工作流体选择性地流入到所述第三热交换器(27)中或者流入到所述第二分支管(37)中；以及第三选择阀，所述第三选择阀允许所述工作流体选择性地流入到所述第一回流管(38) 中或者流入到所述第二回流管(39)中，其中，所述控制器(IlA)对所述第一选择阀、所述第二选择阀和所述第三选择阀进行控制。
5.根据权利要求4所述的废热回收系统，其中，所述第一选择阀由第一分支阀(Vl)和第一连接阀(V2)提供，所述第二选择阀由第二分支阀(V3)和第二连接阀(V4)提供，所述第三选择阀由第一回流阀(V5)和第二回流阀(V6)提供，所述第一分支阀(Vl)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第一分支管(36)，所述第二分支阀(V3)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第二分支管(37)，所述第一连接阀(V2)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第一连接管(34)，所述第二连接阀(V4)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第二连接管(35)，所述第一回流阀(V5)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第一回流管(38)，所述第二回流阀(V6)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第二回流管(39)。
6.根据权利要求3所述的废热回收系统，其中，所述接收器由第一接收器(43)和第二接收器(45)提供，所述选择装置包括在所述第一接收器(43)的上游连接于所述第一连接管(34)的第一分支管(36)；在所述第二接收器(45)的上游连接于所述第二连接管(35)的第二分支管(37)；在所述第一接收器(43)的下游、于所述第一分支管(36)的下游的位置处连接于所述第一连接管(34)的第一回流管(38)；在所述第二接收器(45)的下游、于所述第二分支管(37)的下游的位置处连接于所述第二连接管(35)的第二回流管(39)；第一选择阀，所述第一选择阀允许所述工作流体选择性地流入到所述第二热交换器(26)中或者流入到所述第一分支管(36)中；以及第二选择阀，所述第二选择阀允许所述工作流体选择性地流入到所述第三热交换器(27)或者流入到所述第二分支管(37)中，其中，所述控制器(IlA)对所述第一选择阀和所述第二选择阀进行控制。
7.根据权利要求6所述的废热回收系统，其中，所述第一选择阀由第一分支阀(Vl)和第一连接阀(V2)提供，所述第二选择阀由第二分支阀(V3)和第二连接阀(V4)提供，所述第一分支阀(Vl)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第一分支管(36)，所述第二分支阀(V3)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第二分支管(37)，所述第一连接阀(V2)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第一连接管(34)，所述第二连接阀 (V4)选择性地允许或阻止工作流体流动通过所述第二连接管(35)。
8.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中，所述热交换装置包括过冷式冷凝器(47)，所述过冷式冷凝器(47)包括第一头部(49)，所述第一头部(49)具有第一头部腔室(49A)；第二头部(51)，所述第二头部(51)具有第二头部腔室(51A)；管(53A至53J)，所述管(53A至53J)在所述第一头部(49)与所述第二头部(51)之间连接，使得所述第一头部腔室(49A)与所述第二头部腔室(51A)连通；第一活塞(55)，所述第一活塞(55)能够在所述第一头部腔室(49A)中移动，并且所述第一活塞(55)将所述第一头部腔室(49A)分成第一主腔室(49C)和第一副腔室(49D)；第二活塞(57)，所述第二活塞(57)能够在所述第二头部腔室(51A)中移动，并且所述第二活塞(55)将所述第二头部腔室(51A)分成第二主腔室(51C)和第二副腔室(51D)； 驱动器(61)，所述驱动器￠1)用来驱动所述第一活塞(55)和所述第二活塞(57);以及接收器(59)，所述接收器(59)与所述第一主腔室(49C)和所述第一副腔室(49D)连通，或者与所述第二主腔室(51C)和第二副腔室(51D)连通，其中，所述第一活塞(55)、所述第二活塞(57)以及所述驱动器￠1)用作所述选择装置。
9.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中，所述热交换装置包括过冷式冷凝器 (69)，所述过冷式冷凝器￠9)包括第一头部(71)，所述第一头部(71)具有第一头部腔室(71A)；第二头部(73)，所述第二头部(73)具有第二头部腔室(73A)；管(75A至75L)，所述管(75A至75L)在所述第一头部(71)与所述第二头部(73)之间连接，使得所述第一头部腔室(71A)与所述第二头部腔室(73A)连通；接收器(77)，所述接收器(77)与所述第二头部腔室(73A)连通并且具有贮存室 (77F);以及容积改变装置(79，81)，所述容积改变装置(79，81)用来改变所述贮存室(77F)的容积，其中，所述容积改变装置(79，81)用作选择装置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的废热回收系统，还包括传感器(IlA)，所述传感器(IlA)用于对所述内燃发动机(5)的所需的输出进行监测，其中，所述确定装置(IlA) 基于由所述传感器(IlA)监测到的所需的输出来确定所述进入流体所需的冷却负载。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的废热回收系统，还包括传感器(83A)，所述传感器(83A)用于对排出所述蒸发器(22)的进入流体的温度进行监测，其中，所述确定装置 (IlB)基于由所述传感器(83A)监测到的温度来确定进入流体所需的冷却负载。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的废热回收系统，还包括传感器(83B)，所述传感器(83B)用于对进入所述蒸发器(22)的工作流体的温度进行监测，其中，所述确定装置 (IlB)基于由所述传感器(83B)监测到的温度来确定进入流体所需的冷却负载。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的废热回收系统，还包括传感器(83D)，所述传感器(83D)用于对进入所述蒸发器(22)的进入流体的温度进行监测，其中，所述确定装置 (IlB)基于由所述传感器(83D)监测到的温度来确定进入流体所需的冷却负载。
14.根据权利要求1至9中任一项所述的废热回收系统，还包括传感器(83C)，所述传感器(83C)用于对进入所述泵(P2)的工作流体的温度进行监测，其中，所述确定装置(IlB) 基于由所述传感器(83C)监测到的温度来确定进入流体所需的冷却负载。
15.根据权利要求1至9中任一项所述的废热回收系统，还包括传感器(83E)，所述传感器(83E)用于对在所述膨胀器(23)的下游并在所述第二泵(P2)的上游存在的工作流体的压力进行监测，其中，所述确定装置(IlB)基于由所述传感器(83E)监测到的压力来确定进入流体所需的冷却负载。
16.根据权利要求1至9中任一项所述的废热回收系统，还包括传感器(48)，所述传感器(48)用于基于进入所述泵(P2)的工作流体的压力和温度对所述工作流体的状态进行监测，其中，所述控制器(IlA)基于与由所述传感器(48)监测到的所述工作流体的状态相对应的值对所述选择装置(55、57、61)进行控制以防止所述工作流体在所述泵(P2)中的空化。
17.根据权利要求16所述的废热回收系统，其中，所述控制器(IlA)基于与所述所需的冷却负载相对应的值和与所述工作流体的状态相对应的值之间的较大值来控制所述选择装置(55、57、61)。
18.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中，所述动力单元(IA)具有压力感应压缩机(7)，所述压力感应压缩机(7)将压缩空气供给至所述内燃发动机(5)，并且在所述蒸发器(21)中在所述压缩空气与所述工作流体之间发生热交换。
19.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中，所述动力单元(IB)具有废气再循环通道(6A，6B)，排出所述内燃发动机(2)的部分废气通过所述废气再循环通道(6A，6B)被再循环进入到所述内燃发动机(2)中作为再循环废气，并且在所述蒸发器(22)中在所述再循环废气与所述工作流体之间发生热交换。
全文摘要
废热回收系统包括朗肯循环装置，在朗肯循环装置中工作流体循环通过泵、蒸发器、膨胀器，然后通过热交换装置，在蒸发器中在工作流体与在被冷却时被引进发动机中的进入流体之间发生热交换。热交换装置包括使工作流体冷凝的冷凝器；连接在冷凝器的下游并存储液相工作流体的接收器；连接在接收器的下游并使液相工作流体过冷的过冷器；以及作为改变冷凝器与过冷器比率的选择装置。废热回收系统还包括用于确定进入流体所需的冷却负载的确定装置，以及用于根据由确定装置确定的所需的冷却负载来控制选择装置的控制器。
文档编号F02G5/00GK103016137SQ20121035101
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月19日 优先权日2011年9月21日
发明者石黑文彦, 井口雅夫, 森英文, 榎岛史修 申请人:株式会社丰田自动织机