用于带有防冻单元的内燃机的废热利用的系统的制作方法

本申请是申请日为2011年1月14日、题为“用于带有防冻单元的内燃机的废热利用的系统”的中国专利申请cn201110021255.2的分案申请。

本发明涉及用于带有废热回路的内燃机的废热利用的方法以及装置，工质在该废热回路中循环，内燃机的废热经由该废热回路被转换为机械功。该废热回路具有：蒸发器，工质在该蒸发器中至少部分地被转变成蒸汽状的物态；用于提供机械功的膨胀单元，至少部分为蒸汽状的工质在该膨胀单元中减压；冷凝器，工质在该冷凝器中被转变为液态的物态。

背景技术：

为了能够特别是针对车辆内燃机如汽车内燃机实现燃料节省，在目前特别地可分成两种技术方案。尤其在市内交通和分散式交通（verteilerverkehr）中由于这里的制动和加速情况有各种不同的混合方案适合采用，除了采用这些方案外，还已知有利用内燃机的废热的热回收系统，以便提供附加的驱动能量。这种废热利用系统适合于特别是在长途交通运输中工作的车辆的内燃机。

相关地由de102006043139a1已知一种用于内燃机的热回收系统，其中在内燃机区域中产生的废热被传递至二次热回路，工质在该热回路中循环。在内燃机区域中产生的废热首先在二次热回路的蒸发器中被传递至工质，工质由此被转换为在很大程度上呈蒸汽状的物态。蒸汽状的工质最终在将热能转变为机械功的膨胀单元中减压，从而可以由内燃机的废热给车辆提供附加的驱动能量。在膨胀器中减压之后，二次热回路的工质被输入到冷凝器中，所述工质在该冷凝器中液化，同时排出热量，从而结束相应的蒸汽循环过程。

作为在废热利用回路中应用的工质，原则上可以考虑使用由过程热力学已知的所有流体，如酒精、碳氢化合物、碳-氟-化合物或已知的安全工作介质。但由于热动力和物理特性以及便于弄到和价格低廉，转而还在废热利用系统中使用去离子水作为工质。

尤其在这种系统的车辆应用中，水的较大缺点是介质的冰冻问题。在这种情况下，特别是二次热回路的区域受到危险，介质在所述热回路中在液态状态下处于高压下。位于废热利用回路的这些区段中的组件和构件一方面由于高压力而必须具有较大的刚度，另一方面具有适当的柔韧性，从而不会因为冰冻的水体积膨胀而伤及这些组件。

技术实现要素：

基于由现有技术已知的问题，本发明的目的在于，提供一种用于内燃机的废热利用系统，其能独立于环境温度可靠地工作。在这里，尽管对工作可靠性要求较高，针对于构造设计以及材料选取，利用比较简单的机构就能使得特别是被设计成二次热回路的废热利用回路的高压组件可靠地防冻。内燃机特别是汽车的内燃机的废热利用系统将以比较简单的方式在不同温度情况下既能短时间地又能长时间地可靠工作。

采用一种根据权利要求1的装置，即可实现前述目的。另外在权利要求16中说明一种有利的应用。本发明的有利的实施方式是从属权利要求的内容，并将在下面的说明中至少部分地对照附图予以详述。

用于内燃机废热利用的装置具有废热回路，工质在该废热回路中循环，通过该装置使得内燃机的废热和/或废气热量转变为机械功，其中在废热回路中设置有：蒸发器，工质在该蒸发器中通过吸收内燃机的废热至少部分地转变为蒸汽状的物态；用于提供机械功的膨胀单元，至少部分呈蒸汽状的工质在该膨胀单元中减压；冷凝器，工质在该冷凝器中转变为液态物态，根据本发明，对所述装置予以改进，在废热回路中设置有至少一个防冻单元，该防冻单元能防止由于工质冰冻而在废热回路中造成损坏。

由于在废热回路中单独设有防冻单元，要么确保即使在外界温度较低时也能可靠地防止工质发生冰冻，要么尽管允许工质冰冻，但由于采用按照本发明的设计而不会使得这些组件受损。因此，被设计成二次热回路的废热回路的通常使用的组件无需显著地改变构造或者无需采用特殊的材料即可使用。本发明的防冻单元在此既可以永久地被激活，或者例如根据内燃机的可预先给定的工作参数和/或根据环境温度至少暂时地被接通。按照本发明和随后的说明，废热回路或废热利用回路是二次热回路，否则被排放到周围空气中的内燃机冷却回路废热输入到该二次回路中。废热回路或废热利用回路在此是闭合的回路或循环过程。在回路中改变其物态的工质在所述回路中循环。按照本发明和随后的说明，内燃机的废热既可以是直接在内燃机区域中排出的废热，也可以是从内燃机废气获得的废热。其原因是，无论直接从内燃机排出的废热，还是从废气获得的废热，都是由在内燃机中进行的燃烧导致的。

根据本发明的一种特殊的实施方式，防冻单元是至少一种添加物质，其在添加给工质之后，会降低工质的冰点，即工质从液态的物态过渡为固态的物态时的温度。所使用的添加物质，例如酒精如乙醇（ethanol）或丙醇（propanol），其优选特征在于，其能与水混合，且冰点大大地小于水。工质和添加物质的混合物在工质罐中优选以液态形式存在，且在被引导经过废热利用回路的其它组件之前，从这里以优选的方式借助于供给水泵首先被输送给蒸发器。

因为对由供给罐到达蒸发器的工质的量进行控制，以便使得物质流符合整个系统的要求，所以还始终按照工质与添加物质之间的规定的混合比例将介质物质流输送给各个组件，特别是输送给蒸发器以及冷凝器。通过借助蒸发器出口温度对介质物质流的有利调节，确保进入到蒸发器中的介质以高于工质的组成部分的沸点的温度从蒸发器排出。因而尽管在蒸发器中有局部不同的蒸发区域，但在蒸发器的出口，混合物的所有组分都以蒸汽状态存在。由此特别是确保工质与添加物质不会因为这些物质的沸点不同而分解。

因此本发明的一种特殊改进方案规定，将蒸发器出口温度调节到比较高的水平，特别是调节到300℃，更特别合适地调节到高于350℃，高于两个组件的沸点温度，即分别高于工质以及添加物质的沸点温度。在冷凝情况下同样确保总是低于两个组分的沸点温度，从而这些组分又转变为液态，而添加剂在优选用作工质的水中溶解。由于工质总是彻底转变为蒸汽状态或液态，混合比在整个回路的相变过程中仍然相同。

内燃机的废热回路具有在那里循环的工质，能用作其防冻单元的特别合适的添加物质是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇，以及是由此衍生的或派生的化合物。相关地也可考虑使用酒精的合适的混合物。

前述酒精是简单的基本酒精（basisalkohol），其中通过改变分子链能以优选的方式有针对性地改变酒精的各种特性。

本发明的另一种特殊的改进方案规定，作为防冻单元，在被设计成二次热回路的废热利用回路中设置特殊的扩展体积部分。这种扩展和/或膨胀体积部分要么是附加的容器，要么由柔性的膨胀剂提供，这种膨胀剂在压力建立的情况下例如由形成的冰致使塌陷（nachgeben），且至少设置在二次热回路的构件处。

被设计成扩展和/或膨胀体积部分的前述防冻单元优选在废热利用系统的低压区域中使用。特殊的膨胀体积部分以有利的方式设置在罐、过滤器或冷凝液抽吸泵的区域中。优选扩展和/或膨胀体积部分至少在某些区段具有塑料，塑料由于其柔韧性，在工质冰冻时会不受损坏地发生体积膨胀。作为替代方案或补充方案，原则上可以考虑将低压区域中的管路设计成柔韧的塑料管路，特别是设计成聚酰氨管路。

为了在利用内燃机的废热的二次热回路的高压区域中提供附加的膨胀体积部分，可以考虑将管路设计成纤维增强的、针织物增强的和/或织物增强的高压热水软管，其纤维、针织物和/或织物与实心的特种钢管路相反，能在不受损坏的情况下承受一定的膨胀。这种高压软管提供了另一优点，即其要比实心的特种钢管路明显柔软且易于铺设。

根据本发明的另一种特别有益的设计方案，在蒸发器上和/或在冷凝器上设置有膨胀或扩展体积部分，其在内燃机和废热回路工作时并不完全装有工质。通过这种方式，在工质有可能发生冰冻时，纳入工质的附加体积，或者膨胀或扩展体积仅以一种形式膨胀，从而不会对蒸发器和/或冷凝器造成留下来的损坏。在这种情况下同样也可考虑适当地设计膨胀或扩展体积部分，使得其以适当的方式灵活地变形。作为其替代或补充方案，例如由于容器未完全装有工质，和/或通过使用用于容器的柔性的材料，也可以在供给罐的区域中提供补偿体积部分。优选通过供给罐本身提供补偿体积部分。

在本发明的一种特殊设计方案中，用于排出在内燃机和/或废气排出机构区域中产生的废热的车辆冷却系统的亦即至少一个一次回路的供给罐和补偿容器，在液压方面彼此分开地组合在一个构件中。通过这种措施以有利的方式确保，直至二次废热回路投入工作，在达到发动机运行温度之后，在供给罐中冰冻的介质至少部分地通过发动机冷却水的热量，又转变为液态的物态。

本发明的另一种特殊的改进方案规定，防冻单元具有至少一个加热机构，利用它来给工质加热。按照本发明使用的加热机构在此优选以两种不同的方式来使用。一方面可考虑利用一种合适的加热机构保持工质温热，另一方面，这种加热机构可用于加热设计成二次热回路的废热利用回路的管路或组件的介质。

就用于保持介质温热的系统而言，优选在废热回路中使用电的加热设备。加热机构可以设置在管路和/或各个组件如蒸发器、冷凝器或泵中。借助于加热机构使得工质的温度或者工质与至少一种其它物质的混合物的温度始终保持高于其冰点。

作为给介质保温的加热机构的补充或替代，为此可以使用对废热回路的管路和/或组件的工质进行加热的加热机构。在给工质加热时，对保留在二次热回路的管路和/或组件中的工质进行适当加热，使得所述工质在很大程度上蒸发。在加热过程结束之后，介质在废热回路的相应管路和/或组件中再次冷凝，从而保留在管路和/或组件中的介质的体积由于冷凝而显著减小。特别地，在管路和/或组件中，例如在蒸发器和/或冷凝器的管道中仅形成一些冷凝液滴，从而在工质的这些残余液滴发生冰冻时不会对受热的管路和/或组件造成损坏。

在本发明的一种特殊的实施方式中，对用于给工质加热的加热机构进行适当控制，使得在内燃机停止工作时，在内燃机停工时，或者一旦内燃机处于可预先给定的负载点或者处于该点之下，特别是处于空载转速时，就开始加热过程。

作为加热机构可以考虑采用不同的构件。一方面可以使用本来就设置在废热回路中的组件作为加热机构，用于加热一定的管路和/或组件，另一方面可以在废热回路中设置有附加的加热机构特别是电加热机构。

在加热过程的第一合适的变型方案中，利用废热回路的至少一个管路和/或至少一个组件的余热。为此，首先停止利用供给泵将工质输送到废热回路中。采取这种措施使得废热系统中的压力得以减小，且基于废热回路的各个组件的余热使得位于各个管路和/或组件中的、特别是位于蒸发器、冷凝器和/或连接管路中的工质蒸发。一旦通过余热而受热形成的蒸汽在废热回路的各个组件冷却时再次冷凝，则只有可忽略不计的少量冷凝液滴留在各个组件中，特别是留在冷凝器和/或蒸发器的管道中。相关地进行加热过程，使得在加热过程结束之后只有很少量的残余工质留在受热的管路和/或组件中，从而残余工质的相应液滴冰冻并不会损坏废热回路。

为了确保始终都有足够的余热用于使得留在废热回路中的工质蒸发，前述方法过程的一种改进方案规定，一旦各个管路和/或组件特别是蒸发器被离开内燃机的热废气加热到所需要的温度，在由内燃机和废热利用回路构成的整个系统启动时，才利用供给泵将工质泵入到废热回路中。所需要的温度是高于工质沸点的温度。

本发明的另一种特殊的实施方式规定，防冻单元具有用于吹洗、抽吸和/或自动清空废热回路的至少一个部件的机构。这种系统优选设置在废热回路的不能以适当的方式加热的实心构件的区域中。废热回路的各个组件不能被充分加热的原因通常是，这些组件没有足够的余热，和/或不能承受相应高的温度。

在吹洗时，在废热回路的适当部位暂时将空气吹入到系统中，所述空气将介质从废热回路的至少一个管路和/或组件特别是泵、蒸发器和/或冷凝器吹出。这种吹出不必强制地按照如下方式进行：将介质完全从相应的部件中去除。更确切地说，根据一种优选的改进方案规定，所述吹出仅进行一定时间或一定程度，直至有规定量的残余工质仍保留在相应的管路和/或组件中。因而吹出优选进行到一定程度，使得在被设置用于吹出的至少一个管路和/或组件中尚仅有一些量的残余液滴，这些残余液滴冰冻并不会以不允许的方式损坏废热系统。

在本发明的另一种特殊的改进方案中，借助于抽吸机构从废热回路的至少一个组件中抽吸出工质。抽吸出来的工质最好被输送回到补偿容器和/或供给罐中。优选在废热回路的受到工质冰冻的危险特别大的区域中进行抽吸。在抽吸时，例如利用靠电工作的泵将工质从废热回路的至少一个管路和/或组件中抽出。在此，在被设置用于抽吸的管路和/或组件中以优选的方式设置有一空间，保留在所述组件中的液体可以汇集在该空间中，且可以被泵抽走。采取这种措施可以使得废热回路的被设置用于抽吸的组件没有液体，或者至少确保位于其中的工质尚仅有一定的量或一些残余液滴，从而其冰冻不会对废热利用系统造成损坏。

涉及废热回路的至少一个组件的清空的另一特别合适的实施方式是自动清空。自动清空机构以优选的方式作为吹洗和/或抽吸机构的补充而设置。其原因主要是，利用自动清空机构，工质只有在如下情况下才能从废热回路的至少一个管路和/或组件中被去除，即，此点可以基于重力而实现。优选在如下情况下即为如此：在操纵自动清空机构时，工质在重力作用下可以从至少一个组件一直流到下一个抽吸或加热部位，或者流到补偿或供给介质容器。为了能够以优选的方式利用自动清空机构，使得废热回路的相应组件的设置高度高于工质在重力作用下的流动点。

附图说明

下面在不限制通用的发明构思的前提下，对照附图详细的介绍本发明。图中示出：

图1示出内燃机的废热利用回路；

图2示出被设计成加热机构的防冻单元，其用于给废热利用回路保温和/或加热；

图3示出废热利用回路的冷凝器，其具有用于抽吸工质的机构；

图4示出废热利用回路的蒸发器，其具有用于吹出工质的机构；以及

图5示出用于废热利用回路的组件的自动清空的机构。

具体实施方式

图1示出废热利用回路，利用它将内燃机的废热转换为机械功。为此，在内燃机中或者在排气系统中产生的废热，在它被提供给设计成二次热回路的废热回路之前，首先被传递至一次冷却回路。对于废热利用所需要的主要组件是：蒸发器1，工质在该蒸发器中从液态转变为蒸汽态；膨胀单元2，蒸汽态的工质在该膨胀单元中减压，由此输出机械功；冷凝器，工质在该冷凝器中在蒸发之前又被液化成初始状态。

下面详细地阐述图1中所示的设备配置的具体情况。借助于供给泵12将工质从供给罐5输入到废热利用回路中。分别被输入到回路中的、流经各个组件特别是蒸发器1a、1b和膨胀单元2的工质的量，根据内燃机的运行参数特别是有待排出的废热来控制。在并联连接的蒸发器1a和1b中，按如下方式利用内燃机的废热，即，在蒸发器1a中将废气反馈机构的废热，而在蒸发器1b中将在排气系的另一部位提供的废热，用于使得工质蒸发。作为工质，使用去离子水，去离子水特别是由于其热动力特性、易于运输和成本低廉而相比于其它工质具有优势。

在蒸发器1a和1b中，工质发生蒸发，如果作为防冻剂添加有酒精，则添加物质发生蒸发。蒸汽通过三通阀6被引导至膨胀单元。在膨胀单元2中，蒸汽至少部分地减压，减压后的工质被输送至废热利用回路的管路。与膨胀单元2并联连接的节流阀7一方面用于系统的启动和切断，另一方面用于排出蒸汽状的工质的根据相应的功率要求并非规定用于减压的部分。

所有减压后的工质现在都被输送至冷凝器3，工质在该冷凝器中在排出热量的情况下又被液化成最初的状态，然后被冷凝液抽吸泵8经由过滤器9被输送到供给罐中。

基于在这里产生的工质状态参数，可以将废热利用回路粗略地分成三个区域，即低压区、高压液态区和高压蒸汽区。这三个区或者设置在相应区中的组件和管路在不同程度上受到工质冰冻的危险。

由于在高压蒸汽区域冷却时，蒸汽首先减压，最后冷凝，从而在废热利用系统停止工作时，工质仍然以液滴形式存在，则该区域不会工质可能冰冻的危险。三通阀7、膨胀单元2和节流阀7就位于该区域中。在有些情况下，在膨胀单元2的后面还设置有止回阀。连接管路在该区域中被设计成特种钢管路。

冷凝器3、冷凝液抽吸泵8、过滤器9以及供给罐5位于低压区域中。如果不采取适当的保护措施，则在工质冰冻时，在该区域中会使得管路和/或设备组件受到严重损坏。出于这个原因，在此设有多种防冻剂。首先，在需要时可以给工质输送少量丙醇。此外，连接管路在冷凝器3的出口和供给泵的入口之间被设计成聚酰氨管路，这种管路以一定的柔韧性见长。另外，以适当的方式将冷凝液抽吸泵8和过滤器9，至少将过滤器9，设置在供给罐5的上方，从而就这些组件而言，在废热利用设备停止工作时，工质自动清空到供给罐5中。另外规定，在停止工作之后保留在冷凝器3中的工质至少在很大程度上被冷凝液抽吸泵8抽走，并输入到供给罐5中。通过这种方式使得在冷凝器3中最大程度地保留有以液滴形式存在且在冰冻时不会危及冷凝器3的工质残余量。

供给罐5和车辆冷却系统的形成防冻单元4的至少一部分的补偿容器在液压方面彼此分开地组合在一个构件中。由此确保在达到发动机运行温度之后，直至二次废热回路投入工作，在供给罐中冻结的介质至少部分地通过发动机冷却水的热量又转变为液态的物态。

供给泵12以及在流体技术上并联布置的蒸发器1a和1b位于高压液态区域中，该区域在工质冰冻时会受到特别严重的受损危险。

布置在该区域中的连接管路被设计成高压软管。这种管路在此是由含有橡胶或塑料的基本材料构成的柔性软管，这种基本材料中植入有织物。这种软管的优点一方面在于，它是柔性的，因而易于装配，另一方面在于，它还承受高压，所述高压可能由于工质冰冻而引起。

另外，在蒸发器1a和1b中设置有加热机构，这些加热机构在需要情况下将工质加热到高于介质冰点的温度。此外就图1中所示的实施方式而言，蒸发器被加热到一定温度，使得在停止工作时能确保保留在蒸发器1a、1b中的工质蒸发，从而最终只有残余量的工质以液滴的形式保留在蒸发器1a、1b中，只有在这个时候，供给泵12或流量调节阀13才投入工作，进而将工质输入到包括蒸发器1a和1b在内的废热利用回路中。由此在所述残余量的工质冰冻时，蒸发器1a、1b也不会受到相应的损坏危险。

作为结合图1所述实施方式的补充，在图2至5中示出专用的防冻机构，这些防冻机构总是可以补充地或者替代地整合到根据图1的设备配置中。

在图2中示出蒸发器1，其既可以用作利用废气反馈机构的废热的蒸发器1a，但也可以用作利用在排气系的其它部位产生的废热的蒸发器1b。在蒸发器1中设置有靠电工作的加热机构10，其优选形式为至少一个加热丝，利用它在需要的情况下将蒸发器1的管道加热到高于工质冰点的温度。另外在内燃机和/或废热利用回路停止工作时，借助于加热机构10将工质加热到高于工质沸点（siedepunkt）的温度，从而使得工质蒸发，且在蒸发器冷却之后，仅有残余量以液滴的形式保留在蒸发器1中。在液滴冻结时也不必担心蒸发器1受损。

图3示出连接在冷凝液抽吸泵8之后的冷凝器3。在废热利用回路停止工作时，借助于冷凝液抽吸泵8将工质完全抽走，或者至少抽吸到一定程度，使得保留在冷凝器3中的残余量工质在冰冻时不会对冷凝器3造成损坏。

图4中示出一种实心结构的蒸发器1，这种蒸发器由于其构造形式不适合作为防冻机构用于加热工质。在这种情况下，作为防冻单元，设置有用于从蒸发器1吹出工质的机构11。在内燃机和/或废热利用回路停止工作时，利用吹气喷嘴11至少将一定量的工质从蒸发器中吹出，使得当在有些情况下保留下来的工质冰冻时，所述工质不会对蒸发器1造成损坏。工组介质以适当方式从蒸发器1中被吹出，从而工质流回到输送管路中，或者进一步流入到支路中，且至少部分地流入到供给罐5中。

最后，图5示出用于自动清空的机构作为防冻单元4的应用。在这里，设置有补偿罐13作为扩展体积部分，其未完全地装有工质。替代地或补充地，供给罐5同时也可以具有扩展体积的功能。

在所示情况下，过滤器9设置在补偿罐的上方，从而在废热利用回路停止工作时，位于过滤器中的工质受重力影响而流入到补偿罐中。如果由于流动阻力，情况本来并非如此，则可以在过滤器9的与补偿罐13相对的一侧设置有止回阀，从而可靠地防止工质回流到废热利用回路中。

附图标记列表

1蒸发器

2膨胀单元

3冷凝器

4防冻单元

5供给罐

6三通阀

7节流阀

8冷凝液抽吸泵

9过滤器

10加热机构

11吹出机构

12供给泵

13补偿罐

14流量调节阀

15止回阀。