本公开总体上涉及一种发动机系统，并且更具体地涉及一种用于发动机系统的废热回收系统。
背景技术：
与发动机系统相关联的废热回收系统可以包括与发动机的排气流热连通的蒸发器。蒸发器可配置成吸收排气流的热能并将排气流的热能传递到流过与废热回收系统相关联的工作流体导管的工作流体。废热回收系统可额外地包括流体地位于蒸发器下游的涡轮膨胀器，其配置成当工作流体穿过涡轮膨胀器时产生功。而且，该系统可以包括流体地位于膨胀器下游的冷凝器，并且该冷凝器可以将离开所述膨胀器的蒸气相工作流体冷凝成液相工作流体。最后，这样的系统可以包括流体地位于冷凝器下游但流体地位于蒸发器上游的泵。该泵可用于推动工作流体通过废热回收系统。
有效控制废热回收系统的一个关键方面是测量并随后调节工作流体质量流量。通常，废热回收系统设计师通过安装专用的质量或体积流量计，例如科里奥利流量计来测量工作流体质量流量或使用涡轮或其他类型的体积流量计来测量体积流量，然后基于流体的热状态来计算质量流速，从而解决该问题。这些选项中的每一个都很昂贵。
本公开旨在克服上述的一个或多个问题和/或与已知废热回收系统相关的其他问题。
技术实现要素：
根据本公开的一个方面，公开了一种废热回收系统。废热回收系统可以包括涡轮膨胀器。涡轮膨胀器可以包括可旋转地联接到轴的涡轮叶片，并且该轴可以与喷嘴环可旋转地接合。喷嘴环可以包括拉伐尔喷嘴。废热回收系统可以额外地包括压力传感器。压力传感器可以流体地位于拉伐尔喷嘴的上游并流体地位于蒸发器的下游。压力传感器可配置成测量工作流体的压力并传输工作流体压力信号。此外，废热回收系统可以包括电子控制器。电子控制器可以配置成接收工作流体压力信号并且响应于工作流体压力信号来传输工作流体流量调节信号。
根据本公开的另一方面，公开了一种发动机系统。发动机系统可以包括发动机和排气导管。排气导管可以位于发动机的下游并流体地联接至发动机并且配置成将排气流输送离开发动机。发动机系统可以额外地包括蒸发器。蒸发器可以与排气流和涡轮膨胀器热连通。涡轮膨胀器可以包括具有拉伐尔喷嘴的喷嘴环。而且，发动机系统可以包括工作流体导管，该工作流体导管将蒸发器与涡轮膨胀器流体地联接。此外，发动机系统可以包括压力传感器。压力传感器可以与工作流体导管可操作地关联并且被定位在蒸发器和拉伐尔喷嘴之间。此外，压力传感器可配置成测量工作流体导管中的工作流体的压力并传送工作流体压力信号。此外，发动机系统可以包括电子控制器。电子控制器可以配置成接收工作流体压力信号并且响应于工作流体压力信号传送工作流体流量调节信号。
根据本公开的另一实施例，公开了一种操作废热回收系统的方法。该方法可包括将压力传感器流体地位于涡轮膨胀器的拉伐尔喷嘴的上游并流体地位于蒸发器的下游。压力传感器可配置成测量工作流体的压力并传输工作流体压力信号，而涡轮膨胀器可包括可旋转地联接至轴的涡轮叶片，并且该轴可与喷嘴环可旋转地接合。喷嘴环可以包括拉伐尔喷嘴。该方法可以额外地包括将温度传感器流体地位于涡轮膨胀器的拉伐尔喷嘴的上游并且流体地位于蒸发器的下游。温度传感器可配置成测量工作流体的温度并传输工作流体温度信号，而涡轮膨胀器可包括可旋转地联接至轴的涡轮叶片，该轴与喷嘴环可旋转地接合并且该喷嘴环可以包括拉伐尔喷嘴。此外，该方法可以包括配置电子控制器以接收工作流体压力信号和工作流体温度信号，利用工作流体压力信号和工作流体温度信号计算工作流体质量流量，并且响应于工作流体压力信号和工作流体温度信号来传输工作流体流量调节信号。此外，该方法可以包括配置流动控制装置以接收工作流体流量调节信号并响应于工作流体流量调节信号来改变工作流体质量流量。最后，该方法可以包括确定工作流体流量是否需要调节并且当工作流体质量流量需要调节时将工作流体流量调节信号传输至所述流动控制装置。
当结合附图阅读时，将更容易理解本公开的这些和其他方面与特征。
附图说明
图1示出了根据本公开的一个方面的示例性发动机系统的框图。
图2示出了根据本公开的一个方面的示例性废热回收系统的示意图。
图3示出了可以与根据图2的示例性废热回收系统一起使用的示例性涡轮膨胀器的剖视局部横截面视图。
图4示出了可结合图2的废热回收系统使用的示例性控制系统的框图。
图5是示出了根据本公开的另一方面的带有图4的控制系统的用于操作图2和图3的废热回收系统的方法的示例性步骤的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本公开的各个方面，其中，其中除非另有指定，否则相同的附图标记表示相同的元件。参考图1，根据本公开的一个方面，示出了示例性发动机系统10的框图。发动机系统10可以包括发动机12，该发动机例如可以是诸如往复式活塞发动机或燃气涡轮发动机的内燃机。根据本公开的一个方面，发动机12是燃气涡轮发动机、火花点火发动机或诸如柴油发动机或本领域已知的其它压燃式点火发动机12的压燃式点火发动机。
发动机12可以用于向包括但不限于汽车、海上运输工具、发电机、泵、公路货车、越野载重车等任何机器提供动力。在一个实施例中，发动机12可以用于向公路货车提供动力。然而，发动机系统10可以与任何行业相关联，包括但不限于运输、建筑、林业、农业、材料处理、海运等。发动机系统10可以包括位于发动机12下游并流体地联接至发动机12的排气导管14。排气导管14可配置成将排气流16输送离开发动机12。发动机系统10还可以包括涡轮增压器系统18，该涡轮增压器系统流体地位于发动机12的下游并且与排气流16流体连通。涡轮增压器系统18可配置成从排气流16提取功以增加发动机12的入口流的压力。
发动机系统10还可以包括废热回收系统20。废热回收系统20可以流体地位于发动机12和涡轮增压器系统18的下游。相应地，涡轮增压器系统18可沿排气导管14位于废热回收系统20的上游。废热回收系统20可以与排气流16热连通。废热回收系统20还可以包括电子控制器22，该电子控制器可以配置成接收工作流体压力信号24并且响应于工作流体压力信号24传输工作流体流量调节信号26。电子控制器22可以是任何类型的电子处理器，例如在发动机12或采用发动机12的机器上的专用处理器。替代性地，电子控制器22可以是与废热回收系统20特定关联的独立的装置。
本公开的示例性废热回收系统20在图2的示意图中示出。如上所述，废热回收系统20可以与排气流16热连通。更具体地说，如图2所示，当排气流16通过蒸发器32时，排气导管14内的排气流16可将来自排气流16的热量(q)传递到在工作流体导管30中流动的工作流体28。随后，工作流体28可以继续通过废热回收系统20移动到涡轮膨胀器34。涡轮膨胀器34可以通过工作流体导管30流体地位于蒸发器32的下游并且与蒸发器32流体连通。涡轮膨胀器34可配置成当工作流体28穿过涡轮膨胀器34时产生功。
而且，如图2所示，废热回收系统20可以包括冷凝器36，该冷凝器通过工作流体导管30流体地位于涡轮膨胀器34的下游并与涡轮膨胀器34流体连通。冷凝器36可配置成冷凝离开涡轮膨胀器34的气相的工作流体28，从而在离开冷凝器36之后产生液相的工作流体28。此外，废热回收系统20可以包括流动控制装置38，其通过工作流体导管30流体地位于冷凝器36的下游并且与冷凝器36流体连通。而且，如图2所示，流动控制装置38可以通过工作流体导管30流体地位于蒸发器32的上游并与蒸发器32流体连通。流动控制装置38可配置成以一种或多种速度调节通过废热回收系统20的工作流体28的流量。在一个实施例中，流动控制装置38可以是泵，诸如例如活塞泵或隔膜泵。在另一个实施例中，流动控制装置38可以是阀，例如蝶形阀或节流阀。
现在转到图3，示出了可以与图2的废热回收系统20一起使用的示例性涡轮膨胀器34的剖视局部剖视图。更具体地，如其中所见，涡轮膨胀器34可以包括可旋转地联接到轴42的涡轮叶片40。轴42可以与喷嘴环44可旋转地接合，并且喷嘴环44可以包括特定类型的喷嘴，例如拉伐尔喷嘴46。拉伐尔喷嘴46是会聚-发散型喷嘴。如图3所示，拉伐尔喷嘴46可以包括会聚部分48和发散部分50。由于该涡轮膨胀器34包括拉伐尔喷嘴46，所以在一个实施例中，涡轮膨胀器34可以是部分进气脉冲式涡轮膨胀器34。
如上所述，废热回收系统20的有效控制的关键方面是测量并随后调节工作流体质量流量52。通常，废热回收系统20的设计者通过使用专用的质量或体积流量计，例如科里奥利或涡轮式流量计来解决这个问题。由于图3中描绘的涡轮膨胀器34利用拉伐尔喷嘴46，工作流体28通过拉伐尔喷嘴46的流动最多被阻塞，而不在所有的操作状况下。因此，存在拉伐尔喷嘴46上游的工作流体28的压力和温度与工作流体质量流量52之间的简单相关性。更具体地，在一个示例中，工作流体质量流量52可以通过下面的公式1来计算：
其中
如上所述，为了计算工作流体质量流量52，应该知道拉伐尔喷嘴46上游的工作流体28的压力和温度。更具体地说，并且回到图2，在蒸发器32和涡轮膨胀器34之间的工作流体导管30的区段中的工作流体28的压力和温度应该是已知的。因此，根据本公开的废热回收系统20可以额外地包括压力传感器54。该压力传感器54可流体地位于拉伐尔喷嘴46的上游并流体地位于蒸发器32的下游。此外，压力传感器54可配置成测量工作流体28的压力并传输工作流体压力信号24。此外，如图2所示，废热回收系统20还可以包括温度传感器58。温度传感器58可流体地位于拉伐尔喷嘴46的上游，并流体地位于蒸发器32的下游。此外，温度传感器58可配置成测量工作流体28的温度并传输工作流体温度信号60。在一个实施例中，压力传感器54和/或温度传感器58可以操作地与涡轮膨胀器34和蒸发器32之间的工作流体导管30相关联。替代性地，并转到图3，涡轮膨胀器34可以包括壳体62，该壳体至少部分地限定拉伐尔喷嘴46上游的充气室64。因此，在这样的实施例中，压力传感器54和/或温度传感器58可以与充气室64可操作地关联。
回到图1和2，电子控制器22可以进一步配置为接收工作流体温度信号60，并且利用工作流体压力信号24和工作流体温度信号60、诸如上面的等公式1来计算工作流体质量流量52。此外，电子控制器22还可以配置为例如在使用上面的公式1时响应于工作流体压力信号24和工作流体温度信号60来传输工作流体流量调节信号26。此外，流动控制装置38可以进一步配置为从电子控制器22接收工作流体流量调节信号26并且响应于工作流体流量调节信号26改变工作流体质量流量52。
现在转到图4，可以与图2中所公开的废热回收系统20一起使用的示例性控制系统被示出并且通常由附图标记66表示。控制系统66可以包括先前描述的压力传感器54和温度传感器58。此外，如图4所示，压力传感器54和温度传感器58可以分别可操作地联接至电子控制器22。此外，压力传感器54可配置成将工作流体压力信号24传输至电子控制器22，而温度传感器58可配置成将工作流体温度信号60传输至电子控制器22。为了促进这种操作，电子控制器22可以被实施为控制废热回收系统20的操作。更具体地说，如利用上面描述的公式1所示那样，电子控制器22可以包括用于执行特定程序的微处理器68，该程序控制和监测与废热回收系统20相关联的各种功能，诸如接收工作流体压力信号24、接收工作流体温度信号60并且计算工作流体质量流量52。此外，微处理器68可以包括用于存储一个或多个程序的、诸如只读存储器(rom)72的存储器70以及用作用于执行存储在存储器70中的程序的工作区的随机存取存储器(ram)74。例如，公式1可以被存储在存储器70中。尽管示出了微处理器68，但也可以并考虑使用其他电子组件，例如微控制器、asic(专用集成电路)芯片或任何其他集成电路装置。
电子控制器22可以可操作地连接至流动控制装置38，例如泵、阀或其他流动控制设备。此外，电子控制器22可以将工作流体流量调节信号26传输到流动控制装置38以使流动控制装置38增加流量。作为响应，并且当流动控制装置38是泵时，该泵可以增加其速度，由此增加废热回收系统20中的工作流体质量流量52。附加地或替代性地，当流动控制装置38是阀时，该阀可朝向打开位置致动，从而增加废热回收系统20中的工作流体质量流量52。替代性地，电子控制器22可以将工作流体流量调节信号26传输到流动控制装置38以使泵降低其速度。作为响应，泵可以降低其速度，从而减少废热回收系统20中的工作流体质量流量52。附加地或替代性地，当流动控制装置38是阀时，该阀可朝着关闭位置致动，从而减小废热回收系统20中的工作流体质量流量。替代性地，电子控制器22可以确定不需要调节工作流体质量流量52。在这种情况下，电子控制器22可以不将工作流体流量调节信号26传输到泵38。
工业实用性
在操作中，本公开的教导可以在许多工业应用中找到适用性，例如但不限于在用于向汽车、公路货车、越野载重车、海洋交通工具、发电机，泵等供电的发动机系统10的废热回收系统20中的用途。发动机12可以是例如燃气涡轮发动机、火花点火发动机或诸如柴油发动机或本领域中已知的其它压燃式点火发动机的压燃式点火发动机。
现在参照图5，示出了示例性流程图，其描绘了可被采用以利用本公开的废热回收系统20和控制系统66来操作废热回收系统20的示例步骤序列。该方法的步骤76可以包括确定工作流体质量流量52是否需要调节。例如，如上所述，压力传感器54可以测量拉伐尔喷嘴46上游的工作流体28的压力，并将工作流体压力信号24传输至电子控制器22。此外，温度传感器58可以测量拉伐尔喷嘴46上游的工作流体28的压力，并将工作流体温度信号60传输至电子控制器22。电子控制器22可以例如利用公式1来计算工作流体质量流量52，并且将计算出的值与存储在存储器70中的值进行比较。如果电子控制器22确定工作流体质量流量52不需要调节，则可以在步骤78维持当前状况并且该方法可以返回到步骤76。
然而，如果工作流体质量流量52确实需要调节，则电子控制器22可以在步骤80确定工作流体质量流量52是否太高。如果工作流体质量流量52太高，则电子控制器22可以将工作流体流量调节信号26传输到流动控制装置38以使流动控制装置38降低速度或朝关闭位置致动，由此在步骤82处减小工作流体质量流量52。随后，该方法可以返回到步骤76。
然而，如果工作流体质量流量52太低，则电子控制器22可以将工作流体流量调节信号26传输到流动控制装置38以使泵增加其速度或阀朝向打开位置致动，由此在步骤84处增加工作流体质量流量52。随后，该方法可以返回到步骤76。
以上描述仅意味着代表性的，并且因此可以对在本文中所描述的实施例进行修改而不偏离本公开的范围。因此，这些修改落入本公开的范围内并且旨在落入所附权利要求内。