包括兰金循环RC子系统的废热回收系统和内燃机系统 |
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| 申请号 | CN201180039506.8 | 申请日 | 2011-08-09 | 公开(公告)号 | CN103180553B | 公开(公告)日 | 2015-11-25 |
| 申请人 | 康明斯知识产权公司; | 发明人 | T·C·恩斯特; C·R·尼尔森; | ||||
| 摘要 | 本公开提供了一种包括用于转换来自 内燃机 的废气的热的兰金循环(RC)子系统的废热回收(WHR)系统，以及包含废热回收系统的内燃机。该WHR系统包括废气 热交换器 ，该废气热交换器 流体 地连接到废气后处理系统的下游并适于将来自废气的热传递到RC子系统的 工作流体 。 能量 转换装置流体地连接到废气热交换器，并适于接收 蒸发 的工作流体并转换传递的热的能量。WHR系统包括控 制模 块 ，该 控制模块 适于基于所检测的、后处理系统的预定 热管 理策略的后处理事件来控制RC子系统的至少一个参数。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种包括兰金循环RC子系统的废热回收系统，该RC子系统用于转换来自内燃机的废气的热能，所述废热回收系统包括： |
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| 说明书全文 | 包括兰金循环RC子系统的废热回收系统和内燃机系统[0001] 相关申请的交叉引用 技术领域背景技术[0006] 兰金循环(RC)，如有机兰金循环(ORC)，可以捕获通常会被浪费的一部分热能(废热)并将所捕获的热能的一部分转换成可执行有用功的能量。使用RC的系统有时也被称为废热回收(WHR)系统。例如，来自内燃机系统的热，如废气热能或其它发动机废热源(如，机油，增压气体，发动机缸体冷却套)，可被捕获并转换为有用能(例如，电能和/或机械能)。以这种方式，一部分废热能量可被回收，以提高包括一个或更多个废热源的系统的效率。 发明内容[0007] 本公开涉及使用包括兰金循环(RC)子系统的废热回收(WHR)系统，以有效地捕获来自废气后处理系统的热能。 [0008] 在本公开的一个方面，WHR系统具有用于转换来自内燃机的废气的热能的RC子系统，并包括在废气后处理系统的下游流体地连接的废气热交换器。该废气热交换器适于将来自废气的热传递到RC子系统的工作流体，能量转换装置流体地连接到废气热交换器并适于接收具有所传递的热的工作流体并转换所传递的热的能量，冷凝器流体地连接到能量转换装置并适于接收能量被转换的工作流体，并且泵具有位于冷凝器的下游且流体地连接到冷凝器的出口的入口和位于热交换器的上游且流体地连接到热交换器的入口的出口。该泵适于将流体从冷凝器移动到热交换器。WHR系统还包括控制模块，该控制模块适于基于所检测的、后处理系统的预定热管理策略的后处理事件来控制RC子系统的至少一个参数。 [0009] 在本公开的另一个方面，一种内燃机包括：发动机缸体，其包括多个汽缸；排气歧管，其流体地连接到该缸体，并适于提供为气缸内的燃烧产生的废气提供通道；废气后处理系统，其流体地连接到排气歧管，且包括柴油机氧化型催化剂(DOC)和颗粒过滤器(PF)；以及包括兰金循环RC子系统的废热回收系统。RC子系统包括：热交换器，其流体地连接到废气后处理系统的下游并适于将来自废气的热传递到RC子系统的工作流体；以及能量转换装置，其流体地连接到废气热交换器并适于接收具有传递的热的工作流体，并转换所传递的热的能量。该内燃机包括控制模块，该控制模块适于基于所检测的、后处理系统的预定热管理策略的后处理事件来控制RC子系统的参数。附图说明 [0010] 图1是根据一个概括的示例性实施方式的废热回收系统的图，该废热回收系统包括用于可控地从废气后处理系统捕获热能的RC子系统。 [0011] 图2是根据示例性实施方式的废热回收系统的图，该废热回收系统包括用于可控地从包括选择性催化还原(SCR)元件的废气后处理系统捕获热能的RC子系统。 [0012] 图3是根据示例性实施方式的废热回收系统的图，该废热回收系统包括用于可控地从包括SCR元件的废气后处理系统捕获热能的RC子系统，其中后处理系统与RC子系统的热交换器相集成。 [0013] 图4A和图4B示出了根据示例性实施方式的热交换器和旁路阀组件的横截面。图4C和图4D示出了包括图4A和图4B的热交换器和旁路阀组件的集成的后处理系统组件的横截面。图4C示出了处于打开位置的旁路阀。图4D示出了处于闭合位置的旁路阀。 [0014] 图5是根据示例性实施方式的废热回收系统的图，该废热回收系统包括RC子系统并把废气后处理系统的SCR夹在中间用于可控地从后处理系统捕获热能，其中两个热交换器部分被流体地连接到RC子系统。 具体实施方式[0015] 在下文中，结合示例性实施方式对各个方面进行描述。然而，本公开不应该被解释为限于这些实施方式。相反，提供这些实施方式，从而本公开是全面的和完整的，并且将向本领域技术人员全面地传达其范围。为了清楚和简洁，可以不提供对公知的功能和结构的说明。 [0016] 与本公开相一致的实施方式通过使用内燃机废气热能和废气后处理系统所产生的热能可提高发动机的热效率，更特别地，提高柴油发动机系统的热效率。更具体地，WHR系统的实施方式使用RC(例如，ORC)子系统在至少部分的发动机废气后处理系统之后传递/转换热，以重新捕获来自发动机本身的一部分废热能量以及还重新捕获来自后处理废热。WHR系统重新捕获由于带有后处理系统的发动机的热管理策略引起的高温热能以及来自废气的常规热能量。WHR系统与发动机热管理策略和发动机负载通信来调整RC子系统的参数，以提高发动机的效率、后处理效率和/或优化最大热能回收的条件。 [0018] 在示例性WHR系统中，例如，在颗粒过滤器(PF)(也被称为颗粒物(PM)过滤器)的再生过程中用于增加废气流温度的一部分能量被回收并转换，以按照能够增加包括WHR系统的系统的整体效率度量的方式使用。在柴油发动机系统中所使用的PM过滤器被称为柴油机颗粒过滤器(DPF)。众所周知，DPF的再生是涉及燃尽或“氧化”烟灰以及在过滤器中积累的其它PM的过程。然而，由于柴油机废气温度通过不足够高以燃烧积累的PM，已经使用了用来提高废气温度或降低氧化温度的各种方法。 [0019] 废气温度的增加可源于发动机废气的热管理，例如，定量供给燃料或改变发动机操作参数，或源于对颗粒过滤器中的烟尘负载的氧化。例如，尽管废气温度也可以通过改变发动机参数而被升高，柴油机燃料可被供给(注射)进入发动机的废气以升高温度并再生PF。本文所描述的WHR系统的实施方式可以重新捕获一部分发动机废气能以及氧化过滤器中的烟尘所产生的热。WHR系统与发动机控制模块(ECM)(也被称为发动机控制单元(ECU))通信，以按照预测方式来调节RC参数，以对基于发动机运行和后处理系统的热管理改变热负载作出解释，如柴油机氧化型催化剂(DOC)和DPF过滤器。在正常的操作条件下，例如，当发动机没有处于过滤器再生模式时，该系统仍然可以在较低温度下从发动机废气中回收能量。 [0020] 图1是根据示例性实施方式的WHR系统100的图。WHR系统100流体地连接到废气后处理系统102，废气后处理系统102顺次经由管道103流体地连接到内燃机106的排气歧管(EXH.MAN.)104。尽管后处理系统102可包括一个或更多个其它的后处理元件，并且多个元件可被设置为集成装置，从排气歧管104排出的废气被提供给DOC 108，DOC 108设置在强大的颗粒过滤器(RPF)110(或另一类型的PF，例如DPF)的上游并且流体地连接到该过滤器上。DOC 108被设置在RPF 110的上游，以氧化NO而生成NO2(要求准确的控制以保持发动机排出的废气中的NO/PM的质量比)，NO2顺次又氧化下游RPF 110内的PM。另选地，可通过经由各种热管理途径，例如，发动机管理，燃料燃烧器，电阻加热线圈或后期燃料喷射(进入发动机汽缸)提高废气温度来主动实现再生。主动系统可使用燃烧周期后期柴油机燃料的脉冲，来穿过催化剂进行氧化，从而加热RPF 110并氧化捕获的PM。 [0021] 如图1所示，WHR系统100包括将废气的热能传递到ORC的工作流体的ORC子系统，但是也可以使用另一种类型的RC工作流体。更具体地，WHR系统100的ORC子系统包括泵112(例如，进料泵或液体泵)，泵112使得ORC子系统的液体工作流体在高压强下沿导管113移动到锅炉(热交换器)114的入口。锅炉114包括经由管道105流体地连接到废气后处理系统102的热交换通道。流经锅炉114的废气流向ORC子系统的工作流体传递TM热。ORC的工作流体可以是有机工作流体，如霍尼韦尔(Honeywell)的Genetron R-245fa、TM Therminol 、陶氏化学公司的Dowtherm J、三氟乙醇(Fluorinol)、甲苯、十二烷、异十二烷(isododecane)、甲基十一烷(methylundecane)、新戊烷、新戊烷、辛烷、或水/甲醇混合物，或例如非有机RC实施方式中的蒸汽。在锅炉114中，工作流体沸腾并产生高压蒸汽，高压蒸汽从锅炉114排出并在导管117中流动到诸如高压强膨胀器(例如，涡轮机)的能量转换装置116的入口。 [0022] WHR系统100的ORC子系统的能量转换装置116能够产生额外的功或能够将能量传递到另一装置或系统。例如，能量转换装置116可以是由于工作流体蒸汽的膨胀而旋转以提供额外的功的涡轮机，该额外的功可以供给发动机的动力传动系统以机械地或电力地(例如，通过转动发电机)补充发动机的功率，或者它可用于为电气设备，寄生效应或蓄电池(未示出)供电。另选地，能量转换装置可用于在系统之间(例如，将热能从WHR系统100传递到加热系统的流体)传递能量。 [0023] 从能量转换装置116出口排出的工作流体(例如，涡轮机的膨胀气体)通过管道119流入到冷凝器118，其中工作流体被冷却和冷凝。冷凝器由低温源(LTS)120冷却，该低温源例如为包括冷凝器冷却器(未示出)和冷凝器冷却器泵(未示出)的液体冷却回路，例如，乙二醇冷却回路和/或直接带有空气冷却的热交换器(例如，冲压空气)。 [0024] 冷凝和冷却的工作流体从冷凝器118的出口排出并沿导管121在较低的压力下被提供给泵112，泵112增加了工作流体的压力以重复RC。虽然未示出，但是WHR系统100的ORC子系统可包括其它部件，例如设置有锅炉114的过热器、将来自于工作流体的热量从能量转换装置的出口传递到在泵112和锅炉114之间的经冷却工作流体的同流换热器、一个或更多个接收器，和/或一个或更多个其它部件。 [0025] 再次参照图1，WHR系统100包括控制模块160，该控制模块160例如可以是监测发动机106和废气后处理系统102的其它元件的性能的ECU(或ECM)。控制模块160可以是单个单元或共同执行WHR系统100的ORC的这些监测和控制功能的多个控制单元。虽然图1示出了控制模块包括在WHR系统100内，但是可以理解的是，控制模块160可与系统分开设置，并经由一个或更多个数据路径和/或电源路径与WHR系统100电通信。控制模块160还可以使用传感器，如压力传感器、温度传感器、NOx传感器和NH3传感器，来监测WHR系统 100的组件和/或废气后处理系统102，并确定这些系统是否正常工作。 [0026] 控制模块160可以基于后处理系统的所检测到的预定热管理策略的后处理事件产生控制信号来控制RC子系统的至少一个参数。本文所描述的由传感器所提供的信息和可能的其它信息例如被存储在与控制模块160集成或分离的数据库或存储器中。在控制模块160、传感器和其它装置之间的示例性信号路径在图1中用虚线162-166绘示出。可以理解的是，虚线162-166可以表示硬接线的或无线的通信路径。 [0027] 控制模块160可包括处理器和被存储在如存储器的计算机可读介质上的软件或程序形式的模块，其可由控制模块160的处理器执行。在另选的实施方式中，控制模块160的模块可包括用于执行一些或全部或部分的处理的电子电路，包括模拟和/或数字电路。这些模块可包括软件、电子电路以及基于微处理器的组件的组合。控制模块160可以接收表示发动机性能和废气成分的数据，包括但不限于发动机位置传感器数据、速度传感器数据、废气质量流量传感器数据、燃料速率数据、压力传感器数据、来自遍及发动机106和废气后处理系统102的位置的温度传感器数据、与WHR系统100的一个或更多个元件有关的数据，以及其它数据。然后，控制模块160可随后产生控制信号并输出这些信号，以控制发动机106、废气后处理系统102和WHR系统100中的各种组件。 [0028] WHR系统100可重新捕获一部分用于热管理的热能，如除了发动机106产生的正常废气热能之外的再生(例如，定量供给燃料)。由于WHR系统100被设置在RPF 110(或其它类型的PF)的下游，WHR系统100可从对RPF 110内的烟尘的氧化重新捕获一部分能量。WHR系统100的一个或更多个元件之间的通信，例如WHR系统100的控制模块160(例如，ECM和/或其它控制模块)和元件之间的通信，使得WHR系统100能够基于所检测到的预定热管理策略的后处理事件(如RPF的定期再生，在这种情况下，所检测到的事件是使用中的计数器的期满时间)调节兰金循环参数。预定热管理策略的另一可检测到的后处理事件(以下称为“后处理事件”)可包括跨DPF的增量压力测量值达到预定阈值的通知。另一可检测的后处理事件可以是烟尘负载预测因子算法(predictor algorithm)，确定再生要被执行并向控制器160提供通知：再生将发生或正在进行中。 [0029] 在一个实施方式中，在检测到后处理事件时，例如通过控制泵速、流量限制器、和/或一个或更多个阀来调整ORC循环中工作流体的流率，可以在如高发动机负载的高热输入条件期间或在PF再生期间按照预测方式增加RC子系统的参数，ORC子系统的工作流体的流速，以解决增加的热输入。这可通过链接到ECM的控制系统(即，经由与ECM协同工作的控制模块160)、通过ECM本身(即，其中控制模块160是ECM)、或经由ECM的控制模块160来完成。 [0030] 在另一实施方式中，WHR系统100(和符合本公开的WHR系统的其它实施方式)可包括系统组件之间和周围的旁路路径。例如，对于包括同流换热器的WHR系统，可以设置旁路阀以完全地或在某些有限程度上绕过同流换热器，如在2008年3月31日提交的美国专利申请No.12/058，810所公开的，该美国专利申请于2011年8月16日发布为美国专利No.7997076，其全部内容通过引用并入本文。在检测到后处理事件时，控制同流换热器的旁路的阀可被控制，以使得工作流体最大化热回收的量。在另一个实施方式中，可以将传感器设置在工作流体路径中，以检测后处理事件的发生。如图1所示，温度传感器170被设置在从锅炉114上游的废气流动路径内。控制器接收作为温度检测结果而产生的信号，并监测温度超过一个或多个阈值(例如，用于对应于速度/负载)的时间。当所检测到的温度特性表示后处理事件时，控制器可适当调整RC子系统参数以增加废热收回。 [0031] 图2是根据另一示例性实施方式的WHR系统200的图。上面描述了参考标记与图1的WHR系统100中的项目的参考标记类似的项目(即，具有比图1的类似项目多100的参考标记的那些项目)。如图2所示，后处理系统202包括在DOC 208和DPF 210下游的、并流体地连接到DOC 208和DPF 210的选择性催化还原(SCR)元件211。虽然未示出，但是还原剂定量给料系统(如柴油机排放流体(DEF)定量给料系统)被设置在SCR的上游，以将诸如无水NH3、含水NH3或可转换为NH3的前体(如尿素氨(urea ammonia)或尿素)的还原剂注入到废气流中。还原剂定量给料系统可包括定量给料器、分解反应器和混合器。还原剂被吸收进SCR中的催化剂上，其中，还原剂用于将废气流中的NOx排放转换为氮和水，并且在还原剂为尿素的情况下，还可转换成二氧化碳。 [0032] 处理过的废气流从SCR流出并进入WHR系统200，WHR系统200包括废气阀222、废气热交换器(例如，锅炉)214，并且可包括能够与来自发动机106的其它废热源(例如，增压空气、发动机油、水套、EGR、冷却剂等)交换热量的一个或更多个额外的热交换器215。WHR系统200可以重新捕获从定量供给燃料并燃尽来自DPF210的颗粒物所产生的DOC 208和DPF 210能量的一部分，并且可以从正常的发动机操作中捕获和使用废气中的废热，以补充发动机功率。在使用一个或更多个额外的热交换器215的实施方式中，可以按照并联、串联或两者的某种组合方式使废气热交换器214与其它发动机废热源215垂直设置。 [0033] 废气阀222是可控的，以调节多少废气热输入被用于WHR系统200。在一个实施方式中，可以将温度传感器设置在热交换器214的出口和/或入口处、热交换器214内、和/或RC子系统内的其它地方，以感测工作流体或热交换器214的温度特性。废气阀222可根据需要经由流动路径226(导管)为废气提供旁路，用于负载限制或用于防止热交换器和/或工作流体过热。例如，RC子系统或废气系统可包括适于感测RC工作流体或热交换器214的温度且产生所感测的工作流体的温度的信号特性的传感器。该传感器可以是集成装置或装置和电路的组合。例如，控制模块260或与控制模块通信的另一个模块可包括比较器，其将感测的信号与预定值或值的范围作比较，并控制废气阀222到一个或几个可能的相应开阀位置。在另一实施方式中，废气阀222可由对温度变化具有机械响应的温度感应装置机械地控制。废气阀222也可基于预测图被致动，例如，在一定的发动机转速/负载下，热交换器214会基于何处需要用于负载限制目的的之前的知识(即，存储在ECU中以由控制模块260访问或存储在发动机系统的存储器中且可由控制模块260或ECU访问的前馈表)为一定量提供旁路。 [0034] 图3是根据另一示例性实施方式的WHR系统300的图。如同图2，上面已经描述了参考标记与上述项目的参考标记类似的图3中所示的项目(即，具有比图1和图2中的那些项目多100或200的参考标记的项目)。WHR系统300将RC子系统的废气热交换器(例如，锅炉)314与后处理系统的DOC 308，DPF 310和SCR 311集成，使得它们一起被封装在一个集成后处理系统组件302内。 [0035] 组件302还包括废气阀322，废气阀322可控制被WHR系统300所使用的废气量。废气阀322可由控制模块360所控制，以控制在使用一个或更多个旁路流动路径326(导管)的废气热交换器314中流动的废气的量。 [0036] 图4A至图4D示出了示例性的集成的后处理和废气热交换器，其在一些实施方式中可被用作集成后处理系统组件302。图4A示出了集成后处理系统组件302沿着纵向轴线410截取的横截面，其包括热交换器314和包含阀322和阀致动器330的阀组件。图4B是沿着垂直于纵向轴线410的平面截取并穿过热交换器的集成后处理系统组件302的横截面。集成后处理系统组件302的热交换器部分314可包括包围热交换器314并限定旁路流动通道326的壳体324。集成后处理系统组件302的交换器部分的上游侧包括将废气流导向热交换器314的偏转结构328。 [0037] 图4C和图4D示出了废气阀322的操作。参照图4C，控制模块360控制致动器330以打开废气阀322。打开的阀门使废气流经废气热交换器314，如在远离集成后处理系统组件302的后处理部分的方向的箭头所示。在图4D中，废气阀处于闭合位置，废气被强制绕热交换器314流动并通过通道326，从而绕过热交换器314。 [0038] 图5是根据示例性实施方式的WHR系统500的图。如同图1至图3，上面描述了参考标记与上述项目的参考标记类似的图5中所示的项目(即，具有比图1-4中所示的那些项目大100，200或400的参考标记的项目)。WHR系统500包括集成后处理/废气交换器/阀系统组件502，该组件502具有在DOC 508和DPF 510下游的第一废气热交换器514a、在第一废气热交换器514a下游的第一废气阀522a，在第一废气阀522a下游的SCR 511以及在第二废气热交换器514b下游的第二废气阀522b。在WHR系统500的工作流体的路径通过第一废气热交换器514a循环之前，WHR系统500的工作流体的路径穿过第二废气热交换器514b。第一废气阀522a包括在DPF 510和第一废气阀522a之间的可控的旁路流动路径526a，并且第二废气阀522b包括在SCR 511和第二废气阀522b之间的可控的旁路流动路径。第一废气阀522a和第二废气阀522b中的每一个都包括致动器(未示出)，该致动器经由控制模块560可控，以独立控制通过各自的废气热交换器514a和514b的废气流的量。 [0039] WHR 500集成SCR催化剂511上游的废气热交换器514a来执行SCR系统的温度调节，以优化其性能和寿命。在一些实施方式中，温度传感器设置在废气路径中沿着后处理系统的一个或更多个位置上，例如，在DOC 508，DPF 510与SCR 511后处理装置中的一个或更多个之前、之后和/或之中。控制模块560监测废气温度，并且当废气处于高于SCR催化剂所需或允许的温度时，废气热交换器514a用于除去废热。当废气处于或低于所需或预定的温度时，可以用废气阀522a将第一废气热交换器绕过，以防止从废气向第一废气热交换器514a传递热。第二废气热交换器514b在SCR催化剂511的下游使用，以在SCR催化剂之后捕获废热输入，而不影响SCR催化剂511的温度。废气阀522b被设置在废气热交换器514b的下游，以调节输入到WHR系统500的ORC子系统的热量。第一废气热交换器514a和第二废气热交换器514b可具有与图4A到图4D所示的集成结构类似的结构，或使用另一个旁路设计。 [0040] 因此，遵循本公开的实施方式包括WHR系统的控制模块，适于控制RC系统的元件以基于后处理系统的预定热管理策略的所检测的后处理事件控制WHR系统的至少一个RC参数。这些参数可包括但不限于对各种系统元件的温度的控制，经由对阀(例如，废气阀222、322、522a、522b)的控制和/或对工作流体的流速的控制(例如，经由变速泵112、212、 312和512，或经由流量限制器)对通过热交换器的废气流和/或RC工作流体的流的量的控制，而不会不利地干扰后处理系统的热管理，或用于帮助与后处理系统的热管理。控制模块(例如，控制模块160、260、360和560)可以对应于发动机转速/负载或可用于直接控制RC子系统参数的一些其它热管理策略变量，提供控制数据信号到WHR系统(例如，WHR系统 100、200、300和500)的元件，如在控制模块是ECM/ECU的情况下。另选地，控制模块可以从ECM/ECU接收数据信号并基于所接收的ECM/ECU数据信号控制RC参数。 [0041] WHR系统的其它实施方式在从能量转换装置(例如，涡轮机)到用于增加循环的热效率的RC子系统的冷凝器的工作流体路径中以及在从流体泵到废气热交换器(例如，锅炉)的路径中可包括用于增加能量回收的其它废热源，包括来自于内燃机的油的热和/或使用同流换热器。 |
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