用于转换来自内燃机损失热的热能的装置

文档序号:1246704 发布日期:2020-08-18 浏览:14次 >En<

阅读说明:本技术 用于转换来自内燃机损失热的热能的装置 (Device for converting thermal energy from heat lost from an internal combustion engine ) 是由 N·斯坦泽尔 M·路易波德 于 2018-12-17 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种用于将来自尤其是机动车的内燃机(1)的损失热的热能转换为机械能的装置,其中,设有用于工作介质的工作回路(2),工作介质在使用损失热的情况下能被加热和蒸发,其中,在该工作回路(2)中设有用于从工作介质的热中获得机械能的膨胀机(6),其中,该工作回路(2)延伸经过在工作介质流动方向(S)上设于膨胀机(6)上游的换热器,其中,换热器包括具有低温段(4.1)和高温段(4.2)的废气再循环换热器(4)、废气换热器(3)和在内燃机(1)中的相变冷却器,其中,内燃机(1)包括至少一个具有气缸衬套(41)的气缸(40),其中,该换热器通过按照如下顺序的串联连接构成,即,依次为废气再循环换热器(4)的低温段(4.1)、废气换热器(3)、内燃机(1)中的相变冷却器、废气再循环换热器(4)的高温段(4.2),其中,在气缸衬套(41)内设有至少一个冷却通道(42),工作介质流过冷却通道,其中,气缸衬套(41)借助离心铸造形成,其中,所述至少一个冷却通道(42)在离心铸造前作为嵌管被置入离心铸造铸型中。(The invention relates to a device for converting thermal energy lost from a combustion engine (1), in particular of a motor vehicle, into mechanical energy, wherein a working circuit (2) for a working medium is provided, which can be heated and evaporated using the lost heat, wherein an expander (6) for extracting mechanical energy from the heat of the working medium is provided in the working circuit (2), wherein the working circuit (2) extends through a heat exchanger arranged upstream of the expander (6) in a working medium flow direction (S), wherein the heat exchanger comprises an exhaust gas recirculation heat exchanger (4) having a low-temperature section (4.1) and a high-temperature section (4.2), an exhaust gas heat exchanger (3), and a phase change cooler in the combustion engine (1), wherein the combustion engine (1) comprises at least one cylinder (40) having a cylinder liner (41), wherein, the heat exchanger is formed by a series connection in the following order, namely, a low-temperature section (4.1) of the exhaust gas recirculation heat exchanger (4), the exhaust gas heat exchanger (3), a phase change cooler in the internal combustion engine (1), and a high-temperature section (4.2) of the exhaust gas recirculation heat exchanger (4) in that order, wherein at least one cooling channel (42) is provided in a cylinder liner (41), through which a working medium flows, wherein the cylinder liner (41) is formed by centrifugal casting, wherein the at least one cooling channel (42) is inserted into a centrifugal casting mold as a tube insert before the centrifugal casting.)

用于转换来自内燃机损失热的热能的装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的、用于转换来自内燃机损失热(散失热,废热)的热能的装置。

背景技术

由US 2014/0137554A1公开了一种余热回收系统,其将工作流体连通至若干流体通道,这些流体通道形成在内燃式内燃机的发动机缸体和/或气缸盖内以形成换热器。这些流体通道在发动机高温区附近形成以给工作流体供应足够的热能以便蒸发工作流体,而工作流体有利地冷却发动机缸体和/或气缸盖以改善燃料效率。通过将该发动机换热器布置在废气再循环过热器的下游和废气换热器的上游,使得发动机换热器处于与余热回收系统热动力学循环相关的最佳位置,在此,再循环废气的冷却被优先化。通过在余热回收系统内布置若干阀来提供以下可能性,即,可选择多个并行流动路径以实现最佳运行。

发明内容

本发明基于以下任务,即,提供一种用于转换来自内燃机损失热的热能的改进装置。

根据本发明,该任务通过一种根据权利要求1的、用于转换来自内燃机损失热的热能的装置来完成。

本发明的有利设计方案是从属权利要求的主题。

一种根据本发明的用于将来自尤其是机动车的内燃机损失热的热能转换为机械能的装置包括用于工作介质的工作回路,在使用损失热的情况下该工作介质可被加热和蒸发,其中,在该工作回路中设有用于从工作介质热中获得机械能的膨胀机,其中,该工作回路经过在工作介质流动方向上设于膨胀机上游的换热器,其中,换热器包括具有低温段和高温段的废气再循环换热器、废气换热器和在内燃机中的相变冷却系统,其中,内燃机包括至少一个具有气缸衬套的气缸,其中,该换热器通过按照如下顺序的串联连接构成,即,依次为废气再循环换热器的低温段、废气换热器、内燃机中的相变冷却器、废气再循环换热器的高温段,其中,在气缸衬套内设有至少一个冷却通道,工作介质流过该冷却通道,其中,气缸衬套借助离心铸造形成,其中,所述至少一个冷却通道在离心铸造前作为嵌管被置入离心铸造铸型中。

在一个实施方式中,至少一个换热器、尤其是废气再循环换热器的至少一部分呈逆流换热器的形式。为了针对过热改善工作安全性,逆流换热器或者逆流换热器的若干部分可被顺流换热器取代,但这以牺牲系统性能为代价。

根据本发明,该废气换热器在工作回路中串联布置在内燃机的上游和废气再循环换热器的低温段的下游。在内燃机中,所述冷却设计为相变冷却(PCC)。它允许以水或者水-乙醇混合物作为冷却介质并且以高蒸发压力运行。相变冷却容许持续的高壁温,因此可以缓解所谓的夹点问题(Pinch-Punkt-Problematik)。在用在重型商用车辆中时,能够展现出7%至8%的燃油节省潜力。相比于并联连接,可以将燃料效率提高例如2%。

在气缸衬套的上侧区域中,可以在冷却通道内获得高蒸发温度,而没有改变发生燃烧处的气缸衬套内侧面上的壁温。通过所述冷却,可以免除气缸衬套外侧面上布置水套的需求,由此也消除或降低气缸衬套的气蚀危险。因此,可以较大的活塞间隙运行,借此减小活塞组的摩擦。

附图说明

以下结合附图来详述本发明的实施例,其中:

图1示出具有废气余热回收用的工作回路的内燃机的示意图,

图2示出附加冷却系统的示意图,

图3示出具有气缸的内燃机的细节示意图,气缸设置有其中插置若干冷却通道的气缸衬套,

图4示出用于形成冷却通道的环的示意图,

图5示出用于形成冷却通道的环的示意图,

图6示出具有配备气缸衬套的气缸的内燃机的细节示意图,在气缸衬套内设置有多个环面状环。

彼此对应的零部件在所有图中带有相同的附图标记。

具体实施方式

图1是具有工作回路2的内燃机1的示意图,工作回路设计用于执行蒸汽循环过程、尤其是克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环。

内燃机1被供以燃烧空气V,燃烧空气的一部分由新风F构成。内燃机1的废气A的一部分经过废气换热器3和排气系统(未示出)被排出到环境中,一部分通过废气再循环换热器4与新风F汇合以形成燃烧空气V。

废气再循环换热器4具有低温段4.1和高温段4.2,其中,低温段4.1在废气流中位于高温段4.2的下游。

工作回路2从废气再循环换热器4的低温段4.1起依次串联经过废气换热器3、内燃机1直至废气再循环换热器4的高温段4.2。在内燃机1中,可以执行呈相变冷却(PCC)形式的冷却。在工作回路2中,设有工作介质例如水和/或乙醇和/或甲醇。

工作介质在工作回路2内循环,工作介质在使用损失热、尤其是废气余热和/或内燃机1损失热的情况下可被加热和蒸发。在工作回路2中,工作介质在经过废气再循环换热器4的高温段4.2之后被供给膨胀机6以从工作介质热中获得机械能。工作介质在泵7的驱动下在工作回路2内循环。

工作回路2在工作介质流动方向S上在膨胀机6的下游延伸经过冷凝器8和泵7而回到废气再循环换热器4的低温段4.1。工作介质通过在废气再循环换热器4和废气换热器3中的废气余热以及通过内燃机1中的发动机热而被加热且至少部分被蒸发。工作介质在膨胀机6中膨胀,在此,热能被转化为机械能,机械能随后或许借助发电机(未示出)被转化为电能或以其它方式被利用。工作介质因膨胀而冷却且随后被引导经过冷凝器8并在那里被冷却和冷凝,随后它又到达泵7。

蒸发冷却的压力和温度可以被如下调节:

温度借助工作介质的质量流被调节。如果在膨胀机入口处的工作介质温度要被降低,则必须增大工作介质质量流量。如果在膨胀机入口处的工作介质温度要被提高,则必须减小工作介质质量流量。泵7此时可以被设计成是电动可变的,或者也可以通过可变的传动机构与内燃机1的发动机转速相关联。在固定不变地关联至发动机转速时,质量流量可通过可变冲程或旁通来调节。

蒸发压力可以通过例如呈涡旋膨胀机、螺杆机、活塞膨胀机形式的容积式膨胀机6在大范围内通过膨胀机6转速来调节,因为入口体积流和转速几乎相互成线性关系。如果透平(例如径流透平或轴流透平)被用作膨胀机6,则该压力通过透平的有效横截面和流通量来得到。该横截面也可以设计成是可变的,例如通过可变的透平形状或可变的局部负荷。

对于内燃机1的蒸发冷却,容积式膨胀机6和透平的组合可被证明是特别有利的:利用容积式膨胀机6的转速,可以调节蒸发压力。下游的透平能够在结构尺寸小的情况下有效利用在冷凝压力很低时的大体积流。来自蒸发器(即来自由废气再循环换热器4的低温段4.1、废气换热器3、内燃机1和废气再循环换热器4的高温段4.2构成的串联结构)的工作介质流在被送入容积式膨胀机6时具有高温和高蒸发压力。容积式膨胀机6通过其转速来调节入流体积流以及因此入口压力。下游的透平还可以在允许的结构尺寸情况下有效利用由低冷凝压力决定的大体积流。自例如呈透平形式的膨胀机6流出并流向冷凝器8的工作介质流具有低温和很低的冷凝压力。

压力调节可以基于如下准则:

在蒸发冷却中蒸发压力确定被冷却部分的壁温。高壁温在燃烧时保证较小热传递,由此实现温度更高且或许更快速的燃烧,此时有出现更多氮氧化物(NOx)的趋势。在对NOx要求严苛的发动机运行(如市内或在低温废气后处理时)中,能有目的地以低蒸发压力进行以减少氮氧化物排放。

在正常运行中,应该如此调节蒸发压力,即,壁温大致达到可用传统冷却系统获得的值。即使壁温较高也可以安全运行,因为相较于借助冷却水的方式可明显更精确地调节该温度。因此,必须与临界值保持较小安全距离。较高壁温导致了较低油耗,同时有较高的NOx排放。这两种排放之间的折中可以通过蒸发压力的附加自由度来更好地调节。

在保证待冷却部件安全运行并遵守有害物排放时,可以如此调节蒸发压力,使得,膨胀机6(或这些膨胀机)的功率在减去泵7的功率后是最佳的。

温度调节应该保证系统内的最高温度不高出所用工作介质的或例如用于密封的所用构建材料的分解温度。此外,工作介质进入膨胀机6的入口温度应该符合膨胀机6的要求。在使用透平的情况下,出口蒸汽不应该过湿,以免透平受到滴蚀威胁。

可以设有以下传感器:在膨胀机6的入口处的压力传感器,在膨胀机6的入口处的温度传感器,在泵7的入口处的压力传感器和温度传感器,在泵7的出口处的压力传感器。

此外,可以在泵7的下游设置质量流传感器,尤其是如果泵7无法良好地用模型来描述。其它的温度传感器可以布置在蒸发器的各个部分(即废气再循环换热器4的低温段4.1、废气换热器3、内燃机1和废气再循环换热器4的高温段4.2)的上游和/或下游。

图2示出附加冷却系统10的示意图。在冷却空气流K中,首先,例如在车辆前部存在增压空气冷却器11。增压空气冷却可直接或间接地进行,在间接系统中也可以实现多级。具有低温度水平冷却需求的其它部件也可以被集成进来。另外,可以设有空调冷凝器(未示出)。

在冷却空气流K中在增压空气冷却器11的下游设置有用于蒸发冷却的再冷却器12。它也应该被供以温度尽量低的空气。但增压空气冷却或低温冷却具有优先地位。换热器12位于冷却水回路13中。借助两位三通阀14,冷却水回路13的温度具有下限,以防止过低的冷凝温度或者防止在以水作为工作介质的情况下发生冻结。冷却水泵15最好是(机械或电动)可调的并且如此小地调节冷却水回路13中的质量流量,使得能保证在工作回路2中的泵7过冷。可选地,可调式冷却水泵15如此大地调节冷却水回路13中的质量流量,使得该系统的功率平衡(膨胀机6的功率–泵7的功率–冷却水泵15的功率)尽量最佳。在冷却水泵15的下游,冷却水流过工作回路2的作为冷凝换热器构成的冷凝器8。

废气余热回收系统的所述过程控制融合了气缸盖内温度升高原理和串联连接的废气余热回收系统。

因为热源例如像废气在被汲热时变冷,而气缸盖因同时由燃烧和摩擦造成的供热而未变冷,故在气缸盖内存在持续的高供热温度,从而可以实现工作介质即水(或水/乙醇混合物)的高效使用。由此几乎可以使余热回收系统的效率倍增,同时,对系统的热输入因来自发动机冷却系统的附加热输入而被显著增大。

该装置的系统性能在此可被显著提高。可以针对燃烧、废气后处理以及增压获得其它优点。燃烧因更均匀的壁温而造成较少热损耗,增压和废气后处理因较高废气温度而受益。由此可以通过更均匀的壁温来过度补偿可能较高的NOx水平。

在图3中示出内燃机1的细节示意图,内燃机的气缸40配设有气缸衬套41(也称为缸衬)。在气缸衬套41中插置有若干冷却通道42。气缸衬套41可以离心铸造方法借助离心铸造铸型来制造。在铸造气缸衬套41之前,冷却通道42可以作为例如呈空心环状的嵌管被置入离心铸造铸型中。或者,也可以采用其它合适的制造方法例如烧结或3D打印。

工作介质流过冷却通道42。

在气缸衬套41的上侧区域中,可以在冷却通道42内达到高蒸发温度,而没有改变发生燃烧处的气缸衬套41内侧面上的壁温。因为所述冷却,可以省掉在气缸衬套41外侧面处的水套,由此也消除或降低气缸衬套41的气蚀危险。因此可以较大的活塞间隙运行,借此减小活塞组的摩擦。

在图3所示的实施方式中,冷却通道42作为唯一的周向腔形成在气缸衬套41中,其延伸经过燃烧室的整个区域。

冷却通道42可通过两种方式在以离心铸造制造的气缸衬套41内被示出:具有内部通道形状的筒形环43被水平嵌入;随后,对环43进行浇铸。例如呈湿蒸汽形式的工作介质的输入和排出可以通过两个水平的孔44、45进行。图4和图5以俯视图示意性示出环43的实施例。

在图4所示的实施方式中,这些孔44、45设置在环43的彼此对置的两侧。如此构成的两个环段最好一样长,以便可以实现平行流通。

在图5所示的实施方式中,环43在铸造前在一个部位利用止挡件(Sperrre)被闭锁。由此,两个孔44、45可以彼此紧挨着作为进流口和出流口来使用。该方法可以扩展到多个分段。

在另一个未示出的实施方式中,代替一个或多个环43,作为嵌管浇铸入至少一个螺旋体。由此可以减小入孔和出孔的数量。

尤其当蒸发可以按照相同的压力级进行时,可以将在气缸衬套41内的蒸发与在燃烧室顶中(和,如有必要,在排气管道处)的蒸发串联连接。否则,例如在两级朗肯系统中,在气缸衬套41中的蒸发可以比在气缸盖中更低的压力级进行。

图6示出带有气缸40的内燃机1的细节示意图,气缸配设有气缸衬套41,在气缸衬套内设置有多个环面状环43.1-43.n。

气缸衬套41的局部温度直接影响到局部活塞间隙,这又显著影响到内燃机1的摩擦和噪声特性。因为温度分布依据工作点而变化,故气缸衬套41的膛孔和活塞的准确造型可以是各种不同要求之间的折中。

环43.1-43.n的使用允许通过调整蒸发压力水平以及因此蒸发温度来快速精确地产生各种不同的冷却温度。在此,多个环43.1-43.n可以按照相同的压力级被整合,以简化该系统。

局部温度直接影响到局部活塞间隙。加工偏差、内燃机1的不同工作点和运行期间的磨损可被补偿,从而可以实现各自最佳的活塞组运行。

压力调节可以通过在每个所述环43.1-43.n上的可控的进流节流阀和/或排流节流阀来设置,从而可以使用朗肯循环余热回收系统的系统压力。蒸气中的能量可以在膨胀机6中被利用。

附图标记列表

1 内燃机

2 工作回路

3 废气换热器

4 废气再循环换热器

4.1 低温段

4.2 高温段

6 膨胀机

7 泵

8 冷凝器

10 冷却系统

11 增压空气冷却器(中冷器)

12 再冷却器

13 冷却水回路

14 两位三通阀

15 冷却水泵

40 气缸

41 气缸衬套

42 冷却通道

43 环

43.1-43.n 环

44,45 孔

A 废气

F 新风

K 冷却空气流

S 流动方向

V 燃烧空气。

11页详细技术资料下载
上一篇:一种医用注射器针头装配设备
下一篇:阶状选择性区域气缸粗糙化(PTWA)

网友询问留言

已有0条留言

还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!

精彩留言,会给你点赞!