废热回收系统控制方法和装置技术领域
本发明涉及适于用于内燃(IC)发动机的热回收系统和方法的领域，所述内燃发动
机可从IC发动机的废气回收热量。
背景技术
能量回收系统在本领域中是已知的，并且通常包括热交换系统，其中来自IC发动
机的废气用于将工作流体从液体转换成蒸汽，其中蒸汽继而又驱动连接到发电机的涡轮。
然而，通常这种组合系统在捕获来自废气的废排放热的方面效率低，导致低于预
期的能量转化率。
发明目的
本发明的目的是提供一种操作发动机的方法，该发动机包括一种提供了系统的总
效率的提高的热回收系统。
本发明的另一个目的是克服或至少解决现有技术的缺点和缺陷。
结合描述本发明实施方式的附图，本发明的其它目的和优点将在下面的描述变得
显而易见。
发明概述
根据本发明，尽管这不应视为以任何方式限制本发明，但提供了操作发动机的方
法，该发动机包括热回收系统，具有：
·至少第一热交换器和第二热交换器；
·用于接收来自内燃机的排气输入的排气管道；
·配置为吸收热能的工作流体；
·集热回路，用于引导工作流体与第一和第二热交换器的管的外表面接触；
·其中工作流体首先引导到第二热交换器，然后引导到第一热交换器，第一热交
换器定位在第二热交换器的上游(相对于排气流)；以及
·涡轮，其可操作地连接到所述集热回路，并且可操作地连接到发电机，
所述方法包括：
·测量工作流体的变量，所述工作流体配置成当离开第一热交换器时吸收热能；
·测量工作流体的变量，所述工作流体配置成当离开第二热交换器时吸收热能；
·至少部分地经由发动机热回收算法在电子控制模块内确定发动机操作变量、涡
轮操作变量以及由发电机产生的对应于预定标准的能量的组合。
本发明的另一形式在于用于内燃机的废热回收系统，包括
至少第一热交换器和第二热交换器；
用于接收来自所述内燃机的废气流输入的排气管道；
配置为吸收热能的工作流体；
集热回路，其可操作地连接到所述第一热交换器和所述第二热交换器，以将热能
从所述废气排出流传递到所述工作流体；
其中所述工作流体首先引导到所述第二热交换器，然后引导到所述第一热交换
器，所述第一热交换器相对于所述废气流位于所述第二热交换器的上游；以及
可操作地连接到所述集热回路并可操作地连接到发电机的涡轮，
工作流体控制装置，其控制工作流体流入所述第二热交换器中；
工作流体控制阀，其可操作地连接到控制模块，所述控制模块能够响应于所述废
热回收系统、内燃机或发电机的至少一个变量的变量来控制工作流体控制装置的操作。
术语“排气”和“废气”在本文中可互换使用，以指通过内燃机的操作产生的排气。
操作参数
优选地，发动机操作变量是：发动机施加的负载、发动机速度、进入发动机的空气
质量流量、进入发动机的燃料流率、排气温度以及排气的氧气浓度。
优选地，工作流体的变量是至少两个：工作流体的压力和温度。
优选地，预定标准包括燃料经济性和由能量回收系统产生的能量的量。
优选地，发动机热回收算法包括发动机负载和速度以及至少在集热回路中的流体
压力和温度的映射。
优选地，通过排气温度测量装置测量排气温度。
优选地，排气温度测量装置的位置包括至少一个从以下组中选择的位置：在第一
热交换器和第二热交换器之前、在第一热交换器和第二热交换器之后以及在第一热交换器
和第二热交换器之间。
优选地，该方法还包括通过流体控制装置可操作地控制排气在热量分配回路中流
动的步骤。
优选地，排气控制装置是流量控制阀。
优选地，该方法还包括通过流体控制装置可操作地控制工作流体在集热回路中流
动的步骤。
优选地，工作流体控制装置是流量控制阀。
本发明的另一方面包括用于废热回收系统的控制系统，该控制系统包括所述的方
法。
本发明的另一方面是包括如上所述的控制系统的车辆。
附图简要说明
通过示例的方式，在下文中参照附图将对本发明的实施方式进行更全面地描述，
其中：
图1示出了本发明的排气热回收装置处于串联构造的第一构造的示意图；
图2示出了本发明的排气热回收装置处于并联构造的第二构造的示意图。
发明详述
图1中的本发明是一种串联构造，包括第一热交换器单元(12)和第二热交换器单
元(14)，其每一个具有排气入口开口(分别为16和18)以及排气出口开口(分别为20和22)。
排气出口(22)通向外部环境(64)。排气管道(24)将IC发动机(28)的排气系统(26)连接到排
气入口开口(16)。
排气进入集热回路(17)由二通阀(51)控制，当IC发动机仍处于启动模式时，该二
通阀将排气流转出该系统。采取这种预防措施以在发动机处于稳定的操作状态之前限制来
自排气的在热交换器中积聚(结垢)的颗粒物质的量。该状态由控制系统模块使用来自温度
传感装置(10)和发动机负载传感器(29)的数据来确定。
集热回路(17)包括第一(12)和第二(14)热交换器，其分别具有工作流体入口开口
(32)和(30)以及分别具有流体出口开口(36)和(34)，以允许吸热工作流体通过。单向阀
(53)确保进入集热回路(17)中的单向流动。
吸热工作流体配置或选择为能够容易地从排气吸收热量。合适的吸热工作流体包
括流体，例如水、氨、制冷剂气体或其混合物，但不限于这些。
发动机(28)具有配置成测量或计算发动机上负载的负载传感器(29)。也可测量其
它发动机操作变量，例如发动机温度、发动机速度、排气温度和氧气浓度。各种测量装置可
位于发动机上，以便提供关于发动机操作变量的数据。
控制系统模块(60)可操作地连接到发动机负载传感装置(29)，并且与第二热交换
器上的温度传感装置(31)和第一热交换器上的温度传感装置(33)连通。
控制系统模块(60)还可操作地连接到泵(13)，以便调节泵(13)的运行，以控制集
热回路(17)内的工作流体的工作压力。
温度传感装置(31)和(33)，例如热电偶，可测量进入每个相应热交换器的工作流
体的温度，并将该信息传送到控制系统模块(60)。类似地，压力传感装置(41)和(43)，例如
压力传感器，可测量进入每个相应热交换器的工作流体的压力，并将该信息传送到控制系
统模块。
另外，温度传感装置(35)和(37)分别定位或靠近出口端口(34)和(36)，以便分别
提供离开第二和第一热交换器的工作流体的温度数据，并将这种数据传送到控制系统模块
(60)。类似地，压力传感装置(45)和(47)，例如压力传感器，可测量离开每个相应热交换器
的工作流体的压力，并将该信息传送到控制系统模块。
压力传感器(40)也可位于热回收系统中，以在工作流体通过二通阀(58)之前测量
工作流体的压力。特别地，附加的压力传感装置(48)和(42)可正好位于能量发生器涡轮
(50)之前和之后，以测量通过涡轮的过热蒸汽的压力或流量。类似地，温度传感装置(38)和
(39)可位于能量发生器涡轮(50)之前和之后，以测量通过涡轮的过热蒸汽的温度。超速切
断阀(55)在涡轮(50)超速的情况下由控制系统模块(60)关闭，如由集成到涡轮中的传感器
检测到的。在积聚压力超过预设值的情况下打开安全阀(54)。
在发动机(28)的操作期间，控制系统模块(60)接收来自负载传感器(29)的发动机
操作变量数据，例如发动机负载，以及来自排气温度传感器(10)的排气温度，还有来自流体
回路内的工作流体温度和压力数据以及其它发动机操作变量。根据该数据，确定热回收系
统中的工作流体的最佳工作压力和工作流体流入第二热交换器(14)中的流量。
一旦选择最佳压力，其确定为从涡轮(50)产生最大量的回收能量的压力，则控制
系统模块(60)经由温度传感器(35)和(37)测量流体温度，然后将所述温度与用于通过发动
机映射的最佳工作压力的参考温度表进行比较。
本领域的技术人员将理解，映射是某些控制信号的量和定时与所需定时和其它已
知变量的多维表，其它已知变量例如发动机速度、负载和温度，包括其它变量。
如果在温度传感装置(35)和(37)处测量的温度小于映射在控制系统模块(60)中
的参考温度，则控制系统模块(60)操作阀(52)减少进入第二热交换器(14)中的工作流体入
口质量流率(如由流量计(9)检测)。
如果温度传感装置(35)和(37)检测到流体温度大于目标参考温度，则控制系统模
块(60)将通过打开阀(52)增加工作流体入口质量流率(如由流量计(9)检测)。类似地，如果
排气温度超过预定值(如由排气管道上的温度传感装置(59)检测)，则控制系统模块(60)将
通过打开阀(52)增加工作流体入口质量流率(如由流量计(9)检测)。
如果分别在温度和压力传感装置(49)和(40)处测量的温度和压力小于在控制系
统模块(60)中映射的参考温度和压力，则控制系统模块(60)操作阀(58)将涡轮(50)周围的
部分或全部工作流体转移到膨胀装置(62)(例如盘绕的毛细管)中。如果在温度传感装置
(49)处测量的温度大于目标参考温度，则控制系统模块(60)将通过打开阀(52)增加工作流
体入口质量流率(如由流量计(9)检测)。
关于图2中的系统，热交换器的并联配置，发动机(28)具有负载传感器(29)，并且
控制系统模块(60)接收来自负载传感器(29)的数据。
此外，温度传感装置(31)和(37)位于集热回路(17)的工作流体入口(30)和出口
(36)开口附近。控制系统模块(60)与这些温度传感装置(31)和(37)连通，以接收工作流体
温度相关信息。从温度传感装置(35)、(33)、(49)和(38)获得附加的工作流体温度相关信
息，并由控制系统模块(60)接收。另一温度传感装置(59)位于排气管道上，并且排气温度数
据然后中继到控制系统模块(60)。
如本领域技术人员将理解的，温度传感装置可以多种方式连接到控制模块(60)，
以允许将温度数据从温度传感装置传递到控制模块。对于压力传感装置和流量测量装置两
者也是如此，对于本领域技术人员来说这两者是已知的。
当发动机(28)运行时，包括发动机负载、发动机速度、空气和燃料的质量流量的发
动机操作变量则连同来自温度传感装置(59)的排气温度数据一起中继到控制系统模块
(60)。然后，发动机热回收算法确定通过系统的入口端口(30)的最佳工作流体压力和入口
质量流率。
一旦确定了最佳压力，则控制系统模块(60)测量在温度传感装置(35)和(37)处的
流体温度，以提供温度数据T1和T2，其与热回收算法提供的最佳工作压力的参考温度进行比
较。如果T1和T2小于参考温度，则控制系统模块(60)操作以减小通过阀(52)的工作流体入口
质量流率(如由流量计(9)检测)。如果T1和T2大于参考温度，则控制系统模块(60)操作以增
加通过阀(52)的工作流体入口质量流率(如由流量计(9)检测)。
控制系统模块(60)还可操作地连接到泵(13)，以便调节泵(13)的运行，以控制在
集热回路(17)内的工作流体的工作压力。
基于由发动机热回收算法确定的最佳压力，控制阀(56)和(57)可由控制系统模块
(60)操作，以将通过排气管道(24)行进的排气引导到第一热交换器(12)中或通过引导废气
或其至少一部分通过旁路部分或废气旁路管线(61)，将废气引导到第二热交换器(14)中。
当引导废气通过第一热交换器(12)，然后直接进入第二热交换器(14)时，这被称为串联布
置(如图1所示)。当引导废气的一部分通过旁路部分或废气旁路管线(61)进入第二热交换
器(14)时，这被称为并联布置。
应当注意，在本发明的范围内考虑的是引导通过旁路部分(61)的排气量可在0-
100％的范围内。当100％的排气引导通过旁路部分(61)进入到第二热交换器(14)中并关闭
阀(57)时，该装置不是并联也不是串联，而是仅仅依赖于单个热交换器装置。根据使用发动
机热回收算法确定的操作条件及其相关联的发动机映射，100％的排气可以这种方式引导。
如果由压力传感器(41)测量的最佳压力低于或高于预定压力，则控制系统模块
(60)控制阀(56)和(57)以确定排气分流比。例如，如果在40％负载下的最佳压力为15巴，则
由控制系统模块(60)操作的控制阀(56)和(57)将调节第一和第二热交换器(12)和(14)并
联设置并确定排气的质量分数。然后将引导大约60％的排气质量流经由入口端口(16)进入
第一热交换器(12)，然后引导剩余的大约40％的排气质量流通过旁路部分(61)，以当废气
通过第一热交换器(12)的出口端口(20)离开时与废气混合，然后通过入口阀(18)进入第二
热交换器(14)中。
对于40％旁路的实施例来说，在控制阀(56)和(57)处确定的排气比率则可由控制
系统模块(60)根据由发动机变量的需要来改变，该发动机变量包括但不限于用于热交换器
的并联设置的发动机负载和排气温度，条件是计算的发动机热回收算法。排气比率将根据
用于发动机的不同速度和负载的热回收算法而变化。
通过回收废热，运行兰金循环以产生额外的功率。兰金循环组件包括涡轮(50)、涡
轮发电机(19)和(20)、单向阀(56)和(57)、泵(18)和冷凝器(21)。除了兰金循环的冷却组件
之外，还有冷凝器冷却回路(27)和缓冲罐(15)。
在图2中，P1表示高压，并且P2略高于由真空泵(18)产生的大气压力或真空压力。
如果系统不需要真空，则不需要真空泵(18)。
如现在将看到的，通过使用控制系统模块(60)和发动机热回收算法的应用，发动
机热回收算法可选地与用于发动机的发动机管理系统集成，针对发动机操作变量和来自发
电机的能量产生数据的发动机映射现在可有利地优化电力产生，取决于发动机操作变量，
以及优化产生废气的内燃机的运行，以适应期望的操作。