用于內(nèi)燃機(jī)廢熱利用的管道回路和用于運(yùn)行該管道回路的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)（2）廢熱利用的管道回路（4）和運(yùn)行管道回路（4）的方法。工作介質(zhì)在管道回路（4）中循環(huán)。所述管道回路（4）包含供給泵（6）、至少一個(gè)熱交換器（8）、膨脹機(jī)（10）、用于存儲(chǔ)液體工作介質(zhì)的給水儲(chǔ)箱（14）、和冷凝器（12），其中，所述給水儲(chǔ)箱（14）通過管道（29）連接到所述供給泵（6）。所述供給泵（6）具有回流管道（30），液體工作介質(zhì)經(jīng)由所述回流管道可從所述供給泵（6）排出。
【專利說明】用于內(nèi)燃機(jī)廢熱利用的管道回路和用于運(yùn)行該管道回路的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求前序部分所述的一種用于內(nèi)燃機(jī)廢熱利用的管道回路和用于運(yùn)行該管道回路的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從DE 102 28 868 B4已知一種用于利用蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械功的裝置。在閉合循環(huán)系統(tǒng)中布置給水儲(chǔ)箱、供給泵、用于產(chǎn)生蒸汽的蒸發(fā)器、蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)和冷凝器。給水通過所述供給泵從所述給水儲(chǔ)箱供給所述蒸發(fā)器。所述給水被供給給蒸發(fā)器和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)。從蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)離開的降低壓力的蒸汽利用冷凝器冷凝。冷凝水被供給給所述給水儲(chǔ)箱。通過所述給水儲(chǔ)箱存在一個(gè)保護(hù)氣體腔室。在所述裝置不運(yùn)行時(shí)，所述保護(hù)氣體應(yīng)從所述閉合循環(huán)系統(tǒng)的零件擠出并且防止對(duì)寒冷敏感的零件損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的內(nèi)燃機(jī)廢熱利用的管道回路和用于運(yùn)行管道回路的方法所具有的優(yōu)點(diǎn)是所述供給泵具有回流管道，液體工作介質(zhì)通過所述回流管道可從所述供給泵排出。通過回流管提供一個(gè)附加的液壓連接，其能夠使液體工作介質(zhì)從所述供給泵移除。液體工作介質(zhì)從所述供給泵的內(nèi)部腔室可直接通過所述回流管道排出并且不是必須通過流入所述供給泵和流出供給泵的管道運(yùn)出。
[0004]在結(jié)束工作介質(zhì)在管道回路中的循環(huán)后，來自于熱交換器的蒸汽狀工作介質(zhì)可在所述供給泵和熱交換器之間的管道中和在供給泵中膨脹并且液體工作介質(zhì)因此從供給泵和熱交換器之間的管道和供給泵被擠出。從供給泵擠出的液體工作介質(zhì)通過所述回流管道直接到達(dá)所述給水儲(chǔ)箱中。通過擠出所述液體工作介質(zhì)與蒸汽狀工作介質(zhì)可避免在管道回路結(jié)冰時(shí)供給泵發(fā)生損壞。通過所述蒸汽狀工作介質(zhì)在供給泵中和在連接的管道中膨脹，能夠避免在管道回路結(jié)冰時(shí)發(fā)生損壞。即使所述水不全部從管道回路移除，液體工作介質(zhì)在所述管道回路的這些零件中的量也顯著減少，在結(jié)冰時(shí)的體積膨脹不再導(dǎo)致所述管道回路的部件損壞。
[0005]在從屬權(quán)利要求中給出根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的有利設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案。
[0006]因?yàn)楸粩D出的液體工作介質(zhì)從供給泵直接輸送到所述給水儲(chǔ)箱中，所述回流管道布置在供給泵和給水儲(chǔ)箱之間是有利的。所述回流管道并行于所述管道地布置，所述管道使所述給水儲(chǔ)箱與供給泵連接。在連接所述給水儲(chǔ)箱與供給泵的管道中可設(shè)置止回閥，所述止回閥阻止工作介質(zhì)回流，從而所述回流管道是連接到給水儲(chǔ)箱的備用連接。
[0007]有利地，提供一具有旁通閥的旁通連接，這是因?yàn)橥ㄟ^旁通連接蒸汽狀工作介質(zhì)在管道回路啟動(dòng)時(shí)直接從熱交換器通到所述冷凝器并且在解凍時(shí)也是有幫助的。
[0008]截止閥設(shè)置在使所述給水儲(chǔ)箱與供給泵連接的管道中是有利的，這是因?yàn)橥ㄟ^所述截止閥限定從給水儲(chǔ)箱到供給泵的流動(dòng)方向。液體工作介質(zhì)從供給泵到給水儲(chǔ)箱的不希望的回流在所述管道回路正常運(yùn)行時(shí)通過所述截止閥避免。
[0009]通過設(shè)置在所述回流管道中的止回閥以簡(jiǎn)單的方式控制所述供給泵排空液體工作介質(zhì)。如果所述止回閥閉合，則沒有液體工作介質(zhì)從所述供給泵通過所述回流管道到達(dá)給水儲(chǔ)箱。如果要排空所述供給泵，則所述止回閥可開啟并且由此所述液體工作介質(zhì)從所述供給泵被擠出到所述給水儲(chǔ)箱中。
[0010]如果在內(nèi)燃機(jī)停止后結(jié)束所述管道回路的循環(huán)，則表明是特別適宜的，這是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)在停止后可不將熱能傳導(dǎo)到所述管道回路上并因此不需要所述工作介質(zhì)在管道回路中繼續(xù)循環(huán)和所述管道回路的各部件繼續(xù)運(yùn)行。通過結(jié)束所述管道回路的各部件的繼續(xù)運(yùn)行可減小能量消耗。
[0011]如果所述液體工作介質(zhì)從供給泵通到所述給水儲(chǔ)箱中，已表明所述方法是特別有利的，這是所述給水儲(chǔ)箱是所述管道回路內(nèi)部的儲(chǔ)存器，通過所述給水儲(chǔ)箱可存儲(chǔ)大量的液體工作介質(zhì)。通過這個(gè)過程不需要用來存儲(chǔ)液體工作介質(zhì)的附加容器。
[0012]有利地，所述旁通連接的旁通閥閉合，從而禁止蒸汽狀工作介質(zhì)通過旁通連接返回。位于熱交換器中的高壓蒸汽狀工作介質(zhì)只有在朝向所述供給泵的方向上膨脹的可能性，并且以這種方式特別有效地將液體工作介質(zhì)從所述供給泵擠出到所述給水儲(chǔ)箱。
[0013]通過所述止回閥布置在所述回流管道中給出特別簡(jiǎn)單地控制液體工作介質(zhì)從所述供給泵擠出的可能性。如果液體工作介質(zhì)要從所述供給泵擠出，則這通過開啟止回閥實(shí)現(xiàn)。在液體工作介質(zhì)被擠出后，所述止回閥閉合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]在附圖中示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，并且在下面的說明中將對(duì)其詳細(xì)闡明。在唯一的附圖中示意性地示出管道回路。
【具體實(shí)施方式】
[0015]工作介質(zhì)在用于內(nèi)燃機(jī)2的廢熱利用的管道回路4中循環(huán)。在管道回路4中布置至少一個(gè)熱交換器8、一個(gè)膨脹機(jī)10、一個(gè)冷凝器12、一個(gè)給水儲(chǔ)箱14和至少一個(gè)供給泵6。
[0016]內(nèi)燃機(jī)2可尤其實(shí)施為空氣壓縮的自燃式內(nèi)燃機(jī)或者混合壓縮的強(qiáng)迫點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)2。具體地，廢熱利用的管道回路4和用于運(yùn)行管道回路4的所屬方法適用于汽車。所述用于運(yùn)行本發(fā)明的管道回路4的方法當(dāng)然也適用于其他應(yīng)用情形。
[0017]內(nèi)燃機(jī)2燃燒燃料，以便產(chǎn)生機(jī)械能。在這里產(chǎn)生的廢氣通過排氣系統(tǒng)噴出，其中在排氣系統(tǒng)中設(shè)置廢氣催化器。所述排氣系統(tǒng)的管道段22通過熱交換器8。來自廢氣或者廢氣返回的熱能通過在熱交換器8中的管道段22傳導(dǎo)到管道回路4中的工作介質(zhì)上，從而工作介質(zhì)在熱交換器8中可被蒸發(fā)和過熱。
[0018]管道回路4的熱交換器8通過管道25而與膨脹機(jī)10連接。膨脹機(jī)10可實(shí)施為渦輪機(jī)或者活塞機(jī)。通過管道25，蒸汽狀工作介質(zhì)從熱交換器8流到膨脹機(jī)10并且驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)10。膨脹機(jī)10可具有一個(gè)傳動(dòng)軸11，膨脹機(jī)10通過傳動(dòng)軸11而與負(fù)載連接。由此，例如機(jī)械能可傳遞到傳動(dòng)系或者用于驅(qū)動(dòng)泵的發(fā)電機(jī)等。
[0019]在通過膨脹機(jī)10后，工作介質(zhì)通過管道26到達(dá)冷凝器12。通過膨脹機(jī)10降低壓力的工作介質(zhì)在冷凝器12中被冷卻。冷凝器12可與冷卻循環(huán)系統(tǒng)20連接。這個(gè)冷卻循環(huán)系統(tǒng)20可以是例如內(nèi)燃機(jī)2的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。
[0020]在冷凝器12中被液化的工作介質(zhì)通過另一管道27輸送到給水儲(chǔ)箱14。在管道回路4中在管道27的段中附加于供給泵6可存在一冷凝泵13，冷凝泵13將被液化的工作介質(zhì)從冷凝器12輸送到給水儲(chǔ)箱14。給水儲(chǔ)箱14用作管道回路4中液體工作介質(zhì)的儲(chǔ)存器。
[0021]來自給水儲(chǔ)箱14的液體工作介質(zhì)通過管道29由供給泵6輸送到管道24中。在管道29中存在截止閥15，以限定從給水儲(chǔ)箱14到供給泵6的流動(dòng)方向。截止閥15阻止工作介質(zhì)從供給泵6回流到給水儲(chǔ)箱14。
[0022]在管道24中可存在第一閥28，第一閥28形式為調(diào)壓閥，用于調(diào)整熱交換器8入口的工作介質(zhì)的壓力。工作介質(zhì)的蒸汽溫度允許借助于熱交換器8入口的預(yù)定壓力進(jìn)行調(diào)
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[0023]管道24直接通到熱交換器8中，工作介質(zhì)在熱交換器8中被蒸汽和必要時(shí)被過熱。通過管道25，蒸發(fā)的工作介質(zhì)重新到達(dá)膨脹機(jī)10。工作介質(zhì)重新穿過管道回路4。通過至少一個(gè)供給泵6和膨脹機(jī)10給出工作介質(zhì)通過管道回路4的通路方向。因此，內(nèi)燃機(jī)2的廢氣和廢氣返回的成分通過熱交換器8持續(xù)地帶走熱能，其以機(jī)械能或電能的形式釋放。
[0024]在管道回路4中設(shè)置旁通連接32，旁通連接32并行于膨脹機(jī)10布置。蒸汽狀工作介質(zhì)通過旁通連接32旁通膨脹機(jī)10流過。蒸汽狀工作介質(zhì)從熱交換器8通過管道25到達(dá)旁通連接32中，從旁通連接32通過管道26到達(dá)冷凝器12中。
[0025]在旁通連接32中設(shè)置旁通閥33，旁通閥33在管道回路4正常運(yùn)行時(shí)閉合。如果蒸汽狀工作介質(zhì)要旁通流過膨脹機(jī)10，例如在膨脹機(jī)10停止時(shí)，則旁通閥33開啟，使蒸汽狀工作介質(zhì)能夠從膨脹機(jī)10旁通流過。
[0026]管道回路4具有回流管道30?；亓鞴艿?0并行于管道29布置，管道29使給水儲(chǔ)箱14與供給泵6連接?；亓鞴艿?0直接連接供給泵6和給水儲(chǔ)箱14。通過回流管道40能夠使液體工作介質(zhì)從供給泵6流到給水儲(chǔ)箱14。在這里，回流管道30可與供給泵6的液體工作介質(zhì)可存在于其中的多個(gè)或全部?jī)?nèi)部體積連接。有利地，供給泵6和回流管道30之間的連接布置在供給泵6內(nèi)部深的位置上，以便通過重力支持所述排空過程。
[0027]在回流管道30中布置止回閥31，止回閥31禁止供給泵6和給水儲(chǔ)箱14的連接。在正常運(yùn)行條件下，止回閥31閉合以禁止工作介質(zhì)在朝向給水儲(chǔ)箱14的方向上流動(dòng)。
[0028]水可用作工作介質(zhì)，或者符合熱動(dòng)力學(xué)要求的其它液體。所述工作介質(zhì)在通過管道回路4時(shí)經(jīng)歷熱動(dòng)力學(xué)狀態(tài)變化,理想地對(duì)應(yīng)朗肯循環(huán)過程(Rankine-Cycle-Process)。在液相中，工作介質(zhì)通過供給泵6壓縮到適于蒸發(fā)的壓力級(jí)別。接著，廢氣的熱能通過熱交換器8提供給工作介質(zhì)。在這里，所述工作介質(zhì)等壓地被蒸發(fā)并且接著被過熱。然后，蒸汽狀工作介質(zhì)在膨脹機(jī)10中絕熱地降低壓力。此時(shí)得到機(jī)械能或電能。蒸汽狀工作介質(zhì)然后在冷凝器12中被冷卻并且通過供給泵6重新供給給熱交換器8。
[0029]由于使用水或者在低溫時(shí)會(huì)結(jié)冰的其它液體，管道回路4或者管道回路4的零件必須用對(duì)抗冰凍特別敏感的部件制成。通過所述工作介質(zhì)結(jié)冰，所述工作介質(zhì)經(jīng)歷狀態(tài)變化，其中，所述工作介質(zhì)變硬并且可能膨脹。管道回路4的部件在這個(gè)過程中可能被毀壞或者損壞。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的用于運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)2廢熱利用的管道回路4的方法表面管道回路4的部件通過全部或部分地排空液體工作介質(zhì)抗冰凍地制成。在這里，在結(jié)束工作介質(zhì)的循環(huán)后，供給泵6中的液體工作介質(zhì)通過來自熱交換器8的蒸汽狀工作介質(zhì)擠出。
[0031]在內(nèi)燃機(jī)2停止后，膨脹機(jī)10和至少一個(gè)泵6、13被關(guān)閉。工作介質(zhì)不再通過管道回路4循環(huán)。
[0032]在工作介質(zhì)循環(huán)結(jié)束后，在熱交換器8中產(chǎn)生的蒸汽狀工作介質(zhì)不再通過膨脹機(jī)10到達(dá)冷凝器12中。來自熱交換器8的高壓的蒸汽狀工作介質(zhì)膨脹并且從熱交換器8和連接的管道24、25擠出液體工作介質(zhì)。因?yàn)檎羝麪罟ぷ鹘橘|(zhì)不能在朝向冷凝器12方向上通過停止的膨脹機(jī)10擴(kuò)散，蒸汽狀工作介質(zhì)流入管道24和連接的供給泵6中。存在于管道24和供給泵6中的液體工作介質(zhì)通過擴(kuò)散的蒸汽狀工作介質(zhì)擠出到回流管道30中并且從那里擠出到給水儲(chǔ)箱14中。為了能夠使液體工作介質(zhì)從供給泵6流到給水儲(chǔ)箱14，回流管道30中的止回閥31開啟。
[0033]在管道24中存在第一閥28，第一閥28在適用于本發(fā)明的方法時(shí)完全開啟，從而蒸汽狀工作介質(zhì)可從管道24到供給泵6膨脹。
[0034]在部分液體工作介質(zhì)通過蒸汽狀工作介質(zhì)從管道24或者供給泵6擠出后，留在熱交換器8中液體工作介質(zhì)的壓力下降。通過降低熱交換器8中的壓力，蒸汽溫度降低，從而通過存儲(chǔ)在熱交換器8中的熱能，仍留在熱交換器8中的液體工作介質(zhì)蒸發(fā)。這些后來蒸發(fā)的工作介質(zhì)也擴(kuò)散到管道24、25中，從而熱交換器8繼續(xù)被排空。
[0035]在管道回路4部分被排空后，止回閥30閉合。在管道28和供給泵6中存在大量的高溫蒸汽狀工作介質(zhì)。在繼續(xù)冷卻管道回路4時(shí)，工作介質(zhì)的壓力繼續(xù)下降，從而只有部分蒸汽狀工作介質(zhì)進(jìn)一步被液化。少量的液體工作介質(zhì)在管道回路4的部件(例如熱交換器8或者供給泵6)上結(jié)冰時(shí)可不導(dǎo)致?lián)p壞。
[0036]如果管道回路4中存在并行于膨脹機(jī)10布置的旁通連接32，適用于運(yùn)行管道回路4的方法的旁通閥33必須被閉合。這意味著在工作介質(zhì)循環(huán)結(jié)束后，旁通閥33保持閉合或者被閉合，從而來自熱交換器8的蒸汽狀工作介質(zhì)不可能通過旁通連接32旁通膨脹機(jī)10到達(dá)冷凝器12。
【權(quán)利要求】
1.用于內(nèi)燃機(jī)(2)廢熱利用的管道回路(4)，其中，工作介質(zhì)在管道回路(4)中循環(huán)，所述管道回路(4)具有一個(gè)供給泵(6)、至少一個(gè)熱交換器(8)、一個(gè)膨脹機(jī)(10)、一個(gè)用于存儲(chǔ)液體工作介質(zhì)的給水儲(chǔ)箱(14)和一個(gè)冷凝器(12)，其中，所述給水儲(chǔ)箱(14)通過管道(29 )而與所述供給泵(6 )連接，其特征在于， 所述供給泵(6)具有回流管道(30)，液體工作介質(zhì)通過所述回流管道(30)可被排出所述供給泵(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道回路(4)，其特征在于，所述回流管道(30)在所述供給泵(6)和給水儲(chǔ)箱(14)之間并行于所述管道(29)地布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道回路(4)，其特征在于，具有旁通閥(33)的旁通連接(32)并行于所述膨脹機(jī)(10)布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道回路(4)，其特征在于，截止閥(15)布置在所述管道(29)中，以限定從所述給水儲(chǔ)箱(14)到供給泵(6)的流動(dòng)方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的管道回路(4)，其特征在于，止回閥(31)布置在回流管道(30)中，所述止回閥(31)禁止工作介質(zhì)朝向給水儲(chǔ)箱(14)流動(dòng)。
6.用于運(yùn)行根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)(2)廢熱利用的管道回路(4)的方法，其中，所述管道回路(4)的部件通過部分排空液體工作介質(zhì)而抗冰凍地制成，其特征在于，在結(jié)束工作介質(zhì)循環(huán)后，供給泵(6)中的液體工作介質(zhì)通過來自所述熱交換器(8)的蒸汽狀工作介質(zhì)擠出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在內(nèi)燃機(jī)停止后結(jié)束工作介質(zhì)循環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，液體工作介質(zhì)被從所述供給泵(6)引導(dǎo)到所述給水儲(chǔ)箱(14)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為了從所述供給泵(6)擠出所述液體工作介質(zhì)，所述旁通連接(32)的旁通閥(33)閉合，從而蒸汽狀工作介質(zhì)被禁止通過所述冷凝器(12)返回，并且只釋放蒸汽狀工作介質(zhì)通過回流管道(30)的返回。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為了從所述供給泵(6)擠出液體工作介質(zhì)，開啟所述止回閥(31)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在工作介質(zhì)從所述供給泵(6)擠出后，關(guān)閉所述止回閥(31)。
【文檔編號(hào)】F02G5/02GK103518053SQ201280022206
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月10日
【發(fā)明者】G·雷韋斯, N·艾森門格爾, A·布倫克, H-C·馬格爾, A·溫格特, D·澤埃爾 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司