車輛用的朗肯循環系統及其控制方法
【專利說明】車輛用的朗肯循環系統及其控制方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2014年10月10日提交的韓國專利申請第10-2014-0136506號的優先權，通過引用將其全部內容結合于此。
技術領域
[0003]本發明的示例性實施方式涉及車輛用的朗肯循環系統；并且，具體地，涉及具有由高溫栗和低溫栗分開的雙流體循環回路的車輛用的朗肯循環系統，以及控制該系統的方法。
【背景技術】
[0004]通常，應用于車輛的廢熱回收系統通常是指從發動機排放出的廢氣回收能量的技術。例如，這樣的技術可以包括:通過使用渦輪發電機將廢氣的流動立即轉換成旋轉能來發電的技術，使用熱電裝置產生電能的技術，以及使用廢氣的熱量產生蒸汽以使用蒸汽轉動渦輪機的朗肯循環技術。
[0005]朗肯循環技術在它們之中具有以下優點:從丟棄的廢氣中將能量回收到工作流體，且特別是可用于使用水作為工作流體的車輛的發動機冷卻液。
【發明內容】
[0006]本發明的實施方式涉及具有雙流體循環回路的車輛用的朗肯循環系統，其中，高溫(HT)環路，在高溫(HT)環路中，HT工作流體通過從發動機排出的廢氣的熱量轉變成蒸汽使得產生電力。蒸汽被冷凝回成HT工作流體的液態。低溫(LT)環路，在低溫環路中，當LT工作流體冷卻HT環路中的HT工作流體時，轉變成蒸汽的LT工作流體的溫度被提高，使得產生電力，并且蒸汽被冷凝回成HT工作流體的液態。發動機冷卻液循環輔助管線形成循環流，其中在發動機中循環的發動機冷卻液被提供至LT回路之后，發動機冷卻液加熱LT工作流體并且然后返回至發動機。在某些實施方式中，HT環路可以包括連接至主排氣管線的高溫流體供應管線，廢氣主排氣管線流，使得高溫工作流體在高溫流體供應管線中從液體變成蒸汽。還會包括使用從高溫流體供應管線排出的蒸汽產生旋轉動力的高溫膨脹器。HT環路還會包括高溫流體返回管線，其中穿過高溫膨脹器的蒸汽變成將被提供至高溫流體供應管線的液體。
[0007]在某些實施方式中，LT環路可以包括連接至發動機冷卻液循環輔助管線的低溫流體供應管線，發動機冷卻液通過發動機冷卻液循環輔助管線流，使得低溫工作流體在低溫流體供應管線中從液體轉變成蒸汽。LT環路還可以包括使用從低溫流體供應管線排出的蒸汽產生旋轉動力的低溫膨脹器。還可以包括低溫流體返回管線，在低溫流體返回管線中，穿過低溫膨脹器的蒸汽轉變成將被提供至低溫流體供應管線的液體。
[0008]在某些實施方式中，發動機冷卻液循環輔助管線可以包括發動機冷卻液通過其從發動機排出的發動機冷卻液抽出管線，以及發動機冷卻液通過其直接返回至發動機的發動機冷卻液直接返回管線。發動機冷卻液循環輔助管線還可以包括從發動機冷卻液直接返回管線分支的發動機冷卻液間接返回管線以便形成發動機冷卻液抽出管線中的發動機冷卻液經由發動機散熱器返回至發動機的路徑。
[0009]在某些實施方式中，HT環路可以進一步包括安裝在高溫流體供應管線上的高溫鍋爐和高溫過熱器以及安裝在高溫流體返回管線上的高溫冷凝器、高溫栗、高溫電子膨脹閥、以及高溫流體貯存器。
[0010]在某些實施方式中，LT環路可以進一步包括安裝在低溫流體供應管線上的低溫鍋爐和低溫過熱器以及安裝在低溫流體返回管線上的低溫換熱器、低溫冷凝器、低溫栗、低溫電子膨脹閥、以及低溫流體貯存器。高溫冷凝器可以連接至低溫流體供應管線并且低溫過熱器可以連接至低溫流體供應管線。與低溫過熱器共享主體的高溫冷凝器在利用LT流體冷卻HT流體的同時將熱從高溫環路傳遞至低溫環路。
[0011]在某些實施方式中，朗肯循環系統可以進一步包括安裝在主排氣管線上的催化轉化器和安裝在主排氣管線上的消音器。排氣管線可以從主排氣管線的第一部分分支出來。分支的排氣管線可以將催化轉化器連接至消音器。排氣旁通閥可以安裝在分支的排氣管線上。高溫鍋爐可以安裝在主排氣管線的第一部分中，并且高溫過熱器可以安裝在主排氣管線的第二部分中。第二部分可以將發動機連接至催化轉化器。
[0012]在某些實施方式中，HT環路和LT環路可以由被配置為輸出PffM占空比(脈寬調制占空比)的朗肯控制器以PID方式控制。朗肯控制器可以包括錯誤校驗塊，該錯誤校驗塊被配置為校驗HT回路、發動機或者LT回路的錯誤。高溫栗控制塊可被配置為配置HT環路以控制循環高溫工作流體的高溫栗的轉速，以及低溫栗控制塊，可被配置為配置LT環路以控制循環低溫工作流體的低溫栗的轉速。
[0013]還公開了一種控制具有雙雙的循環回路的車輛用的朗肯循環系統的方法。該方法可以包括對朗肯循環系統執行系統診斷。
[0014]在某些實施方式中，執行系統診斷的步驟中，當啟動發動機時由朗肯控制器初始化HT環路和LT環路的分步驟可以通過以下變量實現，諸如在HT環路和LT環路的每個中形成的離合器斷開、HT旁通閥打開、LT旁通閥打開、排氣旁通閥關閉以及散熱器旁通閥打開，并且錯誤校驗通過以下變量實現，諸如在HT環路和LT環路中的每個中形成的HT栗錯誤狀態正常、LT栗錯誤狀態正常、以及HT旁通閥錯誤狀態正常。
[0015]在某些實施方式中，在執行系統診斷的步驟中，控制HT環路和LT環路的部件的狀態的分步驟通過以下變量實現，諸如HT離合器斷開、HT旁通閥打開、LT旁通閥打開、排氣旁通閥打開、散熱器旁通閥關閉、HT栗轉速最大值以及LT栗轉速最大值。
[0016]本發明的其他目標和優點可通過以下描述來理解，并且通過參考本發明的實施方式將變得顯而易見。另外，對于本發明所屬領域中的技術人員而言清楚的是，本發明的目標和優點可以通過要求保護的方法及其組合來實現。
【附圖說明】
[0017]圖1A和圖1B是示出根據本發明的實施方式的具有雙流體循環回路的車輛用的朗肯循環系統的構造的示意圖。
[0018]圖2A至圖5C是示出根據本發明的實施方式的朗肯控制器中的錯誤校驗塊、HT栗控制塊、和LT栗控制塊的各個示例性構造的示意圖。
[0019]圖6A至圖8C是示出根據本發明的實施方式的控制具有雙流體循環回路的車輛用的朗肯循環系統的方法的流程圖。
[0020]圖9A和圖9B是示出圖6A至圖8C的方法中的朗肯循環系統的運轉狀態的示意圖。
[0021]圖1OA和圖1OB是示出高溫栗PID增強控制邏輯的實例的示圖，其中在控制根據本發明的實施方式的具有雙流體循環回路的車輛用的朗肯循環系統的方法中將高溫鍋爐和高溫過熱器的溫度用作控制變量。
【具體實施方式】
[0022]下文將參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施方式。然而，本發明可體現為不同的形式并且不應被解釋為局限于本文所闡述的實施方式。在整個公開內容中，貫穿本發明的各個附圖和實施方式，相同的參考標號指代相同的部分。
[0023]圖1A和圖1B示出根據本發明的實施方式的具有雙流體循環回路的車輛用的朗肯循環系統的構造。
[0024]如附圖所示，朗肯循環系統包括發動機1、排氣系統10、發動機冷卻系統20、使用水作為高溫工作流體的高溫環路(在下文中，稱為“HT環路”)30、使用水作為低溫工作流體的低溫環路(在下文中，稱為“LT環路”)40，以及在某些實施方式中的用于執行PID控制邏輯的朗肯控制器100。
[0025]發動機I是通過燃料的燃燒產生動力的內燃機，并且由ECU (發動機控制單元或者電子控制單元)來控制。在某些實施方式中，ECU包括朗肯控制器100。
[0026]在某些實施方式中，排氣系統10包括:從發動機I排出的廢氣流穿過的主排氣管線11、安裝在主排氣管線11上以除去廢氣中的有害物質的催化轉化器13、用于減少從催化轉化器13排出的廢氣的噪音以將廢氣排出至大氣的消音器15、從主排氣管線11分支以將催化轉化器13連接至消音器15的分支排氣管線11-1、以及安裝在分支排排氣管線11-1上的排氣旁通閥17。旁通閥17由朗肯控制器100控制，并且朗肯控制器100包括在E⑶中。
[0027]在某些實施方式中，發動機冷卻系統20與典型的水冷式發動機冷卻系統類似的地方在于:具有發動機冷卻液在其中循環的發動機散熱器20-1。然而，發動機冷卻系統20在以下方面與典型的水冷式發動機冷卻系統不同:即進一步包括發動機冷卻液循環輔助管線20-2，高溫發動機冷卻液通過該輔助管線20-2供應至LT環路40以便加熱LT環路40中的低溫工作流體。
[0028]在某些實施方式中，發動機冷卻液循環輔助管線20-2包括:發動機冷卻液抽出管線21，連接至發動機冷卻液栗21-1，使得發動機I的發動機冷卻液通過發動機冷卻液抽出管線21排出；發動機冷卻液直接返回管線23，發動機冷卻液通過其直接回流至發動機I ;發動機冷卻液間接返回管線25，從發動機冷卻液直接返回管線23分支到發動機散熱器20-1，使得發動機冷卻液經由發動機散熱器20-1間接回流至發動機I ;以及散熱器旁通閥23-1，安裝在發動機冷卻液直接返回管線23和發動機冷卻液間接返回管線25之間。發動機冷卻液栗21-1和散熱器旁通閥23-1由朗肯控制器100控制，并且朗肯控制器100包括在ECU中。
[0029]在某些實施方式中，HT環路30包括:高溫流體供應管線30-1，高溫工作流體通過其從液體變成蒸汽并且流動；以及高溫流體返回管線30-2，高溫工作流體通過其從蒸汽變成液體并且流動。高溫流體供應管線30-1和高溫流體返回管線30-2形成連接至排氣系統10的主排氣管線11的閉合回路，從而允許通過廢氣將高溫工作流體轉化成蒸汽來產生旋轉動力。該旋轉動力被用來由典型的發電機產生電力。在某些實施方式中，由HT環路30產生的電(electricity)被供應為對車輛電池進行充電或者操作車輛中的各種電力裝置的電力。
[0030]為此，高溫流體供應管線30-1和高溫流體返回管線30-2配備有高溫鍋爐(在下文中，稱為“HT_B0”)31、高溫過熱器(在下文中，稱為“HT_SH”)32、高溫膨脹器(expander) 33、高溫冷凝器(在下文中，稱為“HT_Cond”)34、高溫栗(在下文中，稱為“HT栗” )35、高溫電子膨脹閥(在下文中，稱為“HT_EEV” ) 36、以及高溫流體貯存器37。
[0031]在某些實施方式中，ΗΤ_Β0 31和HT_SH 32安裝在高溫流體供應管線30_1上。在某些實施方式中，ΗΤ_Β0 31安裝在從催化轉化器13延伸出的主排氣管線11上以便通過從催化轉化器13排出的廢氣的熱量使高溫工作流體變成蒸汽。在某些實施方式中，HT_SH 32安裝在連接至催化轉化器13的主排氣管線11上，以便在保持蒸汽的壓力的狀態下使用從發動機I排出的廢氣的熱量進一步提高從ΗΤ_Β0 31排出的蒸汽的溫度。
[0032]在某些實施方式中，高溫膨脹器33將高溫流體供應管線30-1的末端部連接至高溫流體返回管線30-2的開始部。高溫膨脹器33由從HT_SH 32排出的高壓和高溫蒸汽旋轉以產生旋轉動力，并且通過使用旋轉動力產生電來產生電流，以充電車輛電池或者操作車輛中的各種電力裝置。
[0033]在某些實施方式中，HT_Cond 34、HT栗35、HT_EEV 36、以及高溫流體貯存器37安裝在高溫流體返回管線30-2上。HT_Cond 34通過冷凝蒸汽使從高溫膨脹器33排出的蒸汽變成液相高溫工作流體。HT栗35在離合器(在下文中，稱為“HT離合器”)接合期間栗送高溫流體貯存器37中的高溫工作流體，并且促進在高溫流體供應管線30-1和高溫流體返回管線30-2中流動的高溫工作流體的循環。當HT_EEV 36旋開時，HT_EEV 36打開高溫工作流體通過其返回至高溫流體貯存器37的路徑，然而，當HT_EEV 36關掉時關閉高溫工作流體通過其返回至高溫流體貯存器37的路徑。高溫流體貯存器37存儲高溫工作流體。具體地，HT栗35、HT離合器、和HT_EEV 36由朗肯控制器100控制，并且朗肯控制器100包括在E⑶中。此外，HT_Cond 34連接至LT環路40以便通過提高低溫工作流體的溫度來降低高溫工作流體的溫度，并且促進低溫工作流體被變成蒸汽。其詳細說明將在描述LT環路40時給出。
[0034]此外，在某些實施方式中，HT環路30進一步包括高溫流體旁通管線30-la和高溫流體安全管線30-lb，該旁通管線和安全管線均從高溫流體供應管線30-1分支以連接至高溫流體返回管線30-2，使得高溫工作流體沒有穿過高溫膨脹器33。高溫流體旁通管線30-la設置有分流蒸汽流以降低可容許的