[发明专利]用于将热能转换为机械能的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1和11前序部分的用于将热能转换为机械能的设备和方法。

背景技术

当燃料在车辆内燃机中燃烧时，化学能转换为机械能以推进车辆。然而，化学能中的相当一部分转换为热能，该热能以多种方式释放到周围环境中。其示例为排放到周围环境中的排出气体中的热能。另一示例是存在于车辆中的多种热介质中的热能，该热介质在多种冷却装置中被主动冷却。这种热介质的示例为冷却系统中的冷却剂，该冷却系统冷却车辆的发动机和可能的其它部件。热的冷却剂通常在车辆前部通过周围环境空气在散热器中冷却。许多内燃机是需要供应压缩空气的增压式内燃机。增压空气在导入发动机之前，在至少一个增压空气冷却器中冷却。为降低氮氧化物排放，排出气体的一部分可以再循环。再循环的排出气体在与增压气体混合并且导入发动机等之前，在至少一个EGR冷却器中被冷却。

WHR（废热回收）系统用于将热能转换为机械能。WHR系统包括具有泵的回路，该泵在管线回路中循环媒介。管线回路包括蒸发器和涡轮，媒介在该蒸发器中通过来自热源的热而气化，该涡轮由被气化的媒介驱动。当媒介膨胀遍及涡轮时，媒介热能的一部分转换为机械能。该机械能可以用于各种运行目的或被转换为电能。WHR系统的尺寸如此设定以使得在特定负载处效率高。在使用具有不同温度的热源的情况下，负载不是总在WHR系统处于最高效率的范围内。因此当从具有不同温度的热源获取热能时，传统的WHR系统并不特别有效率。

JP08144850提到一种用于从排出气体中回收热能的系统。该系统包括管线回路，该管线回路具有循环的水氨混合物。该系统包括高压涡轮和低压涡轮，以从处于各种运行状态的排出气体中提取机械能，排出气体在各种运行状态中处于不同温度。对于制造而言，这种系统是复杂并且昂贵的。

发明内容

本发明的目的是提出一种设备，即使在热源处于低温时，该设备也能够以有效方式将来自热源的热能转换成机械能。

该目的通过引言中提及类型的设备实现，该设备的特征通过权利要求1特征部分中的特性而指出。根据本发明，非共沸制冷剂混合物在管线回路中循环。在热源处于低温时，制冷剂混合物在蒸发器中没有彻底气化。在这种情况下，制冷剂混合物被引导到分离装置，该分离装置将制冷剂混合物中的液态部分与制冷剂混合物中的气态部分分离。继而，制冷剂混合物中的气态部分被引导回到管线回路，用于继续循环，而制冷剂混合物中的液态部分留存在分离装置中。由于制冷剂混合物包括具有不同气化温度的两种制冷剂，因此具有较高气化温度的第一制冷剂将基本维持在液态，而具有较低气化温度的第二制冷剂在蒸发器中基本变为气态。这使得在管线回路中循环的制冷剂混合物中所包括的第二制冷剂的比例增加。只要制冷剂混合物在制冷剂混合物中没有彻底气化，其第一制冷剂含量就将减小。这导致制冷剂混合物以逐渐降低的温度气化，直到其在蒸发器中全部气化。这导致能够在涡轮中产生机械能的气态媒介的最佳量。这样，根据本发明，制冷剂混合物的成分改变，并且因此当热源处于低温时，该制冷剂混合物的气化温度自动下降到较低值。这使得即使在该热源处于低温时，机械能也可以通过有效方式从热源中提取。通过非共沸制冷剂混合物，质量流量不完全取决于可用温度，因为对于最佳涡轮效率而言，质量流量能够在某种程度上通过变更制冷剂混合物的成分而被控制。

根据本发明的优选实施例，所述控制装置包括设置成从至少一个传感器接收信息的控制单元，该传感器监视参数，控制单元依据该参数判定制冷剂混合物是否在蒸发器中彻底气化。控制单元可以是计算机单元，该计算机单元具有用于此目的的适当软件。所述传感器可以设置成在蒸发器中或在管线回路中基本紧邻蒸发器下游的位置处监视制冷剂的温度和/或压力。依据所知的制冷剂的压力和温度，控制单元能够判定全部制冷剂混合物是否在蒸发器中气化。该控制单元能够依据与所用制冷剂混合物有关的存储信息判定全部制冷剂混合物是否在蒸发器中气化。替代地，其可以从传感器接收信息，该传感器检测参数，通过该参数能够估算热能从热源到蒸发器的当前供应。