低溫發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種包括低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和在混合配置中產(chǎn)生廢熱的動(dòng)力發(fā)生裝置（如 內(nèi)燃機(jī)、燃料電池等）的系統(tǒng)，用于在移動(dòng)和固定式應(yīng)用中產(chǎn)生動(dòng)力。
【背景技術(shù)】
[0002] 低溫發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)這樣操作，即在封閉空間內(nèi)使低溫液體（例如液態(tài)空氣、液氮、液 態(tài)氧或液態(tài)天然氣等）汽化并利用所產(chǎn)生的增壓氣體以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪機(jī)或推進(jìn)活塞來(lái)做 功。低溫發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)已知特征是提升峰值循環(huán)溫度會(huì)增加其輸出功。事實(shí)上，由于 低的循環(huán)起始溫度，可實(shí)現(xiàn)從熱量到軸動(dòng)力的非常高的轉(zhuǎn)化效率。但這是以能量輸入為代 價(jià)而產(chǎn)生低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的操作所需的低溫工作流體。這種能量輸入被轉(zhuǎn)化成了經(jīng)濟(jì)成本，而 經(jīng)濟(jì)成本則是在評(píng)估利用低溫發(fā)動(dòng)機(jī)將上述環(huán)境溫度熱量轉(zhuǎn)化成軸動(dòng)力的商業(yè)業(yè)務(wù)時(shí)所 要考慮的關(guān)鍵。
[0003] 全球在工業(yè)和運(yùn)輸作業(yè)中產(chǎn)生極大量的廢熱。例如，內(nèi)燃式（1C)機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)僅 可將從其燃料輸入中可獲得的能量的30-40%轉(zhuǎn)化成軸動(dòng)力；幾乎所有的剩余能量均在熱 量經(jīng)過(guò)散熱器、中間冷卻器和排氣系統(tǒng)時(shí)損失掉。目前，有大量技術(shù)主要著眼于高等級(jí)廢熱 (>>100°C)，像是渦輪復(fù)合式的蒸汽循環(huán)、有機(jī)朗肯循環(huán)和熱電聯(lián)產(chǎn)。但很少有技術(shù)著眼于 低等級(jí)廢熱，并且產(chǎn)量通常也非常低（例如〈5%的轉(zhuǎn)化效率）。
[0004] 低溫發(fā)動(dòng)機(jī)在廢熱回收方面具有潛在吸引力的。它們使用溫度非常低的工作流體 且這能作為冷卻散熱裝置來(lái)得到非常高產(chǎn)的熱回收動(dòng)力循環(huán)，即使是用相當(dāng)?shù)偷燃?jí)的廢熱 來(lái)源。使用液氮工作流體以及100°c(373. 15K)的峰值循環(huán)溫度的卡諾效率的驗(yàn)證便體現(xiàn) 了這點(diǎn)。
[0005] 然而，與許多其它廢熱回收裝置不同，用于這些低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體通常是在 開(kāi)式循環(huán)中使用（即，它在使用之后會(huì)被排出），因?yàn)榈蜏亓黧w生產(chǎn)設(shè)備對(duì)于小規(guī)模的固定 和移動(dòng)（例如5MW之下）應(yīng)用來(lái)說(shuō)太過(guò)昂貴、效率太低且太過(guò)龐大。因此，與許多其它廢熱 回收裝置不同，低溫發(fā)動(dòng)機(jī)有大量的運(yùn)行成本與其消耗工作流體有關(guān)。而且，低溫流體在機(jī) 器工作循環(huán)中被耗盡。
[0006] 通常，現(xiàn)有技術(shù)往往會(huì)忽略這一問(wèn)題。例如，在US6, 891，850中公開(kāi)的發(fā)明的目 的是僅利用廢熱來(lái)提供用于某些其它用途的增壓氣流，而不是產(chǎn)生軸動(dòng)力?；蛘?，已經(jīng)嘗試 通過(guò)將循環(huán)溫度提高到非常高的水平以提高低溫工作流體的比能量的方式來(lái)解決這一問(wèn) 題。例如，US4, 354, 565公開(kāi)了超過(guò)900°C的峰值循環(huán)溫度。這兩種方法在被施加到重視 產(chǎn)生動(dòng)力的應(yīng)用時(shí)存在缺陷；前者不從工作流體產(chǎn)生任何動(dòng)力，而后者與內(nèi)燃機(jī)和燃料電 池釋放的低等級(jí)廢熱不相關(guān)。此外，在這些較高溫度下，使用其它工作流體的閉合循環(huán)成為 可能，而結(jié)果是這些系統(tǒng)往往有高度復(fù)雜性。
[0007] US6, 202, 782描述了一種混合推進(jìn)系統(tǒng)，在其中儲(chǔ)熱器被如此應(yīng)用，以使得燃?xì)?渦輪機(jī)可被間歇性操作以為朗肯循環(huán)提供動(dòng)力。來(lái)自排放氣體的熱量被儲(chǔ)存在蓄積器中以 驅(qū)動(dòng)二次膨脹循環(huán)。
[0008] US4, 226, 294,US4,359, 118 和US4, 354, 656 公開(kāi)了一種基于液氮或液態(tài)空氣 的動(dòng)力循環(huán)，其中，熱量的主要來(lái)源是高溫爐。熱量從大量其它來(lái)源（在4, 359, 118中為兩 個(gè)）中被回收，但并未提供能動(dòng)態(tài)運(yùn)行的系統(tǒng)。
[0009] US2010/0083940使用低溫流體（液態(tài)空氣）來(lái)冷卻燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)的入口空氣。 盡管這種方法提高了燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，但其并未使用低溫流體作為工作流體來(lái)產(chǎn)生動(dòng) 力。
[0010] 在現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和熱產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)源耦接機(jī)構(gòu)的許多例子都涉及 到，隨著熱量產(chǎn)生，熱量被低溫發(fā)動(dòng)機(jī)操作消耗。以這種方式操作低溫發(fā)動(dòng)機(jī)是欠佳的?，F(xiàn) 有技術(shù)并未允許在低溫發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)利用由熱產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)源的操作釋放出的熱量來(lái)從 事任何有用的事情。
[0011] 因此，需要一種利用低溫發(fā)動(dòng)機(jī)將來(lái)自任何廢熱源（例如內(nèi)燃機(jī)、燃料電池或其 它共存的熱產(chǎn)生裝置）的上述環(huán)境溫度熱量轉(zhuǎn)化成額外的軸動(dòng)力的經(jīng)濟(jì)可行的方法。
[0012] 使用低溫工作流體的另一方面是它們的低溫，這意味著它們可向共存的裝置提供 冷卻。然而，需要這樣一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，冷卻以及來(lái)自低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的軸動(dòng)力由低溫發(fā) 動(dòng)機(jī)的工作流體提供。從利用冷卻和做功能力消耗的每一千克工作流體中獲取最大的利益 的方法很可能是以這種方式使用的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。就這點(diǎn)而言，還需要總 體提高動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)且尤其是加入了低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)的總效率，且同時(shí)可進(jìn)一步通過(guò)熱 耦接實(shí)現(xiàn)某些效率收益，且分別的效率和實(shí)際經(jīng)濟(jì)收益可通過(guò)將低溫發(fā)動(dòng)機(jī)與另一動(dòng)力發(fā) 生裝置機(jī)械耦接來(lái)獲得。這樣的效率和優(yōu)勢(shì)通過(guò)本發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明允許整個(gè)系統(tǒng)被如 此操作，以對(duì)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和獨(dú)立的動(dòng)力發(fā)生裝置中的每一個(gè)均效果最佳且同時(shí)允許每一個(gè) 相對(duì)于峰值動(dòng)力需求而言具有減小的尺寸。每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可最優(yōu)化產(chǎn)生的動(dòng)力以處于在期望 的性能帶中，且能夠比在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)是單獨(dú)提供總動(dòng)力輸出時(shí)可能實(shí)現(xiàn)的尺寸更小且效率 更高。通過(guò)根據(jù)動(dòng)力需求而間歇操作一個(gè)或另一個(gè)或兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的方式來(lái)滿足需求，且這 與總是用低溫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全輸出的現(xiàn)有技術(shù)形成了鮮明的對(duì)比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了：具有第一動(dòng)力輸出件的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)；具有第二 動(dòng)力輸出件的動(dòng)力發(fā)生裝置；被可操作地連接以用于從所述第一動(dòng)力輸出件和第二動(dòng)力輸 出件中的一個(gè)或另一個(gè)或兩者接收動(dòng)力輸入的傳動(dòng)系統(tǒng)；以及被可操作地連接以用于從所 述傳動(dòng)系統(tǒng)接收動(dòng)力的傳動(dòng)輸出裝置。
[0014] 上述配置允許選擇性地單獨(dú)或聯(lián)合致動(dòng)用于提供動(dòng)力的兩個(gè)機(jī)構(gòu)中的一個(gè)或多 個(gè)并將允許該系統(tǒng)在間歇性的基礎(chǔ)上選擇性單獨(dú)或聯(lián)合操作兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，以便最大滿足動(dòng) 力需求并同時(shí)以最佳匹配它們的最佳效率和性能能力的方式操作兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣的配置 有別于現(xiàn)有技術(shù)中的"恒定的低溫"配置并且如在本專利說(shuō)明書(shū)中討論的"全動(dòng)態(tài)"配置中 尤其有利的。
[0015] 有利地，該系統(tǒng)還包括控制器，該控制器用于對(duì)所述低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力發(fā)生裝置 中的每一個(gè)的操作進(jìn)行控制，以使得從低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力發(fā)生裝置中的一個(gè)或另一個(gè)或兩 個(gè)向所述傳動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)動(dòng)力。
[0016] 合宜地，所述輸出件包括驅(qū)動(dòng)軸。
[0017] 在一個(gè)優(yōu)選配置中，所述傳動(dòng)系統(tǒng)包括總合機(jī)構(gòu)，且其中所述第一動(dòng)力輸出件和 第二動(dòng)力輸出件中的每個(gè)被耦接至所述總合機(jī)構(gòu)，并且其中，所述傳動(dòng)系統(tǒng)包括公共的最 終輸出件。該最終輸出件在低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā)生裝置之間共享，且該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該 動(dòng)力發(fā)生裝置被構(gòu)造成通過(guò)公共的最終動(dòng)力輸出件輸出動(dòng)力，該公共的最終動(dòng)力輸出件也 可在它和任一最終動(dòng)力輸出之間設(shè)置離合器。
[0018] 有利地，該系統(tǒng)還包括被可操作地連接至所述傳動(dòng)系統(tǒng)以用于從所述傳動(dòng)系統(tǒng)接 收動(dòng)力的第一從動(dòng)輪組和第二從動(dòng)輪組。
[0019] 優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括位于該第一驅(qū)動(dòng)輪組和該傳動(dòng)系統(tǒng)之間的第一離合器。
[0020] 有利地，該系統(tǒng)包括位于該第二驅(qū)動(dòng)輪組和該傳動(dòng)系統(tǒng)之間的第二離合器。
[0021] 有利地，該系統(tǒng)還包括獨(dú)立的第一輔助輸出件和第二輔助輸出件。它們被可操作 地連接至該傳動(dòng)系統(tǒng)以用于從該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)或該動(dòng)力發(fā)生裝置中的一個(gè)或另一個(gè)接收動(dòng) 力，所述輔助輸出件也被構(gòu)造成將動(dòng)力引導(dǎo)至分別獨(dú)立設(shè)置的驅(qū)動(dòng)輪組。
[0022] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā)生裝置可彼此（例如機(jī)械地）耦接，以使得所述輸出機(jī) 構(gòu)在所述低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和所述動(dòng)力發(fā)生裝置之間共享，并且該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā)生裝置 被構(gòu)造成通過(guò)所述輸出機(jī)構(gòu)選擇性地輸出動(dòng)力。
[0023] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)包括：
[0024]用于儲(chǔ)存該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體的第一儲(chǔ)罐；
[0025]用于儲(chǔ)存熱交換流體的熱交換流體（HEF)儲(chǔ)罐，其中，該熱交換流體被構(gòu)造成將 熱傳遞至該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體；包括至少一個(gè)膨脹器的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)本體，所述膨脹器 用于通過(guò)使工作流體膨脹從工作流體獲取動(dòng)力并通過(guò)輸出機(jī)構(gòu)將所獲取的動(dòng)力輸出；以及 用于在熱交換流體已經(jīng)將熱傳遞至該工作流體之后回收熱交換流體的熱交換流體回收裝 置。
[0026] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)還包括：
[0027] 用于將工作流體從所述第一儲(chǔ)罐輸送至所述低溫發(fā)動(dòng)機(jī)本體的至少一個(gè)工作流 體泵和/或至少一個(gè)工作流體噴射器；以及
[0028] 用于將熱交換流體從該熱交換流體儲(chǔ)罐輸送至該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)本體的至少一個(gè)熱 交換流體泵。
[0029] 熱交換流體可被直接導(dǎo)入所述至少一個(gè)膨脹器內(nèi)，以在該膨脹器內(nèi)使該熱交換流 體與該工作流體混合，從而允許該熱交換流體將熱傳遞至該工作流體。替代地或補(bǔ)充，該低 溫發(fā)動(dòng)機(jī)本體還可包括至少一個(gè)預(yù)混合器，用于在所述工作流體被導(dǎo)入所述至少一個(gè)膨脹 器之前使熱交換流體與該工作流體混合。
[0030] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)還可包括至少一個(gè)輔助熱交換器，用于在該熱交換流體被導(dǎo)入該低 溫發(fā)動(dòng)機(jī)本體之前將熱傳遞至該熱交換流體。
[0031] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)可彼此耦接，以允許在該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā) 生系統(tǒng)之間傳遞熱能。該系統(tǒng)還可包括第一傳遞機(jī)構(gòu)，其被構(gòu)造成將被該動(dòng)力發(fā)生裝置釋 放出的廢熱傳遞至該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。
[0032] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的熱交換流體儲(chǔ)罐與該動(dòng)力發(fā)生裝置相結(jié)合。該第一傳遞機(jī)構(gòu)被構(gòu) 造成將從該動(dòng)力發(fā)生裝置釋放的廢熱傳遞至該熱交換流體儲(chǔ)罐。該熱交換流體儲(chǔ)罐被構(gòu)造 成將由該動(dòng)力發(fā)生裝置釋放的廢熱進(jìn)行儲(chǔ)存并且該熱交換流體儲(chǔ)罐是隔熱的和/或包括 熱能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，如相變材料。
[0033] 可選擇地，該動(dòng)力發(fā)生裝置可包括排熱機(jī)構(gòu)（例如散熱器），用于從該動(dòng)力發(fā)生裝 置釋放出廢熱。該排熱機(jī)構(gòu)可從該系統(tǒng)釋放廢熱。
[0034] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā)生裝置可彼此脫接，以允許在該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)不操作時(shí)從 該動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)釋放廢熱。替代地或補(bǔ)充，該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā)生裝置可彼此部分脫 接，以允許在該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)操作時(shí)通過(guò)排熱機(jī)構(gòu)從該動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)釋放廢熱。
[0035] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā)生裝置可如此彼此耦接，以使得該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流 體為該動(dòng)力發(fā)生裝置提供冷卻。
[0036] 該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)和該動(dòng)力發(fā)生裝置可如此地彼此耦接，以使得該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的工作 流體為動(dòng)力發(fā)生裝置間歇性地提供冷卻。
[0037]例如來(lái)自儲(chǔ)罐和/或泵和/或噴射器的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)工作流體的汽化可為該動(dòng)力發(fā) 生裝置提供冷卻。作為替代或補(bǔ)充，可留出該低溫發(fā)動(dòng)