排氣能量回收系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】排氣能量回收系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]該申請(qǐng)于2013年12月27日作為PCT國(guó)際申請(qǐng)?zhí)岢?，并要求申?qǐng)日為2013年I月3日的美國(guó)專利申請(qǐng)61/748,740、申請(qǐng)日為2013年3月15日的美國(guó)專利申請(qǐng)61/787，834以及申請(qǐng)日為2013年3月15日的美國(guó)專利申請(qǐng)61/798，137作為優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過(guò)引用包含于本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于排氣再循環(huán)系統(tǒng)的容積式流體膨脹器。
【背景技術(shù)】
[0004]在很多產(chǎn)生能量或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)化為有用功的過(guò)程中都必然會(huì)產(chǎn)生廢熱能量，例如動(dòng)力裝置。通常，這種廢熱能量被釋放到周圍環(huán)境中。某種應(yīng)用中，廢熱能量產(chǎn)生自內(nèi)燃機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣通常具有高溫和高壓，且通常不經(jīng)過(guò)任何能量回收過(guò)程便被排放到周圍環(huán)境中?；蛘撸呀?jīng)使用一些方法在同一過(guò)程或不同過(guò)程中來(lái)回收廢能以及對(duì)回收能量進(jìn)行再利用。然而，仍然需要提高能量回收的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種容積式流體膨脹器。本發(fā)明描述了包括如下幾個(gè)方面在內(nèi)但不局限于此的諸多方面。
[0006]本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供了一種容積式流體膨脹器，通過(guò)膨脹工作流體從而產(chǎn)生有用功。在一個(gè)應(yīng)用中，該容積式流體膨脹器被用來(lái)從動(dòng)力設(shè)備中回收廢能，例如來(lái)自燃料電池或者內(nèi)燃機(jī)的廢熱能量。該動(dòng)力裝置可以設(shè)置在車輛中或者用于靜止設(shè)備，例如動(dòng)力裝置被作為發(fā)電機(jī)的情況。在一個(gè)可能的結(jié)構(gòu)而非限制性的示例中，該容積式流體膨脹器用于內(nèi)燃機(jī)的排氣再循環(huán)系統(tǒng)。
[0007]在一個(gè)示例中，工作流體是來(lái)自內(nèi)燃機(jī)或者燃料電池的全部或部分排氣流。另一個(gè)示例中，將工作流體與來(lái)自內(nèi)燃機(jī)或燃料電池的廢熱流分開(kāi)并被其加熱，例如PCT國(guó)際申請(qǐng)W02013/130774中描述的那樣。W02013/130774公開(kāi)工作流體可被用于朗肯循環(huán)，其中該工作流體可以是例如乙醇、正戊烷或甲苯的溶劑。W02013/120774在此通過(guò)引用包含于此。
[0008]如所示，該容積式流體膨脹器包括殼體，其具有構(gòu)造成接收處于第一壓力的工作流體的入口和構(gòu)造成以比第一壓力低的第二壓力排出工作流體的出口。該膨脹器還包括可轉(zhuǎn)動(dòng)地布置在殼體中的第一和第二螺旋嚙合轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成被工作流體旋轉(zhuǎn)并將工作流體從入口傳送至出口。每個(gè)轉(zhuǎn)子具備多個(gè)葉片，其定位成當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)子的一個(gè)葉片相對(duì)入口前進(jìn)時(shí)，第二轉(zhuǎn)子的一個(gè)葉片相對(duì)于入口離開(kāi)。該膨脹器還包括輸出軸，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，由此容積式流體膨脹器回收的能量被傳回動(dòng)力裝置。
[0009]配方的另一個(gè)實(shí)施例涉及車輛，其包括動(dòng)力設(shè)備并采用上述系統(tǒng)以增大由動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的動(dòng)力。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，能量回收裝置設(shè)置在排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)中以提高內(nèi)燃機(jī)的性能或效率。該容積式流體膨脹器被構(gòu)造成從發(fā)動(dòng)機(jī)接收第一排氣流，將第一排氣流膨脹至第二排氣流，產(chǎn)生機(jī)械功，并排出第二排氣流。如上所述的容積式流體膨脹器可以被用于該容積式流體膨脹器。第二排氣流具有比第一排氣流低的壓力和/或溫度。尤其是，該容積式流體膨脹器包括具有入口和出口的殼體。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)具有進(jìn)氣歧管和排氣歧管，入口與排氣歧管流體連通并構(gòu)造成從排氣歧管接收第一排氣流。該出口與進(jìn)氣歧管流體連通并構(gòu)造成排出第二排氣流。在一些實(shí)施例中，該入口可以直接與排氣歧管流體連通，出口可以直接與進(jìn)氣歧管流體連通。
[0011]該能量回收系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接至容積式流體膨脹器的發(fā)電機(jī)。在一些實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)被構(gòu)造成控制容積式流體膨脹器中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整由該裝置排出的第二排氣流的量。
[0012]該能量回收系統(tǒng)進(jìn)一步包括儲(chǔ)能裝置。容積式流體膨脹器產(chǎn)生的機(jī)械功儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中，之后在需要的時(shí)候進(jìn)行釋放。該儲(chǔ)能裝置可以是電池組或蓄能器。
[0013]本發(fā)明的又一個(gè)方面中，提供了一種用于容積式流體膨脹器的發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)被構(gòu)造成通過(guò)控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)從容積式流體膨脹器的殼體排出的第二排氣流的量。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是具有根據(jù)本發(fā)明的示例的特征的容積式流體膨脹器的第一實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D。
[0015]圖2是圖1中容積式流體膨脹器的示意性俯視立體圖。
[0016]圖3是具有根據(jù)本發(fā)明的示例的特征的容積式流體膨脹器的第二實(shí)施例的側(cè)面立體圖。
[0017]圖4是圖3所示容積膨脹器的剖面?zhèn)纫暳Ⅲw圖。
[0018]圖5是示出了圖1和3所示的容積膨脹器的轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)的示意圖。
[0019]圖6是示出了圖1和3所示的容積膨脹器的轉(zhuǎn)子的示意圖。
[0020]圖7是示出了圖1和3所示的容積膨脹器中使用的轉(zhuǎn)子的立體圖。
[0021]圖8是應(yīng)用于車輛的具有容積式流體膨脹器的能量回收系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖。
[0022]圖9是具有容積式流體膨脹器的能量回收系統(tǒng)的第二實(shí)施例的示意圖。
[0023]圖10是具有渦輪增壓器的能量回收系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示意圖。
[0024]圖11是具有渦輪增壓器的能量回收系統(tǒng)的第四實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]將參照附圖對(duì)各種實(shí)施例進(jìn)行描述，其中不同視圖中同樣的附圖標(biāo)記表示相同的部分和部件。各個(gè)實(shí)施例并不是對(duì)所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍的限制。另外，說(shuō)明書(shū)中描述的任何實(shí)施例并不是為了限制，而僅僅是為了描述對(duì)所附權(quán)利要求的諸多可能實(shí)施例中的一部分。
[0026]容積式流體膨脹器
[0027]參見(jiàn)圖1-4，示出了容積式流體膨脹器20的兩個(gè)實(shí)施例(圖1-2和圖3_4)。需要注意的是，相同的附圖標(biāo)記用于兩個(gè)實(shí)施例中相似的部件。下面的描述可應(yīng)用于每個(gè)實(shí)施例。本文中的該容積式流體膨脹器20可被描述為膨脹器、膨脹裝置或容積能量回收裝置。能量回收系統(tǒng)可由與容積式流體膨脹器聯(lián)接的部件形成，容積式流體膨脹器直接或間接地將能量傳輸回動(dòng)力裝置。
[0028]如圖所示，膨脹裝置20包括具有流體入口 24和流體出口 26的殼體22，流體12_1經(jīng)過(guò)膨脹裝置20壓降后將能量傳送至輸出軸38。該入口 24構(gòu)造成容許工作流體12-1處于第一壓力，而出口 26被構(gòu)造成以低于第一壓力的第二壓力排出工作流體12-2。該輸出軸38通過(guò)同時(shí)連接位于殼體22的腔28中的第一和第二交錯(cuò)對(duì)轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子30、32被驅(qū)動(dòng)。各轉(zhuǎn)子30、32具有葉片，其沿著轉(zhuǎn)子30、32的長(zhǎng)度方向呈螺紋狀或螺旋狀設(shè)置。隨著轉(zhuǎn)子30、32的旋轉(zhuǎn)，葉片至少部分地將流體12-1封閉于殼體內(nèi)側(cè)，此時(shí)流體12-1的膨脹僅發(fā)生在代表系統(tǒng)失效的泄露的情況下。不同于當(dāng)流體封閉時(shí)流體量產(chǎn)生變化的一些膨脹裝置，當(dāng)流體12橫穿過(guò)轉(zhuǎn)子30、32的長(zhǎng)度時(shí)，限定在葉片和裝置20殼體22內(nèi)側(cè)之間的體積恒定。因此，該膨脹裝置20被稱作"容積裝置"，因?yàn)榉忾]的或部分密封的流體體積不發(fā)生變化。
[0029]另如圖2所示，每個(gè)轉(zhuǎn)子30、32具有四個(gè)葉片，轉(zhuǎn)子30具有30-1、30-2、30-2、30-3和30-4，轉(zhuǎn)子32具有32-1、32-2、32-3和32_4。雖然所示出的每個(gè)轉(zhuǎn)子30和32都具有四個(gè)葉片，但每個(gè)轉(zhuǎn)子可具有等于或大于兩個(gè)的任意數(shù)量葉片。例如，圖7示出的轉(zhuǎn)子33具有三個(gè)葉片33-1、33-2和33-3。另外，每個(gè)轉(zhuǎn)子30和32的葉片數(shù)量相同。這不同于典型的回轉(zhuǎn)螺旋裝置20和其他類似構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，其具有不同的葉片數(shù)量(例如，具有"η"個(gè)葉片的陽(yáng)轉(zhuǎn)子和具有"η+1"個(gè)葉片的陰轉(zhuǎn)子)。另外，膨脹裝置的區(qū)別特征之一在于，轉(zhuǎn)子30和32是相同的，但轉(zhuǎn)子30和32反向設(shè)置，因此，從一個(gè)軸端看，一個(gè)轉(zhuǎn)子的葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)而相配合的轉(zhuǎn)子的葉片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因