[发明专利]带有提供流体控制并将流体能量转换为其他可用能量形式的移动流体膨胀器的流体流动控制系统

说明书

背景技术

本申请主要涉及流体流动控制。具体来说，本申请涉及的应用是使用节流装置来降低移动流体的流速，目的是实现某种功能，比如在火花点火的内燃机中空气/燃料比控制。

传统上，很多不同类型的流动控制应用中对于流体流动的控制都是通过使用节流阀实现的。节流阀从本质来讲是有适当形状的元件，其放置在流动通道内，目的是调整有效流动面积，以满足实现功能性目的所需的流动要求。比如，节流阀传统上在汽车应用中作为流动控制设备使用。节流阀的一些普通应用包括：汽油发动机中的气流控制，其同样也起到控制发动机功率的作用；废气再循环控制；使用气动调速器的柴油发动机的气流控制等。在传统的节流阀中，流体流动是通过调节节流阀的位置来加以变化的，调节方法是通过根据要求减少或增加有效流动面积。但是，由于其设计，传统节流阀导致了流体流中的大幅压力下降，并且在产生流体流动时大量能量通过客服由节流阀引入的压力限制而浪费。

因此，虽然节流阀实现了期望的流动控制目的，但是为了产生流体流动，节流阀下游的抽吸装置消耗了大量的能量。产生装置如此消耗的能量则必然以热量、振动以及噪音的形式被损耗掉。这种能量损耗在流体流速很高的情况下尤为突出，比如发动机高转速下的空气进气，并且这在流量降低程度要求较高的情况下更加恶化，比如在部分负荷运行中。

发明内容

根据本申请，传统节流阀在降低流体流速方面的缺点至少有部分通过使用具有可变膨胀比并且优选地可用于速度控制的移动流体膨胀器得以克服。移动流体膨胀器代替了传统的节流阀。术语“移动流体膨胀器”包括任何符合以下描述的任何装置，该装置带有元件，该元件被流体移动从而流体在该元件上做功，从而导致流体的膨胀。额外的流动控制可以在移动流体膨胀器中通过控制膨胀器的运转速度来实现。可以使用不同的膨胀器构造，包括但不限于旋转式以及往复式移动流体膨胀器。移动流体膨胀器在实现流动控制装置功能的同时还将流体流量流的动能、压力、和/或热能转换为其他可用形式的能量。此处所描述之系统可以普遍代替任何流动限制装置，此时有机会回收在节流过程中所损耗的能量的大部分。

在一个实施例中，用以控制主流体至下游流动产生装置的流动的流体流动控制系统包括具有可变膨胀比和速度控制的移动流体膨胀器，其布置成接收主流体流并使主流体膨胀，从而实现期望的流速，同时使得主流体温度降低。移动流体膨胀器是可控的，用以改变运转速度以及施加给主流体的膨胀比。系统还包括可选的热交换器，其布置成用以接收温度降低的主流体以及温度较高的二级流体，并在初级和二级流体之间进行期望程度的热交换，使得初级流体为二级流体进行冷却，热交换器带有出口，主流体可以通过其排放，从而供应给流动产生装置。

在某些实施例中，系统的主要功能可能是流动控制，而在另一些实施例中，主要功能还可能是降温，并且在某些其它实施例中有可能在不同程度上使用流动控制以及降温的组合，以实现系统预期的功能。

移动流体膨胀器还可任选地驱动一个或更多附属装置，其非限定性示例为发电机。

在某些实施例中，移动流体膨胀器包括旋转式膨胀器，如可变膨胀比涡轮，其中膨胀比的变化是通过适当调整流动面积、气流速度以及流体在涡轮叶片上的入射角来实现的。比如，旋转式膨胀器可以包括可变喷嘴涡轮（VNT）或带有可滑动活塞或套管用以调整通向移动流体膨胀器的涡轮叶轮的流动面积的涡轮。移动流体膨胀器的速度可以进行调节以获得最佳功能，这通过使用被驱动（附属）装置对膨胀器的输出轴适当地加载来实现。

在某些实施例中，移动流体膨胀器包括往复式膨胀器，如斜盘式活塞系统，其中膨胀比的变化是通过改变活塞行程来实现的。额外的流动控制可以通过改变移动流体膨胀器的运转速度来实现。比如，往复式膨胀器可以包括改变活塞行程的系统，其目的是控制下游压力并由此控制流速。 

在其他实施例中，移动流体膨胀器可以使用一个或多个带凸角的旋转式活塞，如在Wankel发动机中使用的那样，以获得相似的功能。

移动流体膨胀器通过提供相同的流动控制功能而取代了传统的节流阀。这是通过调整移动流体膨胀器内主流体的膨胀程度（如通过在涡轮中调整可变喷嘴或活塞）以及调整移动流体膨胀器的运转速度来实现的，从而获得从移动流体膨胀器内排出的流体期望压力和温度，进而获得所需密度，从而提供主流体的期望质量流速。膨胀的主流体在涡轮上或移动流体膨胀器的其他移动元件上做功并产生机械功率。另外，主流体的膨胀还导致了主流体温度的降低。

流体流动控制系统能够与不同类型的下游流动产生装置共同使用。在某些实施例中，流动产生装置是内燃机。主流体包括空气并且被供应到内燃机的进气口。