CN111692776B - 用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***、机动车辆和在机动车辆上生产软化水的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在机动车辆上生产软化水的吸附***(4)，包括：冷凝器(8)，蒸发器(12)，第一和第二吸附剂床(16，20)，每个吸附床(16，20)均包含吸附材料，其中每个吸附床(16，20)可通过设有至少一个控制阀(32)的管道(28)选择性地连接到冷凝器(8)和/或蒸发器(12)。每个吸附剂床(16，20)借助于供应阀(44)可选择性地和交替地连接至加热源(36)的供应回路和冷却源(40)的供应回路，其中冷凝器(8)可通过设有相对节流阀(56)的直接分支(52)直接和选择性地连接到蒸发器(12)。有利地，所述***(4)包括沿空气入口分支(64)布置的入口阀(60)，其适于选择性地在***(4)外部的环境空气与所述吸附剂床(16，20)之间建立流体连接，以通过由所述吸附剂床(16，20)进行的吸附现象从外部空气中捕获水，并通过该吸附现象生产水。

Description

用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***、机动车辆和 在机动车辆上生产软化水的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***，包括所述***的机动车辆以及用于在其机动车辆上生产软化水的方法。
背景技术
引入适于在现代内燃发动机中提高性能并减少燃料消耗和排放的注水***已经导致对以给定频率填充软化水箱的需求。
对于设有内燃发动机的所有应用而言注水技术可能是令人感兴趣的。通常，在奥托循环发动机中，将水直接或间接地(通过入口管)注入燃烧室中，以减轻爆震趋势并控制排气气体的温度。在柴油循环发动机中，可以相同的方式将水注入燃烧室，但是在这种情况下，其目的是减少氮氧化物的形成。此外，在这种特定类型的发动机中，可能有必要在可变浓度SCR***存在的情况下将软化水注入排气气体处理***中。
因此，所有这些应用需要在车辆上给定体积的软化水，该软化水通常容纳在与燃料箱类似的专用箱中，必须每次加满。
然而，由于除燃料之外，用户通常不愿意承担填充软化水的任务，因此至今为止，供应软化水的需求使得该技术没有吸引力。
显然，在车辆上软化水生产***的可用性将允许减少或最佳地消除由终端用户进行填充，从而使注水技术更具吸引力。
当然，这样的***或设施应该是节能的，以便对能量消耗没有显著影响并且不会显著负担车辆的总体成本。
发明内容
因此，在本领域中感觉到对于提供一种用于在机动车辆上生产软化水的***以及一种用于在其机动车辆上软化水的生产方法存在需求，以实现上述技术效果。
通过根据权利要求1所述的用于在机动车辆上生产软化水的***以及通过根据权利要求19所述的在其机动车辆上软化水的生产方法来满足这种需求。
在从属权利要求中描述本发明的其他实施例。
附图说明
从以下通过非限制性示例给出的优选实施例的描述中，本发明的其他特征和优点将变得更好理解，其中：
图1是通用吸附制冷***的示意图；
图2是示出在恒定压力下在空气和水混合物的冷却之后通过冷凝生产水的图；
图3是根据本发明实施例的吸附冷却***的示意图；
图4是根据气温的不同吸附材料的吸附能力的图；
图5示出根据时间的一些吸附材料的吸附率，并且因此示出根据时间的水吸附量。
将使用相同的附图标记指示与以下描述的实施例相同的元件或部件。
具体实施方式
参考前述附图，附图标记4指示作为整体的机动车辆上的吸附制冷***。
值得指出的是，术语“车辆”应在广义上理解；换句话说，本发明可以容易地应用于任何类型的车辆。
***4包括适合于冷凝气体流或水蒸汽流的冷凝器8，适合于产生气体流或水蒸汽流的蒸发器12，第一吸附床16和第二吸附床20，每个吸附床包含吸附材料。
冷凝器8、蒸发器12和吸附床16，20的类型和尺寸可以变化，而对于本发明的目的没有限制。吸附床优选包含作为吸附材料的硅胶和/或沸石。
每个吸附床16，20可通过设有至少一个控制阀32的管道或导管28选择性地连接到冷凝器8和/或蒸发器12。控制阀32可以是各种类型的，主动和被动两者。
特别地，根据一个可能的实施例，所述控制阀32是单向阀，其通过压力和/或压降(depression)自动致动，该压力和/或压降通过来自所述控制阀32***到其中的管道28中的吸附床的气体流或水蒸汽流产生。这种类型的被动阀具有自动调节的优点，而无需特定的驱动器和/或致动器。
根据另一个可能的实施例，所述控制阀32是由致动装置(未示出)有选择地操作的阀，以确保在相应管中水蒸汽或气体的相应流通过/受阻。因此，该实施例提供了主动类型阀的使用，从而有可能在特定的***操作要求的情况下始终保证阀的正确操作并可能迫使其正确操作。
值得指出的是，上述控制阀32的类型不是相互替代或排除性的；换句话说，在同一***4内可以混合使用所述类型的控制阀32。
控制阀的具体操作在下文更详细地描述。
根据本发明，每个吸附床16，20可以通过相应的供应阀44选择性地和交替地连接到热源36的供应回路和冷却源40的供应回路。加热源和冷却源通常是来自***4安装在其上的车辆的发动机的流体，即水或冷却剂。也可以使用处于气态的加热或冷却流体，例如用于加热的发动机排气气体以及用于冷却的外部环境空气。加热源36和冷却源40的供应回路通常包括管道48，这种加热或冷却流体以液态或气态流动通过管道48。
冷凝器8通过设置有相应节流阀56的直接分支52可直接和选择性地连接到蒸发器12。所述节流阀56的目的是层压(laminate)并因此降低来自冷凝器8的流体的压力，并且朝向蒸发器12引导，以有利于其随后在所述蒸发器12内的完全蒸发。
有利地，所述***4包括沿空气入口支路64布置的入口阀60，其适于选择性地在***4外部的环境空气和所述吸附床16,20之间建立流体连接，以通过由所述吸附床16，20执行的吸附现象从外部空气中捕获水，并通过该吸附现象生产水。
根据一个实施例，所述入口阀60是三通阀，其能够选择性地允许气体或水蒸汽从蒸发器12通向吸附床16、20以及允许外部空气通向吸附床16、20。
优选地，所述空气入口分支64设置有过滤器68。
根据一个实施例，所述***4包括排放阀72，其布置在冷凝器8的下游，以允许冷凝水从所述冷凝器8中排出。
例如，所述排放阀72沿着所述直接分支52布置，适于允许将来自冷凝器8的冷凝水排放到蒸发器12。
例如，所述排放阀72是三通阀，其选择性地允许液体沿着直接分支52直接通过以及将液体排出到***4之外。
根据一个实施例，排放阀72连接到集水箱76。
现在将描述根据本发明的用于在车辆上生产软化水的吸附***的操作。
首先，如所看到的那样，本发明包括基于吸附循环的空气冷却***，该空气冷却***被适当地修改以便使得：
在存在“高的”外部温度的情况下，产生冷却空气以对乘客舱进行空气调节，并且由外部湿度产生冷凝的软化水，从而利用发动机的废热，而不是像在一般***中那样基于压缩周期采用机械或电力。值得指出的是，高的外部温度意味着温度一般高于7℃-17℃的范围，通常高于15℃。
在存在低的外部温度的情况下，即当车辆用户不需要冷空气时并且当由于空气中水的有限含量(绝对湿度)和无法将蒸发器的操作温度降低到低于给定值(通常为5-7℃)而在任何情况下都不可能冷凝在外部空气中包含的湿度时，“开放循环”吸附***用于通过吸附过程利用吸附床16,20捕获空气中所含的水分。
操作过程实际上保持与正常制冷操作相同。尤其是：
两个床中的一个，例如第一吸附床16被冷却，然后激活从空气中吸附水，引起压降，该压降导致控制阀32向冷凝器8的关闭和控制阀32向入口阀60的打开，如果入口阀60操作正确，则允许外部空气通过空气入口支路64引入。
第一吸附床16继续从外部空气中吸附水，直到达到饱和为止。
因此，第一吸附床16被加热，从而激活水的解吸和随之而来的压力增加，压力增加导致控制阀32的关闭，该控制阀32通过入口阀60和空气入口分支64将其连接到外部环境，以及压力增加导致连接到供应冷凝器8的控制阀32的开口。
然后，通过加热第一吸附床16所产生的蒸气被冷凝，并通过排放阀72的开口被送至集水箱76。
可以指出的是，尽管基本机构是不连续的，但是通过使用两个吸附床16,20可以保证水流生产的给定连续性。
更具体地，两个吸附床之一，例如，第二吸附床16被80℃以上的热源加热。在机动车辆上应用的情况下，这种热源可以容易地获得并且例如是发动机冷却水和/或从排气气体中回收的热。值得指出的是，通过这种方式，热量得以回收，并因此回收否则会被浪费的热能：这提高了***和安装有该***的车辆发动机的整体热效率。
加热期间，先前被吸附床吸附的水以水蒸汽的形式释放，并且其压力通过关闭连接至蒸发器12的控制阀32并打开连接至冷凝器8的控制阀32而增加，冷凝器8然后由高压蒸汽流供应。蒸气的冷却在冷凝器8中进行，其中供应回路40处于低温(优选低于50℃)，包括外部空气或低温冷却液，这导致蒸汽冷凝。
然后，冷凝水通过节流阀56到达蒸发器12，节流阀56降低压力。在蒸发器12中，如果节流阀56将液态水的压力降低到给定值以下，则液态水通过从外部环境中去除与其潜在蒸发热量相等的热量而变成蒸气状态。
同时，第一吸附床16借助于在低温(优选低于50℃)下的所述冷却供给回路40冷却，以激活水的吸附并因此降低压力，这导致控制阀32朝向冷凝器8的关闭以及与蒸发器12连接的控制阀的打开。
以这种方式，在蒸发器12中产生的蒸汽被吸附在第一吸附床16中。一旦第一吸附床16被完全解吸，因此第二吸附床20被水饱和，通过供应阀44，两个吸附床16，20的操作颠倒，因此加热先前被冷却的床，以及反之亦然，冷却先前被加热的床。以这种方式，可以保证实际上连续的制冷能力。
值得指出的是，吸附床16,20的功能从加热到冷却，从吸附到解吸连续地交换。因此，说明书和附图中所指示的第一吸附床和第二吸附床之间的区别仅是指示性的，而绝不能被视为是限制性的含义。
在解释了***阀和吸附床的操作之后，描述***本身的控制/操作逻辑是有用的。特别地，这种操作逻辑借助于至少一个处理控制单元80来实施，该处理控制单元80被编程为执行以下描述的所有控制。
考虑到对内燃发动机的性能几乎为零的影响以及需要确保水的持续可用性以支持发动机本身潜在的高负荷运行，如果储水箱76没有装满则便于保持水生产***始终处于活动状态。
选择一种生产机制而不是另一种生产机制，即根据在蒸发器处的制冷循环通过冷凝进行生产以及通过吸附/解吸进行生产，主要由两个因素决定：
-由车辆上的乘客对冷却的可能需要；
-外部空气温度。
实际上，如果乘客请求冷却乘客舱，则无论在水生产方面的效率如何，都将迫使制冷机操作，然后通过蒸发器12中的冷凝来生产水。
相反，如果乘客不请求冷却乘客舱，则将选择两种液态水生产模式之一，即选择保证更高流量的一种模式。
对于两种模式，水的生产效率主要取决于环境条件(特别是压力，温度和相对湿度)和机器的类型(吸附材料的类型，吸附床的加热和冷却流体的温度，等等)。
不需要额外的传感器来确定环境条件，因为大气压力传感器、温度传感器和湿度传感器实际上已经存在于所有车辆中。此外，温度和湿度传感器通常还匹配在配备有自动空气调节***的车辆的乘客舱内，因此也可以考虑在再循环空气中的水量。这些传感器允许优化***控制并诊断任何故障或失灵。
特别地，可以根据外部温度从一种操作模式切换到另一种操作模式。如果这高于给定的阈值(通常在7到17℃之间，例如15℃)，则该***将作为制冷机运操作，并且冷凝水会在蒸发器12附近收集，如果有必要则在加热乘客舱中的空气以确保乘客舒适之后。这是因为，一方面，固体基质的吸附能力随着温度的升高而降低(参见图4)，另一方面，在空气和蒸发器12表面之间的较高的热梯度导致较高的使水从空中凝结的能力。产生的水的流速将取决于外部再循环空气混合物的压力、温度和相对湿度。
另一方面，如果外部温度低于该阈值或阈值范围，则通过打开入口阀60并调节控制阀32和供应阀44，使***在“开放回路”下工作。
同样在这种情况下，两个吸附床16,20将交替进行吸附和解吸工作。为了使产生的水的流量最大化，直到饱和时才吸附吸附剂床16,20的固体基质，而且仅吸附另一个吸附剂床20,16完全解吸所需的时间，因为吸附速率随着被截留水的增加而降低(参见图5)。
当温度超过上述阈值时，或者当乘客请求冷却乘客舱时，***通过关闭入口阀60，关闭排放阀72并移动控制阀32和供应阀44来返回“闭合回路”操作。
为了保证***作为制冷机的操作，必不可少的是回路中存在给定量的水。为了控制该量，即操作员流体的量，可以分别操作入口阀60和排放阀72以便通过保持入口阀打开和出口阀关闭来补充水量，或者以便通过保持入口阀关闭而出口阀打开来减少水量，。如果检测到性能下降，则制冷机的控制***可能需要这些请求。
相对于作为制冷机的简单操作，本发明带来的另一益处是，不需要在车间中的操作员，就可以控制操作员流体的量。
如从以上描述可以理解到的那样，本发明允许克服现有技术中存在的缺点。
特别地，本发明允许在高的室外温度和低的室外温度下以完全自主的方式在车辆上生产软化水。
取决于发动机的类型，可以使用这种水来喷射到内燃发动机的燃烧室中，以减少污染物的排放和/或降低操作温度。
与吸附式空气调节***相比，本发明不需要添加特殊部件，因此与已知的吸附***相比，并不意味着显著的成本增加。
有利地，根据本发明的***能够有利地在不使用压缩机且因此不直接从内燃发动机获取机械能的情况下实现乘客舱的空气调节和软化水的生产；尤其是通过使用内燃发动机的热能来获得软化水的生产，否则该热能会损失。以这种方式，限制或至少部分回收来自内燃发动机的热能损失，并且提高了内燃发动机的整体效率。
此外，如所看到的那样，吸附式制冷机允许从低温环境中去除热量并将其传递到更高的温度，其消耗热量是代替传统压缩***中的机械功。
该技术以及吸收技术允许创建三代发电***，其中从能够产生机械功率的汽车(即车辆牵引发动机)的废热中产生加热或制冷功率。这些***对固定应用和移动应用都有效，在固定应用中机械功率通常用于发电，而加热/制冷热功率则用于房间的空气调节，而在移动应用中，其中，机械功率通常直接用于牵引，或在串联混合动力车辆的情况下间接地用于牵引，而热功率用于乘客舱的空气调节。
值得指出的是，与吸收***相比，吸附***具有以下优点：更紧凑，不需要循环泵(具有各自的能量消耗)，不需要容纳危险的水/溴化锂(lithium bromide)或水/氨液体溶液，最重要的是不会遭受安装在车辆底盘上的部件可能遭受的强烈振动。
吸附包括气体或液体分子在特定固体表面上的积聚，创建化学-物理相互作用(范德瓦尔斯键(Wan Der Waals bonds)或分子间化学键)。
这样的吸附***非常可靠并且易于管理和维护。
如此生产的软化水还可以用于注入燃烧室之外的其他用途；例如，它可用于加满发动机本身的冷却***、挡风玻璃的箱体和/或前照灯清洗器等。
本领域内的那些技术人员可以对上述吸附***进行多种改变和变型，所有这些改变和变型都落入由所附权利要求书限定的本发明的范围内，以满足视情况而定的特定需求。

Claims (25)

1.一种用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，包括：
-适合冷凝气体流或水蒸汽流的冷凝器(8)；
-适于产生气体流或水蒸汽流的蒸发器(12)；
-第一和第二吸附床(16,20)，每个床都包含吸附材料；
-其中每个吸附床(16，20)可通过设有至少一个控制阀(32)的管(28)选择性地连接到冷凝器(8)和/或蒸发器(12)；
-其中每个吸附床(16，20)可通过供应阀(44)选择性地和交替地连接到热源(36)的供应回路和冷却源(40)的供应回路；
-其中冷凝器(8)可通过设有相对节流阀(56)的直接分支(52)直接和选择性地连接到蒸发器(12)；
其特征在于：
-所述吸附制冷***(4)包括沿空气入口分支(64)布置的入口阀(60)，其适于选择性地在吸附制冷***(4)外部的环境空气和所述吸附床(16，20)之间进行流体连接，以通过由所述吸附床(16，20)进行的吸附现象从外部空气中捕获水，并通过该吸附现象产生水。
2.根据权利要求1所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述吸附制冷***(4)包括排放阀(72)，所述排放阀(72)设置在冷凝器(8)的下游，以便从所述冷凝器(8)放出冷凝水。
3.根据权利要求2所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述排放阀(72)沿着所述直接分支(52)布置，适用于允许来自冷凝器(8)的冷凝水朝向蒸发器(12)排放。
4.根据权利要求3所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述排放阀(72)是三通阀，其选择性地允许液体沿着直接分支(52)直接通过和将液体排出到***之外。
5.根据权利要求2、3或4所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述排放阀(72)连接至集水箱(76)。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述控制阀(32)中的至少一个是单向阀，其通过由来自吸附床(16,20)的水蒸汽流或气体流所产生的压力和/或压降来自动驱动。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述控制阀(32)中的至少一个是由致动装置选择性地致动的阀，以确保相对的水蒸汽流或气体流通过/受阻。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述入口阀(60)是三通阀，其能够选择性地允许气体或水蒸汽从蒸发器(12)朝向吸附床(16，20)通过以及外部空气朝向吸附床(16，20)通过。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述空气入口分支(64)配备有过滤器(68)。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述吸附床(16、20)的所述吸附材料包括硅胶和/或沸石。
11.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于包括控制单元(80)，其中所述控制单元(80)被编程以基于以下条件通过冷凝蒸发器(12)上的空气和/或通过吸收外部空气的湿度来获得软化水的生产，所述条件为：
-由机动车辆上的乘客提出的可能冷却请求；
-室外空气温度和/或湿度。
12.根据权利要求11所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于如果乘客请求冷却乘客舱，所述控制单元(80)被编程为迫使所述制冷***运行，从而有利于在蒸发器(12)中产生冷凝水。
13.根据权利要求11所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于对所述控制单元(80)进行编程，使得在缺少对冷却乘客舱的请求的情况下软化水的生产方法在迫使制冷***运行的冷凝方法和通过吸附过程利用吸附床捕获空气中所含的水分的吸附方法之间进行选择，以此确保更大的流量。
14.根据权利要求11所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述控制单元(80)被编程为分别取决于外部温度是高于还是低于阈值，通过冷凝蒸发器(12)上的空气和/或通过吸收外部空气的湿度来获得软化水的生产。
15.根据权利要求14所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于所述阈值温度值在7℃至17℃之间。
16.根据权利要求14至15中的任一项所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于对所述控制单元(80)进行编程，使得如果外部温度低于该阈值，则使两个吸附床(16,20)交替进行吸附和解吸工作，因此直到饱和时才允许一个吸附床(16,20)的固体基质吸附，而且仅吸附另一个吸附床(20,16)完全解吸所需的时间。
17.根据权利要求14至15中的任一项所述的用于在机动车辆上生产软化水的吸附制冷***(4)，其特征在于对所述控制单元(80)进行编程，使得如果外部温度高于所述阈值，和/或当乘客需要冷却乘客舱时，吸附制冷***(4)通过在蒸发器(12)上产生冷凝水而在“闭合回路”中操作，其中“闭合回路”是通过关闭入口阀(60)，关闭排放阀(72)并移动控制阀(32)和供应阀(44)返回的并且迫使制冷***运行的闭合回路。
18.一种机动车辆，所述机动车辆包括根据权利要求1至17中任一项所述的用于生产软化水的吸附制冷***(4)。
19.一种在机动车辆上生产软化水的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供根据权利要求1至17中任一项所述的吸附制冷***(4)和/或根据权利要求18所述的机动车辆；
-基于以下条件，通过冷凝蒸发器(12)上的空气和/或通过吸收外部空气的湿度来获得软化水的生产，所述条件为：
-机动车辆上乘客提出的可能冷却请求；
-室外空气温度和/或湿度。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于如果乘客请求冷却乘客舱，则将迫使制冷***操作，从而有利于在蒸发器(12)中产生冷凝水。
21.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，其特征在于在缺少冷却剩客舱的请求的情况下，所述软化水的生产方法在迫使制冷***运行的冷凝方法和通过吸附过程利用吸附床捕获空气中所含的水分的吸附方法之间选择，以此确保更大的流量。
22.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，其特征在于分别取决于外部温度是高于还是低于阈值，通过冷凝蒸发器(12)上的空气和/或通过吸收外部空气的湿度来获得软化水的生产。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于所述阈值温度值在7℃至17℃之间。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于如果外部温度低于阈值，则使两个吸附床(16,20)交替进行吸附和解吸工作，因此直到饱和时才允许一个吸附床(16,20)的固体基质吸附，而且仅吸附另一个吸附床(20,16)完全解吸所需的时间。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于如果外部温度高于所述阈值，和/或当乘客需要冷却乘客舱时，吸附制冷***(4)通过在蒸发器(12)上产生冷凝水而在“闭合回路”中运行，其中“闭合回路”是通过关闭入口阀(60)，关闭排放阀(72)并移动控制阀(32)和供应阀(44)返回的并且迫使制冷***运行的闭合回路。
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