使用布雷顿循环的方法和系统与流程

使用布雷顿循环的方法和系统
1.相关申请的交叉引用
2.本公开要求于2022年02月18日提交的申请号为63/268,231、发明名称为“methods and systems for air brayton cycles”的美国临时申请的优先权。上述申请的全部内容为了所有目的通过引用并入在本公开中。
技术领域
3.本文公开的主题的实施例涉及采用布雷顿循环的系统，并且更具体地涉及使用带有电动涡轮增压器的空气布雷顿循环对系统进行操作。


背景技术：

4.空气布雷顿循环是热力学循环，可以利用空气作为工作流体来驱动发动机。空气布雷顿循环可以使用涡轮增压器和混合腔室进行操作。涡轮增压器的压缩机可以将压缩空气输出到混合腔室中，然后混合腔室将混合腔室中的压缩空气与诸如热交换器之类的第一能源一起混合以将加热的装料(heated charge)输出到涡轮中。然后，涡轮可以将储存在加热的装料中的能量转换成对涡轮进行驱动的机械运动，涡轮进而又驱动涡轮轴。在一些示例中，涡轮轴可以连接至机械负载，从而将涡轮轴的一些旋转运动转换成在机械负载上所做的功。在其他示例中，发动机可以不包括耦合至涡轮轴的机械负载，但可以包括气体负载，由此在空气布雷顿循环期间由压缩机产生的一部分压缩气体从循环回路中取出，以用于另一过程。在一些示例中，第一能源可以是不可控能源，例如通过废热交换器收集的废热。期望具有与当前可用的系统和方法不同的系统和方法。


技术实现要素：

5.在一个实施例中，本公开提供了对一种系统的支持，所述系统包括：壳体，该壳体对腔室进行了限定，所述腔室被配置为接收第一能源和第二能源；涡轮增压器，该涡轮增压器耦合至所述腔室；以及马达/发电机，所述马达/发电机耦合至涡轮增压器的涡轮轴，该涡轮轴位于压缩机和涡轮之间。
6.在另一实施例中，本公开提供了对一种方法的支持，所述方法包括响应于条件来调整涡轮增压器的马达/发电机的操作，其中涡轮增压器的涡轮轴耦合到涡轮、马达/发电机、压缩机和机械负载。
7.在又一实施例中，本公开提供了对一种系统的支持，所述系统包括：壳体，该壳体对腔室进行了限定，所述腔室被配置为接收第一能源和第二能源；涡轮增压器，该涡轮增压器耦合至所述腔室；马达/发电机，所述马达/发电机耦合至涡轮增压器的涡轮轴，该涡轮轴位于压缩机和涡轮之间；机械负载，该机械负载耦合至涡轮轴；以及控制器，所述控制器具有存储在所述控制器的存储器上的计算机可读指令，当所述计算机可读指令被执行时，使所述控制器监控所述系统的状态并响应于所述状态调整马达/发电机的操作。
附图说明
8.图1示出了根据本公开实施例的包括涡轮增压器的空气布雷顿循环的示意图。
9.图2示出了用于通过图1中的电动涡轮增压器的操作来控制空气布雷顿循环的启动的高级方法。
10.图3示出了用于通过图1中的电动涡轮增压器的操作来控制空气布雷顿循环的关闭的高级方法。
11.图4示出了用于通过图1中的电动涡轮增压器的操作来对空气布雷顿循环进行设定点控制的高级方法。
12.图5示出了操作顺序，该操作顺序以图表形式说明了基于空气布雷顿循环的工作点对电动涡轮增压器的状态进行改变。
具体实施方式
13.本文公开的主题的描述和实施例涉及用于对使用电动涡轮增压器(本文中称为电动涡轮增压器)的系统进行操作以调整空气布雷顿循环的工作点的方法和系统。电动涡轮增压器在空气布雷顿循环中可能较为有用，如图1所示。可以响应于空气布雷顿循环的各个工作点来调整电动涡轮增压器的操作。例如，当存在启动请求时，电动涡轮增压器的马达/发电机可以驱动电动涡轮增压器的涡轮轴，以增加压缩机的输出并减少达到自持式(self-sustaining)操作所需的时间，如图2所示。作为另一示例，当存在关闭请求时，马达/发电机可从涡轮轴汲取动力并使压缩机和涡轮减速，从而减少空气布雷顿循环退出自持式操作所需的时间，如图3所示。此外，可以操作电动涡轮增压器以控制空气布雷顿循环的一个或多个工作点，以提高电动涡轮增压器的效率，如图4所示。图5以图表形式说明了操作顺序，该操作顺序示出了响应于空气布雷顿循环的工作点对电动涡轮增压器的操作进行改变。
14.参看图1，图1示出了系统100的实施例的框图。在一个示例中，该系统可以使用空气布雷顿循环。空气布雷顿循环可在发动机系统的操作中使用。在一个示例中，合适的发动机系统可以是机车的发动机系统。另外地或可替换地，空气布雷顿循环可能对独立的动力源(例如固定式发电机(stationary power generator))是有用的。空气布雷顿循环可以对泵、机械马达或其他设备进行控制。在一些示例中，另外地或可替换地，空气布雷顿循环可能对发动机是有用的。
15.布雷顿循环系统可包括壳体，该壳体限定了腔室105。可以将第一能源106提供给该腔室。所述第一能源可以是不可控的第一能源，例如从另一过程中获取并通过热交换器吸收的废热。
16.第一能源可以耦合至涡轮增压器的级。在一个示例中，所述级是电动涡轮增压器120。在一些示例中，另外地或可替换地，涡轮增压器可以包括多个级，其中其他级并非电动的，并且所述级是涡轮增压器的唯一电动级。另外地或可替换地，在其他实施例中，涡轮增压器可包括多个电动涡轮增压器级。第一能源的腔室可耦合至电动涡轮增压器，并从所述电动涡轮增压器接收第二能量元素，例如空气。
17.电动涡轮增压器的压缩机130可以提供压缩空气输出185，压缩空气输出185流过下游压缩机级115并流到第一能源的腔室。第一能源可产生加热的装料输出190，所述加热的装料输出190在流向电动涡轮增压器的涡轮135并在所述涡轮135内膨胀之前会流经上游
涡轮级110。在一个示例中，下游压缩机级可接收来自涡轮增压器的每个级的空气，所述涡轮增压器包括在布雷顿循环系统中。上游涡轮级可以将加热的装料输出流到布雷顿循环系统中包括的涡轮增压器的每个级。因此，下游压缩机级和上游涡轮级可以包括多个端口和配件(fitting)，这些端口和配件耦合至管道，所述管道延伸至涡轮增压器的不同级，其中下游压缩机级仅耦合到涡轮增压器的压缩机，而上游涡轮级仅耦合到涡轮增压器的涡轮。
18.所述压缩机和涡轮增压器的各个级的其他压缩机可以接收来自上游压缩机级150的空气输入175。上游压缩机级可包括多个端口和管道，所述多个端口和管道从上游压缩机级延伸到涡轮增压器的每个压缩机。另外地或可替换地，上游压缩机级可包括用于接收空气的单个端口。所述涡轮和涡轮增压器的各个级的其他涡轮可以将气体180排放到下游涡轮级155。下游涡轮级可包括用于接收来自涡轮的气体的多个端口和管道、以及用于将气体排放到环境大气或后处理系统的单个端口和管道。
19.涡轮增压器可以朝向第一能源驱动第二流体，以使布雷顿循环系统进行操作。在布雷顿循环系统启动和关闭期间，可辅助加速或减慢对压缩机和涡轮进行机械耦合的涡轮轴140。马达/发电机125可以耦合至涡轮轴并设置在涡轮和压缩机之间。马达/发电机可以只包括在电动涡轮增压器中。在一个示例中，马达/发电机不包括在涡轮增压器的其他级中。机械负载145可以耦合至涡轮轴并由涡轮轴驱动。在一个示例中，机械负载耦合至涡轮轴的第一极端，而涡轮耦合至涡轮轴的第二极端，所述第二极端与第一极端相对。马达/发电机和压缩机可以设置在涡轮轴的位于涡轮与机械负载之间的段上。
20.在第一模式(例如，机动模式)中，马达/发电机可以增加涡轮轴的转速。在第二模式(例如，发电模式)中，马达/发电机可以降低涡轮轴的转速。在第三模式(例如，零功率操作)中，马达/发电机可以不调整涡轮轴的转速。马达/发电机可以耦合至电动涡轮增压器控制装置160，当处于机动模式时，所述电动涡轮增压器控制装置160可以引导电能195从储能设备165流向马达/发电机。在一个示例中，马达/发电机可以提供驱动涡轮轴的第三能源，其中第一能源和第二能源是流体能源，第三能源是机械能源并由电力驱动。
21.在发电模式下，当所述马达/发电机使涡轮轴减慢时，产生电能，并且电动涡轮增压器控制装置可以将该电能引导到储能设备(例如，电池、电容器组或电化学转换器)。另外地或可替换地，在发电模式期间，电动涡轮增压器控制装置可以将电能172引导到辅助设备174。辅助设备可包括泵、风扇或其它设备。在一些示例中，另外地或可替换地，用于为机动模式提供动力的储能设备可以不同于在发电模式期间接收电能的储能设备。
22.所述系统可以根据空气布雷顿循环进行操作，由此在自持模式(self-sustaining mode)下，与图1中的电动涡轮增压器相同的涡轮增压器可以仅由第一工作流体和第二工作流体驱动。在达到自持模式之前，电动涡轮增压器可以提供第三能源并驱动涡轮轴，以辅助布雷顿循环系统并减少达到自持模式所需的时间。
23.所述系统可进一步包括控制系统114。该控制系统被示为接收来自多个传感器116(本文描述的传感器的各种示例)的信息并将控制信号发送给多个致动器181(本文描述的致动器的各种示例)。作为一个示例，传感器可包括马达/发电机的速度和转矩传感器，用于分别测量马达/发电机的速度和旋转方向以及马达/发电机的转矩。其它传感器例如附加压力传感器、温度传感器、空气/燃料比传感器和成分传感器可以耦合至所述系统中的各个位置。
24.控制器112可以被编程和/或被配置为常规微型计算机，包括微处理器单元、输入/输出端口、只读存储器、随机存取存储器、不失效记忆体(keep alive memory)、控制器局域网(can)总线等。为了额外的能量效率，该控制器可以在休眠模式和唤醒模式之间转换。该控制器可以接收来自各种传感器的输入数据，对输入数据进行处理，并基于对应于一个或多个例程的、编程于该控制器中的指令或代码且响应于处理的输入数据来触发致动器。本文参照图2至图4描述示例性的控制例程。该控制器可以在操作模式之间选择性地切换各种系统和部件。
25.现在转到图2，图2示出了高级流程图，该高级流程图说明了用于响应于空气布雷顿循环的启动请求来调整电动涡轮增压器的操作的方法200。用于执行所述方法和本文所包括的其他方法的指令可以由控制器基于存储在控制器的存储器上的计算机可读指令并结合从发动机系统的传感器接收的信号来执行，所述发动机系统的传感器包括例如上述参考图1所述的传感器。根据下面描述的方法，所述控制器可以使用发动机系统的发动机致动器来调整发动机操作、控制循环和性能，和/或在模式之间进行切换。在一个示例中，所述模式可以包括第一模式和第二模式，在第一模式中，所述系统在不存在布雷顿循环的情况下操作，在第二模式中，所述系统采用布雷顿循环进行操作。
26.在步骤201中，所述方法可以包括确定是否存在启动请求。如果点火开关被转动或启动按钮被按下，则可能存在启动请求。另外地或可替换地，可以通过无线连接远程请求启动。在一个示例中，诸如电话、键盘、膝上型计算机之类的移动设备可用于发出启动请求信号。如果不存在启动请求，则在步骤202中，所述方法包括继续监控操作参数。另外地或可替换地，马达/发电机可以不被调整到机动模式，以辅助启动布雷顿循环系统。
27.如果存在启动请求，则在步骤203中，所述方法包括确定马达/发电机是否处于机动模式。在一个示例中，所述控制器可以通过来自马达/发电机速度传感器的、指示马达/发电机的旋转方向为正的反馈来确定马达/发电机处于机动模式。在另一示例中，所述控制器可基于电动涡轮增压器控制装置的状态来确定马达/发电机是否处于机动模式。例如，如果电动涡轮增压器控制装置正在将电力转移给马达/发电机，则机动模式可以是激活的。另外地或可替换地，如果储能设备的荷电状态(soc)正在被消耗，则机动模式可以是激活的。如果储能设备的soc正在增加，或者如果马达/发电机的旋转方向为负，则发电模式可以是激活的。如果马达/发电机的转速为零，则零功率模式可以是激活的。如果确定马达/发电机不在机动模式中，则在步骤206中，所述方法可以包括切换到机动模式。切换到机动模式可以包括马达/发电机接收电能并机械地驱动涡轮轴、从而向布雷顿循环系统提供第三能源的情况。
28.如果机动模式是激活的，则在步骤209中，所述方法包括经由马达/发电机向电动涡轮增压器提供动力。通过马达/发电机向电动涡轮增压器提供动力可以减少从启动布雷顿循环系统到达到自持式操作的持续时间。在一个示例中，提供的动力幅度可以是固定量。在一些实施例中，基于储能设备的soc、电动涡轮增压器速度、功率输出和机械负载功率需求中的一者或多者，提供的动力幅度可以是动态量。例如，如果soc小于阈值soc，则可减小提供的动力幅度，而如果soc大于或等于阈值soc，则可增大提供的动力幅度。作为另一示例，随着电动涡轮增压器速度增加，在启动的早期阶段，提供的动力幅度可能更高，而在启动的后期阶段，提供的动力幅度可能更低。作为另一示例，可以响应于布雷顿循环系统的功
率输出低于确定的功率输出而增加提供的动力幅度。所述确定的功率输出可以与机械负载功率需求成比例。如果功率输出小于所述确定的功率输出，则可能不能满足机械负载功率需求。在机械负载功率需求未得到满足的情况下，可以增加提供的动力幅度。
29.在步骤212中，所述方法包括确定空气布雷顿循环是否是自持式的。如果布雷顿循环系统的一个或多个工作点(例如，功率输出、压力、流量、能量提取、机械负载需求等)得以满足，则布雷顿循环可以是自持式的。在一个示例中，自持模式可以包括电动涡轮增压器在空气布雷顿循环中操作并且满足机械负载功率需求、而无需在机动模式下操作马达/发电机的情况。在另一示例中，自持模式可包括电动涡轮增压器在空气布雷顿循环中操作而且来自在机动模式下操作的马达/发电机的辅助小于确定量的情况。所述确定量可以基于soc消耗。在一个示例中，如果空气布雷顿循环的功率输出高于阈值水平的功率，则电动涡轮增压器的操作可以是自持式的，使得即便停止电动涡轮增压器的马达/发电机的机动模式，空气布雷顿循环仍能产生期望固定设定点水平的期望参数，其中，期望固定设定点水平例如通过在马达/发电机处测量的、由电动涡轮增压器涡轮轴产生的功率的测量值来确定、和/或通过包括在其中的功率传感器测量传输给机械负载的功率的测量值来确定。如果确定空气布雷顿循环不是自持式的，则所述方法可以返回步骤209以继续以机动模式进行操作。
30.如果确定空气布雷顿循环是自持式的，则在步骤215中，所述方法包括切换到设定点控制模式。在一个示例中，马达/发电机可以被切换到发电模式或零功率模式。
31.现在转向图3，图3示出了高级流程图，该高级流程图说明了用于响应于存在关闭请求来调整空气布雷顿循环中电动涡轮增压器的操作的方法300。
32.所述方法在步骤302处开始，步骤302包括确定是否请求关闭。可以响应于点火开关被转动或启动按钮被按下而请求关闭。另外地或可替换地，可以通过无线连接远程请求关闭。在一个示例中，诸如电话、键盘、膝上型计算机之类的移动设备可用于发出关闭请求信号。如果不存在关闭请求，则在步骤304中，所述方法包括维持当前操作参数。在一个示例中，不发起关闭操作。
33.在步骤306中，所述方法包括确定马达/发电机是否处于发电模式。在一个示例中，所述控制器可以通过来自马达/发电机速度传感器的、指示马达/发电机的旋转方向为负的反馈来确定马达/发电机处于发电模式。在另一示例中，所述控制器可基于电动涡轮增压器控制装置的状态来确定马达/发电机是否处于发电模式。例如，如果电动涡轮增压器控制装置正在从马达/发电机接收电力，则发电模式可以是激活的。另外地或可替换地，如果正在补充储能设备的荷电状态(soc)，则发电模式可以是激活的。如果储能设备的soc正在减小，或者如果马达/发电机的旋转方向为正，则机动模式可以是激活的。如果马达/发电机的转速为零，则零功率模式可以是激活的。如果确定马达/发电机不处于发电模式中，则在步骤308中，所述方法可以包括切换到发电模式。切换到发电模式可以包括马达/发电机通过减慢涡轮轴来产生电能的情况，其中所产生的电能经由电动涡轮增压器控制装置被发送给储能设备或辅助设备。
34.如果确定马达/发电机处于发电模式或已经切换到发电模式，则在步骤310中，所述方法包括通过降低涡轮轴的转速来产生电能。发电模式可以基于马达/发电机、电动涡轮增压器控制装置和储能设备的容差以固定速率使涡轮轴减速。另外地或可替换地，发电模式可以基于一个或多个条件以不同的速率减慢涡轮轴，其中，所述一个或多个条件包括当
前的涡轮轴速度、soc和辅助设备功率需求。例如，当存在关闭请求时，如果涡轮轴速度相对较高，则可以以较高的速率降低涡轮轴速度。另外地或可替换地，当存在关闭请求时，如果储能设备的soc相对较低，则可以以较高的速率降低涡轮轴速度。在一些实施例中，另外地或可替换地，如果辅助设备功率需求相对较高，则可以以较高的速率降低涡轮轴速度。
35.在步骤312中，所述方法包括确定空气布雷顿循环是否是自持式的。如果确定空气布雷顿循环不是自持式的，则在步骤314中，所述方法可以前进到关闭步骤，由此布雷顿循环系统可以在不存在来自马达/发电机的输入的情况下逐渐将布雷顿循环系统的功率输出降低到零。
36.现在转向图4，图4示出了高级流程图，该高级流程图说明了用于调整电动涡轮增压器的操作以将空气布雷顿循环的状态调整到确定的工作点值的方法400。
37.所述方法在步骤402处开始，步骤402包括确定空气布雷顿循环中的操作是否是自持式的。在一个示例中，如果一个或多个工作点等于确定值，则空气布雷顿循环中的操作是自持式的。所述工作点可以对应于操作条件，例如涡轮速度、压缩机速度、质量流量(mass flow)、涡轮温度、压缩机温度和机械动力输出。所述工作点可以通过耦合至所述控制器的相应传感器来测量。另外地或可替换地，可以经由所述控制器基于其他工作点的值来估计一个或多个工作点。例如，可以基于涡轮速度来估计压缩机速度。另外地或可替换地，可以基于涡轮轴速度来估计机械动力输出。所述控制器可以命令电动涡轮增压器控制装置切换马达/发电机的模式或调整马达/发电机在模式内的操作幅度，以将空气布雷顿循环中的操作控制到确定值。在一个示例中，如果工作点是机械负载输出，那么，如果机械负载输出等于机械负载输出需求，则操作可以是自持式的。如果操作是自持式的，则所述方法可以前进到步骤404，其中步骤404包括维持当前操作参数。
38.如果确定空气布雷顿循环中的操作并非自持式的，则在步骤406中，所述方法包括确定一个或多个操作条件低于确定值。例如，如果机械负载输出小于机械负载输出需求，或者如果压缩机速度小于确定的压缩机速度，则操作条件低于相应的确定值。
39.如果操作条件不低于确定值，则可以推断空气布雷顿循环中的操作包括操作条件高于确定值，并且在步骤408中，所述方法包括确定电动涡轮增压器是否在机动模式下操作。如果电动涡轮增压器不在机动模式下操作，则在步骤410中，所述方法可以包括增加电动涡轮增压器的发电量。在一个示例中，通过增加电动涡轮增压器的发电量，以通过进一步降低涡轮轴速度来产生更多电力，其中马达/发电机已经处于发电模式中。例如，增加发电量可能会进一步降低涡轮轴速度，这可能会降低压缩机速度、涡轮速度和空气布雷顿循环中更接近自持值的其他工作点。所述方法可以返回以确定操作现在是否是自持式的。
40.如果确定电动涡轮增压器正在机动模式下操作，则在步骤412中，所述方法包括确定电动涡轮增压器是否正在以零功率产量进行操作。确定马达/发电机是否正在以零功率进行操作可以包括确定在马达/发电机处测量的由电动涡轮增压器涡轮轴产生的功率的测量值以及经由功率传感器测量的被传输给机械负载的功率的测量值中的一者或多者。零功率可以包括马达/发电机不作用在涡轮轴上的情况。以此方式，涡轮轴可以在没有来自马达/发电机的输入的情况下旋转。
41.如果确定电动涡轮增压器正在以零功率产量进行操作，则在步骤414中，所述方法包括切换到发电模式。通过这样做，空气布雷顿循环中的工作点可以减少到更接近自持操
作值。
42.如果确定电动涡轮增压器没有正在以零功率产量进行操作，则在步骤416中，所述方法包括减少电动涡轮增压器的机动性。减少电动涡轮增压器的机动性可以通过向马达/发电机发送更少的电力来实现，这可能导致马达/发电机更少地辅助涡轮轴的旋转。然后，所述方法可以监控是否实现了自持式操作。
43.返回步骤406，如果确定空气布雷顿循环中的操作条件低于一个或多个确定值，则在步骤418中，所述方法包括确定马达/发电机是否正在发电模式下操作。如果确定电动涡轮增压器没有正在发电模式下操作，则在步骤420中，所述方法包括增加电动涡轮增压器的机动性。增加电动涡轮增压器的机动性可以增加一个或多个工作点值，使所述工作点值更接近于对应于自持模式的确定值。例如，通过增加机动性，涡轮和压缩机的速度可以增加，这可以增加机械负载输出。
44.如果确定电动涡轮增压器正在发电模式下操作，则在步骤422中，所述方法可以包括确定电动涡轮增压器是否正在以零功率产量进行操作。如果确定电动涡轮增压器正在产生被发送给储能设备的电力，则在步骤424中，所述方法包括减少发电量。减少发电量可以增加工作点值，使工作点值更接近于与自持操作相关联的确定值。所述方法返回以确定操作是否是自持式的。
45.如果确定电动涡轮增压器正在以零功率进行操作，则在步骤426中，所述方法包括切换到电动涡轮增压器的机动模式。切换到机动模式可允许电动涡轮增压器向着与自持值相关联的确定值来增加测量的设定点值。所述方法可以继续基于操作值与确定值之间的差异来对参数进行监控并调整马达/发电机的操作，其中，所述确定值与自持操作相关联。
46.现在转向图5，图5示出了操作顺序，该操作顺序说明了电动涡轮增压器的变化，以调整空气布雷顿循环中的工作点。曲线510示出了压缩机速度，虚线512示出了确定的压缩机速度。曲线520示出了电动涡轮增压器的模式。曲线530示出了是否存在启动请求。曲线540示出了是否存在关闭请求。从图的左边到图的右边，时间是增加的。本文描述的调整可应用于空气布雷顿循环中的其他条件，所述其他条件超过相应的确定值，例如涡轮速度、涡轮温度、压缩机速度、电池soc以及机械负载需求。
47.在t1之前，存在启动请求，压缩机速度增加。电动涡轮增压器由处于机动模式的马达/发电机提供动力。在t1处，马达/发电机对涡轮轴提供动力并提供第三能源以增加压缩机速度。压缩机速度仍低于确定的压缩机速度。在t2处，压缩机速度等于确定的压缩机速度，马达/发电机被切换到零功率输出。时间在t2到t3之间流逝。
48.在t3处，压缩机速度大于确定的压缩机速度。马达/发电机在发电模式下进行操作，以减慢涡轮轴并降低压缩机速度。在t3和t4之间，压缩机速度下降，同时发电模式是激活的。在t4处，压缩机速度等于确定的压缩机速度。存在关闭请求。
49.在t4和t5之间，压缩机速度等于确定的压缩机速度，并且空气布雷顿循环是自持式的。因此，在关闭操作期间，马达/发电机可以在发电模式下操作，并使电动涡轮增压器的涡轮轴减速。由此产生电力。
50.在t5处，压缩机速度降低，并低于确定的压缩机速度。因此，空气布雷顿循环不再是自持式的。马达/发电机被切换到零功率模式。在t5之后，关闭操作继续进行，并且压缩机速度降低。
51.在一些示例中，另外地或可替换地，空气布雷顿循环可以包括电动鼓风机和可变几何涡轮(vgt)。在这样的示例中，电动鼓风机可以在启动期间起到辅助作用，并且可变几何涡轮的操作可以被控制以将空气布雷顿循环中的操作条件调整为满足与自持操作相关联的确定的操作条件。例如，可变几何涡轮可具有叶片，所述叶片调整涡轮的横截面流通面积，这可调整压缩机速度。可替换地，可以使用流体可变涡轮来代替vgt。
52.以此方式，通过利用电动涡轮增压器作为布雷顿循环系统的一部分，可以实现对空气布雷顿循环的简化和能效控制。特别地，可以调整电动涡轮增压器的操作以控制空气布雷顿循环的条件。电动涡轮增压器可进一步用于加强布雷顿循环系统的启动操作和关闭操作。通过这样做，电动涡轮增压器可以在启动期间向布雷顿循环系统提供动力，在关闭期间从布雷顿循环系统提取动力，并提供或提取动力以将工作点维持在确定值。
53.本公开提供了对一种系统的支持，所述系统包括：壳体，该壳体限定了腔室，所述腔室被配置为接收第一能源和第二能源；涡轮增压器，该涡轮增压器流体地耦合至所述腔室；以及马达/发电机，所述马达/发电机耦合至涡轮增压器的涡轮轴，并位于压缩机与涡轮之间。所述系统的第一示例还包括马达/发电机向所述涡轮轴提供第三能源的情况。所述系统的第二示例可选地包括第一示例，并进一步包括第一能源是不可控的而第二能源是可控的的情况。所述系统的第三示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括第一能源是热、第二能源是空气的情况。所述系统的第四示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括马达/发电机电耦合至储能设备和辅助设备中的一者或多者的情况。所述系统的第五示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括控制器，其中所述涡轮轴物理地耦合至机械负载，并且所述控制器被配置为选择性地在第一模式和第二模式中操作涡轮增压器，所述第一模式并非布雷顿循环，所述第二模式为布雷顿循环。
54.本公开进一步提供了对一种方法的支持，所述方法包括响应于条件来调整马达/发电机的操作，所述马达/发电机耦合至涡轮增压器的涡轮轴，其中所述涡轮轴进一步耦合至涡轮、压缩机和机械负载。所述方法的第一示例还包括：调整马达/发电机的操作包括对涡轮轴提供动力，并且其中所述条件是存在启动请求。所述方法的第二示例可选地包括第一示例，并进一步包括：调整所述马达/发电机的操作包括发电并使涡轮轴减速，并且其中所述条件是存在关闭请求。所述方法的第三示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括：所述条件是操作值不同于确定的操作值，所述确定的操作值与布雷顿循环的自持操作相关联，所述布雷顿循环包括所述涡轮增压器。所述方法的第四示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括：调整所述马达/发电机的操作包括响应于所述操作值低于确定的操作值而向涡轮轴提供动力。所述方法的第五示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括：调整所述马达/发电机的操作包括发电并使涡轮轴减速。所述方法的第六示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括：调整所述马达/发电机的操作还包括响应于空气布雷顿循环的自持操作将操作调整到零功率操作，其中所述空气布雷顿循环包括所述涡轮增压器。所述方法的第七示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括：所述马达/发电机耦合至储能设备和辅助设备。所述方法的第八示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括：所述条件是所述涡轮轴的动力输出。
55.本公开提供了对一种系统的附加支持，所述系统包括：壳体，该壳体限定了腔室，所述腔室被配置为接收第一能源和第二能源；涡轮增压器，该涡轮增压器耦合至所述腔室；
马达/发电机，所述马达/发电机耦合至涡轮增压器的涡轮轴，并位于压缩机和涡轮之间；机械负载，该机械负载耦合至所述涡轮轴；以及控制器，所述控制器具有存储在所述控制器的存储器上的计算机可读指令，当所述计算机可读指令被执行时，使所述控制器对所述系统的状态进行监控并响应于所述状态调整所述马达/发电机的操作。所述系统的第一示例还包括：所述条件是涡轮速度、压缩机速度、涡轮温度、压缩机温度、涡轮轴速度和机械负载输出中的一者或多者。所述系统的第二示例可选地包括第一示例，并进一步包括：所述控制器被配置为响应于存在启动请求的条件而使所述马达/发电机向所述涡轮轴提供动力，并且其中所述控制器被配置为响应于存在关闭请求的条件而使所述马达/发电机进行再生并使涡轮轴减速。所述系统的第三示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括：所述控制器被配置为当所述系统处于自持操作时将所述马达/发电机的操作调整到零功率操作，并且所述条件包括所述系统的工作点等于确定的工作点值，所述确定的工作点值与所述自持操作相关联。所述系统的第四示例可选地包括一个或多个先前示例，并进一步包括：所述马达/发电机电耦合至储能设备和辅助设备，并且所述控制器被配置为选择性地在布雷顿循环中操作所述系统。
56.在一个实施例中，控制系统或控制器可以具有部署的本地数据收集系统，并且可以使用机器学习来实现基于推导的学习结果。通过做出数据驱动的预测以及根据数据集(包括由各种传感器提供的数据)进行适应，所述控制器可以从数据集中进行学习并对数据集做出决策。在实施例中，机器学习可涉及通过机器学习系统执行多个机器学习任务，例如监督学习、无监督学习和强化学习。监督学习可以包括向机器学习系统呈现一组示例输入和期望输出。无监督学习可以包括学习算法通过诸如模式检测和/或特征学习之类的方法来构造其输入。强化学习可以包括机器学习系统在动态环境中执行并然后提供关于正确和不正确决策的反馈。在示例中，基于机器学习系统的输出，机器学习可以包括多个其他任务。所述任务可以是机器学习问题，例如分类、回归、聚类、密度估计、降维、异常检测等。在示例中，机器学习可以包括多种数学和统计技术。机器学习算法可以包括基于决策树的学习、关联规则学习、深度学习、人工神经网络、遗传学习算法、归纳逻辑编程、支持向量机(svm)、贝叶斯网络、强化学习、表征学习、基于规则的机器学习、稀疏字典学习、相似性和度量学习、学习分类器系统(lcs)、逻辑回归、随机森林、k-均值、梯度提升、k-最近邻(knn)、先验算法等。在实施例中，可使用某些机器学习算法(例如，用于解决可基于自然选择的约束和无约束优化问题)。在示例中，所述算法可以用于解决混合整数规划问题，其中一些分量被限制为是整数值。算法和机器学习技术和系统可用于计算智能系统、计算机视觉、自然语言处理(nlp)、推荐系统、强化学习、构建图形模型等。在示例中，机器学习可用于车辆性能和控制、行为分析等。
57.在一个实施例中，所述控制器可以包括可以应用一个或多个策略的策略引擎。这些策略可以至少部分地基于给定设备或环境项的特性。关于控制策略，神经网络可以接收大量环境和任务相关参数的输入。可以训练神经网络以基于这些输入产生输出，所述输出表示发动机系统应该采取的动作或动作序列。这对于平衡发动机上的竞争约束可能很有用。在一个实施例的操作期间，可以通过神经网络的参数对输入进行处理以在输出节点处产生将该动作指定为期望动作的值，来进行确定。这个动作可能会转化为引起发动机进行操作的信号。这可以通过反向传播、前馈过程、闭环反馈或开环反馈来实现。可替换地，所述
控制器的机器学习系统可以使用演进策略技术来调整人工神经网络的各种参数，而不是使用反向传播进行调整。所述控制器可以使用神经网络架构，所述神经网络架构具有并非总能使用反向传播进行求解的函数，例如非凸函数。在一个实施例中，神经网络具有表示神经网络的节点连接权重的参数集。生成了该网络的多个副本，然后对参数进行了不同的调整，并进行了仿真。一旦获得了各种模型的输出，就可以使用确定的成功度量对各种模型的性能进行评估。选择最佳模型，并且车辆控制器执行该计划以实现期望的输入数据，以反映预测的最佳结果场景。可替换地，成功度量可以是优化结果的组合。这些优化结果可以相对于彼此进行权衡。
58.如本文所用的，以单数形式叙述并在前面加上措辞“一”或“一个”的元素或步骤应理解为不排除所述元素或步骤的复数形式，除非明确说明了这种排除。此外，对本公开的“一个实施例”的引用并不排除还存在包括引用特征的附加实施例。此外，除非明确表示相反，否则“包含”、“包括”或“具有”具备特定属性的元素或多个元素的实施例可以包括不具备该属性的此类附加元素。术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“在其中”的普通语言等价物。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并不旨在将数字要求或特定的位置顺序强加给它们的对象。
59.本文所公开的控制方法和例程可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中，并且可以由包括控制器的控制系统结合各种传感器、致动器和其他发动机硬件来执行。本文描述的特定例程可以表示任意数量的处理策略中的一个或多个，例如事件驱动处理策略、中断驱动处理策略、多任务处理策略、多线程处理策略等。因此，所示的各种动作、操作和/或功能可以按照所示的顺序并行地执行，或者在某些情况下予以省略。同样地，处理的顺序并非是实现本文描述的示例性实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述的目的而提供的。根据所使用的特定策略，可以重复执行所示的动作、操作和/或功能中的一个或多个。此外，所描述的动作、操作和/或功能可以以图表形式对代码进行表示，所述代码将被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器中，其中通过在如下系统中执行所述指令来执行所描述的动作，也即，该系统包括各种发动机硬件部件和电子控制器。
60.本书面描述使用示例来公开了本公开(包括最佳模式)，并使本领域普通技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域普通技术人员所想到的其他示例。如果这些其他示例具有的结构元素与权利要求书的字面语言无差异，或者如果这些其他示例所包括的等效结构元素与权利要求书的字面语言所描述的结构元素没有实质性差异，则这些其他示例旨在包含在权利要求书的范围内。

技术特征：
1.一种使用布雷顿循环的系统，包括：壳体，所述壳体限定了腔室，所述腔室被配置为接收第一能源和第二能源；涡轮增压器，所述涡轮增压器流体地耦合至所述腔室；以及马达/发电机，所述马达/发电机耦合至所述涡轮增压器的涡轮轴，并位于压缩机和涡轮之间。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述马达/发电机向所述涡轮轴提供第三能源。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一能源是不可控的，而所述第二能源是可控的。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一能源是热，所述第二能源是空气。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述马达/发电机电耦合至储能设备和辅助设备中的一者或多者。6.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，其中所述涡轮轴物理地耦合至机械负载，并且所述控制器被配置为选择性地在第一模式和第二模式中操作所述涡轮增压器，所述第一模式并非布雷顿循环，所述第二模式为布雷顿循环。7.一种使用布雷顿循环的方法，包括：响应于条件调整马达/发电机的操作，所述马达/发电机耦合至涡轮增压器的涡轮轴，其中所述涡轮轴进一步耦合至涡轮、压缩机和机械负载。8.根据权利要求7所述的方法，其中调整所述马达/发电机的操作包括向所述涡轮轴提供动力，并且其中所述条件是存在启动请求。9.根据权利要求7所述的方法，其中，调整所述马达/发电机的操作包括发电并使所述涡轮轴减速，并且其中所述条件是存在关闭请求。10.根据权利要求7所述的方法，其中所述条件是操作值不同于确定的操作值，所述确定的操作值与布雷顿循环的自持操作相关联，且所述布雷顿循环包括所述涡轮增压器。11.根据权利要求10所述的方法，其中调整所述马达/发电机的操作包括响应于所述操作值低于所述确定的操作值而向所述涡轮轴提供动力。12.根据权利要求10所述的方法，其中，调整所述马达/发电机的操作包括发电并使所述涡轮轴减速。13.根据权利要求7所述的方法，其中调整所述马达/发电机的操作还包括响应于空气布雷顿循环的自持操作包括所述涡轮增压器而将操作调整到零功率操作。14.根据权利要求7所述的方法，其中所述马达/发电机耦合至储能设备和辅助设备。15.根据权利要求7所述的方法，其中所述条件是所述涡轮轴的动力输出。16.一种使用布雷顿循环的系统，包括：壳体，所述壳体限定了腔室，所述腔室被配置为接收第一能源和第二能源；涡轮增压器，所述涡轮增压器耦合至所述腔室；马达/发电机，所述马达/发电机耦合至所述涡轮增压器的涡轮轴并位于压缩机和涡轮之间；机械负载，所述机械负载耦合至所述涡轮轴；以及控制器，所述控制器具有存储在所述控制器的存储器上的计算机可读指令，当所述计算机可读指令被执行时，使所述控制器：
监控所述系统的状态；以及响应于所述状态调整所述马达/发电机的操作。17.根据权利要求16所述的系统，其中所述条件是涡轮速度、压缩机速度、涡轮温度、压缩机温度、涡轮轴速度和机械负载输出中的一个或多个。18.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置为响应于存在启动请求的所述条件而使所述马达/发电机向所述涡轮轴提供动力，并且其中所述控制器被配置为响应于存在关闭请求的所述条件而使所述马达/发电机进行再生并使所述涡轮轴减速。19.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置为当所述系统处于自持操作时将所述马达/发电机的操作调整到零功率操作，并且所述条件包括所述系统的工作点等于确定的工作点值，所述确定的工作点值与所述自持操作相关联。20.根据权利要求16所述的系统，其中所述马达/发电机电耦合至储能设备和辅助设备，并且所述控制器被配置为选择性地在布雷顿循环中操作所述系统。

技术总结
提供了用于布雷顿循环系统的方法和系统。在一个示例中，用于空气布雷顿循环的系统包括：腔室，该腔室能够接收第一能源和第二能源；涡轮增压器；以及马达/发电机，所述马达/发电机耦合至涡轮增压器的涡轮轴，并位于压缩机和涡轮之间。涡轮之间。涡轮之间。


技术研发人员：C
受保护的技术使用者：交通知识产权控股有限公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/8/24