專利名稱：具有改進(jìn)的排氣熱量回收裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的制作方法
具有改進(jìn)的排氣熱量回收裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備領(lǐng)域，該類型的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備包括內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)具有進(jìn)氣管線、排氣管線、以及EGR管線，該EGR管線用于將氣體從排氣管線再循環(huán)到進(jìn)氣管線中， 其中，至少一個(gè)渦輪機(jī)位于該排氣管線上，其中該設(shè)備包括利用排氣能量將液態(tài)水轉(zhuǎn)化為水蒸汽的水蒸汽發(fā)生裝置，并且其中所述水蒸汽在渦輪機(jī)的上游被噴射到排氣管線中。
通過(guò)將排氣中攜帶的、通常只是釋放到大氣中并損失掉的熱量轉(zhuǎn)化為由于渦輪機(jī)中的已加熱水蒸汽的膨脹和/或冷卻而在渦輪機(jī)軸上回收的機(jī)械能，上述設(shè)備利用了該熱量。所回收的能量能夠以各種不同的方式來(lái)使用。
背景技術(shù)：
文獻(xiàn)JP-2001. 132. 538公開(kāi)了上述類型的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其中，水回路包括用于對(duì)水進(jìn)行加熱并將其轉(zhuǎn)化為水蒸汽的兩個(gè)熱交換器。第一熱交換器從增壓空氣回路、即從在被引入到內(nèi)燃機(jī)之前已由渦輪壓縮機(jī)壓縮的空氣中獲得熱量。這樣的空氣并非很熱，通常在130°C至200°C的范圍內(nèi)。第二熱交換器在渦輪機(jī)的下游、從在排氣管線內(nèi)循環(huán)的排氣中獲得熱量。此氣體盡管十分熱，但已經(jīng)在渦輪機(jī)中經(jīng)歷了膨脹，由此，它們的溫度最多已經(jīng)下降了 100°C，從而下降到300°C的平均溫度。因此，盡管該文獻(xiàn)中公開(kāi)的系統(tǒng)非常適合于某些特定應(yīng)用(例如靜止的動(dòng)力產(chǎn)生單元)，但它可能不適合于其他的應(yīng)用，例如車(chē)輛的推進(jìn)。實(shí)際上，靜止的動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備在穩(wěn)定的工況下運(yùn)行，在該穩(wěn)定的工況下，排氣溫度被很好地控制在有限的溫度范圍內(nèi)，而車(chē)輛應(yīng)用則要求發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備在變化的負(fù)載下工作，這可能導(dǎo)致不同的排氣溫度。因此，有必要設(shè)計(jì)如下一種改進(jìn)的設(shè)備在該設(shè)備中，能夠在更寬范圍的運(yùn)行條件下確保水蒸汽發(fā)生裝置的運(yùn)行。發(fā)明內(nèi)容
考慮到上文的情形，本發(fā)明提供了上述類型的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述EGR 管線在渦輪機(jī)的上游從排氣管線分支，并且，所述水蒸汽發(fā)生裝置包括至少一個(gè)EGR/水熱交換器，該EGR/水熱交換器用于在EGR管線和待蒸發(fā)的水之間交換熱量。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1所描繪的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備10包括內(nèi)燃機(jī)12，該內(nèi)燃機(jī)12例如是大功率多缸柴油機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)諸如重型卡車(chē)等的車(chē)輛。該發(fā)動(dòng)機(jī)也可以是依靠汽油或氣體而運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。 通過(guò)進(jìn)氣管線14來(lái)向發(fā)動(dòng)機(jī)12供給燃燒空氣，并且排氣管線16設(shè)置成用于收集從發(fā)動(dòng)機(jī) 12中排出的排氣。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備10包括渦輪機(jī)18，該渦輪機(jī)18位于排氣管線16上并由該排氣管線中的排氣流驅(qū)動(dòng)。在本實(shí)施例中，渦輪機(jī)18屬于渦輪壓縮機(jī)的一部分，該渦輪壓縮機(jī)的壓縮機(jī)20位于進(jìn)氣管線16上從而被與壓縮機(jī)20機(jī)械聯(lián)接的渦輪機(jī)18驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)20可以對(duì)要供給到發(fā)動(dòng)機(jī)12中的燃燒空氣進(jìn)行壓縮。盡管如此，正下文將更詳細(xì)地說(shuō)明的，也可以利用不屬于渦輪壓縮機(jī)的一部分的渦輪機(jī)18來(lái)實(shí)施本發(fā)明。所述發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備還包括用于將空氣從排氣管線再循環(huán)到進(jìn)氣管線中的EGR管線22。這種EGR系統(tǒng)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的，并且它可以包括用于冷卻EGR氣體的EGR冷卻器M。該EGR冷卻器可以連接到發(fā)動(dòng)機(jī)流體冷卻回路，或者可以僅僅是通過(guò)環(huán)境空氣來(lái)冷卻的空氣/空氣冷卻器。在EGR管線22中可以設(shè)置有EGR閥(未示出)，以控制經(jīng)由EGR管線22而再循環(huán)的排氣流。
進(jìn)氣管線14很可能配備有空氣過(guò)濾裝置(未示出)，同時(shí)，排氣管線16將有利地配備有排氣后處理系統(tǒng)，例如柴油微粒過(guò)濾器和/或催化轉(zhuǎn)化器。
根據(jù)本發(fā)明，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備10配備有對(duì)噴射器觀進(jìn)行供給的水蒸汽發(fā)生裝置26， 該噴射器觀在渦輪機(jī)18的上游將水蒸汽噴射到排氣管線16中。根據(jù)本發(fā)明，水主要以其蒸汽形式被噴射到排氣管線中，從而，將水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為水蒸汽所需的潛熱并不是從循環(huán)通過(guò)該渦輪機(jī)的排氣中獲取。如此噴射到排氣管線16中的水蒸汽將經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)18，在渦輪機(jī)18中，該水蒸汽將冷卻和/或膨脹，從而該水蒸汽中含有的能量的一部分被轉(zhuǎn)化為渦輪機(jī)18的機(jī)械能。當(dāng)然，這里的水蒸汽對(duì)經(jīng)過(guò)同一渦輪機(jī)18的排氣的類似膨脹/冷卻起到了補(bǔ)充作用。因此，由于膨脹器在此以簡(jiǎn)單的形式布置并且與排氣共同使用，該同一裝置對(duì)于排氣來(lái)說(shuō)也作為膨脹器使用，所以能夠在無(wú)專用膨脹器的情況下從水蒸汽中回收機(jī)械能。
如此回收的機(jī)械能能夠以不同的方式使用，這取決于與渦輪機(jī)18機(jī)械連接的是什么裝置。在所示的例子中，渦輪機(jī)18是渦輪壓縮機(jī)的渦輪機(jī)，從而，所回收的能量用于提高對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行壓縮的能力。在其他實(shí)施例中，替代地或除了機(jī)械連接到壓縮機(jī)之外，該渦輪機(jī)也可以連接到發(fā)電機(jī)，以便能夠?qū)⑺羝泻械哪芰哭D(zhuǎn)化為另外的電能，該電能的優(yōu)點(diǎn)在于它例如能夠儲(chǔ)存在電池中。在另外的實(shí)施例中，該渦輪機(jī)能夠機(jī)械連接到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸以直接用作機(jī)械能，即所謂的“渦輪-復(fù)合式”設(shè)備。然而，在圖1所示的實(shí)施例中，渦輪機(jī)18是渦輪壓縮機(jī)的渦輪機(jī)，這具有顯著的優(yōu)點(diǎn)在不必如現(xiàn)在配備有這種渦輪壓縮機(jī)的許多現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備那樣增加任何硬件的情況下，就能夠至少部分地回收水蒸汽中含有的能量°
根據(jù)本發(fā)明，要以水蒸汽形式噴射的水由在所述EGR管線中循環(huán)的EGR氣體至少部分地加熱。實(shí)際上，水蒸汽發(fā)生裝置26包括至少一個(gè)EGR/水熱交換器30，該EGR/水熱交換器30用于在EGR管線22和待蒸發(fā)的水之間交換熱量。優(yōu)選地，該EGR/水熱交換器被布置為熱水器(boiIer)，在該熱水器中，水以液態(tài)形式進(jìn)入并主要以蒸汽形式排出。
如圖1所示，EGR管線22在位于渦輪機(jī)18上游的位置32處從排氣管線16分支。 優(yōu)選地，該分支位置32盡可能地位于上游，以便收集處于最高可能溫度下的排氣。由于該 EGR氣體并不在渦輪機(jī)中經(jīng)受膨脹，所以它們一般具有400°C至500°C的溫度。這種布置結(jié)構(gòu)通常用于所謂的“短管路"EGR裝置中。由于此特征，能夠通過(guò)EGR/水熱交換器30轉(zhuǎn)移給水的熱量被最大化，從而能夠在寬范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下、確保將水有效轉(zhuǎn)化為水蒸汽。
另外，該分支位置32在排氣管線中位于噴射器觀的上游，從而，水蒸汽優(yōu)選在EGR 管線22從排氣管線16分支的位置32的下游被噴射到所述排氣管線中。
根據(jù)圖1所描繪的實(shí)施例的另外一個(gè)特征，在渦輪機(jī)的上游被噴射到排氣管線中的水的至少一部分通過(guò)收回在渦輪機(jī)18下游的排氣中含有的液態(tài)形式的水而得到回收。 因此，水蒸汽發(fā)生裝置沈還設(shè)置有冷凝器34，該冷凝器34在渦輪機(jī)18的下游位于排氣管線16中。根據(jù)運(yùn)行條件和所需的效率，該冷凝器能夠是非?；A(chǔ)的冷凝器，并且可以由在排氣管線的內(nèi)表面上延伸的多個(gè)翼片形成。當(dāng)然，也可以使用更復(fù)雜的冷凝器來(lái)分離出排氣中含有的、液態(tài)或水蒸汽形式的水。必須要注意的是，該冷凝器不僅將對(duì)來(lái)自噴射器觀已噴射的水的水進(jìn)行冷凝，而且還對(duì)僅由于發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒過(guò)程而產(chǎn)生的水蒸汽形式的水進(jìn)行冷凝。因此，即使冷凝器的效率較低而使得不可忽略的量的水蒸汽通過(guò)排氣而排放到大氣中，也足以回收到供給該噴射器所需的水。
因此，水蒸汽發(fā)生裝置沈包括水回路，該水回路包括冷凝器34、EGR/水熱交換器 30、將冷凝器34與交換器30流體連接的輸送導(dǎo)管36、以及用于將交換器30中產(chǎn)生的水蒸汽供應(yīng)到噴射器觀的供應(yīng)導(dǎo)管38。盡管可以設(shè)置成僅通過(guò)重力來(lái)使水從冷凝器34循環(huán)至交換器30，但優(yōu)選在輸送導(dǎo)管36中設(shè)置有泵40來(lái)實(shí)現(xiàn)這種循環(huán)。該泵優(yōu)選將液態(tài)形式的水加壓到例如4bar至lObar。
在例如冷凝器34和泵40之間可以設(shè)置有儲(chǔ)水箱(圖1中未示出)。而且，也可以設(shè)置有其他的液態(tài)水源。例如，眾所周知，在某些條件下運(yùn)行時(shí)，空調(diào)單元可以產(chǎn)生冷凝水。 這樣的冷凝水經(jīng)常損失掉。但是，例如在既配備有根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備又配備有空調(diào)單元的車(chē)輛中，由空調(diào)單元產(chǎn)生的冷凝水可以通過(guò)回收裝置收集并作為額外的水提供給所述水蒸汽發(fā)生裝置。該水回路可以配備有用于對(duì)該回路中的水量進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置，例如用于把冷凝器收集的、超過(guò)供給該噴射器觀所需的水排出的清除系統(tǒng)(purge system)。
該水蒸汽發(fā)生裝置可以設(shè)有用于對(duì)所述水蒸汽進(jìn)一步加壓的裝置。在任一情況中，水蒸汽壓力都至少超過(guò)所述排氣管線中的在噴射器觀的位置處的壓力。
可選地，所述水蒸汽發(fā)生裝置可以配備有加壓水蒸汽蓄存器，該蓄存器位于交換器30和噴射器觀之間的水回路上，或者整合在該回路中。這樣的蓄存器能夠使水有效且大量蒸發(fā)的時(shí)間段(即大量高溫EGR氣體在EGR管線22中循環(huán)時(shí)的時(shí)間段)與能夠最有效地向排氣管線中噴射水蒸汽的時(shí)間段(例如在低的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載下加速渦輪機(jī)的時(shí)間段) 脫離聯(lián)系，只要這些時(shí)間段不完全重疊。就儲(chǔ)存于該蓄存器中的水蒸汽的體積及壓力而言， 該蓄存器的的容量由需要處理的脫離聯(lián)系的程度來(lái)決定。在該情況下，裝置26優(yōu)選配備有電子控制裝置，例如電子控制噴射器觀，用于控制水蒸汽向排氣管線16中的噴射。在沒(méi)有水蒸汽蓄存器的情況下，也可以設(shè)置有該電子控制噴射裝置。
根據(jù)所描繪的實(shí)施例的另一特征，在EGR管線22配備有EGR冷卻器M的情況下， 所述EGR冷卻器M優(yōu)選在EGR/水熱交換器30的下游位于EGR管線22上。
同樣應(yīng)注意的是，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備配備有諸如柴油微粒過(guò)濾器和/或催化轉(zhuǎn)化器等的排氣后處理系統(tǒng)的情況下，冷凝器34優(yōu)選在該系統(tǒng)的下游位于排氣管線中。
盡管圖中未示出，但該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備還可包括分別位于進(jìn)氣管線和排氣管線上的壓縮機(jī)和/或渦輪機(jī)。在這種情況下，將有利的是使EGR管線在排氣管線最上游的渦輪機(jī)之前從排氣管線分支。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，該類型的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備包括內(nèi)燃機(jī)(12)，所述內(nèi)燃機(jī)(1 具有進(jìn)氣管線(14)、排氣管線(16)以及EGR管線(22)，所述EGR管線Q2)用于將氣體從所述排氣管線(16)再循環(huán)到所述進(jìn)氣管線(14)，其中，至少一個(gè)渦輪機(jī)(18)位于所述排氣管線(16) 上，其中所述設(shè)備包括利用排氣能量將液態(tài)水轉(zhuǎn)化為水蒸汽的水蒸汽發(fā)生裝置(26)，并且其中所述水蒸汽在所述渦輪機(jī)(18)的上游被噴射08)到所述排氣管線(16)中，其特征在于，所述EGR管線0 在所述渦輪機(jī)(18)的上游(3 從所述排氣管線分支， 并且，所述水蒸汽發(fā)生裝置06)包括至少一個(gè)EGR/水熱交換器(22)，所述EGR/水熱交換器02)用于在所述EGR管線02)和待蒸發(fā)的水之間交換熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述水蒸汽發(fā)生裝置06)包括水冷凝器(34)，所述水冷凝器(34)用于在所述渦輪機(jī)(18)的下游冷凝并回收在所述排氣管線(16)內(nèi)循環(huán)的排氣中含有的水，并且，所回收的水被供給到所述EGR/水熱交換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述水蒸汽發(fā)生裝置06)包括泵 (40)，所述泵00)用于將水從所述冷凝器(34)循環(huán)到所述EGR/水熱交換器(30)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述泵00)把加壓水輸送到所述 EGR/水熱交換器(30)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述EGR/水熱交換器(30)被布置為熱水器，在所述熱水器中，水以液態(tài)形式進(jìn)入并主要以蒸汽形式排出。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述水蒸汽發(fā)生裝置06)包括液態(tài)水儲(chǔ)箱，所述液態(tài)水儲(chǔ)箱用于儲(chǔ)存待蒸發(fā)的液態(tài)水。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述水蒸汽發(fā)生裝置06)包括水蒸汽蓄存器，所述水蒸汽蓄存器用于儲(chǔ)存水蒸汽。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備包括電子控制噴射裝置( )，所述電子控制噴射裝置08)用于控制被噴射到所述排氣管線 (16)中的水蒸汽的流量。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，水蒸汽在所述EGR 管線02)從所述排氣管線(16)分支的位置(32)的下游被噴射到所述排氣管線(16)中。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述EGR管線02) 包括EGR冷卻器(M)，所述EGR冷卻器04)在所述EGR/水熱交換器(30)的下游位于所述 EGR管線中。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述渦輪機(jī)(18) 與位于所述進(jìn)氣管線(14)上的壓縮機(jī)OO)機(jī)械連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，該類型的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備包括具有EGR管線(22)的內(nèi)燃機(jī)(12)，其中，至少一個(gè)渦輪機(jī)(18)位于排氣管線(16)上，其中該設(shè)備包括水蒸氣發(fā)生裝置(26)，該水蒸氣發(fā)生裝置(26)利用排氣能量將液態(tài)水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，并且其中所述水蒸氣在渦輪機(jī)(18)的上游被噴射(28)到排氣管線(16)中，其特征在于，所述EGR管線(22)在渦輪機(jī)(18)的上游(32)從排氣管線分支，并且，水蒸氣發(fā)生裝置(26)包括用于在EGR管線(22)和待蒸發(fā)的水之間交換熱量的至少一個(gè)EGR/水熱交換器(22)。
文檔編號(hào)F02M25/07GK102483014SQ200980160655
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者尼古拉斯·埃斯皮諾薩 申請(qǐng)人:雷諾卡車(chē)公司