用于利用氣體再循環(huán)回路上的兩個熱交換器從內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排放氣體回收熱量的系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于利用氣體再循環(huán)回路上的兩個熱交換器從內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排放氣體回收熱量的系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明涉及一種用于從內(nèi)燃發(fā)動機(jī)回收熱能的裝置。裝備有內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的車輛產(chǎn)生大量的熱能，該熱能有時被用于使車輛客艙升溫，并且通常經(jīng)由一個冷卻回路消散，該冷卻回路包括通過車輛外部的空氣冷卻的一個散熱器。這種能量還可以通過車輛排氣管線消散。這種能量因此從車輛流失而未投入生產(chǎn)性使用。
[0002]已提出將基于狀態(tài)改變流體的回路的能量回收系統(tǒng)用于回收車輛發(fā)動機(jī)所釋放熱能中的一些熱能，該狀態(tài)改變流體經(jīng)受對應(yīng)于蘭金循環(huán)(Rankine cycle)或類似的循環(huán)(例如蘭金-伊恩(Rankine-Hirn)型循環(huán))的一個熱力循環(huán)。因此，可以將該熱能中的一些以機(jī)械能或從該機(jī)械能產(chǎn)生的電能的形式回收。
[0003]這種回收的機(jī)械能可以直接用于產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，從而提高了內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的效率并且減少了發(fā)動機(jī)整體燃料消耗。
[0004]因此，專利申請F(tuán)R 2 884 556描述了一種使用蘭金循環(huán)的能量回收系統(tǒng)，該能量回收系統(tǒng)包括使排氣管線和蘭金回路直接耦合的一個交換器。直接在排氣管線上進(jìn)行能量回收的這種設(shè)計造成了物理空間問題。此外，所涉及的這些交換器需要能夠承受非常高的溫度梯度并且因此生產(chǎn)昂貴。
[0005]專利申請JP 2007 332853提出:使用從排氣回收的熱能并且隨后將其傳遞到一個蘭金回路的一個水回路來回收這種熱能，該熱能被再循環(huán)到內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的入口側(cè)。這種系統(tǒng)在再循環(huán)氣體溫度調(diào)節(jié)方面存在一個缺陷，這個缺陷就是必須對溫度進(jìn)行管理以便作為與蘭金回路的操作最佳化之間的一個折中。
[0006]使用排氣再循環(huán)(EGR)來減少由柴油型內(nèi)燃發(fā)動機(jī)排放的污染物。所發(fā)生的是，在沒有EGR的情況下，排氣中發(fā)現(xiàn)不完全燃燒的氣體。EGR包括將這些氣體重新引入到發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣側(cè)。為了獲得最大的效率，這些EGR氣體需要被冷卻?，F(xiàn)在，在一個高壓氣體再循環(huán)系統(tǒng)(常常被稱為EGR HP)中，其中已燃燒的氣體中的一些在不經(jīng)過渦輪機(jī)或渦輪壓縮機(jī)的壓縮機(jī)的情況下從發(fā)動機(jī)汽缸的下游返回到發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣側(cè)，這些再循環(huán)氣體非常熱(高達(dá)800 °C )，并且希望將它們的溫度降到大約150 °C的溫度。
[0007]因此，必須在EGR冷卻器中提供非常高的水流速或低的水溫。然而，為了良好的熱交換效率，并且為了避免再循環(huán)回路堵塞的風(fēng)險，水溫需要保持在50°C以上。同時，為了避免破壞冷卻器，必需防止經(jīng)過該冷卻器的水沸騰。
[0008]為了能夠符合未來的排放標(biāo)準(zhǔn)，希望能夠使用EGR:
[0009]-用于低的環(huán)境溫度:處于低溫下的冷卻劑所經(jīng)過的一個EGR冷卻器隨后可能存在困難，因為經(jīng)過該冷卻器的水的溫度可能下降到50°C以下，
[0010]-用于高負(fù)荷:現(xiàn)有的EGR冷卻器不夠高效。
[0011]此外，積垢降低了 EGR冷卻器的效率。為了減少這種情況，希望的是限制在交換器的進(jìn)口側(cè)與出口側(cè)之間的氣體的溫度梯度。
[0012]本發(fā)明的一個目的在于提出一種能量回收系統(tǒng)，該能量回收系統(tǒng)允許更好地調(diào)節(jié)再循環(huán)氣體的溫度并且同時限制已燃燒氣體再循環(huán)回路發(fā)生積垢的程度，這樣使得可以同時從除氣體再循環(huán)回路之外的熱源回收熱能，并且該能量回收系統(tǒng)進(jìn)一步允許在車輛冷啟動過程中在車輛的乘客需要的情況下使車輛客艙迅速變暖。
[0013]為此，本發(fā)明提出一種用于為裝備有內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的機(jī)動車輛的回收能量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于這些發(fā)動機(jī)排放氣體的部分再循環(huán)的一個再循環(huán)回路，并且包括一個第一冷卻劑回路，該第一冷卻劑回路經(jīng)過該發(fā)動機(jī)并且經(jīng)過被配置用于從該再循環(huán)回路中收集熱能的一個第一冷卻交換器。該能量再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個第二回路，經(jīng)過一個膨脹機(jī)的一個狀態(tài)改變流體循環(huán)穿過該第二回路以便機(jī)械地驅(qū)動一個輸出軸。該第一回路包括至少一個第一耦合交換器，該第一耦合交換器用作用于該第二回路的一個熱源，從而引起該第二回路的該流體變成氣態(tài)，并且該系統(tǒng)包括一個第三冷卻劑回路，該第三冷卻劑回路包括能夠從該再循環(huán)回路中收集熱能的一個第二冷卻交換器。該第一回路和該第三回路被定位的方式使得穿過該第一回路和穿過該第三回路的該冷卻劑循環(huán)可以是獨立的。
[0014]該第二流體回路可以被稱為一個蘭金回路或一個蘭金-伊恩回路，因為循環(huán)穿過這個回路的該流體的循環(huán)可以被比作以蘭金循環(huán)(如果該流體是在該第一耦合交換器中被蒸發(fā)，然后在該膨脹機(jī)中的飽和蒸汽溫度下使用)的名稱、或以蘭金-伊恩循環(huán)(如果該流體在被傳送到該膨脹機(jī)中之前是在該第一耦合交換器或“蒸發(fā)器”中被蒸發(fā)，然后在一個第二耦合交換器或“過熱器”中被加熱到該飽和蒸汽溫度以上)的名稱為人所知的一個熱力循環(huán)。該第一耦合交換器通常由術(shù)語“蒸發(fā)器”來表示。作為優(yōu)選，參考該再循環(huán)氣體的循環(huán)，該第二冷卻交換器在該再循環(huán)回路上是在該第一冷卻交換器的下游。
[0015]部分再循環(huán)回路可以包括該EGR HP型的一個再循環(huán)管線，該再循環(huán)管線使這些排放氣體中的一些在不經(jīng)過該發(fā)動機(jī)的一個渦輪壓縮機(jī)的情況下從這些發(fā)動機(jī)汽缸的下游返回到該發(fā)動機(jī)的一個進(jìn)氣歧管，或返回到這些發(fā)動機(jī)汽缸的入口。根據(jù)其他替代形式的實施例，該再循環(huán)回路可以包括一個EGR LP型的管線，該管線將這些排氣返回到一個渦輪壓縮機(jī)的入口側(cè)。
[0016]根據(jù)一個有利的實施例，該系統(tǒng)包括一個恒溫器，該恒溫器被配置成以便在一個第一位置和一個第二位置之間交替地進(jìn)行切換，在該第一位置中，穿過該第一回路和該第三回路的這些冷卻劑循環(huán)是彼此獨立的，并且在該第二位置中，穿過該發(fā)動機(jī)的液體中的至少一些還經(jīng)過該第二冷卻交換器。根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，該恒溫器被配置用于:當(dāng)由該恒溫器檢測到的該液體溫度低于一個閾值溫度時切換到該第一位置中，并且當(dāng)檢測到的該液體溫度高于該同一個閾值溫度時切換到該第二位置中。
[0017]該第三回路可以包括一個第一散熱器，該第一散熱器能夠?qū)崮軓脑摰谌芈穫鬟f到該車輛外部的大氣中。
[0018]有利地，該第一散熱器被安裝成與該第二冷卻交換器串聯(lián)。這意味著該第一散熱器和該第二冷卻交換器位于該第三回路的同一個支路上。經(jīng)過該散熱器和/或相應(yīng)地經(jīng)過該冷卻器的所有冷卻劑因此經(jīng)過該冷卻器和/或相應(yīng)地經(jīng)過該散熱器，不論該恒溫器是處于該第一位置或是處于該第二位置中。
[0019]該第三回路可以進(jìn)一步包括一個第二散熱器，該第二散熱器能夠?qū)崮軓脑摰谌芈穫鬟f到該車輛外部的大氣中，該第二散熱器被安裝成與該第二冷卻交換器并聯(lián)，或者更確切地說，這樣使得當(dāng)該恒溫器處于該第二位置時該第二散熱器與該第二冷卻交換器是并聯(lián)的。這意味著相對于當(dāng)該恒溫器處于該第二位置時該冷卻劑循環(huán)的方向而言，該散熱器和該冷卻器是在具有一個共同的上游分支和一個共同的下游分支的兩個支路上。
[0020]根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，該第三回路包括一個第一栗，該第一栗以這樣一種方式定位:以便將將該冷卻劑從該第一散熱器引導(dǎo)到該第二冷卻交換器。作為優(yōu)選，該第三回路隨后被確定尺寸，這樣使得當(dāng)該恒溫器處于該第一位置時，建立相繼穿過該第一散熱器、該第二冷卻交換器以及該第三散熱器的一個冷卻劑環(huán)路。有利地，該第三回路可以包括一個液體貯存器，該液體貯存器被配置用于容納在該第三回路中的該冷卻劑的膨脹。作為優(yōu)選，該貯存器被定位在一個支路上的該第三回路上，該支路與包括該第二散熱器的一個支路并且與包括該第一散熱器、該第一栗以及該第二冷卻交換器的另一個支路并聯(lián)連接。優(yōu)選地，該第三回路還包括與前面提及的三個支路并聯(lián)連接的一個均衡支路。
[0021]根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，該第一回路包括一個單元加熱器，該單元加熱器能夠?qū)崮軓脑摰谝换芈穫鬟f到車輛客艙空氣中。于是該第一回路限定了裝備有至少一個栗的一個第一冷卻劑環(huán)路，該栗被配置用于使該第一環(huán)路的液體相繼地循環(huán)穿過該發(fā)動機(jī)、該第一冷卻交換器以及該單元加熱器。
[0022]有利地，該第一回路進(jìn)一步包括一個旁路支路，該旁路支路被連接的方式使得該冷卻劑可以不經(jīng)由該發(fā)動機(jī)傳遞的情況下循環(huán)穿過該第一冷卻交換器、然后該單元加熱器。該旁路支路可以實質(zhì)上由不帶有交換器的一個均壓管組成，或者可以包括例如被用于冷卻該發(fā)動機(jī)的一部分或其氣體回路的一部分的一個交換器。該旁路支路可以有助于限定一個次級環(huán)路，該次級環(huán)路用于具體地經(jīng)過該旁路支路和經(jīng)過該第一冷卻交換器和該單元加熱器的一個管道的冷卻劑循環(huán)。根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，該旁路支路可以包括一個第四冷卻交換器，該第四冷卻交換器被配置用于從經(jīng)過屬于該再循環(huán)回路的一個氣體調(diào)節(jié)閥的該