專利名稱：包括熱回收回路的發(fā)動機設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有用于回收能量的熱回收回路的發(fā)動機設備，尤其(但不僅) 是車輛中的發(fā)動機設備。
背景技術：
多年以來，人們嘗試提高車輛性能，尤其是對燃料消耗有直接影響的發(fā)動機效率。
一種常規(guī)系統(tǒng)提供了具有熱回收回路的發(fā)動機設備，該熱回收回路用于回收一部 分能量，如果不加以回收，這部分能量將以熱量的形式浪費在排氣中、浪費在發(fā)動機冷卻回 路和潤滑回路中，等等。這種熱回收回路包括蘭金回路，在蘭金回路中，流體在一個閉合環(huán) 路中流動，并根據(jù)蘭金熱動力循環(huán)而先后經(jīng)歷以下過程
-工作流體(它在該階段是液體)被從低壓泵壓至高壓；
-上述高壓流體被在發(fā)動機設備的另一個回路中流動的熱流體蒸發(fā)為氣體；
-該氣體在膨脹器中膨脹；
-最后，該氣體冷凝。
結果，用于使熱回收流體蒸發(fā)的所述熱流體的至少一部分熱能被在膨脹器中、例 如以機械能、液壓能、氣動能或電能的形式回收。若不回收，該熱能將白白流失。
然而，提供熱回收回路涉及布設另外的管線和部件，這需要空間并帶來了一定的 成本和重量。
因此，從多個角度來看，發(fā)動機設備顯然還存在改進空間。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進的發(fā)動機設備，該發(fā)動機設備包括熱回收回路， 該熱回收回路能夠克服上述這些常規(guī)發(fā)動機設備中存在的缺陷。
根據(jù)本發(fā)明，這樣的發(fā)動機設備包括
-內(nèi)燃發(fā)動機，在該內(nèi)燃發(fā)動機中，至少一種燃燒流體通過至少一個燃燒流體回路 供應到燃燒室，所述燃燒流體回路包括至少一個燃燒流體泵；
-熱回收回路，該熱回收回路以環(huán)路的形式運送流體，使得所述流體至少依次經(jīng)過 所述泵、蒸發(fā)器、膨脹器和冷凝器，該膨脹器能夠利用所述流體的膨脹來產(chǎn)生能量；
其特征在于，所述燃燒流體用作熱回收回路中的流體，并且，所述燃燒流體泵是也 位于熱回收回路中的共用泵，以對熱回收回路中的流體進行加壓。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機設備中，熱回收回路在多數(shù)情況下并不包括專用的 泵，在熱回收回路中流動的流體由已經(jīng)用于其它目的的泵(即燃燒流體泵)從低壓泵壓至 高壓。當然，也可以在熱回收回路中提供另外的泵，例如用于進一步升高該回路中的流體的 壓力水平。因此，由于本發(fā)明，能夠提供一種包括用于回收能量的熱回收回路的發(fā)動機設 備該發(fā)動機設備所需要的泵比現(xiàn)有技術的上述這些發(fā)動機設備中少一個。這產(chǎn)生了更緊 湊、更廉價的發(fā)動機設備。
由于節(jié)省了驅(qū)動一個泵(否則，將需要發(fā)動機做功的一部分)，所以，還有助于實 現(xiàn)更好的總體發(fā)動機效率。
具體地，所述熱回收回路聯(lián)接到燃燒流體回路，并且，同一流體例如從燃燒流體箱 流動到發(fā)動機和熱回收回路。因此，所述流體必須既能在發(fā)動機的燃燒沖程中發(fā)揮其作用， 又能經(jīng)歷熱回收循環(huán)中的多個連續(xù)過程。結果，燃燒流體流流過所述共用泵，然后分流為至 少兩個流，其中一個流被引導至燃燒室，另一個流被引導至熱回收回路。
根據(jù)一實施例，所述發(fā)動機設備包括低壓燃燒流體泵和高壓燃燒流體泵，公用于 燃燒流體回路和熱回收回路的所述共用泵是該低壓燃燒泵。這尤其適用于所述燃燒流體是 燃料且內(nèi)燃發(fā)動機是直噴發(fā)動機(該直噴發(fā)動機是諸如柴油機的壓燃式發(fā)動機或者是火 花點火式發(fā)動機)的情形，其中，在低壓泵之后的燃料壓力可以是大約3-5巴。當然，所述發(fā) 動機設備可以包括具有單個燃燒流體泵的燃燒流體回路，該燃燒流體泵就是所述共用泵。
在任何情形中，所述發(fā)動機設備均可以具有數(shù)個燃燒流體回路，例如用于將兩種 或更多種燃料分開地噴射到燃燒室中，或用于噴射燃料和水，或用于噴射燃料和其他類型 的添加劑(例如防爆震劑)。在該情形中，每個燃燒流體管路均可以具有自己的泵，并且這 些泵中的任一個均可以是與所述熱回收回路共享的共用泵。
根據(jù)進一步的特征，所述熱回收回路還可以包括位于所述共用泵和蒸發(fā)器之間的 降壓裝置。這尤其適用于非直噴式火花點火發(fā)動機，該非直噴式火花點火發(fā)動機被供應有 諸如汽油、乙醇、甲醇、液化石油氣、天然氣或其混合物等的燃料。在這種發(fā)動機中，燃料在 大約30巴的壓力下噴射到進氣歧管中。由此，燃料泵能夠使燃料壓力升高到30巴左右。然 后，熱回收回路可能需要較低壓力以便最佳地運行，因此有必要在熱回收回路中提供降壓 裝置，以將燃料壓力例如降低到大約5-10巴。
用作熱回收回路中的流體的所述燃燒流體包括如下流體之一或它們的混合物
*諸如甲醇或乙醇的醇；
*選自甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的低碳烷烴；
* 水；
* 二甲醚(DME);
*氨-水溶液。
這些流體已知用作內(nèi)燃發(fā)動機中的燃料、燃料組分或用作另一種燃燒流體組分， 并且用作熱回收回路中的流體。
在所述蒸發(fā)器中，通過熱流體來蒸發(fā)在熱回收回路中流動的流體，所述熱流體可 以選自以下流體
-在發(fā)動機下游的冷卻劑回路中流動的發(fā)動機冷卻劑，因此該冷卻劑具有較高溫 度；
-在發(fā)動機設備的排氣管線中流動的熱排氣；
-發(fā)動機機油；
-發(fā)動機的壓縮進氣，即壓縮機下游的熱氣體；
-EGR (排氣再循環(huán))氣體。
例如，所述熱回收回路中的膨脹器可以選自渦輪機、渦旋式膨脹器(scroll)、螺桿 式膨脹器(screw)和活塞式膨脹器(piston)。
在本發(fā)明的一個實施方案中，熱回收回路還可包括位于所述泵下游但在蒸發(fā)器上游的加熱器，該加熱器也稱作回熱器，所述加熱器被設計成通過在膨脹器下游但在冷凝器上游的熱回收回路中流動的流體，對進入蒸發(fā)器之前在熱回收回路中流動的流體進行預加熱。實際上，膨脹后的該流體已經(jīng)失去了熱能，但其溫度仍高到足以在熱回收回路中流動的流體進入膨脹器之前對該流體進行預加熱。
所述發(fā)動機設備有利地包括如下裝置該裝置能夠把由所述膨脹器中的熱回收流體膨脹而產(chǎn)生的能量回收為發(fā)動機曲軸上的機械能，回收為電力和/或回收為液壓力或氣動壓力。該機械能能夠直接或經(jīng)由諸如齒輪等的中間零件回收到發(fā)動機曲軸上。至于電力， 它能夠由與作為所述膨脹器的渦輪機聯(lián)接的交流發(fā)電機產(chǎn)生。該電力可以用在混合動力車輛上(即，由內(nèi)燃發(fā)動機和電動馬達驅(qū)動的車輛)或用在常規(guī)車輛中，以對電池進行充電， 為輔助裝置供電等。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種車輛，該車輛包括上文描述的發(fā)動機設備。
然而，本發(fā)明還可以用在其它應用中，例如用在固定式工業(yè)系統(tǒng)(諸如驅(qū)動固定式發(fā)電機的發(fā)動機設備)中。
當結合附圖來閱讀以下描述時，這些及其它特征和優(yōu)點將變得顯而易見，這些附圖作為非限制性示例展現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機設備的實施例。


當結合附圖來閱讀時，將能更好地理解以下對本發(fā)明數(shù)個實施例的詳細描述，然而應當理解，本發(fā)明不限于所公開的具體實施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機設備的第一實施例的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機設備的第二實施例的示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及發(fā)動機設備1，附圖中示出了該發(fā)動機設備I的兩個實施例。
發(fā)動機設備I包括內(nèi)燃發(fā)動機2，該內(nèi)燃發(fā)動機2可以是柴油機或火花點火式發(fā)動機。儲存在燃料箱3中的燃料經(jīng)由供應管線4供給至發(fā)動機2，該供應管線4朝著燃料泵5 運送所述燃料，該燃料泵5被設計成將燃料提供給發(fā)動機2，在發(fā)動機2處，燃料能夠直接或間接噴射到燃燒室中。在所示的實施例中，所述燃料泵5包括
-低壓燃料泵6，該低壓燃料泵6被設計為用于將燃料的壓力提高到大約3-5巴， 以及
-在其之后的高壓燃料泵7，從低壓燃料泵6流出的燃料在連接管線8中被供應至該高壓燃料泵7，并且該高壓燃料泵7被設計為用于將燃料壓力提高至最高200巴、甚至提高至最高3000巴(這取決于具體的應用)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述燃料包括乙醇。例如，它可以是純乙醇，或者是乙醇與汽油或水的混合物，例如15%的汽油和85%的乙醇。其他的適合熱回收的燃料(B卩，也能夠用作熱回收循環(huán)中的工作流體的燃料)包括基于低碳烷烴(例如甲烷、乙烷、丙烷或丁烷或其混合物) 的燃料。這種燃料包括廣泛使用的燃料，例如天然氣、液化石油氣(LPG)、，沼氣等。
發(fā)動機排氣然后被收集并由排氣管線9運送到大氣中，該排氣管線9通常包括若 干個氣體處理裝置或過濾裝置(未示出)。
發(fā)動機設備I還可以包括冷卻劑回路10，該冷卻劑回路10運送發(fā)動機冷卻劑，例 如水基液體。該冷卻劑利用泵11而在一個閉合環(huán)路中移動。冷卻劑進入發(fā)動機2以降低 發(fā)動機的溫度，從而該冷卻劑變得較熱。然后，在發(fā)動機2的下游，冷卻劑被朝著散熱器12 運送，在散熱器12中，冷卻劑在再次進入發(fā)動機2之前被冷卻。
發(fā)動機設備I還包括允許一部分能量回收的熱回收回路13,在所示的示例中，該 熱回收回路13是基于蘭金循環(huán)的。
蘭金回路13形成一個閉合環(huán)路，在本實施例中，該閉合環(huán)路聯(lián)接到將燃料運送到 發(fā)動機2的上述回路,并將所述燃料作為蘭金流體(Rankine fluid)運送。
該燃料從供應管線4進入低壓燃料泵6，在該低壓燃料泵6中，燃料被加壓，然后， 該燃料通過從連接管線8分支出的第一管線15朝著蒸發(fā)器14運送。換言之，低壓燃料泵 6用作蘭金泵(Rankine pump),即，未設有其他專用的泵來泵送所述蘭金流體。在供應管線 4中流動的所有燃料均進入低壓燃料泵6，但之后僅該燃料的一部分通過高壓燃料泵7噴射 到發(fā)動機中，而該燃料的另一部分將在蘭金回路13中流動。在此，由泵5加壓的任何過量 流體可以經(jīng)由未示出的連接線路返回至燃料箱中。
在蒸發(fā)器14中，上述加壓燃料被蒸發(fā)成氣體，該氣體然后經(jīng)由第二管線16朝著膨 脹器17流動。在所示的實施例中，該膨脹器是能夠?qū)釟怏w的能量回收成機械能的渦輪機 17。所述機械能可用在發(fā)動機曲軸18上，由聯(lián)接到渦輪機17的交流發(fā)電機(未示出)使用 以產(chǎn)生電力，和/或被泵或壓縮機使用以對流體進行循環(huán)和/或加壓。該電力可以用在混 合動力車輛(即，由內(nèi)燃發(fā)動機和電動機驅(qū)動的車輛)或常規(guī)車輛中，以對電池進行充電， 為輔助裝置供電等。
在渦輪機17的下游，已經(jīng)膨脹并冷卻的氣體在第三管線19中朝著冷凝器20流 動，在冷凝器20中，該氣體重新變成液體。在發(fā)動機設備I應用在車輛上的情形中，所述冷 凝器20通常位于車輛的正面。在冷凝器20的下游，該液體燃料在與來自燃料箱3的稍多 燃料一起進入低壓燃料泵6之前、由第四管線21運送，該第四管線21匯合到(comes out into)供應管線4中。替代地，從冷凝器20流出的該蘭金流體也可以被引導到燃料箱3中。
現(xiàn)在，將參照圖1來描述本發(fā)明的第一實施例。
本實施例中，在蘭金回路13中流動的燃料在蒸發(fā)器14中被發(fā)動機2下游的冷卻 劑回路10中流動的冷卻劑蒸發(fā)。實際上，所述冷卻劑在經(jīng)過發(fā)動機2時已經(jīng)被加熱，并且 其溫度已高到足以蒸發(fā)所述燃料。
現(xiàn)在，將參照示出了本發(fā)明第二實施例的圖2(該圖2中未示出所述冷卻回路)。
本實施例中，在蘭金回路13中流動的燃料在蒸發(fā)器14中被排氣管線9中流動的 熱排氣蒸發(fā)。
此外，在蘭金回路13中、在泵6下游但在蒸發(fā)器14上游設置有加熱器22，以便在 蘭金回路13中流動的燃料進入蒸發(fā)器14之前對該燃料進行預加熱。該燃料由在蘭金回路 13的第三管線19(即，在渦輪機17下游但在冷凝器20上游)中流動的燃料預加熱。
當然，本發(fā)明不限于上文作為非限制性示例描述的實施例，相反，本發(fā)明應包括其 所有實施例。
燃料并非在本發(fā)明的上下文中所構思出的、唯一能夠用于熱回收循環(huán)并在燃燒過 程中用于噴射的燃燒流體。實際上，在其它的發(fā)動機設備中，不僅僅是燃料或者不僅僅一種 燃料被噴射到燃燒室中。也可以是其它的燃燒流體，即，應噴射到內(nèi)燃發(fā)動機的燃燒室中、 不與燃料預混合且因此具有配備有泵的專用流體回路的流體。必須注意的是，這些燃料流 體不必同時噴射到燃燒室中。而且，每種流體均可直接或間接噴射到燃料室中。
例如，該燃料流體可以包括適于或不適于熱回收的燃料、以及水，其中，水用在燃 燒/膨脹沖程中，以受益于由燃料燃燒產(chǎn)生的熱量而蒸發(fā)并提供更進一步的膨脹，和/或減 少未經(jīng)處理的發(fā)動機排放。在這種情況下，水還能用在熱回收循環(huán)中，并且，共用泵將對水 流進行加壓，用于噴射到燃燒室中并用于在熱回收回路中循環(huán)。替代地，如上文的示例中， 如果燃料適合于熱回收，例如是基于甲醇或乙醇的燃料，則該燃料可用在熱回收循環(huán)中以 代替水。
在另一個示例中，已知的是，使用諸如二甲醚(DME)的燃料或氨-水溶液來運行內(nèi) 燃發(fā)動機，它們均適合于熱回收循環(huán)，因此將允許實施本發(fā)明。另一個示例是雙燃料發(fā)動機 的情形，其中，含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或其混合物的第一燃料以及諸如汽油或柴油燃料 的第二燃料被分開地噴射到壓燃式發(fā)動機的燃燒室中。在這種情況下，該第一燃料可適合 于熱回收，從而，用于該第一燃料的共用泵也可以能夠用來泵送。
所述熱回收回路也可基于與蘭金循環(huán)不同的循環(huán)，該循環(huán)可以源自蘭金循環(huán)， 例如卡利那循環(huán)(Kalina cycle)或超臨界蘭金循環(huán)(supercritical Rankine cycle), 或者是與蘭金循環(huán)完全不同的循環(huán)，例如布雷登循環(huán)(Brayton cycle)或埃里克森循環(huán) (Ericsson cycle)0
權利要求
1.一種發(fā)動機設備，包括 -內(nèi)燃發(fā)動機(2)，在所述內(nèi)燃發(fā)動機(2)中，至少一種燃燒流體通過至少一個燃燒流體回路供應到燃燒室，所述燃燒流體回路包括至少一個燃燒流體泵(6)； -熱回收回路(13)，所述熱回收回路(13)以環(huán)路的形式運送流體，使得所述流體至少依次經(jīng)過所述泵￠)、蒸發(fā)器(14)和膨脹器(17)，所述膨脹器(17)能夠利用所述流體的膨脹來產(chǎn)生能量； 其特征在于，所述燃燒流體用作所述熱回收回路中的流體，并且，所述燃燒流體泵是也位于所述熱回收回路中的共用泵，以對所述熱回收回路中的流體進行加壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機設備，其特征在于，所述燃燒流體回路包括低壓燃燒流體泵(6)和高壓燃燒流體泵(7)，所述共用泵是所述低壓燃燒流體泵(6)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的發(fā)動機設備，其特征在于，所述熱回收回路(13)還包括位于所述共用泵(6)和所述蒸發(fā)器(14)之間的降壓裝置。
4.根據(jù)權利要求1至3中的任一項所述的發(fā)動機設備，其特征在于，用作所述熱回收回路(13)中的流體的所述燃燒流體包括如下流體之一或它們的混合物 *諸如甲醇或乙醇的醇； *選自甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的低碳烷烴； *水； * 二甲醚(DME)； *氨-水溶液。
5.根據(jù)權利要求1至4中的任一項所述的發(fā)動機設備，其特征在于，在所述蒸發(fā)器(14)中,通過熱流體來蒸發(fā)在所述熱回收回路(13)中流動的流體,所述熱流體選自以下流體 -在所述發(fā)動機(2)下游的冷卻劑回路(10)中流動的發(fā)動機冷卻劑； -在所述發(fā)動機設備(I)的排氣管線(9)中流動的熱排氣； -發(fā)動機機油； -所述發(fā)動機的壓縮進氣； -EGR (排氣再循環(huán))氣體。
6.根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的發(fā)動機設備，其特征在于，所述熱回收回路(13)中的所述膨脹器(17)選自渦輪機、渦旋式膨脹器、螺桿式膨脹器和活塞式膨脹器。
7.根據(jù)權利要求1至6中的任一項所述的發(fā)動機設備，其特征在于，所述熱回收回路(13)還包括位于所述泵(6)下游但在所述蒸發(fā)器(14)上游的加熱器(22)，所述加熱器(22)被設計成通過在所述膨脹器(17)下游但在所述冷凝器(20)上游的所述熱回收回路(13)中流動的流體，對進入所述蒸發(fā)器(14)之前在所述熱回收回路(13)中流動的流體進行預加熱。
8.根據(jù)權利要求1至7中的任一項所述的發(fā)動機設備，其特征在于，所述發(fā)動機設備包括如下裝置所述裝置能夠把由所述膨脹器(17)中的熱回收流體膨脹而產(chǎn)生的能量回收為發(fā)動機曲軸(18)上的機械能，回收為電力和/或回收為液壓力或氣動壓力。
9.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的發(fā)動機設備，其特征在于，所述熱回收回路還包括位于所述膨脹器(17)下游但在所述泵(6)上游的冷凝器(20)。
10.—種車輛，其特征在于，所述車輛包括根據(jù)權利要求1至9中的任一項所述的發(fā)動機設備(I)。
全文摘要
一種發(fā)動機設備(1)，包括內(nèi)燃發(fā)動機(2)，借助于至少一個燃料泵(6)向該內(nèi)燃發(fā)動機(2)供給燃料；熱回收回路(13)，該熱回收回路(13)以環(huán)路的形式運送流體，使得流體依次經(jīng)過所述流體泵(6)、蒸發(fā)器(14)和膨脹器(17)，該膨脹器(17)能夠利用所述流體的膨脹來產(chǎn)生能量。
文檔編號F22B1/18GK103003532SQ201080067759
公開日2013年3月27日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權日2010年8月27日
發(fā)明者伯諾伊特·倫巴第 申請人:雷諾卡車公司