专利名称：包括热回收回路的发动机设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有用于回收能量的热回收回路的发动机设备，尤其(但不仅) 是车辆中的发动机设备。
背景技术：
多年以来，人们尝试提高车辆性能，尤其是对燃料消耗有直接影响的发动机效率。
一种常规系统提供了具有热回收回路的发动机设备，该热回收回路用于回收一部 分能量，如果不加以回收，这部分能量将以热量的形式浪费在排气中、浪费在发动机冷却回 路和润滑回路中，等等。这种热回收回路包括兰金回路，在兰金回路中，流体在一个闭合环 路中流动，并根据兰金热动力循环而先后经历以下过程
-工作流体(它在该阶段是液体)被从低压泵压至高压；
-上述高压流体被在发动机设备的另一个回路中流动的热流体蒸发为气体；
-该气体在膨胀器中膨胀；
-最后，该气体冷凝。
结果，用于使热回收流体蒸发的所述热流体的至少一部分热能被在膨胀器中、例 如以机械能、液压能、气动能或电能的形式回收。若不回收，该热能将白白流失。
然而，提供热回收回路涉及布设另外的管线和部件，这需要空间并带来了一定的 成本和重量。
因此，从多个角度来看，发动机设备显然还存在改进空间。发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的发动机设备，该发动机设备包括热回收回路， 该热回收回路能够克服上述这些常规发动机设备中存在的缺陷。
根据本发明，这样的发动机设备包括
-内燃发动机，在该内燃发动机中，至少一种燃烧流体通过至少一个燃烧流体回路 供应到燃烧室，所述燃烧流体回路包括至少一个燃烧流体泵；
-热回收回路，该热回收回路以环路的形式运送流体，使得所述流体至少依次经过 所述泵、蒸发器、膨胀器和冷凝器，该膨胀器能够利用所述流体的膨胀来产生能量；
其特征在于，所述燃烧流体用作热回收回路中的流体，并且，所述燃烧流体泵是也 位于热回收回路中的共用泵，以对热回收回路中的流体进行加压。
因此，在根据本发明的发动机设备中，热回收回路在多数情况下并不包括专用的 泵，在热回收回路中流动的流体由已经用于其它目的的泵(即燃烧流体泵)从低压泵压至 高压。当然，也可以在热回收回路中提供另外的泵，例如用于进一步升高该回路中的流体的 压力水平。因此，由于本发明，能够提供一种包括用于回收能量的热回收回路的发动机设 备该发动机设备所需要的泵比现有技术的上述这些发动机设备中少一个。这产生了更紧 凑、更廉价的发动机设备。
由于节省了驱动一个泵(否则，将需要发动机做功的一部分)，所以，还有助于实 现更好的总体发动机效率。
具体地，所述热回收回路联接到燃烧流体回路，并且，同一流体例如从燃烧流体箱 流动到发动机和热回收回路。因此，所述流体必须既能在发动机的燃烧冲程中发挥其作用， 又能经历热回收循环中的多个连续过程。结果，燃烧流体流流过所述共用泵，然后分流为至 少两个流，其中一个流被引导至燃烧室，另一个流被引导至热回收回路。
根据一实施例，所述发动机设备包括低压燃烧流体泵和高压燃烧流体泵，公用于 燃烧流体回路和热回收回路的所述共用泵是该低压燃烧泵。这尤其适用于所述燃烧流体是 燃料且内燃发动机是直喷发动机(该直喷发动机是诸如柴油机的压燃式发动机或者是火 花点火式发动机)的情形，其中，在低压泵之后的燃料压力可以是大约3-5巴。当然，所述发 动机设备可以包括具有单个燃烧流体泵的燃烧流体回路，该燃烧流体泵就是所述共用泵。
在任何情形中，所述发动机设备均可以具有数个燃烧流体回路，例如用于将两种 或更多种燃料分开地喷射到燃烧室中，或用于喷射燃料和水，或用于喷射燃料和其他类型 的添加剂(例如防爆震剂)。在该情形中，每个燃烧流体管路均可以具有自己的泵，并且这 些泵中的任一个均可以是与所述热回收回路共享的共用泵。
根据进一步的特征，所述热回收回路还可以包括位于所述共用泵和蒸发器之间的 降压装置。这尤其适用于非直喷式火花点火发动机，该非直喷式火花点火发动机被供应有 诸如汽油、乙醇、甲醇、液化石油气、天然气或其混合物等的燃料。在这种发动机中，燃料在 大约30巴的压力下喷射到进气歧管中。由此，燃料泵能够使燃料压力升高到30巴左右。然 后，热回收回路可能需要较低压力以便最佳地运行，因此有必要在热回收回路中提供降压 装置，以将燃料压力例如降低到大约5-10巴。
用作热回收回路中的流体的所述燃烧流体包括如下流体之一或它们的混合物
*诸如甲醇或乙醇的醇；
*选自甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的低碳烷烃；
* 水；
* 二甲醚(DME);
*氨-水溶液。
这些流体已知用作内燃发动机中的燃料、燃料组分或用作另一种燃烧流体组分， 并且用作热回收回路中的流体。
在所述蒸发器中，通过热流体来蒸发在热回收回路中流动的流体，所述热流体可 以选自以下流体
-在发动机下游的冷却剂回路中流动的发动机冷却剂，因此该冷却剂具有较高温 度；
-在发动机设备的排气管线中流动的热排气；
-发动机机油；
-发动机的压缩进气，即压缩机下游的热气体；
-EGR (排气再循环)气体。
例如，所述热回收回路中的膨胀器可以选自涡轮机、涡旋式膨胀器(scroll)、螺杆 式膨胀器(screw)和活塞式膨胀器(piston)。
在本发明的一个实施方案中，热回收回路还可包括位于所述泵下游但在蒸发器上游的加热器，该加热器也称作回热器，所述加热器被设计成通过在膨胀器下游但在冷凝器上游的热回收回路中流动的流体，对进入蒸发器之前在热回收回路中流动的流体进行预加热。实际上，膨胀后的该流体已经失去了热能，但其温度仍高到足以在热回收回路中流动的流体进入膨胀器之前对该流体进行预加热。
所述发动机设备有利地包括如下装置该装置能够把由所述膨胀器中的热回收流体膨胀而产生的能量回收为发动机曲轴上的机械能，回收为电力和/或回收为液压力或气动压力。该机械能能够直接或经由诸如齿轮等的中间零件回收到发动机曲轴上。至于电力， 它能够由与作为所述膨胀器的涡轮机联接的交流发电机产生。该电力可以用在混合动力车辆上(即，由内燃发动机和电动马达驱动的车辆)或用在常规车辆中，以对电池进行充电， 为辅助装置供电等。
根据另一方面，本发明涉及一种车辆，该车辆包括上文描述的发动机设备。
然而，本发明还可以用在其它应用中，例如用在固定式工业系统(诸如驱动固定式发电机的发动机设备)中。
当结合附图来阅读以下描述时，这些及其它特征和优点将变得显而易见，这些附图作为非限制性示例展现了根据本发明的发动机设备的实施例。
当结合附图来阅读时，将能更好地理解以下对本发明数个实施例的详细描述，然而应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例。
图1是根据本发明的发动机设备的第一实施例的示意图2是根据本发明的发动机设备的第二实施例的示意图。
具体实施方式
本发明涉及发动机设备1，附图中示出了该发动机设备I的两个实施例。
发动机设备I包括内燃发动机2，该内燃发动机2可以是柴油机或火花点火式发动机。储存在燃料箱3中的燃料经由供应管线4供给至发动机2，该供应管线4朝着燃料泵5 运送所述燃料，该燃料泵5被设计成将燃料提供给发动机2，在发动机2处，燃料能够直接或间接喷射到燃烧室中。在所示的实施例中，所述燃料泵5包括
-低压燃料泵6，该低压燃料泵6被设计为用于将燃料的压力提高到大约3-5巴， 以及
-在其之后的高压燃料泵7，从低压燃料泵6流出的燃料在连接管线8中被供应至该高压燃料泵7，并且该高压燃料泵7被设计为用于将燃料压力提高至最高200巴、甚至提高至最高3000巴(这取决于具体的应用)。
根据本发明的一个实施例，所述燃料包括乙醇。例如，它可以是纯乙醇，或者是乙醇与汽油或水的混合物，例如15%的汽油和85%的乙醇。其他的适合热回收的燃料(B卩，也能够用作热回收循环中的工作流体的燃料)包括基于低碳烷烃(例如甲烷、乙烷、丙烷或丁烷或其混合物) 的燃料。这种燃料包括广泛使用的燃料，例如天然气、液化石油气(LPG)、，沼气等。
发动机排气然后被收集并由排气管线9运送到大气中，该排气管线9通常包括若 干个气体处理装置或过滤装置(未示出)。
发动机设备I还可以包括冷却剂回路10，该冷却剂回路10运送发动机冷却剂，例 如水基液体。该冷却剂利用泵11而在一个闭合环路中移动。冷却剂进入发动机2以降低 发动机的温度，从而该冷却剂变得较热。然后，在发动机2的下游，冷却剂被朝着散热器12 运送，在散热器12中，冷却剂在再次进入发动机2之前被冷却。
发动机设备I还包括允许一部分能量回收的热回收回路13,在所示的示例中，该 热回收回路13是基于兰金循环的。
兰金回路13形成一个闭合环路，在本实施例中，该闭合环路联接到将燃料运送到 发动机2的上述回路,并将所述燃料作为兰金流体(Rankine fluid)运送。
该燃料从供应管线4进入低压燃料泵6，在该低压燃料泵6中，燃料被加压，然后， 该燃料通过从连接管线8分支出的第一管线15朝着蒸发器14运送。换言之，低压燃料泵 6用作兰金泵(Rankine pump),即，未设有其他专用的泵来泵送所述兰金流体。在供应管线 4中流动的所有燃料均进入低压燃料泵6，但之后仅该燃料的一部分通过高压燃料泵7喷射 到发动机中，而该燃料的另一部分将在兰金回路13中流动。在此，由泵5加压的任何过量 流体可以经由未示出的连接线路返回至燃料箱中。
在蒸发器14中，上述加压燃料被蒸发成气体，该气体然后经由第二管线16朝着膨 胀器17流动。在所示的实施例中，该膨胀器是能够将热气体的能量回收成机械能的涡轮机 17。所述机械能可用在发动机曲轴18上，由联接到涡轮机17的交流发电机(未示出)使用 以产生电力，和/或被泵或压缩机使用以对流体进行循环和/或加压。该电力可以用在混 合动力车辆(即，由内燃发动机和电动机驱动的车辆)或常规车辆中，以对电池进行充电， 为辅助装置供电等。
在涡轮机17的下游，已经膨胀并冷却的气体在第三管线19中朝着冷凝器20流 动，在冷凝器20中，该气体重新变成液体。在发动机设备I应用在车辆上的情形中，所述冷 凝器20通常位于车辆的正面。在冷凝器20的下游，该液体燃料在与来自燃料箱3的稍多 燃料一起进入低压燃料泵6之前、由第四管线21运送，该第四管线21汇合到(comes out into)供应管线4中。替代地，从冷凝器20流出的该兰金流体也可以被引导到燃料箱3中。
现在，将参照图1来描述本发明的第一实施例。
本实施例中，在兰金回路13中流动的燃料在蒸发器14中被发动机2下游的冷却 剂回路10中流动的冷却剂蒸发。实际上，所述冷却剂在经过发动机2时已经被加热，并且 其温度已高到足以蒸发所述燃料。
现在，将参照示出了本发明第二实施例的图2(该图2中未示出所述冷却回路)。
本实施例中，在兰金回路13中流动的燃料在蒸发器14中被排气管线9中流动的 热排气蒸发。
此外，在兰金回路13中、在泵6下游但在蒸发器14上游设置有加热器22，以便在 兰金回路13中流动的燃料进入蒸发器14之前对该燃料进行预加热。该燃料由在兰金回路 13的第三管线19(即，在涡轮机17下游但在冷凝器20上游)中流动的燃料预加热。
当然，本发明不限于上文作为非限制性示例描述的实施例，相反，本发明应包括其 所有实施例。
燃料并非在本发明的上下文中所构思出的、唯一能够用于热回收循环并在燃烧过 程中用于喷射的燃烧流体。实际上，在其它的发动机设备中，不仅仅是燃料或者不仅仅一种 燃料被喷射到燃烧室中。也可以是其它的燃烧流体，即，应喷射到内燃发动机的燃烧室中、 不与燃料预混合且因此具有配备有泵的专用流体回路的流体。必须注意的是，这些燃料流 体不必同时喷射到燃烧室中。而且，每种流体均可直接或间接喷射到燃料室中。
例如，该燃料流体可以包括适于或不适于热回收的燃料、以及水，其中，水用在燃 烧/膨胀冲程中，以受益于由燃料燃烧产生的热量而蒸发并提供更进一步的膨胀，和/或减 少未经处理的发动机排放。在这种情况下，水还能用在热回收循环中，并且，共用泵将对水 流进行加压，用于喷射到燃烧室中并用于在热回收回路中循环。替代地，如上文的示例中， 如果燃料适合于热回收，例如是基于甲醇或乙醇的燃料，则该燃料可用在热回收循环中以 代替水。
在另一个示例中，已知的是，使用诸如二甲醚(DME)的燃料或氨-水溶液来运行内 燃发动机，它们均适合于热回收循环，因此将允许实施本发明。另一个示例是双燃料发动机 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诸如汽油或柴油燃料 的第二燃料被分开地喷射到压燃式发动机的燃烧室中。在这种情况下，该第一燃料可适合 于热回收，从而，用于该第一燃料的共用泵也可以能够用来泵送。
所述热回收回路也可基于与兰金循环不同的循环，该循环可以源自兰金循环， 例如卡利那循环(Kalina cycle)或超临界兰金循环(supercritical Rankine cycle), 或者是与兰金循环完全不同的循环，例如布雷登循环(Brayton cycle)或埃里克森循环 (Ericsson cycle)0
权利要求
1.一种发动机设备，包括 -内燃发动机(2)，在所述内燃发动机(2)中，至少一种燃烧流体通过至少一个燃烧流体回路供应到燃烧室，所述燃烧流体回路包括至少一个燃烧流体泵(6)； -热回收回路(13)，所述热回收回路(13)以环路的形式运送流体，使得所述流体至少依次经过所述泵￠)、蒸发器(14)和膨胀器(17)，所述膨胀器(17)能够利用所述流体的膨胀来产生能量； 其特征在于，所述燃烧流体用作所述热回收回路中的流体，并且，所述燃烧流体泵是也位于所述热回收回路中的共用泵，以对所述热回收回路中的流体进行加压。
2.根据权利要求1所述的发动机设备，其特征在于，所述燃烧流体回路包括低压燃烧流体泵(6)和高压燃烧流体泵(7)，所述共用泵是所述低压燃烧流体泵(6)。
3.根据权利要求1或2所述的发动机设备，其特征在于，所述热回收回路(13)还包括位于所述共用泵(6)和所述蒸发器(14)之间的降压装置。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的发动机设备，其特征在于，用作所述热回收回路(13)中的流体的所述燃烧流体包括如下流体之一或它们的混合物 *诸如甲醇或乙醇的醇； *选自甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的低碳烷烃； *水； * 二甲醚(DME)； *氨-水溶液。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的发动机设备，其特征在于，在所述蒸发器(14)中,通过热流体来蒸发在所述热回收回路(13)中流动的流体,所述热流体选自以下流体 -在所述发动机(2)下游的冷却剂回路(10)中流动的发动机冷却剂； -在所述发动机设备(I)的排气管线(9)中流动的热排气； -发动机机油； -所述发动机的压缩进气； -EGR (排气再循环)气体。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的发动机设备，其特征在于，所述热回收回路(13)中的所述膨胀器(17)选自涡轮机、涡旋式膨胀器、螺杆式膨胀器和活塞式膨胀器。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的发动机设备，其特征在于，所述热回收回路(13)还包括位于所述泵(6)下游但在所述蒸发器(14)上游的加热器(22)，所述加热器(22)被设计成通过在所述膨胀器(17)下游但在所述冷凝器(20)上游的所述热回收回路(13)中流动的流体，对进入所述蒸发器(14)之前在所述热回收回路(13)中流动的流体进行预加热。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的发动机设备，其特征在于，所述发动机设备包括如下装置所述装置能够把由所述膨胀器(17)中的热回收流体膨胀而产生的能量回收为发动机曲轴(18)上的机械能，回收为电力和/或回收为液压力或气动压力。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的发动机设备，其特征在于，所述热回收回路还包括位于所述膨胀器(17)下游但在所述泵(6)上游的冷凝器(20)。
10.—种车辆，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求1至9中的任一项所述的发动机设备(I)。
全文摘要
一种发动机设备(1)，包括内燃发动机(2)，借助于至少一个燃料泵(6)向该内燃发动机(2)供给燃料；热回收回路(13)，该热回收回路(13)以环路的形式运送流体，使得流体依次经过所述流体泵(6)、蒸发器(14)和膨胀器(17)，该膨胀器(17)能够利用所述流体的膨胀来产生能量。
文档编号F22B1/18GK103003532SQ201080067759
公开日2013年3月27日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者伯诺伊特·伦巴第 申请人:雷诺卡车公司