專利名稱：用于內燃發動機的能量回收系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機設備，例如用于機動車輛(尤其是工業車輛)的發動機設備。更具體地，本發明涉及用于這種發動機設備的能量回收系統。
背景技術：
多年來，已經嘗試著提高車輛的效率，尤其是發動機設備的效率，它對燃料消耗有直接影響。在具有高速度、高溫度的排氣中含有大量能量，且尤其在柴油發動機的情況下，所述排氣包含由發動機內的不完全燃燒過程導致的微粒。為了回收此能量的至少一部分，已經設計出若干個系統。然而，這些系統通常僅能夠利用前述能量源中的一種。此外，它們會產生不希望的副作用，例如排氣管線內的背壓增加，這對于總的發動機效率來說是不利的。此外，大多數時間，過濾器都設置為截留和/或氧化所述微粒。為使該過濾器再生，常規的解決方法是使用另外的熱源或能量源來氧化這些微粒。結果，已知的發動機白白地消耗了微粒的能含量。此外，另外的熱源或能量源未被回收，這使得總體的能量平衡更差。因此，從多個觀點來看，似乎都存在著對發動機設備進行改進的空間。
發明內容
本發明的目的是提供一種改進的發動機設備，它能夠克服在常規發動機設備中遇到的缺點。本發明的另一個目的是提供一種用于發動機設備的能量回收系統，該發動機設備包括更好地利用排氣中含有的能量的內燃發動機。根據本發明，這樣的能量回收系統包括-主管線，所述主管線具有能夠從發動機的排氣歧管收集排氣的排氣管線；-主過濾器，所述主過濾器具有有效部分和過濾器移位裝置，所述有效部分插入在排氣管線的兩個連續部分之間以保持所述排氣內含有的微粒，所述過濾器移位裝置被設計為使所述主過濾器移位，以便轉換所述主過濾器的有效部分；-次級管線，所述次級管線能夠把進氣沿著與所述主過濾器內的排氣流動方向大致相反的方向朝著所述主過濾器的不同于所述有效部分的區域運送，以將微粒從主過濾器吹走并將該微粒在所述次級管線內在主過濾器下游釋放；此外，所述次級管線與主管線不同，并且包括第一裝置，該第一裝置位于所述主過濾器下游，用于氧化所述微粒并由此加熱在所述次級管線內流動的空氣；以及第二裝置， 該第二裝置能夠將所述熱量回收為功。因此，本發明利用在主管線的微粒內含有的能量來生成能夠用于車輛的多種元件的運轉的能量。此外，還能夠使用根據本發明的系統來實現能量回收和過濾器清潔。
具體而言，本發明提供了次級管線，該次級管線與主管線不同，且尤其與將進氣朝向發動機進氣歧管運送的進氣管線不同。所述次級管線運送空氣(例如環境空氣)，所述空氣經歷了熱力學循環的一系列熱力學過程，從而能夠從在主管線內被過濾的微粒回收能量。因為主過濾器由于其移動(例如旋轉移動)且由于次級管線的逆流而被定期清潔 (以及，例如被連續清潔)，所以主過濾器能夠具有更小的厚度或更小的體積。這兩個因素的結果是降低了主排氣管線上的背壓。因此，本發明提高了車輛效率，且降低了車輛的燃料消耗。在本發明的實施方案中，該第一裝置包括次級過濾器，該次級過濾器適于截留微粒；以及加熱裝置，該加熱裝置能夠促進被保持在所述次級過濾器內的微粒的氧化。因為次級管線內的流量較低，所以該次級過濾器相對于主過濾器可以具有減小的尺寸，這是有利的。此過濾器能夠連續或定期地通過被稱為“再生”的過程而得到清潔，并且在大多數情況中，所述過程涉及加熱裝置。在高的再生頻率的情況下，所述次級管線內的背壓保持為低背壓。在有利的方式中，在現有技術中存在于主管線內的背壓至少部分地傳遞到次級管線，其中，由于根據本發明的系統，所述背壓不會干擾內燃發動機的運行。例如，該加熱裝置包括電加熱器或燃料噴射器。因此，微粒能夠儲存在次級管線內且定期地通過另外的外部能量而燃燒。但此能量能夠至少部分地通過所述第二裝置來回收。根據本發明的實施例，該第二裝置包括位于第一裝置下游的渦輪機，且也可以包括在次級管線上位于主過濾器上游的壓縮機，所述壓縮機由渦輪機驅動。因此，次級管線根據布雷頓循環工作。然而，也可以使用其它合適的熱力學循環。 優選地，當存在次級過濾器時，渦輪機可以由該次級過濾器保護。在有利的方式中，所述系統還包括燃料燃燒加熱器，該燃料燃燒加熱器布置成在渦輪機上游進一步加熱在所述次級管線內流動的空氣，以提供額外能量。此燃料燃燒加熱器可以與所述加熱裝置相同，或者可以是單獨的裝置。所述系統也可以包括控制單元，該控制單元被設計為控制燃料燃燒加熱器的運行以開啟或關閉該燃料燃燒加熱器，和/或控制由該燃料燃燒加熱器生成的熱量大小。燃料燃燒加熱器的用途是在需要的時候對布雷頓循環系統內(即次級管線內)的氣流進一步加熱，以便能夠從該系統回收更多能量(由于渦輪機內的氣體膨脹)，而這僅僅在使用通過排氣換熱器和可能的EGR換熱器回收的熱量時才是可能的。通過燃料的燃燒， 提供了此額外的熱量，從而該布雷頓循環系統可作為氣體渦輪發動機運行。因此，車輛能夠裝配有縮小尺寸的內燃發動機，該內燃發動機能夠降低燃料消耗和廢氣排放，這能夠依賴于由燃料燃燒加熱器提供的額外的動力容量，以應對峰值運行條件，例如加速階段或陡峭道路。由于所述燃料燃燒加熱器而由渦輪機生成的額外的機械能能夠用于產生電力。替代地，變速器裝置能夠將渦輪機連接到車輛傳動系，以將由渦輪機提取的功傳遞給內燃發動機。該燃料燃燒加熱器能夠包括燃燒室，在燃燒室中，燃料添加到被加壓和加熱的空氣中并燃燒。作為替代，該燃料燃燒加熱器可以是布置在次級管線內的簡單的燃燒器。還能夠具有如下燃料燃燒加熱器，其中，燃燒過程在次級管線之外且燃燒生成的熱量通過換熱器傳遞給在次級管線內流動的氣體。在所有情況中，燃料都能夠由車輛燃料回路適當地提供。所述系統可以還包括交流發電機，該交流發電機被設計為利用由渦輪機生成的機械能來產生電力。該電力能夠用在混合動力車輛(即由內燃發動機和電動機驅動的車輛) 內或者用在常規車輛內，以向電池充電、驅動輔助設備等。優選地，所述系統也包括在排氣管線和次級管線之間的換熱器。通過此布置結構， 在次級管線內流動的空氣具有更高的溫度(因為熱的排氣)，因此能夠使用第二裝置來回收更多的能量。當然，在上述布雷頓循環的情況中，所述換熱器必須在次級管線上位于渦輪機上游。例如，所述換熱器能夠在次級管線上位于主過濾器上游。在有利的方式中，換熱器在排氣管線上位于主過濾器下游，使得換熱器受到過濾器保護，從而不會阻塞。還構思了 所述過濾器移位裝置包括過濾通道，所述過濾通道沿著相對于排氣流動方向和/或相對于在次級管線內的進氣逆流而傾斜的傾斜方向布置在主過濾器內。當氣體在所述管線內流動時，這樣的被動布置使得主過濾器旋轉。替代地，該過濾器能夠通過電動機而旋轉，所述電動機優選通過由第二裝置生成的電力驅動。收拾系統能夠還包括用于處理來自排氣管線的排氣和/或來自次級管線的排氣的裝置。這樣的裝置能夠執行選擇性催化還原，用于處理氮氧化物(NOx)。本發明也涉及裝配有前述系統的內燃發動機。當考慮附在以下描述之后的附圖來閱讀時，這些及其它優點將變得顯而易見，這些附圖作為非限制性示例，代表著根據本發明的車輛的實施例。
當結合附圖來閱讀時，將能更好地理解本發明實施例的以下詳細描述，然而，應當理解，本發明不限于所公開的具體實施例。在各圖中圖1是根據本發明的、包括能量回收系統的內燃發動機的示意圖；圖2是用于根據本發明的系統的、主過濾器的示意性正視圖；圖3是圖2的主過濾器的示意性截面圖。
具體實施例方式如圖1中所描繪的，內燃發動機通常包括發動機缸體1，該發動機缸體1限定了多個氣缸2，即，圖示的實施例中的六個氣缸。該發動機例如是柴油發動機。然而，本發明也可涉及需要微粒過濾器來滿足目前或未來的法規限制的、任何類型的內燃發動機。進氣通過進氣管線3被朝向進氣歧管運送，該進氣歧管對氣缸2供氣。進氣管線 3能夠包括壓縮機4和位于所述壓縮機4下游的進氣冷卻器5。在每個氣缸2內形成的排氣由排氣歧管收集，然后通過排氣管線6被朝向大氣運送。排氣管線6能夠適當地包括由排氣驅動的渦輪機7，所述渦輪機7通過軸8以機械方式連接到壓縮機4。進氣管線3和排氣管線6限定了根據本發明的能量回收系統10的主管線9。
排氣管線6還裝配有主過濾器11，在圖2和圖3中更具體地圖示了該主過濾器11。 必須注意，所述過濾器對微粒執行機械過濾。根據本發明，該主過濾器是如下類型的其中在給定的時刻，僅該過濾器的一部分是有效的。在隨后的時刻，該過濾器的另一個部分變成有效的。在進一步的步驟中，通過排出在先前的有效部分有效時該部分已經收集到的微粒，該先前的有效部分得到清潔。當然， 在更進一步的步驟中，一旦已將該部分的微粒排出，則該部分就能夠再次變成有效的。例如，在文獻FR 2688266或FR 2589194中描述了這樣的過濾器的多種實施例。在附圖所示的實施例中，主過濾器11非常類似于在文獻FR 2688266中描述的過濾器。該主過濾器11是大致盤形的，且包括-外周部分12和中心部分13，二者形成了所述主過濾器11的支承結構。這些部分12、13能夠由金屬或陶瓷制成，陶瓷的優點是導熱性低；-具有環形形狀的中間過濾部分14，所述中間過濾部分14位于所述外周部分12 和所述中心部分13之間，且嵌入在所述支承結構中。過濾材料可以是陶瓷、纖維基材料或耐熱金屬。在本發明的改進的實施例中，過濾部分14包括過濾通道15(見圖幻，所述過濾通道15布置在相對于方向FD傾斜的方向上，所述方向FD垂直于所述過濾器11的正中面。主過濾器11布置為大致垂直于排氣管線6，即垂直于排氣的流動方向FD。排氣管線6面向過濾部分14，且排氣管線6的橫截面優選最多等于所述過濾部分14的表面積的一半。在圖2所示的實施例中，排氣管線6為圓柱體，其直徑大約是主過濾器直徑的四分之一。替代地，排氣管線6能夠大致成形為半月形，該半月形在環形過濾部分14的直徑的一側覆蓋了環形過濾部分14的一半。最后，排氣管線6包括位于主過濾器11下游的換熱器16。能量回收系統10也包括與主管線9不同的次級管線17，空氣在所述次級管線17 內流動且經歷一系列熱力學過程。在所描繪的實施例中，這些熱力學過程形成布雷頓熱力學循環。環境空氣首先在壓縮機18內被壓縮，然后它經過換熱器16，在所述換熱器16處， 環境空氣被熱的排氣加熱，且大致沿著與排氣的流動方向FD平行但與該流動方向FD相反的方向通過主過濾器11。次級管線17面向主過濾器11的過濾部分14。優選地，在主管線11附近，次級管線17具有與排氣管線6相同的形狀，且次級管線17的位置與排氣管線6的位置關于主過濾器的軸線19對稱。在圖2所示的實施例中，次級管線17為圓柱體，其直徑大約是主過濾器直徑的四分之一。替代地，次級管線17能夠成形為大致半月形，該半月形在環形過濾部分14的直徑的一側覆蓋了環形過濾部分14的一半。在此情況中，排氣管線6和次級管線 17匹配于主過濾器11的圓形幾何形狀，且大致覆蓋了過濾部分14的整個表面積。在本發明的改進的實施例中，因為過濾通道15相對于排氣的流動方向FD且相對于次級管線17內的空氣的流動方向傾斜地定向，所以使主過濾器11繞其軸線19旋轉。結果，被保持在主過濾器11中的、排氣內含有的微粒被空氣逆流吹走并釋放在次級管線17 內。因此，主過濾器11基本被連續清潔。為了監測主過濾器11的良好運行，可以向系統10添加角速度傳感器和/或壓差傳感器。
7
實質上，該主過濾器不是如下類型的其中微粒被過濾(即以機械方式截留)并然后被氧化。該主過濾器是如下類型的其中，微粒在一個位置被收集并在另一個位置排出。 在此，通過空氣經由過濾器的反向流動來實現排出過程。在所描述的實施例中，該過濾器是旋轉型的，且該過濾器連續移動。然而，也能夠設置等價的如下過濾器其中，所述移動不是連續的，而是相繼的，并且/或過濾部分以另一種方式從有效過濾位置移動到排放位置，如在文獻FR 2589194中描述的。另外，可以假設僅利用通過該過濾器的空氣的反向流動可能不足以移除足夠多的微粒。因此，這可以通過另外的移除裝置(例如刮板裝置)來輔助， 以將盡可能多的微粒釋放到次級管線內。在主過濾器11下游，含有微粒的空氣在次級管線17內朝向適于截留所述微粒的次級過濾器20流動。系統10還包括加熱裝置21，該加熱裝置21能夠促進被保持在所述次級過濾器20內的微粒的氧化，以清潔所述過濾器。例如，加熱裝置21能夠包括電加熱器或燃料噴射器，當需要清潔次級過濾器20時，該電加熱器或燃料噴射器可定期運行。加熱裝置21也具有如下功能在流動于次級管線17中的更多空氣到達渦輪機22之前，對該空氣進行加熱，在該渦輪機22處，所述空氣膨脹，因此將由該氣體傳送的能量轉化為機械能。渦輪機22通過軸23以機械方式連接到壓縮機18。由于暖空氣膨脹而產生的能量被回收為所述軸23上的機械能。所述能量部分地用于使壓縮機18運轉。在本發明的進一步改進的實施例中，所述能量也能夠用于通過交流發電機M產生電力。此電力能夠用于車輛的多種元件中。系統10也可以包括用于進一步處理來自排氣管線6和/或來自次級管線17的排氣的裝置(未示出)。在柴油發動機的情形中，該裝置(未示出)例如可以是用于還原排氣的氮氧化物成分的SCR催化劑。優選地，應該盡可能避免從排氣管線6朝向次級管線17的氣體泄漏，但不必必須排除，因為所述次級管線17包括次級過濾器20。以一種有利的方式，主過濾器11被包含在殼體內，從而避免了向環境的任何泄漏。本發明的顯著優點如下-所損失的排氣能量的至少一部分通過次級管線被回收以生成能量，該次級管線布置為布雷頓循環或類似的熱力學循環。這通過如下方式來實現即，通過回收經過換熱器的發動機排氣的熱量的一部分，以及通過回收未燃燒微粒內含有的且利用所述微粒的氧化而潛在地釋放的能量的一部分來實現；-利用設置在次級管線內的渦輪機來至少部分地回收所述加熱裝置使用的、清潔該次級過濾器所需的額外能量；-通過換熱器和被截留在次級過濾器內的微粒的氧化，提高了布雷頓循環的效率；-系統在主管線內產生了很小的背壓，因為主過濾器由于被連續清潔而不需要體積大或較厚；背壓被傳遞給次級管線；-利用上述布置結構，不需要能量來使主過濾器旋轉；-發動機效率能夠增加至4%；因此能夠降低燃料消耗。當然，本發明不限于以上通過非限制性示例描述的實施例，相反，它包括本發明的所有實施例。
權利要求
1.一種用于內燃發動機的能量回收系統，所述系統包括主管線(9)，所述主管線(9)具有排氣管線(6)，所述排氣管線(6)能夠從所述發動機的排氣歧管收集排氣；主過濾器(11)，所述主過濾器(11)具有有效部分和過濾器移位裝置，所述有效部分插入在所述排氣管線(6)的兩個連續部分之間以保持所述排氣內含有的微粒，所述過濾器移位裝置被設計為使所述主過濾器(11)移位，以便轉換所述主過濾器(11)的有效部分；次級管線(17)，所述次級管線(17)能夠把進氣沿著與所述主過濾器(11)內的排氣流動方向(FD)大致相反的方向朝著所述主過濾器(11)的不同于所述有效部分的區域運送， 以將所述微粒從所述主過濾器(11)吹走并將所述微粒在所述次級管線(17)內在所述主過濾器(11)下游釋放；其特征在于，所述次級管線(17)與所述主管線(9)不同，并且所述次級管線(17)包括第一裝置00、21)，所述第一裝置(20、21)位于所述主過濾器(11)下游，用于氧化所述微粒并由此加熱在所述次級管線(17)內流動的空氣；以及第二裝置(18、22)，所述第二裝置(18、22)能夠將熱量回收為功。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第一裝置包括次級過濾器(20)，所述次級過濾器00)適于截留所述微粒；以及加熱裝置(21)，所述加熱裝置能夠促進被保持在所述次級過濾器OO)中的所述微粒的氧化。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述加熱裝置包括電加熱器或燃料噴射器。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的系統，其特征在于，所述第二裝置包括位于所述第一裝置O0、21)下游的渦輪機02)。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述第二裝置包括在所述次級管線(17) 上位于所述主過濾器(11)上游的壓縮機(18)，所述壓縮機由所述渦輪機0 驅動。
6.根據權利要求4或5所述的系統，其特征在于，所述系統還包括燃料燃燒加熱器 (21)，所述燃料燃燒加熱器布置為在所述渦輪機0 上游進一步加熱在所述次級管線(17)內流動的空氣，以提供額外的能量。
7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述系統包括控制單元，所述控制單元被設計為控制所述燃料燃燒加熱器的運行來開啟或關閉所述燃料燃燒加熱器(21)，和/ 或控制由所述燃料燃燒加熱器生成的熱量大小。
8.根據權利要求4至7中的任一項所述的系統，其特征在于，所述系統還包括交流發電機(M)，所述交流發電機04)被設計為利用由所述渦輪機0 生成的機械能來產生電力。
9.根據權利要求1至8中的任一項所述的系統，其特征在于，所述系統也包括換熱器 (16)，所述換熱器(16)位于所述排氣管線(6)和所述次級管線(17)之間。
10.根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述換熱器(16)在所述排氣管線(6)上位于所述主過濾器(11)下游。
11.根據權利要求1至10中的任一項所述的系統，其特征在于，所述過濾器移位裝置包括過濾通道(15)，所述過濾通道(1 沿著相對于所述排氣流動(FD)和/或相對于在所述次級管線(17)內的進氣逆流而傾斜的傾斜方向布置在所述主過濾器(11)內。
12.根據權利要求1至11中的任一項所述的系統，其特征在于，所述系統還包括用于處理來自所述排氣管線(6)的排氣和/或來自所述次級管線(17)的排氣的裝置。
13.一種內燃發動機，其特征在于，所述內燃發動機包括根據權利要求1至12中的任一項所述的系統(10)。
全文摘要
系統(10)包括排氣管線(6)，其從發動機收集排氣；過濾器(11)，其具有有效部分和過濾器旋轉裝置，所述有效部分插入在排氣管線的兩個連續部分之間以保持所述排氣內含有的微粒，所述過濾器旋轉裝置被設計為使所述過濾器旋轉，以便轉換所述過濾器的有效部分；次級管線(17)，其把進氣沿著與所述過濾器內的排氣流動方向相反的方向朝著所述過濾器的不同于所述有效部分的區域運送，以將微粒從過濾器吹走并將它們在所述次級管線內在下游釋放。所述次級管線(17)包括第一裝置(20、21)，其位于所述過濾器(11)下游，用于使微粒燃燒并由此加熱在所述次級管線內流動的空氣；以及第二裝置(18、22)，其能夠將所述熱量回收為功。
文檔編號F01N3/021GK102165173SQ200880131294
公開日2011年8月24日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者利亞德·巴盧爾, 米歇爾·萬沃爾塞姆, 馬克·勒瓊 申請人:雷諾卡車公司