專利名稱：尤其用于機動車輛的動力總成的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括內燃發(fā)動機的類型的、尤其用于機動車輛的動力總成。
背景技術：
在當今的經濟活動中，對能源的需求不斷擴大，而同時，能源(諸如燃料等的化石能源或者諸如生物燃料等的非化石能源)正變得更稀缺，因此也變得更昂貴。機動車輛、尤其是工業(yè)車輛依賴于使用燃料作為能量源的內燃發(fā)動機。因此，使內燃發(fā)動機盡可能高效是很重要的。提高機動車輛總體效率的選擇之一可以包括使用容量更小的發(fā)動機。發(fā)動機小型化已經證明在許多方面是有益的，例如燃料消耗和廢氣排放方面。發(fā)動機小型化是一種具有許多益處的可行選擇；然而，其局限性在于當應對非正常的苛刻運行環(huán)境(例如加速階段或陡斜道路)時，車輛可能會動力不足，即使所述苛刻運行環(huán)境可能僅占車輛運行壽命的一小部分。這就是為什么機動車輛被設計得超過正常運行條件的原因。
發(fā)明內容
在此技術方面，本發(fā)明的目的是提供一種尤其用于機動車輛的動力總成，該動力總成具有內燃發(fā)動機，該內燃發(fā)動機能夠包括額外動力容量，以應對峰值運行條件。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有內燃發(fā)動機的動力總成，其中，額外的動力源與內燃發(fā)動機有效地組合。通過一種尤其用于機動車輛的動力總成來實現這些及其它目的，該動力總成包括具有進氣管線和排氣管線的主內燃發(fā)動機。根據本發(fā)明，所述動力總成還包括能夠向主內燃發(fā)動機提供額外動力的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)；所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)包括氣體壓縮機、燃料燃燒加熱器、以及與該壓縮機聯(lián)結的渦輪機，因而1)空氣被吸入到壓縮機中，在所述壓縮機中，空氣被加壓；2)加壓后的該空氣由于流過至少一個換熱器而被進一步加熱，在所述至少一個換熱器處，加壓后的該空氣與來自主內燃發(fā)動機的排氣進行熱交換；幻被加熱和加壓后的該空氣由燃料燃燒加熱器進一步加熱，并且4)然后通過渦輪機而膨脹，在所述渦輪機處，由渦輪機提取的功的第一部分用于驅動所述壓縮機，而由渦輪機提取的該功的第二部分用于提供額外的能量。根據本發(fā)明的動力總成包括與布雷頓循環(huán)系統(tǒng)組合的內燃發(fā)動機，所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)能夠提供額外的能量以滿足峰值運行需求。布雷頓循環(huán)系統(tǒng)根據已知的循環(huán)運行， 所述循環(huán)包括如下四個階段1)壓縮，幻供熱，；3)膨脹，4)排熱。通過將布雷頓循環(huán)系統(tǒng)合并在內燃發(fā)動機中，本發(fā)明使得在常規(guī)內燃發(fā)動機中被浪費的一些能量得到明顯有效的利用。在常規(guī)內燃發(fā)動機中，在燃燒中釋放的熱量大部分被浪費掉。布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的總體效率通過如下事實得以改進，即加壓空氣不僅由于流過壓縮機而被加熱，而且由于流過一個或多個換熱器而被加熱，在所述換熱器處，具有熱形式的另外能量被添加到加壓空氣。
本發(fā)明的另外的有益方面在于布雷頓循環(huán)系統(tǒng)不需要另外的冷卻容量。替代地， 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)利用在燃燒過程中釋放的一些熱量。因此，根據本發(fā)明的動力總成顯示了對于機動車輛、尤其是對于工業(yè)車輛的顯著益處，只要該車輛能夠裝配有小型化的內燃發(fā)動機，該內燃發(fā)動機能夠依賴于由布雷頓循環(huán)系統(tǒng)提供的額外的動力容量，由布雷頓循環(huán)系統(tǒng)提供的額外的動力容量(i)使得有效利用了通常在內燃發(fā)動機中被浪費的能量，并且(ii)在車輛總體結構方便引起有限的變動，因為所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)不需要另外的冷卻容量。在本發(fā)明的實施例中，排氣管線設置有換熱器，在所述換熱器處，來自內燃發(fā)動機排氣的具有熱量形式的能量被傳遞給在布雷頓系統(tǒng)內流動的加壓空氣。排氣管線內的換熱器可布置在污染控制裝置的上游，特別是在裝置包括SCR催化轉化器的情況下，或者布置在所述裝置的下游，特別是在包括柴油微粒過濾器(DPF)的裝置的情況下。在本發(fā)明的另一個實施例中，內燃發(fā)動機包括EGR管線，該EGR管將排氣的一部分再循環(huán)回到發(fā)動機氣缸，所述EGR管線具有EGR換熱器，在所述EGR換熱器處，來自EGR氣體的熱被傳遞給在布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中流動的加壓空氣。在本發(fā)明的此實施例中，加壓空氣能夠受益于通常處于高溫下的EGR氣體的熱。額外的動力容量能夠方便地通過機電裝置獲得，該機電裝置能夠將機械功轉化為電能，且該機電裝置連接到渦輪機。另外，由通過機電裝置提取的額外能量驅動的電動機能夠連接到車輛傳動系。根據另外的實施例，變速器裝置能夠將渦輪機連接到車輛傳動系，以將渦輪機提取的所述功傳遞給內燃發(fā)動機。該動力總成能夠包括控制單元，所述控制單元能夠根據車輛運行參數來控制布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的運行。在運行期間，該控制單元控制燃料燃燒加熱器的運行，以開啟或關閉燃料燃燒加熱器和/或控制由燃料燃燒加熱器生成的熱量的大小。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，加熱的空氣和在燃料燃燒加熱器內產生的燃燒產物流過位于渦輪機下游的污染控制部件。應注意的是內燃發(fā)動機能夠相配地裝配有渦輪增壓器。為遵守排放法規(guī)，加熱的空氣和在燃燒器內產生的燃燒產物流過位于渦輪機下游的污染控制部件。根據本發(fā)明的動力總成涉及能夠裝配有渦輪增壓器的內燃發(fā)動機和/或內燃發(fā)動機為柴油發(fā)動機。
當結合附圖閱讀時，將更好地理解以下對本發(fā)明實施例的詳細描述，然而，應當理解，本發(fā)明不限于所公開的實施例。在各圖中圖1是常規(guī)的內燃發(fā)動機的示意圖2示意性地示出了根據本發(fā)明的內燃發(fā)動機的實施例。
具體實施例方式圖1示出了常規(guī)的內燃發(fā)動機2。應當認識到，圖1是內燃發(fā)動機的示意性表示， 且為了以下描述的清晰性起見，許多細節(jié)已經省略。該內燃發(fā)動機包括發(fā)動機缸體3，該發(fā)動機缸體3具有多個氣缸。進氣被通過進氣管線4運送，該進氣管線4對發(fā)動機氣缸供氣。內燃發(fā)動機2通常能夠包括至少一個渦輪增壓器，該渦輪增壓器合并了渦輪機5 和壓縮機7，該渦輪機5位于排氣管線6上，該壓縮機7聯(lián)結到渦輪機5，并位于進氣管線4 上。增壓空氣冷卻器8能夠位于壓縮機7下游。在每個氣缸內生成的排氣由排氣歧管9收集，該排氣歧管9例如布置為兩個半體。 與排氣歧管9連接的排氣管線6將氣體(排氣)的一部分通過渦輪增壓器的渦輪機5朝向大氣運送。排氣管線6能夠設置有污染控制裝置10，例如柴油微粒過濾器(DPF)和/或 SCR催化轉化器。該氣體(EGR氣體)的另一部分能夠通過EGR回路11被運送到進氣管線 4內。EGR回路11能夠設置有EGR冷卻器12。因此，排氣與燃料及新鮮空氣一起被引入到發(fā)動機氣缸內，從而實現降低進氣混合物的氧濃度的效果。這最終減少了在發(fā)動機氣缸內燃燒期間NOx的形成。如圖1所示，內燃發(fā)動機2具有設定的容量。換言之，圖示的內燃發(fā)動機具有設定的排量；渦輪增壓器具有設定的尺寸；因此，內燃發(fā)動機2具有固定的動力輸出，所述動力輸出不能擴展以應對峰值動力需求。根據本發(fā)明的動力總成1的實施例在圖2中示出，且動力總成1還包括另外的用于雙重目的的系統(tǒng)，所述雙重目的為從主發(fā)動機排氣回收否則將排放到大氣中的熱量; 以及，當動力需求超過主發(fā)動機在良好條件下能夠供給的動力需求時，也提供額外的動力裝置。在所圖示的本發(fā)明實施例中，內燃發(fā)動機2與布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15相組合，所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15能夠提供額外容量，同時使在常規(guī)內燃發(fā)動機中通常被浪費的一些能量得到有效利用。布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15包括氣體回路，在該氣體回路中，氣體流過三個主要部件，即壓縮機16、燃料燃燒加熱器17和渦輪機18。壓縮機16和渦輪機18機械聯(lián)結在共用的軸上。因此，該布雷頓循環(huán)系統(tǒng)作為氣體渦輪發(fā)動機運行。在所示出的圖2的實施例中，諸如交流發(fā)電機或發(fā)電機等的機電裝置19也聯(lián)結在此軸上，如圖2中可見。該布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的氣體回路能夠適當地包括管道21，該管道21在過濾裝置下游從進氣管線4分支開，但在所示的實施例中，該管道21在渦輪機7上游從進氣管線4分支開。這具有如下優(yōu)點利用了進氣管線4的空氣過濾裝置，但所述壓縮機能夠由專用的進氣部件供給。管道21首先通向壓縮機16，在壓縮機16中，空氣能夠被壓縮。管道21中的(通過壓縮)被加壓和加熱的空氣能夠通過流過一個或兩個換熱器而被進一步加熱。
如圖2中可見，主內燃發(fā)動機2能夠適當地設置有排氣換熱器23，所述排氣換熱器 23位于排氣管線上。來自壓縮機16的加壓空氣被管道21引導到排氣換熱器，在所述排氣換熱器處，所述加壓空氣通過來自主發(fā)動機2的排氣的熱傳遞而被進一步加熱。在示出的實施例中，該排氣換熱器在排氣管線6中布置在所述污染控制裝置的上游。在一些情況中， 能夠有利的是，將該換熱器布置在污染控制裝置的下游。在該污染控制裝置包括DPF和SCR 催化轉化器的情況中，可能有利的是，將換熱器23布置在DPF下游和SCR催化轉化器上游。另外，作為排氣換熱器23的補充或替代，本發(fā)明的動力總成還能夠包括第二換熱器24，即位于在EGR回路11上的EGR換熱器。因此，來自排氣換熱器23的加壓空氣能夠在 EGR換熱器M內流動的同時接收到另外的熱量?？梢宰⒁獾降氖牵捎贓GR氣體從發(fā)動機氣缸中直接流出，所以該EGR氣體處于高溫下。EGR換熱器M對于該EGR氣體具有有益的影響，因為EGR氣體必須在進入發(fā)動機氣缸之前被冷卻，從而在一些情況中或至少在一些運行條件下，EGR冷卻器12能夠被抑制或小型化，或者部分地或完全地旁通。在通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)冷卻EGR冷卻器的情況下，這降低了冷卻系統(tǒng)的負擔，從而能夠降低該冷卻系統(tǒng)的容量。在行進通過排氣換熱器23和/或流過EGR換熱器M之后，被加壓和加熱的氣體被引導通過燃料燃燒加熱器。該燃料燃燒加熱器的用途是在需要時進一步加熱該布雷頓循環(huán)系統(tǒng)內的氣體流，以便能夠從該系統(tǒng)獲取更多能量，而這僅在使用通過排氣換熱器和/ 或EGR換熱器回收的回收熱時才是可能的。通過燃料的燃燒提供該額外的熱，從而該布雷頓循環(huán)系統(tǒng)作為氣體渦輪發(fā)動機運行。燃料燃燒加熱器17能夠包括燃燒室，在所述燃燒室中，燃料添加到被加壓和加熱的空氣并燃燒。替代地，該燃燒室能夠是布置在管道21中的簡單燃燒器。該燃燒器能夠裝配有氧源。在兩種情況中，在管道21內流動的加壓空氣在燃燒過程中都用作氧化劑載體。 作為替代，還能夠具有如下燃料燃燒加熱器在該燃料燃燒加熱器中，燃燒過程在管道21 外部，且燃燒生成的熱量通過換熱器被傳遞到在管道21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。然后，已被燃料燃燒加熱器加熱的氣體在渦輪機18內膨脹。在渦輪機18內提取的功的一部分用于驅動壓縮機16。在所圖示的本發(fā)明實施例中，通過由渦輪機18驅動的機電裝置19從布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中獲取能量。由該機電裝置生成的電力被供給到車輛的電氣網絡。此外，在所示的實施例中，該動力總成裝配有與發(fā)動機曲軸聯(lián)結的電動機26，由此形成并聯(lián)混合動力式動力總成，其中由機電裝置19生成的電力能夠由電動機吏用。當然，本發(fā)明可用在其它混合動力結構中，例如在混合動力串聯(lián)結構或混合動力并聯(lián)/串聯(lián)結構中，其中主發(fā)動機2和該電動機分別連接到動力分離變速器裝置(例如行星齒輪)的一個輸入端，該動力分離變速器裝置的輸出端連接到車輛的傳動系。作為電力獲取的補充或替代，可以構思通過如下方式使用在渦輪機18中提取的功，即通過變速器裝置、例如蝸輪復合系統(tǒng)內的變速器裝置，將連接該渦輪機18和壓縮機 16的軸以機械方式聯(lián)結到車輛傳動系，例如聯(lián)結到主發(fā)動機的曲軸。該變速器裝置能夠包括齒輪變速器、和/或液壓變速器、和/或連續(xù)可變變速器、和/或離合器、和/或液壓聯(lián)接
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空氣和/或從燃料燃燒加熱器釋放的可能的燃燒產物能夠然后通過特定的污染控制部件27被處理，如圖2所圖示的。也能夠將空氣和由燃燒器釋放的燃燒產物引入到污染控制裝置10上游的排氣管線中，在此情況中，不再需要特定的污染控制裝置。因此，根據本發(fā)明，內燃發(fā)動機2設置有另外的動力裝置，該另外的動力裝置能夠在車輛運行條件要求其啟用時啟用。因此，動力總成1包括適當的控制單元(未示出)，所述控制單元裝載有程序，所述程序能夠根據例如車輛速度、車輛載荷等的當前參數向布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15發(fā)出開啟或關閉的指令。該控制單元也能夠包括例如CPU、ROM和RAM的其它常規(guī)部件、輸入接口電路、輸出接口電路等。布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15根據已知的循環(huán)而運行，該循環(huán)包括如下三個階段1)壓縮， 2)供熱，幻膨脹。通過將布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15與內燃發(fā)動機相組合，本發(fā)明使內燃發(fā)動機2 釋放的、通常被浪費的熱量得到了有益的利用。布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15的總體效率通過如下事實而得以改進即，加壓空氣不僅通過流過壓縮機16而被加熱，而且通過流過換熱器23、24 中的一個或兩個而被加熱，在所述換熱器23J4處，另外的能量被添加到該加壓空氣。本發(fā)明的一個重要方面在于布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15的使用，所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15 使用了通常以熱的形式被浪費的一部分能量。本發(fā)明的另外的優(yōu)點在于布雷頓循環(huán)系統(tǒng) 15不需要另外的冷卻容量。在所述渦輪機中，大部分熱能以焓的形式被提取。因此，根據本發(fā)明的動力總成給機動車輛、尤其給工業(yè)車輛提供了顯著的益處。在第一有益方面，車輛能夠裝配有小型化的主發(fā)動機，該主發(fā)動機能夠依賴于由布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15提供的額外的動力容量，這通過如下方式來實現即，簡單地開啟燃料燃燒加熱器，使得該燃料燃燒加熱器在渦輪機上游向布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中的空氣流提供額外的熱，此額外的熱被渦輪機18轉化為額外的機械能。其次，由布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15提供的額外的動力容量⑴使得有效地利用了通常在內燃發(fā)動機中以熱的形式被浪費的能量，并且(ii)在車輛發(fā)動機的總體結構方面引起有限的變動，因為所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)不需要另外的冷卻容量。當然，當燃料燃燒加熱器關閉時，因為主發(fā)動機能夠向車輛提供足夠的動力，所以布雷頓循環(huán)系統(tǒng)15持續(xù)運行，其作用是回收排氣內和/或EGR氣體內的廢熱能。在此情況下，布雷頓循環(huán)系統(tǒng)仍向車輛提供電力形式或機械動力形式的能量，此能量基本是免費的。當然，當燃料燃燒加熱器關閉時，該動力總成的總體燃料消耗量降低了。應注意的是，除了關閉或開啟之外，還能夠使燃料燃燒加熱器受到控制，以調整由燃料燃燒加熱器產生并提供給所述系統(tǒng)的額外熱量的大小，例如通過調整燃料燃燒加熱器內的燃料流量來控制。本發(fā)明不限于在上文中描述并在附圖中示出的實施例，而是能夠在以下權利要求的范圍內進行修改。
權利要求
1.一種動力總成(1)，尤其是用于機動車輛的動力總成(1)，所述動力總成(1)包括主內燃發(fā)動機O)，所述主內燃發(fā)動機(2)包括進氣管線(4)和排氣管線(6)，其特征在于， 所述動力總成(1)還包括能夠向所述主內燃發(fā)動機( 提供額外動力的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)(15)，所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)(1 包括氣體壓縮機(16)、燃料燃燒加熱器(17)、以及與所述壓縮機(16)聯(lián)結的渦輪機(18)，因而，空氣被吸入到所述壓縮機(16)中，在所述壓縮機(16)中，所述空氣被加壓；加壓后的所述空氣由于流過至少一個換熱器而被進一步加熱， 在所述至少一個換熱器處，加壓后的所述空氣與來自所述主內燃發(fā)動機的排氣進行熱交換；被加熱和加壓后的所述空氣由所述燃料燃燒加熱器(17)進一步加熱并然后通過所述渦輪機(18)而膨脹，在所述渦輪機(18)處，由所述渦輪機(18)提取的功的第一部分用于驅動所述壓縮機(16)，而由所述渦輪機(18)提取的所述功的第二部分用于提供額外的能量。
2.根據權利要求1所述的動力總成，其特征在于，所述排氣管線(6)設置有換熱器 (23)，在所述換熱器處，來自內燃發(fā)動機排氣的熱量形式的能量被傳遞給在所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)(15)中流動的所述加壓空氣。
3.根據權利要求2所述的動力總成，其特征在于，在所述排氣管線(6)中的所述換熱器 (23)布置在污染控制裝置的上游，所述污染控制裝置包括SCR催化轉化器。
4.根據權利要求2或3所述的動力總成，其特征在于，在所述排氣管線(6)中的所述換熱器布置在污染控制裝置的下游，所述污染控制裝置包括柴油微粒過濾器(DPF)。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的動力總成，其特征在于，所述內燃發(fā)動機(2) 包括EGR管線(11)，所述EGR管線(11)將所述排氣的一部分再循環(huán)回到發(fā)動機氣缸，所述 EGR管線(11)具有EGR換熱器(M)，在所述EGR換熱器Q4)處，來自EGR氣體的熱量被傳遞給在所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)(15)中流動的加壓空氣。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的動力總成，其特征在于，能夠將機械功轉化為電能的機電裝置(19)連接到所述渦輪機(18)。
7.根據權利要求4所述的動力總成，其特征在于，由通過機電裝置(19)提取的電能驅動的電動機06)連接到車輛傳動系。
8.根據權利要求1至3中的任一項所述的動力總成，其特征在于，變速器裝置將所述渦輪機連接到車輛傳動系，以將由所述渦輪機(18)提取的所述功傳遞給所述內燃發(fā)動機 ⑵。
9.根據權利要求1至6中的任一項所述的動力總成，其特征在于，所述動力總成包括控制單元，所述控制單元能夠根據車輛運行參數來控制所述布雷頓循環(huán)系統(tǒng)(1 的運行。
10.根據權利要求9所述的動力總成，其中，所述控制單元控制所述燃料燃燒加熱器的運行，以開啟或關閉所述燃料燃燒加熱器。
11.根據權利要求10所述的動力總成，其中，所述控制單元控制由所述燃料燃燒加熱器生成的熱量的大小。
12.根據權利要求1至10中的任一項所述的動力總成，其特征在于，加熱后的所述空氣和在所述燃料燃燒加熱器中產生的燃燒產物流過污染控制部件07、10)，所述污染控制部件07、10)位于所述渦輪機(18)的下游。
13.根據權利要求1至12中的任一項所述的動力總成，其特征在于，所述內燃發(fā)動機(2)裝配有渦輪增壓器。
14.根據權利要求1至13中的任一項所述的動力總成，其特征在于，所述內燃發(fā)動機 (2)是柴油發(fā)動機。
全文摘要
該動力總成包括內燃發(fā)動機(2)，該內燃發(fā)動機(2)包括進氣管線和具有至少一個換熱器的排氣管線。該動力總成還包括能夠向主內燃發(fā)動機(2)提供額外動力的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)(15)，該布雷頓循環(huán)系統(tǒng)(15)包括氣體壓縮機(16)、燃料燃燒加熱器(17)、以及與該壓縮機(16)聯(lián)結的渦輪機(18)，因而空氣被吸入到壓縮機(16)中，在該壓縮機(16)中，空氣被加壓；加壓后的該空氣由于流過至少一個換熱器而被進一步加熱，在所述至少一個換熱器中，加壓后的該空氣與來自主內燃發(fā)動機的排氣進行熱交換；被加熱和加壓后的該空氣由燃料燃燒加熱器(17)進一步加熱并然后通過渦輪機(18)而膨脹，在該渦輪機(18)處，由渦輪機(18)提取的功的第一部分用于驅動所述壓縮機(16)，而由渦輪機(18)提取的該功的第二部分用于提供額外的能量。
文檔編號F02B37/00GK102165158SQ200880131295
公開日2011年8月24日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權日2008年9月26日
發(fā)明者馬克·勒瓊 申請人:雷諾卡車公司