用于利用氣體再循環回路上的兩個熱交換器從內燃發動機的排放氣體回收熱量的系統的制作方法
【專利說明】用于利用氣體再循環回路上的兩個熱交換器從內燃發動機的排放氣體回收熱量的系統
[0001]本發明涉及一種用于從內燃發動機回收熱能的裝置。裝備有內燃發動機的車輛產生大量的熱能，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性使用。
[0002]已提出將基于狀態改變流體的回路的能量回收系統用于回收車輛發動機所釋放熱能中的一些熱能，該狀態改變流體經受對應于蘭金循環(Rankine cycle)或類似的循環(例如蘭金-伊恩(Rankine-Hirn)型循環)的一個熱力循環。因此，可以將該熱能中的一些以機械能或從該機械能產生的電能的形式回收。
[0003]這種回收的機械能可以直接用于產生附加轉矩，從而提高了內燃發動機的效率并且減少了發動機整體燃料消耗。
[0004]因此，專利申請FR 2 884 556描述了一種使用蘭金循環的能量回收系統，該能量回收系統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行能量回收的這種設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，該熱能被再循環到內燃發動機的入口側。這種系統在再循環氣體溫度調節方面存在一個缺陷，這個缺陷就是必須對溫度進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(EGR)來減少由柴油型內燃發動機排放的污染物。所發生的是，在沒有EGR的情況下，排氣中發現不完全燃燒的氣體。EGR包括將這些氣體重新引入到發動機的進氣側。為了獲得最大的效率，這些EGR氣體需要被冷卻。現在，在一個高壓氣體再循環系統(常常被稱為EGR HP)中，其中已燃燒的氣體中的一些在不經過渦輪機或渦輪壓縮機的壓縮機的情況下從發動機汽缸的下游返回到發動機的進氣側，這些再循環氣體非常熱(高達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回路堵塞的風險，水溫需要保持在50°C以上。同時，為了避免破壞冷卻器，必需防止經過該冷卻器的水沸騰。
[0008]為了能夠符合未來的排放標準，希望能夠使用EGR:
[0009]-用于低的環境溫度:處于低溫下的冷卻劑所經過的一個EGR冷卻器隨后可能存在困難，因為經過該冷卻器的水的溫度可能下降到50°C以下，
[0010]-用于高負荷:現有的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口側與出口側之間的氣體的溫度梯度。
[0012]本發明的一個目的在于提出一種能量回收系統，該能量回收系統允許更好地調節再循環氣體的溫度并且同時限制已燃燒氣體再循環回路發生積垢的程度，這樣使得可以同時從除氣體再循環回路之外的熱源回收熱能，并且該能量回收系統進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，本發明提出一種用于為裝備有內燃發動機的機動車輛的回收能量的系統。該系統包括用于這些發動機排放氣體的部分再循環的一個再循環回路，并且包括一個第一冷卻劑回路，該第一冷卻劑回路經過該發動機并且經過被配置用于從該再循環回路中收集熱能的一個第一冷卻交換器。該能量再循環系統進一步包括一個第二回路，經過一個膨脹機的一個狀態改變流體循環穿過該第二回路以便機械地驅動一個輸出軸。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，并且該系統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，因為循環穿過這個回路的該流體的循環可以被比作以蘭金循環(如果該流體是在該第一耦合交換器中被蒸發，然后在該膨脹機中的飽和蒸汽溫度下使用)的名稱、或以蘭金-伊恩循環(如果該流體在被傳送到該膨脹機中之前是在該第一耦合交換器或“蒸發器”中被蒸發，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。該第一耦合交換器通常由術語“蒸發器”來表示。作為優選，參考該再循環氣體的循環，該第二冷卻交換器在該再循環回路上是在該第一冷卻交換器的下游。
[0015]部分再循環回路可以包括該EGR HP型的一個再循環管線，該再循環管線使這些排放氣體中的一些在不經過該發動機的一個渦輪壓縮機的情況下從這些發動機汽缸的下游返回到該發動機的一個進氣歧管，或返回到這些發動機汽缸的入口。根據其他替代形式的實施例，該再循環回路可以包括一個EGR LP型的管線，該管線將這些排氣返回到一個渦輪壓縮機的入口側。
[0016]根據一個有利的實施例，該系統包括一個恒溫器，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是彼此獨立的，并且在該第二位置中，穿過該發動機的液體中的至少一些還經過該第二冷卻交換器。根據一個優選的實施例，該恒溫器被配置用于:當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，該第一散熱器能夠將熱能從該第三回路傳遞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。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。經過該散熱器和/或相應地經過該冷卻器的所有冷卻劑因此經過該冷卻器和/或相應地經過該散熱器，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]該第三回路可以進一步包括一個第二散熱器，該第二散熱器能夠將熱能從該第三回路傳遞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，或者更確切地說，這樣使得當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的。這意味著相對于當該恒溫器處于該第二位置時該冷卻劑循環的方向而言，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]根據一個優選的實施例，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到該第二冷卻交換器。作為優選，該第三回路隨后被確定尺寸，這樣使得當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連接。優選地，該第三回路還包括與前面提及的三個支路并聯連接的一個均衡支路。
[0021]根據一個優選的實施例，該第一回路包括一個單元加熱器，該單元加熱器能夠將熱能從該第一回路傳遞到車輛客艙空氣中。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路，該栗被配置用于使該第一環路的液體相繼地循環穿過該發動機、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由該發動機傳遞的情況下循環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動機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路，該次級環路用于具體地經過該旁路支路和經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。根據一個優選的實施例，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過屬于該再循環回路的一個氣體調節閥的該