專利名稱：包括熱回收回路和排氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動機設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括用于回收能量的熱回收回路和排氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動機設(shè)備，尤其(但不僅)是車輛中的發(fā)動機設(shè)備。
背景技術(shù)：
多年以來，人們嘗試在各個方面改進內(nèi)燃發(fā)動機，尤其是在減少由于發(fā)動機燃料燃燒形成的排氣中含有的非期望組分而造成的空氣污染方面，以及在對燃料消耗有直接影響的發(fā)動機效率方面。為了上述這些目的，發(fā)動機通常配備有若干個輔助系統(tǒng)。一方面，為了處理排氣中含有的氮氧化物(NOx)，選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)多年來已經(jīng)成為發(fā)動機設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)配置，在工業(yè)車輛中尤其如此。在這種系統(tǒng)中，與諸如氨的還原劑相混合的排氣在特定的催化轉(zhuǎn)化器中被處理，氮氧化物在該催化轉(zhuǎn)化器中被轉(zhuǎn)化成水和氮氣(二者均是非有毒物質(zhì))。氨能夠以尿素水溶液的形式被引入，氨從該水溶液中水解出。該尿素溶液通常在催化轉(zhuǎn)化器的上游噴霧到排氣中。為此，在催化轉(zhuǎn)化器上游的排氣管線上配設(shè)有尿素噴射噴嘴。氨還能夠以氨的水溶液或氣態(tài)氨的形式被引入，由于氣態(tài)氨對環(huán)境和健康的影響，不太推薦使用氣態(tài)氨。其他合適的還原劑包括乙醇。另一方面，用于提高發(fā)動機效率的一種常規(guī)系統(tǒng)提供了具有熱回收回路的發(fā)動機設(shè)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)蘭金熱力學(xué)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(shè)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(jié)果，用于使該蘭金流體蒸發(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、液壓能或電能的形式回收。若不回收，該熱能將白白流失。然而，在發(fā)動機設(shè)備中提供熱回收回路和排氣后處理系統(tǒng)涉及布設(shè)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，上述發(fā)動機設(shè)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(shè)備，其包括熱回收回路和排氣后處理系統(tǒng)，該熱回收回路和排氣后處理系統(tǒng)能夠克服上述這些常規(guī)發(fā)動機設(shè)備中存在的缺陷。根據(jù)本發(fā)明，這樣的發(fā)動機設(shè)備包括-排氣后處理系統(tǒng)，該排氣后處理系統(tǒng)包括噴射裝置，該噴射裝置被設(shè)計成將排氣處理流體噴射到排氣管線內(nèi)，用于至少部分去除排氣中的非期望組分；-熱回收回路，該熱回收回路以環(huán)路的形式運送流體，使得該流體至少依次經(jīng)過泵、蒸發(fā)器和膨脹器，并可選地經(jīng)過冷凝器，該膨脹器能夠利用所述流體的膨脹來產(chǎn)生機械倉泛;其特征在于，所述排氣處理流體是由熱回收回路運送的流體或者源自于由熱回收回路運送的流體，并且，從所述熱熱回收回路分支出連接管線，并且該連接管線被設(shè)計用于將所述排氣處理流體供應(yīng)到噴射裝置。因此，在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機設(shè)備中，所述排氣后處理系統(tǒng)并不包括專用的泵。供應(yīng)到噴射裝置的所述排氣處理流體由已經(jīng)用于其他目的的泵(即，熱回收回路的泵)移動。具體地，所述熱回收回路聯(lián)接到排氣后處理系統(tǒng)的回路，從而這些回路共用同一個泵，并且，該同一流體在熱回收回路中繼續(xù)流動或在連接管線中朝著噴射裝置流動。因此，所述流體必須既能經(jīng)歷熱回收循環(huán)中的多個連續(xù)過程，又能直接或間接去除排氣中含有的非期望組分。替代地，所述排氣處理流體也可源自于由熱回收回路運送的流體。例如，所述排氣處理流體可以是由熱回收回路運送的流體的一個組分。實際上，可以設(shè)置成為所述熱回收回路或連接管線配備一個分離器，以便僅獲取形成所述排氣處理流體的期望組分，或者為所述熱回收回路或連接管線配備任何化學(xué)反應(yīng)器，以將該流體轉(zhuǎn)化成所述排氣處理流體。這種化學(xué)反應(yīng)器可以僅僅是熱交換器。因此，由于本發(fā)明，能夠提供一種包括熱回收回路和排氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動機設(shè)備，該發(fā)動機設(shè)備所需要的泵比現(xiàn)有技術(shù)的此類發(fā)動機設(shè)備中少一個。這產(chǎn)生了更緊湊、更廉價的發(fā)動機設(shè)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，這還有助于實現(xiàn)更好的總體發(fā)動機效率。有利地，所述連接管線在蒸發(fā)器下游但在冷凝器上游處從熱回收回路分支。利用這種布置結(jié)構(gòu)，所述排氣處理流體被以氣體的形式噴射。由此，由于該流體并非以液體的形式噴射(這易于在排氣管線內(nèi)側(cè)的排氣管線壁上、在與噴射點大致相對的位置處形成固體沉積物)，所以，能夠避免某些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中存在的結(jié)晶問題。優(yōu)選地，所述連接管線在膨脹器的上游處(此位置可能發(fā)生一定程度的冷凝)從熱回收回路分支。所述排氣處理流體可以包括氨，例如純氨和/或氨的水溶液(例如，氨在水中的比例為20% )0替代地，所述排氣處理流體也可包括乙醇。所述發(fā)動機設(shè)備還可以包括流體貯箱，該流體貯箱通過供應(yīng)管線連接到所述熱回收回路。實際上，由于噴射到排氣管線中的排氣處理流體被消耗，因此需要連續(xù)向所述熱回收回路提供新鮮流體。因此，可以認為所述熱回收回路是半開放回路。優(yōu)選地，該供應(yīng)管線在所述泵上游但在冷凝器下游處連接到熱回收回路。在本發(fā)明的一個實施方案中(如果所述流體易于在低的環(huán)境溫度下凍結(jié)，則該實施方案是有用的)所述發(fā)動機設(shè)備還包括回流管線，該回流管線把來自熱回收回路的至少一部分流體運送到流體貯箱，所述回流線優(yōu)選在所述泵下游但在蒸發(fā)器上游處從熱回收回路分支。在這種情況下，所述流體貯箱可以不具有加熱裝置。實際上，由于該特征，在所述蘭金回路中流動的流體中的、流回到流體貯箱的一部分流體是溫?zé)岬模虼?，它將熱能帶給儲存在所述貯箱中的流體。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述排氣后處理系統(tǒng)包括催化裝置，其中，所述非期望組分被至少部分去除，所述催化裝置位于噴射裝置出)的噴射入口的下游，所述排氣處理流體經(jīng)由該噴射入口噴射到排氣管線中。所述熱回收回路中流動的流體能夠在蒸發(fā)器中被以下流體蒸發(fā)在排氣管線中流動的熱排氣；在發(fā)動機下游的冷卻劑回路中流動的發(fā)動機冷卻劑；發(fā)動機機油；發(fā)動機的壓縮進氣；和/或EGR(排氣再循環(huán))氣體等。取決于溫度要求，該蒸發(fā)器可以在排氣管線上位于所述催化裝置的上游或下游。例如，該蒸發(fā)器可以位于噴射入口的上游。所述發(fā)動機設(shè)備優(yōu)選還包括控制單元，該控制單元能夠控制所述泵的運行，以在熱回收回路中維持適量的流體。實際上，隨著一些排氣處理流體在排氣后處理系統(tǒng)中被消耗，所述泵從貯箱吸取流體，以便維持足量的流體來使熱回收回路保持高效。根據(jù)另一方面，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(shè)備。然而，本發(fā)明還可以用在其它應(yīng)用中，例如用在固定式工業(yè)系統(tǒng)(如發(fā)電機)中。當(dāng)結(jié)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(shè)備的實施例。


當(dāng)結(jié)合附圖來閱讀時，將能更好地理解以下對本發(fā)明一個實施例的詳細描述，然而應(yīng)當(dāng)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(shè)備的示意圖。
具體實施例方式附圖所示的發(fā)動機設(shè)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。排氣管線3被設(shè)置用于在發(fā)動機2的排氣釋放到大氣中之前、朝著催化轉(zhuǎn)化器4引導(dǎo)該排氣。在此示例中，排氣后處理系統(tǒng)是選擇性催化還原(SCR)式排氣后處理系統(tǒng)，該排氣后處理系統(tǒng)旨在去除排氣中的氮氧化物(NOx)的至少一部分。在催化轉(zhuǎn)化器4的上游，在排氣管線的壁中設(shè)置有噴射入口 5，噴射裝置6能夠經(jīng)由該噴射入口 5噴射流體，該噴射裝置6通常包括噴嘴。排氣處理流體是能夠還原氮氧化物(NOx)的還原性流體。在所示的實施例中，如稍后說明的，該流體是含有氨的氣體，并可能混合有水蒸氣。實際上，與該排氣處理流體混合的氮氧化物能夠在催化轉(zhuǎn)化器4中轉(zhuǎn)化為水和氮氣。發(fā)動機設(shè)備I還包括冷卻劑回路7，該冷卻劑回路7運送發(fā)動機冷卻劑，例如水。該冷卻劑借助于泵(未示出)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8運送，在散熱器8中，該冷卻劑在再次進入發(fā)動機2之前被冷卻。發(fā)動機設(shè)備I還包括允許一部分能量回收的熱回收回路10。在本示例中，該熱回收回路是蘭金式回路(Rankine-type circuit) 10。它形成半開放環(huán)路并運送作為蘭金流體(Rankine fluid)的所述排氣處理流體,該半開放環(huán)路聯(lián)接到噴射裝置6。
蘭金回路10包括泵11，所述流體在該泵11中被從低壓泵壓到高壓，例如到大約3-6巴。所述流體然后由第一管線13朝著蒸發(fā)器12運送。蒸發(fā)器12也位于排氣管線3上，它處于噴射入口 5的上游，從而，在蘭金回路10中流動的流體在蒸發(fā)器12中被排氣管線3中流動的熱排氣蒸發(fā)成氣體。在蒸發(fā)器12的下游，該氣體經(jīng)由第二管線14朝著膨脹器15流動。在所示的實施例中，該膨脹器是渦輪機15，該渦輪機15能夠?qū)⑺鰺釟怏w的能量回收為機械能。所述機械能可用在發(fā)動機曲軸16上，或由聯(lián)接到渦輪機15的交流發(fā)電機(未示出)使用以產(chǎn)生電力，或者也可以由泵或壓縮機使用以對流體進行加壓。該電力可以用在混合動力車輛中(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。替代地，膨脹器15也可以是渦旋式膨脹器、螺桿式膨脹器或活塞式膨脹器。在渦輪機15的下游，已經(jīng)膨脹和冷卻的氣體在第三管線17中朝著冷凝器18流動，在該冷凝器18中，該氣體重新變成液體。在發(fā)動機設(shè)備I應(yīng)用在車輛上的情形中，所述冷凝器18通常位于車輛的正面。在冷凝器18的下游，所述流體(是液體)由第四管線19朝著泵11運送。此外，還可在蘭金回路10中、在泵11下游但在蒸發(fā)器12上游設(shè)置有加熱器(未示出，有時稱作“回?zé)崞鳌?，以便在蘭金回路10中流動的流體進入蒸發(fā)器12之前對該流體進行預(yù)加熱。該流體能夠借助于在蘭金回路10的第三管線17(即，在渦輪機15下游但在冷凝器18上游)中流動的流體進行預(yù)加熱。連接管線25在蒸發(fā)器12和膨脹器15之間從第二管線14分支，以便朝著噴射裝置6運送該氣態(tài)還原性流體的一部分。因此，在蒸發(fā)器12的下游，在第二管線14中流動的流體的一部分經(jīng)由連接管線25被朝著噴射裝置6引導(dǎo)，以便允許對排氣進行處理，而該流體的其它部分將繼續(xù)在蘭金回路10的第二管線14中流動。發(fā)動機設(shè)備I還可配備有流體貯箱20，該流體貯箱20容納新鮮的排氣處理流體或其前體物(precursor)。供應(yīng)管線21被設(shè)置用于將流體從貯箱20供應(yīng)到蘭金回路10，所述供應(yīng)管線在泵11上游匯合到第四管線19中。還設(shè)置有控制單元23，以控制泵11的運行，從而，無論噴射裝置6中的流體消耗如何，均在蘭金回路10中維持適量的流體。因此，該蘭金回路10是半開放環(huán)路。如果所述排氣處理流體是作為氣體的純氨，則所述貯箱可含有氨。如果所述排氣處理流體是氨和水的混合物，則所述貯箱可含有該同一混合物或者可含有尿素的水溶液。實際上，如常規(guī)系統(tǒng)中已知的，一旦被噴射到所述蘭金回路中，尿素將分解并形成氨。此外，還可以設(shè)置有回流管線22，以把來自蘭金回路10中的流體的一部分運送到流體貯箱20中。所述回流管線22可以在泵11下游但在蒸發(fā)器12上游處從第一管線13分支。由于經(jīng)由該回流管線22流回到貯箱20中的流體是溫?zé)岬?，所以，上述這些特征允許不必為貯箱20配備加熱裝置。然而，貯箱20中的流體溫度能夠由控制單元23提高適當(dāng)?shù)膫鞲衅?4來監(jiān)測。此外，出于相同的原因，不需要為供應(yīng)管線21和回流管線22提供加熱管。在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機設(shè)備中，蘭金回路10的泵11使得流體能夠在蘭金回路中移動，以將還原性液體供給到排氣后處理系統(tǒng)(沒有為此目的設(shè)置專門的泵)。此外，隨著所述流體在排氣后處理系統(tǒng)中的不斷消耗，同一個泵11還能夠通過供應(yīng)管線21將一些還原性流體送入蘭金回路10中，但也可以設(shè)有專門的泵來完成該任務(wù)。當(dāng)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(yīng)包括其所有實施例。例如，所述排氣后處理系統(tǒng)可以是其他不同類型的排氣后處理系統(tǒng)，可能用于從排氣中去除其它的非期望物質(zhì)。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)(supercriticalRankine 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)。唯一的要求是,所述排氣后處理系統(tǒng)和所述熱回收回路必須以至少一種共有的流體運行。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動機設(shè)備，包括: -內(nèi)燃發(fā)動機(2)和排氣管線(3)，所述排氣管線(3)能夠收集來自所述發(fā)動機(2)的排氣; -排氣后處理系統(tǒng)，所述排氣后處理系統(tǒng)包括噴射裝置出)，所述噴射裝置(6)被設(shè)計成將排氣處理流體噴射到所述排氣管線(3)內(nèi)，用于至少部分去除所述排氣中的非期望組分； -熱回收回路(10)，所述熱回收回路(10)以環(huán)路的形式運送流體，使得所述流體至少依次經(jīng)過泵(11)、蒸發(fā)器(12)和膨脹器(15)，所述膨脹器(15)能夠利用所述流體的膨脹來產(chǎn)生能量； 其特征在于，所述排氣處理流體是由所述熱回收回路運送的流體或者源自于由所述熱回收回路運送的流體，并且，從所述熱回收回路(10)分支出連接管線(25)，所述連接管線(25)被設(shè)計用于將所述排氣處理流體供應(yīng)到所述噴射裝置(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機設(shè)備，其特征在于，所述連接管線(25)在所述蒸發(fā)器(12)下游但在所述膨脹器(15)上游處從所述熱回收回路(10)分支。
3.根據(jù)權(quán)利要求 1或權(quán)利要求2所述的發(fā)動機設(shè)備，其特征在于，所述排氣處理流體包括氨。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的發(fā)動機設(shè)備，其特征在于，還原性流體包括乙醇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的發(fā)動機設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)動機設(shè)備還包括流體貯箱(20)，所述流體貯箱(20)通過供應(yīng)管線(21)連接到所述熱回收回路(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動機設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)動機設(shè)備還包括回流管線(22)，所述回流管線(22)把來自所述熱回收回路(10)的流體運送到所述流體貯箱(20)，所述回流管線(22)優(yōu)選在所述泵(11)下游但在所述蒸發(fā)器(12)上游處從所述熱回收回路(10)分支，并且所述流體貯箱(20)不具有加熱裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的發(fā)動機設(shè)備，當(dāng)引用權(quán)利要求3時，其特征在于，所述排氣后處理系統(tǒng)包括催化裝置(4)，所述催化裝置(4)位于所述噴射裝置(6)的噴射入口(5)的下游，所述排氣處理流體經(jīng)由所述噴射入口(5)噴射到所述排氣管線中，其中，所述非期望組分被至少部分去除。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的發(fā)動機設(shè)備，其特征在于，所述熱回收回路(10)中運送的流體在所述蒸發(fā)器(12)中被以下流體蒸發(fā):在所述排氣管線(3)中流動的熱排氣；在發(fā)動機下游的冷卻劑回路中流動的發(fā)動機冷卻劑；發(fā)動機機油；所述發(fā)動機的壓縮進氣；和/或EGR (排氣再循環(huán))氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項所述的發(fā)動機設(shè)備，當(dāng)引用權(quán)利要求5時，其特征在于，所述發(fā)動機設(shè)備還包括控制單元(23)，所述控制單元(23)能夠控制所述泵的運行，以便在所述熱回收回路(10)中維持適量的流體。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)動機設(shè)備，其特征在于，所述熱回收回路還包括位于所述膨脹器(15)下游但在所述泵(11)上游的冷凝器(18)。
11.一種車輛，其特征在于，所述車輛包括根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項所述的發(fā)動機設(shè)備(I)。
全文摘要
一種發(fā)動機設(shè)備(1)，包括內(nèi)燃發(fā)動機(2)和排氣管線(3)，該排氣管線(3)能夠收集來自所述發(fā)動機(2)的排氣；排氣后處理系統(tǒng)，該排氣后處理系統(tǒng)包括噴射裝置(6)，該噴射裝置(6)被設(shè)計成將排氣處理流體噴射到排氣管線(3)內(nèi)，用于至少部分去除排氣中的非期望組分；熱回收回路(10)，該熱回收回路(10)以環(huán)路的形式運送流體，使得所述流體至少依次經(jīng)過泵(11)、蒸發(fā)器(12)和膨脹器(15)，該膨脹器(15)能夠利用所述流體的膨脹來產(chǎn)生能量；其特征在于，所述排氣處理流體是由熱回收回路運送的流體或者源自于由熱回收回路運送的流體，并且，從熱回收回路(10)分支出連接管線(25)，該連接管線(25)被設(shè)計用于將所述排氣處理流體供應(yīng)到噴射裝置(6)。
文檔編號F01N3/36GK103080523SQ201080068688
公開日2013年5月1日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)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