[发明专利]用于利用气体再循环回路上的两个热交换器从内燃发动机的排放气体回收热量的系统

说明书

本发明涉及一种用于从内燃发动机回收热能的装置。装备有内燃发动机的车辆产生大量的热能，该热能有时被用于使车辆客舱升温，并且通常经由一个冷却回路消散，该冷却回路包括通过车辆外部的空气冷却的一个散热器。这种能量还可以通过车辆排气管线消散。这种能量因此从车辆流失而未投入生产性使用。

已提出将基于状态改变流体的回路的能量回收系统用于回收车辆发动机所释放热能中的一些热能，该状态改变流体经受对应于兰金循环(Rankine cycle)或类似的循环(例如兰金-伊恩(Rankine-Hirn)型循环)的一个热力循环。因此，可以将该热能中的一些以机械能或从该机械能产生的电能的形式回收。

这种回收的机械能可以直接用于产生附加转矩，从而提高了内燃发动机的效率并且减少了发动机整体燃料消耗。

因此，专利申请FR 2 884 556描述了一种使用兰金循环的能量回收系统，该能量回收系统包括使排气管线和兰金回路直接耦合的一个交换器。直接在排气管线上进行能量回收的这种设计造成了物理空间问题。此外，所涉及的这些交换器需要能够承受非常高的温度梯度并且因此生产昂贵。

专利申请JP 2007 332853提出：使用从排气回收的热能并且随后将其传递到一个兰金回路的一个水回路来回收这种热能，该热能被再循环到内燃发动机的入口侧。这种系统在再循环气体温度调节方面存在一个缺陷，这个缺陷就是必须对温度进行管理以便作为与兰金回路的操作最佳化之间的一个折中。

使用排气再循环(EGR)来减少由柴油型内燃发动机排放的污染物。所发生的是，在没有EGR的情况下，排气中发现不完全燃烧的气体。EGR包括将这些气体重新引入到发动机的进气侧。为了获得最大的效率，这些EGR气体需要被冷却。现在，在一个高压气体再循环系统(常常被称为EGR HP)中，其中已燃烧的气体中的一些在不经过涡轮机或涡轮压缩机的压缩机的情况下从发动机汽缸的下游返回到发动机的进气侧，这些再循环气体非常热(高达800℃)，并且希望将它们的温度降到大约150℃的温度。

因此，必须在EGR冷却器中提供非常高的水流速或低的水温。然而，为了良好的热交换效率，并且为了避免再循环回路堵塞的风险，水温需要保持在50℃以上。同时，为了避免破坏冷却器，必需防止经过该冷却器的水沸腾。

为了能够符合未来的排放标准，希望能够使用EGR：

-用于低的环境温度：处于低温下的冷却剂所经过的一个EGR冷却器随后可能存在困难，因为经过该冷却器的水的温度可能下降到50℃以下，

-用于高负荷：现有的EGR冷却器不够高效。

此外，积垢降低了EGR冷却器的效率。为了减少这种情况，希望的是限制在交换器的进口侧与出口侧之间的气体的温度梯度。

本发明的一个目的在于提出一种能量回收系统，该能量回收系统允许更好地调节再循环气体的温度并且同时限制已燃烧气体再循环回路发生积垢的程度，这样使得可以同时从除气体再循环回路之外的热源回收热能，并且该能量回收系统进一步允许在车辆冷启动过程中在车辆的乘客需要的情况下使车辆客舱迅速变暖。

为此，本发明提出一种用于为装备有内燃发动机的机动车辆的回收能量的系统。该系统包括用于这些发动机排放气体的部分再循环的一个再循环回路，并且包括一个第一冷却剂回路，该第一冷却剂回路经过该发动机并且经过被配置用于从该再循环回路中收集热能的一个第一冷却交换器。该能量再循环系统进一步包括一个第二回路，经过一个膨胀机的一个状态改变流体循环穿过该第二回路以便机械地驱动一个输出轴。该第一回路包括至少一个第一耦合交换器，该第一耦合交换器用作用于该第二回路的一个热源，从而引起该第二回路的该流体变成气态，并且该系统包括一个第三冷却剂回路，该第三冷却剂回路包括能够从该再循环回路中收集热能的一个第二冷却交换器。该第一回路和该第三回路被定位的方式使得穿过该第一回路和穿过该第三回路的该冷却剂循环可以是独立的。

该第二流体回路可以被称为一个兰金回路或一个兰金-伊恩回路，因为循环穿过这个回路的该流体的循环可以被比作以兰金循环(如果该流体是在该第一耦合交换器中被蒸发，然后在该膨胀机中的饱和蒸汽温度下使用)的名称、或以兰金-伊恩循环(如果该流体在被传送到该膨胀机中之前是在该第一耦合交换器或“蒸发器”中被蒸发，然后在一个第二耦合交换器或“过热器”中被加热到该饱和蒸汽温度以上)的名称为人所知的一个热力循环。该第一耦合交换器通常由术语“蒸发器”来表示。作为优选，参考该再循环气体的循环，该第二冷却交换器在该再循环回路上是在该第一冷却交换器的下游。