CN103080523B - 包括热回收回路和排气后处理***的发动机设备 - Google Patents

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Abstract

一种发动机设备(1)，包括：内燃发动机(2)和排气管线(3)，该排气管线(3)能够收集来自所述发动机(2)的排气；排气后处理***，该排气后处理***包括喷射装置(6)，该喷射装置(6)被设计成将排气处理流体喷射到排气管线(3)内，用于至少部分去除排气中的非期望组分；热回收回路(10)，该热回收回路(10)以环路的形式运送流体，使得所述流体至少依次经过泵(11)、蒸发器(12)和膨胀器(15)，该膨胀器(15)能够利用所述流体的膨胀来产生能量；其特征在于，所述排气处理流体是由热回收回路运送的流体或者源自于由热回收回路运送的流体，并且，从热回收回路(10)分支出连接管线(25)，该连接管线(25)被设计用于将所述排气处理流体供应到喷射装置(6)。

Description

包括热回收回路和排气后处理***的发动机设备
技术领域
本发明涉及一种包括用于回收能量的热回收回路和排气后处理***的发动机设备，尤其(但不仅)是车辆中的发动机设备。
背景技术
多年以来，人们尝试在各个方面改进内燃发动机，尤其是在减少由于发动机燃料燃烧形成的排气中含有的非期望组分而造成的空气污染方面，以及在对燃料消耗有直接影响的发动机效率方面。
为了上述这些目的，发动机通常配备有若干个辅助***。
一方面，为了处理排气中含有的氮氧化物(NOx)，选择性催化还原(SCR)***多年来已经成为发动机设备中的标准配置，在工业车辆中尤其如此。在这种***中，与诸如氨的还原剂相混合的排气在特定的催化转化器中被处理，氮氧化物在该催化转化器中被转化成水和氮气(二者均是非有毒物质)。氨能够以尿素水溶液的形式被引入，氨从该水溶液中水解出。该尿素溶液通常在催化转化器的上游喷雾到排气中。为此，在催化转化器上游的排气管线上配设有尿素喷射喷嘴。氨还能够以氨的水溶液或气态氨的形式被引入，由于气态氨对环境和健康的影响，不太推荐使用气态氨。其他合适的还原剂包括乙醇。
另一方面，用于提高发动机效率的一种常规***提供了具有热回收回路的发动机设备，该热回收回路用于回收一部分能量，如果不加以回收，这部分能量将以热量的形式浪费在排气中、浪费在发动机冷却回路和润滑回路中，等等。这种热回收回路包括兰金回路，在兰金回路中，流体在一个闭合环路中流动，并根据兰金热力学循环而先后经历以下过程：
-工作流体(它在该阶段是液体)被从低压泵压至高压；
-上述高压流体被在发动机设备的另一个回路中流动的热流体蒸发为气体；
-该气体在膨胀器中膨胀；
-最后，该气体冷凝。
结果，用于使该兰金流体蒸发的所述热流体的至少一部分热能被在膨胀器中、例如以机械能、液压能或电能的形式回收。若不回收，该热能将白白流失。
然而，在发动机设备中提供热回收回路和排气后处理***涉及布设另外的管线和部件，这需要空间并带来了一定的成本和重量。
因此，从多个角度来看，上述发动机设备显然还存在改进空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的发动机设备，其包括热回收回路和排气后处理***，该热回收回路和排气后处理***能够克服上述这些常规发动机设备中存在的缺陷。
根据本发明，这样的发动机设备包括：
-排气后处理***，该排气后处理***包括喷射装置，该喷射装置被设计成将排气处理流体喷射到排气管线内，用于至少部分去除排气中的非期望组分；
-热回收回路，该热回收回路以环路的形式运送流体，使得该流体至少依次经过泵、蒸发器和膨胀器，并可选地经过冷凝器，该膨胀器能够利用所述流体的膨胀来产生机械能；
其特征在于，所述排气处理流体是由热回收回路运送的流体或者源自于由热回收回路运送的流体，并且，从所述热热回收回路分支出连接管线，并且该连接管线被设计用于将所述排气处理流体供应到喷射装置。
因此，在根据本发明的发动机设备中，所述排气后处理***并不包括专用的泵。供应到喷射装置的所述排气处理流体由已经用于其他目的的泵(即，热回收回路的泵)移动。
具体地，所述热回收回路联接到排气后处理***的回路，从而这些回路共用同一个泵，并且，该同一流体在热回收回路中继续流动或在连接管线中朝着喷射装置流动。因此，所述流体必须既能经历热回收循环中的多个连续过程，又能直接或间接去除排气中含有的非期望组分。替代地，所述排气处理流体也可源自于由热回收回路运送的流体。例如，所述排气处理流体可以是由热回收回路运送的流体的一个组分。实际上，可以设置成：为所述热回收回路或连接管线配备一个分离器，以便仅获取形成所述排气处理流体的期望组分，或者为所述热回收回路或连接管线配备任何化学反应器，以将该流体转化成所述排气处理流体。这种化学反应器可以仅仅是热交换器。
因此，由于本发明，能够提供一种包括热回收回路和排气后处理***的发动机设备，该发动机设备所需要的泵比现有技术的此类发动机设备中少一个。这产生了更紧凑、更廉价的发动机设备。
由于节省了驱动一个泵(否则，将需要发动机做功的一部分)，所以，这还有助于实现更好的总体发动机效率。
有利地，所述连接管线在蒸发器下游但在冷凝器上游处从热回收回路分支。利用这种布置结构，所述排气处理流体被以气体的形式喷射。由此，由于该流体并非以液体的形式喷射(这易于在排气管线内侧的排气管线壁上、在与喷射点大致相对的位置处形成固体沉积物)，所以，能够避免某些现有技术的***中存在的结晶问题。优选地，所述连接管线在膨胀器的上游处(此位置可能发生一定程度的冷凝)从热回收回路分支。
所述排气处理流体可以包括氨，例如纯氨和/或氨的水溶液(例如，氨在水中的比例为20％)。
替代地，所述排气处理流体也可包括乙醇。
所述发动机设备还可以包括流体贮箱，该流体贮箱通过供应管线连接到所述热回收回路。实际上，由于喷射到排气管线中的排气处理流体被消耗，因此需要连续向所述热回收回路提供新鲜流体。因此，可以认为所述热回收回路是半开放回路。优选地，该供应管线在所述泵上游但在冷凝器下游处连接到热回收回路。
在本发明的一个实施方案中(如果所述流体易于在低的环境温度下冻结，则该实施方案是有用的)所述发动机设备还包括回流管线，该回流管线把来自热回收回路的至少一部分流体运送到流体贮箱，所述回流线优选在所述泵下游但在蒸发器上游处从热回收回路分支。在这种情况下，所述流体贮箱可以不具有加热装置。实际上，由于该特征，在所述兰金回路中流动的流体中的、流回到流体贮箱的一部分流体是温热的，因此，它将热能带给储存在所述贮箱中的流体。
根据本发明的实施例，所述排气后处理***包括催化装置，其中，所述非期望组分被至少部分去除，所述催化装置位于喷射装置(6)的喷射入口的下游，所述排气处理流体经由该喷射入口喷射到排气管线中。
所述热回收回路中流动的流体能够在蒸发器中被以下流体蒸发：在排气管线中流动的热排气；在发动机下游的冷却剂回路中流动的发动机冷却剂；发动机机油；发动机的压缩进气；和/或EGR(排气再循环)气体等。取决于温度要求，该蒸发器可以在排气管线上位于所述催化装置的上游或下游。例如，该蒸发器可以位于喷射入口的上游。
所述发动机设备优选还包括控制单元，该控制单元能够控制所述泵的运行，以在热回收回路中维持适量的流体。实际上，随着一些排气处理流体在排气后处理***中被消耗，所述泵从贮箱吸取流体，以便维持足量的流体来使热回收回路保持高效。
根据另一方面，根据另一方面，本发明涉及一种车辆，该车辆包括上文描述的发动机设备。
然而，本发明还可以用在其它应用中，例如用在固定式工业***(如发电机)中。
当结合附图来阅读以下描述时，这些及其它特征和优点将变得显而易见，这些附图作为非限制性示例展现了根据本发明的发动机设备的实施例。
附图说明
当结合附图来阅读时，将能更好地理解以下对本发明一个实施例的详细描述，然而应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例。
图1是根据本发明的发动机设备的示意图。
具体实施方式
附图所示的发动机设备1包括内燃发动机2，该内燃发动机2可以是柴油机或火花点火式发动机。排气管线3被设置用于在发动机2的排气释放到大气中之前、朝着催化转化器4引导该排气。
在此示例中，排气后处理***是选择性催化还原(SCR)式排气后处理***，该排气后处理***旨在去除排气中的氮氧化物(NOx)的至少一部分。在催化转化器4的上游，在排气管线的壁中设置有喷射入口5，喷射装置6能够经由该喷射入口5喷射流体，该喷射装置6通常包括喷嘴。排气处理流体是能够还原氮氧化物(NOx)的还原性流体。在所示的实施例中，如稍后说明的，该流体是含有氨的气体，并可能混合有水蒸气。实际上，与该排气处理流体混合的氮氧化物能够在催化转化器4中转化为水和氮气。
发动机设备1还包括冷却剂回路7，该冷却剂回路7运送发动机冷却剂，例如水。该冷却剂借助于泵(未示出)而在一个闭合环路中移动。冷却剂进入发动机2以降低发动机的温度，从而该冷却剂变得较热。然后，在发动机2的下游，冷却剂被朝着散热器8运送，在散热器8中，该冷却剂在再次进入发动机2之前被冷却。
发动机设备1还包括允许一部分能量回收的热回收回路10。在本示例中，该热回收回路是兰金式回路(Rankine-type circuit)10。它形成半开放环路并运送作为兰金流体(Rankine fluid)的所述排气处理流体，该半开放环路联接到喷射装置6。
兰金回路10包括泵11，所述流体在该泵11中被从低压泵压到高压，例如到大约3-6巴。所述流体然后由第一管线13朝着蒸发器12运送。蒸发器12也位于排气管线3上，它处于喷射入口5的上游，从而，在兰金回路10中流动的流体在蒸发器12中被排气管线3中流动的热排气蒸发成气体。在蒸发器12的下游，该气体经由第二管线14朝着膨胀器15流动。
在所示的实施例中，该膨胀器是涡轮机15，该涡轮机15能够将所述热气体的能量回收为机械能。所述机械能可用在发动机曲轴16上，或由联接到涡轮机15的交流发电机(未示出)使用以产生电力，或者也可以由泵或压缩机使用以对流体进行加压。该电力可以用在混合动力车辆中(即，由内燃发动机和电动机驱动的车辆)或常规车辆中，以对电池进行充电，为辅助装置供电等。替代地，膨胀器15也可以是涡旋式膨胀器、螺杆式膨胀器或活塞式膨胀器。
在涡轮机15的下游，已经膨胀和冷却的气体在第三管线17中朝着冷凝器18流动，在该冷凝器18中，该气体重新变成液体。在发动机设备1应用在车辆上的情形中，所述冷凝器18通常位于车辆的正面。在冷凝器18的下游，所述流体(是液体)由第四管线19朝着泵11运送。
此外，还可在兰金回路10中、在泵11下游但在蒸发器12上游设置有加热器(未示出，有时称作“回热器”)，以便在兰金回路10中流动的流体进入蒸发器12之前对该流体进行预加热。该流体能够借助于在兰金回路10的第三管线17(即，在涡轮机15下游但在冷凝器18上游)中流动的流体进行预加热。
连接管线25在蒸发器12和膨胀器15之间从第二管线14分支，以便朝着喷射装置6运送该气态还原性流体的一部分。因此，在蒸发器12的下游，在第二管线14中流动的流体的一部分经由连接管线25被朝着喷射装置6引导，以便允许对排气进行处理，而该流体的其它部分将继续在兰金回路10的第二管线14中流动。
发动机设备1还可配备有流体贮箱20，该流体贮箱20容纳新鲜的排气处理流体或其前体物(precursor)。供应管线21被设置用于将流体从贮箱20供应到兰金回路10，所述供应管线在泵11上游汇合到第四管线19中。还设置有控制单元23，以控制泵11的运行，从而，无论喷射装置6中的流体消耗如何，均在兰金回路10中维持适量的流体。因此，该兰金回路10是半开放环路。如果所述排气处理流体是作为气体的纯氨，则所述贮箱可含有氨。如果所述排气处理流体是氨和水的混合物，则所述贮箱可含有该同一混合物或者可含有尿素的水溶液。实际上，如常规***中已知的，一旦被喷射到所述兰金回路中，尿素将分解并形成氨。
此外，还可以设置有回流管线22，以把来自兰金回路10中的流体的一部分运送到流体贮箱20中。所述回流管线22可以在泵11下游但在蒸发器12上游处从第一管线13分支。由于经由该回流管线22流回到贮箱20中的流体是温热的，所以，上述这些特征允许不必为贮箱20配备加热装置。然而，贮箱20中的流体温度能够由控制单元23提高适当的传感器24来监测。此外，出于相同的原因，不需要为供应管线21和回流管线22提供加热管。
在根据本发明的发动机设备中，兰金回路10的泵11使得流体能够在兰金回路中移动，以将还原性液体供给到排气后处理***(没有为此目的设置专门的泵)。此外，随着所述流体在排气后处理***中的不断消耗，同一个泵11还能够通过供应管线21将一些还原性流体送入兰金回路10中，但也可以设有专门的泵来完成该任务。
当然，本发明不限于上文作为非限制性示例描述的实施例，相反，本发明应包括其所有实施例。例如，所述排气后处理***可以是其他不同类型的排气后处理***，可能用于从排气中去除其它的非期望物质。所述热回收回路也可基于与兰金循环不同的循环，该循环可以源自兰金循环，例如卡利那循环(Kalina cycle)或超临界兰金循环(supercritical Rankine cycle)，或者是与兰金循环完全不同的循环，例如布雷登循环(Brayton cycle)或埃里克森循环(Ericsson cycle)。唯一的要求是，所述排气后处理***和所述热回收回路必须以至少一种共有的流体运行。

Claims (12)

1.一种发动机设备，包括：
-内燃发动机(2)和排气管线(3)，所述排气管线(3)能够收集来自所述发动机(2)的排气；
-排气后处理***，所述排气后处理***包括喷射装置(6)，所述喷射装置(6)被设计成将排气处理流体喷射到所述排气管线(3)内，用于至少部分去除所述排气中的非期望组分；
-热回收回路(10)，所述热回收回路(10)以环路的形式运送流体，使得所述流体至少依次经过泵(11)、蒸发器(12)和膨胀器(15)，所述膨胀器(15)能够利用所述流体的膨胀来产生能量；
其特征在于，所述排气处理流体是由所述热回收回路运送的流体，并且，从所述热回收回路(10)分支出连接管线(25)，所述连接管线(25)被设计用于将所述排气处理流体供应到所述喷射装置(6)。
2.根据权利要求1所述的发动机设备，其特征在于，所述连接管线(25)在所述蒸发器(12)下游但在所述膨胀器(15)上游处从所述热回收回路(10)分支。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的发动机设备，其特征在于，所述排气处理流体包括氨。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的发动机设备，其特征在于，所述排气处理流体包括乙醇。
5.根据权利要求1所述的发动机设备，其特征在于，所述发动机设备还包括流体贮箱(20)，所述流体贮箱(20)通过供应管线(21)连接到所述热回收回路(10)。
6.根据权利要求5所述的发动机设备，其特征在于，所述发动机设备还包括回流管线(22)，所述回流管线(22)把来自所述热回收回路(10)的流体运送到所述流体贮箱(20)，并且所述流体贮箱(20)不具有加热装置。
7.根据权利要求6所述的发动机设备，其特征在于，所述回流管线(22)在所述泵(11)下游但在所述蒸发器(12)上游处从所述热回收回路(10)分支。
8.根据权利要求3所述的发动机设备，其特征在于，所述排气后处理***包括催化装置(4)，所述催化装置(4)位于所述喷射装置(6)的喷射入口(5)的下游，所述排气处理流体经由所述喷射入口(5)喷射到所述排气管线中，其中，所述非期望组分被至少部分去除。
9.根据权利要求1所述的发动机设备，其特征在于，所述热回收回路(10)中运送的流体在所述蒸发器(12)中被至少一种以下流体蒸发：在所述排气管线(3)中流动的热排气；在发动机下游的冷却剂回路中流动的发动机冷却剂；发动机机油；所述发动机的压缩进气；排气再循环气体。
10.根据权利要求5所述的发动机设备，其特征在于，所述发动机设备还包括控制单元(23)，所述控制单元(23)能够控制所述泵的运行，以便在所述热回收回路(10)中维持适量的流体。
11.根据权利要求1所述的发动机设备，其特征在于，所述热回收回路还包括位于所述膨胀器(15)下游但在所述泵(11)上游的冷凝器(18)。
12.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求1至11中的任一项所述的发动机设备(1)。
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