专利名称：用于内燃发动机的能量回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机设备，例如用于机动车辆(尤其是工业车辆)的发动机设备。更具体地，本发明涉及用于这种发动机设备的能量回收系统。
背景技术：
多年来，已经尝试着提高车辆的效率，尤其是发动机设备的效率，它对燃料消耗有直接影响。在具有高速度、高温度的排气中含有大量能量，且尤其在柴油发动机的情况下，所述排气包含由发动机内的不完全燃烧过程导致的微粒。为了回收此能量的至少一部分，已经设计出若干个系统。然而，这些系统通常仅能够利用前述能量源中的一种。此外，它们会产生不希望的副作用，例如排气管线内的背压增加，这对于总的发动机效率来说是不利的。此外，大多数时间，过滤器都设置为截留和/或氧化所述微粒。为使该过滤器再生，常规的解决方法是使用另外的热源或能量源来氧化这些微粒。结果，已知的发动机白白地消耗了微粒的能含量。此外，另外的热源或能量源未被回收，这使得总体的能量平衡更差。因此，从多个观点来看，似乎都存在着对发动机设备进行改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的发动机设备，它能够克服在常规发动机设备中遇到的缺点。本发明的另一个目的是提供一种用于发动机设备的能量回收系统，该发动机设备包括更好地利用排气中含有的能量的内燃发动机。根据本发明，这样的能量回收系统包括-主管线，所述主管线具有能够从发动机的排气歧管收集排气的排气管线；-主过滤器，所述主过滤器具有有效部分和过滤器移位装置，所述有效部分插入在排气管线的两个连续部分之间以保持所述排气内含有的微粒，所述过滤器移位装置被设计为使所述主过滤器移位，以便转换所述主过滤器的有效部分；-次级管线，所述次级管线能够把进气沿着与所述主过滤器内的排气流动方向大致相反的方向朝着所述主过滤器的不同于所述有效部分的区域运送，以将微粒从主过滤器吹走并将该微粒在所述次级管线内在主过滤器下游释放；此外，所述次级管线与主管线不同，并且包括第一装置，该第一装置位于所述主过滤器下游，用于氧化所述微粒并由此加热在所述次级管线内流动的空气；以及第二装置， 该第二装置能够将所述热量回收为功。因此，本发明利用在主管线的微粒内含有的能量来生成能够用于车辆的多种元件的运转的能量。此外，还能够使用根据本发明的系统来实现能量回收和过滤器清洁。
具体而言，本发明提供了次级管线，该次级管线与主管线不同，且尤其与将进气朝向发动机进气歧管运送的进气管线不同。所述次级管线运送空气(例如环境空气)，所述空气经历了热力学循环的一系列热力学过程，从而能够从在主管线内被过滤的微粒回收能量。因为主过滤器由于其移动(例如旋转移动)且由于次级管线的逆流而被定期清洁 (以及，例如被连续清洁)，所以主过滤器能够具有更小的厚度或更小的体积。这两个因素的结果是降低了主排气管线上的背压。因此，本发明提高了车辆效率，且降低了车辆的燃料消耗。在本发明的实施方案中，该第一装置包括次级过滤器，该次级过滤器适于截留微粒；以及加热装置，该加热装置能够促进被保持在所述次级过滤器内的微粒的氧化。因为次级管线内的流量较低，所以该次级过滤器相对于主过滤器可以具有减小的尺寸，这是有利的。此过滤器能够连续或定期地通过被称为“再生”的过程而得到清洁，并且在大多数情况中，所述过程涉及加热装置。在高的再生频率的情况下，所述次级管线内的背压保持为低背压。在有利的方式中，在现有技术中存在于主管线内的背压至少部分地传递到次级管线，其中，由于根据本发明的系统，所述背压不会干扰内燃发动机的运行。例如，该加热装置包括电加热器或燃料喷射器。因此，微粒能够储存在次级管线内且定期地通过另外的外部能量而燃烧。但此能量能够至少部分地通过所述第二装置来回收。根据本发明的实施例，该第二装置包括位于第一装置下游的涡轮机，且也可以包括在次级管线上位于主过滤器上游的压缩机，所述压缩机由涡轮机驱动。因此，次级管线根据布雷顿循环工作。然而，也可以使用其它合适的热力学循环。 优选地，当存在次级过滤器时，涡轮机可以由该次级过滤器保护。在有利的方式中，所述系统还包括燃料燃烧加热器，该燃料燃烧加热器布置成在涡轮机上游进一步加热在所述次级管线内流动的空气，以提供额外能量。此燃料燃烧加热器可以与所述加热装置相同，或者可以是单独的装置。所述系统也可以包括控制单元，该控制单元被设计为控制燃料燃烧加热器的运行以开启或关闭该燃料燃烧加热器，和/或控制由该燃料燃烧加热器生成的热量大小。燃料燃烧加热器的用途是在需要的时候对布雷顿循环系统内(即次级管线内)的气流进一步加热，以便能够从该系统回收更多能量(由于涡轮机内的气体膨胀)，而这仅仅在使用通过排气换热器和可能的EGR换热器回收的热量时才是可能的。通过燃料的燃烧， 提供了此额外的热量，从而该布雷顿循环系统可作为气体涡轮发动机运行。因此，车辆能够装配有缩小尺寸的内燃发动机，该内燃发动机能够降低燃料消耗和废气排放，这能够依赖于由燃料燃烧加热器提供的额外的动力容量，以应对峰值运行条件，例如加速阶段或陡峭道路。由于所述燃料燃烧加热器而由涡轮机生成的额外的机械能能够用于产生电力。替代地，变速器装置能够将涡轮机连接到车辆传动系，以将由涡轮机提取的功传递给内燃发动机。该燃料燃烧加热器能够包括燃烧室，在燃烧室中，燃料添加到被加压和加热的空气中并燃烧。作为替代，该燃料燃烧加热器可以是布置在次级管线内的简单的燃烧器。还能够具有如下燃料燃烧加热器，其中，燃烧过程在次级管线之外且燃烧生成的热量通过换热器传递给在次级管线内流动的气体。在所有情况中，燃料都能够由车辆燃料回路适当地提供。所述系统可以还包括交流发电机，该交流发电机被设计为利用由涡轮机生成的机械能来产生电力。该电力能够用在混合动力车辆(即由内燃发动机和电动机驱动的车辆) 内或者用在常规车辆内，以向电池充电、驱动辅助设备等。优选地，所述系统也包括在排气管线和次级管线之间的换热器。通过此布置结构， 在次级管线内流动的空气具有更高的温度(因为热的排气)，因此能够使用第二装置来回收更多的能量。当然，在上述布雷顿循环的情况中，所述换热器必须在次级管线上位于涡轮机上游。例如，所述换热器能够在次级管线上位于主过滤器上游。在有利的方式中，换热器在排气管线上位于主过滤器下游，使得换热器受到过滤器保护，从而不会阻塞。还构思了 所述过滤器移位装置包括过滤通道，所述过滤通道沿着相对于排气流动方向和/或相对于在次级管线内的进气逆流而倾斜的倾斜方向布置在主过滤器内。当气体在所述管线内流动时，这样的被动布置使得主过滤器旋转。替代地，该过滤器能够通过电动机而旋转，所述电动机优选通过由第二装置生成的电力驱动。收拾系统能够还包括用于处理来自排气管线的排气和/或来自次级管线的排气的装置。这样的装置能够执行选择性催化还原，用于处理氮氧化物(NOx)。本发明也涉及装配有前述系统的内燃发动机。当考虑附在以下描述之后的附图来阅读时，这些及其它优点将变得显而易见，这些附图作为非限制性示例，代表着根据本发明的车辆的实施例。
当结合附图来阅读时，将能更好地理解本发明实施例的以下详细描述，然而，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例。在各图中图1是根据本发明的、包括能量回收系统的内燃发动机的示意图；图2是用于根据本发明的系统的、主过滤器的示意性正视图；图3是图2的主过滤器的示意性截面图。
具体实施例方式如图1中所描绘的，内燃发动机通常包括发动机缸体1，该发动机缸体1限定了多个气缸2，即，图示的实施例中的六个气缸。该发动机例如是柴油发动机。然而，本发明也可涉及需要微粒过滤器来满足目前或未来的法规限制的、任何类型的内燃发动机。进气通过进气管线3被朝向进气歧管运送，该进气歧管对气缸2供气。进气管线 3能够包括压缩机4和位于所述压缩机4下游的进气冷却器5。在每个气缸2内形成的排气由排气歧管收集，然后通过排气管线6被朝向大气运送。排气管线6能够适当地包括由排气驱动的涡轮机7，所述涡轮机7通过轴8以机械方式连接到压缩机4。进气管线3和排气管线6限定了根据本发明的能量回收系统10的主管线9。
排气管线6还装配有主过滤器11，在图2和图3中更具体地图示了该主过滤器11。 必须注意，所述过滤器对微粒执行机械过滤。根据本发明，该主过滤器是如下类型的其中在给定的时刻，仅该过滤器的一部分是有效的。在随后的时刻，该过滤器的另一个部分变成有效的。在进一步的步骤中，通过排出在先前的有效部分有效时该部分已经收集到的微粒，该先前的有效部分得到清洁。当然， 在更进一步的步骤中，一旦已将该部分的微粒排出，则该部分就能够再次变成有效的。例如，在文献FR 2688266或FR 2589194中描述了这样的过滤器的多种实施例。在附图所示的实施例中，主过滤器11非常类似于在文献FR 2688266中描述的过滤器。该主过滤器11是大致盘形的，且包括-外周部分12和中心部分13，二者形成了所述主过滤器11的支承结构。这些部分12、13能够由金属或陶瓷制成，陶瓷的优点是导热性低；-具有环形形状的中间过滤部分14，所述中间过滤部分14位于所述外周部分12 和所述中心部分13之间，且嵌入在所述支承结构中。过滤材料可以是陶瓷、纤维基材料或耐热金属。在本发明的改进的实施例中，过滤部分14包括过滤通道15(见图幻，所述过滤通道15布置在相对于方向FD倾斜的方向上，所述方向FD垂直于所述过滤器11的正中面。主过滤器11布置为大致垂直于排气管线6，即垂直于排气的流动方向FD。排气管线6面向过滤部分14，且排气管线6的横截面优选最多等于所述过滤部分14的表面积的一半。在图2所示的实施例中，排气管线6为圆柱体，其直径大约是主过滤器直径的四分之一。替代地，排气管线6能够大致成形为半月形，该半月形在环形过滤部分14的直径的一侧覆盖了环形过滤部分14的一半。最后，排气管线6包括位于主过滤器11下游的换热器16。能量回收系统10也包括与主管线9不同的次级管线17，空气在所述次级管线17 内流动且经历一系列热力学过程。在所描绘的实施例中，这些热力学过程形成布雷顿热力学循环。环境空气首先在压缩机18内被压缩，然后它经过换热器16，在所述换热器16处， 环境空气被热的排气加热，且大致沿着与排气的流动方向FD平行但与该流动方向FD相反的方向通过主过滤器11。次级管线17面向主过滤器11的过滤部分14。优选地，在主管线11附近，次级管线17具有与排气管线6相同的形状，且次级管线17的位置与排气管线6的位置关于主过滤器的轴线19对称。在图2所示的实施例中，次级管线17为圆柱体，其直径大约是主过滤器直径的四分之一。替代地，次级管线17能够成形为大致半月形，该半月形在环形过滤部分14的直径的一侧覆盖了环形过滤部分14的一半。在此情况中，排气管线6和次级管线 17匹配于主过滤器11的圆形几何形状，且大致覆盖了过滤部分14的整个表面积。在本发明的改进的实施例中，因为过滤通道15相对于排气的流动方向FD且相对于次级管线17内的空气的流动方向倾斜地定向，所以使主过滤器11绕其轴线19旋转。结果，被保持在主过滤器11中的、排气内含有的微粒被空气逆流吹走并释放在次级管线17 内。因此，主过滤器11基本被连续清洁。为了监测主过滤器11的良好运行，可以向系统10添加角速度传感器和/或压差传感器。
7
实质上，该主过滤器不是如下类型的其中微粒被过滤(即以机械方式截留)并然后被氧化。该主过滤器是如下类型的其中，微粒在一个位置被收集并在另一个位置排出。 在此，通过空气经由过滤器的反向流动来实现排出过程。在所描述的实施例中，该过滤器是旋转型的，且该过滤器连续移动。然而，也能够设置等价的如下过滤器其中，所述移动不是连续的，而是相继的，并且/或过滤部分以另一种方式从有效过滤位置移动到排放位置，如在文献FR 2589194中描述的。另外，可以假设仅利用通过该过滤器的空气的反向流动可能不足以移除足够多的微粒。因此，这可以通过另外的移除装置(例如刮板装置)来辅助， 以将尽可能多的微粒释放到次级管线内。在主过滤器11下游，含有微粒的空气在次级管线17内朝向适于截留所述微粒的次级过滤器20流动。系统10还包括加热装置21，该加热装置21能够促进被保持在所述次级过滤器20内的微粒的氧化，以清洁所述过滤器。例如，加热装置21能够包括电加热器或燃料喷射器，当需要清洁次级过滤器20时，该电加热器或燃料喷射器可定期运行。加热装置21也具有如下功能在流动于次级管线17中的更多空气到达涡轮机22之前，对该空气进行加热，在该涡轮机22处，所述空气膨胀，因此将由该气体传送的能量转化为机械能。涡轮机22通过轴23以机械方式连接到压缩机18。由于暖空气膨胀而产生的能量被回收为所述轴23上的机械能。所述能量部分地用于使压缩机18运转。在本发明的进一步改进的实施例中，所述能量也能够用于通过交流发电机M产生电力。此电力能够用于车辆的多种元件中。系统10也可以包括用于进一步处理来自排气管线6和/或来自次级管线17的排气的装置(未示出)。在柴油发动机的情形中，该装置(未示出)例如可以是用于还原排气的氮氧化物成分的SCR催化剂。优选地，应该尽可能避免从排气管线6朝向次级管线17的气体泄漏，但不必必须排除，因为所述次级管线17包括次级过滤器20。以一种有利的方式，主过滤器11被包含在壳体内，从而避免了向环境的任何泄漏。本发明的显著优点如下-所损失的排气能量的至少一部分通过次级管线被回收以生成能量，该次级管线布置为布雷顿循环或类似的热力学循环。这通过如下方式来实现即，通过回收经过换热器的发动机排气的热量的一部分，以及通过回收未燃烧微粒内含有的且利用所述微粒的氧化而潜在地释放的能量的一部分来实现；-利用设置在次级管线内的涡轮机来至少部分地回收所述加热装置使用的、清洁该次级过滤器所需的额外能量；-通过换热器和被截留在次级过滤器内的微粒的氧化，提高了布雷顿循环的效率；-系统在主管线内产生了很小的背压，因为主过滤器由于被连续清洁而不需要体积大或较厚；背压被传递给次级管线；-利用上述布置结构，不需要能量来使主过滤器旋转；-发动机效率能够增加至4%；因此能够降低燃料消耗。当然，本发明不限于以上通过非限制性示例描述的实施例，相反，它包括本发明的所有实施例。
权利要求
1.一种用于内燃发动机的能量回收系统，所述系统包括主管线(9)，所述主管线(9)具有排气管线(6)，所述排气管线(6)能够从所述发动机的排气歧管收集排气；主过滤器(11)，所述主过滤器(11)具有有效部分和过滤器移位装置，所述有效部分插入在所述排气管线(6)的两个连续部分之间以保持所述排气内含有的微粒，所述过滤器移位装置被设计为使所述主过滤器(11)移位，以便转换所述主过滤器(11)的有效部分；次级管线(17)，所述次级管线(17)能够把进气沿着与所述主过滤器(11)内的排气流动方向(FD)大致相反的方向朝着所述主过滤器(11)的不同于所述有效部分的区域运送， 以将所述微粒从所述主过滤器(11)吹走并将所述微粒在所述次级管线(17)内在所述主过滤器(11)下游释放；其特征在于，所述次级管线(17)与所述主管线(9)不同，并且所述次级管线(17)包括第一装置00、21)，所述第一装置(20、21)位于所述主过滤器(11)下游，用于氧化所述微粒并由此加热在所述次级管线(17)内流动的空气；以及第二装置(18、22)，所述第二装置(18、22)能够将热量回收为功。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一装置包括次级过滤器(20)，所述次级过滤器00)适于截留所述微粒；以及加热装置(21)，所述加热装置能够促进被保持在所述次级过滤器OO)中的所述微粒的氧化。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加热装置包括电加热器或燃料喷射器。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第二装置包括位于所述第一装置O0、21)下游的涡轮机02)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二装置包括在所述次级管线(17) 上位于所述主过滤器(11)上游的压缩机(18)，所述压缩机由所述涡轮机0 驱动。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括燃料燃烧加热器 (21)，所述燃料燃烧加热器布置为在所述涡轮机0 上游进一步加热在所述次级管线(17)内流动的空气，以提供额外的能量。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统包括控制单元，所述控制单元被设计为控制所述燃料燃烧加热器的运行来开启或关闭所述燃料燃烧加热器(21)，和/ 或控制由所述燃料燃烧加热器生成的热量大小。
8.根据权利要求4至7中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括交流发电机(M)，所述交流发电机04)被设计为利用由所述涡轮机0 生成的机械能来产生电力。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统也包括换热器 (16)，所述换热器(16)位于所述排气管线(6)和所述次级管线(17)之间。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述换热器(16)在所述排气管线(6)上位于所述主过滤器(11)下游。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的系统，其特征在于，所述过滤器移位装置包括过滤通道(15)，所述过滤通道(1 沿着相对于所述排气流动(FD)和/或相对于在所述次级管线(17)内的进气逆流而倾斜的倾斜方向布置在所述主过滤器(11)内。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于处理来自所述排气管线(6)的排气和/或来自所述次级管线(17)的排气的装置。
13.一种内燃发动机，其特征在于，所述内燃发动机包括根据权利要求1至12中的任一项所述的系统(10)。
全文摘要
系统(10)包括排气管线(6)，其从发动机收集排气；过滤器(11)，其具有有效部分和过滤器旋转装置，所述有效部分插入在排气管线的两个连续部分之间以保持所述排气内含有的微粒，所述过滤器旋转装置被设计为使所述过滤器旋转，以便转换所述过滤器的有效部分；次级管线(17)，其把进气沿着与所述过滤器内的排气流动方向相反的方向朝着所述过滤器的不同于所述有效部分的区域运送，以将微粒从过滤器吹走并将它们在所述次级管线内在下游释放。所述次级管线(17)包括第一装置(20、21)，其位于所述过滤器(11)下游，用于使微粒燃烧并由此加热在所述次级管线内流动的空气；以及第二装置(18、22)，其能够将所述热量回收为功。
文档编号F01N3/021GK102165173SQ200880131294
公开日2011年8月24日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者利亚德·巴卢尔, 米歇尔·万沃尔塞姆, 马克·勒琼 申请人:雷诺卡车公司