CN101169067A - 带有热回收系统的发动机设备及相关的热回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涡轮复合式发动机设备，包括：内燃发动机；一级回收涡轮(2，2’)，其安装在来自所述发动机的废气的排气管(1)上，向所述发动机提供机械能；热回收系统，其包括：包含工作流体的闭合回路(6)，安装在所述一级回收涡轮下游的排气管上、用于将废气的热量传给所述工作流体的热交换器(8)，由所述工作流体操动的二级涡轮(9)；其中，所述二级涡轮可向所述发动机提供机械能。本发明还提供了回收上述系统中的废气的热量的方法。

Description

带有热回收系统的发动机设备及相关的热回收方法
技术领域
本发明涉及一种涡轮复合式内燃发动机，特别是用于机动车辆、更特别是用于工程车辆的、具有热回收系统的涡轮复合式发动机。
背景技术
在汽车发动机，特别是大型柴油机，如重型车辆的柴油机中，来自发动机的废气的热能是通过位于排气管上的涡轮回收的。所述涡轮可以驱动位于进气管上的压缩机而起增压作用。在复合式发动机中，通常在增压涡轮的下游处安装一个涡轮，该涡轮通过传动轴、与适当的传动和减速系统一起，向发动机提供机械能；由于涡轮的转速通常远高于发动机的转速(每分钟数万转)，从而获得足够输出能。这种方式可以提高性能，也有利于处理产生的污染物。
无论如何，热能总不能完全回收。即使使气体膨胀到一定压力后，再将其送入处理系统以排放到大气中，气体仍有余热(如气温高达300-500℃)。为了回收这些热能，系统利用热交换器使热能转移给闭合回路中的冷媒，回路通过二级涡轮对膨胀的冷媒实现能量回收，使能量供发动机所用。然后以适当的方式使冷媒循环回到热交换器。如果冷媒气化，热交换器相当于蒸发器。这种系统为已知，不需要进一步说明。
采用二级涡轮产生电能，可能会引起整体尺寸增大和系统复杂化的问题。因此希望能够利用发动机设备中现有的结构，以简单而有效的方式回收热能。
发明内容
本发明解决了上述问题，提供了一种涡轮复合式发动机设备，特别是一种用于推进电动机的发动机设备，其包括：
-内燃发动机；
-一级回收涡轮，其安装在发动机废气排气管上，向所述发动机提供机械能；
-热回收系统，其包括：包含工作流体的闭合回路，安装在所述一级回收涡轮下游的排气管上、用于将废气的热量传给所述工作流体的热交换器，由所述工作流体操动的二级涡轮；  其中，
所述二级涡轮可向所述发动机提供机械能。
本发明还涉及回收废气热量的方法，所述废气来自复合式发动机设备的内燃发动机，所述方法包括：
-使废气通过一级回收涡轮，该涡轮用于向所述发动机传递能量；
-使从一级回收涡轮流出的废气的热量传递给闭合回路的工作流体；
-通过所述工作流体，使二级涡轮工作；
-使机械能从所述二级涡轮传递给所述发动机。本发明的其它目的体现在权利要求中。
附图说明
以下将结合附图及具体实施例对本发明进行阐述，但所述实施例只作为例子，不对本发明构成限制：
图1为本发明的发动机设备的部分结构示意图；
图2为本发明的另一实施例的发动机设备的部分结构示意图。
具体实施方式
图1中，复合式发动机设备包含一内燃发动机(图中未示出)。排气管1用于将废气从所述发动机排出。一级回收涡轮2安装在所述排气管上，由废气操动，通过特殊的减速和传动装置向传动轴3提供机械能；所述减速和传动装置可包括一对齿轮4和5，以提供合适的减速比。通常可设置连接装置以防止发动机的振动传给涡轮，所述连接装置如液压装置，例如液压接头7或福伊特偶合 器(Voith coupling)，总之所述装置是这样的系统：在该系统中运动通过油类流体传递而非直接通过机械接触传递。如果发动机被增压，根据本发明的一个优选实施例，所述一级回收涡轮安装在所述涡轮增压器的涡轮的下游。
所述发动机设备还包括内有工作流体循环流动的闭合回路。热交换器8安装在一级回收涡轮下游的排气管上，在所述热交换器8中，热量由废气向工作流体转移。如果工作流体合适(如氟里昂)，热交换器8可作蒸发器。工作流体在二级涡轮9中膨胀，然后在冷却器10中将热量传给例如外界环境，在本发明的一个可选实施例中，所述冷却器10为散热器。在上述情况下，所述工作流体的相态发生改变，可在所述冷却器10中冷凝。循环装置11，例如泵，可使所述流体循环和再压缩。所述循环装置11可用各种已知的方式，如后置式汽轮机或发动机或专门的电动马达，来驱动。这样，将以上叙述与已知的方法结合，而无需进一步的说明，就可获得用于回收热量的闭合回路。
与现有技术不同，所述二级涡轮能够将机械能传给发动机，即，通过传动轴3，和各种传动装置，该传动装置的局部可为已知的用于将能量从所述一级回收涡轮传到所述发动机的装置。根据图1所示的优选实施例，齿轮12与齿轮5相啮合，齿轮5与接头7相连，齿轮5或者还与所述一级回收涡轮的齿轮4相啮合。这种设计可使发动机与每个涡轮间的减速传动比最优化。必须指出，通常来说，二级涡轮比一级回收涡轮小，从而可以更高的速度运转以获得最佳的输出。
然而，也可有其它传输方案。图2所示为另一种方案，它适用于二级涡轮9’与一级回收涡轮2’转速相同的情况。这种情况下两个涡轮也可与同一轴12键连接。
必须指出，在本发明中，利用与一级回收涡轮一样的传动和减速系统，就可使用二级涡轮的能量，而不需要专门的发电机，这样就使得本发明的系统更紧凑、更便宜。
本发明还涉及安装有上述发动机设备的车辆。

Claims (9)

1.涡轮复合式发动机设备，包括：
-内燃发动机；
-一级回收涡轮(2，2’)，其安装在来自所述发动机的废气的排气管(1)上，向所述发动机提供机械能；
-热回收系统，其包括：包含工作流体的闭合回路(6)，安装在所述一级回收涡轮下游的排气管上、用于将废气的热量传给所述工作流体的热交换器(8)，由所述工作流体操动的二级涡轮(9)；
其特征在于：  所述二级涡轮可向所述发动机提供机械能。
2.根据权利要求1所述的增压式发动机设备，其特征在于：所述一级回收涡轮位于涡轮增压器的涡轮的下游。
3.根据以上任一项权利要求所述的发动机设备，其特征在于：所述二级涡轮和所述一级回收涡轮(2)通过相同的液压接头连接至所述发动机。
4.根据以上任一项权利要求所述的发动机设备，其特征在于：所述二级涡轮(9)和一级回收涡轮(2)通过具有不同减速比的传动和减速装置(4，5，12)连接至所述发动机。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的发动机设备，其特征在于：所述二级涡轮(9’)和所述一级回收涡轮(2’)与同一轴(12)键连接。
6.根据以上任一项权利要求所述的发动机设备，其特征在于：所述二级涡轮和所述一级回收涡轮通过齿轮连接至所述发动机。
7.根据以上任一项权利要求所述的发动机设备，其特征在于：所述发动机设备为用于机动车辆的柴油机。
8.回收废气热量的方法，所述废气来自复合式发动机设备的内燃发动机，所述方法包括：
-使废气通过一级回收涡轮，该涡轮可向所述发动机传递能量；
-使从一级回收涡轮流出的废气的热量传递给闭合回路的工作流体；
-通过所述工作流体，使二级涡轮运转；
-使机械能从所述二级涡轮传递给所述发动机。
9.安装有如权利要求7所述的发动机设备的车辆。
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