CN105121826A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于为装备有内燃发动机(16)的机动车辆回收能量的系统(10)。该系统包括用于这些发动机排气的部分再循环的一个再循环回路(17)，并且包括第一冷却剂回路(21)，该第一冷却剂回路经过该发动机(16)并且经过被配置用于从该再循环回路(17)中收集热能的一个第一冷却交换器(1)。该回收系统进一步包括一个第二回路(22)，状态改变流体循环穿过该第二回路。该第一回路(21)包括至少一个第一耦合交换器(11)，该第一耦合交换器用作该第二回路(22)的一个热源。该系统(10)包括第三冷却剂回路(23)，该第三冷却剂回路包括能够从该再循环回路(17)中收集热能的一个第二冷却交换器(2)。该第一回路(21)和该第三回路(23)被定位的方式使得穿过该第一回路(21)和穿过该第三回路(23)的冷却剂循环可以是独立的。

Description

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
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(Rankinecycle)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FR2884556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JP2007332853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EGRHP)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。
部分再循环回路可以包括该EGRHP型的一个再循环管线，该再循环管线使这些排放气体中的一些在不经过该发动机的一个涡轮压缩机的情况下从这些发动机汽缸的下游返回到该发动机的一个进气歧管，或返回到这些发动机汽缸的入口。根据其他替代形式的实施例，该再循环回路可以包括一个EGRLP型的管线，该管线将这些排气返回到一个涡轮压缩机的入口侧。
根据一个有利的实施例，该系统包括一个恒温器，该恒温器被配置成以便在一个第一位置和一个第二位置之间交替地进行切换，在该第一位置中，穿过该第一回路和该第三回路的这些冷却剂循环是彼此独立的，并且在该第二位置中，穿过该发动机的液体中的至少一些还经过该第二冷却交换器。根据一个优选的实施例，该恒温器被配置用于：当由该恒温器检测到的该液体温度低于一个阈值温度时切换到该第一位置中，并且当检测到的该液体温度高于该同一个阈值温度时切换到该第二位置中。
该第三回路可以包括一个第一散热器，该第一散热器能够将热能从该第三回路传递到该车辆外部的大气中。
有利地，该第一散热器被安装成与该第二冷却交换器串联。这意味着该第一散热器和该第二冷却交换器位于该第三回路的同一个支路上。经过该散热器和/或相应地经过该冷却器的所有冷却剂因此经过该冷却器和/或相应地经过该散热器，不论该恒温器是处于该第一位置或是处于该第二位置中。
该第三回路可以进一步包括一个第二散热器，该第二散热器能够将热能从该第三回路传递到该车辆外部的大气中，该第二散热器被安装成与该第二冷却交换器并联，或者更确切地说，这样使得当该恒温器处于该第二位置时该第二散热器与该第二冷却交换器是并联的。这意味着相对于当该恒温器处于该第二位置时该冷却剂循环的方向而言，该散热器和该冷却器是在具有一个共同的上游分支和一个共同的下游分支的两个支路上。
根据一个优选的实施例，该第三回路包括一个第一泵，该第一泵以这样一种方式定位：以便将将该冷却剂从该第一散热器引导到该第二冷却交换器。作为优选，该第三回路随后被确定尺寸，这样使得当该恒温器处于该第一位置时，建立相继穿过该第一散热器、该第二冷却交换器以及该第三散热器的一个冷却剂环路。有利地，该第三回路可以包括一个液体贮存器，该液体贮存器被配置用于容纳在该第三回路中的该冷却剂的膨胀。作为优选，该贮存器被定位在一个支路上的该第三回路上，该支路与包括该第二散热器的一个支路并且与包括该第一散热器、该第一泵以及该第二冷却交换器的另一个支路并联连接。优选地，该第三回路还包括与前面提及的三个支路并联连接的一个均衡支路。
根据一个优选的实施例，该第一回路包括一个单元加热器，该单元加热器能够将热能从该第一回路传递到车辆客舱空气中。于是该第一回路限定了装备有至少一个泵的一个第一冷却剂环路，该泵被配置用于使该第一环路的液体相继地循环穿过该发动机、该第一冷却交换器以及该单元加热器。
有利地，该第一回路进一步包括一个旁路支路，该旁路支路被连接的方式使得该冷却剂可以不经由该发动机传递的情况下循环穿过该第一冷却交换器、然后该单元加热器。该旁路支路可以实质上由不带有交换器的一个均压管组成，或者可以包括例如被用于冷却该发动机的一部分或其气体回路的一部分的一个交换器。该旁路支路可以有助于限定一个次级环路，该次级环路用于具体地经过该旁路支路和经过该第一冷却交换器和该单元加热器的一个管道的冷却剂循环。根据一个优选的实施例，该旁路支路可以包括一个第四冷却交换器，该第四冷却交换器被配置用于从经过属于该再循环回路的一个气体调节阀的该冷却剂中转移热能。根据一个有利的实施例，该第一回路包括定位在该第一液体循环环路上、在该次级液体循环环路外部的一个开/关阀。该第二泵随后可以被定位在该第一环路和该次级环路共用的一个支路上的该第一回路上。有利地，该第一回路包括定位在该第二环路外部的该第一环路上的一个泵。作为优选，该开/关阀被定位在该发动机的上游。该开/关阀例如通过一个电子控制单元进行操作，用于在该发动机正在执行一个冷启动时中断穿过该发动机的冷却剂循环。
该系统可以包括一个第三冷却交换器，该第三冷却交换器被配置用于将热能从一个油回路、或更一般地从一个润滑流体回路中转移到该第一回路的该液体中。有利的，该第三冷却交换器可以被定位在该发动机的该第一环路上游上，并且在该次级环路的外部。有利地，该第一回路可以包括一个或多个均衡支路，以允许冷却剂的流速和这个冷却剂循环的方向得以稳定。一个第一均衡支路例如可以将位于该发动机与该第一冷却交换器之间的该第一环路上的一点连接到在该单元加热器下游的该第一环路上的一点。该恒温器有利地可以被定位在该第一均衡支路上，以便当该恒温器处于该第一位置时允许离开该发动机的液体循环，并且当该恒温器处于第二位置时切断穿过该第一均衡支路的冷却剂循环并且将离开该发动机的液体中的一些传送到该第三回路。
一个第二均衡支路例如可以与该第二冷却交换器并联连接。
该第一回路可以进一步包括一个第二耦合交换器，该第二耦合交换器用作该第二回路的一个热源。该第二耦合交换器或过热器被配置用于允许通过该第一回路将热能传递到该第二回路的已在该第一耦合交换器中蒸发的该流体中。
根据一个特别有利的第一实施例，该第一耦合交换器被定位在介于该第一冷却交换器与该单元加热器之间的该第一液体环路上。如果存在一个第二耦合交换器，相对于该液体循环穿过该第一环路的方向该第一耦合交换器被定位在该第二耦合交换器下游的该第一环路上。
根据一个第二有利的实施例，该第一耦合交换器被定位在该第一环路上、在该发动机的下游且在该第一冷却交换器的上游。
根据一个第三有利的实施例，该第一耦合交换器被定位在该第一环路上、在该单元加热器的下游且在该发动机的上游。作为优选，在这个实施例中，该第一耦合交换器还被定位在该第一回路的一个第四冷却交换器的下游，该第四冷却交换器被配置用于从经过属于该再循环回路的一个气体调节阀的该冷却剂中转移热能。该第四冷却交换器例如可以位于连接该发动机的下游侧和该第一耦合交换器的上游侧的一个支路上。
根据一个第四有利的实施例，该第一耦合交换器与包括该第一交换器和该单元加热器的一个支路并联地设置在该第一回路上。
本发明的另一个方面提出了一种由机动车辆内燃发动机所采用的用于管理能量的方法，其中使用的是一个第一冷却剂回路，该第一冷却剂回路冷却该发动机以便从该车辆的一个排气再循环回路中收集热能，并将所收集热能中的至少一些传输到一个第二状态改变流体回路。使用的是一个第三冷却剂回路，该第三冷却剂回路同样能够从该气体再循环回路中收集热能。当该离开该发动机的冷却剂的温度高于一个阈值温度时该第一回路和该第三回路是连接的，并且当不是这种情况时使得冷却剂独立地循环穿过该第一回路并且通过该第三回路。根据一个特别有利的实施例，当该发动机正在执行一个冷启动时，使得来自该第一回路的液体在不经过该车辆发动机的情况下经过一个车辆客舱单元加热器。作为优选，该状态改变流体第二回路包括一个膨胀机，该膨胀机被配置成能够将机械能供应到该内燃发动机的一个输出轴上。
通过阅读以下仅仅通过非限制性实例给出的并且参照附图作出的说明，本发明的其他目的、特征和优点将会变得明显，在附图中：
-图1是示出装备有根据本发明的一个能量回收系统的机动车辆发动机的示意图；
-图2是回顾如根据本发明的一个能量回收系统中所使用的一个状态改变流体回路的多个关键元件的视图；
-图3是示出根据本发明的一个能量回收系统中的冷却剂的一个循环图的示意图；
-图4是示出根据本发明的一个能量回收系统中的冷却剂的另一个循环图的示意图；
-图5是示出根据本发明的一个能量回收系统中的冷却剂的另一个循环图的示意图；
-图6是示出根据本发明的一个能量回收系统中的冷却剂的又一个循环图的示意图；
-图7展示了图3的能量回收系统的一种操作模式；
-图8展示了图3的能量回收系统的另一种操作模式；
-图9展示了图3的能量回收系统的又一种操作模式。
如图1所示，用于从一个内燃发动机16回收热能的一个系统10包括用于冷却发动机16的一个第一冷却回路21。
从一个进气口24向发动机16供应空气，该进气口允许来自车辆外部的空气由一个涡轮压缩机20的一个压缩机吸入。该空气随后被传送到进气歧管37，从该进气歧管允许该空气流向发动机16的不同汽缸，以充当注入这些汽缸中的燃料的氧化剂。
这些已燃烧气体随后从该发动机的这些汽缸被排出到一个排气歧管47。这些已燃烧气体中的一些经由一个已燃烧气体再循环回路17从排气歧管47返回到发动机16的进气歧管37。这些已燃烧气体的另一部分被引向发动机16的排气34，这一部分已燃烧气体在它们经过时驱动涡轮压缩机20的涡轮机。
该系统包括标记为1的一个第一冷却交换器和标记为2的一个第二冷却交换器，两者被定位的方式使得能够从通过气体再循环系统17返回到进气歧管37的那一部分燃烧气体中转移热能。第二冷却交换器2沿这些气体流动的方向被安装在第一冷却交换器1的下游。
根据文献，第一冷却交换器1还可以被称为“热EGR交换器”，并且该第二冷却交换器有时被称为“冷EGR交换器”。
第一冷却剂回路21经过发动机16、第一冷却交换器1以及一个或多个“耦合”交换器，该“耦合”交换器允许回路21将热能传递到一个第二状态改变流体回路22。一个泵29规定了该冷却剂循环穿过第一回路21的方向，这样使得该冷却剂相继经过发动机16、第一冷却交换器1、以及第一回路21和第二回路22共用的多个耦合交换器。
在所示的实施例中，已燃烧气体再循环是EGR(排气再循环)HP(高压)型的，因为这些已燃烧气体在它们已经过涡轮压缩机20的涡轮机之前被回收。本发明同样可以应用于使气体在低压下再循环(EGRLP)的一个气体回路，例如将这些燃烧气体带离涡轮压缩机的涡轮机的下游并且在该涡轮压缩机的压缩机的上游将它们重新注入的一个回路。
系统10包括同样是一个冷却回路的标记为23的一个第三回路，该第三回路经过第二冷却交换器2，这样使得可以将残余热能从气体再循环回路17中转移，这意味着热能并未通过第一冷却交换器1移除并且希望该热能的移除能够在发动机16的进气侧上获得所期望的气体温度。由该第三回路收集的这种热能的至少一些被传递到存在于第三回路23上的一个第一散热器8。一个第一泵28规定了这些冷却剂回路穿过第三回路23的方向。到进气歧管37的再循环气体的总流速是通过一个阀18或EGR阀来调节的，该阀的机构使用标记为4的一个冷却交换器进行冷却。
图2中更详细地展示了第二回路22的操作原理。图2再次示出了与图1共同的多个元件，这些相同的元件是由相同的参考号表示。第二回路22(也可以以“兰金回路”或“兰金-伊恩回路”的名称表示)包括一个第一耦合交换器11或“蒸发器”，从而允许将热能从第一回路21的冷却剂中转移到存在于第二回路22中的一个状态改变流体以便使这个状态改变流体蒸发。第二回路22的处于蒸汽状态的流体随后进入一个第二耦合交换器12或“过热器”，以便进一步增加所获得蒸汽的温度。
在耦合交换器11和12处，该第二回路的冷却剂和流体相对于彼此逆流地循环，以提高热交换的效率。在这种安排中，第二交换器12因此使得经过其冷却剂比经过交换器11的冷却剂更热。在第二回路22中，该由此过热的蒸气被传送到一个膨胀机43，该膨胀机的一个输出轴38例如可以使用一个滑轮系统被联接到发动机16的一个输出轴41上。该滑轮系统可以包括一个次级轴39，该次级轴与例如通过一个皮带附接到其上的发动机16的轴41一起作为一个整体旋转。次级轴39可以被定位的方式使得可以使用一个离合器40将其与膨胀机43的输出轴38可选地接合和脱离接合。
一旦该蒸气已经过膨胀机43，该蒸气就会在一个冷凝器42中被冷却以使其返回到液体状态。由此获得的液体随后被传送到一个瓶36，在该瓶中残余气泡可以与该流体分离。包含在瓶36中的该液体被重新加压并且通过一个泵35以液体且无气泡状态重新注入到交换器11和12中。第二回路22可以被表示为一个“兰金回路”或一个“兰金-伊恩回路”，因为循环穿过这个回路的流体经历了类似于以兰金-伊恩循环的名称为人所知的循环的一个热力循环。
图3展示了根据本发明的一个能量回收系统中的多个冷却回路的一种可能配置。图3再次示出了与图1和图2共同的元件，这些相同的元件随后是由相同的参考号表示。图3再次示出第一冷却剂回路21和第三冷却剂回路23。
第三回路23包括第一泵28，该第一泵优选地是一个可调输出泵、例如一个电动泵，并且被定位的方式使得能够改变经过第二冷却交换器2的冷却剂的量。泵28被确定尺寸以使得可以建立一个穿过第三回路23的冷却剂循环。第三回路23包括管道51、52、53、27，通过这些管道可以在至少一个流体环路、并且优选地在若干流体环路中发生这种循环。穿过不同环路的循环的方向可以根据该第三回路是否被连接到另一个冷却回路上或者该第三回路是否是独立操作的而明显地变化。泵28和第二冷却交换器2彼此串联地被定位在同一个管道52上。管道52还可以经过第一散热器8。与管道52并联连接的管道51可以经过一个第二散热器7。
第一冷却剂回路21包括第二泵29和一个第三泵30。第二泵29被定位的方式使得经过发动机16的冷却剂的流速可以发生变化。第三泵30被定位的方式使得经过第一冷却交换器1的冷却剂的流速可以发生变化。第一回路21包括管道54、55、56、25，这些管道允许流体能够在经过管道54和55的一个第一流体循环环路31中、在经过管道55和56的一个次级流体循环环路32中或同时在若干流体循环环路中循环。循环例如可以是穿过一个第一次级流体循环环路32并且同时穿过经过管道25和55的一个第二次级流体循环环路33的。泵29和30被确定尺寸以便能够一起建立一个穿过第一回路21的流体循环。穿过第一回路21和穿过第三回路23的这些冷却剂循环可以通过两个流体管道14和15相互连接。管道14将第一回路21和第三回路23永久地连接，而管道15经由一个恒温器5仅有时将这两个回路连接，这取决于恒温器5的位置。恒温器5被定位在发动机16的下游。“发动机16的下游”意味着离开发动机16的液体是在到达恒温器5之前不经过其他交换器的情况下到达恒温器5的。
最多，在图4中所示的一个特殊情况下，离开发动机16的流体可以经过一个单一交换器，在这种特定配置中该单一交换器是与第二回路22耦合的第一耦合交换器11。
恒温器5的入口侧被连接的方式使得已经过发动机16的液体中的至少一些可以经过恒温器5。恒温器5可以采用至少两个位置。当恒温器5处于一个第一位置时，进入恒温器5的流体被引向第一回路21的支路25。当恒温器5处于一个第二位置时，进入恒温器5的流体被引向连接支路15，该连接支路将该流体传送到第三回路23。恒温器5可以被配置成当经过该恒温器的液体的温度低于一个阈值温度时定位在该第一位置中，并且当经过该恒温器的液体的温度高于这个阈值温度时切换到该第二位置中。
第一回路21的第一流体循环环路31根据该液体循环穿过这个环路31的方向从上游到下游相继地包括：在管道54上的发动机16、然后在管道55上的第一冷却交换器1、以及然后一个开/关阀9。
根据这些实施例变体，第一环路31还可以包括在管道55上的用于与第二回路22耦合的一个交换器11或12(或用于与第二回路22耦合的两个交换器11和12)。这个/这些耦合交换器11和/或12被定位在第一冷却交换器1与开/关阀9之间。第二泵29可以与发动机16位于同一个管道54上，并且第三泵30可以与第一冷却交换器1位于同一个管道55上。
第一环路31还可以包括一个单元加热器6，即能够将热能从该冷却剂传递到机动车辆的客舱的一个交换器。单元加热器6是在管道55上、介于第二回路22的交换器12与开/关阀9之间。交换器11潜在地可以插入在交换器12与单元加热器6之间(图3)或单元加热器6与开/关阀9之间(图6)。
更具体地，返回到图3中所示的实例中，第一环路31从上游到下游按顺序包括：在管道54上的第二泵29、然后发动机16，然后在管道55上的第三泵30、第一冷却交换器1、第二耦合交换器12、第一耦合交换器11、单元加热器6；最后是开/关阀9，该开/关阀例如可以定位在管道55与管道54之间。
交换器11和12在此被称为“耦合交换器”，因为它们允许热能从第一回路21转移到第二回路22，该第二回路能够至少部分地将这种热能转换成机械功。第一回路21充当一个耦合回路，该耦合回路将这些冷却的部件(如发动机16)与第二回路22或兰金-伊恩回路耦合。
在图3所示的实施例中，在第一环路31上还存在一个第三冷却交换器3，该第三冷却交换器允许热能从一个油回路(变速箱油和/或发动机油)转移到第一回路21的冷却剂。第三冷却交换器3在此位于开/关阀9与发动机16之间、在泵29的上游。
仍然在图3中，为了更容易地建立冷却剂的稳态流动，第一回路21包括一个第一均衡支路25和一个第三均衡支路26，这些均衡支路基本上是由多个管道组成，这些管道不包含特定部件或至少不包含引入除了由该管道引入的压降之外的压降的部件。第三回路23包括一个第二均衡支路27。
第一均衡支路25包括恒温器5的入口和恒温器5的一个第一出口。换句话说，当恒温器5处于该第一位置时，离开发动机16的液体经过均衡支路25。这个均衡支路25连接在单元加热器6的下游处、开/关阀9的上游，其中上游/下游是相对于该流体循环穿过第一环路31的方向而使用的。第一均衡支路25与管道54、管道55、以及管道56并联连接。如果恒温器5被认为是属于均衡支路25，那么管道25、55和56具有在一端处的一个第一共同连接点45和在它们的另一端处的一个第二共同连接点46。
第二均衡支路27使得可以在第三回路23中建立与经过管道51和52的这些流并行的一个冷却剂流。
第三均衡支路26使得可以在第一回路21上通过将流体从开/关阀9直接运送到泵29来绕过第三交换器3。
如从图3可以看出的，第一回路21的这些管道限定了前面提及的液体循环次级环路32、33，当位于该第一环路上的开/关阀9闭合时，沿着这些液体循环次级环路可以建立一个冷却剂循环。
第一次级流体环路32例如可以沿管道55和56经过，这些管道在管道55的第一共同连接点45和第二共同连接点46处是彼此连接的。
第一共同连接点45位于发动机16与恒温器5之间。位于管道55上的单元加热器6的下游的第二共同连接点46相对于环路31中的循环方向而言是在开/关阀9的上游。第二连接点46还对应于均衡支路25的与恒温器5相对的末端，并且对应于管道56的与从发动机16的下游出现的末端相对的末端。
管道56可以包括一个第四冷却交换器4，这样使得可以例如在操作EGR阀18的一个控制箱处从EGR阀18收集热能，以便将这些控制电子器件保持在这些电子器件可接受的一个温度下。由管道55和56限定的次级环路32相继经过泵30、第一冷却交换器1、第二回路22的至少一个耦合交换器12、第二回路22的可能另一个耦合交换器11，穿过单元加热器6并且随后在返回到泵30之前穿过第四冷却交换器4。
当阀9是闭合的时，第一回路21还可以限定用于流体循环的一个第二次级环路33。这个第二次级环路33经过第一均衡支路25。因此，该液体相继地循环穿过泵30、第一冷却交换器1、至少一个耦合交换器12、可能另一个耦合交换器11，穿过单元加热器6并且在返回到泵30之前穿过均衡支路25。当然，这个第二次级环路33仅在恒温器5处于该第一位置时是可操作的。
第三回路23包括对应于管道52的一个第一冷却支路，并且在该第一冷却支路上至少存在泵28、第二冷却交换器2以及被配置用于将热能从该冷却剂传递到大气中的一个第一散热器8。在图3所示的实例中，这些元件按照从上游到下游(相对于由泵28规定的流体流动方向而言)的顺序是：第一散热器8、泵28以及第二冷却交换器2。
第三回路23包括至少一个第二冷却支路，该第二冷却支路对应于管道51并且使得可以在恒温器5处于该第一位置时与第一冷却支路一起限制一个流体循环环路44。这个第二冷却支路例如可以包括第二散热器7。散热器7因此被定位的方式使得：当恒温器5处于该第二位置时，来自发动机16的冷却剂经过该散热器，并且当恒温器5处于该第一位置时，来自第二冷却交换器2的流体经过该散热器。当该恒温器处于该第二位置时，第二散热器7充当冷却发动机16的主冷却散热器。
当恒温器5处于该第一位置时，建立在第三回路23内的循环环路44相继经过第一散热器8、泵28、第二冷却交换器2以及第二散热器7。
第三回路23还可以包括一个冷却剂贮存器13，该贮存器被配置成能够容纳该第三回路中的冷却剂的膨胀。当两个回路相互连接时，贮存器13还使得可以同时容纳第一回路21和第三回路23的冷却剂的膨胀。贮存器13例如可以位于第三回路的与管道51和管道52并行运行的一个管道53下方。
注意：为了在图3中提供与气体再循环回路17相关的不同冷却交换器所占据位置的一个视觉提示，代表该第二冷却交换器、该第一冷却交换器以及该第四冷却交换器的这些矩形带有指示字母A、B、C。这些字母允许使用安排在气体再循环回路17的示意图上的、标记为19的三个标签来从同一幅图中读取这些交换器的相对位置。
相对于这些气体循环的方向，用字母A指示的第二冷却交换器2因此位于用字母B指示的第一冷却交换器的下游。第四冷却交换器4就其本身而言是与该调节阀或EGR阀18相关联的，并且是用字母C指示。该第四冷却交换器通常与阀18一起定位在第一冷却交换器1与第二冷却交换器2之间。
图4至图6展示了本发明的多个实施例，其中第一耦合交换器11的定位不同于图3的定位。存在针对该定位不同的可能选项，牢记这一事实：当再循环回路17的阀18打开时，该冷却剂从EGR交换器1获取与由经过发动机16获取的热能相比至少同样多的并且稍微更多的热能。
图4至6再次示出了与前述各图共同的多个元件，相同的元件由相同的参考号表示。
在图4中，第一耦合交换器11(即第二回路22的蒸发器)不再位于第二耦合交换器12和单元加热器6之间。该第一耦合交换器保持插入在第一循环环路31上，并且紧邻发动机16的下游定位。该第一耦合交换器遵循发动机16与第一冷却交换器1之间的液体的循环方向被定位在环路31上。在图4中，该第一耦合交换器甚至是环路31上的第三泵30的上游。
第一耦合交换器11还是在包括该第一冷却交换器的管道55与包括第四冷却交换器4的管道56之间的连接点45的上游。
因此，耦合交换器11已将离开发动机16的冷却剂在这个液体通过经过泵30到达第一冷却交换器1之前部分冷却。由于这种安排，我们具有更冷的液体经过的一个第一冷却交换器1。由第一冷却交换器1处的这些气体传递的热能随后可以在该兰金回路的过热器12处被回收，以使得该兰金回路中的流体的温度达到比在蒸发器11中获取的温度更高的一个温度。
在图5所示的实例中，第二回路22的蒸发器11是通过第一回路21的一个专用管道57来供应冷却剂的。管道57安装成与管道55的带有第一冷却交换器1、过热器12以及单元加热器6的部分并联。这个专用管道57被定位在泵30的下游。已经过管道30的冷却剂中的一些将从发动机16获取的热能传递到蒸发器11。经过泵30的流体的其余部分将另外的热能收集在第一冷却交换器1中，然后将这个热能的全部或一些传递到过热器12。过热器12因此被供应有比经过蒸发器11的冷却剂更热的冷却剂。已经过过热器12，仍然相对较热的冷却剂经过单元加热器6，在该单元加热器处该冷却剂可以有助于将热能传递到车辆客舱空气。
在图6所示的实施例中，蒸发器11被设置在第一流体环路31上、在单元加热器6的下游。该蒸发器位于第二连接点46与开/关阀9之间。当EGR阀的第四冷却交换器4朝向开/关阀9递送冷却剂时，这个液体因此经过蒸发器11。因此，蒸发器11使得经过其的一个冷却剂与经过蒸发器12的冷却剂相比理论上处于更低的一个温度下。同时，蒸发器11从刚刚通过再循环回路17、在该再循环回路的EGR阀18处被传递到第四冷却交换器4的热能中获益。此外，蒸发器11收集来自第四冷却交换器4的热能，该能量将因此不再返回到发动机16，这与图4和图5的实施例不同。
作为图3的实施例的一个实例，图7至图9展示了该能量回收系统的不同操作配置。可针对图4至6的全部实施例读取整体操作原理。
在图7中，恒温器5处于该第一位置。那么，第一冷却回路21和第三冷却回路23是独立操作的，液体并未通过支路14和15进行交换。离开发动机16的该冷却剂在管道55、56以及均衡支路25之间被分流。
由该冷却剂在发动机16处、然后在第一冷却交换器1处回收的热能在一个逆流交换中部分地被传递到过热器12并且随后部分地被传递到第二回路22的蒸发器11。由于循环在第一冷却回路21和第二回路22之间是逆流的，所以第二回路22的流体在经过过热器12之前当然首先经过蒸发器11。
已将热能传递到第二回路22，该冷却剂可以在单元加热器6处使车辆客舱升温。在这种配置中，开/关阀9是打开的。在第三冷却回路23中，泵28建立一个或多个循环环路，尤其是在返回到泵28之前相继经过第二冷却交换器2或“冷EGR交换器”、第二散热器7、第一散热器8的循环环路44。离开第二冷却交换器2的冷却剂也可以部分地被递送到均衡支路27并且部分地返回到贮存器13。
当发动机16达到需要被冷却的一个温度时和/或当发动机16的温度允许冷却剂被充分加热以致于能够将可用的能量供应到第二回路22和/或单元加热器6时，可以使用图7中所示的这个操作图。该冷却剂中的至少一些随后循环穿过第一回路21的第一液体环路31。
然而，该系统被配置成仅仅在经过恒温器5的该冷却剂不超过一个阈值温度的情况下保持在这个操作模式下。低于这个冷却剂阈值温度，第二回路22和单元加热器6的使用允许将第一冷却交换器1或“热EGR冷却器”和发动机16保持在针对这些元件的所期望的最大操作温度下。
当该车辆启动时，发动机16最初不需要冷却，和/或发动机16的温度不足够高而不能获得第二回路22的令人满意的效率和/或对于单元加热器6而言不能有效地使客舱升温。当该发动机的温度低于一个阈值温度时，开/关阀9可以因此闭合。
那么这成了图8中所示的配置。阀9例如可以使用一个电子控制单元(未示出)来进行打开或闭合。泵29干运行，或者如果它是一个机械泵则可以脱离接合，或者如果它是一个电动泵则甚至可以关断。那么在上文提到的液体环路32和33中就建立了穿过第一回路21的一个冷却剂循环。这些“短”环路允许可在EGR阀的第一冷却交换器1和第四冷却交换器4处获得的热能在冷却剂不经过发动机16的情况下能够迅速投入使用。穿过第三回路23的流体的循环图与图7的循环图保持相同。应注意的是，在图8的实施例中，闭合的开/关阀9还防止冷却剂经过与发动机油回路相关联的同样不足够热的第三冷却交换器3。
当发动机16是热的并且离开发动机16的流体的温度超过恒温器5的该阈值温度时，恒温器5切换到该第二位置中。
该系统于是发现其本身处于图9中的配置。离开发动机16的该冷却剂中的一些因此被引向该车辆的第二散热器7，该第二散热器可以被称为冷却发动机16的主冷却散热器，并且离开发动机16的流体的另一部分被引向第一散热器8，在该第一散热器中该液体在经过第二冷却交换器2或“冷EGR交换器”之前部分地被冷却。离开第二交换器2的液体中的一些经过均衡支路27以返回到发动机16。
离开发动机16的流体中的一些仍然被传送到第一回路21中，尤其是送入第四冷却交换器4和第一冷却交换器1。已经过第一冷却交换器1的流体随后被用作用于第二回路22并且如果需要相继地用于单元加热器6的一个热源。
在图9所示的这种配置中，这两个散热器7和8有助于从已经过发动机16的该冷却剂中消散热能。
本发明并不局限于所描述的这些实施例并且可以以大量替代的形式传递。本发明特别适合于柴油机型的发动机，尤其是车辆发动机，但也可以应用于固定式发动机，例如发电机组。该单元加热器于是可以被省略。
不同的泵28、29、30可以不同于这些图中所示的它们的位置定位。例如，泵29可以位于第三冷却交换器3的上游，或者可以被定位在发动机16与分支点45之间。泵30可以被定位在沿管道55的其他位置处。为了限制这些车辆流体回路的总体尺寸以及安装成本，冷凝器42可以是与一个车辆空气调节回路的冷凝器共同的一个冷凝器。用在该兰金回路中的流体可以与用在该空气调节回路中的流体相同。该冷凝器于是可以具有仅一个入口，来自该兰金回路的蒸发流体和该空气调节回路的蒸发流体所到达的达到该入口处；并且具有仅一个出口，该出口递送相同的流体，该流体在其在第二回路22与该空气调节回路(未示出)之间再次分流之前被液体化。
第一散热器8在尺寸上可以小于第二散热器7，该第二散热器当这样要求时需要提供对发动机16的有效冷却。第一散热器8可以潜在地被定位成与散热器7成一直线，这两个散热器使相同的空气流经过它们。在另一种替代形式的实施例中，这两个散热器可以被定位的方式使得相互独立的气流经过它们。
贮存器13优选地被定位在第三回路23上。这改进了第三回路23的透过性。在带有贮存器13的支路中，该流体可以总在同一个方向上循环，不管恒温器5是处于该第一位置或是处于该第二位置中。
可以设想一个第二贮存器被定位在第一冷却剂回路21上的多个替代形式的实施例。
第二回路22的泵35可以是连接到发动机16的一个输出轴上的机械泵，或是一个可调输出泵，例如一个电动泵。
位于该发动机附近的泵29可以是一个机械泵，该机械泵是由该发动机驱动并且潜在地可以是可脱离接合的，这样使得当该发动机正执行一个冷启动时该机械泵不会使发动机16减速。在一个优选的替代形式的实施例中，这个泵29可以是一个可变输出泵，例如一个电动泵。泵28和30优选地是可变输出电动泵。
在本发明中提出的该冷却剂循环系统允许使用可以由该兰金回路和/或通过单元加热器6利用的热能，甚至是在发动机16才刚刚启动时。一旦发动机16达到其巡驶速度，这个系统还允许对这个发动机进行有效地冷却。
由于两个EGR冷却器(即相对于该再循环气体回路串联的一个“热”EGR冷却器1和一个“冷”EGR冷却器2)的组合使用，返回到该发动机的该进气侧的这些气体的温度可以得到有效地调节，并且同时限制在这些冷却器中的每一个的输入端与输出端之间的这些气体的温度梯度，并且因此限制再循环回路17的积垢。
根据一个有利的实施例，这些冷却交换器1和2中的每一个可以被“短路”：这些再循环气体可以被传送到一个第一气体旁路导管和/或一个第二气体旁路导管，该气体旁路导管在不使这些气体经过该第一冷却器和/或不使它们经过该第二冷却器的情况下使它们返回到该发动机的该进气侧。因此有时可以仅使用这两个冷却器中的一个，这取决于例如在该车辆外部的空气温度和再循环气体的流速。
当再循环气体阀18闭合时或者当这些再循环气体未被传送到第一冷却器1时，该第二兰金回路潜在地可以继续操作并且继续递送机械能，即使与在热能是由该第一冷却器回收时相比是以更少的量递送的。当然，这个选择取决于发动机16的温度、EGR阀4的温度、以及在该回路(图3至图6的替代形式)中第一耦合交换器11的位置。
注意，该“第二兰金回路”理论上是该系统中仅有的兰金回路，术语“第二”仅仅是指该回路是在说明中提及的第二流体回路的事实。同样地，该第一和第三冷却剂回路可以是该系统中仅有的两个冷却剂回路。

Claims (10)

1.一种用于为装备有内燃发动机(16)的机动车辆回收能量的系统(10)，该系统包括用于这些发动机排气的部分再循环的一个再循环回路(17)，并且包括第一冷却剂回路(21)，该第一冷却剂回路经过该发动机(16)并且经过被配置用于从该再循环回路(17)收集热能的一个第一冷却交换器(1)，该能量回收系统进一步包括第二回路(22)，循环穿过该第二回路的状态改变流体能够机械地驱动该第二回路(22)的一个膨胀机(43)的一个输出轴，
其特征在于该第一回路(21)包括至少一个第一耦合交换器(11)，该第一耦合交换器用作该第二回路(22)的一个热源，并且其特征在于该系统(10)包括第三冷却剂回路(23)，该第三冷却剂回路包括第二冷却交换器(2)，该第二冷却交换器能够从该再循环回路(17)收集热能，该第一回路(21)和该第三回路(23)被定位的方式使得穿过该第一回路(21)和穿过该第三回路(23)的冷却剂循环可以是独立的。
2.根据权利要求1所述的系统，该系统包括一个恒温器(5)，该恒温器被配置用于在第一位置与第二位置之间进行切换，在该第一位置中，穿过该第一回路(21)和该第三回路(23)的这些冷却剂循环是彼此独立的，并且在该第二位置中，经过该发动机(16)的该液体中的至少一些还经过该第二冷却交换器(2)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中该恒温器(5)被配置用于当由该恒温器(5)检测到的液体温度低于一个阈值温度时切换到该第一位置，并且当该检测到的液体温度高于该同一个阈值温度时切换到该第二位置。
4.根据权利要求2或3所述的系统，该系统包括在该第三回路(23)上的第一散热器(8)，该第一散热器能够将热能从该第三回路(23)传递到该车辆外部的大气。
5.根据权利要求4所述的系统，其中该第一散热器(8)被安装成与该第二冷却交换器(2)串联。
6.根据权利要求5所述的系统，该系统进一步包括在该第三回路(23)上的第二散热器(7)，该第二散热器能够将热能从该第三回路(23)传递到该外部大气，该第二散热器(7)被安装成与该第二冷却交换器(2)并联。
7.根据以上权利要求之一所述的系统，其中该第一回路(21)包括单元加热器(6)，该单元加热器能够将热能从该第一回路(21)传递到该车辆客舱空气中，并且其中该第一回路(21)包括装备有至少一个泵(29，30)的第一冷却剂环路(31)，该至少一个泵被配置用于使该第一环路(31)的液体相继地循环穿过该发动机(16)、该第一冷却交换器(1)以及该单元加热器(6)。
8.根据权利要求7所述的系统，其中该第一回路(21)进一步包括至少一个旁路支路(25，56)，该至少一个旁路支路被连接的方式使得：该冷却剂可以在不经由该发动机传递的情况下循环穿过该第一冷却交换器(1)、然后该单元加热器(6)。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的系统，其中该第一回路(21)进一步包括设置在该第一液体环路(31)上的第二耦合交换器(12)，该第二耦合交换器用作该第二回路(22)的一个热源。
10.一种为装备有内燃发动机(16)的机动车辆回收能量的方法，其中使用的是第一冷却剂回路(21)，该第一冷却剂回路冷却该发动机(16)以便从该车辆的一个排气再循环回路(17)中收集热能并且将所收集的热能中的至少一些传输到一个第二状态改变流体回路(22)，其特征在于使用的是一个第三冷却剂回路(23)，该第三冷却剂回路同样被配置用于从该气体再循环回路(17)中收集热能，并且其特征在于当离开该发动机(16)的该冷却剂的温度高于一个阈值温度时该第一回路(21)和该第三回路(23)是连接的，并且其特征在于当不是这种情况时，使得冷却剂独立地循环穿过该第一回路(21)以及穿过该第三回路(23)。
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