[0002] 本申请要求2013年12月23日提交的韩国
专利申请第10-2013-0161695号的优先权，该申请的全部内容结合于此用于通过该引用的所有目的。
技术领域
[0003] 本
发明涉及用于回收来自内燃机的废热的系统，更具体地，涉及这样的用于回收来自内燃机的废热的系统，所述系统包括使用来自内燃机的废热循环
工作流体的回收方法。
背景技术
[0004] 内燃机广泛用在车辆、
船舶、小型
发电厂等中，已经连续地进行增加内燃机的效率的尝试。在内燃机中，通常排出大量的热作为废热。因此，已经开发了通过回收废热从而增加内燃机的整体效率的各种类型的系统。
[0005] 考虑到构造废热回收系统所需的装置和构件的数目的增加和负载的增加，更有效的是在相比于具有小
排量体积的小型车辆具有更大排量体积并且运载多人或货物的大型车辆中安装用于回收废热的系统。
[0006] 在车辆的情况下，用于回收废热的代表性系统可以包括使用
涡轮复合元件的系统和使用热电元件的系统。
[0007] 使用涡轮复合元件的系统为将废气
涡轮机附接至废气管路并且使用废气压
力旋转废气涡轮机从而获得输出的类型。所述类型可以增加其中安装了内燃机的系统的整体热效率，但是由于废气涡轮机充当废气阻力，所以减少了
发动机的输出。
[0008] 使用热电元件的系统为使用热电元件进行充电并且使用产生的电驱动辅助
马达从而补充发动机的作用的类型，所述热电元件由于
温度差而产生电。然而，由于热电元件的成本不可忽略并且其中可以安装热电元件的空间狭窄，所以显著增加发动机的热效率并不容易，即使热电元件安装在了实际制造的车辆中。
[0009] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的
现有技术。
发明内容
[0010] 本发明致力于提供用于有效地回收来自内燃机的废热而不减少内燃机的输出的系统。此外，本发明致力于提供用于回收来自内燃机的废热而不阻碍废气的排出的系统。
[0011] 在本发明的各个方面，提供一种用于回收来自内燃机的废热的系统，系统包括：废气再循环(EGR)管路，废气再循环(EGR)管路被构造成将从内燃机产生的一部分废气再循环至进气侧；工作流体循环管路，工作流体循环管路被构造成使用通过从EGR管路传递的热
蒸发的工作流体旋转涡轮机；和EGR侧换热单元，EGR侧换热单元被构造成将EGR管路热连接到工作流体循环管路从而通过将来自EGR气体的热传递至工作流体而冷却EGR气体。工作流体可以满足
朗肯循环条件。
[0012] 用于回收来自内燃机的废热的系统可以进一步包括：废气侧换热单元，废气侧换热单元被构造成安装在将废气排出至外侧的废气管路中从而将来自废气的热传递至工作流体。
[0013] 用于回收来自内燃机的废热的系统可以进一步包括：马达发
电机，马达发电机被构造成连同涡轮机的旋
转轴一起旋转，其中马达发电机可以被来自涡轮机的旋转力供应从而储存在
电池中或者将动力供应至安装在内燃机中的
旋转轴并且可以被来自电池的动力供应从而将动力供应至安装在内燃机中的旋转轴。
[0014] 工作流体可以始终经过废气侧换热单元，并且仅当沿着EGR管路流动的EGR气体的温度等于或大于特定温度T1时，工作流体经过EGR侧换热单元。特定温度T1可以为500℃。废气侧换热单元可以设置在工作流体循环管路的相比于EGR侧换热单元的上游侧处。
[0015] 用于回收来自内燃机的废热的系统可以进一步包括：储存槽，储存槽被构造成储存有液态工作流体并且具有入口和出口；和同流换热器，同流换热器被构造成与储存槽的入口和出口流体连通从而促进引入到储存槽的工作流体和排出储存槽的工作流体之间的换热。同流换热器可以设置在储存槽的基于入口的上游侧处和储存槽的基于出口的下游侧处。
[0016] 废气侧换热单元可以设置在后处理单元的下游侧处，后处理单元设置在废气管路中从而减少废气的污染。
[0017] EGR侧换热单元可以包括：EGR冷却器，EGR冷却器被构造成冷却EGR气体；和
过热器，
过热器被构造成将来自EGR气体的热传递至经过废气侧换热单元的工作流体。基于引入到EGR侧换热单元的EGR气体的流动，过热器可以设置在EGR冷却器的上游。
[0018] 废气侧换热单元可以包括：废气管，废气管被构造成使废气经过；换热室，换热室被构造成具有容纳在其中的废气管并且包括引入工作流体的室入口和工作流体通过其排出的室出口；和
挡板，挡板被构造成沿着废气管的纵向方向将换热室的内部空间分成多个区域，其中至少一个挡板可以设置有连通孔，工作流体通过连通孔从换热室的内部空间的一个区域移动至与其相邻的另一个区域。在任何一个挡板中形成的连通孔和在与其相邻的另一个挡板中形成的连通孔可以设置在彼此对立侧处。
[0019] 废气侧换热单元可以包括：
喷嘴板，喷嘴板被构造成以这样的状态在入口区域中形成，喷嘴板与换热室的内侧隔开并且具有多个喷射孔从而雾化工作流体，其中入口区域为在换热室中形成的多个区域之中的连接至室入口的区域。换热室在室入口处的内部空间侧端部可以具有漏斗形状。
[0020] 用于回收来自内燃机的废热的系统可以进一步包括：工作流体
泵，工作流体泵被构造成设置在储存槽和同流换热器之间，其中将储存槽和工作流体泵连接的管可以被隔离。
[0021] 工作流体循环管路可以进一步包括：工作流体旁路，工作流体旁路被构造成将EGR侧换热单元和涡轮机之间的点和涡轮机和同流换热器之间的点连接；和工作流体旁通
阀，工作流体
旁通阀被构造成安装在工作流体旁路中从而选择性地使工作流体旁通至同流换热器。
[0022] 工作流体循环管路可以进一步包括：
油分离器，油分离器被构造成在涡轮机和同流换热器之间的管中形成从而分离从涡轮机排出的涡轮机
润滑剂。工作流体循环管路可以进一步包括：TEG
冷凝器，TEG冷凝器被构造成设置在储存槽的入口和同流换热器之间从而从工作流体带走一定量的热。
[0023] 工作流体循环管路可以进一步包括冷却
风扇，并且同流换热器和TEG冷凝器之间的管可以被构造成包括工作流体
散热器，工作流体
散热器多次弯曲从而增加冷却效率，并且工作流体散热器通过
冷却风扇冷却。
[0024] 通过纳入本文的
附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体描述，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。
附图说明
[0025] 图1为根据本发明的用于回收来自内燃机的废热的示例性系统的
概念图；
[0026] 图2为示例性工作流体散热器的立体图；
[0027] 图3为示例性油分离器的立体图；
[0028] 图4为示例性废气侧换热单元的立体图；
[0029] 图5为图4中所示的废气侧换热单元的纵向横截面图和该废气侧换热单元的一部分的放大细节图；
[0030] 图6为安装在示例性废气侧换热单元中的示例性喷嘴板的立体图和该喷嘴板的一部分的放大细节图；
[0031] 图7为室入口的改进实例的纵向横截面图。
[0032] 附图中每个元件的附图标记
[0033] 100：工作流体循环管路
[0034] 200：EGR管路
[0035] 300：EGR侧换热单元
[0036] 310：过热器
[0037] 320：EGR冷却器
[0038] 304：涡轮机引入管
[0039] 400：废气侧换热单元
具体实施方式
[0040] 下面将详细参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本
说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但
覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附
权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、
修改形式、等价形式及其它实施方案。
[0041] 本说明书和权利要求书中使用的术语和词语不被翻译成通用含义或词典含义而是基于本
发明人可以合适地限定术语的概念的原则被翻译成符合本发明的技术理念的含义和概念，从而以最佳模式描述他们自己的发明。
[0042] 出于清楚和方便的目的，附图中显示的构件的尺寸、形状等可能夸张或简化。每个构件的尺寸不精确反映其实际尺寸。此外，当确定与本发明相关的已知功能或构造的详细说明可能使本发明的主旨模糊时，将省略其详细说明。
[0043] 图1为根据本发明的各个实施方案的用于回收来自内燃机的废热的系统的概念图。参考图1，根据本发明的各个实施方案的用于回收来自内燃机的废热的系统(下文称为“回收系统”)包括EGR管路200，所述EGR管路200被构造成将一部分从内燃机产生的废气再循环至进气侧；工作流体循环管路100，所述工作流体循环管路100被构造成使用通过从EGR管路200传递的热蒸发的工作流体旋转涡轮机330；和EGR侧换热单元300，所述EGR侧换热单元300被构造成将来自EGR气体的热传递至工作流体。
[0044] 此外，回收系统进一步包括废气侧换热单元400，所述废气侧换热单元400被构造成安装在将废气排放至外部的废气管路中从而将来自废气的热传递至工作流体。
[0045] 工作流体始终经过废气侧换热单元400，但是仅当沿着EGR管路200流动的废气的温度等于或大于特定温度T1时，工作流体经过EGR侧换热单元300。基于
柴油发动机1，T1可以设定为500℃或约500℃。
[0046] 在下文中，将通过实例描述当T1设定为500℃时经过EGR气体的EGR管路200的循环路径。
[0047] 如图1中所示，当从废气
歧管3通过EGR阀210供应至EGR旁通阀220的EGR气体等于或大于500℃时，EGR旁通阀220打开，使得EGR气体移动至EGR旁通阀220的右侧，经过EGR侧换热单元300并且供应至
进气歧管2侧。另一方面，如图1中所示，当EGR气体小于500℃时，EGR旁通阀220关闭，使得EGR气体向上移动EGR旁通阀220并且供应至进气歧管2侧而不经过EGR侧换热单元300。
[0048] 如上所述，当废气的温度变得如初始发动机的启动时那么低时，可以通过将EGR气体直接引入进气歧管2从而迅速地预热发动机1同时避免EGR气体经过EGR侧换热单元300，并且在废气的温度充分增加之后可以通过将废气供应于EGR侧换热单元300从而回收废气。
[0049] 同时，EGR侧换热单元300热连接EGR管路200和工作流体循环管路100，使EGR气体和工作流体换热从而冷却EGR气体，并且将来自EGR气体的热传递至工作流体。此外，EGR侧换热单元300包括EGR冷却器320和过热器310，所述EGR冷却器320被构造成冷却EGR气体，所述过热器310被构造成将来自EGR气体的热传递至经过废气侧换热单元400的工作流体。
[0050] 基于被引入EGR侧换热单元300的EGR气体的流动，过热器310可以设置在EGR冷却器320的上方。在该情况下，EGR气体可以在经过过热器310时将大量热传递至工作流体并且由于具有一定量的未传递至工作流体的热的EGR气体通过EGR冷却器320冷却，所以工作流体可以回收来自EGR气体的尽可能大量的热。
[0051] 在下文中，将描述工作流体在工作流体循环管路100上循环的路径。
[0052] 工作流体通过储存液态工作流体的储存槽60的出口64供应至工作流体泵70，所述储存槽60具有入口62和出口64，并且通过工作流体泵70泵送的工作流体被加热，经过同流换热器50。经过同流换热器50的工作流体被供应至废气侧换热单元400并且再次被供应热，并且通过安装在EGR侧换热单元300中的过热器310被供应热。在经过过热器310之前未蒸发的液态工作流体通过气/液分离器312分离，并且涡轮机330仅被经过过热器310的气态工作流体供应。
[0053] 亦即，工作流体被来自同流换热器50的热供应并且由于废气侧换热单元400设置在工作流体循环管路100的在EGR侧换热单元300上方的上游侧处，工作流体在按顺序经过废气侧换热单元400和EGR侧换热单元300时被额外供应热。
[0054] 气态工作流体被供应至涡轮机330从而旋转涡轮机330，并且通过涡轮机330的旋转，损失
能量的工作流体经过同流换热器50并且返回至储存槽60的入口62。
[0055] 循环通过所述路径的工作流体可以满足朗肯循环条件，其中朗肯循环为由两个绝热变化和两个等压变化构成的循环，并且表示涉及液体
相变的循环。朗肯循环是公知的循环之一，因此将省略其详细说明。
[0056] 同流换热器50与储存槽60的入口62和出口64都流体连通从而使引入储存槽60的工作流体和排出储存槽60的工作流体换热。
[0057] 鉴于流出储存槽60的出口64的工作流体，该工作流体通过被供应来自经过涡轮机330的工作流体的热而被加热，然后被引入同流换热器50，而鉴于经过涡轮机330然后被引入同流换热器50的工作流体，该工作流体通过流出储存槽60的出口64的工作流体而被冷却。如上所述，同流换热器50设置在储存槽60的基于储存槽60的入口62的上游侧处并且设置在储存槽60的基于储存槽60的出口64的下游侧处，从而能够稳定地供应以液态供应至储存槽60的工作流体，并且在将工作流体供应至废气热换热单元400之前预热工作流体，从而能够增加废热回收效率。
[0058] 图2为工作流体散热器的立体图。参考图1和图2，工作流体循环管路100可以包括TEG冷凝器370和冷却风扇360。
[0059] TEG冷凝器370设置在储存槽60的入口62和同流换热器50之间从而从工作流体带走一定量的热，因此用于使在储存槽60中流动的工作流体成为液态。此外，同流换热器50和TEG冷凝器370之间的管可以由工作流体散热器362形成，所述工作流体散热器362多次弯曲从而增加冷却效率，其中可以通
过冷却风扇360冷却工作流体散热器362。工作流体散热器362的端部364连接至TEG冷凝器370侧，使得通过工作流体散热器362和冷却风扇360冷却的工作流体可以额外地通过TEG冷凝器370冷却。
[0060] 同时，工作流体泵70设置在储存槽60和同流换热器50之间，并且当沿着连接储存槽60和工作流体泵70的管流动的工作流体通过吸收来自周围的热而被蒸发时，泵送效率可能降低。为了避免泵送效率的降低，连接储存槽60和工作流体泵70的管可以隔离。
[0061] 在工作流体循环管路100中，EGR侧换热单元300和涡轮机330之间的点和涡轮机330和同流换热器50之间的点通过工作流体旁路350彼此连接，并且工作流体旁路350设置有工作流体旁通阀352，所述工作流体旁通阀352选择性地使工作流体旁通至同流换热器50。
[0062] 当工作流体高于特定温度和压力时，分子结构被破坏，因此可能丧失工作流体的固有的物理值。当工作流体丧失固有的物理值时，通过使用工作流体旁通阀352将工作流体供应至同流换热器50，从而使工作流体在经过涡轮机330之前成为标准状态。旁通至同流换热器50的工作流体可以通过经过同流换热器50从而恢复至标准状态。
[0063] 图3为油分离器的立体图。理想的是在工作流体循环管路100中仅循环工作流体，但是高温工作流体旋转涡轮机330并且避免涡轮机330由于高速旋转而被损坏，涡轮机330通过涡轮机润滑剂被润滑。因此，经过涡轮机330的工作流体可以与涡轮机润滑剂混合，并且用于从工作流体循环管路100分离除了从涡轮机330排出的涡轮机润滑剂之外的其它流体(不是工作流体)的油分离器340可以在涡轮机330和同流换热器50之间的管中形成，并且油分离器340的示例性结构显示在图3中。
[0064] 壁部分在油分离器340的入口342和油分离器340的出口348之间形成，并且油分离器340的入口342和油分离器340的出口348彼此不平行而是彼此成直
角设置，例如具有设置在其之间的壁部分344。在该情况下，涡轮机润滑剂通过分离孔346排出，所述分离孔346在壁部分344的下方形成，同时与以高速引入油分离器340的入口342的与涡轮机润滑剂混合的工作流体与壁部分344碰撞并且涡轮机润滑剂可以再次被供应至涡轮机330。此外，分离了涡轮机润滑剂组分的工作流体通过油分离器340的出口348被引入同流换热器50。被引入同流换热器50的工作流体通过经过如上所述的同流换热器50、工作流体散热器362和TEG冷凝器370而被冷却。
[0065] 图4为废气侧换热单元的立体图，图5为图4中所示的废气侧换热单元的纵向横截面图。将参考图1、图4和图5描述废气的排出路径和废气侧换热单元400。
[0066] 如图1中所示，在其中安装
涡轮增压器的内燃机中，通过废气歧管3排出的废气旋转在与
推进器6B相同的轴线中形成的进气侧推进器6A，同时以高速旋转在废气管404侧的废气歧管3的端部处形成的推进器6B，使得过量供应的空气可以通过
中间冷却器5和发动机散热器4被引入进气歧管2。经过推进器6B的废气可以通过废气管404依次经过后处理单元402和废气侧换热单元400，然后排出至内燃机的外部。在此，后处理单元402安装在废气管路中从而减少废气的污染并且可以包括催化转化器、
活性炭等。
[0067] 当后处理单元402旨在
净化废气时，需要增加废气的温度。出于该原因，废气侧换热单元400可以设置在安装在废气管路中的后处理单元402的下游侧处。
[0068] 参考图1描述了来自安装有
涡轮增压器的内燃机的废气的排出路径，但是在其中不形成推进器6A和6B的自然进气类型的内燃机的情况下，从废气歧管3排出的废气可以通过废气管404按顺序经过后处理单元402和废气侧换热单元400，然后排出至内燃机的外部。
[0069] 废气侧换热单元400包括废气管406，所述废气管406被构造成使废气经过；换热室410，所述换热室410被构造成具有容纳在废气管406中并且被工作流体引入的室入口430，和工作流体通过其排出的室出口440；和挡板420，所述挡板420被构造成沿着废气管
406的纵向方向将换热室410的内部空间分成多个区域，其中至少一些挡板420可以设置有连通孔412，工作流体通过所述连通孔412从换热室410的内部空间的一个区域移动至与其相邻的另一个区域。
[0070] 在任何一个挡板420中形成的连通孔412和在与其相邻的另一个挡板420中形成的连通孔412可以设置在彼此对立的侧处。在该情况下，工作流体可以沿着图5中所示的箭头方向蜿蜒地经过由挡板420分开的区域，并且由于换热室410的废气管406分支成多个，所以可以保证工作流体与废气管406的宽
接触面积，并且可以在尽可能长的时间段内向工作流体供应来自废气的废热。
[0071] 图6为安装在废气侧换热单元中的喷嘴板的立体图。参考图5和图6，废气侧换热单元400可以包括喷嘴板460，所述喷嘴板460具有多个喷射孔462从而雾化工作流体。在喷嘴板460与换热室410的内侧隔开的状态下，喷嘴板460在入口区域中形成，所述入口区域为在换热室410中形成的多个区域之中的连接至室入口430的区域，并且多个喷射孔
462可以围绕喷嘴板460的圆周形成。因此，通过室入口430引入换热室410的工作流体首先被引入在喷嘴板460的外周部分和换热室410的内周部分之间形成的空间，并且可以经过多个喷射孔462从而被喷射至整个入口区域并且经过所有多个区域从而通过室出口440排出。
[0072] 最适合蒸发工作流体的条件之一是最大化地雾化液态工作流体，并且具有喷射孔462的喷嘴板460可以显著帮助雾化工作流体。
[0073] 图7为室入口的改进实例的纵向横截面图。参考图7，换热室410的属于或处于室入口430处的内部空间侧端部可以具有漏斗形状。在该情况下，一旦工作流体经过室入口430工作流体就可以被喷射，并且可以省略喷嘴板460。此外，即使室入口430以图7中所示的改进实例的形式形成，废气侧换热单元400可以形成到喷嘴板460。在该情况下，通过经过室入口430以略粗的颗粒形式喷射的工作流体可以通过经过多个喷射孔462而以略细的颗粒的形式喷射，使得工作流体可以被更好地雾化。
[0074] 在下文中，将描述使用涡轮机330的旋转力的方法，所述涡轮机通过工作流体而旋转。
[0075] 参考图1，马达发电机10可以连同涡轮机330的旋转轴一起旋转并且被来自涡轮机330的旋转力供应从而能够储存在电池20中或者将动力供应至安装在内燃机中的旋转轴并且被来自电池20的动力供应从而能够将动力供应至安装在内燃机中的旋转轴。
[0076] 更详细地描述，涡轮机330和马达发电机10的
转子在相同轴线中彼此连接，涡轮机330可以通过
离合器连接至
滑轮(所述滑轮连接至图1中的涡轮机的上端部)，其中离合器可以将涡轮机330和滑轮彼此脱离连接。
[0077] 当涡轮机330旋转时，马达发电机10产生动力并且可以将产生的动力储存在电池中。当离合器使涡轮机330和滑轮彼此脱离连接时，涡轮机330的旋转仅用于产生动力，并且当离合器将涡轮机330和滑轮彼此连接时，涡轮机330的旋转力可以用于产生动力并且将动力应用于安装在内燃机中的旋转轴。在此，安装在内燃机中的旋转轴也可以为发动机1的主
驱动轴，但是不必限于此。例如，旋转轴额外地安装在发动机1中(例如
空调泵和
冷却水泵)并且可以为使用旋转力驱动所操作的装置的轴。
[0078] 此外，当工作流体不循环并且因此马达发电机10不被来自涡轮机330的驱动力供应时，马达发电机10可以充当马达。更详细地描述，涡轮机330和滑轮通过离合器彼此连接，通过使用电池20作为动力源的经过逆变器30的动力被供应至马达发电机10从而旋转马达发电机10和连接至马达发电机10的涡轮机330和滑轮，并且由于滑轮通过输送带(被链条、
齿轮等替代)连接至安装在内燃机中的旋转轴，所以马达发电机10可以将动力应用于安装在内燃机中的旋转轴。
[0079] 同时，发动机1的齿轮系7可以被安装成与动力传递部件40接合，并且动力传递部件40通过逆变器30被来自电池20的动力供应从而能够用于启动发动机1，并且起驱动源的作用，所述驱动源补充发动机1从而能够增加发动机1的输出或者减少发动机1的负载，从而能够用于增加发动机1的
燃料效率。
[0080] 根据本发明的各个实施方案的用于回收来自内燃机的废热的系统，由于废气侧换热单元400不充当废气阻力，所以能够有效回收来自内燃机的废热而不减少内燃机的输出。根据本发明的各个实施方案，能够提供用于有效回收来自内燃机的废热而不减少内燃机的输出的系统。此外，能够提供用于回收来自内燃机的废热而不阻碍废气的排出的系统。
[0081] 为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”和“外”等被用于参考附图中所显示的这些特征的
位置来描述示例性具体实施方式的特征。
[0082] 前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不旨在成为穷举的，也并不旨在把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
