Двигательная установка с контуром охлаждения и отдельным контуром рекуперации тепла
Изобретение относится к двигательной установке, в частности транспортного средства, с контуром охлаждения и отдельным контуром рекуперации тепла. Двигательная установка содержит двигатель внутреннего сгорания (1) с двухступенчатым турбонаддувом, систему подачи наддувочного воздуха, систему отвода отработавших газов и систему охлаждения. Система отвода отработавших газов имеет систему нейтрализации отработавших газов (5). Система охлаждения имеет контур охлаждения (10) и гидравлически разъединенный с ним контур рекуперации тепла (11). Контур охлаждения (10) включает в себя два частичных контура (10/1, 10/2) охлаждения, гидравлически либо соединенных, либо разъединенных друг с другом. Внутри контура охлаждения (10) циркуляция охлаждающей среды обеспечивается при помощи, по меньшей мере, одного насоса (12). В первом (10/1) и во втором (10/2) контурах расположены охлаждаемые окружающим воздухом теплообменники (13, 16), соответственно. Внутри контура рекуперации (11) циркуляция рабочей среды при повышенном давлении обеспечивается при помощи, по меньшей мере, одного насоса (17). После насоса (17) рабочая среда разделяется на два параллельных частичных потока. В теплообменниках (18, 19) происходит фазовый переход рабочей среды из жидкого в парообразное агрегатное состояние. В первой параллельной ветви (11а) переход происходит в теплообменнике (18) рециркуляции отработавших газов. Во второй параллельной ветви (11b) переход происходит в теплообменнике (19) отработавших газов. Парообразная рабочая среда подводится к расширителю (21) и с его помощью преобразуется в механическую полезную энергию. После расширителя (21) рабочая среда направляется через охлаждаемый конденсатор (20) и в жидком агрегатном состоянии при помощи насоса (17) снова подается в контур (11). Технический результат заключается в эффективном охлаждении двигателя внутреннего сгорания, наддувочного воздуха и рециркулирующего отработавшего газа и высокоэффективной рекуперации тепла. 26 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение касается двигательной установки, в частности транспортного средства, с двигателем внутреннего сгорания с двухступенчатым наддувом посредством двух работающих на отработавших газах турбокомпрессоров, которая снабжена системой подачи наддувочного воздуха, имеющей компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, промежуточный охладитель наддувочного воздуха между компрессором низкого и компрессором высокого давления, а также включенный после компрессора высокого давления основной охладитель наддувочного воздуха, и кроме того, снабжена системой отвода отработавших газов, которая имеет турбину высокого давления, турбину низкого давления и включенную после нее в выхлопном канале систему нейтрализации отработавших газов, и которая, кроме того, имеет систему охлаждения с контуром охлаждения и гидравлически разъединенным с ним контуром рекуперации тепла.
В основе изобретения лежит двигательная установка по DE 102006010247 A1. Существенным признаком этой известной двигательной установки является то, что ее первый контур охлаждения и ее второй, служащий контуром рекуперации тепла, контур охлаждения находятся в термическом контакте, по меньшей мере, через один теплоноситель. При этом в качестве теплоносителя здесь предусмотрены, например, охладитель рециркуляции отработавших газов и расположенный за ним в выхлопном канале устройства нейтрализации отработавших газов теплообменник отработавших газов, которые в этой последовательности друг за другом, то есть поочередно в ряд, расположены во втором контуре охлаждения, и таким образом в термическом контакте передают тепло протекающей во втором контуре охлаждения рабочей среде. Рабочая среда второго контура охлаждения при протекании через охладитель рециркуляции отработавших газов и затем через теплообменник отработавших газов нагревается, по меньшей мере, частично переходит в парообразное агрегатное состояние и перегревается, чтобы затем ее можно было использовать для получения полезной мощности в расширителе. Затем рабочая среда протекает во втором контуре охлаждения, по меньшей мере, через один охлаждаемый воздухом конденсатор и затем в повторно сжиженном агрегатном состоянии через основной охладитель наддувочного воздуха и промежуточный охладитель наддувочного воздуха, а также, при необходимости, через другие теплообменники. То есть, в этой известной установке как наддувочный воздух, так и вода для охлаждения двигателя используются дополнительно к отработавшему газу в качестве источников тепла, которые, будучи включены последовательно друг за другом, отбирают тепло у соответствующих сред. Дальнейшие исследования показали, что расширитель работает эффективно только при высоких давлениях, но температуры наддувочного воздуха, среды для охлаждения двигателя и отработавший газ, в случае последовательного протекания через названные теплообменники, недостаточны для того, чтобы испарять рабочую среду при высоких давлениях. При этом необходимо учесть, что как для наддувочного воздуха, сжимаемого в двухступенчатом процессе, так и для двигателя внутреннего сгорания необходимо достаточное охлаждение во всех влияющих на мощность областях, чтобы обеспечить благоприятный рабочий режим двигателя внутреннего сгорания, но при этом также избежать его перегрева. Поэтому в соответствии с этой поставленной целью у известной установки необходимо прокачивать через второй замкнутый цикл охлаждения большое количество рабочей среды с тем результатом, что это количество рабочей среды не может быть полностью переведено в парообразное состояние даже теплом более мощных источников тепла при его протекании через эти источники, вследствие чего возникает настоятельная необходимость в системе сепарации жидкой фазы. Кроме того, на основании вышесказанного рециркуляционный отработавший газ при протекании через охладитель/охладители рециркуляции отработавших газов не может быть охлажден до желаемой низкой температуры, так как рабочая среда поступает в охладитель рециркуляции отработавших газов уже предварительно нагретой.
Поэтому задачей изобретения является улучшить известную из DE 102006010247 A1 двигательную установку и ее систему охлаждения таким образом, чтобы достичь эффективного охлаждения как двигателя внутреннего сгорания, так и наддувочного воздуха и рециркулирующего отработавшего газа, но одновременно также высокоэффективной рекуперации тепла за счет улучшенного использования источника тепла - отработавший газ.
Эта задача решается в соответствии с изобретением при помощи двигательной установки названного типа посредством указанных в пункте 1 средств.
Предпочтительные варианты осуществления этого решения указаны в зависимых пунктах.
При этом в соответствии с изобретением двигательная установка снабжена специальным контуром охлаждения с двумя частичными контурами охлаждения и гидравлически разъединенным с ними контуром рекуперации тепла. При этом контур охлаждения разделен на два частичных замкнутых контура охлаждения, которые могут быть гидравлически либо соединены, либо разъединены друг с другом. В этих частичных контурах охлаждения при помощи, по меньшей мере, одного насоса может циркулировать охлаждающая жидкость. При этом в первом частичном контуре охлаждения расположен охлаждаемый окружающим воздухом теплообменник, а во втором частичном контуре охлаждения - другой охлаждаемый окружающим воздухом теплообменник, а также ниже по потоку от него основной охладитель наддувочного воздуха и промежуточный охладитель наддувочного воздуха. Кроме того, в соответствии с изобретением внутри контура рекуперации тепла при помощи, по меньшей мере, одного насоса может обеспечиваться повышение давления и циркуляция рабочей среды, и при этом в теплообменниках может происходить фазовый переход этой среды из жидкого в парообразное агрегатное состояние и обратно. При этом эта рабочая среда по потоку после насоса разделяется на два параллельных частичных потока, и при этом в первой параллельной ветви в теплообменнике рециркуляции отработавших газов, через который протекает рециркулируемый отработавший газ, а также во второй параллельной ветви в теплообменнике отработавших газов, через который протекает отработавший газ, имеющийся в участке выхлопного канала ниже по потоку от турбины низкого давления, она переводится в парообразное агрегатное состояние. Эта парообразная рабочая среда подводится затем к расширителю, и с его помощью в процессе соответствующего расширения преобразуется в механическую полезную энергию. Затем при протекании через охлаждаемый конденсатор рабочая среда снова переводится в жидкое агрегатное состояние, и при помощи насоса снова возвращается в контур рекуперации тепла.
Благодаря предлагаемой изобретением концепции параллельности обоих служащих испарителями для рабочей среды теплообменников - теплообменника рекуперации отработавших газов и теплообменника отработавших газов - при использовании каждого из источников тепла может быть немедленно получен пар, кроме того, рабочая среда поступает в каждый из двух теплообменников с низкой температурой и обеспечивает, таким образом, также желаемое высокоэффективное охлаждающее воздействие для среды, у которой отбирается тепло (рециркулируемый отработавший газ и отработавший газ перед выходом в атмосферу). Другое преимущество заключается в том, что в конденсаторе должно отводиться только тепло полезного пара. Тепловая энергия отработавших газов, имеющаяся в контуре рекуперации тепла в обоих параллельно включенных теплообменниках, в соответствии с изобретением оптимальным образом преобразуется при этом в энергию пара, которая затем в максимальной степени при помощи расширителя может быть преобразована в механическую полезную энергию. При этом эта механическая энергия может быть при помощи расширителя преобразована, например, в энергию вращения и подведена, например, к двигателю внутреннего сгорания для повышения его мощности или к генератору для производства электрической энергии, в каждом случае с более высоким выходом мощности.
Другие детали, возможности осуществления и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания нескольких примеров осуществления. При этом на чертежах показано:
фиг.1 - схема первого примера осуществления изобретения,
фиг.2 - схема второго примера осуществления изобретения,
фиг.3 - схема третьего примера осуществления изобретения,
фиг.4 - схема четвертого примера осуществления изобретения,
фиг.5 - схематично изображен пример осуществления блока клапанов для распределения рабочей среды в двух параллельных ветвях контура рекуперации тепла,
фиг.6 - схематично изображена альтернатива блоку клапанов, показанному на фиг.5,
фиг.7 - вариант расположения теплообменника отработавших газов в выхлопном канале,
фиг.8 - альтернативное показанному на фиг.7 расположение теплообменника отработавших газов в выхлопном канале,
фиг.9 - другое альтернативное показанному на фиг.7 и 8 расположение теплообменника отработавших газов в выхлопном канале,
фиг.10 - другое альтернативное показанному на фиг.7-9 расположение теплообменника отработавших газов в выхлопном канале.
На фигурах одинаковые или соответствующие друг другу узлы или их детали для лучшего понимания обозначены одними и теми же позициями.
Изобретение касается двигательной установки, основным органом которой является двигатель 1 внутреннего сгорания, который, в свою очередь, представляет собой приводной источник транспортных средств, любого рода транспортных средств промышленного назначения, рельсовых транспортных средств, средств водного транспорта, а также в стационарных установках, таких как теплоэлектростанции, агрегаты аварийного электроснабжения и пр.
Двигатель 1 внутреннего сгорания снабжен двухступенчатым турбонаддувом посредством двух работающих на отработавших газах турбокомпрессоров 2, 3. При этом турбокомпрессор 2, образующий ступень низкого давления, состоит из турбины 2/1 низкого давления и приводимого в действие этой турбиной компрессора 2/2 низкого давления. Образующий ступень высокого давления турбокомпрессор 3 состоит из турбины 3/1 высокого давления и приводимого в действие этой турбиной компрессора 3/2 высокого давления.
Отвод отработавших газов от двигателя 1 внутреннего сгорания происходит через выхлопной канал 4, начинающийся с отходящих от двигателя колен 4a, которые связаны с участком 4b выхлопного канала, соединенным с входом турбины 3/1 высокого давления. Последняя через участок 4c выхлопного канала соединена со входом турбины 2/1 низкого давления. На выходе турбины 2/1 низкого давления подсоединяется участок 4d выхлопного канала, в котором может быть расположено устройство 5 нейтрализации отработавших газов.
Подвод наддувочного воздуха к двигателю 1 внутреннего сгорания состоит из всасывающего воздух из атмосферы через фильтр 6 и участок 7a канала наддувочного воздуха компрессора 2/2 низкого давления, участка 7b канала наддувочного воздуха между компрессором 2/2 низкого и 3/2 высокого давления, снабженного расположенным в нем промежуточным охладителем 8 наддувочного воздуха, а также включенного после компрессора 3/2 высокого давления основного охладителя 9 наддувочного воздуха, к которому ведет участок 7c канала наддувочного воздуха и от которого отходит участок 7e канала наддувочного воздуха, связанный с входами 7e воздуха двигателя 1 внутреннего сгорания или сборным каналом 7f наддувочного воздуха, от которого отходят входы 7e воздуха.
Кроме того, двигательная установка в соответствии с изобретением имеет специально выполненный контур 10 охлаждения, включающий два частичных контура 10/1, 10/2 охлаждения и независимый от них, гидравлически разъединенный с ними контур 11 рекуперации тепла. При этом внутри контура 10 охлаждения, как показано на фиг.1-3, при помощи, по меньшей мере, одного насоса 12 циркулирует охлаждающая жидкость, например смешанная с антифризом вода, в первом частичном контуре 10/1 охлаждения и в гидравлически связанном с ним втором замкнутом контуре 10/2 охлаждения. В другом варианте осуществления изобретения частичные контуры 10/1 и 10/2 охлаждения могут быть также гидравлически разъединены, и в них при помощи насоса 12 может циркулировать охлаждающая среда. В примере, показанном на фиг.4, при помощи выполненного с двумя ступенями насоса 12 посредством его ступеней 12/1 и 12/2 охлаждающая среда циркулирует в частичных контурах 10/1 и 10/2 охлаждения, причем каждому частичному контуру охлаждения соответствует одна ступень 12/1 или 12/2 насоса 12. Первый частичный контур 10/1 охлаждения представляет собой высокотемпературный контур охлаждения двигателя, в котором расположен охлаждаемый окружающим воздухом теплообменник 13 (высокотемпературный водяной охладитель), причем к последнему отходит отходящий от выхода для охлаждающей среды двигателя 1 внутреннего сгорания участок 10/1a контура охлаждения, а от теплообменника 13 отходит ведущий к насосу 12 участок 10/1b контура охлаждения, а насос 12 через участок 10/1c контура охлаждения соединен с входом для охлаждающей среды двигателя 1 внутреннего сгорания. В участок 10/1a контура охлаждения встроено регулировочное звено 14, которое через байпасный канал 15 соединено с участком 10/1b контура охлаждения и служит для регулирования расхода среды, проходящей через теплообменник 13. Во втором частичном контуре 10/2 охлаждения, который представляет собой низкотемпературный замкнутый контур охлаждения, расположены другой охлаждаемый окружающим воздухом теплообменник 16 (низкотемпературный водяной охладитель), а также ниже по потоку от него основной охладитель 9 наддувочного воздуха и промежуточный охладитель 8 наддувочного воздуха. При этом у гидравлически соединенных частичных контуров 10/1 и 10/2 охлаждения, согласно примерам на фиг.1-3, участок 10/2a контура охлаждения ответвляется по потоку после насоса 12 от участка 10/2c контура охлаждения и ведет к теплообменнику 16. Начинаясь от теплообменника 16, примыкает участок 10/2b контура охлаждения, в котором расположены основной охладитель 9 наддувочного воздуха и промежуточный охладитель 8 наддувочного воздуха либо в ряд друг за другом, либо - что более выгодно - по параллельной схеме в каждой из параллельных ветвей 10/2c и 10/2d участка. По потоку после промежуточного охладителя 8 наддувочного воздуха второй частичный контур 10/2 охлаждения продолжается участком 10/2e, о продолжении которого далее будет сказано более подробно.
Соответствующий изобретению контур 11 рекуперации тепла выглядит следующим образом. В контуре 11 рекуперации тепла при помощи насоса 17 может обеспечиваться повышение давления и циркуляция рабочей среды, и при этом в теплообменниках 18, 19, 20 может происходить фазовый переход этой среды из жидкого в парообразное агрегатное состояние и обратно. При этом эта рабочая среда по потоку после насоса 17 разделяется на два параллельных частичных потока, и в первой параллельной ветви 11a в теплообменнике 18 рециркуляции отработавших газов, через который протекает рециркулируемый отработавший газ, а также во второй параллельной ветви 11b в теплообменнике 19 отработавших газов, через который протекает отработавший газ, имеющийся в участке 4d выхлопного канала ниже по потоку от турбины 2/1 низкого давления, она переводится в парообразное агрегатное состояние. Эта парообразная, находящаяся под высоким давлением рабочая среда затем, после повторного соединения двух параллельных ветвей 11a, 11b, через общий участок 11c контура подводится к расширителю 21 и с его помощью преобразуется в механическую полезную энергию. Затем расширившаяся рабочая среда через примыкающий к выходу из расширителя 21 участок 11d контура подводится к охлаждаемому конденсатору 20, при прохождении через который она снова переводится в жидкое агрегатное состояние и затем при помощи насоса 17 всасывается через участок 11e контура, и снова возвращается в описанный выше контур 11 рекуперации тепла.
При этом проходящий через теплообменник 18 рекуперации отработавших газов рециркулируемый отработавший газ по потоку перед турбиной 3/1 высокого давления через ответвляющийся от участка 4b выхлопного канала канал 22 рекуперации отработавших газов подводится к теплообменнику 18 рекуперации отработавших газов и после прохождения через него, а также, при необходимости, прохождения другого расположенного ниже по потоку от теплообменника 18 теплообменника 44, подается в имеющийся на выходе из основного охладителя 9 наддувочного воздуха наддувочный воздух, причем канал 22 рекуперации отработавших газов по потоку после теплообменника 18 или, соответственно, после другого теплообменника 44 (если он имеется) либо оканчивается в том участке 7d канала наддувочного воздуха, который обеспечивает соединение между основным охладителем 9 наддувочного воздуха и входами 7e воздуха двигателя внутреннего сгорания или, соответственно, сборным каналом 7f наддувочного воздуха (смотри фиг.1 и 3), либо возвращается непосредственно к входам 7e воздуха двигателя внутреннего сгорания или, соответственно, к сборному каналу 7f наддувочного воздуха, от которого отходят входы 7e воздуха (смотри фиг.2).
Ниже более подробно описаны различные варианты осуществления и схемы предлагаемых изобретением контуров со ссылкой на отдельные чертежи.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, конденсатор 20 контура 11 рекуперации тепла для его охлаждения включен во второй частичный контур 10/2 охлаждения, при этом участок 10/2e канала ведет к конденсатору 20. Начиная от последнего, второй частичный замкнутый контур 10/2 охлаждения продолжается участком 10/2f канала и оканчивается им по потоку или, соответственно, со стороны всасывания перед насосом 12 снова в первом частичном контуре 10/1 охлаждения, а в нем в его участке 10/1b канала. Средой для охлаждения и повторного ожижения рабочей среды в конденсаторе 20 служит здесь, соответственно, охлаждающая среда низкотемпературного частичного контура 10/2 охлаждения, после того как она в обоих предпочтительным образом параллельно включенных охладителях 8, 9 наддувочного воздуха поглотила тепло потока наддувочного воздуха. Отводимое в конденсаторе 20 тепло, хотя и создает нагрузку для системы охлаждения двигателя 1 внутреннего сгорания, но часть поглощенного тепла снова преобразуется в механическую энергию, и только определенная доля отдается системе охлаждения. С помощью продуманных систем регулирования можно, таким образом, либо, в частности при высоких температурах окружающей среды, разгрузить систему охлаждения двигателя, либо поддерживать ее в нейтральном состоянии, либо, в частности при избытке потенциала охлаждения при низких температурах окружающей среды, дополнительно нагрузить ее.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, конденсатор 20 для его охлаждения включен в первый частичный контур 10/1 охлаждения, а именно, в тот участок 10/1b канала между высокотемпературным теплообменником 13 и насосом 12, через который протекает охлаждающая жидкость. Второй частичный контур 10/2 охлаждения оканчивается в этом случае своим участком 10/2e канала по потоку или со стороны всасывания перед насосом 12, но после конденсатора 20 в первом частичном контуре 10/1 охлаждения, а в нем - в его участке 10/1b канала.
Средой для охлаждения и повторного ожижения рабочей среды в конденсаторе 20 здесь служит охлаждающая среда высокотемпературного частичного контура 10/1 охлаждения, после того как она прошла через высокотемпературный теплообменник 13. При этом варианте конденсация, по сравнению с фиг.1, должна происходить при более высоких температурах и с более высокими давлениями, впрочем система в этом случае, благодаря более высокому расходу проходящей через нее среды, менее чувствительна к перегреву при динамической смене частоты вращения и нагрузки.
В варианте, показанном на фиг.3, для охлаждения конденсатора 20 или, соответственно, для охлаждения и ожижения протекающей через него рабочей среды используется сжатый воздух, который может получаться при помощи всасывающего воздух из атмосферы дополнительного компрессора или воздуходувки 23 и подводиться к конденсатору по подводящему каналу 24. Компрессор или, соответственно, воздуходувка 23 может приводиться в движение от двигателя 1 внутреннего сгорания через соответствующую передачу или, соответственно, приводную ветвь, или, альтернативно, от электродвигателя.
В варианте осуществления, показанном на фиг.4, в отличие от фиг.3 в подводящем канале 24 выше по потоку от конденсатора 20 и/или ниже по потоку от последнего находится, по меньшей мере, один из других теплообменников 42, 43. В зависимости от требуемого уровня температур потока охлаждающего воздуха, с помощью сжатого воздуха, который может быть получен при помощи всасывающего из атмосферы дополнительного компрессора или воздуходувки 23, может быть достигнут другой охлаждающий эффект, например, для конденсатора кондиционера. В отличие от вариантов, показанных на фиг.1-3, на фиг.4 показан вариант осуществления гидравлически разъединенных частичных контуров 10/1, 10,2 охлаждения, в которых с помощью, соответственно, по меньшей мере, одной соответствующей ступени 12/1, 12/2 насоса 12 может циркулировать охлаждающая жидкость. Кроме того, на фиг.4 показано специальное расположение другого теплообменника 44, который гидравлически подключен в параллельном потоке 10/2g к протекающим через охладители 8, 9 наддувочного воздуха ветвям 10/2d, 10/2c второго частичного контура 10/2 охлаждения. Таким образом, что касается отработавших газов, протекающий через канал 22 рекуперации отработавших газов отработавший газ после выхода из испарителя 18 рекуперации отработавших газов посредством другого теплообменника 44 может быть охлажден до более низкого уровня температур.
Что касается расположения теплообменника 19 рекуперации отработавших газов, то на фиг.1-4 и 7-10 показаны различные возможности для этого.
На фиг.2 показан вариант осуществления, в котором теплообменник 19 отработавших газов расположен вблизи турбины 2/1 низкого давления и размещен в примыкающем к последней участке 4d выхлопного канала, где он использует остаточное тепло выходящего из турбины 2/1 отработавшего газа.
На фиг.1, 3 и 4 показан вариант осуществления, в котором теплообменник 19 отработавших газов расположен в примыкающем к выходу из турбины 2/1 низкого давления участку 4d выхлопного канала, где он находится выше по потоку от устройства 5 нейтрализации отработавших газов и использует остаточное тепло выходящего из этого устройства после прохождения через него отработавшего газа. При этом устройство 5 нейтрализации отработавших газов и теплообменник 19 отработавших газов расположены непосредственно друг за другом. В случае варианта, показанного на фиг.7, теплообменник 19 отработавших газов расположен на расстоянии от устройства 5 нейтрализации отработавших газов в участке 4d выхлопного канала. На фиг.8 показан определенный вариант осуществления устройства 5 нейтрализации отработавших газов, а также согласование с ним теплообменника 19 отработавших газов. При этом несколько модулей 5a нейтрализации отработавших газов устройства 5 нейтрализации отработавших газов встроены в глушитель 25, находясь во встроенном положении между стенками 26, 27, где через них может параллельно проходить поток. Глушитель 25 радиально снаружи ограничен, например, цилиндрической стенкой 28, а спереди, а также сзади днищами 29, 30. Обе стенки 26, 27 расположены параллельно днищам 29, 30. Стенка 26 ограничивает вместе с передним днищем 29 выпускную камеру 31 отработавших газов, а стенка 27 вместе с задним днищем 30 впускную камеру 32 отработавших газов. В впускную камеру 32 отработавших газов оканчивается впускной патрубок 33, который является частью участка 4d выхлопного канала и направляет отработавший газ во впускную камеру 32. Затем этот отработавший газ для своей очистки протекает через модули 5a нейтрализации отработавших газов, и потом выводится через внутреннюю концевую трубу 34 глушителя из выпускной камеры 31 и глушителя 25, чтобы затем, наконец, пройти через установленный в этом примере непосредственно снаружи на глушителе 25 теплообменник 19 отработавших газов. При этом последний закреплен на заднем днище 30 глушителя 25.
В примере осуществления, показанном на фиг.9, применяется, в принципе, такой же, как и показанный на фиг.8 глушитель 25 со встроенными модулями 5a нейтрализации отработавших газов, однако в этом случае теплообменник 19 отработавших газов расположен не снаружи на глушителе 25, а внутри него. При этом подвод и отвод отработавшего газа к теплообменнику 9 отработавших газов происходит через концевую трубу 34. Теплообменник 9 отработавших газов может быть при этом закреплен на или в концевой трубе 34, или на внутренней стороне днища 30 или наружного цилиндра 28. Альтернативно этому расположению во впускной камере 32 теплообменник 9 отработавших газов может быть также расположен, как показано на фиг.10, в выпускной камере 31 отработавших газов, где он находится в месте, не препятствующем втеканию очищенного отработавшего газа. На выходе теплообменника 9 отработавших газов очищенный отработавший газ отводится из глушителя 25 через концевую трубу 34.
Ниже более подробно излагаются другие детали контура 11 рекуперации тепла.
Насос 17 может иметь механический привод от двигателя 1 внутреннего сгорания через кинематическую цель или трансмиссию (см. фиг.1 и 3). Но альтернативно насос 17 может также приводиться в движение электродвигателем 35 (см. фиг.2) При помощи насоса 17 рабочая среда нагнетается в контуре 11 рекуперации тепла к блоку 36 клапанов, от которого отходят обе параллельные ветви 11a, 11b. Посредством блока 36 клапанов, независимо от имеющегося в распоряжении количества тепла, генерируются два массовых потока рабочей среды в обе параллельные ветви 11a, 11b, которые, кроме того, могут регулироваться независимо друг от друга и от частоты вращения двигателя 1 внутреннего сгорания или электродвигателя 35. В случае привода насоса 17 от электродвигателя блок 36 клапанов, как показано на фиг.5, состоит, например, из смесительного клапана, который регулируемо разделяет управляемый насосом 17 массовый поток рабочей среды на два направляемых в две параллельные ветви 11a, 11b массовых частичных потока. При механическом приводе насоса 17 от двигателя внутреннего сгорания блок 36 клапанов может, как показано на фиг.6, состоять, например, из двух клапанов 37, 38 регулирования потока, ресивера 39 и клапана 40 ограничения давления, причем посредством каждого клапана 37 или, соответственно, 38 регулирования потока из ресивера 39 забирается подводимый к примыкающей параллельной ветви 11a или, соответственно, 11b массовый частичный поток рабочей среды. При этом насос 17, в зависимости от частоты вращения двигателя 1 внутреннего сгорания, нагнетает рабочую среду в ресивер 39. Избыточное количество рабочей среды отправляется через клапан 40 ограничения давления в уравнивающий бак 41. В любом случае посредством блока 36 клапанов создаются два частичных потока рабочей среды, с помощью которых можно различным образом устанавливать количество пара и давление пара, которое может создаваться в теплообменнике 18 рекуперации отработавших газов и теплообменнике 19 отработавших газов.
Рабочая среда, применяемая в контуре 11 рекуперации тепла, или, по меньшей мере, один из ее компонентов имеет температуру испарения, соответствующую эффективной работе контура 11 рекуперации тепла. В качестве рабочей среды может применяться вода или водяная смесь, причем вещество, добавляемое в последнюю, может иметь такие свойства, как, например, защита от коррозии и защита от замерзания. Альтернативно в качестве рабочей среды может применяться углеводородное соединение с низкой температурой кипения или, соответственно, испарения. Особенно подходящими считаются при этом соединения бутана, а также пентана. Перечень возможных рабочих сред, обладающих важными для изобретения физическими или, соответственно, химическими свойствами, содержится в приведенной ниже таблице:
| Среда | Молярная масса |
Критическая
точка |
Температура кипения (10 5 Па) | Теплота испарения (10 5 Па) | Подъем кривой насыщенного пара | Разложение прибл. при | |
| NH3 | 17 | 405,3 К | 11,33 МПа | 239,7 К | 1347 кДж/кг | отрицательный | 750 К |
| Вода | 18 | 647,0 К | 22,06 МПа | 373,0 К | 2256 кДж/кг | отрицательный | |
| n-бутан C4H10 | 58,1 | 425,2 К | 3,80 МПа | 272,6 К | 383,8 кДж/кг | ||
| n-пентан C5H12 | 72,2 | 469,8 К | 3,37 МПа | 309,2 К | 357,2 кДж/кг | ||
| C6H6 | 78,14 | 562,2 К | 4,90 МПа | 353,0 К | 438,7 кДж/кг | положительный | 600 К |
| C7H8 | 92,1 | 591,8 К | 4,10 МПа | 383,6 К | 362,5 кДж/кг | положительный | |
| R134a (HFC-134a) | 102 | 374,2 К | 4,06 МПа | 248,0 К | 215,5 кДж/кг | изентропический | 450 К |
| C8H10 | 106,1 | 616,2 К | 3,50 МПа | 411,0 К | 339,9 кДж/кг | положительный | |
| R12 | 121 | 385,0 К | 4,13 МПа | 243,2 К | 166,1 кДж/кг | изентропический | 450 К |
| HFC-245fa | 134,1 | 430,7 К | 3,64 МПа | 288,4 К | 208,5 кДж/кг | ||
| HFC-245ca | 134,1 | 451,6 К | 3,86 МПа | 298,2 К | 217,8 кДж/кг | ||
| R11 (CFC-11) | 137 | 471,0 К | 4,41 МПа | 296,2 К | 178,8 кДж/кг | изентропический | 420 К |
| HFE-245fa | 150 | 444,0 К | 3,73 МПа | ||||
| HFC-236fa | 152 | 403,8 К | 3,18 МПа | 272,0 К | 168,8 кДж/кг | ||
| R123 | 152,9 | 456,9 К | 3,70 МПа | 301,0 К | 171,5 кДж/кг | положительный | |
| CFC-114 | 170,9 | 418,9 К | 3,26 МПа | 276,7 К | 136,2 кДж/кг | ||
| R113 | 187 | 487,3 К | 3,41 МПа | 320,4 К | 143,9 кДж/кг | положительный | 450 К |
| n-перфтор-пентан C5F12 | 288 | 420,6 К | 2,05 МПа | 302,4 К | 87,8 кДж/кг |
Применяемая рабочая среда в контуре рекуперации тепла внутри теплообменника 18 рекуперации отработавших газов и теплообменника 19 отработавших газов соответственно полностью переходит из жидкого агрегатного состояния в парообразное. При этом при передаче тепла в теплообменнике 18 рекуперации отработавших газов, с одной стороны, происходит высокоэффективное охлаждение рециркулируемого отработавшего газа, а с другой стороны, полное испарение рабочей среды. При передаче тепла в теплообменнике 19 отработавших газов обеспечивается, с одной стороны, наиболее эффективное охлаждение проходящего через теплообменник отработавшего газа, а с другой стороны, также полное испарение рабочей среды. Имеющаяся в виде пара на выходе работающих в качестве испарителей теплообменников 18, 19, рабочая среда затем направляется в расширитель 19 и преобразуется им в механическую полезную энергию. Расширитель 19 может представлять собой, например, тепловой двигатель или турбинную установку, при помощи которой энергия, освобождающаяся при испарении рабочей среды, по меньшей мере, частично может быть преобразована в полезную энергию вращения, которая либо непосредственно, либо через приводную ветвь или передачу для использования полученной полезной энергии соединена, например, с двигателем внутреннего сгорания или генератором электрического тока.
Таким образом, при помощи соответствующего изобретению решения, с одной стороны, достигается высокоэффективное охлаждение двигателя 1 внутреннего сгорания, а также подводимого к нему наддувочного воздуха и рециркулируемого отработавшего газа, а с другой стороны, также с наибольшей степенью эффективности в различных местах используется тепловая энергия отработавшего газа, во-первых, для производства дополнительной механической мощности, а во-вторых, чтобы при одинаковой отдаче мощности сократить до минимума сжигаемое в двигателе 1 внутреннего сгорания количество топлива и за счет этого уменьшить загрязнение окружающей среды.
1. Двигательная установка, в частности, транспортного средства, содержащая двигатель (1) внутреннего сгорания с двухступенчатым турбонаддувом посредством двух работающих на отработавшем газе турбокомпрессоров (2, 3), которая имеет
- систему подачи наддувочного воздуха, имеющую компрессор (2/2) низкого давления, компрессор (3/2) высокого давления, промежуточный охладитель (8) наддувочного воздуха между компрессором (2/2) низкого и компрессором (3/2) высокого давления, а также включенный после компрессора (3/2) высокого давления основной охладитель (9) наддувочного воздуха, и кроме того,
- систему отвода отработавших газов, имеющую турбину (3/1) высокого давления, турбину (2/1) низкого давления и, при необходимости, включенную после последней (2/1) в выхлопном канале (4) систему (5) нейтрализации отработавших газов, и
- систему охлаждения с контуром (10) охлаждения и гидравлически разъединенным с ним контуром (11) рекуперации тепла, отличающаяся тем,
что контур (10) охлаждения включает в себя два частичных контура (10/1, 10/2) охлаждения, гидравлически либо соединенных, либо разъединенных друг с другом, и в этих частичных контурах охлаждения при помощи, по меньшей мере, одного насоса (12) может циркулировать охлаждающая среда,
что в первом частичном контуре (10/1) охлаждения расположен охлаждаемый окружающим воздухом теплообменник (13), а во втором частичном контуре (10/2) охлаждения - другой охлаждаемый окружающим воздухом теплообменник (16), а также ниже по потоку от него - основной охладитель (9) наддувочного воздуха и промежуточный охладитель (8) наддувочного воздуха,
что внутри контура (11) рекуперации тепла при помощи, по меньшей мере, одного насоса (17) может обеспечиваться циркуляция рабочей среды при повышенном давлении, и при этом в теплообменниках (18, 19, 20) может происходить фазовый переход этой среды из жидкого в парообразное агрегатное состояние и обратно, причем эта рабочая среда, разделенная после насоса (17) на два параллельных частичных потока, в первой параллельной ветви (11а) в теплообменнике (18) рециркуляции отработавших газов, через который протекает рециркулируемый отработавший газ, и во второй параллельной ветви (11b) в теплообменнике (19) отработавших газов, через который протекает отработавший газ, имеющийся в выхлопном канале (4d) ниже по потоку от турбины (2/1) низкого давления, может переводиться в парообразное агрегатное состояние, затем эта парообразная рабочая среда может подводиться к расширителю (21) и с его помощью преобразовываться в механическую полезную энергию, а затем может направляться через охлаждаемый конденсатор (20) и во вновь в жидком агрегатном состоянии при помощи насоса (17) снова подаваться в вышеназванный контур.
2. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник (18) рекуперации отработавших газов снабжается рециркулируемым газом через канал (22) рекуперации отработавших газов, который ответвляется от участка (4b) выхлопного канала, соединяющего расположенное со стороны выхода колено (4а) двигателя (1) внутреннего сгорания с входом турбины (3/1) высокого давления.
3. Двигательная установка по п.2, отличающаяся тем, что рециркулируемый газ подводится через канал (22) рекуперации отработавших газов в теплообменник (18) рекуперации отработавших газов, и после прохождения через него направляется в тот участок (7d) канала наддувочного воздуха, который обеспечивает соединение между основным охладителем (9) наддувочного воздуха и расположенными со стороны двигателя внутреннего сгорания входами (7е) воздуха или соответственно сборным каналом (7f) наддувочного воздуха, от которого отходят входы (7е) воздуха.
4. Двигательная установка по п.2, отличающаяся тем, что в канале (22) рекуперации отработавших газов выше по потоку от теплообменника (18) рекуперации отработавших газов расположен, по меньшей мере, один другой теплообменник (44), через который протекает охлаждающая среда другой проходящей параллельно ветвям (10/2d, 10/2c) второго частичного контура (10/2) охлаждения ветви (10/2g), и таким образом после теплообменника (18) рекуперации отработавших газов способствует другому охлаждению протекающего через канал (22) отработавшего газа, и что рециркулируемый отработавший газ после протекания также через теплообменник (44) направляется через канал (22) рекуперации отработавших газов в тот участок (7d) канала наддувочного воздуха, который обеспечивает соединение между основным охладителем (9) наддувочного воздуха и расположенными со стороны двигателя внутреннего сгорания входами воздуха (7е) или соответственно сборным каналом (7f) наддувочного воздуха, от которого отходят входы (7е) воздуха.
5. Двигательная установка по п.2, отличающаяся тем, что рециркулируемый газ подводится по каналу (22) рекуперации отработавших газов к теплообменнику (18) рекуперации отработавших газов и после протекания через него возвращается к входам (7е) воздуха двигателя внутреннего сгорания или соответственно сборному каналу (7f) наддувочного воздуха, от которого отходят входы (7е) воздуха.
6. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник (19) отработавших газов расположен вблизи турбины (2/1) низкого давления в примыкающем к последней участке (4d) выхлопного канала, где он использует остаточное тепло выходящего из указанной турбины (2/1) отработавшего газа.
7. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник (19) отработавших газов расположен в примыкающем к выходу турбины (2/1) низкого давления участке (4d) выхлопного канала, где он выше по потоку от устройства (5) нейтрализации отработавших газов использует остаточное тепло выходящего из этого устройства после прохождения через него отработавшего газа.
8. Двигательная установка по п.7, отличающаяся тем, что устройство (5) нейтрализации отработавших газов и теплообменник (19) отработавших газов расположены непосредственно друг за другом в участке (4d) выхлопного канала.
9. Двигательная установка по п.7, отличающаяся тем, что теплообменник (19) отработавших газов расположен после устройства (5) нейтрализации отработавших газов на расстоянии от него в участке (4d) выхлопного канала.
10. Двигательная установка по п.7, отличающаяся тем, что устройство (5) нейтрализации отработавших газов состоит из нескольких модулей (5а) нейтрализации отработавших газов, которые встроены в глушитель (25) и проходят там между выпускной камерой (31) отработавших газов и впускной камерой (32) отработавших газов, причем отработавший газ может подводиться во впускную камеру (32) отработавших газов через впускной патрубок (33), который является частью примыкающего на выходе к турбине (2/1) низкого давления участка (4d) выхлопного канала, причем после протекания через модули (5а) нейтрализации отработавших газов очищенный отработавший газ из выпускной камеры (32) отработавших газов через концевую трубу (34) выводится из глушителя (25), и при этом теплообменник (19) отработавших газов расположен либо внутри, либо за пределами глушителя (25).
11. Двигательная установка по п.10, отличающаяся тем, что теплообменник (19) отработавших газов закреплен снаружи на глушителе (25) и со стороны входа к нему (19) через концевую трубу (34) подводится отработавший газ.
12. Двигательная установка по п.10, отличающаяся тем, что теплообменник (19) отработавших газов расположен внутри глушителя (25), а там внутри его впускной камеры (32) отработавших газов и со стороны входа к нему (19) через концевую трубу (34) подводится отработавший газ.
13. Двигательная установка по п.10, отличающаяся тем, что теплообменник (19) отработавших газов расположен внутри глушителя (25), а там внутри его выпускной камеры (31) отработавших газов, и что отработавший газ после протекания через теплообменник (19) отработавших газов через концевую трубу (34) выводится из глушителя (23).
14. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что конденсатор (20) для своего охлаждения включен либо в первый, либо во второй частичный контур (10/1) или соответственно (10/2) охлаждения, причем таким образом, что циркулирующая в нем охлаждающая среда используется также для повторного охлаждения и ожижения протекающей через конденсатор (20) рабочей среды контура 11 рекуперации тепла.
15. Двигательная установка по п.14, отличающаяся тем, что конденсатор (20) расположен в том участке (10/2е) канала во втором частичном контуре (10/2) охлаждения, который
- при последовательном включении основного охладителя (9) наддувочного воздуха и промежуточного охладителя (8) наддувочного воздуха соединяет его выход, или
- при параллельном включении основного охладителя (9) наддувочного воздуха и промежуточного охладителя (8) наддувочного воздуха соединяет оба их выхода либо с входом насоса (12), либо с имеющимся перед ним со стороны всасывания местом ввода в участок (10/1b) канала первого частичного контура (10) охлаждения, соединяющий выход теплообменника (13) с насосом (12).
16. Двигательная установка по п.14, отличающаяся тем, что конденсатор расположен в том участке (10/1b) канала первого частичного контура (10/1) охлаждения, который соединяет выход теплообменника (13) с входом насоса (12).
17. Двигательная установка по п.16, отличающаяся тем, что тогда, когда конденсатор (20) включен в участок (10/1b) канала первого частичного контура (10/1) охлаждения, второй частичный контур (10/2) охлаждения своим участком (10/2а) канала ответвляется от ведущего к двигателю (1) внутреннего сгорания участка (10/1b) канала ниже по потоку от насоса (12), и своим участком (10/2е) канала снова оканчивается в той части участка (10/1b) канала первого частичного контура (10/1) охлаждения, которая соединяет выход конденсатора (20) с насосом (12).
18. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что к конденсатору (20) в качестве охлаждающей среды подводится сжатый воздух, который создается при помощи всасывающего воздух из атмосферы компрессора или воздуходувки (23), который или соответственно которая приводится в движение от двигателя (1) внутреннего сгорания через соответствующую кинематическую цепь, или трансмиссию, или, альтернативно, от электродвигателя.
19. Двигательная установка по п.18, отличающаяся тем, что в подводящем канале (24) выше по потоку от конденсатора (20) и/или ниже по потоку от последнего в канале находится, по меньшей мере, один из других теплообменников (42, 43), через который протекает воздух, и при помощи которого за счет сжатого воздуха достигается другой охлаждающий эффект.
20. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что насос (17) контура (11) рекуперации тепла имеет механический привод от двигателя (1) внутреннего сгорания.
21. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что насос (17) контура (11) рекуперации тепла приводится в движение электродвигателем (35).
22. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что при помощи насоса (17) рабочая среда нагнетается в контуре (11) рекуперации тепла к блоку (36) клапанов, от которого отходят обе параллельные ветви (11а, 11b), и что посредством блока (36) клапанов, независимо от имеющегося в распоряжении количества тепла, два массовых потока рабочей среды образуются в обеих параллельных ветвях (11а, 11b), которые, кроме того, могут регулироваться независимо друг от друга и от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания или соответственно электродвигателя.
23. Двигательная установка по п.21 или 22, отличающаяся тем, что в случае привода насоса (17) от электродвигателя блок (36) клапанов состоит из смесительного клапана (36`), который регулируемо разделяет управляемый насосом (17) массовый поток рабочей среды на два направляемых в обе параллельные ветви (11а, 11b) массовых частичных потока.
24. Двигательная установка по п.20 или 22, отличающаяся тем, что при механическом приводе насоса (17) от двигателя (1) внутреннего сгорания блок (36) клапанов состоит из двух клапанов (37, 38) регулирования потока, ресивера (39) и клапана (40) ограничения давления, причем при помощи насоса (17) рабочая среда в зависимости от частоты вращения двигателя (1) внутреннего сгорания нагнетается в ресивер (39), посредством клапана (40) ограничения давления избыточное количество рабочей среды отправляется в уравнивающий бак (41), а посредством каждого клапана (37 или, соответственно, 38) регулирования потока из ресивера (39) забирается частичный поток рабочей среды и подводится к примыкающей параллельной ветви (11а, 11b).
25. Двигательная установка по п.23, отличающаяся тем, что в качестве рабочей среды в контуре (11) рекуперации тепла может применяться вода или водяная смесь, причем вещество, добавляемое в последнюю, может влиять на такие свойства, как например, защита от коррозии и защита от замерзания.
26. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве расширителя (21) предусмотрен тепловой двигатель или турбинная установка, при помощи которой энергия, содержащаяся в испаренной рабочей среде, по меньшей мере, частично может быть преобразована в энергию вращения, которая, в свою очередь, может быть эффективно использована в качестве полезной мощности.
27. Двигательная установка по п.26, отличающаяся тем, что расширитель (21) находится в отбирающем полезную мощность активном соединении с двигателем (1) внутреннего сгорания, или генератором электрического тока, или другим агрегатом, причем это активное соединение непосредственно или опосредствованно через приводную ветвь или кинематическую цепь осуществляется с ведущим валом соответствующего агрегата.
