Система утилизации отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания с устройством защиты от замерзания
Изобретение может быть использовано в устройствах для утилизации отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания. Устройство для использования отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания снабжено контуром отходящего тепла, в котором циркулирует рабочая среда и с помощью которого отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания и/или тепло выхлопных газов преобразуется в механическую работу. В контуре использования отходящего тепла предусмотрены испаритель (1), в котором рабочая среда за счет поглощения отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере, частично переводится в парообразное агрегатное состояние, расширительное устройство (2) для получения механической работы, в котором, по меньшей мере, частично расширяется парообразная рабочая среда, и конденсатор (3), в котором рабочая среда переводится в жидкое агрегатное состояние. В контуре отходящего тепла предусмотрено, по меньшей мере, одно устройство (4) защиты от замерзания, которое предотвращает обусловленные замерзанием рабочей среды повреждения в контуре отходящего тепла. Устройство (4) защиты от замерзания имеет, по меньшей мере, одно нагревательное средство (10), с помощью которого возможно темперирование рабочей среды. Раскрыт автомобиль, имеющий устройство для использования отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации устройства независимо от температуры окружающей среды. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение касается способа, а также устройства для утилизации отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания, снабженного контуром отходящего тепла, в котором циркулирует рабочая среда и с помощью которого отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания преобразуется в механическую работу. В контуре отходящего тепла имеется испаритель, в котором рабочая среда, по меньшей мере, частично переводится в парообразное агрегатное состояние, расширительное устройство для получения механической работы, в котором, по меньшей мере, частично парообразная рабочая среда расширяется, и конденсатор, в котором рабочая среда переводится в жидкое агрегатное состояние.
Для обеспечения возможности экономии топлива, в частности, у передвижных двигателей внутреннего сгорания, таких как, например, автомобильные двигатели внутреннего сгорания, в настоящее время имеются два основных приоритетных технических решения. Наряду с применением различных гибридных схем, которые предлагаются, прежде всего, для городского и диспетчеризованного сообщения в связи с характерными для него процессами торможения и ускорения, известны также системы рекуперации тепла, которые используют отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания для получения дополнительной приводной энергии. Такие системы для утилизации отходящего тепла передвижных двигателей внутреннего сгорания предлагаются, прежде всего, для автомобилей, которые используются для дальнего сообщения.
В этой связи из DE 10 2006 043 139 A1 известна система рекуперации тепла для двигателя внутреннего сгорания, у которой отходящее тепло, выделяющееся в области двигателя внутреннего сгорания, отдается во вторичный тепловой контур, в котором циркулирует рабочая среда. Тепло, выделяющееся в области двигателя внутреннего сгорания, сначала передается в испарителе вторичного теплового контура рабочей среде, которая при этом переходит в практически парообразное агрегатное состояние. Затем парообразная рабочая среда расширяется в расширительном устройстве, которое преобразует тепловую энергию в механическую работу, так что автомобиль может использовать дополнительную приводную энергию, полученную за счет отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания. После расширения в расширителе рабочая среда вторичного теплового контура нагнетается в конденсатор, в котором она сжижается, отдавая тепло, так что соответствующий процесс работы парового контура завершается.
В качестве рабочих сред, применяемых в контурах для использования отходящего тепла, рассматриваются, в принципе, все известные из термодинамики процессов жидкости, такие как, например, спирты, углеводороды, соединения углерода и фтора или известные безопасные рабочие средства. Впрочем, благодаря термодинамическим и физическим свойствам, а также возможности простого и недорогого приобретения был совершен переход к тому, чтобы в системах утилизации отходящего тепла в качестве рабочей среды применять также деионизированную воду.
Большим недостатком воды, прежде всего для передвижного применения таких систем, является проблема замерзания среды. Причем здесь, прежде всего, подвергаются опасности те области вторичного теплового контура, в которых среда находится в жидком состоянии под высоким давлением. Находящиеся в этих участках контура для использования отходящего тепла компоненты и конструктивные узлы должны, с одной стороны, обладать высокой жесткостью, обусловленной высоким давлением, а с другой стороны, быть настолько упругими, чтобы при объемном расширении замерзающей воды не происходило повреждение компонентов.
Исходя из известной из уровня техники проблемы, в основу изобретения положена задача предоставления системы утилизации отходящего тепла для двигателя внутреннего сгорания, которая может надежно эксплуатироваться независимо от температур окружающей среды. Причем необходимо, в частности, относительно простыми средствами надежно защитить от замерзания высоконапорные компоненты контура отходящего тепла, выполненного в виде вторичного теплового контура, несмотря на повышенные требования к эксплуатационной надежности, касающиеся их конструктивного исполнения, а также выбора материала. Необходимо относительно простым способом обеспечить надежную эксплуатацию системы утилизации отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания, в частности двигателя внутреннего сгорания автомобиля, в частности грузового автомобиля, при различных температурах, как при кратковременном, так и при длительном режиме работы.
Описанная выше задача решается с помощью устройства по п.1. Кроме того, в п.16 указано предпочтительное применение. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов и поясняются более подробно в последующем описании с частичной ссылкой на фигуры.
В соответствии с изобретением устройство для утилизации отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания, снабженное контуром отходящего тепла, в котором циркулирует рабочая среда и с помощью которого отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания и/или тепло отходящих газов преобразуется в механическую работу, при этом в контуре отходящего тепла испаритель, в котором рабочая среда за счет поглощения отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере, частично переводится в парообразное агрегатное состояние, расширительное устройство для получения механической работы, в котором, по меньшей мере, частично парообразная рабочая среда расширяется, и конденсатор, в котором рабочая среда переводится в жидкое агрегатное состояние, усовершенствованы таким образом, что в контуре отходящего тепла предусмотрено, по меньшей мере, одно устройство защиты от замерзания, которое предотвращает обусловленные замерзанием рабочей среды повреждения в контуре отходящего тепла.
Благодаря предусмотренному в контуре отходящего тепла отдельному устройству защиты от замерзания либо обеспечивается надежное предотвращение замерзания рабочей среды даже при низких температурах наружного воздуха, либо отсутствие повреждения компонентов, несмотря на допущенное замерзание рабочей среды, вследствие их осуществления в соответствии с изобретением. Таким образом, обычно применяемые компоненты контура отходящего тепла, выполненного в виде вторичного теплового контура, могут применяться без значительных конструктивных изменений или применения специальных материалов. Предлагаемое изобретением устройство защиты от замерзания может быть при этом активировано постоянно или подключаться, по меньшей мере, время от времени, например, в зависимости от задаваемых рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания и/или температуры окружающей среды. Под контуром отходящего тепла или контуром для использования отходящего тепла в соответствии с изобретением и последующим описанием понимается вторичный тепловой контур, в который передается отходящее тепло из контура охлаждения двигателя внутреннего сгорания, которое в ином случае отдавалось бы окружающему воздуху. При этом контур отходящего тепла или контур для использования отходящего тепла представляет собой замкнутый контур, соответственно цикл, в котором циркулирует рабочая среда, которая внутри контура изменяет свое агрегатное состояние. Под отходящим теплом двигателя внутреннего сгорания в смысле изобретения и последующего описания понимается как отходящее тепло, отводимое непосредственно в области двигателя внутреннего сгорания, так и отходящее тепло, которое отбирается у выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что как отходящее тепло, которое отводится непосредственно от двигателя внутреннего сгорания, так и отходящее тепло, которое отбирается у выхлопного газа, выделяется в результате сгорания, происходящего в двигателе внутреннего сгорания.
В одном специальном варианте осуществления изобретения устройство защиты от замерзания выполнено в виде, по меньшей мере, одной присадки, которая после добавления в рабочую среду понижает точку замерзания рабочей среды, то есть температуру, при которой рабочая среда переходит из жидкого в твердое агрегатное состояние. Применяемая присадка, например спирт, такой как этанол или пропанол, отличается предпочтительно своей способностью смешиваться с водой и значительно более низкой точкой замерзания, чем вода. Смесь, состоящая из рабочей среды и присадки, находится в баке с рабочей средой предпочтительно в жидком виде и оттуда предпочтительным образом с помощью питательного водяного насоса сначала подается в испаритель, прежде чем она направляется через другие компоненты контура для использования отходящего тепла.
Так как количество попадающей из питательного бака в испарители рабочей среды регулируется, чтобы адаптировать массовый поток к требованиям всей системы, к отдельным компонентам, в частности к испарителю, а также к конденсатору всегда подводится массовый поток среды с заданным соотношением в смеси между рабочей средой и присадкой. Благодаря предпочтительному регулированию массового потока среды с помощью температуры на выходе испарителя обеспечивается, что поступающая в испаритель среда выходит из испарителя с температурой, которая превышает точки кипения составных частей рабочей среды. Несмотря на локальные имеющиеся в испарителе различные области испарения, на выходе из испарителя все составные части смеси находятся в парообразном состоянии. Благодаря этому, прежде всего, гарантируется, что не произойдет разделение смеси рабочей среды и присадки из-за разницы точек кипения этих веществ.
Поэтому особый усовершенствованный вариант осуществления изобретения предусматривает, что на выходе из испарителя устанавливается температура сравнительно высокого уровня, в частности 300°C, совершенно особенно предпочтительными более 350°C, выше температур кипения обоих компонентов, то есть соответственно рабочей среды, а также присадки. При конденсации, в свою очередь, обеспечивается, что температура кипения обеих составных частей не достигается, так что они снова переводятся в жидкую фазу, и присадка растворяется в воде, применяемой предпочтительно в качестве рабочей среды. Благодаря соответственно полному переводу рабочей среды в парообразное, соответственно в жидкое, состояние соотношение компонентов смеси даже при фазовых переходах во всем контуре остается одинаковым.
Особенно предпочтительными присадками, которые могут применяться в качестве устройства защиты от замерзания для контура утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания с циркулирующей там рабочей средой, являются метанол, этанол, пропанол, бутанол или пентанол, а также их производные или расширенные соединения. В этой связи возможно также применение надлежащих смесей этих спиртов.
Вышеназванные спирты представляют собой простые основные спирты, при этом путем изменения молекулярных цепей возможно целенаправленное изменение отдельных свойств этих спиртов предпочтительным образом.
Другой особенный усовершенствованный вариант осуществления изобретения предусматривает, что в качестве устройства защиты от замерзания предусмотрены специальные расширительные объемы внутри контура для использования отходящего тепла, выполненного в виде вторичного теплового контура. Такие расширительные и/или компенсационные объемы либо выполняются в виде дополнительных емкостей, либо обеспечиваются упругими средствами растяжения, которые проявляют податливость при нарастании давления, например при образовании льда, и предусмотрены, по меньшей мере, в одном конструктивном узле вторичного теплового контура.
Описанные выше выполненные в качестве расширительных и/или компенсационных объемов устройства защиты от замерзания применяются предпочтительно в области низких давлений систем использования отходящего тепла. Специальные компенсационные объемы предусмотрены предпочтительным образом в области бака, фильтра или насоса для откачки конденсата. Предпочтительно расширительные и/или компенсационные объемы, по меньшей мере, на отдельных участках имеют полимерный материал, который благодаря своей упругости осуществляет расширение объема при замерзании рабочей среды без повреждения. Альтернативно или в дополнение к этому существует принципиальная возможность, чтобы трубопроводы в области низких давлений были выполнены в виде гибких полимерных трубопроводов, в частности в виде трубопроводов из полиамида.
Чтобы создать дополнительные компенсационные объемы в области высоких давлений вторичного теплового конура, использующего отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания, возможно исполнение трубопроводов в виде высоконапорных шлангов для горячей воды с усилением из волокна, трикотажа и/или ткани, у которых волокно, трикотаж и/или ткань, в противоположность массивным трубопроводам из нержавеющей стали, выдерживают определенные расширения без повреждений. Другим преимуществом таких высоконапорных шлангов является их намного большая гибкость и простота прокладывания, чем у массивных трубопроводов из нержавеющей стали.
В другом особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения у испарителя и/или у конденсатора предусмотрен компенсационный или расширительный объем, который при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания и контура отходящего тепла не полностью наполнен рабочей средой. Таким образом, при возможном замерзании рабочей среды принимается дополнительный объем рабочей среды, или компенсационный, соответственно, расширительный объем расширяется только таким образом, что на испарителе и/или конденсаторе не возникает остаточных повреждений. В этом случае можно также выполнить компенсационный или расширительный объем таким образом, чтобы он упруго деформировался соответствующим образом. Альтернативно или в дополнение к этому уравнительный объем может быть также создан в области питательного бака, например, за счет не полного наполнения емкости рабочей средой и/или путем применения для емкости упругого материала. Предпочтительно уравнительный объем обеспечивается с помощью самого питательного бака.
В одном специальном варианте осуществления изобретения питательный бак и уравнительная емкость системы охлаждения автомобиля, то есть, по меньшей мере, одного первичного контура для отвода тепла, выделяющегося в области двигателя внутреннего сгорания, и/или отвода выхлопного газа, будучи гидравлически разделены друг с другом, комбинируются в одном конструктивном узле. Благодаря этой мере предпочтительным образом обеспечивается, что до запуска в эксплуатацию вторичного контура отходящего тепла после достижения рабочей температуры двигателя в питательном баке замерзшая рабочая среда, по меньшей мере, частично за счет тепла воды, охлаждающей двигатель, снова будет переведена в жидкое агрегатное состояние.
Другой особый усовершенствованный вариант осуществления изобретения предусматривает, что устройство защиты от замерзания имеет, по меньшей мере, одно нагревательное средство, с помощью которого возможно темперирование рабочей среды. При этом применяемые в соответствии с изобретением нагревательные средства предпочтительно применяются двумя различными способами. С одной стороны, с помощью надлежащего нагревательного средства можно поддерживать рабочую среду в теплом состоянии, с другой стороны, такие нагревательные средства могут применяться для прогрева среды из трубопроводов или компонентов контура использования отходящего тепла, выполненного в виде вторичного теплового контура.
У систем для поддержания среды в теплом состоянии применяются предпочтительно электрические нагревательные устройства внутри контура отходящего тепла. Нагревательные средства могут быть при этом расположены в трубопроводах и/или отдельных компонентах, таких как, например, испаритель, конденсатор или насосы. С помощью нагревательных средств температура рабочей среды или смеси, состоящей из рабочей среды и, по меньшей мере, одного другого вещества, всегда поддерживается выше точки ее замерзания.
Дополнительно или альтернативно нагревательным средствам для поддержания среды в теплом состоянии, могут применяться нагревательные средства для того, чтобы прогревать рабочую среду из трубопроводов и/или компонентов контура отходящего тепла. При прогреве рабочей среды остающаяся в трубопроводе и/или компоненте вторичного теплового контура рабочая среда нагревается таким образом, что она в значительной мере испаряется. По окончании процесса прогрева среда повторно конденсируется в соответствующем трубопроводе и/или компоненте контура отходящего тепла, так что объем остающейся в трубопроводе и/или компоненте среды за счет конденсации значительно уменьшается. В частности, в трубопроводе и/или компоненте образуются только несколько капель конденсата, например в каналах испарителя и/или конденсатора, так что при замерзании этих остаточных капель рабочей среды не происходит повреждения нагретого трубопровода и/или компонента.
В одном особом варианте осуществления изобретения нагревательные средства для прогрева рабочей среды регулируются таким образом, что при остановке работы двигателя внутреннего сгорания, при наступлении рабочей паузы двигателя внутреннего сгорания или как только двигатель внутреннего сгорания оказывается в задаваемой точке нагрузки или ниже нее, в частности, при частоте вращения на холостом ходу, начинается процесс прогрева.
В качестве нагревательных средств рассматриваются различные конструктивные узлы. С одной стороны, возможно использование компонентов, и так уже предусмотренных в контуре отходящего тепла, в качестве нагревательных средств для прогрева определенных трубопроводов и/или компонентов, с другой стороны, могут быть предусмотрены дополнительные нагревательные средства, в частности электрические нагревательные средства, в контуре отходящего тепла.
В первом надлежащем варианте для процесса прогрева используется остаточное тепло, по меньшей мере, одного трубопровода и/или, по меньшей мере, одного компонента контура отходящего тепла. Для этого сначала останавливается подача рабочей среды через питательный насос в контур отходящего тепла. Благодаря этой мере давление в системе отходящего тепла уменьшается, и за счет остаточного тепла отдельных компонентов контура отходящего тепла испаряется рабочая среда, находящаяся в отдельных трубопроводах и/или компонентах, в частности в испарителе, конденсаторе и/или соединительных трубопроводах. Как только образующийся при нагреве посредством остаточного тепла пар при охлаждении отдельных компонентов контура отходящего тепла снова сконденсируется, остаются только пренебрежимо малые капли конденсата в отдельных компонентах, в частности каналах конденсатора и/или испарителя. В этой связи процесс нагрева осуществляется таким образом, что после его окончания в прогретых трубопроводах и/или компонентах остается только такое небольшое остаточное количество рабочей среды, что замерзание соответствующих капель остаточной рабочей среды не приводит к повреждению контура отходящего тепла.
Чтобы обеспечить постоянное наличие достаточного количества остаточного тепла для испарения остающейся в контуре отходящего тепла рабочей среды, один из усовершенствованных вариантов ранее изложенного осуществления способа предусматривает, что при пуске всей системы, состоящей из двигателя внутреннего сгорания и контура для использования отходящего тепла, сначала рабочая среда нагнетается посредством питательного насоса в контур отходящего тепла, после того как отдельные трубопроводы и/или компоненты, в частности испаритель, были нагреты горячим, выходящим из двигателя внутреннего сгорания выхлопным газом до необходимой температуры. При этом под необходимой температурой следует понимать температуру, превышающую точку кипения рабочей среды.
Другой специальный вариант осуществления изобретения предусматривает, что устройство защиты от замерзания имеет, по меньшей мере, одно регулировочное средство, с помощью которого при нерабочих фазах двигателя внутреннего сгорания рабочая среда, по меньшей мере, частично может отводиться, по меньшей мере, из одного компонента контура отходящего тепла. В качестве указанного регулировочного средства могут быть средства для выдувания, откачивания и/или для автоматического опорожнения (например, насос), по меньшей мере, одного компонента контура отходящего тепла. Такие системы располагаются предпочтительно в области массивных конструктивных узлов контура отходящего тепла, которые не могут прогреваться надлежащим образом. То, что отдельные компоненты этого контура не могут прогреваться в достаточной степени, часто объясняется тем, что эти компоненты не располагают достаточным остаточным теплом и/или не устойчивы по отношению к высоким температурам.
При выдувании (продувке) в надлежащем месте контура отходящего тепла в систему кратковременно вдувается воздух, который выдувает среду, по меньшей мере, из одного трубопровода и/или компонента контура отходящего тепла, в частности насосов, испарителя и/или конденсатора. При этом выдувание должно осуществляться не обязательно таким образом, чтобы среда полностью удалялась из соответствующего компонента. Более того, в одном из предпочтительных усовершенствованных вариантов осуществления предусмотрено, что выдувание происходит только до тех пор или настолько интенсивно, пока в соответствующем трубопроводе и/или компоненте не останется лишь задаваемое остаточное количество рабочей среды. При этом выдувание происходит предпочтительно так, что, по меньшей мере, в одном предусмотренном для выдувания трубопроводе и/или компоненте остается только лишь остаточное количество капель, замерзание которых не повредит систему отходящего тепла недопустимым образом.
В одном другом специальном усовершенствованном варианте осуществления изобретения с помощью средств откачивания, по меньшей мере, из одного компонента контура отходящего тепла откачивается рабочая среда. Предпочтительно откачанная рабочая среда нагнетается обратно в уравнительную емкость и/или питательный бак. Предпочтительно откачивание происходит в тех областях контура отходящего тепла, которые особенно подвержены опасности замерзания рабочей среды. При откачивании, например, с помощью электроприводного насоса рабочая среда откачивается, по меньшей мере, из одного трубопровода и/или компонента контура отходящего тепла. При этом внутри предусмотренного для откачивания трубопровода и/или компонента предпочтительным образом предусмотрено пространство, в котором остающаяся в компоненте жидкость может собираться и откачиваться насосом. Благодаря этой мере из предусмотренных для откачивания компонентов контура отходящего тепла удаляется жидкость или, в свою очередь, по меньшей мере, обеспечивается, что остающаяся в них рабочая среда имеется только лишь в том количестве или, соответственно, в количестве остаточных капель, замерзание которого не приведет к повреждению системы утилизации тепла.
Другой особенно предпочтительный вариант осуществления в отношении опорожнения, по меньшей мере, одного компонента контура отходящего тепла представляет собой автоматическое опорожнение. Средства для автоматического опорожнения предпочтительным образом предусматриваются в дополнение к средствам для выдувания и/или откачивания. Это объясняется, прежде всего, тем, что с помощью средств для автоматического опорожнения рабочая среда может быть удалена, по меньшей мере, из одного трубопровода и/или компонента контура отходящего тепла только тогда, когда это возможно ввиду силы тяжести. Это происходит предпочтительно тогда, когда рабочая среда при использовании средства для автоматического опорожнения под действием силы тяжести может течь, по меньшей мере, из одного компонента до следующего места откачивания или прогрева или до уравнительной емкости, соответственно емкости с питательной средой. Чтобы иметь возможность использовать средства для автоматического опорожнения предпочтительным образом, соответствующие компоненты контура отходящего тепла следует располагать выше, чем те точки, к которым должна течь рабочая среда под действием силы тяжести.
Ниже изобретение поясняется более подробно с помощью фигур без ограничения общей идеи изобретения.
Фиг.1 - контур для использования отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.2 - выполненное в виде нагревательного средства устройство защиты от замерзания для поддержания в теплом состоянии и/или прогрева контура для использования отходящего тепла.
Фиг.3 - конденсатор контура для использования отходящего тепла, снабженный средствами для откачивания рабочей среды.
Фиг.4 - испаритель контура для использования отходящего тепла, снабженный средствами для выдувания рабочей среды.
Фиг.5 - средства для автоматического опорожнения одного из компонентов контура для использования отходящего тепла.
На фиг.1 показан контур для использования отходящего тепла, с помощью которого отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания преобразуется в механическую работу. Для этого образующееся в двигателе внутреннего сгорания или в выхлопной системе отходящее тепло сначала передается первичному контуру охлаждения, прежде чем оно будет предоставлено контуру отходящего тепла, выполненному в виде вторичного теплового контура. Важными для использования отходящего тепла необходимыми компонентами являются испаритель 1, в котором рабочая среда переводится из жидкого в парообразное состояние, расширительное устройство 2, в котором парообразная рабочая среда расширяется, и при этом отдается механическая работа, и конденсатор, в котором рабочая среда снова сжижается, переходя в исходное состояние перед испарением.
Далее более подробно поясняется конкретная изображенная на фиг.1 конфигурация системы. Из питательного бака 5 с помощью питательного насоса 12 рабочая среда нагнетается в контур для использования отходящего тепла. Количество соответственно нагнетаемой в этот контур и протекающей через отдельные компоненты, в частности испаритель la, lb и расширительное устройство 2, рабочей среды регулируется в зависимости от рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, в частности, подлежащего отведению отходящего тепла. В параллельно подключенных испарителях 1а и lb используется отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания, при этом для испарения рабочей среды в испарителе 1а используется отходящее тепло отвода выхлопного газа, а в испарителе lb отходящее тепло, полученное в другом месте выхлопного канала. В качестве рабочей среды используется деионизированная вода, которая, в частности, ввиду своих термодинамических свойств обеспечивает прочное манипулирование и незначительные затраты по сравнению с другими рабочими средами.
В испарителях 1а и lb происходит испарение рабочей среды и, поскольку в качестве средства защиты от замерзания добавляется спирт, присадки. Пар направляется через трехходовой клапан 6 к расширительному устройству. В расширительном устройстве 2 пар, по меньшей мере, частично расширяется и расширенная рабочая среда отдается в трубопроводы контура для использования отходящего тепла. Дроссельный клапан 7, включенный параллельно устройству 2, служит, с одной стороны, для запуска и отключения системы, а с другой стороны, для отведения не предназначенной для расширения доли парообразной рабочей среды, необходимой для обеспечения соответствующих требований мощности.
После этого вся расширенная рабочая среда нагнетается к конденсатору 3, в котором рабочая среда, отдавая тепло, снова сжижается, переходя в первоначальное состояние, и после этого посредством насоса 8 для откачки конденсата через фильтр 9 нагнетается в питательный бак.
Исходя из установившихся там параметров состояния рабочей среды, контур для использования отходящего тепла можно грубо разделить на три области, а именно область низкого давления, область высокого давления жидкости и область высокого давления пара. Эти три области или, соответственно, расположенные в соответствующих областях компоненты и трубопроводы в различной степени подвержены опасности замерзания рабочей среды.
Так как при охлаждении области высокого давления пара пар сначала расширяется, а затем конденсируется, так что при выключении системы использования отходящего тепла рабочая среда имеется только лишь в виде капель, эта область не подвержена опасности возможного замерзания рабочей среды. В этой области находятся трехходовой клапан 6, расширительное устройство 2 и дроссельный клапан 7. При определенных обстоятельствах за расширительным устройством 2 бывает также предусмотрен обратный клапан. Соединительные трубопроводы в этой области выполнены в виде трубопроводов из нержавеющей стали.
Конденсатор 3, насос 8 для откачки конденсата, фильтр 9, а также питательный бак 5 находятся в области низкого давления. Без предусмотренных надлежащих защитных мер в этой области при замерзании рабочей среды могут возникнуть значительные повреждения трубопроводов и/или компонентов системы. По этой причине здесь предусмотрено несколько средств защиты от замерзания. Сначала при необходимости в рабочую среду может быть добавлено небольшое количество пропанола. Кроме этого, соединительные трубопроводы между выходом конденсатора 3 и входом питательного насоса представляют собой трубопроводы из полиамида, которые отличаются определенной упругостью. Кроме того, по меньшей мере, фильтр 9, надлежащим образом насос 8 для откачки конденсата и фильтр 9 расположены над питательным баком 5, так что у этих компонентов при отключении системы использования отходящего тепла происходит автоматическое опорожнение рабочей среды в питательный бак 5. Кроме того, предусмотрено, что остающаяся после отключения в конденсаторе 3 рабочая среда, по меньшей мере, в основном откачивается наосом 8 для откачки конденсата и нагнетается в питательный бак 5. Таким образом, в конденсаторе 3 остается не более чем остаточное количество рабочей среды, которое имеется в виде капель и не представляет опасности для конденсатора 3 при замерзании.
Питательный бак 5 и образующая, по меньшей мере, часть устройства 4 защиты от замерзания уравнительная емкость системы охлаждения автомобиля, будучи гидравлически разделены друг с другом, скомбинированы в одном конструктивном узле. Благодаря этому обеспечивается, что после достижения рабочей температуры двигателя до запуска вторичного контура отходящего тепла в питательном баке замерзшая среда, по меньшей мере, частично за счет тепла воды, охлаждающей двигатель, снова будет переведена в жидкое агрегатное состояние.
Питательный насос 12, а также по потоку параллельно установленные испарители 1а и lb находятся в области высокого давления жидкости, которая при замерзании рабочей среды особенно сильно подвержена опасности повреждений.
Предусмотренные в этой области соединительные трубопроводы выполнены в виде высоконапорных шлангов. При этом речь идет о гибких шлангах из содержащего резину или полимер материала, в который введена ткань или проволока. Эти шланги обладают, с одной стороны, тем преимуществом, что они являются гибкими и поэтому хорошо монтируются и что они, с другой стороны, также выдерживают высокие давления, которые могут возникнуть при замерзании рабочей среды.
Кроме того, в испарителях 1а и lb предусмотрены нагревательные средства, которые при необходимости нагревают рабочую среду до температуры, превышающей точку замерзания среды. Кроме того, в изображенном на фиг.1 варианте осуществления сначала запускается в работу питательный насос 12, соответственно, клапаны 13 регулирования потока, и при этом рабочая среда нагнетается в контур для использования отходящего тепла, включая испарители 1а и lb, когда испарители нагреты до температуры, которая при отключении обеспечивает, чтобы остающаяся в испарителях la, lb рабочая среда испарялась, так чтобы в итоге в испарителях la, lb оставалось только лишь остаточное количество рабочей среды в виде капель. Если это остаточное количество рабочей среды замерзнет, то испарителям la, lb при этом не угрожает опасность повреждений.
В дополнение к поясненному в связи с фиг.1 варианту осуществления на фиг.2-5 изображены специальные средства защиты от замерзания, которые соответственно могут быть интегрированы дополнительно или альтернативно в конфигурацию системы, показанную на фиг.1.
На фиг.2 изображен испаритель 1, который может применяться как в качестве испарителя 1а, использующего отходящее тепло отвода выхлопного газа, или же в качестве испарителя lb, который использует отходящее тепло, выделяющееся в другом месте выхлопного канала. В испарителе 1 предусмотрено электроприводное нагревательное средство 10, предпочтительно в виде, по меньшей мере, одной нагревательной проволоки, с помощью которой каналы испарителя 1 при необходимости нагреваются до температуры, превышающей точку замерзания рабочей среды. При отключении двигателя внутреннего сгорания и/или контура для использования отходящего тепла рабочая среда с помощью нагревательного средства 10 продолжает нагреваться до температуры, превышающей точку кипения рабочей среды, так что она испаряется, и после охлаждения испарителя в испарителе 1 остается только лишь остаточное количество в виде капель. Если эти капли замерзнут, повреждений испарителя 1 опасаться не следует.
На фиг.3 показан конденсатор 3, после которого подключен насос 8 для откачки конденсата. При отключении контура для использования отходящего тепла рабочая среда с помощью насоса 8 для откачки конденсата либо откачивается полностью, либо, по меньшей мере, таким образом, что остающееся в конденсаторе остаточное количество рабочей среды не вызывает повреждений конденсатора 3.
На фиг.4 изображен испаритель 1 массивного исполнения, который из-за своей конструкции не подходит для применения прогрева рабочей среды в качестве устройства защиты от замерзания. В этом случае в качестве устройства защиты от замерзания предусмотрено средство 11 для выдувания рабочей среды из испарителя 1. При отключении двигателя внутреннего сгорания и/или контура для использования отходящего тепла посредством форсунки 11 для нагнетания воздуха из испарителя выдувается, по меньшей мере, такое количество рабочей среды, что при замерзании остающейся при определенных обстоятельствах рабочей среды не происходит повреждений испарителя 1. Рабочая среда выдувается из испарителя 1 таким образом, что она течет обратно в подающие трубопроводы или дальше в отводящие трубопроводы и, по меньшей мере, частично в питательный бак 5.
На фиг.5 показано, наконец, применение средств автоматического опорожнения в качестве устройства 4 защиты от замерзания. При этом в качестве расширительного объема предусмотрен уравнительный бак 13, который не полностью наполнен рабочей средой. Альтернативно или дополнительно питательный бак 5 одновременно также может выполнять функцию расширительного объема.
В изображенном случае фильтр 9 расположен над уравнительным баком, так что при выходе из строя контура для использования отходящего тепла находящаяся в фильтре рабочая среда под действием силы тяжести течет в уравнительный бак. Если этого не произойдет из-за сопротивления потока, на противоположной уравнительному баку 13 стороне фильтра 9 может быть предусмотрен обратный клапан, который надежно препятствует обратному течению рабочей среды в контур для использования отходящего тепла.
На чертежах введены следующие цифровые обозначения:
1 - испаритель
2 - расширительное устройство
3 - конденсатор
4 - устройство защиты от замерзания
5 - питательный бак
6 - трехходовой клапан
7 - дроссельный клапан
8 - насос для откачки конденсата
9 - фильтр
10 - нагревательное средство
11 - средство выдувания
12 - питательный насос
13 - уравнительный бак
14 - клапаны регулирования давления
15 - обратный клапан
1. Устройство для использования отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания, снабженное контуром отходящего тепла, в котором циркулирует рабочая среда и с помощью которого отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания и/или тепло выхлопных газов преобразуется в механическую работу, причем в контуре использования отходящего тепла предусмотрен испаритель (1), в котором рабочая среда за счет поглощения отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере, частично переводится в парообразное агрегатное состояние, расширительное устройство (2) для получения механической работы, в котором, по меньшей мере, частично расширяется парообразная рабочая среда, и конденсатор (3), в котором рабочая среда переводится в жидкое агрегатное состояние, причем в контуре отходящего тепла предусмотрено, по меньшей мере, одно устройство (4) защиты от замерзания, которое предотвращает обусловленные замерзанием рабочей среды повреждения в контуре отходящего тепла, отличающееся тем, что устройство (4) защиты от замерзания имеет, по меньшей мере, одно нагревательное средство (10), с помощью которого возможно темперирование рабочей среды.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство (4) защиты от замерзания имеет, по меньшей мере, одну присадку, которая при добавлении в рабочую среду понижает точку замерзания, то есть температуру, при которой рабочая среда переходит из жидкого в твердое агрегатное состояние.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагревательное средство (10), использует остаточное тепло, имеющееся после отключения контура отходящего тепла в испарителе (2) и/или в конденсаторе (3).
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагревательное средство (10) выполнено в виде электроприводного нагревательного средства.
5. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что устройство (4) защиты от замерзания имеет, по меньшей мере, одно регулировочное средство, с помощью которого при нерабочих фазах двигателя внутреннего сгорания рабочая среда, по меньшей мере, частично может отводиться, по меньшей мере, из одного компонента контура отходящего тепла.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что регулировочное средство выполнено в виде устройства выдувания или откачивания.
7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве регулировочного средства предусмотрен насос (8, 12), с помощью которого рабочая среда может отводиться из компонента контура отходящего тепла, в частности, по меньшей мере, из одного насоса, испарителя (1) и/или конденсатора (3).
8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве регулировочного средства предусмотрен насос (8, 12), с помощью которого рабочая среда может отводиться из компонента контура отходящего тепла, в частности, по меньшей мере, из одного насоса, испарителя (1) и/или конденсатора (3).
9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве регулировочного средства предусмотрено устройство (11) для выдувания рабочей среды, с помощью которого рабочая среда может выдуваться из компонента контура отходящего тепла, в частности, по меньшей мере, из одного насоса, испарителя (1) и/или конденсатора (3).
10. Устройство по одному из пп.6-8, отличающееся тем, что в качестве регулировочного средства предусмотрено устройство (11) для выдувания рабочей среды, с помощью которого рабочая среда может выдуваться из компонента контура отходящего тепла, в частности, по меньшей мере, из одного насоса, испарителя (1) и/или конденсатора (3).
11. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве устройства (4) защиты от замерзания предусмотрен уравнительный объем.
12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что питательный бак (5) выполнен в качестве уравнительного объема.
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что питательный бак (5) и уравнительная емкость для охлаждающего средства системы охлаждения автомобиля выполнены, будучи гидравлически разделены друг с другом, в виде одного компонента.
14. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве устройства (4) защиты от замерзания предусмотрен, по меньшей мере, один соединительный трубопровод.
15. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве устройства защиты от замерзания в области между конденсатором (3) и питательным насосом (12) выполнен, по меньшей мере, один соединительный трубопровод, представляющий собой полимерный трубопровод, в частности трубопровод из полиамида.
16. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве устройства защиты от замерзания в области между питательным насосом (12) и испарителем (1) выполнен, по меньшей мере, один соединительный трубопровод, представляющий собой резиновый или полимерный трубопровод, армированный тканью или проволокой.
17. Автомобиль, в частности грузовой автомобиль, снабженный двигателем внутреннего сгорания и системой использования отходящего тепла, которая, по меньшей мере, частично преобразует выделяющееся в области двигателя внутреннего сгорания и/или содержащееся в выхлопных газах тепло в механическую работу, отличающийся тем, что он имеет устройство по одному из пп.1-16.
