Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в транспортном средстве
Изобретение относится к устройству для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в транспортном средстве (1). Устройство содержит рабочую среду, которая превращается в пар с помощью источника (3) тепла в транспортном средстве (1) и после этого расширяется посредством турбины (13), при этом генерируется механическая энергия. Устройство содержит блок (31) управления, приспособленный для приема информации, которая указывает, когда транспортное средство (1) нужно тормозить и, когда это имеет место, приспособленное для подключения системы (21, 39) охлаждения транспортного средства к силовой передаче (2, 5-9) транспортного средства, при этом система (21, 39) охлаждения охлаждает хладагент до низкой температуры. Блок (31) управления приспособлен для приема информации, которая указывает, когда транспортное средство (1) требует дополнительной движущей силы и, когда это имеет место, приспособлен для использования охлажденного хладагента. Достигается эффективное преобразование тепловой энергии в механическую в транспортном средстве. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в транспортном средстве в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения.
При сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания химическая энергия преобразуется в механическую энергию. Значительная часть химической энергии преобразуется не в механическую энергию, а в тепловую энергию, которая выделяется в окружающую среду различными способами. Примером этого является тепловая энергия в выхлопных газах, которые выбрасываются в окружающий воздух. Известной практикой является использование систем WHR (утилизации тепла) в транспортных средствах для улавливания тепловой энергии и преобразования ее в механическую энергию. Система WHR содержит насос, который прокачивает рабочую среду в линейном контуре. Линейный контур содержит испаритель, в котором рабочую среду нагревают до степени испарения, а также дополнительно подогревают посредством источника тепла, который может предпочтительно представлять собой выхлопные газы из двигателя внутреннего сгорания и турбину, приводимую в действие дополнительно подогретой газообразной рабочей средой. При прохождении рабочей среды через турбину часть ее тепловой энергии преобразуется в механическую энергию, которая может быть использована для непосредственного управления транспортным средством, либо может быть преобразована и накапливаться в виде электрической энергии.
Известной практикой при движении тяжелого транспортного средства по длинному пути на спуск является использование процесса автоматического торможения, который придает транспортному средству постоянную скорость на спуске путем активации одного или более дополнительных тормозов. Дополнительный тормоз может представлять собой замедлители, горные тормоза или компрессионные тормоза. Для активации автоматического торможения транспортному средству придают нужную скорость, после чего водитель приводит в действие педаль тормоза транспортного средства, кнопку или соответствующий рычаг, чтобы инициировать активацию процесса торможения. Электрический блок управления управляет процессом торможения таким образом, что транспортное средство поддерживает заданную скорость на всем пути вниз на спуске. Использование дополнительных тормозов для этого процесса торможения предотвращает излишний износ тормозов колес транспортного средства и исключает риск их перегрева. Процесс торможения заканчивается, когда водитель нажимает на педаль акселератора транспортного средства или педаль сцепления. Когда активированный дополнительный тормоз, например гидравлический замедлитель, охлаждается системой охлаждения двигателя, генерируется тепловая энергия. Когда задействован гидравлический замедлитель, система охлаждения двигателя подвергается большой нагрузке, и длинные спуски могут повлечь за собой риск перегрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание устройства, которое с высокой эффективностью преобразует тепловую энергию в механическую энергию в транспортном средстве.
Эта задача решается с помощью устройства, упомянутого во введении, которое отличается признаками, указанными в отличительной части п. 1 формулы изобретения. Силовая передача транспортного средства пролегает от двигателя до ведущих колес через сцепление и ряд передающих движение компонентов. При включении сцепления силовая передача работает как единое целое. При этом при отпускании педали акселератора при включенном сцеплении силовая передача работает, пока транспортное средство находится в движении. Тогда, когда нужно затормозить транспортное средство, систему охлаждения подключают к силовой передаче. Работа системы охлаждения противодействует движению силовой передачи, и транспортное средство тормозит. В этом случае система охлаждения выступает в качестве дополнительного тормоза. Использование системы охлаждения в качестве дополнительного тормоза обеспечивает использование большей части энергии, выделяющейся при торможении, для охлаждения хладагента в транспортном средстве. В системах охлаждения, где холод создается путем подачи энергии, рабочая среда может быть охлаждена до более низкой температуры, чем у окружающих областей.
Устройство содержит, по существу, те же компоненты, что и обычная система WHR в транспортном средстве. Обычная система WHR может вырабатывать механическую энергию из рабочей среды, которая нагревается источником тепла до степени превращения в пар и подвергается дополнительному нагреванию. Затем рабочая среда расширяется в турбине таким образом, что создается механическая энергия. Величина механической энергии, которая может быть создана в такой системе, зависит главным образом от температуры, до которой рабочую среду дополнительно подогревают в испарителе, и от температуры конденсации, при которой рабочая среда конденсируется в конденсаторе в системе. В соответствии с изобретением, в периоды, когда транспортному средству требуется дополнительная движущая сила, используют холодный хладагент для охлаждения рабочей среды после ее охлаждения в конденсаторе системы. Это сочетается с соответствующим регулированием объема рабочей среды в линейном контуре, что ведет к конденсации рабочей среды при более низкой температуре. Это создает возможность выработки большего количества механической энергии в турбине в те периоды, когда транспортному средству требуется дополнительная движущая сила. Устройство может, например, рекуперировать и накапливать энергию торможения, когда транспортное средство движется на спуск, и использовать эту энергию при движении на подъем. Таким образом, устройство достигает большей эффективности, чем традиционные системы WHR, в которых энергию торможения транспортного средства не рекуперируют.
В соответствии с настоящим изобретением устройство содержит пространство для хранения хладагента после его охлаждения в системе охлаждения. Это пространство может предпочтительно иметь теплоизоляцию, чтобы хладагент мог поддерживать свою низкую температуру. Чем ниже температура хладагента, тем более эффективно он может снизить температуру конденсации рабочей среды в линейном контуре и увеличить выработку механической энергии в турбине. Устройство может содержать теплообменник, расположенный ниже по потоку от конденсатора в линейном контуре, контур хладагента, пролегающий между пространством для хранения и теплообменником, а также насос, выполненный с возможностью активации с помощью блока управления для обеспечения циркуляции холодного хладагента из пространства для хранения в теплообменник, в котором он охлаждает рабочую среду в те периоды, когда транспортное средство нужно затормозить. В этом случае холодный хладагент подают из пространства для хранения в теплообменник, в котором он подвергает рабочую среду дополнительной стадии охлаждения. Затем контур хладагента подает хладагент обратно в пространство для хранения. В качестве альтернативного варианта устройство может содержать клапан, расположенный ниже по потоку от конденсатора в линейном контуре, дополнительный линейный тракт, пролегающий между клапаном и пространством для хранения, а также блок управления, выполненный с возможностью приведения клапана в положение, при котором рабочая среда проходит через клапан в пространство для хранения, в котором она охлаждается с помощью холодного хладагента в периоды, когда транспортному средству нужно придать дополнительную движущую силу. После прохождения дополнительной стадии охлаждения хладагентом рабочая среда поступает обратно в линейный контур выше по потоку от испарителя.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, хладагент имеет форму смеси воды и гликоля. Смешивание воды и гликоля в соответствующих количествах обеспечивает получение охлаждающей жидкости, которая имеет очень низкую температуру замерзания. Такую охлаждающую смесь можно охладить до температуры значительно ниже 0°С без замораживания. В качестве альтернативного варианта хладагент может принимать форму материала, признаком которого является изменение фазы из жидкого состояния в твердое состояние в пространстве для хранения во время его охлаждения с помощью системы охлаждения. Большие величины тепловой энергии могут накапливаться в фазоизменяемом материале. Это означает, что относительно небольшое количество хладагента будет обеспечивать хорошее охлаждение рабочей среды во время дополнительной стадии ее охлаждения. Хладагент, который изменяет фазу, требует относительно мало места для хранения.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, блок управления выполнен с возможностью приема информации от датчика, который контролирует параметр, относящийся к положению органа управления тормозами транспортного средства и, когда орган управления тормозами находится в таком положении, которое указывает на необходимость торможения транспортного средства, с возможностью подключения системы охлаждения к силовой передаче транспортного средства. Такой блок управления тормозами может представлять собой орган управления, с помощью которого водитель начинает автоматический процесс торможения транспортного средства, чтобы достичь желаемой постоянной скорости при движении вниз на спуске. Тяжелые транспортные средства обычно имеют один или несколько дополнительных тормозов, с помощью которых их тормозят при движении на спуске, чтобы предотвратить износ и перегрузку их колесных тормозов. В этом случае система охлаждения может заменить такой дополнительный тормоз. В качестве альтернативного варианта орган управления тормозами может представлять собой обычную педаль тормоза.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, блок управления приспособлен для приема информации от датчика, контролирующего параметр, связанный с положением органа управления ускорением транспортного средства и, когда орган управления ускорением находится в положении, которое указывает, что транспортное средство требует дополнительной движущей силы, для использования охлажденного хладагента с целью охлаждения рабочей среды в линейном контуре ниже по потоку от конденсатора. Орган управления ускорением может представлять собой обычную педаль акселератора. Показателем того, что транспортному средству требуется дополнительная движущая сила, может быть выжатая до упора педаль акселератора или до близкого к этому положения. Это может произойти при движении транспортного средства на подъем.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, система охлаждения включает в себя компрессор, блок управления которого выполнен с возможностью подключения к силовой передаче в периоды, когда транспортное средство нужно затормозить. Компрессорная система охлаждения является самым распространенным видом системы охлаждения, в которой охлаждающая среда может быть охлаждена до более низкой температуры, чем в окружающих областях. Такая система охлаждения содержит не только компрессор, но и конденсатор, расширительный клапан и испаритель. При приведении его в действие силовой передачей компрессор сжимает охлаждающую среду в системе охлаждения. Это противодействует движению силового агрегата, и транспортное средство тормозит. При этом охлаждающая среда в испарителе может охлаждать хладагент до низкого уровня температуры. Компрессор может быть компонентом системы переменного тока транспортного средства, которая имеет дополнительный линейный участок с дополнительным испарителем для охлаждения хладагента. Большинство транспортных средств имеют систему переменного тока для охлаждения воздуха в пространстве кабины, в котором окружающая среда имеет высокую температуру. Система переменного тока будет содержать компрессор существующего уровня техники, который может быть использован для этой цели. В качестве альтернативного варианта может быть использована отдельная система охлаждения компрессора или система охлаждения иного типа.
Рабочая среда предпочтительно поглощает тепловую энергию в испарителе от выхлопных газов в выхлопной магистрали двигателя внутреннего сгорания. Выхлопные газы из двигателя внутреннего сгорания являются очень хорошим источником тепла, имеющим высокую температуру, которая обычно теряется в окружающей среде. Рабочая среда может также поглощать тепловую энергию от выхлопных газов, рециркулирующих в обратной магистрали по направлению к двигателю. Рециркулирующие выхлопные газы, как правило, охлаждают, по меньшей мере, в одном EGR-охладителе перед их подачей в двигатель. В этом случае выхлопные газы подвергаются эффективному охлаждению, в то же время часть их тепловой энергии может быть преобразована в механическую энергию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны ниже посредством примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения; и
фиг. 2 - устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 изображает устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в схематически изображенном транспортном средстве 1, работающем от двигателя 2 внутреннего сгорания с наддувом 2. Транспортное средство 1 может представлять собой тяжелое транспортное средство, работающее от дизельного двигателя с наддувом. Выхлопные газы из цилиндров двигателя поступают в выхлопную магистраль, которая содержит турбину в турбинном блоке. У транспортного средства имеется силовая передача, включающая в себя, начиная с двигателя внутреннего сгорания 2, вал 5, маховик 6а, сцепление 6b, вал 7, коробку 8 передач и т.д. Силовая передача заканчивается парой ведущих колес 9. При задействованном сцеплении 6b силовая передача вращается как единое целое.
Транспортное средство оборудовано устройством для рекуперации тепловой энергии. Устройство может именоваться системой WHR (системой утилизации тепла выхлопных газов), при этом система содержит линейный контур 10 с насосом 11, приспособленным для циркуляции и перекачки под давлением рабочей среды в линейном контуре. Рабочая среда поступает из насоса 11 в испаритель 12, в котором она нагревается от выхлопных газов в выхлопной магистрали 3 ниже по потоку от турбины 4. Рабочую среду нагревают в испарителе 12 до температуры, при которой она превращается в пар, и дополнительно подогревают. Дополнительно подогретая и газообразная рабочая среда поступает из испарителя 12 в турбину 13, в которой она расширяется. Таким образом, турбине 13 придают вращательное движение, которое передается на маховик 6, в силовой передаче через механическую трансмиссию 14. Вращательное движение турбины 13 придает транспортному средству 1 дополнительную движущую силу. Механическая трансмиссия 14 может содержать ряд передающих движение элементов в виде зубчатых передач и пр., при этом вращательное движение турбины 13 испытывает соответствующий понижающий коэффициент до его передачи на маховик 6a. В качестве альтернативного варианта турбина 13 может быть соединена с маховиком или аналогичным накопителем механической энергии, приспособленным для соединения с силовой передачей транспортного средства. Когда маховик соединен с силовой передачей, транспортному средству сообщается дополнительная движущая сила. В соответствии с другим альтернативным вариантом, турбина 13 может приводить в действие генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую энергию. Электрическая энергия может быть сохранена в накопителе энергии. Электрическая энергия, накопленная в накопителе энергии, может в соответствующие моменты быть использована для функционирования транспортного средства.
Выхлопные газы из двигателя внутреннего сгорания 2 являются очень хорошим источником тепла для рекуперации тепловой энергии. В этом случае испаритель 12 расположен в выхлопной магистрали 3 ниже по потоку от турбины 4. Температура выхлопных газов ниже по потоку от турбины 4 может составлять порядка 200-300°С. Испаритель 12 может в качестве альтернативного варианта быть расположен в выхлопной магистрали для рециркуляции выхлопных газов. Выхлопные газы обычно рециркулируют из местоположения выше по потоку от турбины 4 в выхлопной магистрали 3, и в этом случае они могут иметь температуру около 600-700°С. Тем не менее, рабочие среды, используемые в системах WHR, имеют верхний предел температуры, который не должен превышаться. При соответствующих размерах испарителя 12 используемая рабочая среда может превращаться в пар и подвергаться дополнительному нагреву при достаточно высокой температуре.
Когда газообразная рабочая среда расширяется в турбине 13, она обеспечивает низкое давление и низкую температуру. Она поступает из турбины 13 в конденсатор 15, который в данном случае имеет воздушное охлаждение. Конденсатор 15 может быть расположен на передней поверхности транспортного средства, где рабочая среда охлаждается с помощью воздуха, имеющего окружающую температуру. Охлаждающий вентилятор 16 втягивает воздух через конденсатор 15. При его охлаждении в конденсаторе 15 газообразная рабочая среда конденсируется. Полученная жидкая рабочая среда поступает из конденсатора 15 в теплообменник 17. Теплообменник 17 является составной частью радиаторного устройства, которое способно охлаждать рабочую среду после ее охлаждения в конденсаторе 15. Рабочую среду охлаждают в теплообменнике 17 хладагентом, который имеет более низкую температуру, чем температура окружающих областей, в периоды, когда транспортному средству требуется дополнительная движущая сила. В этом случае хладагент представляет собой холодный охладитель. Охладитель циркулирует в контуре 18 охлаждения с помощью насоса 19. Охладитель может иметь форму смеси воды и гликоля. Температура охладителей, содержащих 50 процентов воды и 50 процентов гликоля, может снижаться приблизительно до -40°C без замораживания. Контур 18 охладителя содержит накопительный резервуар 20 для хранения холодного охладителя. В случаях, когда транспортное средство нуждается в дополнительной движущей силе и имеется холодный охладитель, объем рабочей среды в линейном контуре 10 также нуждается в регулировке. Линейный контур 10 соединен с накопительным резервуаром 10а для рабочей среды в те периоды, когда она не используется в линейном контуре. Накопительный резервуар 10a соединен с линейным контуром 10 магистралью 10b, который содержит реверсивный насос 10с. Объем рабочей среды в линейном контуре 10 можно регулировать включением насоса 10c в соответствующем направлении. Этот объем в данном случае регулируется таким образом, что в конденсаторе 15 имеет место только небольшая конденсация или она отсутствует совсем. Таким образом, рабочая жидкость переходит в жидкую фазу, в основном, в теплообменнике 17. Температура конденсации при этом может быть снижена.
Устройство содержит часть системы 21 переменного тока для охлаждения воздуха в пространстве кабины транспортного средства 1. Система 21 переменного тока содержит компрессор 22, приводимый в действие двигателем 2 посредством приводного ремня, и т.п. Компрессор 22 приводится в действие посредством схематически показанного механизма 22а сцепления, который устанавливает приводное соединение между компрессором и двигателем. Когда компрессор работает, он сжимает и перекачивает охлаждающую среду в системе 21 переменного тока. Охлаждающая среда поступает от компрессора 22 в конденсатор 23, который расположен на передней поверхности транспортного средства и в котором охлаждающая среда охлаждается воздухом, имеющим температуру окружающей среды. Воздух втягивается через конденсатор 23 с помощью вентилятора 24 и воздушного потока, создаваемого движением вперед транспортного средства. Охлаждающая среда охлаждается в конденсаторе 23 до температуры, при которой она конденсируется. Жидкая охлаждающая среда поступает от конденсатора 23 на трехходовой клапан 25, посредством которого охлаждающая среда может быть направлена через два альтернативных линейных участка.
Когда трехходовой клапан 25 переведен в первое положение, охлаждающая среда проходит через первый линейный участок, который содержит первый расширительный клапан 26 и первый испаритель 27. Когда охлаждающая среда проходит через первый расширительный клапан 26, его давление и температура падают. Затем холодная охлаждающая среда поступает в первый испаритель 27, в котором она охлаждает воздух в пространстве кабины транспортного средства. Воздух пропускается через первый испаритель 27 с помощью вентилятора 28. Охлаждающая среда нагревается на воздухе до температуры, при которой она превращается в пар в первом испарителе 27. Затем газообразная охлаждающая среда поступает обратно в компрессор 22. Когда трехходовой клапан 25 переведен во второе положение, охлаждающая среда проходит через вторую часть линейного участка, которая включает в себя второй расширительный клапан 29 и второй испаритель 30, расположенный внутри накопительного резервуара 20. Когда охлаждающая среда проходит через второй расширительный клапан 29, его давление и температура падают. Холодная охлаждающая среда затем поступает во второй испаритель 30, в котором она охлаждает охладитель, хранимый в накопительном резервуаре 20. Холодная охлаждающая среда нагревается охладителем в накопительном резервуаре 20, при этом она превращается в пар во втором испарителе 30. Парообразная охлаждающая среда затем поступает обратно в компрессор 22.
Система содержит блок 31 управления, выполненный с возможностью управления активацией насоса 11, который перекачивает рабочую среду в линейном контуре 10, а также насос 10c, который регулирует объем рабочей среды в линейном контуре 10. Блок 31 управления также выполнен с возможностью приема информации от датчика 32, который контролирует положение педали акселератора, и от датчика 33, который контролирует положение органа управления тормозами. Орган 33 управления тормозами в данном случае представляет собой орган управления, с помощью которого водитель инициирует процесс автоматического торможения с тем, чтобы задать транспортному средству нужную постоянную скорость при движении на спуск. Управление тормозами альтернативно может быть обычной педалью тормоза. Блок 31 управления может управлять устройством посредством насоса 11 в линейном контуре 10, насоса 10c в линейном контуре 10В, насоса 19 в контуре 18 охладителя и трехходового клапана 25. Блок 31 управления может представлять собой компьютер с соответствующим программным обеспечением для данной цели.
После запуска двигателя 2 выхлопные газы выходят через выхлопную магистраль 3. Когда выхлопные газы в выхлопной магистрали 3 достигают нужной температуры, блок 31 управления включает насос 11, чтобы начать перекачку рабочей среды в линейном контуре 10. Рабочая среда нагревается в испарителе 12 выхлопными газами в выхлопной магистрали 3, при этом она превращается в пар и дополнительно подогревается. Рабочая среда дополнительно подогревается до соответствующей температуры в испарителе 6, которая зависит от температуры и потока выхлопных газов в выхлопной магистрали 3. Дополнительно подогретая рабочая среда расширяется в турбине 13. Таким образом, турбине 13 сообщается вращательное движение, которое передается через механическую передачу 14 на маховик 6 в силовой передаче. Часть тепловой энергии в выхлопных газах здесь преобразуется турбиной 13 в механическую энергию для обеспечения функционирования транспортного средства.
Затем рабочая среда поступает на конденсатор 15, в котором она охлаждается воздухом, имеющим температуру окружающей среды. Рабочая среда конденсируется в конденсаторе 15 при температуре конденсации, которая зависит от температуры и потока окружающего воздуха через конденсатор. Окружающий воздух с высокой температурой приводит к более высокой температуре конденсации, чем окружающий воздух с более низкой температурой. Блок 31 управления управляет насосом 10c с тем, чтобы в линейном контуре 10 в текущих условиях циркулировал соответствующий объем рабочей среды. Результирующая выходная мощность в турбине 13 в значительной степени определяется разностью между температурой дополнительного нагрева рабочей среды при ее поступлении в турбину 13 и ее температурой конденсации в конденсаторе 15. Тот факт, что температура и поток выхлопных газов изменяются при изменении нагрузки двигателя и что температура конденсации изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, означает, что выработка турбиной механической энергии существенно варьируется.
В периоды, когда блок 31 управления получает информацию, что водитель отпустил педаль 32 акселератора, оно останавливает работу насоса 11 в линейном контуре 10. Это означает, что устройство не сообщает какую-либо нежелательную движущую силу транспортному средству. Если в то же время оно получает информацию, что водитель активировал орган 33 управления тормозами, блок 31 управления приводит в механизм 22a сцепления для установки приводного соединения между компрессором 22 и двигателем 2. В периоды, когда транспортное средство движется на спуск, его ведущие колеса 9 сообщают движение от привода силовой передаче и, тем самым, двигателю. Затем компрессор 22 приводится в действие двигателем. Кинетическая энергия движущегося на спуск транспортного средства здесь преобразуется через силовую передачу в работу компрессора 22. Работа, которую выполняет компрессор 22 при сжимании охлаждающей среды в системе переменного тока, служит тормозным усилием, которое противодействует движению ведущих колес 9. Компрессор служит в данном случае дополнительными тормозами. Если его тормозное воздействие не является достаточным для поддержания нужной скорости при движении на спуск, могут быть активированы дополнительные тормоза транспортного средства. Одновременно с активацией органа 33 управления тормозами блок 31 управления переводит трехходовой клапан 25 во второе положение, при этом, по меньшей мере, часть охлаждающей среды в системе 21 переменного тока проходит через второй линейный участок, содержащий второй расширительный клапан 29 и второй испаритель 30. Пропускаемая через второй испаритель 30 охлаждающая среда охлаждает охладитель в накопительном резервуаре 20 до низкой температуры, которая предпочтительно значительно ниже, чем температура окружающего воздуха. В этом случае кинетическая энергия движущегося на спуск транспортного средства, таким образом, используется для охлаждения охлаждающей среды в накопительном резервуаре 20.
Когда блок 31 управления получает информацию о том, что водитель желает закончить процесс автоматического торможения или когда охладитель охлажден до достаточно низкой температуры хранения в накопительном резервуаре, блок 31 управления переводит трехходовой клапан 25 в первое положение. Блок 31 управления также выключает компрессор 22, если система переменного тока не должна работать и охлаждать воздух в пространстве кабины. На длинном спуске охладитель затем охлаждается до температуры значительно меньшей, чем температура окружающего воздуха в накопительном резервуаре 20. Накопительный резервуар 20 может быть термоизолирован для того, чтобы охладитель мог поддерживать низкую температуру в накопительном резервуаре 20 в течение относительно длительного времени.
Когда блок 31 управления получает информацию, что педаль 32 акселератора снова нажата, водитель хочет сообщить движущую силу транспортному средству. Блок 31 управления приводит в действие насос 11, при этом рабочая среда циркулирует в линейном контуре 10. Устройство снова начинает процесс преобразования тепловой энергии в выхлопных газах в механическую энергию для функционирования транспортного средства. Если блок 31 управления получает информацию от датчика 32, что педаль 32 акселератора выжата на максимум или почти на максимум, водитель желает сообщить дополнительную движущую силу транспортному средству. При этом транспортное средство может двигаться на подъем. Блок 31 управления приводит в действие насос 19 в контуре 18 охладителя, при этом холодный охладитель циркулирует из накопительного резервуара 20 в теплообменник 17, в котором он охлаждает рабочую среду в линейном контуре 10. Таким образом, рабочая среда подвергается не только охлаждению в конденсаторе 15, но и дополнительному охлаждению с помощью охладителя в теплообменнике 17. Одновременно блок 31 управления приводит в действие реверсивный насос 10c, при этом объем рабочей среды в линейном контуре 10 доводится до оптимального уровня. Такое дополнительное охлаждение рабочей среды охладителем, который имеет более низкую температуру, чем окружающий воздух, сочетается с соответствующим регулированием объема рабочей среды в линейном контуре, чтобы вызвать падение температуры конденсации. Объем рабочей среды в линейном контуре 10 устанавливают на таком уровне, чтобы рабочая среда не подвергалась никакому или практически никакому дополнительному охлаждению после ее конденсации в теплообменнике 17. Это означает, что нет необходимости использовать тепловую энергию от выхлопных газов для нагрева рабочей среды до температуры испарения, и что, по существу, вся тепловая энергия от выхлопных газов может быть использована для испарения рабочей среды в испарителе 12. В этом случае оптимальное количество тепловой энергии может быть превращено в механическую энергию в турбине 9.
Поскольку при движении транспортного средства на подъем двигатель находится под нагрузкой, теплые выхлопные газы в выхлопной магистрали обеспечивают рабочую среду очень хорошим подогревом так, что она превращается в пар и дополнительно подогревается до высокой температуры. Это означает, что турбина 13 генерирует больше механической энергии, чем при меньшей нагрузке на двигатель. Дополнительное охлаждение рабочей среды в теплообменнике 17 сочетается с регулировкой объема рабочей среды в линейном контуре 10, чтобы понизить температуру конденсации и обеспечить генерирование турбиной 13 большего количества механической энергии для функционирования транспортного средства. Таким образом, устройство может накапливать энергию, когда транспортное средство движется на спуск, и использовать накопленную энергию при движении на подъем. Таким образом, устройство приобретает больше возможностей, чем обычная система WHR. В этом случае компрессор 22 в существующей системе переменного тока используется для торможения транспортного средства на спусках. Соответственно, компрессору 22 может потребоваться большая мощность, чем у обычного компрессора в системе переменного тока.
На фиг.2 показан альтернативный вариант осуществления устройства. Здесь устройство опять же содержит линейный контур 10 с рабочей средой, которая циркулирует с помощью насоса 11. Объем рабочей среды в линейном контуре 10 регулируется посредством реверсивного насоса 10с, расположенного в магистрали 10b, которая соединяет линейный контур 10 с накопительным резервуаром 10а. Рабочая среда нагревается в испарителе 12 с помощью выхлопных газов в выхлопной магистрали 3 двигателя внутреннего сгорания 2. Испаритель 12 расположен в выхлопной магистрали 3 ниже по потоку от турбины 4 турбоагрегата. Рабочая среда, которая превращается в пар в испарителе 12, поступает в турбину 13. После ее расширения в турбине 13 газообразная рабочая среда поступает в конденсатор 15, в котором она охлаждается с помощью охладителя, который циркулирует в низкотемпературном охлаждающем контуре. Насос 34 обеспечивает циркуляцию охладителя в низкотемпературном охлаждающем контуре. Охладитель охлаждается в радиаторе 35 воздушного охлаждения в передней части транспортного средства с помощью воздуха, имеющего температуру окружающей среды, который нагнетается через радиатор охлаждающим вентилятором 36. В этом случае рабочая среда охлаждается в конденсаторе 15 с помощью охладителя, имеющего температуру, близкую к температуре окружающего воздуха. Линейный контур 10 содержит в данном случае трехходовой клапан 37, расположенный ниже по потоку от конденсатора 15. Когда этот клапан приведен в первое положение, он направляет рабочую среду, охлажденную в конденсаторе 15, на насос 11. Когда клапан 37 приведен во второе положение, он направляет рабочую среду, охлажденную в конденсаторе 15, на альтернативный линейный участок 10a, который содержит теплообменник 38 для трех сред. Рабочая среда охлаждается на первом участке 38а этого теплообменника. Рабочая среда затем поступает на обычный линейный контур 10 выше по потоку от испарителя 12.
Теплообменник 38 содержит второй участок 38b в виде испарителя для охлаждающей среды в системе 39 охлаждения транспортного средства. Система охлаждения содержит компрессор 22, приводимый в действие двигателем 2. Компрессор 22 соединен с двигателем схематически описанным механизмом 22а сцепления. Когда компрессор работает, он сжимает и перекачивает охлаждающую среду в системе 39 охлаждения. Охлаждающая среда поступает из компрессора 22 в конденсатор 23, в котором она охлаждается с помощью воздуха, имеющего предпочтительно температуру окружающей среды. Воздух втягивается через конденсатор 23 с помощью охлаждающего вентилятора 24. Охлаждающая среда поступает из конденсатора 23 на расширительный клапан 29. При прохождении через расширительный клапан 29 охлаждающая среда имеет пониженное давление и пониженную температуру. Затем она поступает на второй участок 38b теплообменника, в котором она превращается в пар. При испарении охлаждающей среды во втором участке теплообменника 38b она охлаждается хладагентом, который расположен в промежуточном участке 38c теплообменника 38.
Хладагент на промежуточном участке 38c теплообменника содержит материал, который изменяется от жидкой фазы до твердой фазы во время его охлаждения охлаждающей средой во втором участке 38b. Хладагент предпочтительно имеет высокую скрытую теплоемкость на единицу веса или объема. Это означает, что промежуточный участок 38c может быть относительно небольшим. Когда охлаждающая среда превращается в пар в испарителе 38В, она поступает обратно в компрессор 22. Устройство содержит блок 31 управления, который управляет активацией насоса 11 и трехходовым клапаном 37 в линейном контуре 10. Блок 31 управления также управляет включением компрессора 22 в системе охлаждения 39. Блок 31 управления, по существу, непрерывно получает информацию от датчика 32, который контролирует положение педали акселератора транспортного средства, и от датчика 33, который контролирует положение органа управления тормозами транспортного средства. Этот орган управления тормозами представляет собой элемент управления, посредством которого водитель начинает автоматический процесс торможения транспортного средства при движении на спуск.
Во время работы двигателя 2 выхлопные газы проходят через выхлопную магистраль 3. Когда блок 31 управления получает сигналы от датчика 32, что нажата педаль акселератора, он приводит в действие насос 11, при этом рабочая среда циркулирует в линейном контуре 10, а также насос 10c, притом в линейный контур 10 поступает соответствующий объем рабочей среды. Одновременно блок 31 управления переводит трехходовой клапан 37 в первое положение. Циркулирующую рабочую среду охлаждают в конденсаторе 15 с помощью охладителя в низкотемпературной системе охлаждения. Когда охладитель имеет низкую температуру, рабочая среда конденсируется в конденсаторе 15 при относительно низкой температуре конденсации. Температура конденсации здесь выше, чем температура окружающих областей. Жидкая рабочая среда поступает из конденсатора 15 на испаритель 12 через трехходовой клапан 37 и насос 11. Рабочая среда нагревается теплыми выхлопными газами в выхлопной магистрали 3, при этом она превращается в пар и дополнительно подогревается. Дополнительно подогретая рабочая среда поступает в турбину 13, в которой она расширяется. Таким образом, турбине 13 сообщается вращательное движение, которое передается через механическую трансмиссию 14 на маховик 6а в силовой передаче транспортного средства. В этом рабочем состоянии и двигатель 2, и устройство сообщают движущую силу транспортному средству.
В периоды, когда он получает информацию от датчика 32, что педаль акселератора 32 полностью отпущена, блок 31 управления останавливает работу насоса 11 в линейном контуре 10, так как водитель не желает придавать какую-либо движущую силу транспортному средству. Если одновременно он получает информацию от датчика 33, что водитель привел в действие орган управления тормозами, который придает транспортному средству постоянную скорость при движении на спуск, блок 31 управления приводит в действие механизм 22а сцепления, который соединяет компрессор 22 с двигателем 2. Если транспортное средство движется на спуск, крутящий момент передается от его силовой передачи на компрессор 22. Компрессор использует эту энергию для сжатия охлаждающей среды в системе охлаждения. Это сжатие охлаждающей среды противодействует движению силовой передачи таким образом, что транспортное средство тормозит. Компрессор, таким образом, служит в качестве дополнительного тормоза для транспортного средства. Охлаждающая среда в системе 39 охлаждения поступает через расширительный клапан 29 на второй участок 38b теплообменника. Когда охлаждающая среда превращается в пар во втором участке 38b, хладагент на промежуточном участке 38c охлаждается. Когда хладагент охлаждается, он изменяется от жидкости до твердой фазы. Температура, при которой хладагент меняет фазу, предпочтительно ниже, чем температура окружающего воздуха.
При получении информации от датчика 33, что орган управления тормозами был переведен в нетормозящее положение, блок 31 управления останавливает работу 10 компрессора 22 посредством механизма 22а сцепления. Когда блок 31 получает информацию от датчика 32, что акселератор 32 снова выжат, водитель хочет сообщить движущую силу транспортному средству. Блок 31 управления приводит в действие насос 11, так что рабочая среда снова циркулирует в линейном контуре 10, а также насос 10c, при этом в линейный контур 10 поступает соответствующий объем рабочей среды. Устройство снова начинает процесс преобразования тепловой энергии в выхлопных газах в механическую энергию для функционирования транспортного средства. Если блок 31 управления получает информацию от датчика 32, что педаль 32 акселератора нажата до самого упора или почти до самого упора, водитель хочет получить больше движущей силы от транспортного средства, что может происходить в случае его движения на подъем. Блок 31 управления переводит трехходовой клапан 37 во второе положение. Рабочая среда, которая подверглась первому этапу охлаждения в конденсаторе 15, затем поступает в альтернативный линейный участок 10а. Рабочая среда охлаждается в первом участке 38а теплообменника хладагентом на промежуточном участке 38c. Таким образом, рабочая среда подвергается дополнительному охлаждению, прежде чем поступить обратно в обычный линейный контур 10 выше по потоку от испарителя 12. Такое дополнительное охлаждение рабочей среды с помощью хладагента, который имеет более низкую температуру, чем окружающий воздух, вызывает уменьшение температуры конденсации рабочей среды в линейном контуре 10. При благоприятных обстоятельствах рабочая среда конденсируются только в теплообменнике 17. Это может привести к более низкой температуре конденсации, чем температура окружающей среды.
Затем среда поступает в испаритель 12, в котором она нагревается теплом выхлопных газов 5 так, что она превращается в пар и дополнительно подогревается. Тот факт, что в этом случае рабочая среда имеет сверхнизкую температуру конденсации, дает ей возможность подвергнуться расширению в турбине 13, тем самым вырабатывая много дополнительной механической энергии для функционирования транспортного средства. Это дополнительное возрастание величины механической энергии связано с тем, насколько уменьшилась температура конденсации. В этом случае компрессор 22 в отдельной системе охлаждения используется для охлаждения хладагента при движении транспортного средства на спуск. Охлажденная охлаждающая среда хранится в пространстве для хранения в виде промежуточного участка 38c теплообменника. Холодный хладагент используется в последующие моменты времени, когда транспортному средству требуется дополнительная движущая сила, что может случиться во время его движения на подъем.
Изобретение никоим образом не ограничивается вариантом осуществления, к которому относится чертеж, и может быть свободно изменено в пределах объема формулы изобретения.
1. Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в транспортном средстве (1), содержащее линейный контур (10), насос (11) для циркуляции рабочей среды в линейном контуре (10), испаритель (12), в котором рабочая среда приспособлена для поглощения тепловой энергии от источника (3) тепла таким образом, что она превращается в пар, турбину (13), выполненную с возможностью приведения в действие за счет испаренной рабочей среды и получения механической энергии, первый конденсатор (15), в котором рабочая среда подлежит охлаждению до конденсации, а также систему (21, 39) охлаждения, соединяемую с силовой передачей (2, 5-9) транспортного средства (1), отличающееся тем, что оно содержит блок (31) управления, выполненный с возможностью для приема информации, которая указывает, когда необходимо тормозить транспортное средство (1), и в этом случае соединяющий систему (21, 39) охлаждения с силовой передачей (2, 5-9) так, что система (21, 39) охлаждения охлаждает хладагент до более низкой температуры, чем температура окружающей среды, причем блок (31) управления выполнен с возможностью приема информации, которая указывает, когда транспортному средству (1) требуется дополнительная движущая сила, и если это имеет место, для использования охлажденного хладагента с целью подвергнуть рабочую среду в линейном контуре (10) второй стадии охлаждения в местоположении ниже по потоку конденсатора (15) до ее подачи в испаритель (12).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит пространство (20, 38с) для хранения для накопления хладагента после его охлаждения системой (21, 39) охлаждения.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно содержит теплообменник (17), расположенный в местоположении ниже по потоку конденсатора (15) в линейном контуре (10), контур (18) хладагента, пролегающий между пространством (20) для хранения и теплообменником (17), а также насос (19), выполненный с возможностью активации с помощью блока (31) управления для обеспечения циркуляции холодного хладагента из пространства (20) для хранения в теплообменник (17), в котором он охлаждает рабочую среду в те периоды, когда транспортное средство (1) должно получить дополнительную движущую силу.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно содержит клапан (37), расположенный в местоположении ниже по потоку конденсатора (15) в линейном контуре (10), дополнительный линейный тракт (10а), расположенный между клапаном (37) и пространством (20) для хранения, а также блок (31) управления, выполненный с возможностью приведения клапана (37) в положение, при этом рабочая среда проходит через клапан (37) в пространство (20) для хранения, в котором она охлаждается с помощью холодного хладагента в периоды, когда транспортное средство (1) должно получить дополнительную движущую силу.
5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что хладагент принимает форму смеси воды и гликоля.
6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что хладагент принимает форму материала, признаком которого является изменение фазы из жидкого состояния в твердое состояние в пространстве (38c) для хранения при его охлаждении системой (39) охлаждения.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок (31) управления выполнен с возможностью приема информации от датчика (33), контролирующего параметр, относящийся к положению блока управления тормозами транспортного средства (1) и, когда блок управления тормозами находится в таком положении, которое указывает на торможение транспортного средства (1), с возможностью подключения системы (21, 39) охлаждения к силовой передаче (2, 5-9) транспортного средства, при этом система (21, 39) охлаждения приводится в действие кинетической энергией транспортного средства.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок (31) управления выполнен с возможностью приема информации от датчика (32), контролирующего параметр, связанный с положением органа управления ускорением транспортного средства (1) и, когда орган управления ускорением находится в положении, которое указывает, что транспортное средство (1) требует дополнительной движущей силы, использования охлажденного хладагента для охлаждения рабочей среды в линейном контуре (10) ниже по потоку от конденсатора (15).
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система охлаждения содержит компрессор (22), причем блок (31) управления выполнен с возможностью подключения компрессора (22) к силовой передаче (2, 5-9) транспортного средства в периоды, когда транспортное средство (1) необходимо тормозить.
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что компрессор (22) выполнен в виде компонента системы переменного тока транспортного средства (1), которая имеет линейный участок с дополнительным испарителем (30) для охлаждения хладагента.
