СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА С ЧАСТИЧНОЙ РЕКУПЕРАЦИЕЙ Российский патент 2015 года по МПК F02G5/04 F01K23/02 F02M25/07 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системам утилизации отходящего тепла для двигателей внутреннего сгорания и, более конкретно, к устройствам и способам, улучшающим утилизацию тепловой энергии рабочей текучей среды таких систем.

Уровень техники

Системы утилизации отходящего тепла могут обеспечивать использование энергии, содержащейся в отработавших газах, которая в противном случае была бы потеряна. Использование таких систем в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания обладает рядом достоинств. Например, система утилизации отходящего тепла может быть выполнена с возможностью использования тепла системы рециркуляции отработавших газов (РОГ), в результате чего будет снижаться нагрузка на систему охлаждения двигателя.

Кроме того, система утилизации отходящего тепла может извлекать полезную энергию из отработавших газов, выходящих из выхлопной трубы выпускного тракта, то есть энергию, которая иначе была бы выброшена в окружающую среду.

Раскрытие изобретения

В изобретении предлагается система и способ, обеспечивающие улучшение утилизации отходящего тепла отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Утилизация этой тепловой энергии повышает КПД в целом всей системы.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов повышается эффективность работы самой системы утилизации отходящего тепла, например, за счет снижения требований к охлаждающей способности конденсатора такой системы.

Кроме того, за счет предварительного нагрева рабочей текучей среды перед ее подачей в теплообменник отработавших газов поддерживается их более высокая температура, в результате чего предотвращается конденсация в тракте выпуска отработавших газов.

Система утилизации отходящего тепла для двигателя внутреннего сгорания может включать контур рабочей текучей среды, к которому подсоединено расширительное устройство (expander) для преобразования тепловой энергии в механическую или в электрическую энергию, конденсатор, насос для перемещения рабочей текучей среды по контуру, и первый теплообменник для передачи тепла рабочей текучей среде от отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

В соответствии с изобретением контур рабочей текучей среды включает первую линию нагрева и вторую линию нагрева, параллельную первой линии нагрева. В первой линии нагрева установлен первый теплообменник (нагреватель), который функционально соединен с трубопроводом отработавших газов, через который отработавшие газы передаются в выхлопную трубу.

Во второй линии нагрева установлен второй теплообменник путем подсоединения контура рабочей текучей среды к охлаждающему устройству системы РОГ для передачи тепла рабочей текучей среде от отработавших газов, возвращаемых в коллектор всасывания двигателя.

Управление потоком рабочей текучей среды и распределение его между первой и второй линиями нагрева осуществляет клапан, расположенный по потоку ниже насоса и реагирующий на потребность в энтальпии системы утилизации отходящего тепла.

В другом варианте в каждой из линий нагрева может быть установлен насос, причем оба насоса установлены по потоку ниже узла, в котором контур рабочей текучей среды разветвляется на две линии нагрева, и управление каждым насосом осуществляется в соответствии с потребностью системы в энтальпии для подачи потока рабочей текучей среды в каждую из линий нагрева. Эти насосы могут быть насосами переменной производительности или насосами с переменной частотой вращения. В другом варианте каждая из линий нагрева может содержать перепускное средство, включающее перепускную линию и клапан для отвода части или всей рабочей текучей среды, подаваемой насосом, и возвращения ее в конденсатор, на вход насоса или в резервуар с рабочей текучей средой.

При определении потребности в энтальпии учитывается потребность в энергии, производимой системой утилизации отходящего тепла, количество тепловой энергии, содержащейся в отработавших газах двигателя, и внутренние ограничения системы, такие как предельная температура рабочей текучей среды, нагрузка на конденсатор по отводу тепла, а также другие факторы, как это известно специалистам в данной области техники.

В другом варианте для передачи тепла от рабочей текучей среды на соединении выпускного отверстия расширительного устройства и впускного отверстия конденсатора (зона с повышенной температурой и пониженным давлением) используется рекуперативный теплообменник, подсоединенный функционально к первой линии нагрева по потоку выше первого теплообменника (зона с пониженной температурой и повышенным давлением).

Рекуперативный теплообменник обеспечивает полезное использование тепла, которое в противном случае будет выбрасываться через конденсатор в форме отходящего тепла, и, соответственно, действие рекуперативного теплообменника заключается в повышении общей эффективности преобразования энергии.

Кроме того, рекуперативный теплообменник извлекает из рабочей текучей среды тепловую энергию, которую в противном случае необходимо было бы извлекать в конденсаторе, то есть снижаются требования к охлаждающей способности конденсатора.

В нижеприведенном описании изобретения предлагаемая система и способ описаны в отношении системы утилизации отходящего тепла, работающей по циклу Ренкина, однако следует понимать, что изобретение применимо и к другим типам устройств утилизации или рекуперации отходящего тепла.

Краткое описание чертежей

Изобретение можно будет лучше понять из нижеприведенного подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг. 1 - блок-схема первого варианта системы утилизации отходящего тепла по настоящему изобретению для двигателя внутреннего сгорания;

на фиг. 2 - блок-схема второго варианта системы утилизации отходящего тепла по настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 приведен пример применения изобретения, а именно, схема системы 10 утилизации отходящего тепла, работающей по циклу Ренкина, для двигателя 100 внутреннего сгорания. Изобретение описывается в отношении системы утилизации отходящего тепла, работающей по циклу Ренкина. Однако следует иметь в виду, что нижеописанный вариант осуществления изобретения является иллюстративным и никоим образом не ограничивает его объем, то есть для целей изобретения могут использоваться и другие циклы и системы утилизации отходящего тепла, например, термоэлектрические, Эрикссона и другие циклы получения энергии с использованием отходящего тепла.

Двигатель 100 внутреннего сгорания содержит впускной коллектор 102 и выпускной коллектор 104. Часть отработавших газов возвращается во впускной коллектор 102 системой РОГ, содержащей клапан 110, охлаждающее устройство 112 и обратную линию 114, соединенную с впускным коллектором. Свежий воздух подается во впускной коллектор по впускной линии 106, например, с использованием турбокомпрессора (не показан), как это известно специалистам в данной области техники.

Клапан 110 системы РОГ также осуществляет управление потоком отработавших газов, поступающим в выпускную линию 16, например, в выхлопную трубу, из которой отработавшие газы выходят в окружающий воздух.

Двигатель 100 внутреннего сгорания может быть также снабжен вышеупомянутым турбокомпрессором, приводимым отработавшими газами. Могут использоваться и другие устройства, например, компаунд-турбина, приводимая отработавшими газами для получения электрической энергии. Двигатель 100 внутреннего сгорания может быть также снабжен системой 118 последующей обработки отработавших газов, например, для преобразования NO_x и извлечения сажевых частиц или несгоревших углеводородов из отработавших газов перед их выпуском в окружающую среду.

Система 10 утилизации отходящего тепла, как показано в рассматриваемом варианте, представляет собой систему с замкнутым контуром, в которой рабочая текучая среда сжимается, нагревается отработавшими газами и расширяется для утилизации тепловой энергии.

Система 10 утилизации отходящего тепла, как показано в рассматриваемом варианте, содержит замкнутый контур 12, по которому циркулирует рабочая текучая среда. К контуру 12 рабочей текучей среды подсоединено расширительное устройство 14, приводимое в работу рабочей текучей средой для преобразования ее тепловой энергии в механическую энергию. Выходной вал 16 расширительного устройства может использоваться для привода электрического генератора или для обеспечения вращающего момента, передаваемого в двигатель. Расширительное устройство 14 может быть турбиной, как в рассматриваемом варианте, или спиральным расширительным устройством, термоэлектрическим преобразователем или другим устройством, способным преобразовывать тепловую энергию рабочей текучей среды.

К контуру 12 рабочей текучей среды подсоединен конденсатор 20, в который поступает рабочая текучая среда, выходящая из расширительного устройства 14. Конденсатор 20 охлаждает и конденсирует рабочую текучую среду. Охлаждающий контур 22 конденсатора обеспечивает отвод тепла, передаваемого охлаждающей текучей среде от рабочей текучей среды. Охлаждающий контур 22 конденсатора может быть подсоединен к системе охлаждения транспортного средства, например, к радиатору, или к другой системе охлаждения.

Сконденсированная рабочая текучая среда поступает из конденсатора 20 в насос 24, который перекачивает ее на сторону нагрева контура 12 рабочей текучей среды, где она нагревается.

Сторона нагрева контура 12 рабочей текучей среды включает первую линию 30 нагрева и вторую линию 32 нагрева, соединенные параллельно. Первая линия 30 нагрева и вторая линия 32 нагрева разветвляются на разделительном узле, к которому подсоединен клапан 34, осуществляющий управление потоками рабочей текучей среды, подаваемыми в линии нагрева. Клапан 34 может направлять поток выборочно в одну из линий нагрева или может разделять поток по обеим линиям 30, 32 в соответствии с потребностями системы и ограничениями, которые подробно рассмотрены в следующей части описания. Линии 30, 32 нагрева снова соединяются в соединительном узле 18, из которого выходит одна линия 13, подсоединенная к впускному отверстию расширительного устройства 14.

На фигуре 2 иллюстрируется альтернативный вариант системы утилизации отходящего тепла, в которой не используется клапан 34, и каждая из линий нагрева содержит насос для управления потоком и перекачивания рабочей текучей среды по этой линии. В первой линии 30 нагрева установлен первый насос 26, и во второй линии 32 нагрева установлен второй насос 28. Контур 12 рабочей текучей среды разделяется в первом разделительном узле 29 на первую линию 30 нагрева и вторую линию 32 нагрева по потоку выше насосов 26 и 28. Насосы 26, 28 могут быть насосами переменной производительности или насосами с переменной частотой вращения, обеспечивающими управление потоками рабочей текучей среды в линиях 30, 32 нагрева. Насосами 26, 28 можно управлять выборочно для направления текучей среды в одну линию нагрева или разделения потока между двумя линиями 30, 32 нагрева. В другом варианте управление потоком рабочей текучей среды может осуществляться с использованием перепускных средств, включающих перепускную линию и клапан в каждой из линий 30, 32 нагрева. Следует понимать, что два насоса, используемые во втором варианте, представленном на фиг. 2, могут использоваться и в первом варианте, представленном на фиг. 1, и клапан 34, указанный на фиг. 1, может также использоваться и во втором варианте.

Первая линия 30 нагрева соединена функционально с нагревателем (теплообменником) 36, передающим тепло от отработавших газов двигателя, которые должны выбрасываться в окружающую среду. Отработавшие газы передаются в нагревательное устройство 36 по контуру 38, управление которым осуществляет клапан 40 в выпускном трубопроводе 116.

Вторая линия 32 нагрева, соединенная параллельно с первой линией 30 нагрева, ответвляется на клапане 34 и соединяется функционально с охлаждающим устройством 112 системы РОГ. Охлаждающее устройство 112 системы РОГ действует в качестве нагревателя для рабочей текучей среды во второй линии 32 нагрева. Рабочая текучая среда, протекающая в первой линии 30 нагрева и во второй линии 32 нагрева и нагреваемая, соответственно, нагревателем 36 и охлаждающим устройством 112 системы РОГ, объединяется в соединительном узле, из которого выходит одна линия 13, подсоединенная к расширительному устройству 14.

Благодаря использованию отдельных линий нагрева рабочая текучая среда, используемая для утилизации тепловой энергии из охлаждающего устройства 112 системы РОГ, которое охлаждает газы в системе РОГ, имеет температуру на входе в охлаждающее устройство системы РОГ, которая ниже температуры, которую рабочая текучая среда имела бы, если бы она нагревалась отработавшими газами в нагревателе 36 перед их поступлением в охлаждающее устройство системы РОГ. В этом случае обеспечивается более эффективная работа охлаждающего устройства 112 системы РОГ.

Рабочая текучая среда, выходящая из расширительного устройства 14, имеет температуру, которая значительно превышает температуру конденсации рабочей текучей среды, например, в рассматриваемой системе утилизации отходящего тепла она может быть примерно на 100°C выше температуры конденсации. Эта тепловая энергия должна быть отведена от рабочей текучей среды, и в системе, блок-схема которой представлена на фиг. 1, тепло, содержащееся в рабочей текучей среде, передается в теплообменник 22 конденсатора, и рекуперация энергии в этом случае не происходит.

На фиг. 2 представлен альтернативный вариант осуществления изобретения, в котором утилизируется некоторая часть тепловой энергии, содержащейся в рабочей текучей среде после расширения в расширительном устройстве 14. На фиг. 2 также представлена альтернативная схема разделения потока рабочей текучей среды для направления в первую линию 30 нагрева и во вторую линию 32 нагрева, как это уже было описано. Блок-схема фиг. 2 также включает все другие компоненты двигателя 100 и системы 10 утилизации отходящего тепла, как это уже было описано, и здесь их описание не повторяется.

В соответствии с вариантом, блок-схема которого представлена на фиг. 2, к контуру 12 рабочей текучей среды подсоединен функционально блок 50 рекуперативной теплопередачи по потоку ниже выпускного отверстия расширительного устройства 14 и выше впускного отверстия конденсатора 20 для утилизации тепла, содержащегося в рабочей текучей среде, перед пропусканием рабочей текучей среды через конденсатор. Рекуператор 50 может быть выполнен в форме теплообменника или любого другого устройства, которое может передавать тепло от одного потока среды к другому. Рекуператор 50 подсоединен таким образом, чтобы тепловая энергия от расширившейся рабочей среды передавалась рабочей текучей среде по потоку ниже конденсатора 20 и в первую линию 30 нагрева. В рассматриваемом варианте первая линия 30 нагрева подсоединяется к рекуператору 50 перед подсоединением к теплообменнику 36 отработавших газов.

Использование передачи тепла рекуператором 50 снижает требования к охлаждающей способности конденсатора 20. Кроме того, рабочая текучая среда в первой линии 30 нагрева предварительно нагревается перед подачей в нагреватель 36, в результате чего улучшается качество энергии рабочей текучей среды в первой линии 30 нагрева и утилизация тепла из трубопровода 116 отработавших газов. Более высокая температура рабочей текучей среды, поступающей в нагреватель 36, также является достоинством, которое заключается в том, что отработавшие газы, выходящие из трубопровода 116, скорее всего не будут охлаждены до температуры конденсации.

Поскольку дополнительно нагретую рабочую текучую среду добавляют только в первую линию нагрева и не добавляют во вторую линию нагрева, содержащую охлаждающее устройство системы РОГ, то рабочая текучая среда не перегревается в охлаждающем устройстве системы РОГ, которое сможет легче охлаждать газ в системе РОГ до необходимой или заданной температуры для использования в двигателе.

Изобретение описано в заявке на примере предпочтительных вариантов и используемых компонентов, однако специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть сделаны некоторые замены без выхода за пределы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой.

Изобретение может быть использовано в системах утилизации отходящего тепла двигателей внутреннего сгорания. Система (10) утилизации отходящего тепла для использования с двигателем (100) внутреннего сгорания содержит контур (12) рабочей текучей среды, расширительное устройство (14), конденсатор (20), первую линию (30) нагрева в контуре (12) рабочей текучей среды и вторую линию (32) нагрева в контуре (12) рабочей текучей среды. Расширительное устройство (14) включено в контур (12) рабочей текучей среды с возможностью подачи в него рабочей текучей среды. Конденсатор (20) включен в контур (12) рабочей текучей среды с возможностью подачи в него рабочей текучей среды из расширительного устройства (14). Первая линия (30) нагрева в контуре (12) рабочей текучей среды включает первый теплообменник (36), подсоединенный для передачи рабочей текучей среде тепловой энергии от потока отработавших газов двигателя (100) внутреннего сгорания. Вторая линия (32) нагрева в контуре (12) рабочей текучей среды включена параллельно первой линии (30) нагрева и имеет второй теплообменник (112), подсоединенный для передачи рабочей текучей среде тепловой энергии от устройства охлаждения системы рециркуляции отработавших газов двигателя (100) внутреннего сгорания. Первая линия (30) нагрева и вторая линия (32) нагрева содержат узел разветвления, расположенный по потоку выше первого и второго теплообменников (36) и (112), и узел соединения, расположенный по потоку ниже первого и второго теплообменников (36) и (112). Раскрыт вариант выполнения системы утилизации отходящего тепла. Технический результат заключается в улучшении утилизации тепла отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система утилизации отходящего тепла для использования с двигателем внутреннего сгорания, содержащая:
контур рабочей текучей среды;
расширительное устройство, включенное в контур рабочей текучей среды с возможностью подачи в него рабочей текучей среды;
конденсатор, включенный в контур рабочей текучей среды с возможностью подачи в него рабочей текучей среды из расширительного устройства;
первую линию нагрева в контуре рабочей текучей среды, включающую первый теплообменник, функционально подсоединенный для передачи рабочей текучей среде тепловой энергии от потока отработавших газов двигателя внутреннего сгорания;
вторую линию нагрева в контуре рабочей текучей среды, включенную параллельно первой линии нагрева и имеющую второй теплообменник, функционально подсоединенный для передачи рабочей текучей среде тепловой энергии от устройства охлаждения системы рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания;
причем первая линия нагрева и вторая линия нагрева содержат узел разветвления, расположенный по потоку выше первого и второго теплообменников, и узел соединения, расположенный по потоку ниже первого и второго теплообменников.

2. Система по п. 1, содержащая клапан, подсоединенный в узле разветвления для регулируемого направления потока рабочей текучей среды выборочно в по меньшей мере одну из первой и второй линий нагрева.

3. Система по п. 1, содержащая первый насос, подсоединенный в первой линии нагрева, и второй насос, подсоединенный во второй линии нагрева, для регулируемого направления потока рабочей текучей среды выборочно в по меньшей мере одну из первой и второй линий нагрева.

4. Система по п. 1, в которой расширительное устройство имеет выпускное отверстие, из которого выходит рабочая текучая среда, и которая дополнительно содержит рекуператор, функционально присоединенный для передачи тепловой энергии от рабочей текучей среды, выходящей из расширительного устройства, рабочей текучей среде в первой линии нагрева.

5. Система по п. 4, в которой рекуператор функционально присоединен для получения тепловой энергии от рабочей текучей среды в контуре рабочей текучей среды между конденсатором и расширительным устройством и функционально присоединен для передачи тепловой энергии рабочей текучей среде в первой линии нагрева по потоку выше первого теплообменника.

6. Система утилизации отходящего тепла для использования с двигателем внутреннего сгорания, содержащая:
контур рабочей текучей среды, включающий первую линию нагрева и вторую линию нагрева, параллельную первой линии нагрева;
расширительное устройство, включенное в контур рабочей текучей среды с возможностью подачи в него рабочей текучей среды;
конденсатор, включенный в контур рабочей текучей среды с возможностью получения рабочей текучей среды из расширительного устройства, причем контур рабочей текучей среды разветвляется в первом узле на первую линию нагрева и вторую линию нагрева по потоку ниже конденсатора;
первый теплообменник в первой линии нагрева, функционально подсоединенный для передачи тепловой энергии рабочей текучей среде от потока отработавших газов двигателя внутреннего сгорания;
второй теплообменник во второй линии нагрева, функционально подсоединенный для передачи тепловой энергии рабочей текучей среде от потока рециркулируемых отработавших газов двигателя внутреннего сгорания;
причем первая линия нагрева и вторая линия нагрева объединяются во втором узле по потоку ниже первого и второго теплообменников; и
рекуператор, функционально подсоединенный для передачи тепловой энергии рабочей текучей среде в первой линии нагрева от рабочей текучей среды, выходящей из расширительного устройства.

7. Система по п. 6, содержащая клапан, подсоединенный в первом узле для регулируемого направления потока рабочей текучей среды выборочно в по меньшей мере одну из первой и второй линий нагрева.

8. Система по п. 6, содержащая первый насос, установленный в первой линии нагрева, и второй насос, установленный во второй линии нагрева, для регулируемого направления потока рабочей текучей среды выборочно в по меньшей мере одну из первой и второй линий нагрева.

9. Система по п. 6, в которой рекуператор функционально присоединен для получения тепловой энергии от рабочей текучей среды в контуре рабочей текучей среды между конденсатором и расширительным устройством и функционально присоединен для передачи тепловой энергии рабочей текучей среде в первой линии нагрева по потоку выше первого теплообменника.