СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛА И ЕГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В МЕХАНИЧЕСКУЮ МОЩНОСТЬ В СИСТЕМЕ ПРИВОДА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 2017 года по МПК F02G5/02 F01K3/08 

Данное изобретение относится к способу регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность в системе привода транспортных средств, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству для выполнения такого способа, согласно ограничительной части пункта 9 формулы изобретения.

Такой способ хорошо известен. Конструктивное выполнение компонентов системы, в частности испарителя, детандера (турбомашины или поршневой машины) и конденсатора, учитывает классическое использование междугородних перевозок по автострадам, т.е. по существу стационарного режима двигателя внутреннего сгорания, и способствует в этом режиме повышению коэффициента полезного действия системы привода. В качестве используемых носителей тепла можно применять, например, охлаждающее средств или воздух наддува, в частности однако, отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания. Чем более нестационарным становится работа двигателя внутреннего сгорания, например, при чередующихся подъемах и спусках или в транспортных средствах в диспетчеризированном сообщении, тем сильнее падает достигаемый коэффициент полезного действия регенерации тепла.

Задачей изобретения является такая модификация способа регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность в системе привода транспортных средств, что обеспечивается возможность достижения удовлетворительного коэффициента полезного действия системы привода также при не стационарной работе. Кроме того, должно быть создано особенно подходящее устройство для выполнения способа регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность в системе привода транспортных средств.

Эта задача решена с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения являются предметом соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения.

Согласно пункту 1 формулы изобретения, предлагается способ регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность в системе привода транспортных средств, в котором направляемое в циркуляционном контуре рабочее средство испаряют с помощью по меньшей мере одного интегрированного в циркуляционный контур рабочего средства испарителя с помощью отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, при этом созданный пар подают в соединенный с двигателем внутреннего сгорания детандер, а затем отходящий пар из детандера переводят обратно по меньшей мере в одном конденсаторе снова в жидкую фазу. Согласно изобретению, в циркуляционном контуре рабочего средства по потоку после по меньшей мере одного испарителя интегрированы по меньшей мере один управляемый и/или регулируемый с помощью управляющего и/или регулировочного устройства клапан, а также паровой аккумулятор так, что, в частности, при не требуемой приводной мощности детандера и/или, в частности, при работающем без сгорания топлива двигателе внутреннего сгорания (в частности, в режиме принудительного холостого хода или в режиме торможения двигателем), образованный пар, предпочтительно при одновременно закрытом детандере, по меньшей мере частично подают в паровой аккумулятор. Накопленный в паровом аккумуляторе пар затем, предпочтительно непосредственно после фазы накопления пара, при требуемой приводной мощности детандера и/или при работающем со сгоранием топлива двигателе внутреннего сгорания по меньшей мере частично снова подают обратно в циркуляционный контур рабочего средства детандера. Способ, согласно изобретению, реализует два существенных улучшения в не стационарном режиме движения: детандер, механическая мощность которого не требуется, в частности, в режиме принудительного холостого хода и/или в режиме торможения двигателем, можно по меньшей мере частично, предпочтительно полностью закрывать от подачи пара, одновременно можно еще создаваемый в системе пар, соответственно, горячий пар (за счет остаточного тепла, инерции системы, тепла отработавших газов) подавать в паровой аккумулятор и/или накапливать. При снова требующейся приводной мощности детандера, соответственно, при снова работающем со сгоранием топлива двигателе внутреннего сгорания можно затем загружать детандер непосредственно паром, соответственно, горячим паром парового аккумулятора, и он поставляет тем самым почти без задержки снова дополнительную мощность. Таким образом, при нестационарной работе двигателя внутреннего сгорания можно осуществлять подачу мощности детандера также в интенсивных по расходу топлива фазах ускорения, что улучшает их характеристики приемистости и противодействует снижению коэффициента полезного действия системы привода в нестационарном режиме.

Для обеспечения особенно равномерного перехода из питаемого из парового аккумулятора режима детандера снова к регулярной подачи пара через испаритель, согласно одному особенно предпочтительному конкретному варианту выполнения способа предлагается, что во время предпочтительно непосредственно примыкающей к фазе накопления пара, в частности, к режиму принудительного холостого хода и/или режиму торможения двигателем, фазы нагревания циркуляционного контура, соединяют с одной стороны, паровой аккумулятор с детандером и, с другой стороны, по меньшей мере один испаритель (или по меньшей мере один из нескольких испарителей) с обеспечивающим байпасирование детандера обходным трубопроводом, так что детандер можно снабжать паром из парового аккумулятора так долго, пока рабочее средство из циркуляционного контура рабочего средства с помощью по меньшей мере одного испарителя снова не нагреется до определенной и/или заданной температуры горячего пара. Дополнительно к этому, такое выполнение способа можно просто и надежно реализовывать с точки зрения техники управления, соответственно, регулирования.

В соединении с такой фазой нагревания дополнительно предлагается, что при достижении определенной и/или заданной температуры горячего пара, подача пара из парового аккумулятора останавливается, затем снова запирается обходный трубопровод и, наконец, детандер в обычном режиме детандера снова снабжается паром по меньшей мере из одного испарителя.

В качестве альтернативного решения или дополнительно к этому может быть предусмотрено, что при достижении определенной и/или заданной температуры горячего пара обходный трубопровод снова запирают и тем самым снабжают детандер снова как в обычном режиме детандера паром по меньшей мере из одного испарителя, при этом подачу пара из парового аккумулятора останавливают лишь тогда, когда паровой аккумулятор разгружен полностью или до определенного остаточного количества. В таком смешанном режиме обеспечивается, что паровой аккумулятор разгружается желаемым образом, при этом имеющийся остаточный пар в этом смешанном режиме вводят и подают в подходящем месте перед детандером или в детандере.

Используемый объем парового аккумулятора в целесообразной модификации предпочтительно выполняют так, что обеспечивается возможность накопления соответствующей средним фазам режима торможения двигателем массы пара. Такое среднее значение можно при необходимости определять эмпирически и оно обеспечивает, что, например, после проезда транспортным средством спуска, детандер можно снабжать накопленным паром, соответственно, горячим паром так долго, пока система испарения, содержащая по меньшей мере один испаритель, не станет снова достаточно готовой к работе. С другой стороны, необходимо также учитывать критерии установки и время зарядки парового аккумулятора.

Кроме того, согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения предусмотрено, что при достижении максимального рабочего давления парового аккумулятора во время фазы накопления пара отпирают и/или открывают обеспечивающий байпасирование детандера обходный трубопровод. Это повышает рабочую надежность и помогает предотвращать избыточное давление в паровом аккумуляторе. Через обходный трубопровод можно при достаточном генерировании пара поддерживать готовность системы без охлаждения трубопроводов и функциональных частей и без чрезмерного давления в системе и тем самым также способствовать улучшенным характеристикам запуска при переходе в режим привода.

Особенно предпочтительно во время фазы накопления пара, соответственно, во время фаз принудительного холостого хода и/или торможения двигателем, система отработавших газов двигателя внутреннего сгорания служит в качестве источника тепла по меньшей мере для одного испарителя, в частности, когда двигатель внутреннего сгорания имеет в ветви отработавших газов по меньшей мере одно дроссельное устройство для генерирования мощности торможения двигателем. Такие дроссельные устройства (например, заслонки отработавших газов, изменяемое управления газораспределением и т.д.) обеспечивают возможность поддержания высокой температуры отработавших газов также в фазах торможения двигателем. Однако в принципе, в качестве альтернативного решения или дополнительно к системе отработавших газов, можно также применять другие источники тепла транспортного средства, например, охлаждающее средство двигателя и/или воздух наддува, чтобы назвать два других примера.

В качестве предпочтительной дополнительной функции, собранный в паровом аккумуляторе пар, соответственно горячий пар, можно дополнительно применять для выдувания конденсированного рабочего средства из функциональных частей циркуляционного контура рабочего средства после выключения двигателя внутреннего сгорания и/или при зимних температурах. За счет этого можно, например, противодействовать замерзанию управляющих клапанов или испарителя при минусовых наружных температурах, без опасности ввода воздуха в циркуляционный контур рабочего средства системы регенерации тепла. Эта дополнительная функция особенно предпочтительна при закрытых относительно окружения циркуляционных контурах.

Паровой аккумулятор может быть теплоизолирован посредством окружения подходящим изолирующим средством. Однако более предпочтительно, что выполненный, например, с двойной оболочкой паровой аккумулятор нагревают с помощью отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и тем самым он без потери тепла остается эффективным в качестве аккумулятора среды также в течение длительных интервалов времени в режиме движения.

Согласно пункту 9 формулы изобретения, особенно предпочтительное устройство для выполнения способа регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность в системе привода транспортных средств содержит двигатель внутреннего сгорания в качестве источника привода, соединенный с возможностью обеспечения привода с двигателем внутреннего сгорания детандер, который соединен по меньшей мере с одним нагреваемым двигателем внутреннего сгорания испарителем, который включен в циркуляционный контур рабочего средства по меньшей мере с одним конденсатором. Согласно изобретению, в подающем трубопроводе циркуляционного контура рабочего средства по потоку после по меньшей мере одного испарителя расположен по меньшей мере один управляемый и/или регулируемый с помощью управляющего и/или регулировочного устройства клапан, с помощью которого при не требуемой приводной мощности детандера и/или при работающем без сгорания топлива двигателе внутреннего сгорания, предпочтительно по меньшей мере в режиме принудительного холостого хода и/или в режиме торможения двигателем, обеспечивается возможность соединения подающего трубопровода с паровым аккумулятором и/или запирания детандера.

В подающем трубопроводе может быть предпочтительно предусмотрен многоходовой клапан, с помощью которого конструктивно и относительно управления просто обеспечивается возможность соединения детандера и/или парового аккумулятора по меньшей мере с одним испарителем.

Кроме того, с управляющим паром в паровом аккумуляторе клапаном, который предпочтительно является многоходовым клапаном, дополнительно соединен обеспечивающий байпасирование детандера обходный трубопровод, предпочтительно обходный трубопровод с дроссельным клапаном, при этом через управляющий паром в паровом аккумуляторе клапан обеспечивается возможность соединения парового аккумулятора и/или детандера и/или обходного трубопровода по меньшей мере с одним испарителем при небольших затратах на трубопроводы.

Кроме того, при этом обходный трубопровод по потоку после включенного за детандером обратного клапана может входить в трубопровод отвода пара к конденсатору. Обратный клапан надежно предотвращает возникновение при прохождении потока пара через обходный трубопровод обратного потока, который может отрицательно влиять на функцию детандера.

Паровой аккумулятор может быть соединен через имеющий управляемый клапан, отдельный напорный трубопровод с подающим трубопроводом по потоку после управляющего паром в паровом аккумуляторе клапана, соответственно, многоходового клапана, и по потоку перед детандером. Однако в качестве альтернативного решения паровой аккумулятор может быть также соединен через имеющий управляемый клапан напорный трубопровод параллельно подающему трубопроводу с детандером. Таким образом, во время расширения пара, а именно, предпочтительно в зоне пониженного давления пространства расширения, можно целенаправленно вводить пар для повышения мощности в детандер. Это имеет особое преимущество, состоящее в том, что за счет большого перепада давления обеспечивается возможность лучшего использования парового аккумулятора, соответственно, его разгрузки до более низкого давления в режиме накопления.

Для использования энергии отработавших газов в систему отработавших газов двигателя внутреннего сгорания может быть соответствующим образом встроен по меньшей мере один испаритель. Однако можно применять также охлаждающее средство двигателя внутреннего сгорания или воздух наддува в двигателе внутреннего сгорания с наддувом в качестве носителя тепла. То же относится к паровому аккумулятору, соответственно, его корпусу, который нагревается с помощью отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

В качестве предпочтительной дополнительной функции системы регенерации тепла, паровой аккумулятор может быть соединен через управляемый клапан и выдувной трубопровод со стороной входа испарителя, при этом накопленный в паровом аккумуляторе горячий пар служит для выдувания возможно имеющегося в испарителе и в последующей системе трубопроводов жидкого рабочего средства, с целью, например, максимального исключения повреждения испарителя за счет замерзания зимой, без опасности ввода воздуха в циркуляционный контур системы регенерации тепла. Эта дополнительная функция является предпочтительной, в частности, в закрытых относительно окружения циркуляционных контурах рабочего средства.

Другое улучшение работы системы регенерации тепла достигается тем, что паровой аккумулятор имеет несколько камер, которые через предохранительные клапаны (клапаны заполнения и клапаны разгрузки) соединены друг с другом так, что их заполнение можно осуществлять последовательно, т.е. отдельно друг от друга, а их разгрузка – одновременно. За счет этого достигается изменяемое время зарядки парового аккумулятора с относительно быстрым нарастанием давления в отдельных камерах. Если первая камера парового аккумулятора достигает заданного давления накопления, то открывается предохранительный клапан (клапан заполнения) во вторую камеру и т.д. И наоборот, в режиме накопления детандера все камеры разгружаются совместно за счет открывания других предохранительных клапанов (клапанов разгрузки). Частично заполненные камеры разгружаются лишь тогда, когда все другие заполненные камеры достигают давления в частично заполненной камере. Управление открыванием, соответственно, закрыванием предохранительных клапанов осуществляется за счет соотношения давлений в камерах.

Кроме того, в одном варианте выполнения может быть дополнительно предпочтительным, когда с системой отработавших газов двигателя внутреннего сгорания соединено несколько, например, два испарителя, которые соединены каждый с управляемым с помощью клапана подводящим трубопроводом в циркуляционном контуре рабочего средства и общим подводящим трубопроводом, и которые предназначены для нагрузки рабочей средой посредством управления и/или регулирования клапанов по отдельности, группами или совместно. В частности, может быть целесообразным, когда при большой потребности в мощности двигателя внутреннего сгорания активно включается лишь один испаритель, а при низкой потребности в мощности активно включаются несколько, например, оба испарителя, с целью обеспечения соответствия, с одной стороны, поглощающей способности детандера и, с другой стороны, способности отвода тепла системы охлаждения двигателя. При необходимости возможно также, что в режиме накопления при отключенном детандере на основании имеющегося в распоряжении тепла отдельных источников тепла активно включается лишь один испаритель, а в регулярном режиме привода – все, соответственно, оба испарителя.

Кроме того, паровой аккумулятор может быть соединен через по меньшей мере один лежащий геодезически глубоко трубопровод для конденсата с циркуляционным контуром рабочего средства по потоку после конденсатора, с целью надежного отвода возможно скапливающегося в паровом аккумуляторе конденсата.

Наконец, особенно целесообразно с системой отработавших газов двигателя внутреннего сгорания соединено несколько, например, два испарителя, которые соединены каждый с управляемым с помощью клапана подводящим трубопроводом в циркуляционном контуре рабочего средства и общим подводящим трубопроводом, и которые предназначены для нагрузки рабочей средой посредством управления и/или регулирования клапанов по отдельности, группами или совместно. Находящееся в накопительном резервуаре рабочее средство может быть деионизованной водой или ее смесью.

Ниже приводится более подробное пояснение примера выполнения изобретения с указанием других деталей и достигаемых преимуществ со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 – блок-схема работающего с помощью насосов устройства для регенерации тепла, содержащего детандер для двигателя внутреннего сгорания в системе привода транспортных средств, два испарителя, конденсатор, паровой аккумулятор и несколько управляемых клапанов, в регулярном режиме привода с помощью нагружаемого паром детандера;

фиг. 2 – устройство, согласно фиг. 1, однако в режиме принудительного холостого хода и/или торможения двигателем и с включенными для зарядки парового аккумулятора клапанами;

фиг. 3 – устройство, согласно фиг. 2, при заряженном паровом аккумуляторе и включенным обходным трубопроводом для детандера;

фиг. 4 – устройство, согласно фиг. 3, непосредственно после перехода из режима принудительного холостого хода и/или торможения двигателем в режим привода двигателя внутреннего сгорания, с открытым к детандеру паровым аккумулятором и еще открытым обходным трубопроводом для нагревания циркуляционного контура рабочего средства;

фиг. 5 – устройство, согласно фиг. 4, в управляемом смешанном режиме, в котором испаритель и паровой аккумулятор подключены к детандеру;

фиг. 6 – альтернативный вариант выполнения устройства, согласно фиг. 1 - 5, в котором паровой аккумулятор выполнен с несколькими камерами и предусмотрена возможность соединения через отдельный напорный трубопровод непосредственно с детандером;

фиг. 7 – первый в качестве примера вариант выполнения многокамерного парового аккумулятора; и

фиг. 8 – второй в качестве примера вариант выполнения многокамерного парового аккумулятора.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства для регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность для системы привода в транспортных средствах, в частности, в транспортных средствах для перевозки грузов и пассажиров, таких как, например, грузовые автомобили и автобусы, с двигателем внутреннего сгорания (не изображен) в качестве источника привода, которое имеет циркуляционный контур 1 рабочего средства, в который интегрированы, среди прочего, в данном случае в качестве примера два испарителя 2, 3, детандер 4 и конденсатор 5.

В качестве рабочего средства служит, например, деионизованная вода, которая залита в накопительный резервуар 6, на нижней стороне которого отходит подающий трубопровод 7. В подводящем трубопроводе 7 предусмотрен питающий насос 8, который через распределитель снабжает в данном случае два раздельных подводящих трубопровода 7а, 7b, которые на стороне входа соединены с испарителями 2, 3. В подводящих трубопроводах 7а, 7b установлен в данном случае также в качестве примера соответствующий электрический пропорциональный клапан 10 регулирования потока, с помощью которых обеспечивается возможность управления массовым потоком рабочего средства и тем самым генерированием пара.

К распределителю 9 подключен возвратный трубопровод 11 с интегрированным клапаном 12 ограничения давления, при этом возвратный трубопровод 11 входит в накопительный резервуар 6.

Кроме того, с конденсатором 5 на стороне выхода соединен другой возвратный трубопровод 13, который также входит в накопительный резервуар 6 и в котором в направлении потока расположен отсасывающий конденсат насос 14 и фильтровальный блок 15.

В данном случае лишь в качестве примера два испарителя 2, 3 установлены не изображенным образом на системе отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, соответственно, соединены с возможностью передачи тепла с системой отработавших газов, и подвергаются воздействию горячих отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с целью теплообмена для перевода жидкого рабочего средства в паровую фазу.

Преобразованное в испарителях 2, 3 предпочтительно в горячий пар рабочее средство в данном случае в качестве примера направляется через сначала два трубопровода, а затем через объединенный подающий трубопровод 16 с определенным, соответственно, заданным избыточным давлением в детандер 4, при этом в подающем трубопроводе 16 расположен многоходовой клапан 17, с помощью которого обеспечивается возможность распределения горячего пара, как будет пояснено ниже.

Детандер 4 может быть, например, турбомашиной или поршневой машиной определенной конструкции и мощности, которая под воздействием предпочтительно находящегося под избыточным давлением пара, соответственно, горячего пара, отдает в двигатель внутреннего сгорания непосредственно или опосредованно дополнительную приводную мощность. Однако детандер может при необходимости приводить в действие также другое устройство транспортного средства, например, установку кондиционирования воздуха, компрессор, вентилятор, генератор и т.д.

На стороне выхода с детандером 4 соединен трубопровод 18 отвода пара, в который дополнительно включен обратный клапан 19 и который на стороне входа входит в переводящий рабочее средство посредством конденсации снова в жидкую фазу конденсатор 5.

К многоходовому клапану 17 подключен первый напорный трубопровод 20, который ведет к расположенному в транспортном средстве паровому аккумулятору 21. Паровой аккумулятор 21 теплоизолирован (не изображено) и относительно своего объема, соответственно, своей емкости накопления выполнен так, что он в заполненном состоянии может через определенный интервал времени снабжать детандер 4 находящимся под избыточным давлением, соответственно, системным давлением горячим паром.

Для этого к паровому аккумулятору 21 подключен второй напорный трубопровод 22, который по потоку после многоходового клапана 17, однако по потоку перед детандером 4 входит в подающий трубопровод 16, соответственно, в его участок 16а и в котором расположен управляемый клапан 23, с помощью которого обеспечивается возможность запирания напорного трубопровода 22 или открывания к детандеру 4.

Кроме того, от многоходового клапана 17 ответвляется обходный трубопровод 25 с интегрированным дроссельным клапаном 24, который по потоку после обратного клапана 19 соединен с трубопроводом 18 отвода пара.

Кроме того, от парового аккумулятора 21 отходит управляемый с помощью клапана 26 продувочный трубопровод 27 (изображен штрихпунктирной линией), который соединен с испарителями 2, 3 на их впускной стороне и который, например, при каждом выключении двигателя внутреннего сгорания за счет кратковременного открывания клапана 26, соответственно, промывает испарители 2, 3 и последующие клапаны и трубопроводы горячим паром с удалением возможно скопившегося конденсата.

Через также изображенный штрихпунктирной линией трубопровод 28 для конденсата с геодезически лежащим глубоко выпускным клапаном 29 на паровом аккумуляторе 21 можно при необходимости время от времени выпускать скопившийся в паровом аккумуляторе 21 конденсат в возвратный трубопровод 13 по потоку перед отсасывающим насосом 14.

Управление указанными клапанами 17, 23, 26 и 29, а также в данном случае в качестве примера двумя клапанами 10 регулирования потока в подводящих трубопроводах 7а, 7b осуществляется электрически с помощью не изображенного электронного управляющего устройства, как будет пояснено ниже; управляющее устройство может быть при необходимости электронным управляющим устройством двигателя внутреннего сгорания, в котором требуемые для управления рабочие параметры, такие как состояние нагрузки двигателя внутреннего сгорания, скорость транспортного средства, режим ускорения двигателем и режим торможения двигателем, температура двигателя, температура отработавших газов и т.д., и без того уже измерены, и тем самым обеспечивается возможность их использования с относительно небольшими дополнительными затратами. Дополнительно к этому, по меньшей мере в паровом аккумуляторе 21 и/или в подающем трубопроводе 16 предусмотрен соответствующий датчик давления (не изображен) для предотвращения недопустимого чрезмерного давления, соответственно, измерения системного давления.

На фиг. 1 устройство 1 для регенерации тепла показано в режиме регулярного движения (более или менее стационарного), в котором оба испарителя 2, 3 через клапаны 10 регулирования потока нагружены рабочей средой и создают горячий пар, который через подающий трубопровод 16 и многоходовой клапан 17 направляется к детандеру 4 и после соответствующего расширения в нем с отдачей механической приводной мощности проходит через трубопровод 18 отвода пара к конденсатору 5. После конденсатора 5 конденсированное, снова жидкое рабочее средство протекает через фильтровальный блок 15 обратно в накопительный резервуар 6.

Указанный циркуляционный контур поддерживается с помощью обоих насосов 8, 14. В зависимости от рабочей точки двигателя внутреннего сгорания и тем самым от имеющихся массовых потоков и температур в отдельных источниках тепла, получается за счет регулируемого с помощью регулирующих поток клапанов 10 количества тепла и зависящей от скорости вращения способности поглощения детандера системное давление по потоку после испарителей 2, 3. Ответвляющиеся от многоходового клапана 17 трубопроводы 20 и 25 (изображены штрихпунктиром) заперты. Кроме того, напорный трубопровод 22 от парового аккумулятора 21 к подающему трубопроводу 16а закрыт с помощью клапана 23.

На фиг. 2 устройство 1 показано с тем различием, что транспортное средство находится в режиме торможения двигателем, при этом расположенные в двигателе внутреннего сгорания и/или в системе отработавших газов (не изображены) дроссельные приспособления (клапаны газообмена, заслонки для отработавших газов и т.д.) включены для генерирования действия торможения двигателем и за счет этого вызывают высокую температуру отработавших газов.

В этом рабочем состоянии многоходовой клапан 17 переключается с помощью управляющего устройства двигателя сначала так, что участок 16а подающего трубопровода 16 прерывается (изображено штриховой линией), а напорный трубопровод 20 к паровому аккумулятору 21 открывается. В соответствии с этим, паровой аккумулятор 21 в интервале времени режима торможения двигателем или до достижения максимального системного давления заряжается горячим паром.

При возможном достижении максимального системного давления, соответственно, давления резервуара во время режима торможения двигателем, многоходовой клапан 17 переключается, как показано на фиг. 3, в режим дросселирования посредством открывания обходного трубопровода 25 с интегрированным дроссельным клапаном 24 и тем самым отвода избыточного горячего пара в трубопровод 18 отвода пара. Возможный режим дросселирования обеспечивает сохранение режима работы системы по потоку выше многоходового клапана 17. Находящийся в паровом аккумуляторе 21 под избыточным давлением горячий пар герметично закрыт с помощью закрытых клапанов 17, 23, 26 и 29.

При переходе двигателя внутреннего сгорания после режима торможения двигателем снова в режим привода со сгоранием топлива, при еще продолжающемся режиме дросселирования, согласно фиг. 4, открывается клапан 23 на паровом аккумуляторе 21 и через напорный трубопровод 22 и подающий трубопровод 16а почти без задержки накопленный горячий пар подается в детандер 4, который тотчас начинает отдачу максимальной дополнительной приводной мощности. Одновременно в режиме дросселирования можно повышать температуру в системе по потоку перед многоходовым клапаном, пока при достижении определенной и/или заданной температуры горячего пара не будет снова заперт обходный трубопровод, и тем самым детандер снова снабжается как при обычной работе детандера паром по меньшей мере из одного испарителя.

Наконец, на фиг. 5 показан переход от режима накопления детандера в по существу стационарный режим, в котором многоходовой клапан 17 снова переключается так, что он соединяет оба испарителя 2, 3, соответственно, подающий трубопровод 16, 16а с детандером 4 (согласно фиг. 1), однако клапан 23 на паровом аккумуляторе 21 еще открыт.

Этот смешанный режим является целесообразным, например, когда в паровом аккумуляторе 21 еще имеется пригодное к использованию давление пара, которое затем накладывается на системное давление в подающем трубопроводе 16, 16а. При этом управление может осуществляться посредством сравнения значений давления, получаемых с помощью датчиков давления в паровом аккумуляторе 21 и в подающем трубопроводе 16 с помощью электронного управляющего устройства.

Если паровой аккумулятор 21 разгружен, соответственно, его давление пара слишком низкое, то клапан 23 в напорном трубопроводе 22 снова закрывается, и осуществляется регулярное снабжение паром детандера 4, согласно фиг. 1, непосредственно из испарителя 2 и/или 3.

На фиг. 6 показан альтернативный вариант выполнения устройства 1’ регенерации тепла, описание которого приводится лишь относительно отличий от фиг. 1. Одинаковые части обозначены одинаковыми позициями.

На фиг. 6 применяется паровой аккумулятор 30, корпус 30а которого выполнен с двойными стенками. Паровой аккумулятор, согласно фиг. 6, показан более детально без периферийных функциональных конструктивных элементов, соответственно, мест сопряжения 17, 4, 4', 29, 28, 26, 27 с циркуляционным контуром рабочего средства в различных вариантах выполнения на фиг. 7 и 8. Находящаяся между стенками корпуса оболочка 35 может быть для предотвращения потерь тепла эвакуирована, заполнена воздухом или целесообразным изолирующим материалом, или, например, соединена не изображенным образом с системой отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, соответственно, нагреваться ею.

Кроме того, паровой аккумулятор 30 разделен с помощью разделительных стенок 36 на несколько камер 30b. Эти камеры соединены друг с другом через предохранительные клапаны (клапаны 32 заполнения и клапаны 33 разгрузки) так, что их заполнение можно осуществлять последовательно, соответственно, отдельно друг от друга, а их разгрузка – одновременно. Таким образом, в режиме накопления сначала заполняется лежащая ближе всего к напорному трубопроводу 20 камера 30b, и после достижения заданного давления пара – соседняя с этой камерой 30b камера 30b и т.д. Тем самым, несмотря на относительно большой общий объем парового аккумулятора 30, быстро имеется достаточное давление пара, который затем распространяется от камеры 30b к камере 30b и в любое время обеспечивает также при короткой длительности заполнения эффективное снабжение детандера 4 паром высокого давления.

Разгрузка парового аккумулятора 30 при переходе с режима принудительного холостого хода и/или режима торможения двигателем в приводной режим двигателя внутреннего сгорания происходит совместно во всех камерах посредством открывания клапана 23 и затем посредством открывания других предохранительных клапанов (клапанов 33 разгрузки), при этом отходящий, управляемый с помощью клапана 23 напорный трубопровод 31 соединен, согласно показанному на фиг. 7 варианту выполнения, с коллекторной планкой 34 для пара. В альтернативном варианте выполнения на фиг. 8 разгрузка камер осуществляется через клапаны 33 разгрузки друг за другом. Частично заполненные камеры разгружаются лишь тогда, когда давление во всех других заполненных камерах падает до давления в частично заполненных камерах. Управление открыванием, соответственно, закрыванием предохранительных клапанов осуществляется за счет соотношения давления в камерах.

Кроме того, в данном случае напорный трубопровод 31 выполнен в виде отдельного, проходящего параллельно подающему трубопроводу 16а трубопровода и соединен с входом 4а меньшего давления детандера 4'. Для этого на детандере 4' может быть предусмотрен, например, другой впускной клапан (не изображен), с помощью которого накопленный в паровом аккумуляторе 30 горячий пар направляется непосредственно в пространство расширения. Поскольку давление здесь во время фазы расширения временно существенно ниже, чем на входе для пара детандера 4', то паровой аккумулятор 30 можно разгружать до более низкого давления и тем самым увеличивать его емкость и более эффективно использовать накопленный горячий пар.

Кроме того, на основании меньшего накопленного количества пара получается меньшее скопление конденсата в паровом аккумуляторе 30.

В остальном принцип действия устройства 1' регенерации тепла на фиг. 6 тот же, что и устройства 1, описание которого приведено выше со ссылками на фиг. 1–5, и поэтому повторно не приводится.

Паровой аккумулятор 21, соответственно, 30 можно также, наряду с указанным режимом торможения двигателем (длительным замедлением), заряжать уже в режиме принудительного холостого хода и в особых рабочих случаях также в режиме со сгоранием топлива двигателя внутреннего сгорания за счет соответствующего переключения многоходового клапана, и одновременно можно прерывать подачу пара в детандер 4, 4'.

Перечень позиций

1 Устройство регенерации тепла

2 Испаритель

3 Испаритель

4 Детандер

4а Второй впуск

5 Конденсатор

6 Накопительный резервуар

7 Подводящий трубопровод

7а Подводящий трубопровод

7b Подводящий трубопровод

8 Питающий насос

9 Распределительная труба

10 Клапаны регулирования потока

11 Возвратный трубопровод

12 Клапан ограничения давления

13 Возвратный трубопровод

14 Отсасывающий насос

15 Фильтровальный блок

16 Подающий трубопровод

16а Участок подводящего трубопровода

17 Многоходовой клапан

18 Трубопровод для отвода пара

19 Обратный клапан

20 Напорный трубопровод

21 Паровой аккумулятор

22 Напорный трубопровод

23 Клапан

24 Дроссельный клапан

25 Обходный трубопровод

26 Клапан

27 Трубопровод для отвода пара

28 Трубопровод

29 Выпускной клапан

30 Паровой аккумулятор

30а Корпус

30b Камеры

31 Отдельный напорный трубопровод

32 Клапаны заполнения

33 Клапаны разгрузки

34 Коллекторная планка для пара

35 Изолирующая/нагревательная оболочка

36 Разделительные стенки.

Изобретение относится к способу и устройству для регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность в системе привода транспортных средств. Проходящее в циркуляционном контуре рабочее средство испаряют с помощью по меньшей мере одного интегрированного в циркуляционный контур рабочего средства испарителя с помощью отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, при этом созданный пар подают в соединенный с двигателем внутреннего сгорания детандер, а затем отходящий пар из детандера переводят обратно по меньшей мере в одном конденсаторе снова в жидкую фазу. В циркуляционном контуре рабочего средства по потоку после по меньшей мере одного испарителя интегрированы по меньшей мере один управляемый и/или регулируемый с помощью управляющего и/или регулировочного устройства клапан, а также паровой аккумулятор так, что, в частности, при не требуемой приводной мощности детандера и/или при работающем без сгорания топлива двигателе внутреннего сгорания, образованный пар, предпочтительно при одновременно закрытом детандере, по меньшей мере частично подают в паровой аккумулятор, при этом накопленный в паровом аккумуляторе пар, предпочтительно непосредственно после фазы накопления пара, при требуемой приводной мощности детандера и/или при работающем со сгоранием топлива двигателе внутреннего сгорания по меньшей мере частично снова подают обратно в циркуляционный контур рабочего средства для привода детандера. Изобретение позволяет повысить эффективность системы привода. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность в системе привода транспортных средств, в котором проходящее в циркуляционном контуре рабочего средства рабочее средство испаряют с помощью по меньшей мере одного интегрированного в циркуляционный контур рабочего средства испарителя (2, 3) с помощью отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, при этом созданный пар подают в соединенный с двигателем внутреннего сгорания детандер, а затем отходящий пар из детандера переводят по меньшей мере в одном конденсаторе снова обратно в жидкую фазу, и/или созданный пар подают по меньшей мере частично в паровой аккумулятор (21; 30), интегрированный в циркуляционный контур рабочего средства по потоку после указанного по меньшей мере одного испарителя (2, 3), и накапливают в нем, при этом накопленный в паровом аккумуляторе (21; 30) пар при требуемой приводной мощности детандера (4; 4') и/или при работающем со сгоранием топлива двигателе внутреннего сгорания по меньшей мере частично снова подают обратно в циркуляционный контур рабочего средства для привода детандера (4; 4').

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученный пар при не требуемой приводной мощности детандера (4; 4') и/или при работающем без сгорания топлива двигателе внутреннего сгорания и/или при прерывании подачи пара в детандер (4; 4') по меньшей мере частично подают в паровой аккумулятор (21; 30).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в паровом аккумуляторе (21; 30) по меньшей мере во время образующей фазу накопления пара фазы режима принудительного холостого хода и/или фазы режима торможения двигателем транспортного средства накапливают пар, и в соответствии с этим паровой аккумулятор (21; 30) соединен по потоку по меньшей мере с одним испарителем (2, 3).

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в паровом аккумуляторе (21; 30) по меньшей мере во время образующей фазу накопления пара фазы режима принудительного холостого хода и/или фазы режима торможения двигателем транспортного средства накапливают пар, и в соответствии с этим паровой аккумулятор (21; 30) соединен по потоку по меньшей мере с одним испарителем (2, 3).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время предпочтительно непосредственно следующей за фазой накопления пара фазы нагревания соединяют, с одной стороны, паровой аккумулятор (21; 30) с детандером (4; 4') и, с другой стороны, указанный по меньшей мере один испаритель (2, 3) или по меньшей мере один из испарителей (2, 3) с обеспечивающим байпасирование детандера (4; 4') обходным трубопроводом (25), так что детандер (4; 4') снабжается лишь паром из парового аккумулятора (21; 30) предпочтительно так долго, пока рабочее средство циркуляционного контура рабочего средства с помощью указанного по меньшей мере одного испарителя (2, 3) не нагреется до определенной и/или заданной температуры горячего пара.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что во время предпочтительно непосредственно следующей за фазой накопления пара фазы нагревания соединяют, с одной стороны, паровой аккумулятор (21; 30) с детандером (4; 4') и, с другой стороны, указанный по меньшей мере один испаритель (2, 3) или по меньшей мере один из испарителей (2, 3) с обеспечивающим байпасирование детандера (4; 4') обходным трубопроводом (25), так что детандер (4; 4') снабжается лишь паром из парового аккумулятора (21; 30) предпочтительно так долго, пока рабочее средство циркуляционного контура рабочего средства с помощью указанного по меньшей мере одного испарителя (2, 3) не нагреется до определенной и/или заданной температуры горячего пара.

7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что во время предпочтительно непосредственно следующей за фазой накопления пара фазы нагревания соединяют, с одной стороны, паровой аккумулятор (21; 30) с детандером (4; 4') и, с другой стороны, указанный по меньшей мере один испаритель (2, 3) или по меньшей мере один из испарителей (2, 3) с обеспечивающим байпасирование детандера (4; 4') обходным трубопроводом (25), так что детандер (4; 4') снабжается лишь паром из парового аккумулятора (21; 30)предпочтительно так долго, пока рабочее средство циркуляционного контура рабочего средства с помощью указанного по меньшей мере одного испарителя (2, 3) не нагреется до определенной и/или заданной температуры горячего пара.

8. Способ по п. 4, отличающийся тем, что во время предпочтительно непосредственно следующей за фазой накопления пара фазы нагревания соединяют, с одной стороны, паровой аккумулятор (21; 30) с детандером (4; 4') и, с другой стороны, указанный по меньшей мере один испаритель (2, 3) или по меньшей мере один из испарителей (2, 3) с обеспечивающим байпасирование детандера (4; 4') обходным трубопроводом (25), так что детандер (4; 4') снабжается лишь паром из парового аккумулятора (21; 30) предпочтительно так долго, пока рабочее средство циркуляционного контура рабочего средства с помощью указанного по меньшей мере одного испарителя (2, 3) не нагреется до определенной и/или заданной температуры горячего пара.

9. Способ по п. 5, отличающийся тем, что при достижении определенной и/или заданной температуры горячего пара подачу пара из парового аккумулятора (21; 30) останавливают, затем снова запирают обходный трубопровод (25), после чего детандер (4; 4') в обычном режиме детандера снабжают лишь паром по меньшей мере из одного испарителя (2, 3).

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при достижении определенной и/или заданной температуры горячего пара подачу пара из парового аккумулятора (21; 30) останавливают, затем снова запирают обходный трубопровод (25), после чего детандер (4; 4') в обычном режиме детандера снабжают лишь паром по меньшей мере из одного испарителя (2, 3).

11. Способ по п. 7, отличающийся тем, что при достижении определенной и/или заданной температуры горячего пара подачу пара из парового аккумулятора (21; 30) останавливают, затем снова запирают обходный трубопровод (25), после чего детандер (4; 4') в обычном режиме детандера снабжают лишь паром по меньшей мере из одного испарителя (2, 3).

12. Способ по п. 8, отличающийся тем, что при достижении определенной и/или заданной температуры горячего пара подачу пара из парового аккумулятора (21; 30) останавливают, затем снова запирают обходный трубопровод (25), после чего детандер (4; 4') в обычном режиме детандера снабжают лишь паром по меньшей мере из одного испарителя (2, 3).

13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что при достижении определенной и/или заданной температуры горячего пара обходный трубопровод (25) снова запирают и тем самым снабжают детандер (4; 4') снова как в обычном режиме детандера паром по меньшей мере из одного испарителя (2; 3), при этом подачу пара из парового аккумулятора (21; 30) останавливают лишь тогда, когда паровой аккумулятор (21; 30) разгружен полностью или до определенного остаточного количества.

14. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что при достижении максимального рабочего давления парового аккумулятора (21; 30) во время фазы накопления пара отпирают и/или открывают осуществляющий байпасирование детандера (4; 4') обходный трубопровод (25).

15. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что во время фаз принудительного холостого хода и/или торможения двигателем система отработавших газов двигателя внутреннего сгорания служит в качестве источника тепла по меньшей мере для одного испарителя (2, 3), в частности, когда двигатель внутреннего сгорания имеет в ветви отработавших газов по меньшей мере одно дроссельное устройство для генерирования мощности торможения двигателем, и/или что паровой аккумулятор (30) нагревают отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания.

16. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что собранный в паровом аккумуляторе (21; 30) пар применяют для выдувания конденсированного рабочего средства из функциональных частей (2, 3, 17, 16, 18) циркуляционного контура рабочего средства, в частности, при выключении двигателя внутреннего сгорания и/или при зимних температурах.

17. Устройство для выполнения способа регенерации тепла и его преобразования в механическую мощность в системе привода транспортных средств, в частности для выполнения способа по любому из пп. 1-16, содержащее двигатель внутреннего сгорания в качестве источника привода, соединенный по приводу с двигателем внутреннего сгорания детандер (4; 4'), который соединен по меньшей мере с одним нагреваемым отходящим теплом двигателя внутреннего сгорания испарителем (2, 3), который включен в циркуляционный контур рабочего средства по меньшей мере с одним конденсатором (5), при этом в подающем трубопроводе (16) циркуляционного контура рабочего средства по потоку после указанного по меньшей мере одного испарителя (2, 3) расположен по меньшей мере один управляемый с помощью управляющего устройства клапан (17, 23), с помощью которого обеспечивается возможность соединения подающего трубопровода (16) с паровым аккумулятором (21; 30) и/или прерывания подачи пара в детандер (4; 4').

18. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что в подающем трубопроводе (16) предусмотрен многоходовой клапан (17), с помощью которого обеспечивается возможность соединения детандера (4; 4') и/или парового аккумулятора (21; 30) по меньшей мере с одним испарителем (2, 3).

19. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что с клапаном (17), который управляет паром в паровом аккумуляторе (21; 30) и который является, в частности, многоходовым клапаном, дополнительно соединен обеспечивающий байпасирование детандера (4; 4') обходный трубопровод (25), предпочтительно обходный трубопровод (25) с дроссельным клапаном (24), при этом через управляющий паром в паровом аккумуляторе (21; 30) клапан (17) обеспечивается возможность соединения парового аккумулятора (21; 30) и/или детандера (4; 4') и/или обходного трубопровода (25) с подающим трубопроводом (16) и тем самым по меньшей мере с одним испарителем (2, 3).

20. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что с клапаном (17), который управляет паром в паровом аккумуляторе (21; 30) и который является, в частности, многоходовым клапаном, дополнительно соединен обеспечивающий байпасирование детандера (4; 4') обходный трубопровод (25), предпочтительно обходный трубопровод (25) с дроссельным клапаном (24), при этом через управляющий паром в паровом аккумуляторе (21; 30) клапан (17) обеспечивается возможность соединения парового аккумулятора (21; 30) и/или детандера (4; 4') и/или обходного трубопровода (25) с подающим трубопроводом (16) и тем самым по меньшей мере с одним испарителем (2, 3).

21. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что обеспечивающий байпасирование детандера (4; 4') обходный трубопровод (25) по потоку после расположенного в трубопроводе (18) отвода пара обратного клапана (19) входит в трубопровод (19) отвода пара, при этом трубопровод (18) отвода пара проходит от детандера (4; 4') к конденсатору (5).

22. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что паровой аккумулятор (21) соединен через имеющий управляемый клапан (23) напорный трубопровод (22) с подающим трубопроводом (16а) по потоку после управляющего паром в паровом аккумуляторе (21; 30) клапана (17), в частности многоходового клапана, и соединен по потоку перед детандером (4) с детандером.

23. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что паровой аккумулятор (30) соединен через имеющий управляемый клапан (23) напорный трубопровод (31) параллельно подающему трубопроводу (16а) с зоной (4а) пониженного давления пространства расширения в детандере (4').

24. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что по меньшей мере один испаритель (2, 3) соединен с системой трубопроводов отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, и/или что паровой аккумулятор (30) или его корпус (30а) нагревается с помощью системы трубопроводов отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

25. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что паровой аккумулятор (21; 30) соединен через управляемый клапан (26) и выдувной трубопровод (27) со стороной входа по меньшей мере одного испарителя (2, 3).

26. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что паровой аккумулятор (30) имеет несколько камер (30b), которые через предохранительные клапаны, в частности клапаны (32) заполнения и клапаны (33) разгрузки, соединены друг с другом так, что их заполнение осуществляется последовательно или отдельно друг от друга, а их разгрузка - последовательно или по существу одновременно, и/или что паровой аккумулятор (21; 30) по меньшей мере через один трубопровод (28) для конденсата соединен с циркуляционным контуром рабочего средства по потоку после конденсатора (5), и/или что используемый объем парового аккумулятора (21; 30) выбран так, что обеспечивается возможность накопления соответствующей средним фазам режима торможения двигателем массы пара.

27. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что с системой трубопроводов отработавших газов двигателя внутреннего сгорания соединено несколько испарителей (2, 3), которые соединены каждый с управляемым с помощью клапана (10) регулирования потока подводящим трубопроводом (7а, 7b) в циркуляционном контуре рабочего средства и предпочтительно объединенным подводящим трубопроводом (16), и которые выполнены с возможностью нагрузки рабочей средой посредством управления и/или регулирования клапанов (10) регулирования потока по отдельности, группами или совместно.

28. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что в циркуляционном контуре рабочего средства на стороне жидкости предусмотрены снабжающий испаритель (2, 3) из накопительного резервуара (6) питающий насос (8), расположенный по потоку перед конденсатором (5) и питающий накопительный резервуар (6) отсасывающий насос (14), предпочтительно с промежуточно включенным фильтровальным блоком (15), и имеющий клапан (12) ограничения давления для питающего насоса (8) возвратный трубопровод (11) к накопительному резервуару (6).

29. Транспортное средство, в частности транспортное средство для перевозки грузов и пассажиров, особенно предпочтительно грузовой автомобиль или автобус, содержащее устройство по любому из пп. 17-28.