Изобретение относится к устройству, предпочтительно для транспортного средства, в частности транспортного средства промышленного назначения, например, грузового автомобиля или автобуса, которое обеспечивает возможность выборочного и тем самым комбинированного электрического и механического использования энергии детандера, например, системы использования отходящей энергии. Кроме того, изобретение относится к соответствующему способу работы.
В системах использования отходящего тепла (Waste Heat Recovery - WHR) двигателей внутреннего сгорания применяются, среди прочего, контуры циркуляции пара. При этом циркуляционная среда контура приводится на высокий уровень давления, испаряется в испарителе и перегревается. Этот пар подается в детандер, который преобразует накопленную в пару энергию в полезную энергию. После детандера пар снова переводится в жидкость и подается в подающий насос.
Из практики известно использование генерированной детандером приводной энергии двух видов, а именно, либо электрически, либо механически.
Для электрического использования:
При этом детандер соединен с генератором. Генератор преобразует механическую энергию детандера в электрическую энергию. Генерируемая электрическая энергия через электродвигатель подается снова в двигатель внутреннего сгорания и тем самым уменьшает расход топлива двигателя внутреннего сгорания.
Применение генерируемой электрической энергии для поддержки бортовой сети транспортного средства не ведет к цели, поскольку предлагаемая мощность (например, 5 кВт в диапазоне основного режима) превышает требуемую мощность (например, 2 кВт). Необходима электрификация многих приводимых в действие до настоящего времени механически компонентов, с целью повышения потребности транспортного средства в электрической энергии (например, насоса усилителя рулевого привода, насоса охлаждающего средства, различных исполнительных механизмов). При этом возникает проблема, состоящая в том, что предоставляемая из системы WHR энергия не постоянно находится на полном уровне. Например, после холодного пуска система требует несколько минут для разогрева, пока не сможет работать детандер. При высоких температурах уменьшается на основании ограниченной мощности установки охлаждения транспортного средства также генерируемая энергия детандера системы WHR. В этих случаях необходимо высокую потребность в электрической энергии транспортного средства удовлетворять другим образом, для чего могут потребоваться дополнительные генераторы на двигателе внутреннего сгорания.
Однако электрическое использование энергии позволяет независимое от двигателя относительно скорости вращения и позиционирования соединение детандера. Это приводит к тому, что детандер не обязательно должен быть установлен на двигателе внутреннего сгорания, и что детандер, несмотря на колеблющиеся скорости вращения двигателя внутреннего сгорания, может работать в оптимальном диапазоне скорости вращения. Это преимущество может компенсировать или даже перекомпенсировать недостаток уменьшения коэффициента полезного действия в цепочке детандер - генератор - электродвигатель - двигатель внутреннего сгорания. Другое преимущество электрического использования состоит в возможности в комбинации с аккумулятором накопления электрической энергии. За счет этого система WHR может также генерировать энергию, когда двигатель внутреннего сгорания находится, например, в режиме торможения. Промежуточно накопленная энергия со сдвигом во времени снова предоставляется двигателю внутреннего сгорания через электродвигатель.
Генераторы для электрического использования энергии детандера обычно работают на основании требуемых мощностей с рабочим напряжением выше 24 В. В принципе, вращающиеся с высокой скоростью турбинные машины (паровые турбины) лучше пригодны для соединения с генератором, чем образующие рабочее пространство машины (например, поршневые двигатели) с низкими скоростями вращения, поскольку генераторы с высокой скоростью вращения имеют более компактную конструкцию.
Для механического использования:
При этом детандер механически соединен через трансмиссию с двигателем внутреннего сгорания. Задачей трансмиссии является преобразование скорости вращения и перекрытие расстояния между детандером и двигателем внутреннего сгорания, а также соединение и рассоединение детандера с двигателем внутреннего сгорания. Трансмиссия может состоять из передаточного механизма в различных вариантах выполнения (например, в виде фрикционной передачи, цилиндрической зубчатой передачи, планетарной передачи, цепной и/или ременной передачи и т.д.) или из их комбинаций, и активного или пассивного переключательного элемента для соединения и рассоединения детандера и двигателя внутреннего сгорания (например, механизма свободного хода с заклинивающим телом, переключаемого механизма свободного хода, приводимого в действие электрически или механически дискового сцепления и т.д.). Трансмиссия подводит механическую энергию детандера снова к двигателю внутреннего сгорания и тем самым уменьшает расход топлива двигателя внутреннего сгорания.
Преимущество механического использования состоит в том, что энергия детандера не должна постоянно иметься в распоряжении. Если система WHR активна, то дополнительная механическая энергия детандера приводит к уменьшению расхода топлива, когда система не готова к работе, то двигатель внутреннего сгорания компенсирует эту недостающую энергию.
Однако концепция механического использования энергии детандера приводит к зависимому относительно скорости вращения и позиционирования соединению детандера. Это приводит к тому, что детандер обязательно должен быть установлен на двигателе внутреннего сгорания, с целью обеспечения возможности с помощью возможно более коротких путей ввода энергии в коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания. Дополнительно к этому, колеблющаяся скорость вращения двигателя приводит также к колебанию скорости вращения детандера, за счет чего детандер не всегда работает в оптимальном диапазоне скорости вращения. Этот недостаток может быть компенсирован или даже перекомпенсирован за счет преимущества коэффициента полезного действия в короткой цепочке детандер - трансмиссия - двигатель внутреннего сгорания, поскольку современные трансмиссии имеют очень высокие коэффициенты полезного действия. Также может быть уменьшен недостаток колебаний скорости вращения за счет выбора тех типов детандера, которые имеют очень плоскую характеристику зависимости коэффициента полезного действия от скорости вращения.
Другой недостаток механического использования состоит в том, что отсутствует возможность промежуточного накопления энергии. За счет этого система WHR не может генерировать энергию, когда двигатель внутреннего сгорания находится, например, в режиме торможения. На основании термической инерции, накопленную в циркуляционном контуре энергию необходимо проводить мимо детандера, и тем самым ее нельзя применять с пользой.
В принципе, образующие рабочее пространство машины (например, поршневые двигатели) с низкими скоростями вращения подходят лучше для механического соединения через трансмиссию, чем вращающиеся с высокой скоростью турбомашины (паровые турбины), поскольку трансмиссия может быть выполнена проще.
Задачей изобретения является комбинирование указанных выше преимуществ известных концепций использования, соответственно, преодоление недостатков, в частности, создание возможности, с помощью которой можно более эффективно использовать систему использования отходящего тепла.
Эта задача может быть решена с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные модификации изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения и приведенного ниже описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения.
Согласно изобретению, предлагается устройство и способ, которые обеспечивают возможность, вместо чисто электрического использования или чисто механического использования, комбинированного использования рекуперируемой энергии детандера системы использования отходящего тепла.
Согласно изобретению, предлагается устройство, предпочтительно для транспортного средства, например, транспортного средства промышленного назначения, в частности, грузового автомобиля или автобуса.
Устройство содержит, в частности, двигатель внутреннего сгорания (например, бензиновый, дизельный или газовый двигатель или приводимый в действие с помощью альтернативного топлива двигатель), детандер и генератор. Детандер и/или генератор могут быть целесообразно установлены непосредственно или опосредованно на двигателе внутреннего сгорания.
Устройство характеризуется, в частности, тем, что детандер и генератор выполнены с возможностью кинематического соединения как друг с другом, так и с двигателем внутреннего сгорания, предпочтительно валом (например, коленчатым валом или вспомогательным приводным валом) или с вспомогательным приводом двигателя внутреннего сгорания, через трансмиссию, так что обеспечивается возможность выборочного и тем самым комбинированного электрического использования и механического использования энергии детандера. В рамках изобретения может быть предпочтительно предусмотрена для генератора возможность кинематического соединения с двигателем внутреннего сгорания жестко и/или без возможности переключения, в частности, постоянно, так что, например, кинематическое соединение между генератором и двигателем внутреннего сгорания не разъемно и тем самым целесообразно не может быть выборочно установлено или прервано. В качестве альтернативного решения или дополнительно, в рамках изобретения также возможно, что кинематическое соединение между детандером и двигателем внутреннего сгорания может быть выполнено и прервано с помощью трансмиссии.
Трансмиссия может быть целесообразно предназначена для выборочного создания или разделения кинематического соединения детандера с двигателем внутреннего сгорания, в то время как между генератором и двигателем внутреннего сгорания целесообразно обеспечивается жесткое и/или не переключаемое, в частности постоянное, кинематическое соединение.
Трансмиссия может иметь передачу и переключательный элемент. Передача трансмиссии может быть, например, одно- или многоступенчатой фрикционной передачей или цилиндрической зубчатой передачей, целесообразно без или по меньшей мере с одним промежуточным колесом, например, интегрирована в колесную передачу двигателя внутреннего сгорания или расположена отдельно от него. Передача трансмиссии может быть также выполнена в виде передачи с гибкой связью (например, цепной или ременной передачи).
Трансмиссия может иметь, целесообразно в зависимости от вида детандера, предпочтительно дополнительно к передаче, по меньшей мере один элемент сцепления или переключения, с помощью которого можно разъединять соединение между детандером и двигателем внутреннего сгорания, с целью, например, отсоединения детандера при холодном пуске.
Элемент сцепления или переключения трансмиссии может быть целесообразно активным (например, электрически или гидравлически приводимым в действие дисковым сцеплением, переключаемым механизмом свободного хода и т.д.) или пассивным (например, механизмом свободного хода с заклинивающим телом). Активный вариант выполнения предпочтительно содержит электрическое или гидравлическое управление.
Трансмиссия может иметь, предпочтительно в зависимости от вида детандера, предпочтительно дополнительно к передаче, по меньшей мере один разделительный элемент, с помощью которого может предотвращаться передача вращательных колебаний между (целесообразно соединенными компонентами) детандер - двигатель внутреннего сгорания - генератор. Разделительный элемент трансмиссии может быть, например, эластичным на скручивание соединением.
Генератор может быть, например, генератором низкого напряжения (например, 24 В или 48 В) или генератором высокого напряжения (например, 400-800 В).
Устройство может содержать, в частности, систему моторного тормоза с заслонкой в выпускном трубопроводе (например, тормоз с клапаном свободного выпуска, турбинный тормоз с клапаном свободного выпуска, тормозную систему с выпускным клапаном, турбинную тормозную систему с выпускным клапаном).
Возможно, что детандер является частью, например, мобильной системы использования отходящего тепла для преобразования отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания и/или для преобразования отходящего тепла системы моторного тормоза с заслонкой в выпускном трубопроводе в полезную энергию, предпочтительно с помощью циркуляционного контура пара, например, процесса ORC (Organic Rankine Cycle - цикл Ренкина на органическом рабочем теле). Таким образом, система использования отходящего тепла, в частности детандер, служат, в частности, для рекуперации энергии из отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания.
Возможно, что предусмотрена возможность кинематического соединения детандера и генератора как друг с другом, так и с валом двигателя внутреннего сгорания через трансмиссию. Вал содержит предпочтительно коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания.
Возможно, что генератор выполнен в виде двигателя-генератора, с целью выборочно действия в качестве генератора для генерирования тока или в качестве двигателя, целесообразно с потреблением тока, в частности, с целью выборочно работы в режиме генератора с генерированием тока и в режиме двигателя с потреблением тока. В качестве альтернативного решения возможно, что генератор выполнен в виде чисто генератора и тем самым целесообразно не имеет функции двигателя.
Возможно, что генератор через целесообразно электрическое и/или электронное соединение соединен с целесообразно электрической и/или электронной системой. Генератор может быть, например, соединен с системой по меньшей мере с помощью одного электрического и/или электронного провода. Возможно также, что система или по меньшей мере часть ее установлена, например, непосредственно на генераторе.
Система может иметь по меньшей мере одно из следующего: заряжаемый с помощью генератор накопитель энергии для хранения электрической энергии, по меньшей мере один электрический потребитель транспортного средства (например, насос усилителя рулевого привода, насос охлаждающего средства или несколько исполнительных механизмов), например, преобразователь постоянного тока для снабжения бортовой сети транспортного средства, электродвигатель, с помощью которого энергия из накопителя энергии преобразуется в механическую энергию и может подаваться в двигатель внутреннего сгорания, и/или управляющее устройство для управления генератором.
Электрическая и/или электронная система может быть частью установленной в транспортном средстве электрической и/или электронной инфраструктуры гибридной приводной системы, например, соединена с гибридной приводной системой или комбинирована с ней.
Накопитель энергии может иметь, например, один или несколько низковольтных или высоковольтных аккумуляторов, например, аккумуляторов для напряжения 24, 48 или 400-800 В.
Как указывалось выше возможно, что система имеет электродвигатель, с помощью которого энергия из накопителя энергии может поставляться в двигатель внутреннего сгорания. В этом случае генератор целесообразно выполнен не в виде двигателя-генератора, а в виде чисто генератора. Электродвигатель системы предпочтительно является отдельным от генератора конструктивным элементом, например, электродвигателем уже установленной в транспортном средстве гибридной приводной системы.
Система, целесообразно ее накопитель энергии, может служить, например, для поставки электрической энергии в бортовую сеть транспортного средства и/или по меньшей мере в один электрический потребитель транспортного средства, например, через преобразователь постоянного тока, который, не обязательно, может быть интегрирован в систему. Так, в частности, с помощью предпочтительно интегрированного в систему преобразователя постоянного тока при более высоких рабочих напряжениях генератора (например, 48 В) можно также поставлять электрическую энергию для бортовой сети и/или по меньшей мере одного электрического потребителя на более низком уровне напряжения (например, 24 В). За счет этого можно целесообразно отказаться от применяемого ранее генератора 24 В, и в освободившемся пространстве можно устанавливать компоненты детандера и генератора почти произвольно относительно конструктивного пространства.
Возможно, что накопительное приспособление (например, аккумуляторы 48 В) заменяет большую часть емкости прежних аккумуляторов 24 В, при этом целесообразно лишь для стартера транспортного средства требуется остаточная емкость на основе 24 В.
Генератор предпочтительно кинематически соединен с двигателем внутреннего сгорания жестко и/или без возможности переключения, например, без возможности разъединения или постоянно.
Трансмиссия предпочтительно предназначена для выборочного создания или разъединения кинематического соединения детандера с двигателем внутреннего сгорания. В качестве альтернативного решения или дополнительно, трансмиссия может создавать жесткое и/или без возможности переключения (например, не разъемное и/или постоянное) кинематическое соединение между генератором и двигателем внутреннего сгорания.
Таким образом, согласно изобретению, между детандером и двигателем внутреннего сгорания лежит целесообразно переключаемое кинематическое соединение, в то время как между генератором и двигателем внутреннего сгорания имеется целесообразно жесткое и/или не переключаемое (например, не разъемное и/или постоянное) кинематическое соединение.
Устройство может работать в различных рабочих режимах, а именно, в частности, в режиме детандера, в режиме генератора и/или в режиме двигателя.
Возможно, что в режиме детандера система использования отходящего тепла преобразует отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания в полезную энергию, и детандер создает из нее механическую энергию, и механическая энергия через трансмиссию подается в двигатель внутреннего сгорания, и/или генератор в это время действует в качестве генератора и генерирует из полезной энергии электрическую энергию, предпочтительно для системы.
Возможно, что в режиме детандера двигатель внутреннего сгорания генерирует приводную энергию.
Таким образом, рекуперированная с помощью системы использования отходящего тепла энергия может быть целесообразно разделена на двигатель внутреннего сгорания в виде механического использования, с одной стороны, и на систему в виде электрического использования, с другой стороны.
В режиме генератора система использования отходящего тепла еще может быть не готова к работе и/или находится в фазе нагревания (например, при холодном пуске), в которой детандер еще не генерирует механическую энергию. В качестве альтернативного решения или дополнительно возможно, что в генераторном режиме двигатель внутреннего сгорания находится в режиме принудительного холостого хода и/или торможения, и детандер, несмотря на отсутствующий вход тепла из двигателя внутреннего сгорания, еще генерирует полезную энергию вследствие термической инерции системы использования отходящего тепла. Полезная энергия может подаваться в генератор для преобразования в электрическую энергию и для дальнейшей подачи в систему. В качестве альтернативного решения или дополнительно, в генератор через трансмиссию может подаваться механическая энергия от двигателя внутреннего сгорания, с целью преобразования ее в электрическую энергию и подачи в систему.
Возможно, что в режиме двигателя генератор действует в качестве двигателя, или электродвигатель системы действует в качестве двигателя.
Возможно, что в режиме двигателя детандер снова генерирует механическую энергию и по меньшей мере начинает подавать механическую энергию через трансмиссию в двигатель внутреннего сгорания. В качестве альтернативного решения или дополнительно, в режиме двигателя возможно, что генератор действует в качестве двигателя или электродвигатель системы действует в качестве двигателя и преобразует приходящую из накопителя энергии электрическую энергию в механическую энергию и передает ее через трансмиссию в двигатель внутреннего сгорания.
В частности, в режиме двигателя детандер может либо не генерировать энергию, генерировать механическую энергию, соответственно, по меньшей мере начинать генерировать, генерировать механическую энергию и подавать ее через трансмиссию в двигатель внутреннего сгорания.
Возможно, что в режиме генератора генератор действует в качестве генератора, и детандер с помощью переноса тепла из системы моторного тормоза, но предпочтительно без ввода тепла из процесса сгорания внутри двигателя внутреннего сгорания, создает полезную энергию, и полезная энергия накапливается в накопителе энергии и, например, в последующем режиме двигателя подается в двигатель внутреннего сгорания. Следует отметить, что ввод тепла из системы моторного тормоза целесообразно происходит опосредованно через систему использования отходящего тепла в детандер.
Таким образом, в частности, возможно, что ввод тепла из двигателя внутреннего сгорания может осуществляться либо из процесса сгорания внутри двигателя, либо из системы моторного тормоза.
Генератор или электродвигатель системы могут работать в режиме двигателя так долго, пока накопитель энергии не разряжается по меньшей мере большей частью (например, до минимально допустимого уровня зарядки аккумулятора) и генератор не перейдет снова в генераторный режим.
Двигатель внутреннего сгорания может быть выполнен в виде дизельного двигателя, бензинового двигателя или газового двигателя, например, для стационарного или мобильного (например, дорожного, внедорожного или морского) применения. Двигатель внутреннего сгорания может работать также на альтернативном топливе.
Следует отметить, что детандер и/или генератор могут быть непосредственно или опосредованно установлены на двигателе внутреннего сгорания.
Кроме того, следует отметить, что поток энергии происходит от генератора и/или детандера к двигателю внутреннего сгорания или наоборот через трансмиссию.
Изобретение не ограничивается устройством, а содержит также способ работы предпочтительно указанного здесь устройства.
В частности, изобретение относится к способу работы устройства и/или выполняется с помощью устройства, содержащего двигатель внутреннего сгорания, детандер и генератор, при этом детандер и генератор выполнены с возможностью кинематического соединения как друг с другом, так и с двигателем внутреннего сгорания, так что обеспечивается возможность выборочного и тем самым комбинированного механического использования и электрического использования энергии детандера. В рамках изобретения может быть предпочтительно предусмотрена для генератора возможность соединения через трансмиссию с двигателем внутреннего сгорания жестко и/или без возможности переключения, в частности, постоянно, так что, например, кинематическое соединение между генератором и двигателем внутреннего сгорания не разъемно и тем самым целесообразно не может быть выборочно установлено или прервано. В качестве альтернативного решения или дополнительно, в рамках изобретения также возможно, что кинематическое соединение между детандером и двигателем внутреннего сгорания может быть выполнено и прервано с помощью трансмиссии.
Относительно других стадий способа делается ссылка на раскрытие устройства, с целью избежания повторов.
Приведенное выше раскрытие, соответственно, описание справедливо также по смыслу для способа работы и поэтому целесообразно также входит в объем изобретения.
Указанные выше варианты выполнения и признаки изобретения можно комбинировать друг с другом. Другие предпочтительные модификации раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения или следуют из приведенного ниже описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - устройство, согласно одному варианту выполнения изобретения;
фиг.2 - устройство, согласно фиг.1, в режиме детандера;
фиг.3 - устройство, согласно фиг.1, в режиме генератора; и
фиг.4 - устройство, согласно фиг.1, в режиме двигателя.
Концепция изобретения относится к устройству и способу, которые обеспечивают возможность вместо чисто электрического или чисто механического использования комбинированный вариант использования рекуперируемой детандером энергии.
Устройство V для комбинированного, соответственно, выборочного механического и электрического использования энергии детандера 3 показано на фиг.1 и пригодно, в частности, для установки в транспортном средстве, целесообразно транспортном средстве промышленного назначения, например, в грузовом автомобиле или автобусе.
Устройство V содержит двигатель 1 внутреннего сгорания, который может быть дизельным двигателем, бензиновым двигателем или газовым двигателем для стационарного или мобильного (например, дорожного, внедорожного или морского) применения, или двигателем, работающем на альтернативном топливе, для тех же областей применения. Непосредственно или опосредованно на двигателе 1 внутреннего сгорания установлены детандер 3 и двигатель-генератор 4.
Детандер является частью системы использования отходящего тепла, которая преобразует снова отходящее тепло двигателя 1 внутреннего сгорания с помощью контура циркуляции пара, предпочтительно процесса ORC, в полезную энергию.
Двигатель-генератор 4 может быть выполнен в виде генератора низкого напряжения (например, 24 В или 48 В) или генераторы высокого напряжения (например, 400-800 В), и может в зависимости от требования работать с генерированием энергии в рабочем режиме «генератор» или с потреблением тока в рабочем режиме «двигатель».
Детандер 3 и генератор 4 кинематически соединены как друг с другом, так и, в частности, с коленчатым валом двигателя 1 внутреннего сгорания через трансмиссию 2.
Генератор 4 кинематически соединен с двигателем 1 внутреннего сгорания жестко или без возможности переключения, так что целесообразно имеется постоянное кинематическое соединение.
В противоположность этому, детандер 3 кинематически соединен с двигателем 1 внутреннего сгорания с возможностью переключения, так что кинематическое соединение целесообразно может создаваться или прерываться, в частности, с помощью трансмиссии 2.
Трансмиссия 2 может состоять из передачи и переключательного элемента. Передача трансмиссии 2 может быть одно или многоступенчатой фрикционной или цилиндрической зубчатой передачей, предпочтительно без или по меньшей мере с одним промежуточным колесом, например, интегрированным в зубчатую передачу двигателя 1 внутреннего сгорания или расположенным отдельно. Привод трансмиссии 2 может быть также выполнен в виде передачи с гибкой связью (например, цепной или ременной передачи) или состоять из комбинации различных передач.
Трансмиссия может иметь, в зависимости от вида детандера 3, дополнительно к приводу по меньшей мере один элемент сцепления или переключения, с помощью которого можно прерывать соединение между детандером 3 и двигателем 1 внутреннего сгорания, с целью, например, отсоединения детандера 3 при холодном пуске. Элемент сцепления или переключения может быть целесообразно активным (например, электрически или гидравлически управляемым многодисковым сцеплением, переключаемым механизмом свободного хода и т.д.) или пассивным (например, механизмом свободного хода с заклинивающим телом).
Трансмиссия 2 может иметь, в зависимости от вида детандера 3, дополнительно к передаче по меньшей мере один элемент развязки, с помощью которого может предотвращаться передача вращательных колебаний между компонентами детандер 3 - двигатель 1 внутреннего сгорания - генератор 4. Элемент развязки трансмиссии 2 может быть, например, торсионно эластичным соединением.
Двигатель-генератор 4 соединен через электрическое и/или электронное соединение 5 (например, провода, интерфейсы и т.д.) с целесообразно электрической/электронной системой 6, которая имеет, в первую очередь, задачу накопления электрической энергии с помощью накопителя 7 энергии и управления двигателем-генератором 4 с помощью управляющего устройства. Кроме того, система 6 может содержать бортовую сеть транспортного средства и/или по меньшей мере один электрический потребитель транспортного средства, и/или установленную в транспортном средстве электрическую и/или электронную инфраструктуру гибридной приводной системы, соответственно, может быть комбинирована с гибридной приводной системой.
С помощью предпочтительно интегрированного в электрическую систему 6 преобразователя постоянного тока при высоких напряжениях генератора 4 (например, 48 В) может обеспечиваться также электрическая энергия для бортовой сети и электрических потребителей на уровне напряжения 24 В. За счет этого можно отказаться от имеющегося генератора 24 В и в освободившемся конструктивном пространстве можно размещать компоненты детандер 3 и двигатель-генератор 4. Дополнительно к этому, накопительное устройство 7 (например, аккумуляторы 48 В) электрической системы 6 могут заменять большую часть накопительной емкости прежних аккумуляторов 24 В, лишь для стартера транспортного средства может требоваться остаточная мощность на основе напряжения 24 В.
Как указывалось выше, электрическая система 6 может быть частью установленной в транспортном средстве электрической и/или электронной инфраструктуры гибридной приводной системы, например, может быть заменена ею и/или комбинирована с нею. В этом случае двигатель-генератор 4 может быть выполнен в виде чисто генератора, при этом преобразование и ввод предпочтительно накопленной в накопителе 7 энергии электрической энергии в этом случае осуществляется с помощью электродвигателя уже установленной в транспортном средстве гибридной приводной системы.
Устройство V предназначено для работы в режиме детандера, в режиме генератора и в режиме двигателя, управление которым предпочтительно осуществляется с помощью управляющего блока электрической системы 6.
Способ комбинированного электрического и механического использования энергии детандера содержит несколько возможных рабочих состояний, управление которыми осуществляется с помощью управляющего блока электрической системы 6.
На фиг.2 показано устройство V в режиме детандера.
Рабочее состояние «режим детандера» возникает в том состоянии, в котором двигатель 1 внутреннего сгорания генерирует приводную энергию и работает система использования отходящего тепла для использования отходящего тепла.
В этом рабочем состоянии детандер генерирует механическую энергию и через трансмиссию 2 подает в распоряжение двигателя 1 внутреннего сгорания. В это же время двигатель-генератор 4 работает в режиме генератора и создает требуемую электрическую энергию для системы 6, т.е. для бортовой системы 6 и электрических исполнительных механизмов, соответственно потребителей, в транспортном средстве.
Поток энергии в режиме детандера проходит, как показано на фиг.2, по существу следующим образом:
Из 100% энергии, которую генерирует детандер 3, с помощью двигателя-генератора 4 в режиме генератора Х% преобразуется в электрическую энергию и подается в электрическую систему 6. Остаточные (100-Х)% присутствуют в виде механической энергии на коленчатом валу двигателя 1 внутреннего сгорания, соответственно, в распоряжении двигателя 1 внутреннего сгорания. Величина значения Х зависит от фактического потребления тока в транспортном средстве.
Преимущества по сравнению с чисто электрическим или чисто механическим использованием:
Несмотря на электрическое использование, генерируемая электрическая энергия не зависит от фактически генерируемой детандером энергии, поскольку избыток оптимально относительно коэффициента полезного действия подается в виде механической энергии в двигатель 1 внутреннего сгорания.
На фиг.3 показано устройство V в режиме генератора.
Рабочее состояние «режим генератора» возникает в том состоянии, в котором система использования отходящего тепла еще не готова к работе и находится в фазе нагревания (например, после холодного пуска), или в котором двигатель 1 внутреннего сгорания находится в режиме принудительного холостого хода и/или торможения.
В фазе нагревания системы использования отходящего тепла детандер 3 еще не генерирует механическую энергию. В то же время двигатель-генератор 4 работает в режиме генератора и генерирует требуемую для системы 6 электрическую энергию, например, для бортовой сети и электрических исполнительных механизмов, соответственно потребителей, в транспортном средстве.
В режиме принудительного холостого хода двигателя 1 внутреннего сгорания детандер 3 генерирует, несмотря на отсутствующий ввод тепла, еще полезную энергию на основании термической инерции системы использования отходящего тепла. Двигатель-генератор 4 работает в это время в режиме генератора и создает максимально возможную электрическую энергию, которая подается в накопитель 4 энергии системы 6.
В режиме генератора, в частности, возможно, что детандер 3 создает полезную энергию, а именно, с помощью тепла из системы моторного тормоза, при этом тепло из системы моторного тормоза через систему использования отходящего тепла опосредованно попадает в детандер 3. Создаваемая полезная энергия может накапливаться в накопителе 7 энергии и в последующем режиме двигателя может подаваться в двигатель 1 внутреннего сгорания.
Поток энергии в режиме генератора осуществляется, как показано на фиг.3, по существу следующим образом:
Из 100% энергии, которую генерирует двигатель-генератор 4 в режиме генератора, Х% приходится на детандер 3, остаточные (100-Х)% передаются через оптимируванную относительно коэффициента полезного действия трансмиссию 2 в двигатель 1 внутреннего сгорания. Величина значения Х во время фазы нагревания системы использования отходящего тепла равна 0.
Преимущества по сравнению с чисто электрическим или чисто механическим использованием:
В режиме принудительного холостого хода или торможения двигателя 1 внутреннего сгорания накопленная на основании термической инерции в системе использования отходящего тепла энергия не должна бесполезно проходить мимо детандера 3, а с пользой может преобразовываться и накапливаться.
Предпочтительно, в режиме принудительного холостого хода и торможения двигателя 1 внутреннего сгорания энергия может рекуперироваться с помощью двигателя-генератора 4 и заряжать накопитель 7 энергии системы 6.
Двигатели 1 внутреннего сгорания в указанных применениях часто снабжены современными системами моторного тормоза, которые в режиме моторного тормоза создают большие, горячие массовые потоки газа с помощью двигателя 1 внутреннего сгорания. При чисто электрическом использовании или чисто механическом использовании энергии расширения системы использования отходящего тепла она теряется через выхлопную систему в окружение, поскольку генерируемая энергия расширения в этом рабочем состоянии не может быть использована. При комбинированном использовании, согласно изобретению, можно использовать это тепло и с помощью двигателя-генератора 4 и системы 6 промежуточно накапливаться и в последующей приводной фазе снова использоваться.
На фиг.4 показано устройство V в режиме двигателя.
Рабочее состояние «режим двигателя» возникает в том состоянии, в котором система использования отходящего тепла работает, соответственно, не работает, и накопитель 7 энергии электрической системы 6 в предшествующем режиме принудительного холостого хода и/или торможения двигателя 1 внутреннего сгорания с помощью двигателя-генератора 4 полностью или также частично заряжен.
В этом рабочем состоянии детандер 3 либо не генерирует механическую энергию, генерирует механическую энергию, либо за счет снова имеющегося ввода тепла в систему использования отходящего тепла начинает снова генерировать механическую энергию и подает ее через трансмиссию 2 в двигатель 1 внутреннего сгорания.
Двигатель-генератор 4 работает в это время в режиме двигателя и направляет полученную из накопителя 7 энергии системы 6 и преобразованную в механическую энергию электрическую энергию также через трансмиссию 2 в двигатель 1 внутреннего сгорания.
Бортовая сеть и электрические исполнительные механизмы, соответственно потребители, в транспортном средстве могут снабжаться, например, через преобразователь постоянного тока из накопителя 7 энергии системы 6, пока он не будет опустошен, и двигатель-генератор 4 снова переходит в режим генератора.
Поток энергии осуществляется, как показано на фиг.4, по существу следующим образом:
Из 100% энергии, которая подается в двигатель 1 внутреннего сгорания через трансмиссию 2, Х% приходятся на детандер 3, остальные (100-Х)% приходят из двигателя-генератора 4, который применяет энергию из накопителя 7 энергии системы 6. Если детандер 3 не получает достаточной энергии из системы использования отходящего тепла, то величина значения Х равна нулю.
Преимущества по сравнению с чисто электрическим использованием или с чисто механическим использованием:
В следующем за фазой принудительного холостого хода и/или торможения двигателя 1 внутреннего сгорания активном режиме двигателя 1 внутреннего сгорания непосредственно из детандера 3 не поступает энергия, поскольку системы использования отходящего тепла сначала должна снова нагреться. Как раз в этих рабочих состояниях с интенсивным расходом топлива, рекуперированная в режиме принудительного холостого хода и/или торможения двигателя 1 внутреннего сгорания и накопленная энергия может с помощью двигателя-генератора 4 подаваться непосредственно в двигатель 1 внутреннего сгорания с уменьшением расхода топлива.
Следует отметить, что генератор 4 не должен быть выполнен в виде двигателя-генератора, а может быть выполнен в виде чисто генератора. В этом случае система 6 может иметь электродвигатель, который может выполнять функцию двигателя двигателя-генератора 4.
При этом система 6 и электродвигатель могут быть частью уже установленной в транспортном средстве гибридной приводной системы.
Изобретение не ограничивается указанными выше предпочтительными вариантами выполнения. Возможно множество вариантов и модификаций, в которых также используется идея изобретения и которые поэтому входят в объем защиты. Кроме того, изобретение претендует также на защиту предмета и признаков зависимых пунктов формулы изобретения, независимо от подчиненности признаков и пунктов формулы изобретения.
Перечень позиций
1 Двигатель внутреннего сгорания
2 Трансмиссия
3 Детандер
4 Генератор, соответственно, двигатель-генератор
5 Соединение (электрическое/электронное)
6 Система (электрическая/электронная)
7 Накопитель энергии для хранения электрической энергии
V Устройство
Изобретение относится к транспортным средствам. Транспортное средство содержит двигатель внутреннего сгорания, детандер и генератор. Детандер и генератор выполнены с возможностью кинематического соединения как друг с другом, так и с двигателем внутреннего сгорания через трансмиссию, с целью обеспечения возможности выборочного электрического использования и механического использования энергии детандера. Генератор соединен с системой, содержащей заряжаемый с помощью генератора накопитель энергии для хранения электрической энергии, электрический потребитель транспортного средства, преобразователь постоянного тока для снабжения бортовой сети транспортного средства и управляющее устройство для управления генератором. Повышается эффективность использования отходящего тепла. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.
1. Транспортное средство, содержащее двигатель (1) внутреннего сгорания, детандер (3) и генератор (4), причем детандер (3) и генератор (4) выполнены с возможностью кинематического соединения как друг с другом, так и с двигателем (1) внутреннего сгорания через трансмиссию (2), с целью обеспечения возможности выборочного электрического использования и механического использования энергии детандера (3),
отличающееся тем, что генератор (4) соединен с системой (6), и эта система (6) имеет: заряжаемый с помощью генератора (4) накопитель (7) энергии для хранения электрической энергии, по меньшей мере один электрический потребитель транспортного средства, преобразователь постоянного тока для снабжения бортовой сети транспортного средства и управляющее устройство для управления генератором (4).
2. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что детандер (3) является частью системы использования отходящего тепла для преобразования отходящего тепла двигателя (1) внутреннего сгорания в полезную энергию, в частности, с помощью циркуляционного контура пара.
3. Транспортное средство по п.1 или 2, отличающееся тем, что детандер (3) является частью системы использования отходящего тепла для преобразования отходящего тепла системы моторного тормоза с заслонкой в выпускном трубопроводе в полезную энергию, в частности, с помощью циркуляционного контура пара.
4. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрена возможность кинематического соединения детандера (3) и генератора (4) как друг с другом, так и с валом, предпочтительно коленчатым валом двигателя (1) внутреннего сгорания, или с вспомогательным приводом двигателя (1) внутреннего сгорания через трансмиссию (2).
5. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что
(а) генератор (4) выполнен в виде двигателя-генератора, предпочтительно с целью выборочного действия в качестве генератора или в качестве двигателя, или
(b) генератор выполнен в виде чисто генератора.
6. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая система (6) имеет электродвигатель, с помощью которого энергия из накопителя (7) энергии преобразуется в механическую энергию и подается в двигатель (1) внутреннего сгорания.
7. Транспортное средство по п.1 или 6, отличающееся тем, что накопитель (7) энергии поставляет электрическую энергию для бортовой сети и/или по меньшей мере для одного электрического потребителя.
8. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что система (6) является частью установленной в транспортном средстве электрической и/или электронной инфраструктуры гибридной приводной системы.
9. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что генератор (4) кинематически соединен с двигателем (1) внутреннего сгорания жестко и/или без возможности переключения.
10. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что трансмиссия (2) предназначена для
- выборочного создания или разъединения кинематического соединения детандера (4) и двигателя (1) внутреннего сгорания, и/или
- обеспечения жесткого и/или без возможности переключения кинематического соединения между генератором (4) и двигателем (1) внутреннего сгорания.
11. Транспортное средство по пп.1, 2, 4-6, 9 или 10, отличающееся тем, что выполнено с возможностью использования в нем по выбору режима детандера, режима двигателя и режима генератора.
12. Транспортное средство по п.11, отличающееся тем, что в режиме детандера система использования отходящего тепла преобразует отходящее тепло двигателя (1) внутреннего сгорания в полезную энергию, при этом детандер (3) создает из полезной энергии механическую энергию, и механическая энергия через трансмиссию (2) подается в двигатель (1) внутреннего сгорания, и генератор (4) генерирует из полезной энергии электрическую энергию, и эта электрическая энергия подается в систему (6).
13. Транспортное средство по п.11, отличающееся тем, что в режиме генератора генератор (4) действует в качестве генератора, и детандер (3), несмотря на отсутствующий или небольшой ввод тепла из двигателя (1) внутреннего сгорания, еще генерирует полезную энергию вследствие термической инерции системы использования отходящего тепла, при этом генератор (4) предпочтительно из полезной энергии детандера (3) и из механической энергии двигателя (1) внутреннего сгорания генерирует электрическую энергию, и электрическая энергия подается в систему (6).
14. Транспортное средство по п.11, отличающееся тем, что в режиме двигателя генератор (4) действует в качестве двигателя, или электродвигатель системы (6) действует в качестве двигателя и преобразует приходящую из накопителя (7) энергии электрическую энергию в механическую энергию и передает через трансмиссию (2) в двигатель (1) внутреннего сгорания.
15. Транспортное средство по п.11, отличающееся тем, что детандер (3) во время режима двигателя либо не генерирует механическую энергию, генерирует механическую энергию, или по меньшей мере начинает генерировать механическую энергию и подает ее через трансмиссию (2) в двигатель (1) внутреннего сгорания.
16. Транспортное средство по п.11, отличающееся тем, что в режиме двигателя генератор (4) работает в качестве двигателя или электродвигатель системы (6) работает как двигатель так долго, пока накопитель (7) энергии не разряжается по меньшей мере большей частью, и генератор (4) не переходит снова в генераторный режим.
17. Транспортное средство по п.11, отличающееся тем, что в режиме генератора генератор (4) действует в качестве генератора, и детандер (3) с помощью ввода тепла из системы моторного тормоза, но предпочтительно без ввода тепла из процесса сгорания внутри двигателя (1) внутреннего сгорания, создает полезную энергию, и полезная энергия накапливается в накопителе (7) энергии и в последующем режиме двигателя подается в двигатель (1) внутреннего сгорания.
18. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что представляет собой транспортное средство промышленного назначения, в частности, грузовой автомобиль или автобус.
19. Способ работы транспортного средства по любому из пп.1-18, содержащего двигатель (1) внутреннего сгорания, детандер (3), а также генератор (4) и связанную с ним систему (6), имеющую накопитель (7) энергии, по меньшей мере один электрический потребитель, преобразователь постоянного тока для снабжения бортовой сети транспортного средства и управляющее устройство для генератора (4), причем детандер (3) и генератор (4) выполнены с возможностью кинематического соединения как друг с другом, так и с двигателем (1) внутреннего сгорания, и выборочно осуществляется электрическое использование и механическое использование энергии детандера (3).
| US 7475541 B2, 13.01.2009 | |||
| KR 20150075975 A, 06.07.2015 | |||
| JP 2010077901 A, 08.04.2010 | |||
| US 8726661 B2, 20.05.2014 | |||
| DE 102005058198 A1, 06.06.2007. |
