СИСТЕМА РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к двигателестроению, точнее к системам рекуперации энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, и предназначена для использования в различных энергетических установках, преимущественно в когенерационных.
Известна система рекуперации отработавших газов в электрическую энергию (WO 2010112958, 07.10.2010 г.), включающая в себя двигатель внутреннего сгорания и установленный на выпускном коллекторе двигателя термоэлектрический модуль, принцип работы которого основан на эффекте Зеебека. Под действием высокой температуры отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и относительно низкой температуры Окружающей среды термоэлектрический модуль вырабатывает электрическую энергию. Достоинством данной системы является ее простота, отсутствие движущихся частей, компактные размеры, а существенным недостатком - слишком низкий коэффициент полезного действия.
Известна также система рекуперации отработавших газов (US 20130106368, 02.05.2013 г.), содержащая двигатель внутреннего сгорания, турбину и компрессор, соединенные одним валом, электрическую машину, валом соединенную с валом турбины, и электрический преобразователь, соединенный с электрической машиной. Впускной фланец турбины соединен с выпускным коллектором двигателя внутреннего сгорания. Отработавшие газы двигателя через выпускной коллектор попадают в турбину, за счет чего вырабатывается механическая энергия на общем валу турбины и компрессора. Механическая энергия с вала турбины и компрессора передается на вал электрической машины, при вращении ротора которой вырабатывается электрическая энергия, подаваемая через электрический преобразователь к потребителю.
Недостаток этого аналога заключается в том, что в нем система рекуперации позволяет вырабатывать электрическую только на тех режимах работы двигателя внутреннего сгорания, на которых мощность вырабатываемая турбиной превышает мощность потребляемую компрессором, и этот избыток мощности турбины рекуперируется с помощью электрической машины.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является система рекуперации энергии отработавших газов в электрическую энергию (EP 2246540, 03.11.2010 г.), которая позволяет вырабатывать электрическую энергию за счет энергии отработавших газов в широком диапазоне режимов работы двигателя внутреннего сгорания и содержит турбину, связанную своим впускным штуцером с выпускным коллектором двигателя внутреннего сгорания, при этом вал турбины соединен с валом электрической машины. Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания через выпускной коллектор поступают в турбину. На валу турбины вырабатывается механическая энергия, передаваемая на вал электрической машины, вследствие чего при вращении ротора электрической машины вырабатывается электрическая энергия.
В прототипе выполнение турбины в виде набора дисков, изготовленных из жаропрочных сталей, несколько усложняет ее конструкцию, обуславливает повышенные массогабаритные параметры и, как следствие, повышает инерционность турбины, а отверстия в перегородках между ступенями турбин увеличивают гидравлические потери отработавших газов, тем самым снижая эффективность.
К недостаткам прототипа можно также отнести то обстоятельство, что в нем получаемые на выходе к потребителю параметры электрического тока, лежат в основном, в диапазоне, диктуемом параметрами используемой электромашины.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на создание эффективной системы рекуперации энергии отработавших газов в электрическую энергию, которая позволяет вырабатывать электрическую энергию в широком диапазоне рабочих режимов двигателя внутреннего сгорания, а так же варьировать параметры электрического тока в соответствии с запросами потребителя и, тем самым, расширить область использования системы в когенерационных установках различного назначения.
Технический результат, получаемый от реализации полезной модели, заключается:
- в снижение инерционных потерь в турбине;
- в снижении стоимости и технологичности изготовления турбины, за счет ее конструктивного упрощения и возможности использования серийно-выпускаемых турбин отличающихся компактностью.
Для достижения технического результата в системе рекуперации энергии отработавших газов в электрическую энергию, содержащей двигатель внутреннего сгорания, связанную с его выпускным коллектором турбину и электрическую машину, вал которой соединен с валом турбины, в отличие от аналогов, электрическая машина выполнена с постоянными магнитами, например синхронного типа и имеется электрический преобразователь, электрически связанный с электрической машиной, подключаемый к нагрузке, а турбина выполнена радиально-осевой.
В частных случаях исполнения системы электрический преобразователь содержит, по крайней мере, диодный мост, фильтр, повышающий DC-DC преобразователь и инвертор,
За счет использования электрической машины с постоянными магнитами достигается снижение массогабаритных параметров системы. Использование радиально-осевой турбины позволяет снизить массу вращающихся частей турбины и тем самым снизить инерционность, временные и технологические затраты на изготовление, за счет чего повышается технологичность конструкции и экономическая эффективность. Благодаря введению в схему системы электрического преобразователя обеспечивается возможность варьирования параметров электрического тока на выходе к потребителю в соответствии с его запросами, и, соответственно, расширения области применения предлагаемой системы.
Использование такой системы позволяет увеличить электрический КПД когенерационной установки, тем самым увеличить ее суммарный КПД и снизить расход топлива (в сравнении с установками той же электрической мощности).
На представленном чертеже дана схема общего вида предлагаемой системы.
Система содержит двигатель внутреннего сгорания 1 с выпускным коллектором 2, радиально-осевую турбину 3, связанную с коллектором 2, а также электрическую машину 4 с постоянными магнитами, например синхронного типа, соединенную с турбиной валом 5 и электрический преобразователь 6. Преобразователь 6 содержит последовательно расположенные: диодный мост 7, фильтр 8, повышающий DC-DC преобразователь 9 и инвертор 10. Диодный мост 7 электрического преобразователя 6 соединен с силовыми проводами электрической машины 4. Инвертор 10 соединен с нагрузкой 11 (потребитель электрической энергии).
Система рекуперации энергии отработавших газов в электрическую энергию работает следующим образом.
Отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания 1 по выпускному коллектору 2 поступают в радиально-осевую турбину 3, которая под их действием создает крутящий момент на валу 5. Далее механическая энергия с вала 5 передается на вал электрической машины 4, работающей в генераторном режиме. При вращении вала электрической машины 4 с помощью преобразователя 6 и нагрузки 11 создается тормозной электромагнитный момент на валу 5, обусловленный реакцией якоря электрической машины. При этом преобразователь 6 обеспечивает выходной электрический ток с параметрами, заданными потребителем. Причем, электрический преобразователь 6 не только обеспечивает передачу потребителю электрического тока с заданными параметрами (напряжение, частота), а также регулирует частоту вращения вала машины 4, для предотвращения выхода ее из строя. Управление частотой вращения турбины производится регулированием тормозного электромагнитного момента за счет увеличения или уменьшения электрической энергии отдаваемой в нагрузку 11.
В результате использования предлагаемой системы достигается снижение расхода топлива установок при равной электрической мощности и увеличение мощности когенерационной установки.