ДВИГАТЕЛЬ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ) И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ ТАКОЙ ДВИГАТЕЛЬ
VEHICLE ENGINE (VERSIONS) AND VEHICLE COMPRISING SUCH ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к управлению температурой масла в транспортном средстве и/или выработке электрической энергии в транспортном средстве. В частности, но не исключительно, изобретение относится к использованию термоэлектрического устройства для управления температурой масла и выработки электрической энергии в гибридном транспортном средстве.
Уровень техники
Известный термоэлектрический эффект состоит в прямом преобразовании разности температур в электрическое напряжение. Термоэлектрическое устройство имеет «горячую сторону» и «холодную сторону» и создает напряжение, когда на разных сторонах температура разная. Тем не менее, термоэлектрическое устройство может работать и в обратном режиме, в котором при подаче напряжения на устройство это устройство создает разность температур.
Известно применение термоэлектрических устройств в транспортных средствах с целью выработки электрической энергии. Холодная сторона находится в тепловом взаимодействии со средством охлаждения в форме теплообменника и/или подачи хладагента. Например, в документе US 2009/0139207 (Reiners) теплоэнергию отработавших газов подают на горячую сторону, а холодную сторону охлаждают рубашкой охлаждения, принимающей хладагент, прошедший через теплообменник.
То есть известные термоэлектрические устройства в транспортных средствах предназначены лишь для выработки электрической энергии и не используются в обратном режиме.
Также известно, что оптимальный компромисс между экономией топлива и выбросами в атмосферу для двигателя внутреннего сгорания достигается, когда хладагент холоднее масла. Однако при штатной работе двигателя температура масла обычно близка к температуре хладагента. Для достижения большей разности температур между хладагентом и маслом необходима большая подача теплоэнергии к маслу. Для типового легкового транспортного средства это составит примерно несколько киловатт. Примерно треть энергии топлива уходит в теплопотери с отработавшим газом. Это происходит также при относительно высокой температуре по сравнению с оптимальной температурой масла, особенно при прогреве двигателя.
При запуске из холодного состояния к.п.д. сжигания топлива в двигателе снижается, так как холодный блок цилиндров вытягивает тепло из цилиндра на такте сжатия. Для наилучшей эффективности использования топлива и теплоэнергии, располагаемой двигателем для отопления салона, в течение первых 400 секунд Нового Европейского Цикла Движения (NEDC) (испытательный цикл, выполняемый на холодном транспортном средстве обычно при 25°С) в моторное масло требуется накачать свыше двух киловатт теплоэнергии. Кроме того, гибридные транспортные средства склонны значительно медленнее прогреваться и не рекуперируют энергетические потери, кроме как во время замедления.
Ставится задача предложения транспортного средства с более эффективным использованием топлива. Желательно добиться этого экономично и не в ущерб другим атрибутам, таким как отопление салона, большая теплоотдача в радиатор и т.д.
Ставится задача увеличения скорости прогрева транспортного средства, особенно гибридного.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается двигатель транспортного средства, содержащий резервуар моторного масла; выхлопную систему, выполненную с возможностью удаления отработавшего газа из двигателя; термоэлектрическое устройство, имеющее горячую сторону и холодную сторону. Термоэлектрическое устройство выполнено таким образом, что горячая сторона находится в тепловом взаимодействии с отработавшим газом от двигателя, а холодная сторона находится в тепловом взаимодействии с резервуаром моторного масла.
Термоэлектрическое устройство может быть подсоединено к источнику электроэнергии, такому как бортовая аккумуляторная батарея, бортовой генератор и т.п.
Термоэлектрическое устройство выполнено с возможностью работы в первом режиме, в котором разность температур между горячей и холодной сторонами используют для выработки электроэнергии для использования ее на борту транспортного средства. Выработанная электроэнергия может быть запасена ее источником.
Термоэлектрическое устройство выполнено с возможностью работы во втором режиме, в котором электроэнергию от ее источника подают на устройство, которое создает разность температур для выработки теплоэнергии для использования ее на борту транспортного средства. Двигатель может быть выполнен с возможностью использования выработанной теплоэнергии, по меньшей мере, для подогрева моторного масла.
С тем чтобы холодная сторона находилась в тепловом взаимодействии с резервуаром моторного масла, термоэлектрическое устройство может располагаться на резервуаре моторного масла или внутри него.
Резервуар моторного масла может содержать поддон картера двигателя. Резервуар моторного масла может содержать сухой поддон.
Резервуар моторного масла может быть выполнен с возможностью прикрепления термоэлектрического устройства. Резервуар моторного масла может иметь участок наружной поверхности, выполненный плоским для обеспечения плотного прилегания к термоэлектрическому устройству. Резервуар моторного масла может иметь участок внутренней поверхности, включающий в себя одно или несколько ребер, способствующих теплообмену между резервуаром моторного масла и термоэлектрическим устройством. Термоэлектрическое устройство может быть прикреплено к нижней поверхности резервуара моторного масла.
Выхлопная система может включать в себя первый патрубок для передачи отработавшего газа от двигателя. Первый патрубок может быть прикреплен или может быть выполнен с возможностью прикрепления к термоэлектрическому устройству. Первый патрубок может включать в себя одно или несколько ребер для способствования теплообмену между первым патрубком и термоэлектрическим устройством.
Двигатель может включать в себя отводной клапан для отвода удаленного отработавшего газа и направления его к горячей стороне термоэлектрического устройства.
Отводной клапан может быть выполнен с возможностью избирательного срабатывания для избирательного направления удаленного отработавшего газа к горячей стороне термоэлектрического устройства.
Двигатель может включать в себя по меньшей мере один датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры и подачи сигнала ее значения на отводной клапан. Датчик может быть выполнен в виде датчика температуры моторного масла. Вместо этого или дополнительно датчик может быть выполнен в виде датчика температуры хладагента. Вместо этого или дополнительно датчик может быть выполнен в виде датчика температуры термоэлектрического устройства.
Отводной клапан может быть выполнен с возможностью направления удаленного отработавшего газа к горячей стороне термоэлектрического устройства при опускании измеренной температуры, а именно температуры моторного масла, ниже предустановленного значения. Предустановленное значение может находиться в пределах диапазона от 100 до 160 градусов Цельсия, предпочтительно - в диапазоне от 120 до 140 градусов Цельсия.
Вместо этого или дополнительно, отводной клапан может быть выполнен с возможностью прекращения подачи удаленного отработавшего газа к горячей стороне термоэлектрического устройства при поднятии измеренной температуры, а именно температуры хладагента или температуры термоэлектрического устройства выше предустановленного значения.
Двигатель может включать в себя средство управления для управления температурой моторного масла. Средство управления может быть выполнено в виде ПИД-контроллера.
Средство управления может быть подсоединено с обеспечением передачи данных к отводному клапану. Средство управления может быть выполнено с возможностью управления температурой моторного масла, по меньшей мере, посредством работы отводного клапана.
Двигатель может включать в себя, по меньшей мере, или сажеуловитель, или каталитический нейтрализатор, или фильтр, а отводной клапан может располагаться ниже по потоку от сажеуловителя, каталитического нейтрализатора или фильтра, чтобы удаленный отработавший газ, направляемый к горячей стороне термоэлектрического устройства, был свободен от отложений или загрязнений.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается двигатель транспортного средства, содержащий источник электроэнергии; и термоэлектрическое устройство, подсоединенное к источнику электроэнергии и имеющее горячую и холодную стороны, выполненное с возможностью работы в первом режиме, в котором при подаче на устройство электроэнергии от источника устройство создает разность температур для выработки теплоэнергии, используемой на борту транспортного средства.
Двигатель может содержать выхлопную систему, выполненную с возможностью удаления отработавшего газа из двигателя, и резервуар моторного масла.
Горячая сторона термоэлектрического устройства может находиться в тепловом взаимодействии с отработавшим газом от двигателя. Холодная сторона термоэлектрического устройства может находиться в тепловом взаимодействии с резервуаром моторного масла.
Термоэлектрическое устройство может располагаться на резервуаре моторного масла или внутри него, чтобы обеспечить тепловое взаимодействие холодной стороны с резервуаром моторного масла.
Резервуар моторного масла может быть выполнен в виде поддона картера двигателя. Резервуар моторного масла может быть выполнен в виде сухого поддона.
Резервуар моторного масла может быть выполнен с возможностью прикрепления термоэлектрического устройства. Резервуар моторного масла может иметь участок наружной поверхности, выполненный существенно плоским для обеспечения плотного прилегания к термоэлектрическому устройству. Резервуар моторного масла может иметь участок внутренней поверхности, включающий в себя одно или несколько ребер, способствующих теплообмену между резервуаром моторного масла и термоэлектрическим устройством. Термоэлектрическое устройство может быть прикреплено к нижней поверхности резервуара моторного масла.
Выхлопная система может включать в себя первый патрубок для передачи отработавшего газа от двигателя. Первый патрубок может быть прикреплен или может быть выполнен с возможностью прикрепления к термоэлектрическому устройству. Первый патрубок может включать в себя одно или несколько ребер для способствования теплообмену между первым патрубком и термоэлектрическим устройством.
Двигатель может быть выполнен с возможностью использования выработанной теплоэнергии, по меньшей мере, для подогрева моторного масла.
Источник электроэнергии может содержать бортовую аккумуляторную батарею транспортного средства, генератор и тому подобное.
Термоэлектрическое устройство может работать во втором режиме, в котором разность температур между горячей и холодной сторонами используют для выработки электроэнергии для использования на борту транспортного средства. Выработанная электроэнергия может быть запасена источником электроэнергии.
Двигатель может включать в себя отводной клапан для отвода удаленного отработавшего газа и направления его к горячей стороне термоэлектрического устройства.
Отводной клапан может быть выполнен с возможностью избирательного срабатывания для избирательного направления удаленного отработавшего газа к горячей стороне термоэлектрического устройства.
Двигатель может включать в себя по меньшей мере один датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры и подачи сигнала ее значения на отводной клапан. Этой температурой может быть температура моторного масла.
Отводной клапан может быть выполнен с возможностью направления удаленного отработавшего газа к горячей стороне термоэлектрического устройства при опускании измеренной температуры ниже предустановленного значения. Предустановленное значение может находиться в диапазоне от 100 до 160 градусов Цельсия, предпочтительно - в диапазоне от 120 до 140 градусов Цельсия.
Двигатель может включать в себя средство управления для управления температурой моторного масла. Средство управления может быть выполнено в виде ПИД-контроллера.
Средство управления может быть подсоединено с обеспечением передачи данных к отводному клапану. Средство управления может быть выполнено с возможностью управления температурой моторного масла, по меньшей мере, посредством работы отводного клапана.
Двигатель может включать в себя, по меньшей мере, или сажеуловитель, или каталитический нейтрализатор, или фильтр, а отводной клапан может располагаться ниже по потоку от сажеуловителя, каталитического нейтрализатора или фильтра, чтобы удаленный отработавший газ, направляемый к горячей стороне термоэлектрического устройства, был свободен от отложений или загрязнений.
Предлагается транспортное средство, включающее в себя двигатель по первому или второму аспекту изобретения.
Транспортное средство может быть гибридным транспортным средством.
Краткое описание чертежей
Далее описываются осуществления настоящего изобретения в виде примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 является схемой системы двигателя.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 показана система 10 двигателя транспортного средства, содержащая двигатель 12. Сгорание топлива в воздухе происходит в верхней части 14 двигателя 12, в результате чего образуются отработавшие газы. Выхлопная система 20 предназначена для вывода отработавшего газа из двигателя 12 и по меньшей мере часть отработавшего газа удаляется в атмосферу через выхлопную трубу 22, хотя частично может возвращаться в цилиндры двигателя системой рециркуляции отработавших газов для уменьшения выбросов.
В нижней части 16 двигателя имеется резервуар масла или поддон 18. Моторное масло из поддона перекачивается вверх и используется для смазки движущихся частей двигателя в верхней части 14, после чего масло самотеком поступает вниз и снова собирается в поддоне 18.
На нижней поверхности поддона 18 расположено термоэлектрическое устройство 30, имеющее горячую сторону и холодную сторону. Термоэлектрическое устройство выполнено таким образом, что горячая сторона находится в тепловом взаимодействии с отработавшим газом от двигателя 12, а холодная сторона находится в тепловом взаимодействии с маслом в поддоне 18.
У поддона 18 может иметься плоский участок наружной поверхности для плотного прилегания к термоэлектрическому устройству 30. Поддон 18 также может иметь участок внутренней поверхности, включающий в себя выступающие внутрь ребра, способствующие теплообмену между поддоном 18 и термоэлектрическим устройством 30.
По ходу потока выхлопной системы 20 имеется отводной клапан для отведения отработавшего газа, удаляемого из двигателя 12, и направления его к горячей стороне термоэлектрического устройства. Первый патрубок 24 выхлопной системы 20 транспортирует отработавший газ от отводного клапана 32 и прикреплен к термоэлектрическому устройству 30 для теплообмена между первым патрубком 24 и термоэлектрическим устройством 30. Первый патрубок 24 может иметь внутренние ребра, способствующие теплообмену.
Термоэлектрическое устройство 30 электрически подсоединено к источнику электроэнергии в виде аккумуляторной батареи 40. Транспортное средство является гибридным, включающим в себя двигатель 42, который может избирательно подсоединяться к силовой передаче транспортного средства, а аккумуляторная батарея 40 электрически подсоединена к двигателю 42.
Термоэлектрическое устройство 30 выполнено с возможностью работы в первом режиме, в котором разность температур между горячей и холодной сторонами используется для выработки электроэнергии, используемой на борту транспортного средства. То есть используется разность температур горячего отработавшего газа и моторного масла внутри поддона 18. Выработанная электроэнергия может быть запасена в аккумуляторной батарее 40 или использована для запитывания двигателя или вспомогательных компонентов, таких как отопитель салона транспортного средства.
Термоэлектрическое устройство 30 выполнено с возможностью работы также и во втором режиме, в котором при подаче электроэнергии от аккумуляторной батареи 40 на устройство 30 создается разность температур, вырабатывающая теплоэнергию. Эту выработанную теплоэнергию используют для подогрева моторного масла с целью повышения топливной экономичности и/или снижения выбросов транспортного средства 12.
Внутри поддона 18 имеется датчик 34 для измерения температуры моторного масла, и сигнал значения температуры передается в ПИД-контроллер 36. ПИД-контроллер 36 выполнен с возможностью управления температурой моторного масла несколькими способами, включая управление отводным клапаном 32, ПИД-контроллер 36 информационно подсоединен к отводному клапану 32 и при необходимости подает отводному клапану 32 команду на открытие для направления удаленного отработавшего газа к термоэлектрическому устройству 30. Например, отводному клапану 32 может быть подана команда на открытие при опускании измеренной температуры ниже предустановленного значения, например 130 градусов Цельсия. Тем не менее, ПИД-контроллер 36 может быть запрограммирован на выполнение более сложного управления температурой моторного масла.
Могут использоваться другие датчики, например датчик температуры хладагента или датчик температуры термоэлектрического устройства 30, предназначенный для предотвращения перегрева последнего. Эти датчики могут быть подсоединены к ПИД-контроллеру 36 таким образом, чтобы отводной клапан 32 можно было закрывать для прекращения подачи отработавшего газа к термоэлектрическому устройству 30 в ответ на превышение измеренной температурой предустановленного значения.
Выхлопная система 20 включает в себя сажеуловитель 24 для удаления из отработавшего газа осаждений, и отводной клапан 32 расположен ниже по потоку от сажеуловителя 24.
Для наиболее полного использования нагрева масла в поддоне 18 масло нужно подавать к деталям двигателя с минимальной теплопередачей. Для этого обычный теплообменник типа масло/хладагент можно обойти или вообще не устанавливать.
В другом варианте осуществления термоэлектрическое устройство 30 может быть расположено в сухом поддоне картера. Это дает преимущество пониженной потери тепла маслом до его использования в двигателе.
Существуют два варианта для того, чтобы поддерживать температуру масла и позволить термоэлектрическому устройству 30 работать при нагреве масла свыше предустановленной или максимальной температуры. В первом варианте закрывают отводной клапан 32 для того, чтобы поток отработавшего газа не протекал через термоэлектрическое устройство, а во втором - масло охлаждают через отдельный радиатор или позволяют теплу передаваться хладагенту в штатном теплообменнике, в котором масло охлаждается хладагентом. Это можно осуществить использованием простого перепуска масла или хладагента в обход охладителя.
Настоящее изобретение позволяет передавать теплоэнергию маслу для повышения общей топливной экономичности двигателя с одновременной выработкой электроэнергии. Это особенно выгодно для транспортных средств, используемых в условиях холодного климата, которые имеют низкую топливную экономичность из-за необходимости прогрева и высокого потребления электроэнергии. Когда необходимость в нагреве отпадает, для предотвращения поломки не требуется какого-либо дополнительного охлаждения, поэтому бортовая система охлаждения не несет какой-либо дополнительной нагрузки.
Изобретение также позволяет не устанавливать генератор или аккумуляторную батарею 40 или хотя бы уменьшать их типоразмеры, и это может снижать нагрузку на генератор при движении на средней эксплуатационной скорости или при ускорении, что опять же снижает расход топлива.
Несмотря на то что выше были описаны конкретные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что отклонения от приведенных вариантов осуществления могут не выходить за пределы объема настоящего изобретения.