УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА ОТРАБОТАННОГО ГАЗА
DEVICE FOR RECUPERATING HEAT OF WASTE GAS

Изобретение относится к устройству для рекуперации тепла отработанного газа, который при работе создающего отработанный газ источника отходящего тепла протекает через газовыпускную систему. При этом газовыпускная система содержит по меньшей мере одно устройство нейтрализации отработанного газа, а также по меньшей мере один теплообменник, причем теплообменник находится ниже по потоку и/или внутри устройства нейтрализации отработанного газа, и через теплообменник при работе источника отходящего тепла для передачи тепла на рабочую среду протекает отработанный газ, а также рабочая среда.
В этом контексте, выпускной тракт этого типа, в частности, для грузовых автомобилей, описан в WO 2015/197088 A1, причем выпускной тракт, помимо двух теплообменников, содержит также компонент системы нейтрализация отработанного газа. При этом теплообменники находятся непосредственно в выхлопном тракте двигателя внутреннего сгорания, и через них протекают отработанные газы двигателя внутреннего сгорания. При этом один из теплообменников предусмотрен для подвода тепла к отработанному газу, тогда как второй теплообменник предназначен для отбора тепла от отработанного газа. Теплообменник, подающий тепло на отработанный газ, находится при этом выше по потоку, а теплообменник, отбирающий тепло от отработанного газа, ниже по потоку от компонента системы нейтрализации отработанного газа. Оба теплообменника соединены с контуром нагревательной среды, что позволяет перенос тепла. При этом теплообменник, подающий тепло на отработанный газ, находится в боковом ответвлении контура нагревательной среды и служит для перемыкания вспомогательного двигателя, действующего дополнительно к двигателю внутреннего сгорания на трансмиссии автомобиля, в частности, в режиме работы при низкой нагрузке. Второй теплообменник, отбирающий тепло у отработанного газа, может в этой связи быть составным компонентом системы нейтрализации отработанного газа. При этом отработанный газ в любом рабочем режиме течет через теплообменник, отбирающий тепло у отработанного газе, что, в частности, в случае высокой нагрузки может привести к перегреву теплообменника.
В DE10/2011 016886 A1 описана конфигурация выполненного как термоэлектрогенератор теплообменника внутри выпускного тракта двигателя внутреннего сгорания автомобиля. При этом выпускной тракт может дополнительно содержать другие компоненты системы нейтрализации отработанного газа. Теплообменник выполнен так, чтобы иметь несколько расположенных по кругу на расстоянии друг от друга теплообменных труб, которые находятся между кожухом и служащей байпасом проходной линией. На выпускном конце проходной линии находится управляющий клапан, с помощью которого проходную линию можно сделать запирающейся. При закрытии проходной линии отработанный газ, поступающий в теплообменник, течет радиально через отверстия в теплообменных трубах в промежуток между проходной линией и кожухом, откуда он затем попадает в зону выпуска. Теплообменные трубы в дополнение к кольцевым термоэлектрическим элементам содержат внутренний канал, по которому течет хладагент. Благодаря перепадам температуры, создаваемым отработанным газом и хладагентом, термоэлектрические элементы могут превращать тепловую энергию в электрическую. Из–за размещения управляющего клапана внутри теплообменник шток клапана, перемещающий запорный клапан, должен, что невыгодно, иметь большую длину, чтобы доходить до внутренней части проходной линии. Это требует низких допусков на изготовление штока клапана и его установки на подшипники, что в сочетании с достигаемыми в выпускном тракте температурами приводит к задержкам и сбоям в работе запорного клапана.
Описание заявки DE10/2013 114815 A1 включает теплообменник, родственный описанному в DE10/2011 016886 A1, который также подходит для размещения в выпускном тракте транспортного средства, в том числе, в частности, грузового автомобиля. Этот теплообменник также использует термоэлектрические элементы для преобразования тепловой энергии в электрическую.
На этом фоне задачей изобретения является разработать устройство упомянутого выше типа таким образом, чтобы это устройство для рекуперации тепла занимало мало места, а также имело низкую подверженность сбоям по сравнению с решениями, описанными в предшествующем уровне техники.
Эта задача решена посредством устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты относятся к особенно целесообразным усовершенствованным вариантам изобретения.
Таким образом, изобретение предусматривает устройство для рекуперации тепла отработанного газа, причем отработанный газ при работе создающего отработанный газ источника отходящего тепла протекает через газовыпускную систему. При этом газовыпускная система содержит по меньшей мере одно устройство нейтрализации отработанного газа, а также по меньшей мере один теплообменник, причем теплообменник находится ниже по потоку и/или внутри устройства нейтрализации отработанного газа. Кроме того, через теплообменник при работе источника отходящего тепла протекает отработанный газ, а также рабочая среда для передачи тепла на рабочую среду. Далее, теплообменник согласно изобретению содержит основной проточный канал, окруженный дополнительным проточным каналом, а также находящийся внутри дополнительного проточного канала теплообменный элемент. При этом ниже по потоку от выпуска основного проточного канала теплообменника находится затвор канала, который служит для регулирования объемного потока отработанного газа, текущего через основной проточный канал и/или дополнительный проточный канал. При этом регулирование можно понимать как контроль и/или управление, при котором долю объемного потока, текущего через основной проточный канал и дополнительный проточный канал, можно устанавливать в зависимости от степени раскрытия затвора канала, то есть от отношения открытой для течения площади сечения основного проточного канала к полной площади сечения основного проточного канала. Если при этом степень раскрытия максимальна, то отработанный газ течет по существу через основной проточный канал, который тем самым служит байпасом для дополнительного проточного канала. Если, напротив, степень раскрытия минимальна, то отработанный газ течет в основном через дополнительный проточный канал, в результате чего тепло передается через теплообменный элемент от отработанного газа на рабочую среду.
Как указывалось, теплообменник может быть расположен ниже по потоку от устройства нейтрализации отработанного газа. Однако предпочтительным является расположение теплообменника внутри устройства нейтрализации отработанного газа, поскольку благодаря этому можно достичь очень компактной конструкции теплообменника. В частности, устройство нейтрализации отработанного газа может иметь некое неиспользуемое для других целей свободное монтажное пространство, в котором находится теплообменник.
Затвор канала, не являющийся частью теплообменника, находится, согласно изобретению, за теплообменником и/или за устройством нейтрализации отработанного газа, причем допустимо, чтобы затвор канала непосредственно примыкал к выпуску основного проточного канала. Это позволяет упростить конструкцию теплообменника и/или устройства нейтрализации отработанного газа, в котором предпочтительно расположен теплообменник. С другой стороны, на базе такой конструкции можно с успехом использовать уже имеющиеся на рынке затворы канала.
Затвор канала может быть выполнен как заслонка отработанного газа, угловое положение которой регулирует объемный поток через основной проточный канал и/или дополнительный проточный канал. Благодаря расположению ниже по потоку и снаружи теплообменника, возможны более высокие производственные допуски, в результате чего можно снизить вероятность неисправностей, например, при нагреве.
Что касается источника отходящего тепла, он может представлять собой двигатель, например, двигатель внутреннего сгорания автомобиля, в частности, грузового автомобиля. Двигатель внутреннего сгорания может представлять собой бензиновый двигатель, но в частности, может быть и дизельным двигателем.
Рабочая среда из–за тепла, передаваемого теплообменным элементом, должна переходить из жидкой фазы в газообразную и, следовательно, испаряться, причем рабочая среда может представлять собой, например, воду, но также может быть спиртом, таким как этанол. Кроме того, в качестве рабочей среды можно использовать хладагенты различного типа.
В одном особенно предпочтительном усовершенствованном варианте осуществления изобретения теплообменный элемент выполнен как витой трубопровод из по существу спиральной трубы, через которую может течь рабочая среда. При этом можно, чтобы на внешней боковой поверхности спиральной трубы и в продольном направлении трубы по меньшей мере местами имелись ребра, направленные от центральной оси трубы, в результате чего можно усилить поток тепла от отработанного газа через витой трубопровод в рабочую среду. Кроме того, выполнение теплообменного элемента как витого трубопровода имеет по сравнению с вариантами исполнении с несколькими прямолинейными отдельными трубами, проходящими по существу параллельно друг другу и параллельно основному и дополнительному проточному каналу, то преимущество, что не возникает неравномерного распределения объемного потока нагревательной среды, благодаря чему можно избежать локального перегрева и/или переохлаждении отдельных труб. В таком случае могло бы возникнуть неравномерное испарение или даже отсутствие испарения рабочей среды и/или возникнуть дефект в локально перегретых отдельных трубах. Чтобы не допустить этого, используют, например, в случае пластинчатых теплообменников, диффузор, от которого в конструкции с витым трубопроводом можно с успехом отказаться.
В одном варианте осуществления изобретения устройство нейтрализации отработанного газа или компоненте устройства нейтрализации отработанного газа может быть выполнен как SCR–катализатор (от selective catalytic reduction, селективное каталитическое восстановление), при этом SCR–катализатор представляет собой катализатор для уменьшения содержания окислов азота в отработанном газе посредством селективной каталитической реакции, которая протекает при введении раствора мочевины в газовыпускную систему выше по потоку от SCR–катализатора и/или напрямую в SCR–катализатор.
Другой чрезвычайно выгодный вариант осуществления изобретения отличается тем, что теплообменник и/или впуск основного проточного канала теплообменника при работе гидравлически сообщается с устройством нейтрализации отработанного газа или компонентом устройства нейтрализации отработанного газа через переходный элемент, находящийся по потоку выше теплообменника и уравнивающий разные профили сечения. На основе такой конструкции допустимо, чтобы устройство нейтрализации отработанного газа и/или компоненты устройства нейтрализации отработанного газа могли находиться рядом друг с другом, и/или теплообменник внутри устройства нейтрализации отработанного газа с компонентами устройства нейтрализации отработанного газа, могли находиться в компактной конструкции на расстоянии друг от друга, например, друг под другом, параллельно и ортогонально соответствующему направлению течения. Для этого переходный элемент может быть выполнен в форме воронки, чтобы гидродинамически связывать выпуск устройства нейтрализации отработанного газа или компонент устройства нейтрализации отработанного газа с впуском теплообменника и/или впуском основного проточного канала теплообменника.
Особенно выгодным следует считать вариант осуществления изобретения, в котором теплообменник или основной проточный канал теплообменника содержит шумоподавляющую структуру, и/или шумоподавляющая структура является частью основного проточного канала теплообменника. Конструкция теплообменника и/или основного проточного канала с шумоподавляющей структурой позволяет с выгодой сэкономить установочное пространство и достичь снижения веса газовыпускной системы, поскольку в известных случаях можно отказаться от глушителя, относящегося к газовыпускной системе и расположенного до или после устройства.
Если, кроме того, основной проточный канал образован из окруженной кожухом гидродинамической трубы, и/или если содержащий впуск и выпуск дополнительный проточный канал представляет собой гидродинамическое пространство, образованное между гидродинамической трубой и окружающим гидродинамическую трубу кожухом, то этим можно реализовать многообещающую базовую конструкцию основного проточного канала и/или дополнительного проточного канала, имеющую чрезвычайно низкую подверженность сбоям.
При этом кожух должен окружать образующую основной проточный канал гидродинамическую трубу ровно настолько, чтобы через впуск основного проточного канала и, таким образом, через торцевой конец гидродинамической трубы, образующий впуск основного проточного канала, отработанный газ мог поступать также в основной проточный канал.
Дополнительный проточный канал должен быть сообщаться с основным проточным каналом исключительно через свой впуск, который может быть образован, например, как одно отверстие или несколько отверстий в стенке образующей основной проточный канал гидродинамической трубы. При этом само отверстие или сами отверстия могут быть выполнены в гидродинамической трубе на образующем впуск основного проточного канала конце гидродинамической трубы. С другой стороны, можно предусмотреть, чтобы выпуск дополнительного проточного канала гидравлически не сообщался с основным проточным каналом, по меньшей мере не сообщался с ним непосредственно, при этом гидравлическое соединении можно также описать как проницаемое для среды соединение.
Гидравлическое или проницаемое для среды соединение означает в этой связи соединение, проницаемое для веществ, которое может быть проницаемым по меньшей мере для жидкостей, а также для газов. Однако при этом не исключается проницаемость для твердых веществ. Само собой разумеется, что через это проницаемое соединение может также передаваться энергия.
В одном особенно предпочтительном усовершенствованном варианте изобретения имеется также возможность, что основной проточный канал состоит из гидродинамической трубы и находящейся внутри гидродинамической трубы демпфирующей трубы, причем впуск основного проточного канала выполнен в гидродинамической трубе, а выпуск основного проточного канала в демпфирующей трубе. При этом демпфирующая труба предпочтительно может иметь меньший диаметр, чем включающая демпфирующую трубу гидродинамическая труба, в результате чего при протекании отработанного газа благодаря меньшему диаметру, чем у гидродинамической трубы, будут гаситься, в частности, низкочастотные акустические колебания. При этом демпфирующая труба может иметь направленный вниз по потоку выступ относительно гидродинамической трубы, и при этом гидродинамическая труба на своем направленном вниз по потоку конце может быть закрыта с одной стороны в направлении демпфирующей трубы, так что отработанный газ не может выходить из гидродинамической трубы. При этом допустимо, чтобы гидродинамическая труба и демпфирующая труба образовывали одно целое, то есть были выполнены нераздельными. Равным образом, возможна многокомпонентная конструкция демпфирующей трубы и гидродинамической трубы. При этом между демпфирующей трубой и гидродинамической трубой может иметься неразъемное соединение, а также геометрическое и/или силовое замыкание. Кроме того, демпфирующая труба и гидродинамическая труба должны быть концентрическими и соосными.
Кроме того, демпфирующая труба имеет по меньшей мере два участка, причем первый участок имеет меньший наружный диаметр и/или внутренний диаметр, чем гидродинамическая труба, и/или второй участок демпфирующей трубы выполнен как воронкообразная переходная область, причем наружный диаметр переходной области соответствует внутреннему диаметру гидродинамической трубы, в таком случае из–за воронкообразной переходной области второго участка демпфирующей трубы втекание отработанного газа из гидродинамической трубы в демпфирующую трубу возможно без образования сильной турбулентности отработанного газа, из–за которой могли бы возникнуть усиленные акустические колебания.
Один предпочтительный вариант осуществления второго воронкообразного участка демпфирующей трубы может заключаться в том, что на обращенном к впуску основного проточного канала конце второго участка образован кольцевой буртик, подпирающий демпфирующую трубу радикально к внутренней стенке гидродинамической трубы. Кроме того, это увеличивает площадь прилегания между вторым участком демпфирующей трубы и гидродинамической трубой и, тем самым, повышает непроницаемость в отношении втекающего отработанного газа.
Далее, если устройство согласно изобретению усовершенствовать так, чтобы гидродинамическая труба, демпфирующая труба и звукоизолирующий материал образовывали шумоподавляющую структуру, причем звукоизолирующий материал находится в образованном между гидродинамической трубой и демпфирующей трубой демпфирующем объеме, то монтажное пространство, имеющееся в теплообменнике и устройстве нейтрализации ОГ, можно использовать оптимально, с одной стороны, для рекуперации тепла протекающего через теплообменник отработанного газа, а с другой стороны, для демпфирования акустических колебаний.
При этом демпфирующая труба должна иметь на своем первом участке сквозные отверстия, проходящие через стенку демпфирующей трубы в радиальном направлении, причем демпфирующий объем ограничен первым, а также вторым участком демпфирующей трубы и закрытой с одной стороны гидродинамической трубой.
Далее, в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусматривается, что дополнительный проточный канал и/или выпуск дополнительного проточного канала через запорный обходной канал, находящийся ниже по потоку от затвора канала, проницаемо соединен с газовыпускной системой или дополнительным проточным каналом, и/или выпуск дополнительного проточного канала проницаемо соединен с окружающей средой. Таким образом, можно, с одной стороны, чтобы отработанный газ, поступающий в дополнительный проточный канал, возвращался через запорный обходной канал в газовыпускную систему ниже по потоку от затвора канала, в соответствии с чем канал перемыкает затвором канала. Это делается для того, чтобы находящийся в дополнительном проточном канале отработанный газ мог снова вытекать из него. С другой стороны, можно также, чтобы отработанный газ, протекающий через дополнительный проточный канал, мог напрямую поступать через выпуск дополнительного проточного канала в окружающую среду. Таким образом, выпуск дополнительного проточного канала действует как второй выпуск газовыпускной системы. При этом прямое введение отработанного газа в окружающую среду не следует считать критичным, поскольку благодаря размещению теплообменника ниже по потоку от устройства нейтрализации отработанного газа или компонента или компонентов устройства нейтрализации отработанного газа, отработанный газ уже был подвергнут нейтрализации в устройстве нейтрализации отработанного газа.
Изобретение допускает большое число вариантов осуществления. Для лучшего уточнения его основного принципа один из этих вариантов представлен на чертежах и будет описан ниже. На чертежах:
– фиг. 1 показывает вид в разрезе устройства согласно изобретению,
– фиг. 2 показывает усовершенствованный вариант устройства согласно изобретению,
– фиг. 3 показывает подробный вид теплообменника.
На фигуре 1 показан вид в разрезе предлагаемого изобретением устройства 1 для рекуперации тепла отработанного газа. При этом во время работы создающего отработанный газ источника отходящего тепла отработанный газ течет через газовыпускную систему 2. В показанном на фигуре 1 усовершенствованном варианте газовыпускная система 2 содержит устройство 3 нейтрализации отработанного газа, а также теплообменник 4. Как можно видеть, теплообменник 4 находится ниже по потоку и внутри устройства 3 нейтрализации отработанного газа и содержит окруженный дополнительным проточным каналом 5 основной проточный канал 6, а также находящийся внутри дополнительного проточного канала 5 теплообменный элемент 7. Последний при работе источника отходящего тепла служит для передачи тепла на протекающую через теплообменный элемент 7 рабочую среду. Кроме того, ниже по потоку от выпуска 8 основного проточного канала 6 теплообменника 4 находится затвор 9 канала, который служит для регулирования объемного потока, текущего через основной проточный канал 6, а также дополнительный проточный канал 5. Объемный поток отработанного газа через основной проточный канал 6 и дополнительный проточный канал 5 можно при этом регулировать в зависимости от степени раскрытия затвора 9 канала, находящего за теплообменником 4. Для этого дополнительный проточный канал 5 гидравлически сообщается с основным проточным каналом 6 исключительно через впуск 17 дополнительного проточного канала 5. В показанном усовершенствованном варианте затвор 9 канала является частично открытом, так что отработанный газ течет как через основной проточный канал 6, так и через впуск 17 в дополнительном проточном канале 5. После протекания через дополнительный проточный канал 5, а также через основной проточный канал 6 отработанный газ течет, с одной стороны, через находящуюся за затвором 9 канала газовыпускную систему 2. С другой стороны, отработанный газ через выпуск 18 дополнительного проточного канала 5 попадает в окружающую среду 27. Течение отработанного газа показано стрелками 28.
На фигуре 2 показан другой усовершенствованный вариант устройства 1 согласно изобретению. Теплообменник 4, т.е. впуск 12 основного проточного канала 6 теплообменника 4, находящийся ниже по потоку и внутри устройства 3 нейтрализации отработанного газа, при работе гидравлически сообщается через воронкообразный переходный элемент 13 с находящимся выше теплообменника 4 компонентом 11 устройства 3 нейтрализации отработанного газа. Компонент 11 при этом выполнен как SCR–катализатор. Здесь также теплообменник 4 содержит окруженный дополнительным проточным каналом 5 основной проточный канал 6, а также находящийся внутри дополнительного проточного канала 5 теплообменный элемент 7, причем последний выполнен как витой трубопровод 10. Основной проточный канал 6 образован из окруженной кожухом 15 гидродинамической трубы 16, а также находящейся внутри гидродинамической трубы 16 демпфирующей трубы 20. При этом впуск 12 основного проточного канала 6 образован в гидродинамической трубе 16, а выпуск 8 основного проточного канала 6 в демпфирующей трубе 20. Кроме того, дополнительный проточный канал 5 образован по существу как гидродинамическое пространство 19, которое заключено между гидродинамической трубой 16 и окружающим гидродинамическую трубу 16 кожухом 15. Кроме того, теплообменник 4 содержит шумоподавляющую структуру 14, являющуюся частью основного проточного канала 6 теплообменника 4. Шумоподавляющая структура 14 состоит из гидродинамической трубы 16, демпфирующей трубы 20 и звукоизолирующего материала 24, причем звукоизолирующий материал 24 находится между гидродинамической трубой 16 и демпфирующей трубой 20. Кроме того, дополнительный проточный канал 5 и выпуск 18 дополнительного проточного канала 5 гидравлически сообщаются с внешней средой 27, так что текущий через дополнительный проточный канал отработанный газ вытесняется во внешнюю среду 27, окружающую устройство 3 нейтрализации отработанного газа. Напротив, после протекания через основной проточный канал 6 отработанный газ будет входить через проход затвора 9 канала в следующую за затвором 9 канала  газовыпускную систему 2.
На фиг. 3 подробно показан теплообменник 4. Из фиг. 3 видно, что демпфирующая труба 20 имеет по меньшей мере два участка 21, 22, причем первый участок 21 имеет меньший внешний диаметр и внутренний диаметр, чем гидродинамическая труба 16. Кроме того, второй участок 22 демпфирующей трубы 20 выполнен как воронкообразная переходная область 23, причем наружный диаметр переходной области 23 соответствует внутреннему диаметру гидродинамической трубы 16. Переходная область 23, то есть второй воронкообразный участок 22 демпфирующей трубы 20, имеет кольцевой буртик 29, образованный на конце второго участка 22, обращенном к впуску 12 основного проточного канала 6. Функция буртика 29 состоит в том, чтобы подпирать демпфирующую трубу 20 радикально к внутренней стенке гидродинамической трубы 16 и увеличивать площадь прилегания между вторым участком 22 демпфирующей трубы 20 и гидродинамической трубой 21 и, тем самым, повысить непроницаемость в отношении втекающего отработанного газа. Кроме того, демпфирующая труба 20 имеет на своем первом участке 21 проходящие в радиальном направлении сквозные демпфирующие отверстия 30, которые проницаемо связывают основной проточный канал 6 с демпфирующим объемом 25. При этом демпфирующий объем 25 окружен первым, а также вторым участками 21,22 демпфирующей трубы 20 и закрытой с одной стороны гидродинамической трубой 16. Дополнительный проточный канал 5 и выпуск 18 дополнительного проточного канала 5, в отличие от усовершенствованных вариантов, показанных на фигурах 1 и 2, гидравлически сообщается с газовыпускной системой 2 через запорный обводной канал 26 за затвором 9 канала.
Список позиций
1
устройство
2
газовыпускная система
3
устройство нейтрализации отработанного газа
4
теплообменник
5
дополнительный проточный канал
6
основной проточный канал
7
теплообменный элемент
8
выпуск
9
затвор канала
10
витой трубопровод
11
компонент
12
впуск
13
переходный элемент
14
шумоподавляющая структура
15
кожух
16
гидродинамическая труба
17
впуск
18
выпуск
19
гидродинамическое пространство
20
демпфирующая труба
21
первый участок
22
второй участок
23
переходная область
24
звукоизолирующий материал
25
демпфирующий объем
26
запорный обводной канал
27
окружающая среда
28
течение
29
буртик
30
отверстие амортизатора