УСТРОЙСТВО РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ
EXHAUST GAS HEAT RECUPERATION DEVICE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству рекуперации тепла выхлопных газов.
2. Описание предшествующего уровня техники
[0002] Известны способы повышения температуры хладагента двигателя с использованием тепла выхлопных газов двигателя. Например, в публикации японской патентной заявки №2007-100665 (JP 2007-100665 А) раскрыта конструкция канала для выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания, в которой термостат расположен на выпускной стороне радиатора в трубопроводе хладагента двигателя. В публикации японской патентной заявки №2006-312884 (JP 2006-312884 А) раскрыто устройство рекуперации тепла выхлопных газов, снабженное каналом теплообмена, который снабжен теплообменником, и обходным каналом, идущим в обход теплообменника и переключающим контур циркуляции потока выхлопных газов путем управления клапанным элементом, расположенным в обходном канале. В публикации японской патентной заявки №2008-101481 (JP 2008-101481 А) раскрыта конструкция системы выхлопных газов, в которой тепловое расширение воска вызывает выдвижение штока давления и переключение клапана оболочки теплообменника в полностью открытое положение в случае, когда хладагент имеет заданную или более высокую температуру.
[0003] Если переключение между выполнением и невыполнением рекуперации тепла выхлопных газов (операция для разрешения воздействия тепла выхлопных газов на теплоноситель, например хладагент двигателя) зависит от температуры хладагента, как описано выше, переключение становится переключением, основанным на температуре хладагента. Другими словами, существует возможность для совершенствования переключения между рекуперацией и отсутствием рекуперации тепла выхлопных газов в зависимости от условий, иных, чем температура хладагента.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Настоящее изобретение имеет целью обеспечение переключения между выполнением и невыполнением рекуперации тепла выхлопных газов путем уменьшения воздействия тепла от теплоносителя.
[0005] Первый объект настоящего изобретения относится к устройству рекуперации тепла выхлопных газов, содержащему первый трубопровод, по которому протекают выхлопные газы из двигателя; второй трубопровод, ответвленный от первого трубопровода и включающий в себя блок рекуперации тепла, позволяющий теплу выхлопных газов воздействовать на теплоноситель; клапанный элемент, который регулирует скорость потока выхлопных газов на втором трубопроводе; и приводной элемент, выполненный с возможностью нахождения вне контакта с контуром циркуляции потока теплоносителя и снабжаемый энергией для нагревания воска с целью изменения объема воска при приведении в действие клапанного элемента.
[0006] В данном устройстве рекуперации тепла выхлопных газов приводной элемент снабжается энергией, чтобы нагревать воск, изменять объем воска и приводить в действие клапанный элемент. Скорость потока выхлопных газов из двигателя ко второму трубопроводу регулируется путем приведения в действие клапанного элемента. Второй трубопровод снабжен блоком рекуперации тепла. Когда скорость потока выхлопных газов на втором трубопроводе увеличивается, обеспечивается воздействие возросшего количества тепла выхлопных газов на теплоноситель (например, хладагент двигателя).
[0007] Приводной элемент выполнен с возможностью нахождения вне контакта с контуром циркуляции потока теплоносителя. Соответственно, воздействие тепла от теплоносителя на изменение объема воска может быть уменьшено. Приведением в действие клапанного элемента можно управлять на основе изменения объема воска, вызванного подачей энергии и нагреванием таким образом, что обеспечивается переключение между выполнением и невыполнением рекуперации тепла выхлопных газов.
[0008] Устройство для рекуперации газа тепла выхлопных газов может включать в себя теплопроводящий элемент, который передает тепло от источника тепла воску.
[0009] Воск может быть нагрет с помощью тепла от источника тепла. Например, потребление электроэнергии для снабжения энергией может быть отключено, когда поддерживается расширенное состояние воска.
[0010] Источник тепла может представлять собой первый трубопровод.
[0011] В данном случае теплота выхлопных газов, протекающих в первом трубопроводе, может быть эффективно передана воску.
[0012] Теплопроводящий элемент может иметь охватывающий участок, охватывающий воск.
[0013] Когда теплопроводящий элемент охватывает воск, тепло может быть более эффективно передано воску, чем в конструкции, в которой воск не охвачен. «Охватывать» относится, например, к состоянию, когда элемент, в котором размещен воск, охвачен в виде замкнутой кривой или закрыт поверхностью.
[0014] Приводной элемент может быть выполнен с возможностью управления клапанным элементом, при этом повышение температуры воска уменьшает скорость потока выхлопных газов во втором трубопроводе.
[0015] В состоянии, когда температура воска увеличена, скорость потока выхлопных газов на втором трубопроводе мала. Другими словами, нагревание воска может быть эффективно дополнено за счет тепла от источника тепла, и потребление электроэнергии может быть уменьшено в состоянии, когда количество тепла, рекуперируемого устройством рекуперации тепла, является небольшим.
[0016] Устройство для рекуперации газа тепла выхлопных газов может включать в себя теплоизолирующий элемент, который изолирует воск с внешней поверхности воска.
[0017] Воск изолирован снаружи теплоизолирующим элементом, и, таким образом воздействие внешнего тепла на изменение объема воска может быть уменьшено.
[0018] В соответствии с изобретением, которое имеет конфигурацию, описанную выше, воздействие тепла от теплоносителя может быть уменьшено, и может быть обеспечено переключение между выполнением и невыполнением рекуперации тепла выхлопных газов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] Признаки, преимущества и техническая и промышленная значимость примеров осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые элементы, на которых:
на Фиг. 1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая устройство рекуперации тепла выхлопных газов в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 2 представлено поперечное сечение, иллюстрирующее устройство рекуперации тепла выхлопных газов в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения; и
на Фиг. 3 представлено поперечное сечение устройства рекуперации тепла выхлопных газов в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения по линии 3-3 на фиг. 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0020] Устройство рекуперации тепла выхлопных газов в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описано со ссылкой на сопровождающие чертежи.
[0021] Устройство 12 рекуперации тепла выхлопных газов в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения показано на фиг. 1. Устройство 12 рекуперации тепла выхлопных газов имеет первый трубопровод 16, по которому выхлопные газы вытекают из двигателя 14. В последующем описании все, что упоминается просто как «вверх по потоку» и «вниз по потоку», означает «вверх по потоку» и «вниз по потоку» относительно направления потока (направление стрелки F1) выхлопных газов.
[0022] Каталитический нейтрализатор 15, который удаляет определенный компонент в выхлопных газах, расположен в первом трубопроводе 16. Второй трубопровод 18 ответвляется от первого трубопровода 16 на отводящем участке 20 на выпускной стороне каталитического нейтрализатора 15. Второй трубопровод 18 соединяется с первым трубопроводом 16 на соединяющей секции 22 на выпускной стороне от отводящего участка 20. Блок 26 рекуперации тепла расположен во втором трубопроводе 18. Часть первого трубопровода 16 между отводящим участком 20 и соединяющей секцией 22 представляет собой байпасный участок 24 для потока, по которому выхлопные газы обходят блок 26 рекуперации тепла.
[0023] Хладагент для двигателя 14 циркулирует и охлаждается с использованием циркуляционного трубопровода 28 между двигателем 14 и радиатором 30. Рекуперационный трубопровод 32 ответвляется от циркуляционного трубопровода 28. Часть хладагента, протекающего в циркуляционном трубопроводе 28, направляется в блок 26 рекуперации тепла по рекуперационному трубопроводу 32, и, кроме того, может вернуться в циркуляционный трубопровод 28 из блока 26 рекуперации тепла. Хладагент течет по рекуперационному трубопроводу 32 и блоку 26 рекуперации тепла и, таким образом, рекуперационный трубопровод 32 и блок 26 рекуперации тепла входят в контур циркуляции потока хладагента. В примере, который показан на фиг. 1, нагреватель 33, который при необходимости нагревает хладагент, размещен в рекуперационном трубопроводе 32.
[0024] Клапанный элемент 34 расположен в байпасном участке 24 для потока (расположен между отводящим участком 20 и соединяющей секцией 22) первого трубопровода 16. Клапанный элемент 34 управляется приводом 36 (описано ниже), и перемещается между закрытым положением, которое показано сплошными линиями на фиг. 1 и фиг. 2, и открытым положением, которое показано штрихпунктирными линиями с двумя точками на фиг. 1 и фиг. 2. В закрытом положении клапанный элемент 34 уменьшает для потока площадь поперечного сечения байпасного участка 24 для потока (хотя клапанному элементу 34 не требуется полностью закрывать байпасный участок 24 для потока), и, таким образом, большая часть выхлопных газов течет ко второму трубопроводу 18. В открытом положении клапанный элемент 34 обеспечивает для потока большую площадь поперечного сечения байпасного участка 24 для потока, чем в закрытом положении, и, соответственно, количество выхлопных газов, которые текут во втором трубопроводе 18, является небольшим.
[0025] Привод 36 установлен на первом трубопроводе 16 с помощью монтажного приспособления (не показано) так, что он не находится в контакте с циркуляционными каналами, по которым протекает хладагент двигателя, то есть, с рекуперационным трубопроводом 32, и блоком 26 рекуперации тепла.
[0026] Как показано подробно на фиг. 2, привод 36 имеет основной элемент 38 кожуха, который оснащен первым кожухом 40 и вторым кожухом 42. Первый кожух 40 имеет трубчатую часть 40а и донную часть 40b [где образовано установочное отверстие 44 (описано ниже)] и имеет цилиндрическую форму. Аналогичным образом, второй кожух 42 имеет трубчатую часть 42а и донную часть 42b и имеет цилиндрическую форму. Соответствующие фланцевые части 40F и 42F первого кожуха 40 и второго кожуха 42 соединены, чтобы образовать основной элемент 38 кожуха, который образует практически общую цилиндрическую наружную форму.
[0027] Внутренняя часть основного элемента 38 кожуха разделена на первую зону 46 на стороне первого кожуха 40 и вторую зону 48 на стороне второго кожуха 42 с помощью эластичной разделительной стенки 47. В первой зоне 46 размещен шток 50, способный выдвигаться из установочного отверстия 44 и втягиваться в него.
[0028] Преобразующий диск 52, который вращается вокруг шпинделя 52А, расположен у конца штока 50. Охватывающая секция 54 на одном конце штока 50 охватывает удерживающий штифт 56 преобразующего диска 52.
[0029] Один конец 34А кромки (верхний на фиг. 2) клапанного элемента 34 жестко прикреплен к преобразующему диску 52. Когда шток 50 перемещается (выдвигается) в направлении стрелки M1, преобразующий диск 52 вращается в направлении стрелки R1, и клапанный элемент 34 перемещается (поворачивается) в открытое положение, как показано стрелкой B1. Напротив, преобразующий диск 52 вращается в направлении стрелки R2, и клапанный элемент 34 перемещается (поворачивается) в закрытое положение, показанное стрелкой B2, когда шток 50 перемещается (втягивается) в направлении стрелки M2. Другими словами, преобразующий диск 52 преобразует линейное перемещение штока 50 во вращательное (поворотное) движение клапанного элемента 34.
[0030] Другой конец штока 50 смонтирован на опоре 58. Между опорой 58 и донной частью 40B первого кожуха 40 размещена пружина 60. Пружина 60 смещает шток 50 с помощью опоры 58 в направлении стрелки M2 (направление, в котором шток 50 втягивается в первый кожух 40).
[0031] Подвижный штифт 64 размещен во второй зоне 48 привода 36, при этом вторая зона 48 привода 36 наполнена воском 62. Один конец подвижного штифта 64 жестко прикреплен к эластичной разделительной стенке 47. Во второй зоне 48 размещен нагревательный элемент 66. Нагревательный элемент 66 генерирует тепло, когда нагревательный элемент 66 получает энергию с использованием подводящего провода 68 для подачи питания. Воск 62 представляет собой жидкий элемент, который имеет заданную вязкость, и объем воска 62 увеличивается в результате увеличения температуры, вызванного нагревом. Эластичная разделительная стенка 47 обеспечивает изменение объема воска 62, и препятствует утечке воска 62 из второй зоны 48.
[0032] Когда объем воск 62 возрастает, эластичная разделительная стенка 47 слегка вытягивается, объем второй зоны 48 увеличивается, и подвижный штифт 64 перемещается в направлении стрелки M1. Таким образом, подвижный штифт 64 толкает шток 50 в направлении стрелки M1 с помощью эластичной разделительной стенки 47, и шток 50 перемещается в направлении стрелки M1.
[0033] Напротив, когда объем воска 62 уменьшается, эластичная разделительная стенка 47 незначительно сжимается, объем второй зоны 48 уменьшается, и подвижный штифт 64 перемещается в направлении стрелки M2. Подвижный штифт 64 не толкает шток 50, и, таким образом, шток 50 перемещается в направлении стрелки M2 с помощью усилия пружины 60.
[0034] Теплопроводящий элемент 70 монтируется на байпасном участке 24 для потока первого трубопровода 16 и приводе 36. Как показано более подробно на чертежах, включая фиг. 3, теплопроводящий элемент 70 представляет собой конструкцию, в которой теплоприемный участок 70А, выполненный в виде части цилиндра, который находится в контакте с периферией первого трубопровода 16, и кольцевой теплорассеивающий участок 70В, который окружает трубчатую часть 40а второго кожуха 42, соединены друг с другом с помощью соединительного участка 70С.
[0035] Теплопроводящий элемент 70 выполнен с использованием материала, который имеет высокую теплопроводность, такого как металл. Теплоприемный участок 70А получает тепло от первого трубопровода 16, и тепло рассеивается с теплорассеивающего участка 70B на второй кожух 42. Таким образом, теплопроводящий элемент 70 передает тепло выхлопных газов воску 62.
[0036] В примере, который показан на фиг. 2, теплоприемный участок 70а выполнен с возможностью контакта с фланцевой частью 42F второго кожуха 42, и устраняется дребезжание теплоприемного участка 70А о второй кожух 42.
[0037] Снаружи трубчатой части 40А и донной части 40В второго кожуха 42 расположен теплоизолирующий элемент 72. В примере, который показан на фиг. 2 и фиг. 3, теплоизолирующий элемент 72 не соприкасается с теплорассеивающим участком 70В теплопроводящего элемента 70, однако охватывает, по существу, весь диапазон трубчатой части 40А и, по существу, весь диапазон донной части 40В. Теплоизолирующий элемент 72 выполнен с использованием, например, пористого полимерного материала, и изолирует внутреннюю часть (воск 62) и наружную поверхность второй зоны 48 друг от друга.
[0038] Далее будет описан полезный эффект этого варианта осуществления.
[0039] Объем воска 62 увеличивается в состоянии, в котором задействуется (снабжается энергией) привод 36. Соответственно, подвижный штифт 64 перемещается в направлении стрелки M1 и толкает шток 50 в направлении стрелки M1. Шток 50 перемещается (выдвигается) в направлении стрелки M1 при противодействии смещающего усилия пружины 60, и, таким образом, клапанный элемент 34 поворачивается в открытое положение.
[0040] В состоянии, в котором клапанный элемент 34 находится в открытом положении, площадь поперечного сечения для потока для байпасного участка 24 первого трубопровода 16 увеличивается, и большое количество выхлопных газов течет по байпасному участку 24 для потока. Соответственно, эффект нагрева хладагента двигателя для повышения температуры с помощью тепла выхлопных газов в блоке 26 рекуперации тепла является небольшим.
[0041] Напротив, когда привод 36 не задействован, воск 62 не расширяется. Соответственно, подвижный штифт 64 не толкает шток 50 в направлении стрелки M1. Шток 50 перемещается (втягивается) в направлении стрелки M2 смещающим усилием пружины 60, и, таким образом, клапанный элемент 34 находится в закрытом положении.
[0042] В состоянии, в котором клапанный элемент 34 находится в закрытом положении, площадь поперечного сечения для потока по байпасному участку 24 первого трубопровода 16 мала, и большая часть выхлопных газов поступает во второй трубопровод 18. В блоке 26 рекуперации тепла обеспечивается воздействие теплоты выхлопных газов на хладагент двигателя, хладагент двигателя нагревается, и возникает большой эффект повышения температуры. В случае, когда хладагент двигателя имеет низкую температуру, например, хладагент двигателя можно эффективно нагреть путем задействования привода 36 и использования тепла выхлопных газов.
[0043] В этом варианте осуществления привод 36 смонтирован без контакта с каналами, по которым протекает хладагент двигателя (рекуперационный трубопровод 32 и блок 26 рекуперации тепла). По сравнению с конструкцией, в которой привод 36 находится в контакте с с контуром циркуляции потока теплоносителя, по которому течет хладагент двигателя, тепло от хладагента двигателя имеет меньшее влияние на изменение объема (в частности, увеличение объема) воска 62. Например, отсутствием рекуперации и рекуперацией тепла выхлопных газов можно управлять, вне зависимости от температуры хладагента двигателя, путем переключения между задействованием (подачей энергии) и незадействованием (отсутствием подачи энергии) привода 36 в любых условиях.
[0044] Кроме того, в этом варианте осуществления привод 36 находится вне контакта с контуром циркуляции потока теплоносителя, по которому течет хладагент двигателя, и, таким образом, приводу 36 не обязательно быть непроницаемым для хладагента двигателя. Отсутствие необходимости в непроницаемости конструкции может способствовать снижению веса и снижению затрат на устройство 12 рекуперации тепла выхлопных газов. Кроме того, может быть улучшена надежность и долговечность, так как привод 36 не контактирует с влагой для хладагента двигателя. Отсутствие необходимости в непроницаемости конструкции может способствовать снижению веса и снижению затрат на.
[0045] В частности, в этом варианте осуществления предусмотрен теплопроводящий элемент 70, и, таким образом, может быть обеспечено воздействие тепла от первого трубопровода 16 на воск 62 с помощью теплопроводящего элемента 70. Соответственно, потребление электроэнергии для снабжения привода 36 может быть прекращено в случае, например, когда должно поддерживаться состояние, в котором увеличен объем воска 62.
[0046] Источник тепла для нагрева, который должен воздействовать на воск 62 посредством теплопроводящего элемента 70, не ограничивается описанным выше первым трубопроводом 16. Другими словами, элемент, который имеет большую тепловую энергию, иной, чем первый трубопровод 16, может быть использован в качестве источника тепла. Выхлопная труба, например, первый трубопровод 16, является элементом, который заранее устанавливают в транспортном средстве, и, таким образом, теплота выхлопных газов, проходящих в первом трубопроводе, может быть эффективно передана на воск 62 без добавления нового элемента в качестве источника тепла.
[0047] Тепло, полученное от выхлопных газов, может эффективно действовать на воск 62, даже если теплопроводящий элемент 70 представляет собой конструкцию, которая имеет теплорассеивающий участок 70В, который окружает воск 62 с внешней стороны второго кожуха 42 и не окружает собственно воск 62, поскольку, например, теплопроводящий элемент 70 находится в контакте со вторым кожухом 42. Если теплорассеивающий участок 70В окружает воск 62, как в варианте осуществления, описанном выше, тепло может быть эффективно передано воску 62.
[0048] В данном варианте осуществления клапанный элемент 34 находится в открытом положении, как показано штрихпунктирной линией с двумя точками на фиг. 2, и скорость потока выхлопных газов на втором трубопроводе 18 является низкой в состоянии, когда температура воска 62 увеличивается. Другими словами, нагрев воска 62 может быть дополнен за счет теплоты первого трубопровода 16 в состоянии, в котором количество тепла, рекуперируемое в блоке 26 рекуперации тепла, является небольшим (состояние, в котором клапанный элемент 34 поддерживается в открытом положении), и клапанный элемент 34 может эффективно поддерживаться в открытом положении. Это может способствовать прекращению потребления электроэнергии приводом 36.
[0049] Кроме того, в этом варианте осуществления предусмотрен теплоизолирующий элемент 72. Воск 62 изолирован от наружной поверхности теплоизолирующим элементом 72, и, таким образом, воздействие внешнего тепла на изменение объема воска 62 невелико. Например, невелико воздействие тепла от первого трубопровода 16, второго трубопровода 18, блока 26 рекуперации тепла и т.п.
[0050] За исключением теплопроводящего элемента 70, вокруг привода 36 присутствует воздух, в частности, вокруг теплоизолирующего элемента 72. Воздух имеет меньшую теплопроводность, чем у воды. Соответственно, температура воска 62 может быть поднята в течение более короткого периода времени, чем в конструкции, в которой привод 36 находится в контакте с хладагентом двигателя, и шток 50 может перемещаться быстрее, и одинаковое поступающее количество электроэнергии может обеспечить большую величину перемещения.
[0051] Так как температура воска 62 поддерживается теплоизолирующим элементом 72, потребление электроэнергии может быть уменьшено, когда привод 36 снабжают энергией для увеличения объема воска 62.
[0052] Кроме того, второй кожух 42 может быть защищен от посторонних предметов и ударов, поскольку вокруг второго кожуха 42 расположен теплоизолирующий элемент 72. С точки зрения защиты от внешних посторонних предметов и ударов, описанных выше, теплоизолирующий элемент 72 может быть выполнен также с возможностью покрытия, например, прилегающих областей первого кожуха 40.
[0053] Теплоноситель не ограничен хладагентом двигателя, и может быть также применен широкий спектр текучих сред, способствующих теплообмену, например, жидкостей и газов. Тепло выхлопных газов может воздействовать на этот теплоноситель с помощью устройства 12 рекуперации тепла выхлопных газов согласно данному варианту осуществления, при этом может быть достигнуто повышение температуры.
[0054] Привод 36, описанный выше, представляет собой конструкцию, которая обеспечивает герметизацию воском 62 герметизируемой зоны (второй зоны 48) в основном элементе 38 кожуха и перемещение подвижного штифта 64 посредством расширения воска, вызванного нагревом. Поскольку изменение объема воска 62 (жидкости) используется для движущей силы описанного выше клапанного элемента 34, можно получить большую движущую силу, чем, например, в конструкции, использующей двигатель, и конструкции, получающей движущую силу от изменения объема газа в герметичной зоне (так называемый привод с отрицательным давлением).
[0055] Даже если от выхлопных газов действует большая сила в направлении открытия клапанного элемента 34 (направление стрелки В1 на фиг. 2), клапанный элемент 34 может поворачиваться в направлении закрытия (направление стрелки В2 на фиг. 2), противодействуя этой силе, и клапанный элемент 34 может удерживаться в закрытом положении, противодействуя этой силе. Соответственно, форма и расположение клапанного элемента 34 имеет большую степень выбора. Так называемый поворотный клапан, в котором ось вращения задана на концевом участке (шпинделе 52А) клапанного элемента 34, как показано на фиг. 2, может быть принят в качестве конструкции клапанного элемента 34. Кроме того, может быть применен так называемый дроссельный вентиль, в котором ось вращения задана в центре клапанного элемента 34, как в этом варианте осуществления.
[0056] В приводе, имеющем конструкцию, в которой подвижный штифт перемещается за счет расширения воска, вызванного нагревом, подвижный штифт может значительно переместиться даже в том случае, когда на воск действует непреднамеренное изменение температуры. В этом варианте осуществления привод 36 находится вне контакта с поточными каналами (рекуперационным трубопроводом 32 и блоком 26 рекуперации тепла), в которых течет хладагент двигателя, и, таким образом, воздействие тепла от хладагента двигателя на изменение объема воска 62 невелико. Соответственно, непреднамеренное передвижение подвижного штифта 64 и непреднамеренный поворот клапанного элемента 34 могут быть предотвращены, и может быть получена конструкция, в которой обеспечивается управляющий поворот клапанного элемента 34 с помощью задействования (подачи напряжения) привода 36.