ПРИВОДНОЙ УЗЕЛ АВТОМОБИЛЯ
AUTOMOBILE DRIVE ASSEMBLY

Область техники
Изобретение относится к приводному узлу автомобиля, содержащему двигатель внутреннего сгорания, связанный с ведомым валом, и систему использования отходящего тепла, посредством которой по меньшей мере часть отходящего тепла, отводимого из двигателя внутреннего сгорания и/или установленной за ним системы выпуска отработавших газов, посредством термоприводного преобразователя энергии преобразуется в электрическую энергию, которая может по меньшей мере частично подводиться по меньшей мере к одному дополнительному потребителю и/или в бортовую сеть автомобиля.
Уровень техники
Чтобы экономить топливо, в частности в мобильных ДВС, например ДВС автомобилей, приоритетом пользуются сегодня, главным образом, два технических решения. Помимо использования различных гибридных концепций, зарекомендовавших себя, прежде всего, для движения городского транспорта и транспорта, осуществляющего местные перевозки, из-за осуществляемых во время такого движения процессов торможения и ускорения, известны также системы рекуперации тепла, которые используют отходящее тепло двигателя для вырабатывания дополнительной приводной энергии. Такие системы использования отходящего тепла используются в мобильных двигателях, прежде всего для транспортных средств, эксплуатируемых в дальнем сообщении.
Поскольку известные способы рекуперации возникающего в современных двигателях тепла потерь требуют большого числа компонентов, для использования этого тепла необходимы значительные дополнительные затраты на оборудование, прежде всего, в транспортных средствах. Из-за занимаемого этими компонентами места системы использования отходящего тепла, основанные на интеграции дополнительных компонентов в транспортном средстве, сталкиваются все с большими ограничениями.
В частности, в дальних грузовых перевозках помимо экономичной эксплуатации грузового автомобиля должна быть гарантирована возможность отдыха водителя в законодательно предписанные перерывы в работе. Чтобы обеспечить соответствующий комфорт водителю, его кабина при выключенном двигателе должна достаточно обогреваться, летом - кондиционироваться, а в остальном - снабжаться током. Необходимое тепло нагрева обычно вырабатывается стояночной системой отопления, холод отбирается из установленных на транспортном средстве аккумуляторов холода, предварительно заряженных во время движения посредством системы кондиционирования, а токоснабжение осуществляется с помощью заряженных во время движения аккумуляторных батарей.
Чтобы гарантировать снабжение водителя теплом, холодом и током во время остановки даже при выключенном двигателе, было предложено большое число вспомогательных систем, например небольшой дополнительный дизельный двигатель, топливные ячейки или стояночная система отопления с термоэлектрогенераторами в качестве вспомогательного энергоблока. Такие системы устанавливаются дополнительно с необходимыми вспомогательными агрегатами, такими как насосы, теплообменники, риформеры или клапаны. Наконец, требуется вспомогательное устройство снабжения, как только двигатель выключен, однако должны гарантироваться определенные, обеспечивающие комфорт функции, такие как отопление, кондиционирование и/или токоснабжение. Поскольку эти вспомогательные устройства снабжения нередко требуют большого монтажного пространства, они в настоящее время устанавливаются не по стандарту.
В этой связи из DE 102006043139 А1 известно устройство для вырабатывания механической или электрической энергии из отходящего тепла автомобильного двигателя. В этом техническом решении известна по меньшей мере одна, связанная с источником отходящего тепла двигателя, вырабатывающего тепло на сравнительно низком температурном уровне, термическая преобразовательная система, которая преобразует по меньшей мере часть высвобождаемого двигателем отходящего тепла в механическую или электрическую энергию. Важная идея описанного технического решения состоит в том, что в качестве альтернативы известным системам использования отходящего тепла, использующим, главным образом, известные паровые процессы, должно использоваться также тепло, вырабатываемое на сравнительно низком температурном уровне. Поэтому в данном случае помимо термоэлектрических преобразователей, например термоэлементов, или выполненных в виде термоионных генераторов термопреобразователей для вырабатывания тока используются также термодинамические процессы со слегка испаряющимися при низких температурах рабочими средами. В качестве рабочих сред помимо воды с соответствующими антифризами могут найти применение любые известные хладагенты, используемые в установках кондиционирования и охлаждения транспортных средств.
Кроме того, например из DE 102007004765 А1, известен способ поддержания заданного температурного режима автомобиля во время стоянки. В описанном способе так называемый блок поддержания постоянной температуры с помощью остаточного тепла, который предоставляет в распоряжение возникающее во время движения автомобиля тепло и/или холод, комбинируется с активным блоком поддержания постоянной температуры, в частности стояночной системой отопления. В этой связи описанное техническое решение отличается тем, что предусмотрен блок управления, посредством которого температура салона транспортного средства после выключения двигателя регулируется по желанию, а необходимое для этого тепло и/или холод автоматически и в соответствии с потребностью вырабатывается с помощью блока поддержания температуры с помощью остаточного тепла и активного блока поддержания постоянной температуры.
Исходя из известного уровня техники, в основе изобретения лежит задача создания приводного узла, в частности для мобильных применений, таких как автомобильные приводы, который располагал бы системой использования отходящего тепла и, кроме того, предпочтительным образом мог бы снабжать также дополнительные потребители электрической энергией и/или механической работой без необходимости для этого дополнительного конструктивного пространства. При этом приводной узел и способ эксплуатации должны быть реализованы так, чтобы отдельные компоненты использовались преимущественно как для вспомогательного энергоснабжения во время остановок транспортного средства. Число используемых в соответственно выполненном транспортном средстве компонентов должно быть минимизировано за счет использования предлагаемого приводного узла.
Поставленная задача решается посредством приводного узла согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются объектом зависимых пунктов и более подробно поясняются в нижеследующем описании с частичной ссылкой на чертежи.
Согласно изобретению приводной узел автомобиля, содержащий связанный с приводным валом двигатель внутреннего сгорания и систему использования отходящего тепла, посредством которой по меньшей мере часть отходящего тепла, отводимого из двигателя внутреннего сгорания и/или установленной за ним системы выпуска ОГ, посредством термоприводного преобразователя энергии с генератором преобразуется в электрическую энергию, которая может по меньшей мере частично подводиться по меньшей мере к одному дополнительному потребителю автомобиля, усовершенствован таким образом, что дополнительно к системе использования отходящего тепла предусмотрен дополнительный источник тепла, посредством которого термоприводной преобразователь энергии может снабжаться теплом.
Таким образом, в предложенном приводном узле дополнительно к первому устройству для использования отходящего тепла с подключенным генератором тока, которое выполнено преимущественно в виде термодинамического устройства для рекуперации тепла, предусмотрен дополнительный источник тепла. Последний вырабатывает тепло, из которого также может вырабатываться ток. Устройство для рекуперации тепла с подключенным генератором тока может использоваться, тем самым, как в режиме движения автомобиля, так и во время его остановок, т.е. при выключенном двигателе, в качестве источника вспомогательной энергии. Приводной узел располагает, тем самым, как системой использования отходящего тепла двигателя, так и установкой для снабжения транспортного средства вспомогательной энергией, преимущественно после выключения двигателя. При этом важно, что за счет предусмотренного согласно изобретению второго источника тепла тепло вырабатывается для термоприводного преобразователя энергии, а, кроме того, второй источник тепла подключен к системе использования отходящего тепла.
Термоприводной преобразователь энергии может снабжаться, тем самым, на выбор отходящим теплом двигателя внутреннего сгорания или от второго источника тепла или сообща от обоих источников тепла. Благодаря этой мере возможно, чтобы термоприводной преобразователь энергии с генератором создавал электрическую энергию или механическую работу как для необходимых в режиме движения транспортного средства агрегатов, так и для необходимых во время его остановок дополнительных потребителей и бортовой сети.
В одном варианте осуществления изобретения термоприводной преобразователь энергии содержит по меньшей мере одну паровую расширительную машину с механически присоединенным к ней генератором для преобразования механической работы в электрическую энергию. Преимущественно паровая расширительная машина выполнена в виде поршневой машины. В качестве альтернативы возможно, чтобы паровая расширительная машина была выполнена в виде одно- или многоступенчатой паровой турбины, которая, в свою очередь, механически присоединена к генератору для вырабатывания электрической энергии.
Далее возможно упростить основную конструкцию необходимых для реализации парового процесса компонентов таким образом, чтобы в качестве составной части преобразователя энергии использовать свободнопоршневой двигатель с интегрированным линейным генератором. За счет такой интеграции паровой расширительной машины и генератора в один конструктивный блок минимизируется необходимое конструктивное пространство.
В одном варианте осуществления изобретения предусмотрено объединение в соответственно высокоинтегративные блоки или узлы других компонентов, таких как испаритель, в котором по меньшей мере частично испаряется циркулирующая в контуре использования отходящего тепла рабочая среда, и/или конденсатор, в котором она по меньшей мере частично сжижается.
В другом подходящем выполнении приводного узла термоприводной преобразователь энергии располагает по меньшей мере одним испарителем, в котором посредством отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания и/или установленной за ним системы выпуска ОГ, и/или системы охлаждения, и/или второго источника тепла, по меньшей мере частично испаряется рабочая среда. В данном случае теплообменник, через который проходит поток ОГ, испаритель и по меньшей мере один дополнительный источник тепла выполнены в предпочтительном варианте в виде высокоинтегративного блока.
В другом подходящем выполнении приводного узла предусмотрено, что термоприводной преобразователь энергии располагает по меньшей мере одним испарителем, который за счет подачи отходящего тепла двигателя и/или тепла, выработанного вторым источником тепла, по меньшей мере частично испаряет рабочую среду. В этом случае испаритель преимущественно вместе с паровой испарительной машиной, в которой парообразная рабочая среда по меньшей мере частично расширяется, выполнен в виде высокоинтегративного блока.
В одном варианте выполнения приводного узла термоприводной преобразователь энергии располагает по меньшей мере одним конденсатором, в котором расширенная рабочая среда по меньшей мере частично конденсируется, т.е. сжижается. Предпочтительным образом конденсатор вместе с паровой испарительной машиной с генератором выполнен в виде высокоинтегративного блока.
В качестве альтернативы или в дополнение к описанному выше термоприводному преобразователю энергии в одном особо предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что преобразователь энергии содержит термоэлектрический генератор, в частности генератор с эффектом Зеебека.
Далее возможно, чтобы была предусмотрена адсорбционная или абсорбционная холодильная установка, снабжаемая теплом за счет системы использования отходящего тепла и/или дополнительного источника тепла, чтобы таким образом направлять в салон транспортного средства холод в качестве нужной полезной энергии. Соответствующие адсорбционные или абсорбционные холодильные процессы ниже подробно не поясняются, поскольку они достаточно известны. В данной связи важно, что необходимое для этих процессов в качестве приводной энергии тепло создается согласно изобретению системой использования отходящего тепла или преобразователем энергии и/или дополнительным источником тепла.
Далее в одном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что дополнительный источник тепла содержит масляную горелку, преимущественно горелку, в которой сжигается топливо, используемое данным транспортным средством. В этой связи, разумеется, возможно, чтобы в зависимости от данного типа транспортного средства или используемого топлива находила применение также газовая горелка, выполненная преимущественно в виде поверхностной или так называемой матричной горелки или абсорбционной горелки.
В одном особенно подходящем варианте выполнения приводного узла предусмотрен блок управления, с помощью которого дополнительный источник тепла эксплуатируется таким образом, что преобразователь энергии снабжается теплом дополнительного источника тепла по меньшей мере тогда, когда двигатель внутреннего сгорания выключен или выключается. В этой связи также можно предусмотреть внутри автомобиля аккумулятор тепла и/или холода, в котором накопленное во время автомобиль тепло и/или холод аккумулируется и после выключения двигателя используется для снабжения соответствующих дополнительных потребителей. В дополнение к этому, согласно еще одному варианту, можно снабжать необходимым для производства тока теплом также термоприводной преобразователь энергии с генератором по меньшей мере временно из аккумулятора тепла.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, предусмотрено, что с помощью дополнительного источника тепла теплом снабжается салон и/или кабина автомобиля. В качестве альтернативы или в дополнение к этому, разумеется, также абсорбционная или адсорбционная холодильная машина может снабжаться теплом из дополнительного источника тепла.
В частности, для тяжелых грузовых автомобилей и туристических автобусов в течение длительных поездок использование отходящего тепла или тепла потерь двигателя представляет собой возможность целесообразной эксплуатации транспортного средства с экономической и экологической точек зрения. В таких транспортных средствах следует всегда заботиться об отоплении, кондиционировании и вырабатывании тока как в режиме движения, так и при остановке, в частности также при одновременном выключении двигателя. Кроме того, уже сегодня следует учитывать то, что при поездках по городу с остановками в его центре двигатель не должен работать вообще или по меньшей мере во время остановок, поскольку организованы соответствующие экологические зоны. По этой причине в будущем во все возрастающей степени, в частности в туристических автобусах, потребуются системы вспомогательного энергоснабжения, которые будут надежно снабжать транспортное средство необходимым видом энергии после выключения двигателя.
Ниже изобретение более подробно поясняется без ограничения его общего замысла со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
- фиг. 1: паровой процесс с расширительной машиной, в котором два источника тепла вырабатывают необходимое для производства пара тепло;
- фиг. 2: приводной узел с теплообменником, дополнительным источником тепла и двигателем Стирлинга и/или дополнительным термогенератором;
- фиг. 3: высокоинтегративный блок, в котором горелка интегрирована непосредственно в первый парогенератор;
- фиг. 4: систему использования отходящего тепла с расширительной машиной с интегрированным генератором.
На фиг. 1 изображена блок-схема конфигурации установки, при которой с одной стороны отходящее тепло двигателя 1 внутреннего сгорания в виде тепла его отработавших газов, а с другой стороны тепло из выполненного в виде горелки 6 дополнительного источника 2 передается на систему 5 использования отходящего тепла с паровым контуром 3 и используется посредством расширительной машины 4. Система 5 с паровым контуром 3 может, тем самым, на выбор или дополнительно снабжаться теплом из двух источников 1, 2. В данном примере тепло используется для того, чтобы по меньшей мере в одном испарителе испарять рабочую среду, образующийся при этом пар подавать к расширительной машине 4 для расширения и, наконец, посредством механически присоединенного к ней генератора 7 вырабатывать электрическую энергию.
Первый источник тепла образован двигателем 1 и подключенным к нему теплообменником 8 для отработавших газов, в котором содержащееся в отработавших газах (ОГ) тепло по меньшей мере частично передается на рабочую среду системы 5, благодаря чему достигается испарение рабочей среды. При этом теплообменник 8 расположен в зоне системы 10 выпуска ОГ таким образом, что ОГ, покидающие работающий на них турбонагнетатель 9, попадают в теплообменник 8. При соответствующем расчете также можно в качестве альтернативы или дополнительно к изображенному на фиг. 1 применению тепла ОГ использовать тепло охлаждающего контура 11 двигателя, охладителя наддувочного воздуха, дополнительного передатчика тепла ОГ, который охлаждает их перед по меньшей мере частичным возвратом в наддувочный воздух, и/или отходящее тепло устройства для снижения токсичности ОГ.
Дополнительный источник 2 тепла выполнен в виде горелки 6, которая снабжается таким же видом топлива, что и транспортное средство, в данном примере дизельным топливом. К горелке 6 подключен испаритель 12, к которому с одной стороны подается покидающий ее горючий газ, а с другой стороны - жидкое рабочее средство. Последнее испаряется в испарителе 12 и подается к расширительному блоку 4 для расширения. Горелка 6 со своей камерой сгорания и испаритель 12 интегрированы предпочтительным образом в один общий конструктивный блок. В качестве горелки 6 для вырабатывания горючего газа может использоваться на выбор горелка с открытым пламенем, необходимая также для стояночной системы отопления, или же абсорбционная горелка.
Существенный признак конфигурации установки на фиг. 1 состоит в том, что тепло, необходимое для вырабатывания пара и, тем самым, электрической энергии, на выбор или дополнительно может отбираться от тепла ОГ или, в частности при выключенном двигателе, от выработанного с помощью горелки 6 горючего газа. Таким образом, снабжение транспортного средства теплом и током будет гарантировано благодаря описанному техническому решению в любых рабочих ситуациях, т.е. как в режиме движения с частично значительно изменяющимися требованиями к нагрузке, так и при остановке транспортного средства, во время которой двигатель 1, как правило, выключается.
На фиг. 2 изображено другое выполнение концепции установки. Также в этом случае в распоряжении имеются два источника тепла, которые снабжают необходимым теплом блок вырабатывания электрической энергии соответственно по отдельности или вместе. В отличие от решения на фиг. 1 вместо расширительной машины, расширяющей рабочую среду, предусмотрен блок 13 вырабатывания электрической энергии, который для производства тока использует разность температур между горячей 14 и холодной 15 сторонами. Блок 13 представляет собой двигатель Стирлинга, выходной вал которого механически также присоединен к генератору 7. Также возможно выполнение блока для производства тока в виде термоэлектрического генератора, который использует разность температур между горячей 14 и холодной 15 сторонами с использованием эффекта Зеебека.
Независимо от того, какой из обоих вышеназванных блоков для производства тока используется, на холодной стороне 15 предусмотрен охлаждающий контур для отвода тепла потерь. Для этого используются передатчик тепла, насос хладагента, а также воздухоохлаждаемый передатчик тепла, называемый также радиаторно-вентиляторной системой.
На фиг. 3 изображен приводной узел транспортного средства с системой 5 использования отходящего тепла, из которой отводимое тепло используется как в блоке для вырабатывания электрической энергии, так и для вырабатывания полезного тепла для транспортного средства. Существенный признак состоит, прежде всего, в том, что предусмотрен только один испаритель 12, в который для испарения рабочей среды подается либо на выбор, либо сообща тепло ОГ и/или тепло дополнительного, выполненного в виде горелки 6 источника 2 тепла. При этом горелка предпочтительным образом интегрирована в испаритель 12.
В конфигурации установки на фиг. 3 в направлении потока после конденсатора 16, здесь в виде рекуператора, предусмотрен дополнительный передатчик тепла 17, с помощью которого содержащееся в также сжиженной рабочей среде остаточное тепло, по меньшей мере, частично в виде полезного тепла может передаваться в теплосток 24, в виде системы отопления транспортного средства и/или адсорбционной или абсорбционной холодильной установки, прежде чем рабочая среда в радиаторе 18 транспортного средства не будет снова доведена до требуемой выходной температуры. В принципе, с учетом данного необходимого температурного уровня также возможно, чтобы рабочая среда протекала через конденсатор 16 и передатчик 17 тепла системы отопления также в обратном порядке по сравнению с вариантом на фиг. 3.
Как видно в остальном на фиг. 3, находящаяся снова в исходном состоянии рабочая среда после прохождения через радиатор 18 транспортного средства, по меньшей мере, частично может направляться через холодную сторону конденсатора 16, радиатор 19 двигателя, а затем через испаритель 12 и/или охладитель 20 наддувочного воздуха. Точно так же дополнительно или в качестве альтернативы рабочая среда может направляться через теплообменник ОГ, в котором ОГ двигателя охлаждаются перед подачей в его приточный воздух. Регулирование объемного потока рабочей среды осуществляется по необходимости с помощью соответствующих регулирующих клапанов.
Кроме того, отдача тепла двигателя показана не через подходящую радиаторную сеть, а через теплообменник. Таким образом, тепло охлаждающей воды двигателя может использоваться для подогрева испаряемой рабочей среды. Оставшаяся радиаторная сеть выполняется соответственно большей для отдачи в окружающее пространство остаточного тепла, которое больше нельзя использовать.
В заключение на фиг. 4 изображена другая возможная конфигурация системы, которая приводит к дальнейшему уменьшению числа необходимых компонентов. Существенным для данного технического решения является то, что используется расширительная машина 21 с интегрированным генератором 7, а именно линейный парогенератор. Последний дает, в том числе, то преимущество, что рабочая среда может расширяться вплоть до области влажного пара. Таким образом, первая конденсаторная ступень интегрирована в блок для расширения пара и вырабатывания электрической энергии посредством генератора. По сравнению с системами без первой конденсаторной ступени конденсатор 16, установленный в направлении потока рабочей среды за линейным парогенератором 21, может быть выполнен в зоне расширительного блока меньше и компактнее.
Перечень ссылочных позиций
1 - двигатель внутреннего сгорания
2 - дополнительный источник тепла
3 - паровой контур
4 - расширительный блок
5 - система использования отходящего тепла
6 - горелка
7 - генератор
8 - теплообменник отработавших газов
9 - турбонагнетатель, работающий на ОГ
10 - система выпуска ОГ
11 - охлаждающий контур двигателя
12 - испаритель
13 - блок вырабатывания электрической энергии с использованием разности температур
14 - горячая сторона
15 - холодная сторона
16 - конденсатор/рекуператор
17 - передатчик тепла системы отопления
18 - воздухоохлаждаемый передатчик тепла/вентиляторно-радиаторная система
19 - передатчик тепла системы охлаждения двигателя
20 - охладитель наддувочного воздуха
21 - линейный паровой генератор с интегрированным конденсатором
22 - насос хладагента
23 - насос рабочей среды, компрессор рабочей среды
24 - теплосток
25 - регулирующий клапан