Способ и система для рекуперации тепла отработавших газов
METHOD AND SYSTEM FOR EXHAUST HEAT RECOVERY

Область техники
Настоящее раскрытие в целом относится к способам и системам для рекуперации тепла отработавших газов с использованием утилизационного цикла.
Уровень техники и раскрытие изобретения
Двигатели могут содержать систему рекуперации тепла отработавших газов для рекуперации тепловой энергии отработавших газов, образовавшихся в двигателе внутреннего сгорания. Тепло, рекуперированное теплообменником отработавших газов, может быть преобразовано в электроэнергию с возможностью ее аккумулирования в системной аккумуляторной батарее. Электроэнергию из аккумуляторной батареи можно ситуативно применять для таких функций, как эксплуатация мотора компрессора, эксплуатация насоса, нагрев головки блока цилиндров, обогрев и освещение салона транспортного средства и т.п., тем самым повышая КПД двигателя и топливную экономичность.
Известен ряд решений для рекуперации тепла отработавших газов. В одном примере, раскрытом в документе US 20130219872 Джибблом (Gibble) с соавторами, система рекуперации тепла и терморегулирования содержит термоэлектрическое устройство с возможностью рекуперации тепла от отработавших газов и его преобразования в электроэнергию. Выработку электроэнергии в системе рекуперации тепла осуществляют по утилизационному циклу, например, циклу Ренкина. Электроэнергию, выработанную за счет тепла отработавших газов, аккумулируют в аккумуляторной батарее с последующим использованием для таких функций, как обогрев салона транспортного средства.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальные недостатки вышеуказанного решения. Например, эффективное функционирование утилизационного цикла, например, цикла Ренкина, требует стабильного подвода тепловой энергии отработавших газов в пределах целевого энергетического диапазона для поддержания перепада давления выше порогового на детандере утилизационного цикла. Тепловую энергию отработавших газов можно определять как функцию от температуры отработавших газов и расхода отработавших газов. В решении Джиббла с соавторами, в состояниях с подводом тепловой энергии отработавших газов ниже порогового возможно падение КПД утилизационного цикла. В состояниях с потоком тепла отработавших газов выше целевого, размер компонентов утилизационного цикла может ограничивать рекуперацию тепла. В частности, для достижения максимальных уровней рекуперации тепла могут потребоваться компоненты утилизационного цикла большего размера, например, детандер, компрессор большего размера, и/или насос большего размера (мощности). При этом большие размеры компонентов могут стать причиной их большей тепловой инерции, приводящей к потерям энергии, а также удорожания компонентов и компоновочных ограничений. При применении термоэлектрических компонентов для рекуперации тепла отработавших газов, тепловая энергия отработавших газов выше целевой может стать причиной повреждения термочувствительных компонентов. Снизить колебания тепловой энергии отработавших газов, воздействующие на компоненты утилизационного цикла, можно за счет перепускного канала теплообменника, выполненного с возможностью направления по нему потока отработавших газов в состояниях, когда тепловая энергия отработавших газов выходит за пределы целевого диапазона. При этом, когда отработавшие газы текут в обход компонентов утилизационного цикла, происходит снижение количества тепла отработавших газов, которое можно рекуперировать.
Авторы настоящего изобретения определили решение, позволяющее по меньшей мере частично преодолеть вышеуказанные недостатки. Один пример способа содержит шаги, на которых: когда тепловая энергия отработавших газов выше первого порога, пропускают отработавшие газы через теплообменник после того, как часть тепловой энергии будет аккумулирована в устройстве аккумулирования тепловой энергии выше по потоку от теплообменника; и, когда тепловая энергия отработавших газов ниже второго порога, пропускают отработавшие газы через теплообменник после отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепловой энергии. Таким образом, ситуативное аккумулирование энергии из отработавших газов в устройстве аккумулирования тепла с последующим ее использованием для поддержания стабильного подвода тепловой энергии отработавших газов в теплообменник позволяет повысить эффективность рекуперации тепла отработавших газов.
В одном примере выпускная система двигателя может быть выполнена с устройством аккумулирования тепла ниже по потоку от каталитического нейтрализатора и теплообменником, соединенным с выпускным каналом, ведущим в выхлопную трубу. Теплообменник может входить в состав утилизационного цикла, при этом утилизационный цикл также включает в себя детандер (например, турбину), конденсатор и насос. Перепускной канал может быть соединен с выпускным каналом параллельно устройству аккумулирования тепла с возможностью направления отработавших газов, прошедших через каталитический нейтрализатор, в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла. С выпускным каналом может быть соединен канал рециркуляции из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла. Направление отработавших газов в теплообменник можно регулировать в зависимости от тепловой энергии отработавших газов, оцениваемой как функция от температуры отработавших газов и расхода отработавших газов, для поддержания тепловой энергии, подводимой к теплообменнику, в пределах целевого энергетического диапазона. В состояниях, когда тепловая энергия отработавших газов находится в пределах целевого диапазона, отработавшие газы можно направлять непосредственно в теплообменник по перепускному каналу. Тепло отработавших газов, рекуперированное в теплообменнике, может быть преобразовано в электроэнергию в утилизационном цикле с возможностью ее аккумулирования в аккумуляторной батарее для последующего использования. Кроме того, в состояниях холодного пуска двигателя весь объем отработавших газов может быть направлен непосредственно через теплообменник для ускорения рекуперации тепла отработавших газов при холодном пуске для нагрева двигателя. В состояниях, когда тепловая энергия отработавших газов превышает целевой диапазон, первая часть отработавших газов, соответствующая избыточной тепловой энергии, может быть направлена через устройство аккумулирования тепла с возможностью аккумулирования избыточной тепловой энергии в устройстве аккумулирования тепла. Остальная, вторая, часть отработавших газов, соответствующая целевому диапазону тепловой энергии, может быть направлена в теплообменник по перепускному каналу. Или же весь объем отработавших газов может быть направлен через устройство аккумулирования тепла с возможностью аккумулирования в нем тепла отработавших газов в пределах его емкости. В состояниях, когда тепловая энергия отработавших газов ниже целевого диапазона (например, при низкой температуре или расходе отработавших газов), можно осуществить рециркуляцию части охлажденных отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла по каналу рециркуляции. Затем можно осуществить нагрев данной части отработавших газов путем отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла с последующим объединением нагретых отработавших газов со свежими отработавшими газами перед пропусканием через теплообменник. В состояниях, когда тепловая энергия отработавших газов ниже целевого диапазона из-за низкого расхода отработавших газов, помимо рециркуляции отработавших газов, можно осуществить отбор воздуха окружающей среды в канал рециркуляции посредством нагнетателя с возможностью нагрева смеси воздуха и отработавших газов путем отбора тепла из устройства аккумулирования тепла перед ее пропусканием через теплообменник.
Таким образом, выборочное регулирование потока отработавших газов через теплообменник отработавших газов позволяет обеспечить стабильной подвод тепловой энергии отработавших газов, находящейся в пределах целевого энергетического диапазона, в теплообменник. Технический эффект от поддержания стабильного подвода тепловой энергии отработавших газов состоит в возможности поддержания целевого перепада давления на детандере утилизационного цикла и, тем самым, КПД утилизационного цикла. Технический эффект, достигаемый ситуативным аккумулированием избыточной энергии отработавших газов в устройстве аккумулирования тепла, состоит в том, что в состояниях с низкой тепловой энергией отработавших газов, за счет тепловой энергии, ранее аккумулированной в устройстве аккумулирования тепла, можно нагревать часть отработавших газов, поступающую в теплообменник, тем самым повышая тепловую энергию отработавших газов до целевого диапазона и обеспечивая поддержание стабильного потока энергии отработавших газов в теплообменнике и утилизационном цикле. Отбор воздуха окружающей среды в состояниях с низким расходом отработавших газов и нагрев смеси воздуха окружающей среды и отработавших газов за счет энергии, аккумулированной в устройстве аккумулирования тепла, позволяют повысить расход отработавших газов через теплообменник и поддерживать тепловую энергию отработавших газов, подводимую к теплообменнику, на необходимом уровне. Поддержание тепловой энергии отработавших газов, подводимой к теплообменнику, в целевом диапазоне позволяет эффективно осуществлять ситуативное аккумулирование в устройстве аккумулирования тепла и отбор энергии из него в утилизационном цикле, соединенном с теплообменником, для выработки электроэнергии в широком диапазоне рабочих состояний транспортного средства, в том числе - в периоды с неработающим двигателем в гибридно-электрических транспортных средствах. Кроме того, можно достичь более высокого КПД с меньшим количеством компонентов меньшего веса. Аккумулирование тепла отработавших газов в виде электроэнергии в аккумуляторной батарее позволяет эффективно использовать тепло отработавших газов, которое в ином случае было бы сброшено, для эксплуатации насосов, подачи тепла компонентам транспортного средства, эксплуатации моторов и т.п. В целом, увеличение рекуперации тепла отработавших газов улучшает эксплуатационные показатели двигателя и топливную экономичность.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое раскрытие изобретения служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это раскрытие не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного объекта изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание фигур чертежей
ФИГ. 1 изображает пример осуществления системы двигателя, содержащей систему рекуперации тепла отработавших газов.
ФИГ. 2А изображает систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1, работающую в первом режиме.
ФИГ. 2В изображает систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1, работающую во втором режиме.
ФИГ. 2C изображает систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1, работающую в третьем режиме.
ФИГ. 2D изображает систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1, работающую в четвертом режиме.
ФИГ. 2Е изображает систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1, работающую в пятом режиме.
ФИГ. 3 изображает блок-схему примера способа с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1 при наличии избыточной тепловой энергии отработавших газов.
ФИГ. 4 изображает блок-схему примера способа с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1 при наличии недостаточной тепловой энергии отработавших газов.
На ФИГ. 5 изображена таблица, иллюстрирующая различные режимы эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1.
На ФИГ. 6 раскрыт пример эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов по настоящему раскрытию.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание относится к системам и способам для рекуперации тепла отработавших газов. Пример осуществления системы рекуперации тепла отработавших газов двигателя, содержащей теплообменник в составе утилизационного цикла, раскрыт на ФИГ. 1. Различные режимы эксплуатации системы рекуперации тепла раскрыты на ФИГ. 2А-2Е и в табличной форме на ФИГ. 5. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью осуществления алгоритма управления, например, алгоритмов на ФИГ. 3 и 4, для изменения положений одного или нескольких клапанов выпускной системы для регулирования потока отработавших газов через компоненты системы рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1 для поддержания тепловой энергии, поступающей в теплообменник отработавших газов, в целевом диапазоне. Пример эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов раскрыт на ФИГ. 6.
На ФИГ. 1 схематически представлены особенности автотранспортного средства 102, содержащего пример системы 100 двигателя. В раскрываемом варианте двигатель 10 системы 100 двигателя представляет собой двигатель с наддувом, соединенный с турбонагнетателем 13, содержащим компрессор 114 с приводом от турбины 116. Свежий воздух поступает по заборному каналу 42 в двигатель 10 через воздухоочиститель 112, а затем - в компрессор 114. Компрессор может представлять собой любой подходящий компрессор всасываемого воздуха, например мотор-компрессор или приводимый от вала компрессор нагнетателя. В системе двигателя 10 компрессор представляет собой компрессор в составе турбонагнетателя, механически соединенный с турбиной 116 через вал 19, при этом турбину 116 приводят в действие расширяющиеся отработавшие газы двигателя.
На ФИГ. 1 компрессор 114 показан соединенным через охладитель 21 наддувочного воздуха ОНВ (САС) с дроссельной заслонкой 20. Дроссельная заслонка 20 соединена с впускным коллектором 22 двигателя. Заряд сжатого воздуха из компрессора поступает через охладитель 21 наддувочного воздуха и дроссельную заслонку во впускной коллектор. В варианте на ФИГ. 1А давление заряда воздуха во впускном коллекторе измеряет датчик 124 давления воздуха в коллекторе ДВК (MAP).
Один или несколько датчиков могут быть соединены с входом компрессора 114. Например, датчик 55 температуры может быть соединен с указанным входом для оценки температуры на входе компрессора, а датчик 56 давления может быть соединен с указанным входом для оценки давления на входе компрессора. В качестве еще одного примера, датчик 57 влажности может быть соединен с указанным входом для оценки влажности заряда воздуха, поступающего в компрессор. В число других датчиков могут входить, например, датчики воздушно-топливного отношения и т.п. В других примерах один или несколько параметров на входе компрессора (например, влажность, температуру, давление и т.п.) можно опосредованно определять по параметрам работы двигателя. Кроме того, когда осуществляют рециркуляцию отработавших газов РОГ (EGR), указанные датчики могут оценивать температуру, давление, влажность и воздушно-топливное отношение смешанного заряда воздуха, включающего в себя свежий воздух, рециркулируемый сжатый воздух и остаточные отработавшие газы, поступающие на вход компрессора.
Привод 92 регулятора давления наддува выполнен с возможностью приведения в действие для открытия регулятора и по меньшей мере частичного сброса давления отработавших газов из области выше по потоку от турбины в область ниже по потоку от нее через регулятор 91 давления наддува. Снижение давления отработавших газов выше по потоку от турбины позволяет уменьшить число оборотов турбины, что, в свою очередь, позволяет уменьшить помпаж компрессора.
Впускной коллектор 22 соединен с несколькими камерами 30 сгорания через несколько впускных клапанов (не показаны). Камеры сгорания в свою очередь соединены с выпускным коллектором 36 через несколько выпускных клапанов (не показаны). В раскрываемом варианте показан одинарный выпускной коллектор 36. При этом в других вариантах выпускной коллектор может содержать множество секций выпускного коллектора. Конфигурации с множеством секций выпускного коллектора позволяют направлять отработавшие газы из разных камер сгорания в разные области в системе двигателя.
В одном варианте осуществления любой из выпускных и впускных клапанов может быть выполнен с возможностью электронного приведения в действие или управления. В еще одном варианте любой из выпускных и впускных клапанов может быть выполнен с кулачковым приводом или управлением. Независимо от типа привода - электронного или кулачкового, моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов можно регулировать для достижения необходимых показателей в части сгорания и снижения токсичности выбросов.
В камеры 30 сгорания можно подавать одно или несколько топлив, например, бензин, спиртосодержащие смеси, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.п., через форсунку 66. Топливо можно подавать в камеры сгорания непосредственным впрыском, впрыском во впускной канал, впрыском в корпус дроссельной заслонки или используя любую комбинацию указанных способов. Для начала процесса горения в камерах сгорания можно использовать искровое зажигание и (или) воспламенение от сжатия.
x
Как показано на ФИГ. 1, отработавшие газы из одной или нескольких секций выпускного коллектора могут быть направлены в турбину 116 для приведения ее в действие. Объединенный поток из турбины и регулятора давления наддува далее течет через устройство 168 снижения токсичности выбросов. Устройство 168 нейтрализации отработавших газов выполнено с возможностью каталитической обработки потока отработавших газов и, тем самым, снижения содержания одного или нескольких веществ в потоке отработавших газов. Например, устройство 168 нейтрализации отработавших газов может быть выполнено с возможностью улавливания оксидов азота (NO) из потока отработавших газов, когда они являются обедненными, и восстановления уловленных оксидов азота, когда отработавшие газы являются обогащенными. В других примерах устройство 168 нейтрализации отработавших газов может быть выполнено с возможностью диспропорционирования или избирательного восстановления оксидов азота с помощью восстановителя. В дополнительных примерах устройство 168 нейтрализации отработавших газов может быть выполнено с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или угарного газа в потоке отработавших газов. Различные катализаторы нейтрализации отработавших газов с подобными функциональными возможностями могут быть расположены в покрытиях из пористых оксидов или в других областях ступеней нейтрализации отработавших газов по отдельности или совместно. В некоторых вариантах в состав указанных ступеней нейтрализации отработавших газов может входить регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления твердых частиц в потоке отработавших газов. Все или часть очищенных отработавших газов из устройства 168 нейтрализации отработавших газов могут быть сброшены в атмосферу по основному выпускному каналу 102 после прохождения через глушитель 172.
Подающая магистраль 190 рециркуляции отработавших газов (РОГ) может быть соединена с выпускным каналом 102 выше по потоку от устройства 168 нейтрализации отработавших газов (ниже по потоку от турбины 116) для подачи РОГ низкого давления (РОГ НД) во впускной коллектор двигателя выше по потоку от компрессора 114. Охладитель 192 РОГ может быть соединен с магистралью 190 РОГ для охлаждения отработавших газов перед их подачей во впускной коллектор. В дополнительных вариантах система двигателя может содержать путь потока РОГ высокого давления, в котором осуществляют отбор отработавших газов из области выше по потоку от турбины 116 и их рециркуляцию во впускной коллектор двигателя ниже по потоку от компрессора 114. С магистралью РОГ могут быть соединены один или несколько датчиков для выдачи информации о составе и состоянии РОГ. Клапан 191 РОГ может быть соединен с магистралью РОГ для регулирования потока отработавших газов из выпускного канала 102 в заборный канал 42.
Система 150 рекуперации тепла отработавших газов может быть соединена с основным выпускным каналом ниже по потоку от устройства 168 нейтрализации отработавших газов. Система 150 рекуперации тепла отработавших газов может содержать устройство 170аккумулирования тепла, размещенное в выпускном канале 102. Устройство аккумулирования тепла может содержать теплоноситель, например, материал с фазовым переходом МФП (РСМ), металл, жидкость и т.п. Устройство аккумулирования 170 тепла выполнено с возможностью ситуативного аккумулирования и отбора тепловой энергии из потока отработавших газов. Во время фазы зарядки устройства 170 аккумулирования тепла может происходить временное аккумулирование тепла от отработавших газов, текущих через устройство, в теплоносителе. Устройство 170 аккумулирования тепла также выполнено с возможностью эксплуатации в фазе разрядки, когда может происходить передача тепла от устройства отработавшим газам (или воздуху), текущим через устройство 170. В одном примере аккумулирование тепловой энергии в устройстве 170 аккумулирования тепла включает в себя переход материала с фазовым переходом в устройстве из твердой фазы в жидкую фазу, а отдача тепловой энергии - переход материала с фазовым переходом из жидкой фазы в твердую фазу. Перепускной канал 172 устройства 170 аккумулирования тепла может быть соединен с выпускным каналом и проходить из области выше по потоку от устройства 168 нейтрализации отработавших газов в область ниже по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла. Первый отводной клапан 171 может быть соединен с основным выпускным каналом 102 для регулирования потока отработавших газов через устройство 170 аккумулирования тепла и перепускной канал 172.
Система 150 рекуперации тепла может содержать теплообменник 174, соединенный с выпускным каналом 102 ниже по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла и выше по потоку от выхлопной трубы 35. Отработавшие газы, выходящие из устройства 170 аккумулирования тепла и перепускного канала 172, могут быть направлены в выхлопную трубу (для сброса в атмосферу) через теплообменник 174. В одном варианте система 150 рекуперации тепла может дополнительно содержать перепускной канал 152 теплообменника, соединенный с выпускным каналом и проходящий из области выше по потоку от теплообменника 174 в область ниже по потоку от теплообменника 174. Второй отводной клапан 151 может быть соединен с основным выпускным каналом 102 для регулирования потока отработавших газов через теплообменник 174 и перепускной канал 152 теплообменника.
Теплообменник может входить в состав утилизационного цикла 180. В одном примере утилизационный цикл 180 может представлять собой органический цикл Ренкина. Для оптимального КПД утилизационного цикла может быть нужно обеспечить стабильный поток отработавших газов с тепловой энергией отработавших газов в пределах целевого энергетического диапазона через теплообменник 174. Верхний предел целевого энергетического диапазона (в настоящем описании также именуемый «первый порог») и нижний предел энергетического диапазона (в настоящем описании также именуемый «второй порог») могут зависеть от одного или нескольких параметров утилизационного цикла, например, перепада давления на детандере, физических свойств рабочего тела, циркулирующего через утилизационный цикл, и температуры рабочего тела утилизационного цикла. Тепловая энергия, создаваемая отработавшими газами двигателя, может зависеть от параметров работы двигателя, и ее можно оценивать как функцию от температуры отработавших газов и расхода отработавших газов. Тепловая энергия отработавших газов может быть тем больше, чем выше температура отработавших газов и расход отработавших газов. Поток отработавших газов со слишком большой тепловой энергией (например, отработавшие газы с тепловой энергией выше первого порога или верхнего предела утилизационного цикла), а также отработавшие газы со слишком малой тепловой энергией (например, отработавшие газы с тепловой энергией ниже второго порога или нижнего предела утилизационного цикла) могут стать причиной падения КПД утилизационного цикла. Кроме того, отработавшие газы с тепловой энергией выше первого порога могут стать причиной теплового разрушения компонентов утилизационного цикла. Поддержание стабильного подвода тепла отработавших газов в утилизационный цикл позволяет поддерживать более высокий КПД, даже при меньшем размере и весе компонентов утилизационного цикла, тем самым обеспечивая преимущества в части снижения себестоимости и числа компонентов. Поддержание стабильной отдачи электроэнергии из утилизационного цикла позволяет эффективнее регулировать и использовать электроэнергию из аккумуляторной батареи.
В состав органического цикла Ренкина могут входить детандер 182, например, турбина, конденсатор 186 и насос 188. Через компоненты цикла Ренкина можно осуществлять циркуляцию органического рабочего тела, например, R45fa, R123, толуола и т.п. с достаточно низкой температурой кипения. Может происходить передача тепла от отработавших газов, текущих через теплообменник, органическому телу, циркулирующему через теплообменник. Нагретое тело может далее течь через турбину 182 с возможностью приведения ее в действие за счет тепловой энергии. Выработка электроэнергии из тепловой энергии может происходить за счет вращения турбины 182 с возможностью аккумулирования электроэнергии в аккумуляторной батарее 184, соединенной с турбиной 182. Для эффективной выработки электричества можно поддерживать целевой перепад давления на турбине 182 путем поддержания стабильного потока (в пределах целевого диапазона) отработавших газов через теплообменник 174. За счет электроэнергии из аккумуляторной батареи можно осуществлять такие функции, как эксплуатация мотора компрессора, эксплуатация насоса, нагрев головки блока цилиндров, обогрев и освещение салона транспортного средства и т.п. После прохождения через турбину, охлажденное органическое тело может быть направлено в конденсатор 186, где происходит охлаждение данного тела охлаждающей текучей средой. В одном примере охлаждающая текучая среда представляет собой охлаждающую жидкость двигателя. Затем можно осуществить циркуляцию охлажденного рабочего тела обратно в теплообменник через насос 188 с возможностью поглощения телом тепла отработавших газов и повторить цикл. Так можно эффективно рекуперировать тепло отработавших газов и преобразовывать его в электроэнергию. Следует понимать, что, несмотря на то, что в вышеприведенном примере раскрыт органический цикл Ренкина, в других примерах для рекуперации тепла отработавших газов могут быть применены утилизационные циклы других типов. Например, в их число могут входить паровой цикл Ренкина, цикл Брайтона, цикл Калины и цикл Стирлинга. Или же для выработки электричества из рекуперированной тепловой энергии отработавших газов можно применять термоэлектрические материалы.
Канал 173 рециркуляции может быть соединен с основным выпускным каналом для рециркуляции отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника 174 в область выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла (и ниже по потоку от отводного клапана 171). Рециркуляционный клапан 175 может быть соединен с местом соединения канала 173 и основного выпускного канала 102 ниже по потоку от теплообменника 174 для регулирования потока отработавших газов из основного выпускного канала 102 в канал 173 рециркуляции. Регулирование положения рециркуляционного клапана 175 позволяет осуществлять рециркуляцию части отработавших газов после рекуперации тепла отработавших газов в теплообменнике обратно в основной выпускной канал, в место выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла, по каналу 173 рециркуляции. Нагнетатель 179 может быть соединен с каналом 173 рециркуляции для облегчения рециркуляции потока отработавших газов. Вентиляционная линия 190 с вентиляционным клапаном 192 может быть соединена с каналом рециркуляции посредством нагнетателя 179. В состояниях с низкой тепловой энергией отработавших газов из-за низкого расхода отработавших газов, с помощью нагнетателя 179 можно осуществлять забор воздуха окружающей среды в канал рециркуляции по вентиляционной линии 190. Смесь воздуха и отработавших газов с повышенным расходом можно далее направить в основной выпускной канал выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла по каналу 173 рециркуляции. Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в одном из множества режимов, при этом выбор режима зависит от соотношения уровня тепловой энергии отработавших газов двигателя и целевого энергетического диапазона. Выбор режима в зависимости от уровня тепловой энергии позволяет поддерживать уровень тепловой энергии отработавших газов в пределах целевого энергетического диапазона во время течения отработавших газов через теплообменник. В результате происходит увеличение передачи тепла в утилизационный цикл.
Например, систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в первом режиме, в котором отводной клапан 171 полностью открыт, для направления всего объема отработавших газов, выходящих из устройства 168 нейтрализации отработавших газов, в теплообменник 174 по перепускному каналу 172. В данном режиме отработавшие газы поступают в теплообменник в обход устройства 170 аккумулирования тепла. Так как отработавшие газы не текут через устройство 170 аккумулирования тепла, не происходит ни аккумулирование тепла отработавших газов в устройстве 170 аккумулирования тепла, ни его отбор из него. В первом режиме рециркуляционный клапан 175 находится в закрытом положении для блокирования рециркуляции отработавших газов в устройство аккумулирования тепла по каналу 173 рециркуляции. Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в первом режиме в рабочих состояниях двигателя, например, состояниях средней нагрузки, когда тепловая энергия отработавших газов находится в пределах целевого диапазона. В состояниях холодного пуска двигателя систему рекуперации тепла также можно эксплуатировать в первом режиме с возможностью направления всего объема отработавших газов непосредственно через теплообменник для ускоренной рекуперации тепла отработавших газов для удовлетворения потребностей в нагреве двигателя и потребностей салона транспортного средства. Эксплуатация системы рекуперации тепла отработавших газов в первом режиме подробнее раскрыта на примере ФИГ. 2А.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать во втором режиме, в котором отводной клапан 171 открыт частично, для направления первой части отработавших газов в теплообменник 174 по перепускному каналу 172 с одновременным направлением второй (остальной) части отработавших газов в теплообменник 174 через устройство 170 аккумулирования тепла. В данном режиме рециркуляционный клапан 175 может быть оставлен в закрытом положении. Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать во втором режиме в рабочих состояниях двигателя, например, в состояниях высокой нагрузки, когда тепловая энергия отработавших газов превышает верхний предел целевого энергетического диапазона (то есть при наличии избыточной тепловой энергии отработавших газов), и разность результата оценки тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого энергетического диапазона ниже пороговой. Избыточную тепловую энергию (то есть сверх верхнего предела целевого диапазона) из второй части отработавших газов (но не из первой части) можно аккумулировать в устройстве 170 аккумулирования тепла при протекании второй части отработавших газов через устройство 170 аккумулирования тепла. Эксплуатация системы рекуперации тепла отработавших газов во втором режиме подробнее раскрыта на примере ФИГ. 2В.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в третьем режиме, в котором отводной клапан 171 полностью закрыт, для направления всего объема отработавших газов в теплообменник 174 через устройство 170 аккумулирования тепла. В данном режиме рециркуляционный клапан 175 также может быть оставлен в закрытом положении. Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в третьем режиме в рабочих состояниях двигателя, например, в состояниях с пиковой нагрузкой, когда тепловая энергия отработавших газов превышает верхний предел целевого энергетического диапазона (то есть при наличии избыточной тепловой энергии отработавших газов), и разность результата оценки тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого энергетического диапазона выше пороговой. В данном режиме избыточную энергию из отработавших газов можно аккумулировать в устройстве 170 аккумулирования тепла при протекании всего объема отработавших газов через устройство 170 аккумулирования тепла. Во время эксплуатации в данном режиме, в связи с возрастанием степени заряженности устройства 170 аккумулирования тепла до ее верхнего предела, не может быть продолжено аккумулирование тепловой энергии в устройстве 170. При этом, поскольку тепловая энергия отработавших газов превышает верхний предел целевого энергетического диапазона, если весь объем отработавших газов будет направлен через теплообменник, возможно ухудшение характеристик компонентов утилизационного цикла. В таких состояниях клапан 151 можно открыть частично для пропускания первой части отработавших газов, выходящей из устройства 170 аккумулирования тепла, по перепускному каналу (в обход теплообменника 174), тогда как вторая (остальная) часть отработавших газов течет через теплообменник 174. Эксплуатация системы рекуперации тепла отработавших газов в третьем режиме подробнее раскрыта на примере ФИГ. 2С.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в четвертом режиме, в котором отводной клапан 171 полностью закрыт, для направления всего объема отработавших газов в теплообменник 174 через устройство 170 аккумулирования тепла. В четвертом режиме рециркуляционный клапан 175 можно открыть для отвода по меньшей мере части охлажденных отработавших газов, выходящих из теплообменника 174, в основной выпускной канал 102 выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла. Далее может произойти смешивание рециркулируемых отработавших газов с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, и их течение через устройство 170 аккумулирования тепла. Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в четвертом режиме в рабочих состояниях двигателя, например, в состояниях с низкой нагрузкой, когда тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего предела целевого энергетического диапазона. Поддерживать стабильный поток отработавших газов (с тепловой энергией отработавших газов в пределах целевого диапазона) можно за счет отбора тепла, ранее аккумулированного в устройстве 170 аккумулирования тепла, при протекании рециркулируемых отработавших газов через устройство аккумулирования тепла перед их направлением (вместе со свежими отработавшими газами) через теплообменник. Эксплуатация системы рекуперации тепла отработавших газов в четвертом режиме подробнее раскрыта на примере ФИГ. 2D.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в пятом режиме, в котором отводной клапан 171 полностью закрыт, для направления всего объема отработавших газов в теплообменник 174 через устройство 170 аккумулирования тепла. В данном режиме рециркуляционный клапан 175 можно открыть для отвода по меньшей мере части охлажденных отработавших газов, выходящих из теплообменника 174, в основной выпускной канал 102 выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла. Кроме того, можно осуществить забор воздуха окружающей среды в канал рециркуляции по вентиляционной линии 190 с помощью нагнетателя 179. Затем происходит рециркуляция смеси воздуха и отработавших газов в основной выпускной канал 102 выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла. Далее может произойти смешивание смеси воздуха и отработавших газов с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, и их течение через устройство 170 аккумулирования тепла. Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в пятом режиме в рабочих состояниях двигателя, например, в состояниях холостого хода или в состояниях с неработающим двигателем в случае гибридно-электрического транспортного средства, когда тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего предела целевого энергетического диапазона и расход отработавших газов ниже порогового. Для поддержания стабильного потока отработавших газов (с тепловой энергией отработавших газов в пределах целевого диапазона), за счет тепла, ранее аккумулированного в устройстве 170 аккумулирования тепла, можно осуществлять нагрев воздуха окружающей среды и рециркулируемых отработавших газов с их последующим направлением (вместе со свежими отработавшими газами) через теплообменник. Эксплуатация системы рекуперации тепла отработавших газов в пятом режиме подробнее раскрыта на примере ФИГ. 2Е.
Таким образом, в первом состоянии можно осуществлять рециркуляцию части отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника 174 в область выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла с возможностью смешивания рециркулируемых отработавших газов с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, с образованием объединенного потока отработавших газов, при этом нагрев объединенного потока отработавших газов можно осуществлять путем отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла, после чего объединенный поток отработавших газов можно направить через теплообменник. Во втором состоянии можно осуществлять забор воздуха окружающей среды посредством нагнетателя 178, соединенного с вентиляционной линией 190, при этом воздух окружающей среды можно направлять в область выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла, при этом может происходить смешивание воздуха окружающей среды с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, с образованием объединенного потока отработавших газов, при этом нагрев объединенного потока отработавших газов можно осуществлять путем отбора тепловой энергии из устройства 170 аккумулирования тепла, после чего объединенный поток отработавших газов можно направить через теплообменник 174. Первое состояние включает в себя то, что тепловая энергия ниже нижнего предела из-за температуры отработавших газов ниже пороговой и расхода отработавших газов выше порогового, а второе состояние включает в себя то, что тепловая энергия ниже нижнего предела из-за температуры отработавших газов выше пороговой и расхода отработавших газов ниже порогового. Второе состояние также может включать в себя то, что тепловая энергия ниже нижнего предела из-за температуры отработавших газов ниже пороговой и расхода отработавших газов ниже порогового. Рабочие режимы системы 150 рекуперации тепла отработавших газов подробно раскрыты на примерах ФИГ. 2А-2Е.
Система 100 двигателя может также содержать систему 14 управления. Система 14 управления показана получающей информацию от множества датчиков 16 (ряд примеров которых раскрыт в настоящем описании) и направляющей управляющие сигналы множеству исполнительных устройств 18 (ряд примеров которых раскрыт в настоящем описании). Например, в число датчиков 16 могут входить: датчик 126 кислорода в отработавших газах выше по потоку от турбины 116, датчик 124 ДВК, датчик 128 температуры отработавших газов, датчик 129 давления отработавших газов и датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя. Прочие датчики, например, дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения, расхода и состава могут быть установлены в различных местах в системе 100 двигателя. В число исполнительных устройств 81 могут входить, например, дроссель 20, отводной клапан 171, рециркуляционный клапан 175, нагнетатель 179, насос 188, регулятор 92 давления наддува, вентиляционный клапан 192 и топливная форсунка 66. Система 14 управления может содержать контроллер 12. Контроллер выполнен с возможностью приема входных данных от различных датчиков, обработки этих входных данных и приведения в действие различных исполнительных устройств в зависимости от результатов обработки входных данных в соответствии с инструкцией или кодом, запрограммированным в нем и соответствующим одному или нескольким алгоритмам. В одном примере, по измеренной датчиком температуре отработавших газов и расходу отработавших газов контроллер 12 может вычислить тепловую энергию отработавших газов и, сравнив результат вычисления тепловой энергии с целевым диапазоном, может направить сигнал отводному клапану 171 и рециркуляционному клапану 175 для регулирования прохода отводного клапана и рециркуляционного клапана для выбора пути потока отработавших газов через устройство 170 аккумулирования тепла, перепускной канал 172, теплообменник 174 и канал 173 рециркуляции. В другом примере, в зависимости по меньшей мере от измеренного датчиком расхода отработавших газов, контроллер может направить выходной сигнал мощности приводу, соединенному с нагнетателем 179, и открыть вентиляционный клапан 192 для пропуска необходимого количества воздуха окружающей среды в систему 150 рекуперации тепла отработавших газов.
В некоторых примерах транспортное средство 102 может представлять собой гибридное транспортное средство с возможностью подвода крутящего момента к одному или нескольким колесам 55 транспортного средства из нескольких источников. В других примерах транспортное средство 5 представляет собой традиционное транспортное средство только с двигателем или электрическое транспортное средство только с электрической машиной (машинами). В представленном примере транспортное средство 102 содержит двигатель 10 и электрическую машину 52. Электрическая машина 52 может представлять собой мотор или мотор-генератор. Двигатель 10 и электрическая машина 52 связаны посредством трансмиссии 54 с колесами 55 транспортного средства, когда одна или несколько муфт 56 находятся в зацеплении. В изображенном примере первая муфта 56 установлена между двигателем 10 и электрической машиной 52, а вторая муфта 56 - между электрической машиной 52 и трансмиссией 54. Контроллер 12 может направлять сигнал исполнительному устройству каждой из муфт 56 для ввода муфты в зацепление или вывода ее из зацепления для соединения или разъединения двигателя 10 и электрической машины 52 и связанных с нею компонентов и/или соединения или разъединения электрической машины 52 и трансмиссии 54 и связанных с нею компонентов. Трансмиссия 54 может представлять собой трансмиссию с коробкой передач, систему планетарной передачи или трансмиссию иного типа. В зависимости от типа силовой установки, транспортное средство может быть выполнено как параллельный гибрид, последовательный гибрид или последовательно-параллельный гибрид.
Электрическая машина 52 получает электропитание от тяговой аккумуляторной батареи 58 для подвода крутящего момента колесам 55 транспортного средства. Электрическую машину 52 также можно эксплуатировать как генератор для выработки электроэнергии для зарядки аккумуляторной батареи 58, например, во время торможения.
ФИГ. 2А изображает пример 200 осуществления эксплуатации системы 150 рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1 в первом рабочем режиме. В одном примере система 150 рекуперации тепла отработавших газов может представлять собой систему 150 рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1 и, в связи с этим, иметь с ней общие признаки и/или конфигурации, уже раскрытые на ФИГ. 1. Компоненты, раскрытые ранее на ФИГ. 1, имеют аналогичные номера и не будут представлены повторно.
Как показано на ФИГ. 2А, устройство 170 аккумулирования тепла может быть соединено с выпускным каналом 102. Устройство аккумулирования тепла может быть выполнено достаточно небольшим по размеру для снижения себестоимости системы рекуперации тепла отработавших газов. Устройство аккумулирования тепла может содержать теплоноситель, например, материал с фазовым переходом (МФП), металл, жидкость и т.п. Например, в применяемом МФП может происходить переход из твердой фазы в твердую, из твердой фазы в жидкую или из жидкой фазы в паровую для приема тепла от отработавших газов, текущих через устройство 170 аккумулирования тепла. Во время фазы зарядки устройства 170 аккумулирования тепла может происходить временное аккумулирование тепла от отработавших газов в теплоносителе, при этом устройство аккумулирования тепла (МФП) может иметь конечную емкость по аккумулированию энергии, и при ее заполнении дальнейшая передача тепла в МФП может не происходить. Кроме того, из-за относительного небольшого размера устройства аккумулирования тепла, аккумулирование тепловой энергии не может происходить в течение долгого периода времени. Устройство 170 аккумулирования тепла также можно эксплуатировать в режиме разрядки с возможностью передачи тепла из устройства отработавшим газам (или воздуху), текущим через устройство 170. Перепускной канал 172 может брать начало в выпускном канале 102 в месте 202 соединения выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла и заканчиваться в выпускном канале в месте 204 соединения ниже по потоку от устройства 170. Отводной клапан 171 может быть соединен с выпускным каналом 102 ниже по потоку от места 202 соединения для регулирования потока отработавших газов по перепускному каналу 172. Проход отводного клапана 171 можно регулировать для направления по меньшей мере части отработавших газов по перепускному каналу в обход указанного устройства 170 аккумулирования тепла с одновременным направлением остальной части отработавших газов в теплообменник через устройство 170 аккумулирования тепла. В одном варианте перепускной канал 152 теплообменника может быть соединен с выпускным каналом и проходить из области выше по потоку от теплообменника 174 в область ниже по потоку от теплообменника 174. Проход отводного клапана 151, соединенного с основным выпускным каналом 102, можно регулировать для направления части отработавших газов по перепускному каналу 152, то есть в обход теплообменника 174.
В первом режиме отводной клапан 171 установлен в полностью открытое положение, а рециркуляционный клапан 175 - в полностью закрытое положение. Кроме того, вентиляционный клапан 192 в вентиляционной линии 190 оставляют в закрытом положении для блокирования потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию 190. В связи с открытым положением отводного клапана 171, отработавшие газы, выходящие из устройства нейтрализации отработавших газов, могут не течь через устройство 170 аккумулирования тепла, а поступать в перепускной канал 172 (в месте 202 соединения). Весь объем отработавших газов (обозначенный сплошными линиями) может течь в обход устройства 170 аккумулирования тепла (по перепускному каналу 172) и поступать в теплообменник 174. Так как отработавшие газы текут в обход устройства 170 аккумулирования тепла, в данном режиме не происходит аккумулирование тепловой энергии в устройстве 170, и вся тепловая энергия может быть направлена в теплообменник 174. Тепловая энергия из отработавших газов может быть передана органическому рабочему телу, циркулирующему через теплообменник. Далее рекуперированную тепловую энергию можно преобразовать в электроэнергию посредством утилизационного цикла 180 и аккумулировать в аккумуляторной батарее для использования в будущем. Так как рециркуляционный клапан 175 находится в закрытом положении, отработавшие газы, выходящие из теплообменника, могут не поступать в канал рециркуляции и могут быть сброшены в атмосферу по выхлопной трубе.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в первом режиме в определенных рабочих состояниях двигателя, в том числе - при холодном пуске двигателя, когда нужна рекуперация тепла отработавших газов для нагрева двигателя и обогрева салона транспортного средства. Кроме того, систему 150 можно эксплуатировать в первом режиме в состояниях со средней нагрузкой двигателя, когда тепловая энергия отработавших газов, текущих через теплообменник 174, находится в пределах целевого энергетического диапазона.
Например, систему 150 можно эксплуатировать в первом режиме, когда устройство 170 аккумулирования тепла насыщено энергией (на полную емкость) и не может продолжить принимать тепловую энергию, не отдав сначала по меньшей мере некоторое количество энергии. В состояниях, когда устройство аккумулирования тепла заряжено на полную емкость, избыточная тепловая энергия отработавших газов (то есть вне целевого энергетического диапазона) может быть направлена через теплообменник 174. При этом, если тепловая энергия отработавших газов превышает целевой диапазон, отводной клапан 151 можно открыть по меньшей мере частично для пропускания первой части отработавших газов через перепускной канал 152 теплообменника, а остальная (вторая) часть отработавших газов может течь через теплообменник 174. Может происходить рекуперация тепловой энергии в утилизационном цикле из второй части отработавших газов, текущей через теплообменник. Соотношение первой и второй частей можно регулировать в зависимости от разности фактической тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого диапазона. Проход отводного клапана 151 можно увеличивать для увеличения первой части отработавших газов по мере роста разности фактической тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого диапазона, при этом проход отводного клапана 151 можно уменьшать для уменьшения первой части отработавших газов по мере уменьшения разности фактической тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого диапазона.
ФИГ. 2В иллюстрирует эксплуатацию системы 150 рекуперации тепла отработавших газов во втором режиме. Во втором режиме отводной клапан 171 установлен в частично открытое положение, а рециркуляционный клапан 175 оставляют в закрытом положении. Кроме того, вентиляционный клапан 192 в вентиляционной линии 190 может быть оставлен в закрытом положении для блокирования потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию 190. В связи с частично открытым положением отводного клапана 171, первая часть отработавших газов, выходящих из устройства нейтрализации отработавших газов, может течь в теплообменник 174 по перепускному каналу 172 без протекания через устройство аккумулирования тепла. Вторая (остальная) часть отработавших газов может течь в теплообменник 174 через устройство 170 аккумулирования тепла. Соотношение первой и второй частей может быть выбрано в зависимости от разности тепловой энергии отработавших газов и верхнего порога целевого энергетического диапазона. В одном примере первую часть можно увеличивать относительно второй части по мере уменьшения разности тепловой энергии отработавших газов и верхнего порога. В другом примере первую часть можно уменьшать относительно второй части по мере роста разности тепловой энергии отработавших газов и верхнего порога. Так можно направить избыточную энергию отработавших газов сверх целевого (нужного для оптимального функционирования утилизационного цикла 180) энергетического диапазона через устройство 170 аккумулирования тепла. Кроме того, соотношение первой и второй частей можно регулировать в зависимости от текущей степени заряженности (состояния тепловой энергии) устройства 170 аккумулирования тепла. В данном случае вторую часть можно увеличивать относительно первой части по мере роста степени заряженности устройства 170 аккумулирования тепла. Степень открытия отводного клапана 171 можно регулировать для обеспечения выбранного соотношения первой и второй частей, при этом проход отводного клапана увеличивают для уменьшения первой части и соответствующего увеличения второй части. При протекании второй части отработавших газов через устройство 170 аккумулирования тепла может происходить зарядка устройства 170 и аккумулирование по меньшей мере части тепловой энергии отработавших газов из второй части для использования в будущем.
Первая и вторая части отработавших газов могут объединяться выше по потоку от теплообменника 174, а затем поступать в теплообменник 174. Тепловая энергия из обеих частей отработавших газов может быть передана органическому рабочему телу, циркулирующему через теплообменник. Далее рекуперированную тепловую энергию можно преобразовать в электроэнергию посредством утилизационного цикла 180 и аккумулировать в аккумуляторной батарее для использования в будущем при эксплуатации компонентов транспортного средства. Так как в это время рециркуляционный клапан 175 находится в закрытом положении, отработавшие газы, покидающие теплообменник, могут не поступать в канал рециркуляции и могут быть сброшены в атмосферу по выхлопной трубе.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать во втором режиме в состояниях с высокой нагрузкой двигателя, когда тепловая энергия отработавших газов превышает верхний предел целевого энергетического диапазона. Систему 150 можно эксплуатировать во втором режиме при условии, что степень заряженности устройства 170 аккумулирования тепла ниже пороговой (то есть устройство не насыщено энергией), и он может аккумулировать энергию из отработавших газов, текущих через него. Ситуативное аккумулирование избыточной тепловой энергии из части потока отработавших газов позволяет впоследствии ситуативно использовать аккумулированную энергию для нагрева отработавших газов и/или воздуха окружающей среды для поддержания стабильного подвода тепловой энергии в теплообменнике 174.
ФИГ. 2С иллюстрирует эксплуатацию системы 150 рекуперации тепла отработавших газов в третьем режиме. В третьем режиме отводной клапан 171 может быть установлен в полностью закрытое положение, а рециркуляционный клапан 175 может быть оставлен в закрытом положении. Кроме того, вентиляционный клапан 192 в вентиляционной линии 190 может быть оставлен в закрытом положении для блокирования потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию 190. В связи с полностью закрытым положением отводного клапана 171, весь объем отработавших газов, выходящих из устройства нейтрализации отработавших газов, может течь в теплообменник 174 через устройство 170 аккумулирования тепла. При протекании отработавших газов через устройство 170 аккумулирования тепла может происходить зарядка устройства 170 и аккумулирование по меньшей мере части тепловой энергии отработавших газов. Таким образом, избыточную энергию отработавших газов сверх целевого (нужного для оптимального функционирования утилизационного цикла 180) энергетического диапазона можно аккумулировать в устройстве 170 аккумулирования тепла для использования в будущем. Отработавшие газы, выходящие из устройства 170 аккумулирования тепла, могут далее поступать в теплообменник 174. Оставшаяся (после прохождения через устройство 170 аккумулирования тепла) тепловая энергия отработавших газов может находиться в целевом энергетическом диапазоне и может быть передана органическому рабочему телу, циркулирующему через теплообменник. Далее рекуперированную тепловую энергию можно преобразовать в электроэнергию посредством утилизационного цикла 180 и аккумулировать в аккумуляторной батарее для использования в будущем при эксплуатации компонентов транспортного средства. Так как рециркуляционный клапан 175 находится в закрытом положении, отработавшие газы, выходящие из теплообменника, могут не поступать в канал рециркуляции и могут быть сброшены в атмосферу по выхлопной трубе.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в третьем режиме в рабочих состояниях двигателя с пиковой нагрузкой, когда тепловая энергия отработавших газов превышает верхний предел целевого энергетического диапазона. Для эксплуатации системы в третьем режиме может быть нужно получить подтверждение того, что разность верхнего предела целевого энергетического диапазона и тепловой энергии отработавших газов выше пороговой. В связи с наличием повышенной тепловой энергии отработавших газов, в устройстве аккумулирования тепла можно аккумулировать большую часть энергии. Систему 150 можно эксплуатировать в третьем режиме до тех пор, пока степень заряженности устройства 170 аккумулирования тепла не достигнет пороговой степени заряженности, при которой устройство насыщено энергией и неспособно продолжать аккумулировать энергию из потока отработавших газов. Следует понимать, что второй режим (раскрытый на ФИГ. 2В) может включать в себя третий режим, причем проход отводного клапана 171 уменьшают до тех пор, пока он не достигнет закрытого положения (как в третьем режиме) для пропускания отработавших газов через устройство 170 аккумулирования тепла перед поступлением в теплообменник 174, при этом поток отработавших газов не отводят по перепускному каналу 173.
Во время эксплуатации в третьем режиме, при возрастании степени заряженности устройства 170 аккумулирования тепла до пороговой, при которой устройство насыщено энергией, аккумулирование тепловой энергии из отработавших газов в устройстве 170 не может быть продолжено (до тех пор, пока не будет отдана по меньшей мере часть энергии). При этом, поскольку тепловая энергия отработавших газов превысит верхний предел целевого энергетического диапазона, если весь объем отработавших газов будет направлен через теплообменник, возможно ухудшение характеристик компонентов утилизационного цикла. В таких состояниях клапан 151 можно открыть частично для направления первой части отработавших газов, выходящей из устройства 170 аккумулирования тепла, по перепускному каналу (в обход теплообменника 174), в то время как вторая (остальная) часть отработавших газов течет через теплообменник 174. Соотношение первой и второй частей можно регулировать в зависимости от разности фактической тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого диапазона. Проход отводного клапана 151 можно увеличивать для увеличения первой части отработавших газов по мере роста разности фактической тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого диапазона, при этом проход отводного клапана 151 можно уменьшать для уменьшения первой части отработавших газов по мере уменьшения разности фактической тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого диапазона. Кроме того, как только будет достигнута пороговая степень заряженности (устройства аккумулирования тепла), отводной клапан 171 можно полностью открыть для пропуска отработавших газов в обход устройства 170 аккумулирования тепла с последующим поступлением в перепускной канал 152 теплообменника и теплообменник 174.
ФИГ. 2D иллюстрирует эксплуатацию системы 150 рекуперации тепла отработавших газов в четвертом режиме. В четвертом режиме отводной клапан 171 устанавливают в полностью закрытое положение, а рециркуляционный клапан 175 - в открытое положение. Вентиляционный клапан 192 в вентиляционной линии 190 может быть оставлен в закрытом положении для блокирования потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию 190. В связи с полностью закрытым положением отводного клапана 171, весь объем отработавших газов, выходящих из устройства нейтрализации отработавших газов, может течь в теплообменник 174 через устройство 170 аккумулирования тепла. Отработавшие газы, выходящие из устройства 170 аккумулирования тепла, могут далее течь через теплообменник 174. Так как рециркуляционный клапан 175 открыт, по меньшей мере часть охлажденных отработавших газов, выходящих из теплообменника 174, может поступать в канал 173 рециркуляции, и может быть направлена в выпускной канал 102 (в месте соединения 210) посредством нагнетателя. Нагнетатель может облегчить направление отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника 174 в область выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла. Далее может происходить объединение охлажденных отработавших газов с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, и объединенный поток отработавших газов может поступать в устройство 170 аккумулирования тепла.
В четвертом режиме устройство 170 аккумулирования тепла может работать в режиме разрядки, и может происходить передача тепловой энергии, ранее аккумулированной (из отработавших газов) во время эксплуатации системы 150 рекуперации тепла во втором и третьем режиме, отработавшим газам, текущим через устройство 170 аккумулирования тепла. Отработавшие газы можно нагревать до такой степени, чтобы тепловая энергия отработавших газов, поступающих в теплообменник, была в пределах целевого диапазона. Степень нагрева может зависеть от тепловой энергии (определяемой как функция от температуры и расхода отработавших газов) отработавших газов, образовавшихся в двигателе. Проход рециркуляционного клапана 175 также может зависеть от тепловой энергии отработавших газов, образовавшихся в двигателе. Чем меньше тепловая энергия отработавших газов, образовавшихся в двигателе, тем больший объем отработавших газов можно направить на рециркуляцию через клапан 175 для нагрева в устройстве 170 аккумулирования тепла. В одном примере проход клапана 175 можно увеличивать по мере уменьшения тепловой энергии отработавших газов, образовавшихся в двигателе.
При протекании нагретых отработавших газов через теплообменник 174 может происходить рекуперация тепловой энергии из отработавших газов рабочим телом с возможностью последующего преобразования рекуперированной тепловой энергии в электроэнергию посредством утилизационного цикла 180 и ее аккумулирования в аккумуляторной батарее для использования в будущем при эксплуатации компонентов транспортного средства. Таким образом, даже в рабочих состояниях двигателя, когда тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего порога целевого диапазона, КПД утилизационного цикла 180 можно поддерживать за счет обеспечения стабильного подвода отработавших газов в теплообменник 174.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в четвертом режиме в рабочих состояниях двигателя с низкой нагрузкой, когда тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего предела целевого энергетического диапазона. Для эксплуатации системы 150 рекуперации тепла отработавших газов в четвертом режиме может быть нужно получить подтверждение того, что расход отработавших газов превышает пороговый, чтобы можно было осуществлять рециркуляцию по меньшей мере части отработавших газов и ее нагрев в устройстве 170 аккумулирования тепла. Энергия, расходуемая на эксплуатацию нагнетателя 179 для рециркуляции отработавших газов, может быть меньше дополнительной электроэнергии, вырабатываемой в утилизационном цикле 180 (из рециркулируемого потока отработавших газов), в связи с чем процесс рекуперации тепла отработавших газов в целом энергоэффективен.
ФИГ. 2Е иллюстрирует эксплуатацию системы 150 рекуперации тепла отработавших газов в пятом режиме. В пятом режиме отводной клапан 171 устанавливают в полностью закрытое положение, а рециркуляционный клапан 175 - в открытое положение. Вентиляционный клапан 192 в вентиляционной линии 190 может быть установлен в открытое положение для пропуска потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию 190. В связи с полностью закрытым положением отводного клапана 171, весь объем отработавших газов, выходящих из устройства 168 нейтрализации отработавших газов, может течь в теплообменник 174 через устройство 170 аккумулирования тепла. Отработавшие газы, выходящие из устройства 170 аккумулирования тепла, могут далее течь через теплообменник 174. В связи с открытием вентиляционного клапана 192, может происходить забор воздуха окружающей среды в вентиляционную линию 190 нагнетателем 179. Воздух окружающей среды можно далее направить в выпускной канал 102 (в месте соединения 210) выше по потоку от устройства 170 аккумулирования тепла. Далее может происходить смешивание воздуха с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, и объединенная газовая смесь может поступать в устройство 170 аккумулирования тепла.
В пятом режиме устройство 170 аккумулирования тепла может работать в режиме разрядки с возможностью передачи тепловой энергии, аккумулированной ранее (из предыдущего потока отработавших газов во время эксплуатации системы 150 рекуперации тепла во втором или третьем режиме), объединенному потоку воздуха и отработавших газов через устройство 170 аккумулирования тепла. Поток воздуха и отработавших газов можно нагревать до такой степени, чтобы тепловая энергия газовой смеси, поступающей в теплообменник, была в пределах целевого диапазона. Степень нагрева может зависеть от тепловой энергии (температуры и расхода) отработавших газов. Проход вентиляционного клапана 192 может зависеть от результата измерения расхода отработавших газов. В одном примере, в связи с падением расхода отработавших газов, объем забираемого воздуха окружающей среды можно увеличить с соответствующим увеличением прохода вентиляционного клапана 192 для повышения расхода отработавших газов (и, тем самым, тепловой энергии отработавших газов). В другом примере, в связи с ростом расхода отработавших газов, объем забираемого воздуха окружающей среды можно уменьшить с соответствующим уменьшением прохода вентиляционного клапана 192 для снижения расхода отработавших газов (и, тем самым, тепловой энергии отработавших газов).
При протекании нагретой смеси (отработавших газов и воздуха) через теплообменник 174 может происходить рекуперация тепловой энергии из нее рабочим телом с возможностью последующего преобразования рекуперированной тепловой энергии в электроэнергию посредством утилизационного цикла 180 и аккумулирования в аккумуляторной батарее для использования в будущем при эксплуатации компонентов транспортного средства. Таким образом, даже в рабочих состояниях двигателя, когда расход отработавших газов ниже порогового и тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего порога целевого диапазона, можно поддерживать КПД утилизационного цикла 180 путем обеспечения стабильного подвода смеси с оптимальным содержанием тепловой энергии.
Систему 150 рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в пятом режиме в состояниях холостого хода двигателя, когда расход отработавших газов ниже порогового и тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего предела целевого энергетического диапазона. Кроме того, для гибридных транспортных средств, в состояниях с неработающим двигателем и отсутствием потока отработавших газов систему 150 можно эксплуатировать в пятом режиме с возможностью забора воздуха окружающей среды для поддержания стабильного потока через теплообменник. Энергия, расходуемая на эксплуатацию нагнетателя 179 для забора воздуха окружающей среды, может быть меньше дополнительной электроэнергии, вырабатываемой в утилизационном цикле 180 (из потока рециркулируемой газовой смеси), в связи с чем процесс рекуперации тепла отработавших газов является энергоэффективным.
Таким образом, на ФИГ. 1 и 2А-2Е предложена система двигателя, соединенная с транспортным средством, содержащая: впускной коллектор двигателя, выпускную систему двигателя, содержащую датчик температуры отработавших газов и датчик давления отработавших газов, соединенные с основным выпускным каналом, перепускной канал, соединенный с основным выпускным каналом параллельно устройству аккумулирования тепла, и канал рециркуляции, содержащий нагнетатель, для рециркуляции отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, систему рекуперации тепла отработавших газов, содержащую устройство аккумулирования тепла, соединенное с выпускным каналом, теплообменник, установленный ниже по потоку от устройства аккумулирования тепла, утилизационный цикл, включающий в себя теплообменник, детандер, соединенный с аккумуляторной батареей, конденсатор и насос для циркуляции рабочего тела через утилизационный цикл, вентиляционную линию, содержащую вентиляционный клапан, соединенный с каналом рециркуляции, отводной клапан, соединенный с выпускным каналом, для регулирования потока отработавших газов по перепускному каналу, рециркуляционный клапан, соединенный с каналом рециркуляции, для регулирования рециркуляции отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла. Система может также содержать контроллер с машиночитаемыми инструкциями, сохраненными в долговременной памяти, для: эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в первом режиме, в котором отводной клапан закрыт, рециркуляционный клапан закрыт и вентиляционный клапан закрыт, для пропускания отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла и эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов во втором режиме, в котором отводной клапан открыт, рециркуляционный клапан закрыт и вентиляционный клапан закрыт, для пропускания первой части отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла, а второй части отработавших газов - в теплообменник через устройство аккумулирования тепла с передачей тепловой энергии из второй части отработавших газов устройству аккумулирования тепла, и перехода из первого во второй режим, если результат оценки тепловой энергии отработавших газов превысит первый порог, при этом тепловую энергию отработавших газов оценивают по входным сигналам от датчиков температуры и давления отработавших газов.
Пять примеров режимов эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов, раскрытые на ФИГ. 2А-2Е, представлены в табличной форме на ФИГ. 5. В строке 502 таблицы 500 представлены настройки, соответствующие эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в первом режиме, раскрытом на ФИГ. 2А, в строке 504 - настройки, соответствующие эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов во втором режиме, раскрытом на ФИГ. 2В, в строке 506 - настройки, соответствующие эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в третьем режиме, раскрытом на ФИГ. 2С, в строке 508 - настройки, соответствующие эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в четвертом режиме, раскрытом на ФИГ. 2D, а в строке 510 - настройки, соответствующие эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в пятом режиме, раскрытом на ФИГ. 2Е. Систему рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать во множестве дополнительных режимов в зависимости от рабочих состояний двигателя и утилизационного цикла.
ФИГ. 3 иллюстрирует пример способа 300 с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1. Инструкции для выполнения способа 300 и остальных раскрытых в настоящем описании способов может реализовывать контроллер в соответствии с инструкциями в памяти контроллера и во взаимосвязи с сигналами от датчиков системы двигателя, например, датчиков, раскрытых выше на примере ФИГ. 1. Контроллер может задействовать исполнительные устройства системы двигателя для регулирования работы двигателя в соответствии с раскрытыми ниже способами.
На шаге 302 алгоритм предусматривает оценку и/или измерение параметров работы двигателя. В число оцениваемых параметров могут входить, например, водительский запрос, температура двигателя, нагрузка двигателя, частота вращения двигателя, температура отработавших газов, параметры окружающей среды, в том числе - температура, давление и влажность окружающей среды, давление и температура в коллекторе, давление наддува, воздушно-топливное отношение в отработавших газах и т.п.
На шаге 304 алгоритм предусматривает получение подтверждения состояния холодного пуска двигателя. Состояние холодного пуска двигателя может быть подтверждено, если двигатель запускают после продолжительного периода бездействия двигателя, когда температура двигателя ниже порога (например, ниже температуры активации каталитического нейтрализатора отработавших газов), и когда температура окружающей среды ниже порога. В состояниях холодного пуска может быть нужно ускорение нагрева двигателя для сокращения выбросов при холодном пуске. Кроме того, водителю транспортного средства может быть нужен обогрев пассажирского салона.
Если состояние холодного пуска двигателя будет подтверждено, для ускорения рекуперации тепла отработавших газов, на шаге 306 систему рекуперации тепла отработавших газов (например, систему 150 рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1) эксплуатируют в первом режиме. Для эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в первом режиме, на шаге 307 отводной клапан, в настоящем описании именуемый «клапан_1», (например, отводной клапан 171 на ФИГ. 1), соединенный с основным выпускным каналом для регулирования потока отработавших газов через устройство аккумулирования тепловой энергии (например, устройство аккумулирования тепловой энергии 170 на ФИГ. 1), может быть установлен в полностью открытое положение, блокирующее непосредственный поток отработавших газов из устройства нейтрализации отработавших газов в устройство аккумулирования тепловой энергии. На шаге 308 рециркуляционный клапан, в настоящем описании именуемый «клапан_2» (например, рециркуляционный клапан 175 на ФИГ. 1), соединенный с местом соединения выпускного канала ниже по потоку от теплообменника (например, теплообменника 174 на ФИГ. 1), может быть установлен в полностью закрытое положение, блокирующее поток отработавших газов в канал рециркуляции. Кроме того, вентиляционный клапан (например, вентиляционный клапан 192 на ФИГ. 1) в вентиляционной линии (например, вентиляционной линии 190 на ФИГ. 1) может быть оставлен закрытым для блокирования потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию.
На шаге 310, в связи с закрытым положением клапана_1, отработавшие газы, выходящие из устройства нейтрализации отработавших газов, могут не течь через устройство аккумулирования тепла, а могут быть направлены в теплообменник по перепускному каналу. Так как отработавшие газы текут в обход устройства аккумулирования тепла, может не происходить аккумулирование тепловой энергии в устройстве, и вся тепловая энергия может быть направлена в теплообменник. Так как клапан_2 находится в закрытом положении, отработавшие газы, текущие через теплообменник, сбрасывают в атмосферу по выхлопной трубе, и отработавшие газы могут не поступать в канал рециркуляции.
На шаге 337 тепловая энергия из отработавших газов может быть передана органическому рабочему телу, циркулирующему через теплообменник. Теплообменник может входить, в качестве компонента, в состав утилизационного цикла, при этом указанный цикл также включает в себя детандер, конденсатор, насос и аккумуляторную батарею, соединенную с детандером. Пропускание отработавших газов через теплообменник может включать в себя передачу тепловой энергии отработавших газов, рекуперированной в теплообменнике, рабочему телу утилизационного цикла в теплообменнике. Рабочее тело (выходящее из теплообменника) может далее течь через детандер (например, турбину) утилизационного цикла, в котором может происходить преобразование тепловой энергии в электроэнергию. Электроэнергию можно аккумулировать в аккумуляторной батарее для использования в будущем при эксплуатации компонентов транспортного средства. Электроэнергию из аккумуляторной батареи можно ситуативно использовать для таких функций, как эксплуатация мотора компрессора, эксплуатация насоса, нагрев головки блока цилиндров, обогрев и освещение салона транспортного средства и т.п., тем самым улучшая эксплуатационные показатели двигателя и топливную экономичность транспортного средства. Таким образом, во время холодного пуска двигателя, независимо от уровня тепловой энергии отработавших газов, отработавшие газы можно направлять непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла.
Если будет подтверждено (на шаге 304), что двигатель не работает в состояниях холодного пуска, можно сделать вывод о том, что двигатель достиг пороговой температуры после холодного пуска, или что двигатель работает в состоянии горячего пуска, когда температура двигателя выше пороговой, и температура устройства нейтрализации отработавших газов выше его температуры активации. На шаге 313 можно оценить тепловую энергию отработавших газов, образовавшихся в двигателе, как функцию от температуры отработавших газов (измеренной датчиком температуры отработавших газов) и расхода отработавших газов (измеренного датчиком давления отработавших газов или специально предназначенным для этого датчиком расхода отработавших газов). Или же контроллер может определять тепловую энергию отработавших газов по температуре отработавших газов и расходу отработавших газов, опосредованно определенным или смоделированным по таким параметрам работы, как температура двигателя, нагрузка двигателя, частота вращения двигателя и т.п. Контроллер может определять тепловую энергию отработавших газов, непосредственно учитывая результаты определения температуры отработавших газов и расхода отработавших газов, например, увеличивая тепловую энергию отработавших газов при росте температуры отработавших газов и расхода отработавших газов. Или же контроллер может определять тепловую энергию отработавших газов путем вычисления по табулированной зависимости, входными параметрами которой являются температура отработавших газов и расход отработавших газов, а результатом - тепловая энергия отработавших газов. Кроме того, контроллер может выполнить логическое определение (например, касательно тепловой энергии отработавших газов) на основе логических формул, представляющих собой функцию от параметров, в число которых входят температура отработавших газов и расход отработавших газов.
Для оптимальной эксплуатации утилизационного цикла может быть нужно поддерживать тепловую энергию отработавших газов, поступающих в теплообменник, между верхним и нижний пределами целевого энергетического диапазона. Поддержание стабильного подвода тепловой энергии отработавших газов в утилизационный цикл в пределах целевого энергетического диапазона позволяет поддерживать оптимальный пороговый перепад давления на детандере утилизационного цикла. На шаге 314 алгоритм предусматривает определение того, находится ли тепловая энергия отработавших газов, образовавшихся в двигателе, в пределах целевого энергетического диапазона. Тепловая энергия может находиться вне целевого энергетического диапазона из-за наличия избыточной тепловой энергии (когда тепловая энергия отработавших газов превышает верхний предел целевого диапазона) или недостаточной тепловой энергии (когда тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего предела целевого диапазона).
Если будет установлено, что тепловая энергия отработавших газов находится между верхним пределом (первый порог) и нижним пределом (второй порог) целевого энергетического диапазона, алгоритм может проследовать на шаг 306 для эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в первом режиме для пропускания отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла. Если будет установлено, что тепловая энергия отработавших газов находится вне целевого энергетического диапазона, на шаге 316 алгоритм предусматривает определение того, превышает ли тепловая энергия отработавших газов верхний предел (первый порог) целевого диапазона. Если тепловая энергия отработавших газов превышает верхний предел, можно сделать вывод о том, что в наличии избыточная тепловая энергия, поэтому полное количество тепловой энергии не может быть направлено через теплообменник из-за возможности теплового повреждения компонентов утилизационного цикла.
В связи с наличием избыточной тепловой энергии, по меньшей мере часть отработавших газов направляют в теплообменник через устройство аккумулирования тепла, где происходит аккумулирование избыточной тепловой энергии для последующего использования. Например, проход отводного клапана регулируют для направления части отработавших газов в теплообменник через устройство аккумулирования тепла, а остальных отработавших газов - в теплообменник по перепускному каналу. Чем больше количество избыточной тепловой энергии, тем больше увеличивают часть отработавших газов, направляемую через устройство аккумулирования тепла, с соответствующим уменьшением части отработавших газов, направляемой по перепускному каналу, вплоть до направления по существу всех отработавших газов через устройство аккумулирования тепла при наличии значительного количества избыточной тепловой энергии. В одном примере настройку отводного клапана (то есть, открыт ли он частично или полностью открыт/закрыт), и тем самым рабочий режим системы рекуперации тепла отработавших газов, можно выбирать в зависимости от величины имеющейся избыточной тепловой энергии.
Например, на шаге 318 можно оценить разность тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого энергетического диапазона для оценки количества избыточной тепловой энергии отработавших газов, которое не может быть направлено через теплообменник. Данную избыточную тепловую энергию отработавших газов можно ситуативно аккумулировать в устройстве аккумулирования тепла для последующего использования. На шаге 320 алгоритм предусматривает сравнение данной разности с пороговой разностью и определение того, ниже ли разность тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого энергетического диапазона, чем пороговая. Пороговая разность может зависеть от таких параметров устройства аккумулирования тепла, как текущая степень заряженности устройства аккумулирования тепла и его расчетная емкость по тепловой энергии.
Если будет установлено, что разность ниже пороговой, можно сделать вывод о наличии малого количества избыточной тепловой энергии. Поэтому контроллер может установить, что долю от общего количества отработавших газов можно направить через устройство аккумулирования тепла с возможностью аккумулирования избыточной тепловой энергии из этой части отработавших газов в устройстве. После отбора избыточной энергии из отработавших газов, остальная энергия отработавших газов может находиться в пределах целевого энергетического диапазона и может быть направлена через теплообменник.
На шаге 322, для направления части отработавших газов через устройство аккумулирования тепла, систему рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать во втором режиме. Для эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов во втором режиме, на шаге 323 клапан_1 может быть установлен в частично открытое положение, пропускающее поток отработавших газов из устройства нейтрализации отработавших газов в устройство аккумулирования тепловой энергии. На шаге 324 клапан_2 может быть установлен в полностью закрытое положение, блокирующее поток отработавших газов в канал рециркуляции. Кроме того, вентиляционный клапан в вентиляционной линии может быть оставлен в закрытом положении для блокирования потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию.
Степень открытия частично открытого клапана_1 можно регулировать для пропускания первой части отработавших газов, выходящих из устройства нейтрализации отработавших газов, непосредственно в теплообменник по перепускному каналу, а второй (остальной) части отработавших газов - в теплообменник через устройство аккумулирования тепла. Соотношение первой и второй частей можно выбрать в зависимости от разности тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого энергетического диапазона (избыточной тепловой энергии отработавших газов). В частности, проход клапана_1 можно регулировать так, чтобы вторая часть представляла собой поток отработавших газов, соответствующий избыточной тепловой энергии, подлежащей аккумулированию в устройстве аккумулирования тепла, а первая часть - поток отработавших газов, соответствующий тепловой энергии в пределах целевого диапазона, подлежащий направлению через теплообменник. Например, первую часть можно увеличивать относительно второй части по мере уменьшения разности, при этом первую часть можно уменьшать относительно второй части по мере роста разности. Контроллер может отрегулировать степень открытия клапана_1 для обеспечения установленного соотношения первой и второй частей. В одном примере контроллер может направить сигнал приводу, соединенному с клапаном_1, для увеличения прохода клапана при уменьшении первой части.
На шаге 328 может происходить аккумулирование тепловой энергии из второй части отработавших газов, текущей через устройство аккумулирования тепла, в теплоносителе (например, материале с фазовым переходом) устройства, в связи с чем растет степень заряженности устройства аккумулирования тепла. В одном примере устройство аккумулирования тепла выполнено с возможностью аккумулирования тепловой энергии путем забора тепловой энергии и за ее счет перехода большей части теплоносителя из твердой фазы в жидкую. Зарядка устройства аккумулирования тепла может быть продолжена до тех пор, пока степень заряженности устройства аккумулирования тепла не достигнет пороговой (то есть устройство будет насыщено энергией), и он не сможет продолжать аккумулировать энергию из отработавших газов, текущих через него. Данная тепловая энергия впоследствии может быть отдана для повышения тепловой энергии отработавших газов, текущих через устройство. После прохождения через устройство аккумулирования, может произойти объединение охлажденных отработавших газов с отработавшими газами, текущими по перепускному каналу, выше по потоку от теплообменника, после чего данная смесь может течь через теплообменник. Затем алгоритм может проследовать на шаг 337, на котором тепловая энергия из (объединенных) первой и второй частей отработавших газов может быть преобразована в электроэнергию посредством утилизационного цикла.
Если будет установлено (на шаге 320), что разность тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого энергетического диапазона выше пороговой, можно сделать вывод о наличии большого количества избыточной тепловой энергии. Поэтому контроллер может установить, что избыточная тепловая энергия отработавших газов не может быть направлена через теплообменник. Данную избыточную тепловую энергию отработавших газов можно аккумулировать в устройстве аккумулирования тепла для последующего использования.
На шаге 330, для направления всего объема отработавших газов через устройство аккумулирования тепла, систему рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в третьем режиме. Для эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в третьем режиме, на шаге 331 клапан_1 может быть установлен в полностью закрытое положение, блокирующее поток отработавших газов из устройства нейтрализации отработавших газов в перепускной канал. На шаге 332 клапан_2 может быть установлен в полностью закрытое положение, блокирующее поток отработавших газов в канал рециркуляции. Кроме того, вентиляционный клапан в вентиляционной линии может быть оставлен в закрытом положении для блокирования потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию. То есть следует понимать, что третий режим может представлять собой дополнение ко второму режиму, причем проход отводного клапана уменьшают вплоть до предела, при котором все отработавшие газы могут течь через устройство аккумулирования тепла перед поступлением в теплообменник, при этом поток отработавших газов не отводят по перепускному каналу.
В связи с закрытым положением клапана_1, отработавшие газы могут не течь в теплообменник по перепускному каналу. На шаге 332 весь объем отработавших газов может течь в теплообменник через устройство аккумулирования тепла. На шаге 334 по меньшей мере часть тепловой энергии из отработавших газов, текущих через устройство аккумулирования тепла, можно аккумулировать в теплоносителе устройства. В одном примере количество энергии, аккумулируемой в устройстве аккумулирования тепла, может соответствовать избыточной тепловой энергии в отработавших газах (разности тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевой энергии). Кроме того, количество тепловой энергии, аккумулируемой в устройстве, может быть ограничено степенью заряженности устройства. В одном примере устройство аккумулирования тепла может аккумулировать тепловую энергию путем отбора тепловой энергии отработавших газов и перехода за ее счет большей части теплоносителя из твердой фазы в жидкую. Зарядка устройства аккумулирования тепла может продолжаться до тех пор, пока степень заряженности устройства аккумулирования тепла не достигнет пороговой (не произойдет насыщение энергией), после чего аккумулирование тепловой энергии в устройстве не может быть продолжено до тех пор, пока устройство не будет разряжено. Данная тепловая энергия может быть впоследствии отдана для повышения тепловой энергии отработавших газов, текущих через устройство. Затем алгоритм может проследовать на шаг 337, на котором тепловая энергия из (объединенных) первой и второй частей отработавших газов может быть преобразована в электроэнергию посредством утилизационного цикла.
Во время эксплуатации в третьем режиме, при достижении пороговой степени заряженности устройства аккумулирования тепла, отводной клапан (например, отводной клапан 151 на ФИГ. 1), соединенный с местом соединения перепускного канала теплообменника и основного выпускного канала, можно открыть частично для направления первой части отработавших газов, выходящей из устройства аккумулирования тепла, через перепускной канал теплообменника, а второй (остальной) части отработавших газов - через теплообменник. Контроллер может регулировать соотношение первой и второй частей в зависимости от разности тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого энергетического диапазона. Первую часть отработавших газов можно увеличивать по мере роста разности фактической тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого диапазона, при этом первую часть отработавших газов можно уменьшать по мере уменьшения разности фактической тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела целевого диапазона. Проход отводного клапана можно увеличивать по мере увеличения первой части и уменьшать по мере уменьшения первой части.
Если будет установлено (на шаге 316), что тепловая энергия отработавших газов не превышает верхний предел целевого энергетического диапазона, можно сделать вывод о том, что тепловая энергия отработавших газов ниже диапазона тепловой энергии, то есть ниже нижнего предела (второго порога) целевого энергетического диапазона. Если тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего предела, можно сделать вывод о том, что отработавшим газам может быть нужно добавить дополнительную энергию перед направлением их через теплообменник для поддержания стабильного подвода энергии отработавших газов в утилизационный цикл для оптимального функционирования цикла. В состояниях, когда тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего предела целевого диапазона, рабочие режимы системы теплообмена отработавших газов можно выбирать в зависимости от расхода отработавших газов. Выбор рабочих режимов и соответствующая эксплуатация системы теплообмена отработавших газов раскрыты на примере ФИГ. 4.
В некоторых примерах второй и третий рабочие режимы могут быть объединены в единый (например, второй) рабочий режим. Эксплуатация системы рекуперации тепла отработавших газов во втором (объединенном втором и третьем) режиме включает в себя открытие отводного клапана, закрытие рециркуляционного клапана и закрытие вентиляционного клапана для пропускания первой части отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла, а второй части отработавших газов - в теплообменник через устройство аккумулирования тепла с передачей тепловой энергии из второй части отработавших газов устройству аккумулирования тепла. В одном примере первую часть отработавших газов (направляемую по перепускному каналу) можно уменьшить настолько, чтобы всю часть отработавших газов можно направить в теплообменник через устройство аккумулирования тепла.
На ФИГ. 4 раскрыт пример способа 400 с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через систему рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1. Способ на ФИГ. 4 можно выполнять в составе примера способа 300 на ФИГ. 3, например, на шаге 336.
На шаге 402 можно определить расход отработавших газов через выпускной канал по входным сигналам от датчика давления отработавших газов или специально предназначенного для этого датчика расхода отработавших газов. Контроллер также может вычислить расход отработавших газов по таким параметрам работы двигателя, как температура двигателя, частота вращения двигателя, нагрузка двигателя и т.п. Контроллер может использовать табулированную зависимость, входными параметрами которой являются такие параметры работы двигателя, как температура двигателя, частота вращения двигателя и нагрузка двигателя, а результатом - расход отработавших газов.
На шаге 428 алгоритм предусматривает определение того, превышает ли тепловая энергия, аккумулированная в устройстве аккумулирования тепла, пороговую. Тепловая энергия могла быть аккумулирована в устройстве во время прохождения предыдущего потока отработавших газов через устройство, когда систему теплообмена отработавших газов эксплуатировали во втором и третьем режиме, раскрытых на примере ФИГ. 3. Пороговая энергия может соответствовать уровню, на котором или выше которого можно осуществлять разрядку устройства аккумулирования тепла и отбор аккумулированной энергии из устройства. Если будет установлено, что аккумулированная в устройстве аккумулирования тепла энергия меньше пороговой, можно сделать вывод о том, что нельзя подавать энергию из устройства аккумулирования тепла отработавшим газам, текущим через устройство. На шаге 430 отработавшие газы можно направить через теплообменник и осуществить передачу тепловой энергии из отработавших газов рабочему телу утилизационного цикла, текущему через теплообменник. Так как тепловая энергия отработавших газов ниже второго порога (установленного на шаге 336 на ФИГ. 3), рекуперация тепла в теплообменнике может не быть значительной. Или же отводной клапан отработавших газов (например, отводной клапан 151 на ФИГ. 1), соединенный с местом соединения перепускного канала теплообменника и основного выпускного канала, можно полностью открыть для направления всей части отработавших газов, выходящей из устройства аккумулирования тепла, в выхлопную трубу через перепускной канал теплообменника. Направление в обход теплообменника позволяет приостановить рекуперацию тепла отработавших газов в состояниях с относительно низкой (ниже второго порога) тепловой энергией отработавших газов.
Если будет подтверждено, что аккумулированная в устройстве аккумулирования тепла энергия превышает пороговую, алгоритм предусматривает определение того, превышает ли расход отработавших газов, образовавшихся в двигателе, пороговый. Пороговый расход может соответствовать минимальному расходу отработавших газов, необходимому в теплообменнике для обеспечения оптимального перепада давления на детандере утилизационного цикла, нужного для выработки электричества. Тепловая энергия отработавших газов может быть ниже целевого диапазона из-за того, что расход отработавших газов низкий, а температура отработавших газов - высокая, или из-за того, что и расход отработавших газов, и температура отработавших газов низкие.
Если будет установлено, что расход отработавших газов превышает пороговый, можно сделать вывод о том, что расход отработавших газов через теплообменник не может быть дополнительно повышен путем забора воздуха окружающей среды. При этом, тепловую энергию отработавших газов можно увеличить путем рециркуляции части отработавших газов в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла и нагрева отработавших газов за счет аккумулированной тепловой энергии, отобранной из устройства аккумулирования тепла, тем самым поддержав стабильный поток тепловой энергии отработавших газов в теплообменнике. Для рециркуляции части отработавших газов в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, на шаге 406 систему рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в четвертом режиме. Для эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в четвертом режиме, на шаге 407 клапан_1 может быть установлен в полностью закрытое положение, блокирующее поток отработавших газов из устройства нейтрализации отработавших газов в перепускной канал. На шаге 408 клапан_2 может быть установлен в открытое положение со степенью открытия клапана, отрегулированной для пропуска необходимого потока отработавших газов в канал рециркуляции. Вентиляционный клапан в вентиляционной линии может быть оставлен в закрытом положении для блокирования потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию. Таким образом, систему рекуперации тепла отработавших газов можно перевести из третьего в четвертый режим эксплуатации в связи с падением тепловой энергии отработавших газов ниже второго порога тепловой энергии, который ниже первого порога тепловой энергии.
В связи с закрытым положением клапана_1, отработавшие газы могут не течь в теплообменник по перепускному каналу. На шаге 410 весь объем отработавших газов может течь в теплообменник через устройство аккумулирования тепла. В связи с открытым положением клапана_2, на шаге 412 часть охлажденных отработавших газов, выходящих из теплообменника, может поступать в канал рециркуляции и быть направлена в выпускной канал выше по потоку от устройства аккумулирования тепла. Часть отработавших газов, рециркулируемая из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, может зависеть от разности тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела целевого диапазона. В одном примере рециркулируемая часть отработавших газов может быть тем больше, чем больше разность тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела целевого диапазона, при этом данную часть отработавших газов увеличивают путем увеличения степени открытия рециркуляционного клапана, соединенного с каналом рециркуляции. В другом примере рециркулируемая часть отработавших газов может быть тем меньше, чем меньше разность тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела целевого диапазона, при этом данную часть отработавших газов уменьшают путем уменьшения степени открытия рециркуляционного клапана. Может происходить объединение рециркулируемых отработавших газов с отработавшими газами из каталитического нейтрализатора двигателя выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, и смесь отработавших газов может далее течь через устройство аккумулирования тепла. На шаге 414 часть отработавших газов, рециркулируемую в выпускной канал, можно нагреть (вместе с остальными отработавшими газами в смеси) путем отбора тепловой энергии (ранее аккумулированной в устройстве аккумулирования тепла во время эксплуатации во втором и третьем режиме) из устройства аккумулирования тепла. Во время эксплуатации в данном режиме может происходить разрядка устройства аккумулирования тепла и передача тепловой энергии отработавшим газам, текущим через него. В одном примере устройство аккумулирования тепла может отдавать тепловую энергию путем отдачи тепловой энергии из теплоносителя в жидкой фазе более холодным отработавшим газам, текущим через устройство, в связи с чем происходит переход большей части теплоносителя из жидкой в твердую фазу.
Нагретую смесь отработавших газов с повышенной тепловой энергией в пределах целевого диапазона можно далее направить в теплообменник.
На шаге 426 тепловая энергия из нагретой смеси отработавших газов может быть передана органическому рабочему телу, циркулирующему через теплообменник. Рабочее тело может далее течь через детандер (например, турбину) утилизационного цикла, в котором может происходить преобразование тепловой энергии в электроэнергию. Электроэнергию можно аккумулировать в аккумуляторной батарее, соединенной с детандером, для использования в будущем при эксплуатации компонентов транспортного средства. Электроэнергию из аккумуляторной батареи можно ситуативно использовать для таких функций, как эксплуатация мотора компрессора, эксплуатация насоса, нагрев головки блока цилиндров, обогрев и освещение салона транспортного средства и т.п., тем самым повышая КПД двигателя и топливную экономичность.
Если на шаге 404 будет установлено, что расход отработавших газов ниже порогового, можно сделать вывод о том, что может быть нужно повысить расход отработавших газов, текущих через теплообменник, путем забора воздуха окружающей среды для достижения оптимального расхода отработавших газов для эффективной рекуперации тепла отработавших газов. Кроме того, для гибридных транспортных средств, в состояниях с неработающим двигателем и отсутствием потока отработавших газов, можно осуществить забор воздуха окружающей среды для поддержания стабильного потока через теплообменник. Для забора воздуха окружающей среды и направления его в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, на шаге 418 систему рекуперации тепла отработавших газов можно эксплуатировать в пятом режиме. Для эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в пятом режиме, на шаге 419 клапан_1 может быть установлен в полностью закрытое положение, блокирующее поток отработавших газов из устройства нейтрализации отработавших газов в перепускной канал. На шаге 420 клапан_2 может быть установлен в открытое положение, пропускающее поток отработавших газов в канал рециркуляции, при этом степень открытия клапана регулируют для пропуска необходимого потока отработавших газов в канал рециркуляции. Вентиляционный клапан в вентиляционной линии может быть установлен в открытое положение для пропуска потока воздуха окружающей среды в вентиляционную линию. Таким образом, систему рекуперации тепла отработавших газов можно перевести из четвертого в пятый рабочий режим в связи с падением расхода отработавших газов.
В связи с закрытым положением клапана_1, отработавшие газы могут не течь в теплообменник по перепускному каналу. Весь объем отработавших газов может течь в теплообменник через устройство аккумулирования тепла. В связи с открытием вентиляционного клапана, на шаге 421 может происходить забор воздуха окружающей среды в канал клапана через вентиляционный клапан. Количество воздуха, забираемого посредством нагнетателя, может зависеть от разности тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела целевого диапазона. В одном примере количество забираемого воздуха окружающей среды может быть тем больше, чем больше разность тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела целевого диапазона, при этом количество забираемого воздуха увеличивают путем увеличения прохода вентиляционного клапана и/или подачи нагнетателя. Энергия, затрачиваемая на эксплуатацию нагнетателя для забора отработавших газов, может быть меньше дополнительной электроэнергии, вырабатываемой в утилизационном цикле (за счет стабильного расхода отработавших газов выше порогового), в связи с чем процесс рекуперации тепла отработавших газов в целом энергоэффективен. Воздух окружающей среды можно далее направить в выпускной канал выше по потоку от устройства аккумулирования тепла. В одном примере, в связи с открытым положением клапана_2, часть охлажденных отработавших газов, выходящих из теплообменника, может поступать в канал рециркуляции и может быть направлена в выпускной канал выше по потоку от устройства аккумулирования тепла для дополнительного повышения расхода отработавших газов. Часть отработавших газов, рециркулируемая из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, может зависеть от разности тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела целевого диапазона и от расхода отработавших газов. В одном примере рециркулируемая часть отработавших газов может быть тем больше, чем больше разность тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела целевого диапазона и чем ниже расход, при этом часть отработавших газов увеличивают путем увеличения степени открытия рециркуляционного клапана, соединенного с каналом рециркуляции. В другом примере, рециркулируемая часть отработавших газов может быть тем меньше, чем меньше разность тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела целевого диапазона и чем выше расход, при этом данную часть отработавших газов уменьшают путем уменьшения степени открытия рециркуляционного клапана. Увеличение рециркулируемой части отработавших газов позволяет уменьшить количество забираемого воздуха окружающей среды. Поэтому, когда расход отработавших газов ниже порогового, можно осуществлять рециркуляцию всего объема отработавших газов, выходящих из теплообменника. Объединение воздуха окружающей среды и рециркулируемых отработавших газов с отработавшими газами может происходить выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, и смесь воздуха и отработавших газов может далее течь через устройство аккумулирования тепла. В другом примере, в пятом режиме клапан_2 может быть закрыт, и может не происходить рециркуляция отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от теплообменника, при этом повышение расхода отработавших газов может происходить только за счет воздуха окружающей среды, забираемого по вентиляционной линии.
На шаге 422 воздух окружающей среды, вместе с частью отработавших газов, рециркулируемой в выпускной канал, может быть нагрет (вместе с остальными отработавшими газами в смеси) путем отбора тепловой энергии (ранее аккумулированной в устройстве аккумулирования тепла во время эксплуатации во втором и третьем режиме) из устройства аккумулирования тепла. Во время эксплуатации в данном режиме может происходить разрядка устройства аккумулирования тепла и передача тепловой энергии смеси воздуха и отработавших газов, текущей через него. В одном примере устройство аккумулирования тепла может отдавать тепловую энергию путем отдачи тепловой энергии из теплоносителя в жидкой фазе более холодным отработавшим газам, текущим через устройство, в связи с чем происходит переход большей части теплоносителя из жидкой в твердую фазу. Нагретую смесь отработавших газов с повышенной тепловой энергией в пределах целевого диапазона можно далее направить в теплообменник.
На шаге 424 нагретую смесь воздуха и отработавших газов с тепловой энергией в пределах целевого диапазона можно далее направить через теплообменник. Таким образом, когда тепловая энергия отработавших газов ниже нижнего предела целевого диапазона (второго порога) и расход отработавших газов ниже порогового, расход отработавших газов через теплообменник можно повысить путем забора воздуха окружающей среды в отработавшие газы выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, при этом может происходить смешивание воздуха окружающей среды с отработавшими газами, а затем смесь воздуха и отработавших газов можно направить через теплообменник, причем подвод тепла в теплообменник поддерживают между верхним и нижним пределами (первым и вторым порогами) целевого диапазона.
Затем алгоритм может проследовать на шаг 426, на котором может происходить передача тепловой энергии из смеси воздуха и отработавших газов рабочему телу, циркулирующему через теплообменник, для преобразования в электроэнергию. Например, во время эксплуатации в четвертом и пятом режимах, если устройство аккумулирования тепла полностью разряжен, и количество аккумулированной энергии падает ниже пороговой энергии, рекуперацию тепла отработавших газов можно приостановить путем прекращения циркуляции охлаждающей текучей среды (рабочего тела) через теплообменник (как раскрыто на шаге 430).
Таким образом, когда тепловая энергия отработавших газов выше первого порога, тепловую энергию из по меньшей мере части отработавших газов можно аккумулировать в устройстве аккумулирования тепловой энергии, а затем отработавшие газы можно направить через теплообменник; и, когда тепловая энергия отработавших газов ниже второго порога и температура отработавших газов ниже пороговой, можно осуществлять рециркуляцию части отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла и осуществлять передачу тепловую энергии из устройства аккумулирования тепла отработавшим газам перед направлением их через теплообменник; при этом в первом и во втором состояниях поддерживают подвод тепла от отработавших газов в теплообменник.
На ФИГ. 6 раскрыт пример рабочей последовательности 600, иллюстрирующей эксплуатацию системы рекуперации тепла отработавших газов на ФИГ. 1. Поток отработавших газов через устройство аккумулирования тепла, перепускной канал и канал рециркуляции отработавших газов можно регулировать для поддержания стабильного подвода тепла от отработавших газов в теплообменник. На горизонтальной оси (оси х) обозначено время, а вертикальные метки t1-t6 обозначают значимые моменты в работе выпускной системы двигателя.
Первый график, линия 602, представляет изменение во времени нагрузки двигателя, оцениваемой по входным сигналам от датчика положения педали. Второй график, линия 604, представляет температуру отработавших газов, оцениваемую по входным сигналам от датчика температуры отработавших газов. Третий график, линия 606, представляет расход отработавших газов, оцениваемый по входным сигналам от датчика давления отработавших газов и/или специально предназначенного для этого датчика расхода отработавших газов. Пунктирная линия 607 представляет пороговый расход отработавших газов, ниже которого эксплуатация утилизационного цикла, содержащего теплообменник, может не быть эффективной. Четвертый график, линия 608, представляет степень заряженности устройства аккумулирования тепла. Пунктирная линия 613 представляет пороговую степень заряженности, при которой устройство аккумулирования тепла насыщено тепловой энергией, и за пределами которой дальнейшая зарядка устройства невозможна. Пятый график, линия 610, представляет подвод тепловой энергии отработавших газов в теплообменник. Тепловую энергию отработавших газов можно оценивать по температуре и расходу отработавших газов. Для поддержания рабочего КПД утилизационного цикла, тепловую энергию отработавших газов можно поддерживать в пределах целевого энергетического диапазона, при этом целевой энергетический диапазон ограничен нижним пределом 609 и верхним пределом 611. Штриховая линия 612 представляет подвод тепловой энергии отработавших газов в теплообменник, если весь объем отработавших газов направляют непосредственно в теплообменник (в обход устройства аккумулирования тепла), и если не осуществляют рециркуляцию отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла. Шестой график, линия 614, представляет положение первого отводного клапана (клапана_1), соединенного с выпускным каналом (например, первого отводного клапана 171 на ФИГ. 1). Регулируя положение отводного клапана, контроллер регулирует часть отработавших газов, текущую через устройство аккумулирования тепла. Седьмой график, линия 616, представляет положение рециркуляционного клапана (клапана_2, например, рециркуляционного клапана 175 на ФИГ. 1), соединенного с каналом рециркуляции отработавших газов. Регулируя положение рециркуляционного клапана, контроллер регулирует часть отработавших газов, рециркулируемую из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла посредством нагнетателя. Восьмой график, линия 618, представляет положение второго отводного клапана (клапана_3), соединенного с основным выпускным каналом (например, второго отводного клапана 151 на ФИГ. 1). Регулируя положение второго отводного клапана, контроллер регулирует часть отработавших газов, идущую в обход теплообменника.
До момента t1 двигатель заглушен, и транспортное средство не приводят в движение за счет крутящего момента двигателя. В момент t1, по водительскому запросу крутящего момента, происходит пуск двигателя из неподвижного состояния после периода бездействия. Во время пуска двигателя, температура активации каталитического нейтрализатора отработавших газов может не быть достигнута, и могут быть нужны нагрев двигателя и обогрев пассажирского салона. На основании того, что температура ниже температуры активации каталитического нейтрализатора, можно сделать вывод о наличии состояний холодного пуска двигателя. Для ускорения рекуперации тепла отработавших газов для нагрева двигателя и/или обогрева пассажирского салона во время холодного пуска, в момент t1 клапан_1 можно полностью открыть для направления всего объема отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла. Между моментами t1 и t2, так как отработавшие газы не текут через устройство аккумулирования тепла, не происходит аккумулирование тепловой энергии в устройстве, и степень заряженности устройства остается по существу постоянной. Между t1 и t2, в связи с возрастанием нагрузки двигателя, расход отработавших газов (график 606) может соответственно возрасти сверх порогового расхода 607, поэтому подвод тепловой энергии отработавших газов в теплообменник (график 610) может быть в пределах целевого диапазона (между 609 и 611). При протекании отработавших газов через теплообменник происходит передача тепловой энергии органическому телу, циркулирующему через теплообменник, и выработка электроэнергии из тепловой энергии посредством утилизационного цикла, в состав которого входит теплообменник. Затем электроэнергию можно аккумулировать в аккумуляторной батарее, соединенной с детандером утилизационного цикла. Электроэнергию из аккумуляторной батареи можно впоследствии использовать для эксплуатации двигателя, например, для нагрева двигателя и/или обогрева салона. Клапан_2 может быть оставлен в закрытом положении между t1 и t2, чтобы не происходила рециркуляция отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла посредством нагнетателя. Не эксплуатируя нагнетатель, можно экономить энергию в состояниях холодного пуска.
В момент t2, в связи с возрастанием температуры отработавших газов и расхода отработавших газов, может быть установлено, что тепловая энергия отработавших газов возросла. В это время, если бы весь объем отработавших газов был направлен через теплообменник (как показано штриховой линией 612), подвод тепловой энергии в теплообменник мог быть превысить верхний предел 611 целевого диапазона. Для поддержания подвода тепловой энергии отработавших газов в теплообменник в пределах целевого диапазона, в момент t2 уменьшают степень открытия клапана_1 для направления первой части отработавших газов в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла, а остальной (второй) части отработавших газов - в теплообменник через устройство аккумулирования тепла. Между моментами t2 и t3, поскольку только вторая часть отработавших газов течет через устройство аккумулирования тепла, в устройстве аккумулирования тепла происходит аккумулирование тепловой энергии только из второй части отработавших газов и, тем самым, зарядка устройства. При передаче тепловой энергии устройству аккумулирования тепла происходит зарядка устройства аккумулирования тепла (степень заряженности остается в пределах порога 613). Кроме того, тепловую энергию из второй части отработавших газов не подводят в теплообменник. В теплообменник подводят только тепловую энергию из первой части отработавших газов. Уменьшение части отработавших газов, подаваемой непосредственно в теплообменник, и аккумулирование части общего количества тепловой энергии отработавших газов в устройстве аккумулирования тепла позволяют поддерживать подвод тепловой энергии в теплообменник в пределах целевого диапазона.
В момент t3, в связи с дальнейшим возрастанием нагрузки двигателя (из-за роста запрашиваемого водителем крутящего момента), соответственно возрастают температура отработавших газов и расход отработавших газов. Если бы весь объем отработавших газов был направлен через теплообменник (как показано штриховой линией 612), подвод тепловой энергии в теплообменник мог бы превысить верхний предел 611 целевого диапазона. В связи с возрастанием температуры и расхода отработавших газов, еще большее количество тепловой энергии может быть передано устройству аккумулирования тепла для поддержания подвода тепловой энергии отработавших газов в теплообменник в пределах целевого диапазона. Поэтому для направления всего количества отработавших газов через устройство аккумулирования тепла для передачи повышенного количества энергии в устройство аккумулирования тепловой энергии, клапан_1 устанавливают в полностью закрытое положение.
Между моментами t3 и t4, поскольку степень заряженности устройства аккумулирования тепла ниже порога 613, тепловую энергию из всего объема отработавших газов, текущих через устройство аккумулирования тепла, аккумулируют в теплоносителе устройства аккумулирования тепла, тем самым продолжая заряжать устройство. При протекании отработавших газов через теплообменник, может быть продолжена передача тепла отработавших газов рабочему телу утилизационного цикла с возможностью выработки (и аккумулирования в аккумуляторной батарее) электроэнергии из тепловой энергии.
В момент t4 степень заряженности устройства аккумулирования тепла достигает порога 613, в связи с чем может не происходить дальнейшее аккумулирование тепловой энергии в устройстве. При этом, если бы весь объем отработавших газов был направлен через теплообменник, подвод тепловой энергии в теплообменник превысил бы верхний предел 611 целевого диапазона и мог бы стать причиной ухудшения характеристик компонентов утилизационного цикла. Поэтому в момент t4 клапан_3 может быть установлен в частично открытое положение для направления первой части отработавших газов через перепускной канал теплообменника с возможностью направления второй (остальной) части отработавших газов через теплообменник. Проход клапана_3 можно регулировать в зависимости от разности тепловой энергии отработавших газов и верхнего предела 611 целевого диапазона. Между моментами t4 и t5 может происходить передача тепловой энергии отработавших газов из второй части отработавших газов, текущей через теплообменник, рабочему телу утилизационного цикла и выработка электроэнергии. В момент t5 нагрузка двигателя может упасть из-за падения запрашиваемого водителем крутящего момента. Падение нагрузки двигателя вызывает соответствующее падение температуры отработавших газов и расхода отработавших газов. В связи с падением температуры и расхода отработавших газов, падает тепловая энергия отработавших газов. В связи с падением тепловой энергии можно сделать вывод о том, что если бы весь объем отработавших газов был направлен через теплообменник (как показано штриховой линией 612), подвод тепловой энергии в теплообменник мог бы быть ниже нижнего предела целевого диапазона. Так, в устройстве аккумулирования тепла аккумулировано достаточно тепловой энергии, можно осуществить отбор тепла из устройства аккумулирования тепла для повышения тепловой энергии отработавших газов. Поэтому, для увеличения (приведения в пределы целевого диапазона) подвода тепловой энергии отработавших газов в теплообменник, в момент t4 клапан_3 можно закрыть. Клапан_2 может быть открыт для рециркуляции по меньшей мере части отработавших газов, выходящих из теплообменника, в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла. Регулирование прохода клапана_2 позволяет увеличить количество холодных отработавших газов, рециркулируемых в устройство аккумулирования тепла, и, тем самым, увеличить количество тепловой энергии, передаваемой из устройства аккумулирования тепла потоку отработавших газов. В одном примере проход клапана_2 можно регулировать так, чтобы количество тепловой энергии, передаваемой из устройства аккумулирования тепла, соответствовало по меньшей мере разности текущего (более низкого) уровня тепловой энергии отработавших газов и нижнего предела 609 целевого диапазона для приведения уровня тепловой энергии отработавших газов, выходящих из устройства аккумулирования, и направляемых в теплообменник, в пределы целевого диапазона. В одном примере проход клапана_2 можно увеличивать для направления большей части отработавших газов на рециркуляцию и увеличения количества передаваемой тепловой энергии по мере роста разности текущего уровня тепловой энергии и нижнего предела 609. Кроме того, клапан_1 может быть оставлен в полностью закрытом положении для направления всего объема отработавших газов (образовавшихся в двигателе и рециркулируемых из области ниже по потоку от теплообменника) через устройство аккумулирования тепла. Между моментами t5 и t6 устройство аккумулирования тепла можно эксплуатировать в режиме разрядки. Может происходить объединение части охлажденных отработавших газов, рециркулируемой из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, с отработавшими газами из каталитического нейтрализатора, после чего объединенный поток отработавших газов может течь через устройство аккумулирования тепла, в котором может происходить нагрев потока отработавших газов за счет отбора ранее аккумулированной тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла. Поток нагретых отработавших газов можно далее направить через теплообменник, где тепловая энергия может быть передана рабочему телу утилизационного цикла.
В момент t6 может произойти дальнейшее падение нагрузки двигателя из-за дальнейшего падения запрашиваемого водителем крутящего момента. Падение нагрузки двигателя приводит к соответствующему падению температуры отработавших газов и расхода отработавших газов. В это время расход отработавших газов может упасть ниже порогового расхода 607. На основании падения расхода отработавших газов и более низкой температуры отработавших газов можно сделать вывод о том, что если бы весь объем отработавших газов был направлен через теплообменник (как показано штриховой линией 612), подвод тепловой энергии в теплообменник мог бы быть ниже нижнего предела целевого диапазона. Так как в устройстве аккумулирования тепла аккумулировано достаточно тепловой энергии, можно осуществить отбор тепла из устройства аккумулирования тепла для повышения тепловой энергии отработавших газов. Поэтому, для увеличения (приведения в пределы целевого диапазона) подвода тепловой энергии отработавших газов в теплообменник, клапан_2 можно полностью открыть для рециркуляции всего количества отработавших газов, выходящих из теплообменника. В связи с увеличением рециркулируемой части отработавших газов, большее количество тепловой энергии может быть передано из устройства аккумулирования тепла отработавшим газам. При этом, даже при рециркуляции всего объема отработавших газов, расход отработавших газов, поступающих в теплообменник, может не превысить порог 607. Поэтому вентиляционный клапан в вентиляционной линии, соединенной с линией рециркуляции, можно открыть и задействовать нагнетатель, соединенный с вентиляционной линией, для забора воздуха окружающей среды для повышения расхода отработавших газов, поступающих в теплообменник. Воздух окружающей среды можно далее направить в устройство аккумулирования тепла по каналу рециркуляции. Клапан_1 может быть оставлен в полностью закрытом положении для направления всего объема отработавших газов через устройство аккумулирования тепла, где происходит нагрев воздуха окружающей среды за счет тепловой энергии, ранее аккумулированной в устройстве аккумулирования тепла. Между моментами t6 и t7 устройство аккумулирования тепла эксплуатируют в режиме разрядки. Нагретый воздух окружающей среды, смешанный с отработавшими газами (образовавшимися в двигателе и рециркулируемыми из области ниже по потоку от теплообменника) далее направляют через теплообменник, где тепловая энергия может быть передана рабочему телу утилизационного цикла. Таким образом, даже в состояниях с расходом отработавших газов ниже порогового и тепловой энергией отработавших газов ниже нижнего предела, ситуативный забор воздуха окружающей среды и рециркуляция отработавших газов позволяют поддерживать тепловую энергию отработавших газов, поступающих в теплообменник, в пределах целевого диапазона.
В момент t7, в связи с возрастанием запрашиваемого водителем крутящего момента, может возрасти нагрузка двигателя и, соответственно, температура отработавших газов и расход отработавших газов. Исходя из температуры отработавших газов и расхода отработавших газов, можно сделать вывод о том, что если бы весь объем отработавших газов был направлен через теплообменник (как показано штриховой линией 612), подвод тепловой энергии в теплообменник мог быть превысить верхний предел целевого диапазона. Поэтому, для уменьшения подвода тепловой энергии отработавших газов в теплообменник, клапан_1 может быть оставлен в закрытом положении для направления всего объема отработавших газов в теплообменник через устройство аккумулирования тепла. Поскольку степень заряженности устройства аккумулирования тепла ниже порога 613, происходит аккумулирование тепловой энергии из всего объема отработавших газов, текущих через устройство аккумулирования тепла, в теплоносителе устройства аккумулирования тепла и, тем самым, продолжение зарядки устройства. Так как в это время рециркуляция отработавших газов не нужна из-за повышенной тепловой энергии отработавших газов, клапан_2 может быть установлен в закрытое положение. После t7 подвод тепловой энергии в теплообменник можно поддерживать в пределах целевого диапазона, при этом происходит передача тепла отработавших газов рабочему телу утилизационного цикла и выработка (и аккумулирование в аккумуляторной батарее) электроэнергии из тепловой энергии. Таким образом, аккумулирование части тепловой энергии из отработавших газов в устройстве аккумулирования тепла позволяет поддерживать подвод тепловой энергии в теплообменник в пределах целевого диапазона.
Таким образом, поддержание стабильного подвода тепловой энергии отработавших газов в теплообменник в целевом диапазоне позволяет поддерживать целевой перепад давления на детандере утилизационного цикла, включающего в себя теплообменник. В результате, можно поддерживать КПД утилизационного цикла по выработке электроэнергии на высоком уровне, что повышает экономию топлива. Технический эффект, достигаемый аккумулированием избыточной тепловой энергии в устройстве аккумулирования тепла выше по потоку от теплообменника в состоянии с наличием избыточной тепловой энергии отработавших газов (из-за высокой температуры или расхода отработавших газов), состоит в возможности понижения уровня тепловой энергии до целевого диапазона и возможности ситуативного отбора аккумулированной энергии в состояниях с недостаточной тепловой энергией отработавших газов (из-за низкой температуры или расхода отработавших газов). Кроме того, ограничение потока избыточной тепловой энергии в теплообменник позволяет уменьшить тепловое разрушение компонентов утилизационного цикла. Рециркуляция охлажденных отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от заряженного устройства аккумулирования тепла позволяет повысить уровни температуры отработавших газов. Эксплуатация нагнетателя для добавления воздуха окружающей среды в рециркулируемые отработавшие газы с последующей рециркуляцией данной смеси в устройство аккумулирования тепла позволяет повысить и температуру, и расход отработавших газов, благодаря чему происходит еще большее повышение уровней тепловой энергии. Технический эффект, достигаемый пропусканием отработавших газов в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла в состояниях холодного пуска, состоит в возможности направления тепловой энергии отработавших газов в теплообменник для ускорения нагрева двигателя и сокращения выбросов при холодном пуске двигателя. В целом, происходит повышение эффективности рекуперации тепла отработавших газов и эксплуатационных показателей двигателя.
Пример способа для двигателя содержит шаги, на которых: когда тепловая энергия отработавших газов выше первого порога, пропускают отработавшие газы через теплообменник после того, как часть тепловой энергии будет аккумулирована в устройстве аккумулирования тепловой энергии выше по потоку от теплообменника, и, когда тепловая энергия отработавших газов ниже второго порога, пропускают отработавшие газы через теплообменник после отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепловой энергии. В любом предыдущем примере, дополнительно или необязательно, тепловую энергию отработавших газов определяют как функцию от температуры отработавших газов и расхода отработавших газов. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, теплообменник входит в состав утилизационного цикла, при этом указанный цикл также включает в себя детандер, конденсатор, насос и аккумуляторную батарею, соединенную с детандером, причем пропускание отработавших газов через теплообменник включает в себя передачу тепла от отработавших газов рабочему телу утилизационного цикла в теплообменнике. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, первый порог выше второго порога, причем первый и второй пороги зависят от параметра утилизационного цикла, при этом в число параметров входят перепад давления на детандере, характер рабочего тела и температура рабочего тела. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаг, на котором, дополнительно или необязательно, когда тепловая энергия отработавших газов находится между первым порогом и вторым порогом, пропускают отработавшие газы в теплообменник по перепускному каналу в обход указанного устройства аккумулирования тепла. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, когда тепловая энергия отработавших газов выше первого порога, пропускание отработавших газов через теплообменник включает в себя пропускание первой части отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла с одновременным пропусканием второй части отработавших газов в теплообменник через устройство аккумулирования тепла, причем часть тепловой энергии, аккумулируемую в устройстве аккумулирования тепла, получают из второй части отработавших газов. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаги, на которых, дополнительно или необязательно, когда тепловая энергия отработавших газов ниже второго порога: в первом состоянии осуществляют рециркуляцию части отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, осуществляют смешивание рециркулируемых отработавших газов с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, с образованием объединенного потока отработавших газов, осуществляют нагрев объединенного потока отработавших газов путем отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла, а затем пропускают объединенный поток отработавших газов через теплообменник; и во втором состоянии осуществляют забор воздуха окружающей среды посредством нагнетателя, соединенного с вентиляционной линией, направляют воздух окружающей среды в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, осуществляют смешивание воздуха окружающей среды с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, с образованием объединенного потока отработавших газов, осуществляют нагрев объединенного потока отработавших газов путем отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла, а затем пропускают объединенный поток отработавших газов через теплообменник. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, устройство аккумулирования тепла содержит материал с фазовым переходом, причем аккумулирование тепловой энергии включает в себя переход материала с фазовым переходом из твердой фазы в жидкую фазу, причем отдача тепловой энергии включает в себя переход материала с фазовым переходом из жидкой фазы в твердую фазу. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, первое состояние включает в себя то, что тепловая энергия ниже второго порога из-за температуры отработавших газов ниже пороговой и расхода отработавших газов выше порогового, а второе состояние включает в себя то, что тепловая энергия ниже второго порога из-за температуры отработавших газов выше пороговой и расхода отработавших газов ниже порогового. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, часть отработавших газов, рециркулируемая из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, зависит от разности тепловой энергии отработавших газов и второго порога, при этом данная часть тем больше, чем больше разность тепловой энергии отработавших газов и второго порога, при этом данную часть отработавших газов увеличивают путем увеличения прохода рециркуляционного клапана, соединенного с каналом рециркуляции. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, количество воздуха, забираемого посредством нагнетателя, зависит от разности тепловой энергии отработавших газов и второго порога, при этом данное количество тем больше, чем больше разность тепловой энергии отработавших газов и второго порога, при этом количество забираемого воздуха увеличивают путем увеличения прохода вентиляционного клапана и/или подачи нагнетателя. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаг, на котором, дополнительно или необязательно, во время холодного пуска двигателя, независимо от тепловой энергии отработавших газов, пропускают отработавшие газы непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла.
Другой пример способа для двигателя содержит шаги, на которых: в первом состоянии аккумулируют тепловую энергию из по меньшей мере части отработавших газов в устройстве аккумулирования тепловой энергии, а затем пропускают отработавшие газы через теплообменник; и во втором состоянии осуществляют рециркуляцию части отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла и отбор тепловой энергии в отработавшие газы из устройства аккумулирования тепла перед тем, как пропустить отработавшие газы через теплообменник; причем и в первом, и во втором состояниях поддерживают подвод тепла от отработавших газов в теплообменник. Любой из предыдущих примеров также содержит шаги, на которых, дополнительно или необязательно, в третьем состоянии повышают расход отработавших газов через теплообменник путем забора воздуха окружающей среды в отработавшие газы выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, осуществляют смешивание воздуха окружающей среды с отработавшими газами, а затем пропускают смесь воздуха и отработавших газов через теплообменник, причем в третьем состоянии также поддерживают подвод тепла. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, первое состояние включает в себя то, что тепловая энергия отработавших газов выше первого порога, второе состояние включает в себя то, что тепловая энергия отработавших газов ниже второго порога и температура отработавших газов ниже пороговой, а третье состояние включает в себя то, что тепловая энергия отработавших газов ниже второго порога и расход отработавших газов ниже порогового, причем тепловая энергия отработавших газов зависит от температуры отработавших газов и расхода отработавших газов, при этом тепловая энергия отработавших газов возрастает при возрастании по меньшей мере температуры отработавших газов или расхода отработавших газов, причем поддержание подвода тепла включает в себя поддержание тепловой энергии отработавших газов между первым и вторым порогами тепловой энергии отработавших газов, причем первый порог выше второго порога. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаг, на котором, дополнительно или необязательно, в четвертом состоянии, когда тепловая энергия отработавших газов находится между первым и вторым порогами, пропускают отработавшие газы в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, во время течения отработавших газов через теплообменник осуществляют передачу тепловой энергии органическому телу, циркулирующему через теплообменник, осуществляют выработку электроэнергии из тепловой энергии посредством утилизационного цикла, включающего в себя теплообменник, и аккумулируют электроэнергию в аккумуляторной батарее, соединенной с детандером утилизационного цикла.
В еще одном примере система двигателя, соединенная с транспортным средством, содержит: впускной коллектор двигателя; выпускную систему двигателя, содержащую датчик температуры отработавших газов и датчик давления отработавших газов, соединенные с основным выпускным каналом, перепускной канал, соединенный с основным выпускным каналом параллельно устройству аккумулирования тепла, и канал рециркуляции, содержащий нагнетатель, для рециркуляции отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла; систему рекуперации тепла отработавших газов, содержащую устройство аккумулирования тепла, соединенное с выпускным каналом, теплообменник, установленный ниже по потоку от устройства аккумулирования тепла, утилизационный цикл, включающий в себя теплообменник, детандер, соединенный с аккумуляторной батареей, конденсатор и насос для циркуляции рабочего тела через утилизационный цикл; вентиляционную линию, содержащую вентиляционный клапан, соединенный с каналом рециркуляции; отводной клапан, соединенный с выпускным каналом, для регулирования потока отработавших газов по перепускному каналу; рециркуляционный клапан, соединенный с каналом рециркуляции, для регулирования рециркуляции отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла. Система двигателя также содержит контроллер с машиночитаемыми инструкциями, сохраненными в долговременной памяти, для: эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в первом режиме, в котором отводной клапан закрыт, рециркуляционный клапан закрыт и вентиляционный клапан закрыт, для пропускания отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла; и эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов во втором режиме, в котором отводной клапан открыт, рециркуляционный клапан закрыт и вентиляционный клапан закрыт, для пропускания первой части отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла, а второй части отработавших газов - в теплообменник через устройство аккумулирования тепла с передачей тепловой энергии из второй части отработавших газов устройству аккумулирования тепла; и перехода из первого во второй режим, если результат оценки тепловой энергии отработавших газов превысит первый порог, при этом тепловую энергию отработавших газов оценивают по входным сигналам от датчиков температуры и давления отработавших газов. В любом предыдущем примере, дополнительно или необязательно, контроллер содержит дополнительные инструкции для: эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в третьем режиме, в котором отводной клапан закрыт, рециркуляционный клапан открыт, а вентиляционный клапан закрыт, для пропускания по меньшей мере части отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, смешивания данной части отработавших газов с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, нагрева смеси отработавших газов путем отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла с последующим пропусканием данной смеси отработавших газов через теплообменник; эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в пятом режиме, в котором отводной клапан закрыт, рециркуляционный клапан открыт и вентиляционный клапан открыт, для забора воздуха окружающей среды по вентиляционной линии, смешивания воздуха окружающей среды с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, нагрева смеси отработавших газов и воздуха путем отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла, с последующим пропусканием смеси отработавших газов и воздуха через теплообменник; перехода из второго в третий режим в связи с падением тепловой энергии отработавших газов ниже второго порога тепловой энергии, который ниже первого порога тепловой энергии; и перехода из третьего в четвертый режим в связи с падением расхода отработавших газов. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, в первом, втором, третьем и четвертом режимах осуществляют передачу тепловой энергии из отработавших газов или смеси отработавших газов и воздуха, текущих через теплообменник, рабочему телу, после чего данное тело направляют через детандер утилизационного цикла, в котором происходит выработка электроэнергии из тепловой энергии, и аккумулируют электроэнергию в аккумуляторной батарее.
В еще одном варианте система двигателя, соединенная с транспортным средством, содержит: впускной коллектор двигателя, выпускную систему двигателя, содержащую датчик температуры отработавших газов и датчик давления отработавших газов, соединенные с основным выпускным каналом, перепускной канал, соединенный с основным выпускным каналом параллельно устройству аккумулирования тепла, и канал рециркуляции, содержащий нагнетатель, для рециркуляции отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, систему рекуперации тепла отработавших газов, содержащую устройство аккумулирования тепла, соединенное с выпускным каналом, теплообменник, установленный ниже по потоку от устройства аккумулирования тепла, утилизационный цикл, включающий в себя теплообменник, детандер, соединенный с аккумуляторной батареей, конденсатор и насос для циркуляции рабочего тела через утилизационный цикл, вентиляционную линию, содержащую вентиляционный клапан, соединенный с каналом рециркуляции, отводной клапан, соединенный с выпускным каналом, для регулирования потока отработавших газов по перепускному каналу, рециркуляционный клапан, соединенный с каналом рециркуляции, для регулирования рециркуляции отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, и контроллер с машиночитаемыми инструкциями, сохраненными в долговременной памяти, для: эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в первом режиме, в котором отводной клапан закрыт, рециркуляционный клапан закрыт и вентиляционный клапан закрыт, для пропускания отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла. В любом предыдущем примере, дополнительно или необязательно, контроллер содержит дополнительные инструкции для: эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов во втором режиме, в котором отводной клапан открыт, рециркуляционный клапан закрыт и вентиляционный клапан закрыт, для пропускания первой части отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла, а второй части отработавших газов - в теплообменник через устройство аккумулирования тепла с передачей тепловой энергии из второй части отработавших газов устройству аккумулирования тепла; и перехода из первого во второй режим, если результат оценки тепловой энергии отработавших газов превысит первый порог, при этом тепловую энергию отработавших газов оценивают по входным сигналам от датчиков температуры и давления отработавших газов. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, контроллер содержит дополнительные инструкции для: эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в третьем режиме, в котором отводной клапан закрыт, рециркуляционный клапан закрыт и вентиляционный клапан закрыт, для пропускания отработавших газов непосредственно в теплообменник в обход устройства аккумулирования тепла, и перехода из второго в третий режим в связи с превышением пороговой разности результата оценки тепловой энергии отработавших газов и первого порога тепловой энергии. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, контроллер содержит дополнительные инструкции для: эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в четвертом режиме, в котором отводной клапан закрыт, рециркуляционный клапан открыт, а вентиляционный клапан закрыт, для пропускания по меньшей мере части отработавших газов из области ниже по потоку от теплообменника в область выше по потоку от устройства аккумулирования тепла, смешивания данной части отработавших газов с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, нагрева смеси отработавших газов путем отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла с последующим пропусканием данной смеси отработавших газов через теплообменник; эксплуатации системы рекуперации тепла отработавших газов в пятом режиме, в котором отводной клапан закрыт, рециркуляционный клапан открыт и вентиляционный клапан открыт, для забора воздуха окружающей среды по вентиляционной линии, смешивания воздуха окружающей среды с отработавшими газами, образовавшимися в двигателе, нагрева смеси отработавших газов и воздуха путем отбора тепловой энергии из устройства аккумулирования тепла, с последующим пропусканием смеси отработавших газов и воздуха через теплообменник; перехода из второго или третьего режима в четвертый режим в связи с падением тепловой энергии отработавших газов ниже второго порога тепловой энергии, который ниже первого порога тепловой энергии; и перехода из четвертого в пятый режим в связи с падением расхода отработавших газов.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящем описании способы и алгоритмы управления можно хранить в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и могут реализовываться системой управления, содержащей контроллер, во взаимодействии с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими техническими средствами системы двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания.
Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, при этом раскрытые действия реализуют путем выполнения инструкций, содержащихся в системе, содержащей вышеупомянутые технические средства в составе двигателя, взаимодействующие с электронным контроллером.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего раскрытия.