КОНСТРУКЦИЯ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
DESIGN AND METHOD OF HEAT ENERGY CONVERSION TO MECHANICAL ENERGY

Область техники и уровень техники
Настоящее изобретение относится к конструкции и способу преобразования тепловой энергии в механическую энергию согласно ограничительным частям пунктов 1 и 10 формулы изобретения.
При сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания в транспортном средстве химическая энергия преобразуется в механическую энергию для приведения в движение транспортного средства. Однако существенная часть химической энергии преобразуется в тепловую энергию, которая высвобождается в окружающую среду различным образом. Примером этого является тепловая энергия в выхлопных газах, которые выпускаются в окружающую среду. Другим примером является тепловая энергия, представленная в различных видах теплых сред в транспортном средстве, которые активно охлаждаются в различных типах устройств охлаждения. Примером такой теплой среды является хладагент в системах охлаждения, который охлаждает двигатель и по возможности другие компоненты транспортного средства. Теплый хладагент обычно охлаждается в радиаторе окружающим воздухом в передней части транспортного средства. Многие двигатели внутреннего сгорания снабжены наддувом, который вызывает подачу к ним сжатого воздуха. Наддувочный воздух охлаждается в по меньшей мере одном хладагенте наддувочного воздуха до введения в двигатель. Для уменьшения выпусков оксидов азота часть выхлопных газов может быть рециркулирована. Рециркулирующие выхлопные газы охлаждаются в по меньшей мере одном EGR хладагенте до смешения с наддувочным воздухом и введения в двигатель и т.д.
US 2003/0145583 относится к примеру так называемой системы WHR (утилизации отходящего тепла) в транспортном средстве. Системы WHR используются для преобразования тепловой энергии в механическую энергию. Система WHR содержит контур с насосом, который циркулирует воду в линейном контуре. Линейный контур содержит испаритель, в котором испаряется вода с помощью тепла от выхлопных газов двигателя, и турбину, которая приводится в движение с помощью пара. Когда пар расширяется посредством турбины, часть его тепловой энергии преобразуется в механическую энергию. Система передачи мощности, содержащая, в том числе, планетарную шестерню, передает движение турбины выходному валу двигателя и/или генератору электрической энергии.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является предложение конструкции, способной эффективным образом преобразовывать тепловую энергию в механическую энергию.
Задача решается конструкцией вида, отмеченного во введении, которая отличается признаками, обозначенными в отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Конструкция содержит основные компоненты, которые образуют часть традиционной системы WHR. Эффективность системы WHR изменяется в зависимости от степени, с которой линейный контур заполнен хладагентом. Оптимальное заполнение системы WHR хладагентом обычно рассчитано для рабочего состояния, в котором она подвергается воздействию максимальной нагрузки. Это приводит к более низкой эффективности в других рабочих состояниях, в которых система WHR не подвергается воздействию максимальной нагрузки. Настоящее изобретение оценивает степень заполнения линейного контура хладагентом, при которой турбина достигает по существу оптимального функционирования в преобладающих рабочих состояниях, которая далее регулируется по необходимости до оцененного значения. Это значит, что линейный контур всегда будет иметь степень заполнения, которая приводит к по существу оптимальному функционированию турбины и по существу оптимальному производству механической энергии.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения система управления выполнена с возможностью оценки степени заполнения линейного контура хладагентом, при которой хладагент, вводимый в испаритель, по существу не имеет дополнительного охлаждения. Если дело обстоит именно так, то отсутствует необходимость расходования какой-либо тепловой энергии путем первоначального нагревания хладагента до температуры испарения до начала процесса испарения. Вся тепловая энергия от источника тепла может, таким образом, использоваться для испарения хладагента и подвергания его воздействию любого необходимого дополнительного нагревания до его подведения к турбине. Испарившийся хладагент может, таким образом, заставлять турбину достигать по существу оптимального функционирования и по существу оптимального производства механической энергии во всех рабочих состояниях.
Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения указанное средство циркуляции представляет собой насос, расположенный между конденсатором и испарителем в линейном контуре.
Для функционирования насоса требуемым образом весь хладагент, подводимый к нему, должен находиться в жидкой форме. Для обеспечения этого целесообразно, чтобы хладагент, покидающий конденсатор, имел некоторое дополнительное охлаждение. Однако это дополнительное охлаждение должно быть как можно меньшим и может быть порядка от 1 до 3 градусов. Когда дело обстоит именно так, хладагент, подводимый к испарителю, может иметь наименьшее возможное дополнительное охлаждение. Дополнительное охлаждение этой величины лишь в малой степени воздействует на эффективность и приводит к по существу оптимальному функционированию турбины. Конструкция в линейном контуре между насосом и испарителем может содержать теплообменник, в котором предполагается нагревать хладагент до его введения в испаритель. В этом случае хладагент может испытывать в теплообменнике нагревание, которое компенсирует любое дополнительное охлаждение в конденсаторе. Далее хладагент может вводиться в испаритель без какого-либо дополнительного охлаждения.
Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения указанное средство управления представляет собой блок управления, выполненный с возможностью принятия информации от по меньшей мере одного датчика, который отслеживает параметр, на основе которого блок управления оценивает степень заполнения хладагентом, при которой турбина достигает по существу оптимального эффекта. Блок управления может представлять собой компьютерный блок с пригодным для этой цели программным обеспечением. Указанный датчик может быть выполнен с возможностью отслеживания температуры и/или давления хладагента в положении между конденсатором и испарителем в линейном контуре. Знание давления и температуры хладагента делает возможным определение количества дополнительного охлаждения посредством, например, диаграммы Молье. Альтернативно, блок управления может принимать информацию от датчиков, которые обнаруживают параметр, на основе которого может быть оценена текущая нагрузка на испаритель и/или конденсатор. В этом случае блок управления может содержать сохраненную информацию о подходящих степенях заполнения хладагентом при действии на испаритель и/или конденсатор различных нагрузок.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения указанное средство управления содержит по меньшей мере одну линию, продолжающуюся между линейной системой и накопительным резервуаром, и средство потока, выполненное с возможностью подведения хладагента между линейным контуром и накопительным резервуаром в то время, когда степень заполнения линейного контура хладагентом требует регулирования. Такая линия делает возможным легко и эффективно регулировать степень заполнения линейного контура хладагентом в различных рабочих состояниях. Указанная линия может быть соединена с линейным контуром в положении, где хладагент находится под давлением, отличным от давления в накопительном резервуаре, при этом указанное средство потока содержит в линии клапан, который может переводиться в закрытое состояние и по меньшей мере одно открытое состояние. Если линия соединена с линейным контуром в положении, где хладагент находится под более низким давлением, чем в накопительном резервуаре, это приводит к пополнению хладагента в линейном контуре при открытии клапана. Если линия соединена с линейным контуром в положении, где хладагент находится под более высоким давлением, чем в накопительном резервуаре, это приводит к отведению хладагента из линейного контура при открытии клапана. Альтернативно, указанное средство потока содержит насос, расположенный в линии между линейным контуром и накопительным резервуаром. Преимущественно насос является реверсивным, чтобы делать возможным использование одной и той же линии и для подачи хладагента в линейный контур, и для отведения его из линейного контура.
Согласно варианту выполнения настоящего изобретения указанный источник тепла представляет собой теплую среду в транспортном средстве, приводимом в движение двигателем внутреннего сгорания. В транспортных средствах имеется много сред, которые могут служить в качестве источника тепла для вышеуказанной конструкции. Выхлопные газы двигателя являются таким источником тепла. Другие возможные источники тепла содержат хладагент, который циркулирует в системе охлаждения транспортного средства. Дополнительными возможными источниками тепла являются наддувочный воздух и рециркулирующие выхлопные газы, которые подводятся к двигателю. Эти среды различаются по потоку и температуре в различных рабочих состояниях двигателя. Конструкция, определенная выше, делает возможным для турбины достигать по существу оптимального функционирования даже при изменении потока и температуры вышеуказанной среды.
Задача, отмеченная во введении, также решается способом согласно пункту 11 формулы изобретения. Способ содержит этапы, на которых оценивают степень заполнения хладагентом, при которой турбина достигает по существу оптимального эффекта, и управляют потоком хладагента между линейным контуром и накопительным резервуаром таким образом, что в линейной системе достигается оцененная степень заполнения хладагентом.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты выполнения изобретения описаны ниже путем примеров со ссылкой на приложенные чертежи, на которых
фиг.1 изображает конструкцию для преобразования тепловой энергии в механическую энергию,
фиг.2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ функционирования конструкции на фиг.1 и
фиг.3 изображает конструкцию согласно альтернативному варианту выполнения для преобразования тепловой энергии в механическую энергию.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения
Фиг.1 изображает конструкцию, содержащую несколько компонентов, используемых в традиционной системе WHR (утилизации отходящего тепла). Системы WHR используются в различных контекстах для преобразования тепловой энергии в механическую энергию. В этом случае конструкция используется для извлечения механической энергии из тепловой энергии в выхлопных газах, которые выпускаются из двигателя 2 внутреннего сгорания в схематически изображенном транспортном средстве 1. Конструкция содержит линейный контур 3 с циркулирующим хладагентом. Хладагент находится в жидкой форме и находится под давлением в линейном контуре 3 с помощью насоса 4. Насос 4 подводит хладагент в теплообменник 5, который может быть так называемым рекуператором. Хладагент отводится из теплообменника 5 в испаритель 6. Хладагент нагревается в испарителе 6 выхлопными газами, которые подводятся через выхлопную линию 7 двигателя 2. Температура и поток выхлопных газов в выхлопной линии 7 изменяются в зависимости от нагрузки на двигатель 2. Если двигатель 2 представляет собой дизельный двигатель, выхлопные газы могут находиться при температуре до около 600-700°C.
Хладагент предполагается подвергать воздействию нагревания выхлопными газами в испарителе 6 так, что он становится испарившимся. Полученный в результате газообразный хладагент отводится из испарителя 6 в дополнительный нагреватель 8. При необходимости хладагент может здесь испытывать дополнительное нагревание в дополнительном нагревателе 8 для обеспечения, что весь хладагент находится в газообразной форме при достижении им турбины 9. Далее хладагент расширяется посредством турбины 9. Часть тепловой энергии в охладителе преобразуется здесь в механическую энергию. В этом случае турбина 9 приводит в движение генератор 10. Извлеченная механическая энергия, таким образом, преобразуется в электрическую энергию, которая хранится в накопителе 11 энергии. Сохраненная электрическая энергия может преимущественно использоваться для приведения в движение транспортного средства 1 или для приведения в действие компонентов транспортного средства. Альтернативно, турбина 9 может быть соединена с маховиком или подобным блоком хранения механической энергии, который является соединяемым с силовой передачей транспортного средства. При соединении маховика с силовой передачей транспортное средство обеспечивается дополнительной движущей мощностью.
При расширении хладагента в турбине 9 он будет находиться под более низким давлением и более низкой температурой. Далее газообразный хладагент проводится через вышеуказанный теплообменник 5, в котором он испытывает незначительное охлаждение. Затем газообразный хладагент подводится в конденсатор 12, в котором он охлаждается до температуры, при которой он конденсируется. В изображенном примере он охлаждается в конденсаторе 12 воздухом при температуре окружающей среды. Воздушный вентилятор 13 всасывает окружающий воздух, который проводится через конденсатор 12. Газообразный хладагент, таким образом, превращается в жидкость в конденсаторе 12. Если применим холодный хладагент, газообразный хладагент может альтернативно охлаждаться хладагентом в конденсаторе. Жидкий хладагент выводится из конденсатора 12 в насос 4. Жидкий хладагент, достигающий теплообменник 5, будет находиться при более низкой температуре, чем газообразный хладагент, проводимый через теплообменник, в положении перед конденсатором 12. Жидкий хладагент, таким образом, испытывает незначительное нагревание в теплообменнике 5 до достижения им испарителя 6. Циркулирующий хладагент испытывает понижение давления в турбине 9. Насос 4 сообщает соответствующее повышение давления хладагенту. Хладагент будет, таким образом, находиться под более высоким давлением на участке линейного контура 3, который продолжается от насоса 4 до турбины 9, чем на участке линейного контура 3, который продолжается от турбины 9 до насоса 4 относительно предполагаемого направления циркуляции хладагента в линейном контуре 3. Турбина 9, таким образом, делает возможным утилизировать и преобразовывать в механическую энергию тепловую энергию из выхлопных газов в выхлопной линии 7. Механическая энергия в этом случае преобразуется в электрическую энергию в генераторе 11. Механическая или электрическая энергия преимущественно используется для приведения в движение транспортного средства 1. Транспортное средство может, таким образом, достигать большей мощности без какой-либо подачи дополнительного топлива в двигатель 2.
Конструкция также содержит накопительный резервуар 14 для хранения хладагента, который не используется в линейном контуре 3. Накопительный резервуар 14 выполнен с возможностью хранения хладагента при таких температуре и давлении, что в накопительном резервуаре 14 имеются пригодные количества хладагента в жидкой фазе и газообразной фазе. Конструкция содержит первую линию 15 с клапаном 16. Первая линия 15 продолжается от верхнего участка накопительного резервуара 14 до области линейного контура 3, в которой хладагент находится под более низким давлением, чем в накопительном резервуаре 14. При открытии клапана 16 газообразный хладагент отводится из накопительного резервуара 14 в линейный контур 3 с помощью первой линии 15. Конструкция содержит вторую линию 17 с клапаном 18. Вторая линия 17 продолжается от нижнего участка накопительного резервуара 14 до области линейного контура 3, в которой хладагент находится под более высоким давлением, чем в накопительном резервуаре 14. При открытии клапана 18 жидкий хладагент отводится из линейного контура 3 в накопительный резервуар 14 с помощью турбины 9. Датчик 19 температуры и датчик 20 давления расположены в линейном контуре 3 в положении после конденсатора 12 и перед насосом 4. Блок 21 управления выполнен с возможностью принятия информации от датчика 19 температуры и датчика 20 давления во время работы. Блок 21 управления выполнен с возможностью открытия одного из клапанов 16, 18 для регулирования степени заполнения линейного контура 3 хладагентом.
Когда нагрузка на двигатель 2 изменяется, изменяются поток и температура выхлопных газов в выхлопной линии 7. Рабочие состояния, в которых на двигатель 2 действует большая нагрузка, приводят к большому потоку выхлопных газов при высокой температуре через выхлопную линию 7. В таких рабочих состояниях турбина 9 может утилизировать относительно большое количество тепловой энергии из выхлопных газов. Низкая нагрузка на двигатель 2 приводит к значительно меньшему потоку выхлопных газов при более низкой температуре через выхлопную линию 7. В таких рабочих состояниях турбина 9 может утилизировать значительно меньше тепловой энергии из выхлопных газов. Тем не менее, необходимо утилизировать столько тепловой энергии из выхлопных газов, сколько возможно, во всех рабочих состояниях. Оптимальная утилизация тепловой энергии достигается тогда, когда жидкий хладагент, вводимый в испаритель 6, не имеет дополнительного охлаждения. Когда дело обстоит именно так, по существу не требуется использовать какую-либо тепловую энергию из выхлопных газов для нагревания хладагента в испарителе 6 до температуры испарения, так что по существу вся тепловая энергия из выхлопных газов может использоваться для испарения хладагента в испарителе 6. В этом случае оптимальное количество тепловой энергии может преобразовываться в механическую энергию в турбине 9.
ref
ref
ref
Фиг.2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ во время работы конструкции на фиг.1. Процесс начинается на этапе 22. Во время работы блок 21 управления принимает на этапе 23 информацию от датчика 19 температуры и датчика 20 давления о температуре t и давлении p хладагента. Датчик 19 температуры и датчик 20 давления расположены в положении в линейном контуре 3 после конденсатора 12 и перед насосом 4 относительно предполагаемого направления потока хладагента в линейном контуре 3. На основе этой информации блок управления может оценивать дополнительное охлаждение Δt в конденсаторе 12 посредством, например, диаграммы Молье для особого хладагента. Для обеспечения того, что хладагент в жидкой форме не достигает насоса 4, может быть допустимо дополнительное охлаждение на несколько градусов в форме ссылочного значения Δt. Ссылочное значение дополнительного охлаждения Δt в конденсаторе преимущественно соответствует повышению температуры, которое хладагент испытывает в теплообменнике 5. Это делает возможным подведение в испаритель 6 жидкого хладагента без дополнительного охлаждения. Блок 21 управления на этапе 25 сравнивает, соответствует ли соответственное дополнительное охлаждение Δt хладагента ссылочному значению Δt. Если дело обстоит именно так, блок 21 управления обнаружит, что данное количество хладагента в линейном контуре 3 является верным. Далее процесс начинается снова на этапе 22.
ref
ref
ref
Если блок 21 управления обнаруживает, что дополнительное охлаждение Δt не равно ссылочному значению Δt, способ переходит к этапу 26, где блок 21 управления решает, является ли дополнительное охлаждение Δt слишком маленьким или слишком большим относительно ссылочного значения Δt. Если дополнительное охлаждение Δt хладагента в конденсаторе 12 является слишком большим, блок 21 управления на этапе 27 открывает клапан 16 в первой линии 15. Первая линия 15 будет, таким образом, соединяться с участком линейного контура 3, в котором давление более низкое, чем в накопительном резервуаре 14. Газообразный хладагент будет, в связи с этим, втягиваться в линейный контур 3 при открытии клапана 16. Блок 21 управления также может оценивать, на этапе 27, сколько хладагента необходимо добавить для исключения разницы между текущим дополнительным охлаждением Δt и ссылочным значением Δt. Блок 21 управления может удерживать первый клапан 16 открытым определенный период времени так, что добавляется оцененное количество хладагента. Далее способ начинается снова на этапе 22. При увеличении количества хладагента в линейном контуре 3 большее количество его накапливается в конденсаторе 12, при этом дополнительное охлаждение хладагента, покидающего конденсатор 12, уменьшается.
ref
Если дополнительное охлаждение Δt хладагента в конденсаторе 12 слишком маленькое, блок 21 управления на этапе 28 открывает клапан 18 во второй линии 17. Вторая линия 17, таким образом, соединяется с участком линейного контура 3, в котором давление более высокое, чем в накопительном резервуаре 14. Жидкий хладагент в связи с этим проталкивается в накопительный резервуар 14 из линейного контура 3 при открытии клапана 18. Блок 21 управления также может на этапе 28 оценивать, сколько хладагента необходимо выводить из линейного контура 3 для исключения разницы между соответственным дополнительным охлаждением Δt и ссылочным значением Δt. Блок 21 управления может удерживать клапан 18 открытым определенный период времени так, что оцененное количество хладагента выводится из линейного контура 3. Далее способ начинается снова на этапе 22. При уменьшении количества хладагента в линейном контуре 3 меньшее количество его накапливается в конденсаторе 12, при этом дополнительное охлаждение хладагента, покидающего конденсатор 12, увеличивается. Далее способ начинается снова на этапе 22.
Фиг.3 изображает альтернативный вариант выполнения конструкции. В этом случае накопительный резервуар 14 соединен с линейным контуром 3 линией 29. Реверсивный насос 30 обеспечен в линии 29. Здесь блок 21 управления может управлять насосом 30 так, что степень заполнения линейного контура 3 хладагентом может и увеличиваться, и уменьшаться. В этом случае блок 21 управления принимает информацию от датчика 19 температуры и датчика 20 давления, которые расположены в линейном контуре 3 в положении после теплообменника 5 и перед испарителем 6. Далее блок 21 управления может непосредственно решать, имеет ли жидкий хладагент, подводимый к испарителю, дополнительное охлаждение или нет.
Изобретение никоим образом не ограничено вариантом выполнения, к которому относятся чертежи, но может изменяться свободно в пределах объемов охраны формулы изобретения. В изображенных вариантах выполнения тепло в выхлопных газах используется в качестве источника тепла для испарения хладагента и приведения в движение турбины. Тем не менее, возможно использовать любые требуемые источники тепла для испарения хладагента в испарителе, в особенности источники тепла, которые имеют переменную тепловую мощность и требуют охлаждения. Такие источники тепла могут представлять собой хладагент в системе охлаждения транспортного средства, наддувочный воздух, подводимый в двигатели внутреннего сгорания с наддувом, и рециркулирующие выхлопные газы.