блок привода с рекуперацией тепла

Формула изобретения

1. Блок привода автомобиля, включающий двигатель (10) внутреннего сгорания, компрессор (11) низкого давления, компрессор (12) высокого давления и устройство подачи наддувочного воздуха с блоком (13, 14) охлаждения наддувочного воздуха, а также систему отвода отработавшего газа для удаления образующегося в двигателе (10) внутреннего сгорания отработавшего газа, включающий также систему охлаждения, по меньшей мере, с одним контуром (1) охлаждения, в котором расположены теплообменник, через который протекает рабочая среда и который охлаждается воздухом окружающей среды, по меньшей мере один встроенный в систему отвода отработавшего газа охладитель (9) отработавшего газа и блок (13, 14) охлаждения наддувочного воздуха, причем блок (13, 14) охлаждения наддувочного воздуха содержит промежуточный охладитель (13) наддувочного воздуха и основной охладитель (14) наддувочного воздуха, которые в теплотехническом отношении подсоединены по меньшей мере к одному контуру (1) охлаждения, так что промежуточный охладитель (13) наддувочного воздуха расположен по направлению протекания наддувочного воздуха между компрессором (11) низкого давления и компрессором (12) высокого давления, а основной охладитель (14) наддувочного воздуха подключен после компрессора (12) высокого давления, отличающийся тем, что предусмотрены по меньшей мере один первый контур (20) охлаждения и по меньшей мере один второй контур (21) охлаждения, разъединенные гидравлически посредством, по меньшей мере, одного теплообменника, посредством которого первый (20) и второй (21) контуры охлаждения находятся в тепловом контакте, и на одной из ступеней работы системы охлаждения в содержащейся во втором контуре (21) охлаждения рабочей среде происходит, по меньшей мере, частичный фазовый переход.

2. Блок привода по п,1, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном первом контуре (20) охлаждения содержится первая рабочая среда, а во втором контуре (21) охлаждения - вторая рабочая среда, причем первая и вторая рабочие среды отличаются между собой по химическим и/или физическим свойствам.

3. Блок привода по п.1 или 2, отличающийся тем, что предусмотрен масляный охладитель (24), который в тепловом отношении соединен, по меньшей мере, с одним первым контуром (20) охлаждения.

4. Блок привода по п.1, отличающийся тем, что охладитель (9) отработавшего газа включает блок охлаждения рециркуляции отработавшего газа, расположенный между системой отвода отработавшего газа и устройством подачи наддувочного воздуха, так что посредством блока охлаждения контура рециркуляции отработавшего газа теплота частичного потока отработавшего газа, отводимого из системы отвода отработавшего газа, перед вводом в устройство подачи наддувочного воздуха, передается на второй контур (21) охлаждения.

5. Блок привода по п.1, отличающийся тем, что во втором контуре (21) охлаждения предусмотрен блок (16, 22, 30) подачи рабочей среды, выполненный с возможностью регулирования в зависимости, по меньшей мере, от одного рабочего параметра системы охлаждения.

6. Блок привода по п.1, отличающийся тем, что первый (20) и второй (21) контуры охлаждения выполнены с возможностью работы на разных температурных уровнях.

7. Блок привода по п.1, отличающийся тем, что во втором контуре (21) охлаждения предусмотрен, по меньшей мере, один высокотемпературный контур, работающий на более высоком температурном уровне чем, по меньшей мере, один низкотемпературный контур второго контура (21) охлаждения, и в высокотемпературном контуре предусмотрен охлаждаемый воздухом окружающей среды высокотемпературный конденсатор (15а), а в низкотемпературном контуре - охлаждаемый воздухом окружающей среды низкотемпературный конденсатор (15b).

8. Блок привода по п.2, отличающийся тем, что содержащаяся во втором контуре (21) охлаждения вторая рабочая среда или, по меньшей мере, один компонент второй рабочей среды имеет более низкую температуру испарения чем рабочая среда, содержащаяся в первом контуре (20) охлаждения.

9. Блок привода по п.1, отличающийся тем, что во втором контуре (21) охлаждения предусмотрен тепловой двигатель, который на стадии работы системы охлаждения нагружается рабочей средой, по меньшей мере частично перешедшей в парообразную фазу.

10. Блок привода по п.9, отличающийся тем, что тепловой двигатель представляет собой турбоустановку или расширительный блок (19).

11. Блок привода по п.9 или 10, отличающийся тем, что тепловой двигатель находится в активном соединении с двигателем (10) внутреннего сгорания.

12. Блок привода по п.9, отличающийся тем, что тепловой двигатель находится в активном соединении с двигателем (10) внутреннего сгорания через коленчатый вал или ременный привод.

13. Блок привода по п.1, отличающийся тем, что содержащаяся во втором контуре (21) охлаждения вторая рабочая среда представляет собой водоаммиачную смесь.

14. Блок привода по п.1, отличающийся тем, что содержащаяся во втором контуре (21) охлаждения вторая рабочая среда представляет собой углеводородное соединение.

15. Блок привода по п.1, отличающийся тем, что содержащаяся во втором контуре (21) охлаждения вторая рабочая среда представляет собой n-перфторпентан (C ₅F₁₂).

16. Способ охлаждения блока привода двигателя внутреннего сгорания, при котором охлаждают двигатель (10) внутреннего сгорания, снабженный системой отвода отработавшего газа, а также, по меньшей мере, частично сжатый наддувочный воздух, подаваемый в двигатель (10) внутреннего сгорания, причем отводимая теплота передается, по меньшей мере, на одну рабочую среду, которая транспортируется к теплообменнику и охлаждается в теплообменнике воздухом окружающей среды, при котором всасываемый из окружающей среды наддувочный воздух сжимается на первой и второй ступенях сжатия и охлаждается после первого и второго сжатия, при котором, по меньшей мере, частично охлаждается отработавший газ, находящийся в системе отвода отработавшего газа, и при котором отведенная из наддувочного воздуха и отработавшего газа теплота передается, по меньшей мере, на одну подаваемую в контур (1) охлаждения рабочую среду, отличающийся тем, что в одном первом контуре охлаждения подается первая рабочая среда, а в одном втором контуре охлаждения - вторая рабочая среда, и содержащаяся во втором контуре охлаждения вторая рабочая среда, по меньшей мере, частично переходит в парообразную или газообразную фазу.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что разные фазы рабочей среды отделяют одну от другой.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что вторая рабочая среда, по меньшей мере, частично расширяется в расширителе, а перед началом расширения содержащаяся во второй рабочей среде энергия, по меньшей мере, частично превращается в энергию вращения.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что энергия вращения, по меньшей мере, частично передается на двигатель (10) внутреннего сгорания.

20. Способ по п.18 или 19, отличающийся тем, что энергия вращения, по меньшей мере, частично превращается в электрическую энергию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к блоку привода автомобиля, включающему двигатель внутреннего сгорания, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления и устройство подачи наддувочного воздуха с блоком охлаждения наддувочного воздуха, а также систему отвода отработавшего газа, посредством которой удаляется образующийся в двигателе внутреннего сгорания отработавший газ. Далее предусмотрена система охлаждения по меньшей мере с одним контуром охлаждения, в котором расположены теплообменник, через который протекает рабочая среда и который охлаждается воздухом окружающей среды, по меньшей мере один встроенный в систему отвода отработавшего газа охладитель отработавшего газа и блок охлаждения наддувочного воздуха. При этом блок охлаждения наддувочного воздуха содержит промежуточный охладитель наддувочного воздуха и основной охладитель наддувочного воздуха, которые в теплотехническом отношении подсоединены по меньшей мере к одному контуру охлаждения, так что промежуточный охладитель наддувочного воздуха расположен по направлению протекания наддувочного воздуха между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления, а основной охладитель наддувочного воздуха подключен после компрессора высокого давления.

При сгорании воздушно-топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания наряду с превращением тепловой энергии в механическую энергию происходит высвобождение ее значительной части. В связи с ограниченной жаропрочностью двигателя, а также навесных деталей двигателя крайне необходима установка системы охлаждения. Охлаждать двигатель можно, во-первых, при помощи воздушного охлаждения и, во-вторых, при помощи водяного охлаждения.

В области автомобильной техники водяное охлаждение нашло широкое применение. При водяном охлаждении головка блока цилиндров и картер цилиндров выполнены, как правило, с двойными стенками, причем между этими стенками находится водяная рубашка, при помощи которой отводится теплота сгорания двигателя. Как правило, контур охлаждения состоит из водяного насоса, термостата, соединительных шлангов, охладителя, компенсационного бачка и вентилятора. В качестве хладагента применяется смесь из воды и 30-50% антифриза и ингибитора коррозии, как правило, этиленгликоля. Наряду с функцией отвода тепла хладагент выполняет задачу защиты от коррозии, повышения температуры кипения, а также предупреждения замерзания контура охлаждения. При использовании вышеописанных систем охлаждения происходит, с одной стороны, теплообмен на стенке двигателя, где тепло двигателя передается на хладагент и, с другой стороны, тепло, отводимое хладагентом, передается при помощи омываемого воздухом окружающей среды теплообменника, так называемого охладителя, на воздух окружающей среды.

В дополнение к вышеописанной системе подачи хладагента в контурах охлаждения известных двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением из публикации DE 102004018227 A1 известна также система охлаждения для транспортных средств с замедлителем, включающим два контура охлаждения. При помощи первого контура охлаждения охлаждается двигатель, а при помощи второго, параллельного контура охлаждения, замедлитель и в конце тепло в совместно используемом блоке радиатор/охладитель передается на воздух окружающей среды.

Далее в публикации DE 19745758 А1 описывается охлаждение испарением для двигателей внутреннего сгорания, при котором используемая вода во время работы системы охлаждения претерпевает фазовый переход жидкая-газообразная-жидкая. При этом используется эффект того, что коэффициенты теплоотдачи как с теплой стенки на кипящую жидкость, так и с пара на холодную стенку при конденсации выше, чем при конвекции жидкости или даже воздуха. На этом основании описанное техническое решение позволяет применять меньшие поверхности теплообмена и/или работать с меньшими разностями температуры, чем при конвективном охлаждении.

Наряду с вышеописанными системами известны системы охлаждения для автомобилей, в которых в рамках системы охлаждения используются разные рабочие среды. В этой связи из публикации DE 4235883 А1 известна система охлаждения для двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, которая дополнительно снабжена тепловым буфером, подсоединенным через теплообменный блок к первому контуру охлаждения. Система охлаждения с тепловым буфером призвана обеспечить возможность согласования расхода хладагента и размеров воздушно-жидкостного теплообменника с потребностями нормальной работы и, кроме того, сохранение достаточного отвода тепла двигателя в условиях пиковых нагрузок. Тепловой буфер содержит теплоаккумулирующую среду, находящуюся в теплообмене с охлаждающей жидкостью контура охлаждения. При этом теплоаккумулирующая среда выбирается таким образом, что она претерпевает фазовый переход в верхнем диапазоне рабочих температур хладагента, но не больше 10 К над максимально допустимой рабочей температурой. Если рабочая температура хладагента превышает температуру испарения теплоаккумулирующей среды, в результате происходящего фазового перехода у хладагента отбирается значительное количество тепла и таким образом вплоть до полного завершения фазового перехода исключается дальнейший нагрев хладагента.

Известно также использование наряду с тепловым буфером второго контура охлаждения, который, благодаря использованию фазового перехода рабочей среды, позволяет отводить избыточное тепло из первого контура охлаждения и подавать на нуждающиеся в тепле компоненты транспортного средства. Такого рода система охлаждения известна из описания изобретения к японскому патенту JP 09072255 А. Описанная в этой публикации система охлаждения содержит отделенный от первого контура теплообменником второй контур охлаждения, в котором в качестве рабочей среды циркулирует водоаммиачная смесь. При этом используются разные точки кипения воды и аммиака для отвода тепла из контура охлаждения двигателя и подачи этого тепла к другим компонентам транспортного средства. Описанная система охлаждения по существу включает генератор, в котором аммиак испаряется из водоаммиачной смеси, разделитель фаз, в котором разделяются жидкая фаза от паровой, конденсатор, в котором аммиак вновь сжижается, а также дроссельный клапан с подключенным к нему последовательно еще одним испарителем и, наконец, абсорбер, в котором газообразный аммиак растворяется в воде с выделением тепла. В описанной системе охлаждения отводимое из зоны двигателя тепло в генераторе передается на водоаммиачную смесь и с помощью конденсатора используется для подогрева топлива.

Далее, из публикации DE 10246807 А1 известна система охлаждения для автомобильных двигателей с охлаждением наддувочного воздуха, в которой предусмотрены в одном контуре охлаждения два охлаждаемых воздухом теплообменника, а также охладитель наддувочного воздуха. Описывается система охлаждения с агрегатным контуром охлаждения для двигателя внутреннего сгорания, включающим основной контур охлаждения с охладителем основного хладагента и дополнительный контур охлаждения для охлаждения дополнительной среды, при этом дополнительный контур охлаждения в месте отбора отходит от основного контура охлаждения и вновь подводится к нему в месте подачи, расположенном между охладителем основного хладагента и насосом для подачи хладагента. В дополнение к двум вышеназванным охладителям предусмотрен охладитель наддувочного воздуха, при помощи которого охлаждается подаваемый к двигателю внутреннего сгорания наддувочный воздух. Существенным в описанном техническом решении является то, что контуры охлаждения работают на разных температурных уровнях, и мощность и/или давление насоса для подачи хладагента регулируются в зависимости от подаваемого объемного потока.

Исходя из известного уровня техники задача изобретения состоит в том, чтобы предложить систему охлаждения для блока привода автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, делающую возможным эффективный отвод тепла из блока привода и одновременно обеспечивающую подачу теплоты к другим компонентам транспортного средства, требующим нагрева до или во время эксплуатации. При этом уделяется внимание, в частности на то, чтобы при всех режимах работы автомобиля обеспечивался как можно более эффективный теплообмен между различными компонентами автомобиля без потери при этом приводной мощности.

Поставленная задача в блоке привода автомобиля, включающем двигатель внутреннего сгорания, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления и устройство подачи наддувочного воздуха с блоком охлаждения наддувочного воздуха, а также систему отвода отработавшего газа для удаления образующегося в двигателе внутреннего сгорания отработавшего газа, включающем также систему охлаждения по меньшей мере с одним контуром охлаждения, в котором расположены теплообменник, через который протекает рабочая среда и который охлаждается воздухом окружающей среды, по меньшей мере один встроенный в систему отвода отработавшего газа охладитель отработавшего газа и блок охлаждения наддувочного воздуха, причем блок охлаждения наддувочного воздуха содержит промежуточный охладитель наддувочного воздуха и основной охладитель наддувочного воздуха, которые в теплотехническом отношении подсоединены по меньшей мере к одному контуру охлаждения, так что промежуточный охладитель наддувочного воздуха расположен по направлению протекания наддувочного воздуха между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления, а основной охладитель наддувочного воздуха подключен после компрессора высокого давления, согласно изобретению решается тем, что в нем предусмотрены по меньшей мере один первый контур охлаждения и по меньшей мере один второй контур охлаждения, разъединенные гидравлически посредством по меньшей мере одного теплообменника, посредством которого первый и второй контуры охлаждения находятся в тепловом контакте, и на одной из ступеней работы системы охлаждения в содержащейся во втором контуре охлаждения рабочей среде происходит по меньшей мере частичный фазовый переход.

По меньшей мере в одном первом контуре охлаждения содержится первая рабочая среда, а во втором контуре охлаждения - вторая рабочая среда, причем первая и вторая рабочая среды отличаются между собой по химическим и/или физическим свойствам.

В блоке привода предусмотрен масляный охладитель, который в тепловом отношении соединен по меньшей мере с одним первым контуром охлаждения.

Охладитель отработавшего газа включает блок охлаждения рециркуляции отработавшего газа, расположенный между системой отвода отработавшего газа и устройством подачи наддувочного воздуха, так что посредством блока охлаждения контура рециркуляции отработавшего газа теплота частичного потока отработавшего газа, отводимого из системы отвода отработавшего газа перед вводом в устройство подачи наддувочного воздуха, передается на второй контур охлаждения.

Во втором контуре охлаждения предусмотрен блок подачи рабочей среды, выполненный с возможностью регулирования в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра системы охлаждения.

Первый и второй контуры охлаждения выполнены с возможностью работы на разных температурных уровнях.

Во втором контуре охлаждения предусмотрен по меньшей мере один высокотемпературной контур, работающий на более высоком температурном уровне, чем по меньшей мере один низкотемпературный контур второго контура охлаждения, и в высокотемпературном контуре предусмотрен охлаждаемый воздухом окружающей среды высокотемпературный теплообменник, а в низкотемпературном контуре - охлаждаемый воздухом окружающей среды низкотемпературный теплообменник.

Содержащаяся во втором контуре охлаждения вторая рабочая среда или по меньшей мере один компонент второй рабочей среды имеет более низкую температуру испарения, чем рабочая среда, содержащаяся в первом контуре охлаждения.

Во втором контуре охлаждения предусмотрен тепловой двигатель, который на стадии работы системы охлаждения нагружается рабочей средой, по меньшей мере частично перешедшей в парообразную фазу.

Тепловой двигатель представляет собой турбоустановку или расширительный блок.

Тепловой двигатель находится в активном соединении с двигателем внутреннего сгорания.

Тепловой двигатель находится в активном соединении с двигателем внутреннего сгорания через коленчатый вал или ременный привод.

Содержащаяся во втором контуре охлаждения вторая рабочая среда представляет собой водоаммиачную смесь.

Содержащаяся во втором контуре охлаждения вторая рабочая среда представляет собой углеводородное соединение.

Содержащаяся во втором контуре охлаждения вторая рабочая среда представляет собой n-перфторпентан (C₅F₁₂ ).

Вышеописанная система позволяет осуществлять рекуперацию тепла на различных, предусмотренных в зоне блока привода, источниках теплоты. Существенным элементом при этом является то, что тепловая энергия, выработанная предусмотренными в блоке привода автомобиля источниками теплоты на разных температурных уровнях, может быть эффективно использована за счет взаимоувязанной по температуре схемы подключения этих компонентов и соответствующих теплообменников, причем максимально возможное количество тепловой энергии используется в блоке привода или для соответствующих дополнительных агрегатов, а не передается неиспользованным в окружающую среду. Для этого предусмотрен по меньшей мере один контур охлаждения, в котором рабочая среда нагревается настолько, что в этой рабочей среде происходит по меньшей мере частичный фазовый переход.

Неотъемлемой составной частью изобретения является то, что теплота, выделяющаяся как в контуре охлаждения наддувочного воздуха, так и в системе отвода отработавшего газа, ввиду привязки к контуру охлаждения, в котором по меньшей мере временно содержится парообразная рабочая среда, вновь может использоваться как для блока привода, так и для вышеупомянутых дополнительных агрегатов. В рамках системы отвода отработавшего газа может осуществляться рекуперация тепла при рециркуляции отработавшего газа, посредством которой отработавший газ по меньшей мере частично добавляют к наддувочному воздуху, и/или в месте, расположенном, например, по потоку ниже газотурбинного нагнетателя. В подобную схему охлаждения наряду с топливным охладителем могут быть включены, разумеется, и другие источники теплоты, такие как масляный охладитель или замедлитель.

Между первым и вторым контурами охлаждения отсутствует какое-либо гидравлическое соединение, так что первый и второй контуры связаны лишь в тепловом отношении, однако оба контура охлаждения гидродинамически не соединены друг с другом. Предпочтительно первый контур охлаждения является контуром охлаждения двигателя, в котором по меньшей мере частично отводится тепло, возникающее в двигателе внутреннего сгорания. В равной мере можно предусмотреть возможность использования тепла, отводимого при охлаждении наддувочного воздуха и/или отработавшего газа, посредством контура охлаждения двигателя или одного, или нескольких других контуров охлаждения. Таким образом, в зависимости от расположения компонентов блока привода, отводимое от вышеназванных компонентах тепло, может быть передано в первый контур охлаждения и посредством по меньшей мере одного теплообменника во второй контур охлаждения или соответствующее количество тепла может быть передано непосредственно во второй контур охлаждения, при помощи которого тепло может быть использовано для понижения теплоты. Благодаря разделению различных контуров охлаждения по меньшей мере на один первый контур и по меньшей мере на один второй контур охлаждения, объемные потоки в отдельных контурах охлаждения предпочтительным образом могут регулироваться в связи с потреблением, температурой или охлаждающей способностью. Второй контур охлаждения работает в таком режиме, что находящаяся в этом контуре охлаждения рабочая среда во время работы системы охлаждения по меньшей мере время от времени претерпевает фазовый переход.

В специальном варианте выполнения изобретения в первом контуре охлаждения предусмотрена первая рабочая среда, а во втором контуре охлаждения вторая рабочая среда, при этом первая и вторая рабочая среда отличаются между собой по химическим и/или физическим свойствам. Находящаяся во втором контуре охлаждения вторая рабочая среда предпочтительно имеет точку парообразования или температуру испарения, которая ниже температуры испарения первой рабочей среды. Далее, может быть предусмотрено, что подаваемая во второй контур охлаждения рабочая среда имеет смесь по меньшей мере из двух компонентов рабочей среды, из которых по меньшей мере один компонент имеет температуру испарения ниже, чем температура испарения рабочей среды, подаваемой в первый контур охлаждения. Кроме того, может быть предусмотрено, что первый и второй контур охлаждения работают при разных уровнях давления и/или температуры.

Совершенно особый вариант осуществления предлагаемой системы охлаждения предусматривает, что во втором контуре охлаждения подается водоаммиачная смесь. Эта смесь отличается прежде всего тем, что аммиак (NН₃) имеет температуру испарения, лежащую значительно ниже температуры испарения воды при господствующих обычно в системах охлаждения автомобилей давлениях. В принятых обычно, действующих в окружающей среде нормальных параметрах, аммиак испаряется примерно при -33°С (примерно 240 К). Вышеописанное техническое решение позволяет обеспечить, что первый контур охлаждения работает при температурном уровне примерно 80-85°С (примерно 360 К) и, тем не менее, находящаяся во втором контуре охлаждения рабочая среда претерпевает по меньшей мере частичный фазовый переход с жидкой в паровую или газообразную фазу. Такой специальный вариант выполнения изобретения предпочтителен прежде всего, если предполагается дальнейшее использование тепла, передаваемого с первого контура охлаждения на второй. Кроме того, при испарении или конденсации рабочей среды достигнуты лучшие коэффициенты теплоотдачи, чем при обычных процессах конвекции, так что поверхности теплообмена могут быть выполнены меньшими, чем для обычных теплообменников, и/или теплообменники могут работать с меньшими разбросами температуры.

Система охлаждения согласно изобретению имеет то преимущество, что позволяет использовать находящееся во втором контуре охлаждения тепло для определенного понижения теплоты в зоне двигателя или дополнительных агрегатов, например системы обогрева автомобиля или кондиционера. Далее может быть предусмотрено, чтобы это тепло или накопленную предпочтительно в виде пара рабочей среды энергию превратить в механическую работу, например, в форме энергии вращения. Таким образом, эту энергию даже можно преобразовать, наконец, в электрическую энергию.

Если находящаяся во втором рабочем контуре рабочая среда по меньшей мере частично переходит в паровую фазу, то можно предусмотреть, чтобы этот пар направить в блок расширения, с тем чтобы содержащуюся в паре энергию преобразовать в соответствующую кинетическую энергию. Кроме того, совершенно особый вариант осуществления изобретения предусматривает, чтобы выделившуюся в блоке расширения кинетическую энергию использовать для поддержания привода двигателя внутреннего сгорания. В этом случае при помощи соответствующих соединительных звеньев, таких как коленчатый вал (своего рода обратный принцип воздушного насоса), зубчатая передача или ременная передача, устанавливается механическое соединение между выходным валом блока расширения и двигателем внутреннего сгорания. Совершенно особое техническое решение предусматривает в этой связи даже прямое соединение блока расширения с блоком привода. Блок расширения содержит в этом случае приводимый в движение паром поршень, так что посредством соответствующих поводковых соединений или шатунов выделяющаяся в расширителе механическая энергия может передаваться на блок привода.

В другом варианте осуществления предусмотрено, что находящийся во втором контуре охлаждения пар, прежде чем он подается на блок расширения, который может быть представлен поршневым двигателем, расширителем или турбиной, в сепараторном блоке отделяют от жидкой фазы рабочей среды. Если во втором контуре охлаждения в качестве рабочей среды используют, как было упомянуто выше, водоаммиачную смесь, то в сепараторе содержащую большую часть воды жидкую фазу отделяют от фазы парообразного аммиака. После того, как рабочая среда в блоке расширения расширяется, ее направляют предпочтительно на конденсатор, в котором она в связи с отдачей тепла вновь сжижается. Если рабочая среда, о которой идет речь, представляет собой рабочую среду, состоящую из нескольких компонентов, при этом по меньшей мере лишь один из компонентов перешел в паровую фазу, то после конденсации до сих пор парообразной рабочей среды происходит смешение с жидкими компонентами рабочей среды. Таким образом, вновь получают жидкую рабочую среду, которая вновь транспортируется к теплообменнику второго контура охлаждения, в тепловом отношении связанного с первым контуром охлаждения. В этой связи допустимо, разумеется, предусмотреть во втором контуре охлаждения как другие компоненты, например дроссельный или регулировочный клапаны, так и другие теплообменники, например, для отвода возникающего при абсорбции вещества тепла.

Другой совершенно особый вариант осуществления изобретения предусматривает во втором контуре охлаждения блок подачи рабочей среды, работающий в зависимости от заданной в системе управления двигателя рабочей точки или рабочей характеристики. При этом допустимо, например, использование насоса или компрессора с регулируемой частотой вращения и, следовательно, регулируемым, приготовленным во втором контуре охлаждения, объемом пара. В зависимости от режима работы и величины регулировки варьируют приготовленный объем пара, в частности объемный поток, и/или действующее во втором контуре охлаждения давление. В частности, регулирование действующего во втором контуре охлаждения давления позволяет приготовить разные объемы пара, а также расширить произведенный пар до соответствующего расходу уровня давления. Разумеется, объемный поток рабочей среды, в частности объемный поток пара, во втором контуре охлаждения, посредством вышеописанного регулируемого блока подачи также может быть согласован с потребностями производства.

Как альтернатива уже описанному применению состоящей по меньшей мере из двух компонентов рабочей среды во втором контуре охлаждения допустимо использование в качестве рабочей среды углеводородного соединения с низкой температурой кипения или парообразования. Особенно подходят в этой связи соединения бутана, а также пентана. Другой средой, особенно подходящей для использования в качестве рабочей среды во втором контуре охлаждения, представляется n-перфторопентан (C₅F₁₂). Эта последняя рабочая среда отличается при этом прежде всего тем, что представляет собой негорючее, так называемое безопасное рабочее средство. В следующей таблице предлагается перечень возможных рабочих сред, обладающих существенными для изобретения физическим и/или химическими свойствами.

Далее, изобретение касается способа охлаждения блока привода автомобиля, при котором:

охлаждается двигатель внутреннего сгорания, снабженный системой отвода отработавшего газа, а также по меньшей мере частично сжатый наддувочный воздух, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания, при этом отводимая теплота передается по меньшей мере на одну рабочую среду, которая транспортируется к теплообменнику и охлаждается в теплообменнике воздухом окружающей среды,

всасываемый из окружающей среды наддувочный воздух сжимается на первой и второй ступенях сжатия и охлаждается после первого и второго сжатия,

по меньшей мере частично охлаждается отработавший газ, находящийся в системе отвода отработавшего газа и

отведенная из наддувочного воздуха и отработавшего газа теплота передается по меньшей мере на одну подаваемую в контур охлаждения 1 рабочую среду,

и который усовершенствован таким образом, что в один первый контур охлаждения подается одна первая рабочая среда, а в один второй контур охлаждения одна вторая рабочая среда, и содержащаяся во втором контуре охлаждения рабочая среда по меньшей мере частично переходит в паровую или газообразную фазу.

Разные фазы рабочей среды отделяют одну от другой.

Вторая рабочая среда, по меньшей мере, частично расширяется в расширителе, а перед началом расширения содержащаяся во второй рабочей среде энергия по меньшей мере частично превращается в энергию вращения.

Способ согласно изобретению также обеспечивает то, что теплота, подготовленная в зоне блока привода двигателя внутреннего сгорания из различных источников теплоты, таких как, например, охладитель наддувочного воздуха или рециркуляция отработавшего газа, поступает для дальнейшего использования, что исключает отвод этой теплоты исключительно в окружающую среду.

При способе согласно изобретению по меньшей мере в одном первом контуре охлаждения предпочтительным образом циркулирует первая рабочая среда, а во втором контуре охлаждения вторая рабочая среда и теплота, отведенная из наддувочного воздуха и/или отработавшего газа, предпочтительно через теплообменник рециркуляции отработавшего газа, передается на подаваемую в первый контур рабочую среду или теплота, накопленная в первой рабочей среде, по меньшей мере частично передается на подаваемую во второй контур охлаждения вторую рабочую среду. Оба контура охлаждения работают отдельно друг от друга, что означает, что в обоих контурах охлаждения предусмотрен соответственно по меньшей мере один блок подачи. Таким образом, при помощи соответствующего регулирования можно обеспечить, что первый и второй контуры охлаждения работают согласно потреблению, то есть, в частности, в зависимости от отводимого количества теплоты. При этом, в частности, можно предусмотреть, чтобы подача находящейся во втором контуре охлаждения рабочей среды осуществлялась в зависимости от рабочей точки блока привода (например, состояния холодного запуска или движения при полной нагрузке).

Для реализации способа согласно изобретению во втором контуре охлаждения используют рабочую среду, которая за счет переноса тепла непосредственно от наддувочного воздуха и/или контура охлаждения отработавшего газа во второй контур охлаждения и/или при опосредованном переносе тепла из первого контура во второй контур охлаждения, по меньшей мере частично переходит в паровую или газообразную фазу. Если во втором контуре охлаждения образуется пар, посредством регулирования частоты вращения блока подачи обеспечивают подачу необходимого количества пара во второй контур охлаждения. Допускается также при помощи регулируемого блока подачи рабочей среды во втором контуре охлаждения устанавливать определенный уровень давления. В специальном варианте осуществления изобретения блок подачи с регулируемой частотой вращения работает в сочетании с блоком расширения.

Во втором контуре охлаждения чередуются, следовательно, в зависимости от расхода теплоты и/или энергии испарение, расширение, сжижение и повторное испарение рабочей среды. В результате расширения пара в блоке расширения, который может быть представлен турбиной или соответственно выполненным расширительным блоком, содержащаяся в паре тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию, предпочтительно энергию вращения. Эта кинетическая энергия может быть передана, например, почти исключительно как поддержание привода для повышения кпд системы в целом, на двигатель внутреннего сгорания. Кроме того, за счет подсоединения генератора энергия вращения предпочтительно может быть преобразована в электрическую энергию, которая может быть использована автомобилем или потребителями электроэнергии в автомобиле. В равной мере допускается, что предлагаемая блоком расширения энергия вращения может быть использована почти исключительно как энергия привода для других систем.

Ниже изобретение излагается более детально, без ограничения его сущности в целом, на основе примеров осуществления и со ссылкой на чертежи, на которых показаны:

Фиг.1 - система охлаждения с высокотемпературным и низкотемпературным контурами охлаждения;

Фиг.2 - схема охлаждения с выработкой пара и отдельным контуром охлаждения двигателя;

Фиг.3 - схема охлаждения с выработкой пара, отдельным контуром охлаждения двигателя и многоступенчатой конденсацией рабочей среды;

Фиг.4 - схема охлаждения с выработкой пара в системе обработки отработавшего газа и параллельно подключенными охладителями наддувочного воздуха;

Фиг.5 - схема охлаждения с выработкой пара, утилизацией пара в системе обработки отработавшего газа и последовательно подключенными охладителями наддувочного воздуха;

Фиг.6 - схема охлаждения с выработкой пара, утилизацией пара в системе обработки отработавшего газа, двумя конденсаторами и параллельно подключенными охладителями наддувочного воздуха;

Фиг.7 - схема охлаждения с выработкой пара, утилизацией пара в системе обработки отработавшего газа, двумя конденсаторами и последовательно подключенными охладителями наддувочного воздуха.

На фиг.1 представлена система охлаждения для блока привода автомобиля, которая представляет собой основу описанных в связи с фиг.2-7 систем охлаждения, в которые по меньшей мере частично подается парообразная рабочая среда. Для лучшей наглядности сначала на основании этой системы более детально освещаются важнейшие компоненты. Показанный на фиг.1 контур 1 охлаждения разделен по существу на две гидравлически соединенные основные пути движения потока. Пути движения потока различаются по существу своим рабочим температурным уровнем. Так речь идет о пути движения высокотемпературного потока 2 и пути движения низкотемпературного потока 3, в которых циркулирует рабочая среда соответственно с разной температурой. Как на пути движения высокотемпературного потока 2, так и на пути движения низкотемпературного потока 3 предусмотрены соответственно воздушно-жидкостные теплообменники 4, 5, охлаждаемые при помощи воздуха окружающей среды. На оба пути движения потока, то есть на путь движения высокотемпературного 2 и низкотемпературного потока 3 насос для подачи хладагента подает рабочую среду, состоящую из двух компонентов. Рабочая среда представляет собой смесь воды и гликоля, при этом гликоль в отличие от чистой воды повышает температуру испарения смеси, предотвращает проявления коррозии в контуре 1 охлаждения и, кроме того, при низких температурах окружающей среды и во время стоянки транспортного средства не допускает замерзания контура охлаждения.

Насос 6 для подачи хладагента сразу же после включения, в зависимости от частоты вращения двигателя, подает постоянное количество охлаждающей или рабочей среды посредством контура 1 охлаждения. В контуре охлаждения предусмотрены регулировочные клапаны 7, 8, при помощи которых регулируется расход рабочей среды на различных путях движения потока контура 1 охлаждения. Таким образом можно регулировать расход рабочей среды, которая протекает по высокотемпературному охладителю 4, низкотемпературному охладителю 5, а также по охладителю 9 отработавших газов, который здесь представляет собой охладитель рециркуляции отработавших газов.

В представленном на фиг.1 блоке привода из окружающей среды всасывают необходимый для сгорания в двигателе 10 внутреннего сгорания наддувочный воздух и посредством компрессора 11 низкого давления и компрессора 12 высокого давления повышают его давление с давления окружающей среды, то есть порядка 10 ⁵ Па (=1 бар), до порядка 3·10⁵ Па (примерно 3 бар). При этом сжатие наддувочного воздуха осуществляется в две ступени, с тем чтобы за счет охлаждения наддувочного воздуха в находящемся между компрессором 11 низкого давления и компрессором 12 высокого давления промежуточном охладителе 13 наддувочного воздуха максимизировать эффективность сжатия наддувочного воздуха. Выходящий из компрессора 12 высокого давления наддувочный воздух при давлении порядка 3·10⁵ Па имеет температуру примерно 170°С (примерно 443 К). При помощи основного охладителя 14 наддувочного воздуха последний охлаждают до температуры порядка 45°С (примерно 318 К). В качестве промежуточного охладителя 13 наддувочного воздуха и основного охладителя 14 наддувочного воздуха предусмотрены соответственно жидкостно-воздушные теплообменники, в которых отходящее из сжатого наддувочного воздуха тепло передается на находящуюся в низкотемпературном контуре 3 охлаждения рабочую среду. После того, как наддувочный воздух вышел из основного охладителя 14 наддувочного воздуха, в него добавляется часть отработавших газов, которые уже покинули двигатель 10 внутреннего сгорания, и эта смесь отработавшего газа и наддувочного воздуха подается в камеру сгорания двигателя 10 внутреннего сгорания. Доля добавленного в наддувочный воздух отработавшего газа может составлять от 20 до 40% отходящих из двигателя 10 внутреннего сгорания выхлопных газов.

Далее, после двигателя 10 внутреннего сгорания в контуре рециркуляции отработавшего газа подключен охладитель 9 отработавшего газа, при помощи которого охлаждают часть отработавшего газа, которая добавляется в наддувочный воздух. Образующаяся в охладителе 9 отработавшего газа теплота посредством соответствующего теплообменного блока передается на подаваемую в высокотемпературный контур 2 охлаждения рабочую среду. При этом охладитель 9 отработавшего газа расположен таким образом, что покидающая охладитель 9 отработавшего газа или теплообменный блок в охладителе 9 отработавшего газа рабочая среда течет к охлаждаемому воздухом высокотемпературному контуру 4 охлаждения. При помощи регулировочного клапана 8 регулируется расход рабочей среды, протекающей через охладитель 9 отработавшего газа или его теплообменный блок, а при помощи регулировочного клапана 7 - расход рабочей среды, протекающей через высокотемпературный охладитель 4. Кроме того, при помощи регулировочного клапана 7 регулируют расход рабочей среды, протекающей через низкотемпературный охладитель 5, а также параллельно подключенные промежуточный 13 и основной 14 охладители наддувочного воздуха. Согласно расчету системы в целом, допускается также последовательное подключение промежуточного 13 и основного 14 охладителя наддувочного воздуха. Эти варианты осуществления освещаются более подробно в связи со схемами охлаждения, предусматривающими по меньшей мере один контур охлаждения, в котором рабочая среда по меньшей мере частично претерпевает фазовый переход.

Наряду с вышеописанными охладителями или теплообменными блоками, согласно расчетам либо в высокотемпературном контуре 2 охлаждения, либо в низкотемпературном контуре 3 охлаждения, может быть предусмотрен также масляный охладитель 24, при помощи которого теплота, отводимая от необходимого для двигателя внутреннего сгорания смазочного масла, передается в высокотемпературный контур 2 охлаждения или в низкотемпературный контур 3 охлаждения. Как альтернатива или в дополнение к ранее описанному охладителю смазочного масла, в случае такого рода охладителя речь может идти о масляном охладителе для требующего охлаждения масла для других механизмов автомобиля, например, замедлителя.

Описанная на фиг.1 система охлаждения работает таким образом, что подаваемая в низкотемпературный контур охлаждения рабочая среда имеет температуру, которая на 10-15 К ниже температуры парообразования этой рабочей среды. Кроме того, осуществляется регулирование потока массы рабочей среды относительно охлаждающей способности, генерируемой системой охлаждения в целом и/или относительно температуры наддувочного воздуха, оптимальной для процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания. Чтобы обеспечить такое оптимальное регулирование всей системы охлаждения, в управлении двигателя заданы соответствующие параметры и характеристики. Таким образом обеспечивается охлаждение охладителя наддувочного воздуха, равно как и охладителя отработавшего газа, с учетом оптимальной рабочей точки и/или оптимальных значений отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.2 представлена система охлаждения с предусмотренным в ней контуром охлаждения, в котором рабочая среда во время работы претерпевает по меньшей мере частично фазовый переход. Таким образом, система охлаждения согласно фиг.2 отличается от системы охлаждения по фиг.1 по существу тем, что оба работающие на разном температурном уровне пути движения потока с соответственно параллельно подключенными низкотемпературными 5 и высокотемпературными 6 охладителями соответственно заменены гидравлически не связанными контурами охлаждения. Первый контур 20 охлаждения представляет собой контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания. В этом первом контуре 20 охлаждения в качестве рабочей среды используется водо-гликольная смесь, которая отводимое от двигателя внутреннего сгорания тепло передает по меньшей мере частично через предварительный подогреватель 17 на второй контур 21 охлаждения. Во второй контур 21 охлаждения подается специальная рабочая среда, которая по меньшей мере частично имеет более низкую температуру парообразования, чем вода или подаваемая в первый 20 контур охлаждения водо-гликольная смесь.

Подготовка сжатого и охлажденного наддувочного воздуха, в который частично добавляется отведенный из двигателя внутреннего сгорания отработавший газ, осуществляется аналогично системе охлаждения, описанной в связи с фиг.1. Так, на фиг.2 также предусмотрены компрессор 11 низкого давления и компрессор 12 высокого давления, промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха и основной охладитель 14 наддувочного воздуха, а также охладитель 9 отработавшего газа, в котором охлаждается находящийся в контуре рециркуляции отработавший газ. В этом случае через охладитель 9 отработавшего газа в систему подачи наддувочного воздуха добавляется лишь часть отходящего из двигателя 10 внутреннего сгорания отработавшего газа.

В отличие от представленной на фиг.1 системы давление используемой рабочей среды после выхода из охлаждаемого воздухом охладителя 15 повышается при помощи насоса 16 с давления примерно 1,5·10⁵ Па до давления примерно 11-16·10⁵ Па. Используемый в этом примере осуществления насос 16 представляет собой регулируемый блок подачи, при помощи которого в зависимости от режима работы блока привода устанавливают соответствующий расход пара и/или определенное давление во втором контуре 21 охлаждения.

Нагруженная вначале давлением при помощи насоса 16 рабочая среда транспортируется затем через параллельно расположенные охладители 13, 14 наддувочного воздуха, которые в альтернативной схеме подключения могут также располагаться последовательно, и с температурой примерно от 70 до 90°С (примерно 353 К) попадает в предварительный подогреватель 17, в котором температуру рабочей среды повышают до температуры по меньшей мере 105°С (примерно 378 К), и одновременно в зависимости от режима работы среда уже частично превращается в пар. Теплота, необходимая для предварительного подогрева рабочей среды в подогревателе 17, подготавливается первым контуром 20 охлаждения, который отводит теплоту из двигателя внутреннего сгорания.

После выхода из предварительного подогревателя 17 рабочая среда попадает в охладитель 9 отработавшего газа, при этом ее расход устанавливают при помощи регулировочного клапана 8. Протекающая через охладитель 9 отработавшего газа рабочая среда по меньшей мере частично превращается в пар или даже перегревается. Для нагрева рабочей среды до температуры, обеспечивающей по меньшей мере частично фазовый переход, на противоположной стороне охладителя отработавшего газа/теплообменника отведенный из двигателя внутреннего сгорания отработавший газ с температурой примерно 650°С (примерно 920 К) охлаждается до температуры примерно 100°С (примерно 373 К).

После того как рабочая среда в охладителе 9 отработавшего газа частично испарилась, ее подают в сепаратор 18, в котором жидкая и парообразная фазы рабочей среды отделяются одна от другой. При этом не существенно, является ли используемая рабочая среда однокомпонентной рабочей средой или речь идет о смеси из нескольких компонентов.

В то время как жидкая часть рабочей среды направляется из сепаратора 18 непосредственно в охлаждаемый воздухом теплообменник 15, выполняющий функцию конденсатора, парообразная фаза рабочей среды направляется в расширитель 19. В расширителе 19 рабочая среда расширяется, при этом накопленная в рабочей среде до входа в расширитель 19 энергия преобразуется по меньшей мере частично в кинетическую энергию. В зависимости от конструктивного исполнения расширителя 19, в результате расширения уже внутри расширителя происходит по меньшей мере частичное сжижение рабочей среды. После расширения рабочая среда из расширителя 19 направляется в охлаждаемый воздухом теплообменник 15, где происходит смешивание поступающих из расширителя 19 и из сепаратора 18 текучих потоков рабочей среды. Охлаждаемый воздухом теплообменник 15 при этом берет на себя функцию конденсатора, в котором в результате теплоотдачи происходит полное сжижение рабочей среды.

В этой связи допускается также перед теплообменником 15 (радиатор автомобиля) включить камеру смешения или даже соединить камеру смешения с теплообменником, так что, как возможный вариант, генерируемое в результате абсорбции вещества тепло может отбираться из второго контура 21 охлаждения. Подготовленная в расширителе 19 кинетическая энергия может предаваться либо двигателю внутреннего сгорания, либо другим агрегатам. Здесь уместно также подготовленную расширителем 19 энергию превратить при помощи генератора в электрическую энергию.

На фиг.3 показана другая система охлаждения, которая отличается от описанных на фиг.1 и 2 систем в том, что касается использования тепла, подготовленного различными имеющимися в зоне блока привода автомобиля источниками теплоты. Схема подключения системы подачи воздуха двигателя 10 внутреннего сгорания, состоящей из компрессорных блоков 11, 12 и охладителей 13, 14 наддувочного воздуха, а также охлаждение контура рециркуляции отработавшего газа, соответствует схеме подключения, описанной на фиг.1 и 2.

Кроме того, в первом контуре 20 охлаждения, то есть в так называемом контуре охлаждения двигателя, наряду с насосом для подачи хладагента предусмотрены масляный охладитель 24b коробки передач и масляный охладитель 24а двигателя, отводимое тепло которых передается на транспортируемую в первом контуре 20 охлаждения водо-гликольную смесь. Подготовленное в первом контуре 20 охлаждения тепло через предварительный подогреватель 17 передается на второй контур 21 охлаждения, в котором, аналогично варианту согласно фиг.2, находится охлаждаемый воздухом теплообменник 15, который опять-таки выполняет функцию конденсатора.

В отличие от находящейся в первом контуре 20 охлаждения рабочей среды находящаяся во втором контуре 21 охлаждения рабочая среда в процессе охлаждения настолько нагревается, что претерпевает по меньшей мере частичный фазовый переход. Как поясняется в дальнейшем более детально, рабочая среда, используемая согласно фиг.2 и 3, во втором контуре 21 охлаждения может быть представлена однокомпонентной рабочей средой с низкой температурой парообразования или смесью, состоящей из нескольких компонентов, при этом по меньшей мере один компонент имеет по сравнению с водой низкую температуру испарения.

Целью, представленной на фиг.3 схемы подключения, является получение за счет оптимального использования тепла, подготовленной различными источниками теплоты, во втором контуре 21 охлаждения как можно большего количества пара. Содержащаяся в подготовленном количестве пара энергия должна быть превращена в блоке расширения в кинетическую энергию. Во втором контуре 21 охлаждения предусмотрены два блока 16, 22 подачи рабочей среды, частота вращения которых и, следовательно, производительность рабочей среды и/или господствующее во втором контуре охлаждения давление могут соответственно регулироваться. Первый блок 16 подачи расположен как на фиг.2, в то время как дополнительный блок 22 подачи расположен в зоне второго контура охлаждения, в котором господствует сравнительно невысокая температура. При этом регулирование блоков 16, 22 подачи осуществляется в зависимости от характеристик, заданных в блоке управления двигателя, с тем чтобы в зависимости от соответствующего режима работы блока привода автомобиля осуществлять оптимальное охлаждение, а также производство пара и, следовательно, подготовку кинетической энергии.

Описание излагается, начиная с охлаждаемого воздухом теплообменника 15 (радиатор автомобиля), в котором прошедшая к этому моменту через сепаратор 18 и расширитель 19 рабочая среда опять полностью сжижается. При этом происходит осуществляемое в одну или две ступени охлаждение рабочей среды.

В принципе имеется возможность предусмотреть лишь один единственный охлаждаемый воздухом теплообменник 15 (радиатор автомобиля), принимающий функцию конденсатора, в котором сжиженная рабочая среда охлаждается с температуры примерно 105°С до температуры примерно 40°С. В этом случае должны использоваться относительно большие теплообменники. С одного такого охлаждаемого воздухом теплообменника 15 питающий насос 16 с регулируемой частотой вращения подает рабочую среду непосредственно к охладителям наддувочного воздуха.

Другая схема подключения предусматривает как альтернативу второй низкотемпературный конденсатор 23. Это техническое решение позволяет охладить рабочую среду в высокотемпературном конденсаторе вначале до температуры примерно 80°С. Первый частичный поток рабочей среды при указанной температуре подается насосом 16 непосредственно в промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха. Второй частичный поток поступает, в свою очередь, в низкотемпературный конденсатор 23 и охлаждается там до температуры 40°С. Охлажденная до температуры 40°С рабочая среда дополнительным насосом 22 транспортируется к основному охладителю 14 наддувочного воздуха. Относительно схемы подключения охладителей 13, 14 наддувочного воздуха следует указать лишь на то, что основной охладитель 14 и промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха могут быть включены как параллельно, так и последовательно.

С обоих охладителей 13, 14 наддувочного воздуха рабочая среда подается к предварительному подогревателю 17 и, наконец, испаряется или по меньшей мере частично даже перегревается в охладителе 9 отработавшего газа. Из охладителя 9 отработавшего газа рабочая среда второго контура 21 охлаждения попадает в сепаратор 18, в котором жидкая фаза рабочей среды отделяется от паровой фазы. Как в описанном на фиг.2 варианте осуществления, паровая фаза рабочей среды подается на расширитель 19, в котором рабочая среда расширяется. Затем расширенная на расширителе 19 рабочая среда вновь поступает в охлаждаемый воздухом теплообменник 15 или, согласно описанной альтернативной схеме подключения, возможно также в низкотемпературный конденсатор 23.

Наряду с описанными компонентами во второй контур 21 охлаждения подключен также теплообменник 25 отработавшего газа. Теплообменник 25 отработавшего газа подключен по направлению потока рабочей среды во втором контуре 21 охлаждения после охладителя 9 отработавшего газа и отбирает, прежде всего у частичного потока отработавшего газа, который отходит непосредственно от двигателя 10 внутреннего сгорания и только что прошел через систему 26 обработки отработавшего газа, часть тепла, содержащегося в этом потоке отработавшего газа, и передает это тепло во второй контур 21 охлаждения. Система 26 обработки отработавшего газа может быть расположена также по направлению потока отработавшего газа перед теплообменником 25 отработавшего газа. Во всяком случае теплообменник 25 отработавшего газа находится во втором контуре 21 охлаждения, в представленном на фиг.3 примере осуществления, между охладителем 9 отработавшего газа и сепаратором 18.

Представленная на фиг.4 система охлаждения отличается двумя признаками от системы, представленной на фиг.3. Во-первых, последовательно установлены промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха и основной охладитель 14 наддувочного воздуха и, во-вторых, в этой схеме подключения теплообменник 26 отработавшего газа находится между сепаратором 18 и расширителем 19. Кроме того, между расширителем 19 и действующим как конденсатор охлаждаемого воздухом теплообменником 15 предусмотрен смеситель 27, в котором смешиваются выходящая из сепаратора 18 жидкая фаза рабочей среды и выходящая из расширителя 19 рабочая среда. При использовании многокомпонентной рабочей среды в смесителе 27 могут происходить также процессы абсорбции. Далее, во втором контуре 21 охлаждения между сепаратором 18 и смесителем 27 предусмотрен дроссельный клапан 28, при помощи которого происходит уменьшение давления рабочей среды, которая не протекает через расширитель 19.

На фиг.5 можно видеть схему охлаждения, в которой охлаждаемый воздухом теплообменник 15 образован высокотемпературным конденсатором 15а и низкотемпературным конденсатором 15b. К высокотемпературному конденсатору 15а последовательно подключен блок 16 подачи, посредством которого сжиженная рабочая среда попеременно подается на низкотемпературный конденсатор 15b и основной охладитель 14 наддувочного воздуха или непосредственно на промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха. Альтернативно перед блоком 16 подачи может быть расположено ответвление к низкотемпературному конденсатору 15b, с тем чтобы в низкотемпературном конденсаторе 15b обеспечить небольшое давление. Кроме того, предусмотрен еще один смеситель 29, в котором смешивается рабочая среда, отходящая от основного охладителя 14 наддувочного воздуха и предварительного подогревателя 17. В этом случае на предварительный подогреватель 17 подается рабочая среда, прошедшая через промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха.

На фиг.6 показана система охлаждения, видоизмененная относительно фиг.5. Существенным здесь является, во-первых, то, что перед блоком 16 подачи предусмотрено ответвление к низкотемпературному конденсатору 15b, так что в низкотемпературном конденсаторе 15b обеспечивается сравнительно невысокое давление. Кроме того, после низкотемпературного конденсатора 15b подключен другой блок 30 подачи для повышения давления. Этот блок 30 подачи также соответственно регулируется. Далее, часть рабочей среды, которая выходит из высокотемпературного конденсатора 15а и не направляется в низкотемпературный конденсатор 15b, посредством блока 16 подачи направляют непосредственно в предварительный подогреватель 17 без того, чтобы она протекала через охладитель наддувочного воздуха.

Наконец, на фиг.7 представлена система охлаждения, которая отличается от системы охлаждения с фиг.6, с одной стороны, тем, что блок 16 подачи подает рабочую среду на низкотемпературный конденсатор 15b, и, с другой стороны, что охладители 13, 14 наддувочного воздуха последовательно расположены по направлению потока рабочей среды после низкотемпературного конденсатора 15b. В принципе, здесь также возможно параллельное подключение охладителей наддувочного воздуха. Блок 16 подачи также здесь подает частичный поток рабочей среды непосредственно из высокотемпературного конденсатора 15а в предварительный подогреватель 17. Однако после предварительного подогревателя 17 предусмотрен смеситель 29, в котором выходящая из предварительного подогревателя 17 рабочая среда смешивается с рабочей средой из охладителей 13, 14 наддувочного воздуха.

Описанные в связи с фиг.1-7 системы охлаждения особенно приспособлены для применения в грузовых автомашинах и других транспортных средствах промышленного назначения. Именно в этих видах транспортных средств особенно велик спрос на альтернативные технические решения схем охлаждения.

В качестве рабочих сред, имеющих по сравнению с водой низкую температуру испарения, могут использоваться смеси, а также однокомпонентные рабочие среды. Речь идет, как правило, о таких смесях, как водные растворы, при этом в воде растворяют хладагент с низкой температурой кипения, то есть температурой испарения. При нагреве такой многокомпонентной рабочей среды компонент с низкой температурой испарения испаряется, в то время как содержащий предпочтительно воду водный раствор остается в жидкой фазе. Предпочтительно в качестве многокомпонентных рабочих сред используют водоаммиачные смеси, в которых аммиак растворяют в воде а разных концентрациях. Особенно предпочтительными в этой связи считаются водоаммиачные смеси, в которых доля аммиака в общей смеси составляет 30, 40 или 50%.

Альтернативу применению вышеназванных многокомпонентных рабочих сред представляют текучие вещества, имеющие сравнительно низкую температуру испарения. Особенно подходят в этом отношении вещества, которые наряду с низкой температурой испарения отличаются также сравнительно высокой удельной теплоемкостью. По этой причине подходят прежде всего углеводороды, в частности пентаны, а также известные в качестве хладагента в кондиционерах фторуглеводороды (например, R134a, 245fa, 245ca). В приведенной в описании таблице содержится исчерпывающее представление о веществах, которые могут быть использованы в качестве рабочей среды.

Перечень позиций

1 - Система охлаждения

2 - Путь движения высокотемпературного потока

3 - Путь движения низкотемпературного потока

4 - Высокотемпературный охладитель

5 - Низкотемпературный охладитель

6 - Насос для подачи хладагента

7 - Регулировочный клапан

8 - Регулировочный клапан рециркуляции отработавшего газа

9 - Охладитель отработавшего газа

10 - Двигатель внутреннего сгорания

11 - Компрессор низкого давления

12 - Компрессор высокого давления

13 - Промежуточный охладитель наддувочного воздуха

14 - Основной охладитель наддувочного воздуха

15 - Конденсатор, выполненный как охлаждаемый воздухом теплообменник

15а - Высокотемпературный конденсатор

15b - Низкотемпературный конденсатор

16 - Блок подачи

17 - Предварительный подогреватель

18 - Сепаратор

19 - Расширитель

20 - Первый контур охлаждения

21 - Второй контур охлаждения

22 - Дополнительный блок подачи

23 - Дополнительный низкотемпературный конденсатор

24 - Масляный охладитель

24а - Масляный охладитель двигателя

24b - Масляный охладитель коробки передач

25 - Теплообменник отработавшего газа

26 - Система обработки отработавшего газа

27 - Смеситель

28 - Дроссельный клапан

29 - Смеситель

30 - Блок подачи