турбокомпаундный двигательный агрегат, способ возврата тепла выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания такого агрегата, а также транспортное средство, оборудованное таким агрегатом

Формула изобретения

1. Турбокомпаундный двигательный агрегат, содержащий:

двигатель внутреннего сгорания;

первую турбину рекуперации, размещенную на линии выхлопа выхлопных газов от двигателя и выполненную с возможностью обеспечения механической энергией двигателя;

систему возврата тепла, содержащую замкнутый контур с рабочей текучей средой, теплообменник, расположенный на линии выхлопа ниже по потоку первой турбины рекуперации и выполненный с возможностью теплопередачи от выхлопных газов к рабочей текучей среде, вторичную турбину, выполненную с возможностью приведения в действие рабочей текучей средой;

отличающийся тем, что вторичная турбина выполнена с возможностью обеспечения двигателя механической энергией.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что первая турбина рекуперации расположена ниже по потоку турбины турбонагнетателя.

3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что вторичная турбина и первая турбина рекуперации соединены с двигателем одним и тем же гидравлическим соединением.

4. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что вторичная турбина и первая турбина рекуперации соединены с двигателем посредством трансмиссии и передачи с различными передаточными числами.

5. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что вторичная турбина и первая турбина рекуперации закреплены на одном валу.

6. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что вторичная турбина и первая турбина рекуперации соединены с двигателем посредством шестерней.

7. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что он представляет собой дизельный агрегат для автотранспортных средств.

8. Способ возврата тепла выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания турбокомпаундного двигательного агрегата, при котором:

пропускают выхлопные газы через первую турбину рекуперации, выполненную с возможностью передачи энергии двигателю;

передают тепло от газов, выпущенных из первой турбины рекуперации, рабочей текучей среде замкнутого контура;

приводят в действие вторичную турбину посредством рабочей текучей среды; и

передают механическую энергию от вторичной турбины к двигателю.

9. Транспортное средство, оборудованное агрегатом по п.7.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к турбокомпаундному двигателю внутреннего сгорания, в частности, для автотранспортных средств, точнее для промышленных транспортных средств, снабженных системой возврата тепла.

В автомобильных двигателях, особенно в больших дизельных двигателях, например, для тяжелых транспортных средств, тепловая энергия выхлопных газов от двигателя возвращается в турбины, размещенные на линии выхлопа. Турбины могут быть использованы для приведения в действие компрессоров, расположенных на линии всасывания для осуществления турбонаддува. В турбокомпаундных двигателях турбина, обычно расположенная ниже по потоку турбины турбонагнетателя, обеспечивает механической энергией двигатель посредством приводного вала и подходящих трансмиссий и передаточных систем благодаря тому, что скорость вращения турбины обычно намного превышает скорость двигателя (в несколько десятков тысяч вращений в минуту), для получения достаточного кпд. Таким образом улучшены эксплуатационные качества, а также уменьшено количество загрязняющих выхлопов. Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является турбокомпаундный двигательный агрегат, раскрытый в RU 2155875 и содержащий двигатель внутреннего сгорания; первую турбину рекуперации, размещенную на линии выхлопа выхлопных газов от двигателя и выполненную с возможностью обеспечения механической энергией двигателя; и вторичную турбину, выполненную с возможностью приведения в действие рабочей текучей средой; при этом вторичная турбина и первая турбина соединены с двигателем посредством шестерни. Кроме того, RU 2155875 также раскрывает способ возврата тепла выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания турбокомпаундного двигательного агрегата, при котором пропускают выхлопные газы через первую турбину, выполненную с возможностью передачи энергии двигателю; приводят в действие вторичную турбину посредством рабочей текучей среды и передают механическую энергию от вторичной турбины к двигателю.

В любом случае тепловая энергия не возвращается полностью. Даже расширяя газы до давления, при котором они передаются в любую систему очистки для их последующего выброса в окружающую среду, они все еще имеют остаточное тепло в виде достаточно высокой температуры (то есть температуры порядка 300-500°С). Чтобы возвратить это тепло, были использованы системы, в которых тепло в теплообменнике передавалось текучей среде, циркулирующей в замкнутом контуре, оборудованном вторичной турбиной, в которой текучая среда расширяется, возвращая энергию, которая обычно используется в электрическом генераторе. Текучая среда рециркулирует подходящим образом в теплообменнике. Если текучая среда может быть сжижена, то теплообменник является испарителем. Эти системы известны и не требуют дальнейшего описания.

Использование вторичной турбины для генерирования электроэнергии создает проблему увеличения общих размеров и сложности системы. Желательно возвращать тепло простым и эффективным способом, используя конструкции уже известных двигательных устройств.

Проблемы, указанные выше, были решены согласно настоящему изобретению.

В частности, согласно первому объекту настоящего изобретения создан турбокомпаундный двигательный агрегат, содержащий двигатель внутреннего сгорания; первую турбину рекуперации, размещенную на линии выхлопа выхлопных газов от двигателя и выполненную с возможностью обеспечения механической энергией двигателя; систему возврата тепла, содержащую замкнутый контур с рабочей текучей средой, теплообменник, расположенный на линии выхлопа ниже по потоку первой турбины рекуперации и выполненный с возможностью теплопередачи от выхлопных газов к рабочей текучей среде, вторичную турбину, выполненную с возможностью приведения в действие рабочей текучей средой; при этом вторичная турбина выполнена с возможностью обеспечения двигателя механической энергией.

Предпочтительно первая турбина рекуперации расположена ниже по потоку турбины турбонагнетателя.

Предпочтительно вторичная турбина и первая турбина рекуперации соединены с двигателем одним и тем же гидравлическим соединением.

Предпочтительно вторичная турбина и первая турбина рекуперации соединены с двигателем посредством трансмиссии и передачи с различными передаточными числами.

Предпочтительно вторичная турбина и первая турбина рекуперации закреплены на одном валу.

Предпочтительно вторичная турбина и первая турбина рекуперации соединены с двигателем посредством шестерней.

Предпочтительно агрегат представляет собой дизельный агрегат для автотранспортных средств.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создан способ возврата тепла выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания турбокомпаундного двигательного агрегата, при котором пропускают выхлопные газы через первую турбину рекуперации, выполненную с возможностью передачи энергии двигателю; передают тепло от газов, выпущенных из первой турбины рекуперации, рабочей текучей среде замкнутого контура; приводят в действие вторичную турбину посредством рабочей текучей среды; и передают механическую энергию от вторичной турбины к двигателю.

Согласно третьему объекту изобретения создано транспортное средство, оборудованное вышеописанным агрегатом.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно на предпочтительных, но не исключительных, вариантах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематический вид части двигательного агрегата согласно настоящему изобретению; и

Фиг.2 - схематический вид части двигательного агрегата согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Как показано на Фиг.1, часть турбокомпаундного двигательного агрегата представлена содержащей двигатель внутреннего сгорания (не показан). Линия 1 выхлопа выполнена с возможностью удаления выхлопных газов из двигателя. Первая турбина 2 рекуперации, размещенная на линии выхлопа газов, приводится в движение выхлопными газами и обеспечивает механической энергией приводной вал 3 посредством определенных понижающих и передаточных средств; например, эти средства могут содержать пару шестерней 4 и 5 для обеспечения заданного передаточного числа. Обычно, могут быть обеспечены подходящие средства соединения, например гидравлические, для предотвращения передачи колебаний двигателя на турбину, такие как гидравлическое соединение 7 или соединение типа Voith, любые системы, в которых движение передается потоком масла, а не через передачу с прямым механическим контактом. Если двигатель имеет турбонаддув, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения первая турбина рекуперации размещается ниже по потоку турбины турбонагнетателя.

Двигательный агрегат содержит замкнутый контур с рабочей текучей средой, циркулирующей в нем. В теплообменнике 8, размещенном на линии выхлопа газа ниже по потоку первой турбины рекуперации, тепло может быть передано от выхлопных газов к рабочей текучей среде. Если используется рабочая текучая среда соответствующего типа (например, фреон), то теплообменник 8 может быть испарителем. Рабочая текучая среда расширяется во вторичной турбине 9 и затем передает тепло, например, окружающей среде в охладителе 10, который согласно возможному варианту осуществления изобретения может быть радиатором. В вышеупомянутом случае, когда рабочая текучая среда изменяет фазовые состояния, в охладителе 10 может происходить конденсация. Средство 11 циркуляции, например насос, может быть использовано для обеспечения циркуляции текучей среды и для ее повторного сжатия. Упомянутое средство может быть приведено в действие известным способом, например вторичной турбиной, двигателем или определенным электродвигателем. Замкнутый контур для возврата тепла может быть выполнен любым известным способом и не требует дальнейших объяснений.

В отличие от уровня техники вторичная турбина передает механическую энергию двигателю, например, через приводной вал 3 и различные средства для передачи движения, частью которых могут быть те средства, которые уже использованы для передачи энергии от первой турбины рекуперации к двигателю. Согласно варианту осуществления, показанному на Фиг.1, шестерня 12 может быть сцеплена с шестерней 5, соединенной с соединителем 7 или также соединенной с шестерней 4 первой турбины рекуперации. Такое расположение обеспечивает оптимальные передаточные числа между двигателем и каждой из турбин. Следует отметить, что обычно вторичная турбина меньше первой турбины рекуперации и предпочтительно работает на более высокой скорости для получения оптимального кпд.

Однако для передачи движения возможны другие расположения. На Фиг.2 показано альтернативное расположение, подходящее для случая, когда вторичная турбина 9' имеет ту же самую скорость, что и первая турбина 2' рекуперации. В этом случае две турбины могут также быть закреплены на одном валу 3.

Следует отметить, что согласно настоящему изобретению мощность вторичной турбины может обеспечиваться с использованием большей части тех же самых систем трансмиссии и передачи, что и в первой турбине рекуперации без использования соответствующего электрического генератора, таким образом делая систему более компактной и менее дорогой.

Изобретение также относится к транспортному средству, оборудованному описанным выше двигательным агрегатом.