Способ рекуперации тепла отработавших газов (варианты) и система рекуперации тепла отработавших газов - RU2700214C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в основном к способам и системам для управления системой рекуперации отходящего тепла для генерации энергии и нагрева двигателя.

Уровень техники

Систему рекуперации отходящего тепла для транспортного средства выполняют с возможностью рекуперации тепловой энергии от отработавших газов двигателя, охлаждающей жидкости двигателя, моторного масла и/или трансмиссионной жидкости, которое в ином случае было бы рассеяно в окружающую среду. Системы рекуперации отходящего тепла обычно содержат теплообменник (теплообменники) для поглощения тепла из охлаждающей жидкости двигателя, моторного масла и/или трансмиссионной жидкости, испаритель для нагрева рабочей текучей среды, расширитель для производства механической работы, конденсатор для охлаждения рабочей текучей среды и насос для перекачивания рабочей текучей среды обратно к теплообменнику (теплообменникам). Механическая работа может быть затем преобразована в энергию при помощи генератора, для накопления на аккумуляторной батарее транспортного средства, например.

Один из примеров системы рекуперации отходящего тепла представлен автором Чжоу (Zhou) в опубликованной патентной заявке U.S. 2016/0201519. В данной заявке представлено транспортное средство с двигателем. Транспортное средство также содержит расширитель, конденсатор и насос, в последовательном соединении по текучей среде в замкнутом контуре, содержащем испаритель, выполненный с возможностью передачи тепла между отработавшими газами от двигателя и рабочей текучей средой.

Однако, авторы настоящего изобретения выявили потенциальные проблемы таких систем. В качестве одного из примеров, транспортные средства обычно содержат системы теплопередачи для нагрева охлаждающей жидкости двигателя, моторного масла и/или трансмиссионной жидкости в условиях холодного запуска двигателя для повышения эффективности двигателя и уменьшения выбросов. Такие системы, которые располагают отдельно от систем рекуперации отходящего тепла, как правило, требуют, как минимум теплообменник, контур нагрева и несколько регулирующих клапанов, что увеличивает стоимость системы и компоновочное пространство.

Раскрытие сущности изобретения

В одном из примеров, проблемы, раскрытые выше, могут быть устранены посредством способа, включающего в себя, в ответ на первое условие расширение рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла через расширитель для генерации электроэнергии, и в ответ на второе условие сжатие рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла через расширитель для передачи тепла двигателю. Таким образом, расширитель системы рекуперации отходящего тепла может быть выполнен с возможностью переменной работы для преобразования отходящего тепла в энергию (например, электроэнергию), например, для накопления на аккумуляторной батарее транспортного средства, или для перекачивания рабочей текучей среды для передачи поглощенного отходящего тепла двигателю, например, посредством одного или более теплообменников компонентов двигателя.

В качестве одного из примеров, рабочая текучая среда в системе рекуперации отходящего тепла может быть нагрета посредством испарителя, находящегося в тепловом контакте с отработавшими газами двигателя. Затем, нагретую рабочую текучую среду направляют к расширителю через первый путь потока или второй путь потока. Направление рабочей текучей среды через первый путь потока приводит к расширению рабочей текучей среды в расширителе, и данное расширение приводит к вращению расширителя в первом направлении, которое в свою очередь приводит в действие генератор для генерации электроэнергии. Направление рабочей текучей среды через второй путь потока приводит к сжатию рабочей текучей среды на расширителе посредством вращения расширителя во втором направлении, приводимом в действие посредством мотора. Сжатая рабочая текучая среда находится под давлением путем сжатия в достаточной степени для направления рабочей текучей среды через один или более теплообменник компонентов двигателя. Таким образом, нагрев двигателя и генерация энергии от отходящего тепла могут быть обеспечены посредством одной системы, снижающей или устраняющей необходимость в размещении клапанов системы охлаждения двигателя, теплообменников и/или других компонентов. Дополнительно, посредством подачи рабочей текучей среды непосредственно от расширителя к одному или более теплообменникам компонентов двигателя посредством вращения расширителя во втором направлении, можно избежать потери тепла на других компонентах системы (например, конденсаторе, насосе и связанных трубопроводах).

Следует понимать, что вышеприведенное краткое раскрытие изобретения служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это раскрытие не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного объекта изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 схематически показан пример системы рекуперации отходящего тепла, которая может быть соединена с двигателем и установлена на транспортном средстве.

На Фиг. 2 схематически показаны компоненты примера системы рекуперации отходящего тепла, представленной на Фиг. 1, эксплуатируемой в первом режиме работы.

На Фиг. 3 схематически показаны компоненты примера системы рекуперации отходящего тепла, представленной на Фиг. 1, эксплуатируемой во втором режиме работы.

Фиг. 4 представляет собой блок-схему, отображающую способ эксплуатации системы рекуперации отходящего тепла, представленной на Фиг. 1-3.

Фиг. 5 представляет собой временную диаграмму, отображающую множество параметров во время выполнения способа, представленного на Фиг. 4.

Осуществление изобретения

Цикл Ренкина может быть использован для преобразования тепловой энергии в механическую или электрическую энергию. Были предприняты попытки накопления тепловой энергии в транспортном средстве более эффективным образом или более чем от одной системы, которая отводит отходящее тепло, например, от охлаждающей жидкости двигателя, двигателя или трансмиссионного масла, потока рециркуляции отработавших газов (РОГ), отработавших газов и т.д. В настоящем изобретении представлена система рекуперации отходящего тепла по циклу Ренкина, выполненная с возможностью работы в режиме нагрева или в режиме охлаждения двигателя в дополнение к режиму генерации энергии. Этого достигают путем включения в состав дополнительных путей потока рабочей текучей среды в системе, в том числе первого пути потока, соединяющего выход испарителя с выходом расширителя, и второго пути потока, соединяющего вход расширителя и выход насоса. В стандартном режиме генерации энергии расширитель эксплуатируют в прямом направлении для расширения рабочей текучей среды и извлечения механической энергии из рабочей текучей среды, затем рабочую текучую среду охлаждают при помощи конденсатора, а затем перекачивают обратно к теплообменнику рекуперации отходящего тепла (также упоминаемому как испаритель). В режиме генерации энергии рабочую текучую среду подают в обход одного или более теплообменников двигателя (например, теплообменника охлаждающей жидкости двигателя, теплообменника моторного масла и т.д.)

В режиме нагрева двигателя расширитель эксплуатируют в обратном направлении для сжатия рабочей текучей среды, и передачи ее обратно к теплообменнику системы двигателя, в обход конденсатора и насоса. Посредством сжатия рабочей текучей среды, в отличии от ее расширения, может быть осуществлена передача тепла от рабочей текучей среды охлаждающей жидкости двигателя, моторному маслу и т.д., ускоряя нагрев двигателя. Дополнительно, в режиме охлаждения, расширитель можно эксплуатировать в прямом направлении для расширения рабочей текучей среды и охлаждения рабочей текучей среды на конденсаторе, а охлажденная рабочая текучая среда может быть впоследствии направлена через теплообменники двигателя для охлаждения охлаждающей жидкости двигателя, моторного масла и/или других текучих сред двигателя.

На Фиг. 1 представлена упрощенная схема различных систем внутри транспортного средства 10 в соответствии с примером. Текучие среды в различных системах транспортного средства могут быть охлаждены посредством передачи тепла рабочей текучей среде внутри теплообменников цикла Ренкина, а рабочая текучая среда, в свою очередь, может быть охлаждена в конденсаторе цикла Ренкина с использованием окружающего воздуха. Цикл Ренкина допускает рекуперацию энергии посредством преобразования отходящего тепла в транспортном средстве 10 в электроэнергию или механическую энергию, которая в ином случае была бы передана окружающему воздуху в качестве отходящего тепла.

Транспортное средство может быть гибридным транспортным средством с несколькими источниками крутящего момента, передаваемого на колеса транспортного средства. В других примерах данное транспортное средство является традиционным транспортным средством только с двигателем, или электрическим транспортным средством только с электромотором (электромоторами). В представленном примере транспортное средство имеет двигатель 50 внутреннего сгорания и электромотор 52. Электромотор 52 может быть просто мотором или мотором-генератором. Двигатель 50 и электромотор 52 соединены посредством трансмиссии 54 с одним или более колесами 55 транспортного средства. Трансмиссия 54 может быть коробкой переключения передач, системой планетарной передачи или другим видом трансмиссии. Муфты 56 могут быть размещены между двигателем 50, электромотором 52 и трансмиссией 54. Силовой агрегат может быть выполнен в различных вариантах исполнения, включающих в себя параллельное, последовательное или последовательно-параллельное гибридное транспортное средство.

Электромотор 52 получает электроэнергию для обеспечения крутящего момента колесам 55 от тяговой аккумуляторной батареи 58. Электромотор 52 могут также эксплуатировать в качестве генератора для обеспечения электроэнергии для заряда аккумуляторной батареи 58, например, во время работы тормозной системы.

Двигатель 50 может быть двигателем внутреннего сгорания, например двигателем с воспламенением от сжатия или двигателем с искровым зажиганием. Двигатель 50 содержит выхлопную систему 60, через которую происходит удаление отработавших газов из цилиндров двигателя 50 в атмосферу. Выхлопная система 60 может содержать глушитель для регулирования уровня шума. Выхлопная система 60 может также содержать систему снижения токсичности выбросов, например каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр и т.п.

Двигатель 50 также содержит систему 62 охлаждения. Система охлаждения содержит охлаждающую жидкость двигателя, которая может представлять собой воду, гликоль и/или другую жидкость для отведения тепла от двигателя 50 во время работы. Двигатель 50 может быть снабжен внутренней или наружной рубашкой охлаждения с каналами для отведения тепла от различных областей двигателя 50 с использованием рециркуляции охлаждающей жидкости двигателя. Система 62 охлаждения может содержать насос и резервуар (не показан).

Транспортное средство содержит систему 70 рекуперации отходящего тепла. В одном из примеров система 70 рекуперации отходящего тепла является системой, выполненной с возможностью преобразования тепла в энергию с использованием цикла Ренкина. В другом примере система 70 рекуперации отходящего тепла выполнена с возможностью использования модифицированного цикла Ренкина или другого термодинамического цикла, который включает в себя фазовый переход рабочей текучей среды более одного раза за время рабочего цикла. Система 70 рекуперации отходящего тепла содержит рабочую текучую среду. В одном из примеров рабочая текучая среда претерпевает изменение фазового состояния и представляет собой текучую среду смешанного фазового состава внутри системы, в которой она находится одновременно в газовой фазе и жидкой фазе. Рабочая текучая среда может представлять собой хладагент R-134a, R-245 или другой органический или неорганический химический хладагент в зависимости от желаемых параметров работы цикла.

Система 70 рекуперации отходящего тепла содержит насос 72, компрессор или другое устройство, выполненное с возможностью увеличения давления рабочей текучей среды. Насос 72 может быть центробежным насосом, насосом прямого вытеснения и т.д. Рабочая текучая среда протекает от насоса 72 к одному или более теплообменнику. Теплообменники могут быть предварительными нагревателями, испарителями, перегревателями и т.п., выполненными с возможностью передачи тепла рабочей текучей среде.

В примере показан первый теплообменник 74, который выполнен в качестве предварительного нагревателя. Показан также второй теплообменник 76, который может быть выполнен в качестве испарителя. В других примерах больше или меньше теплообменников может быть размещено ниже по потоку от насоса 72. Например, система 70 рекуперации отходящего тепла может быть обеспечена только теплообменником 76, или может быть обеспечена тремя или более теплообменниками для нагрева рабочей текучей среды (как в примере, представленном на Фиг. 2 и Фиг. 3, раскрытых более подробно ниже). Дополнительно, теплообменники, расположенные ниже по потоку от насоса 72, могут быть расположены или размещены различным образом относительно друг друга, например, параллельно, последовательно, как показано, или в комбинации последовательных и параллельных потоков.

Теплообменники 74, 76 выполнены с возможностью передачи тепла от внешнего источника тепла для нагрева рабочей текучей среды внутри системы 70 рекуперации отходящего тепла и приведения к изменению фазы из жидкой в паровую. В представленном примере теплообменник 74 выполнен с возможностью передачи тепла от охлаждающей жидкости двигателя в охлаждающем контуре 62 к рабочей текучей среде в системе 70 рекуперации отходящего тепла. Температура охлаждающей жидкости двигателя от этого снижается до возвращения к двигателю 50 для отвода тепла от него, а теплообменник 74 выступает в качестве поглотителя тепла в системе 62 охлаждения. Температура рабочей текучей среды системы 70 рекуперации отходящего тепла подобным образом увеличивается внутри теплообменника 74.

В других примерах, как будет раскрыто более подробно ниже, теплообменник 74 выполнен с возможностью передачи тепла к рабочей текучей среде системы 70 рекуперации отходящего тепла от другой текучей среды в системе транспортного средства, включающей в себя, но не ограничиваясь, смазочную жидкость двигателя, смазочную трансмиссионную жидкость и охлаждающую жидкость аккумуляторной батареи. В дополнительном примере предложено множество теплообменников 74 предварительного нагрева, и каждый из них соединен по текучей среде с отдельной системой транспортного средства для получения тепла от нее. Клапанная система или другой механизм управления потоком могут быть обеспечены для выборочного направления и управления потоком ко множеству теплообменников.

В другом примере теплообменник 74 размещен ниже по потоку от теплообменника 76, таким образом, что он выполнен в качестве перегревателя с возможностью передачи тепла от текучей среды различных систем транспортного средства, включающей в себя, но не ограничиваясь, поток рециркуляции отработавшего газа (РОГ). Теплообменник 74 обеспечивает поглощение тепла для потока РОГ, и тем самым обеспечивает отведение тепла к рабочей текучей среде в системе 70 рекуперации отходящего тепла. Расположение теплообменника 74 относительно теплообменника 76 может быть основано на средней температуре или доступном тепле в текучих средах отходящего тепла систем транспортного средства.

Второй теплообменник 76 также размещают в системе 70 рекуперации отходящего тепла. Теплообменник 76 выполнен с возможностью передачи тепла к рабочей текучей среде цикла от отработавших газов в выхлопной системе 60 двигателя, в одном примере. Выхлопная система 60 двигателя может содержать первый путь 78 потока в контакте с теплообменником 76 или через него. Выхлопная система 60 двигателя может также содержать второй, или перепускной, путь 80 потока для отведения потока отработавших газов вокруг теплообменника 76. Клапан 82 может быть предусмотрен для управления количеством отработавших газов, протекающих через теплообменник 76, который, в свою очередь, обеспечивает управление количеством тепла, передаваемого рабочей текучей среде, а также температурой и состоянием рабочей текучей среды на выходе теплообменника 76 или выше по потоку от расширителя 84.

По меньшей мере один из теплообменников 74, 76 выполнен с возможностью передачи значительного количества тепла к рабочей текучей среде в системе 70 рекуперации отходящего тепла для испарения рабочей текучей среды, как более подробно раскрыто ниже. Испаритель выполнен с возможностью получения рабочей текучей среды в жидкой фазе или в смешанной жидкогазовой фазе, и нагрева рабочей текучей среды до паровой фазы или перегретой паровой фазы. В данном изобретении в основном раскрыто использование теплообменника 76 в качестве испарителя с использованием выхлопной системы 60 двигателя, однако в некоторых примерах теплообменник 74 в системе 70 рекуперации отходящего тепла может быть предусмотрен в качестве испарителя.

Расширитель 84 может быть турбиной, например, центробежной или осевой гидротурбиной, или другим подобным устройством. Расширитель 84 выполнен с возможностью вращения или приведения в действие при помощи рабочей текучей среды для осуществления работы по расширению рабочей текучей среды. Расширитель 84 может быть соединен с мотором-генератором 86 для вращения мотора-генератора для генерации электроэнергии, или с другим механическим соединением для обеспечения дополнительной механической энергии для приводного вала и колес 55. Расширитель 84 может быть соединен с генератором 86 посредством вала или другого механического соединения. Генератор 86 соединен с аккумуляторной батареей 58 для обеспечения электроэнергии для заряда аккумуляторной батареи 58. Инвертор или выпрямитель 88 может быть размещен между генератором 86 и аккумуляторной батареей 58.

Рабочая текучая среда покидает расширитель 84 и протекает к теплообменнику 90, также упоминаемому как конденсатор 90 в системе 70 рекуперации отходящего тепла. Конденсатор 90 может быть размещен в передней части транспортного средства 10. Конденсатор 90 выполнен с возможностью контакта с потоком 92 окружающего воздуха для передачи тепла от рабочей текучей среды потоку 92 окружающего воздуха для охлаждения и/или конденсации рабочей текучей среды. Конденсатор 90 может быть одноступенчатым или многоступенчатым, и поток рабочей текучей среды может быть направлен через различные ступени системы 70 рекуперации отходящего тепла с использованием клапанов или других механизмов.

В некоторых примерах система 70 рекуперации отходящего тепла содержит накопитель 94 текучей среды или осушитель. Накопитель 94 текучей среды может быть выполнен в виде капельножидкостного или газожидкостного резервуара для рабочей текучей среды в системе 70 рекуперации отходящего тепла. Насос 72 выполнен с возможностью перекачивания текучей среды из накопителя 94 текучей среды для завершения работы системы 70 рекуперации отходящего тепла. Система 70 рекуперации отходящего тепла работает в замкнутом цикле таким образом, что отсутствует смешивание рабочей текучей среды с другими текучими средами в транспортном средстве или с окружающим воздухом.

Система 70 рекуперации отходящего тепла может содержать контроллер 96, который выполнен с возможностью управления системой рекуперации отходящего тепла в пределах заданных параметров, как раскрыто ниже. Контроллер 96 может быть соединен с насосом 72, расширителем 84 и различными клапанами и/или датчиками в системе 70 рекуперации отходящего тепла и транспортном средстве 10.

Контроллер 96 может входить в состав или быть соединен с блоком управления двигателем (БУД), блоком управления трансмиссией (БУТ), контроллером системы транспортного средства (КСТС) или т.п., и может также быть соединен с различными датчиками транспортного средства. Система управления для транспортного средства 10 может содержать любое количество контроллеров, и может быть интегрирована в один контроллер или может содержать различные модули. Некоторые или все контроллеры могут быть соединены посредством локальной сети контроллеров (ЛСК) или другой системы. Контроллер 96 и система управления транспортного средства могут содержать микропроцессор или центральный процессорное устройство (ЦПУ), соединенное с различными типами машиночитаемых устройств хранения данных или средствами аудиовизуальной информации. Машиночитаемые устройства хранения данных или средства аудиовизуальной информации могут включать в себя энергозависимое или энергонезависимое хранение данных в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и энергонезависимое запоминающее устройством (ЭЗУ), например. ЭЗУ является долговременной и энергонезависимой памятью, которая может быть использована для хранения различных рабочих параметров, пока питание ЦПУ отключено. Машиночитаемые устройства хранения данных или средства аудиовизуальной информации могут быть реализованы с использованием любого из известных устройств хранения данных, например, программируемых постоянно запоминающих устройств (ППЗУ), электрически перепрограммируемых постоянно запоминающих устройств (ЭППЗУ), электрически стираемых перепрограммируемых постоянно запоминающих устройств (ЭСППЗУ), флэш-памяти, или любых других электрических, магнитных, оптических или комбинированных устройств хранения данных, способных хранить данные, некоторые из которых представлены исполняемыми инструкциями, используемыми контроллером для управления транспортным средством или системой 70 рекуперации отходящего тепла.

Транспортное средство может также быть снабжено системой 100 кондиционирования воздуха в одном или более варианте осуществления. Система 100 кондиционирования воздуха может составлять часть системы обогрева, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) транспортного средства 10. Система 100 ОВКВ обеспечивает управление температурой воздуха для транспортного средства или пассажирского салона для управления климатом салона пассажирами и/или водителем транспортного средства. Система 100 кондиционирования воздуха содержит первый теплообменник 101 или конденсатор в контакте с окружающим воздухом 92. Конденсатор 101 может быть размещен в передней части транспортного средства 10. Конденсатор 101 выполнен с возможностью передачи тепла между окружающим воздухом и хладагентом или другой текучей средой в системе 100.

Система 100 кондиционирования воздуха может также содержать расширительное устройство, клапан или дроссель 102, компрессор или насосное устройство 104. Система 100 содержит другой теплообменник 106 в контакте с потоком 110 воздуха, направляемым к салону 108 транспортного средства, и хладагентом в системе 100.

Поток 110 воздуха, который предназначен для кондиционирования салона, протекает и охлаждается посредством хладагента в теплообменнике 106, а затем протекает к салону 108 по запросу пассажиров и/или водителя транспортного средства.

Как раскрыто выше, система 70 рекуперации отходящего тепла может эксплуатироваться для генерации энергии посредством расширения рабочей текучей среды после нагрева рабочей текучей среды при помощи теплообменника от отработавших газов двигателя, например. Тогда как такой цикл допускает рекуперацию энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую, цикл может быть ограничен в использовании при некоторых условиях, например, при условиях холодного запуска двигателя, ввиду недостатка доступного тепла от двигателя, и/или при желании направить все тепло отработавших газов к расположенным ниже по потоку устройствам снижения токсичности выбросов для ускорения их активации. Таким образом, система 70 рекуперации отходящего тепла может быть модифицирована для эксплуатации в «обратном» режиме, при котором расширитель приводят в действие посредством мотора-генератора для работы в обратном направлении, таким образом сжимая рабочую текучую среду, вместо расширения рабочей текучей среды. После сжатия рабочей текучей среды данная сжатая рабочая текучая среда может быть направлена к различным теплообменникам транспортного средства (например, к теплообменнику 74) без прохождения через конденсатор или насос системы рекуперации отходящего тепла, таким образом, исключая потерю тепла. Тепло от сжатой рабочей текучей среды может затем быть передано охлаждающей жидкости двигателя и/или другим текучим средам транспортного средства, таким образом, ускоряя нагрев двигателя.

На Фиг. 2 и Фиг. 3 схематически показаны компоненты примера системы рекуперации отходящего тепла в первом режиме 200 работы (Фиг. 2) и во втором режиме 300 работы (Фиг. 3). Пример системы рекуперации отходящего тепла, представленный на Фиг. 2-3, является неограничивающим примером системы 70 рекуперации отходящего тепла, представленной на Фиг. 1, и в связи с этим подобные компоненты имеют те же номера, так что их дополнительное раскрытие не вводится.

На Фиг. 2 представлена система рекуперации отходящего тепла в первом режиме 200 работы. Первый режим 200 работы включает в себя режим генерации энергии, в котором расширение рабочей текучей среды используют для генерации энергии посредством вращения мотора-генератора 86. Таким образом, как показано, рабочую текучую среду в системе перекачивают от насоса 72 к первой линии 206 подачи испарителя через первый клапан 208. Первая линия подачи испарителя соединена по текучей среде с входом испарителя 76 через второй клапан 210. Таким образом, когда первый клапан 208 и второй клапан 210 по меньшей мере частично открыты, рабочая текучая среда протекает от насоса 72 к испарителю 76. В испарителе 76 рабочую текучую среду нагревают при помощи теплообменника отработавшими газами двигателя, как было подробно раскрыто выше согласно Фиг. 1.

Также, первая линия 206 подачи испарителя может также быть соединена по текучей среде с одним или более теплообменником. Как показано, первая линия 206 подачи испарителя соединена по текучей среде с теплообменником 74 через третий клапан 212 и со вторым теплообменником 202 через четвертый клапан 214. Как было подробно раскрыто ранее, теплообменник 74 может быть соединен по текучей среде с системой охлаждения двигателя, и таким образом может передавать тепло между рабочей текучей средой и охлаждающей жидкостью двигателя. Второй теплообменник 202 может быть соединен по текучей среде с масляной системой двигателя или с системой трансмиссионной жидкости двигателя, и таким образом может передавать тепло между рабочей текучей средой и моторным маслом и/или трансмиссионной жидкостью. Когда клапаны 212 и/или 214 по меньшей мере частично открыты, рабочая текучая среда протекает через теплообменник 74 и/или второй теплообменник 202 и ко второй линии 216 подачи испарителя, которая соединена по текучей среде с входом испарителя 76.

Испаритель 76 соединен с впускным трубопроводом 218 расширителя, который также соединен по текучей среде с входом расширителя 84. Пятый клапан 220 размещен во впускном трубопроводе 218 расширителя и соединен по текучей среде с впускным трубопроводом 222 компрессора. Пятый клапан 220 может представлять собой трехходовой клапан. Когда пятый клапан 220 находится в первом положении, как показано на Фиг. 2, образовано соединение по текучей среде между выходом испарителя и входом расширителя, таким образом, что рабочая текучая среда протекает ко входу расширителя. Когда пятый клапан 220 находится в первом положении, соединение по текучей среде между испарителем 76 и впускным трубопроводом 222 компрессора заблокировано.

Расширитель 84 соединен по текучей среде с выпускным трубопроводом 224 расширителя. Поток рабочей текучей среды через выпускной трубопровод 224 расширителя регулируют посредством шестого клапана 226, который в представленном примере является трехходовым клапаном, который также соединен по текучей среде с впускным трубопроводом 222 компрессора. В первом режиме работы, когда шестой клапан находится в первом положении, рабочая текучая среда, которая расширяется в расширителе 84, протекает к конденсатору 90, где происходит охлаждение рабочей текучей среды, как подробно раскрыто выше со ссылкой на Фиг. 1. После протекания через конденсатор рабочая текучая среда протекает через осушитель 94 в направлении к насосу 72.

Также на Фиг. 2 представлен выпускной трубопровод 228 компрессора, который соединяет по текучей среде вход расширителя 84 с первой линией 206 подачи испарителя. Выпускной трубопровод 228 компрессора соединен с первой линией 206 подачи испарителя в расположении ниже по потоку от первого клапана 208 и выше по потоку от второго клапана 210, и также выше по потоку от каналов, которые ведут к теплообменникам 74, 202 (и выше по потоку от третьего клапана 212 и четвертого клапана 214). Седьмой клапан 229 размещен в выпускном трубопроводе 228 компрессора. В первом режиме работы седьмой клапан 229 может быть закрыт для блокирования соединения по текучей среде между входом расширителя и первой линией 206 подачи испарителя.

Как упоминалось выше, первый режим работы является режимом генерации энергии. Таким образом, когда рабочая текучая среда протекает от испарителя и через расширитель, рабочая текучая среда приводит в действие расширитель для вращения в первом, прямом направлении. Вращение расширителя, в свою очередь, приводит к вращению статора генератора 86, производящего электроэнергию, которая накапливается на аккумуляторной батарее 58. После расширения рабочей текучей среды в расширителе рабочая текучая среда конденсируется на конденсаторе, и теперь охлажденную текучую среду перекачивают обратно через испаритель для поглощения дополнительного тепла, и повторяют данный цикл. Дополнительно, на основании положения третьего клапана 212 и четвертого клапана 214, по меньшей мере некоторая часть рабочей текучей среды может протекать через теплообменники 74, 202, что может привести к передаче дополнительного тепла рабочей текучей среде. В некоторых примерах в режиме генерации энергии третий клапан 212 и четвертый клапана 214 могут быть закрыты, и, следовательно, вся рабочая текучая среда может протекать непосредственно от насоса 72 к испарителю 76. В других примерах третий клапан 212 и четвертый клапан 214 могут быть открыты, что допускает поглощение тепла рабочей текучей средой от охлаждающей жидкости двигателя, моторного масла и/или трансмиссионной жидкости. Положение третьего клапана 212 и четвертого клапана 214 могут регулировать на основании соответствующих температур текучих сред транспортного средства, например, третий клапан 212 может быть регулируем в зависимости от температуры охлаждающей жидкости двигателя, а четвертый клапан 214 может быть регулируем в зависимости от температуры моторного масла.

Первый клапан 208, второй клапан 210, третий клапан 212, четвертый клапан 214, пятый клапан 220, шестой клапан 226 и седьмой клапан 229 каждый может приводиться в действие посредством соответствующего исполнительного механизма в ответ на команду контроллера 96. Например, каждый клапан может быть приводиться в действие посредством соответствующего электрического исполнительного механизма, гидравлического исполнительного механизма, пневматического исполнительного механизма или другого подходящего исполнительного механизма. Дополнительно, в некоторых примерах по меньшей мере несколько клапанов (например, третий клапан 212 и четвертый клапан 214) могут быть термостатическими клапанами, закрытием или открытием которых прямо или косвенно управляют посредством температуры соответствующей жидкости (например, охлаждающей жидкости двигателя - для третьего клапана 212). Контроллер 96 также выполнен с возможностью регулирования работы насоса 72 (например, включения насоса 72 в ответ на работу в первом режиме работы). Контроллер 96 может быть дополнительно соединен с блоком 204 управления переключателями, который соединен с мотором-генератором 86. Блок 204 управления переключателями может быть выполнен с возможностью управления мотором-генератором для эксплуатации в качестве генератора в первом режиме работы, в ответ на команду контролера 96.

Контроллер 96 принимает сигналы от различных датчиков и использует различные исполнительные механизмы для регулирования работы системы на основании полученных сигналов и инструкций, хранимых в блоке памяти контроллера. Например, контроллер 96 выполнен с возможностью получения сигналов от датчика 230 температуры охлаждающей жидкости двигателя и датчика 232 температуры моторного масла и определения температуры двигателя и моторного масла из полученных сигналов. Контроллер 96 может затем определить, находится ли температура двигателя выше верхней границы пороговой температуры (например, максимальной требуемой рабочей температуры), и, если это так, то контроллер 96 может переключить исполнительный механизм, соединенный с третьим клапаном 212 для открытия третьего клапана 212 и охлаждения охлаждающей жидкости двигателя посредством теплообмена с данной рабочей текучей средой в теплообменнике 74.

На Фиг. 3 представлена система рекуперации отходящего тепла во втором режиме 300 работы. Второй режим 300 работы включает в себя режим нагрева двигателя, в котором сжатие рабочей текучей среды осуществляют посредством расширителя, эксплуатируемого в обратном режиме (в котором расширитель эксплуатируют в качестве компрессора), используют для перекачивания рабочей текучей среды от испарителя к теплообменникам для ускорения нагрева двигателя. Таким образом, как показано, пятый клапан 220 и шестой клапан 226 регулируют в соответствующее второе положение, когда система инициирует работу во втором режиме работы. Во втором положении пятый клапан 220 блокирует соединение по текучей среде между выходом испарителя 76 и входом расширителя 84 через впускной трубопровод 218 расширителя, и образует соединение по текучей среде между выходом испарителя 76 и шестым клапаном 226. Когда шестой клапан 226 находится во втором положении, соединение по текучей среде между выходом расширителя 84 и конденсатором через выпускной трубопровод 224 расширителя заблокировано, и образовано соединение по текучей среде между выходом расширителя 84 и впускным трубопроводом 222 компрессора. В результате, рабочая текучая среда от испарителя направлена к выходу расширителя, который теперь функционирует в качестве компрессорного входа данного расширителя. Компрессорный вход расширителя может представлять собой то же отверстие, что и выход расширителя, когда расширитель эксплуатируют в качестве турбины, таким образом, что рабочая текучая среда теперь протекает в расширитель через (турбинный) выход расширителя. Расширитель эксплуатируют как компрессор, и в связи с этим происходит сжатие рабочей текучей среды, а не ее расширение.

Для приведения в действие расширителя в качестве компрессора мотор-генератор 86 эксплуатируют в качестве мотора путем подачи питания от аккумуляторной батареи 58. Контроллер 96 может быть выполнен с возможностью управления блоком 204 управления переключателями для подачи электроэнергии от аккумуляторной батареи 58 к мотору. Вращение мотора приводит к вращению расширителя во втором, обратном направлении. В контексте данного документа, «обратное» направление является обратным относительно первого (прямого) направления.

Сжатая рабочая текучая среда выходит из расширителя через вход расширителя, который теперь функционирует в качестве выхода компрессора, и рабочая текучая среда протекает к выпускному трубопроводу компрессора 228. Компрессорный выход расширителя может представлять собой то же отверстие, что и вход расширителя, когда расширитель эксплуатируют в качестве турбины, таким образом, что рабочая текучая среда теперь протекает из расширителя через (турбинный) вход расширителя.

Выпускной трубопровод 228 компрессора соединен по текучей среде с первой линией 206 подачи испарителя через открытый седьмой клапан 229. Первый клапан 208 переводят в полностью закрытое положение, когда система инициирует работу во втором режиме работы. В связи с этим, соединение по текучей среде между выходом насоса 72 и первой линией 206 подачи испарителя заблокировано, и образовано соединение по текучей среде между выпускным трубопроводом 228 компрессора и первой линией 206 подачи испарителя. В результате, сжатая рабочая текучая среда протекает через первую линию 206 подачи испарителя.

Во втором режиме работы поток рабочей текучей среды через один или более теплообменников может быть образован посредством открытия одного или нескольких из третьего клапана 212 и четвертого клапана 214. В первом примере третий клапан 212 и четвертый клапан 214 могут быть открыты (например, полностью открыты) для допуска протекания рабочей текучей среды через теплообменник 74 и второй теплообменник 202. Тем самым, тепло от рабочей текучей среды передают охлаждающей жидкости двигателя, которая, как показано на Фиг. 1, впоследствии проходит к двигателю, таким образом обеспечивая ускоренный нагрев двигателя. Дополнительно, тепло от рабочей текучей среды передают моторному маслу и/или трансмиссионной жидкости, снижая вязкость масла и/или трансмиссионной жидкости, что способствует более эффективной работе двигателя и трансмиссии. Теплообменник 74 и второй теплообменник 202 выполнены с возможностью получения охлаждающей жидкости двигателя и моторного масла (или трансмиссионной жидкости), соответственно, и в связи с этим любой из клапанов или других элементов управления, которые могут иным образом ограничивать или блокировать поток охлаждающей жидкости двигателя, моторного масла и/или трансмиссионной жидкости, к соответствующему теплообменнику, открыты в течение второго режима работы.

После протекания рабочей текучей среды через теплообменник 74 и второй теплообменник 202, рабочая текучая среда далее протекает к испарителю 76, где (теперь охлажденную) рабочую текучую среду нагревают посредством отработавших газов двигателя для повторения данного цикла. Во втором режиме работы, второй клапан 210 может быть закрыт для направления всей рабочей текучей среды через теплообменник 74 и второй теплообменник 202. Однако, в некоторых примерах второй клапан 210 может быть частично или полностью открыт, чтобы позволить по меньшей мере некоторой части рабочей текучей среды протекать через испаритель без протекания через теплообменники транспортного средства. Кроме того, во втором режиме работы насос 72 отключен.

Система 70 рекуперации отходящего тепла, представленная на Фиг. 2 и Фиг. 3, содержит трехходовой клапан, расположенный выше по потоку от расширителя, и трехходовой клапан, расположенный ниже по потоку от расширителя, а также двухходовые клапаны в выпускном трубопроводе компрессора, в первой линии подачи испарителя и между насосом и первой линией подачи испарителя. Однако, другие конфигурации клапанов находятся в пределах объема настоящего раскрытия. Например, первый клапан 208 и седьмой клапан 229 могут быть исключены, а трехходовой клапан на разветвлении между выходом насоса, первой линией подачи испарителя, и выпускным трубопроводом компрессора может присутствовать для управления потоком рабочей текучей среды от насоса и/или расширителя к теплообменникам и/или испарителю. Дополнительно или альтернативно, шестой клапан 226 может быть двухходовым клапаном. Возможны и другие конфигурации клапанов.

Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ 400 для управления системой рекуперации отходящего тепла, например системой 70, раскрытой выше со ссылками на Фиг. 1-3. Инструкции для осуществления способа 400 могут исполняться контроллером (например, контроллером 96) на основании инструкций, хранимых в памяти контроллера, и в сочетании с сигналами, полученными от датчиков системы двигателя, например датчиков 230 и 232, раскрытых выше. Контроллером могут быть задействованы исполнительные механизмы системы для регулирования работы системы в соответствии со способами, раскрытыми ниже.

На шаге 402 способ 400 включает в себя определение параметров работы. Определенные параметры работы могут включать в себя температуру охлаждающей жидкости двигателя (по сигналам, полученным от датчика 230), температуру моторного масла и/или трансмиссионной жидкости (по сигналам, полученным от датчика 232 и/или от датчика температуры трансмиссионной жидкости), текущий режим работы системы рекуперации отходящего тепла (например, первый режим работы, представленный на Фиг. 2 или второй режим работы, представленный на Фиг. 3), время, прошедшее с начала события запуска двигателя, температуру отработавших газов (по датчику температуры, расположенному в выхлопной системе 600), и/или дополнительные параметры.

На шаге 404 способ 400 включает в себя определение того, является ли температура охлаждающей жидкости двигателя ниже пороговой температуры. Пороговая температура может быть целевой температурой работы двигателя, например 190°F. Если температура охлаждающей жидкости двигателя ниже пороговой температуры, способ 400 переходит на шаг 420 для эксплуатации во втором режиме работы, который будет раскрыт более подробно ниже. Если температура охлаждающей жидкости двигателя не находится ниже пороговой температуры, то способ 400 переходит на шаг 406 для эксплуатации в первом режиме работы, в котором системой рекуперации отходящего тепла управляют для генерации энергии из отходящего тепла посредством отработавших газов двигателя, как подробно раскрыто выше со ссылкой на Фиг. 2. В некоторых примерах определение того, эксплуатируют ли данную систему в первом режиме работы или во втором режиме работы, может быть основано на дополнительных или альтернативных параметрах, отличных от температуры охлаждающей жидкости двигателя, например времени, прошедшем с начала события запуска двигателя. Например, система может автоматически работать во втором режиме работы для ускорения нагрева двигателя, следующего за событием запуска двигателя. Затем, после заданного количества времени, прошедшего с момента запуска двигателя (например, через пять минут), систему могут переключить для работы в первом режиме работы для генерации энергии из отходящего тепла отработавших газов двигателя.

Работа системы рекуперации отходящего тепла в первом режиме работы может включать в себя регулирование различных клапанов для пропускания рабочей текучей среды через испаритель, на котором отходящее тепло из отработавших газов двигателя (или другого подходящего источника отходящего тепла) передают рабочей текучей среде. Далее, после того, как рабочая текучая среда протекает через испаритель, происходит расширение данной рабочей текучей среды в расширителе. Расширение рабочей текучей среды, которое происходит в результате действия расширителя в качестве турбины, приводит к вращению статора генератора, например, генерируя, таким образом, электроэнергию для накопления на подходящем устройстве накопления энергии. Данное расширение рабочей текучей среды приводит к охлаждению рабочей текучей среды, и рабочая текучая среда затем также охлаждается посредством конденсатора до того, как будет перекачана обратно к испарителю.

Соответственно, как указано на шаге 408, работа в первом режиме (генерации энергии) включает в себя перевод (или поддержание) пятого клапана, установленного между испарителем и расширителем, и шестого клапана, установленного между расширителем и конденсатором, в соответствующие первые положения. Когда пятый клапан находится в своем первом положении, испаритель соединен по текучей среде с входом расширителя таким образом, что рабочая текучая среда может протекать от испарителя к расширителю. Когда шестой клапан находится в первом положении, выход расширителя соединен по текучей среде с входом конденсатора таким образом, что рабочая текучая среда может протекать от расширителя к конденсатору. Кроме того, как показано на шаге 410, первый клапан, установленный между насосом и испарителем, и второй клапан, установленный между первым клапаном и испарителем, открывают (или удерживают открытыми), а седьмой клапан в выпускном трубопроводе компрессора закрывают (или удерживают закрытыми). Таким образом, поддерживают и не блокируют соединение по текучей среде между насосом и испарителем, а соединение по текучей среде между насосом и входом расширителя блокируют (например, соединение по текучей среде между впускным трубопроводом расширителя и линией подачи испарителя заблокировано посредством седьмого клапана). Дополнительно, как показано на шаге 412, включают насос (или поддерживают во включенном состоянии) таким образом, что происходит перекачивание рабочей текучей среды от насоса к испарителю (посредством открытия первого клапана и второго клапана), от испарителя к расширителю (посредством установки пятого клапана в первое положение), от расширителя к конденсатору (посредством установки шестого клапана в первое положение), и от конденсатора обратно к насосу, как показано на шаге 414. Рабочая текучая среда, которая протекает от испарителя к расширителю, протекает через впускной трубопровод расширителя, и данная рабочая текучая среда поступает в расширитель через вход расширителя. Рабочая текучая среда, которая протекает от расширителя к конденсатору, протекает через выпускной трубопровод расширителя, и рабочая текучая среда выходит из расширителя через выход расширителя. Данный поток рабочей текучей среды приводит к эксплуатации расширителя (например, вращению) в первом направлении, что в результате приводит к генерации энергии на генераторе, соединенном с расширителем, как показано на шаге 416.

На шаге 418 способ 400 включает в себя регулирование положения третьего клапана (установленного между насосом и теплообменником охлаждающей жидкости двигателя) и/или четвертого клапана (установленного между насосом и теплообменником моторного масла) на основании температуры охлаждающей жидкости двигателя и/или температуры моторного масла, соответственно. Во время работы в первом режиме работы, третий клапан и четвертый клапан могут быть переведены в закрытое положение таким образом, что рабочая текучая среда от насоса полностью протекает к испарителю. Такая конфигурация может обеспечить требуемую эффективность системы, например. Однако, если охлаждающая жидкость двигателя и/или моторное масло достигли нежелательно высоких температур (например, если охлаждающая жидкость двигателя достигает верхней границы пороговой температуры, выше которой может произойти повреждение двигателя, или когда температура охлаждающей жидкости двигателя выше, чем температура рабочей текучей среды в насосе), то третий клапан и/или четвертый клапан могут быть по меньшей мере частично открыты для допуска протекания рабочей текучей среды через соответствующие теплообменники. Поток низкотемпературной рабочей текучей среды (например, при температуре ниже температуры охлаждающей жидкости двигателя или моторного масла) через теплообменники затем позволяет передать тепло от охлаждающей жидкости двигателя и/или моторного масла данной рабочей текучей среде, таким образом понижая температуру охлаждающей жидкости двигателя и/или моторного масла. Далее способ 400 осуществляет возврат.

На шаге 404, если определено, что температура охлаждающей жидкости двигателя находится ниже порогового значения температуры, то способ 400 переходит на шаг 420 для эксплуатации системы рекуперации отходящего тепла во втором режиме (нагрева). Эксплуатация системы рекуперации отходящего тепла во втором режиме работы может включать в себя регулирование различных клапанов для обеспечения протекания рабочей текучей среды через испаритель, на котором отходящее тепло от отработавших газов двигателя (или другого подходящего источника отходящего тепла) передают рабочей текучей среде. Далее, после того, как рабочая текучая среда протечет через испаритель, происходит сжатие рабочей текучей среды в расширителе. Сжатие рабочей текучей среды, которое происходит в результате действия расширителя в качестве компрессора, происходит посредством вращения расширителя при помощи мотора и аккумуляторной батареи (где данный мотор может представлять собой мотор-генератор, работающий в режиме мотора, причем мотор-генератор в режиме генератора используют для генерации электроэнергии в течение первого режима работы). Сжатие рабочей текучей среды приводит к движению рабочей текучей среды к теплообменникам (например, теплообменнику охлаждающей жидкости двигателя и теплообменнику моторного масла). Производят передачу тепла от рабочей жидкости к охлаждающей жидкости двигателя и моторному маслу, например, способствуя ускорению нагрева двигателя и понижая вязкость моторного масла.

Соответственно, как показано на шаге 422, эксплуатация во втором режиме (нагрева) включает в себя перевод (или поддержание) пятого клапана, установленного между испарителем и расширителем, и шестого клапана, установленного между расширителем и конденсатором, в соответствующие вторые положения. Когда пятый клапан находится во втором положении, соединение по текучей среде испарителя с входом расширителя заблокировано, и когда шестой клапан находится во втором положении, образовано соединение по текучей среде между испарителем и выходом расширителя через впускной трубопровод 222 компрессора. Кроме того, как показано на шаге 424, первый клапан, установленный между насосом и испарителем, и второй клапан, установленный между первым клапаном и испарителем, закрывают (или удерживают закрытыми), а седьмой клапан в выпускном трубопроводе компрессора открывают (или удерживают открытым). Таким образом блокируют соединение по текучей среде между насосом и испарителем, и блокируют соединение по текучей среде между выходом расширителя и конденсатором. Кроме того, как показано на шаге 426, третий клапан и четвертый клапан открывают (или удерживают открытыми) для обеспечения протекания рабочей текучей среды через теплообменник охлаждающей жидкости двигателя и теплообменник моторного масла. Дополнительно, как показано на шаге 428, насос отключают (или поддерживают отключенным).

В результате переключения клапана и выключения насоса, рабочая текучая среда протекает от испарителя к расширителю (посредством установки пятого клапана во второе положение и шестого клапана во второе положение), от расширителя к теплообменникам (посредством установки третьего, четвертого и седьмого клапанов в открытое положение), и от теплообменников обратно к испарителю, как показано на шаге 430. Рабочая текучая среда, которая протекает от испарителя к расширителю, протекает к расширителю через впускной трубопровод компрессора, и данная рабочая текучая среда поступает в расширитель через выход расширителя. Рабочая текучая среда, которая протекает от расширителя к теплообменникам, протекает через выпускной трубопровод компрессора, и данная рабочая текучая среда выходит из расширителя через вход расширителя. Данный поток рабочей текучей среды приводит расширитель к работе (например, вращению) во втором направлении, как результат эксплуатации мотора, приводимого в действие аккумуляторной батареей, соединенного с расширителем, как показано на шаге 432. Далее способ 400 осуществляет возврат. Например, способ 400 может вернуться к повторной оценке температуры охлаждающей жидкости двигателя и поддержанию эксплуатации во втором режиме, если температура охлаждающей жидкости по-прежнему ниже пороговой температуры, но может перейти в первый режим, если температура охлаждающей жидкости двигателя увеличилась или превышает пороговую температуру.

Фиг. 5 представляет собой диаграмму 500, иллюстрирующую множество рабочих параметров, которые можно наблюдать в системе рекуперации отходящего тепла, представленной на Фиг. 1-3, во время выполнения способа, представленного на Фиг. 4, например. Диаграмма 500, представленная на Фиг. 5, отображает температуру охлаждающей жидкости двигателя (график 502), направление вращения расширителя (график 504), направление потока текучей среды расширителя (график 506), состояние насоса (график 508), соответствующие положения пятого и шестого клапанов (график 510), соответствующие положения первого и второго клапанов (график 512), соответствующие положения третьего и четвертого клапанов (график 514) и положение седьмого клапана (график 516). Для каждого рабочего параметра, время отложено по горизонтальной оси (оси x), а соответствующие значения для каждого рабочего параметра отложены по вертикальной оси (оси y).

В начальный момент времени, показанный на схеме (в момент времени t0), двигатель транспортного средства, в котором установлена система рекуперации отходящего тепла, может быть запущен. Как показано посредством графика 502, температура охлаждающей жидкости двигателя может быть равна температуре окружающей среды, что указывает на холодный запуск двигателя. В ответ на относительно низкую температуру охлаждающей жидкости двигателя (например, ниже первого порогового значения температуры Т1), систему рекуперации отходящего тепла эксплуатируют во втором режиме (нагрева). В результате, насос отключают (график 508), а расширитель эксплуатируют во втором направлении (в данном случае, в обратном направлении) посредством вращения расширителя, приводимого в движение мотором, как показано на графике 504. Пятый и шестой клапаны устанавливают во второе положение (график 510), первый и второй клапаны закрывают (график 512), третий и четвертый клапаны открывают (график 514), и открывают седьмой клапан (график 516). Ввиду того, что пятый и шестой клапаны устанавливают во второе положение и ввиду вращения расширителя в обратном направлении, рабочая текучая среда направлена от испарителя (в тепловом соединении с отработавшими газами двигателя) к выходу расширителя и протекает от выхода ко входу расширителя, как показано на графике 506, и, таким образом, расширитель эксплуатируют в качестве компрессора для сжатия рабочей текучей среды. Ввиду открытия третьего и четвертого клапанов, нагретую, сжатую рабочую текучую среду направляют через теплообменники системы двигателя (например, теплообменник охлаждающей жидкости двигателя и теплообменник моторного масла). Передача тепла в теплообменниках приводит к увеличению температуры текучих сред системы двигателя (например, охлаждающей жидкости двигателя и моторного масла), как показано посредством увеличения температуры охлаждающей жидкости двигателя после момента времени t0.

Систему рекуперации отходящего тепла эксплуатируют во втором режиме до тех пор, пока охлаждающая жидкость двигателя не достигнет первого порогового значения температуры Т1 в момент времени t1. Когда охлаждающая жидкость двигателя достигает первого порогового значения температуры, дополнительный нагрев охлаждающей жидкости двигателя не требуется, и, следовательно, в момент времени t1 третий и четвертый клапаны закрывают для остановки протекания рабочей текучей среды в теплообменники, и мотор может быть выключен для остановки, таким образом, обратного вращения расширителя. Также, систему рекуперации отходящего тепла, затем, переключают для эксплуатации в первом режиме генерации энергии в момент времени t1. В результате, включают насос, пятый и шестой клапаны устанавливают в первое положение, первый и второй клапаны открывают, а седьмой клапан закрывают. Активация насоса и регулировка положения клапана приводит к протеканию рабочей текучей среды от испарителя к входу расширителя, а затем к выходу расширителя. Происходит расширение рабочей текучей среды в расширителе, что приводит к вращению расширителя в первом направлении (в данном случае, в прямом направлении). Вращение расширителя в первом направлении приводит к генерации электроэнергии посредством генератора, соединенного с расширителем.

Систему продолжают эксплуатировать в первом режиме, генерируя электроэнергию из отходящего тепла отработавших газов. Однако, до момента времени t2 температура охлаждающей жидкости двигателя может повышаться до тех пор, пока она не достигнет второго порогового значения температуры T2 из-за продолжительной эксплуатации под высокой нагрузкой, включения системы кондиционирования воздуха, высокой температуры окружающей среды и/или других условий. Таким образом, для охлаждения охлаждающей жидкости двигателя система инициирует работу в режиме генерации энергии-охлаждения в момент времени t2 путем открытия третьего и четвертого клапанов, что позволяет рабочей текучей среде, которая была охлаждена посредством расширения в расширителе и посредством прохождения через конденсатор, протекать через теплообменники системы двигателя, тем самым поглощая тепло от охлаждающей жидкости двигателя. В результате, температура охлаждающей жидкости двигателя уменьшается, и как только температура охлаждающей жидкости двигателя падает ниже второго порогового значения температуры, третий и четвертый клапаны могут быть снова закрыты.

На диаграмме 500 также схематично показан пример графика 503 температуры охлаждающей жидкости двигателя, который можно наблюдать, если система рекуперации отходящего тепла не работала в режиме нагрева при запуске двигателя. Как показано на графике 503, охлаждающая жидкость двигателя, в итоге будет нагрета от сгорания в двигателе. Однако, нагрев охлаждающей жидкости двигателя, показанный на графике 503, может иметь задержку по сравнению со случаем, когда систему рекуперации отходящего тепла эксплуатируют в режиме нагрева при запуске двигателя (как показано на графике 502).

Таким образом, раскрытая система рекуперации отходящего тепла выполнена с возможностью эксплуатации в трех режимах, которые обеспечивают функции генерации энергии, нагрева двигателя и охлаждения двигателя. В режиме нагрева охлаждающую жидкость двигателя, моторное масло и/или трансмиссионную жидкость нагревают отработавшими газами при холодном запуске. В режиме генерации энергии тепло от источника высокой температуры, например, отработавших газов или потока РОГ, используют для генерации энергии. В режиме генерации энергии-охлаждения, тепло от источников высокой и низкой температуры, например, охлаждающей жидкости двигателя, моторного масла или трансмиссионной жидкости, поглощается для генерации энергии и снижения температуры соответствующих систем.

Более конкретно, в ответ на указание работать в режиме нагрева, контроллер останавливает насос и переключает расширитель для работы в обратном направлении, приводимом в действие мотором и аккумуляторной батареей, таким образом запуская работу в режиме сжатия. Контроллер также переключает трехходовой клапан, расположенный ниже по потоку от испарителя (например, пятый клапан), во второе положение, в котором впускной трубопровод компрессора открыт (а впускной трубопровод расширителя закрыт). Дополнительно, контроллер переключает трехходовой клапан, расположенный ниже по потоку от расширителя (например, шестой клапан), во второе положение и открывает седьмой клапан, таким образом, чтобы впускной трубопровод компрессора был открыт (и закрывает первый клапан таким образом, что трубопровод от выхода насоса закрыт). Рабочая текучая среда проходит через впускной трубопровод компрессора и выпускной трубопровод компрессора, нагревается в испарителе и сжимается на расширителе, прежде чем ее направят в теплообменники (например, теплообменники охлаждающей жидкости двигателя, моторного масла и/или трансмиссионной жидкости), в которых нагревают охлаждающую жидкость, моторное масло (или другие текучие среды).

В ответ на указание работать в режиме генерации энергии, например, в ответ на достижение охлаждающей жидкостью, моторным маслом и т.д., соответствующей требуемой температуры, контроллер может закрыть клапаны, расположенные выше по потоку от теплообменников (например, третий клапан и четвертый клапан), запустить насос, переключить расширитель в режим расширения, переключить трехходовой клапан, расположенный ниже по потоку от испарителя (например, пятый клапан), в первое положение, в котором открыт впускной трубопровод расширителя (а впускной трубопровод компрессора закрыт). Также, контроллер может переключить трехходовой клапан, расположенный ниже по потоку от расширителя (например, шестой клапан), в первое положение, и открыть первый клапан таким образом, что выпускной трубопровод насоса открыт (и закрыть седьмой клапан таким образом, что выпускной трубопровод компрессора закрыт). Рабочую текучую среду нагревают посредством отработавших газов в испарителе, пропускают через расширитель, конденсатор и сжимают насосом, а затем возвращают обратно к испарителю (например, через второй открытый клапан). Энергия от расширителя может быть использована для различных операций транспортного средства, например, для накопления на аккумуляторной батарее транспортного средства, приведения в действие коленчатого вала, приведения в действие компрессора механического нагнетателя и т.д.

В ответ на указание работать в режиме генерации энергии-охлаждения, например, когда температура охлаждающей жидкости, моторного масла и/или трансмиссионной жидкости очень высокая, поддерживают работу системы в режиме генерации энергии, но регулируют положения клапанов теплообменника (например, третьего и четвертого клапанов) для управления потоком рабочей текучей среды через теплообменник с охлаждающей жидкостью и моторным маслом (или другими текучими средами) для охлаждения охлаждающей жидкости и моторного масла (или других текучих сред). В то же время происходит поглощение рабочей текучей средой тепла от охлаждающей жидкости, моторного масла (или других текучих сред) для дополнительной рекуперации тепла.

Посредством системы рекуперации отходящего тепла по циклу Ренкина, выполненной с возможностью работы в трех режимах работы, раскрытых в данном документе, могут быть достигнуты различные преимущества. Например, возможности генерации энергии, нагрева двигателя/трансмиссии и охлаждения двигателя/трансмиссии, могут быть обеспечены в одной системе таким образом, что обеспечивает преимущества для снижения стоимости, компоновочного пространства, и упрощает систему.

Технический результат эксплуатации системы рекуперации отходящего тепла по циклу Ренкина в режиме нагрева заключается в ускоренном нагреве двигателя, сокращении количества времени, затраченного на обогащение воздушно-топливного отношения, и времени для достижения рабочей температуры устройства снижения токсичности выбросов, что снижает расход топлива и выбросы, без необходимости использования отдельной системы для нагрева двигателя и генерации энергии, рекуперированной из отходящего тепла.

Пример способа содержит шаги, на которых: в ответ на первое условие осуществляют расширение рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла посредством расширителя для генерации электроэнергии; и в ответ на второе условие осуществляют сжатие рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла посредством расширителя для передачи тепла двигателю. В первом примере способа расширение рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла для генерации электроэнергии включает в себя вращение расширителя системы рекуперации отходящего тепла в первом направлении и генерацию электроэнергии посредством генератора, соединенного с расширителем. Во втором примере способа, который опционально включает в себя первый пример, сжатие рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла включает в себя вращение расширителя во втором направлении посредством мотора для сжатия рабочей текучей среды. В третьем примере способа, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по второй, расширение рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла для генерации электроэнергии включает в себя: подачу рабочей текучей среды через расширитель системы рекуперации отходящего тепла в первом направлении, в том числе подачу рабочей текучей среды от испарителя, находящегося в тепловом контакте с выхлопной системой двигателя, ко входу расширителя, через расширитель и из выхода расширителя, и преобразование расширения в электроэнергию посредством генератора, соединенного с расширителем. В четвертом примере способа, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по третий, сжатие рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла включает в себя: подачу рабочей текучей среды через расширитель во втором направлении, в том числе подачу рабочей текучей среды от испарителя к выходу расширителя, через расширитель и из входа расширителя, и передачу тепла от сжатой рабочей текучей среды к двигателю посредством подачи сжатой рабочей текучей среды из входа расширителя в один или более теплообменников, находящихся в тепловом контакте с двигателем. В пятом примере способа, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по четвертый, первое условие включает в себя температуру охлаждающей жидкости двигателя выше первого порогового значения температуры, а второе условие включает в себя температуру охлаждающей жидкости двигателя ниже первого порогового значения температуры, и в способе дополнительно при первом условии блокируют протекание рабочей текучей среды через один или более теплообменников. В шестом примере способа, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по пятый, дополнительно в ответ на температуру охлаждающей жидкости двигателя выше второго порогового значения температуры, которое выше первого порогового значения температуры, подают рабочую текучую среду через один или более теплообменников. В седьмом примере способа, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по шестой, эксплуатация расширителя системы рекуперации отходящего тепла в первом направлении дополнительно включает в себя подачу рабочей текучей среды от выхода расширителя к конденсатору, от конденсатора к насосу и от насоса к испарителю. В восьмом примере способа, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по седьмой, эксплуатация расширителя системы рекуперации отходящего тепла во втором направлении дополнительно включает в себя подачу рабочей текучей среды от входа расширителя к одному или более теплообменникам и подачу рабочей текучей среды от одного или более теплообменников к испарителю в обход конденсатора и насоса.

Пример системы рекуперации тепла отработавших газов содержит один или более теплообменников системы двигателя; испаритель, выполненный с возможностью передачи тепла от выхлопной системы двигателя к рабочей текучей среде; насос, выполненный с возможностью выборочной подачи рабочей текучей среды к одному или более теплообменникам системы двигателя и испарителю; расширитель/компрессор, расположенный ниже по потоку от испарителя; конденсатор, расположенный ниже по потоку от расширителя/компрессора и выше по потоку от насоса; и контроллер, выполненный с возможностью: в первом режиме - сбора тепла от выхлопной системы двигателя посредством испарителя и преобразования тепла в электроэнергию посредством расширителя/компрессора при помощи эксплуатации расширителя/компрессора в качестве расширителя, приводящего в действие мотор-генератор, и подачи расширенной рабочей текучей среды через конденсатор; и во втором режиме - сбора тепла от выхлопной системы двигателя посредством испарителя и нагрева одного или более компонентов двигателя при помощи эксплуатации расширителя/компрессора в качестве компрессора, приводимого в действие мотором-генератором, причем рабочую текучую среду, сжатую компрессором, подают к одному или более теплообменникам системы двигателя и в обход конденсатора. В первом примере системы, система дополнительно содержит впускной трубопровод расширителя, соединяющий по текучей среде выход испарителя с расширительным входом расширителя/компрессора; выпускной трубопровод расширителя, соединяющий по текучей среде расширительный выход расширителя/компрессора с входом конденсатора; впускной трубопровод компрессора, соединяющий по текучей среде выход испарителя с компрессорным входом расширителя/компрессора; и выпускной трубопровод компрессора, соединяющий по текучей среде компрессорный выход расширителя/компрессора с каналом, расположенным выше по потоку от одного или более теплообменников системы двигателя. Во втором примере системы, который опционально включает в себя первый пример, в первом режиме рабочая текучая среда может протекать от испарителя к расширителю/компрессору через впускной трубопровод расширителя и от расширителя/компрессора к конденсатору через выпускной трубопровод расширителя, а во втором режиме рабочая текучая среда может протекать от испарителя к расширителю/компрессору через впускной трубопровод компрессора и от расширителя/компрессора к одному или более теплообменникам системы двигателя через выпускной трубопровод компрессора. В третьем примере системы, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по второй, система дополнительно содержит первый клапан, расположенный между насосом и испарителем; второй клапан, расположенный между испарителем и расширителем/компрессором; третий клапан, расположенный между расширителем и конденсатором, причем контроллер выполнен с возможностью: в первом режиме - открытия первого клапана, перевода второго клапана в первое положение второго клапана и установления, таким образом, соединения по текучей среде между насосом и входом испарителя, и между выходом испарителя и расширительным входом расширителя/компрессора через впускной трубопровод расширителя, и перевода третьего клапана в первое положение третьего клапана, и во втором режиме - перевода второго клапана во второе положение второго клапана, перевода третьего клапана во второе положение третьего клапана и установления, таким образом, соединения по текучей среде между выходом испарителя и компрессорным входом расширителя/компрессора через впускной трубопровод компрессора, и закрытия первого клапана для блокирования соединения по текучей среде между насосом и испарителем. В четвертом примере системы, который опционально содержит один или несколько примеров с первого по третий, один или более теплообменников системы двигателя включают в себя первый теплообменник, находящийся в тепловом контакте с охлаждающей жидкостью двигателя, и второй теплообменник, находящийся в тепловом контакте с моторным маслом, причем система дополнительно содержит третий клапан, расположенный выше по потоку от первого теплообменника; и четвертый клапан, расположенный выше по потоку от второго теплообменника; причем контроллер выполнен с возможностью - в первом режиме - закрытия третьего клапана и закрытия четвертого клапана, а во втором режиме - открытия третьего клапана и открытия четвертого клапана. В пятом примере системы, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по четвертый, система дополнительно содержит двигатель, содержащий множество цилиндров, выполненных с возможностью подачи отработавших газов к выхлопной системе двигателя, и трансмиссию, выполненную с возможностью приведения в движение одного или более колес, причем трансмиссия соединена с одним или более двигателями и электромотором, причем первый режим включает в себя температуру охлаждающей жидкости двигателя выше первого порогового значения температуры, а второй режим включает в себя температуру охлаждающей жидкости двигателя ниже первого порогового значения температуры, при этом контроллер выполнен с возможностью - в ответ на температуру охлаждающей жидкости двигателя выше второго порогового значения температуры, которое выше первого порогового значения температуры, - охлаждения одного или более компонентов двигателя посредством подачи рабочей текучей среды от конденсатора через один или более теплообменников системы двигателя.

Дополнительный пример способа содержит шаги, на которых: в ответ на температуру двигателя выше порогового значения температуры эксплуатируют систему рекуперации отходящего тепла отработавших газов в режиме генерации энергии для расширения рабочей текучей среды системы рекуперации отходящего тепла отработавших газов посредством направления рабочей текучей среды через вход расширителя к выходу расширителя и генерируют электроэнергию посредством вращения расширителя в первом направлении; и в ответ на температуру двигателя ниже пороговой температуры эксплуатируют систему рекуперации отходящего тепла отработавших газов в режиме нагрева для передачи отходящего тепла отработавших газов двигателю посредством направления рабочей текучей среды через выход расширителя ко входу расширителя и сжимают рабочую текучую среду посредством расширителя, эксплуатируемого во втором направлении, противоположном первому направлению. В первом примере способа, генерация электроэнергии посредством вращения расширителя в первом направлении включает в себя генерацию электроэнергии посредством мотора-генератора, работающего в режиме генератора и соединенного с расширителем, и накопление электроэнергии на устройстве накопления энергии. Во втором примере способа, который опционально включает в себя первый пример, сжатие рабочей текучей среды посредством расширителя, эксплуатируемого во втором направлении, включает в себя вращение расширителя посредством мотора-генератора, работающего в режиме мотора. В третьем примере способа, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по второй, в способе дополнительно направляют сжатую рабочую текучую среду от входа расширителя к одному или более теплообменникам, находящимся в тепловом контакте с двигателем. В четвертом примере способа, который опционально включает в себя один или несколько примеров с первого по третий, в способе дополнительно направляют рабочую текучую среду через испаритель системы рекуперации отходящего тепла отработавших газов, находящейся в тепловом контакте с выхлопной системой двигателя; в ответ на температуру двигателя выше порогового значения температуры направляют рабочую текучую среду от испарителя ко входу расширителя; и в ответ на температуру двигателя ниже порогового значения температуры направляют рабочую текучую среду от испарителя к выходу расширителя.

Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и могут осуществляться системой управления, содержащей контроллер, в сочетании с различными датчиками, исполнительными механизмами и другим аппаратным обеспечением двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки необязательно требуется для достижения отличительных признаков и преимуществ раскрытых в настоящей заявке вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически представлять код, запрограммированный в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, при этом раскрытые действия выполняют путем исполнения инструкций в системе, содержащей разнообразные аппаратные компоненты двигателя в сочетании с электронным контроллером.

Следует понимать, что раскрытые в настоящей заявке конфигурации и алгоритмы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Объект настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.

В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая наличие двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в объект настоящего изобретения.

Реферат

Изобретение относится к машиностроению, а именно к управлению системой рекуперации отходящего тепла для генерации энергии и нагрева двигателя. Способ рекуперации тепла отработавших газов, в котором в ответ на первое условие осуществляют расширение рабочей текучей среды системы (70) рекуперации отходящего тепла посредством расширителя (84) для генерации электроэнергии и блокируют протекание рабочей текучей среды через один или более теплообменников (74, 76), находящихся в тепловом контакте с двигателем (50). В ответ на второе условие осуществляют сжатие рабочей текучей среды системы (70) рекуперации отходящего тепла посредством расширителя (84) для передачи тепла двигателю (50) посредством одного или более теплообменников (74, 76). Также раскрыт вариант способа рекуперации тепла отработавших газов и система рекуперации тепла отработавших газов. Технический результат заключается в повышении скорости нагрева двигателя и как следствие снижение расхода топлива и выбросов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула