Безрельсовое транспортное средство хозяйственного назначения с двигателем внутреннего сгорания и использующей его источники тепла системой рекуперации тепла
Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Безрельсовое транспортное средство содержит двигатель внутреннего сгорания, в системе выпуска отработавших газов которого расположен глушитель, и систему рекуперации тепла. В контуре циркуляции среды системы рекуперации расположены насос, испаритель, расширитель, конденсатор и предусмотрена возможность преобразования отходящего тепла двигателя и/или агрегатов двигателя, а также рабочих сред в повышающую мощность полезную энергию. Предусмотренный в контуре циркуляции среды системы рекуперации тепла испаритель либо интегрирован в глушитель и там встроен в концевую выхлопную трубу или же частично заменяет ее, либо установлен снаружи на глушителе, а концевая выхлопная труба проходит своим концевым участком за ним, либо интегрирован в отходящую от глушителя и проходящую вверх позади кабины водителя концевую выхлопную трубу и при этом встроен в нее или частично заменяет ее, либо интегрирован в глушитель, который встроен в проходящую вверх позади кабины водителя выхлопную трубу. Достигается улучшение компоновочных решений за счет размещения испарителя в глушителе транспортного средства. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к безрельсовому транспортному средству хозяйственного назначения, в частности грузовому автомобилю, содержащему двигатель внутреннего сгорания и систему рекуперации тепла, а также другие признаки согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
В безрельсовых транспортных средствах хозяйственного назначения, в частности грузовых автомобилях, возникает на основе применения все более мощных двигателей внутреннего сгорания проблема осуществления охлаждения, поскольку необходимые, имеющие большой объем радиаторы едва можно размещать в автомобиле. Для исключения таких имеющих большой объем радиаторов уже известны различные предложения, которые все сводятся к отводу тепла из двигателя с помощью охлаждающей воды отличающимся от обычного охлаждения способом. Одним таким известным способом является использование источников тепла двигателя для рекуперации тепла, при этом из источников тепла, таких как охлаждающая вода или горячие агрегаты двигателя, отводится тепло, и это тепло используется с пользой. В соответствующем контуре циркуляции среды предусмотрены по меньшей мере один насос, один испаритель, один расширитель и один конденсатор. Все эти дополнительные агрегаты требуют определенного установочного пространства в автомобиле.
В основу изобретения положена задача, несмотря на ограниченно имеющееся в автомобиле конструктивное пространство, найти место для экономного размещения испарителя.
Эта задача решена согласно изобретению с помощью указанного в п.1 формулы изобретения вида размещения и выполнения испарителя в безрельсовом транспортном средстве.
Предпочтительные варианты выполнения и частные варианты решения согласно изобретению указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
За счет размещения согласно изобретению испарителя в или на глушителе или выхлопной трубе обеспечивается, что не создается помех для других частей автомобиля. Кроме того, с помощью таким образом размещенного испарителя обеспечивается возможность оптимального использования остаточного тепла отработавших газов для перевода жидкой циркулирующей среды в ее парообразное состояние, при этом парообразная среда предназначена затем, в свою очередь, для подачи в расширитель и превращения с помощью его в механическую энергию, отдаваемую в двигатель внутреннего сгорания для увеличения мощности.
Такая система рекуперации тепла имеет также другое преимущество, состоящее в том, что после привлечения также других источников тепла двигателя внутреннего сгорания, таких как охлаждающая вода и/или возвращаемые отработавшие газы, можно ограничивать образование тепла также мощными двигателями внутреннего сгорания и тем самым также необходимую охлаждающую способность радиаторов, а также их размеры.
Ниже приводится подробное пояснение изобретения на основе нескольких примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1 - седельный тягач с глушителем и интегрированным согласно изобретению испарителем;
фиг.2 - продольный разрез варианта выполнения глушителя, применяемого в автомобиле согласно фиг.1;
фиг.3 - поперечный разрез глушителя согласно фиг.2;
фиг.4 - седельный тягач с глушителем и другим по сравнению с фиг.1 размещением испарителя;
фиг.5 - поперечный разрез варианта выполнения глушителя, применяемого в автомобиле согласно фиг.4;
фиг.6 - продольный разрез глушителя согласно фиг.5;
фиг.7 - седельный тягач с глушителем с другим альтернативным размещением испарителя;
фиг.8 - относящаяся к изобретению часть автомобиля согласно фиг.7;
фиг.9 - седельный тягач с глушителем с другим альтернативным размещением испарителя;
фиг.10 - относящаяся к изобретению часть автомобиля согласно фиг.9;
фиг.11 - седельный тягач с глушителем с другим альтернативным размещением испарителя;
фиг.12 - относящаяся к изобретению часть автомобиля согласно фиг.11.
На фиг.1, 4, 7, 9 и 11 показан в качестве примера транспортного средства 1 хозяйственного назначения седельный тягач. Транспортное средство 1 имеет шасси 2 и установленную на нем кабину 3 водителя. Под кабиной 3 водителя расположен двигатель 4 внутреннего сгорания, который через имеющую сцепление и переключаемую коробку передач или автоматическую коробку передач трансмиссию 5 воздействует на приводные колеса 6 транспортного средства 1. Двигатель 4 внутреннего сгорания снабжен использующей его источники тепла системой рекуперации тепла, для которой ниже приводятся пояснения лишь тех частей, которые имеют отношение к решению согласно изобретению. Двигатель 4 внутреннего сгорания предпочтительно имеет охлаждаемую систему рециркуляции отработавших газов и одноступенчатый или многоступенчатый, работающий на отработавших газах турбонагнетатель. В системе 7 выпуска отработавших газов двигателя 4 внутреннего сгорания расположен глушитель 8. Двигатель 4 внутреннего сгорания снабжен в качестве части системы рекуперации тепла контуром циркуляции среды, предназначенным для превращения отходящего тепла двигателя 4 внутреннего сгорания и/или горячих агрегатов двигателя, таких как трубопроводы рециркуляции отработавших газов, турбонагнетатель и т.д., а также рабочих сред, таких как охлаждающая вода, воздух наддува, отработавшие газы и т.д., с помощью подходящих устройств в повышающую мощность полезную энергию. В контуре циркуляции среды предусмотрены по меньшей мере один насос, один испаритель 9, один расширитель и один конденсатор. Изобретение относится к месту и виду размещения, а также к выполнению компонентов для размещения испарителя 9. Для этого имеются многие возможности. Согласно первому варианту выполнения, согласно примеру выполнения, показанному на фиг.1-3, испаритель 9 интегрирован в глушитель 8. Там он либо встроен в концевую выхлопную трубу 10, либо частично заменяет концевую выхлопную трубу 10. Согласно второму варианту выполнения, согласно примеру выполнения, показанному на фиг.4-6, испаритель 9 установлен снаружи на глушителе 8, а именно сбоку снизу, и концевая выхлопная труба 10 продолжается после глушителя 9 в виде концевого участка 10b. Согласно третьему варианту выполнения, согласно примеру выполнения, показанному на фиг.7, 8, испаритель 9 также установлен снаружи глушителя 8, но сверху на нем. В этом случае концевая выхлопная труба 10 также продолжается после глушителя 9 в виде направленного вверх концевого участка 10b. Согласно четвертому варианту выполнения, согласно примеру выполнения, показанному на фиг.9 и 10, испаритель 9 либо встроен в отходящую от глушителя 8 и проходящую вверх позади кабины 3 водителя концевую выхлопную трубу 10, либо частично заменяет концевую выхлопную трубу 10. Согласно пятому варианту выполнения, согласно примеру выполнения, показанному на фиг.11 и 12, испаритель 9 интегрирован в глушитель 8, который встроен в проходящую вверх позади кабины 3 водителя выхлопную трубу 28.
Ниже приводится подробное пояснение этих предложенных изобретением расположений испарителя.
Установленный в транспортном средстве 1 согласно фиг.1 вблизи двигателя 4 внутреннего сгорания и закрепленный на раме шасси 2 глушитель 8 может быть выполнен, как показано на фиг.2 и 3. При этом этот глушитель 8 выполнен в виде бочки и имеет переднее дно 11 и заднее дно 12, соединяющую оба дна 11, 12 выполненную в виде полого цилиндра наружную окружную стенку 12, внутри отделенное промежуточной стенкой от выпускного пространства 15 впускное пространство 16, входящую во впускное пространство 16 впускную трубу 17 и концевую выхлопную трубу 10. Концевая выхлопная труба 10 расположена своим входным участком 10а в выпускном пространстве 15 и после испарителя 9 выходит своим выходным участком 10b в зоне ограничивающего выпускное пространство 15 дна 12 либо через него, либо через наружную окружную стенку 13 из глушителя 8. При этом испаритель 9 встроен либо во входной участок 10а концевой выхлопной трубы 10, либо заменяет часть концевой выхлопной трубы 10 между ее входным участком 10а и выходным участком 10b. В последнем случае испаритель 9 закреплен на дне 12 глушителя 8. Кроме того, в показанном глушителе 8 расположено несколько модулей 18 обработки отработавших газов, которые удерживаются там с помощью газонепроницаемой промежуточной стенки 14, а также расположенной на расстоянии от нее проницаемой для газа несущей стенки 19. Каждый из этих модулей 18 обработки отработавших газов содержит встроенные в корпус, например, отделитель или фильтр частиц и/или по меньшей мере один катализатор. Как показано на фиг.2 и 3, в этом варианте выполнения испаритель 9 закреплен внутри на ограничивающем выпускное пространство 15 дне 12 глушителя 8.
На испарителе 9 предусмотрен снизу соединительный патрубок 20 для ввода жидкой циркулирующей среды и сверху соединительный патрубок 21 для отвода переведенной в парообразное агрегатное состояние циркулирующей среды. Оба соединительных патрубка 20, 21 выходят из испарителя 9 через смежное дно 12 или смежную зону наружной окружной стенки 13 глушителя 8 и соединены снаружи с обозначенным стрелкой 22 подводящим трубопроводом для жидкой циркулирующей среды или, соответственно, с обозначенным стрелкой 23 отводящим трубопроводом для парообразной циркулирующей среды. На фиг.1 положение испарителя 9 на безрельсовом транспортном средстве 1 показано с помощью зачерненного поля в зоне глушителя 8.
В случае автомобиля, показанного на фиг.4, предпочтительно применяется глушитель 8, который, как показано на фиг.5 и 6, максимально соответствует глушителю, показанному на фиг.2 и 3, но имеет испаритель 9 в другом месте, а именно снаружи сбоку внизу. Поэтому на фиг.5 и 6 одинаковые или соответствующие друг другу части обозначены одинаковыми с фиг.2 и 3 позициями. В этом примере, как показано на фиг.5, испаритель 9 интегрирован в корпус 9', который закреплен в зоне ограничивающего выпускное пространство 15 дна 12 сбоку снаружи внизу на наружной окружной стенке 13 глушителя 8. В этой зоне наружная окружная стенка 13 глушителя 8 имеет проход. Концевая выхлопная труба 10 своим расположенным внутри выпускного пространства 15 входным участком 10а проходит до испарителя 9 и продолжается снаружи глушителя 8 на выходе испарителя 9 в зоне выходного отверстия 9” корпуса 9' своим выходным участком 10b. В этом примере выполнения испаритель 9 также имеет нижний соединительный патрубок 20, который соединен с подводящим трубопроводом 22 для жидкой циркулирующей среды, и верхний соединительный патрубок 21, который соединен с отводящим трубопроводом 23 для парообразной среды. На фиг.4 расположение этого испарителя 9 в транспортном средстве 1 также обозначено с помощью зачерненного поля на глушителе 8.
В случае автомобиля, показанного на фиг.7, предпочтительно применяется глушитель 8, который соответствует глушителю, показанному на фиг.5 и 6, но имеет испаритель 9 в другом месте, а именно снаружи вверху. Поэтому на фиг.7 и 8 одинаковые или соответствующие друг другу части обозначены одинаковыми позициями. В этом примере, как показано на фиг.8, испаритель 9 установлен своим корпусом на наружной окружной стенке 13 глушителя 8. В этой зоне наружная окружная стенка 13 глушителя 8 имеет проход. Концевая выхлопная труба 10 своим расположенным внутри выпускного пространства 15 в зоне ограничивающего его дна 12 входным участком 10а проходит до испарителя 9 и продолжается снаружи глушителя 8 на выходе испарителя 9 своим расположенным, по существу, вертикально позади кабины 3 водителя выходным участком 10b. Он стабилизирован относительно глушителя 8 с помощью нескольких держателей и распорок 10с, служащих в качестве опоры.
В случае транспортного средства 1 согласно фиг.9 применяется тот же или аналогичный глушитель 8, что и в автомобиле, согласно фиг.4, однако здесь испаритель 9 не установлен на глушителе 8, а интегрирован в концевой участок 10b проходящей вверх позади кабины 3 водителя концевой выхлопной трубы 10, при этом концевой участок 10b, как показано на фиг.10, примыкает к выходу глушителя 8. При этом испаритель 9 либо встроен в этот участок 10b концевой выхлопной трубы, а именно предпочтительно вблизи глушителя 8 или на небольшом расстоянии от него, либо заменяет частично участок 10b концевой выхлопной трубы. При этом концевая выхлопная труба 10 стабилизирована также здесь относительно глушителя 8 с помощью специальных держателей/распорок 10с.
В примерах согласно фиг.7, 8 и 9, 10 испаритель 9 также имеет нижний соединительный патрубок 20, который соединен с подводящим трубопроводом 22 для жидкой циркулирующей среды, и верхний соединительный патрубок 21, который соединен с отводящим трубопроводом 23 для парообразной среды. Положение этого испарителя 9 в транспортном средстве согласно фиг.9 показано также с помощью зачерненного поля.
В случае транспортного средства 1 согласно фиг.11 применяется другой по сравнению с указанными выше вариантами выполнения глушитель 8. При этом глушитель 8 образован расположенным, по существу, вертикально позади кабины 3 водителя полым цилиндром 25, который сверху и снизу закрыт дном 26 или соответственно 27. Этот глушитель 6, как показано на фиг.12, соединен через свое дно 26 с подводящим участком 28/1 и через свое дно 27 с отводящим участком 28/2 проходящей вверх за кабиной 3 водителя выхлопной трубы 28. В этот глушитель 8 интегрированы служащие для обработки отработавших газов катализаторы и/или фильтры (не изображены), а также испаритель 9. Этот испаритель 9 имеет также нижний соединительный патрубок 20 и верхний соединительный патрубок 21, которые проходят через полую цилиндрическую стенку 25 глушителя 8 наружу и там соединяются с подводящим трубопроводом (22) для жидкой циркулирующей среды или соответственно с отводящим трубопроводом 23 для парообразной циркулирующей среды. В этом примере выхлопная труба 28 с глушителем 8 фиксирована относительно входной части ветви 7 отработавших газов и относительно шасси 2 с помощью распорок 29. На фиг.11 положение испарителя 9 на транспортном средстве 1 также обозначено зачерненным полем на глушителе 8.
Испаритель 9 имеет конструкцию, которая обеспечивает возможность перевода подаваемой через трубопровод 22 жидкой циркулирующей среды при ее прохождении с помощью использования остаточного тепла проходящих отработавших газов в ее парообразное агрегатное состояние. Подводимая жидкая циркулирующая среда может быть, но не обязательно, уже предварительно подогрета за счет предшествующего теплообмена в контуре рекуперации тепла. Переведенная с помощью испарителя 9 в свое парообразное агрегатное состояние циркулирующая среда подводится через отводящий трубопровод 23 в контуре рекуперации тепла в расширитель, который преобразует паровую энергию в механическую энергию, которая воздействует на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания 4 в качестве дополнительной приводной мощности.
1. Безрельсовое транспортное средство промышленного назначения, в частности грузовой автомобиль, содержащее двигатель (4) внутреннего сгорания, в системе (7) выпуска отработавших газов которого расположен глушитель (8), и систему рекуперации тепла, в контуре циркуляции среды которой расположены по меньшей мере один насос, один испаритель (9), один расширитель и один конденсатор, и предусмотрена возможность преобразования отходящего тепла двигателя (4) внутреннего сгорания и/или горячих агрегатов двигателя, а также горячих рабочих сред в повышающую мощность полезную энергию, отличающееся тем, что предусмотренный в контуре циркуляции среды системы рекуперации тепла испаритель (9) либо:
интегрирован в глушитель (8) и там встроен в концевую выхлопную трубу (10) или же частично заменяет ее, либо;
установлен снаружи на глушителе (8), а концевая выхлопная труба (10) проходит своим концевым участком (10b) за ним, либо;
интегрирован в отходящую от глушителя (8) и проходящую вверх позади кабины (3) водителя концевую выхлопную трубу (10) и при этом встроен в нее или частично заменяет ее, либо;
интегрирован в глушитель (8), который встроен в проходящую вверх позади кабины (3) водителя выхлопную трубу (28).
2. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что глушитель (8) имеет переднее дно (11), заднее дно (12) и соединяющую друг с другом переднее дно (11) и заднее дно (12) наружную окружную стенку (13), кроме того, отделенное промежуточной стенкой (14) от впускного пространства (16) выпускное пространство (15), входящую во впускное пространство (16) впускную трубу (17) и расположенную своим входным участком (10а) в выпускном пространстве (15), содержащую там испаритель (9) концевую выхлопную трубу (10), которая своим выходным участком (10b) после испарителя (9) выходит в зоне ограничивающего выпускное пространство (15) дна (12) либо через него, либо через наружную окружную стенку (13) из глушителя (8).
3. Транспортное средство по п.2, отличающееся тем, что испаритель (9) закреплен внутри на ограничивающем выпускное пространство (15) дне (12) глушителя (8).
4. Транспортное средство по любому из пп.2 или 3, отличающееся тем, что на испарителе (9) расположены служащий для ввода жидкой циркулирующей среды соединительный патрубок (20) и служащий для отвода переведенной в парообразное агрегатное состояние циркулирующей среды соединительный патрубок (21), при этом соединительные патрубки (20, 21) выходят от испарителя (9) через смежное дно (12) или смежную зону наружной окружной стенки (13) глушителя (8) из глушителя и соединены там с подводящим трубопроводом (22) для жидкой циркулирующей среды или, соответственно, с отводящим трубопроводом (23) для парообразной циркулирующей среды.
5. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что глушитель (8) имеет переднее дно (11), заднее дно (12) и наружную окружную стенку (13), кроме того, впускную трубу (17) и концевую выхлопную трубу (10), которая в зоне одного дна (11, 12) выходит либо через него, либо через наружную окружную стенку (13) из глушителя (8) и затем проходит дальше после установленного там снаружи на глушителе (8) испарителя (9).
6. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что глушитель (8) имеет переднее дно (11), заднее дно (12) и соединяющую друг с другом оба дна (11, 12) наружную окружную стенку (13), кроме того, впускную трубу (17) и концевую выхлопную трубу (10), которая в зоне одного дна (11, 12) выходит либо через него, либо через наружную окружную стенку (13) из глушителя (8) и затем проходит вверх позади кабины (3) водителя, причем испаритель (9) вблизи глушителя (8) или, соответственно, на небольшом расстоянии от него интегрирован в участок (10b) концевой выхлопной трубы (10), при этом испаритель (9) либо встроен в этот участок (10b) концевой выхлопной трубы, либо частично заменяет участок (10b) концевой выхлопной трубы.
7. Транспортное средство по любому из пп.5 или 6, отличающееся тем, что испаритель (9) имеет соединенный с подводящим трубопроводом (22) для жидкой циркулирующей среды соединительный патрубок (20) и соединенный с отводящим трубопроводом (23) для переведенной в парообразное агрегатное состояние циркулирующей среды соединительный патрубок (21).
8. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что глушитель (8) образован расположенным по существу вертикально позади кабины (3) водителя полым цилиндром (25), который сверху и снизу закрыт соответствующим дном (26, 27) и через эти днища (26, 27) соединен, с одной стороны, с подводящим участком (28/1), с другой стороны, - с отводящим участком (28/2) проходящей вверх за кабиной (3) водителя выхлопной трубы (28), причем в этот глушитель (8) интегрирован испаритель (9), а соединительный патрубок (20) для подвода жидкой циркулирующей среды и соединительный патрубок (21) для отвода переведенной в парообразное агрегатное состояние циркулирующей среды проходят от испарителя (9) через полую цилиндрическую стенку (25) глушителя (8) сбоку из глушителя и там снаружи соединены с подводящим трубопроводом (22) для жидкой циркулирующей среды или, соответственно, с отводящим трубопроводом (23) для парообразной циркулирующей среды.
9. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что подаваемая в испаритель (9) в жидком состоянии и переведенная с его помощью с использованием тепловой энергии отработавших газов в парообразное агрегатное состояние циркулирующая среда подводится через отводящий трубопровод (23) в расширитель, который преобразует паровую энергию в механическую энергию, которая воздействует на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания (4) в качестве дополнительной приводной мощности.
