CH632051A5 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschinenanlage gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to an internal combustion engine system according to the preamble of claim 1.
Eine derartige Anlage ist bereits in der CH-Anmeldung 14 179/77 vorgeschlagen worden. Bei der Anlage nach diesem Vorschlag dient der Ladeluftkühler als Verdampfer für mindestens einen Teil des Arbeitsmittels des zweiten Dampfkreislaufs, der relativ zum ersten auf einem niedrigeren Druck- und Temperaturniveau arbeitet; bei dieser Anlage wird der erzeugte Dampf vom Ladeluftkühler aus als Sattdampf ohne Überhitzung zur arbeitsleistenden Entspannung einer Turbine bzw. einer Zwischenstufe einer Turbine zugeführt. Such a system has already been proposed in CH application 14 179/77. In the system according to this proposal, the charge air cooler serves as an evaporator for at least part of the working medium of the second steam circuit, which works at a lower pressure and temperature level relative to the first; In this system, the steam generated is fed from the charge air cooler to a turbine or an intermediate stage of a turbine as saturated steam without overheating for work-relieving expansion.
Als nicht sehr vorteilhaft hat sich bei der erwähnten Anlage erwiesen, dass der bauliche Aufwand für den Ladeluftkühler relativ gross wird, da beispielsweise die Rohrschlange für den Erhitzer relativ umfangreich wird, in dem die Verdampfung des Arbeitsmittels des zweiten Dampfkreislaufs erfolgt. It has not proven to be very advantageous in the system mentioned that the structural outlay for the charge air cooler becomes relatively large, since, for example, the coil for the heater becomes relatively extensive, in which the evaporation of the working medium of the second steam circuit takes place.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Beibehaltung der guten Abwärmenutzung, die bei der diskutierten Anlage an sich erreicht wird, den baulichen Aufwand für den Ladeluftkühler zu reduzieren. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gemäss der vorliegenden Erfindung gelöst. The object of the present invention is therefore to reduce the structural outlay for the charge air cooler while maintaining the good use of waste heat which is achieved in the system under discussion. This object is achieved with the features of claim 1 according to the present invention.
Im Erhitzer der neuen Anlage wird das flüssige Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs erfindungsgemäss so weit aufgeheizt oder «überheizt», dass mit Hilfe einer Entspannungsverdampfung die benötigte Dampfmenge in Strömungsrichtung erst nach dem Ladeluftkühler ohne eine zusätzliche externe Wärmequelle erzeugt wird. Auf der Basis der Grundkonzeption der diskutierten Anlage gelingt es auf diese Weise, den Ladeluftkühler sekundärseitig - wie an sich bekannt, siehe «Schiff- & Hafen/Kommandobrücke» 29 (1977), Heft 5, Seite 488/489 - nur für flüssige Wärmeträgermedien auszulegen, ohne dass dabei die spezifischen Vorteile der diskutierten Anlage verlorengehen. According to the invention, the liquid working fluid of the second steam circuit is heated or "overheated" in the heater of the new system to such an extent that with the help of flash evaporation, the required amount of steam in the flow direction is only generated after the charge air cooler without an additional external heat source. On the basis of the basic concept of the system discussed, it is possible in this way to design the charge air cooler on the secondary side only - as is known per se, see “Ship & Port / Command Bridge” 29 (1977), No. 5, pages 488/489 - for liquid heat transfer media without losing the specific advantages of the system under discussion.
Die Gesamtnutzung - und insbesondere ihr mechanische Arbeit leistender Anteil - aller Wärmequellen der Brennkraftmaschine kann dabei gesteigert werden, wenn an dem Dampfraum der Trenneinrichtung ein kühlwasserbeheizter Überhitzer für den Dampf des zweiten Dampfkreislaufs vorgesehen ist, wobei es unter Umständen zweckmässig sein kann, dass das Kühlwasser der Brennkraftmaschine vor der Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs durch den abgasbeheizten Abhitzekessel der Anlage aufgeheizt ist. The overall use - and in particular its mechanical part - of all heat sources of the internal combustion engine can be increased if a cooling water-heated superheater for the steam of the second steam circuit is provided in the steam space of the separating device, it being possible under certain circumstances that the cooling water of the Internal combustion engine is heated up before the heat is given off to the working medium of the second steam circuit by the exhaust gas-heated waste heat boiler of the system.
Die Bereitstellung des vorgewärmten Kondensats für den Erhitzer erfolgt zweckmässigerweise aus der Trenneinrichtung heraus über eine mit einer druckerhöhenden Pumpe ausgerüstete Kondensator-Rückführleitung und/oder durch einen Kondensatvorwärmer, der dem Erhitzer in dem Ladeluftkühler vorgeschaltet ist. Weiterhin bietet sich als zusätzliche Verwendungsmöglichkeit des in der Trenneinrichtung anfallenden vorgewärmten Kondensats ein mit einer Umwälzpumpe versehener, an die Trenneinrichtung angeschlossener Verdampfungskreislauf an, der vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine beheizt ist. The preheated condensate for the heater is expediently provided from the separating device via a condenser return line equipped with a pressure-increasing pump and / or by means of a condensate preheater which is connected upstream of the heater in the charge air cooler. Furthermore, an additional possible use of the preheated condensate obtained in the separating device is an evaporation circuit provided with a circulating pump and connected to the separating device, which is heated by the cooling water of the internal combustion engine.
Schliesslich kann es zweckmässig sein, wenn mindestens der Erhitzer für die Arbeitsmittelmenge beider Dampfkreisläufe ausgelegt ist, und der Arbeitsmittelstrom zwischen Erhitzer und Expansionsorgan auf die beiden Dampfkreisläufe aufgeteilt ist, da dadurch die Wärmeausnützung des Ladeluftkühlers nicht unwesentlich erhöht wird. Finally, it can be expedient if at least the heater is designed for the amount of working fluid in both steam circuits, and the flow of working fluid between the heater and the expansion element is divided between the two steam circuits, since this significantly increases the heat utilization of the charge air cooler.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Anlage. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawing. The single figure shows schematically an embodiment of a system according to the invention.
Dem nur schematisch dargestellten Motor 1 ist eine Aufladegruppe zugeordnet, deren Ladeluftgebläse 3 aus der Atmosphäre Luft über ein Filter 2 und durch eine Leitung 4 ansaugt und in einer Leitung 6 in die Maschine oder den Motor 1 fördert. In der Leitung 6 ist ein Ladeluftkühler 7 für die komprimierte Luft vorgesehen. The engine 1, which is shown only schematically, is assigned a supercharging group, the charge air blower 3 of which draws air from the atmosphere through a filter 2 and through a line 4 and conveys it into the machine or the engine 1 in a line 6. A charge air cooler 7 for the compressed air is provided in line 6.
Das Ladegebläse 3 wird von einer Abgasturbine 8 über eine Welle 10 angetrieben, wobei die heissen Auspuffgase des Motors 1 der Turbine 8 über eine Leitung 9 zufliessen und nach der Entspannung in der Turbine 8 durch die Leitung 11 abgeführt werden, in der ein Wärmetauscher oder Abhitzekanal 12 angeordnet ist. The charging fan 3 is driven by an exhaust gas turbine 8 via a shaft 10, the hot exhaust gases of the engine 1 flowing to the turbine 8 via a line 9 and, after relaxation in the turbine 8, being discharged through line 11, in which a heat exchanger or waste heat duct 12 is arranged.
Der Wärmetauscher 12 dient als Verdampfer und Überhitzer für das Arbeitsmittel eines Dampfkreislaufs 13, der mit The heat exchanger 12 serves as an evaporator and superheater for the working medium of a steam circuit 13, the
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relativ hohen Drücken arbeitet und der Verwertung der Abgaswärme dient. works relatively high pressures and serves the utilization of the exhaust gas heat.
Das nur ihm zugehörige System zweigt an einer Stelle 15 aus einer Kondensatleitung 16 ab, die bis zu diesem Punkt dem Dampfkreislauf 13 mit höher liegendem Energiepotential und einem zweiten Dampfkreislauf 25 mit niedriger liegendem Energiepotential gemeinsam ist. Der Ausbau des Dampfkreislaufs 25 wird nachfolgend noch ausführlicher beschrieben. The system belonging only to it branches off at a point 15 from a condensate line 16, which up to this point is common to the steam circuit 13 with a higher energy potential and a second steam circuit 25 with a lower energy potential. The expansion of the steam circuit 25 is described in more detail below.
Im Dampfkreislaufsystem 13 verbindet eine kondensatführende Leitung 14 die Stelle 15 mit einem abgasbeheizten Verdampfer 17, an den ein Flüssigkeitsabschneider 18 anschliesst; die in diesem abgeschiedene Flüssigkeit wird über eine Leitung 49 weggeführt und nach teilweiser Verwertung ihres Restwärmeinhalts in den gemeinsamen Arbeitsmittelstrom beider Dampfkreisläufe 13 und 25 zurückgeführt. Der Dampfraum des Abscheiders 18 ist mit einem ebenfalls abgasbeheizten Überhitzer 19 verbunden, von dem aus eine Dampfleitung 20 zur Hochdruckseite einer ebenfalls beiden Dampfkreisläufen 13 und 25 gemeinsamen Turbine 32 führt, die einen Generator 33 antreibt. In the steam cycle system 13, a condensate-carrying line 14 connects the point 15 to an exhaust-gas-heated evaporator 17, to which a liquid cutter 18 connects; the liquid separated in this is carried away via a line 49 and, after partial utilization of its residual heat content, is returned to the common working medium flow of both steam circuits 13 and 25. The steam chamber of the separator 18 is connected to a superheater 19, likewise heated by exhaust gas, from which a steam line 20 leads to the high pressure side of a turbine 32, which is also common to both steam circuits 13 and 25 and drives a generator 33.
Am Motor 1 ist in der Figur weiterhin ein Heisswasserkühl-kreislauf 21 vorhanden, der von der Kühlwasserseite her gesehen einen ebenfalls abgasbeheizten, im Abhitzekessel 12 gelegenen Aufheizwärmetauscher 24, einen Kühler 22 und eine Pumpe 23 enthält. Die an sich bekannte Heisswasserküh-lung unterscheidet sich von den allgemein üblichen Kühlsystemen dadurch, dass sie bei Temperaturen über 100°C arbeitet, wobei beispielsweise das Kühlwasser mit etwa 130°C den Motor 1 verlässt - abweichend von üblichen Anlagen -, in der vorliegenden Anlage zunächst im Wärmetauscher 24 auf etwa 133°C aufgeheizt wird, in den Kühler 22 eintritt, in diesem um etwa 13° auf 120°C abgekühlt wird und, von der Pumpe 23 gefördert, in den Motor 1 zurückfliesst. On the engine 1, a hot water cooling circuit 21 is also present in the figure, which, seen from the cooling water side, contains a likewise heat-heated heat exchanger 24, located in the waste heat boiler 12, a cooler 22 and a pump 23. The hot water cooling known per se differs from the generally customary cooling systems in that it operates at temperatures above 100 ° C, for example the cooling water leaving the engine 1 at about 130 ° C - in contrast to conventional systems - in the present system is first heated in the heat exchanger 24 to approximately 133 ° C., enters the cooler 22, is cooled in this by approximately 13 ° to 120 ° C. and, conveyed by the pump 23, flows back into the engine 1.
Da in diesem Kühlwasserkreislauf Verdampfung verhindert werden muss, steht das Kreislaufsystem unter einem Überdruck, der beispielsweise durch einen nicht dargestellten künstlichen Hochtank mit Hilfe von komprimierter Luft auf 5 ata gehalten wird. Since evaporation must be prevented in this cooling water circuit, the circuit system is under an overpressure, which is kept at 5 ata for example by an artificial high tank (not shown) with the aid of compressed air.
Als wärmeaufnehmendes Medium dient in dem Heisswas-serkühler 22 das Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs 25, das in parallelen Strömen einen Überhitzer 36 und einen Verdampfer 40 durchsetzt. Dieser zweite Dampfkreislauf 25, der relativ zum ersten auf niederem Druck- und Temperaturniveau arbeitet, ist vom Austritt der Turbine 32 bis zum Verzweigungspunkt 15 mit dem ersten Dampfkreislauf 13 vereinigt; in diesem gemeinsamen Teilbereich ist eine Speisepumpe 26 vorhanden, von der das Arbeitsmittel, im allgemeinen Wasser, aus einem Kondensator 27 zu einem Kondensat-Vorwärmer 28 gefördert wird. The working medium of the second steam circuit 25, which passes through a superheater 36 and an evaporator 40 in parallel flows, serves as the heat-absorbing medium in the hot water cooler 22. This second steam circuit 25, which operates at a low pressure and temperature level relative to the first, is combined with the first steam circuit 13 from the outlet of the turbine 32 to the branch point 15; In this common sub-area there is a feed pump 26, from which the working fluid, generally water, is conveyed from a condenser 27 to a condensate preheater 28.
In diesem, in dem Ladeluftkühler 7 liegenden Vorwärmer 28 wird das kalte Kondensat durch die komprimierte Ladeluft vorgewärmt, ehe es in einem Erhitzer 29 möglichst hoch erhitzt wird, ohne dass eine Dampfbildung eintritt. Wärmeabgebendes Medium im Erhitzer 29 ist ebenfalls die komprimierte Ladeluft. In this preheater 28 located in the charge air cooler 7, the cold condensate is preheated by the compressed charge air before it is heated as high as possible in a heater 29 without steam forming. Heat-emitting medium in the heater 29 is also the compressed charge air.
Zwischen dem Vorwärmer 28 und dem Erhitzer 29 mündet eine, vorgewärmtes Kondensat vor den Erhitzer 29 zurückführende Kondensat-Rückführleitung 30 ein. An das strom-abwärtige Ende des Erhitzers 29 schliesst die bereits erwähnte Kondensatleitung 16 an. Between the preheater 28 and the heater 29, a preheated condensate leading back before the heater 29 condensate return line 30 opens. The already mentioned condensate line 16 connects to the downstream end of the heater 29.
Über den Punkt 15, in dem die Leitung 14 für das vorgeheizte flüssige Arbeitsmittel des ersten Dampfkreislaufs 13 abzweigt, führt die Leitung 16 zu einem Expansions- oder Via the point 15, at which the line 14 branches off for the preheated liquid working fluid of the first steam circuit 13, the line 16 leads to an expansion or
Entspannungsorgan 31, beispielsweise einem Drosselorgan. In diesem wird ein Teil des Arbeitsmittels, das in dem zweiten Dampfkreislauf 25 zirkuliert, durch Entspannung - bei gleichzeitiger Abkühlung - verdampft. Dampf und Restkondensat fliessen in der Leitung 16 gemeinsam einer Trenneinrichtung 34 für die Trennung von Dampf und Flüssigkeit zu. Relaxation element 31, for example a throttle element. In this part of the working fluid, which circulates in the second steam circuit 25, is evaporated by expansion, with simultaneous cooling. Steam and residual condensate flow together in line 16 to a separation device 34 for the separation of steam and liquid.
Aus dem Dampfraum dieser Trenneinrichtung 34 führt eine Leitung 35 zum kühlwasserbeheizten Überhitzer 36, von dem aus überhitzter Dampf durch eine Leitung 37 zur arbeitsleistenden Entspannung in eine Zwischenstufe der gemeinsamen Turbine 32 gelangt. A line 35 leads from the steam chamber of this separating device 34 to the superheater 36 heated by cooling water, from which superheated steam passes through a line 37 for relaxation in an intermediate stage of the common turbine 32.
Aus dem Kondensatraum der Trenneinrichtung 34 fördert eine gleichzeitig den durch die Entspannung hervorgerufenen Druckabfall ausgleichende Pumpe 38 das vorgewärmte Kondensat über die Kondensatrückführleitung 30 zurück an die zwischen dem Vorwärmer 28 und dem Erhitzer 29 gelegene Stelle 39 des gemeinsamen Teilbereichs der beiden Dampfkreisläufe 13 und 25. Dieses rückgeführte, vorgewärmte Kondensat kann erneut erhitzt und anschliessend der Entspannungsverdampfung zugeleitet werden. From the condensate chamber of the separating device 34, a pump 38, which compensates for the pressure drop caused by the expansion, conveys the preheated condensate back via the condensate return line 30 to the point 39 of the common partial area of the two steam circuits 13 and 25 located between the preheater 28 and the heater 29 Recirculated, preheated condensate can be reheated and then sent to the flash evaporation.
Der zusätzlichen Dampferzeugung im zweiten Dampfkreislauf 25 dient der bereits erwähnte kühlwasserbeheizte Verdampfer 40, der über eine kondensatführende Leitung 41 mit der Leitung 30 bzw. dem Kondensatraum der Trenneinrichtung 34 und durch eine Leitung 42 mit dem Dampfraum dieser Trenneinrichtung 34 verbunden ist; der Strom durch den Verdampfer 40 wird dabei mit Hilfe einer in der Leitung 41 gelegenen Umwälzpumpe 43 gewährleistet. The additional steam generation in the second steam circuit 25 is provided by the aforementioned coolant-heated evaporator 40, which is connected via a condensate-carrying line 41 to the line 30 or the condensate space of the separating device 34 and by a line 42 to the steam space of this separating device 34; the flow through the evaporator 40 is ensured by means of a circulation pump 43 located in the line 41.
Reicht der durch das vom Vorwärmer 28 und Erhitzer 29 zirkulierende Arbeitsmittel hervorgerufene Wärmeentzug nicht aus, die Ladeluft in ausreichendem Masse abzukühlen, so ist, für die Luft am Ende des Ladeluftkühlers 7, ein mit einem externen Kühlmittel mit Hilfe einer Pumpe 44 gekühlter Wärmetauscher 45 vorhanden, wobei das externe Kühlmittel gleichzeitig als wärmeabführendes Medium im Kondensator 27 dient. Zu diesem Zweck ist, für das Kühlmittel parallel zum Wärmetauscher 45, ein Wärmetauscher 46 im Kondensator 27 angeordnet. Die Aufteilung des Kühlmittelstroms auf beide Aggregate 45 und 46 erfolgt durch einstellbare Drosselorgane 47 und 48, die nur schematisch dargestellt sind. If the heat withdrawal caused by the working medium circulating by the preheater 28 and the heater 29 is not sufficient to cool the charge air to a sufficient extent, then for the air at the end of the charge air cooler 7, a heat exchanger 45 cooled with an external coolant with the aid of a pump 44 is present , the external coolant also serving as a heat-dissipating medium in the condenser 27. For this purpose, a heat exchanger 46 is arranged in the condenser 27 for the coolant parallel to the heat exchanger 45. The distribution of the coolant flow between the two units 45 and 46 is carried out by adjustable throttle bodies 47 and 48, which are only shown schematically.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere können je nach Menge und Temperaturverteilung der anfallenden Abwärme auf die Abwärmequelle Kühlwasser und Ladeluft unter Umständen der Verdampfer 40 oder die Kondensator-rückführleitung 30 entfallen und durch eine dieser beiden Möglichkeiten für die Dampferzeugung im zweiten Dampfkreislauf 25, in Verbindung mit dem Expansionsorgan 31, ersetzt sein. Of course, the invention is not limited to the exemplary embodiment shown. In particular, depending on the amount and temperature distribution of the waste heat generated on the waste heat source cooling water and charge air, the evaporator 40 or the condenser return line 30 may be omitted and replaced by one of these two possibilities for steam generation in the second steam circuit 25 in connection with the expansion element 31 be.
Weiterhin ist es möglich, beide Dampfkreisläufe 13 und 25 unter Umständen stufenweise weiter voneinander zu trennen, beispielsweise für beide getrennte Kondensatorvorwärmer und -erhitzer oder sogar getrennte Speisepumpen, Kondensatoren und/oder Turbinen vorzusehen. Furthermore, it is possible to separate the two steam circuits 13 and 25 step by step under certain circumstances, for example for both separate condenser preheaters and heaters or even separate feed pumps, condensers and / or turbines.
Welche der verschiedenen Möglichkeiten für eine optimale Wärmerückgewinnung mit der neuen Anlage am günstigsten ist, muss aus den Temperaturen und Wärmemengen der beiden Abwärmequellen im einzelnen Fall festgelegt werden. Um einen Eindruck von den gegebenen Temperaturverhältnissen zu vermitteln, sind für eine Versuchsanlage in der Figur die an verschiedenen Stellen vorhandenen Temperaturwerte in °C eingetragen. Which of the various options for optimal heat recovery with the new system is the cheapest must be determined from the temperatures and heat quantities of the two waste heat sources in each individual case. In order to give an impression of the given temperature conditions, the temperature values at various points in ° C are entered for a test system in the figure.
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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings
Claims (7)
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PL | Patent ceased |