CN102422007A - 机动车中的排气热利用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车的排气热利用装置(1)，所述排气热利用装置具有排气热利用循环回路(2)，其中对所述排气热利用循环回路(2)的工作流体的工作温度进行调节。在此，通过对工作流体的流经所述排气热利用循环回路(2)的热交换器(5)的质量流量的匹配将工作温度(T1、T2、T3)调节成，使得所述工作流体的最大允许工作温度、特别是分解温度不被超过。

Description

机动车中的排气热利用
技术领域
本发明涉及一种用于机动车中的排气热利用循环回路的运行方法，所述方法具有权利要求1前序部分的特征。此外，本发明涉及一种机动车的排气热利用装置。另外，本发明涉及一种在排气热利用装置中用作工作流体的流体。
背景技术
DE 10 2007 057 164 A1中描述了一种具有用于驱动至少一个膨胀机的有机郎肯循环系统的系统、一种用于驱动膨胀机的热交换器和一种用于运行至少一个膨胀机的方法。
在根据US 2006 0 201 153 A1的郎肯循环系统中，在排气流经的蒸发器中通过排气的余热使作为郎肯循环系统的工作流体的水蒸发。在此，测量从蒸发器排出的蒸汽的温度并借助该蒸汽温度对输送到蒸发器的水量进行调节。
在根据DE 20 2007 002 602 U1描述的、使用有机化合物作为工作流体——例如甲基环己烷或辛烷或庚烷——的郎肯循环系统中，通过排气热使该有机工作流体蒸发。为了在安全技术方面进行监控，在排气流过该蒸发器之后在蒸发器的排气侧上设置一安全温度限制器，该安全温度限制器在温度阈值被超过时借助切换信号使设备进入安全状态。由此可取消其它的安全技术装置，例如郎肯循环系统的工作流体回路中的流量监控器。在此，低温信号表示蒸发器可被注入和被流过。
EP 1 431 523 A1中描述了一种蒸发器的温度控制装置，其中，蒸发器可以是郎肯循环系统的一部分，借助该循环系统可利用机动车中的发动机的排气热。在此，在郎肯循环系统的热交换器中通过排气的余热使作为工作流体的水蒸发。在此，基于排气的流率、排气的温度、水的温度和蒸汽温度，借助温度控制装置通过对输入蒸发器内的水量进行调节来调节蒸汽温度。
郎肯循环系统可采用有机的或无机的介质来运行。采用有机工作流体运行的郎肯循环系统也称为有机RC或ORC。而克劳修斯郎肯循环系统或CRC通常指的是采用有机介质运行的郎肯循环回路。
采用有机工作流体的郎肯循环系统的缺点是，有机工作流体的热稳定性局限于比较低的温度。
发明内容
本发明的目的在于，为运行方法或为排气热利用装置或为工作流体提供改进的或至少是不同的实施方式，这样的实施方式的突出之处特别在于，更好地考虑工作流体的热稳定性。在此，特别是追求更高的效率。
根据本发明，所述目的通过独立权利要求的主题而实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
本发明基于的总体思想在于，在运行机动车中的排气热利用循环回路时，通过对工作流体的流经排气热利用循环回路的热交换器的质量流量的匹配来调节排气热利用循环回路的工作流体的工作温度。在此，应通过对工作温度的调节来避免工作流体超过最大允许工作温度。
正是对于使用有机工作流体的情况，排气温度可以明显高于工作流体的化学破坏温度/恶化温度/分解温度(Zersetzungstemperatur)。因此适当的是，将工作流体的最大允许工作温度调节成仅略低于化学破坏温度。优选的是，工作流体的(循环)过程温度与破坏温度相比低温度调节品质(Temperaturregelguete)的公差范围。由此，可防止或至少降低或延滞特别是有机工作流体的破坏。
在此，在工作流体为混合物的情况下，破坏温度优选是工作流体各成份的最低化学破坏温度。该温度在下文中也称为工作流体的最低化学破坏温度。
可在机动车的排气热利用装置中使用如下的排气热利用循环回路：其使用特别是有机的工作流体并且其运行方式是通过对工作流体的流经排气热利用循环回路的热交换器的质量流量的匹配来调节工作温度。
在机动车的具有排气热利用循环回路的这种排气热利用装置中可使用有机流体作为工作流体。在此，所述流体是能蒸发并且能冷凝的，所述流体是有机化合物或有机化合物的混合物并且至少具有甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、二甲醚、甲乙醚、乙醚或烷烃。与采用水作为工作流体的情况相比较，在排气热利用装置中使用至少一种有机化合物或至少含甲醇的化合物混合物，使得排气热利用装置具有更高的效率。
所述排气热利用装置或方法可利用排气系统中的排气热和/或再循环的引回排气的热。
由从属权利要求、附图、相关对附图的描述给出了本发明的其它的重要的特征和优点。
应理解的是，在不超出本发明范围的情况下，上文中提到的以及下文中仍将阐明的特征不仅能以相应给出的组合应用，而且能以其它的组合应用或单独应用。
附图说明
本发明的优选实施例在附图中示出并且在下面的描述中得到更详细的阐明，其中，相同的附图标记表示相同或类似或功能相同的部件。附图分别示意性地示出：
图1示出借助热交换器与发动机的排气流相接合的排气热利用装置；
图2示出不同工作流体的效率特性。
具体实施方式
依照图1，用在机动车中的排气热利用装置1包括排气热利用循环回路2和发动机3，它们通过排气输送管线4相互连接。在这种实施方式中构造为克劳修斯郎肯循环的排气热利用循环回路2具有热交换器5、带有功率变换器7的涡轮6、冷凝器8和泵9。如果利用根据克劳修斯郎肯循环的方法来运行这种排气热利用循环回路2，那么在冷凝器8与泵9之间存在压力p1和温度T1，在泵9与热交换器5之间存在压力p2和温度T2，在热交换器5与涡轮6之间存在压力p2和温度T3，而在涡轮6与冷凝器8之间存在压力p1和温度T1，其中，压力p2高于压力p1，而温度T3大于温度T2并且大于温度T1。排气热利用循环回路2也可以根据其它的循环方式运行，例如卡诺循环、斯特林循环或焦耳循环或类似的循环。在这种情况下便在工作流体中出现不同的压力条件和温度条件。
从发动机3经排气输送管线4流入热交换器5中的热排气流过该热交换器并在此使在循环管线10中循环的工作流体蒸发，该工作流体在涡轮6中膨胀，由此能通过功率变换器7将在热交换器5中输入的余热11的一部分转换成可用的功12。随后使膨胀的工作流体在冷凝器8中液化，并借助泵9以升高的压力p2泵送该工作流体穿过热交换器5以吸收余热11。
在这里提出的实施方式中，排气热利用循环回路2可以通过如下的方法来运行：在该方法中通过对工作流体的流经热交换器5的质量流量进行匹配而将工作流体的工作温度调节成，使得工作流体不超过最大允许工作温度。正是对于有机的工作流体，例如甲醇、乙醚、二甲醚或类似物或有机化合物的混合物中，对工作流体工作温度T1、T2的调节对于排气热利用循环回路2的规定/合适的工作具有重要意义，这是因为温度例如可达到700℃的热排气使得例如350℃的工作流体破坏温度被远远超过。在这种情况下，在全负荷时流经热交换器5的热排气使反向地同样流经热交换器5的有机工作流体至少部分地破坏。因为应当避免这种情况，所以适当的是，将工作流体的最大允许工作温度选择成，使得所述最大允许工作温度例如比工作流体的化学破坏温度低至少20℃。
在此，对于混合物必须注意的是，各有机化合物在不同的温度下破坏。在这种情况下一前提条件是，在考虑最低的化学破坏温度的情况下选择最大允许工作温度。在此适当的是，使工作流体的化学破坏温度高于温度品质的调节范围、例如比余热流体的最大温度高20℃，因为这样通过余热流体引起的工作流体化学破坏便可被忽略并且至少仅在下列的情况下出现：由于技术故障而使工作流体经过热交换器5的流速停滞(aussetzen)，进而使处于热交换器5中的工作流体不是流经热交换器5而是留存在该热交换器中。
此外，还能够通过在进入热交换器5之前对工作流体进行冷却来调节工作流体的工作温度。也可以通过限制流经热交换器5的余热流体质量流量或通过在进入热交换器5之前将冷流体混合至余热流体中来影响所述工作温度。如果在循环管线10中达到了可能的最大工作流体质量流量并且工作流体质量流量不能再增大，则这些措施是有优势的。如果在这种情况下在热交换器5的下游朝向涡轮6的方向上温度仍然升高并且存在工作流体的最大允许工作温度被超过的危险，则可以通过上面描述的措施来限制在热交换器5中由余热流体输入工作流体的余热11，进而调节工作流体的工作温度。
为了能够更准确、更精细地调节工作流体的工作温度，可以在调节工作温度时考虑其它的参数。这样便能够基于对热交换器5上游和/或下游的余热流体温度的探测和处理、和/或对热交换器5上游和/或下游的工作流体温度的探测和处理、以及通过在涡轮6上游和/或下游的工作流体压力、和/或通过工作流体和/或余热流体的流速，特别是以与时间有关的方式基于探测信号来确定在热交换器5中传递的余热11，进而使工作温度与峰值负荷无关地恒定地保持在化学破坏温度以下。
有利的是，在余热利用装置1中将这样的有机化合物用作工作流体，其中余热利用装置1的效率高于将水用作工作流体的情况。由图2可见，在此作为示例应提出甲醇。根据图2，正辛烷13、正庚烷14、甲苯15、正己烷16、环己烷17、苯18和乙醇19的多个效率曲线显示出比水20的效率曲线更差的效率特性。在所实施的示例中，仅甲醇21的效率曲线显示出优于水20的效率特性。烷烃同样适于用作工作流体。但在这一点上应指出的是，作为工作流体使用的其它有机化合物可能使排气热利用装置1具有更高的效率。因此，在一种有利的实施方式中，使用一种有机工作流体，该有机工作流体包括有机化合物或有机化合物的混合物，其中，该工作流体在排气热利用装置1中具有比水20更高的效率。
工作流体的质量流量的变化使该工作流体的温度T3变化。质量流量的增大使每单位质量的热输入降低，并使工作介质温度T3降低。质量流量的减少可使每单位质量的热输入提高、进而使工作介质温度T3升高。这样便能借助对工作流体质量流量的匹配来调节工作温度T3。
在此，可以通过借助对工作流体质量流量的匹配来调节工作温度，从而以下列方式来考虑到这种工作流体的破坏温度，使得在排气热利用装置运行期间工作温度在任何情况下均低于工作流体的破坏温度。
附图标记列表
1排气热利用装置
2排气热利用循环回路
3发动机
4排气输送管线
5热交换器
6涡轮
7功率变换器
8冷凝器
9泵
10循环管线
11余热
12功
13正辛烷
14正庚烷
15甲苯
16正己烷
17环己烷
18苯
19乙醇
20水
21甲醇

Claims (9)

1.一种用于运行机动车中的排气热利用循环回路(2)的方法，其中对所述排气热利用循环回路(2)的工作流体的工作温度(T1、T2、T3)进行调节，其特征在于，通过对所述工作流体的流经所述排气热利用循环回路(2)的热交换器(5)的质量流量的匹配来将所述工作温度(T1、T2、T3)调节成，使得所述工作流体的最大允许工作温度不被超过。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还通过下列步骤中的至少一个来调节所述工作流体的工作温度(T1、T2、T3)：
-在余热流体进入所述热交换器(5)之前冷却余热流体，所述余热流体特别是发动机(3)的排气，
-限制流经所述热交换器(5)的余热流体质量流量，
-在余热流体进入所述热交换器(5)之前将冷的流体混入所述余热流体。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在调节所述工作温度(T1、T2、T3)时考虑下列参数中的至少一个：
-所述热交换器(5)上游的余热流体的温度，
-所述热交换器(5)下游的余热流体的温度，
-所述热交换器(5)上游的工作流体的温度(T2)，
-所述热交换器(5)下游的工作流体的温度(T3)，
-所述排气热利用循环回路(2)的涡轮上游的工作流体的压力(p2)，
-所述排气热利用循环回路(2)的涡轮下游的工作流体的压力(p1)，
-工作流体的流速，
-余热流体的流速。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工作流体的最大允许工作温度低于所述工作流体的化学破坏温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工作流体的最大工作温度与所述化学破坏温度相比低出一温度调节品质的公差范围。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括循环过程，该循环过程特别是设计成卡诺循环、克劳修斯-郎肯循环、斯特林循环或焦耳循环或类似循环。
7.一种机动车的排气热利用装置，具有排气热利用循环回路(2)，所述排气热利用装置构造成能按照根据权利要求1至6之一所述的方法运行。
8.一种在机动车的排气热利用装置(1)中用作工作流体的流体，所述排气热利用装置特别是根据权利要求7所述的排气热利用装置并具有排气热利用循环回路(2)，其中，所述流体是能蒸发并且能冷凝的，所述流体含有有机化合物或有机化合物的混合物或者由有机化合物或有机化合物的混合物组成，其特征在于，所述流体具有下列化合物中的至少一种：
-简单醇，例如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇，
-醚，例如二甲醚、甲乙醚、乙醚，
-烷烃。
9.根据前一项权利要求所述的流体，其特征在于，所述工作流体的最低化学破坏温度与余热流体的最高温度相比高出一温度品质调节范围。
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