DE102009006959B4 - System zur Rückgewinnung von Energie - Google Patents
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Abstract
System zur Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen (A) einer Brennkraftmaschine (Motor), in Verbindung mit Abgasrückführung, einschließlich eines Abgasrückführungsventils (V1) und eines Abgasrückführwärmetauschers (AGKV),
wobei ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmittel in dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) mittels der heißen Abgase verdampft wird und der Dampf in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird,
wobei mit dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) ein Abgassteuerventil (V2) zusammenwirkt, das den Massenstrom der den Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) (Verdampfer) in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ständig durchströmenden Abgase etwa in der Nähe der Leistungsgrenze der Energierückgewinnung steuert
und wobei das Abgassteuerventil (V2) Signale bezüglich Temperatur und/oder Druck des Arbeitsmittels im Zustand nach Verlassen eines im Kreisprozess angeordneten Kondensators (Kond) empfängt, die die Leistungsgrenze definieren.
wobei ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmittel in dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) mittels der heißen Abgase verdampft wird und der Dampf in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird,
wobei mit dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) ein Abgassteuerventil (V2) zusammenwirkt, das den Massenstrom der den Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) (Verdampfer) in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ständig durchströmenden Abgase etwa in der Nähe der Leistungsgrenze der Energierückgewinnung steuert
und wobei das Abgassteuerventil (V2) Signale bezüglich Temperatur und/oder Druck des Arbeitsmittels im Zustand nach Verlassen eines im Kreisprozess angeordneten Kondensators (Kond) empfängt, die die Leistungsgrenze definieren.
Description
- Die Erfindung betrifft ein System zur Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine, in Verbindung mit einer Abgasrückführung, einschließlich eines Abgasrückführungsventils und eines Abgasrückführwärmetauschers, wobei ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmittel in dem Abgasrückführwärmetauscher mittels der heißen Abgase verdampft wird und der Dampf in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird, die als Zusatzenergie zur Verfügung gestellt wird.
- Es gibt zahlreiche Veröffentlichungen bezüglich der Energierückgewinnung aus den Abgasen, beispielsweise einer Brennkraftmaschine. In den meisten Veröffentlichungen wird die Abgasrückführung nicht angesprochen.
- Jedoch bei manchen Systemen erfolgt die Rückgewinnung der Abgasenergie auch in Verbindung mit der gekühlten Abgasrückführung, was an sich vorteilhaft ist.
- Da jedoch eine Abgasrückführung nicht in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine vorgenommen wird, wird der Abgasrückführungswärmetauscher bzw. der Verdampfer auch nicht ständig vom Abgas durchströmt. Das bedeutet, dass in der Regel auch keine Rückgewinnung der Energie der Abgase in solchen Betriebsphasen vorgenommen wird, in denen keine gekühlte Abgasrückführung stattfindet, beispielsweise in Leerlaufphasen der Brennkraftmaschine.
- Obwohl diejenigen Betriebsphasen mit gekühlter Abgasrückführung deutlich überwiegen, gibt es Verbesserungspotential bezüglich der Rückgewinnung der Abgaswärmeenergie. Die während der gekühlten Abgasrückführung vorgenommene Energierückgewinnung ist oft nicht effizient genug.
- Die
JP 2001-132 442 A 1 . Wärmetauscher) um Hochdruckdampf zu erzeugen, der zur Energieerzeugung mittels einer Dampfturbine dient. Ein zweiter Wärmetauscher dient zur Kühlung eines Mischstromes aus zurückzuführendem Abgas und komprimierter Ladeluft, mittels Wasser, welches nach Durchströmung des zweiten Wärmetauschers im ersten Wärmetauscher verdampft wird. Ein Kondensator ist nicht vorhanden. - Die
WO 2007/115579 A2 - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Rückgewinnung von Energie in Verbindung mit der Abgasrückführung mit geringem technischem Aufwand in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine zu verbessern.
- Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt mit einem System, welches sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
- Nach einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem Abgasrückführungswärmetauscher ein Abgassteuerventil zusammenwirkt, das den Massenstrom der den Abgasrückführungswärmetauscher in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine durchströmenden Abgase zumindest in der Nähe der Leistungsgrenze der möglichen Energierückgewinnung steuert. Die Leistungsgrenze wird bestimmt durch die Auslegung des Kreisprozesses bzw. durch die Auslegung von dessen Bestandteilen. Beispielsweise durch den im Kreisprozess angeordneten Kondensator, der das gasförmige Arbeitsmittel wieder kondensieren muss. Der Kondensator wird demnach auf einer Seite von dem Arbeitsmittel durchströmt und auf der anderen Seite beispielsweise von einem flüssigen Niedertemperaturkühlmittel durchlaufen.
- Der durch den Verdampfer bzw. durch den Abgasrückführungswärmetauscher geleitete Abgasstrom ist deutlich größer als der zur nochmaligen Verbrennung zur Brennkraftmaschine zurückgeführte Abgasstrom. Es hat sich herausgestellt, dass der Verdampfer aufgrund seiner ständigen Durchströmung nicht mehr solch großen Temperaturwechselbelastungen unterliegt. Die Gefahr von Materialbrüchen oder Rissen aufgrund solcher Belastungen sollte normalerweise abnehmen.
- Die Erfindung wird im Folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten drei Schaubilder detaillierter beschrieben. Die unterhalb der Schaubilder vorhandene Legende macht diese übersichtlicher und leicht verständlich. In der
2 sind auch Pfeile eingezeichnet worden, die die Durchströmung anzeigen sollen. Sie gelten auch für die anderen beiden Figuren. - Das System zur Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine Motor, in Verbindung mit Abgasrückführung, einschließlich eines Abgasrückführungsventils
V1 und eines AbgasrückführungswärmetauschersAGKV ist aus allen Darstellungen ersichtlich. Der Kreisprozess zur Rückgewinnung ist mittels einer Strich-Punkt-Linie abgebildet._Durch diesen Kreisprozess läuft ein geeignetes Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser, Kältemittel oder ein organisches Fluid. Das Arbeitsmittel wird im AbgasrückführungswärmetauscherAGKV mittels der heißen Abgase (TeilstromA2 ) verdampft. Der Dampf wird einem Expander zugeführt, der in diesem Fall mechanische Energie erzeugt, die als Zusatzenergie zur Verfügung gestellt wird. (nicht gezeigt). Der möglicherweise bereits teilweise kondensierte Dampf wird im Kondensator Kond vollständig kondensiert, durch den Wärmeaustausch mit einem flüssigen Kühlmittel aus einem separaten KühlmittelkreislaufNT . Der HochtemperaturkreislaufHT dient der Kühlung der Brennkraftmaschine. Der AbgasrückführungswärmetauscherAGKV wirkt mit einem AbgassteuerventilV2 zusammen. Das AbgassteuerventilV2 sorgt dafür, dass in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ein Massenstrom durch den AbgasrückführungswärmetauscherAGKV strömt. Das AbgassteuerventilV2 der gezeigten Ausführungsbeispiele erhält Signale bezüglich Temperatur und/oder Druck des Arbeitsmittels im Zustand nach Verlassen des Kondensators Kond. Bestimmte Werte der Temperatur und/oder des Drucks zeigen die Leistungsgrenzen an, die im Kreisprozess der Energierückgewinnung realisierbar sind. Es wird stets ein größerer Massenstrom der AbgaseA2 durch den AbgasrückführungswärmetauscherAGKV geführt als für die AbgasrückführungA3 benötigt wird. Das AbgasrückführventilV1 wird aufgrund motorspezifischer Kennwerte gesteuert. Beispielsweise im Leerlauf oder bei Niedriglast des Motors oder auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen ist es geschlossen, in anderen Betriebsphasen geöffnet oder wenigstens teilweise geöffnet. - Mittels des bereits angesprochenen NT-Kühlmittelkreislaufes wird auch komprimierte Ladeluft
LL gekühlt. Die Ausführungsbeispiele zeigen eine zweistufige Ladeluftkühlung imLLK 1 undLLK 2 in Verbindung mit einem zweistufigen AbgasturboladerATL1 undATL2 . Der Abgasturbolader wird mittels eines TeilstromesA1 der Abgase angetrieben und stellt komprimierte LadeluftLL zur Verfügung, die anschließend der besagten Kühlung zu unterziehen ist. Die gekühlte Ladeluft wird mit dem zurückzuführenden, gekühlten AbgasA3 an einer Mischstelle gemischt und auf der Einlassseite E der Brennkraftmaschine Motor in deren Zylinder eingeführt. - Der Abgasteilstrom
A2 ist gemäß diesem Vorschlag größer als im Stand der Technik, der AnteilstromA1 ist entsprechend kleiner. Hinter dem AbgasrückführwärmetauscherAGKV ist eine Abzweigleitung10 angeordnet, die für die Energierückgewinnung genutztes, für die Abgasrückführung jedoch nicht nutzbares AbgasA dem AbgasturboladerATL zur Verfügung stellt. Das den Abgasturbolader verlassende AbgasA kann zweckentsprechend ebenfalls im Kreisprozess zur Energierückgewinnung genutzt werden, was hier jedoch nicht gezeigt wurde. - Das Abgassteuerventil
V2 ist - in Strömungsrichtung der Abgase gesehen - in den2 und3 vor dem AbgasrückführventilV1 angeordnet. In der1 sind beide VentileV1 undV2 parallel liegend angeordnet. Hier können bautechnisch beide Ventile V1 + V2 zu einer Ventileinheit mit entsprechenden Leitungsanschlüssen zusammengefasst werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß1 wurde jedoch das AbgassteuerventilV2 in der Abzweigleitung10 angeordnet. Das AbgasrückführventilV1 befindet sich vor der Mischstelle Ladeluft/Abgas. Im Unterschied dazu befindet sich in der2 das AbgassteuerventilV2 exakt in der Kreuzungsstelle der Abzweigleitung10 . In dem Ausführungsbeispiel gemäß3 befindet sich das AbgassteuerventilV2 hingegen vor dem AbgasrückführwärmetauscherAGKV . - Das Abgassteuerventil
V2 ist in allen Betriebsphasen des Motors geöffnet. Es verändert nur seinen Öffnungsgrad entsprechend der maximal möglichen Rückgewinnungsrate. - Beim Start der Brennkraftmaschine besitzt das Abgassteuerventil
V2 einen Öffnungsgrad von beispielsweise 50 - 60%. Das AbgasrückführventilV1 ist geschlossen. Das Abgas wird mittels des Arbeitsmittels aus dem Kreisprozess im AGKV gekühlt, wobei das Arbeitsmittel verdampft wird. Der Dampf erzeugt Energie. Später wird das AbgasrückführventilV1 schrittweise geöffnet, damit die Abgasrückführung durchgeführt werden kann. Das System registriert, dass weniger Abgas zur Energieerzeugung zur Verfügung steht und erweitert daraufhin den Öffnungsgrad des AbgassteuerventilsV2 auf beispielsweise 80 - 90 %, damit sowohl für die Abgasrückführung als auch zur Energierückgewinnung erforderliches Abgas zur Verfügung steht. Dazu kann auch eine Interaktion, beispielsweise eine weitere Steuerleitung und eine elektronische Steuerung zwischen den VentilenV1 undV2 bzw. zwischen der Brennkraftmaschine und dem Kreisprozess erforderlich sein.
(nicht gezeigt)
Claims (6)
- System zur Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen (A) einer Brennkraftmaschine (Motor), in Verbindung mit Abgasrückführung, einschließlich eines Abgasrückführungsventils (V1) und eines Abgasrückführwärmetauschers (AGKV), wobei ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmittel in dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) mittels der heißen Abgase verdampft wird und der Dampf in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird, wobei mit dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) ein Abgassteuerventil (V2) zusammenwirkt, das den Massenstrom der den Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) (Verdampfer) in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ständig durchströmenden Abgase etwa in der Nähe der Leistungsgrenze der Energierückgewinnung steuert und wobei das Abgassteuerventil (V2) Signale bezüglich Temperatur und/oder Druck des Arbeitsmittels im Zustand nach Verlassen eines im Kreisprozess angeordneten Kondensators (Kond) empfängt, die die Leistungsgrenze definieren.
- System nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassteuerventil (V2) - in Strömungsrichtung der Abgase gesehen - vor dem Abgasrückführventil (V1) angeordnet ist. - System nach
Anspruch 1 und2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassteuerventil (V2) den Massenstrom der Abgase vor dem Verdampfer steuert und das Abgasrückführventil (V1) den zurückgeführten Abgasstrom nach dem Verdampfer steuert. - System nach
Anspruch 1 und2 , dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der zurückgeführte Abgasstrom als auch der der Rückgewinnung dienende Abgasstrom nach dem Verdampfer gesteuert werden. - System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nicht rückgeführtes Abgas nach dem Verdampfer entweder vor oder nach einer ersten Abgasturbine (ATL) mittels einer Abzweigleitung (10) in den Abgasstrom (A1) eingespeist wird.
- System nach einem der vorstehenden
Ansprüche 1 -5 , dadurch gekennzeichnet, dass ein wesentlicher Teil (A2) des gesamten Abgasstroms (A) durch den Verdampfer (AGKV) geleitet wird, wobei der durch den Verdampfer geleitete Abgasstrom (A2) größer ist als der zurückgeführte Abgasstrom (A3).
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