DE102009029684B4

DE102009029684B4 - Kompaktbauweise eines Systems zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009029684B4
Application number: DE102009029684.0A
Authority: DE
Inventors: Ilona Krinn; Juergen Stegmaier; Manfred Schmitt; Bernd Banzhaf; Patrick Glaser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: DE102009029684A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung (8), über die ein Teilstrom des von der Brennkraftmaschine (1) erzeugten Abgases als erster Wärmestrom in die Umgebung abführbar ist, mit einer Abgasrückführleitung (10), über die ein weiterer Teilstrom des von der Brennkraftmaschine (1) erzeugten Abgases als zweiter Wärmestrom dem Frischgassystem zuführbar ist, und mit einem Kühlsystem, das die Betriebswärme der Brennkraftmaschine (1) als dritten Wärmestrom in die Umgebung abführt, wobei die Brennkraftmaschine (1) weiterhin zur Abwärmenutzung einen Dampfkreislauf (11) beinhaltend zumindest einen Wärmetauscher (13), eine Expansionsmaschine (15) und eine Speisepumpe (14) aufweist, wobei der Dampfkreislauf (11) mit einem einzigen Wärmestrom verschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkreislauf (11) ein Modul (12) aufweist, in das der Wärmetauscher (13), die Expansionsmaschine (15) und die Speispumpe (14) integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung, über die ein Teilstrom des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases als erster Wärmestrom in die Umgebung abführbar ist, mit einer Abgasrückführleitung, über die ein weiterer Teilstrom des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases als zweiter Wärmestrom dem Frischgassystem zuführbar ist, und mit einem Kühlsystem, das die Betriebswärme der Brennkraftmaschine als dritten Wärmestrom in die Umgebung abführt, wobei die Brennkraftmaschine weiterhin zur Abwärmenutzung einen Dampfkreislauf beinhaltend zumindest einen Wärmetauscher, eine Expansionsmaschine und eine Speisepumpe aufweist.
Stand der Technik
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2007 052 169 A1 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist einen Dampfkreislauf zur Abwärmenutzung der Brennkraftmaschine auf, der neben einer Expansionsmaschine und einer Speisepumpe zwei in die Abgasrückführleitung und einen in die Abgasleitung eingeschaltete Wärmetauscher aufweist. Dabei durchströmt das Wärmeträgermedium des Dampfkreislaufs zunächst den ersten Wärmetauscher in der Abgasrückführleitung, dann den Wärmetauscher in der Abgasleitung und schließlich den zweiten Wärmetauscher in der Abgasrückführleitung. Dieses System ist zur optimalen Abwärmenutzung ausgelegt, beinhaltet dabei aber einen hohen Schaltungsaufwand.
Weiterhin ist aus der DE 10 2008 005 040 A1 eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung, einer Abgasrückführleitung und einem Dampfkreislauf bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem System zur Abwärmenutzung bereitzustellen, bei dem der Wärmeverlust, der Bauraum, das Gewicht und das Gefährdungspotenzial minimiert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Dampfkreislauf mit einem einzigen Wärmestrom verschaltet ist.
Vorteile der Erfindung
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Dampfkreislauf als Abwärmenutzungssystem die Abwärme nicht verschiedenen und verteilten Wärmequellen entzieht, sondern nur einen einzigen Wärmestrom nutzt. Hierbei erscheint zunächst einmal der Wirkungsgrad eines solchen Systems geringer als bei den im Stand der Technik aufgeführten komplexen System zu sein. Hierbei ist aber zu berücksichtigen, dass bei den im Stand der Technik beschriebenen System erhebliche Wärmeverluste durch die notwendigen aufwendigen Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen unter Umständen weit entfernt voneinander liegenden Wärmetauschern auftritt. Diese Wärmeverluste können so erheblich sein, dass der Wirkungsgrad bei dem erfindungsgemäßen Abwärmenutzungssystem ähnlich dem eines konventionellen Systems ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmestrom alternativ der Abgasrückführstrom, der Umgebungsabgasstrom oder der Betriebswärmestrom. Grundsätzlich eignen sich alle die aufgeführten Wärmeströme, wobei bevorzugt der Wärmestrom mit den höchsten Temperaturen unter Berücksichtigung der Einsatzart der Brennkraftmaschine gewählt wird. Bevorzugt ist dies der Abgasrückführstrom, weil dieser auf möglichst kurzem Weg die Abgasseite der Brennkraftmaschine mit deren Frischgasseite verbindet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Dampfkreislauf ein Modul auf, in das der Wärmetauscher, die Expansionsmaschine und die Speisepumpe integriert sind. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Modul als separates Bauteil unabhängig von der Brennkraftmaschine produziert und bei der Endmontage der Brennkraftmaschine als Anbauteil montiert werden kann. Weiterhin kann die Funktion dieses Moduls vor dem Anbau an die Brennkraftmaschine überprüft werden. In einem Fehlerfall sind somit keine aufwendigen Montagearbeiten an der Brennkraftmaschine notwendig.
In Weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in das Modul ein Kondensator integriert. Diese Integration wird dann vorgenommen, wenn die von der Expansionsmaschine den Dampfkreislauf entzogene Energie nicht zur vollständigen Kondensierung des Wärmeträgermediums, das beispielsweise Wasser gegebenenfalls unter Zugabe von Additiven sein kann, führt.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Komponenten Wärmetauscher, Expansionsmaschine, Speisepumpe und gegebenenfalls Kondensator so in das Modul integriert, dass die Länge der dampfführenden Verbindungsleitungen kurz ist. Dabei können die einzelnen Komponenten direkt hintereinander geschaltet sein und so ausgebildet sein, dass die Komponenten selbst die Verbindungsleitungen darstellen. So können beispielsweise die Komponenten Wärmetauscher, Expansionsmaschinen und Speisepumpe die eine Strömungsseite des Moduls bilden, während der Kondensator die zweite Seite - also die Rückführleitung - des Moduls darstellt. Zudem ist durch eine solche Ausgestaltung das Risiko einer ungewollten Kondensation des Wärmeträgermediums in den Verbindungsleitungen gering.
In weiterer Ausgestaltung ist das Modul brennkraftmaschinennah angeordnet. Diese Anordnung führt einerseits zu einer Minimierung der Temperaturverluste und ermöglicht andererseits eine problemlose Befestigung des Moduls direkt an der Brennkraftmaschine ohne ein aufwendiges Träger- und Haltesystem.
Dabei weist das Modul wiederum in vorteilhafter Ausgestaltung integrierte Anlenkpunkte zum Anbau an die Brennkraftmaschine auf. Dabei sind beispielsweise im Falle, dass das Modul mit der Abgasrückführleitung verschaltet ist, die Anlenkpunkte und das Modul so ausgestaltet, dass zumindest ein Teil der Abgasrückführleitung ersetzt wird. Dadurch dass dem rückgeführten Abgasstrom Wärme entzogen wird, kann weiterhin ggf. vollständig auf einen Abgasrückführkühler verzichtet werden.
Zusammenfassend werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung folgende Vorteile erzielt. Es erfolgt nur ein geringer Eingriff in die Fahrzeugpackage. Es wird ein voll integriertes Modul mit wenigen Anschlüssen bzw. Schnittstellen zu den Fahrzeug, in dem die Brennkraftmaschine eingesetzt ist, geschaffen. Es existieren keine externe Dampfleitungen, die die Package nachteilig beeinflussen und die durch einen internen Deffekt oder bei einem Crash des Fahrzeuges ein Gefährdungspotenzial darstellen können. Zudem wirkt ein Gehäuse des Moduls beziehungsweise das Modul selber als sicherheitsrelevante Kapselung des Dampfkreislaufs. Um die Wärmeverluste gering zu halten, kann das Modul zusätzlich thermisch isoliert sein.
Es wird ein geringes Systemgewicht erreicht und gleichzeitig bestehen nur geringe thermische Trägheiten, was zu einer besseren Dynamik des Systems führt. Durch alle diese Maßnahmen wird die Systemkomplexität reduziert.
Figurenliste
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel beschrieben ist.

Die einzige Figur zeigt ein an einer Brennkraftmaschine angebautes erfindungsgemäßes Modul zur Abwärmenutzung.

Die in der Figur dargestellte Brennkraftmaschine 1 ist insbesondere ein Dieselmotor oder aber auch ein Ottomotor mit Direkteinspritzung mit sechs Zylindern 2, in denen das aus Brenngas (Luft) und Kraftstoff gebildete Gemisch verbrannt wird. Das Brenngas wirft den Zylindern 2 über eine Ladeluftleitung 3 zugeführt, wobei die Ladeluft aus der Umgebung angesaugt und in Verdichtern 4a, 4b zweier Abgasturbolader 5a, 5b verdichtet wird. Dem Verdichter 4a und auch dem Verdichter 4b ist jeweils ein Ladeluftkühler 6a, 6b nachgeschaltet, in denen die komprimierte Ladeluft abgekühlt wird.
Abgasseitig weist die Brennkraftmaschine 1 ein Abgassammelrohr 7 auf, in das das in den Zylindern 2 verbrannte Gemisch als Abgas abgeführt wird. Ein Teilstrom des dem Abgassammelrohr 7 zugeführten Abgases wird über eine Abgasleitung 8 den Turbinen 9b, 9a der beiden Abgasturbolader 5b, 5a in dieser Reihenfolge zugeführt, um dann gegebenenfalls einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in Form eines Katalysators und/oder Rußfilters zugeführt zu werden. Abschließend wird das Abgas in die Umgebung abgeleitet.
Ein zweiter Teilstrom des dem Abgassammelrohr 7 zugeführten Abgases wird über eine zweiflutige Abgasrückführleitung 10 gesteuert in die Ladeluftleitung 2 zurückgeführt. Dies wird durchgeführt, um die Emissionswerte der Brennkraftmaschine 1 weiter zu reduzieren. Der zurückgeführte Abgasanteil wird dabei betriebspunktabhängig eingestellt und kann bis zu 50% des gesamten Abgasstroms betragen. Der zurückgeführte Abgasstrom wird unmittelbar dem Abgassammelrohr 7 entnommen, also vor allen nachfolgenden Komponenten des Abgasstrangs, wie Abgasturbolader 5a, 5b und Abgasnachbehandlungseinrichtung. Damit ist dieser Teilstrom des Abgases deutlich heißer als das Abgas nach Abgasturbolader 5a, 5b und Abgasnachbehandlungseinrichtung. Wegen des für einen wirkungsgradoptimierten Betrieb der Abgasturbolader 5a, 5b soll in die Abgasleitung 8 vor den Abgasturboladern 5a, 5b kein die Strömung des Abgases beeinflussendes Bauteil wie beispielsweise ein Wärmetauscher eines Dampfkreislaufs eingesetzt sein.
Ein Dampfkreislauf 11 zur Abwärmenutzung ist in ein Modul 12 integriert, das einen Teil der Abgasrückführleitung 10 bildet. Der Dampfkreislauf 11 weist dabei einen Wärmetauscher 13 auf, der nahe der Entnahmestelle des zurückzuführenden Abgases aus dem Absammelrohr 7 in die Abgasrückführleitung 10 integriert ist beziehungsweise einen Teilabschnitt der Abgasrückführleitung 10 bildet. Neben dem Wärmetauscher 13 weist der Dampfkreislauf 11 eine Speisepumpe 14, eine Expansionsmaschine 15 und einen Kondensator 16 auf. Die Speisepumpe 14 führt das Wärmeträgermedium des Dampfkreislaufs 11 dem Wärmetauscher 13 zu, von dem das Wärmeträgermedium in Form von Dampf der Expansionsmaschine 15 zugeführt wird. Von der Expansionsmaschine 15 wird das Wärmeträgermedium dem Kondensator 16 zugeführt, von dem der kondensierte Dampf wiederum der Speisepumpe 14 zugeleitet wird.
Die Expansionsmaschine 15 kann direkt an einen elektrischen Generator gekoppelt sein oder die mechanische Energie mittels eines Getriebes an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 abgeben.
Entgegen der Darstellung in der Zeichnung können insbesondere der Wärmetauscher 13 und der Kondensator 16 so ausgebildet sein, dass die jeweils in der Zeichnung dargestellten nachfolgenden Verbindungsleitungen zu der Expansionsmaschine 15 bzw. zu der Speisepumpe 14 ein Teil des Wärmetauschers 13 bzw. des Kondensators 16 sind. Der Kondensator 16 ist im übrigen mit Anschlüssen 17a, 17b versehen, über die der Kondensator 16 mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 verschaltet ist.

Claims

Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung (8), über die ein Teilstrom des von der Brennkraftmaschine (1) erzeugten Abgases als erster Wärmestrom in die Umgebung abführbar ist, mit einer Abgasrückführleitung (10), über die ein weiterer Teilstrom des von der Brennkraftmaschine (1) erzeugten Abgases als zweiter Wärmestrom dem Frischgassystem zuführbar ist, und mit einem Kühlsystem, das die Betriebswärme der Brennkraftmaschine (1) als dritten Wärmestrom in die Umgebung abführt, wobei die Brennkraftmaschine (1) weiterhin zur Abwärmenutzung einen Dampfkreislauf (11) beinhaltend zumindest einen Wärmetauscher (13), eine Expansionsmaschine (15) und eine Speisepumpe (14) aufweist, wobei der Dampfkreislauf (11) mit einem einzigen Wärmestrom verschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkreislauf (11) ein Modul (12) aufweist, in das der Wärmetauscher (13), die Expansionsmaschine (15) und die Speispumpe (14) integriert sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom der Abgasrückführstrom ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom der Umgebungsabgasstrom ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom der Betriebswärmestrom ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Modul (12) ein Kondensator (16) integriert ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten Wärmetauscher (13), Expansionsmaschine (15), Speisepumpe (14) und gegebenenfalls Kondensator (16) so in das Modul (12) integriert sind, dass die Länge der dampfführenden Verbindungsleitungen kurz ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (12) brennkraftmaschinennah angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (12) integrierte Anlenkpunkte zum Anbau an die Brennkraftmaschine (1) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (12) einen Abgasrückführkühler zumindest teilweise ersetzt.