DE102010047518A1 - Device for energy recovery from exhaust stream of internal combustion engine in vehicle, has working medium that is guided in closed joule-cyclic process in waste heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for energy recovery from an exhaust gas stream of an internal combustion engine according to the preamble of
Moderne Verbrennungsmotoren weisen Wirkungsgrade im Bereich von 30% bis 40% auf. Daraus resultierend wird ein großer Teil der dem Verbrennungsmotor zugeführten chemischen Energie in Form von Abwärme vorzugsweise über ein Kühlmittel und eine Abgaswärme an eine Fahrzeugumgebung abgegeben.Modern internal combustion engines have efficiencies in the range of 30% to 40%. As a result, a large part of the chemical energy supplied to the internal combustion engine in the form of waste heat is preferably delivered to a vehicle environment via a coolant and an exhaust gas heat.
Bekannte Techniken zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors sind der Abgasturbolader und die Heizungsanlagen für Kraftfahrzeuge. Beim Abgasturbolader treibt der Abgasstrom eine Turbine an. Die Energie, die die Turbine liefert, nutzt ein Verdichter, um die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft zu verdichten. Die Verdichtung der Luft verbessert eine Zylinderfüllung des Verbrennungsmotors und führt so zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors.Known techniques for energy recovery from the exhaust stream of an internal combustion engine are the exhaust gas turbocharger and the heating systems for motor vehicles. In the exhaust gas turbocharger, the exhaust gas flow drives a turbine. The energy that the turbine supplies uses a compressor to compress the air supplied to the engine. The compression of the air improves a cylinder filling of the internal combustion engine and thus leads to an increase in performance of the internal combustion engine.
Alternativ ist dem Verbrennungsmotor ein Kreisprozess nachgeschaltet, bei dem der heiße Abgasstrom und zum Teil das Kühlmittel einer Brennkraftmaschine als Wärmequelle zum Betrieb einer zweiten, nachgeschalteten Maschine im Kreisprozess verwendet wird. Bei dem Kreisprozess handelt es sich üblicherweise um einen so genannten Clausius-Rankine-Prozess, bei welchem ein flüssiges Medium Wärme aufnimmt, welches unter Wärmezufuhr überwiegend verdampft wird und anschließend in einer Expansionsmaschine unter Abgabe von mechanischer Energie an eine Abtriebswelle entspannt wird. Als Arbeitsmedium kommen hier organische Arbeitsstoffe, eine Mischung solcher organischer Arbeitsstoffe, Alkoholgemische oder Wasser-Alkoholgemische, Wasser mit bestimmten Additiven in Betracht. Selbstverständlich ist auch ein Joule Prozess, insbesondere eine geschlossener Joule Prozess denkbar, bei welchem ein Gas über einen Verdichter auf ein entsprechend hohes Druckniveau befördert wird und in einem Abgaswärmetauscher, Abgaswärme des Verbrennungsmotors an das im Joule Kreislauf befindliche Arbeitsgas übertragen wird. Dieses verdichtete und erhitzte Arbeitsgas wird dann unter Freisetzung von mechanischer Arbeit in einer Expansionsmaschine entspannt und in einem Kühler rückgekühlt, bevor es wiederum dem Verdichter zugeführt wird.Alternatively, the internal combustion engine is followed by a cycle in which the hot exhaust gas flow and partly the coolant of an internal combustion engine is used as a heat source for operating a second, downstream machine in the cycle. The cyclic process is usually a so-called Clausius-Rankine process, in which a liquid medium absorbs heat, which is predominantly evaporated with the supply of heat and then expanded in an expansion machine with release of mechanical energy to an output shaft. As a working medium come here organic agents, a mixture of such organic agents, alcohol mixtures or water-alcohol mixtures, water with certain additives into consideration. Of course, a Joule process, in particular a closed Joule process is conceivable in which a gas is conveyed via a compressor to a correspondingly high pressure level and is transmitted in an exhaust gas heat exchanger, exhaust heat of the engine to the working gas located in the Joule cycle. This compressed and heated working gas is then expanded to release mechanical work in an expansion machine and recooled in a cooler before being fed back to the compressor.
Des Weiteren sind die aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Abwärmerückgewinnungseinheiten zum Teil in ihrem Aufbau relativ komplex und aufwändig, was zu einem hohen Bauraumbedarf und einer hohen Komplexität verbunden mit hohen Kosten führt.Furthermore, the waste heat recovery units known from the general state of the art are in part relatively complex and expensive in their construction, which leads to a high space requirement and a high complexity associated with high costs.
Eine Elektromaschine in Form einer herkömmlichen Lichtmaschine oder eines Generators ist an jeder herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine vorhanden, um elektrische Energie für eine Regelung oder Steuerung der Verbrennungskraftmaschine und/oder anderer elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug bereitzustellen.An electric machine in the form of a conventional alternator or generator is present on any conventional internal combustion engine to provide electrical energy for control of the internal combustion engine and / or other electrical consumers in a vehicle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom und zumindest teilweise aus dem Kühlmittel einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, bei welchen die Energierückgewinnung bei möglichst kompaktem Bauraum der Vorrichtung gesteigert ist.The invention has for its object to provide a device for recovering energy from the exhaust stream and at least partially from the coolant of an internal combustion engine, in which the energy recovery is increased as compact as possible space of the device.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the device, the object is achieved by the features specified in
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei der Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug ist in einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess geführt und dem geschlossenen Joule-Kreisprozess ist ein Clausius-Rankine-Kreisprozess nachgeschaltet, wobei eine im Joule-Kreisprozess angeordnete Turbine und eine im Clausius-Rankine-Kreisprozess angeordnete Expansionsmaschine mechanisch mit einer Schwungscheibe der Verbrennungskraftmaschine koppelbar sind.In the apparatus for recovering energy from an exhaust gas stream of an internal combustion engine in a vehicle in a waste heat recovery device, a working medium is guided in a closed Joule cycle and the closed Joule cycle is followed by a Rankine cycle, wherein a arranged in the Joule cycle turbine and an expansion machine arranged in the Clausius-Rankine cycle can be mechanically coupled to a flywheel of the internal combustion engine.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine Elektromaschine mit der Verbrennungskraftmaschine mechanisch koppelbar, wobei Elektromaschine und Verbrennungskraftmaschine derart in Wechselwirkung treten, dass die Elektromaschine als Starter oder als Generator auf die Verbrennungskraftmaschine einwirkt.According to the invention, at least one electric machine can be mechanically coupled to the internal combustion engine, the electric machine and the internal combustion engine interacting in such a way that the electric machine acts as a starter or as a generator on the internal combustion engine.
Somit ist die Elektromaschine derart in die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung und die Verbrennungskraftmaschine integriert, dass ein hoher Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung bei gleichzeitig minimiertem Baurraum, Gewicht und Kosten ermöglicht ist.Thus, the electric machine is integrated into the waste heat recovery device and the internal combustion engine such that a high overall efficiency of the device is possible while minimizing the space, weight and cost.
Besonders vorteilhafterweise sind herkömmliche Vorrichtungen und Funktionalitäten, wie beispielweise ein Starter, eine Lichtmaschine und eine Bordstromversorgung, in der Elektromaschine zusammengefasst. Daraus resultierend sind diese Vorrichtungen und Funktionalitäten als Elektromaschine in die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung und die Verbrennungskraftmaschine integrierbar, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung verbessert ist.Particularly advantageously, conventional devices and functionalities, such as, for example, a starter, an alternator and an on-board power supply, are combined in the electric machine. As a result, these devices and functionalities as an electric machine are in the waste heat recovery device and the internal combustion engine can be integrated, whereby the overall efficiency of the device is improved.
Die Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschinen ist verbessert, indem abgasseitig der Verbrennungskraftmaschine eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung geschaltet ist. Insbesondere weist der den Abgaswärmetauscher der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung verlassende Abgasstrom eine solche thermische Energie auf, welche vorteilhafterweise den Betrieb der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ermöglicht. Eine auf diese Weise ausgeführte Energierückgewinnung weist gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und die Kosten sind aufgrund der kompakten Bauweise deutlich reduziert.The energy recovery from the exhaust gas flow of internal combustion engines is improved by the exhaust side of the internal combustion engine, a waste heat recovery device is switched. In particular, the exhaust gas flow leaving the exhaust gas heat exchanger of the exhaust heat recovery device has such thermal energy, which advantageously enables the operation of the waste heat recovery device. An energy recovery carried out in this way has a higher efficiency compared to conventional internal combustion engines. In addition, fuel savings are achieved and the costs are significantly reduced due to the compact design.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Abgasseitig von der Verbrennungskraftmaschine
Der Joule-Kreisprozess JK ist ein thermodynamischer Kreisprozess nach dem Physiker James Prescott Joule. Der geschlossene Joule-Kreisprozess JK umfasst einen Abgaswärmetauscher
Primärseitig mündet eine Abgasleitung
Sekundärseitig ist dem Abgaswärmetauscher
Anstelle der Turbine
Der heiße Abgasstrom AG der Verbrennungskraftmaschine
An der Welle
Die Rückkühlung des Arbeitsmediums AM des Joule-Kreisprozesses JK erfolgt im Kühler
Die Expansionsmaschine
Die Elektromaschine
Das aus der Expansionsmaschine
Das aus dem Kondensator
Die in der Expansionsmaschine
Die Speisepumpe
Der geschlossene Joule-Kreisprozess JK und der diesem nachgeschaltete Clausius-Rankine-Kreisprozess CK sind so miteinander verschaltet, dass dies möglichst einfach und kompakt erfolgt und eine Nutzung der thermischen Energie des Abgasstroms AG auf einem sehr breiten Spektrum des vorhandenen Temperaturniveaus ermöglicht, was zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs oder des Gesamtaggregates führt.The closed Joule cycle JK and this downstream Clausius-Rankine cycle CK are interconnected so that this is as simple and compact and allows use of the thermal energy of the exhaust stream AG on a very wide range of existing temperature levels, resulting in a high overall efficiency of the entire drivetrain or the overall aggregate leads.
Alle Kupplungen
Im Betrieb der Vorrichtung
Ist kein ausreichend heißer Abgasstrom AG vorhanden, beispielsweise direkt nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine
Die mittels der Expansionsmaschine
Die als Motor-Generator-Einheit ausgebildete Elektromaschine
Wird im Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK mehr mechanische Energie erzeugt, als in oder an der Elektromaschine
Somit ist die Elektromaschine
Im Betrieb dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung wird die Verbrennungskraftmaschine
Erzeugt die Turbine
Je nach Betriebszustand und/oder Betriebsstrategie der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
In dieser Ausführungsform kann sowohl der Kreislauf des Joule-Kreisprozesses JK als auch der Kreislauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
Der Generator
In dieser Ausführungsvariante wird die Verbrennungskraftmaschine
In einer vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform kann eine regenerative Vorwärmung und/oder eine Zwischenüberhitzung zu einer Wirkungsgradsteigerung im Clausius-Rankine-Kreisprozess CK angeordnet werden.In an advantageous, not shown embodiment, a regenerative preheating and / or a reheat can be arranged to increase the efficiency in Clausius Rankine cycle CK.
In einer weiteren vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform kann in den Joule-Kreisprozesses JK ein so genannter Rekuperator integriert werden.In a further advantageous embodiment, not shown, a so-called recuperator can be integrated in the Joule cycle JK.
In einer besonders vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform ist eine Verwendung der Abwärme eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine
Alternativ zu den Zahnrädern
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 33
- AbwärmerückgewinnungsvorrichtungWaste heat recovery device
- 44
- AbgaswärmetauscherExhaust gas heat exchanger
- 55
- Abgasleitungexhaust pipe
- 66
- Verdichtercompressor
- 77
- Turbineturbine
- 88th
- Kühlercooler
- 99
- Wellewave
- 1010
- Kupplungclutch
- 1111
- Zahnradgear
- 1212
- Schwungscheibeflywheel
- 1313
- Expansionsmaschineexpander
- 1414
- Kupplungclutch
- 1515
- Elektromaschineelectric machine
- 1616
- Kupplungclutch
- 1717
- Zahnradgear
- 1818
- Energiespeicherenergy storage
- 1919
- Kondensatorcapacitor
- 2020
- Speisepumpefeed pump
- 2121
- Motorengine
- 2222
- Generatorgenerator
- 2323
- Abtriebswelleoutput shaft
- ATAT
- Arbeitsmittelwork equipment
- AMAT THE
- Arbeitsmediumworking medium
- AGAG
- Abgasstromexhaust gas flow
- CKCK
- Clausius-Rankine-KreisprozessRankine Cycle
- JKJK
- Joule-KreisprozessBrayton cycle
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R230 | Request for early publication | ||
R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |