DE102010049916A1 - Method for utilizing waste heat from exhaust stream of internal combustion engine in vehicle, involves supplying exhaust gas stream of exhaust gas heat exchanger to waste heat recovery apparatus and absorption cooling machine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 8.The invention relates to a method and a device for utilizing waste heat 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 Energiegewinnung 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 generating energy 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. Hierbei ist auch ein Joule-Prozess, insbesondere ein geschlossener Joule-Prozess, denkbar, bei welchem ein Gas über einen Verdichter auf ein entsprechend hohes Druckniveau befördert wird und einem Abgaswärmetauscher des Verbrennungsmotors zugeführt wird, wobei eine Abgaswärme 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. Here, a Joule process, in particular a closed Joule process, conceivable in which a gas is conveyed via a compressor to a correspondingly high pressure level and an exhaust gas heat exchanger of the internal combustion engine is supplied, wherein an exhaust heat to the working gas located in the Joule cycle is transmitted. 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.
Zum Betrieb von Fahrzeugklimaanlagen wird im Stand der Technik die erforderliche Kälteleistung durch Kompressoren erzeugt. Es finden vorwiegend Kompressorklimaanlagen Verwendung, die vom Fahrzeugantrieb, insbesondere von Verbrennungsmotoren oder von Hybridantrieben, zusätzlich angetrieben werden müssen und hierdurch in nachteiliger Weise zu einer Verbrauchserhöhung führen. Die mechanische Energie des Fahrzeugantriebs, insbesondere des Verbrennungsmotors, wird hierbei für den Betrieb des Kompressors genutzt, wodurch im Betrieb der Kompressorklimaanlage der Fahrzeugantrieb die hierfür erforderliche Leistung zusätzlich abgeben muss. Aufgrund der geringen Energieeffizienz von Verbrennungsmotoren und von Klimakompressoren entsteht ein signifikanter Mehrverbrauch.For the operation of vehicle air conditioning systems, the required cooling capacity is generated by compressors in the prior art. There are mainly compressor air conditioning use, which must be additionally driven by the vehicle drive, especially of internal combustion engines or hybrid drives, and thereby disadvantageously lead to an increase in consumption. The mechanical energy of the vehicle drive, in particular of the internal combustion engine, is used here for the operation of the compressor, whereby the operation of the compressor air conditioning of the vehicle drive must additionally give the required power. Due to the low energy efficiency of internal combustion engines and air conditioning compressors creates a significant increase in consumption.
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte, insbesondere effizientere Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes, insbesondere effizienteres Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved, in particular more efficient device for waste heat recovery from an exhaust stream of an internal combustion engine. Furthermore, the invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved, in particular more efficient method for energy recovery from an exhaust stream of an internal combustion engine.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the method, 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.
Beim Verfahren zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einer Absorptionskältemaschine wird der Abgasstrom zumindest einem Abgaswärmetauscher einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung zugeführt wird und anschließend der Abgasstrom und/oder ein Abwärmestrom der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung der Absorptionskältemaschine zugeführt.In the method for utilizing waste heat from an exhaust gas stream of an internal combustion engine in a vehicle with an absorption chiller, the exhaust gas flow is fed to at least one exhaust gas heat exchanger of a waste heat recovery device and then the exhaust gas flow and / or a waste heat flow of the waste heat recovery device supplied to the absorption chiller.
Die Erfindung verbessert die Abwärmenutzung aus dem Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschinen, indem abgasseitig der Verbrennungskraftmaschine eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung und eine Absorptionskältemaschine geschaltet sind. Dadurch wird die im Abgasstrom enthaltene thermische Energie zum einen in der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung genutzt und zum anderen in der Absorptionskältemaschine. Insbesondere weist der den Abgaswärmetauscher der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung verlassende Abgasstrom eine solche thermische Energie auf, welche vorteilhafterweise den Betrieb der Absorptionskältemaschine ermöglicht. Ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit auf dieser Weise ausgeführter Abwärmenutzung weist gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und die Kosten sind aufgrund der kompakten Bauweise deutlich reduziert.The invention improves waste heat utilization from the exhaust gas flow of internal combustion engines by connecting a waste heat recovery device and an absorption chiller on the exhaust side of the internal combustion engine. This will cause the exhaust gas flow contained thermal energy used on the one hand in the waste heat recovery device and the other in the absorption chiller. In particular, the exhaust gas stream leaving the exhaust gas heat exchanger of the waste heat recovery device has such thermal energy, which advantageously enables the operation of the absorption refrigeration machine. An internal combustion engine with waste heat recovery performed in this manner has higher efficiency than conventional internal combustion engines. In addition, fuel savings are achieved and the costs are significantly reduced due to the compact design.
In der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung wird ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess geführt, der aus dem Abgaswärmetauscher, einer Turbine, einem zwischen der Turbine und einem Verdichter angeordneten Kühler und dem Verdichter gebildet ist. Vorteilhafterweise nimmt das Arbeitsmedium des geschlossenen Joule-Kreisprozesses eine Teilmenge der thermischen Energie des Abgasstroms auf, wobei es aufgeheizt und beschleunigt wird, so dass hohe Wärmeübertragungsleistungen ermöglicht sind.In the waste heat recovery device, a working fluid is passed in a closed loop Joule cycle comprised of the exhaust gas heat exchanger, a turbine, a radiator disposed between the turbine and a compressor, and the compressor. Advantageously, the working medium of the closed Joule cycle process absorbs a subset of the thermal energy of the exhaust stream, wherein it is heated and accelerated, so that high heat transfer capacities are made possible.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dem geschlossenen Joule-Kreisprozess ein Clausius-Rankine-Kreisprozess derart nachgeschaltet, dass der Joule-Kreisprozess und der Clausius-Rankine-Kreisprozess mittels des Kühlers thermisch gekoppelt sind und das Arbeitsmedium des Joule-Kreisprozesses gekühlt wird. Durch die Nachschaltung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses nach dem Joule-Kreisprozess ist sichergestellt, dass der Clausius-Rankine-Kreisprozess mit bekannten flüssigen organischen Kältemitteln als Arbeitsmittel beaufschlagt und betrieben werden kann, da die Umwandlung der hohen Abgastemperaturen und somit der Abwärme des Abgases durch den vorgeschalteten Joule-Kreisprozess und nicht über den Clausius-Rankine-Kreisprozess ausgeführt wird. Hierdurch ist die Gefahr deutlich reduziert bzw. verhindert, dass das Arbeitsmittel im Clausius-Rankine-Kreisprozess aufgrund der Beaufschlagung mit hohen Abgastemperaturen chemisch instabil und zerstört wird.In an advantageous embodiment, the closed Joule cycle process is followed by a Clausius-Rankine cycle process such that the Joule cycle and the Rankine cycle are thermally coupled by means of the cooler and the working medium of the Joule cycle is cooled. By connecting the Clausius-Rankine cycle after the Joule cycle ensures that the Rankine cycle process can be applied and operated with known liquid organic refrigerants as a working fluid, since the conversion of high exhaust gas temperatures and thus the waste heat of the exhaust gas the upstream Joule cycle and not over the Clausius-Rankine cycle is executed. As a result, the risk is significantly reduced or prevented that the working fluid in the Rankine cycle process is chemically unstable and destroyed due to the application of high exhaust gas temperatures.
Mittels der Turbine der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung wird aus zumindest einer Teilmenge der thermischen Energie des Abgasstroms mechanische Energie erzeugt. Somit wird die bei herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen ungenutzte thermische Energie des Abgasstroms einer Verwendung zugeführt.By means of the turbine of the waste heat recovery device, mechanical energy is generated from at least a subset of the thermal energy of the exhaust gas flow. Thus, the unused in conventional internal combustion engines thermal energy of the exhaust stream is fed to a use.
Mittels einer Teilmenge der verbleibenden thermischen Energie des Abgasstroms wird die Absorptionskältemaschine betrieben. Der Abgasstrom enthält vorteilhafterweise auch nach dem Durchströmen der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung eine Menge an thermischer Energie, welche zum Betrieb der Absorptionskältemaschine ausreicht und vorliegend genutzt wird.By means of a subset of the remaining thermal energy of the exhaust stream, the absorption chiller is operated. The exhaust gas flow advantageously also contains, after flowing through the waste heat recovery device, a quantity of thermal energy which is sufficient for the operation of the absorption chiller and is used in the present case.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird einem in der Absorptionskältemaschine geführten Kältemittel Wärmeenergie eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Dadurch wird die Wärmeenergie des Kühlmittels, welche in herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen mittels eines Kühlmittelkühlers an eine Fahrzeugumgebung abgegeben wird, effizient genutzt.In a particularly advantageous embodiment, thermal energy of a coolant of the internal combustion engine is supplied to a refrigerant guided in the absorption refrigerating machine. Thereby, the heat energy of the coolant, which is discharged in conventional internal combustion engines by means of a coolant radiator to a vehicle environment, used efficiently.
Mittels der Absorptionskältemaschine werden vorteilhafterweise ein Fahrzeuginnenraum, ein Frachtraum, ein Stromspeicher und/oder eine Steuereinheit gekühlt oder klimatisiert. Somit ist die Nutzung einer herkömmlichen Kompressorklimaanlage, welche vom Fahrzeugantrieb, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, angetrieben wird, vermieden. Daraus resultierend ist ein Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs reduziert.By means of the absorption chiller advantageously a vehicle interior, a cargo space, a power storage and / or a control unit are cooled or air-conditioned. Thus, the use of a conventional compressor air conditioning, which is driven by the vehicle drive, in particular the internal combustion engine, avoided. As a result, fuel consumption of the vehicle is reduced.
Bei der Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einer Absorptionskältemaschine ist erfindungsgemäß eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung thermisch mit einer Abgasleitung gekoppelt ist und eine Absorptionskältemaschine thermisch mit einer Abgasleitung und/oder einem Abwärmestrom der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung gekoppelt.In the apparatus for utilizing waste heat from an exhaust gas stream of an internal combustion engine in a vehicle having an absorption chiller, according to the present invention, a waste heat recovery device is a waste heat recovery device thermally coupled to an exhaust pipe and an absorption chiller is thermally coupled to an exhaust pipe and / or waste heat recovery exhaust heat recovery device.
Ein Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine und die Absorptionskältemaschine sind thermisch gekoppelt. Dadurch ist vorteilhafterweise die thermische Energie des Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine in der Absorptionskältemaschine nutzbar.A cooling circuit of the internal combustion engine and the absorption chiller are thermally coupled. As a result, advantageously, the thermal energy of the coolant of the internal combustion engine in the absorption chiller can be used.
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 des Verbrennungskraftmaschine
An der Welle
Erfindungsgemäß ist in der Abgasleitung
Die Absorptionskältemaschine
Das Kühlmittel K1 wird mittels einer in dem Kühlmittelkreislauf
Zu einem Volumenausgleich, welcher aufgrund von Volumenänderungen des Kühlmittels K1 bei verschiedenen Temperaturen notwendig ist, ist ein Ausgleichsbehälter
Um den Grad der Kühlung im Wärmetauscher
Im Kältemittelkreislauf
Zur Realisierung des Funktionsprinzips der Absorptionskältemaschine
Die Trenneinheit
Anhand einer der Kältemittellösung K2 + L in der Trenneinheit
Anschließend ist das Kältemittel K2 über eine erste Versorgungsleitung
Weiterhin umfasst der Kältemittelkreislauf
Die gewünschte Kühlwirkung der Absorptionskältemaschine
In Strömungsrichtung nach dem Verdampfer
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vor dem Absorber
Das kalte Lösungsmittel L hat das Bestreben, das Kältemittel K2 bis zur Sättigung aufzunehmen, so dass nach dem Absorber
Im Betrieb der Vorrichtung
Nach dem Austritt aus dem Abgaswärmetauscher
Mittels der Absorptionskältemaschine
An Stelle des Wärmetauschers
Beim Stromspeicher
Eine solche Fahrzeugbatterie ist in nicht näher dargestellter Art und Weise aus mehreren elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen gebildet, welche als Zellverbund vorzugsweise in einem kühlbaren oder vom Kühlmittel K1 durchströmten Batteriegehäuse angeordnet sind.Such a vehicle battery is formed in a manner not shown from a plurality of electrically parallel and / or serially interconnected individual cells, which are preferably arranged as a cell assembly in a cooled or flowed through by the coolant K1 battery housing.
Da der Stromspeicher
Ein solcher Stromspeicher
Nicht näher dargestellt kann mittels der Absorptionskältemaschine
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Trenneinheit
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad des der Verbrennungskraftmaschine
Im Detail erfolgt die Rückkühlung des Arbeitsmediums AM des Joule-Kreisprozesses JK in dieser Ausführungsvariante über den dem Joule-Kreisprozess JK nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK. Der Clausius-Rankine-Kreisprozess CK und der Joule-Kreisprozesses JK sind mittels des Kühlers
Die Expansionsmaschine
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.
Ein Kältemittelvorwärmer
Mittels des im Kühlkreislauf KK geführten Kühlmittels KM wird die Kältemittellösung K2 + L des Kältemittelkreislaufs
Somit wird die im Kühlmittel KM der Verbrennungskraftmaschine
Mittels des Drei-Wege-Ventils
Die Eintrittstemperatur des Abgasstroms AG, mit welchem die Trenneinheit
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
- Schwungradflywheel
- 1313
- Trenneinheitseparation unit
- 1414
- AbsorptionskältemaschineAbsorption chiller
- 1515
- KühlmittelkreislaufCoolant circuit
- 1616
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 1717
- KühlmittelpumpeCoolant pump
- 1818
- Wärmetauscherheat exchangers
- 1919
- VerdampferEvaporator
- 2020
- Ausgleichsbehältersurge tank
- 2121
- Drei-Wege-VentilThree-way valve
- 2222
- KältemittelpumpeRefrigerant pump
- 2323
- erste Versorgungsleitungfirst supply line
- 2424
- Kondensatorcapacitor
- 2525
- Absorberabsorber
- 2626
- zweite Versorgungsleitungsecond supply line
- 2727
- Mantelrohrcasing pipe
- 2828
- Generatorgenerator
- 2929
- Stromspeicherpower storage
- 3030
- Expansionsmaschineexpander
- 3131
- Kupplungclutch
- 3232
- Zahnradgear
- 3333
- Kondensatorcapacitor
- 3434
- Speisepumpefeed pump
- 3535
- elektrischer Motorelectric motor
- 3636
- Pumpepump
- 3737
- Fahrzeugkühlervehicle radiator
- 38 38
- Drei-Wege-VentilThree-way valve
- 3939
- KältemittelvorwärmerKältemittelvorwärmer
- ATAT
- Arbeitsmittelwork equipment
- AMAT THE
- Arbeitsmediumworking medium
- AGAG
- Abgasstromexhaust gas flow
- CKCK
- Clausius-Rankine-KreisprozessRankine Cycle
- JKJK
- Joule-KreisprozessBrayton cycle
- K1K1
- Kühlmittelcoolant
- K2K2
- Kältemittelrefrigerant
- LL
- Lösungsmittelsolvent
- K2 + LK2 + L
- KältemittellösungRefrigerant solution
- KKKK
- KühlkreislaufCooling circuit
- KMKM
- Kühlmittelcoolant
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 7650761 B2 [0007] US 7650761 B2 [0007]
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