DE102012100082B4 - Exhaust gas heat exchanger with integrated device for conveying a working fluid - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgaswärmetauscheranordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Abgaswärmetauscheranordnung, wobei dem Abgas Wärme für einen Arbeitsmittelprozess, insbesondere einem Rankine-Prozess, entzogen wird. Erfindungsgemäß ist in dem Wärmetauscher (5) der Abgaswärmetauscheranordnung ein Verdichter (11) integriert angeordnet.The present invention relates to an exhaust gas heat exchanger arrangement and a method for operating an exhaust gas heat exchanger arrangement, heat being extracted from the exhaust gas for a working medium process, in particular a Rankine process. According to the invention, a compressor (11) is integrated in the heat exchanger (5) of the exhaust gas heat exchanger arrangement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgaswärmetauscheranordnung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.The present invention relates to an exhaust gas heat exchanger assembly according to the features in the preamble of claim 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Abgaswärmetauscheranordnung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 19.The present invention further relates to a method for operating an exhaust gas heat exchanger assembly according to the features in claim 19.

Zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs wird als Hauptantriebsquelle eine Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Hierbei handelt es sich in der Regel um einen Otto- oder Dieselmotor, der in Form einer Verbrennungskraftmaschine in dem Fahrzeug angeordnet ist. Die Verbrennungskraftmaschine wandelt während des Verbrennungsprozesses in dem Kraftstoff enthaltene chemische Energie in Bewegungsenergie. Die Verbrennungskraftmaschine ist dabei selbst durch den Carnot-Prozess in ihrem Wirkungsgrad begrenzt. So ist es maximal möglich, annähernd 40% der in dem Kraftstoff enthaltenen Energie in mechanische Energie zu wandeln. Die restliche Energie wird über das Abgas bzw. die Abwärme des Motorblocks abgegeben.For driving a motor vehicle, an internal combustion engine is used as the main drive source. This is usually a gasoline or diesel engine, which is arranged in the form of an internal combustion engine in the vehicle. The internal combustion engine converts chemical energy contained in the fuel into kinetic energy during the combustion process. The internal combustion engine itself is limited by the Carnot process in their efficiency. Thus, it is possible at maximum to convert approximately 40% of the energy contained in the fuel into mechanical energy. The remaining energy is released via the exhaust gas or the waste heat of the engine block.

In den letzten Jahren ist daher zunehmend die Nutzung der im Abgas enthaltenen Restwärme als weiterer Energielieferer thematisiert worden. Hier ist oft ein Zielkonflikt zwischen Abgaswärmenutzung und Abgasnachbehandlung vorhanden.In recent years, therefore, the use of the residual heat contained in the exhaust has been increasingly discussed as another energy supplier. Here is often a conflict between exhaust heat recovery and exhaust aftertreatment available.

Beispielsweise ist es bekannt, durch thermoelektrische Elemente im Abgasstrang die im Abgas enthaltene Temperatur als Wärmequelle zu nutzen, um mit Hilfe des Seebeck-Effekts und einer Temperaturdifferenz elektrische Energie zu erzeugen.For example, it is known to use the temperature contained in the exhaust gas as a heat source by means of thermoelectric elements in the exhaust gas to generate electrical energy using the Seebeck effect and a temperature difference.

Eine weitere Möglichkeit der Nutzung der Energie einer erhöhten Temperatur in einem Medium ist mit Hilfe eines Rankine-Prozesses zu nutzen. Hierbei wird ein von dem Kanal, in dem das erwärmte Medium strömt, separater geschlossener Kreislauf mit einem Arbeitsmedium gefüllt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Wasser oder aber um ein wässriges Medium, das je nach Anwendungsfall Additive aufweist. Das Arbeitsmedium wird durch eine Arbeitsmediumpumpe in einem flüssigen Aggregatzustand einem Wärmetauscher zugeführt. Der Wärmetauscher ist insbesondere als Verdampfer ausgebildet. Als Wärmequelle für den Verdampfungsprozess selber dient dabei beispielsweise die Abgaswärme eines Kraftfahrzeuges. Aus der US 2011/0083920 A1 ist ein entsprechender Prozess bekannt. Nach dem Verdampfer ist das Arbeitsmedium in eine gasförmige Phase übergegangen. Der Dampf strömt dann über eine Leitung des Rankine-Kreislaufs beispielsweise zu einer Turbine oder zu einem anderen Wärmetauscher, wobei der Dampf hier entspannt wird. Dabei entsteht eine Volumenänderungsarbeit, die wiederum im Falle einer Turbine in mechanische Energie umgewandelt wird oder aber im Falle eines Wärmetauschers zum Kühlen oder Heizen nutzbar ist.Another way of using the energy of an elevated temperature in a medium is to use a Rankine process. In this case, one of the channel in which the heated medium flows, separate closed circuit filled with a working fluid. Preferably, this is water or else an aqueous medium which has additives depending on the application. The working medium is fed by a working medium pump in a liquid state of matter a heat exchanger. The heat exchanger is designed in particular as an evaporator. The heat source for the evaporation process itself is used, for example, the exhaust heat of a motor vehicle. From the US 2011/0083920 A1 a corresponding process is known. After the evaporator, the working medium has gone into a gaseous phase. The steam then flows through a line of the Rankine cycle, for example to a turbine or other heat exchanger, the steam is relaxed here. This results in a volume change work, which in turn is converted in the case of a turbine into mechanical energy or in the case of a heat exchanger for cooling or heating is available.

Bisher sind Anwendungen, in denen ein Rankine-Prozess zur weiteren Energienutzung oder aber zum Wärmetransport genutzt wird, für den Einsatz in Kraftfahrzeugen nicht oder aber nur suboptimal geeignet. Zur Auslegung eines Rankine-Prozesses, beispielsweise in einem Blockkraftheizwerk, werden feste stationäre Betriebspunkte eingenommen, in denen dann die einzelne Komponenten von Verdampfer, Turbine und Verdunstungseinrichtung auf die stationär während der Betriebspunkte auftretenden stationären Betriebswerte ausgelegt sind. So ist beispielsweise der Volumenstrom des Wärmeträgerkreislaufs annähernd konstant sowie dessen Temperatur.So far, applications in which a Rankine process is used for further energy use or for heat transport, not suitable for use in motor vehicles or only suboptimal. To design a Rankine process, for example in a block power plant, fixed steady-state operating points are taken, in which then the individual components of the evaporator, turbine and evaporation device are designed for the stationary operating values that occur stationary during the operating points. For example, the volume flow of the heat transfer circuit is approximately constant and its temperature.

In einem Kraftfahrzeug existiert jedoch die Besonderheit, dass eine Verbrennungskraftmaschine in einer Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten eingesetzt ist. Diese werden maßgeblich durch die Drehzahl sowie die Last in einem Kennfeld bestimmt. Die Peripheriegeräte, die eingesetzt werden, um einen Rankine-Prozess durchzuführen, müssen also an die Vielzahl der bei einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug auftretenden Betriebspunkte derart angepasst sein, dass der Rankine-Prozess annähernd in allen Betriebspunkten mit einem positiven und guten Wirkungsgrad arbeiten kann.In a motor vehicle, however, there is the special feature that an internal combustion engine is used in a multiplicity of different operating points. These are largely determined by the speed and the load in a map. The peripheral devices that are used to perform a Rankine process must therefore be adapted to the large number of operating points that occur in an internal combustion engine in a motor vehicle in such a way that the Rankine process can operate at almost all operating points with a positive and good efficiency.

Darüber hinaus ist der Rankine-Prozess selber in dem Kraftfahrzeug ein so genanntes Nebenaggregat und/oder Peripheriegerät. Es hat sich folglich in der Dimensionierung und dem Packaging der Verbrennungskraftmaschine sowie den direkten Komponenten zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine unterzuordnen. Etwaige Bauteilkomponenten zur Durchführung eines Rankine-Prozesses müssen sich also für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug eignen.In addition, the Rankine process itself in the motor vehicle is a so-called ancillary and / or peripheral device. It has therefore subordinate itself in the dimensioning and packaging of the internal combustion engine and the direct components for operating the internal combustion engine. Any component components for carrying out a Rankine process must therefore be suitable for use in a motor vehicle.

So offenbart die DE 10 2009 042 584 A1 sowohl einen Wärmeübertrager, ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems und einen Verbrennungsmotor, die jeweils einen Rankine-Kreisprozess verwenden, um die Abwärme des Verbrennungsmotors nutzen zu können. Der angesprochene Rankine-Kreisprozess findet hierbei besonders bei tiefen Temperaturen Anwendung, um eine Inbetriebnahme trotz eines festen Aggregatzustandes des Arbeitsmediums, insbesondere bei Eis, zuverlässigen zu ermöglichen und Schäden zu vermeiden.So revealed the DE 10 2009 042 584 A1 Both a heat exchanger, a system for using waste heat of an internal combustion engine, a method for operating such a system and an internal combustion engine, each using a Rankine cycle process to use the waste heat of the internal combustion engine can. The mentioned Rankine cycle process is used here especially at low temperatures in order to enable a start-up despite a solid state of aggregation of the working medium, especially in ice, reliable and to avoid damage.

Hierbei wird insbesondere auf einen Wärmeübertrager zurückgegriffen, der in der Lage ist, die Abwärme eines Verbrennungsmotors derart zu nutzen, dass die entstehende Volumenvergrößerung bei einem Übergang eines Fluids, welche besonders durch Gefrieren entsteht, aufzunehmen.In this case, recourse is particularly made to a heat exchanger which is capable of the waste heat of an internal combustion engine so make use of the fact that the resulting increase in volume is absorbed by a transition of a fluid, which is particularly caused by freezing.

Auch das weiterhin beanspruchte System umfasst einen beschriebenen Wärmeübertrager als Verdampfer des Systems, mit dem das System mit dem Arbeitsmedium auch bei Temperaturen von unter 0°C eingesetzt werden kann. Das Gefrieren des Arbeitsmediums in dem Verdampfer zerstört den Verdampfer nicht, so dass dadurch auch bei einem Einsatz des Systems in Kraftfahrzeugen problemlos ein flüssiges Arbeitsmedium Anwendung finden kann. So können auch die übrigen Komponenten des Systems schrittweise aufeinander folgend erwärmt werden und erreichen so eine Betriebstemperatur, indem das gasförmige Arbeitsmedium durch die entsprechenden Bauteile geleitet wird.The claimed further system includes a described heat exchanger as the evaporator of the system, with which the system can be used with the working medium even at temperatures below 0 ° C. The freezing of the working medium in the evaporator does not destroy the evaporator, so that even when using the system in motor vehicles can easily find a liquid working medium application. Thus, the other components of the system can be gradually heated successively and thus reach an operating temperature by the gaseous working fluid is passed through the corresponding components.

So beinhaltet auch der beanspruchte Verbrennungsmotor einen bereits erwähnten Wärmeübertrager, der in der Lage ist, die Abwärme des Verbrennungsmotors auf ein flüssiges Arbeitsmedium zu übertragen und dieses so zu verdampfen.Thus, the claimed internal combustion engine includes an already mentioned heat exchanger, which is able to transfer the waste heat of the internal combustion engine to a liquid working medium and to vaporize it.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Abgaswärmetauscheranordnung zur Verfügung zu stellen, mit der es möglich ist, dem Abgas Wärme zu entziehen und in einem separaten Arbeitskreislauf, insbesondere ein Arbeitskreislauf zum Betreiben eines Rankine-Prozesses, zu überführen. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgaswärmetauscheranordnung bereit zu stellen.The object of the present invention is therefore to provide an exhaust gas heat exchanger arrangement with which it is possible to extract heat from the exhaust gas and to convert it into a separate working cycle, in particular a working cycle for operating a Rankine process. It is a further object of the present invention to provide a method for operating such an exhaust gas heat exchanger arrangement.

Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Abgaswärmetauscheranordnung für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.The aforementioned object is achieved with an exhaust gas heat exchanger assembly for an internal combustion engine in a motor vehicle having the features in claim 1.

Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscheranordnung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 19 gelöst.The procedural part of the object is further achieved by a method for operating an exhaust gas heat exchanger arrangement according to the invention in accordance with the features in patent claim 19.

Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.Advantageous embodiments of the present invention are part of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Abgaswärmetauscheranordnung für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug weist einen Abgaswärmetauscher auf, wobei der Abgaswärmetauscher einen Abgaskanal zum Durchführen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine und einen Arbeitsmediumkanal zum Durchführen eines Arbeitsmediums aufweist. Der Abgaswärmetauscher wird dabei maßgeblich als Verdampfer für das Arbeitsmedium in dem Arbeitsmediumkanal genutzt. Insbesondere handelt es sich bei dem Arbeitsmediumkanal um einen geschlossenen Kreislauf zur Durchführung eines Rankine-Prozesses.The exhaust gas heat exchanger arrangement according to the invention for an internal combustion engine in a motor vehicle has an exhaust gas heat exchanger, wherein the exhaust gas heat exchanger has an exhaust gas passage for passing exhaust gas of the internal combustion engine and a working medium channel for carrying out a working medium. The exhaust gas heat exchanger is used significantly as an evaporator for the working medium in the working medium channel. In particular, the working medium channel is a closed circuit for carrying out a Rankine process.

Erfindungsgemäß ist in den Abgaswärmetauscher eine Vorrichtung zum Fördern des Arbeitsmediums integriert. Im Rahmen der Erfindung bedeutet dies, dass in dem Gehäuse des Abgaswärmetauschers ein Verdichter, insbesondere eine Pumpe, mit untergebracht wird. Hierdurch ist es möglich, eine Abgaswärmetauscheranordnung, insbesondere einen Abgaswärmetauscher, zur Verfügung zu stellen, der sehr kompakte Bauraumabmessungen aufweist und sich hervorragend zur Eingliederung in einem Motorraum, als Motorperipheriebauteil an einer Verbrennungskraftmaschine, eignet. Über den in dem Abgaswärmetauscher integrierten Verdichter ist es möglich, unmittelbar und direkt den Arbeitsmediumkreis derart einzustellen bzw. zu regeln, dass der Kreisprozess des Arbeitsmediums, insbesondere der Rankine-Prozess, stets mit einem positiven, insbesondere mit einem guten Wirkungsgrad arbeitet.According to the invention, a device for conveying the working medium is integrated in the exhaust gas heat exchanger. In the context of the invention, this means that in the housing of the exhaust gas heat exchanger, a compressor, in particular a pump, is housed. This makes it possible to provide an exhaust gas heat exchanger arrangement, in particular an exhaust gas heat exchanger, which has very compact installation space dimensions and is outstandingly suitable for incorporation in an engine compartment, as an engine peripheral component on an internal combustion engine. By means of the compressor integrated in the exhaust gas heat exchanger, it is possible to directly or directly adjust or regulate the working medium circuit such that the cyclic process of the working medium, in particular the Rankine process, always operates with a positive, in particular with a good degree of efficiency.

Im Rahmen der Erfindung wird als Arbeitsmedium insbesondere Wasser bzw. ein wässriges Fluid und/oder ein organisches Fluid eingesetzt. In Strömungsrichtung weist das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Arbeitsmediumkanal des Abgaswärmetauschers einen im Wesentlichen flüssigen Aggregatzustand auf und nach Austritt aus dem Arbeitsmediumkanal einen im Wesentlichen gasförmigen Aggregatzustand. Insbesondere ist das Arbeitsmedium nach Austritt aus dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einem dampfförmigen Zustand, besonders bevorzugt in Form von Sattdampf.In the context of the invention, in particular water or an aqueous fluid and / or an organic fluid is used as the working medium. In the flow direction, the working medium before entering the working medium channel of the exhaust gas heat exchanger has a substantially liquid state of matter and, after exiting the working medium channel, a substantially gaseous state of aggregation. In particular, the working medium after leaving the heat exchanger according to the invention in a vaporous state, particularly preferably in the form of saturated steam.

Die Erfindung wird insbesondere auf Wärmekraftprozesse und Dampfkraftprozesse mit Clausius-Rankine-Kreisläufen oder mehrstufigen Erweiterungen dieses oder verwandter Prozesse bei mehrstufigen oder zusammengesetzten Prozessen mit anorganischen oder organischen Arbeitsstoffen oder Arbeitsstoffgemischen, auch bestehend aus einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase, in gesättigten oder übersättigten Gas-Dampf-Gemischen bezogen.The invention is particularly applicable to thermal power processes and steam power processes with Rankine cycles or multistage expansions of this or related processes in multistage or compound processes with inorganic or organic agents or mixtures of substances, also consisting of a liquid and a vapor phase, in saturated or supersaturated gas. Based on steam mixtures.

Bei der vorliegenden Erfindung ist der Abgaswärmetauscher insbesondere als Verdampfer derart ausgebildet, dass er aus einem Basiskörper besteht sowie mindestens einem an den Basiskörper gekoppelten Zusatzkörper, wobei an den Abgaswärmetauscher Leitungen zur Zuführung und zur Abführung der Fluide angeschlossen sind. Der Verdichter, insbesondere die Pumpe, ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt im Basiskörper selber oder in dem Zusatzkörper angeordnet. Der Basiskörper ist dabei im Rahmen der Erfindung als Wärmetauscher derart ausgebildet, dass er ein Außengehäuse sowie ein in dem Außengehäuse angeordnetes Wärmetauscherrohrbündel aufweist.In the present invention, the exhaust gas heat exchanger is designed in particular as an evaporator such that it consists of a base body and at least one coupled to the base body additional body, wherein the exhaust gas heat exchanger lines for supplying and discharging the fluids are connected. In the context of the invention, the compressor, in particular the pump, is preferably arranged in the base body itself or in the additional body. In the context of the invention, the base body is designed as a heat exchanger such that it has an outer housing and a heat exchanger tube bundle arranged in the outer housing.

Der Zusatzkörper kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise eine Art Rohrboden darstellen, wobei der Verdichter insbesondere als Pumpe in dem Zusatzkörper angeordnet ist. Somit ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Wärmetauscher besonders einfach als zerlegbares Bauteil auszubilden, so dass er zum einen kostengünstig produzierbar und zum anderen wartungsfreundlich ist. Der Verdichter ist weiterhin bevorzugt an dem Zusatzkörper angeordnet. Hierdurch ist es möglich, den Basiskörper als Blechbauteil, insbesondere als Schweißbauteil, herzustellen und den Zusatzkörper beispielsweise als Gussbauteil. Bei dem Zusatzkörper handelt es sich im Rahmen der Erfindung also um eine Art Verdichter bzw. Pumpengehäuse, wobei vorzugsweise zumindest der Arbeitsmediumkanal durch den Zusatzkörper verläuft. The additional body can represent, for example, a kind of tube sheet in the context of the invention, wherein the compressor is arranged in particular as a pump in the additional body. Thus, it is possible within the scope of the invention to form the heat exchanger in a particularly simple manner as a component which can be dismantled, so that it can be produced inexpensively on the one hand and maintenance-friendly on the other. The compressor is furthermore preferably arranged on the additional body. This makes it possible to produce the base body as a sheet metal component, in particular as a welded component, and the additional body, for example, as a cast component. In the context of the invention, the additional body is thus a type of compressor or pump housing, wherein preferably at least the working medium duct extends through the additional body.

An den Abgaswärmetauscher sind weiterhin Leitungen zur Durchführung der jeweiligen Fluide angeschlossen. Im Rahmen der Erfindung ist es somit wiederum möglich, den Basiskörper aus einem korrosionsbeständigen Edelstahlmaterial herzustellen und vorzugsweise nur das Abgas durch den Basiskörper zu leiten. Das Abgas selber weist Temperaturen von bis zu mehr als 1.000°C auf und hochkorrosive Bestandteile. Der Zusatzkörper kann wiederum aus einem in Relation zu dem Basiskörper kostengünstigeren Werkstoff hergestellt werden, da der Zusatzkörper im Rahmen der Erfindung nicht zwangsläufig auch den Abgaskanal aufweisen muss.To the exhaust gas heat exchanger lines for carrying out the respective fluids are still connected. In the context of the invention, it is thus again possible to produce the base body from a corrosion-resistant stainless steel material and preferably to direct only the exhaust gas through the base body. The exhaust gas itself has temperatures of up to more than 1,000 ° C and highly corrosive components. The additional body can in turn be made of a more cost-effective in relation to the base body material, since the additional body in the context of the invention does not necessarily have to have the exhaust duct.

Die Pumpe ist weiterhin besonders bevorzugt als Strömungs- oder Kreiselpumpe und/oder Verdrängerpumpe wie beispielsweise als Zahnradpumpe und/oder als Kreiskolbenpumpe ausgebildet, wobei die Pumpe bevorzugt elektrisch von einem Elektromotor oder mechanisch von der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Je nach Typ der Verbrennungskraftmaschine, also ob die Verbrennungskraftmaschine mit Ottokraftstoff oder aber mit Dieselkraftstoff betrieben wird, ist die Maximaltemperatur des Abgases unterschiedlich. So erreichen Dieselmotoren Abgastemperaturen von rund 800°C, wohingegen die Abgastemperaturen bei Ottomotoren mehr als 1.000°C betragen können. Hiernach bestimmt sich auch wiederum der Wärmeübergang in den Abgaswärmetauscher selber von der Abgaswärme auf das Arbeitsmedium. Je nach Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine ist es unter Umständen möglich, dass das Spektrum der Pumpe von hohen Volumendurchsätzen bis hin zu geringen Volumendurchsätzen mit Restanteilen Arbeitsmedium im gasförmigen Zustand reicht. Für den jeweiligen Anwendungsfall der Verbrennungskraftmaschine sowie die zu erwartenden Hauptbetriebspunkte und Antriebsart der Pumpe ist somit eine entsprechend optimale Pumpenart zu wählen.The pump is furthermore particularly preferably designed as a flow or centrifugal pump and / or positive displacement pump such as a gear pump and / or a rotary piston pump, wherein the pump is preferably electrically driven by an electric motor or mechanically by the internal combustion engine. Depending on the type of internal combustion engine, ie whether the internal combustion engine is operated with petrol or with diesel fuel, the maximum temperature of the exhaust gas is different. Diesel engines achieve exhaust gas temperatures of around 800 ° C, while gas temperatures for gasoline engines can reach more than 1,000 ° C. After that, again, the heat transfer in the exhaust gas heat exchanger itself determined by the exhaust heat to the working fluid. Depending on the operating point of the internal combustion engine, it may be possible that the range of the pump ranges from high volume throughputs to low volume flow rates with residual proportions working fluid in the gaseous state. For the particular application of the internal combustion engine as well as the expected main operating points and drive type of the pump, a correspondingly optimal pump type is thus to be selected.

Im Rahmen der Erfindung können auch zwei oder mehrere verschiedene Verdichter, insbesondere Pumpen, in Reihe und/oder parallel geschaltet werden, die dann zumindest kurzzeitig die jeweils geforderten Volumendurchsätze zur Verfügung stellen. Diese können im Rahmen der Erfindung elektrisch regelbar sein oder aber mechanisch mit über einen Riementrieb oder Königswellen an den Kurbeltrieb der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen sein. Die Zuleitungen insbesondere zu zwei parallel geschaltete Verdichter, insbesondere Pumpen, können wiederum über ein Ventil ansteuerbar sein.In the context of the invention, two or more different compressors, in particular pumps, in series and / or can be connected in parallel, which then at least briefly provide the respective required volume throughputs available. These can be controlled electrically within the scope of the invention or mechanically connected to the crank drive of the internal combustion engine via a belt drive or king shafts. The supply lines in particular to two parallel-connected compressor, in particular pumps, in turn, can be controlled via a valve.

Im Rahmen der Erfindung sind die Pumpe sowie die die Pumpe umgebenden Gehäusebestandteile des Abgaswärmetauschers derart temperaturstabil, dass vorzugsweise das Arbeitsmedium bei einer Temperatur zwischen 50 und 400°C, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 100 und 160°C förderbar ist. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen sind im Rahmen der Erfindung zu berücksichtigen. So fördert zum einen der Abgaskanal bis zu mehr als 1.000°C heißen Abgases, wohingegen das Arbeitsmedium Temperaturen von unter 100°C aufweisen kann, um in flüssiger Phase vorzuliegen. Die Temperaturdifferenzen von bis zu mehreren Hundert °C sowie die Temperaturschwankungen im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine von ebenfalls bis zu mehreren Hundert °C sorgen für unterschiedliche Wärmeausdehnungen der einzelnen Gehäusebestandteile des Abgaswärmetauschers. Diese Wärmeausdehnungen schlagen sich wiederum auf die Fördermengen der Pumpe nieder. Im Rahmen der Erfindung sind alle Bauteile auf die zu erwartenden Temperaturverhältnisse abzustimmen, so dass sich eine optimale Förderleistung ergibt und somit in jedem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine der Arbeitskreislauf ausführbar ist.In the context of the invention, the pump and the housing components of the exhaust gas heat exchanger surrounding the pump are so temperature stable that preferably the working fluid at a temperature between 50 and 400 ° C, in particular at a temperature between 100 and 160 ° C can be conveyed. The different thermal expansions are to be considered within the scope of the invention. Thus, on the one hand, the exhaust gas channel promotes up to more than 1,000 ° C hot exhaust gas, whereas the working fluid may have temperatures below 100 ° C to exist in the liquid phase. The temperature differences of up to several hundred ° C and the temperature fluctuations in the operation of the internal combustion engine also up to several hundred ° C ensure different thermal expansion of the individual housing components of the exhaust gas heat exchanger. These thermal expansions in turn affect the flow rates of the pump. In the context of the invention, all components are adapted to the expected temperature conditions, so that there is an optimal flow rate and thus the working cycle is executable at each operating point of the internal combustion engine.

Hierzu wird besonders bevorzugt eine Fördermenge des Arbeitsmediums selber durch die Pumpe in Abhängigkeit der Abgastemperatur geregelt und/oder gesteuert. Die Fördermenge des Arbeitsmediums wird bevorzugt derart geregelt und/oder gesteuert, dass stets sichergestellt ist, dass das Arbeitsmedium bei Eintritt in den Arbeitsmediumkanal von der flüssigen Phase bis zum Austritt aus dem Arbeitsmediumkanal vollständig in die Gasphase übergegangen ist. Die Pumpe ist daher derart einzustellen, dass sie einen entsprechenden Betriebsdruck aufbaut, der eine Fördermenge des Arbeitsmediums hervorruft und das Arbeitsmedium eine so lange Verweildauer im Arbeitsmediumkanal erfährt, dass es im Wesentlichen vollständig in die Dampfphase bzw. gasförmige Phase übergegangen ist.For this purpose, a delivery rate of the working medium itself is particularly preferably controlled and / or controlled by the pump as a function of the exhaust gas temperature. The delivery rate of the working medium is preferably regulated and / or controlled in such a way that it is always ensured that the working medium has completely passed into the gas phase on entering the working medium channel from the liquid phase to the outlet from the working medium channel. The pump is therefore to be set so that it builds up a corresponding operating pressure, which causes a flow rate of the working medium and the working medium undergoes such a long residence time in the working medium channel, that it has substantially completely passed into the vapor phase or gaseous phase.

Hierzu ist bevorzugt der Arbeitsmediumkanal durch ein Rohrbündel ausgebildet, wobei das Rohrbündel von dem Abgas im Gleichstrom, Kreuzstrom und/oder Gegenstromprinzip umströmt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es daher möglich, auch verschiedene Mischformen der Wärmetauscherprinzipien der Wärmetauscherstromprinzipien anzuwenden. Beispielsweise kann das Rohrbündel auch U-förmig in der Abgaswärmetauscheranordnung angeordnet sein, so dass ein das Umströmen des Abgases zunächst im Kreuzstrom auf das Wärmetauscherrohrbündel trifft, dann zu einem Teil im Gleichstrom oder Gegenstromprinzip das Rohrbündel streift und anschließend wiederum das Rohrbündel im Kreuzstrom trifft.For this purpose, the working medium channel is preferably formed by a tube bundle, wherein the tube bundle is flowed around by the exhaust gas in the direct current, cross flow and / or countercurrent principle. in the It is therefore possible within the scope of the invention to also use different mixed forms of the heat exchanger principles of the heat exchanger flow principles. For example, the tube bundle may also be arranged in a U-shaped manner in the exhaust gas heat exchanger arrangement, so that the flow of the exhaust gas initially crosses the heat exchanger tube bundle, then stripping the tube bundle to a part in a cocurrent or countercurrent principle and then again hitting the tube bundle in cross flow.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorstellbar, zumindest ein Rohr des Rohrbündels des Arbeitsmediumkanals als Wirbelrohr auszubilden und/oder dass in dem Abgaskanal ein Wirbelrohr angeordnet ist. Durch das Wirbelrohr wird der jeweilige Fluidstrom in einen Wärmestrom und einen Kältestrom aufgeteilt, wobei der Kältestrom bevorzugt in einem Peripheriebauteil des Verbrennungsmotors weiter nutzbar ist. Beispielsweise ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Kältestrom für einen Regenerator in dem Rankine-Kreislauf zu nutzen, in dem wiederum ein Wärmeaustausch zwischen dem dampfförmigen Arbeitsmediumstrom und dem Kältestrom zu einem Übergang des Arbeitsmediums von einer dampfförmigen bzw. mischdampfförmigen Phase in eine flüssige Phase erreicht wird.In the context of the invention, it is also conceivable to form at least one tube of the tube bundle of the working medium channel as a vortex tube and / or that in the exhaust passage, a vortex tube is arranged. Through the vortex tube, the respective fluid flow is divided into a heat flow and a cooling flow, wherein the cooling flow is preferably further usable in a peripheral component of the internal combustion engine. For example, it is possible within the scope of the invention to use the cold flow for a regenerator in the Rankine cycle, in which in turn a heat exchange between the vaporous working medium flow and the refrigerant flow to a transition of the working medium of a vapor or mixed vapor phase into a liquid phase is reached.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorstellbar, dass der Wärmeübergangskoeffizient des Arbeitsmediumkanals variierend ausgebildet ist. Insbesondere nimmt der Wärmeübergangskoeffizient über die Länge des Arbeitsmediumkanals zu oder ab. Auch einer alternierende Zunahme und Abnahme des Wärmeübergangskoeffizienten über die Länge des Arbeitsmediumskanals ist im Rahmen der Erfindung vorstellbar. Bei einem zunehmenden Wärmeübergangskoeffizienten wird zunächst das durch den Arbeitsmediumkanal strömende Arbeitsmedium schonend von der flüssigen in die gasförmige Phase überführt. Aufgrund des zunehmenden Wärmeübergangskoeffizienten wird sichergestellt, dass bei immer weiterem Passieren des Arbeitsmediumkanals zunehmend mehr Arbeitsmedium von der flüssigen in die dampfförmige Phase übergeht und am Ende des Arbeitsmediumkanals das Arbeitsmedium vollständig in die dampfförmige Phase übergegangen ist. Bei einem alternierend zunehmenden und abnehmenden Wärmeübergangskoeffizienten wird eine turbulente Strömung des Arbeitsmediums in dem Arbeitsmediumkanal erzeugt. Durch diese Durchmischung wird wiederum sichergestellt, dass ausreichend flüssiges Arbeitsmedium nach Verlassen des Arbeitsmediumkanals in die gasförmige bzw. dampfförmige Phase übergegangen ist.In the context of the invention, it is also conceivable that the heat transfer coefficient of the working medium channel is formed varying. In particular, the heat transfer coefficient increases or decreases over the length of the working medium channel. Also an alternating increase and decrease of the heat transfer coefficient over the length of the working medium channel is conceivable within the scope of the invention. With an increasing heat transfer coefficient, first the working medium flowing through the working medium channel is gently transferred from the liquid to the gaseous phase. Due to the increasing heat transfer coefficient ensures that with more and more passing the working medium channel increasingly more working fluid passes from the liquid to the vapor phase and at the end of the working medium channel, the working medium is completely transferred to the vapor phase. With an alternately increasing and decreasing heat transfer coefficient, a turbulent flow of the working medium is generated in the working medium channel. By this mixing is again ensured that sufficient liquid working fluid has passed after leaving the working medium channel in the gaseous or vapor phase.

Zur Variation des Wärmeübergangskoeffizienten sind insbesondere die Werkstoffeigenschaften des Arbeitsmediumkanals über seine Länge variierend ausgebildet und/oder die Wandstärke des Arbeitsmediumkanals nimmt über seine Länge zu oder ab. Durch veränderbare Werkstoffeigenschaften ist es somit möglich, den Wärmeübergangskoeffizienten in dem Werkstoff selber derart zu beeinflussen, dass er höher oder niedriger ist als ein standardmäßig zu dem Werkstoff passender Wärmeübergangskoeffizient.In order to vary the heat transfer coefficient, in particular the material properties of the working medium channel are varied over its length and / or the wall thickness of the working medium channel increases or decreases over its length. Due to variable material properties, it is thus possible to influence the heat transfer coefficient in the material itself such that it is higher or lower than a by default to the material matching heat transfer coefficient.

Eine weitere Möglichkeit zur Veränderung des Wärmeüberganges, also der übergehenden Wärmemenge, ist eine zunehmende oder abnehmende Ausbildung der Wandstärke des Arbeitsmediumkanals. Durch die zunehmende oder abnehmende Wandstärke wird entsprechend die per Wärmeleitung geförderte Wärmemenge beeinflusst, dass wiederum die absolut übertragende Wärmeleistung steigt oder abnimmt.Another way to change the heat transfer, ie the amount of heat transferred, is an increasing or decreasing formation of the wall thickness of the working medium channel. As a result of the increasing or decreasing wall thickness, the amount of heat conveyed by heat conduction is accordingly influenced, so that in turn the absolutely transmitting heat output increases or decreases.

Eine weitere Möglichkeit als Alternative oder Ergänzung zu Beeinflussung des Wärmeübergangs von Abgaskanal zu Arbeitsmediumkanal ist die Anbringung an der Innenwandelfläche und/oder der Außenwandelfläche des Arbeitsmediumkanals von Wärmetauscherrippen. Hierdurch wird die Oberfläche zum Wärmeübergang vergrößert, so dass entsprechend eine größere Wärmemenge übertragen werden kann. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls vorstellbar, in dem Arbeitsmediumkanal Wärmetauscherrippen anzuordnen. Die Wärmetauscherrippen können ferner in Form von Strömungsleitfinnen ausgebildet sein, so dass sie die jeweilige Strömung mit einer Turbulenz bzw. einem Drall versehen.A further possibility as an alternative or supplement to influencing the heat transfer from the exhaust duct to the working medium duct is the attachment to the inner wall surface and / or the outer wall surface of the working medium duct of heat exchanger fins. As a result, the surface is increased for heat transfer, so that a corresponding amount of heat can be transmitted accordingly. In the context of the invention it is also conceivable to arrange heat exchanger fins in the working medium channel. The heat exchanger fins may also be designed in the form of flow guide fins, so that they provide the respective flow with a turbulence or a twist.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorstellbar, in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums die Wärmetauscherrippen in ihrer Größe und/oder Anzahl zunehmend und/oder abnehmend auszubilden. Auch hierdurch kann gezielt die an dem jeweiligen Ort im Arbeitsmediumkanal auszutauschende Wärmemenge beeinflusst werden. Beispielsweise kann auch wiederum zunächst mit nur einer Wärmetauscherrippe mit kleiner Oberfläche am Eintritt des Arbeitsmediumkanals begonnen werden, wohingegen die Anzahl der Wärmetauscherrippen sowie deren jeweilige Oberfläche zum Ende des Arbeitsmediumkanals zunehmend ausgebildet sind. Folglich steigt auch die zum Ende des Arbeitsmediumkanals übertragende Wärmemenge, was wiederum zu einem vollständigen Verdampfen des Arbeitsmediums bei Austritt des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsmediumkanal führt.In the context of the invention, it is further conceivable, in the flow direction of the working medium, the heat exchanger ribs in their size and / or number increasing and / or decreasing form. This also makes it possible to specifically influence the amount of heat to be exchanged at the respective location in the working medium channel. For example, again only one heat exchanger rib with a small surface can be started at the inlet of the working medium channel, whereas the number of heat exchanger ribs and their respective surface are increasingly formed toward the end of the working medium channel. Consequently, the amount of heat transferred to the end of the working medium channel increases, which in turn leads to a complete evaporation of the working medium at the outlet of the working medium from the working medium channel.

Weiterhin bevorzugt weist der Abgaswärmetauscher einen Bypasskanal auf, wobei der Bypasskanal bevorzugt an dem Abgaskanal ausgebildet ist. Sofern der Arbeitsmediumprozess, insbesondere der Rankine-Prozess, in besonderen Phasen der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einer Kaltstartphase, ausgesetzt bzw. unterbrochen werden soll, ist es möglich, den Abgaswärmetauscher zu umgehen.Furthermore, the exhaust gas heat exchanger preferably has a bypass channel, wherein the bypass channel is preferably formed on the exhaust gas channel. If the working medium process, in particular the Rankine process, in special phases of the internal combustion engine, such as a cold start phase, suspended or interrupted should, it is possible to bypass the exhaust gas heat exchanger.

Weiterhin besonders bevorzugt ist der Verdichter oder die Pumpe mit dem Verdampfer in einem Kombinationsgehäuse untergebracht, wobei das Kombinationsgehäuse bevorzugt der Zusatzkörper ist. Hierbei ist es möglich, den Verdichter sowie den Arbeitsmediumkanal, also den Bereich des Verdampfers in einem Gehäuse unterzubringen und den Abgaskanal entsprechend in einem anderen Gehäuseteil. Bevorzugt sind die beiden Gehäuseteile miteinander gekoppelt. Als Koppelung kann eine formschlüssige Koppelung, insbesondere eine formschlüssige Koppelung unter Anbringung einer Wärmeleitpaste und/oder eines andersartigen, den Wärmeübergang erhöhenden Werkstoffs ausgebildet sein.Furthermore, particularly preferably, the compressor or the pump is accommodated with the evaporator in a combination housing, wherein the combination housing is preferably the additional body. In this case, it is possible to accommodate the compressor as well as the working medium channel, that is to say the region of the evaporator, in one housing and the exhaust duct correspondingly in another housing part. Preferably, the two housing parts are coupled together. As coupling can be formed a positive coupling, in particular a positive coupling with attachment of a thermal paste and / or another type, the heat transfer increasing material.

Im Rahmen der Erfindung ist es optional auch möglich, den Verdampfer über den Kühlstrom zu kühlen. Bei dem Kühlstrom handelt es sich maßgeblich um den Kühlstrom eines Wirbelrohrs. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch der Kühlstrom als ein Kühlstrom des Kühlmittelkreislaufs des Verbrennungsmotors genutzt werden. Hierbei ist es möglich, den Verdampfer vor Überhitzungen zu schützen. Insbesondere in kurzzeitigen Volllastbetrieben ist dies eine interessante Möglichkeit des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers, so dass als Werkstoffe herkömmliche Wärmetauscherwerkstoffe in Frage kommen, ohne auf hochtemperaturresistente Werkstoffe zurückgreifen zu müssen, wobei dennoch ein sicherer Betrieb über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeugs sichergestellt ist.In the context of the invention, it is optionally also possible to cool the evaporator via the cooling flow. The cooling flow is essentially the cooling flow of a vortex tube. In the context of the invention, however, the cooling flow can also be used as a cooling flow of the coolant circuit of the internal combustion engine. It is possible to protect the evaporator from overheating. In particular, in short-term full load operations, this is an interesting possibility of the exhaust gas heat exchanger according to the invention, so that as materials conventional heat exchanger materials in question, without having to resort to high-temperature resistant materials, yet safe operation over the entire life of the motor vehicle is ensured.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zum Betreiben einer Abgaswärmetauscheranordnung mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale gelöst, indem der Verdichter in Abhängigkeit der Abgastemperatur und/oder des Abgasvolumenstroms und/oder der Arbeitsmediumtemperatur geregelt und/oder gesteuert wird.The object according to the invention is furthermore achieved by a method for operating an exhaust gas heat exchanger arrangement having at least one of the aforementioned features by controlling and / or controlling the compressor as a function of the exhaust gas temperature and / or the exhaust gas volumetric flow and / or the working medium temperature.

Hierbei ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den in den Abgaswärmetauscher integrierten Verdichter, insbesondere die Pumpe, in seiner Verdichterleistung in Abhängigkeit zu der Abgastemperatur und/oder des Abgasvolumenstroms und/oder der Arbeitsmediumtemperatur einzustellen. Hierdurch ist es im Rahmen der Erfindung möglich sicherzustellen, dass der Arbeitsmediumkreislauf, insbesondere der Rankine-Prozess, stets mit einem guten Wirkungsgrad ausgeführt wird, so dass am Ende des Verdichters, also nach Durchströmen des Arbeitsmediums durch den Arbeitsmediumkanal, nahezu vollständig ein Übergang in die dampfförmige Phase sichergestellt ist.In this context, it is possible within the scope of the invention to adjust the compressor, in particular the pump, integrated in the exhaust gas heat exchanger in terms of its compressor output as a function of the exhaust gas temperature and / or the exhaust gas volumetric flow and / or the working medium temperature. This makes it possible within the scope of the invention to ensure that the working medium circuit, in particular the Rankine process, is always performed with good efficiency, so that at the end of the compressor, so after flowing through the working medium through the working medium channel, almost completely a transition in the vapor phase is ensured.

Entsprechende Sensoren, beispielsweise Volumenstromsensoren, Drucksensoren und/oder Temperatursensoren, können bereits in den erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher integriert sein, so dass eine Regelungs- und Steuerungssensorik mit kurzen Arbeitswegen sichergestellt ist. Es muss zwangsläufig nicht auf externe Steuergeräte, die beispielsweise in einem Fahrzeuginnenraum angeordnet sind, zurückgegriffen werden, sondern es kann ein zentraler Steuerbaustein bereits in dem erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher integriert sein.Corresponding sensors, for example volumetric flow sensors, pressure sensors and / or temperature sensors, can already be integrated in the exhaust gas heat exchanger according to the invention, so that a control and control sensor system with short working paths is ensured. It is not necessary to resort to external control devices, which are arranged, for example, in a vehicle interior, but instead a central control module can already be integrated in the exhaust gas heat exchanger according to the invention.

Weiterhin bevorzugt wird das Arbeitsmedium durch Variation des erzeugten Pumpendrucks in seiner Strömungsgeschwindigkeit derart eingestellt, dass das Arbeitsmedium bei Austritt aus dem Arbeitsmediumkanal vollständig in den gasförmigen Aggregatzustand übergegangen ist. Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, den durch den Verdichter hergestellten Arbeitsdruck derart zu beeinflussen, dass hierüber der Übergang von flüssiger zu dampfförmiger Phase des Arbeitsmediums geregelt und/oder gesteuert wird.Further preferably, the working medium is adjusted by varying the pump pressure generated in its flow rate such that the working medium has passed completely on exiting the working medium channel in the gaseous state of matter. In the context of the invention, it is thus possible to influence the working pressure produced by the compressor in such a way that the transition from liquid to vaporous phase of the working medium is controlled and / or controlled via this.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, ein entsprechendes Ventil dem Verdichter vor- oder nachzuschalten, so dass die Verdichterleistung konstant bleibt und durch Änderung der Querschnittsfläche des Ventil eine entsprechende Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums beim Durchströmen des Arbeitsmediumkanals einstellbar ist.In the context of the invention, it is also possible to forward or close a corresponding valve to the compressor, so that the compressor power remains constant and a change in the cross-sectional area of the valve, a corresponding change in the flow rate of the working fluid is adjustable when flowing through the working medium channel.

Die zuvor genannten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar, mit den damit einhergehenden Vorteilen, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The aforementioned features can be combined with each other within the scope of the invention, with the attendant advantages, without departing from the scope of the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:Further advantages, features, characteristics and aspects of the present invention are part of the following description. Preferred embodiments are shown in the schematic figures. These are for easy understanding of the invention. Show it:

1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rankine-Prozess; 1 a known from the prior art arrangement of an internal combustion engine with a Rankine process;

2 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit integriertem Verdichter und 2 a heat exchanger according to the invention with integrated compressor and

3a–f verschiedene Geometrien der Rohre innerhalb des Wärmetauschers. 3a -F different geometries of the tubes inside the heat exchanger.

1 zeigt eine Wärmetauscheranordnung 1 an einem Verbrennungsmotor 2, wobei die von dem Verbrennungsmotor 2 abgeführten Abgase in Form eines Abgasstroms 3 durch einen Abgasstrang 4 geleitet werden. In dem Abgasstrang 4 ist ein Wärmetauscher 5 angeordnet, der die in dem Abgasstrom 3 enthaltene Wärme diesem entzieht und einem Arbeitsmediumkreislauf, hier dargestellt in Form eines Rankine-Kreislaufs 6, zuführt. 1 shows a heat exchanger assembly 1 on an internal combustion engine 2 being the one from the internal combustion engine 2 discharged exhaust gases in the form of an exhaust gas stream 3 through an exhaust system 4 be directed. In the exhaust system 4 is a heat exchangers 5 arranged in the exhaust gas flow 3 contained heat this deprives and a working medium circuit, shown here in the form of a Rankine cycle 6 , feeds.

Der Wärmetauscher 5 ist optional durch einen Bypass 7 umströmbar. Das Arbeitsmedium durchströmt dabei den hier dargestellten Wärmetauscher 5 im Gegenstromprinzip. Bei Durchströmen des Wärmetauschers 5 durchströmt das Arbeitsmedium einen Arbeitsmediumkanal 9. Bei Eintritt 10 in den Arbeitsmediumkanal 9 ist das Arbeitsmedium bevorzugt vollständig in einem flüssigen Aggregatzustand. Es wird von einem Verdichter 11 entsprechend auf einen Betriebsdruck gebracht, so dass eine Strömung stattfindet. Bei Austritt 12 des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsmediumkanal 9 ist dieses vollständig in die gasförmige Phase übergegangen. In einem nachgeschalteten Expander 13 wird das gasförmige Arbeitsmedium entspannt und diesem entsprechend Energie entzogen. In einem dem Expander 13 nachgeschalteten Kondensator 14 kondensiert das Arbeitsmedium und geht wiederum vollständig in die flüssige Phase über. Weiterhin können der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung 1 verschiedene Abgasnachbehandlungskomponenten 15 nachgeschaltet und/oder vorgeschaltet sein.The heat exchanger 5 is optional by a bypass 7 flow around. The working medium flows through the heat exchanger shown here 5 in countercurrent principle. When flowing through the heat exchanger 5 the working medium flows through a working medium channel 9 , At entrance 10 in the working medium channel 9 the working medium is preferably completely in a liquid state of matter. It is powered by a compressor 11 accordingly brought to an operating pressure, so that a flow takes place. At the exit 12 the working medium from the working medium channel 9 this has gone completely into the gaseous phase. In a downstream expander 13 the gaseous working medium is expanded and deprived of energy accordingly. In an expander 13 downstream capacitor 14 condenses the working medium and in turn passes completely into the liquid phase. Furthermore, the heat exchanger arrangement according to the invention 1 various exhaust aftertreatment components 15 downstream and / or upstream.

In 2 ist ein erfindungsgemäßer Abgaswärmetauscher mit integriertem Verdichter in Form einer Pumpe 16 dargestellt. Der Abgaswärmetauscher besteht dazu aus einem Basiskörper 17 sowie einem an den Basiskörper 17 angeordneten Zusatzkörper 18. Der Zusatzkörper 18 beherbergt einen Teil des Arbeitsmediumkanals 9 sowie eintrittsseitig die Pumpe 16 selber. In dem Basiskörper 17 ist ein Rohrbündel 19 zur Durchleitung des Arbeitsmediums 20 dargestellt. Schematisch angedeutet ist der Abgaskanal 21 mit einer Abgaseintrittsseite 22 und einer Abgasaustrittsseite 23.In 2 is an inventive exhaust gas heat exchanger with integrated compressor in the form of a pump 16 shown. The exhaust gas heat exchanger consists of a base body 17 and one to the base body 17 arranged additional body 18 , The additional body 18 houses a part of the working medium channel 9 and on the inlet side the pump 16 himself. In the base body 17 is a tube bundle 19 for the passage of the working medium 20 shown. Schematically indicated is the exhaust duct 21 with an exhaust gas inlet side 22 and an exhaust gas outlet side 23 ,

Aus der schematischen Darstellung gemäß 2 wird gut ersichtlich, dass im Falle des Abgases mit hohen Temperaturen und hochkorosiven Eigenschaften eine klare Trennung zwischen Basiskörper 17 sowie Zusatzkörper 18 vorliegt. Das Arbeitsmedium 20 strömt dabei an einem Eintritt 10 des Arbeitsmediumkanals in den Zusatzkörper 18 ein, durchströmt die Pumpe 16 und anschließend den Arbeitsmediumkanal. Bei Austritt 12 des Arbeitsmediums 20 aus dem Arbeitsmediumkanal ist durch den erfindungsgemäßen Aufbau in einfacher Weise sichergestellt, dass das Arbeitsmedium 20 vollständig in die dampfförmige Phase übergegangen ist.From the schematic representation according to 2 It becomes clear that, in the case of exhaust gas with high temperatures and highly corrosive properties, there is a clear separation between base bodies 17 as well as additional body 18 is present. The working medium 20 flows thereby at an entrance 10 the working medium channel in the additional body 18 a, flows through the pump 16 and then the working medium channel. At the exit 12 of the working medium 20 From the working medium channel is ensured by the structure of the invention in a simple manner that the working fluid 20 has completely gone over into the vapor phase.

3a bis f zeigen verschiedene Formen der Rohre 24, insbesondere zum Einsatz in dem Rohrbündel des Arbeitsmediumkanals. Hierbei sind gemäß 3a, b und c verschiedene Einprägungen 25 oder Ausprägungen 26 auf den Rohren angebracht, so dass diese eine turbulente Strömung und/oder eine vergrößerte Oberfläche 27 für einen erhöhten Wärmeübergang aufweisen. 3a to f show different shapes of the tubes 24 , in particular for use in the tube bundle of the working medium channel. Here are according to 3a , b and c different impressions 25 or characteristics 26 attached to the pipes so that they have a turbulent flow and / or an enlarged surface 27 have for increased heat transfer.

Im Falle von 3d sind weiterhin Wärmetauscherrippen 28 außenseitig auf dem Rohr angebracht, so dass diese die Oberfläche 27 vergrößern, über die die Wärme übergehen kann. In Längsrichtung 29, auf die Bildebene bezogen von links nach rechts, ist die Anzahl der Wärmetauscherrippen zunehmend, wobei die Wärmetauscherrippen bei Strömungseintritt auf der linken li Seite eine geringere Oberfläche haben als dies in der Mitte oder am rechten re Ende der Fall ist. Somit variiert sowohl die Größe der Wärmetauscherrippen als auch die Anzahl der Wärmetauscherrippen über die Länge des Rohres selber.In case of 3d are still heat exchanger fins 28 attached to the outside of the pipe, so that these are the surface 27 enlarge, over which the heat can pass. Longitudinal 29 , In the image plane, from left to right, the number of heat exchanger fins is increasing, the heat exchanger fins have a lower surface area at the entrance to the left on the left side than in the middle or at the right re end the case. Thus, both the size of the heat exchanger fins and the number of heat exchanger fins varies along the length of the pipe itself.

3e und f zeigen jeweils weiterhin ein gewundenes Rohr 30, dass zum einen eine Einprägung aufweist, zum anderen allerdings auch einen Drall D des durch das Rohr strömenden Mediums erzeugt. 3e and f each continue to show a tortuous tube 30 in that, on the one hand, it has an impression, but on the other hand it also generates a twist D of the medium flowing through the tube.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
WärmetauscheranordnungThe heat exchanger assembly
22
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
33
Abgasstromexhaust gas flow
44
Abgasstrangexhaust gas line
55
Wärmetauscherheat exchangers
66
Rankine-KreislaufRankine cycle
77
Bypassbypass
88th
GegenstromprinzipCounterflow principle
99
ArbeitsmediumkanalWorking medium channel
1010
Eintritt zu 9 Admission to 9
1111
Verdichtercompressor
1212
Austritt zu 9 Exit to 9
1313
Expanderexpander
1414
Kondensatorcapacitor
1515
Abgasnachbehandlungskomponenteexhaust aftertreatment component
1616
Pumpepump
1717
Basiskörperbase body
1818
Zusatzkörperadditional body
1919
Rohrbündeltube bundle
2020
Arbeitsmediumworking medium
2121
Abgaskanalexhaust duct
2222
AbgaseintrittsseiteExhaust gas inlet side
2323
AbgasaustrittsseiteExhaust gas outlet side
2424
Rohrpipe
2525
Einprägungimpressing
2626
Ausprägungshaping
2727
Oberflächesurface
2828
Wärmetauscherrippeheat exchanger fin
2929
Längsrichtunglongitudinal direction
3030
Rohrpipe
DD
Dralltwist
lili
linksLeft
rere
rechtsright

Claims (20)

Abgaswärmetauscheranordnung (1) für einen Verbrennungsmotor (2) in einem Kraftfahrzeug, aufweisend einen Abgaswärmetauscher (5), wobei der Abgaswärmetauscher (5) einen Abgaskanal (21) zum Durchführen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) und einen Arbeitsmediumkanal (9) zum Durchführen eines Arbeitsmediums (20) aufweist, wobei das Arbeitsmedium (20) für einen thermodynamischen Kreisprozess nutzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter (11) für das Arbeitsmedium (20) in dem Abgaswärmetauscher (5) integriert ist.Exhaust gas heat exchanger arrangement ( 1 ) for an internal combustion engine ( 2 ) in a motor vehicle, comprising an exhaust gas heat exchanger ( 5 ), wherein the exhaust gas heat exchanger ( 5 ) an exhaust duct ( 21 ) for passing exhaust gas of the internal combustion engine ( 2 ) and a working medium channel ( 9 ) for carrying out a working medium ( 20 ), wherein the working medium ( 20 ) is usable for a thermodynamic cycle, characterized in that a compressor ( 11 ) for the working medium ( 20 ) in the exhaust gas heat exchanger ( 5 ) is integrated. Abgaswärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisprozess als Rankine Prozess mit dem Arbeitsmedium (20) Wasser und/oder einem organischen Fluid nutzbar ist, wobei das Arbeitsmedium (20) in Strömungsrichtung vor dem Eintritt in den Arbeitsmediumkanal (9) einen im Wesentlichen flüssigen Aggregatzustand aufweist und nach Austritt aus dem Arbeitsmediumkanal (9) einen im wesentlichen gasförmigen Aggregatzustand aufweist.Exhaust-gas heat exchanger arrangement according to claim 1, characterized in that the cyclic process as Rankine process with the working medium ( 20 ) Water and / or an organic fluid is usable, wherein the working medium ( 20 ) in the flow direction before entering the working medium channel ( 9 ) has a substantially liquid state of aggregation and after leaving the working medium channel ( 9 ) has a substantially gaseous state of matter. Abgaswärmetauscheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (5) aus einem Basiskörper (17) ausgebildet ist sowie mindestens einem an den Basiskörper (17) gekoppelten Zusatzkörper (18), wobei an den Abgaswärmetauscher (5) Leitungen zu Zuführung und zur Abführung der Fluide angeschlossen sind.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the exhaust gas heat exchanger ( 5 ) from a base body ( 17 ) and at least one of the base body ( 17 ) coupled additional body ( 18 ), wherein to the exhaust gas heat exchanger ( 5 ) Lines are connected to supply and discharge of fluids. Abgaswärmetauscheranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) in dem Basiskörper (17) oder dem Zusatzkörper (18) angeordnet ist.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to claim 3, characterized in that the compressor ( 11 ) in the base body ( 17 ) or the additional body ( 18 ) is arranged. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) als Pumpe (16) ausgebildet ist, wobei die Pumpe (16) einen Arbeitsdruck des Arbeitsmediums (20) aufbaut, der zwischen 1 und 120 bar beträgt.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the compressor ( 11 ) as a pump ( 16 ), wherein the pump ( 16 ) a working pressure of the working medium ( 20 ), which is between 1 and 120 bar. Abgaswärmetauscheranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (16) als Strömungspumpe oder Kreiselpumpe oder Verdrängerpumpe oder als Kreiskolbenpumpe ausgebildet ist, wobei die Pumpe (16) elektrisch oder mechanisch von der Verbrennungskraftmaschine (2) antreibbar ist.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to claim 5, characterized in that the pump ( 16 ) is designed as a flow pump or centrifugal pump or positive displacement pump or as a rotary piston pump, wherein the pump ( 16 ) electrically or mechanically from the internal combustion engine ( 2 ) is drivable. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (16) temperaturstabil ist und das Arbeitsmedium (20) bei einer Temperatur zwischen 50 und 400°C förderbar ist.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to one of claims 5 or 6, characterized in that the pump ( 16 ) is thermally stable and the working medium ( 20 ) at a temperature between 50 and 400 ° C is conveyed. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördermenge des Arbeitsmedium (20) durch die Pumpe (16) in Abhängigkeit der Abgastemperatur geregelt und/oder gesteuert wird.Exhaust-gas heat exchanger arrangement according to one of claims 5 to 7, characterized in that a flow rate of the working medium ( 20 ) through the pump ( 16 ) is regulated and / or controlled as a function of the exhaust gas temperature. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumkanal (9) durch ein Rohrbündel (19) ausgebildet ist, wobei das Rohrbündel (19) von dem Abgas im Gleichstrom, Kreuzstrom und/oder Gegenstromprinzip umströmt wird.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the working medium channel ( 9 ) through a tube bundle ( 19 ), wherein the tube bundle ( 19 ) is flowed around by the exhaust gas in the DC, cross-flow and / or countercurrent principle. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rohr (24, 30) des Rohrbündels (19) als Wirbelrohr ausgebildet ist und/oder dass in dem Abgaskanal ein Wirbelrohr angeordnet ist.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one pipe ( 24 . 30 ) of the tube bundle ( 19 ) is designed as a vortex tube and / or that in the exhaust passage, a vortex tube is arranged. Abgaswärmetauscheranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelrohr den Fluidstrom in einen Wärmestrom und einen Kältestrom aufteilt, wobei der Kältestrom in einem Peripheriebauteil des Verbrennungsmotors (2) nutzbar ist.Exhaust-gas heat exchanger arrangement according to claim 10, characterized in that the vortex tube divides the fluid flow into a heat flow and a cooling flow, wherein the cooling flow in a peripheral component of the internal combustion engine ( 2 ) is usable. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergangskoeffizient über die Länge des Arbeitsmediumkanals (9) variiert, insbesondere zunimmt oder abnimmt.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the heat transfer coefficient over the length of the working medium channel ( 9 ) varies, in particular increases or decreases. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffeigenschaften des Arbeitsmediumskanals (9) über seine Länge variieren und/oder dass die Wandstärke des Arbeitsmediumkanals (9) über seine Länge zunehmen oder abnehmen.Exhaust heat exchanger arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the material properties of the working medium channel ( 9 ) vary over its length and / or that the wall thickness of the working medium channel ( 9 ) increase or decrease over its length. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenmantelfläche und/oder Außenmantelfläche des Arbeitsmediumkanals (9) Wärmetauscherrippen (28) zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche vorgesehen sind.Exhaust heat exchanger arrangement according to one of claims 1 to 13, characterized in that on the inner lateral surface and / or outer lateral surface of the working medium channel ( 9 ) Heat exchanger ribs ( 28 ) are provided to increase the heat transfer area. Abgaswärmetauscheranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wärmetauscherrippen (28) in Strömungsrichtung zunehmend und/oder abnehmend ausgebildet ist.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to claim 14, characterized in that the number of heat exchanger fins ( 28 ) is formed increasingly and / or decreasing in the flow direction. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (5) einen Bypasskanal aufweist.Exhaust gas heat exchanger arrangement according to one of claims 1 to 15, characterized in that the exhaust gas heat exchanger ( 5 ) has a bypass channel. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) mit einem Verdampfer in einem Kombinationsgehäuse kombiniert ist.Exhaust-gas heat exchanger arrangement according to one of Claims 1 to 16, characterized that the compressor ( 11 ) is combined with an evaporator in a combination housing. Abgaswärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer über einen Kühlstrom kühlbar ist.Exhaust-gas heat exchanger arrangement according to one of claims 1 to 17, characterized in that the evaporator can be cooled by a cooling flow. Verfahren zum Betreiben einer Abgaswärmetauscheranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) in Abhängigkeit der Abgastemperatur und/oder der Abgasvolumenstromes und/oder der Arbeitsmediumtemperatur geregelt und/oder gesteuert wird.Method for operating an exhaust gas heat exchanger arrangement according to at least one of Claims 1 to 18, characterized in that the compressor ( 11 ) is regulated and / or controlled as a function of the exhaust gas temperature and / or the exhaust gas volume flow and / or the working medium temperature. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (20) durch Variation des erzeugten Pumpendruckes in seiner Strömungsgeschwindigkeit derart eingestellt wird, dass das Arbeitsmedium (20) bei Austritt aus dem Arbeitsmediumkanal (9) vollständig in den gasförmigen Aggregatzustand übergegangen ist.Method according to claim 19, characterized in that the working medium ( 20 ) is adjusted by varying the generated pump pressure in its flow rate such that the working medium ( 20 ) when exiting the working medium channel ( 9 ) has completely gone over into the gaseous state of matter.
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