DE102013020364B3

DE102013020364B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102013020364B3
Application number: DE201310020364
Authority: DE
Inventors: Stefan Moldenhauer
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2033-11-30

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine einfache, kostengünstige Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur effizienten Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe von Abgasenergie dem Druckabfall beim Einlassvorgang eines Verbrennungsmotors entgegenwirkt, in dem zusätzlich zur im Verbrennungsmotor betriebsbedingt vorhandenen Druckschwingung im Einlasssystem die phasenverschobene Druckschwingung im Auslasssystem zur Durchführung eines thermischen Energiewandlungsprozesses benutzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors und ist eine Weiterentwicklung der in DE 10 2013 002 974.0 offenbarten Lehre.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Teillastentdrosselung eines Ottomotors, da bei diesem im Teillastbereich der Druckabfall im Aussaugsystem besonders hoch ist.
Verbrennungsmotoren werden heutzutage mit Hilfe von Abgasturboladern aufgeladen. Dadurch gewinnt man durch eine im Abgasstrang angeordnete Turbine Abgasenergie des Verbrennungsmotors zurück. Die vom Abgas angetriebene Turbine wird zum Antrieb eines Turboverdichters verwendet, der den Verbrennungsmotor mit unter Druck stehendem Frischgas versorgt. Trotz der teilweisen Rückgewinnung der Abgasenergie mit Hilfe der im Abgasstrang angeordneten Turbine herrschen am Turbinenaustritt immer noch Abgastemperaturen, die hoch genug sind, um sie zu einer Wandlung in eine nutzbare Energieform zu verwenden.
In den Druckschriften DE 10 2008 050 655 B4 (bzw. EP 2 329 127 B1 ) und DE 197 01 160 A1 werden Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie des Abgases in mechanische Energie eines Kolbens oder einer Membran bzw. in elektrische Energie mit Hilfe von Wärmekraftmaschinen beschrieben. Dabei wird jedoch immer eine zusätzliche Kompressions- bzw. Expansionsmaschine, wie beispielsweise eine Zylinder-Kolben-Anordnung oder eine Membrananordnung benötigt, um die erforderliche Druckschwingung zu erzeugen. Soll, wie beispielsweise in DE 10 2008 050 655 B4 ( EP 2 329 127 B1 ) beschrieben, die mechanische Energie des Kolbens bzw. der Membran in elektrische Energie umgewandelt werden, ist zudem ein elektrischer Generator notwendig. Die damit verbundenen Kosten stehen oft nicht im Verhältnis zu der mit derartigen Systemen nutzbargemachten Abgasenergie. Weiterhin sind zusätzliche Komponenten zur Versorgung und Kühlung der Wärmekraftmaschine notwendig, welche die Gesamteffizienz des Systems absenken und die Zusatzkosten erhöhen.
In der Druckschrift DE 29 14 691 A1 wird ein Verfahren zur Ausnutzung der Druckschwingungen (Druckpulsationen) im Ansaug- und Abgassystem eines mittels Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors beschrieben. Dabei werden die einlass- und auslassseitig vorhandenen, zueinander phasenverschobenen, Druckschwingungen benutzt, um einen Bypassluftstrom von der Verdichteraustrittsseite (Einlasssystem) zur Turbineneintrittsseite (Auslasssystem) zu bewirken und damit das Teillastverhalten des Verbrennungsmotors zu verbessern. Eine Nutzung der thermischen Energie des Abgases zur Beeinflussung der Frischgasmenge des Verbrennungsmotors wird dabei jedoch nicht in Betracht gezogen.
Zur Überwindung dieser Nachteile aus dem Stand der Technik wurde mit der Druckschrift DE 10 2013 002 974.0 eine einfache, kostengünstige Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur effizienten Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, bei dem mit Hilfe von Abgasenergie dem Druckabfall beim Einlassvorgang eines Verbrennungsmotors entgegengewirkt wird. Es wird dabei die Gasschwingung im Ansaugsystem des Verbrennungsmotors für die Realisierung eines thermodynamischen Kreisprozesses, bei dem eine Umwandlung der Wärmeenergie des Abgases in mechanische Arbeit der Kolben des Verbrennungsmotors erfolgt, verwendet. Jedoch hat der in der DE 10 2013 002 974.0 verwendete einfache Pulsrohrprozess aufgrund einer passiven Phasenverschiebung zwischen Gasdruckschwingung und Gasvolumenstrom eine geringere thermodynamische Effizienz als beispielsweise ein Stirlingprozoss mit aktiver Phasenverschiebung [1, 2].
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine noch effizientere Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe vorrichtungsseitig mit den im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmalen und verfahrensseitig mit den Merkmalen des siebenten Patentanspruchs.
Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, mit der die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vorgestellt wird. Es zeigt:
1 – ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Erfindungsgemäß wird der aus der DE 10 2013 002 974.0 bekannte Pulsrohrprozess (thermodynamischer Kreisprozess) mit einer aktiven Phasenverschiebung zwischen Gasdruckschwingung und Gasvolumenstrom realisiert. Beim Öffnen der Einlasssteuerung eines Verbrennungsmotors kommt es funktionsbedingt zu einem Druckabfall im Einlasssystem. Gemäß der Lehre aus der DE 10 2013 002 974.0 wird mit Hilfe von Abgasenergie dem Druckabfall beim Einlassvorgang eines Verbrennungsmotors entgegengewirkt, in dem die beim Verbrennungsmotor betriebsbedingt vorhandene Druckschwingung im Einlasssystem zur Durchführung eines thermischen Energiewandlungsprozesses benutzt wird. Die daraus resultierende pV-Arbeit wird dabei direkt durch die Kolben des Verbrennungsmotors genutzt. Dadurch kann die Verwendung einer zusätzlichen Kompressions- bzw. Expansionsmaschine (z. B. Zylinder-Kolben-Anordnung) bzw. eines elektrischen Generators zur Nutzbarmachung der Abgasenergie vermieden werden, wodurch ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Vorrichtung realisierbar ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die zur Druckschwingung im Einlasssystem des Verbrennungsmotors phasenverschobene Druckschwingung im Auslasssystem des Verbrennungsmotors zur Unterstützung des in DE 10 2013 002 974.0 beschriebenen thermischen Energiewandlungsprozesses zu verwenden.
Wie in 1 dargestellt, besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors aus dem Einlasssystem (1) des Verbrennungsmotors, welchem Frischgas aus der Umgebung (10) zugeführt wird, den Zylindern (2) des Verbrennungsmotors und der Einlasssteuerung (3) des Verbrennungsmotors, die fluidisch mit einer Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip, bestehend aus einem Pulsrohr (4), einem Wärmeübertrager (5) und einem Gas- und Wärmespeicher (6), verbunden sind. Das Pulsrohr (4), der Wärmeübertrager (5) und der Gas- und Wärmespeicher (6) sind in einer ersten Ausführungsform miteinander seriell fluidisch verbunden. Der Wärmeübertrager (5) dient zur Übertragung der Wärmeenergie des Abgases des Verbrennungsmotors an das vom Pulsrohr (4) kommende Frischgas. Mit Hilfe einer Drosselklappe (9) kann die Zufuhr von Frischgas zum Einlasssystem (1) reguliert werden. Weiterhin ist erfindungsgemäß zwischen dem Gas- und Wärmespeicher (6) und dem Abgasrohr (11) des Verbrennungsmotors eine fluidische Verbindung (13) vorgesehen, die durch ein geregeltes Ventil (14) geöffnet oder geschlossen werden kann.
Die Frischgaszufuhr zum Einlasssystem (1) kann, wie in 2 dargestellt, auch über einen Verdichter (7) erfolgen. Außerdem kann im Einlasssystem (1) des Verbrennungsmotors ein Gaskühler (8) zur Kühlung der verdichteten Frischluft angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können das Einlasssystem (1) und das Pulsrohr (4) als eine Einheit ausgeführt sein.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Nutzung verbrennungsmotorischer Abwärme lässt sich wie folgt beschreiben:
Im Einlasssystem (1), dem Pulsrohr (4), dem Wärmeübertrager (5) und dem Gas- und Wärmespeicher (6) befindet sich Frischgas mit dem Druck p_max. Die Temperatur des sich im Pulsrohr (4) befindenden Frischgases nimmt beginnend an der Verbindungsstelle zwischen dem Einlasssystem (1) des Verbrennungsmotors und dem Pulsrohr (4) in Richtung Wärmeübertrager (5) zu. Mit dem durch die Einlasssteuerung (3) hervorgerufenen Öffnen eines im Ansaugvorgang begriffenen Zylinders (2) des Verbrennungsmotors zum Einlasssystem (1) kommt es zu einem Druckabfall im Einlasssystem (1), im Pulsrohr (4), im Wärmeübertrager (5) und im Gas- und Wärmespeicher (6). In der Folge strömt Frischgas aus dem Gas- und Wärmespeicher (6) über den Wärmeübertrager (5) in das Pulsrohr (4). Bedingt durch die Expansion des Frischgases gibt der Gas- und Wärmespeicher (6) gespeicherte Wärmeenergie an das Frischgas ab und das erwärmte Frischgas strömt vom Gas- und Wärmespeicher (6) über den Wärmeübertrager (5) in die warme Seite des Pulsrohres (4). Dabei wird die Temperatur des in die warme Seite des Pulsrohres einströmenden Frischgases durch die Temperatur des Wärmeübertragers (5), der mit Abgaswärme beheizt wird, vorgegeben. Weiterhin strömt aus der mit dem Einlasssystem (1) verbundenen Seite des Pulsrohres (4) kälteres Frischgas in das Einlasssystem (1) des Verbrennungsmotors und von dort über die Einlasssteuerung (3) in den im Ansaugvorgang begriffenen Zylinder (2) des Verbrennungsmotors. Durch die im Gas- und Wärmespeicher (6) stattfindende Wärmezufuhr an das Frischgas wird somit dem Druckabfall beim Ansaugvorgang entgegengewirkt. Es stellt sich der Druck p_min < p_max ein.
Mit dem Schließen des Zylinders (2) durch die Einlasssteuerung (3) kommt es aufgrund des durch den Ansaugvorgang bedingten Unterdrucks p_min zum Einströmen von Frischgas aus der Umgebung (10) über die Drosselklappe (9) in das Einlasssystem (1) und zum Überströmen in das Pulsrohr (4) sowie über den Wärmeübertrager (5) in den Gas- und Wärmespeicher (6), wobei das Frischgas vom Wärmeübertrager (5) Wärmeenergie aufnimmt, die es beim Einströmen in den Gas- und Wärmespeicher (6) an das dort vorhandene Wärmespeichermaterial abgibt. Das aus der Umgebung (10) in das Einlasssystem (1) einströmende Frischgas kann optional mittels eines Verdichters (7) verdichtet und mittels eines im Einlasssystem (1) befindlichen Gaskühlers (8) gekühlt werden. Es stellt sich wieder der Druck p_max ein.
Im Abgasrohr (11) des Verbrennungsmotors kommt es durch das Öffnen und Schließen der Auslasssteuerung (12) des Verbrennungsmotors zu einer periodischen Abgasdruckschwingung, die eine Phasenverschiebung zu der Frischgasdruckschwingung im Einlasssystem (1) des Verbrennungsmotors aufweist. Die Befüllung und Entleerung der Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip wird erfindungsgemäß durch eine fluidische Verbindung (13) zwischen dem Gas- und Wärmespeicher (6) und dem Abgasrohr (11) des Verbrennungsmotors unterstützt, indem die zur Frischgasdruckschwingung phasenverschobene Druckschwingung im Abgasrohr benutzt wird, um bei geschlossener Einlasssteuerung (3) Frischgas aus der Umgebung (10) über die Drosselklappe (9), das Einlasssystem (1), das Pulsrohr (4) und den Wärmeübertrager (5) in den Gas- und Wärmespeicher (6) zu fördern und bei geöffneter Einlasssteuerung (3) das Frischgas aus dem Gas- und Wärmespeicher (6) über den Wärmeübertrager (5) und das Pulsrohr (4) in das Einlasssystem (1) und den Zylinder (2) des Verbrennungsmotors zu fördern. Die fluidische Verbindung (13) wird dabei über ein in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors geregeltes Ventil (14) geöffnet oder geschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Einlasssystem des Verbrennungsmotors
2: Zylinder des Verbrennungsmotors
3: Einlasssteuerung des Verbrennungsmotors
4: Pulsrohr der Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip
5: Wärmeübertrager der Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip
6: Gas- und Wärmespeicher der Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip
7: Verdichter
8: Gaskühler
9: Drosselklappe
10: Umgebung
11: Abgasrohr
12: Auslasssteuerung des Verbrennungsmotors
13: fluidische Verbindung zwischen Gas- und Wärmespeicher und Abgasrohr
14: geregeltes Ventil

Literaturliste

[1] – S. Moldenhauer, T. Stark, C. Holtmann, and A. Thess: The pulse tube engine: A numerical and experimental approach on its design, performance, and operating conditions. Energy, vol. 55, pp. 703–715, 2013.
[2] – S. Moldenhauer: Analytical model of the pulse tube engine. Energy, vol. 63, pp. 285–299, 2013.

Claims

Vorrichtung zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors, dessen Zylinder (2) ein Einlasssystem (1) mit einer Einlasssteuerung (3) aufweisen, wobei das Einlasssystem (1) fluidisch mit einer Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip, bestehend aus einem Pulsrohr (4), einem Wärmeübertrager (5), dem Abgaswärme zugeführt wird, und einem Gas- und Wärmespeicher (6) gekoppelt ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gas- und Wärmespeicher (6) und ein Abgasrohr (11) durch eine fluidische Verbindung (13) verbunden sind, die mittels eines geregelten Ventils (14) verschließbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsrohr (4), der Wärmeübertrager (5) und der Gas- und Wärmespeicher (6) miteinander seriell fluidisch gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Einlasssystem (1) und das Pulsrohr (4) als eine Einheit ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Einlasssystem (1) eine Drosselklappe (9) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Einlasssystem (1) einen Frischgasverdichter (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Einlasssystem (1) einen Gaskühler (8) aufweist.
Verfahren zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein vom Pulsrohr (4) über den Wärmeübertrager (5) in den Gas- und Wärmespeicher (6) strömendes Frischgas im Wärmeübertrager (5) Abgaswärme aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung und Entleerung des Pulsrohres (4) und des Gas- und Wärmespeichers (6) mit Frischgas durch eine Druckschwingung im Einlasssystem (1) und eine phasenverschobene Druckschwingung im Abgasrohr (11) des Verbrennungsmotors realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Frischgas in das Einlasssystem (1) über eine Drosselklappe (9) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas aus der Umgebung (10) über einen Verdichter (7) dem Einlasssystem (1) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas aus der Umgebung (10) im Einlasssystem (1) mit einem Gaskühler (8) gekühlt wird.