DE102015016783A1 - Device for recovering energy from waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Gewinnung von Energie aus Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs mit einem Arbeitskreislauf (3), umfassend eine Pumpe (4) zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einen Abgasnachbehandlungs-Verdampfer (6) zur Verdampfung des Arbeitsmediums mittels aus einem Abgasnachbehandlungssystem der Verbrennungskraftmaschine (2) gewonnener Abwärme, einen Abgasrückführungs-Verdampfer (5) zur Verdampfung des Arbeitsmediums mittels aus einem Abgasrückführungssystem der Verbrennungskraftmaschine (2) gewonnener Abwärme und eine Expansionsmaschine (7) zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums. Erfindungsgemäß umfasst der Abgasrückführungs-Verdampfer (5) mehrere Wärmetauscherblöcke (5.1 bis 5.3) und der Abgasnachbehandlungs-Verdampfer (6) ist nach einem ersten Wärmetauscherblock (5.1) und vor einem letzten Wärmetauscherblock (5.3) innerhalb des Arbeitskreislaufes (3) von dem Arbeitsmedium durchströmt.The invention relates to a device (1) for recovering energy from waste heat of an internal combustion engine (2) of a motor vehicle with a working circuit (3), comprising a pump (4) for compressing a working medium, an exhaust aftertreatment evaporator (6) for evaporation of the working medium by means of an exhaust aftertreatment system of the internal combustion engine (2) recovered waste heat, an exhaust gas recirculation evaporator (5) for evaporation of the working medium by means of an exhaust gas recirculation system of the internal combustion engine (2) recovered waste heat and an expansion machine (7) for relaxing the vaporized working medium. According to the invention, the exhaust gas recirculation evaporator (5) comprises a plurality of heat exchanger blocks (5.1 to 5.3) and the exhaust aftertreatment evaporator (6) flows through the working medium after a first heat exchanger block (5.1) and before a last heat exchanger block (5.3) within the working circuit (3) ,
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for recovering energy from waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle according to the preamble of claim 1.
Auf Dampfkreisprozessen, beispielsweise dem Rankine-Zyklus, basierende Vorrichtungen zur Gewinnung von Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine für Kraft- und Nutzfahrzeuge verfügen üblicherweise über vier Hauptkomponenten. Eine Pumpe, welche ein Arbeitsmedium verdichtet, einen Verdampfer, der das Arbeitsmedium verdampft und gegebenenfalls überhitzt, eine Expansionsmaschine, die das Arbeitsmedium expandiert, und einen Kondensator, der das Arbeitsmedium wieder kondensiert, um es erneut der Pumpe zuzuführen. Es ist bekannt, für die Verdampfung des Arbeitsmediums in solchen Vorrichtungen nicht nur Abgas nach einem Turbolader und einer Abgasnachbehandlung mittels eines so genannten Abgasnachbehandlungs-Verdampfers zu nutzen, sondern in Fahrzeugen mit Abgasrückführung und entsprechender Kühlung einen Abgasrückführungs-Kühler durch einen so genannten Abgasrückführungs-Verdampfer zu ersetzen und so auch Abwärme aus der Abgasrückführung zu nutzen. Der Abgasnachbehandlungs-Verdampfer und der Abgasrückführungs-Verdampfer werden üblicherweise parallel verschaltet, können aber auch seriell angeordnet sein.Steam cycle processes, such as the Rankine cycle, based energy recovery apparatuses from waste heat of an internal combustion engine for commercial and utility vehicles usually have four major components. A pump that compresses a working fluid, an evaporator that vaporizes and optionally overheats the working fluid, an expansion machine that expands the working fluid, and a condenser that recombines the working fluid to re-supply it to the pump. It is known to use for the evaporation of the working fluid in such devices not only exhaust gas for a turbocharger and exhaust aftertreatment by means of a so-called exhaust aftertreatment evaporator, but in vehicles with exhaust gas recirculation and appropriate cooling an exhaust gas recirculation cooler by a so-called exhaust gas recirculation evaporator to replace and so also waste heat from the exhaust gas recirculation to use. The exhaust aftertreatment evaporator and the exhaust gas recirculation evaporator are usually connected in parallel, but may also be arranged in series.
Aus der
Weiterhin ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved apparatus for recovering energy from waste heat of an internal combustion engine in a motor vehicle.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved with a device having the features specified in claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Arbeitskreislauf, welcher eine Pumpe zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einen Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums mittels aus einem Abgasnachbehandlungssystem der Verbrennungskraftmaschine gewonnener Abwärme, einen Abgasrückführungs-Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums mittels aus einem Abgasrückführungssystem der Verbrennungskraftmaschine gewonnener Abwärme und eine Expansionsmaschine zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums umfasst.The device for recovering energy from heat loss of an internal combustion engine of a motor vehicle comprises a working circuit, which includes a pump for compressing a working medium, an exhaust aftertreatment evaporator for evaporation of the working medium by means of an exhaust aftertreatment system of the internal combustion engine recovered waste heat, an exhaust gas recirculation evaporator for evaporation of the working medium comprising waste heat recovered from an exhaust gas recirculation system of the internal combustion engine and an expansion machine for expanding the vaporized working medium.
Erfindungsgemäß umfasst der Abgasrückführungs-Verdampfer mehrere Wärmetauscherblöcke und der Abgasnachbehandlungs-Verdampfer ist nach einem ersten Wärmetauscherblock und vor einem letzten Wärmetauscherblock innerhalb des Arbeitskreislaufes von dem Arbeitsmedium durchströmt.According to the invention, the exhaust gas recirculation evaporator comprises a plurality of heat exchanger blocks, and the exhaust gas aftertreatment evaporator flows through the working medium after a first heat exchanger block and before a last heat exchanger block within the working circuit.
Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine verbesserte Nutzung der in einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Abwärme aus. Dabei erfolgt eine schnellere Aufwärmung oder Vorwärmung des Arbeitsmediums mittels zumindest eines Wärmetauscherblockes des Abgasrückführungs-Verdampfers vor einem Eintritt in den Abgasnachbehandlungs-Verdampfer, wodurch die Vorrichtung schneller einsatzbereit ist. Hierzu sind in vorteilhafter Weise keine Massenstromsensoren und Ventile zur Aufteilung eines Massenstromes des Arbeitsmediums zwischen dem Abgasrückführungs-Verdampfer und dem Abgasnachbehandlungs-Verdampfer und lediglich eine Pumpe zum Verdichten eines Arbeitsmediums erforderlich, wodurch ein Aufbau sowie eine Steuerung und Regelung der Vorrichtung vereinfacht und kostengünstig realisierbar sind. Des Weiteren ist gegenüber dem Stand der Technik eine verringerte Anzahl von Drucksensoren und Temperatursensoren erforderlich, wodurch der Aufbau sowie die Steuerung und Regelung der Vorrichtung weiter vereinfacht und die Kosten weiter reduziert sind.The device is characterized by an improved utilization of the waste heat contained in an exhaust gas of the internal combustion engine. In this case, there is a faster warming or preheating of the working medium by means of at least one heat exchanger block of the exhaust gas recirculation evaporator before entering the exhaust aftertreatment evaporator, whereby the device is ready for use faster. For this purpose, no mass flow sensors and valves for dividing a mass flow of the working medium between the exhaust gas recirculation evaporator and the exhaust aftertreatment evaporator and only a pump for compressing a working medium are required in an advantageous manner, whereby a structure and a control and regulation of the device are simplified and inexpensive to implement , Furthermore, compared to the prior art, a reduced number of pressure sensors and temperature sensors is required, whereby the structure and the control of the device further simplified and the costs are further reduced.
Weiterhin ermöglicht die Vorrichtung, dass bei der Durchströmung des gesamten Arbeitsmediums durch den ersten Wärmetauscherblock des Abgasrückführungs-Verdampfers ein innerhalb des Abgasrückführungssystems geführtes Abgas effektiv zur Rückführung in die Verbrennungskraftmaschine gekühlt wird. Hierdurch können ein Kraftstoffverbrauch und ein Schadstoffausstoß der Verbrennungskraftmaschine verringert werden. Gleichzeitig kann bei der Durchströmung des gesamten Arbeitsmediums durch einen dem ersten Wärmetauscherblock und dem Abgasnachbehandlungs-Verdampfer nachgeschalteten weiteren Wärmetauscherblock eine Überhitzung des Arbeitsmediums erreicht werden, wodurch ein Wirkungsgrad der Vorrichtung signifikant gesteigert ist.Furthermore, the device makes it possible that, when the entire working medium flows through the first heat exchanger block of the exhaust gas recirculation evaporator, an exhaust gas guided within the exhaust gas recirculation system is effectively cooled for recirculation into the internal combustion engine. This can be a Fuel consumption and pollutant emissions of the internal combustion engine can be reduced. At the same time overheating of the working medium can be achieved in the flow through the entire working medium by a further heat exchanger block downstream of the first heat exchanger block and the exhaust aftertreatment evaporator, whereby an efficiency of the device is significantly increased.
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.
In
Die Vorrichtung
Bei dieser Umwandlung wird im Arbeitskreislauf
Anschließend wird dem Arbeitsmedium in einem Abgasrückführungs-Verdampfer
Dabei umfasst der Abgasrückführungs-Verdampfer
Anschließend wird das zumindest vorgewärmte Arbeitsmedium dem Abgasnachbehandlungs-Verdampfer
Darauf folgend wird das Arbeitsmedium zwei weiteren Wärmetauscherblöcken
Diese Verschaltung des Abgasnachbehandlungs-Verdampfers
In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen kann auch der Abgasnachbehandlungs-Verdampfer
In weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen ist auch eine Parallelschaltung des Abgasnachbehandlungs-Verdampfers
Nach der Verdampfung, Zwischenüberhitzung und Überhitzung wird der unter hohem Druck stehende heiße Dampf des Arbeitsmediums mittels einer beispielsweise als so genannter Scrollexpander ausgebildeten Expansionsmaschine
Anschließend wird das Arbeitsmedium einem Kondensator
Der von einem Kühlmedium durchflossene Kondensator
Diese Niedertemperaturkühlung des Arbeitsmediums ermöglicht eine Verwendung von Cyclopentan als Arbeitsmedium. Hieraus ergibt sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit der Verwendung von Aluminiumbauteilen als Komponenten des Arbeitskreislaufes
Weiterhin ist zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine
Zusätzlich ist der Kühlkreislauf
Hierbei sind die Wärmetauscherblöcke
Weiterhin sind die Wärmetauscherblöcke
in
Hierbei sind die Wärmetauscherblöcke
Weiterhin sind die Wärmetauscherblöcke
Im Unterschied zu dem in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 33
- ArbeitskreislaufWorking circuit
- 44
- Pumpepump
- 55
- Abgasrückführungs-VerdampferExhaust gas recirculation evaporator
- 5.15.1
- Wärmetauscherblockheat exchanger block
- 5.25.2
- Wärmetauscherblockheat exchanger block
- 5.35.3
- Wärmetauscherblockheat exchanger block
- 66
- Abgasnachbehandlungs-VerdampferAftertreatment evaporator
- 77
- Expansionsmaschineexpander
- 88th
- Kondensatorcapacitor
- 99
- KühlkreislaufCooling circuit
- 1010
- Pumpepump
- 1111
- NiedertemperaturkühlerLow-temperature cooler
- 1212
- HochtemperaturkühlerHigh-temperature cooler
- 1313
- LadeluftkühlerIntercooler
- 1414
- Verbindungconnection
- AS1AS1
- Abgasströmungexhaust gas flow
- AS2AS2
- Abgasströmungexhaust gas flow
- SS
- Strömungflow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102011112843 A1 [0004] DE 102011112843 A1 [0004]
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