DE102016014925A1

DE102016014925A1 - Vorrichtung zur Kühlung eines Abgasstroms

Info

Publication number: DE102016014925A1
Application number: DE102016014925.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Bens; Jan Gaertner; Klaus Lempenauer; Dominik Mall; Werner Thoma
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2017-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Kühlung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Wärmetauscher, insbesondere einen als Wärmetauscher ausgebildeten Krümmer (2) zur Abführung von Abgasen (A) aus der Verbrennungskraftmaschine (10), wobei eine Abgasnachbehandlung (4) stromabwärts vom Wärmetauscher im Abgasstrom angeordnet ist, wobei ein Gebläse (8) vorgesehen ist, mittels dessen ein Luftstrom (L) durch den Wärmetauscher führbar ist, um die Abgase (A) zu kühlen und den Luftstrom (L) zu erwärmen, wobei eine Einrichtung zur thermischen Rekuperation, umfassend einen Wärmeübertrager (5), vorgesehen ist, der stromabwärts von der Abgasnachbehandlung (4) im Abgasstrom angeordnet ist, wobei der erwärmte Luftstrom (L) dem Abgasstrom stromaufwärts vom Wärmeübertrager (5) zuführbar ist, wobei eine Abgasklappe (7) im Abgasstrom vorgesehen ist, mittels deren die Abgase (A) über einen Bypass (6) am Wärmeübertrager (5) vorbei führbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 41 02 645 A1 ist eine Einrichtung zur Luftkühlung von temperaturkritischen Teilen eines mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeugs bekannt, in dem zur Förderung eines Kühlluftstroms ein von der Abgasströmung der Brennkraftmaschine angetriebenes Gebläse nach Art eines Abgasturboladers Einsatz findet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Kühlung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Wärmetauscher, insbesondere einen als Wärmetauscher ausgebildeten Krümmer zur Abführung von Abgasen aus der Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Abgasnachbehandlung stromabwärts vom Wärmetauscher im Abgasstrom angeordnet ist, wobei ein Gebläse vorgesehen ist, mittels dessen ein Luftstrom durch den Wärmetauscher führbar ist, um die Abgase zu kühlen und den Luftstrom zu erwärmen, wobei eine Einrichtung zur thermischen Rekuperation, umfassend einen Wärmeübertrager, vorgesehen ist, der stromabwärts von der Abgasnachbehandlung im Abgasstrom angeordnet ist, wobei der erwärmte Luftstrom dem Abgasstrom stromaufwärts vom Wärmeübertrager zuführbar ist, wobei eine Abgasklappe im Abgasstrom vorgesehen ist, mittels deren die Abgase über einen Bypass am Wärmeübertrager vorbei führbar sind.
Eine Kühlung des Abgases nach Verlassen eines Verbrennungsraums der Verbrennungskraftmaschine vor einer optionalen Abgasturbine und/oder einer Abgasnachbehandlung, beispielsweise einem Katalysator, kann Kraftstoff, Emissionen, Gewicht und Kosten einsparen, beispielsweise indem ansonsten erforderliche Hitzeschutzmaßnahmen für dem Abgasstrom benachbarte Bauteile reduziert werden. Bei niedrigen Lasten und speziell beim Aufheizen nach einem Kaltstart kann ein Wärmeaustrag aus dem Abgas vor diesen Komponenten jedoch unerwünscht sein und durch Abschalten des Gebläses unterbunden werden.
Im Gegensatz zu einer reinen Flüssigkeitskühlung des Krümmers ist es mit einem luftgekühlten Krümmer möglich, den Wärmeaustrag insofern zu regeln, dass die Kühlluftmenge unabhängig von einer Austrittstemperatur geregelt werden kann. Anders als bei der Flüssigkeitskühlung besteht dabei nicht die Gefahr der Zersetzung des Kühlmediums durch zu hohe Temperaturen. Ein weiterer Vorteil gegenüber einer Flüssigkeitskühlung besteht darin, dass die aus dem Abgas ausgetragene Wärmemenge nicht dem Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine zwangszugeführt wird, was enorme Vorteile für das Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs mit sich bringt.
Durch die Zuführung des erwärmten Luftstroms in den Abgasstrom stromaufwärts vom Wärmeübertrager wird die Rekuperation von aus dem Abgasstrom entzogener Enthalpie ohne die Einbindung oder zusätzliche Integration eines separaten Wärmeübertrages ermöglicht.
Weiterhin können Schutzmaßnahmen zum Bauteilschutz beispielsweise für Turbolader, Drei-Wege-Katalysator (TWC) und NOx-Speicherkatalysator reduziert werden oder gar komplett entfallen. Alternativ ist eine Anwendung denkbar, die durch den Wärmeaustrag ein höheres Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine bei gleichbleibenden Temperaturen nach dem Krümmer zulässt, wodurch insbesondere in zyklusrelevanten Betriebspunkten ein Einspareffekt zu erzielen ist. Somit kann bei geschickter Auslegung eine Kraftstoffverbrauchseinsparung und damit eine Emissionsreduzierung erreicht werden. Bei niedrigen Lasten und speziell beim Aufheizen nach einem Kaltstart wird die Abgaswärme jedoch zum schnellen Erreichen der Betriebstemperaturen, insbesondere der Light-Off-Temperaturen des Drei-Wege-Katalysators, benötigt. Ein Wärmeaustrag aus dem Abgas vor diesen Komponenten ist in diesem Fall kontraproduktiv und führt durch eine Gemischanreicherung für die Nachverbrennung zu einem gesteigerten Kraftstoffverbrauch gegenüber dem Ausgangszustand. Dies kann durch Abschalten des Gebläses unterbunden werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kühlung eines Abgasstroms, und
2 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kühlung eines Abgasstroms.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Kühlung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine 10 (Waste Heat Recovery oder Exhaust Heat Recovery), beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug. Aus der Verbrennungskraftmaschine 10 austretende Abgase A werden, beispielsweise mittels eines Abgasrohrs, über einen Krümmer 2 einem Abgasturbolader 3, anschließend einer Abgasnachbehandlung 4, beispielsweise einem Katalysator, und schließlich einem Wärmeübertrager 5 zugeführt.
Der Wärmeübertrager 5 kann Teil eines Arbeitskreislaufs (nicht dargestellt) sein, wobei Wärme mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise eines Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird. Dabei wird im Arbeitskreislauf ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Danach wird dem Arbeitsmedium in dem Wärmeübertrager 5 Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine Expansionsmaschine entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird, welche dann zum Vortrieb eines Fahrzeugs beiträgt oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Das Arbeitsmedium wird anschließend in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert, abgekühlt und wieder der Pumpe zugeführt.
Die Expansionsmaschine kann beispielsweise als eine Turbine, als eine Scrollmaschine oder als eine Hubkolbenmaschine ausgebildet sein.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Wärmeübertrager 5 auch Teil eines thermoelektrischen Generators sein oder es kann ein anderer thermodynamischer Kreislaufprozess, beispielsweise ein Jouleprozess oder ein Stirling-Prozess im Arbeitskreislauf durchgeführt werden.
Ferner ist ein Bypass 6 vorgesehen, der mittels einer Abgasklappe 7 die Abgase A optional an dem Wärmeübertrager 5 vorbei leiten kann.
Der Krümmer 2 wird mittels eines durch ein Gebläse 8 verursachten Luftstroms L gekühlt, wodurch der Luftstrom L erwärmt wird. Der erwärmte Luftstrom L wird dem Abgas A zwischen der Abgasklappe 7 und dem Wärmeübertrager 5 zugeführt, beispielsweise mittels eines T-Stücks im Abgasrohr.
Die Führung des Luftstroms L kann in einem hitzebeständigen Rohr, ähnlich einem Abgasrohr, erfolgen, dessen Durchmesser dem Volumen des Luftstroms L angepasst ist.
Die beschriebene Ausführungsform erlaubt es, selbst bei hohen Lasten, bei denen der Hauptmassenstrom des Abgases A mittels des Bypasses 6 am Wärmeübertrager 5 vorbei geleitet wird, eine thermische Rekuperation durchzuführen. Dabei wird ein Kühlsystem des Fahrzeugs nur mäßig beaufschlagt und es können komplexe Regelungen der Abgasklappe 7 zur Aufteilung des Hauptmassenstroms der Abgase A vermieden werden.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Kühlung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine 10 (Waste Heat Recovery oder Exhaust Heat Recovery), beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug. Aus der Verbrennungskraftmaschine 10 austretende Abgase A werden, beispielsweise mittels eines Abgasrohrs, über einen Krümmer 2 einem Abgasturbolader 3, anschließend einer Abgasnachbehandlung 4, beispielsweise einem Katalysator, und schließlich einem Wärmeübertrager 5 zugeführt.
Der Wärmeübertrager 5 kann Teil eines Arbeitskreislaufs (nicht dargestellt) sein, wobei Wärme mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise eines Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird. Dabei wird im Arbeitskreislauf ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Danach wird dem Arbeitsmedium in dem Wärmeübertrager 5 Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine Expansionsmaschine entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird, welche dann zum Vortrieb eines Fahrzeugs beiträgt oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Das Arbeitsmedium wird anschließend in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert, abgekühlt und wieder der Pumpe zugeführt.
Die Expansionsmaschine kann beispielsweise als eine Turbine, als eine Scrollmaschine oder als eine Hubkolbenmaschine ausgebildet sein.
Ferner ist ein Bypass 6 vorgesehen, der mittels einer Abgasklappe 7 die Abgase A optional an dem Wärmeübertrager 5 vorbei leiten kann.
Der Krümmer 2 wird mittels eines durch ein Gebläse 8 verursachten Luftstroms L gekühlt, wodurch der Luftstrom L erwärmt wird. Der erwärmte Luftstrom L wird dem Abgas A zwischen der Abgasnachbehandlung 4 und der Abgasklappe 7 zugeführt, beispielsweise mittels eines T-Stücks im Abgasrohr.
Dies bietet den Vorteil, dass die Abgasenthalpie über den Bypass 6 vollständig am Wärmeübertrager 5 vorbei geleitet werden kann, und so das Fahrzeugkühlsystem, an dem die Wärme ausgetragen werden muss, entlastet werden kann.
Die Führung des Luftstroms L kann in einem hitzebeständigen Rohr, ähnlich einem Abgasrohr, erfolgen, dessen Durchmesser dem Volumen des Luftstroms L angepasst ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Luftstrom L anstatt über den Krümmer 2 oder zusätzlich dazu über einen stromabwärts im Abgasstrom A nach dem Krümmer 2, jedoch vor dem Abgasturbolader 3 und/oder der Abgasnachbehandlung 4 angeordneten Wärmetauscher (nicht dargestellt), geführt werden.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Vorrichtung 1 gemäß 1 oder 2 keinen Abgasturbolader 3 auf.
Da die Austrittstemperaturen des Luftstroms L relativ hoch sein können, wären bei Abführung des Luftstroms L in die Umgebung Schutzmaßnahmen, ebenso wie bei der Abgasführung, beispielsweise Abschirmbleche und Abstände, erforderlich, beispielsweise um Grasbrand zu verhindern. Durch die erfindungsgemäße Abführung des erwärmten Luftstroms L über das bereits vorhandene Abgassystem sind keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen nach Vereinigung von Luftstrom L und Abgas A mehr notwendig.
In einer weiteren Ausführungsform kann der erwärmte Luftstrom L stromaufwärts vor der Abgasnachbehandlung 4, insbesondere zwischen Abgasturbolader 3 und Abgasnachbehandlung 4, dem Abgas A zugeführt werden. Dies könnte beispielsweise bei einem nicht gasdichten Krümmer 2 oder Wärmetauscher vorteilhaft sein. Ebenso kann der Sauerstoffanteil im Luftstrom L für die Oxidation in der Abgasnachbehandlung 4 gewünscht sein. Wird beispielsweise der Krümmer 2 als Wärmetauscher ausgeführt, kann die Trennung des Abgases A vom Luftstrom L schwierig sein, da beispielsweise bei Blechkrümmern durchlässige Schiebesitze üblich sind. Würde man dies beibehalten, wäre der Luftstrom L durch Abgas A verunreinigt, welches noch nicht der Abgasnachbehandlung 4 unterzogen wurde und somit eventuell noch Kohlenmonoxid, Stickoxide oder Kohlenwasserstoffe enthält. Die Temperatur in der Abgasnachbehandlung 4 wird in dieser Ausführungsform aufgrund des zugeführten Luftstroms L soweit verringert, dass dies für die Abgasnachbehandlung 4 nicht mehr nachteilig wäre. Prinzipiell ist ein zusätzlicher Sauerstoffeintrag in die Abgasnachbehandlung 4 unerwünscht, solange die Lambdaregelung aktiv ist, da die Gemischregelung in der Verbrennungskraftmaschine 10 abhängig von den Abgaswerten stattfindet. Um aber beispielsweise im Falle einer Gemischanreicherung die noch nicht vollständig verbrannten Kohlenwasserstoffe noch weiter oxidieren zu können, wird Sauerstoff benötigt, wobei die Reaktion exotherm ist. Eine weitere exotherme Reaktion ohne Temperaturabsenkung durch den Luftstrom L könnte zu einer Beschädigung der Abgasnachbehandlung 4 führen, beispielsweise wenn nur so viel Sauerstoff zugeführt wird, dass die Kohlenwasserstoffe vollständig nachverbrannt werden. Mit dem Luftüberschuss aus dem Luftstrom L kann gekühlt und eine Beschädigung der Abgasnachbehandlung 4 vermieden werden. Auf diese Weise kann eine Sekundärluftpumpe eingespart werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Krümmer
3: Abgasturbolader
4: Abgasnachbehandlung
5: Wärmeübertrager
6: Bypass
7: Abgasklappe
8: Gebläse
10: Verbrennungskraftmaschine
A: Abgase
L: Luftstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4102645 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zur Kühlung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Wärmetauscher, insbesondere einen als Wärmetauscher ausgebildeten Krümmer (2) zur Abführung von Abgasen (A) aus der Verbrennungskraftmaschine (10), wobei eine Abgasnachbehandlung (4) stromabwärts vom Wärmetauscher im Abgasstrom angeordnet ist, wobei ein Gebläse (8) vorgesehen ist, mittels dessen ein Luftstrom (L) durch den Wärmetauscher führbar ist, um die Abgase (A) zu kühlen und den Luftstrom (L) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur thermischen Rekuperation, umfassend einen Wärmeübertrager (5), vorgesehen ist, der stromabwärts von der Abgasnachbehandlung (4) im Abgasstrom angeordnet ist, wobei der erwärmte Luftstrom (L) dem Abgasstrom stromaufwärts vom Wärmeübertrager (5) zuführbar ist, wobei eine Abgasklappe (7) im Abgasstrom vorgesehen ist, mittels deren die Abgase (A) über einen Bypass (6) am Wärmeübertrager (5) vorbei führbar sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erwärmte Luftstrom (L) dem Abgasstrom stromabwärts von der Abgasklappe (7) zuführbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erwärmte Luftstrom (L) dem Abgasstrom stromabwärts von der Abgasnachbehandlung (4) und stromaufwärts von der Abgasklappe (7) zuführbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasturbolader (3) zwischen dem Wärmetauscher und der Abgasnachbehandlung (4) im Abgasstrom angeordnet ist, wobei der erwärmte Luftstrom (L) dem Abgasstrom stromabwärts vom Abgasturbolader (3) und stromaufwärts von der Abgasnachbehandlung (4) zuführbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (8) abschaltbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur thermischen Rekuperation als ein Arbeitskreislauf zur Durchführung eines thermodynamischen Kreislaufprozesses, insbesondere eines Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle oder eines Jouleprozesses oder eines Stirling-Prozesses ausgebildet ist, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, das mittels des Wärmeübertragers (5) erwärmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur thermischen Rekuperation als ein thermoelektrischer Generator ausgebildet ist.