DE102016200567A1 - Engine system - Google Patents

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Norman Nagel
Sascha Naujoks
Simon Streng
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (2), wobei das Brennkraftmaschinensystem (1) eine Brennkraftmaschine (3), eine Frischluftanlage (5) zum Versorgen der Brennkraftmaschine (3) mit Frischluft und eine Abgasanlage (7) zum Abführen von in der Brennkraftmaschine (3) entstehendem Abgas umfasst. Zur Abgasrückführung ist ein Abgasrückführkanal (13) vorgesehen, wobei eine Fördereinrichtung (14) das Abgas im Abgasrückführkanal (13) fördert. Eine verbesserte Energieeffizienz und/oder ein verringerter Bauraumbedarf des Brennkraftmaschinensystems (1) wird dadurch erzielt, dass eine Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) in die Abgasanlage (7) eingebunden ist, welche die Abgaswärme des Abgases nutzt, um die Fördereinrichtung (14) anzutreiben. Die Erfindung betrifft desweiteren die Verwendung einer solchen Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) zum Antreiben der Fördereinrichtung (14).The present invention relates to an internal combustion engine system (1), in particular for a motor vehicle (2), wherein the internal combustion engine system (1) comprises an internal combustion engine (3), a fresh air system (5) for supplying the internal combustion engine (3) with fresh air and an exhaust system (7). for discharging exhaust gas generated in the internal combustion engine (3). For exhaust gas recirculation, an exhaust gas recirculation channel (13) is provided, wherein a conveyor (14) promotes the exhaust gas in the exhaust gas recirculation channel (13). An improved energy efficiency and / or a reduced space requirement of the internal combustion engine system (1) is achieved in that an exhaust heat energy recovery device (15) is integrated into the exhaust system (7), which uses the exhaust gas heat of the exhaust gas to drive the conveyor (14). The invention further relates to the use of such an exhaust heat energy recovery device (15) for driving the conveyor (14).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine sowie einem Abgasrückführkanal zum Rückführen von Abgas zur Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft desweiteren die Verwendung einer Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung zum Fördern von Abgas in einem Abgasrückführkanal. The present invention relates to an internal combustion engine system, in particular for a motor vehicle, with an internal combustion engine and an exhaust gas recirculation channel for returning exhaust gas to the internal combustion engine, according to the preamble of claim 1. The invention further relates to the use of an exhaust heat energy recovery device for conveying exhaust gas in an exhaust gas recirculation channel.

Die Abgasrückführung ist eine bewährte Methode zur Reduzierung von Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine und/oder zur Effizienzsteigerung einer solchen Brennkraftmaschine. Bestandteile eines solchen Brennkraftmaschinensystems sind gewöhnlich eine Frischluftanlage, mit der die Brennkraftmaschine mit Frischluft versorgt wird, und eine Abgasanlage, mit der in der Brennkraftmaschine entstehendes Abgas von der Brennkraftmaschine abgeführt wird. The exhaust gas recirculation is a proven method for reducing pollutant emissions of an internal combustion engine and / or to increase the efficiency of such an internal combustion engine. Components of such an internal combustion engine system are usually a fresh air system, with which the internal combustion engine is supplied with fresh air, and an exhaust system, is discharged with the resulting in the internal combustion engine exhaust gas from the internal combustion engine.

Ein solches Brennkraftmaschinensystem ist in der DE 103 06 015 A1 beschrieben. Das Brennkraftmaschinensystem oder kurz System weist hierbei eine Pumpe zum Fördern des Abgases durch den Abgasrückführkanal auf, um bspw. den Differenzdruck im Abgasrückführkanal zu erhöhen bzw. den Massenstrom durch den Abgasrückführkanal zu steigern. Die Pumpe ermöglicht also ein effektiveres und/oder bedarfsgerechteres Rückführen von Abgas. Such an internal combustion engine system is in the DE 103 06 015 A1 described. The internal combustion engine system or, in short, system here has a pump for conveying the exhaust gas through the exhaust gas recirculation channel in order, for example, to increase the differential pressure in the exhaust gas recirculation channel or to increase the mass flow through the exhaust gas recirculation channel. The pump thus makes possible a more efficient and / or demand-based recycling of exhaust gas.

Derartige Pumpen werden dabei fremdangetrieben und bedürfen der Bereitstellung einer separaten Antriebseinrichtung. Das Bereitstellen derartiger Antriebseinrichtungen bedarf in der Regel eine entsprechende Energieversorgung der Antriebseinrichtung und/oder führt zu einem erhöhten Energieverbrauch des Brennkraftmaschinensystems. Such pumps are externally driven and require the provision of a separate drive device. The provision of such drive devices usually requires a corresponding power supply of the drive device and / or leads to an increased energy consumption of the internal combustion engine system.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Brennkraftmaschinensystem der anfangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen reduzierten Herstellungsaufwand und/oder durch einen reduzierten Energieverbrauch und/oder durch einen reduzierten Bauraumbedarf auszeichnet. The present invention therefore deals with the problem of providing for an internal combustion engine system of the type mentioned above an improved or at least other embodiment, which is characterized in particular by a reduced production cost and / or by reduced energy consumption and / or by a reduced space requirement.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zum Antreiben einer Fördereinrichtung zum Fördern von Abgas in einem Abgasrückführkanal eines Brennkraftmaschinensystems die Abgaswärme von im Brennkraftmaschinensystem entstehendem Abgas einzusetzen. Hierdurch können insbesondere Einrichtungen zum Fremdantreiben der Fördereinrichtung entfallen, so dass die Brennkraftmaschine insgesamt autarker betrieben werden kann und/oder weniger anfällig wird. Darüber hinaus führt der Verzicht auf derartige Fremdantriebe zu einer kompakteren Bauweise des Brennkraftmaschinensystems. Die Nutzung der Abgaswärme zum Antreiben der Fördereinrichtung führt darüber hinaus zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs des Brennkraftmaschinensystems, insbesondere weil zusätzliche Energieversorgungen der Fördereinrichtung entfallen können. The present invention is based on the general idea of using exhaust gas heat from exhaust gas produced in the internal combustion engine system to drive a delivery device for conveying exhaust gas in an exhaust gas recirculation channel of an internal combustion engine system. As a result, in particular devices for externally driving the conveyor can be dispensed with, so that the internal combustion engine as a whole can be operated more independently and / or becomes less susceptible. In addition, the absence of such third party drives leads to a more compact design of the engine system. The use of the exhaust heat to drive the conveyor also leads to a reduction of energy consumption of the internal combustion engine system, in particular because additional power supplies of the conveyor can be omitted.

Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Brennkraftmaschinensystem eine Brennkraftmaschine auf, in der durch Verbrennung besagter Abgase entstehen. Hierzu wird die Brennkraftmaschine mittels einer Frischluftanlage mit Frischluft versorgt. Das in der Brennkraftmaschine entstehende Abgas wird mittels einer Abgasanlage abgeführt. Der Abgasrückführkanal dient der Rückführung von Abgas zur Brennkraftmaschine, wobei die Fördereinrichtung das Abgas durch den Abgasrückführkanal fördert. Mittels der Fördereinrichtung ist es also insbesondere möglich, den Massenstrom vom Abgas durch den Abgasrückführkanal zu steigern und/oder eine Druckdifferenz innerhalb des Abgasrückführkanals zu erhöhen. Erfindungsgemäß weist das Brennkraftmaschinensystem zudem eine Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung auf, die in die Abgasanlage eingebunden ist und die Abgaswärme vom durch die Abgasanlage strömenden Abgas nutzt, um die Fördereinrichtung anzutreiben. Hierzu ist die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung mit der Fördereinrichtung antriebsverbunden. According to the idea of the invention, the internal combustion engine system has an internal combustion engine in which combustion of said exhaust gases results. For this purpose, the internal combustion engine is supplied with fresh air by means of a fresh air system. The exhaust gas produced in the internal combustion engine is removed by means of an exhaust system. The exhaust gas recirculation channel is used to return exhaust gas to the internal combustion engine, wherein the conveyor promotes the exhaust gas through the exhaust gas recirculation channel. By means of the conveyor, it is thus possible, in particular, to increase the mass flow of the exhaust gas through the exhaust gas recirculation channel and / or to increase a pressure difference within the exhaust gas recirculation channel. According to the invention, the internal combustion engine system also has an exhaust heat energy recovery device, which is integrated in the exhaust system and uses the exhaust heat from the exhaust gas flowing through the exhaust system to drive the conveyor. For this purpose, the exhaust heat recovery device is drive-connected to the conveyor.

Die Abgasrückführung über den Abgasrückführkanal erfolgt vorteilhaft über die Frischluftanlage. Das heißt, dass der Abgasrückführkanal in die Frischluftanlage mündet und somit der Brennkraftmaschine Abgas rückführt. Dabei kann der Abgasrückführkanal von der Abgasanlage abzweigen. Vorstellbar ist es auch, dass der Abgasrückführkanal bereits innerhalb der Brennkraftmaschine, das heißt unmittelbar stromauf von Brennräumen der Brennkraftmaschine, abzweigt. The exhaust gas recirculation via the exhaust gas recirculation channel is advantageously carried out via the fresh air system. This means that the exhaust gas recirculation channel opens into the fresh air system and thus the exhaust gas recirculates the internal combustion engine. In this case, the exhaust gas recirculation channel can branch off from the exhaust system. It is also conceivable that the exhaust gas recirculation channel already branches off within the internal combustion engine, ie immediately upstream of combustion chambers of the internal combustion engine.

Das Brennkraftmaschinensystem weist bevorzugt einen Abgasturbolader auf. Der Einsatz eines solchen Abgasturboladers führt insbesondere zu einer Leistungssteigerung des Brennkraftmaschinensystems und/oder zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine. Der Abgasturbolader weist hierzu eine Turbine sowie einen Verdichter auf, wobei die Turbine in die Abgasanlage eingebunden ist, während der Verdichter in die Frischluftanlage eingebunden ist. Der Verdichter weist vorteilhaft ein Verdichterrad auf, das in der Frischluftanlage angeordnet ist und von einem in der Abgasanlage angeordneten Turbinenrad der Turbine angetrieben wird. The internal combustion engine system preferably has an exhaust gas turbocharger. The use of such an exhaust gas turbocharger leads in particular to an increase in performance of the internal combustion engine system and / or to a reduced fuel consumption of the internal combustion engine. The exhaust gas turbocharger has for this purpose a turbine and a compressor, wherein the turbine is integrated into the exhaust system, while the compressor is integrated into the fresh air system. The compressor advantageously has a compressor wheel that in the fresh air system is arranged and driven by a turbine disposed in the exhaust turbine of the turbine.

Bei bevorzugten Ausführungsformen mündet der Abgasrückführkanal stromauf des Verdichters des Abgasturboladers in die Frischluftanlage. Das heißt, dass das Abgas der Frischluftanlage zugeführt wird, bevor die Frischluft durch den Verdichter verdichtet wird. Bevorzugt ist es ferner, wenn der Abgasrückführkanal stromab der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage abzweigt. Hierdurch ist eine so genannte Niederdruck-Abgasrückführung realisiert. Mittels des Abgasrückführkanals und/oder der Fördereinrichtung ist es dabei möglich, den Druck in der Frischluftanlage bereits stromauf des Verdichters zu erhöhen. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen mündet der Abgasrückführkanal stromab des Verdichters in die Frischluftanlage. Das heißt, dass das Abgas dem bereits durch den Verdichter verdichteten Frischluft beigemischt wird. Bevorzugt ist es hierbei ferner, wenn der Abgasrückführkanal stromauf der Turbine von der Abgasanlage abzweigt. Somit wird also eine sogenannte Hochdruck-Abgasrückführung realisiert. Durch den Einsatz der Fördereinrichtung ist es hierbei möglich, Abgas auch bei in der Frischluftanlage hohen herrschenden Drücken in die Frischluftanlage einzubringen. Dies führt dazu, dass die Abgasrückführung auch bei hohen Lasten der Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann, was wiederum zu reduzierten Schadstoffemissionen und/oder einem reduzierten Kraftstoffverbrauch führt. In preferred embodiments, the exhaust gas recirculation passage opens upstream of the compressor of the exhaust gas turbocharger in the fresh air system. That is, the exhaust gas is supplied to the fresh air system before the fresh air is compressed by the compressor. It is further preferred if the exhaust gas recirculation channel branches off from the exhaust system downstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger. As a result, a so-called low-pressure exhaust gas recirculation is realized. By means of the exhaust gas recirculation channel and / or the conveyor, it is possible to increase the pressure in the fresh air system already upstream of the compressor. In alternative preferred embodiments, the exhaust gas recirculation channel opens downstream of the compressor in the fresh air system. This means that the exhaust gas is added to the already compressed by the compressor fresh air. In this case, it is also preferable if the exhaust gas recirculation duct branches off from the exhaust system upstream of the turbine. Thus, therefore, a so-called high-pressure exhaust gas recirculation is realized. By using the conveyor, it is possible to introduce exhaust even in the fresh air system high prevailing pressures in the fresh air system. This leads to the fact that the exhaust gas recirculation can be carried out even at high loads of the internal combustion engine, which in turn leads to reduced pollutant emissions and / or reduced fuel consumption.

Der Einsatz der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung stellt darüber hinaus eine Kopplung zwischen dem Antrieb der Fördereinrichtung sowie der Förderung vom Abgas durch den Abgaskanal mittels der Fördereinrichtung dar. The use of the exhaust heat recovery device also provides a coupling between the drive of the conveyor and the promotion of the exhaust gas through the exhaust duct by means of the conveyor.

Selbstverständlich ist es auch möglich, das Brennkraftmaschinensystem mit einer Steuereinrichtung zu versehen, die der Steuerung der Fördereinrichtung und/oder der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung dient. Hierdurch sind ein breiteres Spektrum und/oder eine individuellere Anpassung des Antriebs der Fördereinrichtung durch die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung möglich. Of course, it is also possible to provide the internal combustion engine system with a control device which serves to control the conveyor and / or the exhaust heat recovery device. As a result, a wider range and / or a more individual adaptation of the drive of the conveyor by the exhaust heat recovery device are possible.

Die Fördereinrichtung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern sie das Fördern vom Abgas im Abgasrückführkanal ermöglicht. Die Fördereinrichtung kann dabei insbesondere als eine Pumpe oder eine Pumpeinrichtung ausgebildet sein. The conveyor can in principle be designed as desired, provided that it allows the conveying of the exhaust gas in the exhaust gas recirculation channel. The conveyor can be designed in particular as a pump or a pumping device.

Bevorzugte Ausführungsformen sehen eine Einbindung der Fördereinrichtung im Abgasrückführkanal vor. Das heißt, dass die Fördereinrichtung zumindest teilweise im Abgasrückführkanal angeordnet ist. Hierdurch ist ein effizienteres Fördern des Abgases durch den Abgasrückführkanal und/oder eine kompaktere Bauweise des Brennkraftmaschinensystems möglich. Preferred embodiments provide for integration of the conveyor in the exhaust gas recirculation channel. This means that the conveyor is at least partially disposed in the exhaust gas recirculation channel. As a result, a more efficient conveying of the exhaust gas through the exhaust gas recirculation channel and / or a more compact design of the internal combustion engine system is possible.

Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern sie ein Antreiben der Fördereinrichtung unter Verwendung der Abgaswärme des Abgases ermöglicht. The exhaust heat recovery device can in principle be designed arbitrarily, provided that it allows driving of the conveyor using the exhaust gas heat of the exhaust gas.

Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung stromab des Abgasrückführkanals und/oder stromab der Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage eingebunden ist. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung den Massenstrom an Abgas durch den Abgasrückführkanal und/oder den Antrieb des Abgasturboladers durch Abgas reduziert oder diese Reduzierung zumindest verringert. It is preferred in this case if the exhaust heat energy recovery device downstream of the exhaust gas recirculation channel and / or downstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger is integrated into the exhaust system. In this way it is particularly avoided that the exhaust heat energy recovery device reduces the mass flow of exhaust gas through the exhaust gas recirculation channel and / or the drive of the exhaust gas turbocharger by exhaust gas or at least reduces this reduction.

Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung weist vorteilhaft zumindest einen Wärmeübertrager auf. Der Wärmeübertrager ist hierbei in wärmeübertragender Weise mit der Abgasanlage gekoppelt, insbesondere vom Abgas durchströmbar, und somit eine Einbindung der Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung in die Abgasanlage erreicht. Das heißt, dass der Wärmeübertrager vorteilhaft dazu dient, die Wärme des Abgases zum Antreiben der Fördereinrichtung einzusetzen.The exhaust heat recovery device advantageously has at least one heat exchanger. The heat exchanger is in this case coupled in a heat-transmitting manner with the exhaust system, in particular through the exhaust gas, and thus achieves an integration of the exhaust heat energy recovery device in the exhaust system. That is, the heat exchanger advantageously serves to use the heat of the exhaust gas to drive the conveyor.

Vorstellbar ist es hierbei, dass die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung auch zwei oder mehrere solche Wärmeübertrager aufweist. Vorstellbar ist es auch, dass die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung einen Rotationswärmeübertrager aufweist. It is conceivable here that the exhaust heat energy recovery device also has two or more such heat exchanger. It is also conceivable that the exhaust heat energy recovery device has a rotary heat exchanger.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung als eine Wärmekraftmaschine ausgestaltet, welche die Wärmeenergie des Abgases in mechanische Energie umwandelt, um die Fördereinrichtung direkt oder indirekt antreibt. Das heißt, dass die mechanische Energie unmittelbar zum Antreiben der Fördereinrichtung eingesetzt werden kann. Bei einem mittelbaren Einsatz der mechanischen Energie der Wärmekraftmaschine kann bspw. zunächst elektrische Energie erzeugt und diese elektrische Energie zum elektrischen Antreiben der Fördereinrichtung zum Einsatz kommen. In preferred embodiments, the exhaust heat energy recovery device is configured as a heat engine, which converts the heat energy of the exhaust gas into mechanical energy, driving the conveyor directly or indirectly. This means that the mechanical energy can be used directly for driving the conveyor. In an indirect use of the mechanical energy of the heat engine, for example, first electrical energy generated and this electrical energy for electrically driving the conveyor can be used.

Zu denken ist auch an Ausführungsformen, bei denen die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung die Wärmeenergie des Abgases zwischenspeichert und diese zwischengespeicherte Energie bei Bedarf zum Antreiben der Fördereinrichtung bereitstellt. Hierzu kann die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung zumindest einen Wärmespeicher, insbesondere einen Regenerator, aufweisen. It is also conceivable to embodiments in which the exhaust heat energy recovery device caches the heat energy of the exhaust gas and this provides cached energy when needed for driving the conveyor. For this purpose, the exhaust heat energy recovery device at least one heat storage, in particular a regenerator having.

Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung in der Art eines thermodynamischen Kreisprozesses realisiert ist, wobei in dem Kreisprozess das Abgas einem durch den Kreisprozess zirkulierendes Arbeitsmittel Wärme zuführt und somit erwärmt und das erwärmte Arbeitsmittel zum Antreiben der Fördereinrichtung eingesetzt wird. Embodiments in which the exhaust heat energy recovery device is realized in the manner of a thermodynamic cycle process are preferred, wherein in the cycle the exhaust gas supplies heat to a working medium circulating through the cycle and thus heats and the heated working medium is used to drive the conveyor.

Besonders bevorzugt sind hierbei Ausführungsformen, bei denen die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung nach Art eines Rankine-Kreisprozesses ausgestaltet ist. Hierzu ist die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung derart in die Abgasanlage eingebunden, dass ein durch die Wärmeenergierückgewinnungseinrichtung zirkulierendes Arbeitsmittel durch das Abgas erwärmt wird. Hierzu kann bspw. ein Wärmeübertrager wärmeübertragend in die Abgasanlage eingebunden sein. Eine derartige Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung umfasst zudem eine Expansionsmaschine zum Expandieren des erwärmten Arbeitsmittels, wobei die Expansionsmaschine zum Antreiben der Fördereinrichtung zum Einsatz kommt. Hierzu kann die Expansionsmaschine mit der Fördereinrichtung antriebsverbunden sein, um die Fördereinrichtung unmittelbar oder mittelbar anzutreiben. Embodiments in which the exhaust heat energy recovery device is designed in the manner of a Rankine cycle process are particularly preferred. For this purpose, the exhaust heat energy recovery device is integrated into the exhaust system such that a circulating through the heat energy recovery device working fluid is heated by the exhaust gas. For this purpose, for example, a heat exchanger can be integrated heat-transmitting into the exhaust system. Such an exhaust heat energy recovery device also comprises an expansion machine for expanding the heated working fluid, wherein the expansion machine is used for driving the conveyor. For this purpose, the expansion machine can be drive-connected to the conveyor in order to drive the conveyor directly or indirectly.

Die Expansionsmaschine kann dabei beliebig ausgestaltet sein. Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Expansionsmaschine bei der Expansion des Arbeitsmittels in Rotation versetzt wird, wobei diese Rotation zum Antreiben der Fördereinrichtung eingesetzt wird. Die Expansionsmaschine kann also insbesondere als eine Expansionsturbine ausgebildet sein. The expansion machine can be designed arbitrarily. Preferred embodiments are those in which the expansion machine is set in rotation during the expansion of the working medium, wherein this rotation is used to drive the conveyor. The expansion machine can thus be designed in particular as an expansion turbine.

Der Rankine-Kreisprozess kann auch weitere Bestandteile aufweisen, die insbesondere der Kühlung des im Rankine-Kreisprozess zirkulierenden Arbeitsmittels und/oder dem Antrieb des Arbeitsmittels durch den Rankine-Kreisprozess dienen. Zur Kühlung des Arbeitsmittels kann ein Kühler zum Einsatz kommen, der in einem vom Rankine-Prozess fluidisch getrennten Kühlkreislauf eingebunden ist. Bevorzugt sind hierbei Ausführungsformen, bei denen dieser Kühlkreislauf ein bereits im Brennkraftmaschinensystem vorhandener Kühlkreislauf zur Kühlung anderer Komponenten ist. Vorstellbar ist es bspw. hierzu einen Motorkühlkreislauf zur Kühlung der Brennkraftmaschine einzusetzen. The Rankine cycle can also have other components that are used in particular for cooling the working fluid circulating in the Rankine cycle and / or for driving the working fluid through the Rankine cycle. For cooling the working fluid, a cooler can be used, which is integrated in a fluidically separated from the Rankine process cooling circuit. In this case, embodiments are preferred in which this cooling circuit is a cooling circuit already present in the internal combustion engine system for cooling other components. It is conceivable, for example, to use an engine cooling circuit for cooling the internal combustion engine for this purpose.

Das Brennkraftmaschinensystem kann prinzipiell in einer beliebigen Anwendung zum Einsatz kommen. Zu denken ist insbesondere an den Einsatz des Brennkraftmaschinensystems in einem Kraftfahrzeug. The internal combustion engine system can be used in principle in any application. It is particularly conceivable to use the internal combustion engine system in a motor vehicle.

Es versteht sich, dass neben dem Brennkraftmaschinensystem auch die Verwendung der Abgaswärme der Brennkraftmaschine zum Antreiben der Fördereinrichtung mittels einer solchen Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung zum Umfang dieser Erfindung gehört. It goes without saying that, in addition to the internal combustion engine system, the use of the exhaust gas heat of the internal combustion engine for driving the delivery device by means of such an exhaust heat energy recovery device is also included in the scope of this invention.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch, Show, in each case schematically,

1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennkraftmaschinensystem, 1 a greatly simplified, schematic diagram of a motor vehicle with an internal combustion engine system,

2 das Kraftfahrzeug aus 1 bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Brennkraftmaschinensystems. 2 the motor vehicle 1 in another embodiment of the internal combustion engine system.

Entsprechend 1 ist das erfindungsgemäße Brennkraftmaschinensystem 1 oder kurz System 1 Bestandteil eines Kraftfahrzeugs 2. Das System 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 3, die zumindest einen Brennraum 4 aufweist, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft drei solche Brennräume 4 zu sehen sind. In den Brennräumen 4 wird ein Kraftstoff gezündet bzw. verbrannt. Hierzu wird den Brennräumen 4 außerdem Kraftstoff über eine Frischluftanlage 5 Frischluft zugeführt, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel jedem der Brennräume 4 ein Frischluftzweig 6 der Frischluftanlage 5 zugeordnet ist. Durch die Verbrennung in den Brennräumen 4 entsteht heißes Abgas, das mit Hilfe einer Abgasanlage 7 von der Brennkraftmaschine 3 abgeführt wird, wobei im gezeigten Beispiel jedem Brennraum 4 ein Abgaszweig 8 der Abgasanlage 7 zugeordnet ist. Das System 1 umfasst zudem einen Abgasturbolader 9, der eine Turbine 10 und einen Verdichter 11 aufweist. Die Turbine 10 ist in die Abgasanlage 7 eingebunden und treibt, bspw. über eine Welle 12 den Verdichter 11 an, der in die Frischluftanlage 5 eingebunden ist. Hierdurch wird mit Hilfe des durch die Abgasanlage 7 strömenden Abgases die Frischluft in der Frischluftanlage 5 verdichtet. Das System 1 umfasst ferner einen Abgasrückführkanal 13 zum Rückführen von Abgas zur Brennkraftmaschine 3, der stromab der Abgaszweige 8 und stromauf der Turbine 10 von der Abgasanlage 7 abzweigt und stromauf der Frischluftzweige 6 und stromab des Verdichters 11 in die Frischluftanlage 5 mündet. Somit wird Abgas der bereits mittels des Verdichters 11 verdichteten Luft beigemischt und der Brennkraftmaschine 3 zugeführt. Dementsprechend ist mittels des Abgasrückführkanals 13 eine so genannte Hochdruckabgasrückführung realisiert. Zum Fördern von Abgas durch den Abgasrückführkanal 13, insbesondere zum Erhöhen des Massenstroms vom Abgas durch den Abgasrückführkanal 13 und/oder zur Erhöhung der Druckdifferenz innerhalb des Abgasrückführkanals 13, weist das System 1 eine Fördereinrichtung 14 auf, die bspw. als eine Pumpe 14‘ ausgestaltet sein kann. Die Fördereinrichtung 14 wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung 15 angetrieben. Corresponding 1 is the internal combustion engine system according to the invention 1 or short system 1 Component of a motor vehicle 2 , The system 1 includes an internal combustion engine 3 that have at least one combustion chamber 4 has, in the illustrated embodiment, purely by way of example, three such combustion chambers 4 you can see. In the combustion chambers 4 a fuel is ignited or burned. This is the combustion chambers 4 plus fuel via a fresh air system 5 Supplied fresh air, wherein in the embodiment shown each of the combustion chambers 4 a fresh air branch 6 the fresh air system 5 assigned. By burning in the combustion chambers 4 Hot exhaust gas is generated with the help of an exhaust system 7 from the internal combustion engine 3 is discharged, in the example shown each combustion chamber 4 an exhaust branch 8th the exhaust system 7 assigned. The system 1 also includes an exhaust gas turbocharger 9 that a turbine 10 and a compressor 11 having. The turbine 10 is in the exhaust system 7 involved and drives, for example, over a wave 12 the compressor 11 in the fresh air system 5 is involved. This is done with the help of the exhaust system 7 flowing exhaust gas, the fresh air in the fresh air system 5 compacted. The system 1 further includes an exhaust gas recirculation passage 13 for returning exhaust gas to the internal combustion engine 3 which is downstream of the exhaust branches 8th and upstream of the turbine 10 from the exhaust system 7 branches off and upstream of the fresh air branches 6 and downstream of the compressor 11 in the fresh air system 5 empties. Thus, exhaust gas is already the means of the compressor 11 compressed air mixed with the internal combustion engine 3 fed. Accordingly, by means of the exhaust gas recirculation channel 13 realized a so-called high-pressure exhaust gas recirculation. For conveying exhaust gas through the exhaust gas recirculation passage 13 in particular for increasing the mass flow of the exhaust gas through the exhaust gas recirculation channel 13 and / or to increase the pressure difference within the exhaust gas recirculation channel 13 , rejects the system 1 a conveyor 14 on, for example, as a pump 14 ' can be designed. The conveyor 14 is inventively using an exhaust heat energy recovery device 15 driven.

Die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung 15 ist im gezeigten Beispiel als eine Wärmekraftmaschine 16 in der Art eines Rankine-Kreisprozesses ausgestaltet und weist einen Wärmeübertrager 17 auf, der in die Abgasanlage 7 eingebunden und vom Abgas durchströmbar ist und somit die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung 15 in die Abgasanlage 7 einbindet. Der Wärmeübertrager 17 ist stromab der Turbine 10 in die Abgasanlage 7 eingebunden und führt dem durch die Abgasanlage 7 strömenden Abgas Wärme ab. Diese Wärme wird mittels des Wärmeübertragers 17 einem durch die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung 15 zirkulierenden Arbeitsmittel, bspw. Wasser und/oder einem ammoniakhaltigen Fluid, zugeführt. Die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung 15 umfasst zudem eine Expansionsmaschine 18 zum Expandieren des Arbeitsmittels, einen Kühler 19 bzw. Kondensator 20 zum Kühlen bzw. Kondensieren des Arbeitsmittels und eine Kreispumpe 21 zum Fördern des Arbeitsmittels durch die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung 15. Das Arbeitsmittel wird also durch die Kreispumpe 21 gefördert und dem Wärmeübertrager 17 zugeführt. Im Wärmeübertrager 17 wird dem Arbeitsmittel von dem Abgas stammende Wärme zugeführt. Anschließend gelangt das Arbeitsmittel zur Expansionsmaschine 18, wo es expandiert wird. Danach strömt das expandierte Arbeitsmittel zum Kühler 19 bzw. Kondensator 20 wo es gekühlt bzw. kondensiert wird und anschließend wieder zur Kreispumpe 21 gelangt. Durch das Expandieren des Arbeitsmittels in der Expansionsmaschine 18 entsteht dabei Energie, wobei diese Energie zum Antreiben der Fördereinrichtung 14 eingesetzt wird. Hierzu ist die Expansionsmaschine 18 mittels einer gestrichelt dargestellten Antriebsverbindung 22, die einen Antriebsstrang 23, eine Antriebswelle 24 und dergleichen aufweisen kann, mit der Fördereinrichtung 14 antriebsverbunden. Die Expansionsmaschine 18 kann insbesondere als eine Expansionsturbine 25 ausgebildet sein bzw. eine solche Expansionsturbine 25 aufweisen. The exhaust heat energy recovery device 15 is in the example shown as a heat engine 16 designed in the manner of a Rankine cycle process and has a heat exchanger 17 on that in the exhaust system 7 integrated and can flow through the exhaust and thus the exhaust heat energy recovery device 15 in the exhaust system 7 integrates. The heat exchanger 17 is downstream of the turbine 10 in the exhaust system 7 integrated and leads through the exhaust system 7 flowing exhaust heat. This heat is generated by means of the heat exchanger 17 one by the exhaust heat energy recovery device 15 circulating working fluid, for example. Water and / or an ammonia-containing fluid fed. The exhaust heat energy recovery device 15 also includes an expansion machine 18 for expanding the working fluid, a radiator 19 or capacitor 20 for cooling or condensing the working fluid and a circular pump 21 for conveying the working fluid through the exhaust heat energy recovery device 15 , The working fluid is thus through the circular pump 21 promoted and the heat exchanger 17 fed. In the heat exchanger 17 Heat is supplied to the working fluid from the exhaust gas. Subsequently, the working fluid reaches the expansion machine 18 where it is expanding. Thereafter, the expanded working fluid flows to the radiator 19 or capacitor 20 where it is cooled or condensed and then back to the circular pump 21 arrives. By expanding the working fluid in the expansion machine 18 this creates energy, this energy to drive the conveyor 14 is used. This is the expansion machine 18 by means of a dashed drive connection shown 22 that have a powertrain 23 , a drive shaft 24 and the like, with the conveyor 14 drive-connected. The expansion machine 18 especially as an expansion turbine 25 be formed or such an expansion turbine 25 exhibit.

Durch das stromab des Verdichters 11 der Frischluftanlage 5 über den Abgaskanal 13 zugeführte Abgas erhöht sich der Druck in der Frischluftanlage 5, so dass insbesondere eine entsprechende verbrauchsreduzierende Anpassung des Abgasturboladers 9 vorgenommen werden kann. Auch ist es mittels der Fördereinrichtung 14 möglich, Abgas auch bei bereits hohen in der Abgasanlage 5 herrschenden Drücken der Frischluft beizufügen, um insbesondere Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine 3 und/oder den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 3 zu reduzieren. By the downstream of the compressor 11 the fresh air system 5 over the exhaust duct 13 supplied exhaust gas increases the pressure in the fresh air system 5 , so that in particular a corresponding consumption-reducing adaptation of the exhaust gas turbocharger 9 can be made. It is also by means of the conveyor 14 possible, exhaust even at high levels in the exhaust system 5 Adding prevailing pressures of the fresh air, in particular pollutant emissions of the internal combustion engine 3 and / or the fuel consumption of the internal combustion engine 3 to reduce.

2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Brennkraftmaschinensystems 1. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere durch die Anordnung des Abgasrückführkanals 13. Beim in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel zweigt der Abgasrückführkanal 13 stromab der Turbine 10 von der Abgasanlage 7 ab und mündet stromauf des Verdichters 10 in die Frischluftanlage 5. Das Abgas wird also über den Abgaskanal 13 der Frischluftanlage 5 vor dem Verdichten der Frischluft mittels des Verdichters 11 zugeführt. Hierdurch wird eine so genannte Niederdruckabgasrückführung realisiert. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist der in die Abgasanlage 7 eingebundene Wärmeübertrager 17 der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 15 stromab des Abgasrückführkanals 13 in die Abgasanlage 7 eingebunden. 2 shows another embodiment of the internal combustion engine system 1 , This in 2 embodiment shown differs from that in 1 shown embodiment in particular by the arrangement of the exhaust gas recirculation channel 13 , When in 2 shown embodiment, the exhaust gas recirculation channel branches 13 downstream of the turbine 10 from the exhaust system 7 and ends upstream of the compressor 10 in the fresh air system 5 , The exhaust gas is thus via the exhaust duct 13 the fresh air system 5 before compressing the fresh air by means of the compressor 11 fed. As a result, a so-called low-pressure exhaust gas recirculation is realized. Also in this embodiment is in the exhaust system 7 integrated heat exchanger 17 the exhaust heat recovery device 15 downstream of the exhaust gas recirculation channel 13 in the exhaust system 7 involved.

Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Fördereinrichtung 14 im Abgasrückführkanal 13 angeordnet. Das heißt, dass die Förderung des Abgases durch den Abgasrückführkanal 13 mittels der Fördereinrichtung 14 unmittelbar innerhalb des Abgasrückführkanals 13 erfolgt. In both embodiments, the conveyor is 14 in the exhaust gas recirculation channel 13 arranged. That is, the promotion of the exhaust gas through the exhaust gas recirculation channel 13 by means of the conveyor 14 immediately inside the exhaust gas recirculation channel 13 he follows.

In beiden Ausführungsbeispielen ist es vorstellbar, mittels der Expansionsmaschine 18 zunächst elektrischen Strom bzw. elektrische Energie zu erzeugen und die Fördereinrichtung 14 mit diesem elektrischen Strom bzw. elektrischer Energie anzutreiben. In both embodiments, it is conceivable by means of the expansion machine 18 first to generate electrical power or electrical energy and the conveyor 14 to drive with this electric current or electrical energy.

Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen wird also mittels der Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung 15 Abgaswärme des Abgases in Antriebsenergie umgewandelt und zum Antreiben der Fördereinrichtung 14 eingesetzt. In the embodiments shown, therefore, by means of the exhaust heat energy recovery device 15 Exhaust heat of the exhaust gas converted into drive energy and for driving the conveyor 14 used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10306015 A1 [0003] DE 10306015 A1 [0003]

Claims (10)

Brennkraftmaschinensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (1), mit – einer Brennkraftmaschine (3), – einer Frischluftanlage (5) zum Versorgen der Brennkraftmaschine (3) mit Frischluft, – einer Abgasanlage (7) zum Abführen von in der Brennkraftmaschine (3) entstehendem Abgas, – einem Abgasrückführkanal (13) zum Rückführen von Abgas zur Brennkraftmaschine (3), – einer Fördereinrichtung (14) zum Fördern des Abgases durch den Abgasrückführkanal (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennkraftmaschinensystem (1) eine in die Abgasanlage (7) eingebundene Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) zum Nutzen der Abgaswärme des Abgases aufweist, die zum Antreiben der Fördereinrichtung (14) mit der Fördereinrichtung (14) antriebsverbunden ist.Internal combustion engine system ( 1 ), in particular for a motor vehicle ( 1 ), with - an internal combustion engine ( 3 ), - a fresh air system ( 5 ) for supplying the internal combustion engine ( 3 ) with fresh air, - an exhaust system ( 7 ) for discharging in the internal combustion engine ( 3 ) produced exhaust gas, - an exhaust gas recirculation channel ( 13 ) for returning exhaust gas to the internal combustion engine ( 3 ), - a conveyor ( 14 ) for conveying the exhaust gas through the exhaust gas recirculation channel ( 13 ), characterized in that the internal combustion engine system ( 1 ) one in the exhaust system ( 7 ) integrated exhaust heat energy recovery device ( 15 ) for the benefit of the exhaust gas heat of the exhaust gas used to drive the conveyor ( 14 ) with the conveyor ( 14 ) is drive-connected. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Abgasturbolader (9) mit einer in die Abgasanlage (7) eingebundenen Turbine (10) und einem in die Frischluftanlage (5) eingebundenen Verdichter (11).System according to claim 1, characterized by an exhaust-gas turbocharger ( 9 ) with one in the exhaust system ( 7 ) integrated turbine ( 10 ) and one in the fresh air system ( 5 ) integrated compressor ( 11 ). System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführkanal (13) stromauf des Verdichters (11) in die Frischluftanlage (5) mündet.System according to claim 2, characterized in that the exhaust gas recirculation channel ( 13 ) upstream of the compressor ( 11 ) in the fresh air system ( 5 ) opens. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführkanal (13) stromab des Verdichters (11) in die Frischluftanlage (5) mündet.System according to claim 2, characterized in that the exhaust gas recirculation channel ( 13 ) downstream of the compressor ( 11 ) in the fresh air system ( 5 ) opens. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (14) im Abgasrückführkanal (13) angeordnet ist.System according to one of claims 1 to 4, characterized in that the conveyor ( 14 ) in the exhaust gas recirculation channel ( 13 ) is arranged. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) stromab des Abgasrückführkanals (13) in die Abgasanlage (79 eingebunden ist.System according to one of claims 1 to 5, characterized in that the exhaust heat energy recovery device ( 15 ) downstream of the exhaust gas recirculation channel ( 13 ) into the exhaust system ( 79 is involved. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) zumindest einen wärmeübertragend mit der Abgasanlage (7) gekoppelten Wärmeübertrager (17) aufweist.System according to one of claims 1 to 6, characterized in that the exhaust heat energy recovery device ( 15 ) at least one heat-transmitting with the exhaust system ( 7 ) coupled heat exchanger ( 17 ) having. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) als eine Wärmekraftmaschine (16) ausgestaltet ist.System according to one of claims 1 to 7, characterized in that the exhaust heat energy recovery device ( 15 ) as a heat engine ( 16 ) is configured. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) nach Art eines Rankine-Kreisprozesses ausgestaltet ist, bei dem die Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) zum Erwärmen eines Arbeitsmittels der Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) wärmeübertragend in die Abgasanlage (7) eingebunden ist und eine Expansionsmaschine (18) der Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) zum Antreiben der Fördereinrichtung (14) mit der Fördereinrichtung (14) antriebsverbunden ist.System according to one of claims 1 to 8, characterized in that the exhaust heat energy recovery device ( 15 ) is designed in the manner of a Rankine cycle process, in which the exhaust heat energy recovery device ( 15 ) for heating a working fluid of the exhaust heat energy recovery device ( 15 ) heat transferring into the exhaust system ( 7 ) and an expansion machine ( 18 ) the exhaust heat energy recovery device ( 15 ) for driving the conveyor ( 14 ) with the conveyor ( 14 ) is drive-connected. Verwendung einer eine Abgaswärme einer Brennkraftmaschine (3) in Antriebsenergie umwandelnden Abgaswärmeenergierückgewinnungseinrichtung (15) zum Antreiben einer Fördereinrichtung (14) zum Fördern von Abgas in einem Abgasrückführkanal (13) zum Rückführen von Abgas der Brennkraftmaschine (3) zur Brennkraftmaschine (3).Use of an exhaust heat of an internal combustion engine ( 3 ) in drive energy converting exhaust heat energy recovery device ( 15 ) for driving a conveyor ( 14 ) for conveying exhaust gas in an exhaust gas recirculation channel ( 13 ) for recirculating exhaust gas of the internal combustion engine ( 3 ) to the internal combustion engine ( 3 ).
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