Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine mit einer Frischgasleitung und einer Abgasleitung, die beide über eine Steuereinrichtung mit zumindest einem Brennraum der Brennkraftmaschine verbunden sind, und wobei die Abgasleitung einen Hochtemperaturwärmetauscher aufweist.The invention relates to a waste heat recovery system of an internal combustion engine with a fresh gas line and an exhaust pipe, both of which are connected via a control device with at least one combustion chamber of the internal combustion engine, and wherein the exhaust pipe comprises a high-temperature heat exchanger.
Stand der TechnikState of the art
Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2011 109 147 A1 bekannt. Die Brennkraftmaschine dieses Abwärmerückgewinnungssystems weist einen konventionellen Aufbau mit einer Frischgasleitung und einer Abgasleitung auf. Die Brennkraftmaschine ist in einem Fahrzeug eingebaut und beispielsweise über ein Hybridgetriebe mit einer Antriebsachse des Fahrzeugs verbunden. In die Abgasleitung der Brennkraftmaschine ist ein Hochtemperaturwärmetauscher eingebaut, der mit einem Hochtemperaturraum eines Stirlingmotors verbunden ist. Ein Niedrigtemperaturarbeitsraum des Stirlingmotors ist mit einem separaten Wärmetauscher verbunden, der vor einem Lüfter der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Eine Abtriebswelle des Stirlingmotors ist mit einer Elektromaschine verbunden.Such a waste heat recovery system of an internal combustion engine is known from DE 10 2011 109 147 A1 known. The internal combustion engine of this waste heat recovery system has a conventional structure with a fresh gas line and an exhaust pipe. The internal combustion engine is installed in a vehicle and connected, for example via a hybrid transmission with a drive axle of the vehicle. In the exhaust pipe of the internal combustion engine, a high-temperature heat exchanger is installed, which is connected to a high-temperature space of a Stirling engine. A low-temperature working space of the Stirling engine is connected to a separate heat exchanger, which is arranged in front of a fan of the internal combustion engine. An output shaft of the Stirling engine is connected to an electric machine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, das eine effektive Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine ermöglicht.The invention has for its object to provide a waste heat recovery system for an internal combustion engine, which allows effective use of waste heat of an internal combustion engine.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Frischgasleitung einen Niedertemperaturwärmetauscher aufweist, und dass der Hochtemperaturwärmetauscher und der Niedertemperaturwärmetauscher mit einem eine Trenneinrichtung aufweisenden System zur Nutzung der thermischen Abwärme der Brennkraftmaschine verschaltet sind. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass die der Abgasleitung der Brennkraftmaschine über den Hochtemperaturwärmetauscher entzogene thermische Energie in verschiedener Art und Weise zur Nutzungsgradsteigerung und zur Emissionsreduzierung der Brennkraftmaschine genutzt wird. Dabei kann die der Abgasleitung entzogene Energie direkt genutzt werden oder in eine andere Energieform überführt und genutzt werden.This object is achieved in that the fresh gas line has a low-temperature heat exchanger, and that the high-temperature heat exchanger and the low-temperature heat exchanger are connected to a system having a separator for utilizing the thermal waste heat of the internal combustion engine. This waste heat recovery system is characterized in that the thermal energy extracted from the exhaust gas line of the internal combustion engine via the high-temperature heat exchanger is used in various ways to increase the efficiency and to reduce emissions of the internal combustion engine. In this case, the energy extracted from the exhaust pipe can be used directly or transferred to another form of energy and used.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist das System einen Systemzylinder auf und die Trennvorrichtung ist ein Kolben. Wenn auch die Trennvorrichtung grundsätzlich beliebig, beispielsweise als in dem System eingespannte Membran ausgebildet sein kann, ist die bevorzugte Ausgestaltung ein Kolben, der in dem Systemzylinder axial verschiebbar ist. In an advantageous embodiment of the invention, the system has a system cylinder and the separator is a piston. Although the separation device can in principle be designed as desired, for example as a membrane clamped in the system, the preferred embodiment is a piston which is axially displaceable in the system cylinder.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in vorteilhafter Weiterbildung der Kolben ein in einem Systemzylinder gegen die Kraft einer Systemfeder axial bewegbarer Freikolben. Dabei wird die in der Abgasleitung geführte Abwärme mittels einer Kältemaschine, die als wesentliche Komponente den Systemzylinder mit dem darin axial beweglichen Kolben aufweist, genutzt und zur Kühlung des in der Frischgasleitung geführten Gases genutzt. Dabei ist in der Regel das Gas aus der Umgebung zugeführte Luft in Form von Verbrennungsluft, die in den Brennraum der Brennkraftmaschine unter zusätzlicher Zuführung von einem Brennstoff, insbesondere Benzin oder Diesel, unter Erzeugung von von der Brennkraftmaschine abgegebener Arbeitsleistung verbrennt. Ist dagegen die Trenneinrichtung eine Membran, wird die Systemfeder nicht benötigt.In a first embodiment of the invention, in an advantageous embodiment of the piston in a system cylinder against the force of a system spring axially movable free piston. In this case, the guided waste heat in the exhaust pipe by means of a refrigerator, which has as an essential component the system cylinder with the axially movable piston therein, used and used for cooling the guided in the fresh gas line gas. In this case, the gas is usually from the environment supplied air in the form of combustion air, which burns into the combustion chamber of the internal combustion engine with additional supply of a fuel, especially gasoline or diesel, generating generating output from the engine work. If, however, the separator is a membrane, the system spring is not needed.
In Weiterbildung der Erfindung sind in dem Systemzylinder auf gegenüberliegenden Stirnseiten des Kolbens Arbeitsräume gebildet, wobei ein Arbeitsraum ein mit dem Hochtemperaturwärmetauscher zusammenwirkender Hochtemperaturarbeitsraum und ein Arbeitsraum ein mit dem Niedertemperaturwärmetauscher zusammenwirkender Niedertemperaturarbeitsraum sind.In a further development of the invention, working chambers are formed in the system cylinder on opposite end faces of the piston, wherein a working space is a cooperating with the high-temperature heat exchanger high-temperature working space and a working space with the low-temperature heat exchanger cooperating low-temperature working space.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Hochtemperaturarbeitsraum und der Niedertemperaturarbeitsraum mit einem Gasführungssystem verbunden. Dieses Gasführungssystems ist – wie ebenfalls nachfolgend erläutert wird – mit der Umgebung verbunden und führt somit normale Luft. Das Gasführungssystem kann aber auch als geschlossenes System ausgebildet sein und eine anderes Gas, beispielsweise Helium, führen.In a further embodiment of the invention, the high-temperature working space and the low-temperature working space are connected to a gas guidance system. This gas supply system is - as also explained below - connected to the environment and thus performs normal air. The gas supply system can also be designed as a closed system and another gas, such as helium lead.
In Weiterbildung der Erfindung umfasst das Gasführungssystem eine Gasleitung sowie eine Gaseinlassleitung und eine Gasauslassleitung, wobei die Gasleitung den Hochtemperaturarbeitsraum mit dem Niedertemperaturarbeitsraum des Systemzylinders verbindet. Die Gaseinlassleitung und die Gasauslassleitung sind wie zuvor schon ausgeführt mit der Umgebung verbunden.In a further development of the invention, the gas guidance system comprises a gas line and a gas inlet line and a gas outlet line, wherein the gas line connects the high-temperature working space with the low-temperature working space of the system cylinder. The gas inlet line and the gas outlet line are connected to the environment as already explained.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Gaseinlassleitung ein Gaseinlassventil und die Gasauslassleitung ein Gasauslassventil auf. Wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Gasleitung einen Gasspeicher und ein Gasventil auf. Das Gaseinlassventil, das Gasauslassventil und das Gasventil werden in der nachfolgend noch beschriebenen Art und Weise gesteuert und betätigt. Dabei sind die Ventile beispielsweise elektrisch angesteuerte Ventile, die von einem Steuergerät, dass das ergänzte Brennkraftmaschinensteuergerät sein kann, angesteuert werden.In a development of the invention, the gas inlet line has a gas inlet valve and the gas outlet line has a gas outlet valve. Again, in a further embodiment of the invention, the gas line to a gas storage and a gas valve. The gas inlet valve, the gas outlet valve and the gas valve are controlled and operated in the manner described below. The valves are, for example, electrically controlled valves, that of a control unit that the supplemented engine control unit can be controlled.
In einer alternativen Ausgestaltung ist der Kolben Teil einer Kältemaschine nach einem Stirlingaufbau. Bei dieser Ausgestaltung ist der Kolben über ein Arbeitskolbenpleuel mit einer in weiterer Ausgestaltung vorhandenen Abtriebswelle des Stirlingmotors verbunden. Diese Abtriebswelle des Stirlingmotors ist mit einem in der Frischgasleitung angeordneten Kompressor verbunden. Bei dieser Ausgestaltung wird die Abwärme der Brennkraftmaschine optional zur Kühlung des in der Frischgasleitung geführten Gases und/oder gleichzeitig zur Verdichtung des in der Frischgasleitung geführten Gases genutzt.In an alternative embodiment, the piston is part of a refrigerator according to a Stirling construction. In this embodiment, the piston is connected via a working piston connecting rod with an existing output shaft of the Stirling engine in a further embodiment. This output shaft of the Stirling engine is connected to a compressor arranged in the fresh gas line. In this embodiment, the waste heat of the internal combustion engine is optionally used for cooling the guided in the fresh gas line gas and / or simultaneously for compression of the guided in the fresh gas line gas.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine die Abgasleitung und die Frischgasleitung verbindende Abgasrückführleitung auf. Dabei ist wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Hochtemperaturwärmetauscher im Bereich der Abzweigung der Abgasrückführleitung von der Abgasleitung und der Niedertemperaturwärmetauscher im Bereich der Einmündung der Abgasrückführleitung in die Frischgasleitung angeordnet. In diesen beiden Bereichen ist eine besonders effektive Nutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine möglich.In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine has an exhaust gas recirculation line connecting the exhaust gas line and the fresh gas line. In turn, in a further embodiment of the invention, the high-temperature heat exchanger in the region of the diversion of the exhaust gas recirculation line of the exhaust pipe and the low-temperature heat exchanger in the region of the confluence of the exhaust gas recirculation line is arranged in the fresh gas line. In these two areas, a particularly effective use of the waste heat of the internal combustion engine is possible.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, are described in more detail in the embodiments illustrated in the figures.
Es zeigen:Show it:
1 ein Systemschaubild einer Brennkraftmaschine mit einem Abwärmerückgewinnungssystem in einer ersten Ausführungsform, 1 FIG. 2 is a system diagram of an internal combustion engine having a waste heat recovery system in a first embodiment; FIG.
2 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem ersten Funktionsschritt, 2 a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in a first step,
3 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem zweiten Funktionsschritt, 3 a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in a second functional step,
4 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem dritten Funktionsschritt, 4 a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in a third functional step,
5 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem vierten Funktionsschritt, 5 a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in a fourth functional step,
6 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem fünften Funktionsschritt, 6 a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in a fifth functional step,
7 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem sechsten Funktionsschritt, 7 a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in a sixth functional step,
8 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem siebten Funktionsschritt, 8th a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in a seventh functional step,
9 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem achten Funktionsschritt, 9 a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in an eighth step,
10 eine Darstellung der Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß 1 in einem neunten Funktionsschritt, 10 a representation of the operation of the waste heat recovery system according to 1 in a ninth operational step,
11 ein Systemschaubild einer Brennkraftmaschine mit einem Abwärmerückgewinnungssystem in einer zweiten Ausführungsform, 11 FIG. 2 is a system diagram of an internal combustion engine having a waste heat recovery system in a second embodiment; FIG.
12 eine Systemdarstellung eines Sterlingmotors gemäß 11. 12 a system representation of a Sterling engine according to 11 ,
1 zeigt ein Systemschaubild einer Brennkraftmaschine 1 mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Abwärmerückgewinnungssystem. Die Brennkraftmaschine 1 ist herkömmlich ausgestaltet und beispielsweise als selbstzündende oder fremdgezündete Brennkraftmaschine 1 ausgestaltet, die beispielsweise mit Dieselkraftstoff oder Benzin betrieben wird. Die Brennkraftmaschine 1 weist eine beliebige Anzahl von Zylindern 2 auf, in der Brennräume gebildet sind, in denen Luft in Form von Verbrennungsluft und Kraftstoff unter Abgabe von einer an eine Kurbelwelle 3 abgegebenen Arbeitsleistung verbrennen. Die Verbrennungsluft wird den Brennräumen der Zylinder 2 über eine Frischgasleitung 4 und eine Steuereinrichtung in Form von zumindest einem Einlassventil 5 zugeführt, während der Kraftstoff insbesondere bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine 1 in den in dem Zylinder 2 gebildeten Brennraum über ein nicht dargestelltes Einspritzventil direkt eingespritzt wird. Nach der Verbrennung des Arbeitsgemisches wird das Abgas über ein ebenfalls ein Teil der Steuereinrichtung darstellendes Auslassventil 6 in eine Abgasleitung 7 abgeführt. 1 shows a system diagram of an internal combustion engine 1 with an inventively designed waste heat recovery system. The internal combustion engine 1 is designed conventionally and for example as a self-igniting or spark-ignited internal combustion engine 1 configured, which is operated for example with diesel fuel or gasoline. The internal combustion engine 1 has any number of cylinders 2 on, are formed in the combustion chambers, in which air in the form of combustion air and fuel with delivery of one to a crankshaft 3 burn off the delivered work. The combustion air is the combustion chambers of the cylinder 2 via a fresh gas line 4 and a control device in the form of at least one inlet valve 5 supplied while the fuel, in particular in a self-igniting internal combustion engine 1 in the cylinder 2 formed combustion chamber is injected directly via an injector, not shown. After the combustion of the working mixture, the exhaust gas via an exhaust valve also representing a part of the control device 6 in an exhaust pipe 7 dissipated.
Die Frischgasleitung 4 saugt aus der Umgebung Luft beispielsweise über einen Luftfilter 8 an. Die angesaugte Luft wird von dem Verdichter 9 eines optional verbauten Abgasturboladers 10 verdichtet und weiter in der Frischgasleitung 4 zu der Brennkraftmaschine 1 geführt. Stromabwärts des Verdichters 9 mündet eine Abgasrückführleitung 11 in die Frischgasleitung 4 ein, über die gesteuert von einem Abgasrückführventil 12 aus der Abgasleitung 7 Abgas in die Frischgasleitung 4 zurückgeführt wird. Die Abgasrückführung wird insbesondere zur Emissionsreduktion der Brennkraftmaschine vorgenommen. Stromabwärts der Abzweigung der Abgasrückführleitung 11 von der Abgasleitung 7 ist eine Turbine 13 des Turboladers 10 in die Abgasleitung 7 eingebaut. Weiter stromabwärts der Turbine 13 sind in die Abgasleitung 7 zumindest eine Einrichtung 14 zur Nachbehandlung der Abgase und/oder zumindest ein Abgasschalldämpfer 15 in einer beliebigen Reihenfolge eingebaut, bevor das Abgas letztendlich in die Umgebung abgeführt wird.The fresh gas line 4 sucks air from the environment, for example via an air filter 8th at. The intake air is taken from the compressor 9 an optionally installed exhaust gas turbocharger 10 compacted and continue in the fresh gas line 4 to the internal combustion engine 1 guided. Downstream of the compressor 9 opens an exhaust gas recirculation line 11 in the fresh gas line 4 a, over which controlled by an exhaust gas recirculation valve 12 from the exhaust pipe 7 Exhaust gas in the fresh gas line 4 is returned. The exhaust gas recirculation is made in particular for the emission reduction of the internal combustion engine. Downstream of the branch of the Exhaust gas recirculation line 11 from the exhaust pipe 7 is a turbine 13 of the turbocharger 10 in the exhaust pipe 7 built-in. Further downstream of the turbine 13 are in the exhaust pipe 7 at least one device 14 for the aftertreatment of the exhaust gases and / or at least one exhaust silencer 15 installed in any order before the exhaust gas is ultimately discharged into the environment.
Erfindungsgemäß ist in die Abgasleitung 7 ein Hochtemperaturwärmetauscher 16 und in die Frischgasleitung 4 ein Niedertemperaturwärmetauscher 17 eingebaut. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Hochtemperaturwärmetauscher 16 im Bereich der Abzweigung der Abgasrückführleitung 11 von der Abgasleitung 7 und der Niedertemperaturwärmetauscher 17 im Bereich der Einmündung der Abgasrückführleitung 11 in die Frischgasleitung 4 angeordnet, können grundsätzlich aber auch an anderer Stelle in der Abgasleitung 7 und/oder der Frischgasleitung 4 angeordnet sein. Der Hochtemperaturwärmetauscher 16 und der Niedertemperaturwärmetauscher 17 sind Teil eines in 1 nur schematisch strichliniert dargestellten Systems 18 zur Nutzung der thermischen Abwärme der Brennkraftmaschine 1. Das nachfolgend genauer erläuterte System 18 weist eine Gaseinlassleitung 19 und eine Gasauslassleitung 20 als Teil eines nachfolgend ebenfalls noch erläuterten Gasführungssystems des Systems 18 auf.According to the invention is in the exhaust pipe 7 a high temperature heat exchanger 16 and in the fresh gas line 4 a low temperature heat exchanger 17 built-in. In the illustrated embodiment, the high-temperature heat exchanger 16 in the area of the diversion of the exhaust gas recirculation line 11 from the exhaust pipe 7 and the low temperature heat exchanger 17 in the area of the confluence of the exhaust gas recirculation line 11 in the fresh gas line 4 arranged, in principle, but also elsewhere in the exhaust pipe 7 and / or the fresh gas line 4 be arranged. The high temperature heat exchanger 16 and the low temperature heat exchanger 17 are part of a 1 only schematic dashed system shown 18 to use the thermal waste heat of the internal combustion engine 1 , The system explained in more detail below 18 has a gas inlet line 19 and a gas outlet pipe 20 as part of a gas management system of the system which will also be explained below 18 on.
Das in 1 nur übersichtsmäßig dargestellte System 18 zur Nutzung der thermischen Abwärme der Brennkraftmaschine 1 ist in den 2 bis 10 in verschiedenen, aufeinander abfolgenden Funktionsschritten dargestellt.This in 1 only clearly presented system 18 to use the thermal waste heat of the internal combustion engine 1 is in the 2 to 10 represented in different successive functional steps.
Das System 18 weist einen Systemzylinder 21 auf, dessen Zylinderkopf 22 mit dem Niedertemperaturwärmetauscher 17 verbunden ist oder der Teil des Niedertemperaturwärmetauschers 17 ist. Der Zylinderboden 23 des Systemzylinders 21 ist mit dem Hochtemperaturwärmetauscher 16 verbunden oder Teil des Hochtemperaturwärmetauschers 16. In den Systemzylinder 21 ist ein Kolben 24 axial beweglich angeordnet, wobei der Kolben 24 mittels einer Systemfeder 25, die in dem Ausführungsbeispiel als Rückzugfeder ausgebildet ist, mit dem Zylinderboden 23 verbunden ist. Somit wird der Kolben 24 im Ruhezustand in die dargestellte Ausgangsposition bewegt. Der Kolben 24 teilt den Systemzylinderinnenraum in auf gegenüberliegenden Stirnseiten des Kolbens 24 gebildete Arbeitsräume auf, wobei ein Arbeitsraum ein mit dem Zylinderkopf 22 beziehungsweise Niedertemperaturwärmetauscher 17 zusammenwirkender Niedertemperaturarbeitsraum 26 und der gegenüberliegende Arbeitsraum ein mit dem Zylinderboden 23 beziehungsweise dem Hochtemperaturwärmetauscher 16 zusammenwirkender Hochtemperaturarbeitsraum 27 ist. Der Niedertemperaturarbeitsraum 26 und der Hochtemperaturarbeitsraum 27 sind mit dem die Gaseinlassleitung 19 und die Gasauslassleitung 20 aufweisenden Gasführungssystem verbunden. Weiterhin weist das Gasführungssystem eine Gasleitung 28 auf, die die eigentliche Verbindung der Arbeitsräume herstellt. Die Gaseinlassleitung 19 weist ein Gaseinlassventil 29 und die Gasauslassleitung 20 ein Gasauslassventil 30 auf. In die Gasleitung 28 ist ausgangsseitig aus dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 ein Gasspeicher 31 eingebaut, wobei eingangsseitig in den Gasspeicher 31 ein Rückschlagventil 32 in die Gasleitung 28 oder direkt in den Gasspeicher 31 eingebaut ist. Weiterhin ist in die Gasleitung 28 im Bereich der Einmündung in den Hochtemperaturarbeitsraum 27 ein Gasventil 33 eingebaut. Das Gaseinlassventil 29, das Gasauslassventil 30 und das Gasventil 33 sind beispielsweise elektrisch betätigt.The system 18 has a system cylinder 21 on, its cylinder head 22 with the low-temperature heat exchanger 17 connected or the part of the low-temperature heat exchanger 17 is. The cylinder bottom 23 of the system cylinder 21 is with the high temperature heat exchanger 16 connected or part of the high temperature heat exchanger 16 , In the system cylinder 21 is a piston 24 arranged axially movable, the piston 24 by means of a system spring 25 , which is formed in the embodiment as a return spring, with the cylinder bottom 23 connected is. Thus, the piston 24 at rest in the illustrated starting position moves. The piston 24 divides the system cylinder interior in on opposite end faces of the piston 24 formed working spaces, with a working space with a cylinder head 22 or low-temperature heat exchanger 17 low temperature cooperating working room 26 and the opposite working space with the cylinder bottom 23 or the high-temperature heat exchanger 16 co-operative high temperature work space 27 is. The low temperature workroom 26 and the high-temperature workspace 27 are with the the gas inlet line 19 and the gas outlet pipe 20 connected gas guiding system. Furthermore, the gas supply system has a gas line 28 on, which establishes the actual connection of the work spaces. The gas inlet pipe 19 has a gas inlet valve 29 and the gas outlet pipe 20 a gas outlet valve 30 on. In the gas line 28 is on the output side from the low temperature workspace 26 a gas storage 31 installed, with the input side in the gas storage 31 a check valve 32 in the gas line 28 or directly into the gas storage 31 is installed. Furthermore, in the gas line 28 in the area of the confluence with the high-temperature working space 27 a gas valve 33 built-in. The gas inlet valve 29 , the gas outlet valve 30 and the gas valve 33 are for example electrically operated.
2 zeigt den initialen Zustand des Systems 18, bei dem das Gaseinlassventil 29, das Gasauslassventil 30 und das Gasventil 33 geschlossen sind. Der Gasspeicher 31 hat einen initial undefinierten Zustand oder ist vom letzten Systemarbeitsgang drucklos. Auf der Warmseite wird bei laufender Brennkraftmaschine 1 über den Hochtemperaturwärmetauscher 16 Energie zugeführt (dargestellt durch den Pfeil unterhalb des Zylinderbodens 23). Durch das Zuführen von Energie dehnt sich die in dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 eingeschlossene Luft aus und bewegt den Kolben 24 in Richtung des Niedertemperaturarbeitsraums 26. Die sich ausdehnende Luft des Hochtemperaturarbeitsraums 27 arbeitet gegen die Systemfeder 25 und den in dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 herrschenden Gasdrucks. Die in dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 befindliche Luft wird komprimiert. 2 shows the initial state of the system 18 in which the gas inlet valve 29 , the gas outlet valve 30 and the gas valve 33 are closed. The gas storage 31 has an initial undefined state or is unpressurized from the last system operation. On the warm side is when the internal combustion engine 1 over the high-temperature heat exchanger 16 Energy supplied (represented by the arrow below the cylinder bottom 23 ). By supplying energy, it expands in the high temperature work space 27 trapped air and moves the piston 24 in the direction of the low temperature working space 26 , The expansive air of the high temperature working space 27 works against the system spring 25 and in the low-temperature workroom 26 prevailing gas pressure. The one in the low temperature workroom 26 air is compressed.
In dem in 3 dargestellten zweiten Funktionsschritt soll der Gasspeicher 31 aufgeladen werden, wobei das Gaseinlassventil 29, das Gasauslassventil 30 und das Gasventil 33 nach wie vor geschlossen sind. Der Kolben 24 komprimiert die in dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 befindliche Kaltluft. Ziel ist – wie ausgeführt – die Aufladung des Gasspeichers 31 mit Kaltluft. Dies wird erreicht, weil das Gaseinlassventil 29, das Gasauslassventil 30 und das Gasventil 33 geschlossen sind und die Luft in dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 sich weiter ausdehnt und durch die Kolbenbewegung die Kaltluft in dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 komprimiert. Durch das Rückschlagventil 32 kann die Kaltluft in den Gasspeicher 31 strömen.In the in 3 illustrated second functional step to the gas storage 31 be charged, the gas inlet valve 29 , the gas outlet valve 30 and the gas valve 33 are still closed. The piston 24 compresses those in the low temperature workspace 26 cold air. The aim is - as stated - the charging of the gas storage 31 with cold air. This is achieved because the gas inlet valve 29 , the gas outlet valve 30 and the gas valve 33 are closed and the air in the high-temperature work space 27 expands further and by the piston movement, the cold air in the low-temperature working space 26 compressed. Through the check valve 32 can the cold air in the gas storage 31 stream.
In dem in 4 dargestellten Funktionsschritt soll ein Luftausstoß auf der Niedertemperaturseite erfolgen. Bei diesem Funktionsschritt ist das Gaseinlassventil 29 geöffnet, während das Gasauslassventil 30 und das Gasventil 33 nach wie vor geschlossen sind. Der Gasspeicher 31 ist gefüllt und die Luft soll aus dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 ausgestoßen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass das Gaseinlassventil 29 geöffnet wird und die Luft in dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 sich weiter ausdehnt und somit den Kolben 24 weiter in den Niedertemperaturarbeitsraum 26 bewegt. Dadurch wird die in den Niedertemperaturarbeitsraum 26 befindliche Kaltluft aus diesem über die Gaseinlassleitung 19 verdrängt.In the in 4 illustrated function step is to take place air discharge on the low temperature side. In this functional step is the gas inlet valve 29 opened while the gas outlet valve 30 and the gas valve 33 are still closed. The gas storage 31 is filled and the air should from the low temperature workspace 26 be ejected. This is achieved by the gas inlet valve 29 is opened and the air in the high-temperature work space 27 continues to expand and thus the piston 24 further into the low-temperature working space 26 emotional. This turns into the low temperature workspace 26 Cold air from this via the gas inlet line 19 repressed.
Bei dem in 5 dargestellten Funktionsschritt soll ein Luftausstoß auf der Heißseite erfolgen. In dem entsprechenden Funktionszustand befindet sich der Kolben 24 in der oberen Endlage. Das Gaseinlassventil 29 ist geschlossen, während das Gasauslassventil 30 geöffnet ist. Der Gasspeicher 31 ist gefüllt. Ziel ist, den Überdruck aus dem Heißluftbereich entweichen zu lassen, sodass die Systemfeder 25 den Kolben 24 wieder in die untere Ausgangsposition bewegen kann. Erreicht wird dies dadurch, dass das Gaseinlassventil 29 geschlossen wird und gleichzeitig das Gasauslassventil 30 geöffnet wird. Somit strömt die Luft aus dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 über die Gasauslassleitung 20 in die Umgebung.At the in 5 illustrated function step is to take place air discharge on the hot side. In the corresponding functional state is the piston 24 in the upper end position. The gas inlet valve 29 is closed while the gas outlet valve 30 is open. The gas storage 31 is filled. The aim is to let the excess pressure escape from the hot air area, so that the system spring 25 the piston 24 can move back to the lower starting position. This is achieved by the gas inlet valve 29 is closed and at the same time the gas outlet valve 30 is opened. Thus, the air flows from the high-temperature working space 27 via the gas outlet pipe 20 in the nearby areas.
In dem nächsten in 6 dargestellten Funktionsschritt soll eine Kühlung des Systems 18 erfolgen. Dabei ist das Gasauslassventil 30 geöffnet und der Kolben 24 bewegt sich in die untere Endlage, während der Gasspeicher 31 gefüllt ist. Ziel ist es, dass der Kaltseite Energie entzogen wird. Dadurch wird die Temperatur an der Kühlseite respektive dem Niedertemperaturwärmetauscher 17 zur Kühlung der der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Brennluft herabgesetzt. Erreicht wird dies dadurch, dass das Gasauslassventil 30 geöffnet ist und die Luft aus dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 ausströmt. Bedingt durch das geöffnete Gasauslassventil 30 bewegt die Systemfeder 25 den Kolben 24 in die untere Endlage. Durch die Kolbenbewegung wird dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 und somit auch dem Niedertemperaturwärmetauscher 17 Energie entzogen. Das Entziehen von Energie aus dem Niedertemperaturbereich setzt die Temperatur an der Kühlseite, also dem Niedertemperaturwärmetauscher 17, herab; dadurch wird Energie aus der Umgebung aufgenommen und es erfolgt eine Kühlung des Niedertemperaturwärmetauschers 17, was durch den Pfeil oberhalb des Niedertemperaturwärmetauschers 17 dargestellt ist.In the next in 6 shown function step is to cool the system 18 respectively. Here is the gas outlet valve 30 opened and the piston 24 moves to the lower end position while the gas storage 31 is filled. The goal is to deprive the cold side of energy. This causes the temperature on the cooling side or the low-temperature heat exchanger 17 for cooling the engine 1 reduced combustion air. This is achieved by the fact that the gas outlet valve 30 is open and the air from the high-temperature work space 27 flows. Due to the open gas outlet valve 30 moves the system spring 25 the piston 24 in the lower end position. By the piston movement is the low-temperature working space 26 and thus also the low-temperature heat exchanger 17 Deprived of energy. The extraction of energy from the low temperature range sets the temperature on the cooling side, ie the low-temperature heat exchanger 17 , down; This energy is absorbed from the environment and there is a cooling of the low-temperature heat exchanger 17 what is indicated by the arrow above the low-temperature heat exchanger 17 is shown.
Im nächsten, in 7 dargestellten Funktionsschritt, soll eine weitere Kühlung erfolgen. Dabei ist der Kolben 24 von der Systemfeder 25 in die untere Ausgangsposition (in Abhängigkeit der beiden Arbeitsraumdrücke in dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 und dem Hochtemperaturarbeitsraum 27) bewegt. Bei diesem Funktionsschritt ist ein maximaler Energieentzug auf der Niedertemperaturseite in dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 beziehungsweise in dem Niedertemperaturwärmetauscher 17 erreicht. Der Gasspeicher 31 ist nach wie vor gefüllt. Ziel dieses Funktionsschrittes ist die maximale Temperaturabsenkung auf der Niedertemperaturseite in dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 und dem Niedertemperaturwärmetauscher 17. Erreicht wird dies dadurch, dass der Kolben 24 durch die Rückzugskraft der Systemfeder 25 die untere Endlage erreicht hat. Die entzogene Entropie erreicht ihr Maximum und vermindert die Temperatur auf der Kühlseite in dem Niedertemperaturarbeitsraum 26 und dem Niedertemperaturwärmetauscher 17. Das Gasauslassventil 30 bleibt weiterhin geöffnet.In the next, in 7 shown function step, should be carried out a further cooling. Here is the piston 24 from the system spring 25 in the lower starting position (depending on the two working space pressures in the low-temperature working space 26 and the high temperature workroom 27 ) emotional. In this functional step is a maximum energy withdrawal on the low temperature side in the low temperature working space 26 or in the low-temperature heat exchanger 17 reached. The gas storage 31 is still filled. The aim of this functional step is the maximum temperature reduction on the low-temperature side in the low-temperature working space 26 and the low temperature heat exchanger 17 , This is achieved by the piston 24 by the retraction force of the system spring 25 has reached the lower end position. The deprived entropy reaches its maximum and reduces the temperature on the cooling side in the low temperature working space 26 and the low temperature heat exchanger 17 , The gas outlet valve 30 remains open.
Der nächste in 8 dargestellte Funktionsschritt ist die Befüllung des Systems 18 mit Kaltluft. Dazu sind das Gaseinlassventil 29 und das Gasauslassventil 30 geöffnet. Der Kolben 24 ist von der Systemfeder 25 in die untere Endlage zurückgezogen. Ziel dieses Funktionsschrittes ist es, Umgebungsluft in den Niedertemperaturbereich respektive den Niedertemperaturarbeitsraum 26 anzusaugen und erhitzte Luft soweit wie möglich aus dem Heißbereich respektive dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 zu verdrängen. Erreicht wird dies dadurch, dass das Gaseinlassventil 29 geöffnet wird, wodurch Umgebungsluft in den Niedertemperaturarbeitsraum 26 einströmt. Gleichzeitig bleibt das Gasauslassventil 30 geöffnet und Umgebungsluft strömt in den Niedertemperaturarbeitsraum 26 ein. Dadurch wird der Kolben 24 durch die Beaufschlagung mit Umgebungsdruck auf der Kaltseite noch etwas weiter in Richtung Heißbereich gedrückt und bedingt dadurch erfolgt ein weiteres Verdrängen von erhitzter Luft aus dem Hochtemperaturarbeitsraum 27.The next in 8th The illustrated functional step is the filling of the system 18 with cold air. These are the gas inlet valve 29 and the gas outlet valve 30 open. The piston 24 is from the system spring 25 retracted to the lower end position. The aim of this functional step is to introduce ambient air into the low-temperature range or the low-temperature working space 26 sucked in and heated air as far as possible from the hot area or the high-temperature workspace 27 to displace. This is achieved by the gas inlet valve 29 is opened, causing ambient air in the low-temperature working space 26 flows. At the same time the gas outlet valve remains 30 open and ambient air flows into the low temperature working space 26 one. This will cause the piston 24 pressed by the application of ambient pressure on the cold side a little further in the direction of the hot area and conditionally there is a further displacement of heated air from the high-temperature working space 27 ,
In dem in 9 dargestellten Funktionsschritt erfolgt eine Befüllung der Heißseite, also des Hochtemperaturarbeitsraum 27 mit Kaltluft. Dazu ist das Gaseinlassventil 29 geschlossen, während das Gasauslassventil 30 geöffnet ist. Das Gasventil 33 ist ebenfalls geöffnet und die in dem Gasspeicher 31 befindliche Kaltluft entlädt sich in den Heißbereich beziehungsweise den Hochdrucktemperaturarbeitsraum 27. Ziel dieses Funktionsschrittes ist die Flutung des Heißbereichs mit Kaltluft. Weiterhin soll die noch in dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 befindliche erhitzte Luft durch Überschneidung der Ventilöffnungszeiten des Gasventils 33 und des Gasauslassventils 30 ausgespült werden. Erreicht wird dies dadurch, dass das Gaseinlassventil 29 geschlossen und das Gasventil 33 geöffnet wird, wodurch kalte sich in dem Gasspeicher 31 befindliche Luft in den Heißbereich respektive den Hochtemperaturarbeitsraum 27 einströmt. Die in den Hochtemperaturarbeitsraum 27 einströmende kalte Luft verdrängt die restliche erhitzte Luft, die sich noch in dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 befindet, durch das Gasauslassventil 30 und die Gasauslassleitung 20 in die Umgebung.In the in 9 shown functional step is a filling of the hot side, so the high-temperature working space 27 with cold air. This is the gas inlet valve 29 closed while the gas outlet valve 30 is open. The gas valve 33 is also open and in the gas storage 31 located cold air discharges into the hot area or the high-pressure temperature working space 27 , The aim of this functional step is the flooding of the hot zone with cold air. Furthermore, should still in the high-temperature workspace 27 located heated air by overlapping the valve opening times of the gas valve 33 and the gas outlet valve 30 be rinsed out. This is achieved by the gas inlet valve 29 closed and the gas valve 33 is opened, causing cold in the gas storage 31 located air in the hot area respectively the high-temperature working space 27 flows. Those in the high-temperature workroom 27 incoming cold air displaces the remaining heated air still remaining in the high-temperature work space 27 located through the gas outlet valve 30 and the gas outlet pipe 20 in the nearby areas.
In dem in 10 dargestellten Funktionsschritt erfolgt eine weitere Befüllung der Heißseite mit Kaltluft. Der sich einstellende statische Zustand ist, dass das Gaseinlassventil 29 ebenso wie das Gasauslassventil 30 geschlossen sind. Das Gasventil 33 ist nach wie vor geöffnet und der Gasspeicher 31 entlädt sich bis zum vollständigen Druckausgleich in dem Heißbereich respektive dem Hochtemperaturarbeitsraum 27. Ziel dieses Funktionsschrittes ist, den Inhalt des Gasspeichers 31 komplett zu entladen, um eine maximal mögliche Kaltluftmasse in dem Hochtemperaturarbeitsraum 27 zu haben. Erreicht wird dies dadurch, dass das Gasauslassventil 30 geschlossen wird und sich dadurch der Restdruck aus dem Gasspeicher 31 über das Gasventil 33 in den Hochtemperaturarbeitsraum 27 entladen kann. An diesen Funktionsschritt schließt sich der in 2 dargestellte und beschriebene Funktionsschritt wieder an und ein neuer Arbeitstakt beginnt. Zusammenfassend kann der Niederdrucktemperaturwärmetauscher 17 als herkömmlicher Abgasrückführkühler (der in der Abgasrückführleitung 11 verbaut ist) betrieben werden oder sogar als Kombination von Abgasrückführkühler und Ladeluftkühler, der bei einem herkömmlichen System in der Frischgasleitung 4 verbaut ist. Vorteile für den Betrieb des Niedertemperaturwärmetauschers 17 als Abgasrückführkühler und/oder Ladeluftkühler sind:
- – Eine Temperaturabsenkung des zurückgeführten Abgases bedingt eine stärkere Ausdehnung des zurückgeführten Abgases bei einer Verbrennung in dem jeweiligen Zylinder 2. Dies führt zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 1.
- – Eine Ladeluftkühlung hat denselben Effekt wie eine Abgasrückführung.
- – Eine Ladeluftkühlung führt zu einer Erhöhung der Luftdichte und somit des Sauerstoffangebotes. Bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine werden die Abgasemissionen reduziert, bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen wird die Neigung zum Klopfen und dadurch indirekt auch der Verbrauch und die Emissionen reduziert.
- – Eine Reduzierung der Gemisch-Verbrennungstemperatur reduziert die NOx-Emissionen.
In the in 10 shown functional step is carried out a further filling of the hot side with cold air. The resulting static condition is that the gas inlet valve 29 as well as the gas outlet valve 30 are closed. The gas valve 33 is still open and the gas storage 31 discharges until the complete pressure equalization in the hot area respectively the high temperature work space 27 , The aim of this functional step is the content of the gas storage 31 to completely discharge to a maximum possible cold air mass in the high temperature work space 27 to have. This is achieved by the fact that the gas outlet valve 30 is closed and thereby the residual pressure from the gas storage 31 over the gas valve 33 in the high temperature workroom 27 can discharge. This functional step is followed by the in 2 shown and described function step again and a new power stroke begins. In summary, the low-pressure temperature heat exchanger 17 as a conventional exhaust gas recirculation cooler (in the exhaust gas recirculation line 11 is installed) or even as a combination of exhaust gas recirculation cooler and intercooler, which in a conventional system in the fresh gas line 4 is installed. Advantages for the operation of the low-temperature heat exchanger 17 Exhaust gas recirculation cooler and / or intercooler are: - - A decrease in temperature of the recirculated exhaust gas causes a greater expansion of the recirculated exhaust gas in a combustion in the respective cylinder 2 , This leads to an increase in performance of the internal combustion engine 1 ,
- - A charge air cooling has the same effect as an exhaust gas recirculation.
- - A charge air cooling leads to an increase in the air density and thus the supply of oxygen. In a self-igniting internal combustion engine, the exhaust emissions are reduced, in spark-ignited internal combustion engines, the tendency to knock and thereby indirectly also the consumption and emissions is reduced.
- - Reducing the mixture combustion temperature reduces NO x emissions.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 11 dargestellt. Dies zeigt grundsätzlich einen ähnlichen Aufbau wie in 1 beschrieben, wobei hier das System 18 zur Nutzung der thermischen Abwärme der Brennkraftmaschine 1 eine nachfolgend in 12 beschriebene Kältemaschine in Form eines Sterlingmotors 34 aufweist, dessen Abtriebswelle 35 direkt oder indirekt mit einem Kompressor 36 (analog zu dem Verdichter 9 gemäß 1) verbunden ist.A second embodiment of the invention is in 11 shown. This basically shows a similar structure as in 1 Here is the system 18 to use the thermal waste heat of the internal combustion engine 1 one below in 12 described chiller in the form of a Sterling engine 34 has, whose output shaft 35 directly or indirectly with a compressor 36 (analogous to the compressor 9 according to 1 ) connected is.
12 zeigt einen bekannten Sterlingmotor 34, dessen Funktionsprinzip hinlänglich bekannt ist und der nachfolgend kurz beschrieben ist. Der in 12 dargestellte Sterlingmotor 34 ist ein Beta-Typ-Sterlingmotor 24, der einen in einem Systemzylinder 21a axial auf und ab bewegbaren Verdrängerkolben 37 aufweist, der über eine Verdrängerkolbenpleuelstange 38 und einen Hubzapfen der Abtriebswelle 35 verbunden ist. Die Abtriebswelle 35 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Schwungrad 39 verbunden, das über einen Riementrieb 40 mit dem Kompressor 36 beziehungsweise einer Antriebswelle des Kompressors 36 verbunden ist. Bei einer Drehbewegung des Schwungrads 39 wird folglich der Kompressor 36 zur Verdichtung der in der Frischgasleitung 4 geführten Brennluft angetrieben. Neben dem Verdrängerkolben 37 ist in dem Systemzylinder 21 ein als Arbeitskolben ausgebildeter Kolben 24a angeordnet, der über ein Arbeitskolbenpleuel 41 ebenfalls mit der Antriebswelle 39 um 90° phasenverschoben zu dem Verdrängerkolben 37 verbunden ist. Der Systemzylinder 21a weist einen Hochtemperaturbereich in Form eines Hochtemperaturarbeitsraums 27a auf, der mit dem Hochtemperaturwärmetauscher 16 verbunden ist. Zwischen dem Verdrängerkolben 37 und dem den Arbeitskolben bildenden Kolben 24a ist der Niedertemperaturbereich mit dem Niedertemperaturarbeitsraum 26a gebildet, der mit dem Niederdrucktemperaturwärmetauscher 17 verbunden ist, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Kühlmantel dargestellt ist. Weiterhin weist der Systemzylinder 21a des Sterlingmotors 34 einen Regenerator 42 auf. 12 shows a known sterling engine 34 whose operating principle is well known and which is briefly described below. The in 12 illustrated sterling engine 34 is a beta type Stirling engine 24 one in a system cylinder 21a axially displaceable up and down piston 37 having, via a displacement piston connecting rod 38 and a crankpin of the output shaft 35 connected is. The output shaft 35 is in the illustrated embodiment with a flywheel 39 connected via a belt drive 40 with the compressor 36 or a drive shaft of the compressor 36 connected is. During a rotary movement of the flywheel 39 thus becomes the compressor 36 for compression in the fresh gas line 4 driven combustion air. Next to the displacer 37 is in the system cylinder 21 a trained as a working piston piston 24a arranged, via a working piston connecting rod 41 also with the drive shaft 39 90 ° out of phase with the displacer 37 connected is. The system cylinder 21a has a high-temperature region in the form of a high-temperature working space 27a on top of that with the high temperature heat exchanger 16 connected is. Between the displacer 37 and the piston forming the working piston 24a is the low temperature area with the low temperature work space 26a formed with the low-pressure temperature heat exchanger 17 is connected, which is shown in the illustrated embodiment as a cooling jacket. Furthermore, the system cylinder 21a of the sterling engine 34 a regenerator 42 on.
Das Prinzip eines Sterlingmotors 34 basiert auf der mit Temperaturveränderung einhergehenden Volumenveränderung des Arbeitsgases, die auch schon bei dem vorherig beschriebenen Ausführungsbeispiel genutzt wurde. In dem Systemzylinder 21a gibt es zwei Bereiche unterschiedlicher Temperatur. Unten ist der Niedertemperaturarbeitsraum 26a von dem Niedertemperaturwärmetauscher 17 ummantelt, oben wird dem Hochtemperaturarbeitsraum 27a über den damit verbundenen Hochtemperaturwärmetauscher 16 Wärme zugeführt.The principle of a sterling engine 34 is based on the change in volume associated with the change in temperature of the working gas, which was already used in the previously described embodiment. In the system cylinder 21a There are two areas of different temperature. Below is the low temperature work space 26a from the low-temperature heat exchanger 17 Jacketed, the high-temperature workroom is going up 27a over the associated high-temperature heat exchanger 16 Heat supplied.
Durch den Verdrängerkolben 37, der sich im gleichen Takt wie der den Arbeitskolben bildende Kolben 24a bewegt, allerdings um 90° voraus phasenverschoben, wird das Arbeitsgas mal in den Hochtemperaturarbeitsraum 27a, mal in den Niedertemperaturarbeitsraum 26a gedrängt. Dementsprechend wird das Arbeitsgas erhitzt und expandiert oder es kühlt ab und das Gasvolumen verkleinert sich.Through the displacer 37 , which is in the same stroke as the piston forming the piston 24a moved, but phase-shifted by 90 °, the working gas is sometimes in the high-temperature workspace 27a , sometimes in the low-temperature working space 26a crowded. Accordingly, the working gas is heated and expanded or it cools down and the gas volume decreases.
Bei der Expansion des Arbeitsgases wird der Kolben 24a nach unten gedrückt. Daraufhin hebt sich der Verdrängerkolben 37 nach oben, was zur Folge hat, dass das Arbeitsgas an den Seiten des Verdrängerkolbens 37 vorbei nach unten in den gekühlten Bereich verdrängt wird, wo sein Volumen durch die Komprimierung abnimmt und der Kolben 24a hebt sich.During the expansion of the working gas, the piston 24a pressed down. Then the displacer raises 37 to the top, which has the consequence that the working gas on the sides of the displacer 37 is displaced down into the cooled area where its volume decreases due to compression and the piston 24a lifts.
Der Kolben 24a und der Verdrängerkolben 37 sind über ein Arbeitskolbenpleuel 41 und ein Verdrängerkolbenpleuel 38 mit dem Schwungrad 39 gekoppelt, welches, nachdem es einmal in eine Drehbewegung versetzt worden ist, die Verdrängerkolbenbewegung mit einer festen Phasenverschiebung zu der Arbeitskolbenbewegung steuert, wobei der Antrieb des Schwungrads 39 durch die von dem Kolben 24a geleistete Arbeit erfolgt. The piston 24a and the displacer 37 are over a working piston connecting rod 41 and a displacer piston 38 with the flywheel 39 coupled, which, once it has been set in a rotational movement, controls the displacement piston movement with a fixed phase shift to the working piston movement, wherein the drive of the flywheel 39 through the piston 24a done work done.
Im Bereich zwischen der Niedertemperaturzone und der Hochtemperaturzone befindet sich der Regenerator 42, der den Wirkungsgrad des Sterlingmotors 34 deutlich erhöht, indem er jedes Mal, wenn das Arbeitsgas an ihn von einer Zone zur anderen strömt, Hitze beziehungsweise Kälte von den Gasmolekülen aufnimmt und speichert, um sie auf dem Rückweg des Arbeitsgases wieder abzugeben, und somit eine schnellere Temperaturänderung fördert.In the area between the low temperature zone and the high temperature zone is the regenerator 42 that the efficiency of the sterling engine 34 is significantly increased by each time the working gas flows to it from one zone to the other, and absorbs heat and cold from the gas molecules and stores to give them back on the return path of the working gas, and thus promotes a faster change in temperature.
Bei dem in den 11 und 12 dargestellten System 18 wird über den Hochtemperaturwärmetauscher 16 zugeführte Abwärme der Brennkraftmaschine 1 mittels dem als Kältemaschine fungierenden Sterlingmotor 34 genutzt. Die Kaltseite des Sterlingmotors 34 unterstützt beziehungsweise ersetzt den Abgasrückführkühler und dient als Unterstützung des Ladeluftkühlers. Der von dem Sterlingmotor 34 angetriebene Kompressor 36 ersetzt eine Aufladung durch einen Turbolader und es besteht keine mechanische Kopplung zu der Brennkraftmaschine 1. Ein Initialmotor ist nötig, um den Sterlingmotor 34 zu starten, da ein Sterlingmotor 34 grundsätzlich nicht selbstanlaufend ist. Gegenüber einem herkömmlichen System entfällt ein Abgasrückführkühler und ein Ladeluftkühler kann zumindest kleiner ausgelegt werden. Weiterhin entfällt ein Turbolader. Der Prozess zeichnet sich dadurch aus, dass eine bessere Kühlung des Abgasrückführstrangs und der über die Frischgasleitung 4 geführte Ladeluft eine Effizienzsteigerung der Brennkraftmaschine 1 erfolgt. Die Verwendung des Kompressors 36 lässt ein besseres Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 1 in unteren Drehzahlbereich zu.In the in the 11 and 12 illustrated system 18 is via the high-temperature heat exchanger 16 supplied waste heat of the internal combustion engine 1 by means of acting as a chiller Sterling engine 34 used. The cold side of the Sterling engine 34 supports or replaces the exhaust gas recirculation cooler and serves as support for the intercooler. The one from the Sterling engine 34 driven compressor 36 replaces charging by a turbocharger and there is no mechanical coupling to the engine 1 , An initial engine is needed to get the sterling engine 34 to start because a sterling engine 34 basically not self-starting. Compared to a conventional system eliminates an exhaust gas recirculation cooler and a charge air cooler can be designed at least smaller. Furthermore, a turbocharger is eliminated. The process is characterized by the fact that a better cooling of the exhaust gas recirculation line and the fresh gas line 4 Guided charge air an increase in efficiency of the internal combustion engine 1 he follows. The use of the compressor 36 leaves a better response of the internal combustion engine 1 in lower speed range too.
Zusammenfassend kann die Abwärme der Brennkraftmaschine 1 sowohl zur Kühlung als auch mechanisch zum Antrieb des Kompressors 36 oder aber auch einer sonstigen mechanisch angetriebenen Maschine, wie beispielsweise einer Lichtmaschine genutzt werden. Wird der Kompressor 36 nicht benötigt, wird die gesamte Energie des Systems 18 zur Kühlung des Niedertemperaturbereichs genutzt. Wir die Energie teilweise oder vollständig mechanisch genutzt, so steht diese nur eingeschränkt oder nicht mehr als Kühlenergie zur Verfügung. Durch den beschriebenen Initialmotor kann zusätzlich eine Boostfunktion durch Zuführen von beispielsweise elektrischer Energie realisiert werden, sofern die Abgasenergie der Brennkraftmaschine 1 nicht ausreichend für die jeweilige Fahrsituation des Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine 1 verbaut ist, ist. Dies kann sinnvoll sein, wenn eine höhere Kompressorleistung zum Beispiel bei einem Überholvorgang eines Fahrzeugs bereitgestellt werden soll. Der Initialmotor kann auch als Generator eingesetzt werden. Folglich kann je nach Einsatzsituation beziehungsweise Fahrsituation eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine 1 verbaut ist, die beste Lösung gewählt werden. Ein zuverlässigkeitskritisches Bauteil Turbolader kann durch den Kompressor 36 ersetzt werden. Da der Kompressor 36 keine direkte mechanische Kopplung zu der Brennkraftmaschine 1 aufweist, ist der Nachteil eines gesteigerten Kraftstoffverbrauchs eliminiert. Weiterhin ist eine Boostfunktion realisierbar und ebenfalls ist ein Generatorbetrieb möglich. Folglich ist diese Variante sehr variabel; thermische Abwärme der Brennkraftmaschine 1 kann in elektrische, kinetische und thermische Energie umgewandelt werden. Damit kann die maximale Effizienz, je nach gewünschtem Einsatzbereich Kühlung, Aufladung oder Umwandlung in elektrische Energie, gewährleistet werden.In summary, the waste heat of the internal combustion engine 1 both for cooling and mechanically for driving the compressor 36 or else any other mechanically driven machine, such as an alternator can be used. Will the compressor 36 Not needed, the whole energy of the system 18 used for cooling the low temperature range. If we use the energy partially or completely mechanically, it is only available to a limited extent or no longer as cooling energy. By means of the described initial motor, it is additionally possible to realize a boost function by supplying, for example, electrical energy, provided the exhaust gas energy of the internal combustion engine 1 not sufficient for the particular driving situation of the vehicle in which the internal combustion engine 1 is built. This can be useful if a higher compressor power is to be provided, for example, in an overtaking process of a vehicle. The initial motor can also be used as a generator. Consequently, depending on the application situation or driving situation of a vehicle in which the internal combustion engine 1 is installed, the best solution to be chosen. A reliability-critical component turbocharger can through the compressor 36 be replaced. Because the compressor 36 no direct mechanical coupling to the internal combustion engine 1 has the disadvantage of increased fuel consumption is eliminated. Furthermore, a boost function can be realized and generator operation is also possible. Consequently, this variant is very variable; thermal waste heat of the internal combustion engine 1 can be converted into electrical, kinetic and thermal energy. Thus, the maximum efficiency, depending on the desired application cooling, charging or conversion into electrical energy, can be ensured.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beschriebene Einzelmerkmale der Erfindung beliebig untereinander und miteinander – soweit dies technisch möglich und sinnvoll ist – kombiniert werden können.Finally, it is pointed out that described individual features of the invention can be combined with each other and with each other as far as this is technically possible and meaningful.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 102011109147 A1 [0002] DE 102011109147 A1 [0002]
