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HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein WHR-System zum Rückgewinnen von Wärmeenergie von einem Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug, das ein solches WHR-System umfasst.
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Ein WHR-System (englisch: Waste Heat Recovery System; Abwärmerückgewinnungssystem) kann in Fahrzeugen eingesetzt werden, um Wärmeenergie rückzugewinnen und sie in mechanische Energie oder elektrische Energie umzuwandeln. Ein WHR-System umfasst eine Pumpe, die ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf unter Druck setzt und zirkuliert. Der Kreislauf umfasst einen Verdampfer, in dem das Arbeitsmedium durch eine Wärmequelle, wie zum Beispiel die Abgase von einem Verbrennungsmotor, erwärmt und und verdampft wird. Das unter Druck gesetzte und erwärmte gasförmige Arbeitsmedium wird zu einem Expander geleitet, wo es sich ausdehnt. Der Expander erzeugt mechanische Energie, die verwendet werden kann, um das Fahrzeug oder Vorrichtungen am Fahrzeug zu betreiben. Alternativ ist der Expander mit einem Generator verbunden, der elektrische Energie erzeugt. Das den Expander verlassende Arbeitsmedium wird zu einem Verflüssiger geleitet. Das Arbeitsmedium wird im Verflüssiger auf eine Temperatur erwärmt, bei der es kondensiert. Das verflüssigte Arbeitsmedium wird zur Pumpe umgeleitet, die das Arbeitsmedium unter Druck setzt. Deshalb kann die Abwärmeenergie beispielsweise aus den Abgasen von einem Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug mithilfe eines WHR-Systems rückgewonnen werden. Infolgedessen kann ein WHR-System den Treibstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors reduzieren.
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Üblicherweise umfasst eine Abgasleitung eines Verbrennungsmotors eine Turbine eines Turboladers und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung wie einen SCR-Katalysator. Die Turbine ist angelegt, durch Hochdruckabgase angetrieben zu werden, und die Abgasnachbehandlungseinrichtung muss auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt werden, um eine gewünschte Behandlung der Abgase bereitzustellen. Die Abgase bieten einen relativ großen Druck- und Temperaturabfall, wenn sie durch einen Verdampfer eines WHR-Systems strömen. Daher ist der Verdampfer eines herkömmlichen WHR-Systems an einer der Turbine und der Wärmenachbehandlungseinrichtung in der Abgasleitung nachgeschalteten Position angeordnet, um die Funktion dieser Komponenten nicht zu vermindern. In dieser Position ist die Temperatur der Abgase relativ niedrig, was eine Kapazität des WHR-Systems reduziert. Darüber hinaus ist die Temperaturdifferenz zwischen den Abgasen und dem Arbeitsmedium in den Verdampfern oftmals niedrig, was eine Steuerung des Wärmeflusses im Verdampfer mit einer gewünschten Genauigkeit einigermaßen erschwert.
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Ein Wärmerohr ist ein geschlossenes Verdampfer-Verflüssiger-System, das aus einem abgedichteten hohlen Rohr besteht, dessen Innenwände mit einer Kapillarstruktur oder einem Dochtmaterial beschichtet sind. Ein thermodynamisches Arbeitsfluid mit einem wesentlichen Dampfdruck bei der gewünschten Betriebstemperatur sättigt die Poren des Dochtmaterials in einem Gleichgewichtszustand zwischen Flüssigkeit und Dampf. Wenn Wärme an Wärmerohr angelegt wird, erwärmt sich die Flüssigkeit im Dochtmaterial und verdampft. Wenn das verdampfende Fluid die hohle Mitte des Wärmerohrs füllt, diffundiert es über dessen Länge hinweg. Eine Kondensation des Dampfs tritt immer dann ein, wenn die Temperatur nur leicht unter der des Verdampfungsbereichs liegt. Wenn er kondensiert, gibt der Dampf die Wärme ab, die er während der Verdampfung gewonnen hat. Diese effektive hohe Wärmeleitfähigkeit hilft, beinahe konstante Temperaturen über die gesamte Länge des Wärmerohrs beizubehalten.
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US 8 806858 B2 zeigt ein Abgassystem, das einen Katalysator umfasst. Um einen Abgaskrümmer und den Katalysator vor Überhitzung zu schützen, werden Wärmerohre verwendet, um Wärme vom Abgaskrümmer in die Atmosphäre zu transferieren.
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FR 2 961 587 A1 zeigt eine Abgasleitung, die einen Wärmetauscher mit Wärmerohren umfasst, wobei die Wärmerohre von einem Strömungskanal umgeben sind.
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Ferner ist aus der Patentanmeldung
DE 10 2006 043 139 A1 ein gattungsgemäßes Abwärmerückgewinnungssystem bekannt.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein WHR-System bereitzustellen, das Wärmeenergie aus Abgasen eines Verbrennungsmotors mit einem niedrigen Druckabfall in der Abgasleitung rückgewinnt. Weitere Aufgaben sind eine Bereitstellung von Bedingungen für eine einfache Steuerung des Wärmestroms im Verdampfer und ein Schutz der in Kontakt mit den Abgasen befindlichen Komponenten vor einer Überhitzung.
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Die oben erwähnten Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 definierte WHR-System gelöst. Die Wärmeübertragungsanordnung umfasst einen Strömungskanal, der einen Verdampfer eines WHR-Kreislaufs umschließt, und Strömungsmittel, die ausgelegt sind, für eine Strömung eines Wärmeübertragungsfluids durch den Strömungskanal zu sorgen. Die Wärmeübertragungsanordnung umfasst auch Wärmerohre, die ausgelegt sind, Wärmeenergie von den Abgasen zum Wärmeübertragungsfluid im Strömungskanal zu übertragen. Die Abgasleitung wird üblicherweise auf eine Temperatur erwärmt, die im Wesentlichen der der Abgase entspricht. Daher ist es möglich, einen Endabschnitt eines Wärmerohrs mit einer geeigneten Oberfläche der Abgasleitung zu verbinden und Wärmeenergie aus den Abgasen zu absorbieren. Da der erste Endabschnitt des Wärmerohrs nicht in die Abgasströmung vorsteht, trägt er keinen Strömungswiderstand zur Abgasströmung in der Abgasleitung bei. Folglich ermöglicht die Verwendung von Wärmerohren, Wärmeenergie aus den Abgasen in einer Abgasleitung mit einem niedrigen Druckabfall in der Abgasleitung zu absorbieren. Ein niedriger Druckabfall in der Abgasleitung reduziert den Treibstoffverbrauch des Verbrennungsmotors. Das Wärmerohr überträgt Wärmeenergie vom ersten Endabschnitt an einen zweiten Endabschnitt, der in thermalem Kontakt mit der Wärmeübertragungsfluidströmung im Strömungskanal in einer dem Verdampfer in Bezug auf eine beabsichtigte Strömungsrichtung im Strömungskanal vorgeschalteten Position steht. Deshalb erwärmt der zweite Endabschnitt des Wärmerohrs die Wärmeübertragungsfluidströmung im Strömungskanal, bevor sie in thermalen Kontakt mit dem Arbeitsmedium im Verdampfer kommt. Bei einer geeigneten Wahl des Wärmerohrs ist es möglich, die Strömung des Wärmeübertragungsmediums im Strömungskanal auf eine sehr hohe Temperatur zu erwärmen. Der Bereich der Abgasleitung, der thermal mit dem ersten Endabschnitt des Wärmerohrs verbunden ist, wird abgekühlt. Dieser Bereich der Abgasleitung ist vor einer Überhitzung geschützt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abgasleitung eine Turbine eines Turboladers und der erste Endabschnitt des Wärmerohrs steht in thermalem Kontakt mit einem Teil der Abgasleitung, der der Turbine in Bezug auf die beabsichtigte Strömungsrichtung der Abgase in der Abgasleitung vorgeschaltet angeordnet ist. In diesem Fall absorbieren die Wärmerohre Wärmeenergie aus einem Abgasleitungsteil, in dem die Abgase ihre höchste Temperatur und ihren höchsten Druck aufweisen. In diesem Fall ist es möglich, das Wärmeübertragungsfluid auf eine wesentlich höhere Temperatur als das Arbeitsmedium im Verflüssiger zu erwärmen. Die große Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Arbeitsmedium im Verdampfer ermöglicht die Steuerung der Wärmeübertragung im Verdampfer.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung steht der erste Endabschnitt des Wärmerohrs in thermalem Kontakt mit einem Abgaskrümmer der Abgasleitung. In bestimmten Verbrennungsmotoren ist die Abgastemperatur aufgrund der Materialeigenschaften des Abgaskrümmers eingeschränkt. Durch thermales Verbinden eines ersten Endabschnitts einer Anzahl an Wärmerohren mit geeigneten Oberflächen des Abgaskrümmers ist es möglich, die Temperatur des Abgaskrümmers zu reduzieren und ihn vor einer Überhitzung zu schützen. Alternativ ist es möglich, eine höhere Abgastemperatur vom Verbrennungsmotor zuzulassen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abgasleitung eine Abgasnachbehandlungseinrichtung auf und der erste Endabschnitt des Wärmerohrs ist mit einem Teil der Abgasleitung verbunden, der der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Bezug auf die beabsichtigte Strömungsrichtung der Abgase in der Abgasleitung vorgeschaltet angeordnet ist. Eine Abgasnachbehandlungseinrichtung ist üblicherweise in der Abgasleitung in einer dem Turbolader nachgeschalteten Position angeordnet. Die Temperatur und der Druck der Abgase fallen, wenn sie durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung strömen. Daher ist es günstig, Wärmeenergie aus der Abgasleitung in einer der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgeschalteten Position zu absorbieren.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmeübertragungsfluid Luft. In diesem Fall kann das Strömungsmittel ein Lüfter sein, der ausgelegt ist, eine Luftströmung durch den Strömungskanal zu drücken. Der Lüfter kann mit einer variablen Drehzahl angetrieben werden und einen variablen Luftströmungsdurchsatz durch den Strömungskanal drücken, um für eine gewünschte Verdampfung des Arbeitsmediums im Verdampfer zu sorgen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Strömungskanal eine Öffnung, die an einem vorderen Abschnitt des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei Staudruckluft ausgelegt ist, eine Luftströmung durch den Strömungskanal zu drücken. In diesem Fall ist es möglich, eine Luftströmung durch den Strömungskanal ohne einen Lüfter bereitzustellen. Die Verwendung von Staudruckluft reduziert den Energieverbrauch für den Betrieb des Lüfters und des WHR-Systems. Ein Drosselelement kann ausgelegt sein, die Strömung der Staudruckluft durch den Strömungskanal zu steuern. Bei Betriebsbedingungen mit variierender Abgastemperatur ist es möglich, den Luftströmungsdurchsatz im Strömungskanal mithilfe des Drosselventils zu variieren, um den Verdampfungsprozess im Verdampfer zu optimieren. Das Drosselventil kann eine Drosselklappe sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmeübertragungsfluid Abgas. Die Abgase können von einer der Turbine und der Abgasnachbehandlungseinrichtung nachgeschalteten Abgasleitung zum Strömungskanal geleitet werden. Die Abgase weisen an dieser Position der Abgasleitung fast immer eine wesentlich höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur auf. Daher ist ein kleinerer Temperaturanstieg als bei einem Wärmeübertragungsmedium mit Umgebungstemperatur erforderlich, um die Abgase auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. In diesem Fall ist weniger Wärmeenergie erforderlich, um das Wärmeübertragungsmedium zu erwärmen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Strömungsmittel eine Pumpe und das Wärmeübertragungsfluid ist eine Flüssigkeit. In diesem Fall kann der Strömungskanal kompakter gemacht werden. Die Flüssigkeit kann ein geeignetes Öl oder eine unter Druck gesetzte Mischung aus Wasser und Glykol sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung bildet der Strömungskanal einen geschlossenen Kreislauf. Bei den meisten Betriebszuständen weist das Wärmeübertragungsfluid eine höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur auf, wenn es den Verdampfer verlässt. Daher ist ein kleinerer Temperaturanstieg als bei einem Wärmeübertragungsmedium mit Umgebungstemperatur erforderlich, um ein Wärmeübertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. In diesem Fall ist weniger Wärmeenergie erforderlich, um das Wärmeübertragungsmedium zu erwärmen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung eine Steuereinheit, die ausgelegt ist, eine Information über mindestens einen Betriebsparameter zu empfangen und mithilfe dieser Information die Strömung des Wärmeübertragungsfluids durch den Strömungskanal zu steuern. Ein solcher Parameter kann mit der Temperatur und/oder der Strömung der Abgase in der Abgasleitung verbunden sein. Die Wärmeenergie in den Abgasen variiert bei verschiedenen Betriebszuständen. Um eine effiziente Verdampfung im Verdampfer durchzuführen, kann es notwendig sein, die Wärmeübertragung im Verdampfer zu variieren. Die Wärmeübertragung im Verdampfer kann durch Variieren der Strömung des Wärmeübertragungsfluids im Strömungskanal variiert werden.
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Die Anordnung kann einen Temperatursensor umfassen, der ausgelegt ist, die Temperatur der Abgase in mindestens einem Teil der Abgasleitung zu erfassen, wobei die Steuereinheit ausgelegt ist, eine Strömung des Wärmeübertragungsfluids durch den Strömungskanal zu initiieren, wenn die Abgase eine Temperatur über einer bestimmten Temperatur aufweisen. Die Turbine eines Turboladers ist angelegt, durch Hochdruckabgase angetrieben zu werden, und die Abgasnachbehandlungseinrichtung muss auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt werden, um eine gewünschte Behandlung der Abgase bereitzustellen. Die Übertragung von Wärmeenergie von den Abgasen resultiert in einem Temperatur- und Druckabfall der Abgase. Das Wärmerohr überträgt Wärmeenergie aus der Abgasleitung in einer einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und/oder einer Turbine eines Turboladers vorgeschalteten Position. Daher ist es nicht zweckdienlich, Wärmeenergie aus den Abgasen rückzugewinnen, wenn sie eine zu niedrige Temperatur aufweisen. In einem solchen Fall werden der Druck und die Temperatur der Abgase, die in die Turbine und die Abgasnachbehandlungseinrichtung eintreten, für einen effizienten Betrieb dieser Komponenten zu niedrig sein. Falls die Temperatur der Abgase über einer solchen bestimmten Temperatur liegt, werden der Druck und die Temperatur der Abgase, die in die Turbine und die Abgasnachbehandlungseinrichtung eintreten, für einen effizienten Betrieb dieser Komponenten ausreichend hoch sein. In diesem Fall gewinnt das WHR-System Wärmeenergie aus den Abgasen bei einer hohen Temperatur zurück, was die Effizienz des WHR-Systems und die Steuerfähigkeit des WHR-Systems erhöht. Die bestimmte Temperatur kann eine konstante Temperatur oder eine Temperatur sein, die bei verschiedenen Betriebszuständen variiert.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden als Beispiele bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 ein WHR-System nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
- 2 ein WHR-System nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
- 3 ein WHR-System nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt und
- 4 ein WHR-System nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt ein schematisch offenbartes Fahrzeug 1, das von einem überhitzten Verbrennungsmotor 2 angetrieben wird. Der Verbrennungsmotor 2 kann ein Dieselmotor sein. Das Fahrzeug 1 kann ein Schwerfahrzeug sein. Der Verbrennungsmotor umfasst eine Abgasleitung 3, die Abgase aus dem Verbrennungsmotor 2 leitet. Die Abgasleitung 3 umfasst einen ersten Abgasleitungsteil in Form eines Abgaskrümmers 3a, der Abgase aus den Zylindern des Verbrennungsmotors 2 aufnimmt. Die Abgasleitung 3 umfasst einen zweiten Abgasleitungsteil 3b, der einer Turbine 4a eines Turboaggregats 4 Abgase vom Abgaskrümmer zuführt. Die Turbine 4a treibt einen Kompressor 4b des Turboladers 4 an. Der Kompressor 4b komprimiert Luft, die über eine Ladeluftleitung 5 zum Verbrennungsmotor 2 geleitet wird. Die Ladeluftleitung 5 umfasst einen Ladeluftkühler 5a, der an einem vorderen Abschnitt des Fahrzeugs 1 angeordnet ist, in dem die komprimierte Luft gekühlt wird, bevor sie zum Verbrennungsmotor 2 geleitet wird. Die Abgasleitung 3 umfasst einen dritten Abgasleitungsteil 3c, der einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 Abgase von der Turbine 4a zuführt.
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 kann in einem Behälter wie einem Auspufftopf angeordnet sein. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 kann eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: einen Dieseloxidationskatalysator DOC, einen Dieselpartikelfilter PDF, eine Einspritzvorrichtung für eine Harnstofflösung, eine selektive katalytische Reduktion SCR und einen Ammoniakschlupfkatalysator ASC. Die Abgasleitung 3 umfasst einen vierten Abgasleitungsteil, der Abgase von der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 aufnimmt. Der Druck und die Temperatur der Abgase werden stufenweise in der Abgasleitung 3 reduziert. Deshalb weisen die Abgase ihren höchsten Druck und ihre höchste Temperatur im ersten Abgasleitungsteil 3a und im zweiten Abgasleitungsteil 3b auf. Nach Expansion der Abgase in der Turbine 4a weisen sie im dritten Abgasleitungsteil 3c einen reduzierten Druck und eine reduzierte Temperatur auf. Nach Behandlung der Abgase in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 weisen sie im vierten Abgasleitungsteil 3d einen weiter reduzierten Druck und eine weiter reduzierte Temperatur auf.
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Das Fahrzeug 1 umfasst ein Kühlsystem, das eine Motoreinlassleitung 7 umfasst, die Kühlmittel zum Verbrennungsmotor 2 leitet. Die Motoreinlassleitung 7 ist mit einer Pumpe 8 versehen, die ein Kühlmittel im Kühlsystem zirkuliert. Das den Verbrennungsmotor 2 verlassende Kühlmittel wird in einer Motorauslassleitung 9 aufgenommen. Ein erstes Ventilelement 10 in Form eines Dreiwegeventils 10 ist an einem Ende der Motorauslassleitung 9 angeordnet. Das Kühlsystem umfasst eine Kühlkörper-Umgehungsleitung 11 und einen Kühlkörper 12. Das erste Ventilelement 10 ist ausgelegt, einen Teil des Kühlmittels auf die Kühlkörper-Umgehungsleitung 11 und einen restlichen Teil des Kühlmittels auf den Kühlkörper 12 zu verteilen. Das Kühlsystem umfasst ein zweites Ventilelement 14 in Form eines Dreiwegeventils. Das zweite Ventilelement 14 kann Kühlmittel aus der Kühlkörper-Umgehungsleitung 11 aufnehmen und es zur Motoreinlassleitung 7 oder zu einem Verflüssigerkreislauf 15 leiten, in dem das Kühlmittel ein Arbeitsmedium in einem Verflüssiger 16 eines WHR-Kreislaufs kühlt. Im letzteren Fall werden Kühlmittel von der Kühlkörper-Umgehungsleitung 11 und mögliches Kühlmittel vom Kühlkörper 12 gemischt und zum Verflüssigerkreislauf 15 geleitet. Alternativ nimmt das zweite Ventilelement 14 Kühlmittel vom Kühlkörper 12 auf und leitet es zur Motoreinlassleitung 7. Der Verflüssigerkreislauf 15 umfasst eine Verflüssigereinlassleitung 15a, die Kühlmittel zum Verflüssiger 16 leitet, und eine Verflüssigerauslassleitung 15b, die Kühlmittel vom Verflüssiger 16 zur Motoreinlassleitung 7 leitet.
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Das Fahrzeug 1 ist mit einem WHR-System zum Rückgewinnen von Wärmeenergie von einem Verbrennungsmotor 2 ausgestattet. Das WHR-System umfasst einen WHR-Kreislauf 19 (ein Abwärmerückgewinnungssystem). Der WHR-Kreislauf umfasst eine Pumpe 18, die ein Arbeitsmedium im WHR-Kreislauf 19 unter Druck setzt und zirkuliert. Das Arbeitsmedium kann Ethanol, R65fa oder eine andere Art von Arbeitsmedium sein. Das die Pumpe 18 verlassende Arbeitsmedium tritt in einen Verdampfer 20. Das Arbeitsmedium wird im Verdampfer 20 durch Abgase so erwärmt, dass es verdampft wird und überhitzt wird, bevor es zu einem Expander 22 geleitet wird. Das Arbeitsmedium expandiert im Expander 22. Der Expander 22 erzeugt eine Drehbewegung, die über ein geeignetes mechanisches Getriebe an eine Welle des Antriebsstrangs des Fahrzeugs 1 übertragen werden kann. Alternativ wandelt der Expander 6 Wärmeenergie in elektrische Energie um, die in einem Akkumulator gespeichert werden kann. Nachdem das Arbeitsmedium den Expander 22 durchlaufen hat, wird es zum Kondensator 16 geleitet. Das Arbeitsmedium wird im Kondensator 16 durch das Kühlmittel vom Verflüssigerkreislauf 15 auf eine Temperatur abgekühlt, bei der es kondensiert wird. Das Arbeitsmedium wird vom Verflüssiger 16 zu einer Aufnahme 23 geleitet. Das Arbeitsmedium wird von der Aufnahme 23 zur Pumpe 18 gesaugt.
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Das WHR-System umfasst einen Strömungskanal 25. Der Strömungskanal 25 umschließt den Verdampfer 20 des WHR-Kreislaufs 19. Ein Lüfter 26 ist ausgelegt, für eine Luftströmung durch den Strömungskanal 25 zu sorgen. Der Lüfter 26 wird von einem Elektromotor 27 angetrieben. Eine Steuereinheit 28 steuert die Aktivierung des Elektromotors 27 und des Lüfters 26. Ein erster Satz von Wärmerohren 29 steht an einem ersten Endabschnitt 29a in thermalem Kontakt mit dem Abgaskrümmer 3a. Ein zweiter Endabschnitt 29b des ersten Satzes von Wärmerohren 29 ist im Inneren des Strömungskanals 25 angeordnet. Der zweite Endabschnitt 29b des ersten Satzes von Wärmerohren 29 ist an einer dem Verdampfer 20 in Bezug auf die beabsichtigte Luftströmungsrichtung durch den Strömungskanal 25 vorgeschalteten Position angeordnet. Ein zweiter Satz von Wärmerohren 30 ist an einem ersten Endabschnitt 30a in thermalem Kontakt mit der Abgasleitung 3 in einer der Turbine 4a nachgeschalteten und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 vorgeschalteten Position angeordnet. Der zweite Endabschnitt 30b des zweiten Satzes von Wärmerohren 30 ist im Inneren des Strömungskanals 25 angeordnet. Der zweite Endabschnitt 30b des zweiten Satzes von Wärmerohren 30 ist im Strömungskanal 25 an einer dem Verdampfer 20 und dem zweiten Endabschnitt 29b des ersten Satzes von Wärmerohren 29 vorgeschalteten Position angeordnet. Ein Temperatursensor 31 erfasst die Temperatur der Abgase in der Abgasleitung 3. In diesem Fall erfasst der Temperatursensor 31 die Temperatur der Abgase im zweiten Teil 3b der Abgasleitung 3.
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Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 2 strömen Abgase durch die Abgasleitung 3. Die Steuereinheit 28 empfängt eine Information vom Temperatursensor 31 über die Temperatur der Abgase im zweiten Abgasleitungsteil 3b. Falls die Temperatur der Abgase über einer bestimmten Temperatur liegt, ist es möglich, Wärmeenergie aus den Abgasen zu verwenden, um das Arbeitsmedium im Verdampfer 20 zu erwärmen. In diesem Fall ist der Druck der in die Turbine 4a eintretenden Abgase hoch genug, um einen ausreichenden Betrieb des Turboladers 4 bereitzustellen. Darüber hinaus ist die Temperatur der in die Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 eintretenden Abgase hoch genug, um eine effiziente Behandlung der Abgase in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 bereitzustellen. Eine solche Temperatur kann ungefähr 500 °C betragen. Falls die Steuereinheit 28 eine Information vom Temperatursensor 31 empfängt, die anzeigt, dass die Temperatur der Abgase über 500 °C liegt, aktiviert die Steuereinheit 28 die Pumpe 19 so, dass die Zirkulation des Arbeitsmediums im WHR-Kreislauf 18 beginnt. Die Steuereinheit 28 initiiert auch eine Aktivierung des Lüfters 26, sodass ein Luftstrom im Strömungskanal 25 bereitgestellt wird.
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Da die Wärmerohre 29, 30 eine sehr hohe effektive Wärmeleitfähigkeit aufweisen, weisen die ersten Endabschnitte 29a, 30a und die zweiten Endabschnitte 29b, 30b der jeweiligen Sätze von Wärmerohren 29, 30 eine im Wesentlichen entsprechende Temperatur auf. Deshalb weisen der erste Endabschnitt 29a und der zweite Endabschnitt 29b des ersten Satzes von Wärmerohren 29 eine Temperatur auf, die mit der Temperatur der Abgase im Abgaskrümmer 3a verbunden ist. Der erste Endabschnitt 30a und der zweite Endabschnitt 30b des zweiten Satzes von Wärmerohren 30 weisen eine Temperatur auf, die mit der Temperatur der Abgase im dritten Abgasleitungsteil 3c verbunden ist. Die zweiten Endabschnitte 29b des ersten Satzes von Wärmerohren 29 vorgeschalteten weisen eine höhere Temperatur als die zweiten Endabschnitte 30b des zweiten Satzes von Wärmerohren 30 auf. Folglich wird die Luftströmung im Strömungskanal 25 in einem ersten Schritt von den zweiten Endabschnitten 30b des zweiten Satzes von Wärmerohren 30 und in einem zweiten Schritt von den zweiten Endabschnitten 29b des ersten Satzes von Wärmerohren 29 erwärmt. Deshalb kann die in den Verdampfer 20 eintretende Luft auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt werden, bevor sie in den Verdampfer 20 eintritt. Die heiße Luft erwärmt das Arbeitsmedium im Verdampfer 20 auf eine Temperatur, bei der es verdampft.
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1 zeigt die Verwendung zweier Sätze von Wärmerohren 29, 30. Es ist üblicherweise ausreichend, einen Satz von Wärmerohren 29, 30 zum Erwärmen der Luftströmung im Strömungskanal 25 zu verwenden. Die Verwendung der Wärmerohre 29, 30 ermöglicht eine Absorption von Wärme aus den Abgasen ohne Hinzufügen eines Strömungswiderstands zu den Abgasen in der Abgasleitung 3. Folglich kann die Absorption von Wärmeenergie aus den Abgasen in der Abgasleitung mit einem relativ niedrigen Druckabfall in der Abgasleitung 3 durchgeführt werden. In diesem Fall ist es möglich, für eine relativ große Temperaturdifferenz zwischen der heißen Luft und dem Arbeitsmedium im Verdampfer 20 zu sorgen. Eine solche große Temperaturdifferenz erleichtert die Steuerung der Wärmeübertragung im Verdampfer 20. Die Steuereinheit 28 steuert die Wärmeübertragung im Verdampfer 20 durch Anpassen der Geschwindigkeit des Lüfters 26 und deshalb des Luftströmungsdurchsatzes durch den Strömungskanal 25. Die Verwendung des ersten Satzes von Wärmerohren 29 ermöglicht eine Kühlung des Abgaskrümmers 3a. Deshalb kann das WHR-System den Abgaskrümmer vor Überhitzung schützen. Die Verwendung des WHR-Systems ermöglicht auch, die Temperatur der Abgase zu erhöhen, die den Verbrennungsmotor verlassen.
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Bei Betriebszuständen, bei denen die Steuereinheit 28 eine Information vom Temperatursensor 31 empfängt, die anzeigt, dass die Temperatur der Abgase unter der bestimmten Temperatur liegt, schaltet sie den Lüfter 26 und die Pumpe 18 im WHR-Kreislauf 18 ab. Deshalb ist das WHR-System ausgeschaltet, wenn die Abgase unter der bestimmten Temperatur liegen. Diese Maßnahme stellt sicher, dass der Turbolader 4 und die Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 eine gewünschte Funktion bei Betriebszuständen beibehalten, bei denen die Abgase eine niedrige Temperatur aufweisen.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform des WHR-Systems. In diesem Fall weist der Strömungskanal 25 eine Öffnung 25a an einem vorderen Abschnitt des Fahrzeugs 1 auf. Der Strömungskanal 25 umfasst ein Drosselelement in Form einer Drosselklappe 32, durch die es möglich ist, die Luftströmung im Strömungskanal 25 zu regeln. In diesem Fall wird die Luftströmung im Strömungskanal 25 durch Staudruckluft bereitgestellt. Der Strömungskanal 25 umfasst außerdem in dieser Ausführungsform einen zweiten Endabschnitt 30b eines zweiten Satzes von Wärmerohren 30, der Wärmeenergie vom zweiten Abgasleitungsabschnitt 30c auf die Luftströmung überträgt, und einen zweiten Endabschnitt 29b eines ersten Satzes von Wärmerohren 29, der Wärmeenergie vom Abgaskrümmer 30c auf die Luftströmung überträgt. Der Strömungskanal 25 umschließt auch den Verdampfer 20 des WHR-Kreislaufs 19.
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Bei Betriebszuständen, bei denen die Steuereinheit 28 eine Information vom Temperatursensor 31 empfängt, die anzeigt, dass die Temperatur der Abgase über der bestimmten Temperatur liegt, schaltet sie die Pumpe 18 im WHR-Kreislauf 18 ein. Die Staudruckluft sorgt für eine Luftströmung durch den Strömungskanal 25. Der erste Satz von Wärmerohren 29 und der zweite Satz von Wärmerohren 30 übertragen Wärmeenergie von der Abgasleitung 3 auf die Luftströmung im Strömungskanal 25. Die Steuereinheit 28 regelt die Luftströmung im Strömungskanal 25 mithilfe der Drosselklappe 32, sodass die Temperatur und der Strömungsdurchsatz der Luft Werte annehmen, die in einer erfolgreichen Erwärmung des Arbeitsmediums im Verdampfer 20 resultieren. Bei Betriebszuständen, bei denen die Steuereinheit 28 eine Information vom Temperatursensor 31 empfängt, die anzeigt, dass die Temperatur der Abgase unter der bestimmten Temperatur liegt, stellt sie die Drosselklappe 32 in eine geschlossene Position und schaltet die Pumpe 18 im WHR-Kreislauf 18 ab.
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3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des WHR-Systems. In diesem Fall weist der Strömungskanal 25 eine Einlassöffnung 25b auf, die mit dem vierten Abgasleitungsabschnitt 3d verbunden ist. Der Strömungskanal 25 umfasst ein Drosselelement in Form einer Drosselklappe 32, durch die es möglich ist, die Abgasströmung im Strömungskanal 25 zu regeln. In diesem Fall wird die Abgasströmung durch den Strömungskanal 25 durch den Druck der Abgase im vierten Abgasteil 3d bereitgestellt. Der Strömungskanal 25 umfasst außerdem in dieser Ausführungsform einen zweiten Endabschnitt 30b eines zweiten Satzes von Wärmerohren 30, der Wärmeenergie vom zweiten Abgasleitungsabschnitt 30c auf die Luftströmung überträgt, und einen zweiten Endabschnitt 29b eines ersten Satzes von Wärmerohren 29, der Wärmeenergie vom Abgaskrümmer 30c auf die Luftströmung überträgt. Der Strömungskanal 25 umschließt auch den Verdampfer 20 des WHR-Kreislaufs 19.
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Bei Betriebszuständen, bei denen die Steuereinheit 28 eine Information vom Temperatursensor 31 empfängt, die anzeigt, dass die Temperatur der Abgase über der bestimmten Temperatur liegt, schaltet sie die Pumpe 18 im WHR-Kreislauf 18 ein. Der Druck im vierten Abgasleitungsteil 3d sorgt für eine Abgasströmung durch den Strömungskanal 25. Der erste Satz von Wärmerohren 29 und der zweite Satz von Wärmerohren 30 übertragen Wärmeenergie von der Abgasleitung 3 auf die Luftströmung im Strömungskanal 25. Die Steuereinheit 28 regelt die Abgasströmung im Strömungskanal 25 mithilfe der Drosselklappe 32, sodass die Temperatur und der Strömungsdurchsatz der Abgase Werte annehmen, die in einer erfolgreichen Erwärmung des Arbeitsmediums im Verdampfer 20 resultieren. Bei Betriebszuständen, bei denen die Steuereinheit 28 eine Information vom Temperatursensor 31 empfängt, die anzeigt, dass die Temperatur der Abgase unter der bestimmten Temperatur liegt, stellt sie die Drosselklappe 32 in eine geschlossene Position und schaltet die Pumpe 18 im WHR-Kreislauf 18 ab.
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4 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des WHR-Systems. In diesem Fall ist der Strömungskanal 25 als ein geschlossener Kreislauf gebildet. Eine Pumpe 34 ist ausgelegt, eine Flüssigkeit im geschlossenen Kreislauf zu zirkulieren. Der Strömungskanal 25 umfasst außerdem in dieser Ausführungsform einen zweiten Endabschnitt 30b eines zweiten Satzes von Wärmerohren 30, der Wärmeenergie vom zweiten Abgasleitungsabschnitt 30c auf die Luftströmung überträgt, und einen zweiten Endabschnitt 29b eines ersten Satzes von Wärmerohren 29, der Wärmeenergie vom Abgaskrümmer 30c auf die Luftströmung überträgt. Der Strömungskanal 25 umschließt auch den Verdampfer 20 des WHR-Kreislaufs 19.
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Bei Betriebszuständen, bei denen die Steuereinheit 28 eine Information vom Temperatursensor 31 empfängt, die anzeigt, dass die Temperatur der Abgase über der bestimmten Temperatur liegt, schaltet sie die Pumpe 18 im WHR-Kreislauf 18 und die Pumpe 33 im Strömungskanal 25 ein. Der erste Satz von Wärmerohren 29 und der zweite Satz von Wärmerohren 30 übertragen Wärmeenergie von der Abgasleitung 3 auf die Flüssigkeitsströmung im Strömungskanal 25. Die Steuereinheit 28 regelt die Flüssigkeitsströmung im Strömungskanal 25 mithilfe der Pumpe 33, sodass die Temperatur und der Strömungsdurchsatz der Flüssigkeit Werte für eine erfolgreiche Erwärmung des Arbeitsmediums im Verdampfer 20 annehmen. Bei Betriebszuständen, bei denen die Steuereinheit 28 eine Information vom Temperatursensor 31 empfängt, die anzeigt, dass die Temperatur der Abgase unter der bestimmten Temperatur liegt, schaltet sie die Pumpe 18 im WHR-Kreislauf 18 und die Pumpe 33 im Strömungskanal 25 ab.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche frei variiert werden. Es ist beispielsweise auch möglich, einen Strömungskanal, der einen geschlossenen Kreislauf bildet, für ein gasförmiges Wärmeübertragungsmedium wie Luft vorzusehen.
