DE102020005212A1 - Process for the recovery of water from an exhaust gas of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors (2), umfassend die Schritte:- Ermitteln einer Temperatur TAbgs,1eines Hauptabgasmassenstroms ṁAbgdes Verbrennungsmotors (1);- Aufteilen des Hauptabgasmassenstroms ṁAbgin einen ersten Abgasmassenstrom ṁAbg,1und einen zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2;- Einleiten des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2in einen Kondensator (7) zur Rückgewinnung von Wasser aus dem zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2in einem Kondensatstrom ṁK;- Regeln des zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2abhängig von der Temperatur TAbgs,1des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg.The invention relates to a method for the recovery of water from an exhaust gas of an internal combustion engine (2), comprising the steps: - determining a temperature TAbgs, 1a main exhaust gas mass flow ṁAbg of the internal combustion engine (1); - splitting the main exhaust gas mass flow ṁAbgin a first exhaust gas mass flow ṁAbg, 1 and a second exhaust gas mass flow ṁAbg, 2; - Introduction of the second exhaust gas mass flow ṁAbg, 2 into a condenser (7) for the recovery of water from the second exhaust gas mass flow ṁAbg, 2 in a condensate flow ṁK; - Regulation of the second exhaust gas mass flow ṁAbg, 2 depending on the temperature TAbgs, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁAbg
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Rückgewinnung von Wasser aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors.The invention relates to a method and a system for recovering water from an exhaust gas of an internal combustion engine.
Die
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors umfasst die Schritte:
- - Ermitteln einer Temperatur TAbgs,1 eines Hauptabgasmassenstroms ṁAbg des Verbrennungsmotors (
1 ); - - Aufteilen des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg in einen ersten Abgasmassenstrom ṁAbg,1 und einen zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2;
- - Einleiten des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 in einen Kondensator (
7 ) zur Rückgewinnung von Wasser aus dem zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 in einem Kondensatstrom ṁK; - - Regeln des zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 abhängig von der Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg.
- - Determination of a temperature T Abgs, 1 of a main exhaust gas mass flow ṁ Abg of the internal combustion engine (
1 ); - - Splitting the main exhaust gas mass flow ṁ Abg into a first exhaust gas mass flow ṁ Abg, 1 and a second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 ;
- - Introducing the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 into a condenser (
7th ) for the recovery of water from the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 in a condensate flow ṁ K ; - - Regulation of the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 depending on the temperature T Abgs, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁ Abg .
Dadurch, dass die Regelung des zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 abhängig von der Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg erfolgt, wird ein hoher Kondenststrom ṁK ermöglicht.Characterized in that the control of the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 takes place depends on the temperature T CLSD, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁ Abg, a high Kondenststrom ṁ K is made possible.
Üblicherweise erfolgen Regelungen des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 unabhängig von der Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg. Derartige Regelungen regeln den zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 derart, dass eine feste Temperatur TAbgs,2 des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 von beispielsweise 40°C erzielt wird. Um dies zu erreichen wird der zweite Abgasmassenstrom ṁAbg,2 so weit reduziert, dass ein Kühler bei einer festen Kühlleistung den Abgasmassenstrom ṁAbg,2 auf die feste Temperatur von 40°C kühlen kann. Dies hat die unvorteilhafte Folge, dass für die Wasserrückgewinnung nur ein reduzierter Abgasmassenstrom ṁAbg,2 zur Verfügung steht, wodurch der Kondensatstrom ṁK ebenfalls reduziert ist. Demnach sinkt die Rate an Wasserrückgewinnung aus dem Abgas.The second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 is usually regulated independently of the temperature T Abgs, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁ Abg . Such regulations regulate the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 such that a fixed temperature T Abgs, 2 of the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 of 40 ° C., for example, is achieved. In order to achieve this, the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 is reduced to such an extent that a cooler can cool the exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 to the fixed temperature of 40 ° C with a fixed cooling capacity. This has the disadvantageous consequence that only a reduced exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 is available for water recovery, whereby the condensate flow ṁ K is also reduced. Accordingly, the rate of water recovery from the exhaust gas decreases.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht hingegen eine hohe Rate an Wasserrückgewinnung aus dem Abgas des Verbrennungsmotors. Dieses Wasser kann bevorzugt in einem Wassertank gespeichert und bei Bedarf einer Einspritzeinrichtung des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Dabei wird es ermöglicht, dass ein manuelles Auffüllen des Tanks mit Wasser vorteilhaft vermieden wird. Dies ermöglicht eine Reduktion von Wartungskosten für den Verbrennungsmotor.In contrast, the method according to the invention enables a high rate of water recovery from the exhaust gas of the internal combustion engine. This water can preferably be stored in a water tank and, if necessary, fed to an injection device of the internal combustion engine. This enables manual filling of the tank with water to be advantageously avoided. This enables a reduction in maintenance costs for the internal combustion engine.
Ein erfindungsgemäßes System zur Rückgewinnung von Wasser aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors ist ausgebildet und eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen und umfasst
- - eine Hauptabgasleitung (
3 ) zum Abführen eines Hauptabgasmassenstroms ṁAbg aus dem Verbrennungsmotor (2 ), - - einer ersten Temperaturermittlungseinrichtung (
11 ) zum Ermitteln einer Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg, - - eine erste Abgasteilleitung (
5 ) zum Abführen eines ersten Abgasmassenstroms ṁAbg,1 aus der Hauptabgasleitung (3 ), - - eine zweite Abgasteilleitung (
4 ) zum Abführen eines zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 aus der Abgasleitung (3 ), - - einen Kondensator (
7 ) zur Rückgewinnung von Wasser aus dem zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 in einem Kondensatstrom ṁK und - - ein regelbares Ventil (
8 ) zum Regeln des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 in Abhängigkeit von der Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg.
- - a main exhaust pipe (
3 ) for discharging a main exhaust gas mass flow ṁ exhaust from the combustion engine (2 ), - - a first temperature determination device (
11 ) to determine a temperature T Abgs, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁ Abg , - - a first exhaust pipe (
5 ) to discharge a first exhaust gas mass flow ṁ Abg, 1 from the main exhaust line (3 ), - - a second exhaust pipe (
4th ) to discharge a second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 from the exhaust pipe (3 ), - - a capacitor (
7th ) for the recovery of water from the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 in a condensate flow ṁ K and - - an adjustable valve (
8th ) for regulating the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 depending on the temperature T Abgs, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁ Abg .
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich in gleich Weise auch für das erfindungsgemäße System.The advantages of the method according to the invention also result in the same way for the system according to the invention.
Zusätzlich werden geringe Herstellungskosten für das System ermöglicht. Der Grund dafür ist, dass die für die Regelung des zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 notwendige Temperaturermittlungseinrichtung und das regelbare Ventil ohnehin in vielen Verbrennungsmotoren vorhanden sind. In allen anderen Fällen können sie ohne großen finanziellen Aufwand nachgerüstet werden.In addition, low production costs for the system are made possible. The reason for this is that the temperature determination device necessary for regulating the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 and the controllable valve are already present in many internal combustion engines. In all other cases, they can be retrofitted without major financial outlay.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims describe advantageous embodiments of the invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Rückgewinnung von Wasser aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors und -
2 schematisch ein Diagramm für eine Abhängigkeit zwischen der Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg.und dem zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 .
-
1 schematically a first embodiment of a system according to the invention for the recovery of water from an exhaust gas of an internal combustion engine and -
2 schematically illustrates a diagram for a relationship between the temperature T CLSD, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁ Abg .and the second exhaust gas mass flow ṁ Abg; 2.
- - eine
Hauptabgasleitung 3 zum Abführen eines Hauptabgasmassenstroms ṁAbg aus demVerbrennungsmotor 2 , - - einer
ersten Temperaturermittlungseinrichtung 11 zum Ermitteln einer Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg, - - eine
erste Abgasteilleitung 5 zum Abführen eines ersten Abgasmassenstroms ṁAbg,1 aus derHauptabgasleitung 3 , - - eine
zweite Abgasteilleitung 4 zum Abführen eines zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 aus derAbgasleitung 3 , - - einen
Kondensator 7 zur Rückgewinnung von Wasser aus dem zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 in einem Kondensatstrom ṁK und - - ein regelbares Ventil
8 zum Regeln des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 in Abhängigkeit von der Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg .
- - a
main exhaust pipe 3 for discharging a main exhaust gas mass flow ṁ exhaust from theinternal combustion engine 2 , - - A first
temperature determination device 11 to determine a temperature T Abgs, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁ Abg , - - a
first exhaust sub-line 5 for discharging a first exhaust gas mass flow ṁ Abg, 1 from themain exhaust line 3 , - - a second exhaust sub-line
4th for discharging a second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 from theexhaust pipe 3 , - - a capacitor
7th for the recovery of water from the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 in a condensate flow ṁ K and - - an adjustable valve
8th for regulating the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 as a function of the temperature T Abgs, 1 of the main exhaust gas mass flow ṁ Abg .
Die erste und zweite Abgasteilleitung
In diesem Ausführungsbeispiel ist das regelbare Ventil
Das System
- - einen Kühler (
6 ) zum Kühlen des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 zu einem gekühlten zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2,k, - - einer zweiten Temperaturermittlungseinrichtung
12 zum Ermitteln einer Temperatur TAbgs,2 des gekühlten zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2,k,
- - a cooler (
6 ) for cooling the second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 to a cooled second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2, k , - - A second
temperature determination device 12 for determining a temperature T Abgs, 2 of the cooled second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2, k ,
Das System
Die erste und die zweite Temperaturermittlungseinrichtung
Die erste Temperaturermittlungseinrichtung
Alternativ sind die erste Temperaturermittlungseinrichtung
Der Kühler
Der gekühlte zweite Abgasmassenstrom ṁAbg,2,k wird in den Kondensator
Dies ermöglicht eine direkte Kühlung des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 und eine Rückgewinnung von Wasser aus dem gekühlten zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2,k. Durch den Kühler
Eine Erhöhung des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 erfolgt durch Reduktion des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg. Dies führt zu einem höheren Massenstrom durch den Kühler
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Regelung des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 durch Regeln der Temperatur TAbgs,2 des gekühlten zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2,k zeitlich nach der der Ermittlung der Temperaturen TAbgs,1 und TAbgs,2 sowie nach dem Einleiten des gekühlten zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2,k in den Kühler
Eine Funktion maxsim für die Abhängigkeit zwischen der Temperatur TAbgs,1 des Hauptabgasmassenstroms ṁAbg und des zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 wird durch die Steuereinheit
Die Funktion maxsim gibt für eine Temperatur TAbgs,1 denjenigen zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 an, bei der Kondensatstrom ṁK maximal wird.The function max sim specifies for a temperature T Abgs, 1 that second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 at which the condensate flow ṁ K is maximal.
Die Funktion maxsim ist in der Steuereinheit
Alternativ werden nur Stützstellen der Funktion berücksichtigt, die beispielsweise in einem Kennfeld in der Steuereinheit
Dieser Schritt erfolgt zeitlich vor der Durchführung aller anderen Schritte.This step takes place before all other steps are carried out.
Das Steuergerät
In diesem Ausführungsbeispiel werden für 7 Stützstellen Simulationen durchgeführt. Die Stützstellen sind dabei so gewählt, dass eine Temperatur TAbgs,1 von 723°C umfasst ist. Diese entspricht bei einem Einsatz des Verbrennungsmotors
Weiterhin ist eine Temperatur TAbgs,1 von 184°C in den Stützstellen umfasst. Diese Temperatur wird bei einem niedrigen Lastbetrieb des Verbrennungsmotors
Das Steuergerät
Das Steuergerät
Diese Ermittlung erfolgt für eine feste Temperatur TAbgs,1. Der minimale zweite Abgasmassenstrom ṁAbg,2 wird derart ermittelt, dass er bei dieser festen Temperatur TAbgs,1 eine Taupunktemperatur aufweist. Unterhalb dieser Temperatur und/oder unterhalb dieses Abgasmassenstroms ṁAbg,2 wird eine Kondensation von Wasser, also ein Kondensatstrom ṁK >0 ermöglicht.This determination takes place for a fixed temperature T Abgs, 1 . The minimum second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 is determined in such a way that it has a dew point temperature at this fixed temperature T Abgs, 1 . Below this temperature and / or below this exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 , condensation of water, that is to say a condensate flow ṁ K > 0, is made possible.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Taupunktetemperaturen für zweite Abgasmassenströme ṁAbg,2 anhand einer Umgebungsluftfeuchtigkeit, einer eingespritzten Wassermenge in den Verbrennungsmotor
Das Steuergerät
Der optimale zweiten Abgasmassenstrom ṁAbg,2 entspricht in der Regel etwa 60% des minimalen zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2. Dies wurde durch vielfältige Simulationen und Messungen ermittelt. Der so ermittelte und feste Bruchteil ermöglicht eine sehr einfache Berechnung des optimalen zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2. Für diese Ermittlung wird lediglich die Taupunktetemperatur für den jeweiligen zweiten Abgasmassenstroms ṁAbg,2 benötigt.The optimal second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 generally corresponds to about 60% of the minimum second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 . This was determined through a variety of simulations and measurements. The fixed fraction determined in this way enables a very simple calculation of the optimal second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 . Only the dew point temperature for the respective second exhaust gas mass flow ṁ Abg, 2 is required for this determination.
Alternativ beträgt der Bruchteil zwischen 50% und 70%.Alternatively, the fraction is between 50% and 70%.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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DE102019123988.5 | 2019-09-06 |
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2019
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2020
- 2020-08-26 DE DE102020005212.6A patent/DE102020005212A1/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: BRANDT, MAXIMILIAN, DR., DE |
|
R084 | Declaration of willingness to licence | ||
R230 | Request for early publication |