DE60025267T2

DE60025267T2 - Vorrichtung zur rückgewinnung von abgaswärme in brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE60025267T2
Application number: DE60025267T
Authority: DE
Inventors: Naoki Wako-shi OHTA; Tsuneo Wako-shi ENDOH; Atsushi Wako-shi BABA; Tsutomu Wako-shi TAKAHASHI; Masashi Wako-shi Shinohara
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: WO2001044647A1; US20030056504A1; JP2001173409A; EP1239138B1; US6990805B2; EP1239138A1; EP1239138A4; DE60025267D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmewiedergewinnungsvorrichung für einen Verbrennungsmotor, und insbesondere eine Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung, die einen Verbrennungsmotor und einen Wärmetauscher enthält, in den Abgas des Verbrennungsmotors als Hochtemperaturfluid eingeführt wird.
Technischer Hintergrund
In einer Vorrichtung dieses Typs ist ein Wärmetauscher an einer Abgasauslassseite eines Auslasskanals vorgesehen worden (siehe z. B. japanische Patentanmeldung-Offenlegung Nr. 56-156407).
Jedoch hat die herkömmliche Vorrichtung ein Problem darin, dass die Abwärmewiedergewinnungsrate gering ist, da zwischen einer Abgaseinlassseite und der Auslassseite des Auslasskanals die Abgaswärme zur Seite des Zylinderkopfs hin übertragen wird, um die Temperatur des Abgases zu reduzieren.
Die EP 0 076 885 offenbart eine Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer, einem Auspuffrohr zum Führen von Abgas aus der Brennkammer nach der Verbrennung sowie einem Auslassventil, das zwischen der Brennkammer und dem Auspuffrohr für Öffnungs- und Schließvorgänge angeordnet ist, sowie einen Wärmetauscher, der in dem Auspuffrohr stromab des Auslassventils angeordnet ist, in welchem Wärmetauscher das Abgas der Brennkammer als Hochtemperaturfluid über das Auslassventil eingeführt wird. Dort ist der Wärmetauscher radial auswärts vom Motorzylinder im stromabwärtigen Teil des Auslasskanals angeordnet, und daher mit großem Abstand von dem Auslassventil.
In der GB 349 535 A ist außerhalb eines Motors ein Kühlerkondensator angeordnet.
In der GB 2 077 852 A ist ein Wärmetauscher an der Außenoberfläche eines Zylinderkopfs angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung vorzusehen, worin der Wärmetransfer von Abgas zur Seite des Zylinderkopfs hin minimiert wird, um eine Zunahme der Abwärmewiedergewinnungsrate zu erlauben.
Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 vor. Der Motor enthält: eine Brennkammer, ein Auspuffrohr zum Führen von Abgas von der Brennkammer nach Verbrennung sowie ein Auslassventil, das zwischen der Brennkammer und dem Auspuffrohr für Öffnungs- und Schließvorgänge angeordnet ist; sowie einen Wärmeaustauscher, der stromab des Auslassventils angeordnet ist, in welchen Wärmetauscher das Abgas der Brennkammer als Hochtemperaturfluid über das Auslassventil eingeführt wird, zum Wärmeaustausch mit einem Arbeitsmedium der Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung, worin der Wärmetauscher benachbart dem Auslassventil des Verbrennungsmotors angeordnet ist, um einen Auslasskanal zu bilden und einen Teil des Auspuffrohrs zu bilden, so dass er einem Körper des Auslassventils gegenüberliegt.
Mit der obigen Anordnung kann das Abgas aus der Brennkammer in den Wärmetauscher unmittelbar nach Passieren eines Ventilsitzes eingeführt und als Hochtemperaturfluid verwendet werden, um hierdurch zu erlauben, dass der Wärmetransfer des Abgases zur Seite des Zylinderkopfs minimiert wird, das heißt, eine Minderung des Wärmeverlustes des Abgases und eine Erhöhung der Abwärmewiedergewinnungsrate zu erlauben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht einer Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor;
2 ist eine Vorderansicht im vertikalen Schnitt eines Beispiels einer Beziehung zwischen einem Verdampfer, einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock;
3 ist eine vergrößerte Ansicht wesentlicher Abschnitte in 2;
4 ist eine andere vergrößerte Ansicht wesentlicher Abschnitte in 2;
5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 von 4;
6 ist eine Vorderansicht im vertikalen Schnitt eines anderen Beispiels einer Beziehung zwischen dem Verdampfer, dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock, und entspricht 2.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
In 1 umfasst eine Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung 2 eines Verbrennungsmotors 1 einen Verdampfer 3 als Wärmetauscher, in den Abwärme des Verbrennungsmotors 1, z. B. Abgas in der Form von Hochtemperaturfluid als Wärmequelle eingeführt wird und der Dampf mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck erzeugt, das heißt, eine Temperatur/Druck-erhöhten Dampf; einen Expander 4 zum Erzeugen einer Ausgabe durch die Ausdehnung des Temperatur/Druck-erhöhten Dampfs; eine Kondensatormaschine 5 zum Flüssigen des Dampfs, der aus dem Expander 4 ausgegeben wird, mit verringerter Temperatur und verringertem Druck nach der Expansion, d. h. Temperatur/Druck-verringerten Dampf; sowie eine Förderpumpe 6 zum Fördern von Flüssigkeit, z. B. Wasser von dem Kondensator 5 zum Verdampfer 3.
In 2 hat der Verbrennungsmotor 1 einen Zylinderblock 7 und einen Zylinderkopf 8, der an dem Zylinderblock 7 angebracht ist.
Der Verdampfer 3 ist an dem Zylinderkopf 8 und dem Zylinderblock 7 angebracht, um einen Auslasskanal 9 zu bilden und einen Teil eines Auspuffrohrs zu bilden. Insbesondere ist über einem dem Auslasskanal entsprechenden Abschnitt des Zylinderkopfs 8 und einem Teil des Zylinderblocks 7 ein relativ großer Hohlraum 12 ausgebildet, um sich vom Ventilsitz 11 eines Auslassventils 10 zu beiden Außenseitenoberflächen des Zylinderkopfs 8 und des Zylinderblocks 7 zu erstrecken und einige Teile eines zylindrischen Gehäuses 13 des Verdampfers 3, d. h. ein Teil eines durchmessergroßen zylindrischen Abschnitts 14, ein verjüngter Zylinderabschnitt 15, der sich vom einen Ende des durchmessergroßen zylindrischen Abschnitts 14 weg erstreckt, und ein durchmesserkleiner Zylinderabschnitt 16, der sich von dem verjüngten Zylinderabschnitt 15 weggebogen erstreckt, sind in dem Hohlraum 12 mit vorbestimmtem Abstand von der Innenoberfläche des Hohlraums 12 vorgesehen. Das zylindrische Gehäuse 13 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt.
Wie klar in 3 gezeigt, bildet der Hohlraum 12 ein verjüngtes Loch 17 nahe dem Ventilsitz 11, wobei sein durchmesserkleiner Abschnitt zum Ventilsitz 11 hin angeordnet ist, eine Spitze 18 des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts 16 in dem zylindrischen Gehäuse 13 in das verjüngte Loch 17 eindringt, um einen Abgaseinlass 19 benachbart einem Ventilkopf 20 des Auslassventils 10 und dem Ventilsitz 11 anzuordnen, und wobei eine Lücke 21 zwischen einer Endoberfläche des Abgaseinlasses 19 und einer davon entgegengesetzten Endoberfläche des Ventilsitzes 11 vorgesehen ist. Um einen zylindrischen Spalt 22 mit einem Keilabschnitt abzudichten, der zwischen dem verjüngten Loch 17 und der Spitze vorhanden ist, ist ein ringförmiges Dichtungselement 23 an einer Außenumfangsoberfläche der Spitze 18 angebracht, und die Spitze 18 ist mit einem Flansch 24 versehen, der das ringförmige Dichtungselement 23 in dem zylindrischen Spalt 22 hält. Als das ringförmige Dichtungselement 23 kann ein ringförmiges Element verwendet werden, das Keramikfasern (lange oder kurze Fasern) enthält und elastisch ist, wobei aber auch Ringformstücke auf Karbonbasis oder Metallbalgen verwendet werden können.
In 2 ist eine Ringstufe 25 an einem offenen Rand des Hohlraums 12 über beiden Außenseitenoberflächen des Zylinderblocks 7 und des Zylinderblocks 8 ausgebildet, und ein Montageflansch 27, der an einer Außenumfangsoberfläche eines Zwischenabschnitts des durchmessergroßen Zylinderabschnitts 14 vorgesehen ist, wird über ein ringförmiges Plattendichtungselement 26 lose in die Vertiefung 25 eingesetzt. Nach der Positionierung des zylindrischen Gehäuses 13 wird der Montageflansch 27 an dem Zylinderblock 7 und dem Zylinderblock 4 mit einer Mehrzahl von Bolzen 28 angebracht. Somit wird eine geschlossene Isolierschicht aus Luft zwischen den Außenumfangsoberflächen eines Teils des durchmessergroßen Zylinderabschnitts 14, des verjüngten Zylinderabschnitts 15 und des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts 16 und der Innenoberfläche des Hohlraums 12 gebildet. Als das ringförmige Plattendichtungselement 26 wird eine ringförmige Platte, die Keramikfasern (lange oder kurze Fasern) enthält und elastisch ist, verwendet, wobei aber auch ringförmige Plattenformstücke auf Karbonbasis oder Metallbalgen verwendet werden können.
Wie klar in 4 gezeigt, ist eine Ventilschaftführung 30 des Auslassventils 10 an dem Zylinderkopf 8 angebracht, und deren unterer Zylinder 31 erstreckt sich in dem durchmesserkleinen Zylinderabschnitt 16 durch ein Einsetzloch 33, das in einem flachen Abschnitt 32 des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts 16 ausgebildet ist. Ein Ventilschaft 34 des Auslassventils 10 wird in den durchmesserkleinen Zylinderabschnitt 16 von dem Abgasauslass 19 des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts 16 her eingeführt und in die Ventilschaftführung 30 verschiebbar eingesetzt.
Eine Dichtungsstruktur zwischen dem Einsetzloch 33 des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts 16 und dem unteren Zylinder 31 der Ventilschaftführung 30 wird nachfolgend beschrieben. Insbesondere, wie in 5 gezeigt, wird ein zweigeteiltes flaches Dichtungselement 35, das elastisch ist, auf dem flachen Abschnitt 32 angeordnet, wobei sich eine Vertiefung 37 in Passflächen 36 öffnet, die zu einer Außenumfangsoberfläche des unteren Zylinders 31 passt, und wobei die Passflächen 36 zueinander passen. In diesem Fall werden die Passflächen 36 parallel zu einer Ausdehnungsrichtung a durch Verlängerung des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts 16 angeordnet. Ein rahmenförmiger Halter 38 wird auf den flachen Abschnitt 32 mit einem zusammengedrückten Dichtungselement 35 geschweißt. Als das flache Dichtungselement 35 wird eine flache Platte, die Keramikfasern (lange oder kurze Fasern) enthält und elastisch ist, verwendet, wobei aber auch flache Formstücke auf Karbonbasis oder dergleichen verwendet werden können.
In dem Verdampfer 3 sind gewendelte Leitungen 39 in dem durchmessergroßen Zylinderabschnitt 14, dem verjüngten Zylinderabschnitt 15 und dem durchmesserkleinen Zylinderabschnitt 16 vorgesehen, und die Leitungen 39 leiten zugeführtes Wasser und den aus dem Wasser erzeugten Temperatur/Druck-erhöhten Dampf. Ein durchmesserkleines Rohr 40, das sich vom anderen Ende des durchmessergroßen zylindrischen Abschnitts 14 wegerstreckt, ist mit dem Auspuffrohr verbunden.
In 2 bezeichnet die Bezugszahl 41 eine Brennkammer; 42 einen Kolben; 43 eine Pleulstange; 44 ein Einlassventil; 45 einen Einlasskanal; 46, 47 Ventilfedern; 48, 49 Ventilfederhalter.
Mit der oben beschriebenen Konfiguration kann Abgas aus der Brennkammer 41 in den Verdampfer 3 unmittelbar nach dem Durchtritt durch den Ventilsitz 11 eingeführt werden, um als Hochtemperaturfluid verwendet zu werden, um hierdurch zu erlauben, dass der Wärmetransfer des Abgases zur Seite des Zylinderkopfs 8 minimiert wird, um zu erlauben, dass die Abwärmewiedergewinnungsrate erhöht wird.
Wenn die Erwärmung des Verdampfers 3 bewirkt, dass der durchmesserkleine Zylinderabschnitt 16 durch Expansion ausgedehnt wird, wird in 3 das ringförmige Dichtungselement 23 unter Druck gesetzt, so dass es in den zylindrischen Spalt 22 mit dem Keilabschnitt durch den Flansch 24 gedrückt wird, um hierdurch die Dichtleistung des zylindrischen Spalts 22 zu verbessern. In diesem Fall verhindert die Lücke 21 zwischen dem Abgaseinlass 19 und dem Ventilsitz 11 eine Störung zwischen dem durchmesserkleinen Zylinderabschnitt 16 und dem Ventilsitz 11.
In einem Einsetzabschnitt des unteren Zylinders 31 der Ventilschaftführung 30 in 4 wird ein flaches Dichtungselement 35, das einen engen Kontakt mit dem festen unteren Zylinder 31 herstellt, elastisch verformt, um der Ausdehnung des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts 16 zu folgen. In diesem Fall hat das Dichtungselement 35 eine hohe elastische Verformbarkeit, da die Passflächen 36 parallel zur Ausdehnungsrichtung a angeordnet sind, und das Dichtungselement 35 wird durch den Halter 38 komprimiert gehalten, um hierdurch die Dichtung zwischen den Passflächen 36, zwischen der Vertiefung 37 und dem unteren Zylinder 31 sowie zwischen dem Dichtungselement 35 und dem flachen Abschnitt 32, sogar während der elastischen Verformung, sicher zu halten.
Der Hohlraum 12 kann mit Isoliermaterialien gefüllt sein, um den Isoliereffekt der Isolierschicht 29 zu erhöhen, und in diesem Fall ist die Füllung des Hohlraums 12 mit pulverigen Isoliermaterialien, die Partikel in Nanometergröße aufweisen, eine effektive Maßnahme. Als die pulverigen Isoliermaterialien werden z. B. ein Gemisch von 66 Gew.% SiO₂ Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 7 nm (hergestellt von Nippon Aerosil Co., Ltd., Handelsnahme: Fumed Silica) und 34 Gew.% TiO₂ Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 15 nm (Tayca Corporation, Handelsname: MT-150W) verwendet.
6 zeigt eine andere Ausführung, und in dieser Ausführung sind zu einem durchmesserkleinen Zylinderabschnitt 16 gehörende Abschnitte 50 der Leitungen 39 eines Verdampfers 3 um eine Außenumfangsoberfläche des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts 16 herumgewickelt. Die meisten verbleibende Abschnitte der Leitungen 39 sind in dem verjüngten Zylinderabschnitt 15 und dem durchmessergroßen Zylinderabschnitt 14 angeordnet.
Die oben beschriebene Konfiguration erleichtert das Platzieren der Abschnitte 50 der Leitungen 39 in Bezug auf den durchmesserkleinen Zylinderabschnitt 16 im Vergleich zum Fall in 2. In dieser Ausführung sind die anderen Konfigurationen genauso wie in 2, und daher bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauteile in den 2 und 6.
Die Ausführungen der 2 und 6 können gemeinsam verwendet werden, und in diesem Fall kann Abwärme an den Innen- und Außenumfangsseiten des durchmesserkleinen Zylinderabschnits 16 effizient wiedergewonnen werden, und insbesondere kann Abwärme wiedergewonnen werden, die an der Innenumfangsseite des durchmesserkleinen zylindrischen Abschnitts 16 nicht wieder gewonnen werden kann, so dass sie an der Außenumfangsseite zu Wärmestrahlung wird, um hierdurch zu erlauben, dass die Wärmestrahlung von einem Zylinderkopf 8 oder dergleichen in die Atmosphäre minimiert wird, und eine weitere Zunahme der Abwärmewiedergewinnungsrate zu erlauben.

Claims

Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor umfassend: einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Brennkammer (41), einem Auspuffrohr (40) zum Führen von Abgas von der Brennkammer (11) nach Verbrennung sowie einem Auslassventil (10), das zwischen der Brennkammer (41) und dem Auspuffrohr (40) für Öffnungs- und Schließvorgänge angeordnet ist; sowie einen Wärmeaustauscher (3), der stromab des Auslassventils (10) angeordnet ist, in welchen Wärmetauscher (3) das Abgas der Brennkammer (41) als Hochtemperaturfluid über das Auslassventil (10) eingeführt wird, zum Wärmeaustausch mit einem Arbeitsmedium der Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) benachbart dem Auslassventil (10) des Verbrennungsmotors (1) angeordnet ist, um einen Auslasskanal (9) zu bilden und einen Teil des Auspuffrohrs (10) zu bilden, so dass er einem Körper des Auslassventils (10) gegenüberliegt.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin eine Isolierschicht (29) vorgesehen ist, die den Wärmetauscher (3) umgibt.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Wärmetauscher (3) zumindest einen Teil des Auspuffrohrs (40) bildet.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Auslassventil (10) einen durchmesserkleinen Zylinderabschnitt (16) des Wärmetauschers (3) durchsetzt und durch den Abgaseinlass (19) des Wärmetauschers (3) hindurchtritt, wobei sich der durchmesserkleine Zylinderabschnitt (16) des Wärmetauschers (3) in einen verjüngten Zylinderabschnitt erweitert, der sich wiederum in einen durchmessergroßen Zylinderabschnitt (14) erweitert.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 4, worin der durchmesserkleine Zylinderabschnitt (16) aus dem verjüngten Zylinderabschnitt (15) zu dem Ventilsitz (11) hin gebogen vorsteht.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 4, worin der Wärmetauscher (3) aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 4, worin der durchmesserkleine Abschnitt (16) und der verjüngte Zylinderabschnitt (15), die sich von dem Auslassventil (10) weg erstrecken, von einem Hohlraum (12) umgeben sind, wobei der Hohlraum (12) den Zylinderblock (7) und den Zylinderkopf (8) von dem Wärmetauscher (3) trennt.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin innerhalb des Wärmetauschers (3) Leitungen (39) vorgesehen sind, um zugeführtes Wasser und aus dem Wasser erzeugten Wasserdampf erhöhter Temperatur zu leiten.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 8, worin einige der Leitungen (39) an einer Außenseite des durchmesserkleinen Zylinderabschnitts (16) des Wärmetauschers (3) angeordnet sind.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 4, worin elastische Dichtungselemente (23) mit Passflächen um das Auslassventil (10) herum vorgesehen sind, wo das Auslassventil (16) den durchmesserkleinen Zylinderabschnitt (16) durchsetzt, um zwischen dem durchmesserkleinen Zylinderabschnitt (16) und dem Auslassventil (10) eine Dichtung (23) zu bilden.
Abwärmewiedergewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Abgaseinlass (19) des Wärmetauschers (3) in ein verjüngtes Loch (17) vorsteht, das das Auslassventil (10) des Verbrennungsmotor (1) umgibt, wobei eine Dichtung (23) zwischen dem verjüngten Loch (19) und dem Wärmetauscher (3) vorgesehen ist.