SE1350391A1 - Arrangemang för återvinning av värmeenergi ur avgaser från en förbränningsmotor - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett arrangemang för återvinning av värrneenergi ur av-gaser från en överladdad förbränningsmotor. Arrangemanget innefattar en avgasled-ning (3) som är anpassad att leda ut avgaser från förbränningsmotorn (1), en turbin (4)som drivs av avgaserna i avgasledningen (3), åtminstone ett första EGR-system sominnefattar en forsta returledning (8) för återcirkulation av avgaser från en position (3b1)som är belägen nedströms turbinen (4) med avseende på avgasernas avsedda ström-ningsriktning i avgasledningen (3) och ett WHR-system som innefattar en sluten led-ningskrets med ett cirkulerande medium och åtminstone en första förångare (12) därmediet värms upp och iörångas. Nämnda första törångare (12) är utformad som ensammanhängande enhet där det cirkulerande mediet är anpassat att uppta vänneenergibåde från de återcirkulerande avgaser i den första returiedningen (8) och från avgaser ien dei av avgasledningen (3b) som är belägen nedströms den position (3bï) i avgasled- ningen där den första returiedníngen (8) mottar avgaser från avgasledningen (3). (Pig. I)

Description

gaserna mottas i avgasledningen i en position uppströrns turbinen, vilket kan benämnas såsom ett short-route EGR-system, eller i en position efter turbinen, vilket kan benäm- nas såsom ett long-route EGR-system. Vid användning av long-route EGR-system erhålls även en viss reducering av fórbränningsrnotorns bränsleförbrukning och utsläpp av kvävedioxid.

Vid användning av WHR-system som ätervinner vänneenergi ur avgaser måste hänsyn tas till de avgasrenande komponenter som är anordnade i avgasledningen. Avgasled- ningen för en överladdad dieselmotor kan innefatta en oxidationskatalysator DOC (Diesel Oxidation Catalyst), ett partikelfilter DPF (Diesel Particulate Filter), en in- sprutningsanordning för en urealösning, en SCR-katalysator (Selective Catalytic Re- duction) och en arnrnoniakslipkatalysator ASC (Amrnonia Slip Catalyst). Avgaserna från dieselrnotorn leds här efter turbinen till oxidationskatalysatorn där en del av kvä- vemonoxiden i avgaserna oxideras till kvävedioxid. Därmed kan väsentligen lika ande- lar av kvävedioxid och kvävemonoxid skapas i avgaserna. Avgaserna ska helst inne- hålla lika niycket kvävemonoxid och kvävedioxid då de när den nedströms anordnade SCR-katalysator för att en optimal reducering av kväveoxider ska kunna erhållas. Att höja andelen kvävedioxid i avgaserna är även viktigt för att tillhandahålla en kontinu- erli g förbränning av sotpartiklari det nedströms anordnade partikelfilter eftersom det sänker sotpartiklamas iörbränningsternperatur. Avgaser som passerat igenom oxida- tionskatalysatorn leds till partikelfiltret där sotpartiklar fastnar och förbränns. insprut- ningsanordningen sprutar in urealösning i avgasledningen i en position uppströrns SCR-katalysatorn. Urealösningen fórångas av de Vanna avgaserna så att ammoniak bildas i avgaserna. Ammoniaken och kväveoxiderna i avgaserna reagerar med varandra då de når SCR katalysatorn så att kvävgas och vattenånga bildas. Med en korrekt dose- ring av urealösning kan förbränningsmotorns utsläpp av kväveoxider till stor del redu- ceras. Eventuell kvarvarande ammoniak i avgaserna elimineras i arnmoniakslipkataly- satorn som är anordnad nedströms SCR-katalysatorn.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är tillhandahålla ett arrangemang som är kapabelt att återvinna vänneenergi ur både avgaser och återcirkulerande avgaser på ett effektivt sätt med hjälp av ett WHR-systern sarntidi gt som det har en relativt enkel och kompakt konstruktion.

Detta syfte uppnås med arrangemanget av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kän- netecknas av de särdrag som anges i patentkravets l kännetecknande del. De återcirku- lerande avgaserna tas från en position i avgasledningen som är belägen nedströms ex- pandern som kan vara en turbin eller en kolvpump. I detta fall används således ett long-route EGR-systern. De återcirkulerande avgaserna har här i regel ett reducerat tryck och en reducerad temperatur i förhållande till avgasernas tryck och temperatur i avgasledningen i en position uppströms expandern. De återcirkulerande avgaserna i ett sådant EGR-system är dock så varma att de måste kylas innan de blandas med luft och återcirkuleras till förbränningsmotorn. Enligt uppfinningen utnyttjas ett WHR-systern med ett cirkulerande medium för att ta upp värme från de återcirkulerande avgaserna.

De återcirkulerande avgaserna tillhandahåller därmed en effektiv kylning samtidigt som Willbsystemet erhåller värmeenergi som det kan omvandlas till mekanisk energi.

I och med det behöver EGR-systemet inte förses med en separat EGR-kylare. Den me~ kaniska energin som WHR~systemet kan utnyttjas fór drift av fordonet eller drift av komponenter hos fordonet.

WHR-systernet innefattar en gemensam törångare både för att återvinna vänneenergi ur de återcirkulerande avgaserna i returledningen och avgaserna i avgasledningen. En sådan gemensam förângare kan göras något mindre än två separate förångare med en motsvarande kapacitet. En gemensam törångare tar även upp ett mindre utrymme i ett fordon än två separata törångare. Arrangemanget enligt uppfinningen kan därmed ges en kompakt konstruktion. Ett EGR-system i form av ett long-route EGR-system påver- kar bränsleförbrukningen i sig på ett positivt sätt. Då ett WHR-system sainverkar med ett long-route EGR-system skapas en mycket gynnsam kombination då det gäller att reducera bränsleförbrukningen och utsläppen av koldioxid från en törbränningsrnotor.

Enligt en utfóringsfonn av föreliggande uppfinning innefattar förångare en första del där det cirkulerande mediet värrns i ett första steg av de återcirkulerande avgaserna i returledningen och en andra del där det cirkulerande mediet värms i ett andra steg av avgaserna i nämnda del av avgasledningen. Avgaserna i avgasledningen och de åter- cirkulerancle avgaserna har väsentligen samma temperatur då de når förångaren. För WHR-systernet har det ingen betydelse om avgaserna eller de återcirkulerande avga- serna svarar för uppvärmningen av mediet i det första steget eller det andra steget. Me- diet i WHR-systemet har dock en lägre temperatur i det första steget än i det andra steget. Därmed erhåller de återcirkulerande avgaserna i returledningen som kyls i det första steget en effektivare kylning än avgaserna i avgasledningen. En effektiv kylning av de återcirkulerande avgaserna är viktig ur flera synpunkter. Det resulterari en lägre fdrbränningstemperatur och en lägre halt av kväveoxider i avgaserna. De âtercirkule- rande avgasernas volym blir även mindre vilket gör att en större mängd avgaserna kan återcirkuleras i fórbränningsmotorn. Den första delen och den andra delen hos förän ga- ren kan vara åtskilda av en invändig vägg så att avgaserna och de återcirkulerande hålls separerade från varandra. Alternativt kan förångaren ha en utformning så att av- gaserna ocli de återcirkulerande avgaserna kyls parallellt i fórångaren. I detta fall erhål- ler de en motsvarande kylning av mediet i fórångaren.

Enligt en annan uttöringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar avgasledningen en SCR-katalysator och en insprutningsanordning som är anpassad att spruta in urealös- ning i en position i avgasledningen vilken är belägen nedströms den position i avgas- ledningen i vilken returledningen mottar avgaser. En vanlig metod att reducera kväve- oxider i avgaser är att spruta in urealösning i avgasledningen uppströms en SCR- katalysator. Urealösningen firångas av de Vanna avgaserna i avgasledningen så att ammoniak bildas. Ammoniak och kväveoxider i avgaserna reduceras i SCR- katalysatorn till kvävgas och vattenånga. lnsprutningen av urealösningen sker således i detta fall nedströms den position där avgaser återcirkuleras från avgasledningen. Där- med kommer de återcirkulerande avgaserna inte att innehålla någon urealösning. Till» förse] av urealösning kan resultera i bildandet av klumpar vilket bör undvikas i de led- ningar som återcirkulerar avgaser. , Enligt en annan utlöringsforrn av föreliggande uppfinning är SCR-katalysator anord- nad i en del av avgasledningen som är belägen uppströms fórångaren. En SCR- katalysator har en verkningsgrad som varierar med avgasernas temperatur. En SCR- katalysator fungerar bäst vid en relativt hög avgastemperatur. Det är därför lämpligt att anordna törångaren som upptar värme ur avgaserna i en position nedströms SCR- katalysatorn så att SCR-katalysatorn kan motta varma avgaser.

Enligt en annan utföringsforin av föreliggande uppfinning innefattar avgasledningen en oxidationskatalysator och ett partikelfilter vilka är anordnade i en position uppströms den position där returledningen mottar avgaser från avgasledningen. l detta fall återcir- kuleras avgaser som erhållit en förhöjd halt av kvävedioxid i oxidationskatalysatorn och renats från sotpartiklar i partikelfiltret. De återcirkulerande avgaserna är i detta fall relativt rena då de leds till fórbränningsmotorn. Ledningarna som återcirkulerar avga- ser kan därmed hållas tämligen fria från sotbeläggningar. Alternativt kan returledning- en motta avgaser från avgasledningen i en position uppströms nämnda komponenter. I detta fall erhåller de återcirkulerande avgaserna ett mindre tryckfall än då de cirkule- rats genom oxidationskatalysatom och partikelfiltret.

Enligt en utföringsfonn av föreliggande uppfinning innefattar arrangemanget ett andra EGR-systern som innefattar en andra returledning för återcirkulation av avgaser från en position i avgasledningen som är belägen uppströms tnrbínen. Detta EGR-system är således ett short-route EGR-systern. I detta fall innefattar arrangemanget både ett short-route EGR-system och ett long-route EGR-system. Därmed skapas möjligheten att återcirkulera avgaser till törbränningsmotorn från två olika positioner i avgasled- ningen.

Enligt en uttöringsform av föreliggande uppfinning innefattar WHR-system en andra törångare där det cirkulerande mediet är anpassat att uppta värrneenergi från de åter- cirkulerande avgaserna i den andra returledningen. l detta fall kan WHR-systemet både uppta värmeenergi från den första törångaren och den andra förångaren. De återcirku- lerande avgaserna i short-route EGR-systemet kan under vissa driftstillfállen leverera återcirkulerande avgaser med en mycket hög temperatur. Den andra fórångaren år där- med med tördel anordnad nedströms den törsta fórångaren så att mediet i WHR- systemet har möjlighet att tillhandahåller en uppvärmning i ett sista steg i den andra törångaren till en mycket hög temperatur innan det leds till expandern.

Enligt en utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar arrangemanget en styr- enhet som är anpassad att återcirkulera avgaser genom den returlednin gi vilken avga- serna har den högsta temperaturen då de når de respektive törångarna. Under de fiesta driftstillstånd har de återcirkulerande avgaserna i ett short-route EGR-systern en högre temperatur än de återcirkulerande avgaserna i ett long-route EGR-system. Under vissa driftstillstånd kan emellertid de återcirkulerande avgaserna i ett long-route EGR- system ha en högre temperatur än de återcirkulerande avgasernai ett short-route EGR- gsystern. Ett sådant driftstillstånd uppkommer vid tillfällen då törbränningsmotorns er- håller en låg belastning efter en diiftsperiod då den varit hårt belastad. Avgaserna upp- ströms turbinen kan ha en relativt låg avgastemperatur då förbrånningsmotom är lågt belastad. Avgasledningen nedströms turbinen kan innehålla ett :flertal komponenter som har goda värmelagrande egenskaper. Dessa komponenter värms till en hög tempe- ratur av de varma avgaserna då förbrånningsmotorn är hårt belastad. I och med att de har goda vårmelagrande egenskaper upprätthåller de sin höga temperatur under en rela- tivt lång period efter att den höga belastningen upphört. Därmed kommer de att värma upp avgaser med en lägre temperatur som passerar i kontakt med komponenterna. En sådan komponent kan vara en oxidationskatalysator. Av den anledningen kan de åter- cirkulerande avgaserna i ett long-route EGR-system periodvis erhålla en högre tempe- ratur än de återcirkulerande avgaserna i ett short-route EGR-systern. i detta fall kan man välja att vänna mediet i WHR-systernet med de återeirkulerande avgaser i det EGR-systern vilket för stunden har den högsta avgasteniperaturen. Därmed kan WHR- systemet utnyttjas optimalt under väsentligen alla drifistillstånd hos förbränníngsmo- torn.

Enligt en uttöringsfonn av föreliggande uppfinning innefattar arrangemanget en första temperatursensor som avkänner avgasernas temperatur i avgaslednin gen i anslutning till den första returledningen och en andra temperatursensor som avkänner avgasernas temperatur i avgasledningeni anslutning till den andra returledningen och att styrenhe- ten är anpassad att mottaga information från nämnda temperatursensorer och att åter- cirkulera avgaser genom den returledning vilken kan leverera återcirkulerande avga- serna med den högsta avgasternperaturen. Med hjälp av lämpligt placerade temperatur- sensorer erhåller styrenheten på ett enkelt sätt kontinuerligt information om vilken re- turledning som leverera återcirkulera avgaser med den högsta temperaturen. Styrenhe- ten kan därmed styra en EGR-ventil i de respektive returledningarna så att avgaser endast återcirkuleras i den returledning där avgaserna har den högsta ternperaturen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom exempel, föredragna utföringsfonner av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig. l visar ett arrangemang enligt föreliggande uppfinning vilket innefattar ett WHR- system och ett long-route EGR-system och Fig. 2 visar ett arrangemang enligt föreliggande uppfinning vilket innefattar ett WHR- system, ett short-route EGR-system och ett long-route EGR-system.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Pig. l visar ett arrangemang för återvinning av värmeenergi ur avgaser från en över- laddad förbränningsrnotor l som kan vara en ottomotor eller en dieselmotor. Förbrän- ningsmotorn l kan, exempelvis, vara avsedd som drivinotor för ett tungt fordon 2 som är schematiskt indikerat i figuren. Avgaserna från förbränningsinotorns l cylindrar leds, via en avgassamlare, till en avgasledning 3. Avgasledningen 3 innefattar en första del 3a där avgaserna initialt mottas från íörbränningsmotorn l. Avgasema har här un- der de flesta driftstillstånd en hög temperatur och ett högt tryck. Avgaserna i den första del 3a av avgasledningen leds till en turbin 4 hos ett turboaggregat. Turbinen 4 tillhan- dahåller därvid en drivkraft, som överförs, via en förbindning, till en kompressor 5 hos turboaggregatet. Avgaserna leds därefter till en andra del 3b av avgaslednin gen. Avga- sema har i den andra delen Bb åtminstone initialt en lägre temperatur och ett lägre tryck eftersom de expanderat genom turbinen 4. Avgaserna leds genom en oxidations- katalysator 6 och ett paitikelfrlter 7 i den andra delen av avgasledningen 3b. Den andra delen Sb av avgasledningen innefattar vidare, en förgreningi forrn av en första retur- ledning 8 för återcirkulation av avgaser. Den första returlednin gen 8 mottar avgaser i en position 3111 av avgasledningen. Den andra delen 3b av avgaslednín gen innefattar en insprutningsanordning 9 för en urealösning. lnsprutningsanordning 9 sprutar in urea- lösningen i en position 3121 som är belägen nedströms den position 313; där den första returledning 8 mottar avgaser för ätercirkulation. Därmed säkerställs att urealösningen inte blandas in i de återcirkulerande avgaserna. Den andra delen 3b av avgasledningen innefattar även en SCR-katalysator 10 och en ammoniakslipkatalysator 11. Avgaserna iden andra delen 3b av avgasledningen leds från amrnoniakslipkatalysator ll till en andra del l2b av en förångare 12 där avgaserna kyls.

Förbränningsniotorn är försedd med ett long-route EGR-systern för återcirkulation av avgaser. En sådan återcirkulation innebär att avgaser återcirkuleras i returledningen 8 från den andra delen 3b av en avgasledning som således är belägen nedströms turbinen 4. Returledningen 8 leder de återcirkulerande avgaserna till en första delen l2a av för- ångaren 12 där de återcirkulerande avgaserna kyls. Förångaren 12 utgör en samman- hängande enhet som innefattar två separata delar l2a, l2b på avgassidan. Förångaren 12 innefattar en vägg l2c som separerar de två delarna från varandra. EGR-systemet innefattar en första EGR-ventil 13 med vilken avgasflödet i returledníngen 8 regleras.

En styrenhet 14 är anpassad att styra EGR-ventilen 13 med information om förbrän- ningsrnotorns l aktuella diiftstillstånd. Styrenheten 14 kan vara en datorenhet som är försedd med en lämplig mjukvara för detta ändamål. Returledningen 8 är vid en avslu- tande ände förbunden med en första inloppsledníng l5a som är anpassad att leda luft och återcirkulerande avgaser till kornpressorn 5. Kornpressom 5 komprimerat de åter- cirkulerande avgaserna och luften. Den koinprimerade blandningen av luft och återcir- kulerande avgaser leds därefter vidare i en andra inloppsledning lSb mot förbrän- ningsmotorn 1. Den andra inloppslednin gen l5b innefattar en kylare 16 för kylning av luften och de återcirkulerande avgaserna.

Förbränningsmotorn är försedd med ett WHR-system fór återvinning av värmeenergi.

WHR-systemet är anpassat att återvinna värme ur avgaserna i den andra delen 31:» av avgasledningen 3 och ur de återcirkulerande avgaserna i retur-ledningen 8. WHR- systemet innefattar en sluten ledningskrets 17 med ett cirkulerande medium som har en för detta ändarnål lämpliga förångtiings och kondenseringstemperaturer vid de tryck som skapas i ledningskretsen 17 under drift. Mediet kan vara vatten. lvlediet cirkuleras i ledningskretsen 17 med hjälp av en pump 18. WHR-systemet innefattar ovan nämnda fórångare 12 där mediet vänns så att det fórångas. Mediet värms av de återcirkulerande avgasernai returledningen 8 i den första delen l2a av förångaren 12 och av avgaserna i den andra delen 3b av avgasledningen 3 iden andra delen 12b av förångaren 12.

WHR-systemet innefattar en expander i form av en turbin 19 där mediet expanderar.

Turbinen 19 tillhandahåller därmed en rotationsrörelse som kan överföras, via en me- kanisk transmission 20, till en drivrörelse av fordonets l drivlina 21. WHR-systemet innefattar en kondensor 24 där mediet kylas ned till en temperatur vid vilken det kon» denserar. WHR-systernet kan självfallet även innefatta ytterligare komponenter såsom, exempelvis, en recuperator och en vännningsanordning fór att säkerställa att allt medi- um har fórångats innan det leds in i turbinen 19.

Under drift av törbränningsmotorn 1 leds avgaser ut i den första delen 3a av avgasled- ningen 3. Avgaserna driver turbinen 4 hos turboaggregatet så att kompressorn 5 kom- primerar en blandning av luft och återcirkulerande avgaser som leds till iörbrännings- motorn 1. Efter att avgaserna passerat genom turbinen 4 når de oxidationskatalysatorn 6. En del av kvävemonoxíden i avgaserna oxideras här till kvävedioxid. Därmed kan avgaserna innehålla en lika stor andel kvävedioxid och kvävemonoxid då de lämnar oxidationskatalysatorn 6. Avgaser som passerat igenom oxidationskatalysatorn 6 leds till partikelfiltret 7 där sotpartiklar i avgaserna fastnar och förbränns. En del av avga» serna som passerat genom partikelfiltret 7 leds in i returledningen 8 vid positionen 3191.

En resterande delen av avgaserna leds vidare i den andra delen 3b av avgasledningen.

Vid positionen Bb; sprutar insprutningsanordningen 9 in en urealösning i avgaserna.

Urealösningen forångas av de vanna avgaserna så att ammoniak bildas. Ammoniaken reagerar med kväveoxiderna i avgasema i SCR katalysatorn 10 så att kvävgas och vat- tenånga bildas. Med en korrekt dosering av urealösning kan kväveoxiderna till stor det reduceras avgaserna. Eventuell kvarvarande ammoniak elimineras i ammoniakslipkata- lysatorn ll. Avgaserna når därefter den andra delen l2b av WHR-systemets forångare 12. Avgaserna kyls här av mediet i WHR-systemet innan de så småningom leds ut till omgivningen.

Styrenheten 14 styr EGR-ventilen 13 så att en önskad mängd av avgasernai den andra delen 3b av avgasledningen 3 leds in i returledningen 8 vid positionen 3b1. De återcir- kulerande avgaserna i returledningen 8 når den första delen 1221 av forångaren 12. De återcirkulerande avgaserna kyls här av mediet i WHR-systemet. De kylda återcirkule- rande avgaserna blandas därefter med luft då de leds in i den forsta inloppsledningen l5a. De återeirkulerande avgaserna har med fördel kylts till en temperatur i närheten av luften temperatur. Avgaserna och luften leds, via den forsta inloppsledningen l5a, till kornpressorn 5. Blandningen av luft och återcirkulerande avgaser leds till kompres- sorn 5 där den komprimeras. Den komprimerade blandningen av luft och återcirkule- rande tillhandahåller därmed ett förhöjt tryck och en förhöjd temperatur. Blandningen av luft och återcirkulerande avgaser leds vidare i den andra inloppsledningen 15b.

Blandningen av luft och återcirkulerande avgaser kyls här i en kylare 16 innan den leds till forbrärmingsmotorn l.

WHR-systemet är väsentligen kontinuerligt aktiverad då forbränningsmotorn är i drift.

Pumpen 18 trycksätter och cirkulerar väsentligen kontinuerligt mediet i ledningskret- sen 17. Mediet är i vätskefortn då det når pumpen 18. Mediet cirkuleras från pumpen 18 till forångaren 12. Medlet värms av de återcirkulerande avgasernai returledningen i ett första steg i den första delen 12a av forångaren 12 och därefter av avgaserna i av- gasledningen 3b i ett andra steg i den andra delen 12b av forångaren 12. Förångaren 12 är dimensionerad så att mediet ska erhålla en uppvärmning till en temperatur vid vilket det forångas. Det forångade mediet tillhandahåller även en tryckökning då det värms upp. Det trycksatta mediet leds till turbinen 19 där den expanderar. Turbinen 19 till- handahåller' därmed en rotationsrörelse som, via den mekanisk transmission 20, över- fors till fordonets 1 drivlina 21. Drivlinan 21 tillhandahåller därmed en ökad kraft for drift av fordonet 2. Den tilltörda drivkraften resulterar i att fordonet kan upprätthålla en av foraren begärd hastig med en något lägre bränsletilliörsel. Därmed kan bränsle- förbrukningen reduceras. Efter att mediet passerat genom turbinen 19 leds det till kon- densorn 24 där mediet kyls ned till en temperatur vid vilken det kondenserar. Ett kyl- medium, som kan vara luft eller kylvätska, cirkuleras genom kondensorn 24 så att me» diet garanterat kyls och kondenserar innan den åter leds till pumpen 18.

Med hjälp av WHR~systen1et kan den normalt bortkylda värmeenergin från de återcir- kulerande avgaserna och vänneenergin i avgaserna tillvaratas och utnyttjas för att driva fordonet l eller komponenter som är anordnade på fordonet 1. Förbränningsmotorn l erhåller därmed en förhöjd kapacitet och verkningsgrad utan tillförsel av extra bränsle.

I och med att WHR-systemet tillhandahåller en förångare 12 för kylning av de återcir- kulerande avgaserna behöver long-route EGR-systemet inte förses med en separat EGR-kylare. WHR-systemet utnyttjas således för att uppta värmeenergi ur avgasemai avgasledningen 3. WHR-systemet är därmed kapabelt att återvinna värmeenergi både ur avgaser i avgasledningen och återcirkulerande avgaser i returledningen. WHR~ systemet innefattar en gemensam förångare 12 både för att återvinna värmeenergi ur de återcirkulerande avgasernai returledningen och avgaserna i avgasledningen. En sådan gemensam förångare l2 kan göras något mindre än två separata förångare med en mot- svarande kapacitet. En gemensam förän gare 12 tar även upp ett mindre utrymme i ett fordon 2 än två separata fórångare. WHR~systemet kan därmed ges en kompakt kon- struktion. Eftersom ett long-route EGR-system i sig påverkar bränsleförbrukningen på ett positivt sätt utgör den tillsammans med ett WHR-system enligt ovan en mycket gynnsam kombination då det gäller att reducera ett fordons 2 bränsleförbrukning och utsläpp av koldioxid.

Fig. 2 visar ett alternativt arrangemang för återvinning av värmeenergi ur avgaser från en fórbränningsmotor. Arrangemanget innefattar ett long-route EGR-system med vä- sentligen sainrna utformning som i utföringsforrnen i Fig. 1. Arrangemanget innefattar i detta fall även ett andra EGR-system i form av ett short-route EGR-system. Short- route EGR-systemet innefattar en andra returledning 25 fór återcirkulation av avgaser.

Den andra returledningen 25 mottar avgaser från en position 3a1 i avgasledningen 3 som är belägen uppströms turbinen 4. Den andra returledningen 25 avger de återcirku- lerande avgaserna till den andra inloppsledningen 15b som är belägen nedströms kom~ pressorn 5. Flödet av återcirkulerande avgaser genom den andra returledningen 25 re~ gleras med hjälp av en andra EGR-ventil 26 som styrs av en styrenhet 14.

WHR-systernet innefattar även vissa fórändrin gar i förhållande till det WHR-system som visas i Fig. l. WHR-systemet innefattar i detta fall en ytterligare andra fórångare 27 där det cirkulerande mediet är anpassat att värmas av återcirkulerande avgaserna i 11 den andra returlednin gen 25. Den andra förångaren 27 är belägen nedströms en första förångare 12. Därmed kan det oirkulerande mediet i WHR-systemet tillhandahålla en vännning i ett ytterligare steg i den andra fórångaren 27 innan mediet leds till turbinen 19. Arrangemanget innefattar en första teinperatursensor 28 som avkänner avgasernas temperatur i avgasledningen i en position i anslutning till den första returledningen 8 och en andra ternperatursensor 29 som avkänner avgasernas temperatur i anslutning till den andra returledningen 25. Styrenheten 14 är anpassad att mottaga information från nämnda temperatursensorer 28, 29 och att styra båda EGR-ventilerna 13, 26 med hjälp av denna information. WHR-systemets turbin 19 är i detta fall förbunden med en gene- rator 22 som alstrar elektrisk energi som kan lagras i ett batteri 23. Den elektriska ener» gin kan vid lämpliga tillfällen användas för drift av fordonet 2 eller for drift av kornpo~ nenter som är anordnade på fordonet.

Under drift av fórbränningsmotom l mottar styrenheten 14 information avseende fór- brärmingsmotorns driftstillstånd. Styrenheten 14 uppskattar eller beräknar med hjälp av denna information en erforderlig mängd avgaser som ska återcirkuleras. Styrenheten 14 mottar även information firån den första temperatursensor 28 som avkänner avga- sernas temperatur i en position i närheten av den forsta returledningen 8 fórbindnings- position 3b; med den andra delen 3b av avgasledningen 3 och information från den andra ternperatursensor 29 som avkänner avgasernas teinperattir i en position i närhe- ten av den andra returledningens 25 iörbindningsposition 3a1 med den första delen 3a av avgaslednin gen. Styrenheten 14 uppskattar vilken temperatursensor 28, 29 som uppvisar den högsta avgastemperaturen. Vid driftstillfallen som den första temperatur» sensorn 28 'uppvisar den högsta avgastemperaturen öppnar styrenheten 14 den första EGR-ventilen 13 samtidigt som den stänger den andra EGR-ventilen 26. Den första EGRwentilen 13 öppnas i en grad så att den erforderliga mängden återoirknlerande avgaser kan levereras via den forsta returledningen 8. Vid driftstillfafllen som den andra temperatursensorn 28 uppvisar den högsta avgastemperaturen öppnar styrenheten 14 den andra EGR-ventilen 26 samtidigt som den stänger den första EGR-ventilen 13.

Den andra EGR-ventilen 26 öppnas i en grad så att den erforderliga mängden återcir- kulerande avgaser kan levereras via den andra returledningen 25. Wl-llbsystemet kan innefatta en ej visad bypassledning som leder mediet forbi förângaren 12 vid tillfällen som den första EGR-ventilen 13 är stängd. WHR-systemet kan även innefatta en ej visad bypassledning som leder mediet förbi förångaren 27 vid tillfällen som den andra EGR-ventilen 26 är stängd. 12 På ovan nämnt sätt så kommer alltid den erforderliga mängden återcirkulerande avga- ser att kunna levereras till fórbränningsmotom l. Samtidigt levereras de återcirkule- rande avgaserna av det EGR-system som kan leverera återcirkulerande avgaser med den högsta temperaturen. Därmed utvinner WHRßysternet kontinuerligt vänneenergi ur avgaserna i av gasledningen 3 via den första forångarens andra del 12b och värme- energi ur de återcirkulerande avgaserna som levereras av det EGR-system den högsta temperaturen. I och med det kan WHR-systemet tillhandahålla en optimal värrnning av det cirkulerande mediet vid alla driitstillfällen hos fórbränningsmotorn l och en opti- mal alstring av mekanisk eller elektrisk energi.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den på ritningen beskrivna utiöringsfonnen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar. I uttöringsforrnen i Pig. l innefattar arrangemanget ett WHR-system som omvandlar värmeenergi till mekanisk energi for direkt drift av fordonet. l utfóringsforrnen i Fig. 2 innefattar arrangemanget ett WHR- system som omvandlar värmeenergi till elektrisk energi. Arrangemangen i Fig. l kan självfallet innefatta ett WHR-system som alstrar elektrisk energi och arrangemangen i Fi g. 2 kan självfallet innefatta ett WHR~system som alstrar mekanisk energi för direkt drift av fordonet. F örbränningsmotorn behöver inte nödvändigtvis driva ett fordon utan den kan användas i ett godtyckligt sammanhang.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 13 Patentkrav

1. Arrangemang för återvinning av värmeenergi ur avgaser från en överladdad för- bränningsmotor, varvid arrangemanget innefattar en avgasledning (3) som är anpassad att leda ut avgaser från fórbränníngsmotom (1), en turbin (4) som drivs av avgaserna i avgasledningen (3), åtminstone ett första EGR-system som innefattar en första retur- ledníng (8) för âtercirkulation av avgaser från en position (3111) som är belägen ned» ströms turbinen (4) med avseende på avgasernas avsedda strömningsriktning i avgas- ledningen (3) och ett WHR-system som innefattar en sluten ledningskrets (17), en pump (18) som trycksätter och cirkulerar ett medium i ledningskretsen (17 ), åtminsto- ne en första förångare (12) där mediet värms upp och förångas, en expander (19) där mediet expanderar och en kondensor (24) där mediet kyls så att det kondenserar, k_an_- netecknat av att nämnda första förångare (l 2) är utformad som en sammanhängande enhet där det eirkulerande mediet är anpassat att uppta värmeenergi både från de åter- cirkulerande avgaser i den första returledningen (8) och från avgaser i en del av avgas- tedningen (3b) som är belägen nedströms den position (3131) i avgasledningen där den första returledningen (8) mottar avgaser från avgasledningen (3).

2. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att den första förångare (12) innefattar en första del (12a) där det cirkulerande mediet värms i ett första steg av de återcirkule- rande avgasernai den första returledningen (8) och en andra del (121)) där det cirkule- rande mediet värms i ett andra steg av avgaserna i den andra delen (Bb) av avgasled- ningen (3).

3. Arrangemang eniigt krav 1 eller 2, kännetecknat av att avgasledningen (3) innefattar en SCR-katalysator ( 10) och en insprutningsanordning (9) som är anpassad att spruta in urealösning i en position (3b2) i avgasledningen (3) vilken är belägen nedströms den position (3191) i avgasledningen i vilken den första returledningen (8) mottar avgaser från avgasledningen (3).

4. Arrangemang enligt krav 3, kännetecknat av att SCR-katalysatorn (10) är anordna- de i avgasledningen (3) i en position uppströms den forsta värmeväxlaren (12).

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att avgasledningen (3) innefattar en oxidationskatalysator (6) och ett partikeifilter (7) vilka är anordnade i lt) 15 20 25 30 35 14 en position uppströms den positionen (3b1) där den forsta returledningen (8) mottar avgaser från avgasledníngen (3).

6. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att arrangemanget innefattar ett andra EGR-system som innefattar en andra returlednin g (25) for återcir- kulation av avgaser från en position i avgasledningen (3a1) som är belägen uppströrns turbinen (4).

7. Arrangemang enligt krav 6, kännetecknat av att WHR-system innefattar en andra törångare (27) där det cirkulerande mediet är anpassat att uppta vänneenergi från de återcirkulerande avgaserna i den andra returledningen (25).

8. Arrangemang enligt krav 7, kännetecknat av att den andra fórångaren (27) är anord- nad nedströms den forsta törångaren (12) så att mediet i WHReystemet tillhandahåller en eventuell ytterlí gare värmning i den andra fórångaren (27) innan mediet leds till turbínen (19).

9. Arrangemang enligt krav 7 eller 8, kännetecknar av att arrangemanget innefattar en styrenhet (14) som är anpassad att styra återcirkuiationen av avgaser till den returled- ning (8, 25) som kan leverera återeirkulerande avgaserna med den högsta temperatu- TCB.

10. Arrangemang enligt krav 9, kännetecknat av att arrangemanget innefattar en första temperatursensor (28) som avkänner avgasernas temperatur i art/gasledningen i nära anslutning till returledningen (8) och en andra ternperatursensor (29) som avkänner avgasernas temperatur i avgaslednin gen i anslutning till den andra returledningen (25) och att styrenheten (14) är anpassad att mottaga information från närnnda temperatur- sensorer (28, 29) och att återcirkulera avgaser genom den returledning (8, 25) som kan leverera återcirkuierande avgaserna med den högsta teïnperaturen. l 1. Förfarande for återvinning av vänneenergi ur avgaser från en överladdad förbrän- ningsmotor med hjälp av ett arrangemang enligt något av kraven l till 10.