WO2017054895A1 - Vorrichtung zur abwärmerückgewinnung - Google Patents

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device for recovering waste heat from waste heat of a combustion machine in a motor vehicle.
  • Driving fluid is evaporated, wherein said liquid driving fluid is liquefied natural gas or liquefied by liquefied natural gas driving fluid; a turbine to
  • Heat exchanger means is supplied to the expanded drive fluid vapor, wherein the heat exchanger means and liquefied natural gas is supplied to receive heat from the expanded fluid vapor, wherein the temperature of the liquefied
  • Natural gas increases as it flows through the heat exchanger means; a conduit through which the drive fluid at least circulates from the inlet of the evaporator to the outlet of the heat exchanger means; and a line for transmitting
  • the invention is based on the object, an improved device for
  • An inventive device for waste heat recovery from heat loss of a Internal combustion engine in a motor vehicle includes a working circuit in which circulates a working medium, which is using the heat loss of the
  • Working medium can be heated and vaporized, and by means of which the working medium is cooled.
  • cryogenic or cryogenic fuel or fuel can be used instead of the liquefied natural gas. If this document refers to LNG or liquefied natural gas, these terms should also be used
  • Liquefied natural gas for internal combustion engines of motor vehicles is usually maintained at a temperature of -130 ° C or less.
  • the liquefied natural gas is evaporated in the natural gas evaporator. Since this is arranged according to the invention in the working cycle, thereby cooling the working medium in addition.
  • Steam cycle process for example, a Clausius-Rankine process, benefits from a low temperature of the heat sink, in the present case, the branch formed by the condenser and the natural gas evaporator.
  • the additional cooling therefore, the performance of the device for waste heat recovery can be increased.
  • the natural gas evaporator can be done by the natural gas evaporator at certain operating points, a lowering of the temperature of the working medium by about 20 K. This can increase the potential recovery rate from about 5% to, for example, about 6%. This corresponds to an improvement in the recovery rate by 20 percentage points.
  • Fig. 1 is a schematic view of a device for waste heat recovery with an evaporator for liquid natural gas
  • Fig. 2 are schematic T-S diagrams of Carnot processes at various conditions
  • Figure 1 shows a schematic view of a device 1 for waste heat recovery (waste heat recovery), in particular exhaust heat recovery (Exhaust Heat Recovery), from waste heat of an internal combustion engine 10, in particular in a motor vehicle.
  • the device 1 comprises a working cycle 2, heat being converted into kinetic energy by means of a thermodynamic cycle, for example a Clausius Rankine Cycle or Organic Rankine Cycle.
  • a working medium is first compressed by a pump 3 to a higher pressure level. Heat is then supplied to the working medium in a first heat exchanger or first evaporator 4 and / or in a second heat exchanger or second evaporator 5 in order to evaporate it.
  • this high-pressure hot steam is expanded via an expansion machine 6, wherein kinetic energy is released via a shaft, which then contributes to the propulsion of a vehicle or is converted into electrical energy.
  • the working medium is then condensed back into the liquid phase in a condenser 7 and cooled.
  • the capacitor 7 may be arranged in a coolant circuit 13 or cooled by ambient air.
  • a natural gas evaporator 8 for liquefied natural gas LNG is arranged, in which the liquefied natural gas LNG is heated and evaporated by means of the working medium, the working medium being further cooled before it is again supplied to the pump 3.
  • the first evaporator 4 is an exhaust aftertreatment evaporator for recovering waste heat from exhaust gases A in an exhaust aftertreatment system 9 of an internal combustion engine 10
  • Evaporator 5 may be formed as an exhaust gas recirculation evaporator for recovering waste heat from an exhaust gas recirculation system 12.
  • the working cycle 2 can only one
  • Evaporator 4, 5 for supplying heat from exhaust gases or other waste heat of the internal combustion engine 10 have.
  • the waste heat of the internal combustion engine 10 can be partially recycled by means of the device 1 for waste heat recovery in useful mechanical or electrical energy.
  • the proportion of recoverable waste heat depends on the prevailing in the device 1 for waste heat recovery temperatures.
  • An upper operating temperature in at least one evaporator 4, 5 is characterized by a
  • the heat transfer medium for example, the exhaust gas A
  • the aim is to keep the upper operating temperature as high as possible.
  • a lower operating temperature in the condenser 7 depends on the cooling, for example by coolant or ambient air from. It is desired, the lower
  • the fuel-saving potential for example, in a diesel engine, by recovering the exhaust heat, for example, in a range of 5%.
  • Liquefied natural gas LNG for internal combustion engines 10 of motor vehicles is usually maintained at a temperature of -130 ° C or less.
  • the liquefied natural gas LNG is evaporated in the natural gas evaporator 8.
  • the working fluid additionally cools down, which increases the efficiency of the device 1 for waste heat recovery.
  • a lowering of the temperature of the working medium by about 20 K take place. This can increase the potential recovery rate from about 5% to, for example, about 6%. This corresponds to an improvement in the recovery rate by 20 percentage points.
  • the natural gas evaporator 8 may be arranged upstream of the condenser 7 in the working circuit 2.
  • FIG. 2 shows schematic TS diagrams of Carnot processes at different temperature levels, the temperature T being shown over the entropy S. Shown are the upper operating temperature ⁇ ⁇ , and the lower operating temperature T 2 .
  • the heat supplied is designated by Q 3-4 .
  • the area enclosed by the lines between the points P1, P2, P3, P4 corresponds to the amount of heat AQ converted in work.
  • the dissipated heat is designated by Q 1-2 .
  • Diagram is the upper operating temperature ⁇ increased by the difference ⁇ compared to the left diagram and the lower operating temperature T 2 is reduced by the difference ⁇ 2 compared to the left diagram. This increases the area enclosed by the lines between the points P1, P2, P3, P4 and therefore also the amount of heat AQ converted in work.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Arbeitskreislauf (2), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, das unter Verwendung von Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine (10) in mindestens einem Verdampfer (4, 5) erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf (2) eine Expansionsmaschine (6) zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei im Arbeitskreislauf (2) ein Kondensator (7) zum Kühlen des Arbeitsmediums angeordnet ist, wobei im Arbeitskreislauf (2) zusätzlich ein Erdgas-Verdampfer (8) für verflüssigtes Erdgas (LNG) angeordnet ist, in dem das verflüssigte Erdgas (LNG) mittels des Arbeitsmediums erwärmbar und verdampfbar ist, und mittels dessen das Arbeitsmedium abkühlbar ist.

Description

Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung aus Verlustwärme einer Verbrennungskräftmaschine in einem Kraftfahrzeug.
Aus der US 7,900,451 B2 ist ein Energie- und Wiederverdampfungssystem auf Basis von verflüssigtem Erdgas bekannt, umfassend einen Verdampfer, durch den flüssiges
Antriebsfluid verdampft wird, wobei dieses flüssige Antriebsfluid verflüssigtes Erdgas oder ein mittels verflüssigtem Erdgas verflüssigtes Antriebsfluid ist; eine Turbine zum
Expandieren des verdampften Antriebsfluids und zum Erzeugen von Energie; ein
Wärmetauschermittel, dem expandierter Antriebsfluid-Dampf zugeführt wird, wobei dem Wärmetauschermittel auch verflüssigtes Erdgas zugeführt wird, um Wärme aus dem expandierten Fluid-Dampf aufzunehmen, wobei die Temperatur des verflüssigten
Erdgases sich erhöht, während es durch das Wärmetauschermittel fließt; eine Leitung, durch die das Antriebsfluid zumindest vom Einlass des Verdampfers zum Auslass des Wärmetauschermittels zirkuliert; und eine Leitung zum Übertragen von
wiederverdampftem verflüssigten Erdgas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur
Abwärmerückgewinnung aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug umfasst einen Arbeitskreislauf, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, das unter Verwendung von Verlustwärme der
Verbrennungskraftmaschine in mindestens einem Verdampfer erwärmbar und
verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf eine Expansionsmaschine zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei im Arbeitskreislauf ein Kondensator zum Kühlen des Arbeitsmediums angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist im Arbeitskreislauf zusätzlich ein Erdgas-Verdampfer für
verflüssigtes Erdgas angeordnet, in dem das verflüssigte Erdgas mittels des
Arbeitsmediums erwärmbar und verdampfbar ist, und mittels dessen das Arbeitsmedium abkühlbar ist.
Anstatt des verflüssigten Erdgases kann auch ein anderer tiefkalter bzw. kryogener Kraftstoff oder Betriebsstoff eingesetzt werden. Wenn in dieser Druckschrift von LNG oder verflüssigtem Erdgas die Rede ist, so sollen von diesen Begriffen auch diese
vorgenannten Stoffe mit umfasst sein.
Verflüssigtes Erdgas für Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen wird gewöhnlich bei einer Temperatur von -130 °C oder weniger vorgehalten. Vor der
Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine wird das verflüssigte Erdgas im Erdgas- Verdampfer verdampft. Da dieser erfindungsgemäß im Arbeitskreislauf angeordnet ist, kühlt sich dadurch das Arbeitsmedium zusätzlich ab. Die Leistung des
Dampfkreisprozesses, beispielsweise eines Clausius-Rankine-Prozesses, profitiert von einer niedrigen Temperatur der Wärmesenke, im vorliegenden Falle also des durch den Kondensator und den Erdgas-Verdampfer gebildeten Zweiges. Durch die zusätzliche Abkühlung kann daher die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung gesteigert werden.
Beispielsweise kann durch den Erdgas-Verdampfer bei bestimmten Betriebspunkten eine Absenkung der Temperatur des Arbeitsmediums um etwa 20 K erfolgen. Dadurch lässt sich die potentielle Rückgewinnungsrate von etwa 5% auf beispielsweise etwa 6% erhöhen. Dies entspricht einer Verbesserung der Rückgewinnungsrate um 20%-Punkte.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung mit einem Verdampfer für flüssiges Erdgas, und
Fig. 2 schematische T-S-Diagramme von Carnotprozessen bei verschiedenen
Temperaturniveaus.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung (Waste Heat Recovery), insbesondere Abgaswärmerückgewinnung (Exhaust Heat Recovery), aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Arbeitskreislauf 2, wobei Wärme mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise eines Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird. Dabei wird im Arbeitskreislauf 2 ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe 3 zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium in einem ersten Wärmetauscher oder ersten Verdampfer 4 und/oder in einem zweiten Wärmetauscher oder zweiten Verdampfer 5 Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine Expansionsmaschine 6 entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird, welche dann zum Vortrieb eines Fahrzeugs beiträgt oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Das Arbeitsmedium wird anschließend in einem Kondensator 7 zurück in die flüssige Phase kondensiert und abgekühlt. Hierfür kann der Kondensator 7 in einem Kühlmittelkreislauf 13 angeordnet oder durch Umgebungsluft gekühlt sein. Dem Kondensator 7 im Arbeitskreislauf 2 nachgelagert ist ein Erdgas-Verdampfer 8 für verflüssigtes Erdgas LNG angeordnet, in dem das verflüssigte Erdgas LNG mittels des Arbeitsmediums erwärmt und verdampft wird, wobei das Arbeitsmedium weiter abgekühlt wird, bevor es erneut der Pumpe 3 zugeführt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Verdampfer 4 als ein Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus Abgasen A in einem Abgasnachbehandlungssystem 9 einer Verbrennungskraftmaschine 10
ausgebildet, dem ein Turbolader 1 1 vorgeschaltet sein kann, während der zweite
Verdampfer 5 als ein Abgasrückführungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem Abgasrückführungssystem 12 ausgebildet sein kann.
In anderen Ausführungsformen kann der Arbeitskreislauf 2 auch nur einen
Verdampfer 4, 5 zur Zuführung von Wärme aus Abgasen oder anderer Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 10 aufweisen. Die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 10 kann mittels der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung teilweise in nutzbare mechanische oder elektrische Energie rückgeführt werden. Der Anteil der rückgewinnbaren Abwärme hängt dabei von den in der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung herrschenden Temperaturen ab. Eine obere Betriebstemperatur im mindestens einen Verdampfer 4, 5 ist dabei durch einen
Verbrennungsprozess in der Verbrennungskraftmaschine 10, das wärmeübertragende Medium (beispielsweise das Abgas A) und/oder eine Auslegung des Systems aus Verbrennungskraftmaschine 10 und Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung gegeben. Es wird dabei angestrebt, die obere Betriebstemperatur möglichst hoch zu halten.
Eine untere Betriebstemperatur im Kondensator 7 hängt von der Kühlung, beispielsweise durch Kühlmittel oder Umgebungsluft, ab. Es wird angestrebt, die untere
Betriebstemperatur möglichst niedrig zu halten. Ohne die zusätzliche Kühlung durch den Erdgas-Verdampfer 8 liegt das Kraftstoff-Einsparpotential, beispielsweise bei einem Dieselmotor, durch die Rückgewinnung der Abgaswärme beispielsweise in einem Bereich von 5%.
Verflüssigtes Erdgas LNG für Verbrennungskraftmaschinen 10 von Kraftfahrzeugen wird gewöhnlich bei einer Temperatur von -130 °C oder weniger vorgehalten. Vor der
Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine 10 wird das verflüssigte Erdgas LNG im Erdgas-Verdampfer 8 verdampft. Dadurch kühlt sich das Arbeitsmedium zusätzlich ab, wodurch die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung steigt.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann bei bestimmten Betriebspunkten eine Absenkung der Temperatur des Arbeitsmediums um etwa 20 K erfolgen. Dadurch lässt sich die potentielle Rückgewinnungsrate von etwa 5% auf beispielsweise etwa 6% erhöhen. Dies entspricht einer Verbesserung der Rückgewinnungsrate um 20%-Punkte.
In anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen kann der Erdgas-Verdampfer 8 dem Kondensator 7 im Arbeitskreislauf 2 vorgelagert angeordnet sein.
In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann lediglich der Erdgasverdampfer 8 ohne den Kondensator 7 zum Kühlen und Kondensieren des
Arbeitsmediums angeordnet sein.
Figur 2 zeigt schematische T-S-Diagramme von Carnotprozessen bei verschiedenen Temperaturniveaus, wobei die Temperatur T über der Entropie S dargestellt ist. Dargestellt sind die obere Betriebstemperatur Τ·, und die untere Betriebstemperatur T2. Die zugeführte Wärme wird durch Q3-4 bezeichnet. Die von den Linien zwischen den Punkten P1 , P2, P3, P4 umschlossene Fläche entspricht der in Arbeit umgewandelten Wärmemenge AQ. Die abgeführte Wärme wird durch Q1-2 bezeichnet. Im rechten
Diagramm ist die obere Betriebstemperatur ΤΊ um die Differenz ΔΤΊ gegenüber dem linken Diagramm erhöht und die untere Betriebstemperatur T2 ist um die Differenz ΔΤ2 gegenüber dem linken Diagramm verringert. Dadurch vergrößert sich die von den Linien zwischen den Punkten P1 , P2, P3, P4 umschlossene Fläche und daher auch die in Arbeit umgewandelte Wärmemenge AQ.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung
2 Arbeitskreislauf
3 Pumpe
4 erster Verdampfer
5 zweiter Verdampfer
6 Expansionsmaschine
7 Kondensator
8 Erdgas-Verdampfer
9 Abgasnachbehandlungssystem
10 Verbrennungskraftmaschine
1 1 Turbolader
12 Abgasrückführungssystem
13 Kühlmittelkreislauf
A Abgas
AQ Wärmemenge
li Differenz
ΔΤ2 Differenz
LNG verflüssigtes Erdgas
P1 Punkt
P2 Punkt
P3 Punkt
P4 Punkt
Qi-2 abgeführte Wärme
Q3-4 zugeführte Wärme
S Entropie
T Temperatur obere Betriebstemperatur untere Betriebstemperatur

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Abwärmerückgewinnung aus Verlustwärme einer
Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen
Arbeitskreislauf (2), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, das unter Verwendung von Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine (10) in mindestens einem
Verdampfer (4, 5) erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf (2) eine Expansionsmaschine (6) zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei im Arbeitskreislauf (2) ein Kondensator (7) zum Kühlen des Arbeitsmediums angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitskreislauf (2) zusätzlich ein Erdgas- Verdampfer (8) für verflüssigtes Erdgas (LNG) angeordnet ist, in dem das
verflüssigte Erdgas (LNG) mittels des Arbeitsmediums erwärmbar und verdampfbar ist, und mittels dessen das Arbeitsmedium abkühlbar ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Erdgas-Verdampfer (8) dem Kondensator (7) im Arbeitskreislauf (2) nachgelagert angeordnet ist.
3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Verdampfer (4) als ein Abgasnachbehandlungs- Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus Abgasen (A) in einem
Abgasnachbehandlungssystem (9) einer Verbrennungskraftmaschine (10) ausgebildet ist und dass ein zweiter Verdampfer (5) als ein Abgasrückführungs-Verdampfer zur
Gewinnung von Abwärme aus einem Abgasrückführungssystem (12) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfer (4) und der zweite Verdampfer (5) einander in Arbeitskreislauf (2) parallel geschaltet sind.
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