DE102009006959A1

DE102009006959A1 - System zur Rückgewinnung von Energie

Info

Publication number: DE102009006959A1
Application number: DE102009006959A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Ambros; Jochen Dr.-Ing. Orso; Stefan Dipl.-Ing. Hildinger; Klaus Dr.Ing. Tüber
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2009-01-31
Filing date: 2009-01-31
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-02-01
Also published as: US20100192569A1; DE102009006959B4; US8434307B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen (A) einer Brennkraftmaschine (Motor), in Verbindung mit Abgasrückführung, einschließlich eines Abgasrückführventils (V1) und eines Abgasrückführwärmetauschers (AGKV), wobei ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmittel in dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) mittels der heißen Abgase verdampft wird und die Energie des Dampfes in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird, die als Zusatzenergie zur Verfügung steht. Um die Wärmerückgewinnung mit geringem technischem Aufwand zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass mit dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) ein Abgassteuerventil (2) zusammenwirkt, das den Massenstrom der den Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ständig durchströmenden Abgase etwa in der Nähe der Leistungsgrenze der Energierückgewinnung steuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine, in Verbindung mit einer Abgasrückführung, einschließlich eines Abgasrückführungsventils und eines Abgasrückführwärmetauschers, wobei ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmittel in dem Abgasrückführwärmetauscher mittels der heißen Abgase verdampft wird und der Dampf in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird, die als Zusatzenergie zur Verfügung gestellt wird.
Es gibt zahlreiche Veröffentlichungen bezüglich der Energierückgewinnung aus den Abgasen, beispielsweise einer Brennkraftmaschine. In den meisten Veröffentlichungen wird die Abgasrückführung nicht angesprochen.
Jedoch bei manchen Systemen erfolgt die Rückgewinnung der Abgasenergie auch in Verbindung mit der gekühlten Abgasrückführung, was an sich vorteilhaft ist. Entsprechende Konzepte der Firma AVL List GmbH, Austria sind beim Truck & Bus World Forum am 8. und 9. Dezember 2008 in Göteborg/Schweden vorgestellt worden.
Ähnliche Konzepte/Systeme wurden auch von der Firma Cummins Inc./USA veröffentlicht.
Da jedoch eine Abgasrückführung nicht in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine vorgenommen wird, wird der Abgasrückführungswärmetauscher bzw. der Verdampfer auch nicht ständig vom Abgas durchströmt. Das bedeutet, dass in der Regel auch keine Rückgewinnung der Energie der Abgase in solchen Betriebsphasen vorgenommen wird, in denen keine gekühlte Abgasrückführung stattfindet, beispielsweise in Leerlaufphasen der Brennkraftmaschine.
Obwohl diejenigen Betriebsphasen mit gekühlter Abgasrückführung deutlich überwiegen, gibt es Verbesserungspotential bezüglich der Rückgewinnung der Abgaswärmeenergie. Die während der gekühlten Abgasrückführung vorgenommene Energierückgewinnung ist oft nicht effizient genug.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Rückgewinnung von Energie in Verbindung mit der Abgasrückführung mit geringem technischem Aufwand in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt mit einem System, welches sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Nach einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem Abgasrückführungswärmetauscher ein Abgassteuerventil zusammenwirkt, das den Mas senstrom der den Abgasrückführungswärmetauscher in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine durchströmenden Abgase zumindest in der Nähe der Leistungsgrenze der möglichen Energierückgewinnung steuert. Die Leistungsgrenze wird bestimmt durch die Auslegung des Kreisprozesses bzw. durch die Auslegung von dessen Bestandteilen. Beispielsweise durch den im Kreisprozess angeordneten Kondensator, der das gasförmige Arbeitsmittel wieder kondensieren muss. Der Kondensator wird demnach auf einer Seite von dem Arbeitsmittel durchströmt und auf der anderen Seite beispielsweise von einem flüssigen Niedertemperaturkühlmittel durchlaufen.
Der durch den Verdampfer bzw. durch den Abgasrückführungswärmetauscher geleitete Abgasstrom ist deutlich größer als der zur nochmaligen Verbrennung zur Brennkraftmaschine zurückgeführte Abgasstrom. Es hat sich herausgestellt, dass der Verdampfer aufgrund seiner ständigen Durchströmung nicht mehr solch großen Temperaturwechselbelastungen unterliegt. Die Gefahr von Materialbrüchen oder Rissen aufgrund solcher Belastungen sollte normalerweise abnehmen.
Die Erfindung wird im Folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten drei Schaubilder detaillierter beschrieben. Die unterhalb der Schaubilder vorhandene Legende macht diese übersichtlicher und leicht verständlich. In der 2 sind auch Pfeile eingezeichnet worden, die die Durchströmung anzeigen sollen. Sie gelten auch für die anderen beiden Figuren.
Das System zur Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine Motor, in Verbindung mit Abgasrückführung, einschließlich eines Abgasrückführungsventils V1 und eines Abgasrückführungswärmetauschers AGKV ist aus allen Darstellungen ersichtlich. Der Kreisprozess zur Rückgewinnung ist mittels einer Strich-Punkt-Linie abgebildet. Durch diesen Kreisprozess läuft ein geeignetes Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser, Kältemittel oder ein organisches Fluid. Das Arbeitsmittel wird im Abgasrückführungswärmetauscher AGKV mittels der heißen Abgase (Teilstrom A2) verdampft. Der Dampf wird einem Expander zugeführt, der in diesem Fall mechanische Energie erzeugt, die als Zusatzenergie zur Verfügung gestellt wird. (nicht gezeigt) Der möglicherweise bereits teilweise kondensierte Dampf wird im Kondensator Kond vollständig kondensiert, durch den Wärmeaustausch mit einem flüssigen Kühlmittel aus einem separaten Kühlmittelkreislauf NT. Der Hochtemperaturkreislauf HT dient der Kühlung der Brennkraftmaschine. Der Abgasrückführungswärmetauscher AGKV wirkt mit einem Abgassteuerventil V2 zusammen.
Das Abgassteuerventil V2 sorgt dafür, dass in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ein Massenstrom durch den Abgasrückführungswärmetauscher AGKV strömt. Das Abgassteuerventil V2 der gezeigten Ausführungsbeispiele erhält Signale, beispielsweise bezüglich Temperatur und/oder Druck des Arbeitsmittels im Zustand nach Verlassen des Kondensators Kond. Bestimmte Werte der Temperatur und/oder des Drucks zeigen die Leistungsgrenzen an, die im Kreisprozess der Energierückgewinnung realisierbar sind. Es wird stets ein größerer Massenstrom der Abgase A2 durch den Abgasrückführungswärmetauscher AGKV geführt als für die Abgasrückführung A3 benötigt wird. Das Abgasrückführventil V1 wird aufgrund motorspezifischer Kennwerte gesteuert. Beispielsweise im Leerlauf oder bei Niedriglast des Motors oder auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen ist es geschlossen, in anderen Betriebsphasen geöffnet oder wenigstens teilweise geöffnet.
Mittels des bereits angesprochenen NT-Kühlmittelkreislaufes wird auch komprimierte Ladeluft LL gekühlt. Die Ausführungsbeispiele zeigen eine zweistufige Ladeluftkühlung im LLK1 und LLK2 in Verbindung mit einem zweistufigen Abgasturbolader ATL1 und ATL2. Der Abgasturbolader wird mittels eines Teilstromes A1 der Abgase angetrieben und stellt komprimierte Ladeluft LL zur Verfügung, die anschließend der besagten Kühlung zu unterziehen ist. Die gekühlte Ladeluft wird mit dem zurückzuführenden, gekühlten Abgas A3 an einer Mischstelle gemischt und auf der Einlassseite E der Brennkraftmaschine Motor in deren Zylinder eingeführt.
Der Abgasteilstrom A2 ist gemäß diesem Vorschlag größer als im Stand der Technik, der Anteilstrom A1 ist entsprechend kleiner. Hinter dem Abgasrückführwärmetauscher AGKV ist eine Abzweigleitung 10 angeordnet, die für die Energierückgewinnung genutztes, für die Abgasrückführung jedoch nicht nutzbares Abgas A dem Abgasturbolader ATL zur Verfügung stellt. Das den Abgasturbolader verlassende Abgas A kann zweckentsprechend ebenfalls im Kreisprozess zur Energierückgewinnung genutzt werden, was hier jedoch nicht gezeigt wurde.
Das Abgassteuerventil V2 ist – in Strömungsrichtung der Abgase gesehen – in den 2 und 3 vor dem Abgasrückführventil V1 angeordnet. In der 1 sind beide Ventile V1 und V2 parallel liegend angeordnet. Hier können bautechnisch beide Ventile V1 + V2 zu einer Ventileinheit mit entsprechenden Leitungsanschlüssen zusammengefasst werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 wurde jedoch das Abgassteuerventil V2 in der Abzweigleitung 10 angeordnet. Das Abgasrückführventil V1 befindet sich vor der Mischstelle Ladeluft/Abgas. Im Unterschied dazu befindet sich in der 2 das Abgassteuerventil V2 exakt in der Kreuzungsstelle der Abzweigleitung 10. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 befindet sich das Abgassteuerventil V2 hingegen vor dem Abgasrückführwärmetauscher AGKV.
Das Abgassteuerventil V2 ist in allen Betriebsphasen des Motors geöffnet. Es verändert nur seinen Öffnungsgrad entsprechend der maximal möglichen Rückgewinnungsrate.
Beim Start der Brennkraftmaschine besitzt das Abgassteuerventil V2 einen Öffnungsgrad von beispielsweise 50–60%. Das Abgasrückführventil V1 ist geschlossen.
Das Abgas wird mittels des Arbeitsmittels aus dem Kreisprozess im AGKV gekühlt, wobei das Arbeitsmittel verdampft wird. Der Dampf erzeugt Energie. Später wird das Abgasrückführventil V1 schrittweise geöffnet, damit die Abgasrückführung durchgeführt werden kann. Das System registriert, dass weniger Abgas zur Energieerzeugung zur Verfügung steht und erweitert daraufhin den Öffnungsgrad des Abgassteuerventils V2 auf beispielsweise 80–90%, damit sowohl für die Abgasrückführung als auch zur Energierückgewinnung erforderliches Abgas zur Verfügung steht. Dazu kann auch eine Interaktion, beispielsweise eine weitere Steuerleitung und eine elektronische Steuerung zwischen den Ventilen V1 und V2 bzw. zwischen der Brennkraftmaschine und dem Kreisprozess erforderlich sein.
(nicht gezeigt)

Claims

System zur Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen (A) einer Brennkraftmaschine (Motor), in Verbindung mit Abgasrückführung, einschließlich eines Abgasrückführungsventils (V1) und eines Abgasrückführwärmetauschers (AGKV), wobei ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmittel in dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) mittels der heißen Abgase verdampft wird und der Dampf in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Abgasrückführwärmetauscher (AGKV) ein Abgassteuerventil (V2) zusammenwirkt, das den Massenstrom der den Abgasrückführwärmetauscher (AGKV)(Verdampfer) in allen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ständig durchströmenden Abgase etwa in der Nähe der Leistungsgrenze der Energierückgewinnung steuert.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassteuerventil (V2) – in Strömungsrichtung der Abgase gesehen – vor dem Abgasrückführventil (V1) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassteuerventil den Massenstrom der Abgase vor dem Verdampfer steuert und das Abgasrückführventil (V1) den zurückgeführten Abgasstrom nach dem Verdampfer steuert.
System nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der zurückgeführte Abgasstrom als auch der der Rückgewinnung dienende Abgasstrom nach dem Verdampfer gesteuert werden.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nicht rückgeführtes Abgas nach dem Verdampfer entweder vor oder nach einer ersten Abgasturbine (ATL) mittels einer Abzweigleitung (10) in den Abgasstrom (A1) eingespeist wird.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass ein wesentlicher Teil (A2) des gesamten Abgasstroms (A) durch den Verdampfer (AGKV) geleitet wird, wobei der durch den Verdampfer geleitete Abgasstrom (A2) größer ist als der zurückgeführte Abgasstrom (A3).