DE102017006172B4 - Arrangement for the recovery of thermal energy in exhaust gases from an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor (2), wobei die Anordnung ein WRG-System umfasst, das umfasst:
- einen WRG-Kreislauf (18) mit einem umwälzenden Arbeitsmedium,
- einen Verdampfer (20), in dem das Arbeitsmedium durch Abgase aus dem Verbrennungsmotor (2) erwärmt wird,
- einen Expander (22) und
- einen Wärmespeicher (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ferner mindestens einen Satz von Wärmerohren (21a-e) umfasst, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie zwischen dem Wärmespeicher (21) und den Abgasen oder dem Arbeitsmedium zu übertragen, wobei der mindestens eine Satz von Wärmerohren (21a-e) einen Satz von Wärmerohren (21b) umfasst, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher (21) zu dem Arbeitsmedium in einer Leitung (18a) zu übertragen, die das Arbeitsmedium zu dem Expander (22) leitet.
Arrangement for the recovery of thermal energy in exhaust gases from an internal combustion engine (2), the arrangement comprising a heat recovery system which comprises:
- a heat recovery circuit (18) with a circulating working medium,
- An evaporator (20) in which the working medium is heated by exhaust gases from the internal combustion engine (2),
- an expander (22) and
- A heat accumulator (21), characterized in that the arrangement further comprises at least one set of heat pipes (21a-e) which is configured to transfer heat energy between the heat accumulator (21) and the exhaust gases or the working medium, the at least a set of heat pipes (21a-e) comprises a set of heat pipes (21b) configured to transfer thermal energy from the heat accumulator (21) to the working medium in a conduit (18a) that carries the working medium to the expander (22 ) directs.
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIKBACKGROUND OF THE INVENTION AND PRIOR ART
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to an arrangement for recovering thermal energy in exhaust gases from an internal combustion engine according to the preamble of
Ein WRG-System (Wärmerückgewinnungssystem) kann für die Rückgewinnung von Abwärmeenergie eingesetzt werden und diese in mechanische Energie oder elektrische Energie umwandeln. Ein WRG-System umfasst eine Pumpe, die ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf mit Druck beaufschlagt und umwälzt. Der Kreislauf umfasst einen Verdampfer, in dem das Arbeitsmedium durch eine Wärmequelle, wie beispielsweise Abgase, erwärmt und verdampft wird. Das druckbeaufschlagte und erwärmte gasförmige Arbeitsmedium dehnt sich in einem Expander aus. Der Expander erzeugt mechanische Energie, die dazu verwendet werden kann, den Motor und/oder Vorrichtungen in einem Fahrzeug zu unterstützen. Alternativ ist der Expander mit einem Generator verbunden, der elektrische Energie erzeugt. Der Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors kann mittels eines WRG-Systems reduziert werden. Die Abwärmeenergie kann jedoch in dem Fall, in dem das WRG-System keine teuren Geräte umfasst, die die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt, im Allgemeinen nur zu dem Zeitpunkt genutzt werden, zu dem sie erzeugt wird. Während bestimmter Betriebsbedingungen befindet sich mehr Wärmeenergie in den Abgasen als durch das WRG-System genutzt werden kann. Während anderer Betriebsbedingungen befindet sich im Wesentlichen keine Wärmeenergie in den Abgasen, die durch das WRG-System genutzt werden kann.A WRG system (heat recovery system) can be used to recover waste heat energy and convert it into mechanical energy or electrical energy. A heat recovery system comprises a pump that pressurizes and circulates a working medium in a closed circuit. The circuit includes an evaporator in which the working medium is heated and evaporated by a heat source, such as exhaust gases. The pressurized and heated gaseous working medium expands in an expander. The expander generates mechanical energy that can be used to support the engine and / or devices in a vehicle. Alternatively, the expander is connected to a generator that generates electrical energy. The fuel consumption of an internal combustion engine can be reduced by means of a heat recovery system. However, if the heat recovery system does not include expensive equipment that converts the thermal energy into electrical energy, the waste heat energy can generally only be used at the time it is generated. During certain operating conditions there is more heat energy in the exhaust gases than can be used by the heat recovery system. During other operating conditions there is essentially no thermal energy in the exhaust gases that can be used by the heat recovery system.
In unterschiedlichen technischen Gebieten werden Wärmerohre verwendet. Ein Wärmerohr ist ein geschlossenes Verdampfer/Verflüssiger-System, das aus einem abgedichteten hohlen Rohr besteht, dessen Innenwände mit einer Kapillarstruktur oder einem Docht ausgekleidet sind. Thermodynamisches Arbeitsfluid mit beträchtlichem Dampfdruck bei der erwünschten Betriebstemperatur sättigt die Poren des Dochts in einem Gleichgewichtszustand zwischen Flüssigkeit und Dampf. Wenn das Wärmerohr mit Wärme beaufschlagt wird, erwärmt sich die Flüssigkeit in dem Docht und verdampft. Während das verdampfende Fluid das hohle Zentrum des Wärmerohrs füllt, diffundiert es über es über seine Länge hinweg. Eine Kondensation tritt dort auf, wo die Temperatur sogar geringfügig unterhalb der Temperatur des Verdampfungsbereichs liegt. Während er kondensiert, gibt der Dampf die während der Verdampfung aufgenommene Wärme ab. Diese effektive hohe Wärmeleitung unterstützt das Beibehalten von nahezu konstanten Temperaturen entlang der gesamten Länge des Rohrs.Heat pipes are used in various technical fields. A heat pipe is a closed evaporator / condenser system that consists of a sealed hollow tube, the inner walls of which are lined with a capillary structure or a wick. Thermodynamic working fluid with substantial vapor pressure at the desired operating temperature saturates the pores of the wick in a state of equilibrium between liquid and vapor. When heat is applied to the heat pipe, the liquid in the wick heats up and evaporates. As the evaporating fluid fills the hollow center of the heat pipe, it diffuses across its length. Condensation occurs where the temperature is even slightly below the temperature of the evaporation area. As it condenses, the vapor releases the heat absorbed during evaporation. This effective high heat conduction helps to maintain almost constant temperatures along the entire length of the pipe.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung mit einer relativ einfachen Bauform bereitzustellen, die Wärmeenergie in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor zurückgewinnt und in der Lage ist, sie in mechanische Energie umzuwandeln, wenn ein Energiebedarf vorliegt.It is an object of the present invention to provide an arrangement which is relatively simple in construction and which recovers thermal energy in exhaust gases from an internal combustion engine and is capable of converting it into mechanical energy when there is a need for energy.
Die oben erwähnte Aufgabe wird durch das Steuersystem gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 erreicht. Die Anordnung umfasst ein WRG-System, das mit einem Verdampfer und einem Wärmespeicher mit einer hohen Wärmespeicherkapazität ausgebildet ist. Das Vorhandensein des Wärmespeichers macht es möglich, Wärmeenergie während einer hohen Last zu speichern, wenn zu viel Wärmeenergie in den Abgasen vorhanden ist, um durch das WRG-System in mechanische Energie umgewandelt zu werden. Es ist ferner möglich, Wärmeenergie aus den Abgasen zu speichern, wenn kein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegt. Die gespeicherte Wärmeenergie kann dazu verwendet werden, das Arbeitsmedium zu verdampfen und zu überhitzen, wenn die Wärmeenergie in den Abgasen zu niedrig ist. Das Vorhandensein der Wärmerohre macht es einfach, Wärme zu und/oder aus dem Wärmespeicher zu übertragen. Somit müssen keine Leitungen für ein Wärmeübertragungsfluid und Ventile, die den Strom des Wärmeübertragungsfluids zu und aus dem Wärmespeicher steuern, eingesetzt werden.The above-mentioned object is achieved by the control system according to the characterizing part of
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Arbeitsfluid in den Wärmerohren Cäsium oder Antimon(III)-bromid SbBr3. Dieses Arbeitsfluid wechselt Phasen innerhalb für diese Anwendung geeigneter Temperaturbereiche. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich andere Arbeitsfluide in den Wärmerohren zu verwenden.According to one embodiment of the invention, the working fluid in the heat pipes is cesium or antimony (III) bromide SbBr 3 . This working fluid changes phases within temperature ranges suitable for this application. However, it is of course also possible to use other working fluids in the heat pipes.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat der mindestens einen Satz von Wärmerohren eine hohe Wärmeleitfähigkeit in einer Richtung und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit in einer entgegengesetzten Richtung. In bestimmten Fällen ist nur erwünscht, Wärme zu und aus dem Wärmespeicher in einer Richtung zu übertragen. In solchen Fällen ist es möglich, Dioden-Wärmerohre zu verwenden.According to one embodiment of the invention, the at least one set of heat pipes has a high thermal conductivity in one direction and a low thermal conductivity in an opposite direction. In certain cases it is only desirable to transfer heat to and from the heat accumulator in one direction. In such cases it is possible to use diode heat pipes.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung eine Abgasleitung, die Abgase durch den Verdampfer leitet, und eine Verdampfer-Bypassleitung, die Abgase an dem Verdampfer vorbei leitet, und ein Ventil, durch das es möglich ist, den Abgasstrom durch den Verdampfer oder die Verdampfer-Bypassleitung zu leiten, wobei ein Satz von Wärmerohren dazu konfiguriert ist, Wärme aus den Abgasen in der Verdampfer-Bypassleitung zu dem Wärmespeicher zu übertragen. In diesem Fall ist es möglich, einen geeigneten Teil der Abgase durch den Verdampfer zu leiten, sodass das Arbeitsmedium verdampft und auf eine geeignete Temperatur überhitzt wird, bevor es zu dem Expander geleitet wird. Ein möglicher überschüssiger Teil der Abgase wird durch die Verdampfer-Bypassleitung geleitet, wo sie den Wärmespeicher über den Satz von Wärmerohren erwärmen.According to one embodiment of the invention, the arrangement comprises an exhaust line that guides exhaust gases through the evaporator, and an evaporator bypass line that guides exhaust gases past the evaporator, and a valve through which it is possible to reduce the exhaust gas flow through the evaporator or evaporators -Bypass line, wherein a set of heat pipes is configured to transfer heat from the exhaust gases in the evaporator bypass line to the heat accumulator. In this case it is possible to pass a suitable part of the exhaust gases through the evaporator so that the working medium evaporates and is superheated to a suitable temperature before it is passed to the expander. A possible excess part of the flue gases is routed through the evaporator bypass line, where they heat the heat accumulator via the set of heat pipes.
Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung einen Satz von Wärmerohren, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie von dem Wärmespeicher zu dem Arbeitsmedium in einer Leitung zu übertragen, die das Arbeitsmedium zu dem Expander leitet. In diesem Fall ist es möglich, die Überhitzung des Arbeitsmediums zu ändern, bevor es in den Expander eintritt. Bevorzugt kann der Wärmespeicher dazu verwendet werden, die Überhitzung zu erhöhen, wenn sie zu hoch ist, und zu verringern, wenn sie zu hoch ist.According to the invention, the arrangement comprises a set of heat pipes which is configured to transfer thermal energy from the heat accumulator to the working medium in a line which conducts the working medium to the expander. In this case it is possible to change the superheating of the working medium before it enters the expander. The heat accumulator can preferably be used to increase the overheating if it is too high and to reduce it if it is too high.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung einen ersten Satz von Wärmerohren, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie aus dem Arbeitsmedium zu dem Wärmespeicher zu übertragen, und einen zweiten Satz von Wärmerohren, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher zu dem Arbeitsmedium zu übertragen. In diesem Fall ist es nötig, Wärmerohre zu verwenden, die Wärmeenergie in eine Richtung übertragen. Wenn die Überhitzung des Arbeitsmediums zu hoch ist, wird Wärmeenergie aus dem Arbeitsmedium zu dem Wärmespeicher übertragen, was zu einem Überhitzungsentzug des Arbeitsmediums führt, bevor es in den Expander eintritt. Wenn die Überhitzung des Arbeitsmediums zu niedrig ist, wird Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher zu dem Arbeitsmedium übertragen, was zu einer erhöhten Überhitzung des Arbeitsmediums führt, bevor es in den Expander eintritt.According to one embodiment of the invention, the arrangement comprises a first set of heat pipes which is configured to transfer thermal energy from the working medium to the heat accumulator, and a second set of heat pipes which is configured to transfer heat energy from the heat accumulator to the working medium . In this case, it is necessary to use heat pipes that transfer heat energy in one direction. If the overheating of the working medium is too high, thermal energy is transferred from the working medium to the heat accumulator, which leads to overheating of the working medium before it enters the expander. If the overheating of the working medium is too low, thermal energy is transferred from the heat accumulator to the working medium, which leads to increased overheating of the working medium before it enters the expander.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der Verdampfer und der Wärmespeicher in dem WRG-System parallel angeordnet, und die Ventilvorrichtung umfasst ein Ventil, das den Arbeitsmediumstrom zu dem Verdampfer oder dem Wärmespeicher leitet. In diesem Fall ist es möglich, den Verdampfer oder den Wärmespeicher für die Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums zu verwenden. Es ist möglich, zwischen den zwei Alternativen umzuschalten und die momentan beste Alternative zu verwenden. In diesem Fall kann der Wärmespeicher über einen Satz von Wärmerohren durch Abgase erwärmt werden. Infolgedessen kann der Wärmespeicher eine hohe Temperatur und Kapazität aufweisen, um das Arbeitsmedium während der meisten Betriebsbedingungen zu verdampfen und zu überhitzen.According to one embodiment of the invention, the evaporator and the heat accumulator are arranged in parallel in the heat recovery system, and the valve device comprises a valve which directs the working medium flow to the evaporator or the heat accumulator. In this case it is possible to use the evaporator or the heat accumulator for the evaporation and superheating of the working medium. It is possible to switch between the two alternatives and use the currently best alternative. In this case, the heat accumulator can be heated by exhaust gases via a set of heat pipes. As a result, the heat accumulator can have a high temperature and capacity to vaporize and overheat the working medium during most operating conditions.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst sie eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, die Ventilvorrichtung mittels einer Information aus mindestens einem Betriebsparameter zu steuern. Der Betriebsparameter kann mindestens einen der folgenden Parameter der Temperatur der Abgase, der Temperatur des zweiten Wärmetauschers, der Last des Verbrennungsmotors und des Energiebedarfs des WRG-Systems betreffen. Die Temperaturdifferenz zwischen den Abgasen und dem Wärmespeicher kann dazu verwendet werden zu bestimmen, ob es möglich ist, den Wärmespeicher mittels der Abgase zu erwärmen. Die Last des Verbrennungsmotors hängt mit dem Abgasstrom und der Temperatur der Abgase zusammen, die die Wärmeenergie in den Abgasen definieren.According to one embodiment of the invention, it comprises a control unit which is configured to control the valve device by means of information from at least one operating parameter. The operating parameter can relate to at least one of the following parameters: the temperature of the exhaust gases, the temperature of the second heat exchanger, the load of the internal combustion engine and the energy requirement of the heat recovery system. The temperature difference between the exhaust gases and the heat accumulator can be used to determine whether it is possible to heat the heat accumulator by means of the exhaust gases. The load on the internal combustion engine is related to the exhaust gas flow and the temperature of the exhaust gases, which define the thermal energy in the exhaust gases.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wärmespeicher einen durch die Abgase erwärmten Feststoff. Ein solcher Feststoff kann beispielsweise ein Keramikmaterial sein. Alterativ oder in Kombination umfasst der Wärmespeicher ein Phasenwechselmaterial. Während eines Phasenwechselprozesses kann eine große Menge an Wärmeenergie zwischen den Abgasen und einem solchen Material übertragen werden. Ein Wärmespeicher, der ein Phasenwechselmaterial umfasst, muss nicht wesentlich schwerer sein als der Verdampfer. Weiterhin hat ein mit einem Phasenwechselmaterial versehener Wärmespeicher eine im Wesentlichen konstante Temperatur während des Phasenwechselprozesses des Materials. Das Phasenwechselmaterial kann beispielsweise Zinn oder Zink sein. Gemäß einer weiteren Alternative kann der Wärmespeicher eine Mischung aus zwei Phasenwechselmaterialien sein. In diesem Fall kann der Wärmespeicher als ein Wärmenergiespeicher mit zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus definiert werden.According to one embodiment of the invention, the heat accumulator comprises a solid that is heated by the exhaust gases. Such a solid can, for example, be a ceramic material. Alternatively or in combination, the heat store comprises a phase change material. During a phase change process, a large amount of thermal energy can be transferred between the exhaust gases and such a material. A heat storage device that includes a phase change material does not have to be significantly heavier than the evaporator. Furthermore, a heat store provided with a phase change material has an essentially constant temperature during the phase change process of the material. The phase change material can be, for example, tin or zinc. According to a further alternative, the heat store can be a mixture of two phase change materials. In this case, the heat store can be defined as a heat energy store with two different temperature levels.
FigurenlisteFigure list
In dem Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung als Beispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, -
2 eine Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und -
3 eine Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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1 shows an arrangement according to a first embodiment of the invention, -
2 shows an arrangement according to a second embodiment of the invention, and -
3 shows an arrangement according to a third embodiment of the invention.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Das Fahrzeug
Demzufolge ist das Fahrzeug mit einem WRG-System (Wärmerückgewinnungssystem) versehen. Das WRG-System umfasst eine Pumpe
Die Abgasleitung
Der Wärmespeicher
Während des Betriebs empfängt die Steuereinheit
In dem Fall, dass die Abgase eine sehr hohe Temperatur T1 aufweisen, wird das Arbeitsmedium in dem Verdampfer
Während des Betriebs empfängt die Steuereinheit
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann frei innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche verändert werden.The invention is not restricted to the embodiment described, but can be varied freely within the scope of the claims.
Claims (12)
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2017
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