DE102019202928A1 - Exhaust heat recovery system and process for exhaust heat recovery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Abgaswärmerückgewinnungssystem (1, 21, 25, 27, 28, 29), aufweisend eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Motorblock (3), der wenigstens einen Zylinder (5) mit einem Brennraum (6) aufweist, wobei im Brennraum (6) erzeugtes heißes Abgas (9) über einen Auslass (7) der Brennkraftmaschine (2) in einen mit dem Auslass (7) fluidleitend verbundenen Abgastrakt (8) strömbar ist, wobei der Motorblock (3) wenigstens einen Kühlmittelkanal (12, 13) aufweist, durch den ein Kühlmittel zum Kühlen der Brennkraftmaschine (2) strömbar ist. Im Motorblock (3) ist wenigstens ein vom Kühlmittelkanal (12, 13) getrennter Heizkanal (14) angeordnet, der über wenigstens einen Wärmeübertrager (16, 9) thermisch mit dem Abgastrakt (8) gekoppelt ist, um im Abgastrakt (8) vorhandene Abgaswärme in den Heizkanal (14) zu übertragen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung.
The invention relates to an exhaust gas heat recovery system (1, 21, 25, 27, 28, 29), having an internal combustion engine (2) with an engine block (3) which has at least one cylinder (5) with a combustion chamber (6), with the combustion chamber (6) generated hot exhaust gas (9) can flow via an outlet (7) of the internal combustion engine (2) into an exhaust gas tract (8) connected to the outlet (7) in a fluid-conducting manner, the engine block (3) having at least one coolant duct (12, 13) ), through which a coolant for cooling the internal combustion engine (2) can flow. In the engine block (3) there is at least one heating channel (14) which is separate from the coolant channel (12, 13) and which is thermally coupled to the exhaust gas tract (8) via at least one heat exchanger (16, 9) in order to dissipate the exhaust gas heat in the exhaust gas tract (8) to be transferred into the heating channel (14).
The invention also relates to a method for exhaust gas heat recovery.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgaswärmerückgewinnungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The present invention relates to an exhaust gas heat recovery system according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for exhaust gas heat recovery according to the preamble of
Systeme zur Nutzbarmachung der im Abgas einer Brennkraftmaschine, zum Beispiel eines Fahrzeugverbrennungsmotors, enthaltenen Wärme sind an sich bekannt. Die Wärme des heißen Abgases kann beispielsweise genutzt werden, die Brennkraftmaschine, insbesondere einen Zylinder aufweisenden Motorblock der Brennkraftmaschine, nach einem Kaltstart schneller zu erwärmen und damit die Kaltstartphase zu verkürzen, um beispielsweise Reibung zu reduzieren. Bei Brennkraftmaschinen, die einen herkömmlichen Kühlmittelkreislauf aufweisen, in dem Kühlmittel, zum Beispiel Wasser oder Öl, zur Kühlung der Brennkraftmaschine zirkuliert wird, ist es bekannt, das Kühlmittel, insbesondere Wasser, während der Kaltstartphase durch die im Abgas bereits unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehende Wärme rascher zu erwärmen. Hierzu wird das Kühlmittel über einen im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten und vom heißen Abgas umströmten Wärmetauscher geleitet. Ein derartiges Abgaswärmerückgewinnungssystem ist beispielsweise in der
Die über den vom Kühlmittel, insbesondere Wasser, durchströmten Kühlmittelkreislauf transportierbare maximale Temperatur ist durch die Siedetemperatur des Kühlmittels nach oben begrenzt, zum Beispiel bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel etwa 110°C.The maximum temperature that can be transported via the coolant circuit through which the coolant, in particular water, flows is limited by the boiling point of the coolant, for example about 110 ° C. when using water as the coolant.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, sowohl ein verbessertes Abgaswärmerückgewinnungssystem als auch ein verbessertes Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung bereitzustellen, die einerseits eine weitere Verkürzung einer Kaltstartphase einer Brennkraftmaschine erzielen und andererseits zusätzlich eine gegenüber dem Stand der Technik höhere Temperatur von Zylinderbrennraumwänden ermöglichen, um die Reibung zwischen der Zylinderwand und einem sich im Zylinder hin und herbewegenden Kolben, Wandwärmeverluste des Brennraums sowie den Kraftstoffverbrauch und Emissionen der Brennkraftmaschine weiter zu reduzieren.Against this background, the present invention is based on the object of providing both an improved exhaust gas heat recovery system and an improved method for exhaust gas heat recovery which, on the one hand, achieve a further shortening of the cold start phase of an internal combustion engine and, on the other hand, also enable the cylinder combustion chamber walls to have a higher temperature than the prior art in order to to further reduce the friction between the cylinder wall and a piston moving back and forth in the cylinder, wall heat losses in the combustion chamber and the fuel consumption and emissions of the internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgaswärmerückgewinnungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.This object is achieved by an exhaust gas heat recovery system with the features of claim 1 and by a method for exhaust gas heat recovery with the features of
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be pointed out that the features listed individually in the following description can be combined with one another in any technically meaningful way and show further embodiments of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, particularly in connection with the figures.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin nachstehend verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that a conjunction “and / or” used hereinafter between two features and linking them must always be interpreted in such a way that only the first feature can be present in a first embodiment of the subject matter according to the invention, in a second embodiment only the second feature can be present and, in a third embodiment, both the first and the second feature can be present.
Erfindungsgemäß weist ein Abgaswärmerückgewinnungssystem eine Brennkraftmaschine mit einem Motorblock auf, der seinerseits wenigstens einen Zylinder mit einem Brennraum aufweist. Während eines Betriebs der Brennkraftmaschine im Brennraum des Zylinders durch die Verbrennung von Kraftstoff erzeugtes heißes Abgas ist über einen Auslass der Brennkraftmaschine in einen mit dem Auslass fluidleitend verbundenen Abgastrakt strömbar. Weiterhin weist der Motorblock wenigstens einen Kühlmittelkanal auf, durch den ein Kühlmittel, insbesondere ein flüssiges Kühlmittel wie Wasser oder Öl, zum Kühlen der Brennkraftmaschine strömbar ist. Die Erfindung sieht weiter vor, dass im Motorblock wenigstens ein vom Kühlmittelkanal getrennter Heizkanal angeordnet ist, der über wenigstens einen Wärmeübertrager thermisch mit dem Abgastrakt gekoppelt ist, um im Abgastrakt vorhandene Abgaswärme in den Heizkanal zu übertragen.According to the invention, an exhaust gas heat recovery system has an internal combustion engine with an engine block, which in turn has at least one cylinder with a combustion chamber. During operation of the internal combustion engine in the combustion chamber of the cylinder, hot exhaust gas generated by the combustion of fuel can flow via an outlet of the internal combustion engine into an exhaust gas tract connected to the outlet in a fluid-conducting manner. Furthermore, the engine block has at least one coolant channel through which a coolant, in particular a liquid coolant such as water or oil, can flow for cooling the internal combustion engine. The invention further provides that at least one heating channel separate from the coolant channel is arranged in the engine block, which is thermally coupled to the exhaust gas tract via at least one heat exchanger in order to transfer exhaust gas heat present in the exhaust gas tract into the heating channel.
Mit anderen Worten ist der wenigstens eine Heizkanal im Motorblock über den Wärmeübertrager in wärmeübertragender Weise (direkt) mit dem Abgastrakt verbunden. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungssystem eine direkte Aufheizung des Motorblocks mit Abgaswärme zum Beispiel während einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine und/oder bei niedriger Last bzw. Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine. Die direkte Erwärmung des Motorblocks erfolgt somit ohne Zwischenschaltung eines an sich herkömmlichen Kühlmittelkreises, der das Kühlmittel, insbesondere ein flüssiges Kühlmittel wie zum Beispiel Wasser oder Öl, durch den wenigstens einen Kühlmittelkanal im Motorblock zirkuliert.In other words, the at least one heating duct in the engine block is connected (directly) to the exhaust gas tract via the heat exchanger in a heat-transferring manner. The exhaust gas heat recovery system according to the invention thus enables the engine block to be heated directly with exhaust gas heat, for example during a cold start phase of the internal combustion engine and / or when the internal combustion engine is operating at low load or at partial load. The engine block is heated directly without the interposition of a conventional coolant circuit that circulates the coolant, in particular a liquid coolant such as water or oil, through the at least one coolant channel in the engine block.
Die Wärmeübertragung zwischen dem Abgastrakt und dem Heizkanal im Motorblock über den Wärmeübertrager unabhängig vom im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel erlaubt die Wahl einer höheren maximal übertragbaren Temperatur je nach gewähltem Wärmeübertrager und damit eine höhere Erwärmung des Motorblocks, insbesondere der Zylinder- bzw. Brennraumwand des im Motorblock aufgenommenen Zylinders. Darüber hinaus ist eine wesentlich schnellere Temperatursteuerung des Motorblocks (sowohl Temperaturerhöhung als auch Temperaturabsenkung) möglich als dies mit dem Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser oder Öl, des Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine alleine möglich ist.The heat transfer between the exhaust tract and the heating duct in the engine block via the heat exchanger, regardless of the coolant circulating in the coolant circuit, allows a choice a higher maximum transferable temperature depending on the selected heat exchanger and thus higher heating of the engine block, in particular the cylinder or combustion chamber wall of the cylinder accommodated in the engine block. In addition, the temperature control of the engine block (both temperature increase and temperature decrease) is much faster than is possible with the coolant, such as water or oil, of the coolant circuit of the internal combustion engine alone.
Da auch der Kühlmittelkanal im Motorblock angeordnet ist, ermöglicht der über den Heizkanal in den Motorblock bewirkte schnelle zusätzliche Wärmeeintrag ebenso eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels, zum Beispiel während einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine. Das rasch erwärmte Kühlmittel kann beispielsweise auch genutzt werden, einen Fahrzeuginnenraum bereits kurz nach einem Kaltstart aufzuwärmen.Since the coolant channel is also arranged in the engine block, the rapid additional heat input into the engine block via the heating channel also enables the coolant to be heated quickly, for example during a cold start phase of the internal combustion engine. The quickly heated coolant can also be used, for example, to warm up a vehicle interior shortly after a cold start.
Die schnelle Erwärmung und/oder Erwärmung auf hohe Temperaturen des Motorblocks und damit der Brennraumwand des wenigstens einen im Motorblock angeordneten Zylinders verringert die Reibung, die Wandwärmeverluste der Zylinder- bzw. Brennraumwand und hierdurch den Kraftstoffverbrauch sowie die von der Brennkraftmaschine während ihres Betriebs erzeugten Emissionen.The rapid heating and / or warming to high temperatures of the engine block and thus the combustion chamber wall of the at least one cylinder arranged in the engine block reduces the friction, the wall heat losses of the cylinder or combustion chamber wall and thereby the fuel consumption and the emissions generated by the internal combustion engine during its operation.
Die vorgenannten Vorteile sind nicht lediglich auf eine Kaltstartphase der Brennkraftmaschine beschränkt. Insbesondere bietet das erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungssystem auch während eines Teillastbetriebs oder häufiger Start-Stopp-Zyklen der Brennkraftmaschine alle vorbeschriebenen Vorteile.The aforementioned advantages are not limited to a cold start phase of the internal combustion engine. In particular, the exhaust gas heat recovery system according to the invention offers all of the advantages described above even during partial load operation or more frequent start-stop cycles of the internal combustion engine.
Bevorzugt wird der Wärmeübertrager derart ausgewählt, dass ein Wärmetransport vom Abgastrakt zum Heizkanal von Temperaturen von etwa 150 °C oder mehr möglich ist.The heat exchanger is preferably selected in such a way that heat can be transported from the exhaust gas tract to the heating duct at temperatures of approximately 150 ° C. or more.
Weiterhin bevorzugt ist der Heizkanal lediglich im Motorblock angeordnet. Es ist zu verstehen, dass dies eine optionale Zuführung, das heißt einen verhältnismäßig kurzen Zuführungskanal zu dem im Motorblock vorgesehenen Heizkanal, durch einen am Motorblock befestigbaren Zylinderkopf miteinschließt, sofern die Erwärmung der Brennkraftmaschine auch in diesem Falle im Wesentlichen nur im Motorblock selbst erfolgt.Furthermore, the heating channel is preferably arranged only in the engine block. It should be understood that this includes an optional supply, i.e. a relatively short supply duct to the heating duct provided in the engine block, through a cylinder head that can be attached to the engine block, provided that the internal combustion engine is also essentially only heated in the engine block itself in this case.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Heizkanal in einem radialen Abstand zum Brennraum bzw. zu einer den Brennraum radial außenseitig begrenzenden Zylinderlaufbuchse angeordnet ist, der kleiner oder gleich dem radialen Abstand des Kühlmittelkanals zum Brennraum bzw. zur Zylinderlaufbuchse ist.An advantageous embodiment of the invention provides that the heating channel is arranged at a radial distance from the combustion chamber or from a cylinder liner delimiting the combustion chamber radially on the outside, which is less than or equal to the radial distance of the coolant channel from the combustion chamber or from the cylinder liner.
Das heißt, der wenigstens eine Heizkanal kann im Wesentlichen im selben Abstand zum Brennraum/Zylinderlaufbuchse angeordnet sein wie der wenigstens eine Kühlmittelkanal (z. B. herkömmlicher Wassermantel oder Kanäle einer herkömmlichen Ölgalerie im Motorblock). In einem solchen Fall ist der Heizkanal und der Kühlmittelkanal in Längsachsenrichtung des Brennraums bzw. des Zylinders (hierin nachstehend auch als Höhenrichtung oder einfach als Höhe bezeichnet) benachbart zueinander, das heißt in Höhenrichtung übereinander, angeordnet.That is, the at least one heating channel can be arranged at essentially the same distance from the combustion chamber / cylinder liner as the at least one coolant channel (for example conventional water jacket or channels of a conventional oil gallery in the engine block). In such a case, the heating channel and the coolant channel are arranged in the longitudinal axis direction of the combustion chamber or the cylinder (hereinafter also referred to as the height direction or simply as the height) adjacent to one another, that is, one above the other in the height direction.
Ist der radiale Abstand des Heizkanals zum Brennraum kleiner gewählt als der radiale Abstand des Kühlmittelkanals zum Brennraum, kann der Heizkanal vorzugsweise zwischen dem Brennraum bzw. der Zylinderlaufbuchse und dem Kühlmittelkanal eingefügt im Motorblock angeordnet sein (also im Wesentlichen auf derselben Höhe bezogen auf die Höhen-/Längsachsenrichtung des Zylinders/Brennraums).If the radial distance between the heating channel and the combustion chamber is selected to be smaller than the radial distance between the coolant channel and the combustion chamber, the heating channel can preferably be arranged between the combustion chamber or the cylinder liner and the coolant channel inserted in the engine block (i.e. essentially at the same height in relation to the height / Direction of the longitudinal axis of the cylinder / combustion chamber).
Die Anordnung des wenigstens einen Heizkanals relativ zum wenigstens einen Kühlmittelkanal ermöglicht neben der Erhöhung der Metalltemperaturen des Brennraums/der Brennraumwand bzw. der Zylinderlaufbuchse ebenso das Aufwärmen des Kühlmittels, zum Beispiel Wasser und/oder Öl.The arrangement of the at least one heating channel relative to the at least one coolant channel enables not only the increase in the metal temperatures of the combustion chamber / the combustion chamber wall or the cylinder liner but also the warming up of the coolant, for example water and / or oil.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umgibt der Heizkanal den Brennraum und damit auch eine im Brennraum angeordnete Zylinderlaufbuchse umfänglich wenigstens teilweise, um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag in den Brennraumwand bzw. Zylinderlaufbuchse zu gewährleisten.According to a further advantageous embodiment, the heating channel surrounds the combustion chamber and thus also a cylinder liner arranged in the combustion chamber circumferentially at least partially in order to ensure a uniform heat input into the combustion chamber wall or cylinder liner.
Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmeübertrager das in einer den Abgastrakt mit dem Heizkanal fluidleitend verbindenden Abgasleitung strömbare heiße Abgas selbst ist. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausgestaltung das heiße Abgas selbst als Wärmeübertrager direkt in den Heizkanal im Motorblock geleitet (hierin auch als Einlassseite oder einlassseitig des Heizkanals bezeichnet), durchströmt diesen, während es Wärme an den Motorblock abgibt und tritt auslassseitig am Heizkanal wieder als kaltes Abgas aus. Die direkte Verwendung des heißen Abgases als Wärmeübertrager ermöglicht eine hocheffiziente Wärmeübertragung aus dem Abgastrakt zum Heizkanal.Yet another advantageous embodiment of the invention provides that the heat exchanger is the hot exhaust gas itself which can flow in an exhaust gas line that connects the exhaust gas tract to the heating channel in a fluid-conducting manner. In other words, in this embodiment, the hot exhaust gas itself is routed as a heat exchanger directly into the heating duct in the engine block (also referred to herein as the inlet side or inlet side of the heating duct), flows through it while it gives off heat to the engine block and emerges as cold again on the outlet side of the heating duct Exhaust gas off. The direct use of the hot exhaust gas as a heat exchanger enables highly efficient heat transfer from the exhaust system to the heating duct.
Gemäß einer bevorzugten, einfach bauenden Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizkanal auslassseitig fluidleitend wieder mit dem Abgastrakt verbunden, wobei das Einleiten des kalten, aus dem Heizkanal ausströmenden Abgases in den Abgastrakt stromab der Entnahmestelle des dem Heizkanal einlassseitig zuvor zugeführten heißen Abgases erfolgt.According to a preferred, simple embodiment of the invention, the outlet side of the heating channel is again connected to the exhaust gas tract in a fluid-conducting manner, with the introduction of the cold, from the Exhaust gas flowing out of the heating channel into the exhaust tract downstream of the extraction point of the hot exhaust gas previously supplied to the heating channel on the inlet side takes place.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager ein Wärmerohr, dessen eines Ende im Abgastrakt derart angeordnet ist, dass es vom heißen Abgas umströmbar ist, und dessen anderes Ende im Heizkanal derart angeordnet ist, dass die übertragene Wärme an den Motorblock abgebbar bzw. übertragbar ist. Als Wärmerohr ist ein an sich wohl bekanntes Wärmerohr zu verstehen, das ein Wärmeübertrager ist, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums (Arbeitsmedium) eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche transportiert werden. Auf die verschiedenen bekannten Bauformen von Wärmerohren und die Verwendung unterschiedlicher Arbeitsmedien in den Wärmerohren je nach konkretem Anwendungsfall der gewünschten Wärmeübertragung wird hierin nicht weiter eingegangen, da diese hinlänglich bekannt sind und dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend ohne Probleme gewählt werden können.According to an alternative embodiment of the invention, the heat exchanger is a heat pipe, one end of which is arranged in the exhaust system in such a way that the hot exhaust gas can flow around it, and the other end of which is arranged in the heating duct in such a way that the transferred heat can be emitted or transferred to the engine block is. A heat pipe is to be understood as a well-known heat pipe that is a heat exchanger that allows a high heat flux density using the evaporation heat of a medium (working medium). In this way, large amounts of heat can be transported over a small cross-sectional area. The various known designs of heat pipes and the use of different working media in the heat pipes, depending on the specific application of the desired heat transfer, will not be discussed further here, since these are well known and can be selected without problems according to the respective application.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind im Abgastrakt stromab des Auslasses der Brennkraftmaschine eine vom im Abgastrakt geführten Abgas antreibbare Turbine eines Turboladers und stromab der Turbine des Turboladers ein Katalysator zur Abgasreinigung angeordnet, wobei der Heizkanal stromab des Katalysators über den Wärmeübertrager thermisch mit dem Abgastrakt gekoppelt ist. Stromab des Katalysators ist die Koppelstelle zwischen dem Abgastrakt und dem Wärmeübertrager keiner oder lediglich einer geringen Versottung ausgesetzt, was eine gleichbleibende gute Wärmeübertragung über einen langen Zeitraum gewährleistet.According to a further advantageous embodiment of the invention, a turbine of a turbocharger that can be driven by the exhaust gas carried in the exhaust system and a catalyst for exhaust gas purification are arranged in the exhaust tract downstream of the outlet of the internal combustion engine, and a catalytic converter for exhaust gas purification is disposed downstream of the turbine of the turbocharger, the heating duct being thermally connected to the exhaust tract via the heat exchanger is coupled. Downstream of the catalytic converter, the coupling point between the exhaust gas tract and the heat exchanger is exposed to no or only minimal sooting, which ensures consistently good heat transfer over a long period of time.
Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizkanal auslassseitig fluidleitend mit einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden. Auf diese Weise ist bei Verwendung des dem Abgastrakt entnommenen heißen Abgases als Wärmeübertrager zugleich eine Abgasrückführung (AGR) auf baulich einfache und kompakte Weise möglich. Besonders vorteilhaft ist bei einer derartigen Abgasrückführung, dass auf einen zusätzlichen AGR-Kühler zur Kühlung des Abgases verzichtet werden kann, denn das dem Abgastrakt entnommene Abgas wird, wie vorstehend bereits beschrieben, zunächst durch den Heizkanal geführt, wo ein Großteil der im Abgas enthaltenen Wärme an den Motorblock abgegeben wird. Das auslassseitig aus dem Heizkanal ausströmende Abgas kann somit als kaltes Abgas bezeichnet werden und dem Ansaugtrakt ohne weitere Kühlung zugeführt werden.According to yet another advantageous embodiment of the invention, the heating channel is connected on the outlet side in a fluid-conducting manner to an intake tract of the internal combustion engine. In this way, when the hot exhaust gas taken from the exhaust tract is used as a heat exchanger, exhaust gas recirculation (EGR) is possible in a structurally simple and compact manner. With such an exhaust gas recirculation, it is particularly advantageous that an additional EGR cooler for cooling the exhaust gas can be dispensed with, because the exhaust gas removed from the exhaust gas tract, as already described above, is first passed through the heating duct, where a large part of the heat contained in the exhaust gas is delivered to the engine block. The exhaust gas flowing out of the heating duct on the outlet side can thus be referred to as cold exhaust gas and fed to the intake tract without further cooling.
Je nach der Entnahmestelle des heißen Abgases im Abgastrakt lässt sich eine Niederdruck- oder eine Hochdruck-Abgasrückführung auf einfache Weise bereitstellen. So kann das heiße Abgas zur Realisierung eines Niederdruck-AGR aus dem Abgastrakt stromab einer Turbine eines Turboladers und/oder stromab eines Katalysators entnommen und dem Heizkanal zugeführt werden. Für eine Hochdruck-AGR kann das heiße Abgas hingegen stromauf der Turbine eines Turboladers, zum Beispiel unmittelbar stromab des Auslasses der Brennkraftmaschine, aus dem Abgastrakt entnommen und dem Heizkanal wie hierin beschrieben zugeführt werden.Depending on the point at which the hot exhaust gas is taken in the exhaust gas tract, a low-pressure or high-pressure exhaust gas recirculation can be provided in a simple manner. For example, the hot exhaust gas can be taken from the exhaust gas tract downstream of a turbine of a turbocharger and / or downstream of a catalytic converter and fed to the heating duct to implement a low-pressure EGR. For high-pressure EGR, on the other hand, the hot exhaust gas can be taken from the exhaust tract upstream of the turbine of a turbocharger, for example immediately downstream of the outlet of the internal combustion engine, and fed to the heating duct as described herein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Abgastrakt stromab des Auslasses der Brennkraftmaschine eine vom im Abgastrakt geführten Abgas antreibbare Turbine eines Turboladers und stromab der Turbine des Turboladers ein Katalysator zur Abgasreinigung angeordnet sind, wobei der Heizkanal einlassseitig fluidleitend stromauf der Turbine des Turboladers mit dem Abgastrakt verbunden ist und der Heizkanal auslassseitig fluidleitend stromab der Turbine des Turboladers und stromauf des Katalysators mit dem Abgastrakt verbunden ist. Diese Ausgestaltung des Abgaswärmerückgewinnungssystems ermöglicht in vorteilhafter Weise zusätzlich die Funktion eines an sich bekannten Wastegate-Ventils zu ersetzen, indem das heiße Abgas bedarfsweise am Turbolader vorbei und durch den Heizkanal im Motorblock geleitet wird, um zusätzlich auch den Ladedruck in gewünschter steuern zu können.A further advantageous embodiment of the invention provides that in the exhaust tract downstream of the outlet of the internal combustion engine a turbine of a turbocharger that can be driven by the exhaust gas carried in the exhaust tract and a catalytic converter for exhaust gas purification are arranged downstream of the turbine of the turbocharger, the heating duct on the inlet side conducting fluid upstream of the turbine of the turbocharger is connected to the exhaust tract and the heating duct is connected to the exhaust tract on the outlet side in a fluid-conducting manner downstream of the turbine of the turbocharger and upstream of the catalytic converter. This configuration of the exhaust gas heat recovery system advantageously also allows the function of a known wastegate valve to be replaced by the hot exhaust gas being routed past the turbocharger and through the heating duct in the engine block as required, in order to also be able to control the boost pressure as desired.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizkanal einlassseitig fluidleitend mit einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden. Durch Zuführen von im Vergleich zum heißen Abgas kühler Ansaugluft aus dem Ansaugtrakt in den Heizkanal ist damit auch eine Kühlung des Motorblocks durch Senkung der Temperatur im Heizkanal möglich. Ist, wie bereits vorstehend erwähnt, ein Turbolader vorgesehen, wird dem Ansaugtrakt bevorzugt stromab eines Kompressors des Turboladers komprimierte (und gegebenenfalls nach ihrer Komprimierung zusätzlich gekühlte) Ansaugluft entnommen. Auf diese Weise weist die kühle Ansaugluft einen ausreichenden Druck auf, den Heizkanal ausreichend zu durchströmen und damit zu kühlen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the inlet side of the heating duct is connected in a fluid-conducting manner to an intake tract of the internal combustion engine. By supplying intake air, which is cooler than the hot exhaust gas, from the intake tract into the heating duct, cooling of the engine block is also possible by lowering the temperature in the heating duct. If, as already mentioned above, a turbocharger is provided, compressed (and possibly additionally cooled after being compressed) intake air is taken from the intake tract downstream of a compressor of the turbocharger. In this way, the cool intake air has sufficient pressure to sufficiently flow through the heating duct and thus to cool it.
Zur Steuerung der Wärmeübertragungsmenge zwischen dem Abgastrakt und dem Heizkanal kann im Abgastrakt vorzugsweise ein Bypass-Steuerventil vorgesehen sein, mit dem die Abgasströmung zum Wärmeübertrager bzw. direkt zum Heizkanal vollständig zugelassen oder vollständig unterbunden oder auch lediglich zu einem gewissen Teil zugelassen bzw. unterbunden werden kann.To control the amount of heat transferred between the exhaust tract and the heating duct, a bypass control valve can preferably be provided in the exhaust tract, with which the exhaust gas flow to the heat exchanger or directly to the heating duct can be completely permitted or completely prevented or only permitted or prevented to a certain extent .
In ähnlicher Weise kann zur Steuerung der Strömungsmenge der kühlen Ansauglauft zum Heizkanal im Ansaugtrakt ein entsprechendes Steuerventil vorgesehen sein. In a similar way, a corresponding control valve can be provided in the intake tract to control the flow rate of the cool intake air to the heating duct.
Sowohl das Bypass-Steuerventil als auch das im Ansaugtrakt angeordnete Steuerventil sind bevorzugt elektronisch steuerbare Ventile, die über eine elektronische Steuereinheit gezielt zur Durchführung einer vorherbestimmten Abgaswärmerückgewinnungsstrategie, die insbesondere augenblickliche Betriebsbedingungen berücksichtigen kann, gesteuert werden können.Both the bypass control valve and the control valve arranged in the intake tract are preferably electronically controllable valves that can be controlled via an electronic control unit specifically to carry out a predetermined exhaust gas heat recovery strategy that can take into account current operating conditions in particular.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung offenbart, bei dem in einem Brennraum wenigstens eines in einem Motorblock einer Brennkraftmaschine angeordneten Zylinders heißes Abgas erzeugt wird, das über einen Auslass der Brennkraftmaschine in einen mit dem Auslass fluidleitend verbundenen Abgastrakt geleitet wird, wobei die Brennkraftmaschine mittels wenigstens eines Kühlmittels, insbesondere eines flüssigen Kühlmittels wie Wasser oder Öl, das durch wenigstens einen im Motorblock angeordneten Kühlmittelkanal geleitet wird, gekühlt wird. Weiterhin wird im Abgastrakt vorhandene Abgaswärme über wenigstens einen Wärmeübertrager in wenigstens einen im Motorblock getrennt vom Kühlmittelkanal angeordneten Heizkanal übertragen.According to a further aspect of the invention, a method for exhaust gas heat recovery is disclosed in which hot exhaust gas is generated in a combustion chamber of at least one cylinder arranged in an engine block of an internal combustion engine, which exhaust gas is passed via an outlet of the internal combustion engine into an exhaust gas tract that is fluidly connected to the outlet, wherein the internal combustion engine is cooled by means of at least one coolant, in particular a liquid coolant such as water or oil, which is passed through at least one coolant duct arranged in the engine block. Furthermore, exhaust gas heat present in the exhaust gas tract is transferred via at least one heat exchanger into at least one heating duct arranged in the engine block separately from the coolant duct.
Bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale wird vollumfänglich auf die vorstehenden Erläuterungen sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile bezüglich des erfindungsgemäßen Abgaswärmerückgewinnungssystems verwiesen. Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Abgaswärmerückgewinnungssystems sollen in sinngemäßer Weise auch zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgaswärmerückgewinnung herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenso sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgaswärmerückgewinnung in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Abgaswärmerückgewinnungssystems herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ebenfalls ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern wird hierin auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile bezüglich der hierin offenbarten erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet.With regard to process-related term definitions and the effects and advantages of features according to the method, reference is made in full to the above explanations of corresponding definitions, effects and advantages with regard to the exhaust gas heat recovery system according to the invention. Disclosures herein relating to the exhaust gas heat recovery system according to the invention should also be used in a corresponding manner to define the method according to the invention for exhaust gas heat recovery, unless this is expressly excluded herein. Likewise, disclosures herein with regard to the method according to the invention for exhaust gas heat recovery should be able to be used analogously to define the exhaust gas heat recovery system according to the invention, unless this is also expressly excluded herein. In this respect, a repetition of explanations corresponding to the same features, their effects and advantages with regard to the device according to the invention disclosed herein and the inventive method disclosed herein is largely dispensed with in favor of a more compact description.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems gemäß der Erfindung, -
2A-B jeweils in einer Querschnittsansicht durch einen Motorblock einer Brennkraftmaschine dargestellte unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Anordnung von Heizkanälen und Kühlmittelkanälen in dem Motorblock der Brennkraftmaschine zweier unterschiedlicher Ausführungsbeispiele eines Abgaswärmerückgewinnungssystems gemäß der Erfindung, -
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems gemäß der Erfindung, -
4 ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems gemäß der Erfindung, -
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems gemäß der Erfindung, -
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems gemäß der Erfindung und -
7 ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems gemäß der Erfindung.
-
1 an embodiment of an exhaust gas heat recovery system according to the invention, -
2A-B different exemplary embodiments of an arrangement of heating channels and coolant channels in the engine block of the internal combustion engine of two different exemplary embodiments of an exhaust gas heat recovery system according to the invention, each illustrated in a cross-sectional view through an engine block of an internal combustion engine, -
3 another embodiment of an exhaust gas heat recovery system according to the invention, -
4th yet another embodiment of an exhaust heat recovery system according to the invention, -
5 another embodiment of an exhaust gas heat recovery system according to the invention, -
6th a further embodiment of an exhaust gas heat recovery system according to the invention and -
7th yet another embodiment of an exhaust heat recovery system according to the invention.
In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, parts that are equivalent with regard to their function are always provided with the same reference symbols, so that they are usually only described once.
Das in
Bei dem in
Stromab der Turbine des Turboladers
Der in
Des Weiteren ist
Der Kühlmittelkanal
Der Heizkanal
Des Weiteren ist in
In
In
Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungssystem sowie das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung sind nicht auf die hierin jeweils offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale sowohl des Abgaswärmerückgewinnungssystems als auch des Verfahrens zur Abgaswärmerückgewinnung ergeben. Insbesondere sind die hierin vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The exhaust gas heat recovery system according to the invention disclosed herein and the inventive method for exhaust gas heat recovery disclosed herein are not limited to the embodiments disclosed herein, but also include other embodiments with the same effect, which result from technically meaningful further combinations of the features described herein both of the exhaust gas heat recovery system and the method for Exhaust heat recovery result. In particular, the features and feature combinations mentioned above in the general description and the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combinations explicitly specified herein, but also in other combinations or on their own, without the scope of the present invention to leave.
In bevorzugter Ausführung werden das erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungssystem sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung bei einem Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine verwendet, um die Brennkraftmaschine, insbesondere einen Motorblock der Brennkraftmaschine, bedarfsweise mit der im von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgas enthaltenen Wärme zusätzlich zu erwärmen.In a preferred embodiment, the exhaust gas heat recovery system according to the invention and the method according to the invention for exhaust gas heat recovery are used in a motor vehicle with an internal combustion engine in order to additionally heat the internal combustion engine, in particular an engine block of the internal combustion engine, if necessary with the heat contained in the exhaust gas emitted by the internal combustion engine.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- AbgaswärmerückgewinnungssystemExhaust heat recovery system
- 22
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 33
- MotorblockEngine block
- 44th
- ZylinderkopfCylinder head
- 55
- Zylindercylinder
- 66th
- BrennraumCombustion chamber
- 77th
- AuslassOutlet
- 88th
- AbgastraktExhaust tract
- 99
- AbgasExhaust gas
- 1010
- Turboladerturbocharger
- 1111
- Katalysatorcatalyst
- 1212
- Kühlmittelkanal für WasserCoolant channel for water
- 13 13
- Kühlmittelkanal für ÖlCoolant channel for oil
- 1414th
- HeizkanalHeating duct
- 1515th
- Brennraumwand/-wandungCombustion chamber wall / wall
- 1616
- Wärmeübertrager / WärmerohrHeat exchanger / heat pipe
- 1717th
-
Erstes Ende von
16 First end of16 - 1818th
-
Zweites Ende von
16 Second end of16 - 1919th
- WärmetauscherHeat exchanger
- 2020th
- Bypass-SteuerventilBypass control valve
- 2121st
- AbgaswärmerückgewinnungssystemExhaust heat recovery system
- 2222nd
- AbgasleitungExhaust pipe
- 2323
-
Eingangsseite von
14 Entry page of14th - 2424
-
Ausgangsseite von
14 Home page from14th - 2525th
- AbgaswärmerückgewinnungssystemExhaust heat recovery system
- 2626th
- AnsaugtraktIntake tract
- 2727
- AbgaswärmerückgewinnungssystemExhaust heat recovery system
- 2828
- AbgaswärmerückgewinnungssystemExhaust heat recovery system
- 2929
- AbgaswärmerückgewinnungssystemExhaust heat recovery system
- 3030th
- SteuerventilControl valve
- H/LH / L
- Höhen- / LängsachsenrichtungElevation / longitudinal axis direction
- rr
- Radiale RichtungRadial direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2017/0350361 A1 [0002]US 2017/0350361 A1 [0002]
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DE102019202928.0A DE102019202928A1 (en) | 2019-03-05 | 2019-03-05 | Exhaust heat recovery system and process for exhaust heat recovery |
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DE (1) | DE102019202928A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114483270A (en) * | 2021-12-27 | 2022-05-13 | 浙江零跑科技股份有限公司 | Engine exhaust heat recycling device |
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2019
- 2019-03-05 DE DE102019202928.0A patent/DE102019202928A1/en active Pending
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CN114483270A (en) * | 2021-12-27 | 2022-05-13 | 浙江零跑科技股份有限公司 | Engine exhaust heat recycling device |
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Legal Events
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---|---|---|---|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: MARKOWITZ, MARKUS, DR.-ING., DE |