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DE102019202928A1 - Exhaust heat recovery system and process for exhaust heat recovery - Google Patents

Exhaust heat recovery system and process for exhaust heat recovery Download PDF

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DE102019202928A1
DE102019202928A1 DE102019202928.0A DE102019202928A DE102019202928A1 DE 102019202928 A1 DE102019202928 A1 DE 102019202928A1 DE 102019202928 A DE102019202928 A DE 102019202928A DE 102019202928 A1 DE102019202928 A1 DE 102019202928A1
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DE
Germany
Prior art keywords
exhaust gas
exhaust
tract
heat recovery
internal combustion
Prior art date
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Pending
Application number
DE102019202928.0A
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German (de)
Inventor
Stefan Quiring
Kai Kuhlbach
Klaus Moritz Springer
Jan Mehring
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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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.

Figure DE102019202928A1_0000
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.
Figure DE102019202928A1_0000

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 claim 10.

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 US 2017/0350361 A1 offenbart.Systems for utilizing the heat contained in the exhaust gas of an internal combustion engine, for example a vehicle internal combustion engine, are known per se. The heat of the hot exhaust gas can be used, for example, to heat the internal combustion engine, in particular an engine block of the internal combustion engine having a cylinder, more quickly after a cold start and thus to shorten the cold start phase, for example to reduce friction. In internal combustion engines that have a conventional coolant circuit in which coolant, for example water or oil, is circulated to cool the internal combustion engine, it is known to disperse the coolant, in particular water, during the cold start phase through the in the exhaust gas immediately after starting the internal combustion engine to heat the available heat more quickly. For this purpose, the coolant is passed through a heat exchanger arranged in the exhaust tract of the internal combustion engine and around which the hot exhaust gas flows. Such an exhaust heat recovery system is for example in the US 2017/0350361 A1 disclosed.

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 claim 10. Further particularly advantageous configurations of the invention are disclosed in the respective subclaims.

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.
Further features and advantages of the invention emerge from the following description of non-restrictive exemplary embodiments of the invention, which are explained in more detail below with reference to the drawing. This drawing shows schematically:
  • 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.

1 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems 1, vorliegend für ein zweispuriges Kraftfahrzeug wie beispielsweise Personenkraftwage, (Klein-)Bus, Lastkraftwagen und dergleichen, gemäß der Erfindung dar. Das Abgaswärmerückgewinnungssystem 1 ist nicht auf die Verwendung in zweispurigen Kraftfahrzeugen beschränkt. Es kann ebenso für einspurige Kraftfahrzeug wie beispielsweise Motorräder verwendet werden. 1 Figure 3 schematically illustrates an embodiment of an exhaust heat recovery system 1 , in the present case for a two-lane motor vehicle such as, for example, passenger cars, (small) buses, trucks and the like, according to the invention. The exhaust gas heat recovery system 1 is not limited to use in two-lane motor vehicles. It can also be used for single-track motor vehicles such as motorcycles.

Das in 1 dargestellte Abgaswärmerückgewinnungssystem 1 weist eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Motorblock 3 auf. An dem Motorblock 3 ist ein Zylinderkopf 4 befestigt. Der Motorblock 3 weist wenigstens einen in 1 nicht dargestellten Zylinder 5 (vgl. 2) mit einem Brennraum 6 auf. Der Motorblock 3 kann beispielsweise auch zwei, drei, vier oder mehr Zylinder 5 mit jeweils einem Brennraum 6 aufweisen. An einem Auslass 7 der Brennkraftmaschine 2, vorliegend ein am Zylinderkopf 4 ausgebildeter Auslass 7, zum Beispiel ein Abgaskrümmer, ist fluidleitend mit einem Abgastrakt 8 verbunden. Im Brennraum 6 infolge einer Verbrennung von Kraftstoff während eines Betriebs der Brennkraftmaschine 2 erzeugtes heißes Abgas 9 ist über den Auslass 7 in den Abgastrakt 8 strömbar.This in 1 exhaust heat recovery system shown 1 has an internal combustion engine 2 with an engine block 3 on. On the engine block 3 is a cylinder head 4th attached. The engine block 3 has at least one in 1 cylinder not shown 5 (see. 2 ) with a combustion chamber 6th on. The engine block 3 can for example also have two, three, four or more cylinders 5 with one combustion chamber each 6th exhibit. At an outlet 7th the internal combustion engine 2 , in this case one on the cylinder head 4th trained outlet 7th , for example an exhaust manifold, is fluid-conducting with an exhaust tract 8th connected. In the combustion chamber 6th as a result of combustion of fuel during operation of the internal combustion engine 2 generated hot exhaust gas 9 is about the outlet 7th in the exhaust tract 8th flowable.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Abgaswärmerückgewinnungssystems 1 weist der Abgastrakt 8 einen Turbolader 10 auf. Eine nicht dargestellte Turbine bzw. Turbinenrad des Turboladers 10 ist stromab des Auslasses 7 der Brennkraftmaschine 2 im Abgastrakt 8 angeordnet und von dem aus dem Auslass 7 ausströmendem Abgas 9 in an sich bekannter Weise antreibbar. The in 1 illustrated embodiment of the exhaust heat recovery system 1 shows the exhaust tract 8th a turbocharger 10 on. A turbine or turbine wheel, not shown, of the turbocharger 10 is downstream of the outlet 7th the internal combustion engine 2 in the exhaust tract 8th arranged and from which the outlet 7th exhaust gas flowing out 9 drivable in a manner known per se.

Stromab der Turbine des Turboladers 10 ist im Abgastrakt 8 ein Katalysator 11 zur Abgasreinigung angeordnet.Downstream of the turbocharger's turbine 10 is in the exhaust tract 8th a catalyst 11 arranged for exhaust gas cleaning.

2A und 2B stellen jeweils in einer Querschnittsansicht durch einen Motorblock, beispielsweise der Motorblock 3 der Brennkraftmaschine 2 aus 1, erkennbare unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Anordnung von Kühlmittelkanälen 12, 13 und Heizkanälen 14 in dem Motorblock 3 der Brennkraftmaschine 2 dar. 2A and 2 B represent each in a cross-sectional view through an engine block, for example the engine block 3 the internal combustion engine 2 out 1 Recognizable different embodiments of an arrangement of coolant channels 12 , 13 and heating channels 14th in the engine block 3 the internal combustion engine 2 represent.

Der in 2A dargestellte Motorblock 3 weist einen Kühlmittelkanal 12 auf, in dem Wasser als Kühlmittel aus einem nicht näher dargestellten Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 2 zirkuliert wird. Der im Motorblock 3 angeordnete Abschnitt des Kühlmittelkanals 12 kann einem an sich bekannten Wassermantel des Motorblocks 3 entsprechen. In dem ebenfalls im Motorblock 3 der 2A dargestellten Kühlmittelkanal 13 zirkuliert Öl als Kühlmittel, zum Beispiel Motoröl, eines Ölkreislaufs. Der Kühlmittelkanal 13 kann einem Abschnitt einer an sich bekannten Ölgalerie des Motorblocks 3 entsprechen.The in 2A illustrated engine block 3 has a coolant channel 12 on, in which water is used as a coolant from a coolant circuit (not shown) of the internal combustion engine 2 is circulated. The one in the engine block 3 arranged portion of the coolant channel 12 can be a known water jacket of the engine block 3 correspond. Also in the engine block 3 of the 2A shown coolant channel 13 circulates oil as a coolant, for example engine oil, of an oil circuit. The coolant duct 13 can be a section of a known oil gallery of the engine block 3 correspond.

Des Weiteren ist 2A zu entnehmen, dass im Motorblock 3 ein vom Kühlmittelkanal 12 und 13 getrennter Heizkanal 14 angeordnet ist. Der Kühlmittelkanal 12 und der Heizkanal 14 sind im Wesentlichen in demselben radialen Abstand r vom Brennraum 6 bzw. von der den Brennraum 6 nach außen begrenzenden Brennraumwand 15 im Motorblock 3 angeordnet. An die Brennraumwandung 15 angrenzend kann eine Zylinderlaufbuchse (nicht dargestellt) im Zylinder 5 angeordnet sein. In einer Längsachsen- bzw. Höhenrichtung des Zylinders 5/Brennraums 6 sind der Heizkanal 14 und der Kühlmittelkanal 12 übereinander benachbart angeordnet.Furthermore is 2A can be seen that in the engine block 3 one from the coolant duct 12 and 13 separate heating channel 14th is arranged. The coolant duct 12 and the heating channel 14th are essentially the same radial distance r from the combustion chamber 6th or from the combustion chamber 6th outwardly delimiting combustion chamber wall 15th in the engine block 3 arranged. On the combustion chamber wall 15th Adjacent can be a cylinder liner (not shown) in the cylinder 5 be arranged. In a longitudinal axis or height direction of the cylinder 5 / Combustion chamber 6 are the heating channel 14th and the coolant duct 12 arranged one above the other adjacent.

Der Kühlmittelkanal 13 ist bei dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel in einem radialen Abstand r zur Brennraumwandung 15 angeordnet, der größer ist als der radiale Abstand r des Heizkanals 14 zur Brennraumwandung 15. Somit befindet sich der Heizkanal 14 in radialer Richtung r gesehen zwischen der Brennraumwandung 15 und dem Kühlmittelkanal 13.The coolant duct 13 is with the in 2A embodiment shown at a radial distance r to the combustion chamber wall 15th arranged, which is greater than the radial distance r of the heating duct 14th to the combustion chamber wall 15th . The heating channel is thus located 14th in the radial direction r seen between the combustion chamber wall 15th and the coolant duct 13 .

Der Heizkanal 14 ist über einen Wärmeübertrager thermisch mit dem Abgastrakt 8 gekoppelt, um im Abgastrakt 8 vorhandene Abgaswärme in den Heizkanal 14 zu übertragen. Der Wärmeübertrager ist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Abgaswärmerückgewinnungssystems 1 ein Wärmerohr 16, dessen eines Ende 17 im Abgastrakt 8 derart angeordnet ist, dass es vom heißen Abgas 9 umströmt wird, und dessen anderes Ende 18 im Heizkanal 14 derart angeordnet ist, dass die übertragene Wärme an den Motorblock 3 abgegeben wird. Zur Verdeutlichung der Wärmeeinleitung von dem heißen Abgas 9 im Abgastrakt 8 in das erste Ende 17 des Wärmerohrs 16 ist dieses Ende 17 als Wärmetauscher 19 symbolisiert.The heating channel 14th is thermally connected to the exhaust system via a heat exchanger 8th coupled to the exhaust system 8th Existing exhaust gas heat in the heating duct 14th transferred to. The heat exchanger in the in 1 Shown embodiment of the exhaust heat recovery system 1 a heat pipe 16 , its one end 17th in the exhaust tract 8th is arranged so that it is from the hot exhaust gas 9 is flowed around, and its other end 18th in the heating duct 14th is arranged so that the heat transferred to the engine block 3 is delivered. To illustrate the introduction of heat from the hot exhaust gas 9 in the exhaust tract 8th in the first end 17th of the heat pipe 16 is this end 17th as a heat exchanger 19th symbolizes.

Des Weiteren ist in 1 noch ein elektronisch von einer nicht dargestellten elektronischen Steuereinheit steuerbares Bypass-Steuerventil 20 im Abgastrakt 8 angeordnet zu erkennen. Über das Bypass-Steuerventil 20 kann die Menge des Wärmeeintrags in das erste Ende 17 des Wärmerohrs 16 über die dem Wärmetauscher 19 zugeführte Menge an heißem Abgas 9 von der Steuereinheit gesteuert werden.Furthermore, in 1 another bypass control valve that can be electronically controlled by an electronic control unit (not shown) 20th in the exhaust tract 8th arranged to recognize. Via the bypass control valve 20th can be the amount of heat input into the first end 17th of the heat pipe 16 about the heat exchanger 19th supplied amount of hot exhaust gas 9 controlled by the control unit.

In 2A und 2B wird die in den Heizkanal 14 übertragene Wärme in den Motorblock 3 und insbesondere an die Brennraumwand 15 und an die Kühlmittelkanäle 12 und 13 abgegeben, wie in den 2A und 2B durch schraffierte Richtungspfeile angedeutet ist.In 2A and 2 B will be in the heating duct 14th transferred heat into the engine block 3 and especially on the combustion chamber wall 15th and to the coolant channels 12 and 13 submitted as in the 2A and 2 B is indicated by hatched directional arrows.

In 2B ist im Vergleich zur Darstellung in 2A eine andere Anordnung der Kühlmittelkanäle 12 und 13 sowie des Heizkanals 14 dargestellt. Es ist in 2B zu erkennen, dass der Kühlmittelkanal 12 zwei voneinander getrennte Kühlmittelkanalzweige aufweist. Ebenfalls weist der Heizkanal 14 bei dem in 2B dargestellten Ausführungsbeispiel zwei voneinander getrennte Heizkanalzweige auf. Die beiden Kühlmittelkanalzweige 12 und die beiden Heizkanalzweige 14 sind im Wechsel in Höhenrichtung H untereinander benachbart zueinander angeordnet. Der radiale Abstand r der Kühlmittelkanalzweige 12 und der Heizkanalzweige 14 ist im Wesentlichen derselbe. Der radiale Abstand r der Heizkanalzweige 14 ist auch bei dem in 2B dargestellten Beispiel kleiner als der radiale Abstand r des Kühlmittelkanals 13.In 2 B is compared to the representation in 2A a different arrangement of the coolant channels 12 and 13 as well as the heating duct 14th shown. It is in 2 B to see that the coolant duct 12 has two separate coolant channel branches. The heating channel also has 14th at the in 2 B illustrated embodiment on two separate heating duct branches. The two coolant channel branches 12 and the two heating duct branches 14th are alternately arranged adjacent to one another in the height direction H. The radial distance r the coolant channel branches 12 and the heating duct branches 14th is essentially the same. The radial distance r the heating duct branches 14th is also with the in 2 B shown example smaller than the radial distance r of the coolant duct 13 .

3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems 21 gemäß der Erfindung dar. Bei dem Abgaswärmerückgewinnungssystem 21 ist der Wärmeübertrager das in einer den Abgastrakt 8 mit dem Heizkanal 14 fluidleitend verbindenden Abgasleitung 22 strömbare heiße Abgas 9 selbst. Wie in 3 zu erkennen ist, ist der Heizkanal 14 (vgl. 2) stromab des Katalysators 11 über den aus 22 und 9 gebildeten Wärmeübertrager thermisch mit dem Abgastrakt 8 gekoppelt. Von dort wird das heiße Abgas 9 an der Eingangsseite 23 des Heizkanals 14 in den Motorblock 3 geleitet und nach dem Durchströmen des Heizkanals 14 wird das kalte Abgas von der Ausgangsseite 24 des Heizkanals 14 wieder zurück in den Abgastrakt 8 geleitet, wobei die Einleitstelle des kalten Abgases 9 zurück in den Abgastrakt 8 stromab der Entnahmestelle des zuvor entnommenen heißen Abgases 9 aus dem Abgastrakt 8 angeordnet ist. 3 Fig. 10 illustrates another embodiment of an exhaust heat recovery system 21st according to the invention. In the exhaust heat recovery system 21st the heat exchanger is the one in the exhaust tract 8th with the heating channel 14th fluid-conducting connecting exhaust pipe 22nd pourable hot Exhaust gas 9 itself. As in 3 can be seen is the heating channel 14th (see. 2 ) downstream of the catalyst 11 Via the heat exchanger formed from 22 and 9 thermally with the exhaust gas tract 8th coupled. From there the hot exhaust gas 9 on the entrance side 23 of the heating duct 14th in the engine block 3 and after flowing through the heating channel 14th the cold exhaust gas from the outlet side 24 of the heating duct 14th back to the exhaust system 8th passed, the point of introduction of the cold exhaust gas 9 back to the exhaust tract 8th downstream of the extraction point for the previously extracted hot exhaust gas 9 from the exhaust tract 8th is arranged.

4 stellt ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems 25 gemäß der Erfindung dar. Bei dem Abgaswärmerückgewinnungssystem 25 ist der Heizkanal 14 (vgl. 2) auslassseitig 24 fluidleitend mit einem Ansaugtrakt 26 der Brennkraftmaschine 2 verbunden. 4th Fig. 10 illustrates yet another embodiment of an exhaust heat recovery system 25th according to the invention. In the exhaust heat recovery system 25th is the heating channel 14th (see. 2 ) on the exhaust side 24 fluid-conducting with an intake tract 26th the internal combustion engine 2 connected.

5 stellt ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems 27 gemäß der Erfindung dar. Auch bei dem Abgaswärmerückgewinnungssystem 27 ist der Heizkanal 14 (vgl. 2) auslassseitig 24 fluidleitend mit einem Ansaugtrakt 26 der Brennkraftmaschine 2 verbunden. Der Unterschied der beiden Abgaswärmerückgewinnungssysteme 25 und 27 liegt im Wesentlichen lediglich in der Entnahmestelle des heißen Abgases 9 aus dem Abgastrakt 8. Bei dem Abgaswärmerückgewinnungssystem 25 der 4 wird das heiße Abgas 9 stromab des Katalysators 11 entnommen, wohingegen das heiße Abgas 9 bei dem Abgaswärmerückgewinnungssystem 27 der 5 stromauf der Turbine des Turboladers 10 entnommen wird. Das Abgaswärmerückgewinnungssystem 25 der 4 ermöglicht somit eine Niederdruck-Abgasrückführung (Niederdruck-AGR) und das Abgaswärmerückgewinnungssystem 27 der 5 eine Hochdruck-Abgasrückführung (Hochdruck-AGR). 5 Fig. 10 illustrates yet another embodiment of an exhaust heat recovery system 27 according to the invention. Also in the exhaust heat recovery system 27 is the heating channel 14th (see. 2 ) on the exhaust side 24 fluid-conducting with an intake tract 26th the internal combustion engine 2 connected. The difference between the two exhaust heat recovery systems 25th and 27 is essentially only in the point of extraction of the hot exhaust gas 9 from the exhaust tract 8th . In the exhaust heat recovery system 25th of the 4th becomes the hot exhaust 9 downstream of the catalyst 11 taken, whereas the hot exhaust gas 9 in the exhaust heat recovery system 27 of the 5 upstream of the turbine of the turbocharger 10 is removed. The exhaust heat recovery system 25th of the 4th thus enables low-pressure exhaust gas recirculation (low-pressure EGR) and the exhaust gas heat recovery system 27 of the 5 a high pressure exhaust gas recirculation (high pressure EGR).

6 stellt ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems 28 gemäß der Erfindung dar. Im Abgastrakt 8 sind stromab des Auslasses 7 der Brennkraftmaschine 2 die vom im Abgastrakt 8 geführten Abgas 9 antreibbare Turbine des Turboladers 10 und stromab der Turbine des Turboladers 10 der Katalysator 11 zur Abgasreinigung angeordnet. Der Heizkanal 14 (vgl. 2) ist einlassseitig 23 fluidleitend stromauf der Turbine des Turboladers 10 mit dem Abgastrakt 8 verbunden. Auslassseitige 24 ist der Heizkanal 14 fluidleitend stromab der Turbine des Turboladers 10 und stromauf des Katalysators 11 mit dem Abgastrakt 8 verbunden. 6th Fig. 10 illustrates yet another embodiment of an exhaust heat recovery system 28 according to the invention. In the exhaust tract 8th are downstream of the outlet 7th the internal combustion engine 2 from in the exhaust tract 8th guided exhaust gas 9 drivable turbine of the turbocharger 10 and downstream of the turbine of the turbocharger 10 the catalyst 11 arranged for exhaust gas cleaning. The heating channel 14th (see. 2 ) is on the inlet side 23 fluid-conducting upstream of the turbine of the turbocharger 10 with the exhaust tract 8th connected. Outlet side 24 is the heating channel 14th fluid-conducting downstream of the turbine of the turbocharger 10 and upstream of the catalyst 11 with the exhaust tract 8th connected.

7 stellt ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmerückgewinnungssystems 29 gemäß der Erfindung dar. Zusätzlich zum in 3 gezeigten Abgaswärmerückgewinnungssystem 21 ist der Heizkanal 14 (vgl. 2) einlassseitig 23 fluidleitend mit dem Ansaugtrakt 26 der Brennkraftmaschine 2 verbunden. Zum Steuern der Menge der dem Heizkanal 14 einlassseitig zuführbaren kühlen Ansaugluft ist die Einlassseite 23 des Heizkanals 14 über ein elektronisches Steuerventil 30 an den Ansaugtrakt 26 angeschlossen. Auch dieses Steuerventil 30 ist über eine nicht dargestellte elektronische Steuereinheit steuerbar. 7th Fig. 10 illustrates yet another embodiment of an exhaust heat recovery system 29 according to the invention. In addition to in 3 exhaust heat recovery system shown 21st is the heating channel 14th (see. 2 ) on the inlet side 23 fluid-conducting with the intake tract 26th the internal combustion engine 2 connected. To control the amount of the heating channel 14th The cool intake air that can be supplied on the inlet side is the inlet side 23 of the heating duct 14th via an electronic control valve 30th to the intake tract 26th connected. This control valve too 30th can be controlled via an electronic control unit (not shown).

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 of 16
1818th
Zweites Ende von 16 Second end of 16
1919th
WärmetauscherHeat exchanger
2020th
Bypass-SteuerventilBypass control valve
2121st
AbgaswärmerückgewinnungssystemExhaust heat recovery system
2222nd
AbgasleitungExhaust pipe
2323
Eingangsseite von 14 Entry page of 14th
2424
Ausgangsseite von 14 Home page from 14th
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]

Claims (10)

Abgaswärmerückgewinnungssystem, 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, dadurch gekennzeichnet, dass im Motorblock (3) wenigstens ein vom Kühlmittelkanal (12, 13) getrennter Heizkanal (14) angeordnet ist, 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.Exhaust heat recovery system comprising an internal combustion engine (2) with an engine block (3) which has at least one cylinder (5) with a combustion chamber (6), with hot exhaust gas (9) generated in the combustion chamber (6) via an outlet (7) of the internal combustion engine (2) can flow into an exhaust gas tract (8) that is fluidly connected to the outlet (7), the engine block (3) having at least one coolant channel (12, 13) through which a coolant for cooling the internal combustion engine (2) can flow, characterized in that in the engine block (3) at least one heating channel (14) separate from the coolant channel (12, 13) is arranged, which is thermally coupled to the exhaust gas tract (8) via at least one heat exchanger (16, 9) in order to 8) to transfer existing exhaust gas heat into the heating duct (14). Abgaswärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (14) in einem radialen Abstand (r) zum Brennraum (6) angeordnet ist, der kleiner oder gleich dem radialen Abstand (r) des Kühlmittelkanals (12, 13) zum Brennraum (6) ist.Exhaust heat recovery system according to Claim 1 , characterized in that the heating channel (14) is arranged at a radial distance (r) to the combustion chamber (6) which is less than or equal to the radial distance (r) of the coolant channel (12, 13) to the combustion chamber (6). Abgaswärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (14) den Brennraum (6) umfänglich wenigstens teilweise umgibt.Exhaust heat recovery system according to Claim 1 or 2 , characterized in that the heating channel (14) at least partially surrounds the combustion chamber (6) circumferentially. Abgaswärmerückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager das in einer den Abgastrakt (8) mit dem Heizkanal (14) fluidleitend verbindenden Abgasleitung (22) strömbare heiße Abgas (9) selbst ist.Exhaust heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger is the hot exhaust gas (9) itself which can flow in an exhaust gas line (22) which fluidly connects the exhaust gas tract (8) to the heating channel (14). Abgaswärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager ein Wärmerohr (16) ist, dessen eines Ende (17) im Abgastrakt (8) derart angeordnet ist, dass es vom heißen Abgas (9) umströmbar ist, und dessen anderes Ende (18) im Heizkanal (14) derart angeordnet ist, dass die übertragene Wärme an den Motorblock (3) abgebbar ist.Exhaust heat recovery system according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the heat exchanger is a heat pipe (16), one end (17) of which is arranged in the exhaust gas tract (8) in such a way that the hot exhaust gas (9) can flow around it, and the other end (18) of which is in the heating channel ( 14) is arranged such that the transferred heat can be given off to the engine block (3). Abgaswärmerückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgastrakt (8) stromab des Auslasses (7) der Brennkraftmaschine (2) eine vom im Abgastrakt (8) geführten Abgas (9) antreibbare Turbine eines Turboladers (10) und stromab der Turbine des Turboladers (10) ein Katalysator (11) zur Abgasreinigung angeordnet sind, wobei der Heizkanal (14) stromab des Katalysators (11) über den Wärmeübertrager (16, 9) thermisch mit dem Abgastrakt (8) gekoppelt ist.Exhaust gas heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that in the exhaust gas tract (8) downstream of the outlet (7) of the internal combustion engine (2) a turbine of a turbocharger (10) which can be driven by the exhaust gas (9) carried in the exhaust gas tract (8) and downstream of the turbine of the turbocharger (10), a catalytic converter (11) for exhaust gas purification is arranged, the heating duct (14) being thermally coupled to the exhaust gas tract (8) via the heat exchanger (16, 9) downstream of the catalytic converter (11). Abgaswärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (14) auslassseitig (24) fluidleitend mit einem Ansaugtrakt (26) der Brennkraftmaschine (2) verbunden ist.Exhaust heat recovery system according to Claim 4 or 6th , characterized in that the heating channel (14) on the outlet side (24) is connected in a fluid-conducting manner to an intake tract (26) of the internal combustion engine (2). Abgaswärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgastrakt (8) stromab des Auslasses (7) der Brennkraftmaschine (2) eine vom im Abgastrakt (8) geführten Abgas (9) antreibbare Turbine eines Turboladers (10) und stromab der Turbine des Turboladers (10) ein Katalysator (11) zur Abgasreinigung angeordnet sind, wobei der Heizkanal (14) einlassseitig (23) fluidleitend stromauf der Turbine des Turboladers (10) mit dem Abgastrakt (8) verbunden ist und der Heizkanal (14) auslassseitig (24) fluidleitend stromab der Turbine des Turboladers (10) und stromauf des Katalysators (11) mit dem Abgastrakt (8) verbunden ist.Exhaust heat recovery system according to Claim 4 , characterized in that in the exhaust tract (8) downstream of the outlet (7) of the internal combustion engine (2) a turbine of a turbocharger (10) which can be driven by the exhaust gas (9) carried in the exhaust tract (8) and downstream of the turbine of the turbocharger (10) Catalyst (11) are arranged for exhaust gas purification, the heating channel (14) on the inlet side (23) being fluid-conducting upstream of the turbine of the turbocharger (10) connected to the exhaust tract (8) and the heating channel (14) being fluid-conducting downstream of the turbine on the outlet side (24) of the turbocharger (10) and upstream of the catalytic converter (11) is connected to the exhaust gas tract (8). Abgaswärmerückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (14) einlassseitig (23) fluidleitend mit einem Ansaugtrakt (26) der Brennkraftmaschine (2) verbunden ist.Exhaust heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that the heating duct (14) is connected on the inlet side (23) to an intake tract (26) of the internal combustion engine (2) in a fluid-conducting manner. Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung, bei dem in einem Brennraum (6) wenigstens eines in einem Motorblock (3) einer Brennkraftmaschine (2) angeordneten Zylinders (5) heißes Abgas (9) erzeugt wird, das über einen Auslass (7) der Brennkraftmaschine (2) in einen mit dem Auslass (7) fluidleitend verbundenen Abgastrakt (8) geleitet wird, wobei die Brennkraftmaschine (2) mittels wenigstens eines Kühlmittels, das durch wenigstens einen im Motorblock (3) angeordneten Kühlmittelkanal (12, 13) geleitet wird, kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgastrakt (8) vorhandene Abgaswärme über wenigstens einen Wärmeübertrager (16, 9) in wenigstens einen im Motorblock (3) getrennt vom Kühlmittelkanal (12, 13) angeordneten Heizkanal (14) übertragen wird.Process for exhaust gas heat recovery, in which hot exhaust gas (9) is generated in a combustion chamber (6) at least one cylinder (5) arranged in an engine block (3) of an internal combustion engine (2), which is via an outlet (7) of the internal combustion engine (2) is passed into an exhaust gas tract (8) connected to the outlet (7) in a fluid-conducting manner, the internal combustion engine (2) being coolable by means of at least one coolant which is passed through at least one coolant duct (12, 13) arranged in the engine block (3), characterized in that exhaust gas heat present in the exhaust gas tract (8) is transferred via at least one heat exchanger (16, 9) to at least one heating channel (14) arranged in the engine block (3) separate from the coolant channel (12, 13).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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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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Representative=s name: MARKOWITZ, MARKUS, DR.-ING., DE