CN103154442B - 用于内燃机的废热利用的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明建议一种用于内燃机（2）的废热利用的装置和方法，其中，一个给水泵（6）、一个热交换器（8）、一个膨胀机（10）和一个冷凝器（12）设置在一个管道回路（4）中，工作介质在该管道回路中循环。此外，一个用于储存蒸汽状的工作介质的蒸汽储存器（40）设置在所述管道回路（4）中。

Description

用于内燃机的废热利用的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的用于废热利用的装置和方法。
背景技术
由DE102006057247A1已经公开了一种增压装置，该增压装置用于内燃机的废热利用。一种工作介质的回路的至少一个热交换器设置在内燃机的排气装置中。此外，一个涡轮机部件和一个输送机组设置在该回路中。一个设置在内燃机的排气装置中的压缩机部件通过涡轮机部件驱动。
发明内容
具有独立权利要求的特征的、根据本发明的用于内燃机的废热利用的装置和根据本发明的相关的方法有以下优点：蒸汽——该蒸汽对于某个时间点不是必需的——被储存并且在需要时或者在对膨胀机有负载要求时才被继续输送。
在内燃机的短暂的负载变化中，如它例如在制动机动车时出现那样，通过排气***被排出的热可以不完全被导回到机动车的传动系上，因为在那一刻没有负载要求。通过排气***排出的热能将丢失，如果没有合适的储存***可供使用的话。通过蒸汽储存器，热能可以被储存并且被再次用于以后的时间点。
用于内燃机的短期的负载变化的一个另外的例子是，机动车在先前的制动之后的超车过程。在这里，内燃机短暂地需要非常高的能量，该能量可以从蒸汽储存器提取。
废气和废气回送装置的热能由于至少一个热交换器的热惯性和热传导的热惯性总是时间延迟地可供膨胀机使用。本发明的一个优点在于，热能可以通过蒸汽储存器被储存，并在短暂的负载要求时再次可供使用。
在从属权利要求中，根据本发明的方法和根据本发明的装置的有利的构型和改进方案被给出。
一个另外的优点通过蒸汽储存器在热交换器和膨胀机之间的管道回路的一个管道中的布置得出，因为蒸汽储存器设置在蒸汽发生器和蒸汽消耗器之间，并且由此在长的路段上不产生更多的损耗。
通过一种结构——其中，蒸汽储存器通过一个分支管道直接与热交换器连接——得出优点，即通过在热交换器和蒸汽储存器之间的空间附近可以使用一个共同的绝缘装置或者一个共同的结构空间。
膨胀机和蒸汽储存器通过分支管道的连接是有利的，因为在短暂的负载要求时通过膨胀机蒸汽立即可供使用于运行膨胀机，并且在长的路段没有时间损失。
蒸汽储存器的一个另外的有利的布置在于，该蒸汽储存器通过分支管道与一个在热交换器和膨胀机之间的管道连接，因为由热交换器产生的蒸汽不是强制性地通过蒸汽储存器在通向膨胀机的路径上流动。
特别有利的是，在前面提到的分支管道的一个中示出一个可调的阀，因为蒸汽的接收和排出可以有意地通过可调的阀控制，并且由此可以介入热力循环——工作介质穿流该热力循环——的调整中。通过有目的地打开和关闭阀，在热交换器中的压力波动和所接的管道可以减少。另外，通过从管道回路接收和排出的蒸汽可以影响蒸发温度。
在一个相对于膨胀机平行的旁路连接装置中的蒸汽储存器的设置是有利的，因为蒸汽可以从该蒸汽储存器经由旁路连接装置从膨胀机旁绕过，并且由此热能也可以经由冷凝器在一个连接的冷却循环上排出。
如果蒸汽储存器通过一个多向阀与旁路连接装置连接，则蒸汽储存器在旁路连接装置中的设置是特别有利的，因为这是一种能够控制在所有可能的方向上接收和排出蒸汽的可靠方法。此外，通过多向阀，蒸汽可以绕过冷凝器直接从热交换器引入到蒸汽储存器上。如果蒸汽储存器可以不接收蒸汽或者蒸汽由于过低的过加热而没有足够的质量，则这是有利的。
在面向热交换器的侧上使用一个可调的阀和在相对的侧上使用一个溢流阀被看作对于在相对于膨胀机平行的旁路连接装置中的蒸汽储存器的特别节省成本的方案。通过可调的阀，蒸汽可以有目的地被蒸汽储存器接收和排出，而溢流阀阻止了在蒸汽储存器中产生一个过高的压力。
压力脉动和压力波动的减小是有利的，其方式是蒸汽从蒸汽储存器排出和/或由蒸汽储存器接收，因为没有产生通过其它构件用于抑制压力波动的成本。
通过用于调节蒸发压力的可调的阀经由蒸汽储存器接收和排出蒸汽，其它构件、例如用于在蒸汽状的或者液体的状态中的工作介质的附加的储存容积可以被节省。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且在接下来的说明中更详细地阐述。其中：
图1以示意图示出了根据第一实施例的用于废热利用的装置；
图2以示意图示出了根据第二实施例的用于废热利用的装置；
图3以示意图示出了根据第三实施例的用于废热利用的装置；和
图4以示意图示出了根据第四实施例的用于废热利用的装置。
具体实施方式
图1至图4示出了一个具有管道回路4的内燃机的用于废热利用的装置，工作介质在该管道回路中循环。至少一个热交换器8、一个膨胀机10、一个冷凝器12和一个给水泵6设置在管道回路4中。此外，在管道回路4中设有一个蒸汽储存器40用于储存蒸汽状的工作介质，如之后在各个实施例的说明中更详细地阐述那样。
内燃机2可以尤其设置为空气压缩的、自点火的或混合压缩的、外源点火的内燃机2。该用于废热利用的装置专门地适合在机动车中应用。本发明的用于废热利用的装置然而也适合其它应用情况。
内燃机2燃烧燃料以产生能量。在这里产生的废气经由一个排气设备排出，一个废气催化器可以设置在该排气设备中。排气设备的管道段22穿过热交换器8。来自废气或废气回送装置的热通过管道段22被排出到在热交换器8中设置的工作介质上，从而工作介质可以在热交换器8中蒸发和过热。
管道回路4的热交换器8通过管道26与膨胀机10连接。膨胀机10可以被设置为涡轮机或活塞式机器。蒸发的工作介质通过管道26流向膨胀机10，并驱动该膨胀机。膨胀机10具有从动轴11，膨胀机10通过该从动轴与一个负载连接。由此例如能够将机械能传递到传动系上，或用于驱动发电机、泵或类似。在流经膨胀机10之后，工作介质通过管道28被引导至冷凝器12。通过膨胀机10被卸载的工作介质在冷凝器12中被冷却。冷凝器12可以与一个冷却循环回路20连接。该冷却循环回路20可以是内燃机2的一个冷却循环回路。在冷凝器12中液化的工作介质通过管道29从给水泵6被输送到管道24中。
一个压力调节阀27位于管道24中，该压力调节阀用于在通向热交换器8的输入路径中调节压力。借助在通向热交换器8的输入路径中预设的压力，工作介质的蒸发温度可以被控制。此外，一个旁路连接装置31相对于给水泵6平行地被设置，一个过压阀30位于该旁路连接装置中。通过过压阀30可以调节在给水泵6和热交换器8之间的工作介质的最大的许可压力。
管道24直接通到热交换器8中，工作介质在该热交换器中蒸发和过热。通过管道26，蒸发的工作介质重新到达膨胀机10，并且工作介质重新穿流管道回路4。工作介质通过管道回路4的流通方向通过给水泵6和膨胀机10给定。因此，通过热交换器8可以持续地从内燃机2的废气和废气回送装置取出热能，该热能以机械能的形式输出给负载11。
作为工作介质，可以使用水或一种其它的液体，该液体与热力学要求相对应。工作介质在流过管道回路4时经历热力学的状态变化。在液相中，工作介质通过给水泵6被带到用于蒸发的压力水平上。然后，废气的热能经由热交换器8输出到工作介质上。在此，工作介质等压地蒸发，并且随后过热。然后，蒸汽在膨胀机10中绝热地膨胀。在此获得机械能并传递到轴11上。然后，工作介质在冷凝器12中冷却，并且被再次输入给水泵6。
在图1的实施例中，蒸汽储存器40位于在热交换器8和膨胀机10之间的管道回路4的管道26中。
由热交换器8供给的蒸汽可以由蒸汽储存器40接收，并且在膨胀机10有负载要求时再次从蒸汽储存器40排出。
图2示出了第二实施例，其中，蒸汽储存器40通过一个分支管道44与管道回路4连接。分支管道44通入在热交换器8和膨胀机10之间的管道回路4的管道26中。一个可控制的阀42可以设置在分支管道44中，蒸汽可以通过该阀有目的地被排出或者被接收。
分支管道44可以作为其它的实施形式可替代地也直接地与热交换器8或与膨胀机10连接，从而得到相对于蒸汽发生器或蒸汽消耗器的空间附近。这两个可替代的方案在图2中通过虚线的分支管道44示出。在此，可控制的阀42在这里也可以设置在分支管道44中。
图3示出第三实施例。蒸汽储存器40位于一个旁路连接装置14中，该旁路连接装置相对于膨胀机10并联。蒸汽储存器40经由一个多向阀46与旁路连接装置14连接。多向阀46具有多种连接可能性，蒸汽能够通过这些连接可能性被交付或输出或者可以从蒸汽储存器40旁经过。
为了接收蒸汽，多向阀46可以建立一个在旁路连接装置14的面向热交换器8的管道13和蒸汽储存器40之间的连接。在多向阀46的这个位置中，在热交换器8中产生的蒸汽通过管道26和管道13流进蒸汽储存器40中。
一旦膨胀机10有负载要求，多向阀46可以重新建立一个在旁路连接装置14的相向热交换器8的管道13和蒸汽储存器40之间的连接。在这种情况下，蒸汽从蒸汽储存器40经由管道13和管道26流向膨胀机10。
一旦膨胀机10没有负载要求，多向阀46可以建立一个在蒸汽储存器40和旁路连接装置14的面向冷凝器12的管道15之间的连接。蒸汽经由管道15和管道28流向冷凝器12。被加热的蒸汽可以经由冷凝器12在内燃机2的冷却循环回路上或者在车辆中的一个其它冷的却循环回路上排出热。
如果被加热的蒸汽应当从膨胀机10旁绕过，但不应由蒸汽储存器40接收，那么多向阀46可以建立一个在旁路连接装置14的管道13和管道15之间的直接连接。如果膨胀机10没有负载要求，但继续在热交换器8中产生被加热的蒸汽，那么蒸汽可以经由旁路连接装置14从膨胀机10旁绕过。
图4示出第四实施例，其中，蒸汽储存器40如图3那样设置在旁路连接装置14中。蒸汽储存器40经由一个可调的阀48与旁路连接装置的管道13连接。蒸汽储存器40在相对的侧上具有一个溢流阀50，蒸汽储存器40经由该溢流阀与旁路连接装置14的管道15连接。
经由管道13的蒸汽接收和排出可以通过可调的阀48控制。如果由热交换器8产生蒸汽比膨胀机10所需要的更多，该蒸汽可以经由可调的阀48由蒸汽储存器40接收。如果膨胀机10短暂地需要蒸汽或者它有特别高的负载要求，蒸汽可以从蒸汽储存器40经由可调的阀48和管道13和管道26到达膨胀机10。
如果经由可调的阀48可以接收比蒸汽储存器40更大的蒸汽量，该蒸汽可以经由溢流阀50在超过预给定的压力时重新被排出。
本发明的所有示出的实施例可以接收由热交换器8供给的蒸汽到蒸汽储存器40中，并在膨胀机10有负载要求时排出。
通过使用一个可调的阀42、46、48——如在图2至图4的实施形式中所示——可以主动控制从蒸汽储存器40接收蒸汽和提取蒸汽。通过打开可调的阀42、46、48可以由蒸汽储存器40接收或者排出蒸汽。如果可调的阀42、46、48关闭，那么蒸汽从蒸汽储存器40旁绕过。
通过经由可调的阀42、46、48主动地控制蒸汽储存器40接收蒸汽或者排出蒸汽，在管道回路4中的压力波动或压力脉动可以被减小。通过由蒸汽储存器40排出蒸汽和/或由蒸汽储存器40接收蒸汽这样的方式，在热交换器8中和在所接的管道24、26中的压力波动可以被减小。
通过经由可调的阀42、46、48主动地控制蒸汽储存器40接收蒸汽和排出蒸汽，在管道回路4中的工作介质的体积也可以变化，并且由此介入蒸发压力的调节。

Claims (5)

1.用于内燃机(2)的废热利用的装置，具有管道回路(4)，在该管道回路中布置有一个给水泵(6)、至少一个热交换器(8)、一个膨胀机(10)和一个冷凝器(12)，其中，工作介质在所述管道回路(4)中循环，一个用于储存蒸汽状的工作介质的蒸汽储存器(40)设置在所述管道回路(4)中，其特征在于，所述蒸汽储存器(40)位于所述管道回路(4)的一个在热交换器(8)和膨胀机(10)之间的管道(26)中，并且，所述蒸汽储存器(40)位于一个旁路连接装置(14)中，该旁路连接装置与所述膨胀机(10)并联，其中，所述蒸汽储存器(40)经由一个多向阀(46)与所述旁路连接装置(14)连接，经由该多向阀，蒸汽被接收或者蒸汽被输出到通向膨胀机(10)的管道(13、26)上或者经由管道(15、28)被输出到冷凝器(12)上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蒸汽储存器(40)在面向所述热交换器(8)的侧上具有一个可调的阀(48)，并且在相对置的侧上具有一个溢流阀(50)。
3.用于根据以上权利要求任一项所述的装置的、用于内燃机(2)的废热利用的方法，其特征在于，由热交换器(8)供给的蒸汽被接收在蒸汽储存器(40)中，并且在对膨胀机(10)有负载要求时从所述蒸汽储存器(40)被输出。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，压力脉动和压力波动被减小，其方式是蒸汽从所述蒸汽储存器(40)被输出和/或被所述蒸汽储存器(40)接收。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过经由一个可调的阀(42、46、48)在所述蒸汽储存器(40)上主动地接收和输出蒸汽来介入蒸汽压力的调节。
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