DE3514670A1 - Waste heat recovery unit of engines - Google Patents

Abstract

In the Patent DP 3403595.8 it was shown that the hot gases flowing out of an engine expand in an exhaust turbine AT to a pressure which is less than the atmospheric pressure or the engine inlet pressure, are cooled in a downstream radiator to a temperature close to atmospheric temperature and are recompressed in an exhaust compressor AV, the exhaust turbine energy exceeding the extraction energy and the useful energy obtained being used for engine supercharging. Although the turbo engine circuit described in the above-mentioned patent is feasible, in order to obtain a compact construction it is now proposed to modify the arrangement somewhat. In addition there are some further design characteristics which fundamentally improve the use of the unit. Mention must be made of the following: - All necessary turbo engines of the unit such as turbocharger TL, exhaust compressor AV, exhaust turbine AT and cooling fan KG to be arranged on one shaft, - Design of heat exchanger as recovery heat exchanger with ceramic matrix WT1 - Use of recovery heat exchanger as catalytic converter (for the present platinum coated), - Admission flow to the regenerator cold side from outside and from the exhaust turbine from inside, - Short gas flows in the unit, - Small flow deflections - Exhaust turbine with adjustment control unit VL. A design sketch is shown on the following page. <IMAGE>

Description

Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren Löswgswe Loss heat recovery unit from engines Löswgswe

In der Patentanmeldung DP 34 03 595.8 ist ein angegeben, auf welche Weise es durch Expansion der Motor abgase unter den Atmosphärendruck, Abgaskühlung und Wiederverdichtung auf den Atmosphärendruck möglich ist, zusätzliche Energie für die Motoraufladung zu gewinnen. In the patent application DP 34 03 595.8 a is indicated on which Way it by expanding the engine exhaust gases below atmospheric pressure, exhaust gas cooling and recompression to atmospheric pressure is possible, additional energy to win for the engine supercharging.

Konstruktionsentwürfe derartiger Aggregate haben gezeigt daß gewisse kleine Modifikationen gegenüber dem vorgenannten Vorschlag eine günstigere Anordnung der bauteile ermöglicht. Hinzukommt, daß eine Einsparung an Wärmetauscheraufwand hilft Kosten zu ermäßigen.Structural drafts of such units have shown that certain small modifications compared to the aforementioned proposal a more favorable arrangement which enables components. In addition, there is a saving in the outlay on heat exchangers helps reduce costs.

Bin derartiger Konstruktionsvorschlag soll vorgestellt werten, der auch eine Änderung des in der Patentanmeldung vorgestellten Schaitschemas verlangt.Such a design proposal should be presented, the also requires a change in the switching scheme presented in the patent application.

Das neue Schaltschema zeigt Fig.1. Die Abgase des Motors M werden über eine Abgasleitung R der Abgasturbine AT zugeführt, expandieren von dem über dem Atmosphärendruck liegenden Abgasdruck auf einen weit unter ihm liegenden Druck PA und werden im Wärmetauscher, bevorzugt einem Regenerativwärmetauscher WT1, auf eine Temperatur Tk4 abgekühlt, die nur wenig über der Atmosphärentemperatur T0 liegt. Vom Unterdruck PA wird das Gas durch den Abgasverdichter AV wieder auf den Atmosphärendruck verdichtet. Die im generator WT1 abgeführte Wärme wird von Luft abtransportiert, die über die Regeneratorkaltluftseite von dem Kühlluftventilator KG abgesaugt wird.The new circuit diagram is shown in Fig. 1. The exhaust gases from the engine M will be Supplied via an exhaust pipe R to the exhaust gas turbine AT, expand from the above the exhaust gas pressure lying below atmospheric pressure to a pressure far below it PA and are in the heat exchanger, preferably a regenerative heat exchanger WT1 a temperature Tk4 cooled, which is only slightly above the atmospheric temperature T0. The gas is returned to atmospheric pressure by the exhaust gas compressor AV from the negative pressure PA condensed. The heat dissipated in the generator WT1 is carried away by the air, which is extracted by the cooling air fan KG via the regenerator cold air side.

Dieser Kühlluftventilator KG wird ebenso wie der Abgasverdichter AV und der Turbolüfter, der den Motor aufläd, von der Abgas turbine AT über die Wellenabschnitte W1 und W2 angetrieben. Im Schema nickt gezeichnet, aber aus der Konstruktionsskizze Fig. 3 erkennbar, ist der Wärmetauscherantrieb WA, der über ein Schneckengetriebe erfolgt, um auf die relativ niedrige Drehzahl des Regenerators von der hohem Drehzahl der Turbomaschinenwelle Wi und W2 herunterzukommen.This cooling air fan KG, like the exhaust gas compressor AV and the turbo fan, which charges the engine, from the exhaust turbine AT via the shaft sections W1 and W2 driven. Not drawn in the scheme, but from the construction sketch Fig. 3 can be seen, the heat exchanger drive WA, which has a worm gear takes place in order to the relatively low speed of the regenerator from the high speed of the turbo machine shafts Wi and W2.

Zur Abgasentgiftung kann der Regenerator mit Belägen z.B. von Platin als Katalysator ausgestattet werden.For exhaust gas detoxification, the regenerator can be coated with e.g. platinum be equipped as a catalyst.

Die kleinflächigen Kanäle der keramischen Matrix eines Wärmetauschers eignen sich besonders gut als Katalysator mif selbstreinigender Wirkung. Insgesamt fällt auf diese Weise der Druckverlust des Katalysator nicht stark ins Gewicht, wenn mam berücksichtigt welchen iufladedruck das Verlustwärmeverwertungsaggregat mit sich bringt.The small-area channels in the ceramic matrix of a heat exchanger are particularly suitable as a catalyst with a self-cleaning effect. All in all In this way, the pressure loss of the catalytic converter is not very important, if mam takes into account which charging pressure the waste heat recovery unit brings with it.

Zur Beeinflussung des Ladedrucks kann die Abgasturbine AT tait einem Verstelleitapparat TL vor der ersten Stufe ausgestattet werden, inden die Leitschaufeln verstellbar ausgebildet werde. Wird eine höhere Drehzahl des Aggregats gewünscht, dann wird der Austrittsströmungsquerschnitt des Leitapparats verkleinert. Beim Start des Motors kann es sich hingegen vorteilhaft auswirken, den Leitapparatquerschnitt so weit als möglich zu öffnen. To influence the boost pressure, the exhaust gas turbine AT can tait a Verstellitapparat TL before the first stage, in which the guide vanes adjustable trained. If a higher speed of the unit is required, then the outlet flow cross-section of the diffuser is reduced. At the start of the motor, however, it can have a beneficial effect on the diffuser cross-section open as wide as possible.

Eine Konstruktionsskizze des Aggregats zeigt Fig.3. A construction sketch of the unit is shown in Fig. 3.

Die vom Motor kommenden Gase strömen über einen Terstelileitapparat VL durch die @weistufige Turbine nach oben über den Regenerator WT1 ab, der sich über einen außen angeordneten Zahnkranz angetrieben, relativ langsam dreht. In entgegengesetzter Richtung strömt durch den Regenerator von der Umgebung angesaugte Luft, kühlt die Regeneratormatrix, nimmt die von den Heißgasen übertragene Wärme auf und führt die vom Kühlgebläse KG abgesaugte Luft ins Freie ab. An dem nach dem Gebläse freie; Wellenende ist ein Schneckengetriebe angeordnet, über das der Antrieb des Regenerators erfolgt.The gases coming from the engine flow through a Terstelileitapparat VL through the two-stage turbine upwards over the regenerator WT1, which is Driven by an externally arranged toothed ring, rotates relatively slowly. In opposite Direction flows through the regenerator air sucked in from the environment, cools the Regenerator matrix, absorbs the heat transferred by the hot gases and conducts the Air extracted by the cooling fan KG into the open air. On the free one after the fan; At the end of the shaft there is a worm gear that drives the regenerator he follows.

Von der Abgasturbine wird auf der dem Kühlgebläse abgewandten Seite der Abgasverdichter AV und der Turbolader TL angetrieben. Im Abgasverdichter werden die gekühlten Abgase nach ihrer Ab strömung vom Regenerator verdichtet und ins Freie abgeführt, während in uriolader Frischluft verdichtet und dem Motor zugeführt wird. The exhaust turbine is on the side facing away from the cooling fan the exhaust gas compressor AV and the turbocharger TL are driven. Be in the exhaust gas compressor the cooled exhaust gases are compressed after their flow from the regenerator and released into the open discharged, while fresh air is compressed in uriolarger and fed to the engine.

Die Lagerung des hochtourigen Läufers erfolgt zweckmäßigerweise gut zugänglich einerseits vor dem Abgasturbolader Li und andererseits nach der Abgasturbine L2, während das Kühlgebläse KG fliegend gelagert wird.The high-speed runner is expediently well supported accessible on the one hand before the exhaust gas turbocharger Li and on the other hand after the exhaust gas turbine L2, while the cooling fan KG is stored on the fly.

Wälz- aber auch Gleitlager sind Je nach Anwendung einsetzbar, obwohl voraussichtlich den Wälzlagern der Vorzug zu geben ist. Die Schmierstoffversorgung sollte in die des Motors einbezogen werden.Rolling but also plain bearings can be used depending on the application, although Rolling bearings are likely to be preferred. The lubricant supply should be included in that of the engine.

Sollte eo sich in Sonderfällen als notwendig herausstellen, die Drehzahl des Aggregats zu begrenzen, dann könnte an einem der Wellenenden noch ein Inpulsmesser angebaut werden, dOr beim Uberschreiten der sulässigen Drehzahl den Turbinenleitapparat öffnet bzw. so einregelt bis sich die gewünschte Drehzahl einstellt. Should eo turn out to be necessary in special cases, the speed To limit the unit, a pulse meter could be installed on one of the shaft ends be attached, so that the turbine nozzle is exceeded when the permissible speed is exceeded opens or adjusts until the desired speed is reached.

Andererseits könnte aber auch ein Ventil in der Abgasleitung für Druckminderung sorgen, ein Eingriff der bei Turbinen seit langer Zeit üblich ist.On the other hand, a valve in the exhaust pipe for pressure reduction could also be used worry, an intervention that has been common in turbines for a long time.

Mit der vorgenannten Anordnung wird ein kompakter Zusammenbau erreicht, gekennzeichnet durch: - Anordnung aller Strömungsmaschinen wie Turbolader TL, Abgasverdichter AV, Abgasturbine AT und Kühlgebläse KG auf einer Welle, - kurze Gaswege, - geringe Umlenkungen, - gute Zugänglichkeit der Lager, des Verstelleitapparats, der Abgasturbine und des Regeneratorantriebs, - ungehinderte Zuströmung zum Regenerator von außen, - Staubfilter vor dem Regeneratoreintritt und den Turbolader, die durch Staubabscheider ersetzt werden können.With the above arrangement, a compact assembly is achieved, characterized by: - Arrangement of all flow machines such as TL turbocharger, exhaust gas compressor AV, exhaust gas turbine AT and cooling fan KG on one shaft, - short gas paths, - low Deflections, - good accessibility of the bearings, the adjustment device, the exhaust gas turbine and the regenerator drive, - unimpeded flow to the regenerator from the outside, - Dust filter in front of the regenerator inlet and the turbocharger, through the dust collector can be replaced.

Claims (7)

Patentansprüche 1. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motores des Fahrzeug-, Schiffs- oder Kraftwerksbaus nach den im Patent DP 34 03 595.8 angegebenen Richtlinien, wonach die aus einem Motor ausströmenden heißen Gase in einer Abgasturbine auf einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck expandieren, ii eined anschließenden Kühler (Wärmetauscher) auf eine Temperatur nahe der Atmosphärentemperatur gekühlt und von einem Abgasverdichter auf den Atmosphärendruck rückverdichtet werden, wobei die die Absaugenergie übersteigende Abgasturbinenenergie abzüglich der Kühlgebläseenergie als Nutzenergie abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß alle Strömungsmaschinen wie Abgasturbine, Abgasverdichter, Kühlgebläse und der Turbolader auf einer gemeinsamen Welle ängeordnet sind 2. Yerlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach dc Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher als keramischer Regenerator ausgeführt wird.Claims 1. Loss heat recovery unit from the engine of the Vehicle, ship or power plant construction according to those specified in patent DP 34 03 595.8 Guidelines according to which the hot gases emanating from an engine in an exhaust gas turbine expand to a sub-atmospheric pressure, ii one subsequent Cooler (heat exchanger) cooled to a temperature close to atmospheric temperature and recompressed to atmospheric pressure by an exhaust gas compressor, wherein the exhaust gas turbine energy exceeding the suction energy minus the cooling fan energy is released as useful energy, characterized in that all flow machines such as exhaust gas turbine, exhaust gas compressor, cooling fan and the turbocharger on a common Shaft are arranged 2. Heat loss recovery unit of engines according to the claim 1 characterized in that the heat exchanger is designed as a ceramic regenerator will. 3. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der der generator von Abgas der ibgasturbine von innen nach außen und die Kühlluft von außen aus der Umgebung kommend durch den Regenerator nach innen zum Kühlgebläse strömt.3. Loss heat recovery unit from engines according to the claims 1 and 2 characterized in that the generator of exhaust gas from the ibgas turbine from the inside to the outside and the cooling air coming from the outside through the Regenerator flows inwards to the cooling fan. 4. Verlustwärmeverwertungsaggragat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator an den gasberührten Oberflächen als Xatalysator ausgebildet ist.4. Loss heat recovery unit from engines according to the claims 1 to 3, characterized in that the regenerator on the surfaces in contact with the gas is designed as a Xatalyst. 5. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß der antrieb des Regenerators von Abgasturbinenseitigen Wellenende aus über ein Schneckengetriebe erfolgt.5. Loss heat recovery unit of engines according to the claims 1 to characterized in that the drive of the regenerator from the exhaust gas turbine side Shaft end takes place via a worm gear. 6. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine AT zweistufig ausgebildet ist.6. Loss heat recovery unit of engines according to the claims 1 to 5 characterized in that the exhaust gas turbine AT two-stage is trained. 7. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach des Patentansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe der Abgasturbine einen Verstelleitapparat besitzt.7. Loss heat recovery unit of engines according to the claims 1 to 6, characterized in that the first stage of the exhaust turbine is a Verstelleitapparat owns.