专利名称：利用废热的装置的制作方法
利用废热的装置
现有技术DE 10 2006 057 247 Al涉及一种增压装置。在所述增压装置中通过蒸汽回路从内燃机的废气中获取热能，并且通过涡轮机部分地将其转换成机械能和电能。未被利用的废热通过单独的冷凝器排放到周围环境中。增压装置特别是用于给内燃机增压。在排气歧管中设置工作介质的回路的至少一个废气热交换器。在所述至少一个废气热交换器的前面在工作介质的回路中设置输送设备。工作介质的回路包括至少一个涡轮机部件。通过所述涡轮机部件驱动至少一个在内燃机的进气歧管中设置的压缩机部件。"Auto Motor und Sport (汽车发动机和运动)”杂志(2005年，第10卷第洸页) 公开了一篇文献"BMW-Vierzylinder nutzt Abwaerme fuer Leistungssteigerung-Motor mit Turbine (BMW四缸利用废热使具有涡轮机的发动机提高功率)”。根据这篇文献内燃机将在燃料中所包含的能量的大约三分之二转变为废热，这些废热或者被内燃机的冷却系统所吸收，或者通过内燃机的排气歧管排出。迄今未被利用的废热可在内燃机中用于提高效率，最高提高效率达15%。为此，1. 8升四缸发动机和两级设计的汽轮机耦合，所述汽轮机对1.8升四缸发动机的曲轴施加作用。通过热交换器产生热蒸汽。所述热交换器设置在内燃机的排气歧管中的排气管的附近。借助水回路可从内燃机的冷却回路中分接出冷却液。 通过驱动曲轴，或者是可提高功率和扭矩，或者是可大大地降低单位功率消耗。本发明的公开
根据本发明建议，在利用废热，特别是利用内燃机的废热的装置中在内燃机的冷却器的冷却器出口上分接出到耦合热交换器(koppelwarmetauscher)的输入管。耦合热交换器的回流管在内燃机的预热阶段为了缩短这个预热阶段而馈入到第一回路中。而在热运行状态时耦合热交换器的回流管在主冷却器的前面馈入到内燃机的加热回路中。本发明的优点
在内燃机热运行状态时，通过本方案在蒸汽回路的耦合热交换器(冷凝器)中分别产生最低水平的可供使用的温度。利用内燃机的废热可用于缩短内燃机的预热阶段。此外还可将内燃机的废热用于加热汽车的内部空间，这特别是在发动机低载荷时进行。此外，还可阻止内燃机的冷却。即使使用通常使用的膨胀材料恒温器(Dehnstoffthermostat)也不会使内燃机的温度调节失真。此外，根据本发明建议的方案的优点还在于，低温冷却回路不需要附加的冷却器。这可通过用于耦合热交换器(冷凝器)的单独的冷却回路实现，但是现在可以省却掉，通过这一措施可节省重量，并且节省结构空间。此外，也可以避免可能产生的对空气阻力系数的负面影响。根据本发明所建议的方案在内燃机预热阶段，为了加速预热将蒸汽回路的废热通过耦合热交换器输入到发动机冷却系统的第一回路中，以使内燃机的消耗最小化。所述耦合热交换器特别是由内燃机的冷却液流过的冷凝器。当内燃机的预热阶段结束之后，冷凝器的回流管通过附加的阀门在冷却器入口的前面馈入，以提高蒸汽回路中的效率。所述蒸汽回路也导引通过耦合热交换器。当在运行时发动机出口温度
口下降到低于规定的额定温度，则换向阀U重新回接到第一回路，以便将蒸汽回路的废热用于加热汽车的内部空间，或者阻止内燃机的冷却。在这种情况中通过内燃机的温度控制恒温阀和冷凝器阀。为了简化这个方案，可在相同温度中对这两个阀门，也就是恒温阀和冷凝器阀进行调节，并且在另一可能的简化方案中，可通过和同一致动器调节这两个阀门。在预热阶段或者在汽车的内部空间加热模式时，可如此地实施耦合热交换器的回流管的馈入，即不影响用于发动机温度调节的温度检测。耦合热交换器的回流优选地在恒温阀的后面实施。当放弃加速预热阶段时，为了简化，可省掉在耦合热交换器的回流管中在必要时附加设置的换向阀。在这种情况中，耦合热交换器的回流管直接连接在冷却器入口上。为了减小热载荷，应将输送设备设置在耦合热交换器的较冷的输入管中。附图简短说明
下面借助附图对本发明进行更加详细的说明。这个唯一的图示出具有增压装置、蒸汽回路、冷却回路和扩展的冷却回路的内燃机的线路图。从该图详细地得知，内燃机10包括气缸体12。在气缸体12上设置气缸盖14，在气缸体上在图中未示出的曲轴的区域中，法兰连接起动机/发电机16。内燃机10在排气歧管20的内部包括废气催化器18，其中，在排气歧管20中在一个分支中设置有热交换器26。 所述热交换器26是用于工作介质的回路M的一部分，根据本发明建议的方案所述回路特别是蒸汽回路。除了热交换器26外，所述回路M还包括利用废热的装置，这个装置包括膨胀机观和泵30。此外，工作介质在回路24、也就是蒸汽回路M的蒸汽内部流过耦合热交换器40，也就是冷凝器。在耦合热交换器40中回路M的工作介质，也就是蒸汽被冷却，并且将它的热量在耦合热交换器40中输出到内燃机10的冷却介质上。在出口侧，工作介质， 即冷凝物离开耦合热交换器40，并且流入到利用废热的装置的泵30中。通过利用废热的装置的膨胀机观除了泵30还驱动发电机36。通过所述发电机本身可给电池38充电。可在发电机36和电池38之间分接出一条连接管道86。通过这条连接管道，起动机16—它可按发电机模式运行一和电源连接。此外，从附图得知，利用废热的装置观、30的膨胀机观还驱动压缩机34，空气过滤器46设置在所述压缩机34的前面。此外，根据附图从根据本发明建议的方案的简图还得知，耦合热交换器40具有输入管42和回流管44。一方面回路M的工作介质，也就是回路M内部的蒸汽流过耦合热交换器40，所述蒸汽在耦合热交换器40的内部将它的热量输送给冷却介质，并且另一方面冷却介质也流过耦合热交换器，所述冷却介质在耦合热交换器回路66的内部输送。输送设备64用于输送冷却介质。所述输送设备优选地设计为泵，并且相对于耦合热交换器40处于“冷的”输入管42中。从
图1的简图中得知，内燃机10具有冷却器M。按照常规方式给该冷却器M设有通常由电驱动的风机叶轮60，以及通过附图标记62表示的平衡容器。所述平衡容器用作冷却介质的膨胀空间。冷却器M的冷却器入口用附图标记56表示。冷却器出口用附图标记58表示。耦合热交换器回路66连接在冷却器出口 58上。耦合热交换器回路66从那里延伸到输入管42中的输送设备64。在通过了耦合热交换器40后加热的冷却介质经过回流管44流到换向阀52。所述换向阀52特别是三通阀。按照对换向阀52的控制，离开耦合热交换器40的回流管44 一方面在恒温阀78的下游在冷却器入口 56的前面馈入到冷却器M中，并且在那里被冷却；另一方面按照对优选地设计为三通阀的附加阀门52的控制， 通过在耦合热交换器40中被加热的冷却介质通过馈入装置68在冷却介质泵74前面馈入， 所述冷却介质泵74设置在内燃机10的第一回路70中。内燃机10的第一回路70从馈入装置68延伸到冷却泵74。冷却介质从那里流到内燃机10的气缸体12或者气缸盖14。按照加热阀84或者恒温阀80的线路布置，被加热的冷却介质离开内燃机的气缸盖14，并且流到恒温阀80。按照冷却介质的出口温度βνΚΜ ,
，既对恒温阀80、也对换向阀52进行控制。当冷却介质的出口温度’ 口在内燃机10 运行时低于额定温度，则如此地接通换向阀52，即加热的冷却介质通过馈入装置68流到内燃机的第一回路70，并且不通过冷却器Μ。在这种情况中回流管44的分支一该分支在恒温阀80的后面延伸并且延伸到冷却器M的冷却器入口 56—是关闭的。除了已经提到的内燃机10的第一回路70外，根据本发明建议的方案给内燃机10 设有加热回路72。这个加热回路72包括内部空间附加加热装置76，它借助加热阀84进行控制。所述加热阀也是加热回路72的一部分。优选地将这个加热阀84也设计成三通阀， 并且打开或者关闭旁路82。所述旁路在加热回路72中与附加加热装置76的热交换器平行延伸。加热回路72汇入到冷却介质的管道中，所述冷却介质管道从冷却器出口 58延伸到冷却介质泵74。有利地通过一个共同的致动器78控制换向阀52和恒温阀28，并且优选地如此地设计这两个阀52、80，即使它们在同一温度中调节。为了不影响发动机温度调节，如此地设计耦合热交换器40的、也就是冷凝器的回流管44的回流管道，即不影响用于发动机温度调节的温度检测。在通常构造为膨胀材料恒温器的恒温阀80中这是如此地进行的，即回流管44在恒温阀80的下游馈入。采用根据本发明建议的方案可将内燃机10的废气一所述废气在气缸盖14的出口 50上通过在图中未示出的废气弯管进入排气歧管20中一在回路M的内部，特别是在耦合热交换器40的内部进行冷却。这样，在内燃机的废气中所含有的废热通过回路M经冷却系统，即冷却器Μ、第一回路70，或者加热回路72排出。通过这一措施就可省掉用于单独的冷却系统的附加费用。在根据本发明建议的方案中可在耦合热交换器40内达到尤其尽可能低的温度水平，这样在工作介质的、优选地水蒸汽的回路M中可达到很高的热效率。根据本发明建议的方案，既可缩短内燃机10的预热阶段，也可实现加热运行模式。通过这种加热运行模式例如通过内部空间附加加热装置76对汽车的内部空间进行附加的加热。下面将这些运行模式进行更加详细的说明。在内燃机的预热阶段，回路M的废热从耦合热交换器40排放到在耦合热交换器回路66中循环的冷却介质上。一方面回路M的工作介质也就是蒸汽流过耦合热交换器 40，并且另一方面内燃机10的冷却介质也流过该耦合热交换器，所述内燃机的冷却介质通过输送设备64在冷的输入管42中输送到耦合热交换器40。在内燃机10的预热阶段期间， 在换向阀52的相应连接中回流管44通过馈入装置68连接到内燃机10的第一回路70中。 被加热的冷却介质通过冷却介质泵74被引入到内燃机的气缸体12以及它们的气缸盖14 中，通过这一措施减少了在预热阶段期间内燃机10的燃油消耗。因此，可将从回路M输出的废热用于缩短内燃机10的预热阶段。在这种情况中一在这个热运行期间一按照驾驶员愿望，加热阀84保持关闭，这样，冷却介质就在第一回路70中循环。
在内燃机10的预热阶段结束后，根据冷却介质的出口温度’ m如此地控制换向阀52，即耦合热交换器40的回流管44现在不经过馈入装置68进行引导，而是在恒温阀 80的后面在冷却器M的冷却器入口 56的前面馈入到这个冷却器中。然后在耦合热交换器 40中流过回流管44的被加热的冷却介质被导引经过内燃机10的冷却器54，并且在那里被冷却。这样，可提高在回路M中、也就是在蒸汽回路中的功率。当在运行中内燃机10的发动机出口温度#舶』， 口降低到低于额定温度时，这个换向阀52重新回接到第一回路70，这样，回流管44经过馈入装置68直接在冷却介质泵74 的前面就能馈入到第一回路70中。这样，蒸汽回路的废热一方面可用于加热发动机，并且另一方面也可在加热回路72范围内在流过内部空间附加加热装置76时用于内部空间的加热。这与设置在加热回路72中的加热阀84处于哪个位置有关。有利地，根据发动机温度， 或者代替地根据冷却介质的出口温度！!》』’出口，既对恒温阀80，也对换向阀52进行控制。 在一个有利的实施方案中，可按同一温度调节这两个阀门，即换向阀52和恒温阀80，所述恒温阀可以是常规使用的膨胀材料恒温器。在另一简化的方案中可通过一个共用的致动器 78完成对换向阀52和恒温阀80的调节。为了不妨碍发动机温度调节，在预热阶段中和在附加加热模式的范围内，以如此的方式实现耦合热交换器40的回流管44在出口侧的馈入，即不影响用于发动机温度调节的温度检测，特别是以如此的方式，即在恒温阀80的下游实现耦合热交换器40的回流管44 的馈入。如果放弃缩短预热阶段，则可完全取消回流管44的端部上的换向阀52。在这种情况中耦合热交换器40的、也就是冷凝器的回流管44可直接连接在冷却器M的冷却器入口 56上，在所述冷却器中冷却介质通过风扇叶轮60被冷却。此外应该提到的是，为了减小热载荷，将用于使冷却介质循环的输送设备64设置在耦合热交换器回路66中，优选地设置在耦合热交换器40的冷的输入管42中。有利地采用根据本发明的方案可在耦合热交换器40的内部利用内燃机10的任何运行方式中可提供使用的最低的温度水平。
权利要求
1.利用内燃机(10)的废热的装置，在所述内燃机的排气歧管(20)中设置工作介质的回路(24)的热交换器(26)，在该热交换器的前面设置泵(30)，其中，所述回路(24)包括膨胀机(28)，其特征在于，在工作介质的回路(24)中设置耦合热交换器(40)，所述回路(24) 的工作介质和内燃机(10)的冷却介质流过所述耦合热交换器。
2.按照权利要求1所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，所述回路(24) 是蒸汽回路，它的膨胀机(28)驱动内燃机(10)的进气歧管(48)中的泵(30)和压缩机(34)。
3.按照权利要求1所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，不考虑内燃机 (10)的运行状态地将耦合热交换器(40)中的温度水平最小化。
4.按照权利要求1所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，耦合热交换器 (40)的输入管(42)连接在内燃机(10)的冷却器(54)的冷却器出口(48)上。
5.按照权利要求1所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，在内燃机(10) 的预热阶段中，耦合热交换器(40)的回流管(44)和内燃机(10)的第一回路(70)连接。
6.按照权利要求1所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，在内燃机(10) 热运行时，耦合热交换器(40)的回流管(44)和冷却器(54)的冷却器入口(56)连接。
7.按照权利要求1所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，在耦合热交换器(40)的回流管(44)上设置换向阀(52)。
8.按照权利要求7所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，所述换向阀(52)和恒温阀(80)根据内燃机(10)的冷却介质的出口温度 侧’ a口进行控制，并且优选地构成为三通阀。
9.按照权利要求7所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，换向阀(52)和恒温阀(80 )通过共用的致动器(80 )进行控制。
10.利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，耦合热交换器(40)的回流管(44)在主冷却器(54)的冷却器入口(56)的前面连接。
11.按照权利要求1所述的利用内燃机(10)的废热的装置，其特征在于，在耦合热交换器(40)的输入管中设置输送设备(64)。
全文摘要
本发明涉及一种用于利用内燃机(10)的废热的装置。在所述内燃机的排气歧管(20)中设置工作介质的回路(24)的热交换器(26)。在热交换器的前面设置泵(30)，其中，所述回路(24)包括膨胀机(28)。在工作介质的所述回路(24)中设置耦合热交换器(40)。回流管(24)的工作介质和内燃机(10)的冷却介质流过所述耦合热交换器(40)。
文档编号F01N5/02GK102472144SQ201080035569
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月22日 优先权日2009年8月12日
发明者施密特 A., 施特格迈尔 J., 施密特 M., 齐雄 M. 申请人:罗伯特·博世有限公司