ES2635548T3 - Sistema para la recuperación de calor de un motor de combustión - Google Patents
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Abstract
Sistema para la recuperación de calor (WHR) de un motor de combustión (E), comprendiendo el sistema unos medios de recuperación para desarrollar un ciclo de Rankine aprovechando el calor producido por el motor de combustión, comprendiendo dichos medios de recuperación un condensador para la condensación de un medio WHR, en el que el condensador (COND) es un intercambiador del tipo medio WHR al aire ambiente, en el que el motor (E) comprende además unos segundos medios para refrescar (ECC') un refrigerante de motor y en el que dichos segundos medios de refresco (ECC') comprenden un intercambiador del tipo líquido a medio WHR, en el que dichos medios de recuperación comprenden además unos intercambiadores de aire a medio WHR para calentar el medio WHR, en el que dichos intercambiadores de aire a medio WHR comprenden un primer calentador (H2) que aprovecha el calor contenido en los gases de escape del motor de combustión y caracterizado por que comprende unos medios para refrescar los gases recirculados (EGR) del tipo aire a líquido, en el que dicho líquido de refresco es dicho refrigerante de motor.
Description
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DESCRIPCION
Sistema para la recuperacion de calor de un motor de combustion Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un sistema para la recuperacion de calor de un motor de combustion, en particular en el campo de los grandes motores de desplazamiento.
Descripcion de la tecnica anterior
Los sistemas de recuperacion de calor residual (WHR) usan fuentes de calor del motor, tales como el gas de escape caliente, para convertir parte de esta energla en energla mecanica por medio de un expansor (Ex) que aprovecha el ciclo de Rankine.
Es bien sabido que el ciclo termodinamico funciona entre una fuente de alta temperatura y una fuente de baja temperatura.
Normalmente, la fuente frla es el refrigerante refrescado que sale del radiador del motor para enfriar el condensador y, a continuation, el motor de combustion. El condensador desarrolla la fase donde el medio gaseoso WHR, en la salida del expansor, se convierte en llquido antes de entrar en la bomba WHR (P).
Un esquema clasico de la tecnica anterior esta dibujado en la figura 1, en el que un motor de combustion sobrealimentado esta acoplado a un sistema de recuperacion de calor residual.
Una bomba P bombea el medio WHR en el sentido de las agujas del reloj de acuerdo con el circuito de trazos dibujado en la figura 1.
El calentador H1 aprovecha la alta temperatura de los gases de escape corriente abajo del filtro SCR. Por lo tanto, el calentador H1 es un intercambiador de calor de gas a medio WHR (independientemente de su naturaleza: gas/llquido).
Un expansor Ex genera energla mecanica que podrla transferirse al motor de combustion o a un generador electrico.
El aire ambiente refresca el CAC, es decir, el interenfriador, y el enfriador de refrigerante de motor. El CAC es habitualmente un intercambiador de aire/aire.
El condensador C usa el refrigerante de motor para enfriar el medio WHR, definiendo la fuente frla anteriormente mencionada del ciclo. Por lo tanto, el condensador es un “intercambiador de medio WHR a llquido”.
La desventaja de este tipo de recuperacion de energla es el calor adicional procedente del condensador que tiene que expulsarse por el enfriador. La limitation de la expulsion de calor restringe el uso del WHR especialmente con cargas de motor mas altas donde la expulsion de calor del motor esta en su llmite.
En particular, la liberation del calor al ambiente esta fuertemente limitada por el espacio disponible en el compartimento de motor para el intercambiador “a aire ambiente”.
De hecho, los intercambiadores “a aire ambiente”, el ECC y el CAC, emplean una cantidad significativa de espacio. Las fuentes de calor usadas son habitualmente los gases de escape y la potencia de enfriador EGR.
El documento CA2812160 desvela un circuito de Rankine equipado con multiples intercambiadores de calor, es decir, un enfriador EGR dispuesto en un circuito EGR y un intercambiador de calor de gases de escape dispuesto en un paso de descarga de gas, en el que el enfriador EGR y el intercambiador de calor de gases de escape estan dispuestos de manera que el enfriador EGR esta localizado corriente arriba del intercambiador de calor de gases de escape cuando se observa en la direction de flujo de un fluido de funcionamiento en el circuito de Rankine.
Sumario de la invencion
Por lo tanto, el objeto principal de la presente invencion es proporcionar un sistema para la recuperacion de calor de un motor de combustion que supere los problemas/inconvenientes anteriores.
El principio principal de la invencion se desvela en la revindication 1.
En particular, el condensador es del tipo intercambiador de medio WHR a aire, mientras que el enfriador de refrigerante de motor es un intercambiador de calor de liquido/liquido o de “liquido a vapor” de acuerdo con las condiciones de funcionamiento. En lo sucesivo, se usara la expresion intercambiador de “liquido a medio WHR”.
Esto conduce a un significado termodinamico completamente diferente de los componentes. En particular, el 5 condensador se dimensiona no solo para condensar/refrescar el medio WHR, sino tambien para refrescar el refrigerante de motor y, preferentemente, tambien el aire comprimido en la admision de motor. Por lo tanto, el enfriador de refrigerante de motor en este contexto desarrolla la funcion de precalentar/evaporar el medio WHR en lugar de funcionar conjuntamente con el condensador para refrescar el medio WHR. Por lo tanto, se usan mas fuentes de calor para el proceso WHR y aumenta la ganancia de consumo de combustible.
10 De acuerdo con una realizacion preferida de la presente invencion, el interenfriador es del tipo intercambiador de liquido/liquido, de manera que el espacio para la liberacion de calor “al aire ambiente” se reserva principalmente para el condensador.
De acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, se proporcionan unos medios de derivacion con el fin de evitar el calentamiento del medio de sistema en determinadas condiciones de funcionamiento criticas del motor de 15 combustion, de manera que no se vea comprometida la expulsion de calor del motor de combustion.
Estos y otros objetos se logran por medio de un aparato y un metodo como los descritos en las reivindicaciones adjuntas, que forman una parte integral de la presente descripcion.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion sera plenamente evidente a partir de la siguiente descripcion detallada, proporcionada a modo de una 20 mera ejemplificacion y no de ejemplo limitante, para leerse con referencia a las figuras de los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 muestra un esquema para la recuperacion de calor de un motor de combustion de acuerdo con la tecnica anterior,
- la figura 2 muestra un esquema de acuerdo con la presente invencion,
25 - la figura 3 muestra una realizacion basada en la figura 2.
Los mismos numeros y letras de referencia en las figuras indican las mismas partes o partes funcionalmente equivalentes.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
En la figura 2, se muestra una realizacion preferida del sistema para la recuperacion de calor, WHR.
30 La invencion esta especialmente adaptada, pero no limitada, a un motor de combustion E provisto de una unidad de sobrealimentacion, es decir, una turbina TB alimentada por los gases de escape y un compresor COM accionado por dicha turbina TB para la compresion del aire fresco que entra en el motor de combustion E.
El motor E podria estar provisto, ademas, de un interenfriador CAC' para refrescar el aire fresco comprimido por el compresor COM y/o de unos medios EGR con un enfriador EGR.
35 De acuerdo con la presente invencion, el condensador COND es del tipo medio WHR (medio de funcionamiento WHR) a aire ambiente. La flecha (solo) “aire ambiente” que atraviesa el condensador indica que el calor se expulsa directamente al aire ambiente en lugar de liberarse al refrigerante de motor.
El medio usado para el ciclo de Rankine, en el siguiente medio WHR, se bombea por la bomba P' a traves del intercambiador de refrigerante de motor, ECC', y, preferentemente, a traves del interenfriador CAC'. Por lo tanto, el 40 ECC' es un intercambiador de calor de liquido a medio WHR, mientras que el CAC' es un intercambiador de calor de aire a medio WHR. En el CAC', el medio WHR esta en una fase liquida.
Esto significa que, a pesar del tamano de bloque mostrado en la figura 2, CAC' y ECC' podrian ser muy pequenos en comparacion con los implementados por la tecnica anterior.
Esto tambien significa que tanto el CAC' como el ECC' no necesitan estar dispuestos en un punto especifico del 45 compartimento de motor, por ejemplo, en el lado delantero o bajo el capo, sino por el contrario, podrian estar dispuestos en cualquier lugar dentro del compartimento de motor, para una mejor optimizacion de la disposition de componentes.
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Ademas, la evaporacion del medio WHR en CAC' y ECC' reduce el problema de los esquemas de la tecnica anterior en los que puede producirse un sobrecalentamiento del radiador de refrigerante, ya que la fuente de calor es agua de motor a aproximadamente 105 °C de temperatura.
Esto significa que la evaporacion del medio WHR esta bien definida sin problemas de sobrecalentamiento.
Cuando tanto el ECC' como el CAC' se refrescan por el medio WHR, el medio WHR recibe un precalentamiento en el CAC' y, a continuacion, precalentamiento y evaporacion [es decir, la energla para provocar la evaporacion del medio WHR] en el ECC'. El enfriador EGR se enfrla con agua de motor y, por lo tanto, la energla se expulsa con el agua del motor y, por lo tanto, al medio WHR en el ECC'.
Esto resuelve el problema del estado de los sistemas de la tecnica, consistente en que una fuga de EGR hacia el intercambiador de calor WHR liberara el medio WHR en el motor (por ejemplo, quemando etanol). Ademas, el medio WHR se bombea a traves del calentador H2 aprovechando el calor contenido en los gases de escape, donde recibe la ultima contribucion de calentamiento antes de cruzar el expansor Ex'.
Por lo tanto, la fuente de frlo para el ciclo de Rankine es directamente el aire ambiente y no el aire ambiente a traves del refrigerante de motor. Esto permite una mayor flexibilidad en la seleccion de la temperatura del agua del motor para un rendimiento optimo. En particular, en el calentador ECC (refrigerante de motor), los sistemas conocidos alcanzan aproximadamente 85°, mientras que, de acuerdo con la presente invencion, la temperatura del refrigerante puede mantenerse a una temperatura superior a 90 °C y aproximadamente 105 °C. Esto ayuda a extraer mas energla y a aumentar la eficiencia de la WHR sin comprometer la vida util del motor de combustion y tambien significa que se mejora la eficiencia del ciclo de Rankine debido a la temperatura de condensacion reducida y el uso de mas y potencialmente cualquier fuente vehicular de calor, sin el problema del sobrecalentamiento del medio WHR.
El hecho de que el refrigerante de motor se refresque por el medio WHR, en lugar de directamente por el aire ambiente, permite una temperatura de refrigerante ligeramente mas alta, especialmente a temperaturas ambiente bajas.
Es bien conocido que es beneficioso un aumento de la temperatura del refrigerante con el fin de reducir la friccion del motor (y tambien reducir las perdidas de calor), debido principalmente a las temperaturas mas altas del aceite.
Por lo tanto, el CAC' desarrolla una nueva funcion con respecto a los esquemas de la tecnica anterior.
De acuerdo con una realizacion preferida de la presente invencion, dicho calentador H2 (intercambiador de calor de gases de escape) esta dispuesto corriente abajo del ATS, es decir, despues de que (de acuerdo con la direccion del flujo de gases de escape) uno o mas dispositivos reduzcan las emisiones contaminantes, por ejemplo, el catalizador sCr' u otros componentes, tales como DOC, trampas y/o filtros de limpieza de amoniaco.
De acuerdo con dicha realizacion preferida de la presente invencion, el circuito del sistema WHR incluye medios para que el WHRB evite el calentador H2.
En otras palabras, una valvula de tres vlas controla el flujo del medio WHR que atraviesa el calentador.
De acuerdo con otra realizacion preferida, los gases de escape tambien pueden evitar el calentador H2, a traves de un EGB de derivacion de gases de escape, que puede comprender un conducto de derivacion y una aleta para controlar el flujo de gas.
El sistema WHR se dirige por una unidad de control que comprueba las condiciones de funcionamiento del motor de combustion E, la temperatura del refrigerante del motor y da ordenes a dicha valvula de tres vlas y/o dicha aleta para garantizar el enfriamiento requerido del agua de motor en el ECC' y del aire fresco comprimido en la admision CAC'. Cuando se evita el calentador H2, se aprovecha toda la capacidad de expulsion de calor del condensador para enfriar el motor de combustion E, con un comportamiento mas controlable del sistema general WHR y el motor de combustion.
Debido a la posibilidad de excluir el calentador H2, solo pueden aprovecharse las fuentes de calor requeridas. De acuerdo con la invencion, dichas fuentes de calor son agua de motor (por lo tanto, el propio ECC'), enfriador EGR y, de acuerdo con una realizacion preferida de la invencion, dichas fuentes de calor tambien pueden ser CAC', el condensador de acondicionamiento. Sin embargo, esto significa que las mejoras de eficiencia son viables incluso con cargas (muy crlticas) donde los sistemas de recuperacion de ultima generacion tienen que apagarse debido a las limitaciones en la capacidad de enfriamiento. No obstante, de acuerdo con la presente invencion, cuando se evita el calentador H2, se permite que las otras fuentes de calor, en cualquier caso, realicen un ciclo de Rankine, pero sin comprometer la vida util del motor de combustion. Ademas, cuando se interrumpe el ciclo de Rankine, la capacidad
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de expulsion de calor del motor de combustion aumenta fuertemente con respecto al motor no provisto de los sistemas WHR y con respecto a los motores conocidos provistos de sistemas WHR de la tecnica anterior.
De acuerdo con una simulacion por ordenador, el beneficio en el consumo de combustible del motor puede aumentar de valores comunes de un 4 a 5 % a un 8 a 10% para una condicion de carga tlpica de punto de carga del 50 % de velocidad media para un camion pesado a 85 km/h.
Por medio de la presente invencion, se logran una serie de ventajas adicionales.
En primer lugar, de acuerdo con una realizacion preferida, solo un intercambiador entrega el calor “al aire ambiente”, en lugar de dos como en el esquema de la tecnica anterior.
En segundo lugar, la presion de vapor en el condensador se ajusta a la temperatura de condensacion requerida y puede reducirse considerablemente ampliando la gama de fluidos adecuados a emplear como medio WHR. De acuerdo con la presente invencion, la presion de vapor en el condensador puede ser de aproximadamente 1 bar o inferior.
El expansor puede producir energla mecanica, electrica o hidraulica para suministrar al motor de combustion. Tambien puede accionarse la bomba por el motor de combustion, el expansor o por un motor electrico.
Las funciones de dicha unidad de control podrlan integrarse en una unidad de control de motor.
El expansor puede conocerse per se.
De acuerdo con una realizacion preferida adicional de la invencion, que puede combinarse con otras expuestas anteriormente, el motor de combustion puede ser del tipo turbo-compuesto. Un esquema de turbo-compuesto tiene una turbina TBC, accionada por los gases de escape, y tiene su eje conectado con el ciguenal del motor con el fin de dotarlo de energla mecanica.
Entre el eje de turbina de turbo-compuesto y el ciguenal puede interponerse un embrague y/o unos engranajes de reduccion de rotacion.
El control de los varios componentes arquitectonicos descritos anteriormente puede implementarse ventajosamente en un programa informatico que comprende medios de codigo de programa para realizar una o mas etapas de dicho metodo, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.
Por esta razon, la patente tambien se referira a dicho programa informatico y al medio legible por ordenador que comprende un mensaje grabado, tal como el medio legible por ordenador que comprende los medios de codigo de programa para realizar una o mas etapas de dicho metodo, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.
Muchos cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones de la presente invencion seran evidentes para los expertos en la materia despues de considerar la memoria descriptiva y los dibujos adjuntos que desvelan las realizaciones preferidas de la misma. Todos estos cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones que no se alejan del alcance de la invencion se consideran cubiertos por la presente invencion.
Tambien pueden combinarse entre si otras implementaciones y las diversas realizaciones desveladas con la tecnica anterior expuesta. No se exponen otros detalles bien conocidos ya que los expertos en la materia son capaces de realizar la invencion partiendo de las ensenanzas de la descripcion anterior.
Claims (14)
- 51015202530354045REIVINDICACIONES1. Sistema para la recuperacion de calor (WHR) de un motor de combustion (E), comprendiendo el sistema unos medios de recuperacion para desarrollar un ciclo de Rankine aprovechando el calor producido por el motor de combustion, comprendiendo dichos medios de recuperacion un condensador para la condensacion de un medio WHR, en el que el condensador (COND) es un intercambiador del tipo medio WHR al aire ambiente, en el que el motor (E) comprende ademas unos segundos medios para refrescar (ECC') un refrigerante de motor y en el que dichos segundos medios de refresco (ECC') comprenden un intercambiador del tipo llquido a medio WHR, en el que dichos medios de recuperacion comprenden ademas unos intercambiadores de aire a medio WHR para calentar el medio WHR, en el que dichos intercambiadores de aire a medio WHR comprenden un primer calentador (H2) que aprovecha el calor contenido en los gases de escape del motor de combustiony caracterizado por que comprende unos medios para refrescar los gases recirculados (EGR) del tipo aire a llquido, en el que dicho llquido de refresco es dicho refrigerante de motor.
- 2. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el motor (E) comprende ademas unos primeros medios para refrescar (CAC') el aire fresco en la admision de motor, y en el que dichos primeros medios de refresco comprenden un intercambiador del tipo aire a medio WHR.
- 3. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicho condensador (COND) es el unico intercambiador “a aire ambiente” de ambos, el sistema de recuperacion y el motor de combustion (E).
- 4. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que el motor (E) comprende ademas unos terceros medios para refrescar (CAC') el aire fresco en la admision de motor, y en el que dichos terceros medios de refresco comprenden un intercambiador del tipo aire a medio WHR.
- 5. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dichos intercambiadores de aire a medio WHR comprenden un segundo calentador que aprovecha el calor expulsado en el condensador del sistema de acondicionamiento.
- 6. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 1 o 5, que comprende ademas unos medios de derivacion (WHRB) para evitar que el medio WHR pase a traves de uno o mas de dichos calentadores y/o medios (EGB) para evitar que los gases de escape pasen a traves de dicho primer calentador (H2).
- 7. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 6, que comprende ademas unos medios de control de dichos medios de derivacion (WHRB, EGB) configurados para reducir la recuperacion de calor en condiciones de motor de combustion de alta carga crlticas.
- 8. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la temperatura del refrigerante de agua de motor (fuente caliente) es superior a 90 °C.
- 9. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una presion de vapor en el condensador (COND) es de aproximadamente 1 bar o inferior.
- 10. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas un expansor (Ex') capaz de producir energla mecanica del lado del ciclo de Rankine.
- 11. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 10, en el que dicha energla mecanica se proporciona al motor de combustion (E) o se aprovecha para producir energla electrica por medio de un generador electrico.
- 12. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el motor (E) comprende un sistema de tratamiento posterior (ATS) que tiene al menos un catalizador y en el que el primer calentador (H2) esta dispuesto corriente abajo de dicho catalizador, de acuerdo con una direccion de flujo de gases de escape.
- 13. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el motor de combustion (E) comprende unos medios de sobrealimentacion que tienen al menos un grupo de sobrealimentacion (TB, COM).
- 14. Vehlculo terrestre provisto de un motor de combustion (E) y un sistema para la recuperacion de calor (WHR) del motor de combustion (E) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores de 1 a 13.
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2013
- 2013-04-08 EP EP13162727.5A patent/EP2789811B1/en active Active
- 2013-04-08 ES ES13162727.5T patent/ES2635548T3/es active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2789811B1 (en) | 2017-05-31 |
| EP2789811A1 (en) | 2014-10-15 |
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