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Die
Erfindung betrifft eine Dampfkreisprozessvorrichtung und ein Verfahren
zur Steuerung derselben, wobei die Dampfkreisprozessvorrichtung insbesondere
einen Teil eines Fahrzeugantriebes beziehungsweise eines Hilfsgetriebeantriebes
in einem Fahrzeug bildet.
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Dampfkreisprozesse,
beispielsweise ein Clausius-Rankine-Prozess, zur Erzeugung mechanischer
Leistung aus einem Wärmestrom sind bekannt und können
beispielsweise durch eine separate Brennereinheit in einer Kraft-Wärmekopplungs-Einrichtung
angetrieben werden. Für Fahrzeuge werden Dampfkreisprozessvorrichtungen
bevorzugt zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine
verwendet, wobei je nach Wahl des Arbeitsmittels und der Temperaturführung
des Dampfkreisprozesses als Wärmequellen der Kühlwasserstrom
der Verbrennungskraftmaschine oder bevorzugt deren Abgasstrom dienen.
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Zur
Leistungssteuerung von Dampfkreisprozessen wird durch die
DE 102 29 250 A1 eine
Regelung des Volumenstroms des Arbeitsmittels zum Verdampfer vorgeschlagen.
Dies setzt eine Arbeitsmittelpumpe mit variablem Fördervolumen
voraus, um einen vorgegebenen Volumenstrom- und/oder Drucksollwert
für das Arbeitsmittel in der Zuleitung zum Verdampfer einzustellen.
Zur Realisierung dieser Vorgabe kann der Arbeitsmittelpumpe ein
drehzahlvariabler Antrieb zugeordnet werden, was für eine
elektrisch betriebene Pumpe einen Elektromotor notwendig macht,
der jedoch für einen Fahrzeugantrieb aufgrund des erforderlichen
Bauraumerfordernisses nachteilig ist. Ferner stellt dieser einen
zusätzlichen elektrischen Verbraucher dar. Ist die Dampfkreisprozessvorrichtung
Teil eines Fahrzeugantriebs mit einer Verbrennungskraftmaschine,
so kann alternativ die Arbeitsmittelpumpe mittels einer Regelkupplung
drehzahlvariabel von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden.
Allerdings ist auch diese Lösung konstruktiv aufwendig,
hinsichtlich des Wirkungsgrades ungünstig und erfordert Bauraum
für die zusätzliche Regelkupplung.
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Weitere
Steuerungen für den Volumenstrom des Arbeitsmittels in
der Zuleitung zum Verdampfer sind aus der
US 4,573,323 und der
US 4,020,637 bekannt. Aus der erstgenannten
Druckschrift geht eine Anordnung mehrerer Pumpen hervor, die Arbeitsmittel
aus einem Reservoir beziehungsweise aus einem Zwischenbehälter
entnehmen, der zwischen einem Verdampfer und einem Überhitzer
für die Dampfphase des Arbeitsmittels angeordnet ist. Eine
dieser Pumpen ist als steuerbare Injektor-Pumpe ausgebildet, die
einer mit konstanter Geschwindigkeit angetriebenen Pumpe vorgelagert
ist, deren Fördervolumen eine Funktion der eingangs-zu-ausgangsseitigen
Druckdifferenz ist. Je nach Einstellung der Injektor-Pumpe wird
entweder Arbeitsmittel aus dem Zwischenbehälter oder dem
Reservoir der nachfolgenden Pumpe zugeführt. Mit dieser
insbesondere für die Betriebsaufnahme des Dampfkreisprozesses
vorgesehenen Vorrichtung ist es nicht möglich, den Volumenstrom
des Arbeitsmittels zum Verdampfer im Sinne einer Leistungsregelung
für den Dampfkreisprozess genau anzupassen.
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Aus
der voranstehend genannten
US 4,020,637 ist
eine Dampfkreisprozessvorrichtung bekannt, die durch eine Brennereinheit
angetrieben wird. Ein Teil der am Expander erzeugten mechanischen
Leistung wird zum Antrieb von Pumpen für das Arbeitsmittel
zum Verdampfer und für die Kraftstoffzufuhr zur Brennereinheit
verwendet. Durch diese Maßnahme besteht im Normalbetrieb
ein Gleichgewicht zwischen der Leistungsabgabe am Expander und der
hierfür notwendigen Dampfzufuhr, die wiederum vom Druck
in der Arbeitsmittelleitung und der Brennertemperatur abhängt.
Tritt eine Störung dieses Gleichgewichts ein, so werden
Ventile in Bypassleitungen an den Pumpen geöffnet, die
eine Rezirkulation des Arbeitsmittels beziehungsweise des Brennstoffs
zur Pumpeneingangsseite ermöglichen. Die Ventile in den
Bypassleitungen funktionieren als Wegeventile, das heißt
als Schalter, die einen Ein- und einen Aus-Zustand einnehmen können.
Ferner liegen in den Bypassleitungen Drosselstellen vor, um das
Druckgefälle an der Pumpe aufrechtzuerhalten. Aufgrund
der Gestaltung der offenbarten Bypassleitungen wird im Falle der Öffnung
der Bypassleitung lediglich eine Druckspitze abgebaut, so dass die
offenbarte Vorrichtung keine Regelung des Volumenstroms und/oder
des Drucks des Arbeitsmittels in der Zuleitung zum Verdampfer entlang
einer Sollkurve ermöglicht, stattdessen werden lediglich
im Fall eines Überdrucks die voranstehend beschriebenen
Maßnahmen getroffen. Entsprechendes gilt für die
Pumpeneinrichtung in der Zuleitung zum Brenner.
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Alternativ
kann die Arbeitsmittelpumpe drehstarr von der Verbrennungskraftmaschine
angetrieben werden. Bei einem solchen Antrieb läuft die
Arbeitsmittelpumpe in Abhängigkeit der Verbrennungskraftmaschinendrehzahl
um, so dass der geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom proportional
zur Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ist. Um auch bei niedrigen
bis mittleren Motordrehzahlen einen ausreichend hohen Arbeitsmittelvolumenstrom
zur Speisung des Verdampfers beziehungsweise des Expanders zu erhalten,
werden entsprechend größer dimensionierte Pumpen
eingesetzt. Dies bedeutet aber auch, dass aufgrund der drehstarren
Kopplung bei Maximaldrehzahlen des Motors auch ein dementsprechend
hoher Arbeitsmittelvolumenstrom zum Verdampfer erzeugt wird. Der
von der Arbeitsmittelpumpe geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom
ist somit deutlich größer als der benötigte
Volumenstrom für den Verdampfer beziehungsweise den Expander.
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Da
damit der Fördervolumenstrom immer proportional zur Motordrehzahl
und nicht zur anfallenden Wärmemenge ist, ist mit diesem
System keine optimale Führung der Dampfparameter möglich. Durch
die nicht optimale Prozessführung erhöht sich die
vom Kondensator abzuführende Wärmemenge im Verhältnis
zur Nutzleistung des Dampfprozesses. Dies ist besonders nachteilig
bei der Verwendung der Dampfkreisvorrichtung in einem Kraftfahrzeug,
da dort der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist
und größere und schwerere Komponenten zu einem
höheren Kraftstoffverbrauch führen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkreisprozessvorrichtung
sowie ein Verfahren zur Steuerung derselben anzugeben, die es ermöglichen,
insbesondere für Anwendungen in einem Kraftfahrzeug beziehungsweise
dessen Antriebsstrang den Kondensator kleiner und leichter als bisher
ausführen.
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Bevorzugt
soll zugleich auf eine separate, drehzahlvariabel einstellbare Antriebsmaschine
für die Arbeitsmittelpumpe verzichtet werden können und
dennoch das Fördervolumen des dem Verdampfer beziehungsweise
Expander zugeführten Arbeitsmittels zum Zweck einer Leistungsanpassung
variabel gestaltet, beziehungsweise der Druck des Arbeitsmittels
in der Zuleitung zum Verdampfer entsprechend einer Sollvorgabe eingestellt
werden können. Dabei wird eine konstruktiv und fertigungstechnisch
einfache Lösung gesucht, welche einen geringen Bauraum
beansprucht und darüber hinaus energieeffizient arbeitet.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Dampfkreisprozessvorrichtung
und ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen
gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass durch eine Abzweigung wenigstens eines
Teils des Arbeitsmittelvolumenstroms stromauf der Arbeitsmittelpumpe und
Zuführung des abgezweigten Teils zum den Expander stromab
verlassenden Arbeitsmittel, die Wärmeabführfläche
verringert und der Kondensator baulich kleiner ausgeführt
werden kann.
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Eine
erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung
umfasst ein Reservoir für ein flüssiges Arbeitsmittel
sowie einen Verdampfer, in dem das Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr
verdampft wird, wobei das dampfförmige Arbeitsmittel einem
Expander zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt
und nachfolgend in einem Kondensator verflüssigt wird,
der mit dem Reservoir in Verbindung steht. Erfindungsgemäß ist
eine Arbeitsmittelpumpe zur Zufuhr von Arbeitsmittel aus dem Reservoir
zum Verdampfer vorgesehen. Dabei wird in Arbeitsmittelflussrichtung
vor oder im Bereich des Kondensators flüssiges Arbeitsmittel
dem aus dem Expander austretendem Arbeitsmittel zugeführt.
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Auch
wenn die Erfindung besonders vorteilhaft bei Kraftfahrzeugen, insbesondere
Schienen-, Lastkraft- oder Personenwagen, verwendet werden kann,
ist es auch denkbar die erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung
beziehungsweise das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren
bei anderen mobilen Einrichtungen oder stationären Anlagen, insbesondere
zur Abgasenergierückgewinnung in Industrieanlagen einzusetzen.
Beispielsweise könnte der Expander dann zum Antrieb von
Aggregaten eingesetzt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Bypassleitung zur Zuführung des flüssigen
Arbeitsmittels vorgesehen, welche eine Verbindung zwischen einer
Ausgangsseite der Arbeitsmittelpumpe und einer Eingangsseite des
Kondensators herstellt. Dabei kann die Bypassleitung zum Beispiel
direkt im Druckraum der Arbeitsmittelpumpe münden, also
innerhalb der Arbeitsmittelpumpe angeordnet sein oder aber in einer
Verbindungsleitung zum Verdampfer. Ebenso kann das andere Ende der
Bypassleitung direkt im Kondensator oder in einer Leitung in Arbeitsmitteflussrichtung
vor dem Kondensator münden.
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Eine
weitere, bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Bypassleitung
mit ihrem einen Ende in einer Leitung zwischen Expander und Kondensator
mündet. Eine solche Mündung kann beispielsweise
als T-förmiges Verbindungsrohr ausgeführt sein.
Aber auch andere Formen sind denkbar.
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Ferner
wird eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der die Bypassleitung mit
ihrem einen Ende direkt im Expander mündet. Die Mündung
kann zum Beispiel im Auslassbereich, also stromab des Expansionsraumes
des Expanders vorgesehen sein, so dass die Zufuhr von flüssigem,
am Verdampfer vorbeigeleiteten Arbeitsmittel im Expandergehäuse
erfolgt.
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Die
Zuführung von flüssigem, vom Verdampfer abgezweigten
Arbeitsmittel zu dem den Expander verlassenden, in der Regel vollständig
dampfförmigen Arbeitsmittel, hat den Vorteil, dass der
Dampf kondensiert beziehungsweise wenigstens teilweise verflüssigt
wird. Durch das Zusammenbrechen des Dampfes an der Stelle der Zuführung
des flüssigen Arbeitsmittels ergibt sich ein verbesserter
Wärmeübergang sowie ein verringertes Volumen des
aus dem Expander in den Kondensator strömenden Arbeitsmittels,
so dass die Wärmeüberträgerfläche
zur Abfuhr der Abwärme im Kondensator kleiner ausgeführt
werden kann. Dadurch kann im Kondensator trotz kleinerer Dimensionierung
wenigstens die gleiche Wärmemenge wie bei herkömmlichen
größeren Kondensatoren ohne Zufuhr von flüssigem
Arbeitsmittel abgeführt werden.
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Besonders
vorteilhaft wird im Bereich der Zufuhr des flüssigen Arbeitsmediums
zu dem Expander verlassenden Arbeitsmedium die Flüssigkeitsoberfläche
des flüssigen Arbeitsmediums vergrößert.
Eine Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche
kann beispielsweise durch Zerstäuben des abgezweigten flüssigen
Arbeitsmediums erfolgen. Hierzu kann beispielsweise nach Art eines
Aerosols dem flüssigen Arbeitsmittel Luft zugeführt
werden, so dass ein Sprühnebel entsteht. Eine solche Zerstäubung
kann zum Beispiel mittels einer Venturi-Düse erfolgen. Auch
kann lediglich mittels hohen Druckes das flüssige Arbeitsmittel
durch eine geeignete Düse in eine Art Sprühstrahl überführt
werden. Der Vorteil einer Zerstäubung liegt auch darin,
dass das den Expander verlassende Arbeitsmittel besser mit dem zugeführten
flüssigen Arbeitsmittel vermischt wird.
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Auch
ist es denkbar, das den Dampf führende Rohr im des Zusammenführens
von flüssigem und dampfförmigem Arbeitsmittel
auf der Innenseite mit flüssigem Arbeitsmittel zu benetzen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung
einer Dampfkreisprozessvorrichtung variiert der von der Arbeitsmittelpumpe
geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom unabhängig
von einem Sollwert für den Druck und/oder den Volumenstrom
des Arbeitsmittels zum Verdampfer, und der dem Verdampfer und/oder
Expander zugeführte Arbeitsmittelvolumenstrom dadurch geregelt
und/oder gesteuert, dass ein Teil des Arbeitsmittelvolumenstromes aus
der Arbeitsmittelpumpe dem aus dem Expander austretenden Arbeitsmittel
zugeführt wird und somit nicht in den Verdampfer gelangt.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und der beigefügten Figuren exemplarisch erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
vereinfacht eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Dampfkreisprozessvorrichtung.
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2 eine
weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Dampfkreisprozessvorrichtung.
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1 zeigt
schematisch vereinfacht die Grundkomponenten einer Dampfkreisprozessvorrichtung.
Aus einem Reservoir 5 wird flüssiges Arbeitsmittel
mittels einer Arbeitsmittelpumpe 1 zum Verdampfer 2 gepumpt.
Im Verdampfer 2 erfolgt die Verdampfung des Arbeitsmittels,
wobei die hierfür notwendige thermische Energie aus einer
im Einzelnen nicht dargestellten Brennereinheit zugeführt wird.
Besonders bevorzugt ist die Dampfkreisprozessvorrichtung Teil eines
Fahrzeugantriebs mit einer Verbrennungskraftmaschine, deren Abwärme das
Arbeitsmittel im Verdampfer 2 erhitzt. Dabei kommen insbesondere
die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine in Betracht, wobei die
hierfür notwendigen Komponenten zur Vereinfachung der Darstellung
im Einzelnen nicht in 1 gezeigt sind. Der Verdampfer 2 kann
mehrstufig aufgebaut werden, insbesondere kann eine Überhitzungseinheit
für die Dampfphase vorgesehen sein.
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Das
Arbeitsmittel wird im dampfförmigen Zustand vom Verdampfer 2 dem
Expander 3 über eine Leitung 8 zugeführt,
in dem dieses unter Entspannung mechanische Arbeit verrichtet. Nachfolgend zum
Expander 3 wird das Arbeitsmittel im Kondensator 4 verflüssigt
und wieder in das Reservoir 5 zurückgeführt.
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Der
Expander 3, der allgemein auch als dampfgetriebene Kraftmaschine
bezeichnet werden kann, ist zum Beispiel als Kolbenmaschine, Dampfturbine
oder Kreiselmaschine ausgeführt.
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Als
bevorzugte Arbeitsmittelpumpe 1 wird eine Innenzahnradpumpe
verwendet, deren Drehzahl unabhängig von der Volumenstromvorgabe
in der Zuleitung zum Verdampfer 2 eingestellt wird.
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Im
Bereich der Ausgangsseite der Arbeitsmittelpumpe 1 ist
eine Bypassleitung 7 vorgesehen, welche mit ihrem einen
Ende im Kondensator 4 mündet und somit flüssiges
Arbeitsmittel mit dem aus dem Expander 3 in den Kondensator 4 einströmenden
dampfförmigen Arbeitsmittels mischt. Die Bypassleitung 7 umfasst
ein Ventil 6, welches beispielsweise als gesteuertes Überströmventil
oder Druckbegrenzungsventil ausgeführt sein kann. Auch
kann es sich hierbei um ein elektrisch, elektromagnetisch, pneumatisch
oder mechanisch betätigbares Proportionalventil handeln.
Das Ventil 6 kann beispielsweise von einer zentralen Steuereinheit,
wie einem Bordrechner betätigt werden.
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Auch
können im Ventil 6 und/oder in der Bypassleitung 7 geeignete
Sensoren zur Druckaufnahme angeordnet sein, welche Signale zur Regelung oder
Steuerung an eine zentrale Steuereinheit senden.
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Die 2 zeigt
ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Dampfkreisprozessvorrichtung, wobei für übereinstimmende
Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet
werden. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel
mündet die Bypassleitung 7 in einer Leitung 8,
welche Expander 3 und Kondensator 4 arbeitsmediumleitend
miteinander verbindet. Die Verbindungsstelle kann beispielsweise
als T-förmiges Verbindungsrohr ausgeführt sein.
In dem der Bypassleitung 7 zugewandten Teil des Verbindungsrohres
kann eine Düse vorgesehen sein, welche das flüssige
Arbeitsmittel aus der Bypassleitung 7 zerstäubt.
Die Düse kann auch in der Bypassleitung 7 angeordnet sein.
Durch die Düse soll eine Vergrößerung
der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen
Arbeitsmittels erfolgen, so dass das den Expander 3 verlassende, dampfförmige
Arbeitsmittel schneller abkühlt, wenn es auf die Flüssigkeitstropfen
des zerstäubten Arbeitsmittels trifft. Eine Zerstäubung
kann beispielsweise durch Ansaugen oder Zuführen von Luft,
wie Umgebungsluft erfolgen. Auch ist es natürlich denkbar,
das abgezweigte flüssige Arbeitsmittel aus der Bypassleitung 7 im
Verbindungsrohr beziehungsweise in der Zuführleitung durch
Benetzung auf die Innenseiten der Leitung 8 oder des Verbindungsrohres aufzubringen.
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Weiterhin
sind eine Vielzahl von Ausführungsformen denkbar, wobei
das Grundprinzip dasselbe bleibt: Das Arbeitsmittel wird am Austritt
der Arbeitsmittelpumpe 1 oder stromab der Arbeitsmittelpumpe 1,
vor oder im Bereich des Verdampfers 2 abgezweigt und dem
dampfförmigen Arbeitsmittel des Expanders 3 zur
Kühlung zugeführt.
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- 1
- Arbeitsmittelpumpe
- 2
- Verdampfer
- 3
- Expander
- 4
- Kondensator
- 5
- Reservoir
- 6
- Ventil
- 7
- Bypassleitung
- 8
- Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10229250
A1 [0003]
- - US 4573323 [0004]
- - US 4020637 [0004, 0005]