DE102010034231A1

DE102010034231A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102010034231A1
Application number: DE201010034231
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ralf (FH) Nüßle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-07
Filing date: 2010-08-07
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) eines Verbrennungsmotors (2), wobei der Abgasstrom (AG) primärseitig einem Wärmetauscher (3) zugeführt wird, dem sekundärseitig ein Arbeitsmedium (AM) zugeführt wird, das in einem dem Wärmetauscher (3) vorgeschalteten Verdichter (4) verdichtet und in einer dem Wärmetauscher (3) nachgeschalteten Turbine (5) entspannt wird. Erfindungsgemäß wird das Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess (JK) geführt, der aus dem Wärmetauscher (3), der Turbine (5), einem zwischen der Turbine (5) und dem Verdichter (4) angeordneten Kühler (6) und dem Verdichter (4) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 6.
Bekannte Techniken zur Energiegewinnung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors sind der Abgasturbolader und die Heizungsanlagen für Kraftfahrzeuge. Beim Abgasturbolader treibt der Abgasstrom eine Turbine an. Die Energie, die die Turbine liefert, nutzt ein Verdichter, um die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft zu verdichten. Die Verdichtung der Luft erhöht den Wirkungsgrad der Verbrennung und führt so zu einer Leistungssteigerung des Motors.
Alternativ ist dem Verbrennungsmotor ein Kreisprozess nachgeschaltet, bei dem der heiße Abgasstrom und zum Teil das Kühlmittel einer ersten Brennkraftmaschine als Wärmequelle zum Betrieb einer zweiten, nachgeschalteten Maschine im Kreisprozess verwendet wird. Bei dem Kreisprozess handelt es sich üblicherweise um einen so genannten Clausius-Rankine-Prozess, bei welchem ein flüssiges Medium Wärme aufnimmt, welches unter Wärmezufuhr überwiegend verdampft wird und anschließend in einer Expansionsmaschine unter Abgabe von mechanischer Energie an eine Abtriebswelle entspannt wird. Als Arbeitsmedium kommen hier organische Arbeitsstoffe, eine Mischung solcher organischer Arbeitsstoffe, Alkoholgemische oder Wasser-Alkoholgemische, Wasser mit bestimmten Additiven in Betracht.
Manche Arbeitsmittel für den nachgeschalteten Kreislauf, vor allem organische Arbeitsmittel, sind nicht für beliebig hohe Temperaturen geeignet, da sie z. B. instabil werden und chemisch zerfallen. Dies erlaubt den Einsatz dieser Arbeitsmittel nicht für entsprechende Temperaturen, wie sie z. B. bei der Nutzung von Abgaswärme auftreten. Kann das Abgas mit einer hohen Temperatur nicht genutzt werden, schlägt sich dies in einem entsprechend reduzierten Wirkungsgrad des nachgeschalteten Kreisprozesses nieder. Des Weiteren können diese organischen Arbeitsmittel bei deren Freisetzung umweltweltschädliche Wirkungen haben. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von Wasser in einem nachgeschalteten Rankine-Kreislauf. Reines Wasser hat den Nachteil, dass es bei Minustemperaturen gefriert und dem Wasser daher Zusatzstoffe beigefügt werden müssen, um dieses zu verhindern. Der Gehalt dieser Zusatzstoffe ist dann immer wieder zu überprüfen und entsprechend zu korrigieren, was zu einem entsprechend hohen Wartungsaufwand führt. Des Weiteren besteht das Problem, dass sich die Zusammensetzung des Wassers und der verwendeten Zusatzstoffe durch deren unterschiedliche Eigenschaften (unterschiedliche Siedetemperaturen) unterschiedlich verflüchtigen und damit ändern, was insgesamt das Verhalten des Arbeitsmediums des nachgeschalteten Rankine Kreislaufes beeinflussen kann. Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, dass das Volumen von Wasser bei der Verdampfung sehr stark ansteigt, was letztendlich zu sehr großen Volumenströmen und damit zu großen Strömungsquerschnitten und zu einem sehr großen Bauraumbedarf für den nachgeschalteten Rankine Kreislauf mit Wasser als Arbeitsmittel führt, was insbesondere bei der Verwendung in Fahrzeugen von Nachteil ist.
Des Weiteren sind die aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Abwärmerückgewinnungseinheiten zum Teil in ihrem Aufbau relativ komplex und aufwendig, was zu einem hohen Bauraumbedarf und einer hohen Komplexität verbunden mit hohen Kosten führt.
Aus der DE 199 60 762 A1 und der EP 1 408 224 A1 sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen ein Gasturbinenprozess mit einem Wärmetauscher, der die Abgaswärme als Energiequelle nutzt, dem Verbrennungsmotor nachgeschaltet ist. Der Wärmetauscher entzieht dem primärseitig zugeführten Abgasstrom des Verbrennungsmotors Energie in Form von Wärme, die dem sekundärseitig geführten Arbeitsmedium in einem offenen Gasturbinensystem zugeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors anzugeben, bei welchen die Energierückgewinnung bei möglichst kompaktem Bauraum der Vorrichtung gesteigert ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors wird der Abgasstrom primärseitig einem Wärmetauscher zugeführt, dem sekundärseitig ein Arbeitsmedium zugeführt wird, das in einem dem Wärmetauscher vorgeschalteten Verdichter verdichtet und in einer dem Wärmetauscher nachgeschalteten Turbine entspannt wird.
Erfindungsgemäß wird das Arbeitsmedium sekundärseitig in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess geführt, der aus dem Wärmetauscher, der Turbine, einem zwischen der Turbine und dem Verdichter angeordneten Kühler und dem Verdichter gebildet ist. Anstelle der Turbine kann auch eine andere Strömungsmaschine eingesetzt werden.
Die Erfindung verbessert die Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren, indem abgasseitig des Verbrennungsmotors ein geschlossener Joule-Kreisprozess geschaltet ist, in welchem das Arbeitsmedium die Wärmeenergie aus dem Abgasstrom aufnimmt, wobei es aufgeheizt und beschleunigt wird, so dass hohe Wärmeübertragungsleistungen ermöglicht sind. Dabei ersetzt der Wärmetauscher die aus einem offenen Gasturbinen- oder Joule-Kreisprozess bekannte Brennkammer, in welcher üblicherweise dem verdichteten Arbeitsmedium Wärmeenergie zugeführt wird. Eine auf diese Weise ausgeführte Energierückgewinnung weist gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und sind die Kosten aufgrund der kompakten Bauweise deutlich reduziert.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das Arbeitsmedium in einem einstufigen Joule-Kreisprozess geführt, wobei im Joule-Kreisprozess ein unteres Druckniveau auf einen Wert über dem Umgebungsdruck eingestellt oder gehalten wird. Dabei bezieht sich das untere Druckniveau gemäß der Erfindung auf das nach der Turbine und vor dem Verdichter eingestellte Druckniveau. Dadurch, dass das untere Druckniveau des Joule-Kreisprozesses über, insbesondere deutlich über dem Umgebungsdruck liegt, lassen sich relativ hohe Massenströme im Verhältnis zu entsprechenden Volumenströmen innerhalb des Kreisprozesses bewegen. Beispielsweise wird ein unteres Druckniveau größer 2 bar, insbesondere im Bereich von größer 5 bar, typischerweise von 8 bis zu 12 bar. Es kann auch ein Bereich größer 12 bar eingestellt werden. Prinzipiell ist ein möglichst hohes Druckniveau anzustreben um die Leistungsdichte möglichst stark steigern zu können. Hierdurch sind relativ kleine Bauräume, insbesondere Rohrleitungsquerschnitte, bei gleichzeitig hohem Massenstrom durch die Vorrichtung zur Energierückgewinnung bzw. innerhalb des geschlossenen Joule-Kreisprozesses und damit relativ hohe Leistungsdichten ermöglicht. Des Weiteren werden durch die Verwendung eines hohen unteren Druckniveaus im Joule-Kreisprozess relativ hohe Wärmeübertragungsleistungen in den Wärmeübertragern, wie dem Wärmetauscher und dem Kühler des nachgeschalteten Joule-Kreisprozesses ermöglicht, was zu einem entsprechend verringerten Bedarf an Wärmeübertragerflächen und damit des notwendigen Bauraums des Kühlers und des Wärmetauschers führt.
Vorzugsweise wird das Arbeitsmedium in der Turbine auf das untere Druckniveau expandiert. Dies ermöglicht eine einfache Einstellung und Beibehaltung des unteren Druckniveaus auf einen hohen Wert, insbesondere auf einen Wert oberhalb des Umgebungsdrucks. Zudem ermöglicht dies einen hohen Massenstrom und -durchsatz des Arbeitsmediums durch die Komponenten des Joule-Kreisprozesses, insbesondere durch den Wärmetauscher (auch Abgaswärmetauscher genannt), den Kühler (auch Abwärmeübertrager genannt), den Verdichter und die Turbine bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf.
Zweckmäßigerweise wird das Arbeitsmedium im Verdichter auf ein oberes Druckniveau verdichtet.
Vorzugsweise wird als Arbeitsmedium ein inertes, nicht brennbares Medium, insbesondere ein Gas, wie Helium, Kohlendioxid, oder ein nicht inertes Medium, insbesondere trockene Luft verwendet. Ein derartiges Medium ermöglicht eine hohe Verdichtung und weist eine hohe Wärmekapazität auf.
Die Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors umfasst eine Abgasleitung die abgasseitig vom Verbrennungsmotor primärseitig in einen Wärmetauscher mündet, dem sekundärseitig ein Verdichter zur Verdichtung eines den Wärmetauscher durchströmenden Arbeitsmediums vorgeschaltet und eine Turbine zur Entspannung des Arbeitsmediums nachgeschaltet ist. Erfindungsgemäß ist zwischen der Ausgangsseite der Turbine und der Eingangsseite des Verdichters ein Kühler derart angeordnet, dass abgasseitig vom Verbrennungsmotor ein aus dem Wärmetauscher, der Turbine, dem Kühler und dem Verdichter gebildeter, geschlossener Joule-Kreisprozess nachgeschaltet ist. Durch eine Nachschaltung eines solchen geschlossenen Joule-Kreisprozesses abgasseitig des Verbrennungsmotors kann der Wirkungsgrad des Gesamtaggregates (also Verbrennungsmotor und Vorrichtung zur Energierückgewinnung) erhöht werden.
Vorzugsweise ist der Joule-Kreisprozess als ein einstufiger Joule-Kreisprozess ausgeführt, wobei im Joule-Kreisprozess ein unteres Druckniveau auf einen Wert über dem Umgebungsdruck einstellbar ist. Durch die Einstellung eines hohen unteren Druckniveaus oberhalb des Umgebungsdrucks sind relativ hohe Wärmeübertragungsleistungen in den Wärmeübertragern des geschlossenen Joule-Kreisprozesses beziehungsweise hohe Leistungsdichten der Turbine und des Verdichters, also praktisch des gesamten geschlossenen Joule Kreislaufes ermöglicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Rekuperator vorgesehen, der primärseitig zwischen dem Austritt der Turbine und dem Eintritt des Kühlers und sekundärseitig zwischen dem Austritt des Verdichters und dem Eintritt des Wärmetauschers geschaltet ist. Eine solche, innerhalb des geschlossenen Joule-Kreisprozesses realisierte weitere Wärmeübertragung ermöglicht eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung und des Gesamtaggregats, insbesondere des Antriebsstrangs. Da das Druckniveau des Arbeitsmediums auf dem unteren Druckniveau, also nach der Turbine und vor dem Verdichter und somit im Bereich des Rekuperators, deutlich über dem Umgebungsdruck eingestellt wird, sind auch beim Rekuperator hohe Wärmeübertragungsleistungen ermöglicht, wodurch eine hohe Leistungsdichte und ein niedriger Bauraumbedarf erzielt sind.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das aus dem Kühler austretende Arbeitsmedium einem Generator zu dessen Kühlung zuführbar. Mit anderen Worten: Das Arbeitsmedium ist nach der Rückkühlung und somit am kältesten Punkt im geschlossenen Joule-Kreisprozess dem Generator zur Kühlung zuführbar. Somit entfällt eine separate Kühlung des Generators, wodurch ein einfacher Aufbau, geringer Bauraum, geringes Gewicht und geringe Kosten für die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung sichergestellt sind.
Vorzugsweise ist ein Generator vor dem Verdichter und der Turbine auf einer gemeinsamen Welle mit diesen angeordnet. Eine solche Generator-Verdichter-Turbinen-Anordnung verhindert unerwünschte Wärmeübergänge zwischen den einzelnen Komponenten und somit Wärmeverluste. Zudem stellt die Anordnung eine einfache Konstruktion dar. Alternativ kann der Generator zwischen dem Verdichter und der Turbine auf einer gemeinsamen Welle mit diesen angeordnet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, wobei abgasseitig vom Verbrennungsmotor ein geschlossener Joule-Kreisprozess nachgeschaltet ist,
2 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess mit integriertem Rekuperator,
3 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess mit integriertem Rekuperator und einem mittels des im Joule-Kreisprozess abgekühlten Arbeitsmediums gekühlten Generator,
4 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess mit einer Generator-Verdichter-Turbinen-Anordnung auf einer gemeinsamen Welle,
5 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess mit zweigeteiltem Kühler,
6 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess mit Luft als Arbeitsmedium aus der Druckluftversorgungsanordnung eines Nutzfahrzeugs und
7 schematisch die alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess mit Luft als Arbeitsmedium aus der Druckluftversorgungsanordnung eines Nutzfahrzeugs gemäß 6 und mit einem Verdichter zur Verdichtung der Luft.
Einander entsprechende Bezugszeichen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG eines Verbrennungsmotors 2. Bei dem Verbrennungsmotor 2 kann es sich um einen Diesel- oder Ottomotor oder eine andere Verbrennungsmaschine z. B. eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs handeln. 1 zeigt einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor.
Erfindungsgemäß ist abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 ein geschlossener Joule-Kreisprozess JK nachgeschaltet.
Der Joule-Kreisprozess JK ist ein thermodynamischer Kreisprozess nach dem Physiker James Prescott Joule. Der geschlossene Joule-Kreisprozess JK umfasst einen Wärmetauscher 3, der primärseitig vom Abgasstrom AG durchströmt wird und sekundärseitig von einem Arbeitsmedium AM des Joule-Kreisprozesses JK durchströmt wird. Der Wärmetauscher 3 wird auch als Abgaswärmetauscher bezeichnet.
Primärseitig mündet eine Abgasleitung L1 in den Wärmetauscher 3 und geht von diesem wieder ab.
Sekundärseitig ist dem Wärmetauscher 3 im Joule-Kreisprozess JK eingangsseitig ein Verdichter 4 vorgeschaltet. Ausgangsseitig ist dem Wärmetauscher 3 im Joule-Kreisprozess JK eine Turbine 5 nachgeschaltet. Zwischen der Turbine 5 und dem Verdichter 4 ist im geschlossenen Joule-Kreisprozess JK ein Kühler 6, insbesondere ein Rückkühler oder Gaskühler angeordnet. Der Verdichter 4 und die Turbine 5 sind unter Zwischenschaltung eines Generators 7 mit diesem auf einer gemeinsamen Welle 8 angeordnet. Anstelle der Turbine 5 kann auch eine andre Strömungsmaschine eingesetzt werden.
Die Erfindung besteht darin, dass dem Verbrennungsmotor 2 kein so genannter Rankine-Prozess nachgeschaltet ist, sondern der geschlossene Joule-Kreisprozess JK, d. h. ein geschlossener Gasturbinenprozess.
Dabei wird das untere Druckniveau des Arbeitsmediums AM in dem nachgeschalteten, geschlossenen Joule-Kreisprozess JK deutlich über dem Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck eingestellt oder gehalten. Beispielsweise beträgt das untere Druckniveau des Arbeitsmediums AM mindestens 2 bar, insbesondere ist es größer 5 bar, typischerweise 8 bis 12 bar oder größer.
Das innerhalb des geschlossenen Joule-Kreislaufs JK vorzugsweise verwendete Arbeitsmedium AM (auch Arbeitsgas oder Arbeitsmittel genannt) ist ein inertes, nichtbrennbares Gas, welches bei z. B. Raumtemperatur gasförmig ist. Als Arbeitsmedium AM wird beispielsweise ein Gas wie Helium oder Kohlendioxid verwendet. Alternativ kann als nicht-inertes Gas z. B. trockene Luft verwendet werden. Diese Gase zeichnen sich dadurch aus, dass sie chemisch stabil sind und mit sehr hohen Abgastemperaturen beaufschlagt werden können, ohne dass sie zerfallen.
Der heiße Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 wird verwendet, um den nachgeschalteten Joule-Kreisprozess JK (speziell den geschlossenen Gasturbinenprozess) zu beheizen. Dies ist besonders vorteilhaft, da speziell die heißen Abgase aus energetischer und thermodynamischer Sicht über ein Temperaturniveau verfügen, das arbeitsfähig ist und damit zu einem relativ hohen Gesamtwirkungsgrad führen kann. Dies ist auch aus Sicht des Bauaufwandes mit geringerem Bauraumbedarf, geringeren Kosten, geringerem Gewicht vorteilhaft, da der Aufwand für den nachgeschalteten Joule-Kreisprozess JK zwar vorhanden ist, jedoch durch die Nutzung des hohen und damit thermodynamisch arbeitsfähigen Temperaturniveaus zu einem relativ hohen Wirkungsgradgewinn im Vergleich zur Nichtnutzung des Temperaturniveaus des Abgasstroms AG führt.
Dadurch, dass das untere Druckniveau des Joule-Kreisprozesses JK deutlich über dem Umgebungsdruck liegt, lassen sich relativ hohe Massenströme im Verhältnis zu den entsprechenden Volumenströmen innerhalb des Joule-Kreisprozesses JK bewegen, was zu relativ kleinen Bauräumen (z. B. Rohrleitungsquerschnitte) bei gleichzeitig hohem Massenstrom durch die Komponenten, d. h. durch die Turbine 5 und den Verdichter 4, und damit zu relativ hohen Leistungsdichten führt. Des Weiteren lassen sich durch die Verwendung eines hohen unteren Druckniveaus im Joule-Kreisprozess JK auch relativ hohe Wärmeübertragungsleistungen in den einzelnen Wärmeübertragern, wie dem Wärmetauscher 3 und dem Kühler 6, des nachgeschalteten Joule-Kreisprozesses JK realisieren.
Darüber hinaus besteht die Gefahr eines so genannten Einfrierens bei der Verwendung eines inerten Gases, wie Kohlendioxid oder Helium oder bei der Verwendung von trockener Luft, im Gegensatz zu Wasser nicht.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 werden im Wärmetauscher 3 primärseitig, d. h. auf der Wärme abgebenden Seite, die sehr heißen Motorabgase, d. h. der Abgasstrom AG, des Verbrennungsmotors 2 geführt. Sekundärseitig, d. h. auf der Wärme aufnehmenden Seite, des Wärmetauschers 3 strömt das hoch verdichtete Arbeitsmedium AM des nachgeschalteten Joule-Kreisprozesses JK.
Das Arbeitsmedium AM (z. B. Helium oder CO₂) wird hierbei durch den Verdichter 4 auf ein oberes Druckniveau angehoben. Im Wärmetauscher 3 wird die Wärmeenergie des heißen Abgasstroms AG auf das verdichtete Arbeitsmedium AM übertragen. Das verdichtete und stark erwärmte Arbeitsmedium AM wird der Turbine 5, einer Expansionsmaschine, zugeführt und dort expandiert und in mechanische Arbeit an der Welle 8 der Turbine 5 freigesetzt wird. Die an der Welle 8 der Turbine 5 freiwerdende Arbeit/Energie dient zum einem dem Antrieb des Verdichters 4 und zum anderen dem Antrieb des Generators 7, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, die zum Antrieb von Aggregaten, der Zwischenspeicherung oder der Antriebsunterstützung des Verbrennungsmotors 2 dienen kann.
Nach der Expansion des Arbeitsmediums AM in der Turbine 5 wird das Arbeitsmedium AM in dem Kühler 6 (Rückkühler, Gaskühler) rückgekühlt und wiederum dem Verdichter 4 zugeführt. Der Kühler 6 kann hierbei direkt von Luft durchströmt und somit gekühlt werden oder an einen entsprechenden Kühlkreislauf angeschlossen sein.
Im Verdichter 4 wird das Arbeitsmedium AM vom unteren auf das obere Druckniveau verdichtet und dann dem Wärmetauscher 3 zugeführt, in welchem das Arbeitsmedium AM die Wärmeenergie des heißen Abgasstroms AG aufnimmt.
Das Arbeitsmedium AM wird in der Turbine 5 auf ein Druckniveau expandiert, welches deutlich über dem Umgebungsdruck liegt. Dies ermöglicht einen hohen Massendurchsatz des Arbeitsmediums AM durch die Vorrichtung 1 bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf. Des Weiteren führt die hohe Gasdichte innerhalb der Wärmeübertrager (Wärmetauscher 3 und Kühler 6) zu hohen Wärmeübertragungsleistungen, was zu geringem Bauraum der einzelnen Wärmeübertrager führt.
2 zeigt einen zur 1 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass hier zusätzlich ein Rekuperator 9 vorgesehen ist, dessen Primärseite zwischen dem Austritt der Turbine 5 und dem Eintritt in den Kühler 6 und dessen Sekundärseite zwischen dem Austritt des Verdichters 4 und dem Eintritt des Wärmetauschers 3 angeordnet sind.
Diese Prozessführung mit dem im geschlossenen Joule-Kreisprozess JK integrierten Rekuperator 9 zur „inneren” Wärmeübertragung weist einen erhöhten Wirkungsgrad der Vorrichtung 1 und somit der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung und damit einen erhöhten Wirkungsgrad der gesamten Antriebseinheit (also Verbrennungsmotor 2 und Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung bzw. Abwärmerückgewinnungsvorrichtung) auf.
Das expandierte, aus der Turbine 5 austretende Arbeitsmedium AM wird dem Rekuperator 9 zugeführt, in welchem die im Arbeitsmedium AM nach der Expansion noch enthaltene Restwärme an das durch den Verdichter 4 komprimierte Arbeitsmedium AM vor Eintritt in den Wärmetauscher 3 zumindest teilweise übertragen wird. Dadurch, dass das Druckniveau des Arbeitmediums AM auf dem unteren Druckniveau (also nach der Turbine und vor dem Verdichter) auf einen deutlich über dem Umgebungsdruck befindlichen Druckniveau eingestellt wird, lassen sich beim Rekuperator 9 hohe Wärmeübertragungsleistungen realisieren, was wiederum zu einer hohen Leistungsdichte bzw. einem niedrigen Bauraumbedarf der Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung bzw. Abwärmerückgewinnungsvorrichtung führt.
3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß 2. Im Unterschied zur Vorrichtung 1 nach 2 wird das Arbeitsmedium AM nach der Rückkühlung im Kühler 6 (und damit praktisch am kältesten Punkt im Joule-Kreisprozess JK) und vor dem Eintritt in den Verdichter 4 derart geführt, dass es in den Bereich des elektrischen Generators 7 oder durch diesen geführt wird, um ihn zu kühlen. Hierdurch ist für die Kühlung des Generators 7 keine separate Kühlung mehr notwendig, was zu einem insgesamt relativ einfachen Aufbau, geringen Bauraum, geringen Gewicht und geringen Kosten für die Vorrichtung 1 führt.
4 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zum Aufbau der Vorrichtung 1 gemäß 3 sind der Generator 7, die Turbine 5 und der Verdichter 4 in einer anderen Reihenfolge auf der gemeinsamen Welle 8 angeordnet. Gemäß 3 ist der Generator 7 zwischen dem Verdichter 4 und der Turbine 5 angeordnet. Gemäß 4 ist der Generator 7 vor dem Verdichter 4 und der Turbine 5 auf der Welle 8 angeordnet. Das heißt, die Anordnung von Generator 7, Verdichter 4 und Turbine 5 ist bevorzugt so gewählt, dass die einzelnen Komponenten (Generator 7, Verdichter 4 und Turbine 5) entsprechend dem auftretenden Temperaturniveau an oder in der einzelnen Komponente auf der gemeinsamen Welle 8 angeordnet sind.
Dies bedeutet: Der Generator 7 mit dem niedrigsten Temperaturniveau ist vor dem Verdichter 4 mit einem mittleren Temperaturniveau und der Turbine 5 mit dem höchsten Temperaturniveau auf der Welle 8 angeordnet. Diese Anordnung verhindert Thermospannungen innerhalb der Maschinenanordnung von Generator-Verdichter-Turbine. Somit sind ungünstige Wärmeübergange von den einzelnen Komponenten zueinander und Wärmeverluste vermieden.
Durch eine solche Anordnung lässt sich die Maschinenanordnung von Generator-Verdichter-Turbine relativ einfach auslegen bzw. die Konstruktion lässt sich relativ einfach gestalten und ausführen, da hier keine besonderen Maßnahmen zur Verhinderung von z. B. Thermospannungen und Wärmeverlusten innerhalb dieser Maschinenanordnung Generator-Verdichter-Turbine getroffen werden müssen. So lassen sich bei dieser Anordnung aus der Erwärmung resultierende Längenausdehnungen relativ einfach beherrschen, ohne besonderen konstruktiven Aufwand betreiben zu müssen.
Die Strich-Punkt-Punkt-Linie um den Generator 7, den Verdichter 4 und die Turbine 5 stellt dar, dass die Maschinenanordnung von Generator-Verdichter-Turbine in hermetischer Bauweise ausgeführt ist, was insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Dichtigkeit von besonderer Bedeutung ist. Dies bedeutet, dass aus der hermetischen Einheit, in welcher der Generator 7, der Verdichter 4 und die Turbine 5 angeordnet sind, praktisch nur die elektrischen Leitungen des Generators 7 herausgeführt und entsprechende Anschlüsse für die Rohrleitungen hin zum Wärmetauscher 3, Rekuperator 9 oder Kühler 6 und zurück vorhanden sind. Dies ermöglicht eine optimale Abdichtung der Maschinenanordnung von Generator-Verdichter-Turbine, so dass die Leckageverluste des Arbeitsmediums AM minimiert werden können.
In der 5 ist zusätzlich ein Kühlkreislauf KK (gestrichelte Linie) mit einer Pumpe 10, z. B. eine Kühlmittelpumpe, des Verbrennungsmotors 2 dargestellt. Mittels des im Kühlkreislauf KK geführten Kühlmittels KM wird das Arbeitsmedium AM des Joule-Kreisprozesses JK zusätzlich gekühlt. Hierzu ist der Kühler 6 als ein Rückkühler ausgebildet, welcher im Gegenstromprinzip sowohl vom Kühlmittel KM des Kühlkreislaufs KK als auch vom Arbeitsmedium AM des Joule-Kreisprozesses JK durchströmt wird.
Die in 5 dargestellte Anordnung ermöglicht es, den Kühlkreislauf KK des Verbrennungsmotors 2 relativ schnell aufzuwärmen (durch die Rückkühlung des Arbeitsmediums AM der Abwärmerückgewinnungseinrichtung), was die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 2 verkürzt und damit zu einem reduzierten Verbrauch und verringerten Schadstoffemissionen in diesem Betriebsbereich führt.
Über die Drehzahl der Pumpe 10 und über die Stellung von Ventilen 11 und 12 im Kühlreislauf KK des Verbrennungsmotors 2 lässt sich der Anteil des Kühlmittels KM, welcher über den Rückkühler 6 fließen soll und welcher über einen im Kühlkreislauf KK angeordneten Hauptkühler 13 fließen soll, einstellen. So können z. B. in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 2 die Ventile 11, 12 und die Pumpe 10 des Kühlkreislaufes KK so eingestellt werden, dass ein hoher Anteil des Kühlmittels KM durch den als Rückkühler ausgebildeten Kühler 6 strömt. Dabei nimmt das Kühlmittel KM einen hohen Anteil der Restwärme des Arbeitsmediums AM der Vorrichtung 1 zu Energierückgewinnung bzw. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung auf, welche letztendlich aus den Abgasen des Verbrennungsmotors 2 stammt. Der Hauptkühler 13 wird hierbei umgangen, so dass das Kühlmittel KM nur in einem „kleinen” Kühlkreislauf während der Warmlaufphase umgewälzt und erwärmt wird. Damit heizt der Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 den Kühlkreislauf KK des Verbrennungsmotors 2 und damit den Verbrennungsmotor 2 selbst schnell auf, was zu oben genannten Vorteilen führt.
Die Pfeile P1 zeigen den Verlauf des Kühlmittels KM in der Warmlaufphase (Pfeil P1 – Volllinie) und während des normalen Betriebs (Pfeil P2 – gestrichelte Linie).
6 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform für die Vorrichtung 1. Dabei wird im Joule-Kreisprozess JK Luft L, insbesondere getrocknete Luft als Arbeitsmedium AM verwendet, die beispielsweise aus einer Druckluftversorgungsanordnung 14 mit einem Luftverdichter 15 und einem Speicher 16 eines nicht dargestellten Nutzfahrzeugs dem Joule-Kreisprozess JK nach dem Kühler 6 und vor dem Verdichter 4 zugeführt wird. Zur Einstellung der Zuführung der Luft L ist ein weiteres Ventil 17 vorgesehen.
7 zeigt eine alternative Ausführungsform für die Vorrichtung 1 gemäß 6 mit einem Zusatzverdichter 18 zur Verdichtung der Luft L. Das heißt, die bereits in der Druckluftversorgungsanordnung 14 verdichtete Luft L wird über einen weiteren, kleinen und nur selten betriebenen Zusatzverdichter 18, insbesondere einem Kompressor, auf ein höheres Druckniveau angehoben. Das Ventil 17 kann als Rückschlagventil ausgebildet sein, um den Joule-Kreisprozess JK auf ein entsprechend hohes Druckniveau einzustellen oder zu halten. Hierdurch können eventuell auftretende Leckageverluste im geschlossenen Joule-Kreisprozess JK ausgeglichen werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Energierückgewinnung
2: Verbrennungsmotor
3: Wärmetauscher
4: Verdichter
5: Turbine
6: Kühler
7: Generator
8: Welle
9: Rekuperator
10: Pumpe
11: Ventil
12: Ventil
13: Hauptkühler
14: Druckluftversorgungsanordnung
15: Luftverdichter
16: Speicher
17: Ventil
18: Zusatzverdichter
AG: Abgasstrom
AM: Arbeitsmedium
JK: Joule-Kreisprozess
KK: Kühlkreislauf
KM: Kühlmittel
L: Luft
L1: Abgasleitung
P1: Pfeil
P2: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19960762 A1 [0006]
EP 1408224 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) eines Verbrennungsmotors (2), wobei der Abgasstrom (AG) primärseitig einem Wärmetauscher (3) zugeführt wird, dem sekundärseitig ein Arbeitsmedium (AM) zugeführt wird, das in einem dem Wärmetauscher (3) vorgeschalteten Verdichter (4) verdichtet und in einer dem Wärmetauscher (3) nachgeschalteten Turbine (5) entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess (JK) geführt wird, der aus dem Wärmetauscher (3), der Turbine (5), einem zwischen der Turbine (5) und dem Verdichter (4) angeordneten Kühler (6) und dem Verdichter (4) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) in einem einstufigen Joule-Kreisprozess (JK) geführt wird, wobei im Joule-Kreisprozess (JK) ein unteres Druckniveau auf einen Wert über dem Umgebungsdruck eingestellt oder gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) in der Turbine (5) auf das untere, Druckniveau expandiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) im Verdichter (4) auf ein oberes Druckniveau verdichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium (AM) ein inertes, nicht brennbares Medium, insbesondere ein Gas, wie Helium, Kohlendioxid oder getrocknete Luft verwendet wird.
Vorrichtung (1) zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) eines Verbrennungsmotors (2), wobei abgasseitig vom Verbrennungsmotor (2) eine Abgasleitung (L1) primärseitig in einen Wärmetauscher (3) mündet, dem sekundärseitig ein Verdichter (4) zur Verdichtung eines den Wärmetauscher (3) durchströmenden Arbeitsmediums (AM) vorgeschaltet und eine Turbine (5) zur Entspannung des Arbeitsmediums (AM) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ausgangsseite der Turbine (5) und der Eingangsseite des Verdichters (4) ein Kühler (6) derart angeordnet ist, dass abgasseitig vom Verbrennungsmotor (2) ein aus dem Wärmetauscher (3), der Turbine (5), dem Kühler (6) und dem Verdichter (4) gebildeter, geschlossener Joule-Kreisprozess (JK) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Joule-Kreisprozess (JK) als ein einstufiger Joule-Kreisprozess ausgeführt ist, wobei im Joule-Kreisprozess (JK) ein unteres Druckniveau auf einen Wert über dem Umgebungsdruck einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rekuperator (9) vorgesehen ist, der primärseitig zwischen dem Austritt der Turbine (5) und dem Eintritt des Kühlers (6) und sekundärseitig zwischen dem Austritt des Verdichters (4) und dem Eintritt des Wärmetauschers (3) geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Kühler (6) austretende Arbeitsmedium (AM) einem Generator (7) zu dessen Kühlung zuführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator (7) zwischen dem Verdichter (4) und der Turbine (5) oder vor dem Verdichter (4) und der Turbine (5) auf einer gemeinsamen Welle (8) mit diesen angeordnet ist.