DE102010042401A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) vorgeschlagen, wobei in einem Leitungskreis (4), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, eine Speisepumpe (6), ein Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10) und ein Kondensator (12) angeordnet sind. Im Leitungskreis (4) ist weiterhin ein Dampfspeicher (40) zur Speicherung des dampfförmigen Arbeitsmediums angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Aus DE 10 2006 057 247 A1 ist bereits eine Aufladeeinrichtung bekannt, die zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine dient. Im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Wärmetauscher eines Kreislaufes eines Arbeitsmediums untergebracht. In dem Kreislauf sind außerdem ein Turbinenteil und ein Förderaggregat angeordnet. Über das Turbinenteil wird ein im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnetes Verdichterteil angetrieben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass Dampf, der zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht benötigt wird, gespeichert wird und erst bei Bedarf oder einer Lastanforderung an die Expansionsmaschine weitergeleitet wird.
  • Bei einer kurzfristigen Laständerungen der Brennkraftmaschine, wie sie beispielsweise beim Abbremsen eines Kraftfahrzeuges auftritt, kann die über das Abgassystem abgegebene Wärme nicht vollständig an den Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges zurückgeführt werden, da in diesem Moment keine Lastanforderung vorliegt. Die über das Abgassystem abgegebene Wärmeenergie würde verloren gehen, wenn kein geeignetes Speichersystem zur Verfügung steht. Durch den Dampfspeicher kann die Wärmeenergie gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt wieder genutzt werden.
  • Ein anderes Beispiel für eine kurzfristige Laständerung der Brennkraftmaschine ist der Überholvorgang eines Kraftfahrzeuges nach vorhergehendem Abbremsen. Hier benötigt die Brennkraftmaschine kurzfristig eine sehr hohe Energie, die aus dem Dampfspeicher entnommen werden kann.
  • Die Wärmeenergie der Abgase und der Abgasrückführung steht der Expansionsmaschine aufgrund der thermischen Trägheiten des mindestens einen Wärmetauschers und der thermischen Trägheit des Wärmeüberganges immer zeitlich verzögert zur Verfügung. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Wärmeenergie durch den Dampfspeicher gespeichert werden kann und bei einer kurzfristigen Lastanforderung wieder zur Verfügung steht.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Anordnung des Dampfspeichers in einer Leitung des Leitungskreises zwischen Wärmetauscher und Expansionsmaschine, da der Dampfspeicher zwischen Dampferzeuger und Dampfverbraucher angeordnet ist und somit keine weiteren Verluste über lange Wegstrecken entstehen.
  • Durch eine Anordnung, bei der der Dampfspeicher über eine Abzweigleitung direkt mit dem Wärmetauscher verbunden ist, ergibt sich der Vorteil, dass durch die räumliche Nähe zwischen Wärmetaucher und Dampfspeicher eine gemeinsame Isolierung oder ein gemeinsamer Bauraum genutzt werden kann.
  • Vorteilhaft ist eine Verbindung von Expansionsmaschine und Dampfspeicher über eine Abzweigleitung, da bei einer kurzfristigen Lastanforderung über die Expansionsmaschine sofort Dampf zum Betreiben der Expansionsmaschine zur Verfügung steht und keine Zeitverluste über lange Wegstrecken entstehen.
  • Eine weitere vorteilhafte Anordnung des Dampfspeicher ist, wenn dieser über eine Abzweigleitung mit einer Leitung zwischen dem Wärmetauscher und der Expansionsmaschine verbunden ist, da der vom Wärmetauscher erzeugte Dampf nicht zwangsläufig durch den Dampfspeicher auf den Weg zur Expansionsmaschine strömt.
  • Besonders Vorteilhaft zeigt sich ein regelbares Ventil in einer der bisher genannten Abzweigleitungen, da die Aufnahme und Abgabe von Dampf bewusst über das regelbare Ventil gesteuert werden kann und somit in die Regelung des thermodynamischen Kreislaufes den das Arbeitsmedium durchläuft eingegriffen werden kann. Durch ein gezieltes Öffnen und Schließen des Ventils können Druckschwankungen im Wärmetauscher und den anschließenden Leitungen reduziert werden. Des Weiteren lässt sich durch die Aufnahme und Abgabe von Dampf aus dem Leitungskreis die Verdampfungstemperatur beeinflussen.
  • Die Anordnung des Dampfspeichers in einer Bypassverbindung parallel zur Expansionsmaschine ist von Vorteil, da Dampf aus dem Dampfspeicher über die Bypassverbindung an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden kann und somit auch Wärmeenergie über den Kondensator an einen angeschlossenen Kühlkreislauf abgegeben werden kann.
  • Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung des Dampfspeichers in einer Bypassverbindung, wenn der Dampfspeicher über ein Mehrwegventil mit der Bypassverbindung verbunden ist, da dies eine sichere Möglichkeit ist die Aufnahme und Abgabe des Dampfes in alle möglichen Richtungen zu steuern. Des Weiteren kann durch das Mehrwegventil der Dampf direkt vom Wärmetauscher am Dampfspeicher vorbei zum Kondensator geleitet werden. Dies ist von Vorteil, wenn der Dampfspeicher keinen Dampf aufnehmen kann oder der Dampf keine ausreichende Qualität durch eine zu geringe Überhitzung hat.
  • Als besonders kostengünstige Lösung für einen Dampfspeicher in einer Bypassverbindung parallel zur Expansionsmaschine zeigen sich der Einsatz eines regelbaren Ventils auf der dem Wärmetauscher zugewandten Seite und der Einsatz eines Überströmventils auf der gegenüberliegenden Seite. Durch das regelbare Ventil kann der Dampf gezielt vom Dampfspeicher aufgenommen und abgegeben werden, während das Überströmventil verhindert, dass im Dampfspeicher ein zu hoher Druck entsteht.
  • Vorteilhaft ist die Reduzierung von Druckpulsationen und Druckschwingungen, indem Dampf aus dem Dampfspeicher abgegeben und/oder vom Dampfspeicher aufgenommen wird, da keine Kosten durch weitere Bauteile zur Unterdrückung von Druckschwingungen entstehen.
  • Durch die Aufnahme und Abgabe von Dampf über den Dampfspeicher durch das regelbare Ventil zur Regelung des Verdampfungsdruckes können weiter Bauteile wie z. B. zusätzliche Speichervolumen für das Arbeitsmedium im dampfförmigen oder flüssigen Zustand eingespart werden.
  • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
  • 4 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Die 1 bis 4 zeigen eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2 mit einem Leitungskreis 4, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im Leitungskreis 4 sind mindestens ein Wärmetauscher 8, eine Expansionsmaschine 10, ein Kondensator 12 und eine Speisepumpe 6 angeordnet. Weiterhin ist im Leitungskreis 4 ein Dampfspeicher 40 zum Speichern eines dampfförmigen Arbeitsmediums vorgesehen, wie später in der Beschreibung der einzelnen Ausführungsbeispiele näher erläutert wird.
  • Die Brennkraftmaschine 2 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 2 ausgestaltet sein. Speziell eignet sich die Vorrichtung zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung zur Abwärmenutzung der Erfindung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
  • Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage, in der ein Abgaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt 22 der Abgasanlage ist durch den Wärmetauscher 8 geführt. Wärme aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird über den Leitungsabschnitt 22 an das im Wärmetauscher 8 vorgesehene Arbeitsmedium abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft und überhitzt werden kann.
  • Der Wärmetauscher 8 des Leitungskreises 4 ist über eine Leitung 26 mit der Expansionsmaschine 10 verbunden. Die Expansionsmaschine 10 kann als Turbine oder Kolbenmaschine ausgestaltet sein. Über die Leitung 26 strömt das verdampfte Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine 10 und treibt diese an. Die Expansionsmaschine 10 weist eine Abtriebswelle 11 auf, über die die Expansionsmaschine 10 mit einer Last verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise mechanische Energie an einen Antriebsstrang übertragen werden oder zum Antreiben eines elektrischen Generators, einer Pumpe oder dergleichen dienen. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 10 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung 28 zu dem Kondensator 12 geführt. Das über die Expansionsmaschine 10 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 12 abgekühlt. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf 20 kann es sich um einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 handeln. Das im Kondensator 12 verflüssigte Arbeitsmedium wird über die Leitung 29 von einer Speisepumpe 6 in die Leitung 24 transportiert.
  • In der Leitung 24 befindet sich ein Druckregelventil 27, welches zur Druckregelung im Zulauf zum Wärmetauscher 8 dient. Mit Hilfe des vorgegebenen Druckes im Zulauf zum Wärmetauscher 8 lässt sich die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums kontrollieren. Des Weiteren kann eine Bypassverbindung 31 parallel zur Speisepumpe 6 vorgesehen werden, in der sich ein Überdruckventil 30 befindet. Durch das Überdruckventil 30 lässt sich der maximal zulässige Druck des Arbeitsmediums zwischen Speisepumpe 6 und Wärmetauscher 8 einstellen.
  • Die Leitung 24 führt direkt in den Wärmetauscher 8, in dem das Arbeitsmedium verdampft und überhitzt wird. Über die Leitung 26 gelangt das verdampfte Arbeitsmedium erneut zur Expansionsmaschine 10 und das Arbeitsmedium durchströmt erneut den Leitungskreis 4. Durch die Speisepumpe 6 und die Expansionsmaschine 10 ist eine Durchlaufrichtung des Arbeitsmediums durch den Leitungskreis 4 gegeben. Somit kann den Abgasen und der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine 2 über den Wärmetauscher 8 fortwährend Wärmeenergie entzogen werden, die in Form von mechanischer Energie an die Last 11 abgegeben wird.
  • Als Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim durchströmen des Leitungskreises 4 thermodynamische Zustandsänderungen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung gebracht. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Expansionsmaschine 10 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und auf die Welle 11 übertragen. Das Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 12 abgekühlt und wieder der Speisepumpe 6 zugeführt.
  • Beim Ausführungsbeispiel in 1 befindet sich der Dampfspeicher 40 in der Leitung 26 des Leitungskreises 4 zwischen Wärmetauscher 8 und Expansionsmaschine 10.
  • Vom Wärmetauscher 8 gelieferter Dampf kann vom Dampfspeicher 40 aufgenommen werden und bei einer Lastanforderung an die Expansionsmaschine 10 aus dem Dampfspeicher 40 wieder abgegeben werden.
  • 2 zeigt eine zweites Ausführungsbeispiel bei der der Dampfspeicher 40 über eine Abzweigleitung 44 mit dem Leitungskreis 4 verbunden ist. Die Abzweigleitung 44 mündet in die Leitung 26 des Leitungskreises 4 zwischen Wärmetauscher 8 und Expansionsmaschine 10. In der Abzweigleitung 44 kann ein steuerbares Ventil 42 angeordnet sein durch welches Dampf gezielt abgegeben oder aufgenommen werden kann.
  • Die Abzweigleitung 44 kann als weitere Ausführungsform alternativ auch direkt mit dem Wärmetauscher 8 oder mit der Expansionsmaschine 10 verbunden sein, so dass eine räumliche Nähe zum Dampferzeuger oder Dampfverbraucher gegeben ist. Die beiden Alternativen sind in 2 durch die gestrichelte Abzweigleitung 44 angedeutet. Dabei können auch hier in der Abzweigleitung 44 steuerbare Ventile 42 angeordnet sein.
  • In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Dampfspeicher 40 befindet sich in einer Bypassverbindung 14, welche parallel zur Expansionsmaschine 10 geschaltet ist. Der Dampfspeicher 40 ist über ein Mehrwegventil 46 mit der Bypassverbindung 14 verbunden. Das Mehrwegventil 46 weist mehrere Schaltungsmöglichkeiten auf über die Dampf auf- bzw. abgegeben werden kann oder am Dampfspeicher 40 vorbeigeleitet werden kann.
  • Um Dampf aufzunehmen kann das Mehrwegventil 46 eine Verbindung zwischen einer Leitung 13 der Bypassverbindung 14, der dem Wärmetauscher 8 zugewandt ist, und dem Dampfspeicher 40 herstellen. In dieser Stellung des Mehrwegventils 46 strömt im Wärmetauscher 8 erzeugter Dampf über die Leitung 26 und die Leitung 13 in den Dampfspeicher 40.
  • Falls eine Lastanforderung der Expansionsmaschine 10 anliegt kann das Mehrwegventil 46 erneut eine Verbindung zwischen der Leitung 13 der Bypassverbindung 14, der dem Wärmetauscher 8 zugewandt ist, und dem Dampfspeicher 40 herstellen. In diesem Fall strömt Dampf aus dem Dampfspeicher 40 über die Leitung 13 und die Leitung 26 zur Expansionsmaschine 10.
  • Falls keine Lastanforderung der Expansionsmaschine 10 vorliegt kann das Mehrwegventil 46 eine Verbindung zwischen Dampfspeicher 40 und einer Leitung 15 der Bypassverbindung 14, die dem Kondensator 12 zugewandt ist, herstellen. Der Dampf strömt über die Leitung 15 und die Leitung 28 zum Kondensator 12. Der erwärmte Dampf kann über den Kondensator 12 Wärme an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 oder an ein anderen Kühlkreislauf im Fahrzeug abgegeben.
  • Soll der erwärmte Dampf an der Expansionsmaschine 10 vorbeigeleitet werden, aber nicht vom Dampfspeicher 40 aufgenommen werden, so kann das Mehrwegventil 46 eine direkte Verbindung zwischen der Leitung 13 und der Leitung 15 der Bypassverbindung 14 herstellen. Liegt keine Lastanforderung der Expansionsmaschine 10 vor, wird aber weiterhin erwärmter Dampf im Wärmetauscher 8 produziert, so kann dieser über die Bypassverbindung 14 an der Expansionsmaschine 10 vorbeigeleitet werden.
  • 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem der Dampfspeicher 40, wie bei 3, in der Bypassverbindung 14 angeordnet ist. Der Dampfspeicher 40 ist über ein regelbares Ventil 48 mit der Leitung 13 der Bypassverbindung verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite weist der Dampfspeicher 40 ein Überströmventil 50 auf, über das der Dampfspeicher 40 mit der Leitung 15 der Bypassverbindung 14 verbunden ist.
  • Über das regelbare Ventil 48 lassen sich die Aufnahme und die Abgabe von Dampf über die Leitung 13 steuern. Wird vom Wärmetauscher 8 mehr Dampf als von der Expansionsmaschine 10 benötigt produziert, so kann dieser über das regelbare Ventil 48 vom Dampfspeicher 40 aufgenommen werden. Benötigt die Expansionsmaschine 10 kurzfristig Dampf oder hat sie eine besonders hohe Lastanforderung kann Dampf aus dem Dampfspeicher 40 über das regelbare Ventil 48 und die Leitung 13 und die Leitung 26 zur Expansionsmaschine 10 gelangen.
  • Wird über das regelbare Ventil 48 eine größere Menge an Dampf aufgenommen als der Dampfspeicher 40 aufnehmen kann, so kann dieser Dampf über das Überströmventil 50 bei Überschreitung eines vorgebenden Druckes abgesteuert werden.
  • Alle dargestellten Ausführungsformen der Erfindung können vom Wärmetauscher 8 gelieferten Dampf im Dampfspeicher 40 aufnehmen und bei einer Lastanforderung an die Expansionsmaschine 10 abgeben.
  • Die Dampfaufnahme und Dampfentnahme aus dem Dampfspeicher 40 kann durch den Einsatz eines regelbaren Ventils 42, 46, 48 wie es bei den Ausführungsformen in den 2–4 gezeigt ist, aktiv gesteuert werden. Durch das Öffnen des regelbaren Ventils 42, 46, 48 kann Dampf vom Dampfspeicher 40 aufgenommen oder abgegeben werden. Ist das regelbare Ventil 42, 46, 48 geschlossen, so wird der Dampf am Dampfspeicher 40 vorbeigeleitet.
  • Durch die aktive Kontrolle der Dampfaufnahme und Dampfabgabe des Dampfspeichers 40 über das regelbare Ventil 42, 46, 48 können Druckschwingungen oder Druckpulsationen im Leitungskreis 4 reduziert werden. Indem Dampf aus dem Dampfspeicher 40 abgegeben und/oder vom Dampfspeicher 40 aufgenommen wird, können Druckschwingungen im Wärmetauscher 8 und in den anschließenden Leitungen 24, 26 reduziert werden.
  • Durch die aktive Kontrolle der Dampfaufnahme und Dampfabgabe des Dampfspeichers 40 über das regelbare Ventil 42, 46, 48 kann auch das Volumen des Arbeitsmediums im Leitungskreis 4 verändert werden und damit in die Regelung des Verdampfungsdruckes eingegriffen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006057247 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Leitungskreis (4), in dem eine Speisepumpe (6), mindestens ein Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10) und ein Kondensator (12) angeordnet sind, wobei im Leitungskreis (4) ein Arbeitsmedium zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dampfspeicher (40) zur Speicherung des dampfförmigen Arbeitsmediums im Leitungskreis (4) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Dampfspeicher (40) in einer Leitung (26) des Leitungskreises (4) zwischen Wärmetauscher (8) und Expansionsmaschine (10) befindet.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher (40) über eine Abzweigleitung (44) direkt mit dem Wärmetauscher (8) verbunden ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher (40) über eine Abzweigleitung (44) direkt mit der Expansionsmaschine (10) verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher (40) über eine Abzweigleitung (44) mit der Leitung (26) zwischen dem Wärmetauscher (8) und der Expansionsmaschine (10) verbunden ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein regelbares Ventil (42) in der Abzweigleitung (44) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Dampfspeicher (40) in einer Bypassverbindung (14) befindet, welche parallel zur Expansionsmaschine (10) geschaltet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher (40) über ein Mehrwegventil (46) mit der Bypassverbindung (14) verbunden ist, über welches Dampf aufgenommen wird oder Dampf an Leitungen (13, 26) zur Expansionsmaschine (10) oder über Leitungen (15, 28) an den Kondensator (12) abgegeben wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher (40) auf der dem Wärmetauscher (8) zugewandten Seite ein regelbares Ventil (48) und auf der gegenüberliegenden Seite ein Überströmventil (50) aufweist.
  10. Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) für eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Wärmetauscher (8) gelieferter Dampf im Dampfspeicher (40) aufgenommen wird und bei einer Lastanforderung an die Expansionsmaschine (10) aus dem Dampfspeicher (40) abgegeben wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Druckpulsationen und Druckschwingungen reduziert werden, indem Dampf aus dem Dampfspeicher (40) abgegeben und/oder vom Dampfspeicher (40) aufgenommen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die aktive Aufnahme und Abgabe von Dampf an den Dampfspeicher (40) über ein regelbares Ventil (42, 46, 48) in die Regelung des Verdampfungsdruckes eingegriffen wird.
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