Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom einer

Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine.

Beim Betrieb insbesondere von großen Brennkraftmaschinen, wie sie bei LKWs verwendet werden, entsteht eine relativ große Menge von Abgas, wobei das Abgas eine relativ hohe Temperatur aufweist. Zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgas ist es bereits bekannt, den Abgasstrom zum Erwärmen bzw. Verdampfen eines Arbeitsmediums in einer Verdampfungseinrichtung zu verwenden. Das durch die Verdampfung unter erhöhtem Druck stehende

Arbeitsmedium wird anschließend über eine Expansionsmaschine geleitet, wobei die dabei von der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Antriebsenergie z.B. wieder der Brennkraftmaschine zugeleitet werden kann. Ebenso kann die erzeugte Energie der Expansionsmaschine dazu benutzt werden,

Nebenverbraucher oder einen Generator anzutreiben oder anderweitig benutzt zu werden. An die Expansionsmaschine schließt sich wiederum ein Kondensator an, der das Arbeitsmedium verflüssigt. Dieses wird anschließend mittels einer Fördereinrichtung, insbesondere in Form einer Pumpe, wieder der

Verdampfungseinrichtung zugeführt, so dass ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsmedium entsteht. Das soweit beschriebene physikalische Verfahren nutzt zur Erzeugung der Energie aus dem Abgasstrom überhitzte Flüssigkeiten bzw. deren Gase, so dass innerhalb des Systems hohe Drücke und Temperaturen vorherrschen. Dies führt dann zu einer Gefährdung beispielsweise von Personen, wenn das Arbeitsmedium beispielsweise durch eine Beschädigung einer

Komponente infolge beispielsweise eines zu hohen Drucks austritt. Eine technische Maßnahme zur Reduzierung dieses Gefährdungspotentials ist das Vorsehen einer Druckabsicherung, die sicherstellt, dass Drücke und Temperaturen, für die die einzelnen Bauteile des Systems ausgelegt sind, im Betrieb nicht überschritten werden können. Üblicherweise werden derartige Druckabsicherungen durch spezielle Sicherheitsbauteile, wie z.B.

Druckbegrenzungsventile oder Berstscheiben realisiert. Bei einem

geschlossenen Dampfkraftprozess, wie er bei dem soweit oben beschriebenen System vorhanden ist, besteht dabei allerdings der Nachteil, dass eine

Begrenzung des zulässigen Drucks mittels eines Sicherheitsbauteils nur durch ein Ablassen des überschüssigen Dampfs bzw. Arbeitsmediums in die

Umgebung umgesetzt werden kann. Dabei besteht jedoch das Risiko, dass der entweichende heiße Dampf oder die überhitzte Flüssigkeit in die Umgebung des Fahrzeugs gelangt und dabei Personen gefährdet. Ferner besteht bei einem großen Teil der heute verwendeten flüssigen Arbeitsmedien das Problem, dass diese relativ gut brennen bzw. es zu einer Explosion von Dampf/Luft-Gemischen kommen kann, weshalb ein Abgeben von Dampf an die Umgebung ebenfalls vermieden werden sollte.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Druck und die Temperatur in dem Rückgewinnungssystem ohne eine Gefährdung der Umgebung, insbesondere ohne eine Gefährdung von Personen, und ohne ein Abgeben von Arbeitsmedium an die Umgebung begrenzt ist.

Der Kern der Erfindung besteht darin, die Wärmeenergie des Arbeitsmediums in dem Hochdruckteil des Rückgewinnungssystems zu begrenzen. Zusätzlich wird eine Überlastung des Niederdruckteils durch das Verhindern von Strömen von Arbeitsmedium in Richtung des Niederdruckbereichs verhindert. Der Vorteil der soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht insbesondere darin, dass eine Druck-/Temperaturabsicherung realisiert werden kann, die nicht auf einem Abgeben von Arbeitsmedium an die Umgebung basiert. Ein weiterer wesentlicher Kernpunkt der Erfindung ist, dass die Vorrichtung an sich bereits vorhandene Einrichtungen bzw. Bauteile nutzt und somit spezielle

Sicherheitsbauteile, wie die oben angesprochenen Druckbegrenzungsventile oder Berstscheiben, entfallen können. Dadurch ist der erforderliche

Zusatzaufwand relativ gering.

Konkret schlägt die Erfindung vor, Druck- und/oder Temperaturerfassungsmittel für das Arbeitsmedium vorzusehen, deren Messwerte einer Steuereinrichtung als Eingangswerte zugeführt werden. Die Steuereinrichtung ist wiederum mit Mitteln gekoppelt, die beim Überschreiten vorgegebener Grenzwerte für den Druck und/oder die Temperatur des Arbeitsmediums die in der

Verdampfungseinrichtung erzeugte Wärmeenergie des Arbeitsmediums und/oder die Menge des von der Fördereinrichtung in Richtung der

Verdampfungseinrichtung geförderten Arbeitsmediums reduzieren und/oder ein Strömen von Arbeitsmedium von der Verdampfungseinrichtung in Richtung der Fördereinrichtung und/oder von der Verdampfungseinrichtung in Richtung der Kondensationseinrichtung verhindern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur

Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In konkreter konstruktiver Ausgestaltung der Mittel zur Reduzierung der in der Verdampfungseinrichtung erzeugten Wärmeenergie des Arbeitsmediums sehen diese ein auf der Eingangsseite für das Abgas der Verdampfungseinrichtung angeordnetes, von der Steuereinrichtung ansteuerbares erstes Ventil vor, das die Menge des der Verdampfungseinrichtung zugeführten Abgases regelt. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, dass keine Beeinflussung der Strömung bzw. Menge des Arbeitsmediums erforderlich ist, sondern dass die von dem Abgas in das Arbeitsmedium abgegebene Wärmeenergie beeinflusst bzw.

reduziert wird und somit die in dem System vorhandene Wärmeenergie verringert wird.

In bevorzugter Ausgestaltung dieses Ventils ist dieses als Abgas-Bypassventil ausgebildet ist, das über eine Bypassleitung die Eingangsseite für das Abgas der Verdampfungseinrichtung mit der Ausgangsseite der Verdampfungseinrichtung für das Abgas verbindet. Zusätzlich oder alternativ können die Mittel zur Reduzierung der in der

Verdampfungseinrichtung erzeugten Wärmeenergie des Arbeitsmediums eine Motorsteuerungseinrichtung für die Brennkraftmaschine umfassen, die von der Steuereinrichtung ansteuerbar ist, und die dazu ausgebildet ist, eine

Leistungsreduzierung der Brennkraftmaschine zu bewirken. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass beim Erfassen eines zu hohen Drucks und/oder einer zu hohen Temperatur des Arbeitsmediums die Steuereinrichtung der Vorrichtung ein entsprechendes Eingangssignal an die Motorsteuerung der

Brennkraftmaschine abgibt, welche daraufhin in ihrer Leistung reduziert wird, so dass die Menge und/oder Temperatur des von der Brennkraftmaschine erzeugten und der Verdampfungseinrichtung zugeführten Abgases reduziert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung hinsichtlich der Mittel zum Verhindern von Strömen von Arbeitsmedium von der Verdampfungseinrichtung in Richtung der Kondensationseinrichtung sieht ein von der Steuereinrichtung ansteuerbares, an der Eingangsseite der Expansionsmaschine angeordnetes zweites Ventil, insbesondere in Form eines Bypassventils, umfassen. Dieses Ventil weist eine Sperrstellung auf, so dass ein Strömen von Arbeitsmedium vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich (hinter der Expansionsmaschine) verhindert wird, so dass die Bauteile des Niederdruckbereichs vor einer

Überlastung geschützt sind.

Hinsichtlich der Mittel zur Reduzierung der Menge des von der Fördereinrichtung in Richtung der Verdampfungseinrichtung geförderten Arbeitsmediums weisen diese eine Förderpumpe auf, die von der Steuereinrichtung ansteuerbar ist, und deren Fördermenge veränderbar ist, insbesondere über eine

Drehzahlveränderung, oder in einem unabhängig von der Steuereinrichtung in der Fördereinrichtung angeordneten Fördermengenbegrenzungseinrichtung als separates Element oder durch die Bauart der Fördereinrichtung bedingt, beispielsweise bei der Verwendung einer Membranpumpe. Alternativ hierzu kann auch eine unabhängig von der Steuereinrichtung in der Fördereinrichtung angeordnete Fördermengenbegrenzungseinrichtung vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise in Form einer elektrischen Momentbegrenzung bei einer elektrisch antreibbaren Konstantpumpe, durch ein automatisches Rückschwenken bei einer Verstellpumpe oder durch eine Integration eines Druckbegrenzungs- bzw. Überströmventils in der Speisepumpe ausgebildet sein.

Um zu verhindern, dass ein Rückströmen von Arbeitsmedium von der

Verdampfungseinrichtung in Richtung der Fördereinrichtung (Pumpe) bzw. des Niederdruckbereichs stattfindet, kann es vorgesehen sein, dass ein zwischen der Fördereinrichtung (Pumpe) und der Verdampfungseinrichtung angeordnetes Rückschlagventil vorhanden ist.

Um den Druck und/oder die Temperatur des Arbeitsmediums an den relevanten Stellen innerhalb des Rückgewinnungssystems erfassen zu können, ist es vorgesehen, dass die Druck- und/oder Temperaturerfassungsmittel zwischen der Verdampfungseinrichtung und der Expansionsmaschine und/oder zwischen der Kondensatoreinrichtung und der Fördereinrichtung (Pumpe) angeordnet sind.

Die Erfindung umfasst auch die Verwendung einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei die Verwendung in der Nutzung der Vorrichtung bei einem Nutzfahrzeug, insbesondere einem LKW, besteht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung einer

Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom einer

Brennkraftmaschine.

In der Figur ist eine Vorrichtung 10 zur Rückgewinnung von Wärme aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Bei der Brennkraftmaschine

1 handelt es sich insbesondere um den Antriebsmotor des Nutzfahrzeugs, insbesondere eines LKWs. Die Steuerung der Brennkraftmaschine 1 erfolgt über eine Motorsteuerungseinrichtung 2. Die Brennkraftmaschine 1 weist darüber hinaus zumindest eine Abgasleitung 3 auf, die in Wirkverbindung mit der Vorrichtung 10 angeordnet ist. Die Vorrichtung 10 weist eine Verdampfungseinrichtung 12 zum Verdampfen eines Arbeitsmediums auf. Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich

beispielsweise um Ethanol, Wasser, Cyclopentan oder ein Kältemittel. Auf der Eingangsseite der Verdampfungseinrichtung 12 ist ein Abgas-Bypassventil 14 angeordnet, das in Abhängigkeit seiner Stellung den von der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgasstrom entweder in die Verdampfungseinrichtung 12 leitet oder aber zumindest teilweise über eine Bypassleitung 15 unter Umgehung der Verdampfungseinrichtung 12 in die Abgasleitung 3 hinter der Ausgangsseite der Verdampfungseinrichtung 12 weiterleitet. Das Abgas-Bypassventil 14 ist von einer Steuereinrichtung 100 über eine Leitung 17 der Vorrichtung 10

ansteuerbar. Optional ist die Steuereinrichtung 100 über eine Leitung 16 mit der Motorsteuerungseinrichtung 2 der Brennkraftmaschine 1 verbunden, um der Motorsteuerungseinrichtung 2 Eingangssignale zuzuführen, die ggf. die

Motorsteuerung der Brennkraftmaschine 1 , insbesondere deren Leistungsabgabe und damit die Abgaswärme, beeinflussen.

Die Ausgangsseite der Verdampfungseinrichtung 12 für das Arbeitsmedium ist über ein weiteres Bypassventil 18 mit der Eingangsseite einer

Expansionsmaschine 20 verbunden. Zwischen der Ausgangsseite der

Verdampfungseinrichtung 12 für das Arbeitsmedium und dem Bypassventil 18 ist darüber hinaus ein Druck- und/oder Temperaturerfassungsmittel 21 angeordnet, das über eine Leitung 22 mit der Steuereinrichtung 100 verbunden ist. Die Expansionsmaschine 20 erzeugt mechanische Arbeit bzw. Leistung und wird von dem in der Verdampfungseinrichtung 12 erhitzten und verdampften

Arbeitsmedium angetrieben. Das Bypassventil 18 ist über eine Bypassleitung 23 mit der Ausgangsseite der Expansionsmaschine 20 verbunden und über eine Leitung 24 von der Steuereinrichtung 100 ansteuerbar. In Abhängigkeit der Stellung des Bypassventils 18 erfolgt eine Beaufschlagung der

Expansionsmaschine 20 mit dem Arbeitsmedium. Der Bereich zwischen der Verdampfungseinrichtung 12 und der Expansionsmaschine 20 bildet einen Hochdruckbereich der Vorrichtung 10 aus.

Die Ausgangsseite der Expansionsmaschine 20 ist mit einer

Kondensatoreinrichtung 26 verbunden, die dazu dient, das aus Richtung der Expansionsmaschine 20 kommende, entspannte Arbeitsmedium zu verflüssigen. Die Ausgangsseite der Kondensatoreinrichtung 26 ist mit der Eingangsseite einer Fördereinrichtung 28 in Form einer Förderpumpe verbunden. Weiterhin ist in einer Leitung 29 zwischen der Kondensatoreinrichtung 26 und der

Fördereinrichtung 28 ein Ausgleichsbehälter 30 für das Arbeitsmedium angeordnet, um einen eventuellen Verlust von Arbeitsmedium auszugleichen. Zusätzlich ist zwischen der Kondensatoreinrichtung 26 und der Fördereinrichtung 28 ein weiteres Druck- und/oder Temperaturerfassungsmittel 31 angeordnet, dessen erfasste Druck- bzw. Temperaturwerte über eine Leitung 32 der

Steuereinrichtung 100 zugeführt werden. Die Fördereinrichtung 28 ist darüber hinaus über eine Leitung 33 ebenfalls von der Steuereinrichtung 100

ansteuerbar.

An die Fördereinrichtung 28 schließt sich ein Rückschlagventil 35 an, das ein Rückströmen von Arbeitsmedium aus Richtung der Verdampfungseinrichtung 12 in Richtung der Fördereinrichtung 28 verhindert. Von dem Rückschlagventil 35 gelangt das Arbeitsmedium über eine Leitung 36 wiederum zu der

Verdampfungseinrichtung 12. Der Bereich ab dem Ausgang der

Expansionsmaschine 20 bildet einen Niederdruckbereich der Vorrichtung 10 aus.

Beim Überschreiten von Grenzwerten für den Druck und/oder die Temperatur des Arbeitsmediums innerhalb der Vorrichtung 10, was durch die Druck- und/oder Temperaturerfassungsmittel 21 , 31 erfasst wird, kann die

Steuereinrichtung 10 durch eine Ansteuerung des Bypassventils 14 und/oder des Bypassventils 18 und/oder der Fördereinrichtung 28 und/oder der

Motorsteuerungseinrichtung 2 der Brennkraftmaschine 1 den Druck bzw. die Energie und/oder die Temperatur des Arbeitsmediums 1 innerhalb der

Vorrichtung 10 begrenzen.

Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken

abzuweichen. So ist die Erfindung auch bei Systemen bzw. Vorrichtungen 10 mit mehr als einer Verdampfungseinrichtung 12 bzw. Wärmequelle anwendbar. Auch Systeme bzw. Vorrichtungen 10 mit Rekuperatoren sollen von der Erfindung umfasst sein.