Abwärmerückgewinnungssystem mit einem Arbeitsfluidkreislauf

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem mit einem Arbeitsfluidkreislauf, aufweisend einen in einer Abgasleitung einer

Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher Teil des Arbeitsfluidkreislaufs mit zumindest einer Expansionsmaschine, einem Kondensator und einer Fluidpumpe ist.

Stand der Technik

Ein derartiges Abwärmrückgewinnungssystem ist aus der DE 10 2013 211 875 AI bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem weist einen

Arbeitsfluidkreislauf mit zwei Wärmetauschern auf, wobei ein erster

Wärmetauscher in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine und ein zweiter Wärmetauscher in eine Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine eingeschaltet sind. Der Arbeitsfluidkreislauf weist weiterhin eine

Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Fluidpumpe auf, wobei der Arbeitsfluidkreislauf stromabwärts der Fluidpumpe in die zwei Fluidzweige aufgeteilt wird, die jeweils zu dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher führen. In die Fluidzweige ist eingangs ein Verteilerventil eingesetzt, das die den Wärmetauschern zugeführte Menge des Arbeitsfluids einstellt. Das so ausgebildete Abwärmerückgewinnungssystem ist normalerweise bei einer in ein Fahrzeug eingebauten Brennkraftmaschine in einen die

Brennkraftmaschine aufnehmenden Motorraum des Fahrzeugs eingebaut.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem bereitzustellen, das gegenüber bekannten Systemen verbessert ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Abwärmerückgewinnungssystem eine Schutzeinrichtung aufweist. Diese Schutzeinrichtung ist in allgemeiner Form beliebig ausgebildet und für einen beliebigen Schutz des

Abwärmerückgewinnungssystems konzipiert.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Schutzreinrichtung eine zumindest das Abwärmerückgewinnungssystem vor einer Entzündung einer aus dem

Abwärmerückgewinnungssystem, insbesondere dem Arbeitsfluidkreislauf, entweichenden Leckagemenge des Arbeitsfluids schützende Einrichtung. Das Arbeitsfluid kann beispielsweise im Falle eines Unfalls oder eines

Fehlerzustandes des Gesamtsystems aus dem Arbeitsfluidkreislauf

beispielsweise durch eine Beschädigung einer Komponente des

Abwärmerückgewinnungssystems austreten und bei einem möglichen Kontakt mit einer eine hohe Temperatur aufweisenden Komponente der

Brennkraftmaschine oder des Abwärmerückgewinnungssystems entzündet werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Arbeitsfluid in dem

Arbeitsfluidkreislauf zumindest abschnittsweise in einem überhitzten, dampfförmigen Aggregatzustand geführt ist und wiederum insbesondere bei einem brennbaren Arbeitsfluid, wie beispielsweise Ethanol oder Cyclopentan, leicht entzündet werden kann oder explodieren kann.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Schutzeinrichtung ein Medium aufnehmendes Reservoir auf. Das Reservoir und das Medium können grundsätzlich beliebig ausgebildet bzw. beschaffen sein, um die Entzündung oder Explosion des Arbeitsfluids zu verhindern bzw. zu ersticken. So kann das

Medium beispielsweise ein Löschschaum sein, der aus dem Reservoir beispielsweise über eine oder mehrere Düsen austritt und gezielt auf bzw. an den Komponenten des Abwärmerückgewinnungssystems aufgebracht wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Reservoir ein Gasreservoir und das Medium ein Gas. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltung, bei der das aus dem Gasreservoir bei einer aktivierten Schutzeinrichtung ausströmende Gas die Temperatur der umliegenden Komponenten unter eine kritische Zündtemperatur herabsetzt und somit eine Entzündung oder eine Explosion des Arbeitsfluids verhindert. Durch die so erzeugte geringere Bauteiltemperatur ist keine Zündquelle für das grundsätzlich entflammbare Arbeitsfluid vorhanden. Bei einer Verwendung eines Inertgases wird außerdem der für eine Verbrennung notwendige Luftsauerstoff verdrängt, so dass sich kein zündfähiges Gemisch aus Luftsauerstoff und Arbeitsfluid (in einem beliebigen Aggregatzustand) bilden kann.

In Weiterbildung der Erfindung die Schutzeinrichtung eine Auslöseeinrichtung auf. Diese Auslöseeinrichtung öffnet beispielsweise ein oder mehrere Ventile des Reservoirs, durch die das in dem Reservoir befindliche vorzugsweise unter Druck stehende Medium ausströmen kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Auslösevorrichtung Bestandteil eines Steuergeräts des Abwärmerückgewinnungssystems und/oder der

Brennkraftmaschine. Dabei kann die Auslösevorrichtung so ausgestaltet sein, dass diese über an dem Steuergerät vorhandene Eingänge und Ausgänge bedarfsweise aktiviert und mit einer Schutzeinrichtung und ggf. einer

zusätzlichen Auslösesensorik verbindbar ist.

Dabei ist einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Auslösevorrichtung an eine vorhandene Sensorik angekoppelt. Diese Sensorik kann beispielsweise eine vorhandene Standardsensorik sein, die beispielsweise bei Einbau der

Brennkraftmaschine in ein Fahrzeug eine Sensorik beispielsweise in Form von Beschleunigungsaufnehmern sein kann. Möglich ist aber auch eine Kopplung an eine Airbagauslösung oder aber auch zusätzlich oder alternativ eine

eigenständige Sensorik, die beispielsweise einen plötzlichen Druckabfall in den

Arbeitsfluidkreislauf ermittelt oder ein unvermitteltes Auftreten von beispielsweise von erhöhten Ethanolkonzentrationen in den Motorraum des Fahrzeugs ermittelt.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Schutzeinrichtung Bestandteil eines dezentralen Abwärmerückgewinnungssystems. Ein solches dezentrales

Abwärmerückgewinnungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen Komponenten des Abwärmerückgewinnungssystems bedarfsweise

beispielsweise in dem Motorraum des Fahrzeugs angeordnet und über Leitungen verbunden sind. Dabei ist das Reservoir beispielsweise an einer zentralen Stelle in dem Motorraum angeordnet und das in dem Reservoir bevorratete Medium kann beispielsweise über ein Ventil oder mehrere Ventile gezielt zu den

Komponenten des Arwärmerückgewinnungssystems geführt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzeinrichtung Bestandteil eines zentralisierten Abwärmerückgewinnungssystems. Ein zentralisiertes

Abwärmerückgewinnungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass hierbei die überwiegenden Komponenten eines Abwärmerückgewinnungssystems zu einer Baueinheit zusammengefasst sind und nur entsprechende Anschlüsse an der Baueinheit vorgesehen sind, die mit einem beispielsweise in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Wärmetauscher verbindbar sind und wobei Anschlüsse zur Ansteuerung des Systems und Abführung der erzeugten Energie vorhanden sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der

Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes

Ausführungsführungsbeispiel näher beschrieben ist.

Es zeigt: Figur 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäß ausgestalteten

Abwärmerückgewinnungssystems mit einem Arbeitsfluidkreislauf und einer Schutzeinrichtung.

Das in Figur 1 schematisch dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf 1 mit einem ersten Wärmetauscher 2a und einem zweiten Wärmetauscher 2b auf, wobei grundsätzlich auch nur ein einziger Wärmetauscher oder aber auch mehr als zwei Wärmetauscher Bestandteil des Abwärmerückgewinnungssystems sein können. Die Wärmetauscher 2a, 2b sind dabei als Verdampfer ausgebildet beziehungsweise fungieren als solche und sind an einer Brennkraftmaschine 5 zur Rückgewinnung von beim Betrieb der

Brennkraftmaschine 5 erzeugten Abwärme adaptiert. Dabei ist der erste

Wärmetauscher 2a von einem in einer Abgasleitung 3 der Brennkraftmaschine geführten und einem Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 4 der

Brennkraftmaschine 5 durchströmt. Zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher 2a ist der zweite Wärmetauscher 2b in einer Leitung in Form einer Abgasrückführleitung 6 oder einen sonstigen Wärmeträgerleitung eingebaut. Über die Abgasrückführleitung 6 wird dem Abgasstrom 4 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert über ein Abgasrückführleitungsventil 7 einem

Ansaugsystem 8 der Brennkraftmaschine 5 zugeführt. Das Ansaugsystem 8 kann bevorzugt als Ladeluftleitungssystem ausgebildet sein. Die beiden

Wärmetauscher 2a, 2b können gegebenenfalls über nicht dargestellte

Wärmetauscherbypassleitungen bei bestimmten Betriebszuständen der

Brennkraftmaschine 5 eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 5 bevorzugt eingebaut ist, umgehbar sein. Beim Einbau der Brennkraftmaschine 5 in eine Fahrzeug ist die Brennkraftmaschine 5 und das

Abwärmerückgewinnungssystem mit dem Arbeitsfluidkreislauf 1 und dem erwähnten beziehungsweise nachfolgend noch beschriebenen Komponenten vorzugweise in einen Motorraum des Fahrzeugs eingebaut. Der Brennkraftmaschine 5 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine 5 unter Erzeugung von

Arbeitsleistung zu heißem Abgas, das bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 5 den Abgasstrom 4 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 4 durch die Abgasleitung 3, von der auch die Abgasrückführleitung 6 abzweigt, letztendlich in die Umgebung abgeführt. In der Abgasleitung 3 können vor und/oder hinter dem ersten Wärmetauscher 2a Abgasschalldämpfer 9 sowie Einrichtungen 10 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter in beliebiger Reihenfolge eingebaut sein. Die

Brennkraftmaschine 5 ist beispielsweise eine selbstzündende

Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der

Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common- Rail- Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt. Die Brennkraftmaschine kann aber auch eine fremdgezündete, mit Benzin betriebene, Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common- Rail- Einspritzsystem aufweisen kann.

Der erste Wärmetauscher 2a und der zweite Wärmetauscher 2b sind, wie zuvor ausgeführt, ihrerseits Teil des Arbeitsfluidkreislaufs 1, der neben den

Wärmetauschern 2a, 2b eine Expansionsmaschine 11, einen Kondensator 12, gegebenenfalls eine Kondensatorpumpe 13, einen Ausgleichsbehälter 14 und eine oder zwei Fluidpumpen 15a, 15b aufweist. Die Fluidpumpe 15a ist über eine erste Zuleitung 16a mit dem ersten Wärmetauscher 2a und die zweite

Fluidpumpe 15b ist über eine zweite Zuleitung 16b mit dem zweiten

Wärmetauscher 2b strömungsmäßig verschaltet. Die Fluidpumpen 15a, 15b können eigenständige Pumpen sein oder aber beispielsweise in Form einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe ausgestaltet sein. Beispielsweise ist eine doppelhubige Flügelzellenpumpe so einstellbar, dass bei einer konstanten oder einstellbaren Gesamtfördermenge des Arbeitsfluids eine

Fördermengenaufteilung zu dem ersten Wärmetauscher 2a und dem zweiten Wärmetauscher 2b zunehmend und entsprechend abnehmend zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden kann. Die Gesamtfördermenge kann

beispielsweise durch eine Drehzahländerung der Fluidpumpen 15a, 15b eingestellt werden. Wie zuvor angedeutet wurde, kann aber auch nur eine einzige Fluidpumpe 15 vorhanden sein, wobei dann in die erste Zuleitung 16a und die zweite Zuleitung 16b Regelventile zur Einstellung der

Fördermengenaufteilung eingebaut sind. Ist nur ein einziger Wärmetauscher vorhanden, erübrigt sich selbstverständlich die zuvor beschriebene

Fördermengenaufteilung.

Die Expansionsmaschine 11 kann beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine sein. Im Falle einer Turbine wird normalerweise ein

Reduktionsgetriebe nachgeschaltet, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und diese an die Drehzahlen einer nachgeschalteten Arbeitsmaschine oder eines sonstigen Abnehmers anzupassen.

Beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems wird von den Fluidpumpen 15a, 15b ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid, beispielsweise Ethanol oder Cyclopentan auf einen hohen Druck gebracht und den Wärmetauschern 2a, 2b zugeführt. Das Fluid wird in den Wärmetauschern 2a, 2b erhitzt und unter einem hohen Druck in den dampfförmigen Zustand überführt. Der so erzeugte Dampf wird der Expansionsmaschine 11 zugeführt und treibt diese unter

Expandierung des Arbeitsfluids an. Um den Arbeitsfluidkreislauf 1 an der Expansionsmaschine 11 vorbeiführen zu können, kann eine Bypassleitung 17 mit einem Bypassventil 18 vorgesehen sein, über die die Expansionsmaschine 11 umgehbar ist. Das der Expansionsmaschine 11 zugeführte Arbeitsfluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über eine Abtriebswelle abgeführt wird. Die Abtriebswelle 19 kann beispielsweise mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung gekoppelt sein. Danach wird der„kalte" Dampf in dem Kondensator 12 kondensiert und letztendlich wieder den

Fluidpumpen 15a, 15b zugeführt. In die Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 12 und der doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16 ist der

Ausgleichsbehälter 14 eingeschaltet. Neben den zuvor beschriebenen

Komponenten können noch beliebige weitere Komponenten, insbesondere Sensoren zur Ermittlung von Temperaturen und Drücken in verschiedenen

Abschnitten des Arbeitsfluidkreislaufs 1 vorhanden sein. Weiterhin ist ein Steuergerät zur Steuerung des Abwärmerückgewinnungssystems vorhanden.

Erfindungsgemäß weist das Abwärmerückgewinnungssystem eine

Schutzvorrichtung auf, mit der eine Entzündung einer aus dem

Arbeitsfluidkreislauf 1 entweichenden Leckagemenge des Arbeitsfluids zuverlässig verhindert werden kann. Die Schutzeinrichtung weist dazu ein als Gasreservoir 20 ausgebildetes Reservoir auf, in dem ein Medium in Form eines Gases unter Druck gespeichert ist. An das Gasreservoir 20 kann eine beliebige Anzahl von Düsen 21 direkt oder unter Einbezug von Düsenleitungen

angeschlossen sein, die auf verschiedene Bereiche des Arbeitsfluidkreislaufs 1 ausgerichtet sind. Weiterhin weist das Gasreservoir 20 einen Steueranschluss 22 für eine Auslöseeinrichtung 23 auf, die Bestandteil eines Steuergeräts 24 des Abwärmerückgewinnungssystems sein kann. Das Steuergerät 24

beziehungsweise die Auslöseeinrichtung 23 ist mit einer Sensorik verbunden, die beispielsweise bei einem Crash des Fahrzeugs oder einer Airbagauslösung oder einer Ermittlung einer plötzlich ansteigenden Konzentration des Arbeitsfluids in dem Motorraum anspricht. Wird ein solcher Zustand ermittelt, wird die

Schutzeinrichtung aktiviert und die Düsen 21 des Gasreservoirs 20 geöffnet, so dass das in dem Gasreservoir 20 bevorratete Gas ausströmen kann und beispielsweise die Temperatur der umliegenden Komponenten des

Arbeitsfluidkreislaufs 1 unter eine kritische Zündtemperatur herabsetzt. Dadurch wird eine Entzündung oder Explosion der Leckagemenge des Arbeitsfluids verhindert. Das Gasreservoir 20 kann im Übrigen mit einer Befülleinrichtung für das Gas versehen sein.