Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Aus DE 102 28 868 B4 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie mittels einer Dampfmaschine bekannt. Diese Vorrichtung arbeitet mit einem geschlossenen Kreislauf, der einen Speisewasserbehälter, eine Speisepumpe, einen Verdampfer zur Dampferzeugung, die Dampfmaschine und einen Kondensator aufweist. Der Speisewasserbehälter ist frostunempfindlich ausgebildet und befindet sich zwischen Kondensator und Speisepumpe. Des Weiteren weist der Speisewasserbehälter einen Schutzgasraum auf. Der Schutzgasraum dient dazu über eine Ventilanordnung bei Nichtbetrieb der Vorrichtung das Speisewasser mit Hilfe des Schutzgases aus den frostempfindlichen Teilen der Vorrichtung zu verdrängen.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass dem Arbeitsmedium beigemischte Zusatzstoffe nicht zum Wärmetauscher und zur Expansionsmaschine gelangen, sondern diese mittels der hydraulischen Verbindung umgangen werden. Das Arbeitsmedium erfährt im Wärmetauscher eine Zustandsänderung vom flüssigen zum dampfförmigen Medium. Die Zusatzstoffe bleiben bei diesem Vorgang im noch nicht verdampften Arbeitsmedium im Wärmetauscher zurück, da sie keine Zustandsänderungen erfahren. Der Wärmetauscher stellt somit eine Barriere für die Zusatzstoffe im Arbeitsmedium dar, da sie nicht wie das Arbeitsmedium verdampft werden und weiter zur Expansionsmaschine transportiert werden können. Die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher steigt an. Durch die hydraulische Verbindung wird eine Möglichkeit geschaffen die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium in den Bereichen, in denen das Arbeitsmedium in der flüssigen Phase transportiert wird, wieder auszugleichen.

Durch die hydraulische Verbindung wird das flüssige Arbeitsmedium mit einer hohen Konzentration an Zusatzstoffen vom Wärmetauscher zum Kondensator transportiert. Im Kondensator mischt sich das Arbeitsmedium mit einer hohen Konzentration an Zusatzstoffen, welches aus der hydraulischen Verbindung stammt, mit dem Arbeitsmedium ohne Zusatzstoffe, welches aus der Expansionsmaschine zum Kondensator gelangt. Dieser Vorgang führt zu einem Ausgleich der Konzentration an Zusatzstoffen im flüssigen Arbeitsmedium.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.

Vorteilhaft ist der Einsatz einer Regeleinrichtung in der hydraulischen Verbindung, da durch diese die abfließende Menge des flüssigen Arbeitsmediums mit Zusatzstoffen aus dem Wärmetauscher in die hydraulische Leitung reguliert wird. Arbeitmedium mit Zusatzstoffen, welches mit hohem Druck aus dem Wärmetauscher in die hydraulische Verbindung strömt, wird durch die Regeleinrichtung gedrosselt.

Besonders zweckmäßig ist hierbei der Einsatz einer Drossel als Regeleinrichtung, da durch ein einfaches und billiges Bauteil die abfließende Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoffen aus dem Wärmetauscher in die hydraulische Leitung reguliert und eine Drosselung zwischen Wärmetauscher und Kondensator vorgenommen wird.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines steuerbaren Ventils oder einer steuer- baren Drossel, da die abfließende Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff, die vom Wärmetauscher zum Kondensator geleitet wird, abhängig von der Betriebssituation der Brennkraftmaschine oder der momentanen Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium im Wärmetauscher variiert wird.

Ein Druckregelventil in einer Leitung zwischen Speisepumpe und Wärmetauscher ist von Vorteil, da durch das Druckregelventil das Druckniveau für die Verdampfung und damit die Verdampfungstemperatur eingestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen werden. Hierbei ist nur ein einzelnes Druckniveau einstellbar, jedoch fallen geringere Kosten hinsichtlich Anschaffung und Regelung an.

Ein Verdampfen der Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung wird verhindert, indem eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, welche eine Leitung zwischen Kondensator und Wärmetauscher mit der hydraulischen Verbindung verbindet, da sich kühleres Arbeitsmedium aus der Leitung zwischen Wärmetauscher und Kondensator mit dem erhitzten Arbeitsmedium aus dem Wärmetauscher vermischt. Beim Verdampfen des Arbeitsmediums würden sich Salze an den Wänden der hydraulischen Verbindung ablagern. Diese Ablagerungen können durch ein Vermischen des erhitzten Arbeitsmediums aus dem Wärmetauscher mit dem kühleren Arbeitsmedium aus der Leitung zwischen Wärmetauscher und Kondensator vermieden werden.

Es ist von Vorteil, wenn die Verbindungsleitung auf der Niederdruckseite der Speisepumpe abzweigt, da dadurch die Speisepumpe entlastet wird und weniger Energie benötigt wird.

Es ist vorteilhaft, wenn die Verbindungsleitung auf der Hochdruckseite der Speisepumpe abzweigt, da an dieser Stelle im Leitungskreis ein höheres Druckniveau herrscht und das Arbeitsmedium somit ungehindert von der Leitung zwischen Kondensator und Wärmetauscher in die hydraulische Verbindung strömt.

Es zeigt sich als vorteilhaft, wenn die Verbindungsleitung in einen Leitungsabschnitt der hydraulischen Verbindung mündet, der zwischen der Regeleinrichtung und dem Kondensator angeordnet ist, da gerade an dieser Stelle in der hydrauli- schen Leitung das Arbeitsmediums leicht verdampft, weil es durch die Regeleinrichtung eine adiabate Drosselung erfährt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung umfasst ein steuerbares Ventil, welches in der Verbindungsleitung angeordnet ist, da durch dieses steuerbare

Ventil, die abfließende Menge an Arbeitsmedium aus der Leitung zwischen Wärmetauscher und Kondensator an die Menge des Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung angepasst werden kann.

Ein weiterer Vorteil lässt sich durch eine Sensoreinheit, die im Wärmetauscher angeordnet ist und die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium misst, erzielen. Abhängig von der Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmediums gibt die Regeleinrichtung in der hydraulischen Leitung einen unterschiedlichen großen Strömungsquerschnitt frei. Befindet sich eine große Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium, so ist der Strömungsquerschnitt der Regeleinrichtung in der hydraulischen Leitung groß und es wird eine große Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff durch die Regeleinrichtung abgesteuert; befindet sich nur eine geringe Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium, so ist der Strömungsquerschnitt der Regeleinrichtung in der hydraulischen Leitung klein und es wird ein kleine Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff durch die Regeleinrichtung abgesteuert.

Vorteilhaft zeigt sich hierbei, dass eine Regeleinrichtung die Durchflussmenge des flüssigen Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung abhängig von der Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher steuert. Dadurch ist eine genaue Regulierung der Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff, das durch die hydraulische Verbindung abgesteuert wird, möglich. Es wird somit immer nur soviel Arbeitsmedium mit Zusatzstoff abgesteuert, wie maximal nötig ist und damit unnötige Leistungsanforderungen an die Speisepumpe reduziert werden. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen

Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen

Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und

Figur 3 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen

Darstellung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2 mit einem Leitungskreis 4, indem ein flüssiges oder gasförmiges 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 eine hydraulische Verbindung 32 zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12 angeordnet. Diese hydraulische Verbindung 32 dient zum Austausch des flüssigen Arbeitsmediums zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12.

Die Brennkraftmaschine 2 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 2 ausgestattet 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 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 Abgaswärmetauscher 8 verdampft und überhitzt werden kann. Der Abgaswärmetauscher 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 Antriebswelle 11 auf, über die die Expansi- onsmaschine 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 Expansions- maschine 10 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 12 abgekühlt und verflüssigt. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf 20 kann es sich um den Kühlkreislauf 20 der Brennkraftmaschine 2 handeln. Das im Kondensator 12 verflüssigte Arbeitsmedium wird über die Leitung 29 von einer Speisepumpe 6 in eine Leitung 24 transpor- tiert. Hinter der Speisepumpe 6 befindet sich In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums eine Hochdruckseite und in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor der Speisepumpe eine Niederdruckseite.

Um den Druck in der Leitung 24, die als Zulauf zum Wärmetauscher 8 dient, zu regulieren, kann eine Bypassverbindung 31 parallel zur Speisepumpe 6 vorgesehen werden. In der Bypassverbindung 31 kann sich ein Druckregelventil oder ein Überdruckventil 30 befinden. 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 Expansi- onsmaschine 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 flüssiges Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim Durchströmen des Leitungskreises 4 thermodynamische Zustandsänderungen, die idealer weise einem Organic Rankine Cycle Prozess entsprechen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. 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.

In dem flüssigen Arbeitsmedium kann sich ein Zusatzstoff befinden, der das Einfrieren des flüssigen Arbeitsmediums verhindert. Als Zusatzstoff können z. B. Salze verwendet werden. Der Zusatzstoff löst sich im flüssigen Arbeitsmedium und wird mit dem flüssigen Arbeitsmedium vom Kondensator durch die Leitung 29 zur Speisepumpe 6 und weiter durch die Leitung 24 zum Wärmetauscher 8 transportiert. Im Wärmetauscher 8 wird das flüssige Arbeitsmedium verdampft, während die Zusatzstoffe im flüssigen Arbeitsmedium verbleiben. Das verdampfte Arbeitsmedium wird über die Leitung 26 weiter zur Expansionsmaschine 10 transportiert. Die Konzentration der Zusatzstoffe im verbliebenen flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 steigt dadurch kontinuierlich an.

Die hydraulische Verbindung 32 befindet sich zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12 und dient zum Austausch des flüssigen Arbeitsmediums mit Zusatzstoffen. Durch die Druckdifferenz zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12 ist eine Durchflussrichtung vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 vorgegeben.

Durch die hydraulische Verbindung 32 kann das flüssige Arbeitsmedium mit der hohen Konzentration an Zusatzstoffen vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 geleitet werden. Im Kondensator 12 vermischt sich das flüssige Arbeitsmedium mit der hohen Konzentration an Zusatzstoffen aus der hydraulischen Leitung 32 mit flüssigem Arbeitsmedium ohne Zusatzstoffe, welches über die Leitung 28 von der Expansionsmaschine 10 in den Kondensator 12 gelangt. Somit findet ein Konzentrationsausgleich des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium statt.

Die Zusatzstoffe müssen einen höheren Siedepunkt als das Arbeitsmedium haben und dürfen kein azetopes Gemisch mit dem Arbeitsmedium bilden, da sie ansonsten mit dem flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft würden und sich später an Bauteilen im Leitungskreis 4 ablagern würden.

In der hydraulischen Verbindung 32 kann sich eine Regeleinrichtung 34 befinden, welche die Durchflussmenge des flüssigen Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung 32 reduziert oder steuert. Die Regeleinrichtung 34 kann eine Drossel sein, die dazu dient, dass flüssige Arbeitsmedium in der hydraulischen Leitung 32 zu drosseln. Dadurch ist eine kontinuierliche Strömung des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 gegeben.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Regeleinrichtung 34 ein steuerbares Ventil oder eine steuerbare Drossel sein. Durch den Einsatz des steuerbaren Ventils oder der steuerbaren Drossel lässt sich die Menge des abfließenden Arbeitsmediums mit Zusatzstoff aus dem Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 verändern und an die Betriebssituation der Brennkraftmaschine oder die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 anpassen.

Die Figuren 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, bei denen eine Verbindungsleitung 36 vorgesehen ist, welche eine der Leitungen 24, 29 oder die Bypassverbindung 31 zwischen Kondensator 12 und Wärmetauscher 8 mit der hydraulischen Verbindung 32 verbindet. In der Verbindungsleitung 36 kann sich ein steuerbares Ventil 38 befinden. Die Verbindungsleitung 36 mündet stromab von der Regeleinrichtung 34 in die hydraulische Verbindung 32.

Durch die Verbindungsleitung 36 gelangt flüssiges, noch nicht erhitztes Arbeitsmedium mit einer geringen Konzentration an Zusatzstoffen in die hydraulische Verbindung 32. Dieses noch nicht erhitzte Arbeitsmedium mit einer geringen Konzentration an Zusatzstoffen wird mit heißem und entspanntem Arbeitsmedium mit Zusatzstoffen aus dem Wärmetauscher 8 vermischt. Dadurch lässt sich ein Verdampfen des erhitzten Arbeitsmediums mit Zusatzstoffen, welches aus dem Wärmetauscher 8 stammt, verhindern. Eine Ablagerung von Zusatzstoffen an den Kanalwänden wird somit vermieden.

Die Verbindungsleitung 36 kann aus der Leitung 24, der Leitung 29 oder der Bypassverbindung 31 auf der Hochdruckseite oder der Niederdruckseite der Speisepumpe 6 abzweigen.

Das steuerbare Ventil 38 dient zur Regelung der Menge des abgesteuerten Arbeitsmediums aus einer der Leitungen 24, 29 oder der Bypassverbindung 31. Abhängig von der Betriebssituation der Brennkraftmaschine oder von der Temperatur und dem Druck des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff, welches aus dem Wär- metauscher 8 in die hydraulische Verbindung 32 gelangt, muss eine andere

Menge an kühleren Arbeitsmedium aus einer der Leitungen 24, 29 oder der Bypassverbindung 31 in die hydraulische Leitung 32 abgesteuert werden.

Um die Fließrichtung vom kühleren Arbeitsmedium aus einer der Leitungen 24, 29 oder der Bypassverbindung 31 zwischen Kondensator 12 und Wärmetauscher

8 zur hydraulischen Leitung 32 zu gewährleisten, muss sichergestellt sein, dass das Druckniveau an der Stelle, an der die Verbindungsleitung 36 aus einer der Leitungen 24, 29 oder Bypassverbindung 31 abzweigt höher ist, als das Druckniveau an der Stelle an der die Verbindungsleitung 36 in die hydraulische Ver- bindung 32 mündet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 zweigt die Verbindungsleitung 36 auf der Niederdruckseite der Speisepumpe 6 ab. Die Verbindungsleitung 36 ist in unmittelbarer Nähe des Druckregelventils 30 in der Bypassverbindung 31 ange- ordnet. Die Verbindungsleitung 36 kann auch aus der Leitung 29 in der Nähe der

Speisepumpe 6 abzweigen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 zweigt die Verbindungsleitung 36 auf der Hochdruckseite der Speisepumpe 6 ab. Die Verbindungsleitung 36 ist in Strömungsrichtung hinter der Speisepumpe 6 in der Leitung 24 angeordnet. Die Verbindungsleitung 36 kann auch aus der Bypassverbindung 31 in Strömungsrichtung vor dem Druckregelventil 30 abzweigen.

Durch den Einsatz der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Sensoren oder Sensoreinheiten 40 im Wärmetauscher 8 kann die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 gemessen werden. Kommen schaltbare Ventile oder schaltbare Drosseln als Regeleinrichtung 34 zum Einsatz, kann abhängig von der von den Sensoren 40 gemessenen Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 die Durchflussmenge in der hydraulischen Verbindung 32 durch die Regeleinrichtung 34 gesteuert werden. Liegt eine hohe Konzentration von Zusatzstoffen im flüssigen Arbeitsmedium vor, so wird durch die Regeleinrichtung 34 eine hohe Durchflussmenge von flüssigem Arbeitsmedium mit Zusatzstoff zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12 ermöglicht. Ist eine geringe Konzentration von Zusatzstoffen im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 vorhanden, wird von der Regeleinrichtung 34 nur eine geringe Durchflussmenge oder kein Durch- fluss des flüssigen Arbeitsmediums mit Zusatzstoff durch die hydraulische Leitung 32 ermöglicht.