Abwärmerückgewinnungssystem

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine

Brennkraftmaschine.

Stand der Technik

Ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 205 648 AI bekannt. Das bekannte

Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden

Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. Das

Abwärmerückgewinnungssystem weist weiterhin eine Expandereinheit auf, die die Expansionsmaschine und einen Generator umfasst.

Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 004 836 AI eine

Expandereinheit mit einer Expansionsmaschine und einem Generator bekannt, wobei in der Expandereinheit ein Kühlkanal zur Kühlung des Generators ausgebildet ist.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem steigert die Effizienz des Abwärmerückgewinnungssystems und insbesondere des Generators. Dazu weist das Abwärmerückgewinnungssystem, welches insbesondere für eine Brennkraftmaschine verwendet werden kann, einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des

Arbeitsmediums einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist eine Expandereinheit auf, wobei die Expandereinheit die Expansionsmaschine und einen Generator umfasst. In der Expandereinheit ist zumindest ein Kühlkanal zur Kühlung des Generators ausgebildet. Der zumindest eine Kühlkanal ist in dem Kreislauf stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts des Verdampfers angeordnet.

Dadurch wird das Arbeitsmedium in seinem kühlsten Zustand zur Kühlung des Generators verwendet, nämlich nachdem es im Kondensator vollständig verflüssigt wurde. Die Kühlung des Generators ist somit besonders effektiv, insbesondere wenn im Generator Kaltleiter zur Erzeugung des Stromflusses verwendet werden, bei welchen der elektrische Widerstand mit der Temperatur ansteigt. Die Kühlung des Generators durch das Arbeitsmedium hat einen weiteren positiven Effekt auf das Abwärmerückgewinnungssystem, indem das Arbeitsmedium stromaufwärts des Verdampfers, also vor dem Verdampfer, vorgeheizt wird. Damit muss dem Arbeitsmedium in dem Verdampfer nur noch eine geringere Wärmeenergie bis zur vollständigen Verdampfung zugeführt werden. Insbesondere bei der Verwendung von Kältemitteln als Arbeitsmedium ist diese

Anordnung der Kühlkanäle in dem Kreislauf eine wirksame Kühlung des

Generators, da die Siedetemperatur des Kältemittels vergleichsweise niedrig ist.

In bevorzugten Ausführungen weist der Kreislauf auch eine Fluidpumpe auf, wobei die Kühlkanäle stromabwärts der Fluidpumpe angeordnet sind. Dadurch hat das durch die Kühlkanäle strömende Arbeitsmedium eine höhere

Strömungsgeschwindigkeit, so dass sich auch der Wärmeübergangskoeffizient von den Kühlkanälen in das Arbeitsmedium erhöht. Damit wird die Kühlung des Generators optimiert. In vorteilhaften Ausführungen weist der Generator einen im Wesentlichen zylinderförmigen Stator auf. Der Kühlkanal verläuft dabei über den Umfang des Stators. In weiterbildenden Ausführungen können auch mehrere Kühlkanäle - in Parallel- oder Reihenschaltung - über den Umfang des Stator verlaufen. Dazu kann beispielsweise ein zweiteiliges Gehäuse den Stator radial umgebend angeordnet sein, mit einem Innenkörper und einem Außenmantel. Die

Kühlkanäle sind dann vorzugsweise zwischen dem Innenkörper und dem

Außenmantel ausgebildet. Dadurch werden die Induktionsspulen im Stator sehr wirksam gekühlt.

In bevorzugten Ausführungen weist das Abwärmerückgewinnungssystem einen Gleichrichter auf. Der Gleichrichter ist elektrisch mit dem Generator verbunden, beispielsweise mittels dreier Leitungen. Zumindest ein Bereich des Kühlkanals ist benachbart zu dem Gleichrichter angeordnet. Dadurch kühlt der Kühlkanal nicht nur den Generator, sondern auch den mit diesem verbundenen Gleichrichter, so dass auch die Effizienz des Gleichrichters erhöht wird. Der Gleichrichter kann dabei vorzugsweise auch innerhalb eines Gehäuses der Expandereinheit angeordnet sein. Der Gleichrichter dient der Umwandlung der im Generator erzeugten Wechselspannung in Gleichspannung. Dies ist beispielsweise für Fahrzeuganwendungen erforderlich, welche ein Bordnetz mit Gleichspannung aufweisen.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist der Gleichrichter auf der der

Expansionsmaschine entgegengesetzten Seite des Generators angeordnet. Dadurch ist der Gleichrichter in einem vergleichsweise kühlen Bereich

positioniert.

In vorteilhaften Ausführungen umfasst der Kühlkanal eine Stirnwandkühlung. Die Stirnwandkühlung ist zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnwänden des Generators - bzw. des Stators - und des Gleichrichters angeordnet. Dadurch kann dieser Teilbereich des Kühlkanals sowohl den Generator - bzw. Stator - als auch den Gleichrichter wirkungsvoll kühlen.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Expansionsmaschine als Radialturbine mit einem Laufrad ausgeführt. Dies ist eine sehr effektive Expandereinheit, insbesondere wenn das Laufrad und ein Rotor des Generators auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Dadurch ist keine Getriebestufe in der Expandereinheit erforderlich.

In vorteilhaften Ausführungen erfolgt die Ausströmung des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine in Richtung des Generators. Weiterhin erfolgt die Ausströmung des Arbeitsmediums aus der Expandereinheit durch einen

Ausströmkanal, wobei der Ausströmkanal zwischen der Expansionsmaschine und dem Generator ausgebildet ist. Das Arbeitsmedium strömt also aus der Expansionsmaschine zunächst in Richtung des Generators, wird dann allerdings noch vor dem Generator in dem Ausströmkanal aus der Expandereinheit geleitet. Der Ausströmkanal kann dabei beispielsweise in einem Gehäuse der

Expandereinheit ausgebildet sein. Dadurch wird der Generator nicht mit dem heißen Arbeitsmedium belastet. Gleichzeitig ist die Expandereinheit sehr kompakt ausgeführt.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Lager zur Lagerung des Laufrads auf der dem Ausströmkanal entgegengesetzten Rückseite des Laufrads angeordnet. Das Lager, welches ein Axial- und/oder Radiallager sein kann, ist also nicht zwischen Expansionsmaschine und Generator, sondern an einem Ende der

Expandereinheit angeordnet. Dadurch ist das Lager zum einen vergleichsweise einfach zu montieren und zu warten. Zum anderen ist aber auch im Bereich des Lagers genügend Bauraum vorhanden, um das Lager gegebenenfalls zu schmieren und/oder zu kühlen. Vorzugsweise erfolgt eine radiale Lagerung des Laufrads dabei über die Lagerung der Welle, auf welcher das Laufrad

angeordnet ist.

In vorteilhaften Ausführungen ist in der Expandereinheit eine Isolierung zwischen dem Ausströmkanal und dem Generator angeordnet. Die Isolierung kann dabei Teil eines Gehäuses der Expandereinheit, beispielsweise eine Keramik- oder Zirkoniumplatte sein. Die Isolierung kann jedoch auch einen Luftspalt in dem Gehäuse umfassen. Der Wärmeeintrag vom ausströmenden Arbeitsmedium in den Generator wird dadurch unterbunden bzw. minimiert. In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Expandereinheit eine Mehrzahl von Kühlkanälen ausgebildet. Dies gilt für alle oben beschriebenen Varianten. Die Kühlkanäle können dabei parallel oder in Reihe geschaltet sein, beispielsweise mäanderförmig verlaufen. Vorzugsweise sind sie um den Umfang eines zylinderförmigen Stators angeordnet, so dass eine große wirksame Kühlfläche benachbart zu den zu kühlenden Spulen vorhanden ist.

Zeichnungen

Fig.l zeigt schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem, wobei

wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.2 zeigt schematisch eine Expandereinheit im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.3 zeigt schematisch eine weitere Expandereinheit im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Fig.4 zeigt einen Schnitt einer Expandereinheit in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Beschreibung

Fig.l zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes

Abwärmerückgewinnungssystem 1 einer Brennkraftmaschine 20, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Abwärmerückgewinnungssystem 1 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 2 auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine

Fluidpumpe 3, einen Verdampfer 4, eine Expansionsmaschine 11 und einen Kondensator 5 umfasst. Der Kondensator 5 kann dabei beispielsweise an ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine 20 gekoppelt sein. Parallel zur Expansionsmaschine 11 ist eine Bypassleitung 14 geschaltet. Mittels eines Bypassventils 13 kann der Massenstrom des Arbeitsmediums nach Bedarf auf die Expansionsmaschine 11 und/oder die Bypassleitung 14 aufgeteilt werden.

Die Expansionsmaschine 11 ist Teil einer Expandereinheit 10. Die

Expandereinheit 10 umfasst die Expansionsmaschine 11 und einen Generator 12, optional weiterhin auch das Bypassventil 13 und die Bypassleitung 14. Der Generator 12 wandelt die in der Expansionsmaschine 11 erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie um und speist damit nicht dargestellte

Verbraucher bzw. ein Speichermedium.

Optional kann das Abwärmerückgewinnungssystem 1 weiterhin - wie in Fig.l gezeigt - einen Tank 6 aufweisen, von dem mittels eines Zumessventils 7 Arbeitsmedium in den Kreislauf 2 eingeleitet werden kann, bzw. in den überschüssiges Arbeitsmedium aus dem Kreislauf 2 zurückgeführt werden kann. Alternativ kann der Tank 6 dabei auch in dem Kreislauf 2 angeordnet sein.

Die Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems 1 ist wie folgt:

Das flüssige Arbeitsmedium wird von der Fluidpumpe 3 unter Druck zu dem Verdampfer 4 und weiter zur Expansionsmaschine 11 gefördert. Der Verdampfer 4 ist an eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine 20 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 20 und verdampft damit das Arbeitsmedium des Kreislaufs 2. Das gasförmige Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 11 unter Abgabe mechanischer Energie entspannt. Im Kondensator 5 wird das Arbeitsmedium vollständig verflüssigt und gelangt so wieder zur Fluidpumpe 3.

Vorzugsweise weisen die Expansionsmaschine 11 und der Generator 12 eine gemeinsame Welle auf, so dass im Generator 12 auf einfache Weise mittels eines auf der Welle angeordneten Rotors und eines Stators elektrische Energie erzeugt werden kann.

Die Bypassleitung 14 ist parallel zur Expansionsmaschine 11 angeordnet. Je nach Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 20 und des Abwärmerückgewinnungssystems 1 und daraus resultierender Größen, beispielsweise Temperaturen des Arbeitsmediums, wird das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine 11 zugeführt oder durch die Bypassleitung 14 an der Expansionsmaschine 11 vorbeigeführt.

Erfindungsgemäß wird nun das im Kondensator 5 abgekühlte und verflüssigte Arbeitsmedium durch den Generator 12 geleitet, um diesen zu kühlen und damit den Wirkungsgrad des Generators 12 zu optimieren. In der Ausführung der Fig.l wird das Arbeitsmedium zwischen dem Zumessventil 7 und der Fluidpumpe 3 durch den Generator 12 geleitet. Es sind jedoch auch alternative Anordnungen möglich. Dabei ist zu beachten, dass das Arbeitsmedium im flüssigen, abgekühlten Zustand durch den Generator 12 zu führen ist, also stromabwärts des Kondensators 5 und gleichzeitig stromaufwärts des Verdampfers 4.

In einer bevorzugten Ausführung ist der Generator 12 zwischen der Fluidpumpe 3 und dem Verdampfer 4 angeordnet. Dadurch wird das kühle Arbeitsmedium mit einem höheren Druck und demzufolge auch mit einer höheren Geschwindigkeit durch den Generator 12 geleitet. Der Wärmeübergangskoeffizient von dem Generator 12 in das Arbeitsmedium erhöht sich mit zunehmender

Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums. Die Kühlwirkung wird somit optimiert.

Fig.2 zeigt eine erfindungsgemäße Expandereinheit 10 im Längsschnitt mit einer schematischen Anbindung an das Abwärmerückgewinnungssystem 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Expansionsmaschine 11 ist dabei als Turbine mit einem Laufrad 19 ausgeführt. Im Fall der Ausführung der Fig.2 ist die Turbine eine Radialturbine, so dass das Arbeitsmedium im Kreislauf 2 radial dem Laufrad 19 zugeströmt wird. Vorzugsweise ist das Laufrad 19 dabei so angeordnet, dass das Arbeitsmedium in Richtung des Generators 12 aus dem Laufrad 19 abströmt, aber dennoch vor dem Generator 12 wieder durch einen Ausströmkanal 49 aus der Expandereinheit 10 in Richtung des Kondensators 5 herausgeleitet wird. Der Strömungsweg des Arbeitsmediums durch die

Expansionsmaschine 11 ist in diesem Fall im Querschnitt also U-förmig. Der Generator 12 weist den Rotor 16 und den Stator 17 auf, welche in der Fig.2 lediglich schematisch dargestellt sind. Der Rotor 16 und das Laufrad 19 sind auf der Welle 15 angeordnet, so dass sich mit dem Laufrad 19 auch der Rotor 16 dreht. Beispielhaft ist ein Lager 18 an der Rückseite 19a des Laufrads 19 angeordnet, mittels welchem die Welle 15 in der Expandereinheit 10 gelagert ist. Das Lager 18 kann dabei als Radial- und/oder Axiallager ausgeführt sein.

Weitere Lager zur Lagerung der Welle 15 bzw. des Laufrads 19 können in der Expandereinheit 10 angeordnet sein.

Die dargestellte Strömungsführung des Arbeitsmediums in Richtung zum

Generator 12 hat dabei den Vorteil, dass das Lager 18 vergleichsweise einfach montiert und gekühlt werden kann, da es an einem vergleichsweise leicht zugänglichen Bereich der Expandereinheit 10 positioniert ist. Weiterhin ist die Temperaturbelastung des Lagers 18 reduziert, da es an der

strömungsabgewandten Seite des Laufrads 19, eben auf der Rückseite 19a, angeordnet ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, da das

Abwärmerückgewinnungssystem 1 üblicherweise niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien verwendet. Hohe Temperaturen würden die

Viskosität zusätzlich verringern, so dass sich die Tribologie in dem Lager 18 weiter verschlechtern würde.

Im Bereich des Stators 17 weist der Kreislauf 2 einen Kühlkanal 30 auf, welcher in der Fig.2 lediglich schematisch dargestellt ist. Der Kühlkanal 30 verläuft vorzugsweise über den Umfang des Stators 17. Dabei können auch mehrere Kühlkanäle in bzw. an dem Stator 17 angeordnet sein. Die Kühlkanäle sind dabei stromabwärts des Kondensators 5 in dem Kreislauf 2 angeordnet.

Fig.3 zeigt eine Weiterbildung der Ausführung nach Fig.2, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In der Ausführung der Fig.3 weist das Abwärmerückgewinnungssystem 1 noch einen Gleichrichter 50 auf, der vorzugsweise Bestandteil der Expandereinheit 10 ist. Der Gleichrichter 50 ist benachbart zum Stator 17 angeordnet, und mit diesem mittels dreier Leitungen 51a, 51b, 51c elektrisch verbunden. Der Gleichrichter 50 ist dabei üblicherweise nicht rotationssymmetrisch ausgeführt, wie die Darstellung der Fig.3 vermuten ließe. Der Gleichrichter 50 ist auf der der Expansionsmaschine 11 entgegengesetzten Seite des Generators 12 bzw. des Stators 17 angeordnet, so dass er thermisch gut von der Expansionsmaschine 11 getrennt ist. Die Kühlkanäle 30 sind nun so gestaltet, dass eine zusätzliche Kühlung des Gleichrichters 50 erfolgt, so dass auch dessen Effizienz optimiert ist. Dazu sind die Kühlkanäle 30 benachbart zum Gleichrichter 50 angeordnet, in der Ausführung der Fig.3 verlaufen sie als Stirnwandkühlung 31 zwischen den gegenüberliegenden Stirnwänden 17a, 50a von Stator 17 und Gleichrichter 50. Die Stirnwandkühlung 31 kann dabei ringförmig über den Umfang des Stators 17 ausgebildet sein. Es ist

beispielsweise jedoch auch eine mänderförmige oder eine plattenförmige Stirnwandkühlung 31 möglich.

Fig.4 zeigt einen Schnitt einer erfindungsgemäßen Expandereinheit 10 in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Expandereinheit 10 umfasst die Expansionsmaschine 11 und den Generator 12. Die Expansionsmaschine 11 ist als Radialturbine ausgeführt, wobei der Strömungsausgang aus der Radialturbine vom Generator 12 wegführt. Alternativ kann die Radialturbine auch eine Strömungsführung zum Generator 12 hin aufweisen, wie in Fig.2 gezeigt.

Die Expandereinheit 10 weist ein Gehäuse 40 auf. In der Ausführung der Fig.4 ist das Gehäuse 40 mehrteilig ausgeführt, mit einem Expandergehäuse 41, einem Generatorgehäuse 42 und einer Statorplatte 43. Das Expandergehäuse

41 umgibt im Wesentlichen die Expansionsmaschine 11. Das Generatorgehäuse

42 umgibt den Stator 17. Die Statorplatte 43 ist zwischen dem Expandergehäuse 41 und dem Generatorgehäuse 42 verspannt und fixiert zusammen mit dem Generatorgehäuse 42 den Stator 17 innerhalb des Gehäuses 40.

Das Lager 18 ist radial durch das Generatorgehäuse 42 positioniert und axial zwischen dem Generatorgehäuse 42 und der Statorplatte 43 positioniert, also zwischen der Expansionsmaschine 11 und dem Generator 12 angeordnet. Ein weiteres Lager 18b ist auf der anderen Seite des Generators 12 angeordnet. In dem Generatorgehäuse 42 ist über den Umfang des Generators 12 verlaufend eine Mehrzahl von Kühlkanälen 30 ausgebildet. Die Kühlkanäle 30 können dabei sowohl in Serie als auch in Reihe geschaltet sein. Dazu ist das

Generatorgehäuse 42 zweiteilig ausgeführt, mit einem Innenkörper 42a und einem Außenmantel 42b. Die Kühlkanäle 30 sind demzufolge zwischen dem

Innenkörper 42a und dem Außenmantel 42b angeordnet, so dass eine beliebig komplexe Geometrie der Kühlkanäle 30 darstellbar ist. Weiterhin zeigt die Fig.4 schematisch den Querschnitt einer Stirnwandkühlung 31, benachbart zur Stirnwand 17a des Stators. Selbstverständlich kann daran anschließend optional ein Gleichrichter angeordnet sein.

Der Strömungsweg des Arbeitsmediums in der Ausführung der Fig.4 ist der folgende: Vom Verdampfer 4 kommend strömt das gasförmige Arbeitsmedium radial in die Expansionsmaschine 11 ein und axial aus dieser durch den

Ausströmkanal 49 wieder aus, in der Darstellung der Fig.4 nach rechts.

Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 5 vollständig verflüssigt und durchströmt danach die Kühlkanäle 30 im Gehäuse 40 zur Kühlung des Stators 17. Die Kühlung des Stators 17 erhöht einerseits die Effizienz des Generators 12, gleichzeitig wird das Arbeitsmedium vorerhitzt, so dass dem Arbeitsmedium anschließend im Verdampfer 4 weniger Energie bis zur vollständigen Verdampfung zugeführt werden muss.

In vorteilhaften Ausführungen wird das Laufrad 19 der Fig.4 seitenverkehrt angeordnet, so dass die Abströmung in Richtung des Generators 12 erfolgt, wie schon in Fig.2 gezeigt. Die Strömung des Arbeitsmediums aus der

Expandereinheit 10 erfolgt dann vorzugsweise in radialer Richtung zwischen Expandergehäuse 41 und Generatorgehäuse 42. Der Ausströmkanal 49 kann dazu von dem Expandergehäuse 41 und/oder dem Generatorgehäuse 42 begrenzt sein. Das Lager 18 ist in diesen Ausführungen vorteilhafterweise am rechten Rand der Expandereinheit 10 angeordnet.

In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Expandereinheit 10 dann eine

Isolierung zwischen der Expansionsmaschine 11 und dem Generator 12 auf. Dies kann beispielsweise durch ein Material des Gehäuses 40 mit geringer Wärmeleitfähigkeit erfolgen, oder durch eine zusätzliche Beschichtung des Gehäuses 40, oder durch ein weiteres Bauteil des Gehäuses 40. Die Isolierung kann dabei auch Lufteinschlüsse innerhalb des Gehäuses 40 umfassen. Die Isolierung hat die Aufgabe das relativ heiße, durch den Ausströmkanal 49 aus der Expansionsmaschine 11 ausströmende Arbeitsmedium thermisch von dem Generator 12 zu trennen, so dass die Effizienz des Generators 12 nicht reduziert wird.

Die beschriebenen Ausführungformen des erfindungsgemäßen

Abwärmerückgewinnungssystems 1 sind nicht auf die Ankopplung an eine Brennkraftmaschine 20 beschränkt. Vielmehr ist es möglich sämtliche

Wärmequellen über den Verdampfer 4 an das Abwärmerückgewinnungssystem 1 anzubinden.