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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung einer
Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem ein
Arbeitsmedium zunächst in einer Fördereinheit
verdichtet wird, anschließend in einem Wärmetauscher
durch Wärmeübertragung von einem eine Verlustwärme
der Verbrennungskraftmaschine enthaltenden Wärmemedium
auf das Arbeitsmedium verdampft wird, nachfolgend in einer Expansionsvorrichtung
expandiert wird, wobei der Expansionsvorrichtung eine mechanische
Arbeit entnehmbar ist, und anschließend in einem Kondensator
kondensiert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 7.
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Heutige
Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Wirkungsgrad von bis zu
40 Prozent auf. Die Verluste werden dabei überwiegend als
Verlustwärme an ein Kühlmittel und an ein Abgas
der Verbrennungskraftmaschine abgegeben.
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Im
Stand der Technik existieren verschiedene Verfahren und Vorrichtungen,
mittels derer aus einer Abgaswärme und/oder einer Kühlmittelwärme
einer Verbrennungskraftmaschine mechanische und/oder elektrische
Energie gewonnen werden.
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Aus
der
EP 1 443 183 A1 ist
eine auf einem Clausius-Rankine-Kreisprozesses beruhende Wärmerückgewinnungsvorrichtung
bekannt, mit welcher Energie aus einer Abgaswärme einer
Verbrennungskraftmaschine gewonnen werden kann. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung
umfasst eine Fördereinheit, einen Wärmetauscher,
eine Expansionsvorrichtung und einen Kondensator, die in einem Kreislauf verschaltet
sind und in denen ein Arbeitsmedium führbar ist. Ferner
sind Mittel vorgesehen, mit denen sich eine Temperatur des Arbeitsmediums
nach dem Wärmetauscher in Abhängigkeit von einer
Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Wärmetauscher und
von einem Massenstrom des Arbeitsmediums einstellen lässt.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung Mittel zur Einstellung eines Drucks
des Arbeitsmediums vor Eintritt in die Expansionsvorrichtung in
Abhängigkeit von der Temperatur des Arbeitsmediums nach
dem Wärmetauscher.
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Ferner
ist aus "T. Endo, S. Kawajiri, Y. Kojima, u. a. (Honda R & D Co., Ltd.):
Study an Maximizing Exergy in Automotive Engines; in SAE TECHNICAL
PAPER SERIES 2007-01-0257; 2007 World Congress, Detroit Michigan,
April 16–19, 2007" eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung
bekannt, die ebenfalls nach dem Clausius-Rankine-Prinzip betreibbar
ist. Die Vorrichtung umfasst eine Fördereinheit, einen
Wärmetauscher, eine Expansionsvorrichtung und einen Kondensator,
die in einem Kreislauf verschaltet sind und von einem Arbeitsmedium durchströmt
sind. Die Vorrichtung beinhaltet ferner eine Regeleinheit, mit deren
Hilfe eine Temperatur des Arbeitsmediums nach dem Wärmetauscher
auf einen festgelegten Zielwert einregelbar ist. Als Stellgröße
dient dabei eine Drehzahl der Fördereinheit beziehungsweise
ein Massenstrom des Arbeitsmediums durch den Wärmetauscher.
Weiterhin ist mit Hilfe einer weiteren Regeleinheit ein Druck des
Arbeitsmediums vor der Expansionsvorrichtung auf einen festgelegten
Zielwert einregelbar, wo bei als Stellgröße eine
Drehzahl der Expansionsvorrichtung vorgesehen ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rückgewinnung
einer Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, das
sich durch einen optimalen Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
der Verbrennungskraftmaschine auszeichnet. Der Erfindung liegt weiterhin
die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Die
erste Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Rückgewinnung
einer Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine wird
ein oberer Prozessdruck in einem Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine
derart eingestellt, dass das Arbeitsmedium in der Expansionsvorrichtung
zumindest annähernd bis an eine Sattdampfgrenze expandiert
wird. Eine Sattdampfgrenze ist dadurch charakterisiert, dass das Arbeitsmedium „gerade
noch" in gasförmiger Phase vorliegt; eine geringe Enthalpiereduzierung
(beispielsweise in Form einer Temperaturreduzierung bei konstantem
Druck) würde zu einem Phasenübergang eines Teils
des Arbeitsmediums von einer gasförmigen Phase in eine
flüssige Phase führen. Durch das Verfahren ist
sichergestellt, dass das Arbeitsmedium in der Expansionsvorrichtung
unter verschiedenen Betriebsbedingungen jeweils von einem möglichst hohen
oberen Prozessdruck auf einen möglichst niedrigen unteren
Prozessdruck expandiert wird. Darüber hinaus zeichnet sich
das Verfahren dadurch aus, dass bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
jeweils ein vergleichsweise großer Teil der in dem Arbeitsmedium
enthaltenen Energie in mechanische Arbeit umgesetzt und nur ein
geringer Teil in dem Kondensator als Kühlwärme
abgeführt wird, so dass sich insgesamt ein verbesserter
Wirkungsgrad ergibt. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht
in einer verbesserten Betriebssicherheit, da in der Expansionsvorrichtung
bei unterschiedlichen oder allen Betriebsbedingungen allenfalls
eine geringe Kondensation des Arbeitsmediums vorgesehen ist. Die
Gefahr einer Beschädigung der Expansionsvorrichtung infolge
einer zu starken Kondensation des Arbeitsmediums ist somit verringert.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der obere Prozessdruck durch
Anpassung einer Förderleistung der Fördereinheit
in einem Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine eingestellt. Damit
ist es auf einfache Art und Weise möglich, einen Massenstrom
des Arbeitsmediums durch den Wärmetauscher und damit ein
Verhältnis zwischen dem oberen Prozessdruck und dem unteren
Prozessdruck zu beeinflussen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Arbeitsmedium
in der Expansionsvorrichtung in einem Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine
bis in ein Nassdampfgebiet expandiert. Dadurch ist es möglich,
bei einer in etwa gleich bleibenden maximalen Prozesstemperatur
des Arbeitsmediums (nach Durchströmen des Wärmetauschers)
den oberen Prozessdruck mit Hilfe der Fördereinheit weiter
zu erhöhen und auf diese Weise einen Wirkungsgrad des Verfahrens
weiter zu verbessern. Die Expansion des Arbeitsmediums in der Expansionsvorrichtung
erfolgt dabei bevorzugt nur leicht über die Sattdampfgrenze
hinweg, um Beschädigungen an der Expansions vorrichtung
durch übermäßige Kondensation des Arbeitsmediums
zu vermeiden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein unterer Prozessdruck
in einem Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine innerhalb
eines vorgebbaren Druckbereichs eingestellt. Auf diese Weise ist
es möglich, den unteren Prozessdruck und den oberen Prozessdruck
unabhängig voneinander einzustellen. Insbesondere ist der
untere Prozessdruck an einen optimalen Betriebsbereich des Kondensators
anpassbar. Der untere Prozessdruck kann beispielsweise derart eingestellt
werden, dass der Kondensator bei einem weitgehend konstanten Kondensationsdruck
betrieben wird, auf den er ausgelegt ist. Der untere Prozessdruck
kann insbesondere auch bei einer Änderung des oberen Prozessdrucks
weitgehend konstant gehalten werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Massenstrom
des Arbeitsmediums mittels der Expansionsvorrichtung geregelt und/oder
gesteuert. Damit ist neben der Anpassung der Förderleistung
der Fördereinheit eine weitere Möglichkeit gegeben,
einen Massenstrom des Arbeitsmediums und damit verbunden den oberen
Prozessdruck zu beeinflussen. Darüber hinaus ist es mit
Hilfe der Expansionsvorrichtung und der Fördereinheit möglich, den
unteren Prozessdruck und den oberen Prozessdruck unabhängig
voneinander einzustellen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Massenstrom
des Arbeitsmediums durch Regelung und/oder Steuerung einer Leistung der
Expansionsvorrichtung eingestellt. Dies kann zum Beispiel durch
eine Variation einer Last der Expansionsvorrichtung erfolgen.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung sind Mittel
zur Regelung des oberen Prozessdruckes in Abhängigkeit
von einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Der
obere Prozessdruck ist dabei insbesondere derart einstellbar, dass
das Arbeitsmedium in der Expansionsvorrichtung zumindest annähernd
bis an eine Sattdampfgrenze expandierbar ist. Auf diese Weise ist
ein wirkungsgradoptimaler Betrieb unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen
gewährleistet.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der obere Prozessdruck in
Abhängigkeit von einem Sollwert für den unteren
Prozessdruck und in Abhängigkeit von einer dritten Temperatur
des Arbeitsmediums stromabwärts des Wärmetauschers
einstellbar. Der obere Prozessdruck kann beispielsweise als Kennfeld
in einem Steuergerät hinterlegt sein oder über
ein mathematisches und/oder empirisches Modell aus den genannten
Prozessgrößen berechnet werden. Der obere Prozessdruck
ist bevorzugt so festgelegt, dass das Arbeitsmedium in der Expansionsvorrichtung
zumindest annähernd bis an eine Sattdampfgrenze heran expandierbar
ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur
Regelung des oberen Prozessdruckes eine erste Steuereinheit und
Sensoren zur Erfassung eines Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine,
insbesondere Sensoren zur Erfassung eines Lastzustandes der Verbrennungskraftmaschine.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist über die
erste Steuereinheit ein Massenstrom des Arbeitsmediums mit Hilfe
der Fördereinheit in Abhängigkeit von Messgrößen
der Sensoren zur Erfassung des Betriebszustands einstellbar. Dadurch ist
es auf einfache Art und Weise möglich, den oberen Prozessdruck
mit Hilfe der Fördereinheit an einen Betriebszustand der
Verbrennungskraftmaschine anzupassen.
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In
weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist ein Sensor als Temperatursensor
zur Erfassung der dritten Temperatur des Arbeitsmediums stromabwärts
des Wärmetauschers ausgeführt. Zusätzlich kann
ein weiterer Sensor als Drucksensor zur Erfassung des oberen Prozessdruckes
ausgeführt und stromabwärts des Wärmetauschers
angeordnet sein. Damit stehen Messgrößen zur Verfügung,
die eine wirkungsgradoptimale Festlegung des oberen Prozessdrucks
ermöglicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Regelung
des unteren Prozessdruckes in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der
Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Damit ist es möglich,
den oberen Prozessdruck und den unteren Prozessdruck unabhängig
voneinander einzustellen, woraus sich eine weitere Wirkungsgradverbesserung
in einem weiten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine ergibt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur
Regelung des unteren Prozessdruckes eine zweite Steuereinheit, mit
deren Hilfe eine Last der Expansionsvorrichtung einstellbar ist.
Die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit können
dabei auch zu einer gemeinsamen Einheit zusammengefasst sein. Durch
eine Variation der Last ist insbesondere ein Massenstrom des Arbeitsmediums
durch die Expansionsvorrichtung beeinflussbar. Insbesondere ist
auf diese Art und Weise auch ein unterer Prozessdruck einstellbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mit Hilfe der Mittel
zur Regelung des unteren Prozessdruckes der untere Prozessdruck
gemäß einer Sollvorgabe einstellbar. Insbeson dere
kann die Sollvorgabe derart gewählt sein, dass dem Kondensator
das Arbeitsmedium unter einem definierten Druck zugeführt
wird.
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In
weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist die Expansionsvorrichtung
als Turbine und/oder als Kolbenexpansionsmaschine ausgeführt
und mit einem Generator und/oder einem elektrischen Motor und/oder
einer Motor/Generatoreinheit gekoppelt. Die der Expansionsvorrichtung
entnehmbare mechanische Arbeit ist damit entweder direkt zur Unterstützung
der Verbrennungskraftmaschine einsetzbar oder über den
Generator in elektrische Energie umwandelbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mittels des Generators
und/oder des elektrischen Motors und/oder der Motor/Generatoreinheit eine
Last der Expansionsvorrichtung einstellbar. Damit ist auch ein Massenstrom
des Arbeitsmediums durch die Expansionsvorrichtung leicht beeinflussbar.
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Zusammenfassend
ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren
zur Rückgewinnung der Verlustwärme und die erfindungsgemäße
Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung
einen verbesserten Betrieb des Clausius-Rankine-Kreisprozesses über
einen großen Arbeitsbereich. Neben einer optimalen Leistung
anhand einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrades wird weiterhin
eine Verringerung der an eine Umgebung abzuführenden Kühlwärme
erzielt. Durch den geringen zusätzlichen Material- und
Herstellungsaufwand sind das erfindungsgemäße
Verfahren und die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
einfach und kostengünstig realisierbar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 Druck-Enthalpie-Diagramme
von drei Clausius-Rankine-Kreisprozessen mit jeweils unterschiedlichen
oberen Prozessdrücken und
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2 schematisch
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung.
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Im
Folgenden wird zunächst anhand von 2 eine erfindungsgemäße
Verbrennungskraftmaschine 2 mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung 1 beschrieben.
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In
der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 1 sind
eine Fördereinheit in Form einer Pumpe 3, ein Wärmetauscher 4,
eine Expansionsvorrichtung in Form einer Turbine 5 und
ein Kondensator 6 in einem Kreislauf verschaltet. In dem
Kreislauf ist ein Arbeitsmedium A in Form von Wasser in der durch
die Pfeile angedeuteten Richtung führbar. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung
ist zur Durchführung eines so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses
geeignet. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist als
Arbeitsmedium auch ein organisches Medium, zum Beispiel Ethanol
oder n-Butan einsetzbar.
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Vor
Eintritt in die Pumpe 3 liegt das Arbeitsmedium A in flüssiger
Phase vor. Es weist eine erste, vergleichsweise niedrige Temperatur
T1 auf, die bevorzugt zwischen 60°C
und 90°C beträgt. Der Druck, den das Arbeitsmedium
vor Eintritt in die Pumpe 3 aufweist, entspricht dem unteren
Prozessdruck pu und beträgt typischerweise
zwischen einem und zwei bar. In der Pumpe 3 ist das flüssige
Arbeitsmedium annähernd adiabat und isentrop auf einen
oberen Prozessdruck po, beispielsweise 90
bar, verdichtbar. Nach der Verdichtung weist das Arbeitsmedium eine zweite
Temperatur T2 auf, die zumindest annähernd der
ersten Temperatur T1 entspricht, beziehungsweise
diese (je nach verwendetem Arbeitsmedium und Betriebszustand) zwischen
0,1 K und 10 K überschreitet.
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Anschließend
ist das Arbeitsmedium A dem Wärmetauscher 4 zuführbar.
In dem Wärmetauscher 4 ist ein Wärmeübergang
von einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 zum Arbeitsmedium
A realisierbar. Der Wärmeübergang erfolgt dabei
weitgehend isobar. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 4 wird
das Arbeitsmedium A zunächst in der flüssigen
Phase weitgehend isobar auf eine Siedetemperatur Ts erwärmt
und anschließend isobar und isotherm verdampft. Der gasförmige
Anteil des Arbeitsmediums nimmt während der Verdampfung
kontinuierlich zu, bis das Arbeitsmedium A vollständig
in gasförmiger Phase vorliegt. Anschließend wird
das gasförmige Arbeitsmedium im Wärmetauscher
weitgehend isobar auf eine dritte Temperatur T3 überhitzt, die
bevorzugt zwischen 400°C und 500°C beträgt.
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Nach
Durchströmen des Wärmetauschers 4 ist
das gasförmige Arbeitsmedium A der Turbine 5 zuführbar,
in der es sich im wesentlichen adiabat zumindest annähernd
auf den unteren Prozessdruck pu expandieren
lässt. Dabei ist der Turbine 5 an einer Welle
eine mechanische Arbeit entnehmbar. Während der Expansion
wird das Arbeitsmedium auf eine vierte Temperatur T4 abgekühlt.
In der Turbine 5 kann eine geringe Kondensation des Arbeitsmediums
A vorgesehen sein.
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Die
Turbine 5 ist mit einer Motor-/Generatoreinheit 9 gekoppelt,
in der die der Turbine 5 entnehmbare mechanische Arbeit
in elektrische Energie umwandelbar ist, die wiederum in einem nicht
dargestellten elektrischen Speicher speicherbar ist.
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Anschließend
ist das Arbeitsmedium A einem Kondensator 6 zuführbar,
in dem eine Wärmeübertragung von dem Arbeitsmedium
auf ein Kühlmedium vorgesehen ist. Dadurch lässt
sich das Arbeitsmedium beim Durchströmen des Kondensators 6 von einer
gasförmigen Phase in eine flüssige Phase überführen
(Kondensation). Nachfolgend ist das Arbeitsmedium zur Pumpe 3 führbar,
so dass ein Kreislauf geschlossen ist.
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In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Kondensator 6 mit
einem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt,
so dass die Kühlung des Arbeitsmediums A durch einen Wärmeübergang
von dem Arbeitsmedium A auf ein Kühlmittel der Verbrennungskraftmaschine
realisierbar ist.
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Die
Wärmerückgewinnungsvorrichtung 1 umfasst
ferner eine erste Steuereinheit 7, einen Temperatursensor 7.1 zur
Erfassung einer dritten Temperatur T3 des
Arbeitsmediums A nach dem Wärmetauscher und einen ersten
Drucksensor 7.2 zur Erfassung eines oberen Prozessdruckes
po. Die erste Steuereinheit 7 ist über
eine Leitung mit der Pumpe 3 verbunden. Über die
Steuereinheit 7 ist eine Förderleistung der Pumpe 3 in
Abhängigkeit von den Messwerten des Temperatursensors 7.1 und/oder
des ersten Drucksensors 7.2 einstellbar. Auf diese Weise sind
ein Massenstrom des Arbeitsmediums A durch die Pumpe 3 und
ein Druckverhältnis zwischen dem oberen Prozessdruck po und dem unteren Prozessdruck pu in
Abhängigkeit von den genannten Messgrößen
beeinflussbar. In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
sind weitere Messgrößen der Verbrennungskraftmaschine und/oder
der Wärmerückgewinnungsvorrichtung als Eingangsgrößen
für die erste Steuereinheit 7 zur Ermittlung einer
Soll-Förderleistung der Pumpe 3 vorgesehen. Denkbare
Messgrößen sind zum Beispiel eine Drehzahl der
Verbrennungskraftmaschine, eine Abgastemperatur Ta und
ein Abgasmassenstrom Da.
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Mit
Hilfe einer zweiten Steuereinheit 8 und eines zweiten Drucksensors 8.1 zur
Erfassung eines unteren Prozessdrucks pu nach
der Turbine 5 ist eine Last des Generators in Abhängigkeit
von dem unteren Prozessdruck pu einstellbar.
Auf diese Weise ist ein Massenstrom des Arbeitsmediums A durch die Turbine 5 beeinflussbar.
Neben der Einstellung der Förderleistung der Pumpe 3 ist
damit eine zweite Stellgröße gegeben, um ein Druckverhältnis
zwischen dem oberen Prozessdruck po und
dem unteren Prozessdruck pu sowie auch die
Absolutwerte der beiden Prozessdrücke zu beeinflussen.
In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind
weitere Messgrößen der Verbrennungskraftmaschine
und/oder der Wärmerückgewinnungsvorrichtung als
Eingangsgrößen für die zweite Steuereinheit 8 zur
Ermittlung einer Last der Motor-/Generatoreinheit 9 vorgesehen.
Denkbare Messgrößen sind zum Beispiel eine Drehzahl
der Verbrennungskraftmaschine, eine Abgastemperatur und ein Abgasmassenstrom.
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In
einem weiteren, modifizierten Ausführungsbeispiel sind
die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit zu einer Steuereinheit
zusammengefasst. Dabei können in der Steuereinheit insbesondere
Sollwerte für die Last der Motor-/Generatoreinheit und
die Förderleistung der Pumpe in Abhängigkeit von
den Messwerten des ersten Temperatursensors, des ersten Drucksensors
und des zweiten Drucksensors sowie gegebenenfalls weiterer Sensoren
festgelegt werden.
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Der
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
durchführbare Kreisprozess zur Rückgewinnung einer
Verlustwärme wird nachfolgend anhand von 1 beschrieben.
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In 1 ist
schematisch ein Druck-Enthalpie-Diagramm des Arbeitsmediums gezeigt.
In dem Diagramm ist eine Grenzlinie SL,
SG dargestellt, durch die Bereiche abgegrenzt
sind, in denen das Arbeitsmedium in unterschiedlichen Phasen vorliegt. Die
Grenzlinie lässt sich in eine Siedeline SL und
eine Sattdampfgrenze SG unterteilen, die
an einem kritischen Punkt Kp ineinander übergehen. Die
Siedelinie SL und die Sattdampfgrenze SG begrenzen gemeinsam ein so genanntes Nassdampfgebiet
NG, in dem das Arbeitsmedium sowohl in einer flüssigen Phase
als auch in einer gasförmigen Phase vorliegt. Bei einer
Enthalpieverringerung (beispielsweise durch eine Temperaturreduzierung
bei konstantem Druck) bis unter die Siedelinie SL ist
das Arbeitsmedium vollständig in die flüssige
Phase übergetreten; der Bereich des Druck-Enhalpie-Diagramms,
der durch die Ordinate und die Siedelinie begrenzt ist, wird demzufolge
auch als Flüssigkeitsgebiet FG bezeichnet. Eine Enthalpieerhöhung
bis über die Sattdampfgrenze SG hinweg
führt dagegen zu einem vollständigen Phasenwechsel
in die gasförmige Phase, und der entsprechende Bereich
des Druck-Enthalpie-Diagramms wird als so genanntes Trockendampfgebiet
TG bezeichnet.
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Weiterhin
ist in 1 ein Kreisprozess zur Rückgewinnung
einer Verlustwärme in idealisierter Form ohne Reibungs-
oder Wärmeverluste dargestellt.
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Vor
Eintritt in die Pumpe 3 befindet sich das Arbeitsmedium
A in einem ersten Zustand 10, in dem es eine erste Temperatur
T1, einen unteren Prozessdruck Pu sowie eine erste Enthalpie h1 aufweist.
In dem ersten Zustand 10 liegt das Arbeitsmedium in flüssiger
Phase vor. Ein Punkt im Druck-Enthalpie-Diagramm (1),
der dem ersten Zustand entspricht, befindet sich auf der oder in
unmittelbarer Nähe zur Siedelinie SL.
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In
der Pumpe 3 wird das Arbeitsmedium A annähernd
adiabat verdichtet und in einen zweiten Zustand 20 überführt.
Der zweite Zustand 20 ist durch eine zweite Temperatur
T2, den oberen Prozessdruck po und
die erste Enthalpie h1 charakterisiert.
Der Punkt im Druck-Enthalpie-Diagramm, der dem zweiten Zustand 20 entspricht,
ist weiter von der Siedelinie entfernt, das heißt das Arbeitsmedium
liegt weiterhin in flüssiger Phase vor.
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In
dem Wärmetauscher 4 wird dem Arbeitsmedium A isobar
Wärme zugeführt und damit seine Enthalpie h vergrößert.
Das zunächst noch flüssige Arbeitsmedium wird
dabei zunächst bis zu einer Siedetemperatur Ts,
das heißt bis an die Siedelinie SL erwärmt. An
der Siedelinie SL beginnt ein Phasenübergang
von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase.
Im Verlauf der weiteren Durchströmung des Wärmetauschers
nimmt der gasförmige Anteil des Arbeitsmediums zu, bis
das Arbeitsmedium vollständig verdampft ist. Der Druck
po und die Temperatur Ts des
Arbeitsmediums bleiben dabei im Nassdampfgebiet konstant, und die
Wärmeenergie, die im Wärmetauscher von dem Abgas
zum Arbeitsmedium im Nassdampfgebiet übertragen wird, bewirkt
in erster Linie den Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig. Im
weiteren Verlauf der Durchströmung des Wärmetauschers
wird das nun gasförmige Arbeitsmedium A durch eine Wärmeübertragung
von dem Abgas isobar überhitzt, bis es am Austritt des
Wärmetauschers einen dritten Zustand 30 angenommen
hat, der durch eine dritte Temperatur T3,
den oberen Prozessdruck po und eine dritte
Enthalpie h3 charakterisisert ist.
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In
der Turbine wird das Arbeitsmedium A auf den unteren Prozessdruck
pu expandiert, so dass die Enthalpie des
Arbeitsmediums nach der Expansion verringert ist. Das Arbeitsmedium
A befindet sich dann in einem vierten Zustand 40, der durch
eine vierte Temperatur T4, den unteren Prozessdruck
pu sowie eine vierte Enthalpie h4 charakterisiert ist. Die Expansion erfolgt
dabei erfindungsgemäß bis in die Nähe
der Sattdampfgrenze SG.
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In
dem Kondensator wird dem Arbeitsmedium durch einen Wärmeübergang
von dem Arbeitsmedium auf ein Kühlmedium Wärmeenergie
entzogen, wodurch sich die Enthalpie des Arbeitsmediums verringert.
Wenn das Arbeitsmedium A in der Turbine nicht bis zur Sattdampfgrenze
SG, sondern bis in das Trockendampfgebiet
TG expandiert wird, wird im Kondensator das noch gasförmige
Arbeitsmedium A zunächst durch Entzug einer Wärmemenge
dQ isobar von der vierten Temperatur T4 auf
die erste Temperatur T1, das heißt
bis an die Sattdampfgrenze SG, abgekühlt.
An der Sattdampfgrenze SG beginnt ein Phasenwechsel
von der gasförmigen Phase in die flüssige Phase.
Im Verlauf der weiteren Durchströmung des Kondensators
nimmt der gasförmige Anteil des Arbeitsmediums ab, bis
das Arbeitsmedium vollständig verflüssigt ist.
Der Druck pu und die Temperatur T1 des Arbeitsmediums bleiben dabei im Nassdampfgebiet
konstant, und die Wärmeenergie, die im Kondensator von
dem Arbeitsmedium zum Kühlmittel beim „Durchlaufen"
des Nassdampfgebiets übertragen wird, bewirkt in erster
Linie den Phasenwechsel von gasförmig zu flüssig.
Dem Arbeitsmedium wird im Kondensator so viel Wärme entzogen,
dass es am Austritt des Wärmetauschers vollständig
kondensiert ist und wieder im ersten Zustand 10 vorliegt.
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Aus 1 wird
der Einfluss einer Erhöhung des oberen Prozessdrucks po auf den Prozessverlauf deutlich. Eine Steigerung
von po auf einen ersten erhöhten
Druck po' bewirkt, dass das Arbeitsmedium
in der Turbine bei einem gleich bleibenden unteren Prozessdruck
pu bis auf die Sattdampfgrenze SG expandiert wird. Eine weitere Steigerung
auf einen zweiten erhöhten Druck po'' führt
dazu, dass das Arbeitsmedium in der Turbine bis in das Nassdampfgebiet
NG expandiert wird, was bedeutet, dass das Arbeitsmedium A in der
Turbine teilweise kondensiert.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht es, durch Variation der
Förderleistung der Pumpe 3 und der Last der Turbine 5 einen
oberen Prozessdruck und einen unteren Prozessdruck unabhängig
voneinander einzustellen und darüber hinaus an einen Betriebszustand
der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Die erfindungsgemäße
Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung
ermöglicht insbesondere, einen oberen Prozessdruck po in Abhängigkeit von dem Betriebszustand
zu variieren und den unteren Prozessdruck dabei weitgehend konstant
zu halten. Dadurch ist ein optimaler Betrieb der Wärmerückgewinnungsvorrichtung
in einem weiten Betriebbereich der Verbrennungskraftmaschine (Teillast,
Volllast, ...) gewährleistet. Die Prozessdrücke
können insbesondere so eingestellt werden, dass das Arbeitsmedium
in der Turbine unter verschiedenen Betriebsbedingungen jeweils bis an
eine Sattdampfgrenze oder sogar leicht in ein Nassdampfgebiet expandiert
wird. Im Volllastbetrieb kann dabei je nach verwendetem Arbeitsmedium
ein oberer Prozessdruck von 90 bar oder mehr thermodynamisch zielführend
sein. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass unter verschiedenen
Betriebsbedingungen jeweils ein großer Enthalpieanteil
des Arbeitsmediums in mechanische Arbeit überführbar
ist, und ein über den Kondensator als Kühlwärme
nach extern abzuführender Enthalpieanteil ist verringert. Eine
Anhebung des oberen Prozessdrucks po von beispielsweise
10 bar auf 90 bar führt zu einer Reduzierung der in dem
Kondensator abzuführenden Kühlwärme um
ca. 10%. Darüber hinaus ist durch die Expansion bis zur
Nassdampfgrenze auch der Bauraumbedarf für den Kondensator
reduziert, da große Kühlerflächen zur
Abkühlung des heißen Arbeitsmediums im Trockendampfgebiet
entfallen können.
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Die
Regelung des unteren Prozessdrucks po ermöglicht
darüber hinaus, dass das Arbeitsmedium nach Durchströmen
des Konden sators bei verschiedenen Betriebszuständen jeweils
zumindest annähernd in vollständig flüssiger
Phase der Pumpe 3 zuführbar ist. Dadurch ist die
Gefahr eines Pumpenschadens infolge eines dampfförmig zugeführten
Arbeitsmediums verringert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
insbesondere, ein optimales Verhältnis aus oberem und unterem
Prozessdruck einzustellen. Dazu wird zumindest in einem weiten Betriebsbereich
oder im gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine der
obere Prozessdruck und/oder der untere Prozessdruck so an die jeweils
vorherrschenden Betriebsbedingungen angepasst, dass sich unter allen
Betriebszuständen ein möglichst großes
Verhältnis zwischen dem oberem Prozessdruck und dem unteren
Prozessdruck ergibt. Auf diese Weise ist ein guter Prozesswirkungsgrad
im Betriebsbereich erzielbar. Unter der Annahme, dass eine Expansion
in der Expansionsvorrichtung bis an die Sattdampfgrenze oder allenfalls
geringfügig in das Nassdampfgebiet erfolgt, ist das erzielbare
Druckverhältnis abhängig von der Temperatur und
dem Massenstrom des Wärmemediums (und damit von dem Wärmefluss zum
Arbeitsmedium) und von den Eigenschaften des verwendeten Arbeitsmediums
(insbesondere vom Siedepunkt und vom Verhalten des Arbeitsmediums im überkritischen
Bereich). Das Druckverhältnis ist begrenzt durch die mechanische
Belastbarkeit der Bauteile, insbesondere des Wärmetauschers
und der Expansionsvorrichtung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch
einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad gegenüber bestehenden
Verfahren aus. Die Vorrichtung und das Verfahren sind insbesondere
zum Einsatz in einem Hybridfahrzeug geeignet, da in diesem Fall
eine Motor-/Generatoreinheit bereits vorhanden ist, die mit der
Turbine koppelbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - T. Endo, S.
Kawajiri, Y. Kojima, u. a. (Honda R & D Co., Ltd.): Study an Maximizing
Exergy in Automotive Engines; in SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2007-01-0257;
2007 World Congress, Detroit Michigan, April 16–19, 2007 [0005]