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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung,
die eine Fördereinheit zur Verdichtung eines zumindest
weitgehend flüssigen Arbeitsmediums, einen Wärmetauscher
zur Verdampfung des Arbeitsmediums, eine Expansionsvorrichtung zur
Expansion des Arbeitsmediums, wobei der Expansionsvorrichtung eine
mechanische Energie entnehmbar ist, und eine Kondensationseinrichtung
zur Abkühlung und/oder Kondensation des Arbeitsmediums
umfasst. Die Fördereinheit, der Verdampfer, die Expansionsvorrichtung
und die Kondensationseinrichtung sind zu einem Kreislauf verschaltet.
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Heutige
Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Wirkungsgrad von bis zu
40 Prozent auf. Die Verluste werden überwiegend als Wärme
an ein Kühlmedium und als Abgaswärme abgegeben.
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Im
Stand der Technik existieren verschiedene Verfahren und Vorrichtungen,
mittels derer aus einer Abgaswärme und/oder eine Kühlmittelwärme elektrische
und/oder mechanische Energie gewonnen werden.
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Aus
der
WO 2005/021
936 A2 ist ein Verbrennungskraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung
bekannt, mit welcher Energie aus einer Abgaswärme einer
Verbrennungskraftmaschine gewonnen werden kann. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung
um fasst eine Fördereinheit in Form einer Pumpe, einen Wärmetauscher,
eine Expansionsvorrichtung in Form einer Turbine und eine Kondensationseinrichtung
mit einem Wasserkühler. Die genannten Elemente der Wärmerückgewinnungsvorrichtung
sind zu einem Kreislauf verschaltet, in dem ein Arbeitsmedium führbar
ist. Die Verbrennungskraftmaschine ermöglicht eine Umwandlung
von thermischer Energie in eine mechanische Arbeit mittels eines
so genannten Rankine-Prozesses. Im Betrieb der Brennkraftmaschine
wird im Wärmetauscher eine Abgaswärme zum Arbeitsmedium übertragen,
so dass das Arbeitsmedium verdampft. Das dampfförmige Arbeitsmedium
wird anschließend der Expansionsvorrichtung zugeführt
und dort auf einen niedrigeren Druck entspannt. Aus thermodynamischer
Sicht wird beim Durchströmen der Expansionsvorrichtung
eine Totalenthalpie des Dampfes verringert, wobei die Enthalpiedifferenz
der Expansionsvorrichtung in Form von mechanischer Arbeit entnehmbar
ist. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird nachfolgend der
Kondensatoreinrichtung zugeführt und dort kondensiert. Über
die Fördereinheit wird das Arbeitsmedium in flüssiger
Phase wieder zum Wärmetauscher geleitet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine
mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung anzugeben,
bei der eine Umwandlung von thermischer Energie in mechanische und/oder
elektrische Energie verbessert ist.
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Die
Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Dabei umfasst die Kondensationseinrichtung einen
flüssigkeitsgekühlten ersten Kühler und
einen luftgekühlten zweiten Kühler, die im Betrieb
nacheinander von dem Arbeitsmedium durchströmbar sind. In
dem ersten und/oder dem zweiten Kühler ist eine Kondensation
des Arbeitsmediums vorgesehen, so dass das Arbeitsmedium von einer
gasförmigen Phase zumindest weitgehend vollständig
in eine flüssige Phase überführbar ist.
Die Anordnung von zwei Kühlern in der Kondensationseinrichtung
hat den Vorteil, dass eine große Wärmemenge über
die Kondensatoreinrichtung abführbar ist, so dass ein Wirkungsgrad
der Wärmerückgewinnungsvorrichtung verbessert
ist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der flüssigkeitsgekühlte
erste Kühler in einem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine
angeordnet und mit einem Kühlmittel durchströmbar
ausgeführt, so dass eine Wärmeübertragung
zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmittel realisierbar
ist. Auf diese Weise ist der erste Kühler mit einem bestehenden Kühlkreislauf
gekoppelt, so dass nur wenige zusätzliche Bauteile zur
Realisierung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung
erforderlich sind. Darüber hinaus lässt sich bei
dieser Ausgestaltungsform das Kühlmittel bei einem Kaltstart
der Verbrennungskraftmaschine schnell erwärmen, so dass
die Kaltstarteigenschaften verbessert sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der flüssigkeitsgekühlte
erste Kühler in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums
gesehen dem luftgekühlten zweiten Kühler vorgeschaltet.
Damit ist das Arbeitsmedium dem ersten Kühler mit einer
vergleichsweise hohen Temperatur zuführbar, und das Kühlmedium
in dem ersten Kühler lässt sich schnell erwärmen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand
von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung, und
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2 mögliche
Prozessverläufe in einem Druck-Enthalpie-Diagramm.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 1 mit
Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 dargestellt.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 umfasst
eine Fördereinheit in Form einer Pumpe 3, einen
Wärmetauscher 4, eine Expansionsvorrichtung in
Form einer Turbine 5 und eine Kondensationseinrichtung 6,
die in einem Kreislauf CRK verschaltet sind, wobei in diesem Kreislauf CRK
ein Arbeitsmedium A zirkulierbar ist. Als Arbeitsmedium A kann beispielsweise
Wasser, Ammoniak, Ethanol, n-Butan oder eine andere organische Verbindung
sowie Gemische aus den genannten Medien vorgesehen sein. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung
ist zur Durchführung eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses
geeignet.
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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 und einen unteren Prozessdruck p1 auf (vergleiche 2). In der
Pumpe 3 ist das flüssige Arbeitsmedium annähernd
adiabat und isentrop auf einen oberen Prozessdruck p2 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) leicht 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 obere 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.
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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 p1 expandieren
lässt. Dabei ist der Turbine 5 an einer nicht
dargestellten Welle eine mechanische Arbeit entnehmbar. Während
der Expansion kühlt das Arbeitsmedium auf eine vierte Temperatur
T4 ab.
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Anschließend
ist das Arbeitsmedium A der Kondensationseinrichtung 6 zuführbar.
Die Kondensationseinrichtung 6 umfasst einen flüssigkeitsgekühlten
ersten Kühler 6.1 und einen luftgekühlten zweiten
Kühler 6.2. Der flüssigkeitsgekühlte
erste Kühler 6.1 ist mit einem Kühlkreislauf 1.1 der
Verbrennungskraftmaschine gekoppelt und im Betrieb mit einem Kühlmittel
K durchströmt. In dem ersten Kühler 6.1 ist
ein Wärmeübergang von dem Arbeitsmedium A zum
Kühlmittel K realisierbar. Während der Durchströmung
des ersten Kühlers 6.1 wird das Arbeitsmedium
A zunächst weitgehend isobar auf eine untere Siedetemperatur
Tu abgekühlt. Im Verlauf der weiteren
Durchströmung des ersten Kühlers 6.1 wird
dem Arbeitsmedium A weiter Wärme entzogen, so dass ein
Teil des Arbeitsmediums A in eine flüssige Phase übergeht.
Anschließend ist das teilweise kondensierte Arbeitsmedium
A dem zweiten Kühler 6.2 zuführbar. In
dem zweiten Kühler 6.2 ist ein Wärmeübergang
von dem Arbeitsmedium in die Umgebungsluft realisierbar, so dass
der verbleibende gasförmige Anteil des Arbeitsmedium A
konden siert. Im Verlauf der weiteren Durchströmung des
zweiten Kühlers 6.2 wird das zumindest weitgehend
flüssige Arbeitsmedium bis annähernd auf die erste
Temperatur T1 abgekühlt. In einem
modifizierten Ausführungsbeispiel umfasst der zweite Kühler 6.2 ein
Gebläse zur Verbesserung des Wärmeübergangs
und damit der Kühlleistung.
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Nach
Durchströmen der Kondensationseinrichtung 6 ist
das Arbeitsmedium A wieder in zumindest weitgehend flüssiger
Phase der Pumpe 3 zuführbar, so dass der Kreislauf
CRK geschlossen ist.
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Im
Nachfolgenden werden anhand von 2 mögliche
Prozessverläufe bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
in einem Druck-Enthalpie-Diagramm beschrieben.
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In
dem Diagramm sind durch eine Grenzlinie SL,
SG Bereiche abgegrenzt, 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 TK 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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Die
Verbrennungskraftmaschine ist bevorzugt auf einen Betriebspunkt
ausgelegt, in dem eine vergleichsweise geringe Wärmemenge
vom Abgas zum Arbeitsmedium übertragen wird (beispielsweise Teillast).
Die Auslegung erfolgt dabei derart, dass das Arbeitsmedium A in
dem Wärmetauscher 4 verdampft und bis auf eine
dritte Temperatur T3** erwärmt wird.
Nachfolgend wird das Arbeitsmedium A in der Turbine 5 bis
an die Sattdampfgrenze SG entspannt. Nach der Expansion weist das
Arbeitsmedium eine vierte Temperatur T4** aus,
die der unteren Siedetemperatur Tu entspricht.
In dem ersten Kühler 6.1 und dem zweiten Kühler 6.2 wird
das Arbeitsmedium A anschließend kondensiert und gegebenenfalls
in flüssiger Phase weiter abgekühlt. In modifizierten Ausführungsbeispielen
kann die Verbrennungsmaschine auch derart ausgelegt sein, dass das
Arbeitsmedium A bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im Auslegungsbetriebspunkt
in der Turbine 5 bis leicht in das Trockendampfgebiet TG
oder leicht in das Nassdampfgebiet NG expandiert und somit nach der
Expansion eine Temperatur T4o** beziehungsweise
T4u** aufweist.
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Bei
einer Erhöhung der im Wärmetauscher 4 übertragenen
Wärmemenge (beispielsweise durch eine Erhöhung
der Last der Verbrennungskraftmaschine) weist das Arbeitsmedium
A nach Durchströmung des Wärmetauschers 4 eine
höhere dritte Temperatur T3 auf.
Nach der Expansion in der Turbine 5 liegt das Arbeitsmedium
daher in der Regel in gasförmiger Phase vor.
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In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die Kondensationseinrichtung 6 derart
ausgelegt, dass das Arbeitsmedium A in einem Betriebpunkt oder in
einem Betriebsbereich bis an die Siedelinie SL kondensierbar ist.
Anschließend wird das Arbeitsmedium A der Pumpe 3 zugeführt
und dort verdichtet, so dass es nach der Verdichtung den zweiten
Druck p2 und eine zweite Temperatur T2* aufweist.
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In
weiteren, modifizierten Ausführungsbeispielen ist die Verbrennungsmaschine
derart ausgelegt, dass in einem Betriebspunkt oder in einem Betriebsbereich
das Arbeitsmedium vollständig in dem ersten Kühler
oder vollständig in dem zweiten Kühler kondensierbar
ist. Bei einer Expansion des Arbeitsmediums in der Turbine in das
Trockendampfgebiet TG ist im ersten Kühler vor Kondensationsbeginn eine
Abkühlung des Arbeitsmediums in gasförmiger Phase
vorgesehen. Weiterhin kann die Verbrennungskraftmaschine so ausgelegt
sein, dass das Arbeitsmedium in einem Betriebspunkt oder in einem Betriebsbereich
nach einer vollständigen Kondensation im ersten Kühler
dem zweiten Kühler in flüssiger Phase zuführbar
ist und im zweiten Kühler abgekühlt wird. Ferner
ist es auch möglich, die Verbrennungskraftmaschine so auszulegen,
dass ein geringer Anteil des Arbeitsmediums während der
Expansion bereits in der Turbine 5 kondensiert. In einem
weiteren, modifizierten Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungskraftmaschine
derart ausgelegt, dass das Arbeitsmedium im ersten Kühler
in gasförmiger Phase gekühlt wird und dem zweiten
Kühler in gasförmiger Phase zugeführt
wird. Im zweiten Kühler ist das Arbeitsmedium anschließend
kondensierbar.
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In
einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist die
Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Dabei
ist der durch den ersten Kühler geführte Kühlkreislauf
bevorzugt mit einer Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs gekoppelt.
Die schnelle Erwärmung des Kühlmittels K im Wärmetauscher
bei einem Kaltstart führt somit zu einer schnellen Erwärmung
des Innenraums des Kraftfahrzeugs und zu einer Komfortsteigerung
für die Insassen.
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Die
Anordnung von zwei Kühlern in der Kondensationseinrichtung
hat den Vorteil, dass ein zur Verfügung stehender Bauraum
optimal ausgenutzt wird. Darüber hinaus ist durch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
in vorteilhafter Weise eine möglichst vollständige
Kondensation und ausreichende Kühlung des Arbeitsmediums
gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/021936
A2 [0004]