DE102008017949A1 - Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung Download PDF

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DE102008017949A1
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Jan Dipl.-Ing. Gärtner
Thomas Dr. Ing. Koch
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (1) mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2), wobei eine Ausgangswelle (5.1) der Expansionsvorrichtung (5) über ein Schwungrad (7) mit einer Kurbelwelle (1.1) der Verbrennungskraftmaschine (1) gekoppelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung, umfassend eine Fördereinheit zur Verdichtung eines zumindest weitgehend flüssigen Arbeitsmediums, einen Wärmetauscher zur Verdampfung des Arbeitsmediums durch einen Wärmeübergang von einem Wärmemedium auf das Arbeitsmedium, eine Expansionsvorrichtung zur Expansion des Arbeitsmediums, wobei der Expansionsvorrichtung eine mechanische Energie entnehmbar ist, und eine Kondensationsvorrichtung zur Abkühlung und/oder Kondensation des Arbeitsmediums. Die Fördereinheit, der Wärmetauscher, die Expansionsvorrichtung und die Kondensationsvorrichtung sind in einem Kreislauf verschaltet, in dem das Arbeitsmedium zirkulierbar ist.
  • Heutige Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent auf. Die Verluste werden überwiegend als Wärme an ein Kühlmittel und als Abgaswärme abgegeben.
  • Aus der JP 571 19 117 A ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung bekannt, mit welcher Energie aus einer Abgaswärme einer Verbrennungskraftmaschine gewonnen werden kann. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung umfasst eine Fördereinheit in Form einer Pumpe, einen Wärmetauscher, eine Expansionsvorrichtung in Form einer Dampfturbine und eine Kondensationsvorrichtung, die zu einem Kreislauf verschaltet sind, in dem ein Arbeitsmedium führbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine ermöglicht eine Umwandlung von thermischer Energie in eine mechanische Arbeit mittels eines so genannten Rankine-Prozesses. Die mechanische Arbeit ist der Vorrichtung an einer Ausgangswelle der Turbine entnehmbar, die wiederum mit einer Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine in nicht näher spezifizierter Weise verbunden ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, bei der eine aus der Wärmerückgewinnungsvorrichtung gewonnene mechanische Energie in besonders effizienter Weise zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine einsetzbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist eine Ausgangswelle der Expansionsvorrichtung über ein Koppelelement mit einer Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine gekoppelt.
  • Dadurch ist eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Lösung zur Übertragung einer der Expansionsvorrichtung entnommenen mechanischen Energie auf eine Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gegeben. Insbesondere lässt sich auf diese Weise auch ein Drehzahlunterschied zwischen der Ausgangswelle der Expansionsvorrichtung und der Kurbelwelle ausgleichen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Koppelelement als Schwungrad ausgeführt. Dadurch lassen sich insbesondere Auswirkungen von Drehmomentänderungen der Expansionsvorrichtung minimieren.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Koppelelement als Kurbelwellen-Startgenerator ausgeführt. Dadurch ist es möglich, die mechanische Energie ohne Getriebe auf die Kurbelwelle zu übertragen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt:
  • 1 schematisch eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung.
  • Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 umfasst eine Fördereinheit 3, einen Wärmetauscher 4, eine Expansionsvorrichtung in Form einer Turbine 5 und einen Kondensator 6, die in einem Kreislauf verschaltet sind, wobei in diesem Kreislauf ein Arbeitsmedium A zirkulierbar ist. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 ist zur Durchführung eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses geeignet.
  • Vor Eintritt in die Pumpe 3 liegt das Arbeitsmedium A in einer flüssigen Phase vor. In der Pumpe 3 wird das Arbeitsmedium A annähernd adiabat und isentrop verdichtet. Anschließend wird es dem Wärmetauscher 4 in weiterhin flüssiger Phase zugeführt. In dem Wärmetauscher 4 ist ein Wärmeübergang von ei nem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 zum Arbeitsmedium realisierbar, wobei das Arbeitsmedium A in eine gasförmige Phase überführbar ist. Nach Durchströmen des Wärmetauschers 4 ist das gasförmige Arbeitsmedium A der Turbine 5 zuführbar, in der es im wesentlichen adiabat expandiert wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium in zumindest weitgehend gasförmiger Phase dem Kondensator 6 zugeführt. In dem Kondensator 6 ist ein Wärmeübergang von dem Arbeitsmedium zu der Umgebungsluft oder zu einem Kühlmedium (beispielsweise einem Kühlmittel der Verbrennungskraftmaschine) realisierbar, so dass das Arbeitsmedium zumindest größtenteils kondensiert. Nach Durchströmen des Kondensators 6 ist das Arbeitsmedium A wieder in flüssiger Phase der Pumpe 3 zuführbar, so dass der Kreislauf CR geschlossen ist.
  • Der Turbine 5 ist dabei eine mechanische Energie, insbesondere eine Rotationsenergie, über eine Ausgangswelle 5.1 entnehmbar. Die Ausgangswelle 5.1 der Turbine 5 ist über ein Schwungrad 7 mit einer Kurbelwelle 1.1 der Verbrennungskraftmaschine 1 gekoppelt, um dieser zusätzlich mechanische Energie zuzuführen, so dass ein geringerer Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 1 erzielbar ist. An der Ausgangswelle 5.1 der Turbine 5 ist ein Ritzel 5.2 mit einer an das Schwungrad angepassten Verzahnung angeordnet.
  • Die Turbine 5 ist bevorzugt klein ausgeführt, um Strömungsverluste gering zu halten und daraus folgend einen hohen Wirkungsgrad der Turbine zu erzielen. Eine klein ausgelegte Turbine bedingt jedoch hohe Drehzahlen nT der Ausgangswelle 5.1. Anhand einer im Vergleich zu dem Schwungsrad 7 kleinen Auslegung des Ritzels 5.2 wird ein großes Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl nT der Ausgangswelle 5.1 und einer Drehzahl nK der Kurbelwelle 1.1 erreicht. Dadurch kann ein zusätzliches Getriebe zur Übersetzung der Drehzahl nT der Ausgangswelle 5.1 auf die Drehzahl nK der Kurbelwelle 1.1 entfallen.
  • In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ausgangswelle der Turbine über einen Kurbelwellen-Startgenerator mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt. Der Kurbelwellen-Startgenerator ist sowohl als Starter der Verbrennungskraftmaschine als auch als elektrischer Generator betreibbar und bevorzugt direkt mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 57119117 A [0003]

Claims (3)

  1. Verbrennungskraftmaschine (1) mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2), umfassend – eine Fördereinheit (3) zur Verdichtung eines zumindest weitgehend flüssigen Arbeitsmediums (A); – einen Wärmetauscher (4) zur Verdampfung des Arbeitsmediums (A) durch einen Wärmeübergang von einem Wärmemedium (M) auf das Arbeitsmedium (A); – eine Expansionsvorrichtung (5) zur Expansion des Arbeitsmediums (A), wobei der Expansionsvorrichtung eine mechanische Energie entnehmbar ist; – eine Kondensationsvorrichtung (6) zur Abkühlung und/oder Kondensation des Arbeitsmediums (A), in der das Arbeitsmedium (A) von einem zumindest weitgehend gasförmigen Aggregatzustand in einen zumindest weitgehend flüssigen Aggregatzustand überführbar ist, wobei die Fördereinheit (3), der Wärmetauscher (4), die Expansionsvorrichtung (5) und die Kondensationsvorrichtung (6) in einem Kreislauf (CRK) verschaltet sind, in dem das Arbeitsmedium (A) zirkulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangswelle (5.1) der Expansionsvorrichtung (5) über ein Koppelelement (7) mit einer Kurbelwelle (1.1) der Verbrennungskraftmaschine (1) gekoppelt ist.
  2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (7) als Schwungrad ausgeführt ist.
  3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (7) als Kurbelwellen-Startgenerator ausgeführt ist.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009015693A1 (de) * 2009-03-31 2010-10-07 Walter Hamberger Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer deren Abwärme nutzenden Wärmekraftmaschine als Antriebe
FR2976136A1 (fr) * 2011-05-30 2012-12-07 Enertime Dispositif de production d'electricite a cycle de rankine pour un reseau electrique local
CN115234401A (zh) * 2022-09-21 2022-10-25 苏州亚太精睿传动科技股份有限公司 一种利用余热辅助驱动的新型混合动力系统及其方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS57119117A (en) 1981-01-19 1982-07-24 Kawasaki Heavy Ind Ltd Low fuel consumption compound engine

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