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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von
Abwärme
eines Verbrennungsmotors, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Zur
Zeit wird nur bis zu maximal ca. 40% des Energiegehalts des Kraftstoffes
bei einem Verbrennungsmotor direkt in mechanische Arbeit konvertiert. Der überwiegende
Anteil der in dem Kraftstoff enthaltenden Energie wird durch den
Kühlwasserkreislauf und
durch die Abgasanlage als Wärme
an die Umgebung abgegeben. Im Zuge der globalen Erwärmung, die
nicht unwesentlich durch die CO2-Emission
von Verbrennungsmotoren und Heizanlagen verstärkt wird, ist die Nutzung der
Abwärme
und die Verbesserung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren und
Verbrennungsstätten
eine sinnvolle Maßnahme, um
durch eine Verringerung der CO2-Emissions
der globalen Erwärmung
entgegenzusteuern.
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Die
Umwandlung von Wärme
in nutzbare mechanische Energie folgt der Gesetzmäßigkeit
des Carnot-Kreisprozesses. Schon seit langem sind Wärmekraftmaschinen,
wie zum Beispiel der Stirlingmotor, bekannt, die aus der Umschichtung
von Wärme aus
einem Wärmereservoir
höherer
Temperatur zu einem Wärmereservoir
niedrigerer Temperatur einen Teil der umgeschichteten Wärme in mechanisch nutzbare
Arbeit umwandeln.
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Ein
Beispiel dieser Nutzung von Abwärme
ist aus dem Bereich der Heizanlagentechnik bekannt. Blockheizkraftwerke
sind modular aufgebaute Anlagen zur Erzeugung von elektrischem Strom
und Wärme,
die vorzugsweise am Ort des Wärme-
und Stromverbrauchs betrieben werden. Der höhere Gesamtnutzungsgrad dieser
Anlagen gegenüber
einer herkömmlichen
Heizung resultiert aus der Nutzung der Abwärme zur Stromerzeugung direkt
am Ort der Entstehung. Somit wird hier durch ortsnahe Nutzung der
Abwärme
die eingesetzte Primärenergie
zu 80 bis über
90% genutzt. Blockheizkraftwerke können so bis zu 40% Primärenergie
einsparen.
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Dieses
Prinzip der Abwärmenutzung
durch Anwendung des Carnot-Kreisprozesses und teilweise Umwandlung
der Abwärme
in nutzbare mechanische Arbeit ist auch auf Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren übertragbar.
Bei Abgastemperaturen von 300 bis über 1000°C und Kühlwassertemperaturen von bis
zu 120°C
lässt sich
mit einem guten Wirkungsgrad diese Wärme teilweise in nutzbare mechanische
Energie umwandeln.
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Durch
Einbau einer Abwärmenutzungsvorrichtung
in ein Fahrzeug besteht allerdings die Notwendigkeit, dass zumindest
die Expansionseinheit, üblicherweise
entweder eine Turbine oder eine Kolbenmaschine, mit einer Ölpumpe zur
Versorgung mit Schmiermittel ausgestattet werden muss. Des Weiteren
muss diese Ölpumpe
zur Schmierung der Expansionseinheit auch angetrieben werden. Folgt
die Abwärmenutzungsvorrichtung
dem Prinzip des Clausius-Rankine-Prozesses ist zusätzlich noch
ein Kondensator und eine Arbeitsfluidpumpe erforderlich. Da diese
Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung
eventuell ebenfalls eine Versorgung mit Schmiermittel benötigen, sind
auch für
diese Komponenten Schmiermittelversorgungseinrichtungen, respektive Ölpumpen,
notwendig.
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Insgesamt
wird der konstruktive Aufwand durch Einbau einer Abwärmenutzungsvorrichtung deutlich
erhöht
und die Störanfälligkeit
durch eine Vielzahl von Komponenten, insbesondere durch die weiteren Ölpumpen
und die Koppelung derselben mit einem Antrieb, erhöht.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich nun mit dem Problem, für
die Abwärmenutzungsvorrichtung
eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich
insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich aufgrund konstruktiver
Optimierung reduzierte Herstellungskosten und Darstellungs- und
Packagingvorteile ergeben.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für die Schmiermittelversorgung
des Verbrennungsmotors und zumindest einer Komplemente der Abwärmenutzungsvorrichtung
die gleiche Schmiermittelversorgungseinrichtung zu verwenden. Hierzu
wird zum Beispiel die Expansionseinheit, beispielhaft als Turbine
oder Kolbenmaschine ausgeformt, an die Ölpumpe des Verbrennungsmotors
angeschlossen. Ebenso kann eine vom Verbrennungsmotor abgekoppelte
zentrale Schmiermittelversorgungseinrichtung, insbesondere als Ölpumpe ausgeformt,
vorgesehen sein, so dass zentral über diese Schmiermittelversorgungseinrichtung
auch weitere Komponenten nicht nur des Verbrennungsmotors oder der
Abwärmenutzungsvorrichtung
mit Schmiermittel versorgt werden.
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Vorteilhaft
an der Bauweise sind die sich ergebenden Kostenvorteile, da keine
zweite Ölpumpe mehr
benötigt
wird, und Packagingvorteile sowie Darstellungsvorteile, da eine
Antriebskopplung einer nun nicht mehr benötigten zweiten Ölpumpe obsolet ist.
Des Weiteren ist die Fehlerdiagnose und die Wartung im Falle einer
Fehlfunktion vereinfacht.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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1 zeigt
in einer schematischen, schaltplanartigen Prinzipdarstellung eine
Abwärmenutzungsvorrichtung,
umfassend zum Beispiel und ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine
Turbine (Tu), einen Kondensator (Ko) und eine Arbeitsfluidpumpe (Ap),
die über
einen Arbeitsfluidkreislauf die Abwärme eines Verbrennungsmotors
(Mo) und einer Abgasanlage (Aa) nutzt und über einen Schmiermittelkreislauf
durch eine Ölpumpe
(Op) mit Schmiermittel versorgt wird, wobei ein Koaleszenzabscheider
(Ka) die Medientrennung sicherstellt.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Abwärmenutzungsvorrichtung 1 nach
dem Clausius-Rankine-Kreisprozess
eine Turbine 2, einen Kondensator 3 und eine Arbeitsfluidpumpe 4.
Abwärmekomponenten 5 eines
Verbrennungsmotors 6, wie zum Beispiel der Verbrennungsmotor 6 selbst
und eine Abgasanlage 7, sowie weitere nicht dargestellte
Komponenten wirken im Clausius-Rankine-Kreisprozess als ein Wärmereservoir 8 mit
höherer
Temperatur. Sämtliche Komponenten
der Abwärmenutzungsvorrichtung 1, die
Turbine 2, der Kondensator 3, die Arbeitsfluidpumpe 4 und
die Abwärmekomponenten 5 des
Verbrennungsmotors 6, der Verbrennungsmotor 6 selbst und
die Abgasanlage 7, sind über einen Arbeitsfluidkreislauf 9 miteinander
fluidisch verbunden.
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Dem
Clausius-Rankine-Kreis-Prozess folgend wird in der Arbeitsfluidpumpe 4 durch
isentrope Druckerhöhung
ein kondensiertes Arbeitsfluid des Arbeitsfuidkreislaufes 9 zu
den Abwärmekomponenten 5 des
Verbrennungsmotors 6 befördert. In den Abwärmekomponenten 5 des
Verbrennungsmotors 6 erfährt das Arbeitsfluid eine isobare
Wärmezufuhr, wobei
das Arbeitsfluid zunächst
bis zum Verdampfungspunkt erwärmt
wird, dann verdampft und schließlich
noch eine weitere Erwärmung,
eine sogenannte Überhitzung,
erfährt.
In der Turbine 2 findet eine adiabatische Expansion des
Arbeitsfluiddampfes statt und dadurch wird nutzbare mechanische
Arbeit 10 gewonnen. In dem Kondensator 3 findet
eine isobare und isotherme Kondensation des Arbeitsfluids durch
Kühlung
mittels des Kondensators 3 statt. Der kühlende Kondensator 3 entspricht
im Clausius-Rankine-Kreisprozess dem Wärmereservoir 11 mit
niedrigerer Temperatur. Durch Überführung von Wärme aus
einem Wärmereservoir 8 höherer Temperatur
zu einem Wärmereservoir 11 niedrigerer
Temperatur ist es nun möglich,
einen Teil der überführten Wärme in nutzbare
mechanische Energie 10 umzuwandeln. Wie bei allen thermodynamischen
Kreisprozessen kann auch der Clausius-Rankine-Kreisprozess den Wirkungsgrad
des entsprechenden Carnot-Kreisprozesses nicht übertreffen.
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Der
Verbrennungsmotor 6 wird durch eine Schmiermittelversorgungseinrichtung 17,
hier zum Beispiel als Ölpumpe 12 ausgebildet, über eine Schmiermittelzuleitung 13 mit
einem Schmiermittel versorgt. Als Schmiermittel sind mineralisches
Motorenöl,
synthetisches Motorenöl,
Mehrbereichsöl, Leichtlauföl oder auch
wartungsfreies Hochleistungsöl
geeignet. Eine Schmiermittelableitung 14 führt das Schmiermittel
zu einer Medientrennungseinrichtung 18, hier zum Beispiel
als Koaleszenzabscheider 15 ausgebildet, ab und über eine
Schmiermittelzuleitung 16 zur Ölpumpe 12 zurück. In der
Abwärmenutzungsvorrichtung 1 sind
nunmehr Ölpumpe 12 und
Koaleszenzabscheider 15 über die Schmiermittelzuleitung 13' und die Schmiermittelableitung 14' mit der Turbine 2 verbunden
und werden ebenfalls zur Schmiermittelversorgung dieser Komponente
der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 herangezogen.
Des Weiteren ist es möglich,
den Kondensator 3 und die Arbeitsfluidpumpe 4 ebenfalls über die
Schmiermittelzuleitungen 13'', 13''' und
die Schmiermittelableitungen 14'', 14''' mit
der Ölpumpe 12 und
dem Koaleszenzabscheider 15 zu verbinden und die Schmiermittelversorgung
dieser Komponenten 3, 4 durch die Ölpumpe 12 vorzunehmen.
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Durch
die Nutzung der Ölpumpe 12 als
zentrale Schmiermittelversorgungseinrichtung 17 und des
Koaleszenzabscheiders als zentrale Medientrennungseinrichtung 18 für den Verbrennungsmotor 6 und
die Komponenten 5 der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 lassen
sich weitere Ölpumpen
und Koaleszenzabscheider einsparen. Der Koaleszenzabscheider 15 ist
hierzu hinsichtlich der auftretenden Verunreinigung des Schmiermittels
durch das jeweilige Arbeitsfluid ausgelegt. Bei einer ebenfalls
möglichen Verunreinigung
des Arbeitsfluids durch das Schmiermittel muss ebenfalls eine Medientrennung
im Arbeitsfluidkreislauf 9 sichergestellt werden, wenn
diese Verunreinigungen den Clausius-Rankine-Prozess stören. Auch hier muss dann die
Medientrennung hinsichtlich der Verunreinigung des Arbeitsfluids durch
das Schmiermittel ausgelegt werden. Durch die vorgeschlagene Bauweise
ergeben sich Kostenvorteile, da Komponenten eingespart werden können und
ferner hat diese Bauweise deutliche Packaging- und Darstellungsvorteile
bezüglich
des Antriebs weiterer nun nicht mehr erforderlicher Ölpumpen.
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Unabhängig vom
konstruktiven Aufbau benötigt
somit die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 keine
eigene Ölpumpe
mehr. Dabei muss die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 nicht
als eine Wärmekraftmaschine
nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess ausgeformt sein, sondern
es sind auch andere Wärmekraftmaschinen,
wie zum Beispiel ein Stirlingmotor einsetzbar oder ganz allgemein
Wärmekraftmaschinen
nach dem Prinzip des Carnot-Kreisprozesses.
Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 kann
auch, anstatt mit einem in einer bevorzugten Ausführungsform
verwendeten Kolbenmotor, mit jedem beliebigen anderen Verbrennungsmotor 6 in
der oben beschriebenen Art und Weise eingesetzt werden. In einer
bevorzugten Ausführungsform
werden Tröpfchenabscheider
nach dem Koaleszenzprinzip verwendet. Es versteht sich aber von
selbst, dass auch nach anderen Prinzipien arbeitende Medientrennungseinrichtungen 18 verwendbar
sind. Besonders vorteilhaft ist hierbei auch der Einsatz einer nicht
dargestellten, zentralen Schmiermittelfilterungseinrichtung. Diese
Funktion kann durch einen Ölfilter
des Verbrennungsmotors 6 übernommen werden.
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In
der gezeigten, bevorzugten Ausführungsform
wird durch die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 die
Abwärme
des Verbrennungsmotors 6 und der Abgasanlage 7 genutzt.
Dabei können
Verbrennungsmotor 6 und Abgasanlage 7, wie in 1 dargestellt, parallel
mit dem Arbeitsfluidkreislauf 9 verbunden sein oder der Verbrennungsmotor 6 ist
der Abgasanlage 7 vorgeschaltet. In dieser vorteilhaften
Variante wird das Arbeitsfluid durch den Verbrennungsmotor 6 vorgeheizt,
was zu einer höheren
Energieausbeute führt.
Prinzipiell ist aber denkbar, auch andere Abwärmequellen in dieser oder einen ähnlichen
Art und Weise der Abwärmenutzung
zugänglich
zu machen oder als Wärmereservoir 8 höherer Temperatur
nur den Verbrennungsmotor 6 oder nur die Abgasanlage 7 zu
verwenden.
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In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieses Gedankens ist ein Kühlwasserkreislauf
des Verbrennungsmotors 6 mit dem Arbeitsfluidkreislauf 9 fluidisch
verbunden. In diesem Fall übernimmt
das Arbeitsfluid der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 die Kühlung des
Verbrennungsmotors 6 und nutzt gleichzeitig dessen Abwärme.
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Des
Weiteren lässt
sich eine Kühlung
des Kondensators 3 in eine Heizanlage des Fahrzeugs integrieren.
Zur Verbesserung der Energieausbeute und des Wirkungsgrades werden
in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform anstatt der Turbine 2 eine
Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine verwendet. Das Arbeitsfluid
wird hierbei nach der Hochdruckturbine nochmals durch die Abwärmekomponenten 5 des
Verbrennungsmotors 6 geleitet und danach zur Steigerung
des Wirkungsgrads durch die Niederdruckturbine. Anstatt eine Turbine 2 oder
eine Hochdruck- und eine Niederdruckturbine zu verwenden, ist auch
der Einsatz von mehrstufigen Turbinensystemen, eventuell gekoppelt
mit mehrstufigen Kolbenmotorsystemen vorteilhaft.
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- 1
- Abwärmenutzungsvorrichtung
- 2
- Turbine
(Tu)
- 3
- Kondensator
(Ko)
- 4
- Arbeitsfluidpumpe
(Ap)
- 5
- Abwärmekomponenten
eines Verbrennungsmotors
- 6
- Verbrennungsmotor
(Mo)
- 7
- Abgasanlage
(Aa)
- 8
- Wärmepotential
höherer
Temperatur
- 9
- Arbeitsfluidkreislauf
- 10
- Nutzbare
mechanische Arbeit
- 11
- Wärmereservoir
niedrigerer Temperatur
- 12
- Ölpumpe (Op)
- 13,
13', 13'', 13'''
- Schmiermittelzuleitungen
- 14,
14', 14'', 14'''
- Schmiermittelableitung
zum Ölabscheider
- 15
- Koaleszenzabscheider
(Ka)
- 16
- Schmiermittelleitung
zur Ölpumpe
- 17
- Schmiermittelversorgungseinrichtung
- 18
- Medientrennungseinrichtung