DE102009003850B4

DE102009003850B4 - Drive arrangement with steam cycle process and method for operating such a drive arrangement

Info

Publication number: DE102009003850B4
Application number: DE102009003850A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger; Michael Bucher
Original assignee: Amovis GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: DE102009003850A1

Abstract

Antriebsanordnung enthaltend
(a) einen Abwärme erzeugenden Prozess,
(b) einen Dampfkreisprozess mit einem aus mehreren flüssigen Komponenten bestehenden Arbeitsmedium, wobei eine Komponente ein Frostschutz- und/oder Schmiermittel ist,
(c) einen von der Abwärme beaufschlagten Dampferzeuger zum Erzeugen von Dampf bei einer Arbeitstemperatur, wobei eine der Komponenten des Arbeitsmediums bei der Arbeitstemperatur thermisch stabil, ist,
(d) eine Expansionsmaschine zum Umwandeln der in dem Arbeitsmedium enthaltenen thermischen Energie in mechanische Arbeit, und
(e) eine Trennvorrichtung, mit welcher die Frostschutz- und/oder Schmiermittelkomponente von der bei der Arbeitstemperatur thermisch stabilen Komponente trennbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
(f) das Frostschutz- und/oder Schmiermittel bei der Arbeitstemperatur instabil ist, und
(g) die Trennvorrichtung zum Trennen flüssiger Komponenten vor dem Dampferzeuger in dem Dampfkreisprozess angeordnet ist, so dass das Frostschutz und/oder Schmiermittel vor dem Verdampfen des Arbeitsmediums aus dem flüssigen Arbeitsmedium abgetrennt wird.Containing drive arrangement
(a) a waste heat generating process,
(b) a steam cycle with a multiple fluid component working fluid, one component being an antifreeze and / or lubricant,
(c) a waste heat steam generator for generating steam at a working temperature, wherein one of the components of the working medium is thermally stable at the working temperature,
(d) an expansion machine for converting the thermal energy contained in the working medium into mechanical work, and
(e) a separating device with which the antifreeze and / or lubricant component can be separated from the thermally stable component at the working temperature,
characterized in that
(f) the antifreeze and / or lubricant is unstable at the working temperature, and
(G) the separating device is arranged for separating liquid components in front of the steam generator in the steam cycle, so that the antifreeze and / or lubricant is separated from the liquid working medium before the evaporation of the working medium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung enthaltend

(a) einen Abwärme erzeugenden Prozess,
(b) einen Dampfkreisprozess mit einem aus mehreren flüssigen Komponenten bestehenden Arbeitsmedium, wobei eine Komponente ein Frostschutz- und/oder Schmiermittel ist,
(c) einen von der Abwärme beaufschlagten Dampferzeuger zum Erzeugen von Dampf bei einer Arbeitstemperatur, wobei eine der Komponenten des Arbeitsmediums bei der Arbeitstemperatur thermisch stabil ist,
(d) eine Expansionsmaschine zum Umwandeln der in dem Arbeitsmedium enthaltenen thermischen Energie in mechanische Arbeit und
(e) eine Trennvorrichtung, mit welcher die Frostschutz- und/oder Schmiermittelkomponente von der bei der Arbeitstemperatur thermisch stabilen Komponente trennbar ist.

The invention relates to a drive arrangement containing

(a) a waste heat generating process,
(b) a steam cycle with a multiple fluid component working fluid, one component being an antifreeze and / or lubricant,
(c) a steam generator powered by the waste heat for generating steam at a working temperature, wherein one of the components of the working medium is thermally stable at the working temperature,
(D) an expansion machine for converting the thermal energy contained in the working medium into mechanical work and
(E) a separation device with which the antifreeze and / or lubricant component of the thermally stable at the working temperature component is separable.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebsanordnung mit einem Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, mit den Schritten:

(a) Verdampfen eines Arbeitsmediums in einem Dampferzeuger unter hohem Druck;
(b) Entspannen des Arbeitsmedium-Dampfes unter Arbeitsleistung; und
(c) Kondensieren des entspannten Arbeitsmedium-Dampfes.

The invention further relates to a method for operating a drive arrangement with a steam cycle according to one of the preceding claims, comprising the steps:

(a) vaporizing a working medium in a steam generator under high pressure;
(b) releasing the working medium vapor under working power; and
(c) condensing the expanded working medium vapor.

Ein solcher Dampfkreisprozess ist beispielsweise ein Clausius-Rankine-Prozess. Wasser oder ein anderes geeignetes Arbeitsmedium wird mittels einer Speisewasserpumpe auf einen hohen Druck gebracht. In einem Dampferzeuger wird das Wasser verdampft. Der unter hohem Druck stehende Dampf wird in einer Expansionsmaschine unter Arbeitsleistung expandiert. Die von der Expansionsmaschine erbrachte Leistung kann mittels eines Generators zur Stromerzeugung genutzt werden oder als zusätzlicher Antrieb eines Fahrzeugs dienen. Das entspannte Arbeitsmedium wird in herkömmlichen Kreisprozessen einem Kondensator zugeführt, wo es kondensiert. Es steht dann wieder für den Kreisprozess zur Verfügung.Such a steam cycle process is, for example, a Clausius-Rankine process. Water or another suitable working medium is brought to a high pressure by means of a feedwater pump. In a steam generator, the water is evaporated. The high pressure steam is expanded under operating power in an expansion machine. The power provided by the expander can be used by a generator to generate electricity or serve as an additional drive of a vehicle. The relaxed working medium is fed in conventional cycle processes to a condenser where it condenses. It is then available again for the cycle process.

Es ist bekannt solche Dampfkreisprozesse als Hilfsantrieb in einem Fahrzeug einzusetzen. Dabei wird insbesondere der Dampferzeuger mit der vom primären Verbrennungsmotor erzeugten Abwärme beaufschlagt. Problematisch bei dieser Verwendung ist es, dass das Fahrzeug großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Das Arbeitsmedium Wasser gefriert, wenn die Außentemperaturen unter 0°C absinken. Es ist daher bekannt Zusatzheizungen oder hochtemperaturstabile Frostschutzmittel einzusetzen, mit denen das Gefrieren des Arbeitsmediums vermieden wird.It is known to use such steam cycle processes as an auxiliary drive in a vehicle. In particular, the steam generator is subjected to the waste heat generated by the primary combustion engine. The problem with this use is that the vehicle is exposed to large temperature fluctuations. The working medium water freezes when the outside temperatures fall below 0 ° C. It is therefore known to use additional heaters or high-temperature stable antifreeze, with which the freezing of the working medium is avoided.

Es ist ferner bekannt, dem Arbeitsmedium in einem Dampfkreisprozess Schmiermittel zuzumischen. Nachteilig bei einem Arbeitsmedium mit mehreren Komponenten ist es, dass diese sich bei den hohen Temperaturen im Dampferzeuger zersetzen. Die Zersetzungsprodukte lagern sich ab oder bewirken Korrosion. Das ist unerwünscht.It is also known to mix the working fluid in a steam cycle lubricant. The disadvantage of a working medium with several components is that they decompose at high temperatures in the steam generator. The decomposition products settle or cause corrosion. That is undesirable.

Es ist bekannt Methylpyridin als Frostschutz- und Schmiermittel in einem Dampfkreisprozess einzusetzen. Methylpyridin ist hochtemperaturstabil. Methylpyridin hat jedoch einen starken Geruch und ist umweltschädlich.It is known to use methylpyridine as antifreeze and lubricant in a steam cycle process. Methylpyridine is stable at high temperatures. However, methylpyridine has a strong odor and is harmful to the environment.

Es sind ferner sogenannte Kalina-Kreisprozesse bekannt, welche ein Arbeitsmedium mit mehreren Komponenten, einem Trägermedium und weiteren Komponenten, verwenden. Dabei wird der unterschiedliche Siedepunkt der Komponenten genutzt.Furthermore, so-called Kalina cycle processes are known, which use a working medium with a plurality of components, a carrier medium and further components. The different boiling point of the components is used.

US 3 603 087 offenbart einen Dampfkreisprozess mit einem Abwärme-beaufschlagten Überhitzer. Das Arbeitsmedium ist ein Gemisch mit einem hochtemperaturfesten Schmiermittel, aus dem das Wasser in einem Phasentrenner verdampft und anschließend als Dampf zum Überhitzer geleitet wird. US Pat. No. 3,603,087 discloses a steam cycle process with a waste heat superheater. The working medium is a mixture with a high-temperature resistant lubricant, from which the water is evaporated in a phase separator and then passed as a vapor to the superheater.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen insbesondere mit einem Dampfkreisprozess, wobei der Dampfkreisprozess mit einem umweltfreundlichen und angenehm handhabbaren Arbeitsmedium arbeitet.It is an object of the invention to provide a drive arrangement of the type mentioned in particular with a steam cycle, wherein the steam cycle process works with an environmentally friendly and comfortable to handle working medium.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass

(f) das Frostschutz- und/oder Schmiermittel bei der Arbeitstemperatur instabil ist, und
(g) die Trennvorrichtung zum Trennen flüssiger Komponenten vor dem Dampferzeuger in dem Dampfkreisprozess angeordnet ist, so dass das Frostschutz- und/oder Schmiermittel vor dem Verdampfen des Arbeitsmediums aus dem flüssigen Arbeitsmedium abgetrennt wird.

According to the invention the object is achieved in that

(f) the antifreeze and / or lubricant is unstable at the working temperature, and
(G) the separating device is arranged for separating liquid components in front of the steam generator in the steam cycle, so that the antifreeze and / or lubricant is separated from the liquid working medium before the evaporation of the working medium.

Die Aufgabe wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere dadurch gelöst, dass eine Frostschutz- und/oder Schmiermittel-Komponente des Arbeitsmediums, welche bei der Arbeitstemperatur thermisch instabil ist, vor der Dampferzeugung von den übrigen Komponenten des Arbeitsmediums abgetrennt wird. Die Arbeitstemperatur ist eine bestimmte Temperatur bei der sich die thermisch stabile Komponente des Arbeitsmediums in einem gasförmigen Zustand befindet. Dies kann eine Temperatur größer oder gleich der Verdampfungstemperatur sein. Die Arbeitstemperatur kann sich auch in einem Temperaturbereich oberhalb der Verdampfungstemperatur befinden.The object is achieved in a method according to the invention, in particular, that an antifreeze and / or lubricant component of the working medium, which is thermally unstable at the working temperature, is separated from the other components of the working medium before steam generation. The working temperature is a certain temperature at which the thermally stable component of the working medium is in a gaseous state. This may be a temperature greater than or equal to the evaporation temperature. The working temperature can also be in one Temperature range are above the evaporation temperature.

Das Abtrennen der Komponente aus dem Arbeitsmedium, welche nicht temperaturstabil ist, ermöglicht den Einsatz von beliebigen, umweltfreundlichen, kostengünstigen und nicht-korrosiven Komponenten. Die Komponente wird vor dem Verdampfen vom Arbeitsmedium getrennt. Entsprechend wird sie den hohen Temperaturen im Dampferzeuger nicht ausgesetzt. Die Komponenten zersetzen sich nicht, auch wenn der Dampfkreisprozess selber mit sehr hohen Dampftemperaturen arbeitet. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Anordnung zwar prinzipiell Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt ist und daher ein Frostschutzmittel erfordert. Auch Schmiermittel können erforderlich sein. Diese Komponenten sind für den Dampfkreisprozess selber jedoch entbehrlich. Wenn die Anordnung in Betrieb ist, liegen die Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes und nicht-temperaturbeständige Komponenten können abgetrennt werden.The separation of the component from the working medium, which is not thermally stable, allows the use of any environmentally friendly, inexpensive and non-corrosive components. The component is separated from the working medium before evaporation. Accordingly, it is not exposed to the high temperatures in the steam generator. The components do not decompose, even if the steam cycle itself operates with very high steam temperatures. The invention is based on the finding that the arrangement is in principle exposed to temperatures below freezing and therefore requires an antifreeze. Also lubricants may be required. However, these components are dispensable for the steam cycle itself. When the assembly is in operation, the temperatures are above freezing and non-temperature resistant components can be separated.

Es können Mittel zum Rückführen der in der Trennvorrichtung abgetrennten Komponente in den Dampfkreisprozess hinter dem Dampferzeuger vorgesehen sein.There may be provided means for returning the separated in the separator component in the steam cycle process behind the steam generator.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Dampfkreislauf ein Reservoir für das Arbeitsmedium vorgesehen, welches von dem Kühlkreislauf des Motors gebildet ist. Es findet also ein Stoffübergang zwischen dem Dampfkreisprozess und dem Motorkühlwasser statt. Der Kühlkreislauf des Motors verfügt über einen eigenen Kühler. Das aus der Expansionsmaschine austretende Arbeitsmedium kann daher ohne zu kondensieren direkt dem Kühlkreislauf zugeführt werden, wo es dann direkt im Kühlwasser kondensiert. Ein Kondensator ist, anders als bei bekannten Dampfkreisprozessen in Fahrzeugen, nicht erforderlich.In a first embodiment of the invention, a reservoir for the working medium is provided in the steam cycle, which is formed by the cooling circuit of the engine. So there is a mass transfer between the steam cycle and the engine cooling water instead. The cooling circuit of the engine has its own radiator. The emerging from the expander machine working fluid can therefore be fed directly to the cooling circuit without condensing, where it then condenses directly in the cooling water. A capacitor is, unlike in known steam cycle processes in vehicles, not required.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist ein von dem Dampfkreislauf getrennter Kühlkreislauf zum Kühlen des Motors vorgesehen, welcher zusätzlich einen in dem Dampfkreislauf vorgesehenen Kondensator kühlt. Bei dieser Ausgestaltung findet kein Stoffübergang zwischen Dampfkreislauf und Kühlkreislauf des Motors statt. Stattdessen ist ein Kondensator vorgesehen, welcher vom Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors gekühlt wird.In an alternative embodiment of the invention, a separate from the steam cycle cooling circuit for cooling the engine is provided which additionally cools a provided in the steam cycle condenser. In this embodiment, there is no mass transfer between the steam cycle and the cooling circuit of the engine. Instead, a capacitor is provided, which is cooled by the cooling circuit of the internal combustion engine.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine der Komponenten des Arbeitsmediums ein Schmiermittel, und es sind Mittel zum Zuführen des in der Trennvorrichtung abgetrennten Schmiermittels zur Expansionsmaschine vorgesehen. Das Schmiermittel kann zusammen mit Blow-By und dem Abdampf dem Motorkühlkreislauf zugeführt werden.In a preferred embodiment of the invention, one of the components of the working medium is a lubricant, and means are provided for supplying the lubricant separated in the separating device to the expansion machine. The lubricant can be supplied to the engine cooling circuit together with blow-by and exhaust steam.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Reservoir für das Arbeitsmedium in dem Dampfkreisprozess vorgesehen.In a further embodiment, a reservoir for the working medium is provided in the steam cycle.

Vorzugsweise sind Steuermittel zum Steuern der Trennvorrichtung und/oder des Arbeitsmedium-Massestroms vorgesehen, derart, dass eine Trennung der Komponenten einmalig bei Inbetriebnahme der Antriebsanordnung erfolgt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die Trennvorrichtung kleiner ausgestaltet werden, als wenn die Trennung kontinuierlich erfolgt. Auch reduziert sich der Energieaufwand zum Trennen der Flüssigkeiten. Die Anordnung wird in Betrieb genommen. Mit der Inbetriebnahme wird das Arbeitsmedium getrennt. Die Frostschutz- und/oder Schmiermittelkomponenten werden entsprechend ihrer Funktion gespeichert oder eingesetzt. Im Betrieb besteht keine Gefahr, dass das ungemischte Arbeitsmittel gefriert. Erst wenn die Anordnung abgeschaltet wird und die Temperaturen absinken können, werden die Komponenten wieder zugemischt. Die Trennvorrichtung kann jedoch in geringerem Umfang auch nach der Inbetriebnahme weiter betrieben werden um Blow-By, d. h. ein Gemisch aus allen Komponenten, welches aus Undichtigkeiten in der Expansionsmaschine resultiert, wieder zu trennen. Dabei sind die Steuermittel zum Steuern der Trennvorrichtung und/oder des Arbeitsmedium-Massestroms derart ausgebildet, dass eine Mischung der Komponenten bei Beendigung des Betriebs erfolgt.Preferably, control means for controlling the separation device and / or the working medium mass flow are provided, such that a separation of the components takes place once upon commissioning of the drive arrangement. In this embodiment of the invention, the separation device can be made smaller than when the separation takes place continuously. Also reduces the energy required to separate the liquids. The arrangement is put into operation. With commissioning, the working medium is disconnected. The antifreeze and / or lubricant components are stored or used according to their function. In operation, there is no danger that the unmixed working fluid freezes. Only when the arrangement is switched off and the temperatures can drop, the components are mixed again. However, the separator can be operated to a lesser extent after commissioning to blow-by, d. H. to separate a mixture of all components resulting from leaks in the expansion machine again. In this case, the control means for controlling the separating device and / or the working medium mass flow are designed such that a mixture of the components takes place at the end of the operation.

In einer Ausgestaltung dieser Erfindung ist ein Schmiermittelkreislauf mit einer Schmiermittelpumpe zum Schmieren der Expansionsmaschine vorgesehen, in welchem das abgetrennte Schmiermittel umgepumpt wird. Dabei kann auch ein Tank in dem Schmiermittelkreislauf vorgesehen sein. Das abgetrennte Schmiermittel wird solange in dem Schmiermittelkreislauf umgepumpt, bis der Betrieb beendet wird. Der Dampf- und der Schmiermittelkreislauf werden während des Betriebs unabhängig betrieben.In one embodiment of this invention, a lubricant circuit is provided with a lubricant pump for lubricating the expansion machine, in which the separated lubricant is circulated. In this case, a tank may be provided in the lubricant circuit. The separated lubricant is circulated in the lubricant circuit until the operation is terminated. The steam and lubricant circuits are operated independently during operation.

Es kann ferner eine Verbindungsleitung vom Schmiermittelkreislauf zum Dampfkreislauf hinter der Expansionsmaschine vorgesehen sein, über welche die thermisch stabile Komponente, welche aufgrund von Blow-By in den Schmiermittelkreislauf gelangt, zum Dampfkreislauf zurückführbar ist.It can also be provided a connection line from the lubricant circuit to the steam cycle behind the expansion machine, via which the thermally stable component, which passes into the lubricant circuit due to blow-by, the steam cycle is traceable.

Die Abtrennung der thermisch instabilen Komponenten lässt sich in zwei verschiedenen Verfahren verwirklichen: Die abgetrennten Komponenten können dem Arbeitsmedium kontinuierlich nach der Entspannung wieder zugeführt werden. Alternativ können die Komponenten bei Inbetriebnahme der Antriebsanordnung abgetrennt werden und nach Beendigung des Betriebs wieder zugemischt werden.The separation of the thermally unstable components can be realized in two different methods: The separated components can be recycled to the working medium continuously after the relaxation. Alternatively, the components can be separated during commissioning of the drive assembly and mixed again after completion of the operation.

Zusätzlich zur Abtrennung von der thermisch stabilen Komponente kann auch eine weitere Trennung des Frostschutzmittels vom Schmiermittel erfolgen. In addition to the separation of the thermally stable component, a further separation of the antifreeze from the lubricant can take place.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. An embodiment is explained below with reference to the accompanying drawings.

1 ist eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung für Fahrzeuge mit einem Motor und einem von der Abwärme des Motors beaufschlagten Dampfkreisprozesses mit einer Trennvorrichtung zur kontinuierlichen Abtrennung von Komponenten des Arbeitsmediums, wobei der Kühlkreislauf des Motors und der Dampfkreisprozess stofflich verbunden sind. 1 is a schematic representation of a drive assembly for vehicles with an engine and acted upon by the heat of the engine steam cycle process with a separator for the continuous separation of components of the working medium, wherein the cooling circuit of the engine and the steam cycle process are materially connected.

2 ist eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung für Fahrzeuge mit einem Motor und einem von der Abwärme des Motors beaufschlagten Dampfkreisprozesses mit einer Trennvorrichtung zur einmaligen Auftrennung von Komponenten des Arbeitsmediums in verschiedene Kreisläufe, wobei der Kühlkreislauf des Motors und der Dampfkreisprozess stofflich verbunden sind. 2 is a schematic representation of a drive assembly for vehicles with an engine and acted upon by the heat of the engine steam cycle process with a separation device for the unique separation of components of the working fluid into different circuits, wherein the cooling circuit of the engine and the steam cycle process are materially connected.

3 ist eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung für Fahrzeuge mit einem Motor und einem von der Abwärme des Motors beaufschlagten Dampfkreisprozesses mit einer Trennvorrichtung zur kontinuierlichen Abtrennung von Komponenten des Arbeitsmediums, wobei der Kühlkreislauf des Motors und der Dampfkreisprozess nur thermisch, aber stofflich nicht verbunden sind. 3 is a schematic representation of a drive assembly for vehicles with an engine and acted upon by the heat of the engine steam cycle process with a separator for the continuous separation of components of the working fluid, the cooling circuit of the engine and the steam cycle process are only thermally, but not materially connected.

4 ist eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung fair Fahrzeuge mit einem Motor und einem von der Abwärme des Motors beaufschlagten Dampfkreisprozesses mit einer Trennvorrichtung zur einmaligen Auftrennung von Komponenten des Arbeitsmediums in verschiedene Kreisläufe, wobei der Kühlkreislauf des Motors und der Dampfkreisprozess nur thermisch, aber stofflich nicht verbunden sind. 4 is a schematic representation of a drive assembly fair vehicles with an engine and acted upon by the waste heat of the engine steam cycle process with a separator for the unique separation of components of the working fluid into different circuits, the cooling circuit of the engine and the steam cycle process are only thermally, but material not connected ,

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen auch ist ein Motor 10 zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen. Fahrzeuge können Personen- und Lastkraftwagen, aber auch Züge, Schiffe oder dergleichen sein. Der Motor 10 kann jede beliebige Ausgestaltung eines Verbrennungsmotors sein, etwa ein Otto-, Diesel- oder sonstiger Verbrennungsmotor. Der Motor 10 erzeugt Wärme. Zum Abführen der Wärme ist ein Kühlkreislauf 12 vorgesehen. Der Kühlkreislauf 12 weist eine Kühlpumpe 14 und einen Kühler 16 auf. In dem Kühlkreislauf 12 wird Motorkühlwasser umgepumpt. Die bisher beschriebenen Bauteile sind Bestandteil handelsüblicher Fahrzeuge und brauchen hier daher nicht näher erläutert werden. 1 shows a first embodiment of the invention. As in the following embodiments also is a motor 10 intended to drive a vehicle. Vehicles may be passenger cars and trucks, but also trains, ships or the like. The motor 10 can be any configuration of an internal combustion engine, such as a gasoline, diesel or other internal combustion engine. The motor 10 generates heat. To dissipate the heat is a cooling circuit 12 intended. The cooling circuit 12 has a cooling pump 14 and a cooler 16 on. In the cooling circuit 12 Engine cooling water is pumped around. The components described so far are part of commercial vehicles and therefore need not be explained in detail here.

Das Fahrzeug weist ferner einen Dampfkreislauf 18 auf. In dem Dampfkreislauf 18 wird ein Arbeitsmedium mittels einer Speisewasserpumpe 20 auf einen erhöhten Druck gebracht. Das Arbeitsmedium besteht aus mehreren Komponenten, die alle flüssig sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium Wasser, dem ein Frostschutzmittel und ein Schmiermittel zugesetzt wurde. Im vorliegenden Fall ist das Frostschutzmittel Glykol.The vehicle also has a steam cycle 18 on. In the steam cycle 18 becomes a working medium by means of a feedwater pump 20 brought to an elevated pressure. The working medium consists of several components, all of which are liquid. In the present embodiment, the working medium is water to which an antifreeze and a lubricant has been added. In the present case the antifreeze is glycol.

Das Arbeitsmedium wird in einer Trennvorrichtung 22 getrennt. Die Trennvorrichtung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine thermische Trennvorrichtung. Dabei werden die Komponenten aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte getrennt. Die Wärme wird den im Motor ohnehin vorhandenen thermischen Prozessen entnommen oder elektrisch erzeugt. In alternativen Ausführungsbeispielen erfolgt die Trennung aufgrund der unterschiedlichen Teilchengröße in Molekularsieben oder Filtern oder aufgrund der unterschiedlichen Dichte der Komponenten in einer Zentrifuge. Auch eine elektrische Trennung von polaren Medien ist denkbar. Es versteht sich, dass je nach Trennverfahren, Anforderungen an die Qualität und der Zusammensetzung des Arbeitsmediums eine mehrstufige Trennung oder eine Kombination der Trennverfahren eingesetzt werden kann. Hierbei werden insbesondere auch die räumlichen Gegebenheiten berücksichtigt. Anders als etwa Kalina-Kreisprozessen, bei welchen eine gasförmige von einer flüssigen Komponente getrennt wird, erfolgt hier eine Trennung flüssiger Komponenten.The working fluid is in a separator 22 separated. The separation device is a thermal separation device in the present embodiment. The components are separated due to their different boiling points. The heat is taken from the existing in the engine anyway thermal processes or generated electrically. In alternative embodiments, the separation is due to the different particle size in molecular sieves or filters or due to the different density of the components in a centrifuge. An electrical separation of polar media is conceivable. It is understood that depending on the separation method, quality requirements and composition of the working medium, a multi-step separation or a combination of the separation methods can be used. Here, in particular, the spatial conditions are taken into account. Unlike, for example, Kalina cycle processes, in which a gaseous component is separated from a liquid component, separation of liquid components takes place here.

In der Trennvorrichtung 22 wird der hochtemperaturstabile Wasseranteil des Arbeitsmediums vom Glykol und dem Schmiermittel kontinuierlich getrennt. Das kalte Schmiermittel wird direkt einer Expansionsmaschine 24 zugeführt. Dies ist durch einen Pfeil 26 repräsentiert. Der Wasseranteil wird einem Dampferzeuger 28 zugeführt und dort verdampft. Für die Erzeugung des Dampfes wird die Abwärme des Verbrennungsmotors genutzt. Dabei kann die Wärme des Abgases und des Kühlkreislaufs genutzt werden. Der hochenergetische Wasserdampf wird in der Expansionsmaschine unter Arbeitsleistung expandiert. Die an einer Welle (nicht dargestellt) geleistete Arbeit wird als Hilfsantrieb auf die Motorwelle des Antriebsmotors 10 übertragen. Es kann aber auch ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen sein.In the separator 22 The high-temperature-stable water content of the working fluid is continuously separated from the glycol and the lubricant. The cold lubricant becomes directly an expansion machine 24 fed. This is by an arrow 26 represents. The water content becomes a steam generator 28 supplied and evaporated there. For the production of steam, the waste heat of the internal combustion engine is used. In this case, the heat of the exhaust gas and the cooling circuit can be used. The high-energy steam is expanded in the expansion machine under working power. The work done on a shaft (not shown) acts as an auxiliary drive on the motor shaft of the drive motor 10 transfer. But it can also be provided a generator for generating electrical energy.

Das expandierte Gas wird als Abdampf in den Kühlkreislauf 12 geleitet. Hierzu ist eine Leitung 28 vorgesehen. Blow-By und Schmiermedium werden über separate Leitungen 30 bzw. 32 ebenfalls in den Kühlkreislauf 12 geleitet. In dem Kühlkreislauf 12 werden die Komponenten des Arbeitsmediums, also Wasser, Glykol und Schmiermittel wieder gemischt. Das gemischte Arbeitsmedium kann dann vor der Speisewasserpumpe 20 dem Kühlkreislauf 12 wieder entnommen werden. Man erkennt, dass der Kühlkreislauf 12 und der Dampfkreisprozess 18 stofflich miteinander verbunden sind. Die Kondensation des Abdampfes erfolgt in dem Kühlkreislauf. Ein Kondensator ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht erforderlich.The expanded gas is used as exhaust steam in the cooling circuit 12 directed. This is a line 28 intended. Blow-by and lubrication medium are via separate lines 30 respectively. 32 also in the cooling circuit 12 directed. In the cooling circuit 12 The components of the working medium, ie water, glycol and lubricant are mixed again. The mixed working medium can then before the feedwater pump 20 the cooling circuit 12 be removed again. It can be seen that the cooling circuit 12 and the steam cycle process 18 are materially interconnected. The condensation of the exhaust steam takes place in the cooling circuit. A capacitor is not required in this embodiment.

2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 110 vorgesehen. Der Kühlkreislauf 112 des Verbrennungsmotors 110 ist ebenfalls mit einem Dampfkreisprozess 118 stofflich verbunden. Anders als im Ausführungsbeispiel aus 1 erfolgt hier jedoch keine kontinuierliche Trennung des Arbeitsmittels. 2 shows an alternative embodiment of the invention. Here too is a vehicle with an internal combustion engine 110 intended. The cooling circuit 112 of the internal combustion engine 110 is also with a steam cycle process 118 materially connected. Unlike in the embodiment 1 However, here there is no continuous separation of the working fluid.

Zwischen dem Kühlkreislauf 112 und der Speisewasserpumpe 120 ist eine Rückschlagklappe 134 vorgesehen. Bei Inbetriebnahme der Anordnung, d. h. wenn der Motor 110 gestartet wird, wird die Klappe 134 geöffnet und der Dampfkreisprozess 118 wird aus dem Kühlkreislauf 112 mit Arbeitsmedium gefüllt. Das Arbeitsmedium wird mittels Speisewasserpumpe 120 einer Trennvorrichtung 122 zugeführt. Dort wird das Arbeitsmedium einmalig für diesen Betriebsvorgang aufgetrennt. Das Wasser wird wie anhand von 1 beschrieben dem Dampferzeuger 124 zugeführt. Das Schmiermittel wird einem Schmiermitteltank 136 zugeführt. Mittels einer Schmiermittelpumpe 138 wird das Schmiermittel der Expansionsmaschine 124 zugeführt. Dort schmiert es die Maschine. Es wird anschließend aufgefangen und wieder dem Tank 136 zugeführt. Auf diese Weise wird ein separater Schmiermittelkreislauf verwirklicht. Wasser, welches aufgrund von Blow-By in den Schmiermittelkreislauf gelangt, wird über eine Leitung 140 vom Schmiermitteltank 136 zur Abdampfleitung 128 abgeführt.Between the cooling circuit 112 and the feedwater pump 120 is a non-return valve 134 intended. When commissioning the arrangement, ie when the engine 110 is started, the flap 134 opened and the steam cycle process 118 gets out of the cooling circuit 112 filled with working medium. The working medium is by means of feedwater pump 120 a separator 122 fed. There, the working medium is separated once for this operation. The water is like based on 1 described the steam generator 124 fed. The lubricant becomes a lubricant tank 136 fed. By means of a lubricant pump 138 becomes the lubricant of the expansion machine 124 fed. There it lubricates the machine. It is then collected and returned to the tank 136 fed. In this way, a separate lubricant circuit is realized. Water that enters the lubricant circuit due to blow-by is supplied via a pipe 140 from the lubricant tank 136 to the exhaust steam line 128 dissipated.

Der Abdampf wird jetzt anders als im Ausführungsbeispiel nach 1 in einem Kondensator 142 kondensiert. Der Kondensator 142 wird vom Kühlkreislauf 112 des Verbrennungsmotors gekühlt. Das Kondensat wird mittels einer Kondensatabsaugpumpe 144 wieder zur Speisewasserpumpe 120 gepumpt.The exhaust steam is now different than in the embodiment according to 1 in a condenser 142 condensed. The capacitor 142 is from the cooling circuit 112 the internal combustion engine cooled. The condensate is removed by means of a condensate suction pump 144 back to the feedwater pump 120 pumped.

Das Wasser wird nun wieder von der Speisewasserpumpe 120 durch die Trennvorrichtung gepumpt. Hier erfolgt im Betrieb nach dem Anlaufprozess nur noch eine Trennung von Komponentenresten, welche durch Blow-By in das Wasser gelangen. Der Hauptanteil an Schmiermittel verbleibt im Schmiermittelkreislauf.The water is now coming back from the feedwater pump 120 pumped through the separator. Here, in operation, after the start-up process, only a separation of component residues, which reach the water through blow-by, takes place. The majority of lubricant remains in the lubricant circuit.

Zwar ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Kondensator erforderlich, aber die Trennvorrichtung kann erheblich kleiner ausgeführt werden, da nur einmalig getrennt wird. Dies kann langsamer erfolgen und es ist keine hohe Trennleistung erforderlich.Although in this embodiment, a capacitor is required, but the separator can be made considerably smaller because it is separated only once. This can be done more slowly and no high separation efficiency is required.

Wenn der Betrieb der Anordnung beendet wird, d. h. wenn der Motor abgestellt wird, wird das Wasser aus dem Dampfkreislauf 118 und das Schmiermittel aus dem Schmiermittelkreislauf wieder zurück in den Kühlkreislauf 112 geleitet. Die Leitungen und Bauteile des Dampfkreisprozesses werden geleert. Auf diese Weise ist der Dampfkreisprozess frostgeschützt. Im Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors befindet sich nur frostsicheres Arbeitsmedium in Form eines Gemischs aller Komponenten.When the operation of the assembly is terminated, ie when the engine is stopped, the water from the steam cycle 118 and the lubricant from the lubricant circuit back into the cooling circuit 112 directed. The pipes and components of the steam cycle process are emptied. In this way the steam cycle is protected against frost. In the cooling circuit of the internal combustion engine is only frost-proof working fluid in the form of a mixture of all components.

3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele. 3 bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Arbeitsmedium analog zum Ausführungsbeispiel aus 1 kontinuierlich getrennt wird. 4 bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Arbeitsmedium analog zum Ausführungsbeispiel aus 2 einmalig getrennt wird. 3 and 4 show further embodiments. 3 refers to an embodiment in which the working medium analogous to the embodiment of 1 is continuously separated. 4 refers to an embodiment in which the working medium analogous to the embodiment of 2 is separated once.

3 und 4 zeigen jeweils Anordnungen, bei welchen der Kühlkreislauf des Motors 212 bzw. 312 vollständig stofflich vom Dampfkreislauf 218 bzw. 318 getrennt ist. Das Arbeitsmedium wird in einem Reservoir 234 bzw. 334 gespeichert und steht dort für den Dampfkreisprozess zur Verfügung. Bei der kontinuierlichen Trennung in 3 werden alle Komponenten, d. h. Abdampf 228, Schmiermittel 230 und Blow-By-Mischung 232 hinter der Expansionsmaschine zusammengeführt und in einem Kondensator 242 kondensiert. Der Kondensator 242 ist wieder vom Kühlkreislauf 212 gekühlt. Das kondensierte Arbeitsmedium, d. h. das Gemisch der Komponenten, wird wieder dem Tank zugeführt. Im Übrigen entspricht die Anordnung der Anordnung aus 3. 3 and 4 each show arrangements in which the cooling circuit of the engine 212 respectively. 312 completely material from the steam cycle 218 respectively. 318 is disconnected. The working fluid is in a reservoir 234 respectively. 334 stored and is there for the steam cycle available. In the case of continuous separation in 3 become all components, ie exhaust steam 228 , Lubricant 230 and blow-by mix 232 merged behind the expansion machine and in a condenser 242 condensed. The capacitor 242 is back from the cooling circuit 212 cooled. The condensed working medium, ie the mixture of components, is returned to the tank. Incidentally, the arrangement corresponds to the arrangement of 3 ,

4 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Komponenten des Arbeitsmediums analog zum Ausführungsbeispiel nach 2 nur einmal getrennt werden. Es ist ferner ein Tank 334 vorgesehen. Der Dampfkreisprozess ist analog zum Ausführungsbeispiel nach 3 vollständig stofflich vom Kühlkreislauf 312 getrennt. In diesem Ausführungsbeispiel werden im Betrieb drei Kreisläufe betrieben: der Kühlkreislauf 312 des Verbrennungsmotors 310, der Dampfkreisprozess 318 und der Schmiermittelkreislauf mit der Schmiermittelpumpe 338. 4 shows an arrangement in which the components of the working medium according to the embodiment according to 2 to be separated only once. It is also a tank 334 intended. The steam cycle is analogous to the embodiment according to 3 completely material from the cooling circuit 312 separated. In this embodiment, three circuits are operated in operation: the cooling circuit 312 of the internal combustion engine 310 , the steam cycle process 318 and the lubricant circuit with the lubricant pump 338 ,

Durch Abschalten der Trennvorrichtung oder by-passen in den jeweiligen Ausführungsbeispielen wird das Arbeitsmedium wieder zusammengemischt.By switching off the separator or by-pass in the respective embodiments, the working medium is mixed together again.

Claims

A drive assembly comprising (a) a waste heat generating process, (b) a steam cycle with a multiple liquid component working fluid, one component being antifreeze and / or lubricant, (c) a steam generator powered by the waste heat to generate steam a working temperature, wherein one of the components of the working medium is thermally stable at the working temperature, (d) an expansion machine for converting the thermal energy contained in the working medium into mechanical work, and (e) a separation device with which the antifreeze and / or Lubricant component is separable from the thermally stable at the working temperature component, characterized in that (f) the antifreeze and / or lubricant is unstable at the working temperature, and (g) the separating device for separating liquid components is arranged in front of the steam generator in the steam cycle , so that the frost protection un d / or lubricant is separated from the liquid working medium before evaporation of the working medium.

Drive arrangement according to claim 1, characterized by means for returning the separated in the separator component in the steam cycle process behind the expansion machine.

Drive arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the steam cycle, a reservoir for the working medium is provided, which is formed by the cooling circuit of the engine.

Drive arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized by a separate from the steam cycle cooling circuit for cooling the engine, which additionally cools a provided in the steam cycle condenser.

Drive arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that one of the components of the working medium is a lubricant, and means are provided for supplying the lubricant separated in the separating device to the expansion machine.

Drive arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a reservoir for the working medium is provided in the steam cycle.

Drive arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that control means are provided for controlling the separation device and / or the working medium mass flow, such that a separation of the components takes place once during commissioning of the drive arrangement.

Drive arrangement according to claim 7, characterized in that the control means for controlling the separating device and / or the working medium mass flow are designed such that a mixture of the components takes place at the end of the operation.

Drive arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that a lubricant circuit is provided with a lubricant pump for lubricating the expansion machine, in which the separated lubricant is circulated.

Drive arrangement according to claim 9, characterized in that a tank is provided in the lubricant circuit.

Drive arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that a connecting line is provided from the lubricant circuit to the steam cycle behind the expansion machine, via which the thermally stable component, which passes into the lubricant circuit due to blow-by, the steam cycle is traceable.

Drive arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the process is an internal combustion engine or a gas turbine.

Drive arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the drive arrangement is designed as a drive arrangement for vehicles.

Drive arrangement according to claim 13, characterized in that the vehicle is a passenger car, a truck, a ship, a train or an agricultural machine.

Drive arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the process is a combined heat and power plant.

A method of operating a drive assembly having a steam cycle according to any one of the preceding claims, comprising the steps of: (a) vaporizing a working medium in a steam generator under high pressure; (b) releasing the working medium vapor under working power; and (c) condensing the expanded working medium vapor; characterized in that (d) an antifreeze and / or lubricant component of the working medium, which is unstable at the working temperature, is separated from the remaining component of the working medium before steam generation.

A method according to claim 12, characterized in that the separated component is supplied to the working medium continuously after relaxation again.

A method according to claim 12, characterized in that the components are separated during commissioning of the drive assembly and are mixed again after completion of the operation.