-
Die
Erfindung betrifft ein System, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
aufweisend ein Abgassystem und einen Rankine-Kreislauf nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Betriebsverfahren für ein
solches System.
-
Zunehmend
wird der Einsatz von Systemen zur Wärmerückgewinnung,
etwa von Clausius-Rankine Prozessen, angedacht.
-
Der
Clausius-Rankine Prozess ist als geschlossener Dampfkraftprozess
bekannt. Eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch
wird unter Druck verdampft, in der Regel auch überhitzt
und einer Expansionsmaschine zugeführt, die mechanische
Arbeit leistet. Das entspannte Arbeitsmittel wird unter Wärmeabgabe
vollständig kondensiert und mittels Pumpe wieder auf Verdampfungsdruck
gebracht. Es wurde bereits angedacht, diese Technologie in Kraftfahrzeugen
einzusetzen, um einen Teil der Abwärme aus der Verbrennung
in mechanische Arbeit zu verwandeln. Letztere kann beispielsweise
dem Antriebsstrang oder einem elektrischen Generator zugeführt werden.
-
JP 2007332853 A offenbart
ein Abwärmerückgewinnungssystem, wobei genau ein
Heizer die vom Abgas eines Verbrennungsmotors aufgenommene Abwärme
an einen Rankine Kreislauf abgibt. Das Medium im Rankine Kreislauf
verdampft und expandiert anschließend in einer Expansionsmaschine, um
thermische in mechanische Energie umzuwandeln.
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein System mit einem Rankine-Kreislauf
anzugeben, bei dem die Nutzung der Wärme eines Abgassystems
optimiert ist.
-
Diese
Aufgabe wird für ein eingangs genanntes System erfindungsgemäß mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch
die thermische Koppelung von Abgas und Arbeitsmittel über
zumindest zwei Wärmetauscher ist die Übertragung
der Wärme optimierbar, etwa im Hinblick auf eine Vergleichmäßigung
der Wärmekapazitätenströme von Abgas
und Arbeitsmittel. Insbesondere kann hierdurch der Änderung
der erforderlichen Wärmekapazitätenströme
in den Bereich Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung
des Arbeitsmittels Rechnung getragen werden.
-
In
allgemein bevorzugter Weiterbildung der Erfindung verzweigt ein
gesamter Abgasstrom des Abgassystems in einen rückgeführten
Abgasstrom und einen Restabgasstrom. Eine solche Verzweigung liegt
im Allgemeinen bei modernen Verbrennungsmotoren vor, bei denen insbesondere
hohe Anforderungen an die Schadstoffemission gestellt werden. Die
verzweigten Abgasströme, von denen insbesondere der rückgeführte
Abgasstrom regelmäßig gekühlt wird, sind
in besonderer Weise zur Optimierung der thermischen Anbindung eines
Rankine-Kreislaufs geeignet. In bevorzugter Detailgestaltung zweigt
dabei der rückgeführte Abgasstrom hochdruckseitig
eines Abgas-Ladeluftverdichters ab. Bei einer solchen Hochdruck-Abgasrückführung steht
eine besonders große Wärmemenge des rückgeführten
Abgases zur Einbringung in das Arbeitsmittel vor.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
rückgeführte Abgasstrom in seiner Strömungsrichtung
thermisch mit einem Überhitzungsbereich, nachfolgend einem
Verdampfungsbereich und nachfolgend einem Vorwärmbereich
des Arbeitsmittels koppelbar. Eine solche Gegenstrom-Anordnung von
Arbeitsmittel und Abgas begünstigt einen gleichmäßige
Temperaturdifferenz über den gesamten Bereich der thermischen
Kopplung.
-
Besonders
bevorzugt ist der Restabgasstrom mit einem Verdampfungsbereich,
insbesondere nur mit dem Verdampfungsbereich, des Arbeitsmittels
koppelbar. In dem Verdampfungsbereich erfolgt, im Unterscheid zum
Vorwarm- und Überhitzungsbereich, eine Phasenumwandlung
des Arbeitsmittels, weshalb hier regelmäßig ein
großer Bedarf an Wärmekapazität des Abgasstroms
vorliegt. Daher ist es besonders günstig, in diesen Bereich
durch die Wärme des Restabgasstroms zu unterstützen,
um das Gesamtsystem zu optimieren. Es kann dabei vorgesehen sein,
den Restabgasstrom nur mit dem Verdampfungsbereich und nicht mit Überhitzungs-
oder Vorwärmbereich zu koppeln, um eine zu starke Abkühlung
des Restabgases zu vermeiden. Bei einer übermäßigen
Abkühlung des Restabgases besteht allgemein die Problematik
einer Taupunktunterschreitung bzw. Kondensation von korrosiven Stoffen.
-
Weiterhin
vorteilhaft erfolgt in dem ersten Wärmeübertrager
eine Vorwärmung des Arbeitsmediums des Rankine-Kreislaufs,
wobei in dem zweiten Wärmeübertrager eine Verdampfung
des Arbeitsmediums erfolgt. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen
sein, dass in einem dritten Wärmeübertrager eine Überhitzung
des Arbeitsmediums erfolgt. Auf diese Weise sind die Abschnitte
Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmittels
auf mehrere, für ihre Aufgabe optimierbare Wärmetauscher
verteilt, die zu dem jeweils mit verschiedenen Zweigen des Abgassystems
thermisch verkoppelt sein können. Bei einer vorteilhaften
Ausführungsform hat dabei der zweite Wärmeübertrager
einer ersten Abschnitt, der von dem rückgeführten
Abgasstrom durchströmbar ist und einen zweiten Abschnitt,
der von dem Restabgasstrom durchströmbar ist, so dass die
große Wärmekapazitäten erfordernde Verdampfung über
mehrere Abgas-Teilströme getrieben ist. Zur vorteilhaften
Optimierung ist zudem ein Gesamtstrom des Arbeitsmittels über
einen Abzweig, insbesondere einen regelbar stellbaren Abzweig, auf
die Abschnitte des zweiten Wärmeübertragers aufteilbar. Hierdurch
kann den verschiedenen Wärmekapazitäten der Abgas-Teilströme
Rechnung getragen werden, wobei über einen regelbar stellbaren
Abzweig auch eine laufende Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen
erfolgen kann. Der Abzweig kann dabei etwa als ein elektronisch
angesteuertes, zum Beispiel getaktetes, 3-Wege-Ventil ausgebildet
sein.
-
Bei
einer möglichen Ausführungsform der Erfindung
sind die Wärmetauscher als integrierte Baueinheit ausgebildet.
Alternativ können sie aber auch als separate Wärmetauscher
ausgeformt sein oder es können beim Vorliegen von drei
Wärmetauschern zwei der drei Tauscher integriert ausgebildet sein.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Betriebsverfahren für
ein erfindungsgemäßes System mit den Merkmalen
des Anspruchs 10 gelöst. Die unterschiedlichen Kopplungen
der Abgasströme je nach Vorwärmungs-, Verdampfungs-
oder Überhitzungsbereich des Arbeitsmittels wird den Erfordernissen
der verschiedenen Wärmekapazitätsströme Rechnung
getragen, wobei dies baulich durch das Vorsehen von zumindest zwei
Wärmeübertragern ermöglicht ist. Die
Wärmeübertrager sind dabei im Sinne der Erfindung
als funktionel hinsichtlich der thermischen Anbindung an verschiedene
Abgasströme zu verstehen und müssen nicht notwendig
baulich getrennte Einheiten sein. Je nach Anforderungen können
die Wärmetauscher aber auch baulich getrennte Einheiten
sein.
-
Eine
vorteilhafte Vergleichmäßigung der Temperaturdifferenzen über
die Austauschstrecke wird erreicht, indem der rückgeführte
Abgasstrom in der Reihenfolge Überhitzen-Verdampfen-Vorwärmen in
thermischen Austausch mit dem Arbeitsmittel gebracht wird.
-
Insbesondere
vorteilhaft erfolgt in zumindest einem, insbesondere beiden der
Bereiche Überhitzen oder Vorwärmen des Arbeitsmittels
eine thermische Koppelung nur mit dem rückgeführten
Abgasstrom. Hierdurch wird eine übermäßige
Abkühlung des Restabgases vermieden.
-
Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Nachfolgend
werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben
und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
1 zeigt
eine Darstellung der Temperatur von im Wärmetausch stehendem
Abgas und Arbeitsmittel nach dem Stand der Technik, aufgetragen über dem
Enthalpiestrom.
-
2 zeigt
eine Darstellung wie in 1 für ein erfindungsgemäßes
System.
-
3 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Systems.
-
4 zeigt
eine erste Variante eines Wärmetauschers im Verdampfungsbereich
des Arbeitsmittels.
-
5 zeigt
eine zweite Variante eines Wärmetauschers im Verdampfungsbereich
des Arbeitsmittels.
-
Ganz
allgemein sind in den Zeichnungen 1 bis 5 die
Ströme des Arbeitsmittels des Rankine-Kreislaufs mit durchgezogenen
Linien und Abgasströme mit unterbrochenen Linien dargestellt.
-
1 und 2 veranschaulichen
zunächst das Konzept der Erfindung unter thermodynamischen
Aspekten. 1 zeigt dabei eine herkömmliche
Gegenüberstellung der Enthalpieströme von Arbeitsmittel
und Temperatur, also zum Beispiel im Fall eines einzelnen Wärmetauschers
und eines einzelnen Abgasstroms. In diesem Fall entspricht der Temperatur-Enthalpie-Verlauf
des Abgases im Wesentlichen einer Geraden, wobei sich in der Kurve
des Arbeitsmittels die drei Abschnitte Vorwärmung (flüssige Phase)
A, Verdampfung (Phasenumwandlung) B und Überhitzung (Dampf/Gasphase)
C finden.
-
Die
beiden Kurven zum Abgasstrom zeigen die Veränderung in
Richtung größerer Massenströme des Arbeitsmittels.
Es wird hieraus ersichtlich, dass der Beginn des Siedens des Arbeitsmittel,
vorliegend „Pinch Point” pp genannt, die Limitierung
für den maximalen Massenstrom des Arbeitsmittels darstellt, selbst
wenn die Abgas-Austrittstemperatur noch erheblich über über
der Eintrittstemperatur des Rankine-Mediums liegt. Somit ist eine
schlechte Ausnutzung der Wärmequelle gegeben. Zudem ist
für die Überwindung des Bereichs an und nach dem
Pich Point pp eine große Wärmeübertragungsfläche
erforderlich.
-
In 2 zeigt
die Kurve des Abgases einen zweifach geknickten und somit an die
Kurve des Arbeitsmittels deutlich angepassten Verlauf, wobei insbesondere
die Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Arbeitsmittel wesentlich
gleichmäßiger ist als in 1. Dies
wird vor allem dadurch erreicht, dass der Abgasstrom im Bereich
B der Verdampfung des Arbeitsmittels eine höhere gesamte
Wärmekapazität aufweist. Konkret wird dies durch
Nutzung der Wärme eines weiteren Abgas-Teilstroms realisiert,
wie aus nachfolgender Beschreibung des System gemäß 3 hervorgeht.
-
3 zeigt
ein erfindungsgemäßes System, bei dem die Abwärme
eines Verbrennungsmotors 1 genutzt wird, um über
einen Rankine-Kreislauf 2 in mechanische Energie umgesetzt
zu werden. Hierdurch kann die Gesamtenergiebilanz verbessert werden.
Der Rankine-Kreislauf ist besonders geeignet, zum Beispiel einen
elektrischen Generator anzutreiben.
-
Der
Rankine-Kreislauf, dessen Strömungsrichtung durch Pfeile
angedeutet ist, umfasst eine Pumpe 3, einen als Vorwärmer
ausgebildeten ersten Wärmetauscher 4, einen als
Verdampfer ausgebildeten zweiten Wärmetauscher 5 und
einen als Überhitzer ausgebildeten dritten Wärmetauscher 6.
Nach der Überhitzung tritt das Arbeitsmittel des Kreislaufs, zum
Beispiel Wasser, in einen Expander 7 ein, in dem die mechanische
Arbeit verrichtet wird. Nach dem Expander 7 durchläuft
das Arbeitsmittel einen Kondensator 8, in dem es kondensiert
um dann wieder zu der Pumpe 3 zu strömen.
-
Die
Wärmetauscher 4, 5, 6 sind jeweils
an ein Abgassystem 9 des Verbrennungsmotors 1 gekoppelt.
Das Abgassystem 9 umfasst einen gesamten den Verbrennungsmotor
verlassenden Abgasstrom 10, der in einem Abzweig 11 in
einen insbesondere seiner Größe nach regelbaren
rückgeführten Abgasstrom 12 und einen
Restabgasstrom 13 verzweigt.
-
Der
rückgeführte Abgasstrom druchströmt zunächst
den Überhitzer 6, dann den Verdampfer 5 und
nachfolgend den Vorwärmer 4, wobei jeweils Wärme
an das Arbeitsmittel abgegeben wird. Entsprechend der Reihenfolge
dieser Stufen ist der rückgeführte Abgasstrom
im Gegenstrom an das Arbeitsmittel angekoppelt. zweckmäßig
erfolgt auch innerhalb der Wärmetauscher die Ankopplung
im Gegenstromverfahren.
-
Nach
den Wärmetauschern 4, 5, 6 wird
der gekühlte rückgeführte Abgasstrom
der Ladeluft des Verbrennungsmotors 1 zugeführt,
wodurch sich zum Beispiel insbesondere bei Dieselmotoren eine Schadstoffreduzierung
erzielen lässt.
-
Der
Restabgasstrom 13 durchströmt nach dem Abzweig 11 zunächst
einen Abgas-Ladeluftverdichter 14, vorliegend nach Art
eines Abgas-Turboladers, wodurch bereits eine erste Expansion und
Abkühlung des Restabgasstroms 13 erfolgt.
-
Nach
dem Turbolader 14 wird der Restabgasstrom separat von dem
rückgeführten Abgasstrom 12, aber ebenfalls
unter thermischer Ankopplung durch den Verdampfer 5 geführt.
Hierdurch steht eine größere Wärmekapazität
zur Verdampfung des Arbeitsmittels zur Verfügung.
-
Um
eine zu starke Abkühlung des Restabgasstroms 13,
etwa mit der Folge einer Taupunktsunterschreitung, zu vermeiden,
ist der Restabgasstrom 13 insbesondere nicht durch den Überhitzer 6 und nicht
durch den Vorwärmer 4 geführt.
-
Grundsätzlich
können die Wärmetauscher 4, 5, 6 separat
ausgebildet sein oder zwei der Wärmetauscher 4, 5, 6 oder
auch alle drei Wärmetauscher können als baulich
integrierte Einheit ausgebildet sein. Für Ausführungsformen
wäre zum Beispiel eine Sandwich-Bauweise denkbar, wobei
Kanäle für das Rankine-Medium und abgasführende
Kanäle einander abwechseln.
-
4 zeigt
eine erste mögliche Ausgestaltung des Verdampfers 5,
bei der die beiden Abgasteilströme 12, 13 getrennt
voneinander durch den gleichen Wärmetauscher geführt
sind. Regelmäßig liegt hierbei eine feste Verteilung
des Arbeitsmittels auf die beiden Abgasteilströme vor.
-
Bei
der Ausführungsform nach 5 ist der Verdampfer
zumindest funktionell in einen ersten Abschnitt 5a, der
von dem rückgeführten Abgasstrom 12 durchströmt
wird, und einen zweiten Abschnitt 5b, der von dem Restabgasstrom 13 durchströmt
wird. Das Arbeitsmittel wird von einem stellbaren Abzweig in Form
eines regelbaren Drei-Wege-Ventils 15 auf die beiden Wärmetauscherabschnitte 5a, 5b verteilt. Hierdurch
kann je nach Betriebsbedingungen ein optimaler Wärmetausch
sichergestellt werden.
-
Nachfolgend
werden Daten für ein simuliertes erfindungsgemäßes
System im Vergleich zu einem System nach dem Stand der Technik verglichen: Betriebspunkt
(Nutzfahrzeug der zukünftigen Euro 6-Norm:
- – mittlere Drehzahl, mäßige Last
- – Abgastemperatur nach Verbrennungsmotor: 418°C
- – gesamter Abgasmassenstrom: 361 g/s
- – Rate rückgeführten Abgases: 32%
- – Restabgastemperatur nach Turbolader unter Annahme
realistischer Wärmeverluste: 288°C
-
Es
wird bei den Simulationen darauf geachtet, dass der Flüssigkeitsanteil
des Arbeitsmittels bei Eintritt in den Expander null beträgt
und maximal 0,1 (10%) bei Expanderaustritt.
-
System
nach dem Stand der Technik (nur ein Wärmetauscher, beide
Abgasteilströme sind thermisch an Vorwärmung,
Verdampfung und Überhitzung gekoppelt):
Technische
Leistung Expander (isentroper Wirkungsgrad = 0,7): 8,5 kW
Temperatur
des rückgeführten Abgasteilstromes nach der Kühlung
(Wärme nur zu Gunsten des Rankine-Cycle, zusätzliche
Wärme wird nicht abgeführt): 190°C
Temperatur
Restabgas nach Wärmeabgabe an den Kreislauf: 237°C
Kondensationstemperatur:
83°C
-
System
gemäß der Erfindung (siehe 3):
Technische
Leistung Expander (isentroper Wirkungsgrad = 0,7): 8,8 kW
Temperatur
des rückgeführten Abgasteilstromes 12 nach
der Kühlung (Wärme nur zu Gunsten des Rankine-Cycle,
zusätzliche Wärme wird nicht abgeführt): 156°C
Temperatur
Restabgas nach Wärmeabgabe an den Kreislauf: 250°C
Kondensationstemperatur:
80°C
-
Zusammenfassend
kann festgestellt werden, dass der AGR-Kühler (als Funktionseinheit)
im erfindungsgemäßen System bei vergleichbarer
Leistungsausbeute des Rankine-Kreislaufs im Beispiel etwa 4 kW zusätzliche
Wärme abführt. Dementsprechend reduziert sich
die Leistungsaufnahme aus dem Restabgas.
-
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
-