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Die
Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschinenanordnung für
ein Fahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine und mit einem
geschlossenen Fluidkreislauf, mittels welchem Abwärme der Verbrennungskraftmaschine
in mechanische Energie wandelbar ist. Der Fluidkreislauf umfasst
hierbei einen Kühler zum Kühlen eines Arbeitsfluids,
eine Pumpeinrichtung zum Fördern des Arbeitsfluids zu einem
mit Abwärme der Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbaren
Wärmetauscher und eine stromabwärts des Wärmetausches
angeordnete Expansionseinrichtung zum Entspannen des Arbeitsfluids. Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer
solchen Fluidenergiemaschinenanordnung.
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Mit
zunehmender Verteuerung von Kraftstoffen werden weitere Aufwendungen
zur Kraftstoffeinsparung auch an Verbrennungskraftmaschinen als sinnvoll
erachtet. Bei der Verbrennungskraftmaschine strömt ein
hoher Wärmeanteil mit dem Abgas über das Auspuffsystem
in ungenutzter Weise in die Umgebung. Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist
daher durch Umsetzung von Wärmeenergie der Verbrennungskraftmaschine
in eine nutzbare Energieform möglich.
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Die
DE 10 2007 057 164
A1 beschreibt eine Fluidenergiemaschinenanordnung für
ein Kraftfahrzeug, welche einen Verbrennungsmotor umfasst. Ein geschlossener
Fluidkreislauf, in welchem Abwärme des Verbrennungsmotors
auf ein organisches Arbeitsfluid übertragbar ist, dient
einem Wandeln der Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie
in einem Rankine-Kreisprozess. Hierbei umfasst der geschlossene
Fluidkreislauf einen Kondensator zum Verflüssigen des organischen
Arbeitsfluids und eine Speisepumpe zum Fördern des verflüssigten
Arbeitsfluids zu zwei hintereinander geschalteten Wärmetauschern.
Der erste Wärmetauscher dient zum Verdampfen des Arbeitsfluids
und nutzt Abwärme aus einem Kühlmittelkreislauf
des Verbrennungsmotors, der zweite Wärmetauscher dient
einem Überhitzen des Arbeitsfluids und nutzt Abwärme
des Abgases des Verbrennungsmotors. An einem Spiralexpander erfolgt
ein Entspannen des überhitzten Arbeitsfluids und hierbei
das Umwandeln der Energie des Arbeitsfluids in mechanische Energie.
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Die
WO 2007/014942 A2 beschreibt
eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei welchem Abwärme
der Verbrennungskraftmaschine in einem Rankine-Kreisprozess zum
Gewinnen von mechanischer Energie genutzt wird. Als Arbeitsfiuid
kommt eine Wasser-Ammoniak-Lösung zum Einsatz, welche beim
Betreiben des Fluidkreislaufs an einer Eintrittsseite einer zum
Entspannen des Arbeitsfluids dienenden Turbine einen Eintrittsdruck
von 15 bar aufweist. An der Turbine wird die verdampfte und überhitzte
Wasser-Ammoniak-Lösung auf 2 bar entspannt und anschließend
in einem Kühler gekühlt, von wo aus sie mit einer
Pumpe wieder auf das erhöhte Druckniveau von 15 bar gebracht
wird.
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Die
DE 10 2006 040 857
A1 beschreibt ein Antriebssystem eines Schiffs, wobei Abwärme
eines Dieselmotors des Schiffs in einem geschlossenen Wasser-Dampfkreislauf
an einer Turbine zum Umsetzen in mechanische Energie genutzt wird.
Die mechanische Energie wird in dem Rankine-Kreisprozess in elektrische
Energie umgewandelt und elektrischen Verbrauchern zugeführt.
Da die Turbine des Wasser-Dampfkreislaufs auf einen Druck von 10
bar ausgelegt ist, wird ein Eintrittsdruck an der Turbine auf Werte
zwischen 6 bar und 9,5 bar geregelt.
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Als
nachteilig bei derartigen Fluidenergiemaschinenanordnungen ist der
Umstand anzusehen, dass die Expansionseinrichtung des geschlossenen Fluidkreislaufs
einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad aufweist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Fluidenergiemaschinenanordnung
bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche
bzw. welches einen erhöhten Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung
mit sich bringt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Fluidenergiemaschinenanordnung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1, und durch ein Verfahren nach Patenanspruch
15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Fluidenergiemaschinenanordnung
für ein Fahrzeug umfasst eine Verbrennungskraftmaschine
und einen geschlossenen Fluidkreislauf zum Wandeln von Abwärme
der Verbrennungskraftmaschine in mechanische Energie mittels eines
Rankine-Kreisprozesses. Der Fluidkreislauf umfasst einen Kühler
zum Kühlen eines Arbeitsfluids, eine Pumpeinrichtung zum
Fördern des Arbeitsfluids zu einem mit Abwärme
der Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbaren Wärmetauscher
und eine stromabwärts des Wärmetauschers angeordnete
Expansionseinrichtung zum Entspannen des Arbeitsfluids. Hierbei
weist die Expansionseinrichtung einen effektiven Querschnitt auf,
welcher mit einem Eintrittsdruck des Arbeitsfluids von weniger als
5 bar korreliert. Der engste effektive Querschnitt ist hierbei ein
Kennwert der Expansionseinrichtung, welcher die Durchströmbarkeit
der Expansionseinrichtung durch das Arbeitsfluid beschreibt. Die
tatsächliche Durchströmbarkeit der Expansionseinrichtung
kann im Falle einer Turbine als Expansionseinrichtung von einem
Durchmesser im Übertrittsbereich des strömenden
Mediums auf die Turbinenschaufeln bestimmt sein und/oder von den Abmessungen
eines Leitgitters und/oder von Strömungsquerschnitten in
den Radkanälen zwischen den Turbinenschaufeln. Ist die
Expansionseinrichtung als Kolbenmaschine, als Schraubenmaschine oder
als Spiralexpander ausgebildet, so beschreibt auch hier der engste
effektive Querschnitt die Durchströmbarkeit der Expansionseinrichtung
in analoger Weise.
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Je
größer der engste effektive Querschnitt der Expansionseinrichtung
ist, desto geringer ist der Eintrittsdruck an der Expansionseinrichtung,
welcher sich bei einem gegebenen Massenstrom und einer gegebenen
Temperatur des Arbeitsfluids durch die Expansionseinrichtung einstellt.
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Aufgrund
des Abwärmeangebots der Verbrennungskraftmaschine, welches
bei einem Fahrzeug naturgemäß begrenzt ist, ist
in dem geschlossenen Fluidkreislauf in der Regel lediglich ein vergleichsweise
geringer Massenstrom des Arbeitsfluids thermodynamisch sinnvoll
verwertbar.
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Um
nun bei diesem gegebenen, geringen Massenstrom des Arbeitsfluids
einen hohen Eintrittsdruck von mehr als 5 bar, beispielsweise eines
Eintrittsdruck von 20 bis 40 bar, zu erhalten ist es aus dem Stand
der Technik bekannt, einen sehr geringen engsten effektiven Querschnitt
der Expansionseinrichtung vorzusehen. Ein solcher geringer engster
effektiver Querschnitt bringt jedoch sehr hohe Strömungsverluste
mit sich, welche zu einem sehr geringen Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung
führen. Die von der Kreisprozessberechnung als vorteilhaft
erscheinenden hohen Eintrittsdrücke von deutlich mehr als
5 bar, insbesondere von 20 bis 40 bar, des Arbeitsfluids an der
Expansionseinrichtung gehen also mit so extrem geringen effektiven
Querschnitten der Expansionseinrichtung einher, dass diese aufgrund
von Strömungsverlusten keinen zufriedenstellenden Wirkungsgrad
der Expansionseinrichtung ermöglichen.
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Demgegenüber
ist bei der vorliegend beschriebenen Expansionseinrichtung, bei
welcher der dem Arbeitsfluid zur Verfügung stehende effektive Querschnitt
mit einem Eintrittsdruck des Arbeitsfluids von weniger als 5 bar
korreliert, ein hoher Wirkungsgrad erreichbar, da ein entsprechend
vergrößerter Strömungsquerschnitt von
vergleichsweise geringen Strömungsverlusten begleitet ist.
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Das
Abgas der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs kann im Volllastbereich
eine Temperatur von über 500°C aufweisen, wenn
es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um eine aufgeladene selbstzündende
Verbrennungskraftmaschine handelt. Bei einer als Ottomotor ausgebildeten
Verbrennungsmaschine des Fahrzeugs können im Bereich der
Nennleistung Abgastemperaturen von über 900°C
auftreten.
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Sofern
also das Abgas der Verbrennungskraftmaschine als Wärmequelle
für den geschlossenen Fluidkreislauf dient, kann eingangsseitig
der Expansionseinrichtung das Arbeitsfluid mit einer vergleichsweise
hohen Temperatur vorliegen, bei der Nutzung der Abwärme
der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine beispielsweise
mit einer Temperatur von rund 300°C. Bei einer solchen
Temperatur des Arbeitsfluids und einem Massenstrom von beispielsweise
0,02 kg/s des Arbeitsfluids erlaubt es ein Eintrittsdruck des Arbeitsfluids
eingangsseitig der Expansionseinrichtung von weniger als 5 bar,
einen effektiven Querschnitt der Expansionseinrichtung vorzusehen,
welcher mit einem verbesserten Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung
einhergeht.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung korreliert der effektive
Querschnitt mit einem Eintrittsdruck des Arbeitsfluids von weniger
als 2 bar bis weniger als 1 bar, insbesondere von weniger als 2
bar bis 0,8 bar. Bei einem derartig geringen Eintrittsdruck des
Arbeitsfluids ist ein besonders zufriedenstellender Wirkungsgrad
der Expansionseinrichtung erreichbar, da ein vergleichsweise großer
engster effektiver Querschnitt der Expansionseinrichtung vorgesehen
werden kann.
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Dies
gilt insbesondere wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung die Expansionseinrichtung dazu ausgelegt
ist, das Arbeitsfluid auf einen Austrittsdruck zu entspannen, welcher
geringer ist als der atmosphärische Druck. Wenn also das
Arbeitsfluid in dem geschlossenen Fluidkreislauf weitgehend einen
Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks aufweist, sind
Wirkungsgrade der Expansionseinrichtung von mehr als 50%, insbesondere
Wirkungsgrade von mehr als 60%, bei besonders günstiger
Auslegung sogar von über 70% erreichbar.
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Bei
der Expansionseinrichtung handelt es sich bevorzugt um eine beim
Betreiben des Fluidkreislaufs kontinuierlich von dem Arbeitsfluid
durchströmte Fluidenergiemaschine, etwa eine Turbine oder
einen Spiralexpander.
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Vorliegend
umfasst die Expansionseinrichtung bevorzugt wenigstens eine Turbine,
insbesondere wenigstens eine Varioturbine. Die Varioturbine ermöglicht
ein Anpassen der Turbinengeometrie über die Variation des
engsten Strömungsquerschnitts des geschlossenen Systems
an unterschiedliche Betriebsbedingungen des Fluidkreislaufs, so
dass bei diesen unterschiedlichen Betriebsbedingungen jeweils ein
in Bezug auf den Wirkungsgrad optimiertes Umwandeln von Wärmeenergie
in mechanische Energie mittels der Varioturbine ermöglicht
ist. Die unterschiedlichen Betriebsbedingungen berücksichtigen
hierbei variierende Wärmeangebote der Verbrennungskraftmaschine
infolge eines Betreibens der Verbrennungskraftmaschine mit unterschiedlichen
Lasten.
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Insbesondere
wenn die Expansionseinrichtung als Turbine ausgebildet ist, werden
die Vorteile des geringen Eintrittsdrucks des Arbeitsfluids an der Turbine
besonders deutlich. Soll bei der Turbine als Expansionseinrichtung
bei einem Massendurchsatz des Arbeitsfluids von 0,02 kg/s und einer
eintrittsseitigen Temperatur von 300°C ein Eintrittsdruck
von 40 bar eingestellt werden und das Arbeitsfluid, etwa Wasserdampf,
austrittsseitig der Turbine den atmosphärischen Druck aufweisen,
so ergibt sich ein effektiver Querschnitt der Turbine von lediglich
3 mm2. Ein derartig kleiner Strömungsquerschnitt
in den Düsen- wie auch Radkanälen führt
zu derartig hohen Strömungsverlusten, dass die Turbine
einen Wirkungsgrad von weniger als 20% aufweist. Darüber
hinaus ist ein derartig geringer Strömungsquerschnitt wie
die beispielhaft angegebenen 3 mm2 nicht
mit einem großen Turbinenraddurchmesser vereinbar, welcher
basierend auf der Euler'schen Turbinengleichung eine Umfangsgeschwindigkeit
von mehr als 500 m/s zulassen würde.
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Bei
gleichem Massenstrom des Arbeitsfluids durch den Fluidkreislauf
von 0,02 kg/s und einer Eintrittstemperatur des Arbeitsfluids von
300°C würde hingegen ein Eintrittsdruck des Arbeitsfluids
von 1 bar das Vorsehen eines effektiven Querschnitts von 120 mm2 ermöglichen, wodurch eine wirkungsgradoptimierte
Auslegung der Turbine deutlich leichter zu bewerkstelligen ist.
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Bei
den oben beispielhaft angegebenen Werten des Massenstroms des Arbeitsfluids
von 0,02 kg/s, der Temperatur des Arbeitsfluids von 300°C bzw.
573 K und dem Eintrittsdruck des Arbeitsfluids von 1 bar ergibt
sich ein Durchsatzparameter Φ mit Φ =
m√TP–1 von Φ = 0,478 kg·s–1·K1/2·bar–1,wobei
m = Massenstrom des Arbeitsfluids in [kg/s], T = Temperatur des
Arbeitsfluids in [K] und P = Eintrittsdruck des Arbeitsfluids in
[bar] gilt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher die Expansionseinrichtung,
insbesondere die Turbine, durch einen Durchsatzparameter Φ charakterisiert,
welcher größer ist als 0,01 kg·s–1·K1/2·bar–1, insbesondere durch einen Durchsatzparameter
von 0,2 bis 1 kg·s–1·K1/2·bar–1.
Ein derartiger, vergleichsweise großer Durchsatzparameter Φ erlaubt
ein wirkungsgradoptimiertes geometrisches Auslegen der Expansionseinrichtung,
insbesondere der Turbine.
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Als
weiter vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn der, insbesondere zum
Aufnehmen von Wärme aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine
ausgebildete, Wärmetauscher einen Verdampfer und einen Überhitzer
zum Überhitzen des Arbeitsfluids umfasst. Ein solcher Verdampfer
und ein solcher Überhitzer können vorteilhaft
in einer Baugruppe ausgebildet und so besonders bauraumsparend in
das Fahrzeug integrierbar sein. Insbesondere wenn Wasser als Arbeitsfluid
zum Einsatz kommen soll, was zum wirkungsvollen Nutzen der hohen
Abgastemperaturen des Dieselmotors oder des Ottomotors des Fahrzeugs
besonders sinnvoll ist, ist der Wärmetauscher vorliegend
so angeordnet, dass er ein Aufnehmen von Abwärme der Verbrennungskraftmaschine über das
Abgas ermöglicht.
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Alternativ
kann ein wasserhaltiges Arbeitsfluid oder ein organisches Arbeitsfluid
zum Einsatz kommen. Bei Einsatz von Wasser ist dieses in vorteilhafter
Weise entgast und von sonstigen schädlichen Bestandteilen
gereinigt, welche andernfalls korrosiv wirken bzw. zu Ausfällungen
führen könnten. Dies ist insbesondere von Bedeutung
das Ausfällungen die Durchströmbarkeit des Fluidkreislaufs
verändern würden und auch Einfluss auf die Druckverhältnisse des
Arbeitsfluids haben.
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Hierbei
ist es vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher stromabwärts
einer Abgasbehandlungseinrichtung an dem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine
angeordnet ist. So kann nämlich des unmittelbar stromabwärts
der Verbrennungskraftmaschine besonders heiße Abgas zunächst
dafür sorgen, die Abgasbehandlungseinrichtung auf ihre
Betriebstemperatur zu bringen. Die dann noch vorhandene Wärme
des Abgases ist dann auf den Wärmetauscher des geschlossenen
Fluidkreislaufs übertragbar.
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Als
weiter vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn die Expansionseinrichtung
mit einem Generator zum Umsetzen der mechanischen Energie in elektrische Energie
gekoppelt ist. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine als Lieferant
von elektrischer Energie entlastet werden, so dass ein verringerter Kraftstoffverbrauch
des Fahrzeugs erreichbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Expansionseinrichtung zum mehrstufigen Entspannen des Arbeitsfluids
ausgelegt. Beispielsweise kann als Expansionseinrichtung eine mehrstufige
Turbine zum Einsatz kommen, beispielsweise in Form von zwei seriell
durchströmbaren Radialturbinen, welche an einer gemeinsamen
Welle festgelegt sind. Eine derartige Expansionseinrichtung ist über
einen breiten Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine und einem
damit einhergehenden breiten Temperaturprofil der Abwärme
der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere des Abgases der Verbrennungskraftmaschine,
einsetzbar.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich hierbei gezeigt, wenn der Fluidkreislauf
wenigstens einen Zwischenüberhitzer aufweist, mittels welchem
das an einer ersten Entspannungsstufe der Expansionseinrichtung
entspannte Arbeitsfluid vor einem Beaufschlagen einer zweiten Entspannungsstufe
der Expansionseinrichtung überhitzbar ist. Eine solche
Zwischenüberhitzung erhöht den Wirkungsgrad der
Expansionseinrichtung weiter.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Zwischenüberhitzer
mit einer Abgasrückführeinrichtung der Verbrennungskraftmaschine
gekoppelt, wobei beim Durchströmtwerden des Zwischenüberhitzers
Wärme aus rückgeführtem Abgas der Verbrennungskraftmaschine
auf das Arbeitsfluid übertragbar ist. Da in der Abgasrückführeinrichtung
das Abgas eine besonders hohe Temperatur aufweist, ist das Übertragen
von Wärme aus dem rückgeführten Abgas
auf den Zwischenüberhitzer an dieser Stelle besonders günstig,
da hier ein hohes Wärmenutzungspotenzial vorliegt. Dies
gilt insbesondere bei einem vergleichsweise großen Massenstrom
des Abgases durch die Abgasrückführeinrichtung,
etwa bei einer Abgasrückführrate von 30% oder
mehr.
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Der
Zwischenüberhitzer kann insbesondere stromaufwärts
eines Abgasrückführungskühlers der Abgasrückführeinrichtung
angeordnet sein. Dadurch dient der Zwischenüberhitzer nicht
nur zum energetischen Nutzen der Wärme des rückgeführten
Abgases, sondern auch einer Entlastung des Abgasrückführungskühlers,
welcher so kleiner ausgelegt werden kann.
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Von
Vorteil ist es weiterhin, wenn die Pumpeinrichtung zum Fördern
des Arbeitsfluids so regelbar ist, dass sie ein Fördern
eines veränderbaren Massenstroms des Arbeitsfluids ermöglicht.
So können durch Verändern des Massenstroms des
Arbeitsfluids die Leistung und der Wirkungsgrad des Fluidkreislaufs
an den jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine und
somit an das Wärmeangebot der Verbrennungskraftmaschine
angepasst werden.
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Beispielsweise
kann bei in Teillast betriebener Verbrennungskraftmaschine, wenn
also die von der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere über das
Abgas zur Verfügung gestellte Abwärme vergleichsweise
gering ist, ein geringerer Massenstrom des Arbeitsfluids mittels
der Pumpeinrichtung gefördert werden, als bei einem Volllastbetrieb
der Verbrennungskraftmaschine. Das Verbessern der Energieumsetzung
mittels des Fluidskreislaufs in dem Rankine-Kreisprozess kann hierbei
insbesondere durch Variation der Turbinengeometrie zusätzlich günstig
beeinflusst werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Fluidkreislauf mit einer weiteren Pumpeinrichtung gekoppelt, mittels
welcher stromabwärts der Expansionseinrichtung, insbesondere
im Bereich des Kühlers, ein geringerer Druck als der atmosphärische
Druck einstellbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es
zum Aufrechterhalten eines Unterdrucks stromabwärts der
Expansionseinrichtung auch bei weitgehend druckdichter Auslegung
des Fluidkreislaufs zu Leckagen kommen kann. Solche Leckageverluste
sind durch ein Inbetriebnehmen der weiteren Pumpeinrichtung kompensierbar. Die
weitere Pumpeinrichtung kann insbesondere dann in Betrieb genommen
werden, wenn der Druck stromabwärts der Expansionseinrichtung,
insbesondere der Druck im Bereich des Kühlers, einen Soll-Unterdruck überschreitet.
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Schließlich
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn mittels der weiteren Pumpeinrichtung
ein Druck von weniger als 0,25 bar, insbesondere ein Druck von weniger
0,05 bar, einstellbar ist. Bei einem derartigen Auslegungsdruck,
insbesondere des Kühlers, ist in dem Fluidkreislauf der
Rankine-Kreisprozess mit einem besonders guten Wirkungsgrad zu durchlaufen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidenergiemaschinenanordnung
für ein Fahrzeug, bei welchem in einem geschlossenen Fluidkreislauf
Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs in
mechanische Energie gewandelt wird. Hierbei wird in dem Fluidkreislauf
ein Arbeitsfluid mittels eines Kühlers gekühlt
und das gekühlte Arbeitsfluid mit mittels einer Pumpeinrichtung
zu einem Wärmetauscher gefördert. Das Arbeitsfluid
wird in dem Wärmetauscher mit Abwärme der Verbrennungskraftmaschine
beaufschlagt und mittels einer stromabwärts des Wärmetauscher
angeordneten Expansionseinrichtung entspannt. Hierbei wird ein effektiver
Querschnitt der Expansionseinrichtung mit einem Eintrittsdruck des
Arbeitsfluids von weniger als 5 bar durchströmt. Bei einem
solchen Absolutdruck des Arbeitsfluids eintrittsseitig der Expansionseinrichtung
wird die Expansionseinrichtung mit einem besonders hohen Wirkungsgrad
betrieben.
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Die
für die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschinenanordnung
beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile
gelten auch für das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betreiben einer Fluidenergiemaschinenanordnung.
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Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder
in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen
sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Fluidenergiemaschinenanordnung eines Fahrzeugs mit einer aufgeladenen
Verbrennungskraftmaschine und einem geschlossenen Fluidkreislauf
zum Wandeln von Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in
elektrische Energie;
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2 einen
Rankine-Kreisprozess mit Wasser als in dem Fluidkreislauf gemäß 1 eingesetztem
Arbeitsfluid in einem Temperatur-Entropie-Diagramm;
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3 einen
Ausschnitt der Fluidenergiemaschinenanordnung gemäß 1,
wobei der Fluidkreislauf eine zweistufige Turbine als Expansionseinrichtung
aufweist, und wobei eine Vakuumpumpe zum Aufrechterhalten eines
Unterdrucks in einem Kondensator des Fluidkreislauf vorgesehen ist;
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4 eine
weitere Ausführungsform einer Fluidenergiemaschinenanordnung,
bei welcher zwischen zwei Entspannungsstufen der Expansionseinrichtung
ein Zwischenüberhitzer angeordnet ist;
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5 einen
Rankine-Kreisprozess mit Zwischenüberhitzung und mit Wasser
als Arbeitsfluid in einem Temperatur-Entropie-Diagramm; und
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6 eine
spezifische Anordnungsmöglichkeit des Zwischenüberhitzers
gemäß 4 an einer Abgasrückführeinrichtung
der Verbrennungskraftmaschine.
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Eine
Fluidenergiemaschinenanordnung 10 eines Fahrzeugs umfasst
gemäß 1 eine aufgeladene Verbrennungskraftmaschine 12 mit
vorliegend beispielhaft gezeigten sechs Zylindern 14. In
einem Abgasstrang 16 der Verbrennungskraftmaschine 12 ist
ein Abgasturbolader 18 angeordnet, welcher in bekannter
Weise eine Turbine 20, vorliegend mit variabeler Turbinengeometrie,
und einen mit der Turbine 20 über eine Welle 22 verbundenen
Verdichter 24 zum verdichten von Zuluft für die
Verbrennungskraftmaschine 12 umfasst. Stromabwärts
der Turbine 20 strömt beim Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 12 erzeugtes
Abgas durch eine vorliegend lediglich schematisch gezeigte Abgasnachbehandlungseinrichtung 26.
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Mit
dem die Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 umfassenden
Abgasstrang 16 der Verbrennungskraftmaschine 12 ist
ein geschlossener Wasser-Dampfkreislauf 28 als Beispiel
für einen geschlossenen Fluidkreislauf gekoppelt. Wasser
als Arbeitsfluid dient in dem geschlossenen Wasser-Dampfkreislauf 28 zum
Umsetzen von Wärmeenergie des Abgases in mechanische Energie
in einem Rankine-Kreisprozess.
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Mittels
eines Wärmetauschers 30 ist in dem Abgas vorhandene
Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 12 auf das
Arbeitsfluid in dem Wasser-Dampfkreislauf 28 übertragbar,
wobei der Wasser-Dampfkreislauf 28 die auf das Arbeitsfluid übertragene
Wärme als elektrische Energie nutzbar macht. Der Wasser-Dampfkreislauf 28 umfasst
eine Speisepumpe 32, mittels welcher flüssiges
Wasser dem Wärmetauscher 30 zuführbar
ist. In einem Verdampfer 34 des Wärmetauschers 30 erfolgt
ein Verdampfen des flüssigen Wassers, und in einem stromabwärts
des Verdampfers 34 angeordneten Überhitzer 36 ein Überhitzen
des Wasserdampfs.
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Das
zu verdampfende und anschließend zu überhitzende
Wasser durchströmt den Wärmetauscher 30 gegenstromig
zu der Strömungsrichtung des Abgases in dem Abgasstrang 16.
Dadurch ist eine besonders gute Nutzung der durch das Abgas bereitgestellten
Wärmemenge gegeben.
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Der überhitzte
Wasserdampf wird an einer Dampfturbine 38 des Wasser-Dampfkreislaufs 28 entspannt,
wobei die Energie des überhitzten Dampfs in mechanische
Energie der Dampfturbine 38 umgesetzt wird. Die Dampfturbine 38 ist über
eine Welle 40 mit einem Generator 42 gekoppelt,
mittels welchem die mechanische Energie der Dampfturbine 38 in
elektrische Energie wandelbar ist.
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Die
Dampfturbine 38 ist vorliegend als Vario-Dampfturbine ausgebildet,
so dass die Turbinengeometrie an unterschiedliche Betriebszustände
der Verbrennungskraftmaschine 12 und somit an unterschiedlich
große Wärmeangebote des Abgassystems anpassbar
ist. Der mittels der Dampfturbine 38 entspannte Dampf wird
in einem Kondensator 44 des Wasser-Dampfkreislaufs 28 verflüssigt
und ist dann wieder mittels der Speisepumpe 32 ansaugbar.
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Die
mittels des Wasser-Dampfkreislaufs 28 dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 entzogene
Energie wird als elektrische Energie einem Energiespeicher 46 und/oder
einem Verbraucher 48 zugeführt. Für das
entsprechende Energiemanagement sorgt eine elektronische Steuereinrichtung 50.
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Weitere
Komponenten der Fluidenergiemaschinenanordnung 10 umfassen
einen stromaufwärts des Verdichters 24 des Abgasturboladers 18 angeordneten Luftmassenstrommesser 52,
einen Ladeluftkühler 54 sowie eine stromabwärts
des Ladeluftkühlers 54 in einen Luftzufuhrtrakt 56 der
Verbrennungskraftmaschine 12 einmündende Abgasrückführleitung 58.
Stromabwärts eines Abgasrückführungsventils
ist in der Abgasrückführleitung 58 ein Abgasrückführungskühler 60 angeordnet.
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Eine
Regelungseinrichtung 62 ist zum Ansteuern der Turbine 20 des
Abgasturboladers 18 ausgelegt, so dass deren variable Turbinengeometrie
an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 12 anpassbar
ist. Die Regelungseinrichtung 62 beeinflusst in analoger
Weise die Geometrie der Dampfturbine 38 sowie eine Drehzahl
der Speisepumpe 32. Die Regelungseinrichtung 62 ist hierbei
dazu ausgelegt, Informationen über Betriebsparameter im
Luftzufuhrtrakt 56 sowie im Abgasstrang 16 und
Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 12 zu verarbeiten.
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Der
in dem Wasser-Dampfkreislauf 28 der Fluidenergiemaschinenanordnung 10 gemäß 1 ablaufende
Kreisprozess, bei welchem es sich um einen Rankine-Kreisprozess
handelt, ist in einem Temperatur-Entropie-Diagramm 64 in 2 veranschaulicht.
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Hierbei
ist die Entropie auf einer Abszisse 66 und die Temperatur
in K auf einer Ordinate 68 aufgetragen. Bei dem im Uhrzeigersinn
durchlaufenen Kreisprozess liegt der überhitzte Wasserdampf
eingangseitig der Dampfturbine 38 beispielsweise mit einer
Temperatur T von 575 K und einem Eintrittdruck P von 1 bar vor.
Dieser Zustand ist in dem Temperatur-Entropie-Diagramm 64 durch
einen Punkt 70 gekennzeichnet.
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An
der Dampfturbine 38 erfolgt eine isentrope Entspannung
des überhitzten Wasserdampfs auf einen Austrittsdruck von
0,1 bar und eine Temperatur von 340 K. Dieser Zustand des entspannten
Wasserdampfs ist durch einen sich auf der 0,1-bar-Isobare 72 befindenden
Punkt 74 des Kreisprozesses veranschaulicht.
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Entlang
der Isobare 72 erfolgt eine Verflüssigung des
Wasserdampfs mittels des Kondensators 44, wobei mit dem
Durchlaufen des Nassdampfgebiets 76 von rechts nach links
zunehmend mehr flüssiges Wasser vorliegt, bis bei einem
Punkt 78 das Arbeitsfluid vollständig als flüssiges
Wasser vorliegt.
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Das
flüssige Wasser mit einem Druck von 0,1 bar wird mittels
der Speisepumpe 32 auf einen Druck von 1 bar gebracht und
zu dem Verdampfer 34 gefördert. Eingangsseitig
des Verdampfers 34 liegt das Wasser also in einem Zustand
vor, welcher in dem Kreisprozess durch einen Punkt 80 auf
der 1,0-bar-Isobare 82 gekennzeichnet ist.
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In
dem Verdampfer 34 erfolgt das Verdampfen des flüssigen
Wassers, also das Durchlaufen des Nassdampfgebiets 76 von
links nach rechts entlang der Isobare 82, bis an einer
Phasengrenze 84 das Arbeitsfluid als reiner Wasserdampf
vorliegt. Dieser Wasserdampf wird in dem Kreisprozess mittels des Überhitzers 36 entlang
der Isobare 82 auf den Zustand gebracht, welcher in dem
Temperatur-Entropie-Diagramm 64 durch den Punkt 70 gekennzeichnet
ist. Hier steht der überhitzte Wasserdampf dann eingangsseitig
der Dampfturbine 38 zur Expansion zur Verfügung.
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Entscheidend
für den hohen Wirkungsgrad der Dampfturbine 38 ist
es, dass der Eintrittsdruck an der Dampfturbine 38 vergleichsweise
gering ist, nämlich Werte im Bereich des atmosphärischen
Drucks aufweist. Besonders vorteilhaft sind hier Eintrittsdrücke
zwischen 2 bar und 0,8 bar.
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An
der Dampfturbine 38 wird der Wasserdampf dann bevorzugt
auf einen Austrittsdruck unterhalb des atmosphärischen
Drucks, beispielsweise auf den in 2 gezeigten
Druck von 0,1 bar entspannt. Dadurch, dass der Kreisprozess also
zu einem großen Teil oder sogar vollständig mit
einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks durchlaufen
wird, sind besonders hohe Wirkungsgrade der Dampfturbine 38 erreichbar.
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Dies
liegt daran, dass bei den durch Übertragen von Wärme
aus dem Abgas auf das Wasser bzw. den Wasserdampf erreichbaren Temperaturen
eingangsseitig der Dampfturbine 38 und bei dem vergleichsweise
geringen Massenstrom durch die Dampfturbine 38 eine strömungstechnische
Auslegung der Dampfturbine 38 möglich ist, welche
besonders verlustarm ist und somit mit einem besonders hohen Wirkungsgrad
einhergeht. Dies ist dadurch ermöglicht, dass die Dampfturbine 38 einen
vergleichsweise großen, mit geringen Strömungsverlusten
einhergehenden engsten effektiven Querschnitt aufweist.
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3 zeigt
ausschnittsweise eine alternative Ausführungsform der Fluidenergiemaschinenanordnung 10,
deren nicht gezeigte Komponenten der Ausführungsform gemäß 1 entsprechen.
Hierbei ist zum Aufrechterhalten des Unterdrucks in dem Kondensator 44 eine
Vakuumpumpe 86 vorgesehen. In dem Kondensator 44 liegt
also das zunächst gasförmige und dann verflüssigte
Wasser mit einem besonders geringen Druck vor. Die Vakuumpumpe 86 kann beispielsweise
dafür sorgen, dass ein Soll-Kondensatordruck von weniger
als 0,25 bar durch Entfernen von eingedrungenen Leckagemassen oder
aus der Flüssigkeit gelösten Gasen eingehalten
wird.
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Insbesondere
bei der in 3 gezeigten mehrstufigen Dampfturbine 38 welche
als erste Entspannungsstufe eine erste Radialturbine 88 aufweist, ist
es vorteilhaft, die Vakuumpumpe 86 so auszulegen, dass
in dem Kondensator 44 ein Druck von weniger als 0,05 bar
aufrechtzuerhalten ist. Hierfür ist die Vakuumpumpe 86 von
Zeit zu Zeit in Betrieb zu nehmen.
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Ein
Turbinenaustritt 90 der ersten Radialturbine 88 ist
mit einem Turbineneintritt 92 einer zweiten Radialturbine 94 fluiddicht
gekoppelt. Die Radialturbinen 88, 94 sind auf
der gemeinsamen Welle 40 angeordnet sind. Das sich in dem
geschlossenen Wasser-Dampfkreislauf 28 befindende Wasser
ist entgast und von Bestandteilen befreit, welche andernfalls zu Ablagerungen
etwa in Form von Ausfällungen an Rohrleitungen und insbesondere
den Wärmetauscher 30, 44 führen
könnten.
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Die
in 4 gezeigte Fluidenergiemaschinenanordnung 10 weist
ebenfalls eine zum zweistufigen Entspannen ausgelegte Dampfturbine 38 auf,
jedoch ist zwischen der ersten Radialturbine 88 und der
zweiten Radialturbine 94 ein Zwischenüberhitzer 96 angeordnet.
Die übrigen Komponenten der Fluidenergiemaschinenanordnung 10 entsprechend
der Ausführungsform der 3.
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5 zeigt
den zugehörigen Rankine-Kreisprozess in dem Temperatur-Entropie-Diagramm 64. Nach
dem Durchlaufen des Punkts 70 und dem isentropen Entspannen
an der ersten Radialturbine 88 weist der Wasserdampf einen
Zustand auf, welcher durch einen Punkt 98 in dem Kreisprozess
gekennzeichnet ist. Zwischen den Punkten 70 und 98 erfolgt also
das erste isentrope Entspannen des Wasserdampfes.
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Mittels
des Zwischenüberhitzers 96 wird der Wasserdampf
anschließend erneut in einen überhitzten Zustand überführt,
welcher in dem Kreisprozess durch einen Punkt 100 veranschaulicht
ist. In diesem Zustand liegt der überhitzte Wasserdampf
eingangsseitig der zweiten Radialturbine 94 vor. An der
zweiten Radialturbine 94 erfolgt dann ein abermaliges isentropes
Entspannen des überhitzten Wasserdampfs, beispielsweise
auf den Unterdruck von 0,1 bar, welcher durch die 0,1-bar-Isobare 72 in
dem Temperatur-Entropie-Diagramm 64 veranschaulicht ist.
An dem Kondensator 44 liegt dann der entspannte Wasserdampf
in dem Zustand vor, welcher durch den Punkt 74 in 5 veranschaulicht
ist.
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6 zeigt
beispielhaft eine Möglichkeit der Anordnung des Zwischenüberhitzers 96 an
der Abgasrückführleitung 58. Hierbei
ist eine Eintrittsstelle 102 in den Zwischenüberhitzer 96 stromabwärts
der ersten Radialturbine 88 angeordnet, eine Austrittsstelle 104 des
Zwischenüberhitzers 96 hingegen an einer Eintrittsseite
der zweiten Radialturbine 94. Der Zwischenüberhitzer 96 wird
also gegenstromig zu einer Strömungsrichtung des Abgases
durch die Abgasrückführleitung 58 von
dem zu überhitzenden Wasserdampf durchströmt.
An der Austrittsstelle 104 steht der überhitzte
Wasserdampf dann zum erneuten Entspannen an der zweiten Radialturbine 94 zur Verfügung.
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Der
Zwischenüberhitzer 96 ist hierbei stromaufwärts
des Abgasrückführungskühlers 60 angeordnet,
so dass neben der energetischen Nutzung der Abwärme des
Abgases mittels des Zwischenüberhitzers 96 eine
Entlastung der mittels des Abgasrückführungskühlers 60 zu
bewerkstelligenden Kühlung des Abgases gegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007057164
A1 [0003]
- - WO 2007/014942 A2 [0004]
- - DE 102006040857 A1 [0005]