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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Abwärmenutzungsvorrichtung.
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Mit Hilfe einer Abwärmenutzungsvorrichtung kann in einem Kraftfahrzeug entstehende Abwärme, zum Beispiel in den Verbrennungsabgasen einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs, genutzt werden, um diese Abwärme in elektrische Energie oder in mechanische Antriebsenergie umzuwandeln. Hierdurch kann der energetische Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugs erheblich gesteigert werden, was letztlich zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führt.
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Eine derartige Abwärmenutzungsvorrichtung arbeitet vorzugsweise mit einem Clausius-Rankine-Kreisprozess. Ein derartiger Clausius-Rankine-Kreisprozess benötigt eine Expansionseinrichtung zum Entspannen eines komprimierten gasförmigen Arbeitsmediums unter Arbeitsabgabe. Ferner enthält der Kreisprozess eine Kondensationseinrichtung zum Kondensieren des entspannten gasförmigen Arbeitsmediums unter Wärmeabgabe. Außerdem sind eine Kompressionseinrichtung zum Komprimieren des flüssigen Arbeitsmediums unter Arbeitszufuhr sowie eine Heizeinrichtung zum Verdampfen und Überhitzen des komprimierten flüssigen Arbeitsmediums unter Wärmezufuhr erforderlich.
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Bei Fahrzeuganwendungen treten vergleichsweise hohe Temperaturen in den Abgasen auf. Beispielsweise können die Abgase bei einem Dieselmotor, insbesondere während einer Partikelfilterregeneration, mehr als 600°C erreichen. Bei einem Ottomotor können die Abgastemperaturen sogar mehr als 900°C erreichen. Derart hohe Temperaturen führen zu einer sehr großen thermomechanischen Belastung der Abwärmenutzungsvorrichtung, insbesondere der Expansionseinrichtung. Um die Eintrittstemperatur in die Expansionseinrichtung zu senken, ist es grundsätzlich möglich, den Massenstrom des Arbeitsmediums zu erhöhen. Ein erhöhter Arbeitsmediummassenstrom führt jedoch zu einer Zunahme des für die Kondensation in der Kondensationseinrichtung erforderlichen Kondensatorwärmestroms, was aus energetischen Gründen inakzeptabel ist.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung an und beschäftigt sich dementsprechend mit dem Problem, für eine Abwärmenutzungsvorrichtung der eingangs genannten Art bzw. für ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Adaption an die in einem Kraftfahrzeug herrschenden Randbedingungen auszeichnet.
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Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dem heißen komprimierten gasförmigen Arbeitsmedium kaltes komprimiertes flüssiges Arbeitsmedium zuzuführen. Hierdurch kann die Temperatur des komprimierten gasförmigen Arbeitsmediums auf ein erträgliches Maß abgesenkt werden, ohne dass hierzu der Arbeitsmediummassenstrom insgesamt erhöht werden muss. Erreicht wird dies mit Hilfe eines Bypasses, der die Heizeinrichtung umgeht und es dadurch ermöglicht, einen (kleinen) Teil des komprimierten flüssigen, also kalten Arbeitsmediums dem komprimierten gasförmigen, also heißen Arbeitsmedium zuzuführen. Dabei ist es insbesondere möglich, die Menge des um die Heizeinrichtung herumgeführten komprimierten flüssigen Arbeitsmediums im Hinblick auf eine bestimmte Zieltemperatur am Eintritt der Expansionseinrichtung zu steuern bzw. zu regeln, um dort einen effektiven Überhitzungsschutz zu realisieren. Hierdurch ist insbesondere eine Adaption an sich ändernde Abgastemperaturen einfach möglich, was beispielsweise durch variierende Betriebszustände des Fahrzeugs ausgelöst werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung,
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2 und 3 Detailansichten der Abwärmenutzungsvorrichtung im Bereich einer Entnahmestelle bei anderen Ausführungsformen,
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4 eine Detailansicht im Bereich einer Einleitstelle bei einer anderen Ausführungsform.
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Entsprechend 1 umfasst ein Kraftfahrzeug 1 eine Brennkraftmaschine 2 und eine Abwärmenutzungsvorrichtung 3. Die Brennkraftmaschine 2 ist in üblicher Weise an eine Frischluftanlage 4 und an eine Abgasanlage 5 angeschlossen. Ferner ist die Brennkraftmaschine 2 an einen Kühlkreis 6 angeschlossen.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung 3 arbeitet mit einem Kreisprozess, und zwar mit einem geschlossenen Kreisprozess. Bevorzugt handelt es sich dabei um einen Clausius-Rankine-Kreisprozess. Dementsprechend besitzt die Vorrichtung 3 einen Arbeitsmediumkreis 7, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert und der entsprechende Leitungen 8, 9, 10, 11 aufweist. Im Kreis 7 weist die Abwärmenutzungsvorrichtung 3 hintereinander eine Expansionseinrichtung 12, eine Kondensationseinrichtung 13, eine Kompressionseinrichtung 14 sowie eine Heizeinrichtung 15 auf. Die Expansionseinrichtung 12 kann beispielsweise eine Turbine sein. Sie dient zum Entspannen eines komprimierten gasförmigen Arbeitsmediums unter Arbeitsabgabe. Beispielsweise treibt die Expansionseinrichtung 12 über eine Welle 16 einen Generator 17 an, der mechanische Arbeit in elektrische Energie wandelt und diese beispielsweise an ein Bordnetz 18 des Fahrzeugs 1 überträgt. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, die mit Hilfe der Expansionseinrichtung 12 dem Arbeitsmedium entnommene mechanische Arbeit, z. B. über die Welle 16, direkt in Antriebsarbeit des Fahrzeugs 1 zu wandeln. Das komprimierte gasförmige Arbeitsmedium wird dabei der Expansionseinrichtung 12 über die Leitung 11 zugeführt. Durch den Entspannungsvorgang wird das der Expansionseinrichtung 12 zugeführte, komprimierte gasförmige Arbeitsmedium zu einem entspannten gasförmigen Arbeitsmedium, das über die Leitung 8 der Kondensationseinrichtung 13 zugeführt wird.
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Der Kondensationseinrichtung 13 wird entsprechend einem Pfeil 19 Wärme aus dem Arbeitsmedium abgeführt. Eine entsprechende Wärmeabgabe ist dabei mit gab bezeichnet. Die Kondensationseinrichtung 13 kann dabei als Kondensator ausgestaltet sein. Sie ist an einen Kühlkreis 20 angeschlossen, um die Wärme aus dem entspannten gasförmigen Arbeitsmedium abzuführen. Dabei wird das entspannte gasförmige Arbeitsmedium unter seinen Taupunkt abgekühlt, wodurch es kondensiert, also verflüssigt wird. Der hierzu verwendete Kühlkreis 20 kann insbesondere einen Bestandteil des Kühlkreises 6 der Brennkraftmaschine 2 bilden oder mit diesem wärmeübertragend gekoppelt sein.
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Aus der Kondensationseinrichtung 13 tritt somit ein gekühltes flüssiges Arbeitsmedium aus, das über die Leitung 9 zur Kompressionseinrichtung 14 gelangt. Bei der Kompressionseinrichtung 14 handelt es sich bevorzugt um eine Hochdruckpumpe, die das flüssige Arbeitsmedium unter einer entsprechenden Arbeitszufuhr auf ein deutlich erhöhtes Druckniveau bringt. Die hierbei benötigte Arbeit ist dabei deutlich geringer als die an der Expansionseinrichtung 12 freigesetzte bzw. gewonnene Arbeit.
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Über die Leitung 10 gelangt nun komprimiertes flüssiges Arbeitsmedium zur Heizeinrichtung 15, in der eine Verdampfung sowie eine Überhitzung, also eine Aufheizung des verdampften Arbeitsmediums über dessen Siedetemperatur erfolgt. Hierzu muss eine entsprechende Wärmezufuhr stattfinden, die durch einen Pfeil 21 symbolisiert und mit qzu bezeichnet ist. Diese Wärmezuführung qzu ist in der Regel größer als die Wärmeabführung qab an der Kondensationseinrichtung 13. Um die Wärme dem Arbeitsmedium zuführen zu können, kann die Heizeinrichtung 15 an einen Heizkreis 22 angeschlossen sein. Dieser Heizkreis 22 kann mit der Abgasanlage 5 wärmeübertragend gekoppelt sein. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher die Heizeinrichtung 15 in Form eines Wärmeübertragers unmittelbar in eine abgasführende Leitung der Abgasanlage 5 eingebunden ist. In diesem Fall bildet der „Heizkreis” 22 einen Bestandteil der Abgasanlage 5.
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Das in der Heizeinrichtung 15 verdampfte und überhitzte komprimierte Arbeitsmedium gelangt nun über die Leitung 11 wieder zurück zur Expansionseinrichtung 13, wodurch ein insgesamt geschlossener Kreis 7 realisiert wird.
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Um nun eine Überhitzung bzw. eine thermische Überlastung der Expansionseinrichtung 12 zu vermeiden, ist die hier vorgestellte Abwärmenutzungsvorrichtung 3 zusätzlich mit einem Bypass 23 ausgestattet. Dieser umgeht die Heizeinrichtung 15 und ermöglicht es, einen Teil des komprimierten flüssigen und somit kalten Arbeitsmediums dem komprimierten gasförmigen und somit heißen Arbeitsmedium zuzuführen. Hierzu besitzt der Bypass 23 eine Bypassleitung 24, die stromauf der Heizeinrichtung 15 über eine Entnahmestelle 25 an den Kreis 7 und stromab der Heizeinrichtung 15 über eine Einleitstelle 26 an den Kreis 7 angeschlossen ist. Hierdurch kann ein Teil des komprimierten flüssigen Arbeitsmediums vor der Heizeinrichtung 15 abgezweigt und nach der Heizeinrichtung 15 dem Hauptstrom wieder zugeführt werden, wodurch sich an der Expansionseinrichtung 12 und an der Kondensationseinrichtung 13 der Arbeitsmediummassenstrom nicht verändert. Zum Steuern bzw. Regeln des abgezweigten Teils des komprimierten flüssigen Arbeitsmediums kann eine Ventileinrichtung 27 vorgesehen sein. Im Beispiel sind drei mögliche Positionierungen für eine derartige Ventileinrichtung 27 in 1 dargestellt, die alternativ anwendbar sind. Entsprechend einer ersten Ausführungsform kann eine erste Ventileinrichtung 27 im Bereich der Entnahmestelle 25 angeordnet sein. Eine zweite Ausführungsform zeigt, wie eine zweite Ventileinrichtung 27II in der Bypassleitung 24 zwischen der Entnahmestelle 25 und der Einleitstelle 26 angeordnet ist. Eine dritte Ausführungsform zeigt, wie eine dritte Ventileinrichtung 27III im Bereich der Einleitstelle 26 angeordnet ist.
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Die Entnahmestelle 25 kann entsprechend 1 an der Leitung 10 angeordnet sein, und zwar zwischen der Heizeinrichtung 15 und der Kompressionseinrichtung 14. Alternative Ausführungsformen zeigen die 2 und 3. Dort ist ein Bereich 28, der in 1 mit geschweifter Klammer gekennzeichnet ist, herausgegriffen.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform besitzt die Kompressionseinrichtung 14 zwei Ausgänge, nämlich einen Hauptausgang 29, an den die zur Heizeinrichtung 15 führende Leitung 10 angeschlossen ist, und einen Zusatzanschluss 30, an den die Bypassleitung 24 angeschlossen ist. Dieser Zusatzanschluss 30 bildet dann gleichzeitig die Entnahmestelle 25 des Bypasses 23.
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Alternativ dazu zeigt 3 eine Ausführungsform, bei der zusätzlich zur Kompressionseinrichtung 14 eine Bypasskompressionseinrichtung 31 vorgesehen ist, die in der Bypassleitung 24 angeordnet ist. Die Entnahmestelle 25 ist bei dieser Ausführungsform stromauf der Kompressionseinrichtung 14 an die Leitung 9 angeschlossen, so dass flüssiges, noch nicht komprimiertes Arbeitsmedium in die Bypassleitung 24 gelangt und erst mit Hilfe der Bypasskompressionseinrichtung 31 komprimiert wird. Bei dieser Ausführungsform kann besonders einfach bedarfsabhängig eine Teilmenge des flüssigen Arbeitsmediums über den Bypass 23 abgezweigt werden und komprimiert dem verdampften und überhitzten Arbeitsmedium zugeführt werden.
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In 1 ist mit einer geschweiften Klammer ein weiterer Bereich 32 gekennzeichnet, der in 4 für eine andere Ausführungsform wiedergegeben ist. Während bei der in 1 gezeigten Ausführungsform die Einleitstelle 26 beabstandet zur Expansionseinrichtung 12 angeordnet ist, zeigt 4 eine Ausführungsform, bei der die Einleitstelle 26 unmittelbar an der Expansionseinrichtung 12 angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Bypassleitung 24 ist parallel zur Leitung 11 bis zur Expansionseinrichtung 12 geführt. Die Vereinigung der beiden Teilströme erfolgt erst am Einlass der Expansionseinrichtung 12.
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Das über den Bypass 23 unter Umgehung der Heizeinrichtung 15 dem gasförmigen, überhitzten Arbeitsmedium zugeführte flüssige komprimierte Arbeitsmedium, kann zweckmäßig in das überhitzte Arbeitsmedium eingedüst werden. Dies kann insbesondere unter einem Druck erfolgen, der höher ist als der Druck im gasförmigen Arbeitsmedium. Hierdurch kann eine besonders rasche Verdampfung und somit Abkühlung des gasförmigen Arbeitsmediums mit einer vergleichsweise geringen Menge an flüssigem Arbeitsmedium realisiert werden. Hierbei können entsprechende Einspritzdüsen oder dergleichen zur Anwendung kommen.
