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Die
Erfindung betrifft ein System, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
aufweisend ein Abgasrückführsystem und einen Rankine-Kreislauf
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zunehmend
wird der Einsatz von Systemen zur Wärmerückgewinnung,
etwa von Clausius-Rankine Prozessen angedacht.
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Der
Clausius-Rankine Prozess ist seit langem 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.
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Aufgrund
der jüngeren Anstrengungen beim Klimaschutz und der Verknappung
fossiler Energieträger ist diese Technologie in jüngerer
Zeit wieder verstärkt für den Einsatz in Kraftfahrzeugen
im Gespräch.
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Um
einen möglichst hohen Anteil der Abwärme eines
Fahrzeuges für den Prozess zu gewinnen und dessen Leistung
zu erhöhen, werden verschiedene Wärmequellen im
Fahrzeug genutzt, insbesondere die Abwärme des Motorkühlkreislaufes
oder des Abgassystems. Aufgrund seiner hohen Temperatur stellt das
Abgassystem eine bevorzugte Wärmequelle dar, wobei insbesondere
die Abgasrückfürung (AGR) in Frage kommt, da der
zum Motor zurückgeführte Abgasteilstrom nach Stand
der Technik einen Kühlungsbedarf aufweist, was üblicherweise
in wenigstens einem Abgasrückführkühler
(AGR-Kühler) bewerkstelligt wird.
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Die
JP 2007332853 A offenbart
ein Abwärmerückgewinnungssystem, wobei genau ein
Heizer die vom Abgas 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.
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1 zeigt
ein schematisches Temperatur-Enthalpie Diagramm für ein
derartiges System, in dem durch einen Wärmeübertrager
Wärme, beispielsweise die Wärme eines Abgases,
auf einen Rankine Kreislauf übertragen wird. Hierbei zeigt
die durchgezogene Linie den Temperaturverlauf des Rankine-Mediums
und die strichlierte Linie den Temperaturverlauf des Abgases.
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Die
Verdampfung eines Fluids, bestehend aus ausschließlich
einer Substanz oder eines azeotropen Gemisches, findet unter näherungsweise
isobaren Bedingungen und gleichzeitig näherungsweise isotherm
statt. Daraus ergibt sich folgender Temperaturverlauf für
das Rankine-Medium:
Temperaturanstieg während der
Vorwärmphase 101, konstante Temperatur während
der Verdampfung 102 und wiederum Temperaturanstieg in der Überhitzungsphase 103.
Sofern das wärmeabgebende Fluid über der gesamten
Wärmeübertragungsphase einphasig bleibt, ergibt
sich ein annähernd linearer Temperaturabfall desselben.
Daraus resultieren folgende Nachteile:
Der Wärmeübergang
wird beim Übergang von der Vorwärmphase 101 zur
Verdampfung 102 behindert, da in diesem Bereich die größtmögliche
Annäherung der Temperaturen der wärmeaustauschenden
Fluide erfolgt. Diese Annäherung wird auch als „pinch
point” 104 bezeichnet. Zur Überwindung
dieses Bereiches wird daher eine große Wärmeübertragungsfläche
benötigt.
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Wie
aus 1 gefolgert werden kann, stellt der „pinch-point” 104 auch
ein Limit für den maximalen Massenstrom des Rankine-Mediums
dar, wobei die Pfeilrichtung 105 höhere Massenströme
bedeutet. Somit ist eine schlechte Ausnutzung der Wärmequelle
gegeben, da der „pinch-point” 104 die
maximal übertragbare Wärmemenge limitiert, selbst
wenn die Abgasaustrittstemperatur noch erheblich über der Rankine-Medium
Eintrittstemperatur liegt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik, ist es Aufgabe der Erfindung, die
Effizienz von Wärmeübertragern bei der Vorwärmung,
Verdampfung und Überhitzung zu verbessern, die spezifische
Wärmeübertragerfläche zu reduzieren und
die mögliche Leistung des Dampfkraftprozesses, insbesondere des
Rankine Prozesses zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein System mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Gemäß eines
Grundgedankens der Erfindung weist ein System zur Abwärmenutzung,
insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ein Abgassystem, insbesondere
mit einer Abgasrückführung, mit einem ersten Arbeitsmedium
und zumindest einen Rankine-Kreislauf mit einem zweiten Arbeitsmedium
auf, wobei das Abgassystem durch einen ersten Wärmeübertrager
und zumindest einen zweiten Wärmeübertrager thermisch
an den Rankine-Kreislauf koppelbar ist.
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Durch
die Koppelung des Abgassystems an den Rankine-Kreislauf durch mindestens
zwei Wärmeübertrager werden die lokalen Wärmekapazitätenströme
des Abgases an die lokalen Wärmekapazitätenströme
des Rankine-Mediums besser angeglichen. Somit wird ebenfalls eine
verstärkte Angleichung des Temperaturgangs beider Ströme
erzielt. Dadurch kann die eingangs erwähnte „pinch-point” Problematik
entschärft, die Wärmeübertragerfläche reduziert
und in Folge auch Kosten und Gewicht eingespart werden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist im Abgassystem
abströmseitig des ersten Wärmeübertragers
eine Verzweigungsstelle vorgesehen, die das erste Arbeitsmedium
in einen ersten und zweiten Teilstrom aufteilt, wobei der erste
Teilstrom bevorzugt durch den zweiten Wärmeübertrager
und der zweite Teilstrom an die Umgebung abgegeben wird. Durch die
Aufteilung des Abgasstromes in einen ersten und zweiten Teilstrom,
ist die Temperatur des zweiten Teilstromes, der an die Umgebung abgegeben
wird, immer noch hoch genug, um in relevanten Betriebspunkten die
Funktionsfähigkeit der meisten Abgasreinigungsverfahren,
insbesondere nach einer instationären Aufwärmehase,
sicher zu stellen.
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Der
Rankine-Kreislauf weist zumindest einen Kondensator, eine Pumpe
und eine Expansionsmaschine auf, wobei die Expansionsmaschine bevorzugt
als volumetrische Expansionsmaschine ausgebildet ist.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist im Rankine-Kreislauf der erste
Wärmeübertrager abströmseitig des zweiten
Wärmeübertragers und zuströmseitig des
Expanders angeordnet. Somit wird durch den zweiten Wärmeübertrager
eine Vorwärmung und im ersten Wärmeübertrager
eine Verdampfung und Überhitzung des Rankine-Mediums erzielt.
Somit wird insgesamt eine bessere Angleichung der Wärmekapazitätenströme
der beiden Arbeitsmedien erzielt.
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Alternativ
ist in einer weiteren Ausführungsform der erste und der
zweite Wärmeübertrager zu einer Baueinheit integriert.
Somit kann neben den bereits angeführten Vorteilen zusätzlich
auch noch Bauraum eingespart werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im Abgassystem abströmseitig
des zweiten Wärmeübertragers eine Verzweigungsstelle
vorgesehen, die den ersten Teilstrom mit dem zweiten Teilstrom zusammenführt.
Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn
in gewissen Betriebsbereichen keine Abgasrückführung
notwendig ist. Durch die Verzweigungsstelle kann der erste Teilstrom
direkt in den zweiten Teilstrom geführt und an die Umgebung
abgegeben werden. Die Abgasrückführung kann durch
entsprechende Vorrichtungen, beispielsweise ein Ventil, versperrt
werden.
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Alternativ
ist es in Betriebsbereichen in denen keine Abgasrückführung
benötigt wird auch möglich, dass im Rankine Kreislauf
eine Bypassleitung um den zweiten Wärmeübertrager
vorgesehen ist, so dass das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes
gänzlich durch die Bypassleitung geleitet werden kann Hierzu
sind Mittel vorgesehen, die es ermöglichen, den Strömungszweig
durch den zweiten Wärmeübertrager bei Bedarf zu
versperren.
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Das
System eignet sich besonders für anorganische Rankine-Medien
einschließlich der Zugabe von Additiven, insbesondere eignet
es sich für das Rankine-Medium Wasser. Alternativ können
jedoch auch organische Medien verwendet werden, so dass der Kreislauf
als Organischer Rankine Kreislauf (ORC) betrieben wird.
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Erfindungsgemäß ist
weiter ein Verfahren zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine eines
Rankine-Kreislaufes mit folgenden Verfahrensschritten vorgesehen:
- – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes wird
in einem Kondensator verflüssigt,
- – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes wird mittels
einer Pumpe auf einen höheren Druck gebracht,
- – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes wird in
einem zweiten Wärmeübertrager vorgewärmt,
- – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes wird in
einem ersten Wärmeübertrager verdampft und überhitzt,
- – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes durchströmt
eine Expansionsmaschine und verrichtet Arbeit.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist es möglich,
dass das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes zuströmseitig
des zweiten Wärmeübertragers in einen ersten Teilstrom durch
den zweiten Wärmeübertrager und einen zweiten
Teilstrom durch die Bypassleitung aufgeteilt wird. Eine derartige
Alternative hat den Vorteil, dass durch eine Verringerung des Massenstroms
durch den zweiten Wärmeübertrager die Temperaturgänge
des ersten und zweiten Arbeitsmediums angeglichen werden können.
Somit kann ein Auftreten eines „pinch-points” in
der Vorwärmphase verhindert werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden der erste
und zweite Teilstrom des Rankine-Kreislaufs abströmseitig
des zweiten Wärmeübertragers zusammengeführt
und durch den ersten Wärmeübertrager geleitet.
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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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Weitere
wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen
und den Zeichnungen.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
Systems zur Abwärmenutzung beschrieben und anhand der anliegenden
Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Temperatur-Enthalpiestrom Diagramms
gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine
erste Ausführungsform eines Systems zur Abwärmenutzung
eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
schematische Darstellung eines Temperatur-Enthalpiestrom Diagramms
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
zweite Ausführungsform eines Systems zur Abwärmenutzung
eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
dritte Ausführungsform eines Systems zur Abwärmenutzung
eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 eine
schematische Darstellung eines Temperatur-Enthalpie Diagramms gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Systems zur Abwärmenutzung. Das System 1 weist
ein Abgassystem 2 mit einer Abgasrückführung 2a und
einen Rankine-Kreislauf 3 auf, die durch einen ersten 4 und
zweiten Wärmeübertrager 5 thermisch aneinander
gekoppelt sind. Abgase eines Verbrennungsmotors 14 werden hierbei
zuerst durch den ersten Wärmeübertrager 4 geleitet.
Abströmseitig des ersten Wärmeübertragers 4 weist
das Abgassystem eine Verzweigungsstelle 6 auf, die den
Abgasstrom in einen ersten Teilstrom 7 und einen zweiten
Teilstrom 8 aufteilt. Der zweite Teilstrom 8 wird
beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Abgasreinigungssystem
geleitet und anschließend an die Umgebung abgeführt.
Der erste Teilstrom 7 wird zuerst durch einen zweiten Wärmeübertrager 5 und
anschließend in nicht näher dargestellter Weise
durch die Abgasrückführung 2a an den Verbrennungsmotor 14 zurückgeführt.
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Der
Rankine-Kreislauf 3 weist neben dem ersten 4 und
zweiten Wärmeübertrager 5 eine Kondensator 9,
eine Pumpe 10 und eine Expansionsmaschine 11 auf,
die in diesem Ausführungsbeispiel als volumetrische Expansionsmaschine
ausgeführt ist. In der Expansionsmaschine wird das Arbeitsmedium des
Rankine Kreislaufes entspannt und verrichtet mechanische Arbeit,
welche bevorzugt dem Antriebsstrang (mit oder ohne zwischengeschaltetem Übersetzungsgetriebe)
zugeführt wird. Beliebige andere Anwendungen und Aggregate
im Fahrzeug, die mechanische Antriebsleistung benötigen,
sind ebenfalls mit oder ohne Übersetzungsstufe denkbar,
etwa ein Generator zur Stromerzeugung.
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Die
Erfindung funktioniert nun wie folgt: Im Rankine Kreislauf 3 durchläuft
das Arbeitsmedium Wasser zuerst den zweiten Wärmeübertrager 5 und anschließend
den ersten Wärmeübertrager 4, wobei im
zweiten Wärmeübertrager 5 die Vorwärmung
bis auf Siedetemperatur bewerkstelligt wird, während der
nachfolgende erste Wärmeübertrager 4 die
Verdampfung und Überhitzung des Rankine Arbeitsmediums
vollzieht. Der erste Wärmeübertrager 4 ist
mit seiner Abgasseite stromaufwärts der Verzweigungsstelle 6,
also relativ nah zum Verbrennungsmotor 14, angeordnet.
Der hohe Massenstrom des an dieser Stelle noch nicht aufgeteilten
Abgasstromes bewirkt einen hohen Wärmekapazitätenstrom,
dieser führt zu einem verhältnismäßig
schwachen Temperaturgradienten des Abgases bezogen auf seine abgegebene Wärmemenge
(siehe 3, Bereich 102 und 103). Dies
gleicht die lokalen Temperaturgänge beider Ströme
näher an, da die Verdampfung des Rankine Arbeitsmediums
näherungsweise isotherm erfolgt. Der geringere Massenstrom
des ersten Teilstroms 7 durch den zweiten Wärmeübertrager 5 bewirkt
einen geringeren Wärmekapazitätenstrom und führt
zu einem steileren Temperaturgradienten des Abgases (siehe 3,
Bereich 101). Dies gleicht die lokalen Temperaturgänge
beider Ströme ebenfalls näher an, da auch die
Medienseite des Rankine Kreislaufs aufgrund der Unterkühlung
einphasig vorliegt und einen steilen Temperaturgradienten aufweist.
Die ein gangs genannten Nachteile der „pinch-point” Problematik, insbesondere
eine größere Wärmeübertragungsfläche
zwischen den beiden Kreisläufen, können somit verringert
werden, auch der Ausnutzungsgrad der Abgaswärme aus dem
Abgasrückführsystem wird dadurch erhöht.
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Weiterhin
gewährleistet dieses Prinzip, insbesondere die Aufteilung
des Abgasstromes in einen ersten 7 und zweiten Teilstrom 8 eine
stärkere Abkühlung des Abgases in Teilstrom 7 das
an den Verbrennungsmotor 14 rückgeführt
wird. Der Vorteil einer tieferen Abgasrückführ-Temperatur
liegt in der Erhöhung der motorischen Effizienz und Verringerung
primärer Emissionen. Eventuell kann auch auf einen nachfolgenden
Niedertemperatur- Abgaskühler verzichtet werden, da mit
dem erfindungsgemäßen Prinzip die Zieltemperatur
der Abgasrückführung auch ohne zweiten Kühler
erreicht werden kann.
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Dieses
Prinzip gewährleistet zudem, dass aufgrund der Nutzung
der Wärme der Abgasrückführung die Temperatur
in Teilstrom 8 nicht so sehr absinkt, als dies der Fall
wäre, wenn die gesamte Wärme für Vorwärmung,
Verdampfung und Überhitzung des Rankine-Mediums aus dem
Abgas stromauf der Abzweigung 6 oder zum Teil auch aus
Teilstrom 8 entnommen werden würde. Dies ist wichtig
für Abgasreinigungsverfahren in Teilstrom 8, welche
zur Funktion möglichst hohe Temperaturen benötigen.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Systems zur Abwärmenutzung
gemäß vorliegender Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch,
dass im Abgasrückführsystem 2 abströmseitig des
zweiten Wärmeübertragers 5 eine Verzweigungsstelle 12 vorgesehen
ist, so dass der erste Teilstrom 7 mit dem zweiten Teilstrom 8 wieder
zusammengeführt werden kann. Eine derartige Ausführungsform
eignet sich insbesondere dann, wenn keine Abgasrückrührung
zum Verbrennungsmotor 14 benötigt wird. Beispielsweise
kann die Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine
durch ein nicht dargestelltes Ventil versperrt werden. Es stehen
dann trotzdem beide Wärmeübertrager 4 und 5 für
das Rankine-Arbeitsmedium zur Verfügung.
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Eine
alternative Lösungsmöglichkeit besteht in einem
weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 5 darin,
den Rankine Kreislauf 3 wahlweise durch den zweiten Wärmeübertrager 5 oder
bei Abschaltung der Abgasrückführung das gesamte
Arbeitsmedium des Rankine Kreislaufes über eine Bypassleitung 13 direkt
in den ersten Wärmeübertrager 4 zu leiten. Hierzu
sind an einer Verzweigungsstelle 15 zuströmseitig
des zweiten Wärmeübertragers 5 Mittel vorgesehen
(nicht dargestellt), die es ermöglichen, das gesamte Arbeitsmedium
durch die Bypassleitung 13 zu leiten.
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6 zeigt
in einem Temperatur-Enthalpie Diagramm einen weiteren Vorteil der
vorliegenden Erfindung. Nimmt man eine größere
Wärmeübertragerfläche der beiden Kreisläufe
in Kauf, so erlaubt die erfindungsgemäße Prozessführung,
insbesondere die Anordnung von Wärmeübertrager 4 aus 2 stromauf
der Abzweigung 6 unter Ausnutzung des gesamten Massenstromes
des ersten Arbeitsmediums (Abgas), eine Anhebung des Druck- beziehungsweise
Temperaturniveaus 106 im Nassgebiet 102, was den
Gesamtwirkungsgrad des Prozesses durch weitere Annäherung
an den idealen Carnot-Prozess signifikant erhöht.
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Bei
der Prozessführung gemäß dem Stand der
Technik wird die Möglichkeit des Anhebens von Verdampfungsdruck
beziehungsweise Temperatur aufgrund des „pinch-point” versperrt.
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7 zeigt
das Auftreten eines weiteren „pinch-points” 104 in
der Vorwärmphase 101; nämlich dann, wenn
die beiden Temperaturgänge des ersten (Abgas) und zweiten
Arbeitsmediums (Wasser) unterschiedliche Temperaturgänge
aufweisen, insbesondere wenn die Temperatur des Rankine-Mediums
nach der Pumpe 10 in 2 nahe bei
der Temperatur des über Wärmeübertrager 5 in 2 gekühlten
ersten Arbeitsmediums (Abgas) liegt. Um das Auftreten eines derartigen „pinch-points” gemäß 7 zu
vermeiden ist erfindungsgemäß vorgesehen, das
Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes gemäß 5 an
einer Verzweigungsstelle 15 in einen ersten Teilstrom durch
den zweiten Wärmeübertrager 5 und einen
zweiten Teilstrom durch die Bypassleitung 13 aufzuteilen.
Diese Aufteilung wird beispielsweise durch ein nicht dargestelltes
Verteilerventil erreicht.
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Durch
diese Aufteilung des Arbeitsmediums wird die Möglichkeit
gegeben:
- a) Die Exergieaufnahme zu maximieren
(beispielsweise einen höheren Rankine-Medium-Durchsatz
zu ermöglichen, in dem die Enthalpieentnahme aus dem Rohabgas
erhöht wird)
- b) Nach Bedarf die AGR-Temperatur stufenlos zu steuern
- c) Nach Bedarf die Rohabgas-Temperatur stufenlos zu steuern
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Eine
entsprechende Darstellung der verschiedenen Temperaturgänge
ist in 8 dargestellt, wobei der Temperaturgang 801 die
Temperatur des Abgases ohne Aufteilung des Rankine Arbeitsmediums
zeigt (und somit dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht)
und die Bezugsziffer 802 einen Temperaturgang darstellt,
bei dem das Rankine Arbeitsmedium in einen ersten und zweiten Teilstrom aufgeteilt
wird.
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Da
bei einer Aufteilung der beiden Teilströme des Rankine
Arbeitsmediums die Enthalpie nicht mehr dargestellt werden kann,
ist in der 8 auf der Abszisse eine dimensionslose
Ortskoordinate aufgetragen.
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8 zeigt
einen möglichen Temperaturgang des Rankine-Arbeitsmediums.
Hierbei wird im zweiten Wärmeübertrager 5 das
Arbeitsmedium vorgewärmt 101a und teilweise verdampft 102a und durch
Zugabe aus der Bypassleitung 13 wieder unterkühlt,
woraus sich im ersten Wärmeübertrager 4 eine
zweite Vorwärmphase 101b und eine anschließende
vollständige Verdampfung 102b und anschließende Überhitzung 103 des
Rankine Arbeitsmediums ergibt.
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Prinzipiell
sind jedoch für sämtliche Ausführungsbeispiele
auch andere Temperaturgänge des Rankine-Mediums denkbar
ohne die Vorteile der Erfindung negativ zu beeinflussen. Beispielsweise
ist es auch möglich, dass die Vorwärmung beim
Eintritt in den ersten Wärmeübertrager 4 noch
nicht abgeschlossen ist oder dass, wie bereits erwähnt
eine teilweise Verdampfung im zweiten Wärmeübertrager 5 stattfindet.
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Insgesamt
ist ferner festzustellen, dass sich die erfindungsgemäße
Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße
Verfahren sich besonders in Kombination mit einem Niederdruck-Abgasrückführ-System
(ND-AGR-System) eignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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