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Aufgabenstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen hocheffiziente Prozess für die Wandlung thermischer Restenergie in elektrische oder mechanische Nutzenergie bereit zu stellen. Die thermische Restenergie ist dabei typischer Weise die im Abgas und im Kühlwasser eines Verbrennungsmotors enthaltene Energie. Ziel soll sein, durch die Nutzung dieser beiden Restenergieen den effektiven Wirkungsgrad der Gesamtanlage, also die mechanische oder elektrische Nutzarbeit im Verhältnis zur im Brennstoff enthaltenen Energie, möglichst deutlich zu steigern, bei möglichst geringer Komplexität. Hauptanwendungsgebiet sind Blockheizkraftwerke und Kraftfahrzeugantriebe.
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Stand der Technik
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Brennkraftmaschinen mit Abgaswärmenutzung sind heute vielfach Stand der Technik. Die Kühlmittelwärme wird in Kraftfahrzeugen beispielsweise zur Heizung der Fahrzeugkabine genutzt. In Blockheizkraftwerken werden sowohl Abgaswärme als auch Kühlmittelwärme genutzt, um Gebäude oder Pflanzen zu beheizen. In einigen Erfindungen wurde bereits die Abgaswärme über eine Turbine genutzt, um daraus direkte mechanische oder elektrische Leistung zu gerieren. Prominenteste Erfindung ist der Turbolader von Büchli. Auch eine direkte mechanische Einkopplung dieser so gewonnen Leistung aus dem Abgas wird mit dem Turbo-Compound-Verfahren beschrieben. Nachteil all dieser Verfahren ist jedoch, dass ein Abgasgegendruck erzeugt wird. Dieser hat den Nachteil, dass die Brennkraftmaschine als Hauptantrieb einen Teil der an der Abgasturbine erzeugten Arbeit selbst aufbringen muss, indem sie gegen den erhöhten Abgasgegendruck ausschiebt. Der verbleibende Gewinn an Arbeit und damit auch der Wirkungsgradzuwachs der Gesamtanlage bleibt hierdurch moderat und ist in ungünstigen Fällen sogar negativ. Das TwinAV-Verfahren [
DE 102007038073A1 und
DE 102009051591.7 ] ermöglicht eine Nutzung der Abgasenergie ohne Abgasgegendruck und vermeidet damit die Nachteile des Abgasgegendruckes. Es ist jedoch aufgrund der prinzipiellen Wirkungsweise beschränkt in der Höhe des Potentials. Hiermit lässt sich der Wirkungsgrad durch Abgaswärmenutzung zwar effektiv steigern, aber es wird nicht die gesamte Abgasenergie genutzt. Die Temperatur nach Austritt ist mit bis zu 800°C immer noch sehr hoch. Thermoelektrische Generatoren sind in der Lage, die Abgasenergie wie auch die Kühlwasserenergie einer Brennkraftmaschine direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Thermoelektrische Generatoren arbeiten bevorzugt bei konstanter Temperatur. Zur Nutzung des Abgases ist jedoch die Nutzung der gesamten Temperaturspanne sinnvoll, wie es beispielsweise in einem Gegenstrom-Wärmetauscher realisiert werden kann. Um dennoch eine konstante Temperaturquelle zu erhalten, wird bei Thermoelektrischen Generatoren (TEGs) nach Stand der Technik bereits ein Teil der Abgasenergie im Wärmetauscher herabgesetzt, wodurch ein erheblich Exergieverlust entsteht. Weiterhin ist der Wirkungsgrad von TEGs mit maximal 10% relativ schlecht im Vergleich zu Clausius-Rankine-Prozessen.
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Die Anwendung von Clausius-Rankine-Prozessen auf Brennkraftmaschinen ist noch ein relativ neues Anwendungsgebiet. Es sind mehrere Verfahren beschrieben, welche die Abwärme mittels Clausius-Rankine nutzen. Der theoretische Wirkungsgrad kann bis zu 50% betragen, welcher aber von keinem der beschriebenen Rankine-Prozesse erreicht wird. Kritischer Faktor bei der Umsetzung eines Rankine-Prozesses mit hohem Wirkungsgrad ist der Pinch-Point. Bei der Wärmeübertragung sollte idealerweise ein konstant geringes Temperaturgefälle vorherrschen, um den Exergieverlust klein zu halten. Bei der Übertragung von Gas an ein verdampfendes Medium ist dies jedoch nicht möglich, da das verdampfende Medium bei konstanter Temperatur verdampft, während die Temperatur des Gases kontinuirlich abnimmt, was den Wirkungsgrad des Kreisprozesses erheblich limitiert. Bei der Auslegung eines solchen Systems kann zum Ausgleich eine hohe Verdampfungstemperatur gewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Clausius-Rankine-Dampfprozess einen relativ hohen Wirkungsgrad aufweist. Es kann aber nur ein Teil der Abgaswärme genutzt werden, nämlich die Temperatur bis zum Erreichen des Pinch-Points. Von der Abgaswärme mit niedrigerem Temperaturbereich kann nur ein sehr kleiner Teil für die Vorwärmung genutzt werden. Der Wirkungsgrad von Rankine-Prozessen ist dadurch begrenzt und erreicht in den meisten Fällen weniger als 50% des im Carnot-Vergleichsprozess möglichen Wirkungsgrades, bzw. deutlich weniger als 25% absolut. Die Kühlwasserwärme hat ein so niedriges Temperaturniveau, dass sie in einem eigenen Kreisprozess selbst mit idealer Prozessführung nur Wirkungsgrade von deutlich unter 15% erreichen kann. Ein kombinierter Prozess, welcher sowohl Kühlwasser- als auch Abgaswärme effizient nutzt, ist in
DE102007038073A1 beschrieben. Dieser weist allerdings eine relativ hohe Komplexität auf.
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Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine kombinierte Hubkolbenmaschine mit nachgeschaltetem Clausius-Rankine-Prozess. Dabei wird die Kühlmittelwärme ebenso zum Betrieb des Rankine-Prozesses genutzt wie die Abgaswärme. Für die Verwendung der Kühlmittelwärme in einem Clausius-Rankine-Prozess darf die Verdampfungstemperatur nicht oberhalb der Kühl mitteltemperatur liegen. Idealerweise sollte die Abgaswärme nur zur Überhitzung des Abgases erfolgen, also keine Verdampfung des Kreisprozessmediums bewirken. Dadurch kann die Abkühlkurve des Abgases parallel zu der Erwärmungskurve des Kreisprozessmediums ausgelegt werden, so dass bei der Wärmeübertragung kein nennenswerter Exergieverlust auftritt und sowohl die Abgaswärme als auch die Kühlmittelwärme bis zum Niveau der Kühlmittelwärme vollständig genutzt werden. Die Kühlmitteltemperatur ist prinzipbedingt im Vergleich zur Abgastemperatur gering, typischerweise ca. 90°C, bei Eingriff in das Motormanagement können bis zu 140°C realisiert werden.
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Der auf diese Weise betriebene Prozess ist kein Clausius-Rankine-Prozess mehr im eigentlichen Sinne. Es ist vielmehr ein Kombiprozess aus Clausius-Rankine-Verfahren und Joule-Prozess. Der erste Teil des Verfahrens beschreibt die Verdampfung des Arbeitsmediums durch eine Wärmequelle konstanter Temperatur, in diesem Fall angetrieben durch die Kühlmittelwärme. Die Konstantwärmequelle Kühlwasser hat dabei ein Temperaturbereich von ca. 80 bis 140°C. Zu diesem Teilprozess gehört auch die Kondensation des Arbeitsmediums mit einer Wärmesenke einer niedrigeren, zweiten Konstanttemperatur. Dies kann entweder ein Umgebungswärmetauscher oder ein Nutzwärmetauscher für Heizzwecke sein. Das Temperaturniveau der Wärmesenke kann dabei je nach Anwendung von 0 bis 90°C variieren. Durch diesen Teilprozess wird, nahezu unabhängig vom Arbeitsmedium, ein Druckverhältnis zwischen dem Verdampfungsdruck und dem Kondensationsdruck zwischen typischerweise 2 und 25 erreicht, wobei der in der Praxis relevanteste Wert des Druckverhältnisses bei etwa 5 bis 10 liegen wird.
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Mit diesem Druckverhältnis wäre ein Clausius-Rankine-Prozess nur mit sehr schlechtem Wirkungsgrad zu realisieren, insbesondere wenn Wasser als Arbeitsmedium verwendet wird. Bei transkritischen oder überkritischen Prozessen ist zwar mit diesem Druckgefälle ein etwas besserer Wirkungsgrad erreichbar, er läge aber in jedem Falle unter 15%.
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Der zweite Teilprozess besteht in der Überhitzung des so erzeugten gasförmigen Arbeitsmediums. Er ist dem eines Joule-Prozess vergleichbar, da hier ebenfalls ein gasförmiges Arbeitsmedium durch eine Wärmequelle erhitzt wird und anschließend in einer Turbine entspannt wird. Allerdings fehlt hier im Gegensatz zum Joule-Prozess der Verdichter. Durch den Wegfall des Verdichters wird die Leistung der Turbine nicht um die Verdichterarbeit gemindert, ebenfalls wird der Wirkungsgrad nicht zusätzlich durch prinzipbedingte Verluste im Verdichter begrenzt.
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Der Wirkungsgrad dieses Teilprozess lässt sich nicht direkt ermitteln, er muss durch Differenzbildung aus theoretischer Direktentspannungsleistung des Sattdampfes vor Abgasüberhitzung und der tatsächlichen Entspannungsleistung des überhitzten Dampfes ermittelt werden. Trotz des geringen Druckverhältnisses ist mit diesem Verfahren ein Differentialwirkungsgrad von 30 bis 50% möglich.
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Ein weiteres entscheidendes Merkmal der Erfindung ist die Rekuperation der Restwärme nach der Entspannung. Durch das niedrige Druckgefälle liegt nach der Entspannung immer noch eine hohe Dampftemperatur vor, welche über dem Niveau der Verdampfertemperatur liegt. Diese Wärme wird erfindungsgemäß durch einen weiteren Wärmetauscher erneut rekuperiert. Dies geschieht, indem durch den Heißdampf nach der Expansionsmaschine zusätzliches Kreislaufmedium verdampft und gegebenfalls überhitzt wird. Der dann noch verbleibende Heißdampf kann dazu genutzt werden, das noch flüssige Arbeitsmedium unmittelbar hinter der Speisepumpe vorzuwärmen.
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Um das Verfahren so zu realisieren, dass genau die passende Wärmemenge für die Verdampfung und die passende Wärmemenge für die Überhitzung vorhanden sind, kann zum einen der Massenstrom variiert werden. Das Verhältnis der beiden Wärmemengen zueinander ist durch das Arbeitsmedium festgelegt. Es kann geringfügig durch die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine variiert werden. Die Wahl des Arbeitsmediums kann dabei abhängig von der Art der Brennkraftmaschine angepasst werden, je nach Verhältnis von Kühlwasser zu Abgasenergie in der Reihenfolge Ammoniak-Stickoxid-Alkohol-Wasser.
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Variante 1
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Zur optimalen Nutzung der gesamten Kühlmittel- und Abgasexergie ist ein Zweikreisprozess möglich und sinnvoll. Hierbei wird die überschüssige Abgaswärmemenge, also die Abgaswärme, die nicht ideal parallel zur Überhitzung des Dampfkreislaufes verwendet werden kann, einem zweiten, nur vom Abgas betriebenen Clausius-Rankine-Prozess zugeführt. Die Konfiguration dieses zweiten Kreislaufs entspricht dabei dem in
DE102007038073A1 beschriebenen Prozess oder es handelt sich um einen transkritischen oder überkritischen Prozess, welcher die Problematik des Pinch-Point weitgehend umgehen kann. Die Abführung der Überschusswärme erfolgt dabei durch Aufspaltung des Abgasmassenstroms in zwei Teilströme, und zwar derart, dass der Temperaturverlauf jedes Teilstroms im Gegenstrom-Wärmetauscher möglichst ideal parallel zum Kreisprozessmedium verläuft, siehe dazu
. Im oberen Kreis wird eine fast Exergieverlustfreie Nutzung der Abgasenergie eines Abgasteilmassenstroms realisiert. Im unteren Kreisprozess der
wird der zweite Teil der Abgasenergie und die Kühlwasserenergie genutzt, wobei die Exergieverluste insbesondere in den Wärmetauschern so minimal sind, dass sie mit keinem anderen bekannten Prozess erreicht werden können.
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Variante 2
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Bei einer praktischen Auslegung des weniger komplexen Systems mit nur einem Kreisprozess (nur der untere Teil in ) ergibt sich meist ein Überschuss an Abgaswärme, der nicht optimal exergieverlustfrei wie oben beschrieben, verwendet werden kann. Hierbei ist es ein guter Kompromiss mit sehr geringem Exergieverlust, nach dem Abgasüberhitzer das noch ca. 150 bis 350°C heiße Abgas der Brennkraftmaschine über einen zweiten Wärmetauscher zum weiteren Verdampfen des Kreislaufmediums zu verwenden. Insgesamt wird so der Dampfmassenstrom erhöht und damit der Gewinn an Zusatzleistung gesteigert.
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Zur Vorwärmung des Arbeitsmediums im Clausius-Rankine-Joule-Kombiprozesses nach der Speisewasserpumpe können zusätzlich noch die Ladeluft bzw. Gemischkühlung und das Abgas nach Austritt aus dem Überhitzer eingekoppelt werden, indem ein weiterer Vorwärmen (Bauteil 1) in den Kreislauf geschaltet wird.
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Ausführungsbeispiel
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Das Druckverhältnis an der Expansionsmaschine ist mit typischerweise 3 bis 10 relativ gering. Dies ermöglicht eine relativ einfache Ausführung mit einer einstufigen Expansionsmaschine. Tröpfchenkondensation ist bei der Auslegung kein Problem, da das Arbeitsmedium stets überhitzt ist. Dazu gibt es zwei mögliche Ausführungsvarianten.
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Die erste Variante sieht eine einstufige Radialturbine vor. Geeignete Turbinensätze sind aus Turbinenstufen von Abgasturboladern bereits bekannt. Eine solche Turbine läuft mit sehr hoher Drehzahl von bis zu 200000 1/min und erreicht Druckverhältnisse von maximal etwa 5 bis 6. Eine solche Turbine wird über ein Getriebe, vorzugsweise Planetengetriebe, mit der Hauptbrennkraftmaschine mechanisch verbunden. Alternativ ist auch eine Leistungsabgabe auf einen hochdrehenden Generator mit einer nachgeschalteten Leistungselektronik möglich. Die Turbine kann über variable Turbinengeometrie verfügen, wodurch eine direkte Regelung des Durchflusses durch die Turbine und damit eine optimierte Anpassung an weite Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine möglich ist. Besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass das vorhandene turbinenspezifische Fertigungs-Know-How aus der Turboladertechnologie angewendet werden kann. Eine Turboladerturbine kann mit leichten Modifikationen und in großer Stückzahl für die hier beschriebene Anwendung angepasst werden. Insbesondere die Druck- und Temperaturfestigkeit ist bereits ein gelöstes Problem. Im Leistungsbereich zwischen 1 und 250 kW ist diese radiale einstufige Turbine die sinnvollste Lösung zur Ausführung. Oberhalb dieser Leistungsklasse wird eine axiale Turbine technisch interessant. Solche Axialturbinen sind ebenfalls aus Turboladern bekannt. Diese kann auch zwei- oder mehrstufig ausgestaltet sein. Hierbei ist weiterhin eine Zwischenüberhitzung zwischen den einzelnen Turbinenstufen möglich.
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Die zweite Variante sieht einen mechanischen Expander vor. Dies kann ein Flügelzellenexpander, ein Schraubenexpander oder ein Kolbenexpander sein. Dieser wird direkt von der Kurbel- oder Rotorwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Vorteil dieser Ausführung ist die Abhängigkeit des Volumenstromes im Dampfprozess von der Antriebsdrehzahl, während das Druckverhältnis davon weitgehend unabhängig ist. Hierdurch kann eine gute Anpassung auf einen weiten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine erfolgen, wodurch diese Konfiguration insbesondere für Kraftfahrzeuge interessant ist.
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Im Betrieb mit Wasser als Arbeitskreislaufmedium betragen die typischen Drücke etwa 0,05 bis 0,3 bar (absolut) auf der Kondensationsseite und 0,8 bis 2,0 bar (absolut) auf der Verdampferseite. Dadurch können sehr dünnwandige und kostengünstige Bauteile, insbesondere für die Wärmetauscher und die Expansionsmaschine verwendet werden. Durch alkoholische Arbeitsmedien kann der Kondensatordruck auf etwa Umgebungsdruck angehoben werden, während der Verdampferdruck im Bereich unter ca. 15 bar bleibt und somit für die Bauteile unkritisch bleibt.
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In einer Ausführungsvariante sind die drei Wärmetauscher „Kühlmittel-Wärmetauscher”, „Abgas-Verdampfer-Wärmetauscher” und „Heißdanpf-Rekuperator” zu einem kesselartigen Bauteil zusammengefasst, entsprechend . Dies führt weiterhin zu einer kompakten und kostengünstigen Ausgestaltung, insbesondere für Anwendnung in der dezentralen Energieversorgung, z. B. Blockheizkraftwerke (BHKW).
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Ausführungsbeispiel im Kraftfahrzeug
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Die Anwendung der hier beschriebenen kombinierten Abwärmenutzung ist auch im Kraftfahrzeug möglich und sinnvoll. Zusätzliche Schwierigkeiten bei der Abwärmenutzung in Kraftfahrzeugen bestehen in der erforderlichen Kompaktheit und der thermischen Trägheit in Kombination mit den relevaten Fahrzyklen des Kraftfahrzeuges. Bei der Nutzung der Abgasenergie nach Stand der Technik mittels eines Abgaswärmetauschers kann dabei nur ein kleiner Teil der Abgasenergie genutzt werden, und dies zusätzlich mit einem geringen Wirkungsgrad, da die dem Abgas entnommene Wärme zu über 80% an die Umgebung abgegeben werden muss. Dies bedingt eine relativ große Kühlerfläche, die im Fahrzeug meist nicht zur Verfügung steht, das Kondensationstemperaturniveau liegt daher nach Stand der Technik bei 60 bis 90°C. Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens ist, dass kein zusätzlicher Fahrzeugkühler untergebracht werden muss. Der sonst übliche Kühlmittelkühler wird durch den Kondensator (8) ersetzt. Die abzuführende Wärme über den Kühlmittelkühler liegt nur wenige Prozent über der erforderlichen Kühlleistung, die ein (nach Stand der Technik serienmässiger) Kühler ohne den Zusatzkreislauf abführen müsste, da ein relativ großer Teil der Wärme aus dem Abgas und dem Kühlwasser in Nutzleistung gewandelt wird. Für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug ist zusätzlich vorgesehen, dass bei dauerhaft hohen Lastzuständen ein Teil der Abgase mittels schaltbarem Bypassventil an dem Wärmetauscher (5 + 6) vorbeigeleitet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass zum einen der Abgasgegendruck in Folge des Wärmetauschers reduziert wird und zum anderen, dass der Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium und somit die abzuführende Wärmemenge über den Kondensator nochmals reduziert werden kann.
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Ein Package in einem PkW ist entsprechend ausgestaltet. Die Speisepumpe ist zur Vermeidung von Kavitation möglichst weit unten angeordnet. Bei PkW-Anwendung kommt kein Kessel ( ) zur Anwendung, dieser kann jedoch in einem Nutzfahrzeug untergebracht werden. Die Innraumheizung des Kraftfahrzeuges wird dabei vorzugsweise über einen dem Kondensator (8) parallel geschalteten Wärmetauscher angetrieben.
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Figurenbeschreibung/Bezugszeichenliste
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: Überblick Rankine-Prozess mit einfacher Überhitzung und einfacher Rekuperation
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: beispielhafte Konfiguration mit einem Kraftfahrzeugmotor
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: Dampfkessel mit 3fach-Funktion, schematisch dargestellt
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: Systemlayout Zwei Kreisprozesse, oben Nebenkreis, unten Kombikreisprozess
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Speisepumpe
- 2
- Ladeluftkühler-Wärmetauscher
- 3
- Kühlmittel-Wärmetauscher, Teilverdampfer des Arbeitskreismediums
- 4
- Rekuperator mit Teilverdampfung des Arbeitskreismediums
- 5
- Abgaswärmetauscher mit Verdampfung des Arbeitsmediums
- 6
- Abgaswärmetauscher zur Überhitzung des gasförmigen Arbeitsmediums
- 7
- Expansionsmaschine
- 8
- Kondensator
- 10
- Verbrennungsmotor
- 11
- Turbolader des Verbrennungsmotors
- 12
- Katalysator des Verbrennungsmotors
- 13
- Abgasführung des Verbrennungsmotors
- 14
- Kesselgehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007038073 A1 [0002, 0003, 0011]
- DE 102009051591 [0002]
