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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
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Heutige Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent auf. Die Verluste werden überwiegend als Wärme an ein Kühlmittel und als Abgaswärme abgegeben.
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Im Stand der Technik existieren verschiedene Verfahren und Vorrichtungen, mittels derer aus der Abgaswärme und/oder der Kühlmittelwärme elektrische und/oder mechanische Energie gewonnen wird.
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In der
DE 10 2007 062 598 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung beschrieben, wobei mehreren Wärmetauschern jeweils eine separate Pumpe zugeordnet ist, mit deren Hilfe dem jeweiligen Wärmetauscher das Arbeitsmedium zuführbar ist.
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Die
WO 2004/033859 A1 betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme von thermischen oder chemischen Prozessen, wobei zumindest ein Teil dieser Abwärme über wenigstens einen Wärmeübertrager eine Flüssigkeit verdampft oder einen Dampf oder ein Gas erhitzt und dessen Druck erhöht, und dieser Druck in einer Arbeitsmaschine in mechanische Energie umgewandelt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere energieeffizientere Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einer Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit einer Fördereinheit, zumindest zwei parallel in einem Arbeitsmittelkreislauf angeordneten und von einem Arbeitsmittelstrom durchströmbaren Wärmetauschern, einer Expansionsvorrichtung und einem Kondensator ist zwischen der Fördereinheit und den Wärmetauschern im Arbeitsmittelkreislauf zumindest eine erste Verteilungseinrichtung derart angeordnet, dass der Arbeitsmittelstrom in Arbeitsmittelteilströme aufgeteilt ist und der durch den jeweiligen Wärmetauscher strömende Arbeitsmittelteilstrom steuer- und/oder regelbar ist.
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Durch die Kombination einer einzigen Fördereinheit mit einer ersten Verteilungseinrichtung ist es in einfacher Art und Weise möglich, für jeden Wärmetauscher einen Arbeitsmittelstrom betriebspunktabhängig und individuell einzustellen. Somit ist eine aktive Steuerung und/oder Regelung zur Verteilung des Arbeitsmittelstromes in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess bei mehreren parallel geschalteten Wärmetauschern, Verdampfer und/oder Wärmequellen und demzufolge eine aktive Beeinflussung des Verdampfungsprozesses der einzelnen Wärmetauscher, Verdampfer und/oder Wärmequellen möglich.
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Eine mögliche und besonders einfache Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die erste Verteilungseinrichtung zumindest eine erste Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung umfasst. Hierdurch ist eine einfache Aufteilung des Arbeitsmittelstromes in mehrere Arbeitsmittelteilströme ermöglicht, wobei die jeweiligen Arbeitsmittelteilströme individuell geöffnet oder geschlossen werden können.
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Zweckmäßigerweise ist zusätzlich zu der ersten Verteilungseinrichtung mit zumindest einer den Wärmetauschern vorgeschalteten ersten Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung eine zweite Verteilungseinrichtung mit zumindest einer den Wärmetauschern nachgeschalteten zweiten Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung vorgesehen. Dabei dient die vorgeschaltete erste Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung der Aufteilung des Arbeitsmittelstromes in eine der Anzahl der Wärmetauscher entsprechende Anzahl von Arbeitsmittelteilströmen. Die nachgeschaltete zweite Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung dient der Zusammenführung der aus den Wärmetauschern ausströmenden Arbeitsmittelteilströme zu dem Gesamt- oder Arbeitsmittelstrom.
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Alternativ oder zusätzlich kann die erste Verteilungseinrichtung eine der Anzahl der Wärmetauscher entsprechende Anzahl von Durchflussregeleinrichtungen umfassen. Dabei sind die Durchflussregeleinrichtungen strömungseingangsseitig den Wärmetauschern vorgeschaltet. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass den Wärmetauschern eine entsprechende Anzahl von Durchflussregeleinrichtungen und eine diesen vorgeschaltete erste Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung vorgeschaltet und eine zweite Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung nachgeschaltet ist.
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Der Arbeitsmittelstrom durch einen jeden Wärmetauscher ist mittels der ersten Verteilungseinrichtung in einfacher Art und Weise einstellbar und an einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine anpassbar. Auf diese Weise ist ein optimierter Betrieb der Wärmetauscher ermöglicht, welcher insbesondere an die Verlustwärmeabgabe der Brennkraftmaschine angepasst ist. Somit ist eine besonders effektive Energieausnutzung der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Verlustwärme ermöglicht. Die Wärmeverluste der Brennkraftmaschine sind minimiert und der Wirkungsgrad ist signifikant verbessert.
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Die Wärmetauscher können dabei beispielsweise als Abgaswärmetauscher, Abgasrückführungswärmetauscher, Ladeluftkühler und/oder Kühlmittelwärmetauscher eine Abgaswärme, eine Ladeluftwärme und/oder eine Wärme eines Kühlmittels der Brennkraftmaschine verwenden, um das flüssige Arbeitsmittel zu erwärmen und zu verdampfen. Diese Wärmetauscher ermöglichen eine besonders effektive Nutzung einer Verlustwärme der Brennkraftmaschine. Das mittels der Wärmetauscher erzeugte dampfförmige Arbeitsmittel wird in einer Expansionsvorrichtung entspannt, wobei in der Expansionsvorrichtung eine kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmittels in eine Rotationsenergie umgewandelt wird. Die Expansionsvorrichtung ist z. B. mit einem Generator koppelbar, der elektrische Energie erzeugt. Auch kann die Expansionsvorrichtung die Brennkraftmaschine mittels einer gekoppelten mechanischen Verbindung mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs direkt unterstützen. Somit wird die Verlustwärme der Brennkraftmaschine derart genutzt, dass eine Kraftstoffersparnis der Brennkraftmaschine und eine Reduzierung der Abgasmenge und der Betriebskosten des Fahrzeugs erreicht werden.
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Die parallel im Arbeitsmittelkreislauf angeordneten Wärmetauscher sind mit Wärmeenergie von unterschiedlichen Wärmequellen beaufschlagbar. Vorteilhafterweise ist einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine und/oder einer Ladeluftführung der Brennkraftmaschine und/oder einer Abgasrückführung der Brennkraftmaschine und/oder einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine jeweils ein separater Wärmetauscher zugeordnet, wodurch nahezu die gesamte, im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallende Verlustwärmeenergie in den Wärmetauschern und daraus resultierend im Clausius-Rankine-Kreisprozess nutzbar ist.
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Beim Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit zumindest zwei parallel im Arbeitsmittelkreislauf angeordneten und von einem Arbeitsmittelstrom durchströmbaren Wärmetauschern wird erfindungsgemäß im Arbeitsmittelkreislauf in Strömungsrichtung gesehen vor den Wärmetauschern der Arbeitsmittelstrom in mehrere Arbeitsmittelteilströme derart geteilt, dass ein jeder Wärmetauscher gesteuert und/oder geregelt mit einem der Arbeitsmittelteilströme beaufschlagt wird. In den Wärmetauschern wird vorteilhafterweise die Ab- bzw. Verlustwärme der Brennkraftmaschine betriebspunktabhängig und individuell gesteuert und/oder geregelt einer energetischen Nutzung zugeführt.
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Bei einer Parallelschaltung unterschiedlicher Wärmetauscher, beispielsweise eines Abgaswärmetauschers und eines Abgasrückführungswärmetauschers, ist die Zuordnung von separaten Durchflussregeleinrichtungen zu jedem Wärmetauscher besonders vorteilhaft, da auf diese Weise Teilmassenströme des Arbeitsmittels durch die einzelnen Wärmetauscher derart einstellbar werden, dass sich stromabwärts der Wärmetauscher weitgehend identische Drücke und/oder Dichten des Arbeitsmittels ergeben. Dadurch ist die Gefahr einer Zirkulation des Arbeitsmittels über die Leitungsstränge zwischen den einzelnen Wärmetauschern verringert.
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In einer möglichen Ausführungsform wird der Arbeitsmittelstrom durch den jeweiligen Wärmetauscher mittels der den Wärmetauschern zugeordneten Durchflussregeleinrichtungen in Abhängigkeit von der Zeit, z. B. zeitlich getaktet, gesteuert und/oder geregelt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Arbeitsmittelstrom durch den jeweiligen Wärmetauscher mittels der den Wärmetauschern zugeordneten Durchflussregeleinrichtungen temperaturabhängig, beispielsweise in Abhängigkeit von den jeweiligen Austrittstemperaturen des Arbeitsmittels aus dem betreffenden Wärmetauscher, gesteuert und/oder geregelt.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform wird der Arbeitsmittelstrom durch den jeweiligen Wärmetauscher mittels der den Wärmetauschern zugeordneten Durchflussregeleinrichtungen druckabhängig, beispielsweise in Abhängigkeit vom jeweiligen Arbeitsmitteldruck vor und/oder nach einem jeden Wärmetauscher, gesteuert und/oder geregelt.
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Die den jeweiligen Wärmetauschern zugeordneten Durchflussregeleinrichtungen werden vorteilhafterweise unabhängig voneinander gesteuert und/oder geregelt. Somit ist der Arbeitsmittelstrom durch den jeweiligen Wärmetauscher an die vom Wärmetauscher absorbierte Wärmemenge anpassbar. Insbesondere ist es bei dieser Ausgestaltungsform möglich, Teilmassenströme des Arbeitsmittels durch die einzelnen Wärmetauscher individuell für jeden Wärmetauscher einzustellen.
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Die Wärmetauscher werden mit Wärmeenergie einer einzelnen oder mit Wärmeenergie unterschiedlicher Wärmequellen der Brennkraftmaschine beaufschlagt. Beispielweise wird ein erster Wärmetauscher vom Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt, während ein zweiter Wärmetauscher von komprimierter und somit erhitzter Ladeluft durchströmt wird und ein dritter Wärmetauscher von Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf durchströmt wird.
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Weiterhin ist eine Anordnung mehrere Wärmetauscher beispielsweise in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine möglich, welche alle vom Abgas durchströmt werden.
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Das Verfahren ermöglicht durch Umsetzung der thermischen Energie des Abgases, der Ladeluft und/oder des Kühlmittels im Clausius-Rankine-Kreisprozess eine Verringerung der thermischen Last für das Fahrzeugkühlsystem und somit eine Entlastung des Fahrzeugkühlsystems.
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Das Verfahren kann besonders vorteilhafterweise bei jeder Brennkraftmaschine eingesetzt werden, um eine optimierte Beaufschlagung der parallel angeordneten Wärmetauscher zu realisieren.
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Zusammenfassend ermöglicht es die Erfindung in vorteilhafter Weise, Drücke und/oder Dichten des gasförmigen Arbeitsmittels an den Ausgängen der Wärmetauscher mittels der Einstellung und Steuerung der zugeführten Mengen des flüssigen Arbeitsmittels zu beeinflussen. Insbesondere ist durch die Erfindung eine Gefahr einer Zirkulation des Arbeitsmittels zwischen den Ausgangsseiten der Wärmetauscher vermindert. Dadurch wird als Vorteil der Erfindung eine Wirkungsgradsteigerung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses erreicht. Durch die Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird im Weiteren der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Wärmerückgewinnungsvorrichtung,
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2 schematisch eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscheranordnung,
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3 schematisch eine Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscheranordnung,
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4 schematisch eine Detailansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscheranordnung,
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5 schematisch eine Detailansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscheranordnung und
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6 schematisch eine Detailansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscheranordnung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 1 mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 dargestellt.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist als herkömmlicher Diesel- oder Ottomotor ausgebildet und thermisch mit einer Wärmetauscheranordnung 3 gekoppelt.
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In der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 sind eine Fördereinheit 4, die Wärmetauscheranordnung 3, eine Expansionsvorrichtung 5 und ein Kondensator 6 in einem Arbeitsmittelkreislauf AK verschaltet, wobei in diesem Arbeitsmittelkreislauf AK ein Arbeitsmittel geführt wird und ein in dem Arbeitsmittelkreislauf AK durchgeführter Prozessablauf dem eines so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
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Als Arbeitsmittel können herkömmliche organische und/oder anorganische Arbeitsmittel, wie z. B. Wasser, Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, weitere Flüssigkeiten und/oder Lösungen dieser verwendet werden.
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Im Prozessablauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses wird das flüssige Arbeitsmittel in einem Arbeitmittelstrom AS von der Fördereinheit 4 der Wärmetauscheranordnung 3 zugeführt. In der Wärmetauscheranordnung 3 wird das flüssige Arbeitsmittel unter annähernd konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine 1 derart erwärmt, dass es verdampft.
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Die Wärmetauscheranordnung 3 kann dabei beispielsweise als Abgaswärmetauscher, Ladeluftwärmetauscher, Abgasrückführungswärmetauscher und/oder Kühlmittelwärmetauscher eine Abgaswärme und/oder eine Wärme eines Kühlmittels der Brennkraftmaschine 1 verwenden, um das flüssige Arbeitsmittel zu erwärmen und zu verdampfen.
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Das unter hohem Druck stehende dampfförmige Arbeitsmittel wird der Expansionsvorrichtung 5 zugeführt und wird in einer adiabatischen Expansion zu einem dampfförmigen Arbeitsmittel mit Normaldruck entspannt. In der Expansionsvorrichtung 5, die z. B. als Turbine oder Kolbenexpansionsmaschine ausgeführt ist, wird dabei eine kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmittels in eine mechanische Energie umwandelt.
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Beispielsweise kann die erzeugte mechanische Energie bei einer Kopplung der Expansionsvorrichtung 5 mit einem nicht näher dargestellten elektrischen Generator in eine elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann z. B. zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Elektromotors genutzt werden, der unterstützend zu der Brennkraftmaschine 1 wirkt. Weiterhin kann die mittels der Expansionsvorrichtung 5 erzeugte mechanische Energie direkt über nicht näher dargestellte Anordnungen der Brennkraftmaschine 1 zur Unterstützung zugeführt werden.
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Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmittel einem Kondensator 6 zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmittel mittels einer Kühlung annähernd isobar kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass der Fördereinheit 4 eingangsseitig das flüssige Arbeitsmittel zuführbar ist.
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In 2 ist schematisch eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscheranordnung 3' dargestellt.
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Die Wärmetauscheranordnung 3' umfasst eine Mehrzahl von einzelnen Wärmetauschern 3.1 bis 3.x, welche parallel im Arbeitsmittelkreislauf AK des Clausius-Rankine-Kreisprozesses angeordnet und mit Arbeitsmittelteilströmen TS1 bis TSx beaufschlagbar sind.
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Darüber hinaus können in einer Ausführungsform die einzelnen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x im Abgasstrom AG der Brennkraftmaschine 1 hintereinander angeordnet sein und/oder werden nacheinander mit der Verlustwärme des Abgasstromes AG beaufschlagt.
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Beispielweise sind die einzelnen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x als Abgaswärmetauscher ausgebildet und in einer nicht dargestellten Abgasanlage der Brennkraftmaschine 1 angeordnet.
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Mit anderen Worten ist die Mehrzahl von einzelnen Wärmetauschern 3.1 bis 3.x in diesem Ausführungsbeispiel mit der Verlustwärme einer einzelnen Wärmequelle – des Abgases der Brennkraftmaschine 1 – beaufschlagbar.
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Herkömmlicherweise werden häufig zur Förderung der Teilströme des Arbeitsmittels mehrere Förder- oder Pumpeneinheiten eingesetzt. Dabei sind bei einer einfachen parallelen Verschaltung der Wärmetauscher 3.1 bis 3.x im Arbeitsmittelkreislauf AK die Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx des flüssigen Arbeitsmittels durch die Wärmetauscher 3.1 bis 3.x nicht exakt vorgebbar. Dadurch kann es zu einer Zirkulation des dampfförmigen Arbeitsmittels zwischen den Ausgangsseiten der Wärmetauscher 3.1 bis 3.x kommen. Somit stellen sich undefinierte und wirkungsgradnachteilige Zustände in dem Clausius-Rankine-Kreisprozess ein.
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Um dies zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, zwischen der Fördereinheit 4 und den Wärmetauschern 3.1 bis 3.x eine erste Verteilungseinrichtung V1 anzuordnen, mittels der der geförderte Arbeitsmittelstrom AS in Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx aufgeteilt wird, die individuell gesteuert und/oder geregelt den jeweiligen Wärmetauschern 3.1 bis 3.x zugeführt werden. Ausgangsseitig der Wärmetauscher 3.1 bis 3.x werden die Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx gesammelt und dem Arbeitsmittelstrom AS wieder zugeführt.
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Durch die Kombination von Fördereinheit 4 und erster Verteilungseinrichtung V1 ist eine einzige Fördereinheit ausreichend. Es können aber auch mehrere Fördereinheiten in Kombination mit der ersten Verteilungseinrichtung vorgesehen sein (nicht näher dargestellt).
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Zur individuellen Steuerung und/oder Regelung der Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx umfasst die erste Verteilungseinrichtung V1 zumindest eine Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung. Ausgangsseitig der Wärmetauscher 3.1 bis 3.x kann zur Sammlung der Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx eine zweite Verteilungseinrichtung V2, z. B. eine Mehrwege-Verteilungseinrichtung, angeordnet sein. Die Mehrwege-Verteilungseinrichtungen sind als herkömmliche Verteilungseinrichtungen ausgebildet, welche den Arbeitsmittelstrom AS in einzelne Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx aufteilen und stromabwärts nach den Wärmetauschern 3.1 bis 3.x wieder zusammenführen.
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Mittels der ersten Verteilungseinrichtung V1 kann somit jedem Arbeitsmitteleingang 9.1 bis 9.x eines jeden Wärmetauschers 3.1 bis 3.x ein Arbeitsmittelteilstrom TS1 bis TSx des flüssigen Arbeitsmittels individuell zugeführt werden.
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Somit ist es insbesondere möglich, die Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx durch die einzelnen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x an die Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 anzupassen. Zur Erfassung der Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 ist zweckmäßigerweise ebenfalls die nicht dargestellte Steuereinheit vorgesehen, welche elektrisch mit der/den Verteilungseinrichtung/en V1 und/oder V2 gekoppelt ist, so dass die Verteilungseinrichtung/en V1 und/oder V2 betriebszustandsabhängig individuell ansteuerbar ist/sind.
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Mit anderen Worten kann für jeden Wärmetauscher 3.1 bis 3.x der Arbeitsmittelteilstrom TS1 bis TSx betriebspunktabhängig und individuell eingestellt werden. Auf diese Weise ist ein optimierter Betrieb der Wärmetauscher 3.1 bis 3.x ermöglicht, welcher insbesondere an die Verlustwärmeabgabe der Brennkraftmaschine 1 angepasst ist.
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In 3 ist schematisch eine Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscheranordnung 3'' dargestellt.
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Der einzige Unterschied zur Wärmetauscheranordnung 3' besteht im Aufbau der ersten Verteilungseinrichtung V1. Die erste Verteilungseinrichtung V1 umfasst eine erste Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung 8.1 und dieser nachgeschaltet eine der Anzahl der Wärmetauscher 3.1 bis 3.x entsprechende Anzahl von Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x.
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Mittels der Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x sind die Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx durch die zugehörigen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x individuell, z. B. zeitabhängig, zeitlich getaktet, druckabhängig, z. B. in Abhängigkeit vom Arbeitsmitteldruck, temperaturabhängig, z. B. in Abhängigkeit von der Arbeitsmitteltemperatur, und/oder ereignisabhängig, z. B. betriebspunktabhängig, stufenweise und/oder stufenlos steuer- und/oder regelbar.
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Die Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x sind beispielsweise einfache Stromdurchgangsventile, deren Stromdurchgänge individuell einstellbar sind. Alternativ können dies Druckventile, Sperrventile oder Wegeventile sein.
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Besonders vorteilhafterweise sind die Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x als eine herkömmliche, steuerbare Verteil- oder Dosier- und Verzweigeinrichtung ausgebildet, Dabei können die Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x elektrisch, mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch gesteuert werden. Hierzu können die Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x als Klappe, Schieber, Hahn oder Ventil ausgebildet sein, die mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit gesteuert werden.
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In 4 ist schematisch eine Detailansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscheranordnung 3''' dargestellt.
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Die Wärmetauscheranordnung 3'' umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zumindest zwei einzelne Wärmetauscher 3.1 und 3.2, welche parallel im Arbeitsmittelkreislauf AK des Clausius-Rankine-Kreisprozesses angeordnet sind. Die beiden Wärmetauscher 3.1 und 3.2 werden von unterschiedlichen Wärmequellen mit der Verlustwärme der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagt.
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Beispielweise ist der Wärmetauscher 3.1 als Abgaswärmetauscher ausgebildet und in einer nicht dargestellten Abgasanlage der Brennkraftmaschine 1 angeordnet, wobei der Wärmetauscher 3.1 die Abgaswärme der Brennkraftmaschine 1 nutzt. Der zweite Wärmetauscher 3.2 ist als Kühlmittelwärmetauscher ausgebildet und in einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 1 angeordnet, wobei der Wärmetauscher 3.2 die Kühlmittelwärme eines Kühlmittels KM der Brennkraftmaschine 1 nutzt.
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In einer alternativen Ausführungsvariante kann der Wärmetauscher 3.2 als Abgasrückführungswärmetauscher ausgebildet und in einer nicht dargestellten Abgasrückführungsanlage der Brennkraftmaschine 1 angeordnet werden, wobei der Wärmetauscher 3.2 die Abgaswärme des rückgeführten Abgases der Brennkraftmaschine 1 nutzt.
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Mit anderen Worten sind die einzelnen Wärmetauscher 3.1 und 3.2 in diesem Ausführungsbeispiel mit der Verlustwärme verschiedener Wärmequellen der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagbar. Dadurch ist vorteilhafterweise die gesamte, im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 anfallende Verlustwärmeenergie in den Wärmetauschern 3.1 und 3.2 und daraus resultierend im Clausius-Rankine-Kreisprozess nutzbar.
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Den jeweiligen Wärmetauschern 3.1 und 3.2 ist zur individuellen Steuerung und/oder Regelung der zugehörigen Arbeitsmittelteilströme TS1 bzw. TS2 eine Durchflussregeleinrichtung 7.1 bzw. 7.2 vorgeschaltet, der bzw. denen wiederum eine erste Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung 8.1 zur Aufteilung des Arbeitsmittelstromes AS auf die zugehörigen Arbeitsmittelteilströme TS1 bzw. TS2 vorgeschaltet ist. Strömungsausgangsseitig werden die Arbeitsmittelteilströme TS1 und TS2 über eine zweite Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung 8.2 dem Arbeitsmittelstrom AS wieder zugeführt.
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In diesem Ausführungsbeispiel bilden die strömungseingangsseitigen Durchflussregeleinrichtungen 7.1 und 7.2 und die erste Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung 8.1 die erste Verteilungseinrichtung V1 und die zweite Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung 8.2 die zweite Verteilungseinrichtung V2.
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In einer weiteren alternativen und in 5 dargestellten Ausführungsform einer Wärmetauscheranordnung 3'''' werden die Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx durch den jeweiligen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x mittels der den Wärmetauschern 3.1 bis 3.x zugeordneten Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x temperaturabhängig gesteuert und/oder geregelt. Beispielsweise werden die jeweiligen Arbeitmittelteilströme TS1 bis TSx in Abhängigkeit von der jeweiligen Austrittstemperatur des Arbeitsmittels aus dem jeweiligen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x gesteuert und/oder geregelt.
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In dieser Ausführungsform ist jedem Arbeitsmittelausgang 10.1 bis 10.x eines jeden Wärmetauschers 3.1 bis 3.x jeweils ein Temperatursensor 11.1 bis 11.x zugeordnet, welcher ein entsprechendes Temperatursignal an die nicht dargestellte Steuereinheit übermittelt. Die Steuereinheit ermittelt in Abhängigkeit von den Temperatursignalen der einzelnen Temperatursensoren 11.1 bis 11.x und/oder in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 jeweils ein separates Steuersignal für die Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x und/oder die Mehrwege-Durchflussregeleinrichtungen 8.1 bis 8.2.
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In einer weiteren, in 6 dargestellten Ausführungsform einer Wärmetauscheranordnung 31''''' werden die Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx durch den jeweiligen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x mittels der Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x druckabhängig gesteuert und/oder geregelt. Beispielsweise werden die Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx in Abhängigkeit der Arbeitsmitteldrücke vor und/oder nach jedem Wärmetauscher 3.1 bis 3.x gesteuert und/oder geregelt.
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In dieser Ausführungsform ist jedem Arbeitsmitteleingang 9.1 bis 9.x und jedem Arbeitsmittelausgang 10.1 bis 10.x eines jeden Wärmetauschers 3.1 bis 3.x jeweils ein Drucksensor 12.1 bis 12.n zugeordnet, welcher ein entsprechendes Drucksignal an die nicht dargestellte Steuereinheit übermittelt. Die Steuereinheit ermittelt in Abhängigkeit der Drucksignale der einzelnen Drucksensoren 12.1 bis 12.n und/oder in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 jeweils ein separates Steuersignal für die Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x und/oder die Mehrwege-Durchflussregeleinrichtungen 8.1 bis 8.2.
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Während der Durchführung des Verfahrens werden die Arbeitsmittelteilströme TS1 bis TSx durch die parallel angeordneten Wärmetauscher 3.1 bis 3.x durch individuelle Ansteuerung der Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x so eingestellt, dass sich in den Leitungen stromabwärts der einzelnen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x weitgehend identische Strömungsverhältnisse des Arbeitsmittels einstellen. Insbesondere lässt sich durch eine entsprechende Ansteuerung der Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x erreichen, dass das Arbeitsmittel in den Leitungen ausgangsseitig der einzelnen Wärmetauscher 3.1 bis 3.x einen weitgehend gleichen Druck und/oder eine weitgehend gleiche Dichte aufweist. Auf diese Weise lassen sich definierte Strömungsverhältnisse des Arbeitsmittels in dem Leitungssystem stromabwärts der Wärmetauscher 3.1 bis 3.x erzielen.
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Insbesondere ist die Gefahr einer Zirkulation des dampfförmigen Arbeitsmittels zwischen den einzelnen Wärmetauschern 3.1 bis 3.x verringert, woraus ein verbesserter Wirkungsgrad des Clausius-Rankine-Kreisprozesses resultiert. Die Zuordnung separater Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x zu den Wärmetauschern 3.1 bis 3.x ist besonders vorteilhaft bei einer Parallelschaltung von Wärmetauschern 3.1 bis 3.x unterschiedlichen Typs, beispielsweise eines Abgaswärmetauschers, eines Abgasrückführungswärmetauschers und eines Kühlmittelwärmetauscher, welche mit der Verlustwärme verschiedener Wärmequellen beaufschlagt werden.
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Nicht näher dargestellt können die den einzelnen Wärmetauschern 3.1 bis 3.x zugeordneten Durchflussregeleinrichtungen 7.1 bis 7.x stromabwärts nach den Wärmetauschern 3.1 bis 3.x angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Wärmerückgewinnungsvorrichtung
- 3 bis 3''''
- Wärmetauscheranordnung
- 3.1 bis 3.x
- Wärmetauscher
- 4
- Fördereinheit
- 5
- Expansionsvorrichtung
- 6
- Kondensator
- 7.1 bis 7.x
- Durchflussregeleinrichtung
- 8.1
- erste Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung
- 8.2
- zweite Mehrwege-Durchflussregeleinrichtung
- 9.1 bis 9.x
- Arbeitsmitteleingang
- 10.1 bis 10.x
- Arbeitsmittelausgang
- 11.1 bis 11.x
- Temperatursensor
- 12.1 bis 12.n
- Drucksensor
- AG
- Abgasstrom
- AK
- Arbeitsmittelkreislauf
- AS
- Arbeitsmittelstrom
- KM
- Kühlmittel
- TS1 bis TSx
- Arbeitsmittelteilstrom
- V1
- erste Verteilungseinrichtung
- V2
- zweite Verteilungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062598 A1 [0004]
- WO 2004/033859 A1 [0005]
