DE102010042405A1

DE102010042405A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010042405A1
Application number: DE102010042405A
Authority: DE
Inventors: Gregory Rewers; Nadja Eisenmenger; Achim Brenk; Dieter Seher; Hans-Christoph Magel; Andreas Wengert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-04-19
Also published as: WO2012048958A3; US8991180B2; WO2012048958A2; US20130283790A1; CN103270252A

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) vorgeschlagen, bei dem in einem Leitungskreis (4), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, eine Speisepumpe (6), ein Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10) und ein Kondensator (12) angeordnet sind. Im Leitungskreis (4) ist eine Bypassverbindung (14) parallel zur Expansionsmaschine (10) geschaltet, wobei in Abhängigkeit von einer Betriebssituation der Brennkraftmaschine (2) die Expansionsmaschine (10) in den Leitungskreis (4) eingekoppelt oder abgekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus DE 10 2006 057 247 A1 ist bereits eine Aufladeeinrichtung bekannt, die zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine dient. Im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Wärmetauscher eines Kreislaufes eines Arbeitsmediums untergebracht. In dem Kreislauf sind außerdem ein Turbinenteil und ein Förderaggregat angeordnet. Über das Turbinenteil wird ein im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnetes Verdichterteil angetrieben.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass durch eine Bypassverbindung, die parallel zur Expansionsmaschine geschaltet ist, dampfförmiges Arbeitsmedium an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet wird. Durch die Steuerung über ein Bypassdruckregelventil lässt sich gezielt in den thermodynamischen Prozess zur Abwärmenutzung eingreifen. Abhängig von einer Betriebssituation der Brennkraftmaschine kann die Expansionsmaschine in einen Leitungskreis eingekoppelt oder abgekoppelt werden. Liegt keine Lastanforderung an der Expansionsmaschine vor, kann der Dampf an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
Vorteilhaft ist die Anordnung eines Bypassdruckregelventil und/oder eines Druckbegrenzungsventils in der Bypassverbindung, da durch diese Regelelemente der Dampf an der Expansionsmaschine bei Bedarf vorbei gesteuert werden kann. Das Druckbegrenzungsventil wird geöffnet sobald ein vorgegebener Druck überschritten ist und kann somit Bauteile im Leitungskreis und die Expansionsmaschine vor Zerstörung durch Überdruck schützen. Das Bypassdruckregelventil kann abhängig von den jeweiligen Lastanforderungen Dampf der Expansionsmaschine zuführen oder an der Expansionsmaschine vorbeileiten.
Ein Druckregelventil in einer Leitung zwischen Speisepumpe und Wärmetauscher ist von Vorteil, da durch das Druckregelventil das Druckniveau für die Verdampfung und damit die Verdampfungstemperatur eingestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Überdruckventil vorgesehen werden. Hierbei ist nur ein einzelnes Druckniveau einstellbar, jedoch fallen geringere Kosten hinsichtlich Anschaffung und Regelung an.
Vorteilhaft ist eine Verbindung des Kondensators mit einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine. Wärme vom Wärmetauscher kann über die Bypassverbindung und den Kondensator an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine abgegeben werden. Diese Energie kann vor der Inbetriebnahme der Expansionsmaschine für ein schnelleres Warmlaufen der Brennkraftmaschine genutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn mindestens eine Leitung der Bypassverbindung durch ein Gehäuse oder in der Nähe des Gehäuses der Expansionsmaschine verläuft. Befinden sich in der Expansionsmaschine Vereisungen oder Rückstände durch ein gefrorenes Arbeitsmedium, so kann durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils erwärmter Dampf durch das Gehäuse oder in der Nähe des Gehäuses der Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden. Durch den erwärmten Dampf werden die Vereisungen und Rückstände entfernt und Schäden beim Start der Expansionsmaschine vermieden.
Wird die Brennkraftmaschine bei reduzierter Leistung betrieben oder die Lastanforderung an die Brennkraftmaschine kurzfristig reduziert, so ist es von Vorteil, wenn durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils die Bypassverbindung vom Arbeitsmedium durchströmt wird, und dadurch die Leistungsabgabe der Expansionsmaschine reduziert wird. Durch die gleichzeitige Leistungsreduzierung von Brennkraftmaschine und Expansionsmaschine kann verhindert werden, dass aufgrund der thermodynamischen Trägheit mit einer gewissen Zeitverzögerung mechanische Energie produziert wird, die keinen Abnehmer findet.
Vorteilhaft ist die Reduzierung von Druckpulsationen und Druckschwingungen im Wärmetauscher und/oder in den anschließenden Leitungen durch ein getaktetes Öffnen des Bypassdruckregelventils, da keine Kosten durch weitere Bauteile zur Unterdrückung von Druckschwingungen entstehen.
Um die Expansionsmaschine vor Schäden durch Wassertropfen, die bei der Kondensation von nicht ausreichend überhitzten Dampf entstehen, zu schützen, kann das Bypassdruckregelventil bei einer zu geringen Qualität des Dampfes geöffnet werden, so dass der Dampf an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
2 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2 mit einem Leitungskreis 4, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im Leitungskreis 4 sind mindestens ein Wärmetauscher 8, eine Expansionsmaschine 10, ein Kondensator 12 und eine Speisepumpe 6 angeordnet.
Die Brennkraftmaschine 2 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 2 ausgestaltet sein. Speziell eignet sich die Vorrichtung zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung zur Abwärmenutzung der Erfindung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage, in der ein Abgaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt 22 der Abgasanlage ist durch einen Wärmetauscher 8 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird über den Leitungsabschnitt 22 im Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft und überhitzt werden kann.
Der Wärmetauscher 8 des Leitungskreises 4 ist über eine Leitung 26 mit der Expansionsmaschine 10 verbunden. Die Expansionsmaschine 10 kann als Turbine oder Kolbenmaschine ausgestaltet sein. Über die Leitung 26 strömt das verdampfte Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine 10 und treibt diese an. Die Expansionsmaschine 10 weist eine Antriebswelle 11 auf, über die die Expansionsmaschine 10 mit einer Last verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise mechanische Energie an einen Antriebsstrang übertragen werden oder zum Antreiben eines elektrischen Generators, einer Pumpe oder dergleichen dienen. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 10 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung 28 zu einen Kondensator 12 geführt. Das über die Expansionsmaschine 10 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 12 abgekühlt. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf 20 kann es sich z. B. um einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 handeln. Das im Kondensator 12 verflüssigte Arbeitsmedium wird über die Leitung 29 von einer Speisepumpe 6 in die Leitung 24 transportiert.
In der Leitung 24 befindet sich ein Druckregelventil 27, welches zur Druckregelung des Arbeitsmediums im Zulauf zum Wärmetauscher 8 dient. Die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums lässt sich mit Hilfe des vorgegebenen Druckes im Zulauf zum Wärmetauscher 8 regulieren. Des Weiteren kann eine Bypassverbindung 31 parallel zur Speisepumpe 6 vorgesehen werden, in der sich ein Überdruckventil 30 befindet. Durch das Überdruckventil 30 lässt sich der maximal zulässige Druck des Arbeitsmediums zwischen Speisepumpe 6 und Wärmetauscher 8 einstellen.
Die Leitung 24 führt direkt in den Wärmetauscher 8, in dem das Arbeitsmedium verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Über die Leitung 26 gelangt das verdampfte Arbeitsmedium erneut zur Expansionsmaschine 10 und das Arbeitsmedium durchströmt erneut den Leitungskreis 4. Durch die Speisepumpe 6 und die Expansionsmaschine 10 ist eine Durchlaufrichtung des Arbeitsmediums durch den Leitungskreis 4 gegeben. Somit kann den Abgasen und den Bestandteilen der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine 2 über den Wärmetauscher 8 fortwährend Wärmeenergie entzogen werden, die in Form von mechanischer Energie an die Welle 11 abgegeben wird.
Als Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim durchströmen des Leitungskreises 4 thermodynamische Zustandsänderungen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung gebracht. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Expansionsmaschine 10 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und auf die Welle 11 übertragen. Das Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 12 abgekühlt und wieder der Speisepumpe 6 zugeführt.
Im Leitungskreis 4 befindet sich eine Bypassverbindung 14, welche parallel zur Expansionsmaschine 10 geschaltet ist. Die Bypassverbindung 14 stellt eine Verbindung zwischen der Leitung 26 zwischen Wärmetauscher 8 und Expansionsmaschine 10 und der Leitung 28 zwischen Expansionsmaschine 10 und Kondensator 12 da. In der Bypassverbindung 14 ist ein weiteres Bypassdruckegelventil 16 angeordnet. Anstelle des weiteren Bypassdruckregelventils 16 kann sich ein Druckbegrenzungsventil 32 in der Bypassverbindung 14 befinden. Es ist auch eine Parallelschaltung des Bypassdruckregelventils 16 und der Druckbegrenzungsventils 32 in der Bypassverbindung 14 möglich.
Durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 oder des Druckbegrenzungsventils 32 ist es möglich das das Arbeitsmedium direkt vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 strömt und an der Expansionsmaschine 10 vorbeigeleitet wird.
Das Druckbegrenzungsventil 32 kann auf einen Maximaldruck eingestellt werden, bei dessen Überschreitung es öffnet und das Arbeitsmedium durch die Bypassverbindung strömen lässt. Dieser Maximaldruck sollte an der Auslegung des Systems angelehnt sein und einen Überdruck im Leitungskreis 4 verhindern. Durch ein rechtzeitiges Öffnen des Druckbegrenzungsventils 32 können Schäden an Bauteilen in der Leitung 26 und an der Expansionsmaschine 10 vermieden werden.
Durch ein gezieltes Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 kann die Leistung der Expansionsmaschine parallel zur Leistung der Brennkraftmaschine 2 reduziert werden. Liegt keine Lastanforderung an die Expansionsmaschine vor kann durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 der Dampf an der Expansionsmaschine 10 gezielt vorbeigeleitet werden.
Des Weiteren kann das Bypassdruckregelventil 16 zur Reduzierung von Druckschwingungen dienen, die im Wärmetauscher 8 und den anschließenden Leitungen 24, 26 auftreten können. Durch ein kurzzeitiges, getaktetes Öffnen und Schließen des Bypassdruckregelventils 16 können die Druckschwingungen reduziert und gedämpft werden.
Wird die Brennkraftmaschine 2 bei niedrigen Umgebungstemperaturen gestartet, so kann die im Wärmetauscher 8 aus dem Abgas oder der Abgasrückführung aufgenommene Wärme direkt über die Bypassverbindung 14 an den Kondensator 12 geleitet werden. Durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 strömt der erwärmte Dampf an der Expansionsmaschine 10 vorbei und wird direkt zum Kondensator 12 geleitet, der die thermische Energie direkt an den Kühlkreislauf 20 des Fahrzeuges weitergeben kann. Da keine Expansion des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine 10 stattgefunden hat, steht besonders viel Energie für den schnellen Warmlauf der Brennkraftmaschine 2 zur Verfügung.
Findet im Wärmetauscher 8 keine ausreichende Überhitzung des Dampfes aufgrund eines zu geringen Wärmeangebotes aus der Abgasanlage statt, so hat der Dampf eine geringe Qualität. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass sich während der Expansion des Dampfes in der Expansionsmaschine 10 Tropfen aufgrund von Kondensation bilden. Diese Tropfen können zu Schäden in der Expansionsmaschine 10 führen. Um die Expansionsmaschine vor diesen Schäden durch Kondensation zu schützen, kann das Bypassdruckregelventil 16 bei einer geringen Qualität des Dampfes geöffnet werden, so dass der Dampf an der Expansionmaschine 10 vorbeigeleitet wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt, bei dem ein Leitungsabschnitt 15 der Bypassverbindung 14, der sich hinter dem Bypassdruckregelventil 16 oder dem Druckbegrenzungsventil 32 befindet durch ein Gehäuse 33 der Expansionsmaschine 10 geleitet wird. Alternativ kann dieser Leitungsabschnitt 15 der Bypassverbindung 14, der sich hinter dem Bypassdruckregelventil 16 oder dem Druckbegrenzungsventil 32 befindet, auch in der Nähe des Gehäuses 33 an der Expansionsmaschine 10 vorbeigeführt werden.
Durch das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel kann bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt oder Nahe beim Gefrierpunkt des Arbeitsmediums vor der Inbetriebnahme der Expansionsmaschine 10 im Wärmetauscher 8 erwärmter Dampf durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 durch das Gehäuse 33 der Expansionsmaschine 10 geleitet oder in der Nähe des Gehäuses 33 der Expansionsmaschine 10 vorbeigeleitet werden. Durch den erwärmten Dampf können Vereisungen oder gefrorene Rückstände in der Expansionsmaschine 10 aufgelöst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006057247 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Leitungskreis (4), in dem eine Speisepumpe (6), mindestens ein Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10) und ein Kondensator (12) angeordnet sind, wobei im Leitungskreis (4) ein Arbeitsmedium zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassverbindung (14) parallel zur Expansionsmaschine (10) geschaltet ist, derart, dass in Abhängigkeit von einer Betriebssituation der Brennkraftmaschine (2) die Expansionsmaschine (10) in den Leitungskreis (4) zur Abwärmenutzung eingekoppelt oder abgekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassverbindung (14) ein Bypassdruckregelventil (16) und/oder ein Druckbegrenzungsventil (32) angeordnet sind/ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in einer Leitung (24) zwischen Speisepumpe (6) und Wärmetauscher (8) durch eine Druckregelventil (27) und/oder ein Überdruckventil (30) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (12) mit einem Kühlkreislauf (20) der Brennkraftmaschine (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gezeichnet, dass mindestens eine Leitung der Bypassverbindung (14) durch ein Gehäuse (33) oder in der Nähe des Gehäuses (33) der Expansionsmaschine (10) verläuft.
Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) für eine der Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium gesteuert von einem Bypassdruckregelventil (16) durch eine Bypassverbindung (14) an der Expansionsmaschine (10) vorbeigeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei reduzierter Leistung der Brennkraftmaschine (2) durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils (16) die Bypassverbindung (14) vom Arbeitsmedium durchströmt wird, und dadurch die Leistungsabgabe der Expansionsmaschine (10) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein getaktetes Öffnen des Bypassdruckregelventils (16) Druckschwingungen im Wärmetauscher (8) und/oder in den anschließenden Leitungen (24, 26) reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des Arbeitsmediums vor der Inbetriebnahme der Expansionsmaschine (10) im Wärmetauscher (8) erwärmtes Arbeitsmedium durch ein Gehäuse (33) der Expansionsmaschine (10) geleitet wird oder in der Nähe des Gehäuses (33) der Expansionsmaschine (10) vorbeigeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigen Temperaturen vor der Inbetriebnahme der Expansionsmaschine (10) das Bypassdruckregelventil (16) geöffnet ist und Wärme vom Wärmetauscher (8) über die Bypassverbindung (14) an den Kühlkreislauf (20) der Brennkraftmaschine (2) abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassdruckregelventil (16) bei einer zu geringen Überhitzung des Dampfes geöffnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassdruckregelventil (16) und/oder das Druckbegrenzungsventil (32) bei der Überschreitung eines vorgegebenen Druckes geöffnet sind/ist.