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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entlüftung eines Abwärmenutzungskreislaufs in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Entgasungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Moderne Verbrennungsmotoren weisen Wirkungsgrade im Bereich von 30% bis 40% auf. Daraus resultierend wird ein großer Teil der dem Verbrennungsmotor zugeführten chemischen Energie in Form von Abwärme vorzugsweise über ein Kühlmittel und eine Abgaswärme an eine Fahrzeugumgebung abgegeben.
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Zu einer Wirkungsgraderhöhung ist dem Verbrennungsmotor ein Kreisprozess nachgeschaltet, bei dem der heiße Abgasstrom und zum Teil das Kühlmittel des Verbrennungsmotors als Wärmequelle zum Betrieb einer nachgeschalteten Maschine im Kreisprozess verwendet wird. Bei dem Kreisprozess handelt es sich üblicherweise um einen so genannten Clausius-Rankine-Prozess oder einen Organic-Clausius-Rankine-Prozess, bei welchem ein flüssiges Medium Wärme aufnimmt, welches unter Wärmezufuhr überwiegend verdampft wird und anschließend in einer Expansionsmaschine unter Abgabe von mechanischer Energie an eine Abtriebswelle entspannt wird. Als Arbeitsmedium kommen hier organische Arbeitsstoffe, eine Mischung solcher organischer Arbeitsstoffe, Alkoholgemische oder Wasser-Alkoholgemische oder Wasser mit bestimmten Additiven in Betracht.
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In der
DE 10 2005 010 236 A1 wird ein Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs beschrieben, mit einem Verbrennungsmotor, einer stromauf des Verbrennungsmotors angeordneten Pumpvorrichtung zum Pumpen eines Kühlmittels durch den Verbrennungsmotor, einem Kühler, dessen Einlassseite über eine erste Kühlmittelleitung mit der Auslassseite des Verbrennungsmotors verbunden ist und dessen Auslassseite über eine zweite Kühlmittelleitung mit der Einlassseite der Pumpvorrichtung verbunden ist, zum Kühlen des Kühlmittels, einer Kühler-Bypassleitung, welche die Auslassseite des Verbrennungsmotors unter Umgehung des Kühlers direkt mit der Einlassseite der Pumpvorrichtung verbindet, und einem Schaltventil, das in der zweiten Kühlmittelleitung zwischen dem Kühler und der Pumpvorrichtung angeordnet ist, zum wahlweisen Öffnen und Schließen der zweiten Kühlmittelleitung und der Kühler-Bypassleitung. Zum sicheren Entlüften der zweiten Kühlmittelleitung während des Befüllprozesses ist ferner ein Schaltventil-Bypasskanal vorgesehen, der die zweite Kühlmittelleitung unter Umgehung des Schaltventils direkt mit der Einlassseite der Pumpvorrichtung verbindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Entlüftung eines Abwärmenutzungskreislaufs in einem Fahrzeug anzugeben, bei welchen eine sichere und effektive Entlüftung kleinster Gasmengen aus einem Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreislaufs ermöglicht ist und daraus resultierend eine Effizienz des Abwärmenutzungskreislaufs signifikant gesteigert ist.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs für eine Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius-Rankine-Kreislaufs oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreislaufs, mit einem zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssigem Arbeitsmedium wird das im Abwärmenutzungskreislauf strömende Arbeitsmedium mittels einer Entgasungsvorrichtung automatisch entlüftet. Somit ist es möglich, einen im Arbeitsmedium vorhandenen Restluftanteil zu minimieren und insbesondere kleinste im Arbeitsmedium enthaltene Restluftmengen automatisch aus- oder abzuscheiden, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad des Abwärmenutzungskreislaufs ermöglicht ist.
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Ein im flüssigen Arbeitsmedium vorhandener Restluftanteil führt dazu, dass das ohne Restluftanteil inkompressible oder nahezu inkompressible Arbeitsmedium kompressibel wird. Daraus resultiert, dass eine Förderleistung einer im Abwärmenutzungskreislauf angeordneten Pumpe sinkt und insbesondere ein von der Pumpe geförderter Massenstrom des Arbeitsmediums unbestimmt wird. Dies ist durch die Entlüftung des Abwärmenutzungskreislaufs sicher vermieden, so dass eine effektive und präzise Steuerung der Pumpe und des von der Pumpe geförderten Massenstroms des Arbeitsmediums und eine daraus resultierende Leistungsregelung des Abwärmenutzungskreislaufs ermöglicht sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind ein Überhitzen von Bauteilen des Abwärmenutzungskreislaufs und/oder eine unkontrollierte, unvollständige Kondensation des Arbeitsmediums im Kondensator verhindert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist durch die erfindungsgemäße Entlüftung ein gleichmäßiges und/oder gleichbleibendes Betriebsdruck- und Ruhedruckniveau im Abwärmenutzungskreislauf ermöglicht.
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Vorteilhafterweise wird die Entgasungsvorrichtung während eines Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs kontinuierlich betrieben. Dadurch wird das Arbeitsmedium während des Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs automatisch und regelmäßig entlüftet. Herkömmlicherweise reduziert oder verringert die im Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreislaufs vorhandene Restluft einen Wärmeübergang in einem Wärmetauscher des Abwärmenutzungskreislaufs. Dies ist durch die kontinuierliche Entlüftung sicher vermieden.
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Besonders vorteilhafterweise wird das flüssige Arbeitsmedium innerhalb der Entgasungsvorrichtung von im Arbeitsmedium enthaltenen, eingelagerten, eingedrungenen, hineindiffundierten und/oder mitbeförderten Gasen oder Gasgemischen getrennt. Somit sind sämtliche während der Befüllung oder während des Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs vom Arbeitsmedium aufgenommene Gase oder Gasgemische abscheid- oder separierbar.
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Zweckmäßigerweise wird das vom Arbeitsmedium separierte oder aus dem Arbeitsmedium abgeschiedene Gas oder Gasgemisch von der Entgasungsvorrichtung geregelt und/oder gesteuert an oder in eine Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs abgegeben. Dadurch wird das abgeschiedene Gas oder das Gasgemisch sicher und vollständig aus dem Abwärmenutzungskreislauf entfernt und einer Umgebung zugeführt.
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Bei der Vorrichtung zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs für eine Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius-Rankine-Kreislaufs oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreislaufs, mit einem zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssigem Arbeitsmedium ist im Abwärmenutzungskreislauf erfindungsgemäß eine Entgasungsvorrichtung angeordnet, welche passiv ausgebildet ist. Eine solche passiv ausgebildete Entgasungsvorrichtung leitet das aus dem Arbeitsmedium abgeschiedene Gas oder Gasgemisch an eine Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs ab. Unter einer passiven Entgasungsvorrichtung wird eine Entgasungsvorrichtung verstanden, welche autark funktioniert, d. h. die Entgasungsvorrichtung ist nicht mit einer Steuereinheit gekoppelt und/oder wird nicht mit einer Zusatzenergie zum Betrieb versorgt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung als Membranventil ausgebildet oder umfasst ein Membranventil. Mittels eines solchen Membranventils ist auf einfache, autarke und wartungsarme Weise im Arbeitsmedium enthaltenes Gas oder Gasgemisch aus- oder abscheidbar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung als Schwimmerventil ausgebildet oder umfasst ein Schwimmerventil. Mittels eines solchen Schwimmerventils ist auf einfache und autarke Weise im Arbeitsmedium enthaltenes Gas oder Gasgemisch aus- oder abscheidbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung in einem Niederdruckabschnitt des Abwärmenutzungskreislaufs in einem flüssigen Arbeitsmediumstrom zwischen einem Kondensatorausgang und einem Pumpeneingang angeordnet. Auf diese Weise ist der Restluftanteil besonders einfach aus dem Arbeitsmedium zu separieren, da das Arbeitsmedium im Abschnitt zwischen dem Kondensatorausgang und dem Pumpeneingang flüssig ist und ein Druck des Arbeitsmediums einem Umgebungsdruck entspricht, wodurch der Restluftanteil besonders einfach aus dem Arbeitsmedium ausscheidbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung an einer gegenüber der Position des Ausgangs des Kondensators und der Position des Eingangs der Fördereinheit erhöhten Position im Abwärmenutzungskreislauf angeordnet. Dadurch kann sich der Restluftanteil im Arbeitsmedium, bedingt durch seine geringere Dichte, an dieser erhöhten Position sammeln und aus dem Arbeitsmedium abgeschieden werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform öffnet die Entgasungsvorrichtung, wenn ein Druck im Niederdruckabschnitt des Abwärmenutzungskreislaufs einen vorgebbaren Wert über einem Umgebungsdruck liegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Abwärmenutzungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung,
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2 schematisch eine Anordnung der Entgasungsvorrichtung zwischen Kondensator und Fördereinheit,
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3 schematisch eine ein Membranventil umfassende Entgasungsvorrichtung,
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4 schematisch eine ein Schwimmerventil umfassende Entgasungsvorrichtung, wobei das Schwimmerventil geöffnet ist, und
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5 schematisch eine ein Schwimmerventil umfassende Entgasungsvorrichtung, wobei das Schwimmerventil geschlossen ist.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Abwärmenutzungsvorrichtung 2 mit einer erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung 3 zur Energierückgewinnung aus einer Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 1. Bei der Verbrennungskraftmaschine 1 kann es sich um einen herkömmlichen Diesel- oder Ottomotor oder eine andere Verbrennungsmaschine, z. B. eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs, handeln.
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In der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 sind eine Fördereinheit 4, eine Wärmetauscheranordnung 5, eine Expansionsvorrichtung 6 und ein Kondensator 7 in einem Abwärmenutzungskreislauf AK verschaltet, wobei in diesem Abwärmenutzungskreislauf AK ein Arbeitsmedium geführt wird und ein in dem Abwärmenutzungskreislauf AK durchgeführter Prozessablauf dem eines so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
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Als Arbeitsmedium 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 Arbeitsmedium in einem Arbeitmittelstrom AS von der Fördereinheit 4 der Wärmetauscheranordnung 5 zugeführt. In der Wärmetauscheranordnung 5 wird das flüssige Arbeitsmedium unter konstantem oder nahezu konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine 1 derart erwärmt, dass es verdampft.
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Dazu ist die Verbrennungskraftmaschine 1 thermisch mit der Wärmetauscheranordnung 5 gekoppelt. Die Wärmetauscheranordnung 5 kann dabei beispielsweise als Abgaswärmetauscher, Abgasrückführungswärmetauscher und/oder Kühlmittelwärmetauscher eine Abgaswärme und/oder eine Wärme eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine 1 verwenden, um das flüssige Arbeitsmedium zu erwärmen und zu verdampfen.
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Das unter hohem Druck stehende dampfförmige Arbeitsmedium wird der Expansionsvorrichtung 6 zugeführt und wird in einer adiabatischen oder nahezu adiabatischen Expansion zu einem dampfförmigen Arbeitsmedium mit Normaldruck entspannt. In der Expansionsvorrichtung 6, die z. B. als Turbine oder Kolbenexpansionsmaschine ausgeführt ist, wird dabei eine kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmediums in eine mechanische Energie umwandelt.
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Beispielsweise kann die erzeugte mechanische Energie bei einer Kopplung der Expansionsvorrichtung 6 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 Verbrennungskraftmaschine 1 wirkt. Weiterhin kann die mittels der Expansionsvorrichtung 6 erzeugte mechanische Energie direkt über nicht näher dargestellte Anordnungen der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Unterstützung zugeführt werden.
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Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmedium einem Kondensator 7 zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmedium mittels einer Kühlung isobar oder nahezu isobar kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass der Fördereinheit 4 eingangsseitig das flüssige Arbeitsmedium zuführbar ist.
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Im Abwärmenutzungskreislauf AK ist erfindungsgemäß zwischen dem Kondensator 7 und der Fördereinheit 4 die Entgasungsvorrichtung 3 angeordnet. Mittels dieser Entgasungsvorrichtung 3 wird der Abwärmenutzungskreislauf AK automatisch entlüftet, d. h. das im Abwärmenutzungskreislauf AK geführte flüssige Arbeitsmedium wird von Gasen oder Gasgemischen getrennt. Diese Gase oder Gasgemische, beispielweise Luft, im Folgenden auch als Restluftanteil RL im Arbeitsmedium bezeichnet, können bei einem Befüllen und/oder im Betrieb des Abwärmenutzungskreislaufs AK in das Arbeitsmedium eindringen, eingelagert oder aufgenommen werden, hineindiffundieren und mitbefördert werden. Ein im flüssigen Arbeitsmedium vorhandener Restluftanteil führt beispielweise dazu, dass das ohne Restluftanteil inkompressible oder nahezu inkompressible Arbeitsmedium kompressibel wird. Daraus resultiert, dass eine Förderleistung der Fördereinheit 4 sinkt und insbesondere ein von der Fördereinheit 4 geförderter Massenstrom des Arbeitsmediums unbestimmt wird. Dadurch wird eine Leistungsregelung des Abwärmenutzungskreislauf AK unpräzise, da diese anhand des von der Fördereinheit 4 geförderten Massenstroms des Arbeitsmediums gesteuert und/oder geregelt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Entgasungsvorrichtung 3 während des Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs AK kontinuierlich betrieben. Dadurch ist ein gleichmäßiges und/oder gleichbleibendes Betriebsdruck- und Ruhedruckniveau im Abwärmenutzungskreislauf AK ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind ein Überhitzen von Bauteilen des Abwärmenutzungskreislaufs AK und/oder eine unkontrollierte, unvollständige Kondensation des Arbeitsmediums im Kondensator 7 verhindert.
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Im Betrieb des Abwärmenutzungskreislaufs AK wird die Entgasungsvorrichtung 3 passiv betrieben und leitet dann aus dem Arbeitsmedium abgeschiedenen Restluftanteil RL an eine Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs AK ab. Unter einem passiven Betrieb der Entgasungsvorrichtung 3 wird verstanden, dass die Entgasungsvorrichtung 3 autark funktioniert, d. h. die Entgasungsvorrichtung 3 ist nicht mit einer Steuereinheit gekoppelt und/oder wird nicht mit einer Zusatzenergie zum Betrieb versorgt.
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Durch die kontinuierliche Entlüftung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreislauf AK mittels der Entgasungsvorrichtung 3 kann der Restluftanteil RL im Arbeitsmedium signifikant reduziert oder vollständig eliminiert werden. Herkömmlicherweise reduziert oder verringert der im Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreislaufs AK vorhandene Restluftanteil RL einen Wärmeübergang in der Wärmetauscheranordnung 5 des Abwärmenutzungskreislaufs AK. Dies ist durch die kontinuierliche Entlüftung sicher vermieden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung 3 in einem Niederdruckabschnitt NA des Abwärmenutzungskreislaufs AK im flüssigen Arbeitsmediumstrom zwischen einem Ausgang des Kondensators 7 und einem Eingang der Fördereinheit 4 angeordnet. Auf diese Weise ist der Restluftanteil RL besonders einfach aus dem Arbeitsmedium zu separieren, da das Arbeitsmedium im Niederdruckabschnitt NA des Abwärmenutzungskreislaufs AK flüssig ist und ein Druck des Arbeitsmediums einem Umgebungsdruck entspricht, wodurch der Restluftanteil RL besonders einfach aus dem Arbeitsmedium ausscheidbar ist.
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In 2 ist schematisch die Anordnung der Entgasungsvorrichtung 3 zwischen Kondensator 7 und Fördereinheit 4 dargestellt. Dabei ist die Entgasungsvorrichtung 3 vorzugsweise an einer erhöhten Position im Abwärmenutzungskreislauf AK angeordnet. Besonders bevorzugt bildet die Entgasungsvorrichtung 3 die höchste Stelle im gesamten Abwärmenutzungskreislauf AK. Dadurch kann sich der Restluftanteil RL im Arbeitsmedium, bedingt durch seine geringere Dichte, an dieser erhöhten Position sammeln und aus Arbeitsmedium abgeschieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Entgasungsvorrichtung 3 als herkömmliches Membranventil ausgebildet sein oder ein herkömmliches Membranventil umfassen. Eine solche Entgasungsvorrichtung 3 mit einer Membran 8 ist in 3 schematisch dargestellt. Bei einem solchen herkömmlichen Membranventil besteht ein Absperrkörper aus einer Membran 8, welche beispielweise durch Abrollen eine Ventilquerschnittsfläche freigibt oder verschließt.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Membran 8 als herkömmliche semipermeable Membran ausgebildet sein, welche nur für den im Arbeitsmedium enthaltenen Restluftanteil RL durchlässig ist. An dieser Membran 8 findet somit eine Phasentrennung zwischen dem flüssigen Arbeitsmedium und dem Restluftanteil RL statt, so dass unterhalb der Membran 8 das Arbeitsmedium geführt ist, während oberhalb der Membran 8 der Restluftanteil RL abgeschieden ist. Der Restluftanteil wird mittels der Auslassöffnung 9 an eine Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs AK abgegeben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Entgasungsvorrichtung 3 als herkömmliches Schwimmerventil ausgebildet sein oder ein herkömmliches Schwimmerventil umfassen. Eine solche Entgasungsvorrichtung 3 mit einem Schwimmer 10 ist in den 4 und 5 schematisch dargestellt. Ein solches herkömmliches Schwimmerventil ist ein durch einen Schwimmer gesteuertes Ventil. Wird ein bestimmter Pegelstand eines flüssigen Mediums, auf welchem der Schwimmer schwimmt, unterschritten, öffnet das Ventil; beim Erreichen des Sollpegels schließt es wieder.
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In 4 ist schematisch die Entgasungsvorrichtung 3 mit dem Schwimmer 10 in geöffneten Zustand dargestellt. Dabei ist der Pegel 11 des Arbeitsmediums derart niedrig, dass der Schwimmer 10 die Auslassöffnung 9 freigibt, so dass der aus dem Arbeitsmedium austretende Restluftanteil RL aus der Auslassöffnung 9 entweichen kann.
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In 5 ist schematisch die Entgasungsvorrichtung 3 mit dem Schwimmer 10 in geschlossenem Zustand dargestellt. Dabei ist der Pegel 11 des Arbeitsmediums so hoch, dass der Schwimmer 10 die Auslassöffnung 9 gasdicht verschließt.
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Nicht näher dargestellt kann in der Auslassöffnung 9 ein herkömmliches Überdruckventil angeordnet sein, welches sich automatisch und selbsttätig öffnet, wenn ein Druck im Niederdruckabschnitt NA des Abwärmenutzungskreislaufs AK einen vorgebbaren Wert über einem Umgebungsdruck liegt. Dabei kann die Entgasungsvorrichtung 3 mit Schwimmer- oder Membranventil zusammen mit diesem Überdruckventil vorteilhafterweise eine kompakte bauliche Einheit bilden. Dabei erfolgt in einer vorteilhaften Ausführung eine Kopplung eines Schwimmerventils mit einem Überdruckventil so, dass nur bei einer festlegbaren Schwimmerposition, die einer ausreichenden Gasmenge entspricht, und bei einem vorliegenden Überdruck ein Öffnen des Entlüftungsventils erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungskraftmaschine
- 2
- Abwärmenutzungsvorrichtung
- 3
- Entgasungsvorrichtung
- 4
- Fördereinheit
- 5
- Wärmetauscheranordnung
- 6
- Expansionsvorrichtung
- 7
- Kondensator
- 8
- Membran
- 9
- Auslassöffnung
- 10
- Schwimmer
- 11
- Pegel
- AK
- Abwärmenutzungskreislauf
- AS
- Arbeitmittelstrom
- NA
- Niederdruckabschnitt
- RL
- Restluftanteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005010236 A1 [0004]
