DE102011100650A1

DE102011100650A1 - Antriebsstrang mit Abwärmenutzsystem

Info

Publication number: DE102011100650A1
Application number: DE102011100650A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Berger; Stephan Bartosch
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für stationäre Anlagen oder Fahrzeuge – mit einem Verbrennungsmotor, der einen Abgasstrom erzeugt; – mit einem im Abgasstrom positionierten Abgasnachbehandlungssystem; – mit einem Abwärmenutzsystem, umfassend einen Dampfkreislauf, in welchem ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator vorgesehen ist, um ein Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes zu verdampfen und nachfolgend in der Expansionsmaschine unter Verrichtung mechanischer Arbeit zu entspannen; wobei – der Verdampfer stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems im Abgasstrom positioniert ist, um Wärme des Abgases auf das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes zu dessen Verdampfung zu übertragen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems im Abgasstrom ein zusätzlicher Wärmetauscher des Dampfkreislaufes positioniert ist, um Wärme des Abgases auf das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes zu übertragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasnachbehandlungssystem und einem Abwärmenutzsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Antriebsstränge der gattungsgemäßen Art sind sowohl im Straßenfahrzeugbereich als auch im Schienenfahrzeugbereich bekannt. Jedoch kommen solche Antriebsstränge, in der Regel mit entsprechend leistungsstärkerem Verbrennungsmotor, auch beispielsweise in Schiffsantrieben zum Einsatz. Neben ferner in Luftfahrzeugen ist die vorliegend Erfindung auch in stationären Anlagen anwendbar, beispielsweise zum Antrieb von Pumpen und/oder Verdichtern insbesondere der Öl- und Gas-Industrie, beispielsweise zur Öl- oder Gas-Förderung, oder in Kraftwerken, insbesondere Blockheizkraftwerken.
Die Abwärmenutzung der Wärme eines Abgasstromes eines Verbrennungsmotors mit einem Dampfkreislauf ist inzwischen seit langem bekannt und wird in jüngerer Zeit forciert weiterentwickelt, um den Wirkungsgrad solcher Antriebsstränge zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Eine weitere wichtige Anforderung an solche Antriebsstränge ist die Einhaltung von Emissionswerten, deren zulässigen Grenzwerte zunehmend verschärft werden. Neuere Antriebsstränge mit Verbrennungsmotoren weisen daher grundsätzlich ein Abgasnachbehandlungssystem auf, welches in der Regel auf hohe Abgastemperaturen angewiesen ist, die einer anderweitigen Abwärmenutzung entgegenstehen. Bei Antriebssträngen mit Abwärmenutzsystem und Abgasnachbehandlungssystem wird daher der Verdampfer des Abwärmenutzsystems, um das Arbeitsmedium eines Dampfkreislaufes zu verdampfen, um dieses dann später unter Verrichtung mechanischer Arbeit in einer Expansionsmaschine zu entspannen, in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Abgasnachbehandlungssystem positioniert, siehe beispielsweise WO 2009/056253 .
Obwohl beide Anforderungen an Antriebsstränge – auf der einen Seite eine maximale Abwärmenutzung der Abwärme des Abgasstromes und auf der anderen Seite eine wirkungsvolle Abgasnachbehandlung, um immer schärfere Grenzwerte einzuhalten – heutzutage ausreichend erfüllt werden, gibt es einen fortwährenden Bedarf für eine weitere Optimierung, sowohl um die Emissionen des Antriebsstranges zu vermindern, als auch den Wirkungsgrad zu steigern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang der eingangs dargestellten Art derart weiterzuentwickeln, dass dieser Bedarf erfüllt wird, und zwar mit möglichst geringem baulichem Aufwand und günstigen Herstellungs- oder Nachrüstungskosten.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung sieht eine Aufteilung der Wärmeübertragung aus dem Abgasstrom in den Dampfkreislauf in wenigstens zwei Wärmetauschern vor, von denen der erste, vorliegend als Verdampfer bezeichnet, in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Abgasnachbehandlungssystem positioniert ist, und der zweite, vorliegend als zusätzlicher Wärmetauscher bezeichnet, in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Abgasnachbehandlungssystem im Abgasstrom positioniert ist. Ferner kann beispielsweise eine Abgasturbine, insbesondere eines Abgasturboladers oder eines Turbocompoundsystems, im Abgasstrom stromaufwärts oder auch stromabwärts des zusätzlichen Wärmetauschers positioniert sein. Auch die Hintereinanderreihung oder Parallelschaltung mehrerer Abgasturbinen an den genannten Stellen kommt in Betracht. Selbstverständlich ist, je nach Bedarf, nicht nur eine Positionierung einer oder mehrerer Abgasturbinen stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems, sondern auch stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems im Abgasstrom möglich, entweder in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Verdampfer oder hinter dem Verdampfer.
Erfindungsgemäß weist der Dampfkreislauf wenigstens den Verdampfer, eine Expansionsmaschine, in welcher das verdampfte Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes unter Verrichtung mechanischer Arbeit expandiert wird, einen Kondensator zur teilweisen oder vollständigen Kondensation des Arbeitsmediums, insbesondere eine Speisepumpe und in der Regel in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Verdampfer den zusätzlichen Wärmetauscher auf, um das teilweise oder vollständig verdampfte Arbeitsmedium weiter zu verdampfen und/oder zu überhitzen. Gemäß einer Ausführungsform ist im Dampfkreislauf ferner ein Arbeitsmediumvorratsbehälter vorgesehen, aus welchem die Speisepumpe das Arbeitsmedium fördert.
Der Arbeitsmediumvorratsbehälter kann beispielsweise als durchflossener Vorratsbehälter ausgeführt sein.
Besonders günstig ist es, wenn der Verbrennungsmotor mit einem Verbrennungsmedium betrieben wird, das besonders hohe Abgastemperaturen erzeugt, beispielsweise mit Gas oder Pflanzenöl. Dementsprechend weist der Verbrennungsmotor bei dieser Ausgestaltung der Erfindung eine Verbrennungsmediumzufuhr, die Gas oder Pflanzenöl führt, auf.
Zusätzlich oder alternativ kann der erfindungsgemäße Antriebsstrang ein Abgasnachbehandlungssystem aufweisen, das vergleichsweise niedrige Eintrittstemperaturen des Abgases verlangt, beispielsweise einen SCR-Katalysator.
Die in einem solchen Katalysator stattfindende selektive katalytische Reduktion von NOx kann beispielsweise einen Einsatztemperaturbereich von 300–400°C aufweisen, das heißt, dass am Abgaseintritt eine entsprechende Abgastemperatur von 300–400°C oder etwas darüber vorherrschen sollte. Insbesondere wird eine Abgastemperatur am Austritt des zusätzlichen Wärmetauschers oder am Eintritt des Abgasnachbehandlungssystems zwischen 320 und 380°C, vorteilhaft zwischen 340 und 360°C, beispielsweise von 350°C eingestellt, insbesondere um die notwendige Additivmenge zu minimieren. Eine besonders günstige erfindungsgemäße Ausführungsform ergibt sich somit aus der Kombination eines Verbrennungsmotors mit hoher Abgastemperatur, beispielsweise bei einem Gasmotor oder einem mit Pflanzenöl betriebenen Verbrennungsmotor, und einem SCR-Katalysator als Abgasnachbehandlungssystem oder als Bestandteil des Abgasnachbehandlungssystems.
Wenn das Abgasnachbehandlungssystem mit einem oder mehreren Additiven arbeitet, so ist es günstig, wenn zwischen dem zusätzlichen Wärmetauscher und dem Abgasnachbehandlungssystem eine oder mehrere Mündungen einer Additivzuführung vorgesehen sind, um dem Abgasstrom das eine Additiv oder mehrere Additive zuzuführen. Vorteilhaft kann sich in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Abgasnachbehandlungssystem eine Vermischungsstrecke, insbesondere mit Verteilungs- und/oder Verwirbelungseinrichtungen, an die Mündungen für das Additiv anschließen.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht eine Steuer- oder Regelvorrichtung zur Einstellung der Temperatur des Abgases am Austritt des zusätzlichen Wärmetauschers oder am Eintritt des Abgasnachbehandlungssystems vor. Eine solche Steuer- oder Regelvorrichtung kann beispielsweise eine abgasseitige und/oder arbeitsmediumseitige Bypass-Steuerung umfassen, mittels welcher wahlweise mehr oder weniger Abgas- und/oder Arbeitsmedium an dem zusätzlichen Wärmetauscher in einem Bypass vorbeigeführt wird und somit nicht an der Wärmeübertragung teilnimmt. Durch Einstellung des Massenstromes beziehungsweise Volumenstromes des durch den zusätzlichen Wärmetauscher strömenden Abgases beziehungsweise Arbeitsmediums kann die Abgastemperatur entsprechend variiert werden, je nachdem ob mehr oder weniger heißes Abgas durch den zusätzlichen Wärmetauscher strömt und/oder mehr oder weniger Arbeitsmedium dem heißen Abgasstrom zugeordnet wird und entsprechend mehr oder weniger Abwärme aus dem Abgasstrom abführt.
Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit zur Einstellung der Temperatur des Abgases am Austritt des zusätzlichen Wärmetauschers oder am Eintritt des Abgasnachbehandlungssystems sieht eine Variation der Menge des umlaufenden Arbeitsmediumstromes im Dampfkreislauf vor, beispielsweise durch Variieren der Leistungsabgabe einer Speisepumpe und/oder durch Abzweigen einer vorbestimmten Arbeitsmediummenge vor oder hinter der Speisepumpe, um diese an den Wärmetauschern und insbesondere auch der Expansionsmaschine vorbeizuleiten beziehungsweise zurück in einen Vorratsbehälter zu pumpen.
Als Arbeitsmedium für den Dampfkreislauf kommt insbesondere Wasser oder ein Wassergemisch in Betracht. Jedoch können auch andere Medien, beispielsweise Ammoniak, als Arbeitsmedium vorgesehen sein. Weitere Beispiele für das Arbeitsmedium sind Ethanol und ein Ethanol-Wasser-Gemisch. Neben dem Clausius-Rankine-Prozess als Kreisprozess für den Dampfkreislauf kommt auch der sogenannte Kalina-Prozess oder andere Prozesse in Betracht.
Als Additiv zur Einspritzung, Eindüsung, Feststoffeinbringung, Verdampfung oder anderer Art der Einbringung in den Abgasstrom kommt beispielsweise eine Harnstofflösung, insbesondere wässrige Harnstofflösung, Ammoniak, Feststoffpellets oder anderes in Betracht.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
In der 1 ist schematisch ein Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor 1 dargestellt, der über seine Kurbelwelle 1.1 beispielsweise Antriebsräder eines Fahrzeugs oder einen elektrischen Generator oder sonstiges Aggregat in einer stationären Anlage, beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk, antreibt. Der Verbrennungsmotor 1 erzeugt einen Abgasstrom 2 in dem in Strömungsrichtung hintereinander eine Abgasturbine 9, die einen Frischluftverdichter 10 eines Abgasturboladers 11 antreibt, der sogenannte zusätzliche Wärmetauscher 8, eine Additivzuführung 12, Verteilungs- und/oder Verwirbelungseinrichtungen 13 einer Vermischungsstrecke, ein Abgasnachbehandlungssystem 3 sowie der Verdampfer 5 positioniert sind. Dies schließt nicht aus, dass im Abgasstrom 2 weitere Einrichtungen, beispielsweise Abgasturbinen oder Abgasnutzturbinen, insbesondere eines Turbocompoundsystems, vorgesehen sein können.
Der dem Verbrennungsmotor 1 zugeführte Frischluftstrom 14 wird mittels des Verdichters 10 des Turboladers 11 verdichtet und anschließend im Kühler 15 gekühlt, bevor er dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird. Die im Kühler 15 abgeführte Wärme könnte beispielsweise auch dem dargestellten Dampfkreislauf 4 zugeführt werden, der nachfolgend noch im Detail erläutert wird, oder anstelle der einstufigen Aufladung könnte eine mehrstufige Aufladung vorgesehen sein. Auch ist es möglich, auf die Aufladung ganz zu verzichten.
Der Dampfkreislauf 4 weist beginnend mit dem Vorratsbehälter 16 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe 17, den Verdampfer 5, den zusätzlichen Wärmetauscher 8, die Expansionsmaschine 6 und einen Kondensator 18 auf. Weitere Komponenten sind nicht ausgeschlossen. Auch können andere Modifikationen am gezeigten Arbeitsmediumkreislauf 4 vorgesehen sein, beispielsweise die Ausführung des Vorratsbehälters 16 für das Arbeitsmedium als nicht durchflossenem Vorratsbehälter.
Die Speisepumpe 17 wird mittels der Expansionsmaschine 6 angetrieben. Ferner speist die Expansionsmaschine 6 ihre Antriebsleistung auf die Kurbelwelle 1.1 des Verbrennungsmotors. Auch hier sind Modifikationen möglich. Beispielsweise kann die Speisepumpe 17 elektrisch angetrieben werden oder durch den Verbrennungsmotor 1. Auch ist es möglich, die Antriebsleistung der Expansionsmaschine 6 nicht auf die Kurbelwelle 1.1, sondern weiter hinten mit der Antriebsleistung des Verbrennungsmotors 1 zu vereinen oder ein anderes Aggregat als den Verbrennungsmotor 1 anzutreiben. Nur beispielhaft soll hier ein elektrischer Generator sowohl in einer stationären als auch in einer mobilen Anlage, insbesondere Kraftfahrzeug, genannt werden. Bei einem Einsatz in einem Kraftwerk, insbesondere Blockheizkraftwerk kann auch beispielsweise eine andere Speisepumpe als die des Dampfkreislaufes angetrieben werden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist als eine Option ein Bypass 19 abgasseitig um den zusätzlichen Wärmetauscher 8 mit einem Ventil 20, um die durch den Bypass 19 strömende Abgasmenge variabel einzustellen, gezeigt. Durch mehr oder minder starkes Öffnen oder Schließen des Ventils 20 kann die Temperatur des Abgasstromes 2 ausgangsseitig des zusätzlichen Wärmetauschers 8 eingestellt werden.
Selbstverständlich wäre eine arbeitsmediumseitige Bypassregelung möglich, um dieselbe Wirkung zu erzielen.
Durch die gezeigte Aufteilung der Wärmeabfuhr aus dem Abgasstrom 2 in dem Abwärmenutzsystem 7, umfassend den Dampfkreislauf 4 und insbesondere den Turbolader 11, kann ein Maximum an Abwärme des Abgasstromes 2 genutzt werden und zugleich die optimale Temperatur des Abgases für das Abgasnachbehandlungssystem 3 eingestellt 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

WO 2009/056253 [0003]

Claims

Antriebsstrang für stationäre Anlagen oder Fahrzeuge; 1.1 mit einem Verbrennungsmotor (1), der einen Abgasstrom (2) erzeugt; 1.2 mit einem im Abgasstrom (2) positionierten Abgasnachbehandlungssystem (3); 1.3 mit einem Abwärmenutzsystem (7), umfassend einen Dampfkreislauf (4), in welchem ein Verdampfer (5), eine Expansionsmaschine (6) und ein Kondensator (18) vorgesehen ist, um ein Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes (4) zu verdampfen und nachfolgend in der Expansionsmaschine (6) unter Verrichtung mechanischer Arbeit zu entspannen; wobei 1.4 der Verdampfer (5) stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems (3) im Abgasstrom (2) positioniert ist, um Wärme des Abgases auf das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes (4) zu dessen Verdampfung zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass 1.5 stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems (3) im Abgasstrom (2) ein zusätzlicher Wärmetauscher (8) des Dampfkreislaufes (4) positioniert ist, um Wärme des Abgases auf das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes (4) zu übertragen.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wärmetauscher (8) im Dampfkreislauf (4) im Arbeitsmediumstrom stromabwärts des Verdampfers (5) positioniert ist, um das Arbeitsmedium weiter zu verdampfen und/oder zu überhitzen.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Abgasstrom (2) zwischen dem zusätzlichen Wärmetauscher (8) und dem Verdampfer (5) positionierte Abgasnachbehandlungssystem (3) einen SCR-Katalysator umfasst oder aus einem solchen besteht.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des zusätzlichen Wärmetauschers (8) im Abgasstrom (2) eine oder mehrere Abgasturbinen (9), insbesondere eines Turboladers (11) und/oder Turbocompoundsystems, vorgesehen sind.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom (2) zwischen dem zusätzlichen Wärmetauscher (8) und dem Abgasnachbehandlungssystem (3) eine oder mehrere Mündungen einer Additivzuführung (12) vorgesehen sind, um dem Abgasstrom (2) das Additiv zuzuführen.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Abgasnachbehandlungssystem (3) eine Vermischungsstrecke, insbesondere mit Verteilungs- und/oder Verwirbelungseinrichtungen (13) an die Mündungen der Additivzuführung (12) anschließt.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- oder Regelvorrichtung zur Einstellung der Temperatur des Abgases am Austritt des zusätzlichen Wärmetauschers (8) oder am Eintritt des Abgasnachbehandlungssystems (3) vorgesehen ist.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regelvorrichtung eine abgasseitige und/oder arbeitsmediumseitige Bypass-Steuerung umfasst, mittels welcher wahlweise mehr oder weniger Abgas und/oder Arbeitsmedium an dem zusätzlichen Wärmetauscher (8) in einem Bypass (19) vorbeiführbar ist.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) als Gasmotor oder mit Pflanzenöl betriebener Verbrennungsmotor (1) ausgeführt ist, mit einer entsprechenden Verbrennungsmediumzufuhr mit Gas oder Pflanzenöl.