DE102011117057A1 - Abwärmenutzungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung (2) mit einem Abwärmenutzungskreis (4) und einem Nebenzweig (5) durch die ein Arbeitsmedium strömt. Ein erhöhter Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) wird erreicht, in dem das Arbeitsmedium im Nebenzweig (5) von einer Saugstrahlfördereinrichtung (8) angetrieben wird und der Abwärmenutzungskreis (4) sowie der Nebenzweig (5) jeweils einen Verdampfer (7, 17) aufweisen, die jeweils das Arbeitsmedium verdampfen bzw. heizen. Die Erfindung betrifft zudem eine Anordnung (1) einer derartigen Abwärmenutzungsvorrichtung (2) an einer Brennkraftmaschine (3).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung sowie eine Anordnung einer derartigen Abwärmenutzungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges.
  • Eine Abwärmenutzungsvorrichtung dient der Nutzung von in der Regel als Beiprodukt erzeugten Wärme. Bei einer Brennkraftmaschine wird diese Wärme durch die Verbrennung eines Kraftstoffes erzeugt. Die zu nutzende Wärme liegt in diesem Fall vor allem als in einem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Wärme vor. Zudem wird die Brennkraftmaschine üblicherweise durch einen Kühlkreis gekühlt, wodurch ein Kühlmittel des Kühlkreises ebenfalls eine von der Brennkraftmaschine stammende Wärme enthält. Wünschenswert ist es, beide dieser Wärmequellen, also das Abgas der Brennkraftmaschine sowie das von der Brennkraftmaschine aufgewärmte Kühlmittel, gemeinsam zu nutzen, wobei zu beachten ist, dass das Kühlmittel in der Regel eine niedrigere Temperatur aufweist als das Abgas.
  • Aus der DE 10 2007 057 164 ist ein System bekannt, welches zwei Wärmetauscher aufweist, die in einem von einem ersten Arbeitsmedium zirkulierten Rankine-Kreis integriert sind. Beide Wärmetauscher werden zudem von einem zweiten Arbeitsmedium durchströmt, wobei das zweite Arbeitsmedium sowohl die Wärme des Abgases der Brennkraftmaschine als auch die Wärme des Kühlmittels der Brennkraftmaschine aufnimmt und an die Wärmetauscher abgibt. Die Wärme und somit die Energie des zweiten Arbeitsmediums wird hier mittels der Wärmetauscher auf das zweite Arbeitsmedium übertragen, welches einen Generator antreibt und die Wärme somit nutzt.
  • Nachteilig dabei ist, dass das zweite Arbeitsmedium ein konstantes Druckniveau aufweist. Wird das Kühlmittel einerseits zum Verdampfen des zweiten Arbeitsmediums verwendet, so weist das Arbeitsmedium einen niedrigen Druck auf, so dass die Effizienz der Wärmeübertragung des Abgases auf das zweite Arbeitsmedium reduziert ist. Wird das Kühlmittel andererseits zum Vorwärmen bzw. Vorheizen des zweiten Arbeitsmediums verwendet, so ist die Effizienz der anschließenden Wärmeübertragung durch das Abgas ebenfalls reduziert und ein Verdampfen des Arbeitsmediums erschwert.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abwärmenutzungsvorrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen erhöhten Wirkungsgrad sowie eine kostengünstige Herstellung auszeichnet.
  • Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelost. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Abwärmenutzungsvorrichtung mit einem Abwärmenutzungskreis und einem Nebenzweig auszustatten, die von einem Arbeitsmedium durchströmbar sind und jeweils einen Verdampfer aufweisen, wobei das Arbeitsmedium im Nebenzweig ein anderes Druckniveau, insbesondere ein niedrigeres Druckniveau, als im Abwärmenutzungskreis aufweist. Somit ist es möglich, die jeweiligen Verdampfer in einem einzigen Kreislauf auf unterschiedlichen Druckniveaus zu betreiben und den Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung zu steigern.
  • Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die Abwärmenutzungsvorrichtung den Abwärmenutzungskreis auf, in dem das Arbeitsmedium zirkuliert. Der Abwärmenutzungskreis umfasst eine Fördereinrichtung zum Antreiben des Arbeitsmediums sowie einen Haupt-Verdampfer zum Verdampfen eines Hauptstroms des Arbeitsmediums. Weiter weist die Abwarmenutzungsvorrichtung einen Expander zum Entspannen des Arbeitsmediums auf, der stromab des Haupt-Verdampfers im Abwärmenutzungskreis angeordnet ist, wobei der Expander, beispielsweise mittels eines Generators, der Umwandlung der zu nutzenden Wärme in elektrische bzw. mechanische Energie dienen kann. Stromab des Expanders im Abwärmenutzungskreis ist zudem ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums angeordnet, der den Abwärmenutzungskreis schließt und somit stromauf der Fördereinrichtung im Abwärmenutzungskreis angeordnet ist. Der Abwärmenutzungskreis weist ferner eine Saugstrahlfördereinrichtung auf, die einen Treibeingang, einen Ausgang sowie einen Saugeingang aufweist. Die Saugstrahlfördereinrichtung Ist mittels des Treibeingangs und des Ausgangs in den Abwärmenutzungskreis eingebunden, während der Saugeingang an einem Auslass des Nebenzweiges angeschlossen ist. Um den Nebenzweig vom Arbeitsmedium durchströmbar zu machen, weist der Nebenzweig einen Einlass auf, der stromab des Kondensators und stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen ist. Der Einlass des Nebenzweiges dient somit dem Abzweigen eines Teilstroms des Arbeitsmediums, der den Nebenzweig durchströmen kann und über den Auslass dem Abwarmenutzungskreis rückführbar ist. Das heißt, der Teilstrom strömt im Nebenzweig parallel zum Hauptstrom und wird über die Saugstrahlfördereinrichtung, nämlich über den Saugeingang der Saugstrahlfördereinrichtung, zum Abwärmenutzungskreis zurückgeführt. Die Unterscheidung zwischen dem Hauptstrom und dem Teilstrom ist folglich für diesen, parallel zum Nebenzweig verlaufenden, Bereich sinnvoll. Im Folgenden wird jedoch für den gesamten Abwärmenutzungskreis der Begriff Hauptstrom genutzt, obwohl der Hauptstrom stromab der Saugstrahlfördereinrichtung der Summe aus Hauptstrom und Teilstrom bzw. einem Gesamtstrom entspricht. Die Saugstrahlfördereinrichtung dient hierbei dem Antrieb des Teilstroms im Nebenzweig, wobei die Saugstrahlfördereinrichtung vom Hauptstrom im Abwärmenutzungskreis angetrieben wird. Durch die am Saugeingang entwickelte Saugwirkung der Saugstrahlfördereinrichtung entsteht im Nebenzweig ein im Vergleich zu dem im Haupt-Verdampfer herrschenden Druckniveau niedrigeres Druckniveau. Durch die Anordnung eines Neben-Verdampfers zum Verdampfen des Arbeitsmediums zwischen dem Einlass und dem Auslass im Nebenzweig sind somit zwei Verdampfer vorhanden, die von demselben Arbeitsmedium durchströmt sind, wobei das Arbeitsmedium in den jeweiligen Verdampfern unterschiedlichen Druckniveaus ausgesetzt ist. Damit ist es möglich, die Wärme von zwei unterschiedlichen Wärmequellen, die insbesondere unterschiedliche Temperaturen aufweisen können, in einer einzigen Abwärmenutzungsvorrichtung zu nutzen, wobei ein einziges Arbeitsmedium durch die Abwärmenutzungsvorrichtung strömt.
  • Durch den von der Saugstrahlfördereinrichtung bewirkten Antrieb des Arbeitsmediums im Nebenzweig herrscht im Abwärmenutzungskreis stromauf des Treibeingangs der Saugstrahlfördereinrichtung ein höheres Druckniveau im Arbeitsmedium, als stromab des Ausganges der Saugstrahlfördereinrichtung. Somit entstehen durch den Einsatz der Saugstrahlfördereinrichtung innerhalb des Abwärmenutzungskreises drei bzw. vier unterschiedliche Druckniveaus. Hierzu zählen ein im Abwärmenutzungskreis stromab der Fördereinrichtung und stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung herrschendes Hochdruckniveau sowie ein stromab der Saugstrahlfördereinrichtung und stromauf des Expanders herrschendes Mitteldruckniveau. Wegen der durch den Expander bewirkten Entspannung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis herrscht zudem stromab des Expanders und stromauf der Fördereinrichtung ein Niederdruckniveau im Abwärmenutzungskreis. Ferner herrscht innerhalb des Nebenzweigs ein Nebenzweigdruckniveau. Das Nebenzweigdruckniveau ist entsprechend niedriger als das Hochdruckniveau und das Mitteldruckniveau. Das Nebenzweigdruckniveau kann, insbesondere abhängig von der Effizienz des Neben-Verdampfers sowie des Kondensators, vom Anschluss des Einlasses an den Abwärmenutzungskreis und von thermodynamischen Gegebenheiten am bzw. im Kondensator und/oder dem Neben-Verdampfer sowie der Leistung der Fordereinrichtung niedriger oder höher liegen als das Niederdruckniveau. Auch können Umgebungsbedingungen einen Einfluss auf das Niederdruckniveau und das Nebenzweigdruckniveau haben und entsprechend ausschlaggebend dafür sein, welches dieser Druckniveaus höher liegt als das andere. Somit ist es möglich, durch den Einsatz einer einzigen Fördereinrichtung vier unterschiedliche Druckniveaus zu realisieren.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind der Haupt-Verdampfer und der Neben-Verdampfer für unterschiedliche Druckniveaus ausgebildet bzw. ausgestaltet. Während der Haupt-Verdampfer bevorzugt für höhere Drücke des Arbeitsmediums ausgelegt ist, ist der Neben-Verdampfer vorzugsweise für niedrigere Drücke des Arbeitsmediums ausgelegt. Das heißt insbesondere, dass der Neben-Verdampfer eine erhöhte Effizienz bei der Verdampfung des Arbeitsmediums auf dem Nebenzweigdruckniveau aufweist, während der Haupt-Verdampfer eine erhöhte Effizienz bei der Verdampfung des Arbeitsmediums auf einem höheren Druckniveau aufweist. Zudem kann der Neben-Verdampfer für andere, insbesondere niedrigere, Temperaturen ausgestaltet sein als der Haupt-Verdampfer. Beispielsweise kann der Neben-Verdampfer vollständig oder teilweise aus Kunststoff hergestellt sein, während der haupt-Verdampfer vollständig oder hauptsächlich aus Metall hergestellt ist.
  • Insbesondere kann der Neben-Verdampfer in seinem Inneren ein vom Arbeitsmedium durchströmbares Neben-Verdampfer-Innenvolumen aufweisen, welches größer ist als ein entsprechendes Innenvolumen der anderen Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung. Dementsprechend kann das Neben-Verdampfer-Innenvolumen überproportional größer sein als ein Haupt-Verdampfer-Innenvolumen des Haupt-Verdampfers und/oder als ein Kondensator-Innenvolumen des Kondensators und/oder als ein Expander-Innenvolumen des Expanders. Somit kann der Neben-Verdampfer insbesondere ein Ausgleichsvolumen zur Verfügung stellen, um Massenverschiebungen zwischen der Flüssigphase und der Dampfphase bzw. Gasphase bei transienten Betriebspunkten auszugleichen.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Nebenzweig ein Druckregelventil auf, das zwischen dem Einlass und dem Neben-Verdampfer, also stromauf des Neben-Verdampfers und stromab des Einlasses angeordnet ist. Das Druckregelventil kann insbesondere als Expansionsventil ausgebildet sein und dient dem Zweck, den Druck im Nebenzweig und somit das Nebenzweigdruckniveau stromab des Druckregelventils einzustellen. Das Druckregelventil wird vorzugsweise dafür genutzt, einen Volumenstrom des Arbeitsmediums durch den Neben-Verdampfer zu regeln und somit die Effizienz des Neben-Verdampfers zu steigern. Das Druckregelventil reduziert zudem vorzugsweise den Druck des vom Hauptstrom abgezweigten Teilstroms.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist der Haupt-Verdampfer stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung im Abwärmenutzungskreis angeordnet, wobei der Einlass des Nebenzweiges stromauf des Haupt-Verdampfers an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen ist. Der Einlass kann folglich stromab der Fördereinrichtung und somit zwischen der Fördereinrichtung und dem Haupt-Verdampfer an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen sein. In diesem Fall ist der Einlass in einem Bereich des Abwärmenutzungskreises mit Hochdruckniveau angeordnet. Bei einer weiteren Variante ist der Einlass stromauf der Fördereinrichtung und somit zwischen dem Kondensator und der Fördereinrichtung in einem Bereich auf Niederdruckniveau an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen. Bei diesen Ausführungsformen strömt das Arbeitsmedium flüssig in den Haupt-Verdampfer und wird dabei zumindest teilweise auf dem Hochdruckniveau verdampft. Anschließend strömt das zumindest teilweise verdampfte Arbeitsmedium zur Saugstrahlfördereinrichtung. Zudem strömt das Arbeitsmedium in der Regel und vorzugsweise flüssig über den Einlass in den Nebenzweig und wird vom Neben-Verdampfer mit reduziertem Druckniveau zumindest teilweise verdampft. Anschließend strömt der zumindest teilweise verdampfte Teilstrom über den Saugeingang zur Saugstrahlfördereinrichtung, wo er gemeinsam mit dem Hauptstrom auf dem Mitteldruckniveau zum Expander strömt. Die Saugstrahlfördereinrichtung arbeitet in diesem Fall als Dampfstrahlpumpe.
  • Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Haupt-Verdampfer stromab der Saugstrahlfördereinrichtung im Abwärmenutzungskreis angeordnet ist. Somit strömt das vorzugsweise flüssige Arbeitsmedium über den Treibeingang in die Saugstrahlfördereinrichtung ein. Zudem strömt der teilweise verdampfte Teilstrom des Nebenzweigs auf Nebenzweigdruckniveau über den Saugeingang in die Saugstrahlfördereinrichtung. Der Einlass des Nebenzweigs ist hier wahlweise zwischen der Fördereinrichtung und der Saugstrahlfördereinrichtung und somit auf Hochdruckniveau oder zwischen dem Kondensator und der Födereinrichtung und folglich auf Niederdruckniveau an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen. in beidem Fällen strömt das Arbeitsmedium bevorzugt flüssig in den Nebenzweig und wird vom Neben-Verdampfer zumindest teilweise verdampft. Stromab des Ausgangs der Saugstrahlfördereinrichtung strömt nun das auf Mitteldruckniveau vorhandene und teilweise verdampfte Arbeitsmedium zum Haupt-Verdampfer. Das Mitteldruckniveau entspricht hierbei vorzugsweise einem Verdampfungsniveau an einem Austritt des Haupt-Verdampfers, durch den das Arbeitsmedium aus dem Haupt-Verdampfer hinausströmt. Somit kann die Effizienz des Haupt-Verdampfers und dementsprechend der Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung gesteigert werden. In diesem Fall arbeitet die Saugstrahlfördereinrichtung als Flüssigkeitsstrahlpumpe.
  • Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die Saugstrahlfördereinrichtung als ein Ejektor ausgebildet ist. Die Saugstrahlfördereinrichtung ist folglich insbesondere bei der Anordnung des Haupt-Verdampfers stromab der Saugstrahlfördereinrichtung als Flüssigkeitsstrahlpumpe ausgebildet bzw. ist die Saugstrahlfördereinrichtung bei der Anordnung des Haupt-Verdampfers stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung bevorzugt als Dampfstrahlpumpe ausgebildet.
  • Um die Abwärmenutzungsvorrichtung an die herrschenden Gegebenheiten, insbesondere an unterschiedliches Betriebszuständen einer mit dem Abwärmenutzungskreis zusammenwirkenden Brennkraftmaschine, anzupassen, ist die Saugstrahlfördereinrichtung regelbar ausgebildet bzw. ausgestattet. Folglich ist die als Ejektor ausgebildete Saugstrahlfördereinrichtung vorzugsweise regelbar. Die Regelbarkeit der Saugstrahlfördereinrichtung erlaubt eine Anpassung der Leistung der Saugstrahlfördereinrichtung und somit eine Änderung der Druckniveaus des Abwärmenutzungskreises und des Nebenzweiges.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Saugstrahlfördereinrichtung, insbesondere der Ejektor, mehrstufig ausgebildet. Das heißt, dass die Saugstrahlfördereinrichtung bzw. der Ejektor zwei oder mehrere hintereinander angeordnete Saugstrahlfördereinheiten bzw. Ejektoreinheiten aufweisen. Die jeweiligen Einheiten sind bevorzugt regelbar, sodass die Gesamtleistung der Saugstrahlfördereinrichtung regelbar ist. Zudem führt die mehrstufige Ausbildung der Saugstrahlfördereinrichtung zu einer Steigerung der Gesamtleistung der Saugstrahlfördereinrichtung.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Anpassung der Abwärmenutzungsvorrichtung durch die Regelbarkeit des Druckregelventils realisiert sein. Somit kann insbesondere das Nebenzweigdruckniveau und entsprechend der Druck des Arbeitsmediums im Neben-Verdampfer geregelt werden. Vorzugsweise ist das Druckregelventil als Expansionsventil ausgebildet, wobei das Expansionsventil regelbar ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Druckregelventil als Thermostatventil ausgestaltet. Das Druckregelventil ändert also die Strömung des Arbeitsmediums in den Neben-Verdampfer und folglich das Nebenzweigdruckniveau temperaurabhängig. Diese Änderung kann beispielsweise abhängig von der Umgebungstemperatur und/oder von der Temperatur des Arbeitsmediums und/oder von der Temperatur einer mit dem Neben-Verdampfer und/oder Haupt-Verdampfer wärmeübertragend gekoppelten Wärmequelle erfolgen.
  • Auch kann die Fördereinrichtung regelbar ausgestattet bzw. ausgebildet sein, um eine Anpassung der Druckniveaus und dementsprechend die Anpassung der Abwarmenutzungsvorrichtung an unterschiedlichen Gegebenheiten zu gewährleisten. So ist es vorstellbar die Leistung der Fördereinrichtung zu regeln und/oder die Fördereinrichtung mehrstufig auszubilden.
  • Aufgrund von thermodynamischen Variationen der mit der Abwärmenutzungsvorrichtung gekoppelten Wärmequellen und/oder wegen transienten Betriebspunkten, kann es zu Schwankungen des Bedarfs an einer Arbeitsmediummenge des Arbeitsmediums und/oder Massenverschiebungen zwischen der Flüssigphase und der Dampfphase des Arbeitsmediums kommen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Abwärmenutzungsvorrichtung eine Arbeitsmediumsammeleinrichtung auf, die eine Menge bzw. ein Volumen des Arbeitsmediums bei Bedarf speichert und/oder wieder freigibt. Zweckmäßig ist die Arbeitsmediumsammeleinrichtung vom Arbeitsmedium durchströmt. Die Arbeitsmediumsammeleinrichtung kann beispielsweise im Nebenzweig angeordnet sein, wobei Ausführungsformen bevorzugt sind, bei denen die Arbeitsmediumsammeleinrichtung am Neben-Verdampfer angeordnet, das heißt dem Neben-Verdampfer stromab oder stromauf benachbart, ist. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind diejenigen, bei denen die Arbeitsmediumsammeleinrichtung innerhalb des Neben-Verdampfers angeordnete ist bzw. als ein Teil des Neben-Verdampfers ausgebildet ist. Hierzu ist das Neben-Verdampfer-Innenvolumen bevorzugt und im Vergleich zu den anderen Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung überproportianal groß. Die Speicherung und Rückführung des im Arbwärmenutzungskreis und im Nebenzweig strömenden Arbeitsmediums mittels der Arbeitsmediumsammeleinrichtung erfolgt hierbei im Nebenzweig.
  • Insbesondere ist es möglich das Arbeitsmedium an unterschiedlichen Stellen der Abwärmenutzungsvorrichtung zum Speichern in der Arbeitsmediumsammeleinrichtung abzuzweigen und der Abwärmenutzungsvorrichtung rückzuführen. Die Speicherung des Arbeitsmediums kann beispielsweise stromauf des Neben-Verdampfers erfolgen, während die Rückführung des gespeicherten Arbeitsmediums stromab des Neben-Verdampfers erfolgt. Zudem kann die Abwärmenutzungsvorrichtung da Arbeitsmedium in allen Aggregatzuständen, insbesondere flüssig und/oder gasförmig, speichern und/oder der Abwärmenutzungsvorrichtung rückführen.
  • Die Regelbarkeit der regelbaren Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung, insbesondere der Saugstrahlfördereinrichtung, des Druckregelventils und der Fördereinrichtung sowie die Speicherung und Rückführung des Arbeitsmediums mittels der Arbeitsmediumsammeleinrichtung erfolgt abhängig von thermodynamischen Kenngrößen bzw. Gegebenheiten. Diese Kenngrößen können als Kennlinien und Kennfelder hinterlegt sein, wobei eine entsprechende Steuer- und/oder Regeleinrichtung die jeweiligen Komponenten regelt bzw. steuert. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann dabei ausschließlich diesem Zweck dienen oder die Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer anderen Vorrichtung bzw. Einrichtung, insbesondere die Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer mit der Abwärmenutzungsvorrichtung zusammenwirkenden Brennkraftmaschine, sein. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann die entsprechenden Komponenten beispielsweise derart regeln bzw. steuere, dass das Mitteldruckniveau dem Verdampfungsniveau am Austritt des Haupt-Verdampfers entspricht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Abwärmenutzungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges, angeordnet. Die Anordnung ist beispielsweise derart realisiert, dass ein abgasführender Abgasstrang der Brennkraftmaschine, der zum Abführen des Abgases der Brennkraftmaschine dient, wärmeübertragend mit einem der Verdampfer, vorzugsweise mit dem Haupt-Verdampfer, gekoppelt ist. Es ist auch vorstellbar den Abgasstrang wärmeübertragend mit dem Neben-Verdampfer zu koppeln. Der Neben-Verdampfer ist jedoch bevorzugt wärmeübertragend mit einem Kühlkreis der Brennkraftmaschine gekoppelt, Der Kühlkreis, in welchem ein die Brennkraftmaschine kühlendes Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, zirkuliert, dient dabei der Kühlung der Brennkraftmaschine. Damit ist es möglich, beide Wärmequellen der Brennkraftmaschine, nämlich das Abgas und das Kühlmittel, in einem einzigen Kreislauf zu nutzen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine einen Abgasrückführungsstrang zur Rückführung des Abgases zur Brennkraftmaschine aufweisen, der wärmeübertragend mit dem Hauptverdampfer gekoppelt ist. In diesem Fall ist der Neben-Verdampfer vorzugsweise wärmeübertragend mit der Abgasstrang und/oder dem Kühlkreis gekoppelt. Grundsätzlich sind der Haupt-Verdampfer und der Neben-Verdampfer bevorzugt mit unterschiedlichen Wärmequellen wärmeübertragend gekoppelt.
  • Durch die Nutzung der Wärme zweier unterschiedlicher Wärmequellen kann die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung und dementsprechend der Brennkraftmaschine bzw. des zugehörigen Kraftfahrzeuges, gesteigert werden. Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der der Neben-Verdampfer für einen Betrieb bei niedrigeren Temperaturen und/oder Drücken ausgelegt ist als der Haupt-Verdampfer.
  • Die Anordnung der Abwärmenutzungsvorrichtung an der Brennkraftmaschine führt insbesondere dazu, dass lediglich ein einzelner Kondensator notwendig ist um sowohl das Arbeitsmedium zu kühlen und somit zu kondensieren, als auch das Kühlmittel des Kühlkreises zu kühlen. Letzteres ist durch die Wärmeübertragung vom Kühlmittel auf das Arbeitsmedium mit Hilfe des Neben-Verdampfers realisiert. Dadurch kann auf einen Kühlkreis-Kondensator zum Abkühlen des Kühlmittels verzichtet werden oder ein solcher Kühlkreis-Kondensator verkleinert werden.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch,
  • 1 und 4 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung einer Anordnung einer Abwärmenutzungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschine, bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
  • Die 1 und 4 zeigen jeweils eine Anordnung 1 einer Abwärmenutzungsvorrichtung 2 an einer Brennkraftmaschine 3. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 weist einen Abwärmenutzungskreis 4 sowie einen Nebenzweig 5 auf, wobei ein Arbeitsmedium durch den Abwärmenutzungskreis 4 zirkuliert und durch den Nebenzweig 5 strömt. Das Arbeitsmedium wird von einer Fördereinrichtung 6 angetrieben, die im Abwärmenutzungskreis 4 angeordnet ist und beispielsweise als Pumpe 6 ausgebildet sein kann. Stromab der Fördereinrichtung 6 sind im Abwärmenutzungskreis 4 ein Haupt-Verdampfer 7 sowie eine Saugstrahlfördereinrichtung 8 angeordnet, wobei sich die Begriffe stromab und stromauf auf eine mit Pfeilen 9 angedeutete Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis 4 bzw. im Nebenzweig 5 beziehen. Ein Expander 10 ist zudem stromab des Haupt-Verdampfers 7 bzw. der Saugstrahlfördereinrichtung 8 im Abwärmenutzungskreis 4 angeordnet. Stromab des Expanders 10 und stromauf der Fördereinrichtung 6 ist schließlich ein Kondensator 11 angeordnet. Das Arbeitsmedium strömt im Abwärmenutzungskreis 4 folglich angetrieben von der Fördereinrichtung 6 zum Haupt-Verdampfer 7, wo es verdampft und anschließend zum Expander 10 strömt, wo es entspannt wird. Mit dem Expander 10 wird die Wärme zumindest teilweise in Arbeit bzw. in eine andere Energieform gewandelt, zum Beispiel in elektrischer Energie, wenn der Expander 10 einen Generator antreibt. Im Kondensator 11 wird das Arbeitsmedium dann gekühlt und somit kondensiert und strömt schließlich zurück zur Fördereinrichtung 6, um unter Erhöhung des Drucks wieder zum Haupt-Verdampfer 7 gefördert zu werden. Der Nebenzweig 5 der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 weist einen Einlass 12 und einen Auslass 13 auf, um einen Teilstrom des Arbeitsmediums vom Abwärmenutzungskreis 4 abzuzweigen und wieder einen Hauptstrom des Abwärmenutzungskreises 4 rückzuführen. Die Saugstrahlfördereinrichtung 8 dient hierbei dem Zweck, das Arbeitsmedium im Nebenzweig 5 anzutreiben bzw. anzusaugen. Hierfür weist die Saugstrahlfördereinrichtung 8 einen Treibeingang 14, einen Saugeingang 15 und einen Ausgang 16 auf. Während der Treibeingang 14 und der Ausgang 16 der Saugstrahlfördereinrichtung 8 im Abwärmenutzungskreis 4 angeordnet sind, ist der Auslass 13 des Nebenzweigs 5 an den Saugeingang 15 der Saugstrahlfördereinrichtung 8 angeschlossen. Somit strömt das Arbeitsmedium über den Eingang 12 in den Nebenzweig 5, wobei es von der Saugstrahlfördereinrichtung 8 angetrieben wird, die als Antriebsmedium den im Abwärmenutzungskreis 4 zirkulierenden Hauptstrom des Arbeitsmediums verwendet. Ein Neben-Verdampfer 17 zum Verdampfen des Arbeitsmediums im Nebenzweig 5 ist zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 13 des Nebenzweigs 5 angeordnet. Zudem weist der Nebenzweig 5 ein Druckregelventil 18 auf, das der Regelung des Drucks des Arbeitsmediums im Nebenzweig 5 dient und beispielsweise als Expansionsventil 18' bzw. Thermostatventil 18'' ausgebildet sein kann und vorzugsweise stromauf des Neben-Verdampfers 17 angeordnet ist.
  • Die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 weist somit vier Druckniveaus auf. Ein Hochdruckniveau 19 des Abwärmenutzungskreises 5 stromab der Fördereinrichtung 6 und stromauf des Treibeinganges 14 der Saugstrahlfördereinrichtung 8. Das sich auf dem Hockdruckniveau 19 befindliche Arbeitsmedium wird, bedingt durch die Nutzung des Arbeitsmediums als Antriebsmedium für den Nebenzweig 5 innerhalb der Saugstrahlfördereinrichtung 8 auf ein Mitteldruckniveau 20 des Abwärmenutzungskreises 5 reduziert, welches stromab des Ausgangs 16 der Saugstrahlfördereinrichtung 8 und stromauf des Expander, 10 herrscht. Die Expansion des Arbeitsmediums durch den Expander 10 reduziert den Druck des Arbeitsmediums auf ein Niederdruckniveau 21 des Abwärmenutzungskreises 5, das zwischen dem Expander 10 und der Fördereinrichtung 6 herrscht. Zudem weist das Arbeitsmedium im Nebenzweig 5 ein insbesondere durch die Saugkraft der Saugstrahlfördereinrichtung 8 und mittels des Druckregelventils 18 bewirktes Nebenzweigdruckniveau 22 auf. Hierbei kann das Nebenzweigdruckniveau 22, beispielsweise abhängig von thermodynamischen Gegebenheiten und Betriebspunkten der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 sowie der Anschluss des Einlasses 12 an den Abwärmenutzungskreis 4 höher oder niedriger liegen als das Niederdruckniveau 21. Jedenfalls ist das Nebenzweigdruckniveau 22 kleiner bzw. niedriger als das Hochdruckniveau 19 und kleiner als das Mitteldruckniveau 20.
  • Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Haupt-Verdampfer 7 des Abwärmenutzungskreises 4 stromauf der Fördereinrichtung 8 angeordnet. Das Arbeitsmedium tritt bei diesem Beispiel auf dem Mitteldruckniveau 20 in den Haupt-Verdampfer 7 ein, wobei es zuvor im Nebenzweig 5 zumindest teilweise verdampft und/oder vorgeheizt wurde. Das Arbeitsmedium tritt zudem flüssig durch den Treibeingang 14 in die Saugstrahlfördereinrichtung 8 ein, so dass die Saugstrahlfördereinrichtung 8 beispielsweise als Ejektor 23, insbesondere als Flüssigkeitsstrahlpumpe 24 ausgebildet sein kann. Durch die Saugwirkung der Saugstrahlfördereinrichtung 8 kann das Arbeitsmedium im Nebenzweig 5 zudem auf einem niedrigerem Druckniveau, nämlich auf dem Nebenzweigdruckniveau 22, verdampfen, so dass der Neben-Verdampfer 17 für niedrigere Drücke ausgelegt sein kann als der Haupt-Verdampfer 7. Ferner kann der Neben-Verdampfer 17 zum Verdampfen des Arbeitsmediums im Nebenzweig 5 für niedrigere Temperaturen der zu nutzenden Wärme ausgelegt sein als der Haupt-Verdampfer 7.
  • Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Haupt-Verdampfer 7 dagegen stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung 8 angeordnet. Der Einlass 12 des Nebenzweigs 5 ist dann zwischen der Fördereinrichtung 6 und dem Haupt-Verdampfer 7 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen, so dass das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Haupt-Verdampfer 7 zumindest teilweise durch den Nebenzweig 5 abgezweigt wird.
  • Das Arbeitsmedium tritt somit auf dem Hochdruckniveau 19 in den Haupt-Verdampfer 7 und gelangt schließlich in zumindest teilweise verdampfter Form zum Treibeingang 14 der Saugstrahlfördereinrichtung 8, die ebenfalls als Ejektor 23, insbesondere als Dampfstrahlpumpe 25, ausgebildet sein kann.
  • Die in 3 gezeigte Abwärmenutzungsvorrichtung 2 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten darin, dass der Einlass 12 des Nebenzweigs 5 zwischen dem Kondensator 11 und der Fördereinrichtung 6 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen ist. Während der Einlass 12 beim in 1 gezeigten Beispiel in einem Bereich mit Hochdruckniveau 19 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen ist, ist der Einlass 12 der in 3 gezeigten Ausführungsform in einem Bereich mit Niederdruckniveau 21 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Abwärmenutzungsvorrichtung 2, die sich von der in 2 gezeigten Variante darin unterscheidet, dass der Einlass 12 des Nebenzweigs stromab des Kondensators 11 und stromauf der Fördereinrichtung 6 und folglich im Bereich auf Niederdruckniveau 21 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen ist. Ferner weist die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 eine Arbeitsmediumsammeleinrichtung 28 auf, die im Nebenzweig 5 im inneren des Neben-Verdampfers 17 angeordnet ist bzw. als Teil des Nebenverdampfers 17 ausgebildet ist. Hierzu weist der Neben-Verdampfer 17 bevorzugt ein im Vergleich zu den anderen Komponenten überproportional großes Neben-Verdampfer-Innenvolumenauf. Die Arbeitsmediumsammeleinrichtung 28 dient dem Zweck, das Arbeitsmedium in der Abwarmenutzungsvorrichtung 2 bei Bedarf zu speichern und der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 wieder rückzuführen, um insbesondere Massenverschiebungen des Arbeitsmediums zwischen der Dampfphase und der Flüssigkeitsphase auszugleichen, welche insbesondere bei transienten Betriebspunkten auftreten.
  • Die Fördereinrichtung 6, das Druckregelventil 18, insbesondere das Expansionsventil 18', sowie die Arbeitsmediumsammeleinrichtung 28 sind bevorzugt regelbar bzw. steuerbar. Entsprechend kann eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein, welche diese Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 regelt bzw. steuert.
  • Bei den jeweiligen gezeigten Anordnungen 1 weist die Brennkraftmaschine 2 einen Abgasstrang 26 auf, welcher der Abführung eines Abgases der Brennkraftmaschine 3 dient. Das Abgas führt dabei eine Wärme mit, die vom Haupt-Verdampfer 7 zum Verdampfen des Arbeitsmediums genutzt wird. Dementsprechend ist der Haupt-Verdampfer 7 bei den gezeigten Ausführungsformen wärmeübertragend mit dem Abgasstrang 26 gekoppelt. Weiter umfasst die Brennkraftmaschine 3 einen Kühlkreis 27, zum Kühlen der Brennkraftmaschine, Hierzu strömt im Kühlkreis 27 üblicherweise ein Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, welches Wärme der Brennkraftmaschine aufnimmt. Das Kühlmittel weist zudem in der Regel eine niedrigere Temperatur auf als das Abgas. Der Kühlkreis 27 ist ferner wärmeübertragend mit dem Neben-Verdampfer 17 gekoppelt, so dass der Neben-Verdampfer 17 die Wärme des Kühlmittels dazu nutzt, das Arbeitsmedium im Nebenzweig 5 zumindest teilweise zu verdampfen oder vorzuheizen. Somit wird sowohl die im Kühlmittel gespeicherte Wärme als auch die im Abgas gespeicherte Wärme durch eine einzelne Abwärmenutzungsvorrichtung 2 genutzt, durch welche lediglich ein einziges Arbeitsmedium strömt. Das im Nebenzweig 5 vorgeheizte bzw. zumindest teilweise verdampfte Arbeitsmedium steigert dabei den Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Abwärmenutzungsvorrichtung 2, insbesondere bei einer Anordnung des Haupt-Verdampfers 7 stromab der Saugstrahlfördereinrichtung 8 im Abwärmenutzungskreis 4.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine 3 einen Abgasrückführungsstrang 29 aufweisen, der, wie in der 1 gezeigt, wärmeübertragend mit dem Haupt-Verdampfer 7 gekoppelt ist. Der Abgasrückführungsstrang 29 führt das von der Brennkraftmaschine 3 erzeugte Abgas teilweise zur Brennkraftmaschine 3 zurück, um beispielsweise den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 3 zu reduzieren, wobei der Abgasstrang 26 und der Abgasrückführungsstrang 29 teilweise zusammenfallen können.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007057164 [0003]

Claims (10)

  1. Abwärmenutzungsvorrichtung (2), mit – einem Abwärmenutzungskreis (4), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, – einer im Abwärmenutzungskreis (4) angeordneten Fördereinrichtung (6) zum Antreiben des Arbeitsmediums, – einer im Abwärmenutzungskreis (4) stromab der Fördereinrichtung (6) angeordneten Saugstrahlfördereinrichtung (8), die mit einem Treibeingang (14) und einem Ausgang (16) in den Abwärmenutzungskreis (4) eingebunden ist, – einem im Abwärmenutzungskreis (4) stromab der Fördereinrichtung (6) angeordneten Haupt-Verdampfer (7) zum Verdampfen eines Hauptstroms des Arbeitsmediums, – einem im Abwärmenutzungskreis (4) stromab des Haupt-Verdampfers (7) angeordneten Expander (10) zum Entspannen des Arbeitsmediums, – einem im Abwärmenutzungskreis (4) stromab des Expanders (10) angeordneten Kondensator (11) zum Kondensieren des Arbeitsmediums, – einem Nebenzweig (5), der von einem Teilstrom des Arbeitsmediums durchströmbar ist, – einem Einlass (12) des Nebenzweigs (5) zum Abzweigen des Teilstroms, der stromab des Kondensators (11) und stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung (8) an den Abwärmenutzungskreis (4) angeschlossenen ist, – einem Auslass (13) des Nebenzweigs (5) zum Rückführen des Teilstroms, der an einem Saugeingang (14) der Saugstrahlfördereinrichtung (8) angeschlossen Ist, – einem im Nebenzweig (5) angeordneten Neben-Verdampfer (17) zum Verdampfen des Teilstroms des Arbeitsmediums.
  2. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlass (12) des Nebenzweigs (5) und dem Neben-Verdampfer (17) ein Druckregelventil (18) zum Einstellen eines Drucks im Nebenzweig (5) stromab des Neben-Verdampfers (17) angeordnet ist.
  3. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugstrahlfördereinrichtung (8) als ein Ejektor (23), insbesondere als eine Dampfstrahlpumpe (25) oder eine Flüssigkeitsstrahlpumpe (24), ausgebildet ist.
  4. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugstrahlfördereinrichtung (8), insbesondere der Ejektor (23), regelbar ist.
  5. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugstrahlfördereinrichtung (8), insbesondere der Ejektor (23), mehrstufig ausgebildet ist.
  6. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (18) regelbar ist und insbesondere als Expansionsventil (18') ausgestaltet ist.
  7. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (18) als Thermostatventil (18'') ausgestaltet ist.
  8. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Neben-Verdampfer (17) in seinem Inneren ein von Arbeitsmedium durchströmtes Neben-Verdampfer-Innenvolumen aufweist, das überproportional größer ist als ein entsprechendes Innenvolumen des Haupt-Verdampfers (7) und/oder des Kondensators (11) und/oder des Expanders (10).
  9. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmenutzungsvorrichtung (2) eine Arbeitsmediumsammeleinrichtung (28) aufweist, die insbesondere am Neben-Verdampfer (17) angeordnet ist oder integraler Bestandteil des Neben-Verdampfers (17) ist.
  10. Anordnung (1) einer Abwärmenutzungsvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche an einer Brennkraftmaschine (3), mit einem Abgasstrang (26) und einem Kühlkreis (27), wobei die Brennkraftmaschine (3) wärmeübertragend mit der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) gekoppelt ist, wobei vorgesehen sein kann, – der Haupt-Verdampfer (7) wärmeübertragend mit dem Abgasstrang (26) und/oder einem Abgasrückführungsstrang (29) der Brennkraftmaschine (3) gekoppelt ist, und/oder – dass der Neben-Verdampfer (17) wärmeübertragend mit dem Kühlkreis (27) und/oder dem Abgasstrang (26) der Brennkraftmaschine (3) gekoppelt ist.
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