DE102012015927A1

DE102012015927A1 - Verbrennungsmotor mit doppelwandiger Laufbuchse und Abgaswärmetauscher zum Erhitzen von ORC Arbeitsmittel

Info

Publication number: DE102012015927A1
Application number: DE201210015927
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-13

Abstract

Die Erfindung beschreibt den Aufbau eines Verbrennungsmotors (4), dessen Abwärme durch einen ORC Prozess in nutzbare mechanische oder elektrische Energie gewandelt wird. Dabei dient die Abwärme des Verbrennungsmotors als Antriebsenergie beziehungsweise Verdampfungsenergie für das Arbeitsmittel des ORC Prozesses. Die wesentlichen Neuerungen am Verbrennungsmotor sind Zylinderlaufbuchsen mit doppelter Wandung (16), die als Wärmetauscher für Arbeitsmittel des ORC Prozesses dienen und unter bestimmten Bedingungen das Kühlsystem des Verbrennungsmotors ersetzen. Weiterhin kann ein Zylinderkopf (3) verbaut sein, der ebenfalls mit Arbeitsmittel des ORC Prozesses gekühlt wird sowie ein Abgaswärmetauscher (2). Der ORC Prozess hat ebenfalls einige Besonderheiten, was zum Beispiel ein Mehrwege-Verdampfungssystem ist, welches allerdings auch nur Wärme austauscht und die Gasphase erst in einen Verdampfungsgefäß (9) entstehen lässt. Es sind Bauteile verbaut, wie Druckaufbauventile (7), Verdampfungsbehälter (9) und Mengenteiler (6) mit ihren entsprechenden Funktionen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kombination aus Verbrennungsmotor und ORC Anlage. Speziell wird ein besonderer Aufbau des Verbrennungsmotors beschrieben sowie die Besonderheiten des ORC Prozesses, wenn dieser, mit den neuartigen Aufbau des Verbrennungsmotors kombiniert werden soll.
Stand der Technik
Momentan ist es keine gängige Praxis, einen Verbrennungsmotor mit einem ORC Prozess zu kombinieren. Wenn dies dennoch getan wird, dann wird der ORC Prozess mit der Abwärme des Kühlkreislaufes gespeist sowie der Abgaswärme. Diese Art des Aufbaus erreicht allerdings ein niedrigeres Temperaturniveau im Verdampfungsbereich und somit sind die Druckgas/Arbeitsmitteltemperaturen des ORC Prozesses niedriger und der thermodynamische Wirkungsgrad fällt geringer aus als bei der, hier gezeigten, Erfindung.
Technische Beschreibung
Es ist bekannt, das ein Verbrennungsmotor, große Mengen ungenutzter Wärmeenergie in die Umwelt abgibt. Diese Wärmeenergie kann mit Hilfe eines ORC Prozesses in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden, die wiederum als Antriebsenergie zur Verfügung stehen kann. Mit dieser Methode wird der eingesetzte Kraftstoff besser ausgenutzt.
Als ORC Anlage/ORC Prozess/ORC Kreislauf wird dabei eine technische Vorrichtung verbaut, die als Energieerzeugungsanlage auf Grund eines thermodynamischen Kreisprozesses (Carnot-Kreisprozess) ausgeführt ist. Dabei arbeitet die Energieerzeugungsanlage nach einem Kreisprozess, der als Ericsson-Kreisprozess, Clausius-Rankine-Kreisprozess, Joule-Kreisprozess, Kalina-Kreisprozess, Stirling-Kreisprozess oder Organic-Rankine-Cycle bekannt ist. Symbolisch wird hierfür, in allen Beschreibungen, der Begriff „ORC” oder „ORC Prozess” verwendet.
Der ORC Prozess verarbeitet die Wärmeenergie des Verbrennungsmotors, durch einen thermodynamischen Kreisprozess, zu mechanischer oder elektrischer Energie. Wichtig sind dabei möglichst hohe Temperaturunterschiede zwischen Verdampfungstemperatur im Verdampfer und Kondensationstemperatur im Verflüssiger. Die größten Wärmeströme eines Verbrennungsmotors sind die Abgase des Verbrennungsvorgangs, die durch eine Abgasanlage ins Freie gelangen, und der Wärmestrom, der sich durch die Wärmeleitfähigkeit, der an den Brennraum angrenzenden Materialien, vom Brennraum entfernt und der im Regelfall durch die Kühlflüssigkeit des Fahrzeugs gekühlt wird und ebenfalls an die Umwelt abgegeben wird.
Um möglichst effektiv Verbrennungsabwärme aus dem Verbrennungsmotor in einen ORC Prozess einzubringen, ist ein Aufbau folgender Art nötig.
Zunächst fällt die Betrachtung auf den Verbrennungsmotor (4), bei dem jeder Kolben mit einer Kolbenlaufbuchse (16) ausgestattet ist, die eine doppelte Wandung besitzt und bis auf eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung, nach außen hin verschlossen ist. Im inneren ist die Laufbuchse durch ein System stabilisierender Brücken gekennzeichnet beziehungsweise durch ein Kanalsystem im Material, durch das ein Arbeitsmittel des ORC Prozesses strömt und die anfallende Abwärme aufnimmt und somit den Verbrennungsmotor kühlt. Die Kanäle geben dabei eine Stromrichtung vor bzw. stabilisieren die Laufbüchse (16). Die Laufbuchse ist starken Belastungen ausgesetzt, wie zum Beispiel den Verbrennungstemperaturen und den daraus entstehenden Druck im Brennraum sowie den Druckbelastungen im Kühlkanalsystem/Verdampfungskanalsystem der Laufbuchse, weshalb ein seitlicher Arbeitsmittelanschluss (17/18) an der Laufbuchse vorgesehen ist was gleichzeitig eine Durchführung durch die Zylinderkopfdichtung vermeidet.
Ein Weiteres verändertes Bauteil des Verbrennungsmotors ist der Zylinderkopf (3), dessen Kühlkanalsystem eine Druckbeständigkeit gegenüber den Arbeitsmittel des ORC Prozesses aufweist und durch dieses gekühlt wird. Ein und Ausgangsöffnung für Arbeitsmittel des ORC Prozesses sind ebenfalls nach außen hin vorhanden (17/18)
Die Wärmeenergie der Abgase wird durch einen Abgaswärmetauscher (2) an das Arbeitsmittel des ORC Prozesses abgegeben, der sich in Abgassystem (1) des Verbrennungsmotors befindet.
Technische Beschreibung 2
Die Wärmeaustauscher beziehungsweise die Bauteile Laufbuchse (16), Zylinderkopf (3) und Abgaswärmetauscher (2) müssen entsprechend, den Wärmemengen im Zylinderraum, gekühlt werden. Dies geschieht durch ein Arbeitsmittel des ORC Prozesses, der die aufgenommene Wärmeenergie des Verbrennungsmotors, in mechanische Energie beziehungsweise elektrische Energie umwandelt.
Die wesentlichen Bauteile eines ORC Prozesses sind Verdampfer (2/3/16), Expansionsmaschine (10), Verflüssiger (11) und Rückförderpumpe (12). Dabei fördert die Rückförderpumpe flüssiges Arbeitsmittel in den Verdampfer (hier: Zylinderlaufbuchse, Zylinderkopf, Abgaswärmetauscher) in dem es normalerweise verdampft. Bei dieser Erfindung entsteht der Dampf allerdings erst in einem Verdampfungsbehälter (9). Der Arbeitsmitteldampf treibt eine Expansionsmaschine an, die die thermische Energie in mechanische oder elektrische Energie wandelt. Anschließend wird das Arbeitsmittel im Verflüssiger zurück gekühlt und der Rückförderpumpe zugeführt. Bei der hier beschriebenen Kombination von Verbrennungsmotor mit ORC Prozess, ist es nötig weitere Bauteile zu verbauen um sicherzustellen, das der Verbrennungsmotor immer gut gekühlt ist und in seiner Funktion nicht beeinträchtigt wird.
Im wesentlichen ist das ein Mengenteiler (6) für flüssiges Arbeitsmittel des ORC Prozesses, das den jeweiligen Kühlkreisläufen bzw. Verdampfern (Zylinderlaufbuchsen, Zylinderkopf, Abgaswärmetauscher) eine Ausreichende Menge Kühlmittel/Arbeitsmittel zur Kühlung des Verbrennungsmotors zur Verfügung stellt.
Ein weiteres Bauteil ist ein Verteilerventil (8) für Arbeitsmittel das ORC Prozesses, das erwärmtes Arbeitsmedium des ORC Prozesses, je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors, Lastanforderung und Betriebszustand des ORC Prozesses, in einen Weg leitet, der für Kühlverhalten des Verbrennungsmotor gut ist und dennoch optimale Wirkungsgrade für den ORC Prozess verspricht.
Weiterhin sind Druckaufbauventile (7) zwischen Verteilerventil und Verdampfungsbehälter verbaut, die den Siedepunkt des Arbeitsmittels des ORC Prozesses auf ein höheres Temperaturniveau schieben sollen und somit Gasbildung an den Wärmeaustauschflächen in Laufbuchse und Zylinderkopf verhindern.
Die Bauteile Mengenteiler, Verteilerventil und Druckaufbauventile sind so miteinander verknüpft, das Arbeitsmedium des ORC Prozesses, einen dieser Wege passieren kann. Zum einen kann es in den Verdampfungs-Behälter geleitet werden oder einen zweiten Kühlkreis passieren (z. B. vom Zylinderkopfkreislauf durch das Mengenteilventil zum Abgaskühlkreislauf), und oder durch Mengenbegrenzung eine längere Verweilzeit im jeweiligen Kühlkreislauf bekommen.
Technische Beschreibung 3
Ein weiteres Bauteil ist der Verdampfungsbehälter/Vorratsbekälter. Im Verdampfungsbehälter entsteht die Gasphase des Arbeitsmittel der ORC Anlage. Weiterhin trennt der Verdampfungsbehälter die Flüssigphase des Arbeitsmittels von der Gasförmigen Phase und hindert die flüssige Phase daran, mit dem Arbeitsgas, in die Expansionsmaschine der ORC Anlage vorzudringen. Überflüssige Flüssigphase wird durch ein Ventilsystem zurück in Flüssigkeitsbereich befördert. Unter Umständen, können die Druckaufbauventile und der Vorratsbehälter entfallen wenn der Abgaswärmetauscher (14) eine Phasentrennung erlaubt und die Reihenschaltung mit Zylinderkopf oder Laufbuchse oder beiden Bauteilen als sinnvoll erscheint.
Unter Umständen ist es nötig einen zusätzlichen Kühlkreislauf (13) mit einzubringen. Dies kann geschehen wenn die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors erhöht wird und sich somit die anfallende Wärmemenge, aus dem Verbrennungsprozess, erhöht. Weiterhin kann durch Einsatz eines anderen Arbeitsmittels des ORC Prozesses eine geänderte Energietransportfähigkeit entstehen. Aus diesen Gründen ist ein zweites Kühlsystem sinnvoll welches ebenfalls einen Teil des Motors kühlen kann. So ist es vorstellbar Bauteile wie Zylinderkopf oder auch den Motorblock über das zweite Kühlsystem zu kühlen.
Die Energie der Expansionsmaschine des ORC Prozesses kann mechanisch in einen Nebenantrieb des Verbrennungsmotors eingespeist werden oder mechanisch an anderer Stelle des Verbrennungsmotors eingespeist werden oder andere mechanische Antriebsaufgaben wahrnehmen Weiterhin kann die Expansionsmaschine des ORC Prozesses unter Umständen elektrische Energie erzeugen, die in einen Nebenantrieb des Verbrennungsmotors eingespeist wird oder an anderer Stelle des Verbrennungsmotors eingespeist wird oder andere elektrische Aufgaben erfüllt.
stellt die Verschaltung von ORC Prozess und Kühlsystem dar. stellt eine Möglichkeit mit zusätzlichen Kühlkreislauf dar und zeigt eine Reihenschaltung von Kolbenlaufbuchse und Abgaswärmetauscher ohne Verdampfungsbehälter.
Bezugszeichenliste

1: Abgasanlage
2: Abgaswärmetauscher
3: Zylinderkopf
4: Verbrennungsmotor mit Laufbuchse
5: Kurbelwelle
6: Mengenteiler
7: Druckaufbauventil
8: Verteiler-Ventil
9: Verdampfungsbehälter
10: Expansionsmaschine
11: Verflüssiger
12: Rückförderpumpe
13: zusätzliches Kühlsystem
14: Abgaswärmetauscher mit Verdampfungsfunktion
15: Zusatzkühlsystem
16: doppelwandige, zylindrische Kolbenlaufbuchse
17: Arbeitsmitteleintritt ORC Kreislauf
18: Arbeitsmittelaustritt ORC Kreislauf
19: Kühlmitteleintritt Zusatzkühlkreis
20: Kühlmittelaustritt Zusatzkühlkreis

Claims

Verbrennungsmotor (4) mit mindestens einer Kolbenlaufbuchse (16), die im inneren mindestens einen flüssigkeitsführenden, druckbeständigen Kanal beinhaltet und als Wärmeaustauscher für die Erhitzung des Arbeitsmittels eines ORC Prozesses dient, der die Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische oder elektrische Energie wandelt. Weiterhin ist mindestens ein Abgaswärmetauscher (2/14) verbaut, dessen Arbeitsmittelfluss in Reihe oder parallel zum Arbeitsmittelflusses des ORC Prozesses, der Zylinderlaufbuchse geschallten ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das ein Verbrennungsmotor verbaut ist, der mindestens eine Kolbenlaufbuchse enthält, die im inneren mindestens einen flüssigkeitsführenden, druckbeständigen Kanal beinhaltet und als Wärmeaustauscher für die Erhitzung des Arbeitsmittels eines ORC Prozesses dient.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das mindestens ein Kühlsystem zur Kühlung des Verbrennungsmotor verbaut ist, das gleichzeitig als Verdampfer/Wärmeaufnehmer für den ORC Prozess dient.
Die Erfindung ist nach Anspruch 3 gekennzeichnet dadurch, das der Kühlkreislauf/ORC Kreislauf mindestens die Bauteile Mengenteiler (6) und Verteiler-Ventil (8) enthält von denen jeweils mindestens eines verbaut ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, das im Kühlkreislauf/ORC Kreislauf die Bauteile: mindestens ein Druckaufbauventil (7), mindestens ein Verteilerventil (8) und mindestens ein Verdampfungsbehälter (9) verbaut sind.
Die Erfindung ist nach Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, das mindestens ein weiteres Kühlsystem (13) zur Kühlung des Verbrennungsmotor vorhanden ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das die Expansionsmaschine des ORC Prozesses mechanische Energie in einen Nebenantrieb des Verbrennungsmotors einspeist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das die Expansionsmaschine (10) des ORC Prozesses elektrische Energie erzeugt.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das Kolbenlaufbuchse (16), Zylinderkopf (3) und Abgaswärmetauscher (2) auf getrennten Wegen, von einem Mengenteiler (6), mit Arbeitsmittel der ORC Anlage versorgt werden.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das der Abgaswärmetauscher (2) mit Kolbenlaufbuchse (16) oder Zylinderkopf (3) oder beiden in Reihe verschalten ist.