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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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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.
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Weiterhin ist in der
US 4 055 048 A ein Dampfkreis mit Kontamination von Partikeln in einem Becken gezeigt, welches stromabwärts einer Expansionsmaschine angeordnet ist.
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Aus der
US 6 981 377 B2 ist eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung bekannt, welche einen Expander mit einem Bypass und einem Bypass-Ventil aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch eine Sensoreinrichtung zur Detektion von Verschmutzungen des Arbeitsmediums ein Verschleiß bzw. eine Beschädigung der beweglichen Bauteile der Expansionsmaschine vermieden werden kann.
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Durch die Sensoreinrichtung lassen sich Verschmutzungen des Arbeitsmediums detektieren, die durch defekte Dichtungen hervorgerufen wurden. Schmiermittel, welches zur Lagerung der beweglichen Bauteile in der Expansionsmaschine vorhanden ist, kann durch die defekten Dichtungen in den Leitungskreis gelangen und dort das Arbeitsmedium verunreinigen. Der kontinuierliche Abfluss von Schmiermittel aus den Lagerstellen der beweglichen Bauteile hat zur Folge, dass ein Verschleiß oder eine Beschädigung der beweglichen Bauteile der Expansionsmaschine auftritt.
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Durch die Sensoreinrichtung können defekte Dichtungen frühzeitig erkannt werden, da die Sensoreinrichtung das ausgetretene Schmiermittel im Arbeitsmedium detektiert. Es können Maßnahmen getroffen werden die einen Verschleiß oder eine Beschädigung der beweglichen Bauteile vermeiden. Hierzu kann die Drehzahl der Expansionsmaschine reduziert werden oder die Expansionsmaschine abgeschaltet werden, nachdem die Sensoreinrichtung eine Verschmutzung des Arbeitsmediums detektiert hat.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
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Vorteilhaft ist eine Anordnung der Sensoreinrichtung zwischen der Expansionsmaschine und dem Kondensator, da durch eine möglichst nahe Anordnung der Sensoreinrichtung an die Expansionsmaschine (in Strömungsrichtung hinter der Expansionsmaschine), Verschmutzungen schneller und leichter gemessen werden. Durch die möglichst nahe Anordnung der Sensoreinrichtung zur Expansionsmaschine werden von den Verschmutzungen nur geringe Strecken zurückgelegt und die Verschmutzung kann sich nicht innerhalb des Leitungskreises, z. B. an Leitungswänden, ablagern.
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Eine Datenverbindung zwischen der Sensoreinrichtung und einem Bypassventil, welches in einer Bypassverbindung parallel zur Expansionsmaschine angeordnet ist, ist vorteilhaft, da die Sensoreinrichtung ein Signal an das Bypassventil übertragen kann, durch das das Bypassventil vollständig geöffnet wird. Dies ermöglicht eine schnelle Reduzierung der Drehzahl der Expansionsmaschine nach der Detektion einer Verschmutzung, so dass ein Verschleiß oder Beschädigungen vermieden werden können.
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Eine Datenverbindung zwischen der Sensoreinrichtung und einem Abzweigventil, welches die Menge des Arbeitsmediums steuert, die durch eine Bypassverbindung parallel zur Expansionsmaschine fließt, ist vorteilhaft, da die Sensoreinrichtung ein Signal an das Abzweigventil übertragen kann, so dass das gesamte Arbeitsmedium durch die Bypassverbindung strömt. Dies ermöglicht eine schnelle Reduzierung der Drehzahl der Expansionsmaschine nach der Detektion einer Verschmutzung, so dass ein Verschleiß oder Beschädigungen vermieden werden können.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Sensoreinrichtung ein HC-Sensor ist, da dieser Bestanteile von HC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) besonders effektiv erkennt.
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Ein weiterer Vorteil wird durch die Übermittlung eines Signals an eine Anzeigeeinrichtung durch die Sensoreinrichtung bei einer Verschmutzung des Arbeitsmediums erreicht. Die Anzeigeeinrichtung übermittelt ein visuelles oder auditives Fehlersignal an einen Bediener, welcher Maßnahmen zur Beseitigung der Fehlfunktion, z. B. Werkstattbesuch, einleiten kann
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
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3 einen Ablaufplan eines Verfahrens für eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer 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.
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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 erfinderische Vorrichtung zur Abwärmenutzung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
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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.
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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 verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf 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 25 transportiert.
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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, die idealerweise einem Organic Rankine Cycle Prozess entsprechen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. 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 Antriebswelle 11 übertragen. Das Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 12 abgekühlt und wieder der Speisepumpe 6 zugeführt.
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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 dem Wärmetauscher 8 und der Expansionsmaschine 10, und der Leitung 28, zwischen der Expansionsmaschine 10 und Kondensator 12, da. In der Bypassverbindung 14 ist ein Bypassventil 16 angeordnet. Durch das Öffnen des Bypassventils 16 ist es möglich, dass das Arbeitsmedium direkt vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 strömt und an der Expansionsmaschine 10 vorbeigeleitet wird. Die Menge des verdampften Arbeitsmediums, die an der Expansionsmaschine 10 vorbeiströmt, kann abhängig von dem Öffnungsgrad des Bypassventils 16 gesteuert werden. Bei einer fast vollständigen Öffnung des Bypassventils 16 strömt das gesamte verdampfte Arbeitsmedium durch die Bypassverbindung 14. Das Bypassventil 16 kann als Druckregelventil oder als verstellbare Drossel ausgeführt sein.
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Durch ein gezieltes Öffnen Bypassventils 16 kann die Leistung der Expansionsmaschine 10 parallel zur Leistung der Brennkraftmaschine 2 reduziert werden. Liegt keine Lastanforderung an die Expansionsmaschine 10 vor kann durch das Öffnen des Bypassventils 16 der Dampf an der Expansionsmaschine 10 gezielt vorbeigeleitet werden.
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Es ist eine Sensoreinrichtung 30 zur Detektion von Verschmutzungen des Arbeitsmediums im Leitungskreis 4 angeordnet. Die Sensoreinrichtung 30 kann in einer beliebigen Leitung 25, 26, 28, 29 des Leitungskreises 4 angeordnet sein. Durch eine Anordnung in der Leitung 28 zwischen Expansionsmaschine 10 und Kondensator 12 können besonders gut Verschmutzungen des Arbeitsmediums, die durch die Expansionsmaschine 10 hervorgerufen wurden, detektiert werden.
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Um nur das Arbeitsmedium, welches aus der Expansionsmaschine 10 und nicht aus der Bypassverbindung 14 stammt zu untersuchen, kann die Sensoreinrichtung 30 zwischen der Expansionsmaschine 10 und der Verzweigung der Bypassverbindung 14 und der Leitung 28 angeordnet sein.
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Es ist eine Datenverbindung zwischen der Sensoreinrichtung 30 und dem Bypassventil 16 vorgesehen. Die Datenverbinmdung ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Durch die Datenverbindung kann die Sensoreinrichtung 30 ein Signal an das Bypassventil 16 übertragen. Wird durch die Sensoreinrichtung 30 eine Verschmutzung des Arbeitsmediums detektiert, so wird von der Sensoreinrichtung 30 ein Signal an das Bypassventil 16 übermittelt, welches ein vollständiges Öffnen des Bypassventils 16 bewirkt. Durch das geöffnete Bypassventil 16 strömt fast das gesamte verdampfte Arbeitsmedium durch die Bypassverbindung 14 und die Drehzahl der Expansionsmaschine 10 reduziert sich bis ein vollständiger Stillstand der Expansionsmaschine 10 erreicht ist und die Expansionsmaschine 10 abgeschaltet werden kann.
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Die Expansionsmaschine 10 und/oder der Antriebswelle 11 weisen Lagerstellen auf, in denen die beweglichen Teile der Expansionsmaschine 10 und/oder der Antriebswelle 11 gelagert sind. In den Lagerstellen befindet sich meist Schmiermittel, um einen Verschleiß der beweglichen Teile zu vermeiden. Das Schmiermittel ist durch Dichtungen vom Leitungskreis 4 getrennt. Sollte ein Defekt einer Dichtung auftreten, so kann Schmiermittel in den Leitungskreis 4 gelangen. Dieses Schmiermittel kann durch die Sensoreinrichtung 30 detektiert werden.
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Durch den Austritt von Schmiermittel aus den Lagerstellen kann ein starker Verschleiß der beweglichen Bauteile der Expansionsmaschine 10 auftreten, der zu einem Defekt der Expansionsmaschine 10 führen kann.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt. Hier ist anstelle des Bypassventils 16 ein Abzweigventil 24 an der Stelle angeordnet, an der die Bypassverbindung 14 von der Leitung 26 abzweigt. Die Anordnung der weiteren Komponenten entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Das Abzweigventil 24 kann die Menge des verdampften Arbeitsmediums, die zur Expansionsmaschine 10 und in die Bypassverbindung 14 strömt, aufteilen. Es ist eine Stellung des Abzweigventils 24 möglich, bei der die gesamte Menge des verdampften Arbeitsmediums zur Expansionsmaschine 10 strömt oder bei der die gesamte Menge des verdampften Arbeitsmediums in die Bypassverbindung 14 strömt. Des Weiteren sind Zwischenpositionen möglich bei denen sich der Massenstrom zwischen der Bypassverbindung 14 und der Expansionsmaschine 10 in unterschiedliche Verhältnisse aufteilt.
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Es ist eine Datenverbindung zwischen der Sensoreinrichtung 30 und dem Abzweigventil 24 vorgesehen. Durch die Datenverbindung kann die Sensoreinrichtung 30 ein Signal an das Abzweigventil 24 übertragen. Wird durch die Sensoreinrichtung 30 eine Verschmutzung des Arbeitsmediums detektiert, so wird von der Sensoreinrichtung 30 ein Signal an das Abzweigventil 24 übermittelt, welches ein vollständiges Öffnen des Abzweigventils 24 bewirkt. Durch das vollständig geöffnete Abzweigventil 24 strömt das verdampfte Arbeitsmedium durch die Bypassverbindung 14 und die Drehzahl der Expansionsmaschine 10 reduziert sich bis ein vollständiger Stillstand der Expansionsmaschine 10 erreicht ist und die Expansionsmaschine 10 abgeschaltet werden kann.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 kann die Sensoreinrichtung 30 kann mit einer Anzeigeeinrichtung 31 verbunden sein. Wenn die Sensoreinrichtung 30 eine Verschmutzung des Arbeitsmediums feststellt, wird ein Signal an die Anzeigeeinrichtung 31 übermittel. Die Anzeigeeinrichtung 31 dient zur Information eines Benutzers der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dies kann z. B. der Fahrer eines Kraftfahrzeuges sein oder das Personal in einer Werkstatt. Durch die Anzeigeeinrichtung 31 wird der Bediener durch ein Signal darüber informiert das eine Fehlfunktion aufgetreten ist. Dies kann ein visuelles Signal (z. B. rote Lampe) oder auditives Signal (z. B. Warnsignal) sein. Der Benutzer kann Maßnahmen ergreifen, um die Fehlfunktion zu beseitigen. Dies kann beispielsweise ein Austausch der defekten Dichtungen sein.
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In 3 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, welches die einzelnen Verfahrensschritte des Verfahrens für die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigt.
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Im Verfahrenschritt 100 wird das Arbeitsmedium durch die Sensoreinrichtung 30 auf Verschmutzungen untersucht. Stellt die Sensoreinrichtung 30 eine Verschmutzung des Arbeitsmediums fest, wird zum Verfahrensschritt 110 übergegangen.
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Im Verfahrensschritt 110 übermittelt die Sensoreinrichtung 30 ein Signal an das Bypassventil 16 oder an das Abzweigventil 24.
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Wird von dem Bypassventil 16 oder dem Abzweigventil 24 ein Signal empfangen, welches eine Verschmutzung des Arbeitsmediums signalisiert, wird der Verfahrensschritt 120 ausgeführt. Hierbei öffnet sich das Bypassventil 16 vollständig bzw. das Abzweigventil 24 verändert seine Stellung, so dass das gesamte Arbeitsmedium durch die Bypassverbindung 14 strömt. Dies bewirkt eine Reduzierung der Drehzahl der Expansionsmaschine 10 und ermöglicht ein anschließendes Abschalten der Expansionsmaschine 10.
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Des Weiteren kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt 130 ein Signal an eine Anzeigeeinrichtung 31 übermittelt werden, welche ein Fehlersignal an einen Bediener übermittelt. Der Verfahrensschritt 130 kann auch gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt 120 ausgeführt werden.
