DE102012211578A1 - Apparatus for utilizing waste heat of internal combustion engine of passenger car, has turbine switched between different combinations of inlet nozzles, where different combinations form switching circuit for current mass flow of medium - Google Patents

Apparatus for utilizing waste heat of internal combustion engine of passenger car, has turbine switched between different combinations of inlet nozzles, where different combinations form switching circuit for current mass flow of medium Download PDF

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Abstract

The apparatus has an evaporator (4) transferring waste heat to a working medium (M). A driven turbine (6) is provided with the working medium. The turbine is provided with multiple inlet nozzles with a fixed predetermined geometry of the working medium. The turbine is switched between different combinations of the inlet nozzles, where the different combinations form a switching circuit for different current mass flow of the working medium. A mass flow region is formed between a minimum mass current and a maximum mass flow. An independent claim is also included for a method for utilizing waste heat of a combustion engine of a motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Wärmetauscher zur Übertragung der Abwärme auf ein Arbeitsmedium und mit einer von dem Arbeitsmedium antreibbaren Turbine. Die Erfindung betrifft weiterhin eine derartige Turbine sowie ein entsprechendes Verfahren. The invention relates to a device for utilizing waste heat of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with a heat exchanger for transmitting the waste heat to a working medium and with a turbine drivable by the working medium. The invention further relates to such a turbine and a corresponding method.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 10 2007 003 801 A1 zu entnehmen. Die Vorrichtung dient zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Abgaswärme eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors. Hierbei wird die Abgaswärme der Verbrennungsmaschine mit Hilfe eines Wärmetauschers zum Verdampfen von Wasser eingesetzt, welches als Dampf über eine Lavaldüse einer tangential durchströmten Pelton-Gleichdruckturbine zugeführt wird. Diese ist mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden. Such a device is known from DE 10 2007 003 801 A1 refer to. The device is used to obtain electrical energy from the exhaust heat of a motor vehicle internal combustion engine. Here, the exhaust heat of the internal combustion engine is used with the aid of a heat exchanger for evaporating water, which is supplied as a vapor via a Laval nozzle a tangentially flowed through Pelton constant pressure turbine. This is connected to a generator for generating electrical energy.

Aufgrund der bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere bei Personenkraftwagen, stark schwankenden Betriebszuständen steht für die Dampferzeugung eine stark variierende Abwärme zur Verfügung. Dies führt zu stark variierenden Dampfmassenströmen für den der Turbine zugeführten Dampf. Dies führt in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustands zu unterschiedlichen Wirkungsgraden bei der Umsetzung der im Dampf enthaltenen Energie in Rotationsenergie der Turbine. Due to the in a motor vehicle, especially in passenger cars, highly fluctuating operating conditions is for steam generation a widely varying waste heat available. This leads to greatly varying steam mass flows for the steam supplied to the turbine. Depending on the current operating state, this leads to different efficiencies in the conversion of the energy contained in the steam into rotational energy of the turbine.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Effizienz derartiger Systeme im Kraftfahrzeugbereich zu verbessern. Proceeding from this, the object of the invention is to improve the efficiency of such systems in the automotive sector.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Turbine für eine derartige Vorrichtung sowie durch ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung. Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten bevorzugten Ausgestaltungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf die Turbine und das Verfahren zu übertragen. The object is achieved according to the invention by a device having the features of claim 1. The object is further achieved by a turbine for such a device and by a method for using waste heat of an internal combustion engine with the aid of such a device. The preferred embodiments and advantages cited with regard to the device are also to be transferred analogously to the turbine and the method.

Danach ist vorgesehen, dass die Turbine mehrere Einströmdüsen für das Arbeitsmedium aufweist und dass weiterhin vorzugsweise eine Steuervorrichtung angeordnet ist, die in Abhängigkeit des aktuell anliegenden Massenstroms des Arbeitsmediums zwischen unterschiedlichen Kombinationen von Einströmdüsen schaltet. Die einzelnen Kombinationen bilden dabei jeweils Schaltstufen für verschiedene jeweils aktuell anliegende Massenströme. Thereafter, it is provided that the turbine has a plurality of inlet nozzles for the working medium and that further preferably a control device is arranged, which switches depending on the currently applied mass flow of the working medium between different combinations of inlet nozzles. The individual combinations in each case form switching stages for different currently applied mass flows.

Durch diese Maßnahme können die Einströmdüsen jeweils im Bereich ihres optimalen Wirkungsgrades betrieben werden und gleichzeitig ist durch die verschiedenen Schaltstufen eine sehr große Bandbreite an variierenden Massenströmen abdeckbar. By virtue of this measure, the inlet nozzles can each be operated in the region of their optimum efficiency and, at the same time, a very wide range of varying mass flows can be covered by the various switching stages.

Als Turbine wird hierbei vorzugsweise eine Gleichdruckturbine und als Einströmdüsen werden Lavaldüsen mit fest vorgegebener, nicht verstellbarer Geometrie also mit einem nicht verstellbaren Düsenquerschnitt eingesetzt. Derartige Lavaldüsen weisen allgemein einen konvergenten Einströmbereich auf, der sich bis auf einen minimalen Düsenquerschnitt reduziert und an den sich ein divergenter Ausströmbereich anschließt. An ihrem optimalen Arbeitspunkt, also bei definiertem, optimalem Arbeitsdruck bei gegebener Temperatur des Arbeitsmediums (Dampf) wird der Druck des Arbeitsmediums vorzugsweise vollständig in kinetische Strömungsenergie umgewandelt und das Arbeitsmedium tritt mit Überschallgeschwindigkeit aus der Lavaldüse aus. As a turbine here is preferably a constant pressure turbine and as inlet nozzles Laval nozzles are used with fixed predetermined, non-adjustable geometry so with a non-adjustable nozzle cross-section. Such Laval nozzles generally have a convergent inflow, which is reduced to a minimum nozzle cross-section and followed by a divergent Ausströmbereich. At its optimum operating point, ie at a defined, optimum working pressure at a given temperature of the working medium (steam), the pressure of the working medium is preferably completely converted into kinetic flow energy and the working medium exits the Laval nozzle at supersonic speed.

Bei einer derartigen Vorrichtung wird das Arbeitsmedium vorzugsweise in einem Kreislauf geführt, wobei die Energieübertragung aus der Abwärme in die mechanische Rotationsenergie der Turbine mit Hilfe des sogenannten Rankine-Prozesses erfolgt. Dabei ist neben dem Verdampfer auch ein Kondensator erforderlich, über den Wärme wieder an die Umgebung abgegeben wird. Die Vorrichtung wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in Personenkraftwagen eingesetzt. Die Abwärme wird wahlweise oder in Kombination aus dem Abgas oder aus dem Kühlmittel durch Wärmetausch im Verdampfer gewonnen. Die Anordnung des Verdampfers hat Rückwirkung auf das Gesamtsystem des Verbrennungsmotors. Bei einer Anordnung des Wärmetauschers im Abgastrakt führt dies zu einem erhöhten Gegendruck im Abgassystem, was insbesondere bei höheren Motorleistungen relevant ist. Beim Anschluss an das Kühlsystem wird dieses zusätzlich durch die beim Kreisprozess zusätzlich entstehende Abwärme belastet. In such a device, the working medium is preferably guided in a circuit, wherein the energy transfer from the waste heat into the mechanical rotational energy of the turbine takes place by means of the so-called Rankine process. In this case, in addition to the evaporator, a capacitor is required, is discharged through the heat back to the environment. The device is preferably used in a motor vehicle, in particular in passenger cars. The waste heat is recovered either selectively or in combination from the exhaust gas or from the coolant by heat exchange in the evaporator. The arrangement of the evaporator has a retroactive effect on the entire system of the internal combustion engine. In an arrangement of the heat exchanger in the exhaust system, this leads to an increased back pressure in the exhaust system, which is particularly relevant for higher engine performance. When connected to the cooling system, this is additionally burdened by the extra heat generated during the cycle.

Beim Umschalten zwischen unterschiedlichen Düsenkombinationen, also beim Umschalten zwischen Schaltstufen besteht zudem das Problem, dass dies zu Druckänderungen im System führt, welche eine negative Auswirkung auf die Stabilität des Verdampfungsprozesses im Verdampfer haben können. When switching between different nozzle combinations, ie when switching between switching stages, there is also the problem that this leads to pressure changes in the system, which can have a negative effect on the stability of the evaporation process in the evaporator.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die einzelnen Schaltstufen, also die einzelnen Einströmdüsen und ihre Kombination für die jeweilige Schaltstufe, derart gewählt sind, dass ein vorgegebener maximaler Drucksprung beim Umschalten zwischen zwei aufeinander folgenden Schaltstufen nicht überschritten ist. Der Drucksprung liegt dabei vorzugsweise lediglich in einem Bereich zwischen 1 × 105 bis 3 × 105 Pa. Allgemein liegt der Drucksprung – bezogen auf einen nominellen Betriebsdruck, für den das gesamte System ausgelegt ist, vorzugsweise im Bereich von 5% bis 20% des nominellen Betriebsdruckes. Weiterhin liegt der nominelle Betriebsdruckbevorzugt in der Mitte des Druckbereichs für den Drucksprung. Es wird also eine symmetrische Abweichung nach oben und nach unten vom nominellen Betriebsdruck zugelassen. According to a preferred embodiment, it is therefore provided that the individual switching stages, ie the individual inlet nozzles and their combination for the respective switching stage, are selected such that a predetermined maximum pressure jump when switching between two successive switching stages is not exceeded. The pressure jump is preferably only in a range between 1 × 10 5 to 3 × 10 5 Pa. Generally, based on a nominal operating pressure for which the entire system is designed, the pressure jump is preferably in the range of 5% to 20% of the nominal operating pressure. Furthermore, the nominal operating pressure is preferably in the middle of the pressure range for the pressure jump. Thus, a symmetrical deviation upwards and downwards from the nominal operating pressure is permitted.

Durch die Anordnung einer Mehrzahl von Einströmdüsen wird daher nicht nur die Effizienz und der Wirkungsgrad der Turbine selbst verbessert, indem die einzelnen Einströmdüsen jeweils derart ausgelegt werden, dass sie an oder möglichst nahe an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Zusätzlich wird auch die Rückkopplung beim Umschalten auf den Verdampfungsprozess gering gehalten. By arranging a plurality of inlet nozzles, therefore, not only the efficiency and the efficiency of the turbine itself is improved by the individual inlet nozzles are each designed such that they are operated at or as close as possible to their optimum operating point. In addition, the feedback when switching to the evaporation process is kept low.

In bevorzugter Weiterbildung werden die Einströmdüsen und deren Kombination in den jeweiligen Schaltstufen derart gewählt, dass die Anzahl der Einströmdüsen unter Berücksichtigung eines vorgegebenen zu erwartenden Massestrombereichs minimiert ist. Hierdurch wird zum Einen der Fertigungsaufwand insgesamt für die Turbine gering gehalten. Zugleich ist dadurch auch der erforderliche Bauraum für die Turbine gering gehalten, was insbesondere in den üblicherweise beengten Bauräumen bei einem Personenkraftwagen von wesentlicher Bedeutung ist. In a preferred embodiment, the inlet nozzles and their combination in the respective switching stages are selected such that the number of inlet nozzles is minimized, taking into account a predetermined mass flow range to be expected. As a result, on the one hand, the manufacturing effort is kept low overall for the turbine. At the same time thereby the required space for the turbine is kept low, which is particularly important in the usually confined spaces in a passenger car essential.

Für die Auslegung der Einströmdüsen wird daher unter Berücksichtigung eines vorgegebenen minimalen sowie maximalen Massenstroms die Anzahl der Einströmdüsen minimiert. For the design of the inlet nozzles, the number of inlet nozzles is therefore minimized, taking into account a predetermined minimum and maximum mass flow.

Die Turbine ist insgesamt für einen Massenstrombereich ausgelegt, der bei einem Kraftfahrzeug aufgrund der Rückwirkungen auf das Gesamtsystem des Verbrennungsmotors vorzugsweise lediglich etwa 20% bis 30% der zur Verfügung stehenden Abwärme des Verbrennungsmotors entspricht. Der maximale Massenstrom liegt daher bei PKW beispielsweise typischerweise im Bereich von 10kW und bei LKW im Bereich von bis zu 50kW isentroper Dampfexpansionsleistung. Unter isentroper Dampfexpansionsleistung wird die Leistung des Dampfes bei seiner adiabatischen (isentropen) Expansion in der Turbine verstanden, also seine bei dieser Zustandsänderung pro Zeiteinheit geleistete Arbeit (auf Turbine übertragene Energie). Der minimale Massenstrom richtet sich nach einer technisch sinnvoll nutzbaren unteren Menge, die bei einem PKW vorzugsweise etwa einer isentropen Dampfexpansionsleistung von 0,1kW entspricht Bei der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium liegen die Grenzen für den Massenstrom bei einem PKW vorzugsweise bei etwa 1g/s (entspricht etwa 0,3kW isentrope Dampfexpansionsleistung) und bei etwa 15g/s (entspricht etwa 8,5kW isentrope Dampfexpansionsleistung) bei einer Dampftemperatur von etwa 300°C. Grundsätzlich können auch andere für die Einsatzbedingungen geeignete Arbeitsmedien gewählt werden. Je nach spezifischer Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmediums variieren die Massenströme, für die die Turbine ausgelegt ist. Overall, the turbine is designed for a mass flow range which in a motor vehicle preferably corresponds to only about 20% to 30% of the available waste heat of the internal combustion engine due to the effects on the overall system of the internal combustion engine. For example, the maximum mass flow for cars is typically in the range of 10kW and for trucks in the range of up to 50kW isentropic steam expansion capacity. Isentropic steam expansion performance is understood to mean the power of the steam during its adiabatic (isentropic) expansion in the turbine, ie its work per unit of time performed during this change of state (energy transferred to the turbine). The minimum mass flow depends on a technically useful lower amount, which in a car preferably corresponds to about an isentropic steam expansion capacity of 0.1 kW. When using water as a working medium, the limits for the mass flow in a car are preferably about 1 g / s ( corresponds to about 0.3kW isentropic steam expansion capacity) and at about 15g / s (equivalent to about 8.5kW isentropic steam expansion capacity) at a steam temperature of about 300 ° C. In principle, other working media suitable for the operating conditions can also be selected. Depending on the specific evaporation enthalpy of the working medium, the mass flows for which the turbine is designed vary.

Die Dampftemperatur des Arbeitsmediums liegt dabei vorzugsweise allgemein im Bereich von 200°C bis 300°C. Allgemein wird die Temperatur so gewählt, dass ein überhitzter Dampf ohne Flüssigkeitströpfchen vorliegt. The steam temperature of the working medium is preferably generally in the range of 200 ° C to 300 ° C. Generally, the temperature is selected to provide superheated steam without liquid droplets.

Die hier angegebenen Werte für die Systemparameter wie Temperatur des Arbeitsmediums und Betriebsdruck des Arbeitsmediums (Dampf) beziehen jeweils auf die an der Eintrittsseite der Düsen herrschenden Bedingungen, also der Druck bzw. die Temperatur des den Düsen zugeführten Dampfes, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist. The values given here for the system parameters such as temperature of the working medium and operating pressure of the working medium (steam) relate respectively to the conditions prevailing at the inlet side of the nozzles, ie the pressure or the temperature of the steam supplied to the nozzles, unless explicitly stated otherwise ,

Vorzugsweise werden die Einströmdüsen für unterschiedliche Masseströme ausgelegt, bezogen auf einen nominellen Betriebsdruck und einer nominellen Temperatur des Arbeitsmediums, für die das System ausgelegt ist. Zweckdienlicherweise ist jede der Einströmdüsen für einen unterschiedlichen Massestrom ausgelegt. Durch die unterschiedliche Auslegung der verschiedenen Einströmdüsen lassen sich mit einer geringen Anzahl an Einströmdüsen möglichst viele Abstufungen und Kombinationsmöglichkeiten für die einzelnen Schaltstufen verwirklichen. Preferably, the inlet nozzles are designed for different mass flows, based on a nominal operating pressure and a nominal temperature of the working medium for which the system is designed. Conveniently, each of the inlet nozzles is designed for a different mass flow. Due to the different design of the different inlet nozzles can be realized with a small number of inlet nozzles as many gradations and combination options for the individual switching stages.

In bevorzugter Ausgestaltung sind für den vorgegebenen Massenstrombereich zwischen einem minimalen Massenstrom und einen maximalen Massenstrom des Arbeitsdampfes mehrere aufeinander folgende Schaltstufen vorgegeben, wobei jede der Schaltstufe eine fest vorgegebene Kombination an Einströmdüsen aufweist. Diese fest definierten Kombinationen pro Schaltstufe werden im Betrieb von der Steuereinrichtung an fest definierten Schaltpunkten freigeschaltet, also mit dem Arbeitsdampf beaufschlagt. Diese fest definierten Schaltpunkte sind vorgegebene Werte des Betriebsdruckes. Werden diese über- bzw. unterschritten erfolgt ein Umschalten in die benachbarte höhere bzw. niedrigere Schaltstufe. . Das Umschalten geschieht allgemein vorzugsweise über einzeln ansteuerbare Steuerventile, über die der gesamte Massestrom, welcher der Turbine zugeführt wird, auf die verschiedenen Einströmdüsen einer jeweiligen Schaltstufe aufgeteilt wird. Jeder Einströmdüse ist vorzugsweise ein Steuerventil zugeordnet. Über die Steuerventile wird jeweils ein Strömungsweg zu der jeweiligen Einströmdüse freigeschaltet. Die Steuerventile werden dabei vorzugsweise aktiv von der Steuereinrichtung angesteuert. In a preferred embodiment, a plurality of successive switching stages are predetermined for the predetermined mass flow range between a minimum mass flow and a maximum mass flow of the working steam, wherein each of the switching stage has a fixed predetermined combination of inlet nozzles. These firmly defined combinations per switching stage are enabled in operation by the control device at firmly defined switching points, so acted upon by the working steam. These firmly defined Switching points are given values of the operating pressure. If these are exceeded or fallen short of, switching takes place to the adjacent higher or lower switching stage. , The switching is generally done preferably via individually controllable control valves, via which the entire mass flow, which is supplied to the turbine, is divided among the various inlet nozzles of a respective switching stage. Each inlet nozzle is preferably associated with a control valve. A flow path to the respective inlet nozzle is in each case released via the control valves. The control valves are preferably activated by the control device.

Um eine möglichst große Variierbarkeit und beliebige Kombinierbarkeit der verschiedenen Einströmdüsen zu erzielen sind diese in zweckdienlicher Ausgestaltung alle für einen gleichen optimalen Arbeitspunkt und damit optimalen Arbeitsdruck ausgelegt. Unter optimalem Arbeitsdruck wird hierbei der Arbeitsdruck im Arbeitspunkt der Düse verstanden, bei dem diese ihren theoretisch maximalen Wirkungsgrad erreicht. Durch die Wahl eines gleichen optimalen Arbeitsdruckes sind beliebige Kombinationen zwischen den einzelnen Einströmdüsen ermöglicht. Sämtliche Schaltstufen können daher im gleichen Druckbereich betrieben werden. Es wird in jeder Schaltstufe immer der gleiche Druckbereich unabhängig von der speziellen Kombination der einzelnen Einströmdüsen ausgenutzt. In order to achieve the greatest possible variability and any combinability of the various inlet nozzles, they are designed in an expedient embodiment all for the same optimum operating point and thus optimum working pressure. Under optimal working pressure here is the working pressure at the operating point of the nozzle understood, in which this reaches its theoretical maximum efficiency. By choosing an equal optimum working pressure any combinations between the individual inlet nozzles are possible. All switching stages can therefore be operated in the same pressure range. It is used in each switching stage always the same pressure range regardless of the specific combination of the individual inlet nozzles.

Zweckdienlicherweise ist dabei insbesondere vorgesehen, dass bei einem Schalten in die nächsthöhere Schaltstufe, also in die für einen höheren Massenstrom ausgelegte Kombination an Einströmdüsen, der eingangsseitig an den Einströmdüsen anstehende Betriebsdruck auf den optimalen Arbeitsdruck abfällt, für den die jeweilige Düse ausgebildet ist. Der optimale Arbeitsdruck bildet daher vorzugsweise eine untere Schwelle für den Betriebsdruck des Arbeitsmediums über die gesamte Bandbreite über alle Schaltstufen hinweg. Dadurch wird sichergestellt, dass die einzelnen Einströmdüsen optimal betrieben werden. Conveniently, it is particularly provided that when switching to the next higher switching stage, ie in the designed for a higher mass flow combination of inlet nozzles, the input side of the inlet nozzles pending operating pressure drops to the optimum working pressure for which the respective nozzle is formed. The optimum working pressure therefore preferably forms a lower threshold for the operating pressure of the working medium over the entire bandwidth over all switching stages. This ensures that the individual inlet nozzles are operated optimally.

Das Gesamtsystem ist bevorzugt für einen nominellen Betriebsdruck mit einer zulässigen Abweichung hiervon im Bereich des maximalen Drucksprungs ausgelegt, d.h. es wird eine untere und eine obere Schwelle für den Betriebsdruck vorgegeben, die beim Umschalten zwischen den Schaltstufen nicht überschritten werden. Vorzugsweise erlaubt die Steuereinrichtung für die unterste Schaltstufe sowie für die oberste Schaltstufe ein Unter- bzw. Überschreiten dieser Schwellen bis zu einem minimalen bzw. maximalen Betriebsdruck. Für die unterste Schaltstufe ist ein zulässiger minimaler Betriebsdruck im Bereich vorzugsweise von 2 bis 5 × 105 Pa und für die oberste Schaltstufe ist vorzugsweise ein maximaler Betriebsdruck im Bereich von etwa 8 bis 20 × 105 Pa erlaubt. Bezogen auf den nominellen Betriebsdruck liegt der minimale Betriebsdruck allgemein bei 50% bis 85% und der maximale Betreibsdruck allgemein bei 115% bis 200% des nominellen Betriebsdrucks. Dadurch wird bei sehr kleinen Massenströmen und sehr großen Massenströmen der Betrieb des Systems bis zum Erreichen des minimalen bzw. maximalen Betriebsdrucks ermöglicht. Da in diesen äußeren Schaltstufen kein Schalten mehr erfolgt, bleibt das Erfordernis der Begrenzung des maximalen Drucksprungs erhalten. The overall system is preferably designed for a nominal operating pressure with a permissible deviation thereof in the region of the maximum pressure jump, ie a lower and an upper threshold for the operating pressure are specified, which are not exceeded when switching between the switching stages. Preferably, the control device for the lowermost switching stage as well as for the uppermost switching stage allows a lower or exceeded these thresholds up to a minimum or maximum operating pressure. For the lowermost shift stage, a permissible minimum operating pressure in the range of preferably from 2 to 5 × 10 5 Pa and for the uppermost shift stage is preferably a maximum operating pressure in the range of about 8 to 20 × 10 5 Pa allowed. Based on the nominal operating pressure, the minimum operating pressure is generally 50% to 85% and the maximum operating pressure is generally 115% to 200% of the nominal operating pressure. This allows the system to operate at very low mass flows and very high mass flows until the minimum or maximum operating pressure is reached. Since no switching occurs in these outer switching stages, the requirement of limiting the maximum pressure jump remains.

Bei dieser Ausgestaltung ist die Einströmdüse der untersten Schaltstufe – abweichend von den weiteren Einströmdüsen – für einen optimalen Arbeitsdruck (bei gegebener Temperatur und gegebenem Arbeitsmedium) im Bereich des minimalen Betriebsdrucks ausgelegt. Die weiteren Einströmdüsen sind für einen optimalen Arbeitsdruck im Bereich der unteren Schaltschwelle ausgebildet. Alternativ hierzu ist auch die Einströmdüse der untersten Schaltstufe für einen optimalen Arbeitsdruck im Bereich der unteren Schaltschwelle ausgebildet. In this embodiment, the inlet nozzle of the lowermost switching stage - deviating from the other inlet nozzles - designed for an optimal working pressure (at a given temperature and given working medium) in the range of the minimum operating pressure. The further inlet nozzles are designed for an optimal working pressure in the range of the lower switching threshold. Alternatively, the inlet nozzle of the lowermost switching stage is also designed for an optimum working pressure in the region of the lower switching threshold.

Allgemein ist das System vorzugsweise für einen nominellen Betriebsdruck ausgelegt, der im Bereich von 5 bis 20 × 105 Pa liegt. Generally, the system is preferably designed for a nominal operating pressure ranging from 5 to 20 x 10 5 Pa.

Bei der Dimensionierung und Auslegung der einzelnen Einströmdüsen wird die erste für den minimalen Massestrom vorgesehene Schaltstufe vorzugsweise durch eine einzige Einströmdüse gebildet, die für den minimalen Massestrom bei einem unteren Schwellwert für den Betriebsdruck ausgelegt ist. Dieser untere Schwellwert ist insbesondere der optimale Arbeitsdruck der Einströmdüse. In the dimensioning and design of the individual inlet nozzles, the first switching stage provided for the minimum mass flow is preferably formed by a single inlet nozzle, which is designed for the minimum mass flow at a lower threshold value for the operating pressure. This lower threshold is in particular the optimum working pressure of the inlet nozzle.

Weiterhin ist zweckdienlicherweise die letzte Schaltstufe, die für den maximalen Massestrom ausgelegt ist, durch die Kombination aller zur Verfügung stehender Einströmdüsen gebildet. Hierdurch wird die Anzahl der Einströmdüsen bei gleichzeitig geringen Drucksprüngen zwischen den einzelnen Schaltstufen gering gehalten. Furthermore, expediently, the last switching stage, which is designed for the maximum mass flow, formed by the combination of all available inlet nozzles. As a result, the number of inlet nozzles is kept low at the same time low pressure jumps between the individual switching stages.

Für die unterschiedliche Auslegung der Abstufungen der Einströmdüsen liegt der Massenstromunterschied, für den zwei aufeinanderfolgende Einströmdüsen ausgelegt sind, vorzugsweise im Bereich von 1/4 bis 4/4 des minimalen Massenstroms. Durch diese vergleichsweise feine Abstufung ist gewährleistet, dass der Druckanstieg und damit der Drucksprung beim Umschalten zwischen zwei Schaltstufen innerhalb des gewünschten Bereichs bleibt. For the different design of the increments of the inlet nozzles, the mass flow difference, for which two successive inlet nozzles are designed, preferably in the range of 1/4 to 4/4 of the minimum mass flow. This comparatively fine gradation ensures that the pressure increase and thus the pressure jump when switching between two switching stages remains within the desired range.

Im Hinblick auf die Auslegung der Einströmdüsen gehen für ein entsprechendes Auslegungsverfahren insgesamt daher folgende Parameter vorzugsweise in Kombination ein:

  • – das verwendete Arbeitsmedium,
  • – die Dampftemperatur am Eintritt der Turbine, insbesondere liegt die Dampftemperatur T im Bereich von 200°C bis 300°C,
  • – der nominelle Auslegungs- oder Betriebsdruck pnom des Systems, insbesondere des Verdampfers, welcher beispielsweise im Bereich von 5 bis 20·105 Pa und insbesondere bei etwa 7·105 Pa liegt,
  • – der maximale (Dampf-)Massestrom mmax, der beispielsweise bei etwa 15g pro Sekunde bei Wasser als Arbeitsmedium liegt,
  • – ein maximal zulässiger Betriebsdruck pmax vor der Turbine, der beispielsweise bei etwa 10·105 Pa liegt und welcher insbesondere einen oberen Grenzwert für die letzte Schaltstufe angibt,
  • – der minimale Massenstrom mmin, der sich in technisch sinnvoller Weise von der Turbine nutzen lässt und der beispielsweise zwischen 1 und 2 g pro Sekunde bei Wasser als Arbeitsmedium liegt,
  • – der minimale Betriebsdruck pmin, der beispielsweise im Bereich von etwa 4·105 Pa liegt und welcher insbesondere einen unteren Grenzwert für die erste Schaltstufe angibt
  • – der maximale Drucksprung ∆pmax, wobei bevorzugt eine symmetrische Unter- bzw. Überschreitung des nominellen Betriebsdrucks pnom vorgesehen ist.
With regard to the design of the inlet nozzles, therefore, the following parameters are generally used in combination for a corresponding design method:
  • - the working medium used,
  • The steam temperature at the inlet of the turbine, in particular the steam temperature T is in the range of 200 ° C. to 300 ° C.,
  • The nominal design or operating pressure p nom of the system, in particular of the evaporator, which is, for example, in the range of 5 to 20 × 10 5 Pa and in particular approximately 7 × 10 5 Pa,
  • - The maximum (steam) mass flow m max , which is for example at about 15g per second with water as the working medium,
  • A maximum permissible operating pressure p max upstream of the turbine, which is, for example, about 10 × 10 5 Pa and which in particular indicates an upper limit value for the last switching stage,
  • - The minimum mass flow m min , which can be used in a technically meaningful way of the turbine and, for example, between 1 and 2 g per second with water as the working medium,
  • - The minimum operating pressure p min , which is for example in the range of about 4 · 10 5 Pa and which in particular indicates a lower limit for the first switching stage
  • - The maximum pressure jump Δp max , preferably a symmetrical under or exceeding the nominal operating pressure p nom is provided.

Weiterhin können für das Auslegungsverfahren spezielle Restriktionen hinsichtlich einer Schaltfolge zwischen unterschiedlichen Kombination bzw. Restriktionen bzgl. der Kombination von Düsen vorgegeben sein. Furthermore, special restrictions with respect to a switching sequence between different combinations or restrictions with respect to the combination of nozzles can be specified for the design method.

Die Turbine ist allgemein zweckdienlicherweise für Drehzahlen im Bereich von mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute (U/min) ausgelegt, insbesondere für Drehzahlen im Bereich von 40.000 bis maximal 100.000 U/min. Die Turbine ist dabei insbesondere als sogenannte Curtis-Turbine ausgebildet, welche eine zweistufige Gleichdruckturbine ist mit einem ersten Laufrad, einem sich an dieses anschließendes Leitrad sowie mit einem zweiten Laufrad. Grundsätzlich kann die Gleichdruckturbine ein- oder auch mehrstufig ausgebildet sein. The turbine is generally suitably designed for speeds in the range of tens of thousands of revolutions per minute (RPM), especially for speeds in the range of 40,000 to a maximum of 100,000 RPM. The turbine is designed in particular as a so-called Curtis turbine, which is a two-stage constant pressure turbine with a first impeller, a subsequent to this stator and a second impeller. In principle, the constant pressure turbine can be designed in one or more stages.

Die Turbine umfasst dabei zweckdienlicherweise einströmseitig einen zylindrischen Düsenkörper mit dem zumindest einen sich daran anschließenden Laufrad, wobei die Einströmdüsen an der Mantelseite des zylindrischen Düsenkörpers ausgebildet sind. Unter zylindrischem Düsenkörper wird allgemein ein rotationsförmiger Düsenkörper mit einer in etwa zylindermantelförmigen Oberfläche verstanden. Zweckdienlicherweise ist dieser Düsenkörper scheibenförmig ausgebildet, weist also eine Höhe des Zylinders auf, die vorzugsweise deutlich geringer als der Durchmesser des Zylinders ist. Der Düsenkörper ist hierbei feststehend angeordnet, wohingegen das zumindest eine Laufrad rotierbar ist. Um den Umfang des Düsenkörpers verteilt sind die Einströmdüsen insbesondere an der Außenseite des Düsenkörpers eingearbeitet. Sie sind dabei radial nach außen vorzugsweise offen und werden von einem Gehäusebauteil radial nach außen abgeschlossen. Der Düsenkörper und damit die Turbine insgesamt werden in axialer Richtung durchströmt, also in Längsrichtung einer Turbinenachse, auf die das Laufrad angebracht ist. The turbine expediently comprises on the inflow side a cylindrical nozzle body with the at least one adjoining impeller, wherein the inflow nozzles are formed on the shell side of the cylindrical nozzle body. Cylindrical nozzle body is generally understood to mean a rotational nozzle body with an approximately cylinder jacket-shaped surface. Conveniently, this nozzle body is disc-shaped, thus has a height of the cylinder, which is preferably significantly smaller than the diameter of the cylinder. The nozzle body is in this case arranged fixed, whereas the at least one impeller is rotatable. Distributed around the circumference of the nozzle body, the inlet nozzles are incorporated in particular on the outside of the nozzle body. They are preferably radially outwardly open and are completed by a housing component radially outward. The nozzle body and thus the turbine as a whole are flowed through in the axial direction, ie in the longitudinal direction of a turbine axis, on which the impeller is mounted.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS.

1 ein Schaubild des Rankine-Prozesses, 1 a graph of the Rankine process,

2A eine schematische, ausschnittsweise Ansicht einer Turbine, 2A a schematic, fragmentary view of a turbine,

2B ein schematisches Diagramm des Verlaufs der Strömungsgeschwindigkeit sowie des Drucks des Arbeitsmediums beim Durchströmen der Turbine sowie 2 B a schematic diagram of the course of the flow velocity and the pressure of the working medium when flowing through the turbine and

3 ein Diagramm zur beispielhaften Auslegung der Einströmdüsen der Turbine mit mehreren Schaltstufen, bei dem der eingangsseitig an der an Turbine anliegende Betriebsdruck gegenüber dem Massenstrom aufgetragen ist. 3 a diagram for the exemplary design of the inlet nozzles of the turbine with multiple switching stages, in which the input side is applied to the voltage applied to the turbine operating pressure compared to the mass flow.

Zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere in einem Pkw wird der in 1 dargestellte Rankine-Prozess herangezogen. Die im Kraftfahrzeug eingebaute Vorrichtung zur Abwärmenutzung umfasst eine Pumpe 2, einen als Dampferzeuger oder Verdampfer 4 ausgebildeten Wärmetauscher, eine Turbine 6 sowie einen Kondensator 8. Zur Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie ist im Ausführungsbeispiel der Turbine 6 ein Generator 10 zugeordnet, der insbesondere mit der Turbine 6 eine kompakte Baueinheit bildet. Die Turbine 6 selbst umfasst einströmseitig einen Düsenkörper 12, an den sich eine Laufradanordnung 13 anschließt. Zur Steuerung der gesamten Vorrichtung ist eine Steuereinheit 14 angeordnet. Diese steuert insbesondere auch eine dem Düsenkörper 12 vorgelagerte Ventileinheit 15 mit mehreren hier nicht näher dargestellten Steuerventilen. To use the waste heat of an internal combustion engine, especially in a car, the in 1 illustrated Rankine process used. The installed in the motor vehicle device for waste heat use includes a pump 2 , one as a steam generator or evaporator 4 trained heat exchanger, a turbine 6 and a capacitor 8th , For converting the heat energy into electrical energy in the embodiment of the turbine 6 a generator 10 associated with the particular turbine 6 forms a compact unit. The turbine 6 itself includes a nozzle body on the inflow side 12 to which a truck assembly 13 followed. To control the entire device is a control unit 14 arranged. This also controls a particular the nozzle body 12 upstream valve unit 15 with several control valves not shown here.

Die Komponenten Pumpe 2, Verdampfer 4, Turbine 6 sowie Kondensator 8 werden in Strömungsrichtung 16 von einem Arbeitsmedium M durchströmt. Durch die horizontal verlaufende gestrichelte Linie in der 1 wird die Trennung eines Hochdruckteils 18 von einem Niederdruckteil 20 illustriert. Im Teilbereich zwischen Kondensator 8 und Verdampfer 4 ist das Arbeitsmedium M flüssig, wohingegen es im Teilbereich zwischen dem Verdampfer 4 und dem Kondensator 8 dampfförmig ist und als Dampf D vorliegt. Im Verdampfer 4 erfolgt ein Wärmeeintrag und über den Kondensator eine Wärmeabgabe, wie dies durch die Pfeile 22 dargestellt ist. The components pump 2 , Evaporator 4 , Turbine 6 as well as capacitor 8th be in the flow direction 16 flows through a working medium M. Due to the horizontal dashed line in the 1 becomes the separation of a high pressure part 18 from a low pressure part 20 illustrated. In the sub-area between the capacitor 8th and evaporator 4 the working medium M is liquid, whereas in the partial area between the evaporator 4 and the capacitor 8th is vaporous and is present as vapor D. In the evaporator 4 There is a heat input and through the condenser heat dissipation, as indicated by the arrows 22 is shown.

Für den Wärmeeintrag ist der Verdampfer 4 an eine Wärmeleitung 24 angeschlossen, die von einem Heißmedium H durchströmt ist. Bei diesem Heißmedium H handelt es sich beispielsweise um das Abgas des Verbrennungsmotors oder auch um ein erhitztes Kühlmittel für den Verbrennungsmotor. Bei der Wärmeleitung 24 kann es sich daher direkt um ein Abgasrohr des Kraftfahrzeuges oder auch um eine Kühlmittelleitung handeln. Der Verdampfer 4 ist entsprechend wahlweise als Abgas- und/oder Kühlmittelwärmetauscher abgebildet. Abgas und Kühlmittel werden bevorzugt parallel zur Wärmeeinbringung herangezogen. For the heat input is the evaporator 4 to a heat pipe 24 connected, which is traversed by a hot medium H. This hot medium H is, for example, the exhaust gas of the internal combustion engine or else a heated coolant for the internal combustion engine. In the heat conduction 24 It may therefore be directly to an exhaust pipe of the motor vehicle or to a coolant line. The evaporator 4 is accordingly shown either as exhaust and / or coolant heat exchanger. Exhaust gas and coolant are preferably used in parallel to the heat input.

Das Arbeitsmedium M wird durch den Wärmeeintrag im Verdampfer 4 verdampft, der dadurch erhaltene Dampf D wird der Turbine 6 zugeführt, wird in der Turbine 6 entspannt und erzeugt so eine mechanische Leistung, indem eine Turbinenwelle angetrieben wird. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese Leistung direkt zum Antrieb eines elektrischen Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie herangezogen. Diese wird im Kraftfahrzeug weiter genutzt und in das kraftfahrzeugeigene Bordnetz eingespeist und beispielsweise in einem Energiespeicher zwischengespeichert. Die elektrisch erzeugbare Leistung liegt dabei vorzugsweise im Bereich von einigen kW und insbesondere bis zu 5kW. Nach Durchströmen der eine Expansionsmaschine bildende Turbine wird der Dampf bei geringem Druck und unter Wärmeabgabe im Kondensator 8 verflüssigt. Das Arbeitsmedium M wird mit Hilfe der Pumpe 2 innerhalb des beschriebenen Kreislaufs umgewälzt, wobei diese das Arbeitsmedium M zwischen Kondensator 8 und Verdampfer 4 wieder auf ein höheres Druckniveau bringt. The working medium M is due to the heat input in the evaporator 4 vaporized, the steam D thus obtained is the turbine 6 fed into the turbine 6 relaxes and thus generates a mechanical power by a turbine shaft is driven. In the embodiment described here, this power is used directly to drive an electric generator for generating electrical energy. This is further used in the motor vehicle and fed into the motor vehicle own electrical system and cached, for example, in an energy storage. The electrically generated power is preferably in the range of a few kW and in particular up to 5kW. After flowing through the turbine forming an expansion machine, the steam at low pressure and with heat release in the condenser 8th liquefied. The working fluid M is using the pump 2 circulated within the circuit described, this being the working medium M between the condenser 8th and evaporator 4 brings back to a higher pressure level.

Die bei einem Kraftfahrzeug aus der Abwärme technisch sinnvoll erzeugbare Dampf-Massenströme sind vergleichsmäßig gering und liegen im Bereich von einigen Gramm Dampf pro Sekunde im Falle von Wasser als Arbeitsmedium M. Um diese bereitgestellte Dampfexpansionsleistung effizient in der Turbine 6 in mechanische Leistung umzusetzen ist die Turbine 6 insbesondere als Gleichdruckturbine ausgebildet. The technically feasible in a motor vehicle from the waste heat technically useful steam mass flows are relatively low and are in the range of a few grams of steam per second in the case of water as the working medium M. To this steam expansion efficiency provided efficiently in the turbine 6 to convert into mechanical power is the turbine 6 designed in particular as a constant pressure turbine.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Turbine 2 ist ausschnittsweise und schematisch in 2A illustriert. Allgemein wird bei einer Gleichdruckturbine der Dampf D über Lavaldüsen entspannt, also die Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt. Der entspannte Dampf D wird anschließend zumindest einem Laufrad 28 zugeführt und dort abgebremst, wodurch ein Drehmoment des Laufrads 28 erzeugt wird. A preferred embodiment of the turbine 2 is fragmentary and schematic in 2A illustrated. Generally, in a constant-pressure turbine, the steam D is expanded via Laval nozzles, that is, the pressure energy is converted into kinetic energy. The relaxed steam D is then at least one impeller 28 fed and braked there, creating a torque of the impeller 28 is produced.

Im Ausführungsbeispiel ist die Turbine 6 als eine axial durchströmte, zweistufige Gleichdruckturbine ausgebildet. Eingangsseitig weist sie den Düsenkörper 12 mit mehreren unterschiedlich ausgebildeten Einströmdüsen 26 auf. An dem Düsenkörper 12 schließt sich in Axialrichtung 30 der Turbine 6 zunächst ein erstes rotierbar gelagertes Laufrad 28, dann ein feststehendes Leitrad 32 und schließlich ein zweites rotierbar gelagertes Laufrad 28 an. In the exemplary embodiment, the turbine 6 designed as an axially flowed through, two-stage constant-pressure turbine. On the input side, it has the nozzle body 12 with several differently shaped inlet nozzles 26 on. On the nozzle body 12 closes in the axial direction 30 the turbine 6 initially a first rotatably mounted impeller 28 , then a stationary stator 32 and finally a second rotatably mounted impeller 28 at.

Der zugehörige Verlauf der Geschwindigkeit v des Dampfes D sowie des Druckes p des Dampfes D beim Durchströmen der Turbine 6 ergibt sich aus der 2B. Wie hieraus zu entnehmen ist, wird durch die Einströmdüsen 26 der Dampfdruck p in Strömungsgeschwindigkeit v umgewandelt, vorzugsweise mit Überschallgeschwindigkeit, die bei gleichbleibendem Dampfdruck p in Rotationsenergie der Turbinenwelle umgewandelt wird. The associated course of the speed v of the steam D and the pressure p of the steam D while flowing through the turbine 6 arises from the 2 B , As can be seen from this, is through the inlet nozzles 26 the vapor pressure p is converted into flow velocity v, preferably at supersonic velocity, which is converted into rotational energy of the turbine shaft at a constant vapor pressure p.

Die Turbine 6 ist insgesamt nach Art eines zylindrischen, walzenförmigen Körpers ausgebildet, der aus einzelnen zylindrischen Scheiben, nämlich dem Düsenkörper 12, den beiden Laufrädern 28 und dem Leitrad 32 gebildet ist. An der Mantelseite weisen die einzelnen Elemente jeweils Strukturen zur Ausbildung der Einströmdüsen 26 bzw. der Lauf- bzw. Leitschaufeln auf. Diese Strukturen sind beispielsweise durch Einfräsen in Vollmaterial gebildet. Der in 2A dargestellte Walzenkörper ist ein Innenbauteil, welches in einem hier nicht dargestellten zylindrisches Gehäuse eingebaut ist, so dass über die Gehäusewandung eine radiale Begrenzung der Einströmdüsen 26 sowie der einzelnen Strömungsräumen bei den Laufrädern 28 und dem Leitrad 32 erreicht ist. The turbine 6 is formed overall in the manner of a cylindrical, cylindrical body made of individual cylindrical discs, namely the nozzle body 12 , the two wheels 28 and the stator 32 is formed. On the shell side, the individual elements each have structures for forming the inlet nozzles 26 or the running or guide vanes. These structures are formed for example by milling in solid material. The in 2A shown roller body is an inner component, which is installed in a cylindrical housing, not shown here, so that on the housing a radial Limitation of the inlet nozzles 26 and the individual flow spaces in the wheels 28 and the stator 32 is reached.

Die für die Nutzung vom Verbrennungsmotor bereitgestellte Abwärme hängt stark vom aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors ab und variiert bei einem Personenkraftwagen in einem Bereich von 1 KW bis mehrere 100 KW. Ein im Verdampfer 4 erzeugter Dampf-Massenstrom m ist proportional zu dieser vom Verdampfer 4 aufgenommenen Wärmeleistung. Die Turbine 6 muss daher für eine große Bandbreite an Massenströmen m angepasst sein. Gleichzeitig sollte der Betriebsdruck p im Kreislauf keinen übermäßigen Schwankungen unterworfen sein. The waste heat provided for the use of the internal combustion engine depends greatly on the current operating state of the internal combustion engine and varies in a passenger car in a range of 1 KW to several 100 KW. One in the evaporator 4 generated steam mass flow m is proportional to this of the evaporator 4 absorbed heat output. The turbine 6 must therefore be adapted for a wide range of mass flows m. At the same time, the operating pressure p in the circuit should not be subject to excessive fluctuations.

Um einen hohen einen Wirkungsgrad und einen effizienten Betrieb zu ermöglichen sind die Einströmdüsen 26 gemäß einem ersten Aspekt über die Ventileinheit 15 und über die Steuereinheit 14 in Abhängigkeit des aktuellen Massenstroms m in unterschiedlichen Kombinationen zuschaltbar sind. Hierunter wird verstanden, dass der aktuelle Massenstrom m auf unterschiedliche Düsenkombination in Abhängigkeit des Massenstroms m aufgeteilt wird. Hierdurch wird über einen großen Massenstrombereich der Betriebsdruck p und damit der Verdampfungsdruck im Verdampfer 4 geregelt und innerhalb einer gewünschten Bandbreite gehalten. Der Betriebsdruck p schwankt dabei beispielsweise innerhalb einer zulässigen Schwankungsbreite um einen nominellen Betriebsdruck pnom, welcher beispielsweise im Bereich zwischen 5 und 20 bar liegt. To allow a high efficiency and an efficient operation are the inlet nozzles 26 according to a first aspect of the valve unit 15 and about the control unit 14 depending on the current mass flow m in different combinations can be switched. This is understood to mean that the current mass flow m is divided into different nozzle combinations as a function of the mass flow m. As a result, over a large mass flow range of the operating pressure p and thus the evaporation pressure in the evaporator 4 regulated and kept within a desired bandwidth. The operating pressure p fluctuates, for example, within a permissible fluctuation range by a nominal operating pressure p nom , which is, for example, in the range between 5 and 20 bar.

Unter Düsenkombinationen wird hier sowohl eine einzige Einströmdüse 26 als auch eine Mehrzahl von Einströmdüsen 26 bis hin zu allen Einströmdüsen 26 verstanden. Jede der verschiedenen Düsenkombinationen bildet dabei eine Schaltstufe. Bei definierten, fest vorgegebenen Schaltpunkten, die durch definierte Massenströme m gebildet sind, wird zwischen den aufeinander folgenden Schaltstufen umgeschaltet. Jede der Einströmdüsen 26 weist einen Düsenquerschnitt A auf, so dass jede Einströmdüse 26 für einen bestimmten Massenstrom in ihrem Arbeitspunkt bei einem optimalen Arbeitsdruck ausgelegt ist. Der Düsenquerschnitt ist der Querschnitt an der Engstelle der jeweiligen Einströmdüse. Eine jeweilige Düsenkombination weist einen Gesamtdüsenquerschnitt auf, der aus der Summe der Düsenquerschnitte A der einzelnen Einströmdüsen 26 gebildet ist. Under nozzle combinations here is both a single inlet nozzle 26 as well as a plurality of inlet nozzles 26 up to all inlet nozzles 26 Understood. Each of the different nozzle combinations forms a switching stage. At defined, fixed predetermined switching points, which are formed by defined mass flows m, is switched between the successive switching stages. Each of the inlet nozzles 26 has a nozzle cross-section A, so that each inlet nozzle 26 is designed for a particular mass flow in its operating point at an optimal working pressure. The nozzle cross section is the cross section at the bottleneck of the respective inlet nozzle. A respective nozzle combination has an overall nozzle cross section which is the sum of the nozzle cross sections A of the individual inlet nozzles 26 is formed.

Bei vorgegebenem Düsenquerschnitt A steigt mit zunehmenden Massenstrom m der Betriebsdruck p an. Beim Umschalten auf eine Düsenkombination mit vergrößertem Gesamtdüsenquerschnitt erfolgt dann ein sprunghafter Druckabfall, also allgemein eine als Drucksprung bezeichnete Druckänderung. Dieser Drucksprung des Betriebsdrucks p kann negative Auswirkungen auf die Stabilität des Verdampfungsprozesses im Verdampfer 4 haben. For a given nozzle cross-section A increases with increasing mass flow m of the operating pressure p. When switching to a nozzle combination with enlarged total nozzle cross-section then takes a sudden pressure drop, so generally referred to as a pressure jump pressure change. This pressure jump of the operating pressure p can negatively affect the stability of the evaporation process in the evaporator 4 to have.

Gemäß einem zweiten Aspekt werden daher die einzelnen Einströmdüsen 26 derart ausgebildet und in den einzelnen Schaltstufen derart kombiniert, dass die Drucksprünge beim Umschalten zwischen zwei Schaltstufen möglichst innerhalb eines vorgegebenen Bereichs eines maximalen Drucksprungs ∆pmax bleiben. Bei einer Vielzahl von Einströmdüsen lassen sich die Drucksprünge durch entsprechend geringe Abstufungen des Gesamtdüsenquerschnitts gering halten. According to a second aspect, therefore, the individual inlet nozzles 26 designed and combined in the individual switching stages such that the pressure jumps remain when switching between two switching stages as possible within a predetermined range of a maximum pressure jump Δp max . In the case of a large number of inlet nozzles, the pressure jumps can be kept low by correspondingly small graduations of the total nozzle cross section.

Allerdings führt eine Vielzahl von Einströmdüsen zum Einen zu einem hohen fertigungstechnischen Aufwand und damit zu hohen Kosten. Zum Anderen wird dadurch der erforderliche Bauraum der Turbine erhöht. However, a large number of inlet nozzles on the one hand leads to a high manufacturing outlay and thus to high costs. On the other hand, this increases the required installation space of the turbine.

Um die Drucksprünge innerhalb des zulässigen maximalen Drucksprungs ∆pmax bei gleichzeitig minimaler Anzahl an Einströmdüsen 26 zu halten, werden die Einströmdüsen 26 in definierter Weise ausgelegt, wie nachfolgend anhand der 3 erläutert wird. The pressure jumps within the permissible maximum pressure jump Δp max with at the same time minimum number of inlet nozzles 26 to hold, are the inlet nozzles 26 designed in a defined manner, as described below with reference to 3 is explained.

Bei dem Verfahren zur Auslegung der einzelnen optimierten Schaltstufen, also optimalen Düsenkombinationen, werden Betriebscharakteristiken des Verbrennungsmotors sowie des Verdampfers 4 berücksichtigt. Es wird als maximal zulässiger Drucksprung ∆pmax ein Maximalwert der Druckänderung beim Umschalten zwischen zwei Schaltstufen vorgegeben. Insbesondere wird eine zulässige Übersowie Unterschreitung des gewünschten nominellen Betriebsdrucks pnom vorgegeben. Die Abweichung vom nominellen Betriebsdruck pnom sollte dabei möglichst gering sein. Vorzugsweise liegt sie beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 1,5·105 Pa. Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt die Abweichung bei 1·105 Pa. Durch die Festlegung des maximal zulässigen Drucksprungs ∆pmax werden daher Schaltschwellen Smin, Smax festgelegt, die in 3 durch durchgezogene Linien repräsentiert sind. In the method for the design of the individual optimized switching stages, so optimal nozzle combinations, operating characteristics of the internal combustion engine and the evaporator 4 considered. It is specified as the maximum allowable pressure jump Δp max a maximum value of the pressure change when switching between two switching stages. In particular, a permissible overshoot and undershooting of the desired nominal operating pressure p nom is specified. The deviation from the nominal operating pressure p nom should be as low as possible. For example, it is preferably in the range of 0.5 to 1.5 × 10 5 Pa. In the embodiment described below, the deviation is 1 × 10 5 Pa. By setting the maximum allowable pressure jump Δp max switching thresholds S min , S max are therefore defined in 3 are represented by solid lines.

Eine Unterschreitung der unteren Schaltschwelle Smin ist bei der kleinsten Schaltstufe bei kleinen Massenströmen bis zu einem minimalen Betriebsdruck pmin (beim minimalen Massenstrom mmin) zulässig. Dieser liegt im Ausführungsbeispiel bei etwa 4·105 Pa. Entsprechend ist auch ein Überschreiten der oberen Schaltschwelle Smax bei der größten Schaltstufe bei großen Massenströmen m bis zu einem maximalen Betriebsdruck pmax (beim maximalen Massenstrom mmax) zulässig. Dieser liegt im Ausführungsbeispiel bei etwa 9·105 Pa. Allgemein ist daher für die unterste bzw. oberste Schaltstufe ein Unter- bzw. Überschreiten der Schaltschwellen Smin, Smax um z.B. das 0,5- fache bis maximal zum 1-fachen des maximalen Drucksprungs ∆pmax zulässig. An undershooting of the lower switching threshold S min is at the lowest switching stage at low mass flows up to a minimum operating pressure p min (at minimum mass flow m min ) allowed. This is in the exemplary embodiment at about 4 · 10 5 Pa. Correspondingly, an exceeding of the upper switching threshold S max at the highest switching stage for large mass flows m up to a maximum operating pressure p max (at the maximum mass flow m max ) is permissible. This is in the exemplary embodiment at about 9 · 10 5 Pa. In general, for the lowest or highest switching stage, it is therefore permissible to undershoot or exceed the switching thresholds S min , S max by, for example, 0.5 times to a maximum of 1 times the maximum pressure jump Δp max .

Unter Berücksichtigung des maximal zu erwartenden Massenstroms mmax und unter Berücksichtigung eines technisch sinnvollen minimalen Massenstroms mmin werden anschließend die Düsenquerschnitte A der einzelnen Einströmdüsen 26 unter der Prämisse bestimmt, dass eine möglichst geringe Anzahl an Einströmdüsen 26 zur Abdeckung des gesamten Massestrombereichs zwischen dem minimalen Massestrom mmin und dem maximalen Massestrom mmax erreicht wird. Taking into account the maximum expected mass flow m max and taking into account a technically meaningful minimum mass flow m min then the nozzle cross sections A of the individual inlet nozzles 26 determined under the premise that the lowest possible number of inlet nozzles 26 to cover the entire mass flow range between the minimum mass flow m min and the maximum mass flow m max is achieved.

Zur Ermittlung der einzelnen Düsenquerschnitte A werden die Systemparameter berücksichtigt, nämlich welches Arbeitsmedium M eingesetzt wird, welche Temperatur T des Dampfes D am Eintritt der Turbine 6 zu erwarten ist. Weiter werden als Eingangsparameter für das Auslegungsverfahren der nominelle Betriebsdruck pnom, die maximal zulässige Abweichung hiervon, der maximale Massenstrom mmax, der durch die Turbine sinnvoll nutzbare mindest oder minimale Massenstrom mmin sowie der maximal zulässige Drucksprung ∆pmax zwischen zwei Schaltstufen berücksichtigt. Weiterhin werden der minimale Betriebsdruck pmin sowie der maximale Betriebsdruck pmax vorgegeben (korrespondierend zu dem minimalen bzw. maximalen Massenstrom). To determine the individual nozzle cross-sections A, the system parameters are considered, namely which working medium M is used, which temperature T of the steam D at the inlet of the turbine 6 is to be expected. Furthermore, the nominal operating pressure p nom , the maximum permissible deviation thereof, the maximum mass flow m max , the useful minimum or minimum mass flow m min and the maximum permissible pressure jump Δp max between two switching stages are taken into account as input parameters for the design process. Furthermore, the minimum operating pressure p min and the maximum operating pressure p max are predetermined (corresponding to the minimum or maximum mass flow).

Aus den Werten für die Temperatur T, für den minimalen Massenstrom mmin und für den minimalen Betriebsdruck pmin wird der minimale Düsenquerschnitt Amin für die erste Schaltstufe ermittelt. Dieser minimale Düsenquerschnitt Amin entspricht zugleich dem Düsenquerschnitt A der ersten Einströmdüse 26. Die erste Schaltstufe wird daher ausschließlich durch diese eine Einströmdüse 26 festgelegt. Bei der Berechnung wird hierbei von der Ausgestaltung der Einströmdüsen 26 als Lavaldüsen ausgegangen. Unter Zugrundelegung des Models einer kritisch durchströmten Düse wird der minimale (Gesamt-)Düsenquerschnitt Amin gemäß folgenden Formeln ermittelt:

Figure DE102012211578A1_0002
κ ist hierbei der Isentropenkoeffizient und ρ ist die Dichte des Arbeitsmediums M. Beide Größen hängen funktionell von der Wahl des Arbeitsmediums M, dem aktuell herrschenden Druck p sowie der aktuell herrschenden Temperatur T ab. κ, ρ = f(M, p, T). From the values for the temperature T, for the minimum mass flow m min and for the minimum operating pressure p min , the minimum nozzle cross section A min is determined for the first switching stage. This minimum nozzle cross section A min also corresponds to the nozzle cross section A of the first inlet nozzle 26 , The first switching stage is therefore exclusively by this one inlet nozzle 26 established. The calculation is based on the design of the inlet nozzles 26 assumed as Laval nozzles. Based on the model of a critically flown nozzle, the minimum (total) nozzle area A min is determined according to the following formulas:
Figure DE102012211578A1_0002
κ here is the isentropic coefficient and ρ is the density of the working medium M. Both variables depend functionally on the choice of the working medium M, the currently prevailing pressure p and the currently prevailing temperature T. κ, ρ = f (M, p, T).

Der benötigte maximale Gesamtdüsenquerschnitt Amax wird nach den gleichen Formeln berechnet, wobei hierzu die Werte für den maximalen Massestrom mmax und den maximalen Betriebsdruck pmax herangezogen werden. The required maximum total nozzle cross section A max is calculated according to the same formulas, for which purpose the values for the maximum mass flow m max and the maximum operating pressure p max are used.

In Ausnahmefällen bei nur geringerer Variabilität des Massenstroms m lassen sich die oben angeführten Randbedingungen bereits mit einem festen Düsenquerschnitt erreichen. In exceptional cases, with only a slight variability of the mass flow m, the boundary conditions mentioned above can already be achieved with a fixed nozzle cross-section.

Andernfalls werden ausgehend von den ermittelten Werten für den minimalen Düsenquerschnitt Amin und für den maximalen Düsenquerschnitt Amax im Rahmen eines Iterationsprozesses über die Parameter Gesamtanzahl der Einströmdüsen 26 sowie Querschnitte A der Einströmdüsen 26 die Düsenquerschnitte der Einströmdüsen optimiert, um eine minimale Anzahl an Einströmdüsen zu erhalten. Dabei wird zunächst mit der Düsenanzahl 2 begonnen und die Anzahl der Einströmdüsen 26 solange erhöht, bis der gesamte Massenstrombereich zwischen dem minimalen Massenstrom mmin und dem maximalen Massenstrom mmax unter den vorgegebenen Bedingungen abgedeckt wird. Otherwise, based on the determined values for the minimum nozzle cross-section A min and for the maximum nozzle cross-section A max in the course of an iteration process, the parameters total number of inlet nozzles 26 as well as cross sections A of the inlet nozzles 26 the nozzle cross-sections of the inlet nozzles optimized to obtain a minimum number of inlet nozzles. It is first with the number of nozzles 2 started and the number of inlet nozzles 26 increased until the entire mass flow range between the minimum mass flow m min and the maximum mass flow m max is covered under the given conditions.

Unter der Annahme, dass immer mindestens eine Einströmdüse 26 geöffnet sein muss ergeben sich bei N-Düsen maximal N verschiedene Düsenquerschnitte A und damit insgesamt maximal 2N–1 Kombinationen. Bei Verwendung von Einströmdüsen 26 gleichen Querschnitts A reduzieren sich die Kombinationsmöglichkeiten entsprechend. Vorzugsweise sind daher die Düsenquerschnitte A der Einströmdüsen 26 allesamt verschieden. Assuming that always at least one inlet nozzle 26 open must be at N nozzles maximum N different nozzle cross-sections A and thus a total of a maximum of 2 N-1 combinations. When using inlet nozzles 26 same cross-section A reduce the possible combinations accordingly. Preferably, therefore, the nozzle cross sections A of the inlet nozzles 26 all different.

Das Ergebnis eines derartigen Iterationsprozesses ist in der 3 sowie der nachfolgenden Tabelle dargestellt:

Figure DE102012211578A1_0003
The result of such an iteration process is in the 3 as well as the following table:
Figure DE102012211578A1_0003

In diesem Fall sind insgesamt 5 Einströmdüsen 26 vorgesehen, die an ihrem Arbeitspunkt (optimaler Arbeitsdruck) jeweils für unterschiedliche Massenströme (hier bei Wasser als Arbeitsmedium M, Dampftemperatur T = 300°C) ausgelegt sind, nämlich für 1 g/s (Düse 1), 2,0 g/s (Düse 2), 2,5 g/s (Düse 3), 3,3 g/s (Düse 4) sowie für 1,0g/s (Düse 5). Allgemein sind vorzugsweise etwa 3 bis 8 Einströmdüsen vorgesehen. Die einzelnen Düsen 26 werden zu insgesamt 8 Schaltstufen kombiniert. Die Düsenkombinationen und Schaltstufen ergeben sich insbesondere aus obiger Tabelle. Wie hieraus zu entnehmen ist, sind die ersten vier Schaltstufen jeweils durch eine einzelne Einströmdüse 26 gebildet, die einen Massenstrombereich von 1g/s bis 4,3g/s in ihrem Arbeitspunkt abdecken. Die späteren Schaltstufen für größere Massenströme m werden dann durch Kombinationen von 2, 3, 4 oder allen Düsen 26 gebildet. Der minimale Massenstrom mmin liegt bei 1 g/s und entspricht damit der Auslegung der Einströmdüse 26 für die erste Schaltstufe im optimalen Arbeitsdruck, für den die Einströmdüse 26 ausgelegt ist. In this case there are a total of 5 inlet nozzles 26 are provided, which are designed at their operating point (optimum working pressure) for different mass flows (here with water as the working medium M, steam temperature T = 300 ° C), namely for 1 g / s (nozzle 1), 2.0 g / s ( Nozzle 2), 2.5 g / s (Nozzle 3), 3.3 g / s (Nozzle 4) and 1.0g / s (Nozzle 5). Generally, about 3 to 8 inflow nozzles are preferably provided. The individual nozzles 26 are combined to a total of 8 switching stages. The nozzle combinations and switching steps result in particular from the above table. As can be seen from this, the first four switching stages are each by a single inlet nozzle 26 which cover a mass flow range of 1 g / s to 4.3 g / s in their operating point. The later switching stages for larger mass flows m are then by combinations of 2, 3, 4 or all nozzles 26 educated. The minimum mass flow m min is 1 g / s and thus corresponds to the design of the inlet nozzle 26 for the first shift stage in the optimal working pressure for which the inlet nozzle 26 is designed.

Die einzelnen Schaltstufen sind im Ausführungsbeispiel derart bestimmt, dass der Betriebsdruck p beim Umschalten in eine nächsthöhere Schaltstufe jeweils auf den Druck der untere Schaltschwelle Smin abfällt. Gleichzeitig sind die einzelnen Einströmdüsen 26 allesamt für einen gleichen optimalen Arbeitsdruck ausgelegt, wobei dieser optimale Arbeitsdruck vorzugsweise dem Druck der untere Schaltschwelle Smin entspricht, im Ausführungsbeispiel etwa 6·105 Pa. The individual switching stages are determined in the exemplary embodiment such that the operating pressure p drops when switching to a next higher switching stage in each case to the pressure of the lower switching threshold S min . At the same time, the individual inlet nozzles 26 all designed for the same optimum working pressure, this optimum working pressure preferably corresponds to the pressure of the lower switching threshold S min , in the exemplary embodiment about 6 · 10 5 Pa.

Die Umschaltung zwischen den Schaltstufen erfolgt jeweils an fest vorgegebenen Schaltpunkten, die durch den an der Turbine eingangsseitig anliegenden Betriebsdruck (=Eingangsdruck) definiert sind. Die Umschaltung erfolgt vorzugsweise jeweils zumindest annähernd beim gleichen Betriebs- oder Umschaltdruck. Die Abweichung von einem gemeinsamen Umschaltdruck ist vorzugsweise kleiner 5% oder darunter. Im Ausführungsbeispiel liegt ein oberer Umschaltdruck bei etwa 8·105Pa und ein unterer Umschaltdruck bei etwa 6·105Pa. The switching between the switching stages takes place in each case at fixed predetermined switching points, which are defined by the input side of the turbine operating pressure (= inlet pressure). The switching is preferably carried out in each case at least approximately at the same operating or switching pressure. The deviation from a common switching pressure is preferably less than or equal to 5%. In the embodiment, an upper switching pressure is about 8 × 10 5 Pa and a lower switching pressure at about 6 × 10 5 Pa.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

2 2
Pumpe pump
4 4
Wärmetauscher/Verdampfer Heat exchanger / evaporator
6 6
Turbine turbine
8 8th
Kondensator capacitor
10 10
Generator generator
12 12
Düsenkörper nozzle body
13 13
Laufradanordnung truck assembly
14 14
Steuereinheit! Control unit!
15 15
Ventileinheit valve unit
16 16
Strömungsrichtung flow direction
18 18
Hochdruckteil High-pressure part
20 20
Niederdruckteil Low-pressure part
22 22
Pfeile arrows
24 24
Wärmeleitung heat conduction
26 26
Einströmdüse Inlet
28 28
Laufrad Wheel
30 30
Axialrichtung axially
32 32
Leitrad stator
M M
Arbeitsmedium working medium
D D
Dampf steam
H H
Heißmedium hot medium
A A
Düsenquerschnitt Nozzle area
Amin A min
minimaler Düsenquerschnitt minimum nozzle cross-section
Amax A max
maximaler Düsenquerschnitt maximum nozzle cross-section
m m
Massenstrom mass flow
mmax m max
maximaler Massenstrom maximum mass flow
mmin min
minimaler Massenstrom minimum mass flow
p p
Betriebsdruck operating pressure
pnom p nom
nomineller Betriebsdruck nominal operating pressure
pmin p min
minimaler Betriebsdruck minimum operating pressure
pmax p max
maximaler Betriebsdruck Maximum operating pressure
∆pmax Δp max
maximaler Drucksprung maximum pressure jump
T T
Dampftemperatur steam temperature
Smin S min
untere Schaltschwelle lower switching threshold
Smax S max
obere Schaltschwelle upper switching threshold

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Claims (15)

Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Verdampfer (4) zur Übertragung der Abwärme auf ein Arbeitsmedium (M) und mit einer von dem Arbeitsmedium (M) antreibbaren Turbine (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (6) mehrere Einströmdüsen (26) mit fest vorgegebener Geometrie für das Arbeitsmedium (M) aufweist und zwischen unterschiedlichen Kombinationen von Einströmdüsen (26) umschaltbar ist, wobei die unterschiedlichen Kombinationen jeweils eine Schaltstufe für verschiedene aktuelle Masseströme (m) des Arbeitsmediums (M) bilden. Device for utilizing waste heat of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with an evaporator ( 4 ) for transferring the waste heat to a working medium (M) and with a turbine drivable by the working medium (M) ( 6 ), characterized in that the turbine ( 6 ) several inlet nozzles ( 26 ) with fixed geometry for the working medium (M) and between different combinations of inlet nozzles ( 26 ), wherein the different combinations each form a switching stage for different current mass flows (m) of the working medium (M). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie für einen nominellen Betriebsdruck (pnom) ausgelegt ist und die Einströmdüsen (26) und deren Kombination in den jeweiligen Schaltstufen derart gewählt sind, dass ein vorgegebener maximaler Drucksprung (∆pmax) insbesondere im Bereich von 5% bis 20% des nominellen Betriebsdrucks (pnom) beim Umschalten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltstufen nicht überschritten ist. Apparatus according to claim 1, characterized in that it is designed for a nominal operating pressure (p nom ) and the inlet nozzles ( 26 ) and their combination in the respective switching stages are selected such that a predetermined maximum pressure jump (Δp max ), in particular in the range of 5% to 20% of the nominal operating pressure (p nom ) is not exceeded when switching between two successive switching stages. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Einströmdüsen (26) unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Massenstrombereichs minimiert ist. Apparatus according to claim 2, characterized in that the number of inlet nozzles ( 26 ) is minimized taking into account a predetermined mass flow range. Vorrichtung noch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmdüsen (26) bei einem vorgegebenen Betriebsdruck (p) des Arbeitsmediums (M) für unterschiedliche Massenströme (m) ausgelegt sind, und insbesondere jede der Einströmdüsen (26) für einen anderen Massestrom (m) ausgelegt ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet nozzles ( 26 ) are designed for a given operating pressure (p) of the working medium (M) for different mass flows (m), and in particular each of the inlet nozzles ( 26 ) is designed for a different mass flow (m). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen vorgegebenen, zu erwartenden Massenstrombereich zwischen einem minimalen Massestrom (mmin) und einem maximalen Massenstrom (mmax) aufeinander folgende Schaltstufen mit einer jeweils fest vorgegebenen Kombination an Einströmdüsen (26) vorgegeben sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that for a given, expected mass flow range between a minimum mass flow (m min ) and a maximum mass flow (m max ) successive switching stages with a fixed predetermined combination of inlet nozzles ( 26 ) are given. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für einen Massenstrombereich (m) des Arbeitsmediums (M) ausgelegt ist, der einer isentropen Dampfexpansionsleistung zwischen 0,1 kW und 50 kW entspricht. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed for a mass flow range (m) of the working medium (M), which corresponds to an isentropic steam expansion capacity between 0.1 kW and 50 kW. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, vorzugsweise alle Einströmdüsen (26) für einen gleichen optimalen Betriebsdruck (p) des Arbeitsmediums (M) ausgelegt sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that several, preferably all inlet nozzles ( 26 ) are designed for the same optimum operating pressure (p) of the working medium (M). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für einen nominellen Betriebsdruck (pnom) ausgelegt ist und eine untere Schaltschwelle (Smin) sowie eine obere Schaltschwelle (Smax) für das Umschalten zwischen den einzelnen Schaltstufen vorgegeben sind, wobei über die obere Schaltschwelle (Smax) hinaus eine oberste Schaltstufe für einen höheren maximalen Betriebsdruck (pmax) im Bereich insbesondere von 115% bis 200% des nominellen Betriebsdrucks (pnom) und über die untere Schaltschwelle (Smin) hinaus eine unterste Schaltstufe für einen minimalen Betriebsdruck (pmin) im Bereich insbesondere von50 % bis 85% des nominellen Betriebsdrucks (pnom) ausgelegt ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed for a nominal operating pressure (p nom ) and a lower switching threshold (S min ) and an upper switching threshold (S max ) for the switching between the individual switching stages are given, wherein the upper switching threshold (S max ) also has an uppermost switching stage for a higher maximum operating pressure (p max ) in the range of 115% to 200% of the nominal operating pressure (p nom ) and above the lower switching threshold (S min ) a lowest switching stage for a minimum operating pressure (p min ) in the range in particular from 50% to 85% of the nominal operating pressure (p nom ) is designed. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Massestrom (mmin) vorgegeben ist und die erste Schaltstufe durch eine einzige Einströmdüse (26) gebildet ist, die bei einem minimalen Betriebsdruck (pmin) für einen Massenstrom (m) ausgelegt ist, der dem minimalen vorgegebenen Massestrom (mmin) entspricht. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a minimum mass flow (m min ) is predetermined and the first switching stage by a single inlet nozzle ( 26 ), which is designed at a minimum operating pressure (p min ) for a mass flow (m) corresponding to the minimum predetermined mass flow (m min ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Schaltstufe, die für einen maximalen Massestrom (mmax) ausgelegt ist, die Kombination aller Einströmdüsen (26) aufweist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the last switching stage, which is designed for a maximum mass flow (m max ), the combination of all inlet nozzles ( 26 ) having. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstromunterschied, für den zwei aufeinanderfolgende Einströmdüsen ausgelegt sind, im Bereich von 1/4 bis 4/4 des minimalen Massenstroms (mmin) liegt. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mass flow difference, for which two successive inlet nozzles are designed, is in the range of 1/4 to 4/4 of the minimum mass flow (m min ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Turbine (6) um eine axial durchströmte Gleichdruckturbine handelt. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is in the turbine ( 6 ) is an axially flowed constant pressure turbine. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (6) einen einströmseitigen zylindrischen Düsenkörper (12) mit zumindest einem sich daran anschließenden Laufrad (28) aufweist, wobei die Einströmdüsen (26) an der Mantelseite des zylindrischen Düsenkörpers (12) ausgebildet sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine ( 6 ) an inflow-side cylindrical nozzle body ( 12 ) with at least one adjoining impeller ( 28 ), wherein the inlet nozzles ( 26 ) on the shell side of the cylindrical nozzle body ( 12 ) are formed. Turbine (6) für eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Einströmdüsen (26) für ein Arbeitsmedium (M) aufweist und zwischen unterschiedlichen Kombinationen von Einströmdüsen (26) schaltbar ist, wobei die unterschiedlichen Kombinationen jeweils eine Schaltstufe für verschiedene aktuelle Masseströme (m) des Arbeitsmediums (M) bilden. Turbine ( 6 ) for a device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a plurality of inlet nozzles ( 26 ) for a working medium (M) and between different combinations of inlet nozzles ( 26 ), wherein the different combinations each form a switching stage for different current mass flows (m) of the working medium (M). Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Kraftfahrzeuges, bei dem aus der Abwärme ein Arbeitsdampf (D) erzeugt und mit diesem eine Turbine (6) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (6) mehrere Einströmdüsen (26) aufweist und in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Massenstrom (m) zwischen verschiedenen Kombinationen von Einströmdüsen (26) umgeschalten wird. Method for using waste heat of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, in which a working steam (D) is generated from the waste heat and with this a turbine ( 6 ), characterized in that the turbine ( 6 ) several inlet nozzles ( 26 ) and depending on the respective current mass flow (m) between different combinations of inlet nozzles ( 26 ) is switched.
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