DE102012211578B4 - Device and method for using waste heat of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, as well as a turbine for such a device - Google Patents
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Abstract
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. 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.Apparatus 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 (6) which can be driven by the working medium (M), characterized in that the turbine (6 ) has a plurality of inlet nozzles (26) with fixed predetermined geometry for the working medium (M) and between different combinations of inlet nozzles (26) is switchable, wherein the different combinations each form a switching stage for different current mass flows (m) of the working medium (M). characterized in that the turbine (6) has an inflow-side cylindrical nozzle body (12) with at least one adjoining impeller (28), wherein the inflow nozzles (26) on the shell side of the cylindrical nozzle body (12) are formed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. 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 the features of the preamble of
Eine derartige Vorrichtung ist aus der
Aus der
Die Regelung von großtechnischen Dampfturbinen beispielsweise in Kraftwerken zur Energieerzeugung ist grundsätzlich bekannt. Beispielhaft wird hierzu auf die
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 Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Kraftfahrzeuges in effizienter Weise bei gleichzeitig kompakter Bauweise zu nutzen.Proceeding from this, the invention has the object to use the waste heat of an internal combustion engine, in particular a motor vehicle in an efficient manner with a simultaneously compact design.
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
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.
Die Turbine umfasst dabei einströmseitig einen zylindrischen Düsenkörper mit zumindest einem 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 comprises on the inflow side a cylindrical nozzle body with 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.
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 with fixed predetermined, non-adjustable geometry so with a non-adjustable nozzle cross-section used. 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 10 kW und bei LKW im Bereich von bis zu 50 kW 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 0,1 kW entspricht Bei der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium liegen die Grenzen für den Massenstrom bei einem PKW vorzugsweise bei etwa 1 g/s (entspricht etwa 0,3 kW isentrope Dampfexpansionsleistung) und bei etwa 15 g/s (entspricht etwa 8,5 kW 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 10 kW and for trucks in the range of up to 50 kW 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 an isentropic steam expansion capacity of 0.1 kW. When using water as the working medium, the limits for the mass flow in a car are preferably about 1 g / s (corresponds to about 0.3 kW isentropic steam expansion capacity) and at about 15 g / s (equivalent to about 8.5 kW 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 fixed 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 - different from the other inlet nozzles - 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 5bis 20·105 Pa und insbesondere bei etwa 7·105 Pa liegt, - – der maximale (Dampf-)Massestrom mmax, der beispielsweise bei etwa 15 g 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 Δpmax, wobei bevorzugt eine symmetrische Unter- bzw. Überschreitung des nominellen Betriebsdrucks pnom vorgesehen ist.
- - 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 15 g 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.
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.
Zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere in einem Pkw wird der in
Die Komponenten Pumpe
Für den Wärmeeintrag ist der Verdampfer
Das Arbeitsmedium M wird durch den Wärmeeintrag im Verdampfer
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
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Turbine
Im Ausführungsbeispiel ist die Turbine
Der zugehörige Verlauf der Geschwindigkeit v des Dampfes D sowie des Druckes p des Dampfes D beim Durchströmen der Turbine
Die Turbine
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
Um einen hohen einen Wirkungsgrad und einen effizienten Betrieb zu ermöglichen sind die Einströmdüsen
Unter Düsenkombinationen wird hier sowohl eine einzige Einströmdüse
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
Gemäß einem zweiten Aspekt werden daher die einzelnen Einströmdüsen
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 Δpmax bei gleichzeitig minimaler Anzahl an Einströmdüsen
Bei dem Verfahren zur Auslegung der einzelnen optimierten Schaltstufen, also optimalen Düsenkombinationen, werden Betriebscharakteristiken des Verbrennungsmotors sowie des Verdampfers
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 Δpmax 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, therefore, for the lowermost or uppermost switching stage, an undershooting or exceeding of the switching thresholds S min , S max by z. B. 0.5 times to a maximum of 1 times the maximum pressure jump Δp max allowed.
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
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
Aus den Werten für die Temperatur T, für den minimalen Massenstrom mmin und für den minimalen Betriebsdruck pmin wird der minimale Düsenquerschnitt Arm für die erste Schaltstufe ermittelt. Dieser minimale Düsenquerschnitt Am; entspricht zugleich dem Düsenquerschnitt A der ersten Einströmdüse
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
Unter der Annahme, dass immer mindestens eine Einströmdüse
Das Ergebnis eines derartigen Iterationsprozesses ist in der
In diesem Fall sind insgesamt 5 Einströmdüsen
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
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 8·105 Pa und ein unterer Umschaltdruck bei etwa 6·105 Pa.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
- 22
- Pumpepump
- 44
- Wärmetauscher/VerdampferHeat exchanger / evaporator
- 66
- Turbineturbine
- 88th
- Kondensatorcapacitor
- 1010
- Generatorgenerator
- 1212
- Düsenkörpernozzle body
- 1313
- Laufradanordnungtruck assembly
- 1414
- Steuereinheit!Control unit!
- 1515
- Ventileinheitvalve unit
- 1616
- Strömungsrichtungflow direction
- 1818
- HochdruckteilHigh-pressure part
- 2020
- NiederdruckteilLow-pressure part
- 2222
- Pfeilearrows
- 2424
- Wärmeleitungheat conduction
- 2626
- EinströmdüseInlet
- 2828
- LaufradWheel
- 3030
- Axialrichtungaxially
- 3232
- Leitradstator
- MM
- Arbeitsmediumworking medium
- DD
- Dampfsteam
- HH
- Heißmediumhot medium
- AA
- DüsenquerschnittNozzle area
- Amin A min
- minimaler Düsenquerschnittminimum nozzle cross-section
- Amax A max
- maximaler Düsenquerschnittmaximum nozzle cross-section
- mm
- Massenstrommass flow
- mmax m max
- maximaler Massenstrommaximum mass flow
- mmin min
- minimaler Massenstromminimum mass flow
- pp
- Betriebsdruckoperating pressure
- pnom p nom
- nomineller Betriebsdrucknominal operating pressure
- pmin p min
- minimaler Betriebsdruckminimum operating pressure
- pmax p max
- maximaler BetriebsdruckMaximum operating pressure
- Δpmax Δp max
- maximaler Drucksprungmaximum pressure jump
- TT
- Dampftemperatursteam temperature
- Smin S min
- untere Schaltschwellelower switching threshold
- Smax S max
- obere Schaltschwelleupper switching threshold
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