DE102012222671B4 - Device and method for using waste heat of an internal combustion engine and turbine unit for such a device - Google Patents
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Abstract
Die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors umfasst einen Verdampfer 4, eine in einem Turbinenaggregat (6) angeordnete Turbineneinheit (12), die innerhalb eines Turbinengehäuses (30) angeordnet ist. Innerhalb des Turbinengehäuses (30) ist ein nach Art eines Bypass an der Turbineneinheit (12) vorgeführter Anfahrkanal (26) für ein Arbeitsmedium (M) ausgebildet, der eine Einlassöffnung (34) mit einer Auslassöffnung (36) verbindet. Hierdurch wird ein zuverlässiges Anfahren bei kompakter Bauweise ohne zusätzlichen Verrohrungsaufwand erzielt. Gleichzeitig wird hierdurch eine Vorerwärmung der Turbineneinheit (12) erreicht, so dass bei einem Umschalten von einem Anfahrbetrieb in einen Normalbetrieb keine Gefahr einer die Turbineneinheit (12) schädigenden Tröpfchen-Erosion besteht.The device for utilizing waste heat from an internal combustion engine comprises an evaporator 4, a turbine unit (12) which is arranged in a turbine unit (6) and is arranged inside a turbine housing (30). A start-up duct (26) for a working medium (M), which is in the form of a bypass on the turbine unit (12) and connects an inlet opening (34) to an outlet opening (36), is formed inside the turbine housing (30). In this way, reliable start-up is achieved with a compact design without additional piping effort. At the same time, this preheats the turbine unit (12) so that there is no risk of droplet erosion damaging the turbine unit (12) when switching from start-up operation to normal operation.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Turbinenaggregat für eine solche Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme mit einer solchen Vorrichtung.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 claim 1. The invention further relates to a turbine unit for such a device and a method for using waste heat with such a device.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der
Aus der
Aufgrund von 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. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Umsetzung der im Dampf enthaltenen Energie in Rotationsenergie der Turbine zur erzielen ist gemäß der zum Anmeldezeitpunkt unveröffentlichten
Aus der
In der
Aufgrund der verhältnismäßig geringen Dampfleistungen und Dampfmassenströme in einem Fahrzeug werden bevorzugt Gleichdruckturbinen als sogenannte Expansionsmaschinen eingesetzt. Bei diesen wird der aus dem Wärmetauscher stammende Frischdampf üblicherweise über Lavaldüsen entspannt, so dass die Druckenergie in Strömungsenergie umgesetzt wird.Due to the relatively low steam capacities and steam mass flows in a vehicle, constant pressure turbines are preferably used as so-called expansion machines. In these, the fresh steam originating from the heat exchanger is usually expanded via Laval nozzles, so that the pressure energy is converted into flow energy.
Turbinen, insbesondere Gleichdruckturbinen sind üblicherweise nicht für einen flüssigkeitsdurchflutenden Betrieb ausgelegt. Um Schäden an den Turbinenbauteilen zu vermeiden, sollte die Turbine daher zuverlässig nur mit Dampf ohne Wasseranteile beaufschlagt werden.Turbines, in particular constant pressure turbines are usually not designed for a liquid-permeable operation. To avoid damage to the turbine components, the turbine should therefore be reliably applied only with steam without water.
Bei einem zunächst kalten System, beispielsweise beim Starten des Motors, führt dies zu Problemen, da zu diesem Zeitpunkt noch keine ausreichende Dampfleistung und Dampfmasseströme bereit stehen.In an initially cold system, for example, when starting the engine, this leads to problems, since at this time still no sufficient steam power and steam mass flows are available.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen Betrieb einer derartigen Vorrichtung zu gewährleisten und den Einsatz bei Kraftfahrzeugen zu ermöglichen.Based on this, the present invention seeks to ensure a reliable operation of such a device and to allow the use in motor vehicles.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Vorrichtung dient zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs und umfasst einen Verdampfer zur Übertragung der Abwärme auf ein Arbeitsmedium sowie eine von dem Arbeitsmedium antreibbare Turbineneinheit. Die Turbineneinheit ist dabei Teil eines Turbinenaggregats und innerhalb eines Turbinengehäuses des Turbinenaggregats angeordnet. Das Turbinengehäuse weist eine Einlassöffnung sowie eine Auslassöffnung für das Arbeitsmedium auf, wird also im Betrieb von diesem durchströmt. Weiterhin ist vorgesehen, dass im Inneren des Turbinengehäuses ein als Bypass an der Turbineneinheit vorbei geführter Anfahrkanal für das Arbeitsmedium angeordnet ist, der die Einlassöffnung mit der Auslassöffnung unmittelbar verbindet.The object is achieved by a device having the features of claim 1. The device is used to utilize waste heat of an internal combustion engine, in particular a motor vehicle and includes an evaporator for transmitting the waste heat to a working fluid and a driven by the working fluid turbine unit. The turbine unit is part of a turbine unit and arranged within a turbine housing of the turbine unit. The turbine housing has an inlet opening and an outlet opening for the working medium, so it flows through during operation of this. It is further provided that in the interior of the turbine housing, a bypass duct for the working medium guided as a bypass past the turbine unit is arranged, which directly connects the inlet opening with the outlet opening.
Durch die Anordnung des Anfahrkanals ist die Möglichkeit geschaffen, beim Anfahren, wenn nur geringe Dampfmassenströme zur Verfügung stehen, diese an der eigentlichen Turbineneinheit vorbeizuleiten, bis schließlich im System ein ausreichender Systemdruck und ein ausreichender Dampfmassenstrom zur Verfügung stehen. Dadurch wird insgesamt ein effizienter Schutz der eigentlichen Turbineneinheit erzielt. The arrangement of the start-up channel creates the possibility, when starting, when only small steam mass flows are available, pass them past the actual turbine unit, until finally in the system a sufficient system pressure and a sufficient steam mass flow are available. As a result, an overall efficient protection of the turbine unit itself is achieved.
Durch die unmittelbare Integration des Anfahrkanals in das Turbinenaggregat ist weiterhin eine besonders platzsparende Ausgestaltung erzielt, so dass sich ein derartiges Turbinenaggregat insbesondere für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit beengten Einbauverhältnissen eignet. Das Turbinenaggregat wird üblicherweise an einer Bodengruppe des Fahrzeugs angeordnet. Für einen derartigen Anfahrkanal ist also kein externer zusätzlicher Verrohrungsaufwand erforderlich und vorgesehen. Dies führt neben Material- Gewichts- und Kostenersparnissen auch zu einer vereinfachten Montage. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, dass beim Starten des Systems der Dampf bereits durch das Turbinenaggregat geleitet wird und dadurch dieses aufheizt. Dadurch wird bei der späteren Umschaltung von einem Anfahrbetrieb auf einen Normalbetrieb, bei dem dann der Dampf durch die Turbineneinheit geleitet wird, die Bildung von Flüssigkeitstropfen in Folge einer Kondensation an kalten Flächen vermieden. Der Anfahrkanal bildet daher eine Art Heizkanal.Due to the direct integration of the starting channel in the turbine unit, a particularly space-saving design is further achieved, so that such a turbine unit is particularly suitable for use in motor vehicles with tight installation conditions. The turbine unit is usually arranged on a floor assembly of the vehicle. For such a start-up channel so no external additional piping effort is required and provided. In addition to material, weight and cost savings, this also leads to simplified assembly. Another significant advantage is the fact that when you start the system, the steam is already passed through the turbine unit and thereby heats it. As a result, during the subsequent switchover from a startup operation to a normal operation in which the steam is then conducted through the turbine unit, the formation of liquid drops as a result of condensation on cold surfaces is avoided. The starting channel therefore forms a kind of heating channel.
Ergänzend ist in weiterhin ein als Bypass ausgebildeter Bypass- oder Sicherheitskanal innerhalb des Turbinengehäuses angeordnet, der die Einlassöffnung mit der Auslassöffnung in einem Sicherheitsbetrieb verbindet. Der Strömungsquerschnitt des Sicherheitskanals ist dabei größer als der des Anfahrkanals und vorzugsweise auch größer als der größte Einströmquerschnitt einer Einströmdüse oder einer Kombination von mehreren Einströmdüsen für die Turbineneinheit. Der Sicherheitskanal dient zum Schutz des Systems beispielsweise vor einem zu hohen Systemdruck und/oder einem zu hohen Dampf-Massenstrom bei Übersteigen einer maximal zulässigen Grenze. Der Sicherheitskanal ist daher nach Art eines Not-Bypasses ausgebildet.In addition, a by-pass or safety channel formed as a bypass is furthermore arranged within the turbine housing, which connects the inlet opening to the outlet opening in a safety mode. The flow cross section of the safety channel is greater than that of the start-up channel and preferably also larger than the largest inflow cross-section of an inlet nozzle or a combination of several inlet nozzles for the turbine unit. The safety channel is used to protect the system, for example, against too high a system pressure and / or too high a vapor mass flow when exceeding a maximum permissible limit. The safety channel is therefore designed in the manner of an emergency bypass.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Anfahrkanal daher auch im Bereich oder durch einen Turbinenkopf der Turbineneinheit geführt, in dem zumindest eine Einströmdüse angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird daher zuverlässig auch über lange Betriebszeiten mit einer Vielzahl von Anfahrzyklen eine (Tropfen-)Erosion der Turbinenschaufeln vermieden. Die Turbineneinheit weist allgemein ein rotierbar gelagertes Turbinenrad sowie den diesem vorgelagerten Turbinenkopf mit den darin integrierten Einströmdüsen auf. Der Düsenkopf ist insbesondere als eine Düsenscheibe oder ein Düsenring ausgebildet und weist vorzugsweise unterschiedliche Einströmdüsen auf.In a preferred embodiment, the starting channel is therefore also guided in the region or through a turbine head of the turbine unit, in which at least one inlet nozzle is arranged. By this measure, therefore, a (drop) erosion of the turbine blades is reliably avoided even over long periods of operation with a variety of starting cycles. The turbine unit generally has a rotatably mounted turbine wheel and the upstream turbine head with the inlet nozzles integrated therein. The nozzle head is designed in particular as a nozzle disk or a nozzle ring and preferably has different inlet nozzles.
Innerhalb des Anfahrkanals ist in zweckdienlicher Ausgestaltung eine Anfahrblende mit einem geringen Blendenquerschnitt angeordnet, wobei der Blendenquerschnitt derart gewählt ist, dass im Betrieb beim Anfahren ein vorgegebener Anfahr-Systemdruck erzeugt wird. Die Anfahrblende weist dabei vorzugsweise einen festen Blendenquerschnitt auf. Alternativ bestünde grundsätzlich auch die Möglichkeit, einen variierbaren Blendenquerschnitt zu wählen, dies führt jedoch zu einem erhöhten konstruktiven und steuertechnischen Aufwand. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass beim Umschalten zwischen dem Anfahrbetrieb und dem Normalbetrieb möglichst die für den Normalbetrieb gewünschten Druck- und Dampfverhältnisse vorliegen. So ist die Turbineneinheit nämlich für einen minimalen Dampfmassenstrom bei einem minimalen Systemdruck ausgelegt, bei dem vom Anfahrbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschalten wird. Der minimale Systemdruck liegt beispielsweise im Bereich von einigen bar, insbesondere im Bereich von 3 bar bis 10 bar. Der minimale Dampf-Massenstrom liegt beispielsweise im Bereich von 0,5 g/s bis 3 g/s. Die Turbineneinheit ist für ein festes Wertepaar (minimaler Systemdruck/minimaler Dampf-Massenstrom) ausgelegt. Entsprechend ist daher der Blendenquerschnitt der Anfahrblende ausgelegt, um also bei dem minimalen vorgegebenen Dampf-Massenstrom, beispielsweise 1 g/s den minimalen (Eingangs-)Systemdruck zu erzeugen, beispielsweise 4 bar (4 × 105 Pa). Der Blendenquerschnitt ist daher bevorzugt etwas kleiner als der Düsenquerschnitt einer ersten, kleinsten Einströmdüse der Turbineneinheit.Within the approach channel, a start-up aperture with a small aperture cross-section is arranged in an expedient embodiment, wherein the aperture cross-section is selected such that a predetermined start-up system pressure is generated in operation during startup. The Anfahrblende preferably has a fixed aperture cross-section. Alternatively, it would also be possible in principle to choose a variable diaphragm cross-section, but this leads to an increased constructive and tax technical effort. This embodiment is based on the consideration that when switching between the starting operation and the normal operation as possible the desired for normal operation pressure and steam conditions exist. Thus, the turbine unit is specifically designed for a minimum steam mass flow at a minimum system pressure at which the starting operation switches to normal operation. The minimum system pressure is for example in the range of a few bar, in particular in the range of 3 bar to 10 bar. The minimum vapor mass flow is, for example, in the range of 0.5 g / s to 3 g / s. The turbine unit is designed for a fixed value pair (minimum system pressure / minimum steam mass flow). Accordingly, therefore, the aperture cross section of the Anfahrbrende is designed so that at the minimum predetermined steam mass flow, for example 1 g / s to produce the minimum (input) system pressure, for example 4 bar (4 × 10 5 Pa). The diaphragm cross section is therefore preferably slightly smaller than the nozzle cross section of a first, smallest inlet nozzle of the turbine unit.
Insgesamt ist daher die Anfahrblende mit ihrem festen Blendenquerschnitt in zweckdienlicherweise Ausgestaltung derart ausgelegt, dass bei einem vorgegebenen Anfahr-Massenstrom (Dampfmassenstrom) der vorgegebenen Anfahr-Systemdruck vorliegt.Overall, therefore, the Anfahrblende is designed with its fixed aperture cross-section in zweckwienartig configuration such that at a predetermined start-up mass flow (steam mass flow) is the predetermined start-up system pressure.
Sofern hier allgemein von Querschnitt eines Strömungskanals bzw. einer Blende oder einer Düse gesprochen wird, so ist hierunter der minimale Strömungsquerschnitt an einer Engstelle zu verstehen.If this is generally referred to as a cross-section of a flow channel or a diaphragm or a nozzle, this is to be understood as the minimum flow cross-section at a constriction.
Durch die zusätzliche Anordnung des Sicherheitskanals lässt sich das Turbinenaggregat daher in drei verschiedenen Betriebszuständen betreiben, nämlich in einem Anfahrbetrieb, bei dem Dampf an der Turbineneinheit vorbei geleitet wird, bis der gewünschte Systemdruck und der gewünschte Dampf-Massenstrom vorliegen, im eigentlichen Normalbetrieb, bei dem das Arbeitsmedium (Dampf) über die Turbineneinheit diese antreibend geleitet wird und schließlich im Sicherheits-Betrieb, bei dem der Dampf an der Turbineneinheit beispielsweise bei einem zu hohen Systemdruck vorbeigeleitet wird.Due to the additional arrangement of the safety channel, the turbine unit can therefore operate in three different operating conditions, namely in a start-up operation, in which steam is passed to the turbine unit, until the desired system pressure and the desired steam mass flow are present, during normal operation, in the the working medium (steam) through the turbine unit this is driving and finally in safety operation, in which the steam is bypassed at the turbine unit, for example, at too high a system pressure.
Um zwischen diesen verschiedenen Betriebszuständen umzuschalten ist in zweckdienlicher Weiterbildung zwischen der Einlassöffnung und der Turbineneinheit ein Verstellelement mit zumindest einem Strömungsleitkanal angeordnet. Das Verstellelement ist hierbei zwischen einer Anfahrstellung und einer Betriebsstellung verstellbar. Und zwar derart, dass in der Anfahrstellung der Strömungsleitkanal die Einlassöffnung mit dem Anfahrkanal und in der Betriebsstellung die Einlassöffnung mit einer Einströmöffnung (Einströmdüse) der Turbineneinheit verbindet. Das Verstellelement ist dabei insbesondere als ein Schieberelement und vorzugsweise als ein scheibenförmiges Drehschieberelement ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung ist der Strömungsleitkanal als ein einfaches Durchgangsloch im Schieberelement ausgebildet. Durch diese Maßnahme ist durch eine einfache mechanische Verstellbewegung des Schieberelements ein Umschalten zwischen den verschiedenen Betriebszuständen ermöglicht. Umschaltventile oder Schließventile sind daher nicht erforderlich und auch nicht vorgesehen.In order to switch between these different operating states, an adjustment element with at least one flow guide channel is arranged in an expedient development between the inlet opening and the turbine unit. The adjusting element is adjustable between a starting position and an operating position. In such a way that in the approach position of the flow guide the inlet opening with the start-up channel and in the operating position, the inlet opening connects with an inflow opening (inlet nozzle) of the turbine unit. The adjusting element is designed in particular as a slide element and preferably as a disk-shaped rotary slide element. In this embodiment, the Strömungsleitkanal is formed as a simple through hole in the slider element. By this measure, switching between the various operating states is made possible by a simple mechanical adjustment movement of the slider element. Changeover valves or closing valves are therefore not required and not provided.
Das Verstellelement ist in bevorzugter Weiterbildung einem feststehenden Zwischenelement der Turbineneinheit in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums unmittelbar vorgelagert, wobei im Zwischenelement mehrere Zwischenkanäle ausgebildet sind. Die Zwischenkanäle sind dabei derart angeordnet, dass ein erster Zwischenkanal ein Teilstück des Anfahrkanals ist und ein zweiter Zwischenkanal den zumindest einen Strömungsleitkanal des Verstellelements mit einer Einströmdüse der Turbineneinheit verbindet. Das Zwischenelement ist dabei wahlweise in einen Turbinenkopf der Turbineneinheit integriert, bildet also mit diesem ein monolithisches Bauteil, oder ist dem Turbinenkopf als ein separates Bauteil am Turbinenkopf anliegend vorgeschaltet.The adjusting element is in a preferred development a fixed intermediate element of the turbine unit in the flow direction of the working medium immediately upstream, wherein a plurality of intermediate channels are formed in the intermediate element. The intermediate channels are arranged such that a first intermediate channel is a portion of the Anfahrkanals and a second intermediate channel connects the at least one Strömungsleitkanal of the adjusting element with an inlet nozzle of the turbine unit. The intermediate element is optionally integrated into a turbine head of the turbine unit, thus forms with this a monolithic component, or is upstream of the turbine head as a separate component on the turbine head.
Vorzugsweise sind im Zwischenelement eine Vielzahl an derartigen Zwischenkanälen ausgebildet, wobei bei einer Mehrzahl von Einströmdüsen der Turbineneinheit jeder der Einströmdüse ein eigener Zwischenkanal zugeordnet ist. Zweck dienlicherweise ist ergänzend ein weiterer Zwischenkanal als ein Teilstück des Bypasskanals ebenfalls in das Zwischenelement integriert.Preferably, a plurality of such intermediate channels are formed in the intermediate element, wherein each of the inlet nozzle is assigned a separate intermediate channel in a plurality of inlet nozzles of the turbine unit. Conveniently, a further intermediate channel is additionally integrated into the intermediate element as a section of the bypass channel.
Das Verstellelement ist insbesondere ausgebildet für eine Turbineneinheit wie sie in der bis zum Anmeldezeitpunkt unveröffentlichten
Um dies in besonders einfacher und effizienter Weise zu ermöglichen, weist das Verstellelement in bevorzugter Weiterbildung ein Lochmuster mit einer Anzahl von jeweils einen Strömungsleitkanal bildenden Durchgangslöchern auf. Die Durchgangslöcher sind dabei vorzugsweise unterschiedlich groß ausgebildet. Vorzugsweise weisen zumindest einige der Durchgangslöcher eine Öffnungsgröße auf, die sich über mehrere Verbindungskanäle erstreckt. Hierdurch besteht die vorteilhafte Möglichkeit, dass mit nur einem Durchgangsloch gleichzeitig mehrere Einströmdüsen mit Dampf versorgbar sind.In order to make this possible in a particularly simple and efficient manner, the adjusting element in a preferred development has a perforated pattern with a number of through holes each forming a flow guide channel. The through holes are preferably formed differently sized. Preferably, at least some of the through holes have an opening size that extends over a plurality of connection channels. As a result, there is the advantageous possibility that multiple inlet nozzles can be supplied with steam at the same time with only one through-hole.
Das Lochmuster ist dabei vorzugsweise derart gewählt, dass beim sukzessiven Verschieben des Verstellelements in Verstellrichtung nacheinander fest vorgegebene Kombination an Einströmdüsen freigeschaltet werden, die jeweils aufeinander folgende Schaltstufen bilden. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die jeweils nachfolgende freigeschaltete Düsenkombination jeweils einen größeren (bzw. in entgegengesetzter Verstellrichtung kleineren) Gesamtströmungsquerschnitt der Einströmdüsen freischaltet. Unter Gesamtströmquerschnitt wird hierbei die Summe der Einzelquerschnitte der einzelnen freigeschalteten Einströmdüsen verstanden.The hole pattern is preferably selected such that successively predetermined predetermined combination of inlet nozzles are released during the successive displacement of the adjusting in the adjustment direction, each of which form successive switching stages. This is to be understood in particular as meaning that the respectively subsequently enabled nozzle combination in each case unlocks a larger (or in the opposite direction of adjustment smaller) total flow cross section of the inlet nozzles. The total flow cross-section here is understood to be the sum of the individual cross-sections of the individual activated inlet nozzles.
In zweckdienlicher Ausgestaltung schließt sich – in Verstellrichtung des Verstellelements – unmittelbar an die letzte Schaltstufe (Düsenkombination) für den größten Massenstrom die Stellung an, in der der Bypasskanal freigeschaltet ist. Dies gewährleistet im Notfall ein sehr schnelles Umschalten vom Betriebsmodus in den Sicherheitsmodus.In an expedient embodiment closes - in the adjustment of the adjustment - directly to the last switching stage (nozzle combination) for the largest mass flow to the position in which the bypass channel is unlocked. This ensures a very fast switching from operating mode to safety mode in an emergency.
Das Verstellelement ist weiterhin in zweckdienlicher Ausgestaltungen in mehreren verschiedenen Betriebsstellung positionierbar, bei denen unterschiedliche Kombinationen von Einströmdüsen freigegeben sind. The adjustment is further positioned in appropriate embodiments in several different operating position in which different combinations of inlet nozzles are released.
In zweckdienlicher Weiterbildung ist das Verstellelement in Längsrichtung des Turbinenaggregats Federkraft- beaufschlagt gelagert, so dass es zuverlässig in der gewünschten Sollposition gehalten ist. Dies verhindert insbesondere das Auftreten von Leckströmen zwischen dem Verstellelement und der Turbineneinheit bzw. dem Zwischenelement.In an expedient development, the adjusting element is mounted spring-loaded in the longitudinal direction of the turbine unit, so that it is reliably held in the desired setpoint position. In particular, this prevents the occurrence of leakage currents between the adjusting element and the turbine unit or the intermediate element.
Vorzugsweise ist die Anfahrblende in das Verstellelement integriert bzw. durch den Querschnitt eines Durchgangslochs im Verstellelement gebildet.Preferably, the Anfahrbrende is integrated in the adjustment or formed by the cross section of a through hole in the adjustment.
Die Ausgestaltung des Verstellelements insbesondere auch in Kombination mit dem Zwischenelement, wie sie sich insbesondere aus den Ansprüchen 6 bis 11 ergibt, wird als eine eigenständig erfinderische Lösung unabhängig von der Ausbildung des Anfahrkanals angesehen. Die Einreichung einer Teilanmeldung hierauf bleibt vorbehalten.The configuration of the adjusting element, in particular also in combination with the intermediate element, as it results in particular from
Das Turbinenaggregat ist insgesamt als eine kompakte Baueinheit ausgebildet, bei dem sich in Längsrichtung aneinander einzelne Funktionseinheiten anschließen. Das Turbinenaggregat weist dabei einen im Wesentlichen zylindrischen Aufbau auf, wobei die einzelnen Funktionseinheiten vorzugsweise jeweils als zylindrische Teilstücke aneinander anschließen bzw. innerhalb eines im Wesentlichen zylindrischen Turbinengehäuses sich aneinander anschließen. Die einzelnen Funktionseinheiten weisen dabei üblicherweise den gleichen Durchmesser auf. Folgende Funktionseinheiten schließen sich dabei vorzugsweise in Längsrichtung aufeinander folgend aneinander an:
- – Eine rückseitige Antriebseinheit, über die das Verstellelement verstellbar ist. Der Antriebseinheit ist üblicherweise eine Antriebswelle zugeordnet, die sich koaxial zu einer Mittenlängsachse des Turbinenaggregats in dessen Längsrichtung erstreckt und mit dem Drehschieberelement verbunden ist.
- – An die Antriebseinheit schließt sich ein insbesondere ringförmiger Einströmraum für das Arbeitsmedium an, in den die Einlassöffnung einmündet. Der Einströmraum wird mittig von der Antriebswelle durchsetzt sowie ergänzend von einem Federelement, welches auf das Drehschieberelement einwirkt.
- – An den Einströmraum schließt sich das insbesondere als Drehschieber ausgebildete Verstellelement an.
- – An das Verstellelement schließt sich das Zwischenelement mit den Zwischenkanälen an.
- – Diesem nachgelagert ist schließlich die Turbineneinheit, die selbst wiederum mehrteilig aufgebaut ist mit einem eingangsseitigen Turbinenkopf, in dem die Einströmdüsen ausgebildet sind, sowie mit dem eigentlichen insbesondere mehrkränzigen Turbinenrad.
- – An die Turbineneinheit schließt sich schließlich ein ringförmiger Ausströmraum für das Arbeitsmedium auf, in dem die Auslassöffnung angeordnet ist.
- - A rear drive unit, via which the adjusting element is adjustable. The drive unit is usually associated with a drive shaft which extends coaxially to a central longitudinal axis of the turbine unit in the longitudinal direction and is connected to the rotary valve element.
- - The drive unit is followed by a particular annular inflow space for the working fluid into which the inlet opening opens. The inflow space is penetrated centrally by the drive shaft and in addition by a spring element which acts on the rotary valve element.
- - At the inflow closes the particular designed as a rotary slide adjusting.
- - To the adjusting element, the intermediate element connects to the intermediate channels.
- - This downstream is finally the turbine unit, which in turn is itself constructed in several parts with an input side turbine head, in which the inlet nozzles are formed, as well as with the actual mehrkränzigen turbine wheel.
- Finally, an annular outflow space for the working medium, in which the outlet opening is arranged, adjoins the turbine unit.
Insgesamt wird daher ein derartiges Turbinenaggregat in Längsrichtung von der Einlassöffnung bis zur Auslassöffnung durchströmt. Grundsätzlich lässt sich das hier beschriebene Prinzip auch auf radial durchströmte Turbinenaggregate übertragen. Ein- und Auslassöffnungen sind dabei zweckdienlicherweise als Radialöffnungen angeordnet.Overall, therefore, such a turbine unit is flowed through in the longitudinal direction from the inlet opening to the outlet opening. In principle, the principle described here can also be transferred to turbine units with radial flow. Inlet and outlet ports are expediently arranged as radial openings.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Turbinenaggregat für eine derartige Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Schließlich wird die Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 14.The object is further achieved according to the invention by a turbine unit for such a device for utilizing the waste heat of an internal combustion engine with the features of claim 13. Finally, the object is also achieved by a method for utilizing waste heat of an internal combustion engine according to
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:An embodiment will be explained in more detail with reference to FIGS. These show:
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, like-acting parts are provided with the same reference numerals.
Zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere in einem Pkw wird die 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 erzeugbaren 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 Turbineneinheit in mechanische Leistung umzusetzen ist die Turbineneinheit
Für einen sicheren, schädigungsfreien Betrieb der Turbineneinheit
Der Aufbau und die Funktionsweise des Turbinenaggregats
Innerhalb des Turbinengehäuses
Bei der Turbineneinheit
Unmittelbar anschließend an die Turbineneinheit
Die Stirnseiten dieser beiden Teilräume sind jeweils über eine Art Deckelflansch
In dem Zwischenelement sind Zwischenkanäle
Unmittelbar anschließend an die Zwischenscheibe
Mit diesem Turbinenaggregat lässt sich die in
Für den Anfahrbetrieb, beispielsweise nach dem Starten des Motors des Kraftfahrzeuges, ist der Anfahrkanal
Das Teilstück des Zwischenkanals
Bei Erreichen dieses angestrebten Anfangs-Systemzustands wird mit Hilfe der Steuereinheit
Wie nachfolgend im Zusammenhang mit den
Für den Fall eines zu großen Dampf-Massenstroms oder auch für den Fall eines defekten Generators
Anhand der
In der Zwischenscheibe
Die
Schließlich wird bei einem Weiterdrehen in Drehrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Pumpepump
- 44
- VerdampferEvaporator
- 66
- Turbinenaggregatturbine generator
- 88th
- Kondensatorcapacitor
- 1010
- Generatorgenerator
- 1212
- Turbineneinheitturbine unit
- 1414
- Steuereinheitcontrol unit
- 1616
- Strömungsrichtungflow direction
- 1818
- HochdruckteilHigh-pressure part
- 2020
- NiederdruckteilLow-pressure part
- 2222
- Wärmestromheat flow
- 2424
- Wärmeleitungheat conduction
- 2626
- AnfahrkanalAnfahrkanal
- 2828
- Bypasskanalbypass channel
- 3030
- Turbinengehäuseturbine housing
- 3232
- Längsrichtunglongitudinal direction
- 3434
- Einlassöffnunginlet port
- 3636
- Auslassöffnungoutlet
- 4040
- Turbinenkopfturbine head
- 4242
- Turbinenradturbine
- 4444
- EinströmdüseInlet
- 4646
- Zwischenelementintermediate element
- 46A46A
- Zwischenscheibewasher
- 46B46B
- Zwischensteggutter
- 4848
- Einströmrauminflow
- 5050
- Ausströmraumoutflow
- 5252
- Deckelflanschcover flange
- 54A, B, C54A, B, C
- Zwischenkanälebetween channels
- 5656
- DrehschieberscheibeRotary valve disc
- 58A, B, C58A, B, C
- DurchgangslöcherThrough holes
- 6060
- Federfeather
- 6262
- Antriebseinheitdrive unit
- 6464
- Antriebswelledrive shaft
- 6868
- Randkanaledge channel
- 7070
- AnfahrblendeAnfahrblende
- 7474
- Bypass-ÖffnungBypass opening
- D1–D5D1-D5
- Düsenöffnungenorifices
- 7676
- Drehrichtungdirection of rotation
- MM
- Arbeitsmediumworking medium
- DD
- Dampfsteam
- HH
- Heißmediumhot medium
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