DE102012222671B4 - Device and method for using waste heat of an internal combustion engine and turbine unit for such a device - Google Patents

Device and method for using waste heat of an internal combustion engine and turbine unit for such a device Download PDF

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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 DE 10 2007 013 817 A1 zu entnehmen. Zur Abwärmenutzung in einem Kraftfahrzeug mit Hilfe eines Clausius-Rankine Kreises ist eine Expansionsvorrichtung vorgesehen, die nach Art eines Scroll-Verdichters eine feste Spirale und eine bewegbare Spirale aufweist. Beim Starten des Clausius-Rankine Kreises wird über einen Bypasskanal eine Hochdruckkammer direkt einer Niederdruckkammer unter Umgehung einer Arbeitskammer verbunden.Such a device is known from DE 10 2007 013 817 A1 refer to. For waste heat utilization in a motor vehicle with the aid of a Rankine cycle, an expansion device is provided, which has a fixed spiral and a movable spiral in the manner of a scroll compressor. When starting the Rankine cycle, a high-pressure chamber is connected directly to a low-pressure chamber bypassing a working chamber via a bypass channel.

Aus der DE 10 2007 003 801 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Abgaswärme eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors zu entnehmen. 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.From the DE 10 2007 003 801 A1 is also a device for recovering electrical energy from the exhaust heat of a motor vehicle internal combustion engine refer. 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 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 DE 10 2012 211 578 A1 die Verwendung von verschiedenen Einströmdüsen vorgesehen, die in Abhängigkeit des jeweils aktuell anliegenden Massenstroms verschieden kombiniert werden und dabei jeweils Schalltstufen für bestimmte Massenstrom-Bereiche definieren. Die Schaltstufen sind dabei derart gewählt, dass beim Umschalten zwischen zwei Schaltstufen ein Drucksprung innerhalb des Systems auf einen maximalen Wert begrenzt ist.Due to in a motor vehicle, especially in passenger cars, highly fluctuating operating conditions is for the generation of steam a widely varying waste heat available. This leads to greatly varying steam mass flows. In order to achieve the highest possible efficiency in the implementation of the energy contained in the steam in rotational energy of the turbine to be according to the unpublished at the time of application DE 10 2012 211 578 A1 the use of different inlet nozzles provided, which are combined differently depending on the currently applied mass flow and thereby each define sound levels for certain mass flow areas. The switching stages are chosen such that when switching between two switching stages, a pressure jump within the system is limited to a maximum value.

Aus der DE 10 2010 042 412 A1 ist eine Dampfturbine zu entnehmen, bei der ebenfalls in Abhängigkeit des aktuellen Lastzustandes zwischen verschiedenen Düsen druckabhängig umgeschaltet werden kann. Als Schaltvorrichtung sind Regelventile oder eine Lochblende vorgesehen.From the DE 10 2010 042 412 A1 is to take a steam turbine, in which also depending on the current load condition between different nozzles can be switched pressure-dependent. As a switching device control valves or a pinhole are provided.

In der DE 42 14 775 A1 ist eine Dampfturbine beschrieben, bei der zur Steuerung des Dampfdurchsatzes ein Drehschieber vorgesehen ist.In the DE 42 14 775 A1 a steam turbine is described in which a rotary valve is provided for controlling the steam flow rate.

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 DE 10 2012 211 578 A1 be- schrieben ist. Die darin beschriebene Turbineneinheit weist mehrere, unterschiedlich ausgebildete Einströmdüsen auf, die insbesondere für unterschiedliche Massenströme ausgebildet sind und entsprechend auch unterschiedliche Strömungsquerschnitte zeigen. Beim Umschalten zwischen verschiedenen Schaltstufen, um einen möglichst großen Massenstrom-Bereich beim Betrieb infolge von Lastwechselreaktionen des Fahrzeugs abdecken zu können, werden unterschiedliche Kombination der Einströmdüsen zugeschaltet. Die einzelnen Schaltstufen sind dabei allgemein vorzugsweise derart ausgelegt, dass beim Umschalten in die nächsthöhere Schaltstufe ein vorgegebener Drucksprung innerhalb des Systems nicht überschritten wird, der beispielsweise bei 25% eines mittleren Systemdrucks liegt.The adjusting element is in particular designed for a turbine unit as in the unpublished up to the registration date DE 10 2012 211 578 A1 is described. The turbine unit described therein has a plurality of differently shaped inlet nozzles, which are designed in particular for different mass flows and accordingly also show different flow cross sections. When switching between different switching stages in order to cover the largest possible mass flow range during operation as a result of load change reactions of the vehicle, different combination of the inlet nozzles are switched on. The individual switching stages are generally preferably designed such that when switching to the next higher switching stage, a predetermined pressure jump within the system is not exceeded, which is for example at 25% of an average system pressure.

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 claims 6 to 11, is regarded as an independently inventive solution, regardless of the formation of the starting channel. The submission of a divisional application remains reserved.

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.
Overall, the turbine unit is designed as a compact structural unit in which individual functional units adjoin one another in the longitudinal direction. In this case, the turbine unit has an essentially cylindrical construction, wherein the individual functional units preferably adjoin each other as cylindrical sections or join each other within a substantially cylindrical turbine housing. The individual functional units usually have the same diameter. The following functional units preferably follow one another consecutively in the longitudinal direction:
  • - 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 claim 14.

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:

1 eine Blockbilddarstellung einer Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors, 1 a block diagram of a device for using waste heat of an internal combustion engine,

2 eine erste Schnittdarstellung eines Turbinenaggregats in der Betriebsstellung während eines Sicherheitsbetriebs, 2 a first sectional view of a turbine unit in the operating position during a safety operation,

3 eine ausschnittsweise Darstellung eines zweiten Längsschnitts durch das Turbinenaggregat in der Betriebsstellung während des Anfahrbetriebs, 3 a partial representation of a second longitudinal section through the turbine unit in the operating position during the starting operation,

4 eine ausschnittsweise Darstellung eines dritten Längsschnitts in der Betriebsstellung während des Normalbetriebs, 4 a partial representation of a third longitudinal section in the operating position during normal operation,

5 ein als Drehschieber ausgebildetes Verstellelement (rechte Bildhälfte) zusammen mit einer Zwischenscheibe, 5 a trained as a rotary slide adjusting element (right half of the picture) together with an intermediate disc,

6 bis 9 unterschiedliche Relativpositionen des Drehschiebers relativ zu der Zwischenscheibe, wobei letztere gestrichelt dargestellt ist und 6 den Anfahrbetrieb, 7 und 8 den Normalbetrieb mit unterschiedlich freigeschalteten Einströmdüsen und 9 den Sicherheitsbetrieb darstellt. 6 to 9 different relative positions of the rotary valve relative to the washer, the latter being shown in dashed lines and 6 the starting operation, 7 and 8th the normal operation with differently released inlet nozzles and 9 represents the safety operation.

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 1 stark vereinfacht dargestellte Vorrichtung herangezogen. Bei dem Verfahren zur Abwärmenutzung wird der sogenannte Rankine-Prozess eingesetzt. Die im Kraftfahrzeug eingebaute Vorrichtung zur Abwärmenutzung umfasst eine Pumpe 2, einen als Dampferzeuger oder Verdampfer 4 ausgebildeten Wärmetauscher, ein Turbinenaggregat 6 sowie einen Kondensator 8. Zur Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie ist im Ausführungsbeispiel dem Turbinenaggregat 6 ein Generator 10 zugeordnet, der insbesondere mit dem Turbinenaggregat 6 eine kompakte Baueinheit bildet. Das Turbinenaggregat 6 umfasst eine Turbineneinheit 12. Zur Steuerung der gesamten Vorrichtung ist eine Steuereinheit 14 angeordnet.To use the waste heat of an internal combustion engine, especially in a car, the in 1 used greatly simplified device used. In the waste heat recovery process, the so-called Rankine process is 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 unit 6 and a capacitor 8th , For converting the heat energy into electrical energy is the turbine unit in the embodiment 6 a generator 10 assigned, in particular with the turbine unit 6 forms a compact unit. The turbine unit 6 includes a turbine unit 12 , To control the entire device is a control unit 14 arranged.

Die Komponenten Pumpe 2, Verdampfer 4, Turbinenaggregat 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. Die entsprechenden Wärmeströme 22 sind durch Pfeile dargestellt.The components pump 2 , Evaporator 4 , Turbine aggregate 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 a heat output via the condenser. The corresponding heat flows 22 are represented by arrows.

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 Turbineneinheit 12 zugeführt, wird in der Turbineneinheit 12 entspannt und erzeugt so eine mechanische Leistung, indem eine Turbinenwelle angetrieben wird. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese Leistung direkt zum Antrieb des elektrischen Generators 10 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 5 kW. Nach Durchströmen der eine Expansionsmaschine bildende Turbineneinheit 12 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 evaporates, the steam D thus obtained is the turbine unit 12 supplied in the turbine unit 12 relaxes and thus generates a mechanical power by a turbine shaft is driven. In the embodiment described here, this power is directly to the drive of the electric generator 10 used for the generation of 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 5 kW. After flowing through the turbine unit forming an expansion machine 12 the steam is 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 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 12 insbesondere als Gleichdruckturbine ausgebildet.In a motor vehicle from the waste heat technically useful to generate 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 efficiently implement this steam expansion capacity provided in the turbine unit in mechanical power is the turbine unit 12 designed in particular as a constant pressure turbine.

Für einen sicheren, schädigungsfreien Betrieb der Turbineneinheit 12 ist zu gewährleisten, dass diese mit tropfenfreien Dampf, insbesondere mit überhitzten Dampf D beaufschlagt wird. Dies ist bei dem Starten eines Verbrennungsmotors nicht gewährleistet. Daher ist ergänzend ein Anfahrkanal 26 ausgebildet, welcher innerhalb des Turbinenaggregats 6 an der Turbineneinheit 12 vorzugsweise unmittelbar an dieser angrenzend entlang geführt ist. Ergänzend ist für den Fall eines übermäßigen Dampf-Massenstroms zusätzlich ein Bypass-Kanal 28 ebenfalls innerhalb des Turbinenaggregats 6 ausgebildet. Die Turbineneinheit 12 ist grundsätzlich für einen Dampf-Massenstrom-Bereich ausgebildet, welcher bei dem Betrieb des Verbrennungsmotors zu erwarten ist, wobei aus Gründen von Effizienzüberlegungen die Turbineneinheit lediglich für einen Teilbereich des zu erwartenden Dampf-Massenstroms ausgebildet ist. Sie ist also für sehr kleine Dampf-Massenströme sowie für sehr große Dampf-Massenströme, die beispielsweise bei einer längeren Volllast-Fahrt entstehen können, nicht ausgelegt. Unter sehr kleine Dampf-Massenströme werden beispielsweise Massenströme kleiner 1 g/s verstanden, die beispielsweise bei niedrigen Geschwindigkeiten oder bei Talfahrten auftreten können.For safe, damage-free operation of the turbine unit 12 Ensure that it is supplied with drip-free steam, in particular with superheated steam D. This is not guaranteed when starting an internal combustion engine. Therefore, a starting channel is in addition 26 formed, which within the turbine unit 6 at the turbine unit 12 preferably guided directly adjacent to this adjacent. In addition, in the case of excessive steam mass flow, a bypass channel is additionally provided 28 also within the turbine unit 6 educated. The turbine unit 12 is basically designed for a steam mass flow range, which is to be expected in the operation of the internal combustion engine, wherein for reasons of efficiency considerations, the turbine unit is formed only for a portion of the expected steam mass flow. So it is for very small steam mass flows as well for very large steam mass flows, which may arise, for example, in a longer full-load drive, not designed. By very small mass flows of steam, for example, mass flows of less than 1 g / s are understood, which can occur, for example, at low speeds or on descents.

Der Aufbau und die Funktionsweise des Turbinenaggregats 6 werden nachfolgend anhand der 2 bis 4 näher erläutert. Das Turbinenaggregat 6 weist ein Turbinengehäuse 30 auf und erstreckt sich in Längsrichtung 32 entlang einer Mittenachse. Das Turbinenaggregat 6 und das Turbinengehäuse 30 haben insbesondere einen zumindest im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt. Das Turbinenaggregat 6 wird etwa in Längsrichtung 32 im Betrieb vom Dampf D durchströmt. Dieser tritt dabei über eine umfangsseitig angeordnete Einlassöffnung 34 ein und verlässt nach Durchströmen mehrerer Funktionseinheiten das Turbinenaggregat 6 über eine Auslassöffnung 36, die vorzugsweise wiederum mantelseitig angeordnet ist.The structure and operation of the turbine unit 6 will be described below on the basis of 2 to 4 explained in more detail. The turbine unit 6 has a turbine housing 30 on and extends in the longitudinal direction 32 along a center axis. The turbine unit 6 and the turbine housing 30 in particular have an at least substantially circular cross-section. The turbine unit 6 will be about in the longitudinal direction 32 flows through the steam D in operation. This occurs via a circumferentially arranged inlet opening 34 and leaves after passing through several functional units, the turbine unit 6 via an outlet opening 36 , which in turn is preferably arranged on the shell side.

Innerhalb des Turbinengehäuses 30 ist eine Turbineneinheit 12 angeordnet, die einen feststehenden Turbinenkopf 40 sowie ein sich unmittelbar daran anschließendes Turbinenrad 42 aufweist. Turbinenkopf 40 und Turbinenrad 42 sind von einem zylindermantelförmigen, umlaufenden Deckband umgeben. Der Turbinenkopf 40 wird auch als Turbinenring oder Düsenscheibe bezeichnet und weist vorzugsweise mehrere Einströmdüsen 44 auf, die unterschiedlich im Hinblick auf ihren Strömungsquerschnitt ausgebildet sind. Die Einströmdüsen 44 sind dabei vorzugsweise an der Umfangsseite des Turbinenkopfs 40 ausgebildet, so dass der Strömungsquerschnitt einer jeweiligen Einströmdüse 33 im Zusammenwirken mit dem umlaufenden Deckband ausgebildet ist. Die Einströmdüsen 44 sind dabei jeweils vorzugsweise schräg zur Längsrichtung und insbesondere schraubenlinienförmig verlaufend als Lavaldüsen ausgebildet.Inside the turbine housing 30 is a turbine unit 12 arranged, which has a fixed turbine head 40 and a turbine wheel immediately adjacent thereto 42 having. turbine head 40 and turbine wheel 42 are surrounded by a cylinder jacket-shaped, surrounding shroud. The turbine head 40 is also referred to as a turbine ring or nozzle disk and preferably has a plurality of inlet nozzles 44 on, which are formed differently with respect to their flow cross-section. The inlet nozzles 44 are preferably on the peripheral side of the turbine head 40 formed so that the flow cross section of a respective inlet nozzle 33 is formed in cooperation with the circumferential shroud. The inlet nozzles 44 are each preferably formed obliquely to the longitudinal direction and in particular helically extending as Laval nozzles.

Bei der Turbineneinheit 12 handelt es sich vorzugsweise um eine Gleichdruckturbine, die einstufig oder auch mehrkränzig ausgebildet sein kann. Über das Turbinenrad 42 wird eine hier nicht näher dargestellte Generatorwelle eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben.At the turbine unit 12 it is preferably a constant pressure turbine, which may be formed in one stage or mehrkränzig. About the turbine wheel 42 a generator shaft, not shown here, of a generator for generating electrical energy is driven.

Unmittelbar anschließend an die Turbineneinheit 12 in Richtung zu der Einlassöffnung 34 ist ein Zwischenelement 46 angeordnet, welches sich im Ausführungsbeispiel aus zwei Teilbereichen zusammensetzt, nämlich eine Zwischenscheibe 46A sowie ein durch das Turbinengehäuse 30 gebildeten Zwischensteg 46B. Der Zwischensteg 46B unterteilt das Innenvolumen des Turbinengehäuses 30 in einen rückwärtigen Einström-Teilbereich sowie einen vorderen, turbinenseitigen Ausström-Teilbereich. In jedem Teilbereich ist jeweils ein Strömungsringraum, nämlich ein Einströmraum 48 sowie ein Ausströmraum 50 ausgebildet, in die jeweils die Einlassöffnung 34 bzw. Auslassöffnung 36 münden.Immediately following the turbine unit 12 towards the inlet opening 34 is an intermediate element 46 arranged, which is composed in the embodiment of two sub-areas, namely an intermediate disc 46A as well as through the turbine housing 30 formed gutter 46B , The gutter 46B divides the inner volume of the turbine housing 30 in a rear inflow portion and a front, turbine-side outflow portion. In each subregion is in each case a flow annulus, namely an inflow space 48 as well as an outflow space 50 formed in each of the inlet opening 34 or outlet opening 36 lead.

Die Stirnseiten dieser beiden Teilräume sind jeweils über eine Art Deckelflansch 52 verschlossen. Das dazwischen liegende, etwa zylindermantelförmige Gehäuse-Mittelteil ist daher insgesamt im Querschnitt betrachtet in etwa h-förmig ausgebildet.The end faces of these two subspaces are each about a kind of cover flange 52 locked. The intervening, approximately cylinder jacket-shaped housing middle part is therefore considered in total considered in cross-section approximately h-shaped.

In dem Zwischenelement sind Zwischenkanäle 54A, B, C ausgebildet, deren Funktion nachfolgend noch näher erläutert wird.In the intermediate element are intermediate channels 54A , B, C, whose function will be explained in more detail below.

Unmittelbar anschließend an die Zwischenscheibe 46A ist ein als Drehschieberscheibe 56 ausgebildetes Verstelleelement angeordnet, welches mehrere Durchgangslöcher 58 aufweist, die Strömungsleitkanäle bilden. Die Drehschieberscheibe 46 wird mittels einer Feder 60 in Solllage gegen die Zwischenscheibe 46A gepresst. Die Feder 60 stützt sich dabei an einem zapfenartigen Gehäuseteil einer Antriebseinheit 62 ab, welche über eine Antriebswelle 64 mit der Drehschieberscheibe 46 verbunden ist. Über die Antriebseinheit 62 ist die Drehschieberscheibe 56 um die Mittenachse in verschiedenen Drehpositionen verstellbar. Sie ist daher rotierbar angeordnet, wohingegen das Zwischenelement 46 feststehend angeordnet ist. Die Antriebseinheit 62 umfasst vorzugsweise einen elektrischen Antriebsmotor. Die Antriebseinheit 62 weist ein Gehäuse mit einer zylindrische Mantelfläche auf, die mit dem Turbinengehäuse 30 in etwa fluchtet und zwischen dem zylindrischen Mittelteil des Turbinengehäuses 30 und dem endseitigen Deckelflansch 52 plaziert ist. Das gesamte in 2 dargestellte Turbinenaggregat 6 ist damit sehr kompakt bauend ausgebildet und weist beispielsweise eine Länge im Bereich von etwa 10 bis 20 cm bei einem Durchmesser im Bereich von etwa 5 bis 15 cm auf.Immediately following the washer 46A is a as a rotary valve disk 56 trained adjustment arranged, which has a plurality of through holes 58 has, the flow guide channels form. The rotary valve disk 46 is by means of a spring 60 in nominal position against the washer 46A pressed. The feather 60 relies on a pin-like housing part of a drive unit 62 off, which via a drive shaft 64 with the rotary valve disk 46 connected is. About the drive unit 62 is the rotary valve disk 56 adjustable around the center axis in different turning positions. It is therefore rotatably arranged, whereas the intermediate element 46 is arranged fixed. The drive unit 62 preferably comprises an electric drive motor. The drive unit 62 has a housing with a cylindrical surface, which is connected to the turbine housing 30 approximately aligned and between the cylindrical central part of the turbine housing 30 and the end cover flange 52 is placed. The whole in 2 illustrated turbine unit 6 is thus designed very compact and has, for example, a length in the range of about 10 to 20 cm with a diameter in the range of about 5 to 15 cm.

Mit diesem Turbinenaggregat lässt sich die in 1 dargestellte Vorrichtung in verschiedenen Betriebsmodi betreiben, nämlich einem Anfahrbetrieb, einem Normalbetrieb sowie einem Sicherheits-Betrieb.With this turbine unit, the in 1 operate shown device in different modes of operation, namely a start-up, a normal operation and a safety operation.

Für den Anfahrbetrieb, beispielsweise nach dem Starten des Motors des Kraftfahrzeuges, ist der Anfahrkanal 26 innerhalb des Turbinenaggregats 6 ausgebildet, über den der Dampf durch das Turbinengehäuse 30 hindurch strömt, jedoch an der Turbineneinheit 38 vorbei geleitet wird. Diese Situation ist in 3 dargestellt. Der Anfahrkanal 26 setzt sich dabei aus verschiedenen Teilstücken zusammen, nämlich einem Zwischenkanal 54A im Zwischenelement 46 sowie ein Randkanal 68 zwischen der Turbineneinheit 38 und dem Turbinengehäuse 30. Der Zwischenkanal 54A sowie der Randkanal 68 werden dabei direkt an der Turbineneinheit 12 entlang geleitet, so dass diese beim Anfahrbetrieb bereits vorgewärmt wird. Bevorzugt bildet die Außenwand der Turbineneinheit 12 selbst die Wand des Zwischenkanals 54A für einen direkten Wärmetausch.For the starting operation, for example after starting the engine of the motor vehicle, is the starting channel 26 within the turbine unit 6 formed over which the steam through the turbine housing 30 through, but at the turbine unit 38 passed by. This situation is in 3 shown. The approach channel 26 consists of different parts together, namely an intermediate channel 54A in the intermediate element 46 as well as an edge channel 68 between the turbine unit 38 and the turbine housing 30 , The intermediate channel 54A as well as the edge channel 68 are doing directly on the turbine unit 12 passed along, so that it is already preheated during start-up operation. The outer wall of the turbine unit preferably forms 12 even the wall of the intermediate channel 54A for a direct heat exchange.

Das Teilstück des Zwischenkanals 54A in der Zwischenscheibe 46A ist als Anfahrblende 70 mit einem geringen Strömungsquerschnitt ausgebildet. Der Querschnitt der Anfahrblende 70 ist dabei derart ausgelegt, dass bei Erreichen eines vorbestimmten Dampf-Massenstroms sich ein vorbestimmter Systemdruck einstellt. Dieser ist derart bemessen, dass beim Umschalten zwischen dem Anfahrbetrieb auf den Normalbetrieb möglichst kein Drucksprung auftritt, bzw. dass ein derartiger Drucksprung innerhalb eines vorgegebenen maximalen Druckbereichs beispielsweise von maximal 25% eines mittleren Systemdrucks liegt Unter mittlerer Systemdruck wird der mittlerer Druckwert zwischen einem maximalen und minimalen Druckwert verstanden, welche von dem System zugelassen werden. Bei Verwendung von Dampf als Arbeitsmedium liegt dieser beispielsweise bei etwa 1,5 bar. Durch Vermeidung eines solchen Druckstoßes lässt sich der gesamte Prozess zuverlässig und sicher betreiben.The section of the intermediate channel 54A in the washer 46A is as a stop 70 formed with a small flow cross-section. The cross-section of the approach panel 70 is designed such that upon reaching a predetermined mass flow of steam, a predetermined system pressure is established. This is dimensioned such that when switching between the starting operation on the normal operation as possible no pressure jump occurs, or that such a pressure jump within a predetermined maximum pressure range, for example, a maximum of 25% of an average system pressure is lower than average system pressure of the mean pressure value between a maximum and understood minimum pressure value, which are approved by the system. When using steam as the working medium this is for example about 1.5 bar. By avoiding such a pressure surge, the entire process can be operated reliably and safely.

Bei Erreichen dieses angestrebten Anfangs-Systemzustands wird mit Hilfe der Steuereinheit 14 ein Signal an die Antriebseinheit 62 übermittelt, die daraufhin zum Umschalten vom Anfahrbetrieb in den Normalbetrieb die Drehschieberscheibe 46 in eine zweite, definierte Stellung bringt. Diese ist in 4 dargestellt. In dieser Betriebsstellung wird nunmehr über einen zweiten Zwischenkanal 54B ein Strömungspfad zu einer ersten Einströmdüse 44 freigeschaltet, so dass der Dampf D durch die Turbineneinheit 42 strömt und das Turbinenrad 42 antreibt.Upon reaching this target initial system state, with the help of the control unit 14 a signal to the drive unit 62 then transmits the rotary valve disk to switch from start to normal operation 46 into a second, defined position. This is in 4 shown. In this operating position is now via a second intermediate channel 54B a flow path to a first inlet nozzle 44 unlocked, so that the steam D through the turbine unit 42 flows and the turbine wheel 42 drives.

Wie nachfolgend im Zusammenhang mit den 5 bis 9 erläutert wird, sind verschiedene Schaltstufen für diesen Normalbetrieb vorgesehen, wobei in Abhängigkeit des aktuell anliegenden Dampfmassenstroms und Systemdrucks zwischen den verschiedenen Schaltstufen durch Verstellen des Drehschieberelements umgeschalten wird, so dass unterschiedliche Düsenkombination mit beaufschlagt werden. Die unterschiedlichen Düsenkombinationen sind dabei für unterschiedliche Dampf-Massenströme ausgelegt. Die Auslegung ist dabei derart gewählt, dass beim Umschalten zwischen zwei benachbarten Schaltstufen der Drucksprung innerhalb des Systemdrucks auf einen vorgegebenen Maximalwert, beispielsweise von 25% des mittleren Systemdrucks begrenzt wird. Die Auslegung der Düsen und das Prinzip des Umschaltens ist in der DE 10 2012 211 578 A1 be- schrieben.As follows in connection with the 5 to 9 is explained, different switching stages are provided for this normal operation, being switched depending on the currently applied steam mass flow and system pressure between the various switching stages by adjusting the rotary valve element, so that different nozzle combination are acted upon. The different nozzle combinations are designed for different steam mass flows. The design is chosen such that when switching between two adjacent switching stages of the pressure jump within the system pressure is limited to a predetermined maximum value, for example, 25% of the average system pressure. The design of the nozzles and the principle of switching is in the DE 10 2012 211 578 A1 described.

Für den Fall eines zu großen Dampf-Massenstroms oder auch für den Fall eines defekten Generators 10 zum Schutz vor Überdrehzahl ist schließlich noch der Betriebsmodus des Sicherheitsbetriebs vorgesehen, bei dem der Dampf D wiederum an der Turbineneinheit 12 und zwar über den Bypasskanal 28 vorbeigeleitet wird, Diese Situation ist in 2 dargestellt. Wie sich durch Vergleich mit der 3 für den Anfahrkanal ergibt, weist der Bypasskanal 28 einen nahezu identischen Verlauf wie der Anfahrkanal 26 auf, mit dem entscheidenden Unterschied, dass der Strömungsquerschnitt des Zwischenkanals 54C im Bereich der Zwischenscheibe 46A nicht als Anfahrblende 70 ausgebildet ist, sondern einen deutlich größeren Strömungsquerschnitt aufweist. Der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals 28 ist allgemein derart groß gewählt, dass dieser Bypasskanal als ein Not-Kanal bei einer maximal zu erwartenden Dampf-Menge herangezogen werden kann. Bei den 2 bis 4 ist zu beachten, dass die dargestellten Schnitte unterschiedliche Schnittebenen (unterschiedliche Winkelpositionen) darstellen, wobei eine jede Schnittebene durch die Mittenlängsachse geht.In the case of excessive steam mass flow or in the case of a defective generator 10 Finally, in order to protect against overspeeding, the operating mode of the safety operation is provided, in which the steam D is in turn connected to the turbine unit 12 via the bypass channel 28 This situation is in 2 shown. How to compare with the 3 for the starting channel results, the bypass channel 28 a nearly identical course as the approach channel 26 on, with the crucial difference that the flow cross-section of the intermediate channel 54C in the area of the washer 46A not as a stop 70 is formed, but has a significantly larger flow cross-section. The flow cross section of the bypass channel 28 is generally chosen so large that this bypass channel can be used as an emergency channel at a maximum expected amount of steam. Both 2 to 4 It should be noted that the sections shown represent different sectional planes (different angular positions), with each sectional plane passing through the central longitudinal axis.

Anhand der 5 bis 9 wird das Umschalten zwischen verschiedenen Schaltstufen mit Hilfe der Drehschieberscheibe 56 und der Zwischenscheibe 46A erläutert: Beide Scheiben sind konzentrisch zueinander angeordnet und weisen den gleichen Durchmesser auf. Die Zwischenscheibe 46A ist feststehend, wohingegen die Drehschieberscheibe 56 um die Mitten-Längsachse verdrehbar ist. Die Drehschieberscheibe 56 weist allgemein mehrere Durchgangslöcher 58A–C auf, die insbesondere als Langlöcher ausgebildet sind, und zwar derart, dass zumindest einige der Langlöcher 58B, C mehrere Öffnungen der Zwischenkanäle 54 überdecken können. Im Ausführungsbeispiel sind zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende Langlöcher 58B, C vorgesehen, die sich jeweils über einen vorgegebenen Drehwinkel erstrecken, welcher im Ausführungsbeispiel bei etwa 50° liegt. Die beiden in Umfangsrichtung orientierten Langlöcher 58B, C sind dabei ergänzend etwa in einem gemeinsamen Scheibendrittel angeordnet. Weiterhin ist ein sich in radialer Richtung erstreckendes Durchgangsloch 58A ausgebildet, welches in etwa diametral gegenüberliegend zu den beiden anderen Langlöchern 58B, C angeordnet ist.Based on 5 to 9 Switching between different switching stages using the rotary valve disc 56 and the washer 46A explains: Both discs are concentric with each other and have the same diameter. The washer 46A is stationary, whereas the rotary valve disk 56 about the center longitudinal axis is rotatable. The rotary valve disk 56 generally has several through holes 58A -C, which are designed in particular as elongated holes, in such a way that at least some of the slots 58B , C several openings of the intermediate channels 54 can cover. In the exemplary embodiment, two elongated holes extending in the circumferential direction 58B , C provided, each extending over a predetermined angle of rotation, which is about 50 ° in the embodiment. The two circumferentially oriented slots 58B , C are arranged in addition to approximately in a common slice third. Furthermore, there is a through hole extending in the radial direction 58A formed, which is approximately diametrically opposite to the other two slots 58B , C is arranged.

In der Zwischenscheibe 46A ist eine die Anfahrblende 70 bildende Öffnung für den Anfahrkanal 76, eine Bypass-Öffnung 74 für die Verbindung mit dem Bypasskanal 28 sowie mehrere Düsenöffnungen D1 bis D5 ausgebildet, die jeweils mit einer Einströmdüse 44 der Turbineneinheit 38 strömungstechnisch verbunden sind. Durch sukzessives Verdrehen der Drehschieberscheibe 56 in Drehrichtung 76 werden nacheinander unterschiedliche Kombination der Düsenöffnungen D1 freigeschalten, so dass eine jeweilige Düsenkombination mit Dampf D beaufschlagt ist. Hierdurch sind unterschiedliche Schaltstufen zum Umschalten für unterschiedliche Dampf-Massenströme ausgebildet, wobei die Freischaltung der einzelnen Kombinationen derart gewählt ist, dass bei einem kontinuierlichen Drehen in Drehrichtung 76 jeweils einander benachbarte Schaltstufen freigegeben werden. Einander benachbarte Schaltstufen sind jeweils für aneinander angrenzende Massenstrom-Bereiche ausgelegt. Das Umschalten zwischen den einzelnen Schaltstufen erfolgt insbesondere gemäß nach folgender Tabelle, die in weiten Teilen aus der DE 10 2012 211 578 A1 entnommen und dort im Detail beschrieben ist, auf die hiermit verwiesen wird. Die in der Tabelle mit den Ziffern 1 bis 5 bezeichneten Düsen (Einströmdüse 44) sind den Düsenöffnungen D1 bis D5 zugeordnet. Die Düse A gemäß der Tabelle entspricht der Anfahrblende 70

Figure DE102012222671B4_0002
In the washer 46A is a the Anfahrbrende 70 forming opening for the approach channel 76 , a bypass opening 74 for connection to the bypass channel 28 and a plurality of nozzle openings D1 to D5 are formed, each with an inlet nozzle 44 the turbine unit 38 are fluidically connected. By successive rotation of the rotary valve disk 56 in the direction of rotation 76 are successively different combination of the nozzle openings D1 unlocked, so that a respective nozzle combination with steam D is acted upon. As a result, different switching stages for switching for different vapor mass flows are formed, wherein the activation of the individual combinations is selected such that in a continuous rotation in the direction of rotation 76 each adjacent switching stages are released. Adjacent switching stages are each designed for adjacent mass flow areas. The switching between the individual switching stages takes place in particular according to the following table, which in large parts from the DE 10 2012 211 578 A1 and is described there in detail, to which reference is hereby made. The nozzles indicated in the table with the numbers 1 to 5 (inlet nozzle 44 ) are associated with the nozzle openings D1 to D5. The nozzle A according to the table corresponds to the starting aperture 70
Figure DE102012222671B4_0002

Die 6 bis 9 zeigen die überlagerte Anordnung der beiden Scheiben 56 und 46A. 6 zeigt die Ausgangsstellung oder Anfahrstellung, bei der die Anfahrblende 70 für den Anfahrbetrieb freigeschalten ist. Dies entspricht in obiger Tabelle der Schaltstufe 0. Bei sukzessivem Drehen in Drehrichtung 76 werden nachfolgend die Düsenöffnungen D1, D2, D3 durch das radiale Durchgangsloch 58A freigeschalten. In 7 ist die Freischaltung der Düsenöffnung D1 dargestellt. Um Kombinationen von mehreren Düsenöffnungen D1 bis D5 freizuschalten sind die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Langlöcher 58B, C vorgesehen. Wie aus obiger Tabelle zu entnehmen ist, wird in der Schaltstufe 4 durch das Langloch 58B nur die Düsenöffnung D4 freigeschaltet. Es folgen die Kombination D4 + D5, D4 + D5 + D1 etc. bishin zu der in 8 dargestellten Schaltstufe 8, bei der alle Düsenöffnungen D1 bis D5 freigeschalten sind. Die Länge der Langlöcher 58A, 58B ist daher auf den Winkelabstand der Düsenöffnungen D1 bis D5 geeignet abgestimmt, so dass diese gemeinsame Freischaltung ermöglicht ist. Insbesondere erstrecken sich die beiden Langlöcher 58B, C über den gleichen Gesamt-Drehwinkel wie die Düsenöffnungen D1 bis D5 (8).The 6 to 9 show the superimposed arrangement of the two discs 56 and 46A , 6 shows the starting position or starting position, at which the approach panel 70 is unlocked for the starting operation. This corresponds to the switching stage 0 in the above table. In the case of successive turning in the direction of rotation 76 Subsequently, the nozzle orifices D1, D2, D3 will pass through the radial through hole 58A unlocked. In 7 the release of the nozzle opening D1 is shown. To unlock combinations of multiple nozzle openings D1 to D5, the circumferentially extending slots are 58B , C provided. As can be seen from the above table is in the switching stage 4 through the slot 58B only the nozzle opening D4 unlocked. This is followed by the combination D4 + D5, D4 + D5 + D1 etc. up to the in 8th shown switching stage 8, in which all the nozzle openings D1 to D5 are unlocked. The length of the slots 58A . 58B is therefore suitably adjusted to the angular distance of the nozzle openings D1 to D5, so that this common enabling is possible. In particular, the two elongated holes extend 58B , C over the same total rotation angle as the nozzle openings D1 to D5 ( 8th ).

Schließlich wird bei einem Weiterdrehen in Drehrichtung 76 die Bypass-Öffnung 74 freigeschalten und gleichzeitig werden alle anderen Öffnungen verschlossen. Dies erfolgt wiederum über das radiale Durchgangsloch 58A. Zur Ermöglichung dieser Schaltfolge zwischen den verschiedenen Betriebsmodi (Anfahrbetrieb-Normalbetrieb-Sicherheits-Betrieb) sind also die Anfahrblende 70 sowie die Bypass-Öffnung 74 auf einen ersten Kreisring angeordnet, welcher radial von einem zweiten Kreisring beanstandet ist, auf dem die Düsenöffnungen D1 bis D5 angeordnet sind.Finally, in a further rotation in the direction of rotation 76 the bypass opening 74 unlocked and at the same time all other openings are closed. This again takes place via the radial through hole 58A , To enable this switching sequence between the different operating modes (start-normal operation-safety operation) so are the Anfahrblende 70 as well as the bypass opening 74 arranged on a first annulus, which is radially spaced from a second annulus, on which the nozzle openings D1 to D5 are arranged.

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

Claims (14)

Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Verdampfer (4) zur Übertragung der Abwärme auf ein Arbeitsmedium (M, D) und mit einer von dem Arbeitsmedium (M, D) antreibbaren Turbineneinheit (12), die innerhalb eines Turbinengehäuses (30) eines Turbinenaggregats (6) angeordnet ist, wobei das Turbinengehäuse (30) eine Einlassöffnung (34) und eine Auslassöffnung (36) für das Arbeitsmedium (M) aufweist, und innerhalb des Turbinengehäuses (30) ein nach Art eines Bypass an der Turbineneinheit (12) vorbeigeführter Anfahrkanal (26) für das Arbeitsmedium (M, D) angeordnet ist, wobei für einen Anfahrbetrieb die Einlassöffnung (34) mit der Auslassöffnung (36) über den Anfahrkanal (26) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Turbinengehäuses (12) weiterhin ein Bypasskanal (28) ausgebildet ist und der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals (28) größer als der des Anfahrkanals (26) ist, wobei für einen Sicherheitsbetrieb die Einlassöffnung (34) mit der Auslassöffnung (36) über den Bypasskanal (28) verbindbar istDevice 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, D) and to a turbine unit which can be driven by the working medium (M, D) ( 12 ), which within a turbine housing ( 30 ) of a turbine unit ( 6 ), wherein the turbine housing ( 30 ) an inlet opening ( 34 ) and an outlet opening ( 36 ) for the working medium (M), and within the turbine housing ( 30 ) in the manner of a bypass on the turbine unit ( 12 ) passing starting channel ( 26 ) is arranged for the working medium (M, D), wherein for a starting operation, the inlet opening ( 34 ) with the outlet opening ( 36 ) via the approach channel ( 26 ) is connectable, characterized in that within the turbine housing ( 12 ) a bypass channel ( 28 ) is formed and the flow cross-section of the bypass channel ( 28 ) greater than that of the start-up channel ( 26 ), wherein for a safety operation the inlet opening ( 34 ) with the outlet opening ( 36 ) via the bypass channel ( 28 ) is connectable Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfahrkanal (26) an oder in einem Turbinenkopf (40) der Turbineneinheit (12) angeordnet ist, in dem eine Einströmdüse (44) zum Einströmen des Arbeitsmediums (M, D) in die Turbineneinheit (12) angeordnet ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the starting channel ( 26 ) on or in a turbine head ( 40 ) of the turbine unit ( 12 ) is arranged, in which an inlet nozzle ( 44 ) for flowing the working medium (M, D) into the turbine unit ( 12 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfahrkanal (26) eine Anfahrblende (70) mit geringem Blendenquerschnitt aufweist, derart, dass im Betrieb beim Anfahren ein vorgegebener Anfahr-Systemdruck erzeugt wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the starting channel ( 26 ) a stop ( 70 ) having a small aperture cross-section, such that a predetermined start-up system pressure is generated during operation when starting. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfahrblende (70) einen festen Blendenquerschnitt aufweist, der derart bemessen ist, dass bei einem vorgegebenen Anfahr-Massenstrom der vorgegebene Anfahr-Systemdruck erzeugt wird.Apparatus according to claim 3, characterized in that the Anfahrbrende ( 70 ) has a fixed aperture cross-section, which is dimensioned such that at a predetermined starting mass flow of the predetermined starting system pressure is generated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einlassöffnung (34) und der Turbineneinheit (12) ein Verstellelement (56) mit zumindest einem Strömungsleitkanal (58, 58A–C) angeordnet ist, welches zwischen einer Anfahrstellung und einer Betriebsstellung verstellbar ist, derart, dass der Strömungsleitkanal (58, 58A–C) die Einlassöffnung (34) in der Anfahrstellung mit dem Anfahrkanal (26) und in der Betriebsstellung mit zumindest einer Einströmdüse (44) der Turbineneinheit (12) verbindet.Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the inlet opening ( 34 ) and the turbine unit ( 12 ) an adjusting element ( 56 ) with at least one flow channel ( 58 . 58A C) is arranged, which is adjustable between a starting position and an operating position, such that the flow channel ( 58 . 58A -C) the inlet opening ( 34 ) in the starting position with the Starting channel ( 26 ) and in the operating position with at least one inlet nozzle ( 44 ) of the turbine unit ( 12 ) connects. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (56) als ein Schieberelement, insbesondere als scheibenförmiges Drehschieberelement ausgebildet ist.Apparatus according to claim 5, characterized in that the adjusting element ( 56 ) is designed as a slide element, in particular as a disk-shaped rotary slide element. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (56) einem Zwischenelement (46) vorgelagert ist, wobei im Zwischenelement (46) mehrere Zwischenkanäle (54A–C) ausgebildet sind, wobei ein erster Zwischenkanal (54A) ein Teilstück des Anfahrkanals (26) ist und ein zweiter Zwischenkanal (54B) den zumindest einen Strömungsleitkanal (58) des Verstellelements (56) mit einer Einströmdüse (44) der Turbineneinheit verbindet.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the adjusting element ( 56 ) an intermediate element ( 46 ), wherein in the intermediate element ( 46 ) several intermediate channels ( 54A -C) are formed, wherein a first intermediate channel ( 54A ) a portion of the approach channel ( 26 ) and a second intermediate channel ( 54B ) the at least one flow channel ( 58 ) of the adjusting element ( 56 ) with an inlet nozzle ( 44 ) connects the turbine unit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (56) ein Lochmuster mit einer Anzahl von jeweils einem Strömungsleitkanal (58) bildenden Durchgangslöchern (58A–C) aufweist.Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the adjusting element ( 56 ) a hole pattern with a number of in each case one flow channel ( 58 ) forming through holes ( 58A -C). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbineneinheit (12) ein Turbinenrad (42) und diesem vorgelagert einen Turbinenkopf (40) mit mehreren vorzugsweise verschiedenen Einströmdüsen (44) aufweist, und wobei das Verstellelement (56) in mehreren Betriebsstellungen positionierbar ist, in denen unterschiedliche Kombinationen (44) von Einströmdüsen freigegeben sind.Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the turbine unit ( 12 ) a turbine wheel ( 42 ) and this upstream a turbine head ( 40 ) with a plurality of preferably different inlet nozzles ( 44 ), and wherein the adjusting element ( 56 ) can be positioned in several operating positions in which different combinations ( 44 ) are released by inlet nozzles. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (56) federkraftbeaufschlagt gelagert ist.Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the adjusting element ( 56 ) is mounted spring loaded. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 sowie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleitkanal (58) die Anfahrblende (70) aufweist oder bildet.Device according to one of claims 5 to 10 and according to claim 3 or 4, characterized in that the flow channel ( 58 ) the approach panel ( 70 ) or forms. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenaggregat (6) sich in Längsrichtung (32) erstreckt und in Längsrichtung (32) sich aneinander anschließen – eine Antriebseinheit (62) für eine motorische Verstellung des Verstellelements (56), – ein Einströmraum (48) für das Arbeitsmedium (M, D) mit der Einlassöffnung (34), – ein als Drehschieber ausgebildetes Verstellelement (56), – ein Zwischenelement (46) mit Zwischenkanälen (54A–C), – die Turbineneinheit (12) umfassend den Turbinenkopf (40) mit zumindest einer Einströmdüse (44) sowie – ein Ausströmraum (50) für das Arbeitsmedium (M, D) mit der Auslassöffnung (36).Device according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine unit ( 6 ) in the longitudinal direction ( 32 ) and in the longitudinal direction ( 32 ) adjoin one another - a drive unit ( 62 ) for a motorized adjustment of the adjusting element ( 56 ), - an inflow space ( 48 ) for the working medium (M, D) with the inlet opening ( 34 ), - designed as a rotary slide adjustment ( 56 ), - an intermediate element ( 46 ) with intermediate channels ( 54A -C), - the turbine unit ( 12 ) comprising the turbine head ( 40 ) with at least one inlet nozzle ( 44 ) as well as - an outflow space ( 50 ) for the working medium (M, D) with the outlet opening ( 36 ). Turbinenaggregat (6) für eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Turbinengehäuse (30), innerhalb dessen eine Turbineneinheit (12) angeordnet ist und das Turbinengehäuse (30) eine Einlassöffnung (34) und eine Auslassöffnung (36) für ein Arbeitsmedium (M, D) aufweist, wobei im Turbinengehäuses (30) ein als Bypass an der Turbineneinheit (12) vorbeigeführter Anfahrkanal für das Arbeitsmedium angeordnet ist, wobei für einen Anfahrbetrieb die Einlassöffnung (34) mit der Auslassöffnung (36) über den Anfahrkanal (26) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Turbinengehäuses (12) weiterhin ein Bypasskanal (28) ausgebildet ist und der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals (28) größer als der des Anfahrkanals (26) ist, wobei für einen Sicherheitsbetrieb die Einlassöffnung (34) mit der Auslassöffnung (36) über den Bypasskanal verbindbar ist.Turbine aggregate ( 6 ) for a device according to one of the preceding claims, with a turbine housing ( 30 ) within which a turbine unit ( 12 ) is arranged and the turbine housing ( 30 ) an inlet opening ( 34 ) and an outlet opening ( 36 ) for a working medium (M, D), wherein in the turbine housing ( 30 ) as a bypass on the turbine unit ( 12 ) is guided past the starting channel for the working medium, wherein for a starting operation, the inlet opening ( 34 ) with the outlet opening ( 36 ) via the approach channel ( 26 ) is connectable, characterized in that within the turbine housing ( 12 ) a bypass channel ( 28 ) is formed and the flow cross-section of the bypass channel ( 28 ) greater than that of the start-up channel ( 26 ), wherein for a safety operation the inlet opening ( 34 ) with the outlet opening ( 36 ) is connectable via the bypass channel. Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Kraftfahrzeuges mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.Method for utilizing waste heat of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with a device according to one of Claims 1 to 12.
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