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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen ein Fluid führenden Arbeitsfluidkreislauf mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Wärmetauscher, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Fluidpumpe aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes System zur Energierückgewinnung aus dem Abwärmestrom.
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Stand der Technik
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Ein derartiges Verfahren und ein derartiges System ist aus der
DE 10 2006 043 139 A1 bekannt. Das entsprechende System umfasst als Abwärmequelle neben einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine einen Kühlmittelkreislauf sowie einen Ladeluftkühler der Brennkraftmaschine. Alle diese Abwärmequellen können zur Energierückgewinnung benutzt werden. Den dargestellten Systemen und den entsprechenden Betreibungsverfahren ist es gemeinsam, dass das Fluid des Arbeitsfluidkreislaufs der Expansionsmaschine in dampfförmigen Zustand zugeführt wird.
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Ein ähnliches System und Verfahren zum Betreiben des entsprechenden Systems ist aus der
DE 10 2010 010 298 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Regelbarkeit der Leistungsabgabe einer Expansionsmaschine zu verbessern, wobei weiterhin die Möglichkeit geschaffen werden soll, den Leistungsfluss im Bedarfsfall zu unterbrechen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Fluid mittels Einspritzvorrichtung der Expansionsmaschine erhitzt im flüssigen Zustand und bei hohem Druck zugeführt wird. Bei dieser allgemeinsten Verfahrensform bzw. Ausführungsform können die Expansionsmaschine und die Einspritzvorrichtung beliebig ausgebildet sein. In Folge des in der Expansionsmaschine reduzierten Drucks verdampft das zugeführte Fluid sofort und treibt die Expansionsmaschine an. Zusammenfassend wird also gemäß der Erfindung die Überführung des Fluids in den dampfförmigen Zustand in die Expansionsmaschine verlagert. Dadurch werden Nachteile, die herkömmliche Systeme aufweisen, bei denen das Fluid im dampfförmigen Zustand von dem Wärmetauscher der Expansionsmaschine zugeleitet wird, vermieden. Diese Nachteile sind beispielsweise folgende:
- – Gemäß dem bei herkömmlichen Systemen als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher weist das Fluid eine geringe Dichte und ein entsprechend hohes spezifisches Volumen auf. Demzufolge müssen die Verbindungsleitungen zur Führung des Fluids mit großem Querschnitt ausgeführt werden.
- – Bedingt durch den erforderlichen großen Querschnitt entstehen aus der Innendruckbeanspruchung hohe Umfangsspannungen in den Leitungen, die den Druck nach oben begrenzen.
- – Ein herkömmliches System verhält sich träge hinsichtlich der Regelung der abgegebenen Leistung, insbesondere kann die Leistungsabgabe nicht kurzfristig auf Null reduziert werden.
- – Da kein Energiespeicher vorhanden ist, muss die Leistungsabgabe zeitlich mit der Leistungsbereitstellung zusammenfallen, d.h., beispielsweise beim Anfahren aus dem Leerlauf mit einer geringen zur Verfügung stehenden Abgasmenge der Brennkraftmaschine kann das System zur Energierückgewinnung nur geringe mechanische Leistung abgeben.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System kann zudem insbesondere durch die Ausbildung der Leitungen mit geringerem Querschnitt der erforderliche Bauraum deutlich reduziert werden. Mit der Reduzierung der geometrischen Abmessungen kann der Druck im System bei vergleichbaren mechanischen Spannungen angehoben werden. Wie zuvor ausgeführt worden ist, verdampft das der Expansionsmaschine zugeführte Fluid sofort, dabei muss allerdings seine Temperatur so hoch sein, dass die sogenannte sensible Wärme die erforderliche Verdampfungsenthalpie bereitstellen kann. Durch dieses Verfahren und das entsprechend ausgebildete System kann die Regelbarkeit der Leistungsabgabe der Expansionsmaschine verbessert werden und darüber hinaus wird die Möglichkeit geschaffen, den Leistungsfluss im Bedarfsfall zu unterbrechen. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise das erfindungsgemäße System zur Nutzungsmachung der Abwärme einer Brennkraftmaschine angewendet. Es kann aber im Rahmen der Erfindung auch zur Nutzungsmachung anderer Abwärmequellen (beispielsweise einer industriellen Prozessabwärme oder sonstigen Abwärme, einer Solarthermie, einer Geothermie oder einer anderen Wärmequelle) angewendet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird das Fluid mittels einer als Einspritzventil ausgebildeten Einspritzvorrichtung in die Expansionsmaschine, insbesondere in einen Arbeitsraum der beispielsweise als Kolbenmaschine ausgebildeten Expansionsmaschine, eingespritzt. Dabei ist das Einspritzventil beispielsweise nach Art eines Einspritzventils für ein Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet und kann ggf. direkt aus einem solchen bestehenden System übernommen werden. Die Einspritzvorrichtung beziehungsweise das Einspritzventil kann aber grundsätzlich beliebig ausgeführt sein und auch als rein mechanisch ausgebildetes Einspritzventil ausgeführt sein. Vorzugsweise wird das Einspritzventil aber elektrisch, magnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder nach anderen Wirkprinzipien ausgebildet von einem in weiterer Ausgestaltung vorgesehenen Steuergerät angesteuert werden. Durch den Wegfall eines Einlassventils im herkömmlichen Sinne entfallen auch die damit einhergehenden, den Wirkungsgrad mindernden, Strömungs- und Reibungsverluste. Bei der Einspritzung wird die sensible Wärme zur Verdampfung des Fluids genutzt.
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Durch eine geeignete Ansteuerung des Steuergeräts können in weiterer Ausgestaltung der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer und damit die Menge des eingespritzten Fluids beliebig beeinflusst werden. Dadurch ist eine Anpassung der abgegebenen Leistung der Expansionsmaschine an den Bedarf möglich. Auch können Mehrfacheinspritzungen zur Optimierung des Prozesses, beispielsweise hinsichtlich der Verdampfung, des Drehmomentverlaufs, der Geräuschentwicklung usw. realisiert werden.
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Alternativ zu der Einspritzung des Fluids durch ein Einspritzventil kann die Einspritzung in Weiterbildung der Erfindung auch mittels einer als zumindest eine Drossel ausgebildeten Einspritzvorrichtung in die Expansionsmaschine erfolgen. Dabei wird dann das erhitzte Fluid ebenfalls im flüssigen Zustand bei hohem Druck über eine oder mehrere Drosseln vorzugsweise direkt in die Leitgeometrie einer beispielsweise als Strömungsmaschine ausgebildeten Expansionsmaschine eingespritzt. Dabei erfolgt eine Dauereinspritzung oder ein geeigneter zeitlicher Verlauf der Einspritzung ähnlich einer Pulsweitenmodulation (PWM). Auch bei einer solchen Einbringung verdampft das Fluid in Folge des geringeren Drucks sofort und wird danach über die Düsengeometrie der Strömungsmaschine beschleunigt und trifft schließlich wieder auf das Laufrad der Strömungsmaschine. Auch bei dieser Ausführungsform muss die Temperatur des Fluids so hoch sein, dass die sensible Wärme des Fluids die erforderliche Verdampfungsenthalpie bereitstellen kann.
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In weiterer Ausgestaltung kann durch eine Variation des Drosselquerschnitts bzw. ein gezieltes Ansteuern oder durch ein Abschalten einzelner Drosseln (temporäre Teilbeaufschlagung) die Leistung der Expansionsmaschine geregelt werden. Die Drossel beziehungsweise die Drosseln können mechanisch ausgeführt sein, werden vorzugsweise aber elektrisch, magnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder nach anderen Wirkprinzipien durch ein geeignetes Steuergerät angesteuert. Die Ausführung der Drosseln kann sich an bekannte Drosseln, die beispielsweise bei in Common-Rail-Einspritzsystemen verbauten Druckregelventilen anlehnen. Dabei wird lediglich die Durchströmungsrichtung durch das Druckregelventil umgekehrt. Bei der Einspritzung des Fluids durch eine oder mehrere Drosseln kann die Leistung der Expansionsmaschine geregelt werden.
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Dies kann beispielsweise durch eine Variation des Drosselquerschnitts erfolgen. Hierbei wird über einen geeigneten Aktor der Drosselquerschnitt veränderlich gestaltet. Dabei erfolgt dann die Beaufschlagung des Laufrades der Expansionsmaschine unbeeinflusst. Eine weitere Möglichkeit der Regelung der Leistung erfolgt durch eine Variation des Beaufschlagungsgrades. Hierbei wird durch Abschalten einzelner Drosseln über dem Umfang der Beaufschlagungsgrad variiert (temporäre Teilbeaufschlagung). Durch Abschalten aller Drosseln ist außerdem eine sofortige Reduzierung des abgegebenen Moments der Expansionsmaschine möglich. Eine weitere Möglichkeit der Leistungsregelung erfolgt durch eine Variation des Volumenstroms mit einer Beeinflussung des Drehmomentverlaufs. Durch gezieltes Beeinflussen des Verhältnisses zwischen Zeiten geöffneter und geschlossener Drossel kann der Volumenstrom und der Drehmomentverlauf beeinflusst werden. Durch geeignete zeitlich versetzte Ansteuerung über den Umfang der Expansionsmaschine verteilt angeordneter Drosseln können gezielt Drehmomentwelligkeiten reduziert werden.
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Um zu verhindern, dass zu kaltes, nicht verdampfungsfähiges Fluid in die Expansionsmaschine eingespritzt wird, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein Bypassventil vorgesehen, über das die Einspritzvorrichtung und somit auch die Expansionsmaschine umgehbar ist. Dieses Bypassventil überbrückt die Einspritzvorrichtung, so dass das Fluid an der Expansionsmaschine vorbei zurück in den Arbeitsfluidkreislauf insbesondere vor die Fluidpumpe geleitet wird. Ist die zur Verdampfung erforderliche Temperatur in dem Fluid erreicht, wird das Bypassventil wieder geschlossen, und das Fluid wird in die Expansionsmaschine eingespritzt. Neben der Verhinderung der Einspritzung von kaltem Fluid kann dadurch auch bei zu Verfügung stehenden heißem Fluid die Expansionsmaschine bedarfsweise abgeschaltet werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das erhitzte Fluid im flüssigen Zustand in einem zwischen dem Wärmetauscher und der Expansionsmaschine angeordneten Speicher speicherbar. Diese Speicherung kann aufgrund der gegenüber Dampf dann höheren Dichte der sensiblen Wärme in Form des erhitzten Fluids auf relativ kleinem Bauraum realisiert werden. Somit kann die Wärmeaufnahme des Fluids und die Leistungsabgabe der Expansionsmaschine in gewissen Grenzen zeitlich entkoppelt werden. Hierbei wird die Wärmeenergie in einem als Hochdruckspeicher ausgebildeten Speicher, zum Beispiel in Kombination mit einem Gaspolster oder einem federbelasteten Druckspeicher, gespeichert. Durch eine thermische Isolation des Speichers kann der Zeitraum der Speicherung verlängert werden. Dadurch ist das System zur Energierückgewinnung zum Beispiel auch als Antrieb in sogenannten Segelbetrieb oder beim Anfahren eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, nutzbar.
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Über ein in weiterer Ausgestaltung vorgesehenes Verteilerventil vor dem Speicher wird das Fluid entweder direkt in die Expansionsmaschine oder in den Speicher geleitet. Über ein hinter dem Speicher vorgesehenes Verteilerventil wird der Fluidstrom in die Expansionsmaschine entweder aus dem Wärmetauscher oder aus dem Speicher geliefert. Denkbar ist im Rahmen der Erfindung auch ein Mischbetrieb, bei dem der Speicher und die Expansionsmaschine parallel angesteuert werden. Schließlich ermöglicht der Speicher durch die reduzierte Steifigkeit hinsichtlich des Fluiddrucks die in dem System auftretenden Druckspitzen zu glätten.
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Zusammenfassend wird durch die dargestellten Ausführungsformen und Verfahren der hochdruckseitige Systemdruck soweit angehoben, dass dem Fluid im Wärmetauscher nur sensible Wärme zugeführt wird, jedoch kein Verdampfen erfolgt. Der geometrische Bauraum des Wärmetauschers und der nachfolgenden Komponenten, insbesondere der Leitungen bis zur Expansionsmaschine, insbesondere der Strömungsmaschine, wird aufgrund des geringeren spezifischen Volumens des Fluids gegenüber dem sonst üblichen Dampf deutlich reduziert. Dadurch ist eine deutliche einfachere und kostengünstige Systemintegration möglich.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein Schaltbild eines einen Fluidkreislauf aufweisenden Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine,
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2 eine als Einspritzventil ausgebildete Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Fluid eines Fluidkreislaufs im erhitzten und flüssigen Zustand bei hohem Druck in eine Expansionsmaschine eines Systems zur Energierückgewinnung,
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3 eine als Drossel ausgebildete Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Fluid im erhitzten und flüssigen Zustand bei hohem Druck in eine Expansionsmaschine und
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4 eine Detaildarstellung eines Fluidkreislaufs gemäß 1. Ausführungsformen der Erfindung
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Das in 1 schematisch dargestellte System zur Energierückgewinnung weist einen Wärmetauscher 1a auf, der von einem in einer Abgasleitung 5 geführten und den Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 2 einer Brennkraftmaschine 3 durchströmt ist. Zusätzlich oder alternativ zu dem Wärmetauscher 1a kann ein Wärmetauscher 1b vorgesehen sein, der in eine Abgasrückführleitung 4 eingesetzt ist. Über die Abgasrückführleitung 4 wird dem Abgasstrom 2 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert dem nicht dargestellten Ansaugsystem der Brennkraftmaschine 3 zugeführt.
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Der Brennkraftmaschine 3 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen unter Erzeugung von Arbeitsleistung zu heißem Abgas, das bei kontinuierlichem Betreiben der Brennkraftmaschine 3 den Abgasstrom 2 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 2 durch die Abgasleitung 5, von der auch die Abgasrückführleitung 4 abzweigt, wobei in der Abgasleitung 5 vor und/oder hinter dem Wärmetauscher 1a Abgasschalldämpfer 6 sowie Einrichtungen 7 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter eingebaut sein können, letztendlich in die Umgebung abgeführt. Die Brennkraftmaschine 3 ist beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraft betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt.
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Der Wärmetauscher 1a und der Wärmetauscher 1b sind ihrerseits Teil eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom 2 bzw. der zurückgeführten Abgasmenge, das einen Arbeitsfluidkreislauf 8 aufweist. Der Arbeitsfluidkreislauf 8 weist neben dem Wärmetauschern 1a, 1b eine Expansionsmaschine 9, einen Kondensator 10, ggf. eine Kondensatpumpe 11, einen Ausgleichs- und Vorratsbehälter 12, eine Fluidpumpe 13 und ein Verteilerventil 14 auf. Mit dem Verteilerventil 14 wird die den Wärmetauschern 1a, 1b zugeführte Menge des Fluids eingestellt. Neben dem bezeichneten Komponenten sind beispielsweise ausgangsseitig der Wärmetauscher 1a, 1b Temperatursensoren, ausgangsseitig der Expansionsmaschine 9 ein Temperatur- und ein Drucksensor und ausgangsseitig der Fluidpumpe 13 ein weiterer Drucksensor vorgesehen.
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Die Expansionsmaschine 9 weist eine Abtriebswelle 15 auf, die entweder direkt oder über ein Getriebe 16, das beispielsweise als ein Planetengetriebe ausgebildet sein kann, mit einer Arbeitsmaschine 17 verbunden ist. Die Arbeitsmaschine ist beispielsweise ein Generator oder eine Hydraulikmaschine oder aber auch eine Achsabtriebswelle eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist. Auch kann die Arbeitsmaschine 17 die Brennkraftmaschine 3 sein, wobei dann die Abtriebswelle 15 über das Getriebe 16 vorzugsweise mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Mittels der Arbeitsmaschine wird Energie erzeugt, die in beliebiger Art und Weise der Brennkraftmaschine zurückgeführt oder in sonstiger Weise genutzt wird.
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Beim Betrieb des Systems zur Energierückgewinnung wird von der Fluidpumpe 13 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid auf einen hohen Druck gebracht und den Wärmetauschern 1a, 1b zugeführt. Das Fluid wird in dem Wärmetauschern 1a, 1b erhitzt, aber nicht in den dampfförmigen Zustand überführt. Nachdem das Fluid in den Wärmetauschern 1a, 1b erhitzt worden ist, wird es in flüssigen Zustand und bei hohem Druck einer Einspritzvorrichtung 18 zugeführt, die eingangs der Expansionsmaschine 9 angeordnet ist. Mittels der Einspritzvorrichtung 18 wird das erhitzte Fluid in flüssigem Zustand und bei hohem Druck in die Expansionsmaschine 9 eingespritzt, wobei es in Folge des geringeren Drucks in der Expansionsmaschine 9 verdampft und die Expansionsmaschine 9 antreibt. Die Expansionsmaschine 9 kann als Kolbenexpander in Form beispielsweise eines Hubexpanders, eines Kreiskolbenexpanders oder eines Freikolbenexpanders ausgebildet sein oder aber eine Strömungsmaschine beispielsweise in Form einer Turbine oder eines Scroll-Expanders sein. Um den Arbeitsfluidkreislauf 8 insbesondere bei zu kaltem Fluid an der Expansionsmaschine 9 vorbei führen zu können, ist eine Bypassleitung 19 mit einem Bypassventil 20 vorgesehen, über die die Expansionsmaschine 9 mit samt der Einspritzvorrichtung 18 umgehbar ist.
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Weiterhin kann in die Verbindungsleitung 21 zwischen den Wärmetauschern 1a, 1b und der Einspritzvorrichtung 18 ein Speicher 22 eingebaut sein, der nachfolgend noch bezüglich seiner Funktion genauer erläutert wird. Das der Expansionsmaschine 9 zugeführte Fluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über die Abtriebswelle 15 abgeführt wird. Danach wird der „kalte“ Dampf im Kondensator 10 kondensiert und letztendlich wieder der Fluidpumpe 13 zugeführt.
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Die Einspritzvorrichtung 18 kann ausweislich der vereinfachten Darstellung gemäß 2 als Einspritzventil 23 nach Art eines Einspritzventils, das aus Common-Rail-Einspritzsystemen bekannt ist, ausgebildet sein. Das Einspritzventil 23 weist einen Düsennadelkörper 24 auf, in dem eine Düsennadel 25 geführt ist. Die Düsennadel 25 beherrscht in dem Düsennadelkörper 24 im Bereich einer Düsennadelspitze angeordnete Spritzöffnungen 26, durch die durch eine Zufuhrleitung 27a zugeführtes Fluid bei einer Freigabe der Spritzöffnungen 26 durch die Düsennadel 25 in die Expansionsmaschine eingespritzt wird. Die Düsennadel 25 wird in geeigneter Weise beispielsweise von einem Hubmagneten oder von einem Piezoelement in die offene oder geschlossene Stellung bewegt. Mit dem Einspritzventil 23 ist eine offene und eine geschlossene Arbeitstellung der Düsennadel 25 (offene Spritzöffnungen 26 oder geschlossene Spritzöffnungen 26) einstellbar.
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Im Unterschied dazu ist die Einspritzvorrichtung 18 gemäß 3 als eine ebenfalls vereinfacht dargestellte Drossel 28 ausgebildet. Die Drossel weist einen Drosselkörper 29 auf, in dem eine Drosselnadel 30 geführt ist. Die Drosselnadel 30 beherrscht eine Austrittsöffnung in Form eines Drosselkanals 32 aus einem Drosselraum 31, der ebenfalls mit einer Zufuhrleitung 27b verbunden ist. Je nach Stellung der Drosselnadel 30 kann der durch den Drosselkanal 32 ausströmende Fluidstrom mengenmäßig beeinflusst werden. Dabei sind beliebige Durchflussmengen von keiner Durchflussmenge bis maximale Durchflussmenge einstellbar. Hierzu ist die Drosselnadel 30 beispielsweise von einem Elektromagneten 33 betätigbar.
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Die Detailansicht gemäß 4 zeigt den Speicher 22, der über ein eingangsseitiges Verteilerventil 34a mit der Verbindungsleitung 21 hin zu den hier nicht dargestellten Wärmetauschern 1a, 1b verbunden ist. Ausgangsseitig ist der Speicher 22 mit einem Verteilerventil 34b verschaltet, das in die Verbindungsleitung 21 zu der hier ebenfalls nicht dargestellten Einspritzvorrichtung 18 eingebunden ist. Die Verteilerventile 34a, 34b sind weiterhin über eine Bypassverbindung 35 miteinander verbunden. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, das von dem Wärmetauschern 1a, 1b kommende Fluid in dem Speicher 22 einzuleiten und dort zu speichern. Das in dem Speicher 22 gespeicherte Fluid kann dann bedarfsweise der Einspritzvorrichtung 18 zugeführt werden. Alternativ ist es aber auch möglich das Fluid aus dem Wärmetauschern 1a, 1b über die Bypassverbindung 35 direkt der Einspritzvorrichtung 18 zuzuführen. Auch ist ein Mischbetrieb mit einer direkten Versorgung der Einspritzvorrichtung 18 von dem Wärmetauschern 1a, 1b und aus dem Speicher 22 möglich.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung beliebige dargestellte Komponenten beziehungsweise Verfahrensschritte miteinander und untereinander kombiniert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006043139 A1 [0002]
- DE 102010010298 A1 [0003]
