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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine, aufweisend zumindest einen in eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten Abgaswärmetauscher, der Teil eines Arbeitsmediumkreislaufs des Abwärmerückgewinnungssystems mit zumindest einer Expansionsmaschine, mit einem Kondensator und mit einer Pumpe ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine ist aus der
DE 10 2009 028 469 A1 bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem ist in eine zweistufig aufgeladene Brennkraftmaschine eingebaut und weist einen in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingesetzten Abgaswärmetauscher auf, der Bestandteil eines Arbeitsmediumkreislaufs des Abwärmerückgewinnungssystems ist. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist weiterhin eine Expansionsmaschine auf, die mit einer Arbeitsmaschine in Form eines Verdichters gekoppelt ist. Schließlich sind in den Arbeitsmediumkreislauf zumindest eine Pumpe und ein Kondensator eingeschaltet. Der mit der Expansionsmaschine gekoppelte Verdichter ist in eine Aufladeeinrichtung der Brennkraftmaschine eingeschaltet, mit der der Brennkraftmaschine verdichtete Brennluft zugeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, dass in hinsichtlich seiner Funktion verbessert ist.
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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 Abwärmerückgewinnungssystem einen Wärmespeicher aufweist. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bestehende Abwärmerückgewinnungssysteme den Nachteil haben, dass sie zwar im stationären Betrieb mit einer konstanten Abgastemperatur beziehungsweise Brennkraftmaschinentemperatur sowie konstanter Temperatur eines Kühlkreislaufs des Arbeitsmediumkreislaufs gut funktionieren, jedoch der reale Betrieb eines solchen Abwärmerückgewinnungssystems größtenteils instationär ist. Das heißt, die Abwärme der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Abgases der Brennkraftmaschine sowie der Wärmestrom in den Kühlkreislauf sind nicht konstant. Zudem ist zu beachten, dass gemäß Versuchen herausgefunden worden ist, dass erst ab einer Fahrgeschwindigkeit von ca. 70km/h eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine und das Abwärmerückgewinnungssystem eingebaut sind, genügend Abwärme zur Verfügung steht, um das Abwärmerückgewinnungssystem in Betrieb zu nehmen. Bei kurzen Fahrabschnitten, die unter dieser Geschwindigkeit liegen oder sogar bei kurzen Fahrtunterbrechungen, beispielsweise einem Halt an einer Ampel, arbeitet das Abwärmerückgewinnungssystem hinsichtlich seines Wirkungsgrades nicht optimal. Des Weiteren entsteht insbesondere in der Expansionsmaschine durch den instationären Betrieb mit gegebenenfalls einem Stillstand der Expansionsmaschine und einem Wiederanfahren der Expansionsmaschine ein Verschleiß, der die Lebensdauer der Expansionsmaschine reduziert. Diese Nachteile werden dadurch, dass das Abwärmerückgewinnungssystem einen Wärmespeicher aufweist, vermieden beziehungsweise zumindest weitgehend beseitigt. Eine Vergleichmäßigung der Wärmeströme kann prinzipiell durch beliebige zusätzliche thermische Speicher mit möglichst hoher Wärmekapazität erfolgen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher. Bei einem solchen Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial kann eine Initialisierung des Phasenwechsels durch eine äußere Einwirkung notwendig sein. Daher ist ein entsprechendes Material in eine vorhandene Komponente beispielsweise des Arbeitsmediumkreislaufs einzufügen beziehungsweise als zusätzliche Komponente dem beispielsweise Arbeitsmediumkreislauf hinzuzufügen. Der Wärmespeicher beziehungsweise der Latentwärmespeicher nimmt in Betriebszuständen, in denen viel Wärme auf vergleichsweise hohem Temperaturniveau zur Verfügung steht, die Wärme auf und erhöht damit sein eigene Energie beziehungsweise Temperatur. Wenn eine gewisse Zeit später, beispielsweise bei einer Fahrgeschwindigkeit unter 70km/h oder einem Halt an einer Ampel, die Temperatur in dem Arbeitsmediumkreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems sinkt, kann der Wärmespeicher seine gespeicherte Wärme an das Arbeitsmedium des Arbeitsmediumkreislaufs beziehungsweise des Abwärmerückgewinnungssystems abgeben. Der Wärmespeicher ist daher bevorzugt bezüglich seiner Wärmekapazität an das Fahrverhalten des entsprechenden Benutzers anzupassen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmespeicher in den Abgaswärmetauscher integriert. Dabei kann der Wärmespeicher abgasseitig oder arbeitsmedienseitig in den Abgaswärmetauscher eingesetzt beziehungsweise eingebaut sein. Ein weitere Möglichkeit sieht vor, den Wärmespeicher so in den Abgaswärmetauscher zu integrieren, dass die Energie des Abgaswärmestroms immer vollständig durch den Wärmespeicher geleitet wird, um in das Arbeitsmedium des Abwärmerückgewinnungskreislaufs zu gelangen.
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Eine weitere Variante sieht vor, dass der Wärmespeicher in die Abgasleitung eingesetzt ist. Bei einem Einbau des Wärmespeichers in die Abgasleitung ist die Funktionsweise immer dann gesichert, wenn ein Abgasstrom vorhanden ist, damit die Wärme mit erzwungener Strömung in den Abgaswärmetauscher transportiert wird. Bei einem Einbau in dem Abgaswärmetauscher auf der Abgasseite wird eine Wärmeabgabe auch bei einer Abschaltung der Brennkraftmaschine sichergestellt, jedoch erfolgt dann eine Wärmeabgabe vom Wärmespeicher sowohl in das still stehende Abgas als auch in den Arbeitsmediumkreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems. Dabei stellt die Wärmeabgabe in das Abgas einen unerwünschten Verlust dar. Bei der Integration des Wärmespeichers in dem Sinne, dass die Energie des Abgaswärmestroms immer vollständig durch den Wärmespeicher geleitet wird, ist zu beachten, dass die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials von erhöhter Bedeutung wegen der eventuell schlechteren Wärmeleitfähigkeit des gesamten Wärmetauschers ist.
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Alternativ kann der Wärmespeicher auch in den Arbeitsmediumkreislauf eingesetzt sein, wobei er dann vorteilhaft in die Verbindungsleitung zwischen dem Abgaswärmetauscher und der Expansionsmaschine eingebaut ist. Dabei kann die Verbindungsleitung auch mit einer mit dem Wärmespeicher verbundenen Stichleitung verschaltet sein. Bei dieser Ausgestaltung des Wärmespeichers als eigene Komponente kann dieser besonders gut an die erforderliche Speicherleistung angepasst werden und somit eine längerfristige Sicherstellung der Überhitzung des Arbeitsmediums gewährleistet werden.
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Eine weitere Möglichkeit der Anordnung des Wärmespeichers ist die Integration des Wärmespeichers in die Expansionsmaschine. Dabei kann der Wärmespeicher unmittelbar am Eingang oder aber auch im Mitteldruckbereich einer als zweistufige Turbine ausgebildeten Expansionsmaschine platziert sein. Die Wärmepufferung durch den Wärmetauscher direkt in dem Arbeitsmediumkreislauf hat den Vorteil, dass die Wärmespeicherung unabhängig vom Abgasmassenstrom und somit vom Betrieb der Brennkraftmaschine ist. Dabei ist die Anordnung des Wärmespeichers in dem Arbeitsmediumkreislauf die bevorzugte Variante, da bei dieser Ausgestaltung kein Wärmeverlust durch beispielsweise eine Konvektion zu dem Abgasstrom erfolgt. Bei einem Einbau des Wärmespeichers in die Expansionsmaschine entsteht ein erhöhter und Kosten verursachender konstruktiver Aufwand. Dabei kann die Expansionsmaschine selber auch als Wärmespeicher genutzt werden und demzufolge ist deren Wärmeverlust zu minimieren und die Expansionsmaschine zu isolieren.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmespeicher in einen Kühlkreislauf des Kondensators eingesetzt. Hierbei kann der Wärmespeicher vorzugsweise in den Kühlkreislauf stromaufwärts des Kondensators oder aber direkt in den Kondensator eingebaut sein. Zudem besteht auch bei dieser Anordnung die Möglichkeit, den Wärmespeicher so in den Kondensator einzusetzen, dass die Energie des Kühlmittels immer vollständig durch den Wärmespeicher geleitet wird. Bei der Anordnung des Wärmespeichers in den Kühlkreislaufs des Kondensators ist zu beachten, dass der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses sowie die Gefahr, bei der Expansionsmaschine in das Nassdampfgebiet zu expandieren, sehr sensitiv bezüglich der unteren Temperatur, also der Temperatur des Kühlkreislaufs, auch Wärmesenke genannt, ist. Daher sollte auch die Temperatur des Kühlkreislaufs möglichst konstant gehalten werden, um eine einfache Regelung und einen hohen durchschnittlichen Wirkungsgrad sicherzustellen.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung auch beliebige Kombinationen von Anordnungen des Wärmespeichers vorgesehen sind. So ist es beispielsweise denkbar, den Wärmespeicher in zwei oder mehr Teilsysteme aufzuteilen, die an verschiedenen beschriebenen Positionen platziert werden können. Dabei ist es dann auch möglich und vorgesehen, die Teilsysteme unterschiedlich beispielsweise in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Abwärmerückgewinnungssystems zu aktivieren oder gegebenenfalls auch zu deaktivieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen 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 prinzipielles Schaltschema eines Abwärmerückgewinnungssystems mit einem in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eingesetzten Wärmespeicher,
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2 ein prinzipielles Schaltschema eines Abwärmerückgewinnungssystems mit einem abgasseitig in einen Abgaswärmetauscher des Abwärmerückgewinnungssystems eingesetzten Wärmespeicher,
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3 ein prinzipielles Schaltschema eines Abwärmerückgewinnungssystems mit einem in einem Abgaswärmetauscher des Abwärmerückgewinnungssystems so eingesetzten Wärmespeicher, dass die Energie des Abgaswärmestroms immer vollständig durch den Wärmespeicher geleitet wird,
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4 ein prinzipielles Schaltschema eines Abwärmerückgewinnungssystems, bei dem ein Wärmespeicher arbeitsmedienseitig in einen Abgaswärmetauscher des Abwärmerückgewinnungssystems eingesetzt ist,
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5 ein prinzipielles Schaltschema eines Abwärmerückgewinnungssystems, bei dem ein Wärmespeicher in einen Arbeitsmediumkreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems eingesetzt ist,
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6 ein prinzipielles Schaltschema eines Abwärmerückgewinnungssystems, bei dem der Wärmespeicher in eine Expansionsmaschine des Abwärmerückgewinnungssystems integriert ist,
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7 ein prinzipielles Schaltschema eines Abwärmerückgewinnungssystems, bei dem ein Wärmespeicher in einen Kühlkreis eines Kondensators des Abwärmerückgewinnungssystems stromaufwärts eines Eintritts des Kühlkreislaufs in den Kondensator eingesetzt ist,
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8 ein prinzipielles Schaltschema ein Abwärmerückgewinnungssystem, bei dem ein Wärmespeicher in einen Kondensator des Abwärmerückgewinnungssystems eingesetzt ist und
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9 ein prinzipielles Schaltschema ein Abwärmerückgewinnungssystem, bei dem ein Wärmespeicher so in einen Kondensator des Abwärmerückgewinnungssystems eingesetzt ist, dass die Energie des Kühlkreisstroms immer vollständig durch den Wärmespeicher geleitet ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine, aufweisend zumindest einen in eine Abgasleitung 1 der Brennkraftmaschine eingeschalteten Abgaswärmetauscher 2. Der Abgaswärmetauscher 2 ist dabei bevorzugt als Überhitzer ausgebildet, in dem ein Arbeitsmedium eines Arbeitsmediumkreislaufs 3 des Abwärmerückgewinnungssystems von einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen Zustand überführt wird. Das Arbeitsmedium des Arbeitsmediumkreislaufs 3 ist beispielsweise Wasser, dem Zusätze beigefügt sein können. Nachdem das Arbeitsmedium in dem Abgaswärmetauscher 2 in die dampfförmige Phase überführt worden ist, wird es über eine Verbindungsleitung 4 in eine Expansionsmaschine 5 geleitet, in der das Arbeitsmedium unter Energieabgabe an die Expansionsmaschine 5 entspannt wird. Die Expansionsmaschine 5 kann als Kolbenmaschine oder aber auch als Turbine ausgebildet sein, die mit einer Abtriebswelle verbunden ist. Die Abtriebswelle kann beispielsweise mit einem Generator oder einer Hydraulikpumpe verbunden sein, wobei mit dem Generator elektrische Energie erzeugt wird und mit der Hydraulikpumpe ein Hydraulikfluid in einen Hydraulikspeicher gefördert wird. Die Abtriebswelle kann aber auch direkt oder über ein Getriebe mit einer Antriebswelle eines Fahrzeuges, in das die Brennkraftmaschine mit dem Abwärmerückgewinnungssystem eingebaut ist, verbunden sein. Das aus der Expansionsmaschine 5 austretende Arbeitsmedium wird einem Kondensator 6 zugeführt, in dem das Arbeitsmedium wieder vollständig in die flüssige Phase überführt wird. Um die von dem Kondensator 6 aufgenommene Abwärme des Arbeitsmediumkreislaufs effizient abzuführen, ist der Kondensator 6 mit einem Kühlkreis 9 verschaltet, der beispielsweise der Kühlkreis der Brennkraftmaschine sein kann. Austrittsseitig aus dem Kondensator 6 ist in den Arbeitsmediumkreislauf 3 eine Pumpe 7 eingeschaltet, die das Arbeitsmedium unter Druck wiederum dem Abgaswärmetauscher 2 zuführt. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise eine selbstzündende oder fremdgezündete Brennkraftmaschine, wobei in die Abgasleitung 1 vor oder hinter dem Abgaswärmetauscher 2 Einrichtungen zur Nachbehandlung des Abgases, beispielsweise in Form eines Katalysators (oder mehrerer Katalysatoren) und/oder eines Partikelfilters eingebaut sein können. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist darüberhinaus in die Abgasleitung 1 stromaufwärts des Eintritts in den Abgaswärmetauscher 2 ein Wärmespeicher 8 eingebaut. In dem Wärmespeicher 8 wird Abwärmeenergie des Abgases gespeichert und bedarfsweise, beispielsweise bei Unterschreiten einer vorgebbaren Abgastemperatur an den nachfolgenden Abgaswärmetauscher 2 abgegeben.
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Dadurch kann der Arbeitsmediumkreislauf 3 je nach Speichervolumen des Wärmespeichers 8 auch für eine gewisse Zeit, in der die von der Brennkraftmaschine abgegebene Abwärmeleistung für einen Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems nicht oder nicht vollständig ausreicht, weiterbetrieben werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Wärmespeicher 8 abgasseitig direkt in den Abgaswärmetauscher 2 eingebaut. Ansonsten entspricht der Aufbau des Systems dem System wie es unter 1 beschrieben ist.
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Im Unterschied dazu ist der Wärmespeicher 8 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 so in den Abgaswärmetauscher 2 integriert, dass die Energie des Abgaswärmestroms aus der Abgasleitung 1 immer vollständig durch den Wärmespeicher 8 geleitet wird, um in das Arbeitsmedium des Arbeitsmediumkreislaufs 3 zu gelangen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist der Wärmespeicher 8 arbeitsmedienseitig in den Abgaswärmetauscher 2 eingesetzt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der Wärmespeicher 8 in die Verbindungsleitung 4 zwischen dem Abgaswärmetauscher 2 und der Expansionsmaschine 5 direkt oder indirekt in diese eingesetzt. Diese Ausführungsform ist die bevorzugte Variante, da bei dieser Ausgestaltung unter anderem die Gestaltungsmöglichkeiten und insbesondere die Dimensionierung des Wärmespeichers 8 in vielfältigster Art und Weise auf die gegebenen Umstände angepasst werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist der Wärmespeicher 8 in die Expansionsmaschine 5 integriert. Dabei erfolgt die Platzierung unmittelbar am Eingang oder beispielsweise im Mitteldruckbereich einer als Turbine ausgebildeten Expansionsmaschine 5.
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Bei der Ausführungsform gemäß 7 ist der Wärmespeicher 8 in den Kühlkreis 9 stromaufwärts des Eintritts in den Kondensator 6 integriert, während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 der Wärmespeicher 8 in den Kondensator 6 auf der Kühlkreisseite eingesetzt ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist der Wärmespeicher 8 so in den Kondensator 6 integriert, dass die Energie des Kühlkreisstroms immer vollständig durch den Wärmespeicher 8 geleitet wird, um in das Arbeitsmedium des Arbeitsmediumkreislaufs 3 zu gelangen.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beliebige in den Figuren dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung miteinander und untereinander kombiniert werden können. Es ist auch denkbar, zwei oder mehr Wärmespeicher 8 an unterschiedlichen Stellen vorzusehen und gegebenenfalls bedarfsweise einzusetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009028469 A1 [0002]
