-
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung, wobei erfindungsgemäß ein Wärmespeicher in einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
-
Stand der Technik
-
Abwärmenutzungsanordnungen von Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
WO 2012/055555 A2 . Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Kondensator ist gleichzeitig in einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeordnet.
-
Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung verliert an Effektivität, wenn die Brennkraftmaschine und mit ihr die Abwärmenutzungsanordnung in unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben werden, die nicht in der Nähe des optimalen Betriebspunktes liegen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie bei beliebigen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine über einen längeren Zeitraum im Optimum betrieben werden kann. Dadurch wird die Effektivität der Abwärmenutzungsanordnung gesteigert.
-
Dazu umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf und einen ein Kühlmedium führenden Kühlkreislauf. In dem Arbeitskreislauf sind in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet. Der Kondensator ist gleichzeitig in dem Kühlkreislauf angeordnet, wobei in dem Kühlkreislauf ein Wärmespeicher angeordnet ist. In dem Kühlkreislauf zirkuliert das Kühlmedium, das bzw. dessen Wärme in dem Wärmespeicher gespeichert bzw. zwischengespeichert werden kann. Dadurch kann je nach Betriebsbedingungen von Brennkraftmaschine und Abwärmenutzungsanordnung Wärme des Kühlmediums im Wärmespeicher gespeichert werden, oder dem Wärmespeicher Wärme entzogen werden. Durch das Kühlmedium wird Wärmeenergie im Wärmespeicher gespeichert bzw. zwischengespeichert. Gleichzeitig kann dem Arbeitsmedium im Kondensator je nach Betriebsbedingungen mehr oder weniger Wärmeenergie entzogen werden. Die Abwärmenutzungsanordnung kann dadurch auch unabhängig von der Betriebssituation der Brennkraftmaschine länger in einem optimalen Betriebszustand betrieben werden, da die Eintrittstemperatur des Kühlmediums in den Kondensator über einen langen Zeitraum vergleichsweise stabil gehalten werden kann.
-
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Brennkraftmaschine in dem Kühlkreislauf angeordnet. Dadurch kann der ohnehin schon für die Brennkraftmaschine vorhandene Kühlkreislauf auch für die Abwärmenutzungsanordnung verwendet werden. Ein teurer separater Kühlkreislauf, der lediglich für die Abwärmenutzungsanordnung verwendet wird, entfällt somit.
-
Vorteilhafterweise ist die Brennkraftmaschine im Kühlkreislauf angeordnet. Üblicherweise ist ein Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennkraftmaschine vorhanden. Dieser Kühlkreislauf kann dann kostengünstig für die Abwärmenutzungsanordnung verwendet werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher. Dadurch kann zum einen eine große Wärmemenge in dem Wärmespeicher gespeichert werden. Zum anderen liegt die Temperatur des Kühlmediums dadurch immer im Bereich des Phasenübergangs eines im Latentwärmespeicher verwendeten Speichermediums. Dabei kann in einer Weiterbildung der Erfindung auch das Kühlmedium als Speichermedium verwendet werden.
-
Vorteilhafterweise ist in dem Latentwärmespeicher ein Phasenwechselmaterial angeordnet, das eine Phasenwechseltemperatur besitzt, die auf den Kühl- und Arbeitskreislauf abgestimmt ist und vom Arbeitsmedium und dessen Kondensationstemperatur abhängt. Dadurch kann der Latentwärmespeicher gut bei den im Kühlkreislauf üblicherweise vorhandenen Temperaturen des Kühlmediums eingesetzt werden. Vorzugsweise besitzt das Phasenwechselmaterial eine Phasenwechseltemperatur von 60°C bis 90°C.
-
Vorteilhafterweise ist der Wärmespeicher in Flussrichtung des Kühlmediums vor dem Kondensator angeordnet. Dadurch kann zum einen zeitlich schnell die im Wärmespeicher gespeicherte Wärme oder „Kälte“ dem Kondensator zugeführt werden; „Zuführung von Kälte“ bedeutet dabei, dass dem Kondensator Wärmeenergie entzogen wird. Zum anderen weist das dem Kondensator zugeführte Kühlmedium eine Temperatur auf, die gut überwacht und aufgrund der Nähe des Wärmespeichers zum Kondensator auch sehr schnell geregelt werden kann.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind der Wärmespeicher und der Kondensator in einem gemeinsamen Gehäuse innerhalb der Abwärmenutzungsanordnung angeordnet. Dadurch wird zum einen Bauraum gespart, zum anderen können aber auch gemeinsame Fluidleitungen oder Kondensationsplatten in Kondensator und Wärmespeicher verwendet werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Kühlkreislauf parallel zu dem Wärmespeicher eine Bypassleitung angeordnet. Dadurch kann das Kühlmedium dem Kondensator auch am Wärmespeicher vorbei zugeführt werden. Dies ist beispielsweise in einem Betriebspunkt der Abwärmenutzungsanordnung vorteilhaft, in dem der Kondensator zum Verflüssigen des Arbeitsmediums genauso viel Kühlleistung benötigt, wie ohnehin durch den Kühlkreislauf abgeführt werden kann. Weiterhin erhöht die Bypassleitung die Effizienz des Kühlkreislaufes für die Fälle, dass der Wärmespeicher entweder komplett gefüllt bzw. komplett geleert ist und gleichzeitig die Betriebssituation der Abwärmenutzungsanordnung oder der Brennkraftmaschine nur ein weiteres Befüllen bzw. Entleeren zuließe.
-
Vorteilhafterweise ist ein Verteilerventil im Kühlkreislauf angeordnet, wobei das Verteilerventil den Massenstrom des Kühlmediums auf den Wärmespeicher und die Bypassleitung aufteilt. Dadurch kann auf einfache Weise die Aufteilung des Massenstroms des Kühlmediums in den Wärmespeicher und in die Bypassleitung geregelt und gesteuert werden. Vorzugsweise wird das Verteilerventil durch ein Steuergerät gesteuert, wobei das Steuergerät zur Steuerung verschiedene Zustandsgrößen in der Brennkraftmaschine, im Arbeitskreislauf und im Kühlkreislauf verwendet. Beispielsweise können an unterschiedlichen Stellen die Temperaturen von Kühlmedium und Arbeitsmedium ermittelt und weiterverarbeitet werden. In Abhängigkeit dieser Zustandsgrößen wird dann das Kühlmedium durch den Wärmespeicher oder an diesem vorbei durch die Bypassleitung geleitet, oder der Massenstrom des Kühlmediums auf Wärmespeicher und Bypassleitung aufgeteilt.
-
Im Folgenden werden Verfahren zum Betreiben der Abwärmenutzungsanordnung der Brennkraftmaschine beschrieben, die den Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsanordnung optimieren bzw. eine Leistungssteigerung der Abwärmenutzungsanordnung herbeiführen:
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsanordnung mit einem ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf und einen ein Kühlmedium führenden Kühlkreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind, wobei der Kondensator gleichzeitig in dem Kühlkreislauf angeordnet ist, und wobei in dem Kühlkreislauf ein Wärmespeicher angeordnet ist, umfasst folgenden Verfahrensschritt: In Betriebssituationen, in denen der Kühlleistungsbedarf für das Arbeitsmedium im Kondensator größer ist als die über den Kühlkreislauf abführbare Wärmeleistung, wird dem Wärmespeicher Wärmeleistung zugeführt. Dadurch kann die Abwärmenutzungsanordnung über einen längeren Zeitraum ungedrosselt betrieben werden, da aus dem Arbeitskreislauf über den Kondensator zusätzliche Wärmeenergie abgeführt werden kann, die in dem Wärmespeicher zwischengespeichert wird.
-
In einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt wird in Betriebssituationen, in denen der Kühlleistungsbedarf für das Arbeitsmedium im Kondensator geringer ist als die über den Kühlkreislauf abführbare Wärmeleistung, dem Wärmespeicher Wärmeleistung entzogen. Dadurch wird der Wärmespeicher geleert, so dass in zukünftigen Betriebssituationen, in denen der Kühlleistungsbedarf für das Arbeitsmedium im Kondensator wieder größer wird, auch wieder Wärmeenergie in den Wärmespeicher eingespeist werden kann.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird in einer Startphase der Brennkraftmaschine dem Wärmespeicher Wärmeenergie zum Erwärmen des Kühlkreislaufs entzogen, sofern Wärmeenergie in dem Wärmespeicher gespeichert ist. Zum einen werden dadurch die im Kühlkreislauf angeordneten Bauteile aus einem vergleichsweise kalten Zustand erwärmt, was erwünscht ist, um die Effizienz der Brennkraftmaschine zu erhöhen und zu hohe Temperaturgradienten zwischen der Brennkraftmaschine und den im Kühlkreislauf angeordneten Bauteilen zu vermeiden. Zum anderen wird dadurch der Wärmespeicher entleert und kann damit für künftige Betriebssituationen wieder mit Wärmeenergie befüllt werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in dem Kühlkreislauf eine Bypassleitung parallel zu dem Wärmespeicher und ein Verteilerventil angeordnet. Das Verteilerventil teilt den Massenstrom eines im Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmediums auf den Wärmespeicher und die Bypassleitung auf. In Betriebssituationen, in denen der Kühlleistungsbedarf für das Arbeitsmedium im Kondensator größer ist als die über den Kühlkreislauf abführbare Wärmeleistung, wird das Verteilerventil so angesteuert, dass dem Wärmespeicher Wärmeleistung zugeführt wird. Das Verteilerventil steuert somit die Befüllung des Wärmespeichers in Betriebssituationen in denen andernfalls die Abwärmenutzungsanordnung gedrosselt werden müsste. Die Abwärmenutzungsanordnung kann dadurch länger in einem optimalen Betriebszustand betrieben werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird in Betriebssituationen, in denen der Kühlleistungsbedarf für das Arbeitsmedium im Kondensator geringer ist als die über den Kühlkreislauf abführbare Wärmeleistung, das Verteilerventil so angesteuert, dass das Kühlmedium durch die Bypassleitung geführt wird. Wenn der Kühlkreislauf genügend Wärmeleistung abführen kann, dann muss keine Wärmeenergie im Wärmespeicher zwischengespeichert werden, und das Kühlmedium kann am Wärmespeicher vorbeigeführt werden. Ist jedoch gleichzeitig noch Wärmeenergie im Wärmespeicher vorhanden, so kann dennoch zumindest ein Teil des Kühlmediums auch durch den Wärmespeicher geleitet werden, um die gespeicherte Wärmeenergie aus diesem abzuführen. Durch das Entleeren des Wärmespeichers steht dann wieder mehr Kapazität für künftige Betriebssituationen zur Verfügung, in welchen der Wärmespeicher befüllt werden muss.
-
Zeichnung
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine.
-
Beschreibung
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50 mit einem ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf 2 und einen ein Kühlmedium führenden Kühlkreislauf 20. Die Brennkraftmaschine 50 ist ebenfalls in dem Kühlkreislauf 20 angeordnet.
-
Der Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft 51, die auch rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine 50 enthalten kann, zugeführt. Auslassseitig weist die Brennkraftmaschine 50 einen Abgastrakt 53 auf, durch den Abgas 52 aus der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird.
-
Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Sammelbehälter 7, eine Speisepumpe 6, einen Verdampfer 10, eine Expansionsmaschine 3 und einen Kondensator 4. Der Verdampfer 10 ist gleichzeitig im Abgastrakt 53 angeordnet, so dass die Wärmeenergie des Abgases aus dem Abgastrakt 53 an den Arbeitskreislauf 2 überführt werden kann.
-
Der Kühlkreislauf 20 umfasst in Flussrichtung des Kühlmediums eine Kühlmittelpumpe 21, die Brennkraftmaschine 50, ein Verteilerventil 32, eine Parallelschaltung eines Wärmespeichers 30 und einer Bypassleitung 31, den Kondensator 4 und einen Kühler 35 mit einem Lüfterrad 36. In alternativen Ausführungsformen kann die Parallelschaltung von Wärmespeicher 30 und Bypassleitung 31 auch an anderen Positionen im Kühlkreislauf 20 angeordnet sein, beispielsweise zwischen Kühler 35 und Kühlmittelpumpe 21 oder zwischen Kühlmittelpumpe 21 und Brennkraftmaschine 50. Der übliche Kühlkreislauf 20 der Brennkraftmaschine 50 ist damit erfindungsgemäß um das Verteilerventil 32, den Wärmespeicher 30 und die Bypassleitung 31 erweitert.
-
Der Kondensator 4 ist sowohl im Arbeitskreislauf 2 als auch im Kühlkreislauf 20 angeordnet; das heißt der Kondensator 4 speist Wärmeenergie in den Kühlkreislauf 20 ein.
-
Die Funktionsweise der Abwärmenutzungsanordnung 1 ist wie folgt:
Die Speisepumpe 6 verdichtet flüssiges Arbeitsmedium und fördert es aus dem Sammelbehälter 7 in den Verdampfer 10. In dem Verdampfer 10 wird das Arbeitsmedium idealerweise isobar verdampft und anschließend der Expansionsmaschine 3 zugeführt. In der Expansionsmaschine 3 wird das gasförmige Arbeitsmedium entspannt und erzeugt dadurch eine mechanische Leistung, welche zum Beispiel in Form eines Drehmoments einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 50 oder einem Generator zugeführt werden kann. Das Arbeitsmedium wird anschließend im Kondensator 4 wieder verflüssigt und danach dem Sammelbehälter 7 zugeführt.
-
Um das Arbeitsmedium im Kondensator 4 verflüssigen zu können, wird ihm dort Wärmeenergie entzogen. Daher ist der Kondensator 4 gleichzeitig im Kühlkreislauf 20 der Brennkraftmaschine 50 angeordnet, wobei hierfür auch ein anderer beliebiger Kühlkreislauf verwendbar wäre.
-
Im Kühlkreislauf 20 wird das Kühlmedium von der Kühlmittelpumpe 21 der Brennkraftmaschine 50 zugeführt und von dort zum Kondensator 4 und anschließend zum Kühler 35 weitergeleitet. Vom Kühler 35 gelangt das Kühlmedium wieder zur Kühlmittelpumpe 21. Durch das Kühlmedium werden sowohl die Brennkraftmaschine 50 als auch das Arbeitsmedium im Kondensator 4 gekühlt.
-
Erfindungsgemäß ist im Kühlkreislauf 20 der Wärmespeicher 30 angeordnet, vorzugsweise in Flussrichtung des Kühlmediums vor dem Kondensator 4. Der Wärmespeicher 30 speichert Kühlmedium auf einem Temperaturniveau, das üblicherweise unterhalb der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums liegt. Dadurch kann Wärmeenergie in dem Wärmespeicher 30 zwischengespeichert werden, die in manchen Betriebssituationen nicht über den Kühler 35 aus dem Kühlkreislauf 20 abführbar ist. Zusätzlich wird auch sichergestellt, dass für die Verflüssigung des Arbeitsmediums im Kondensator 4 immer eine hinreichende Menge an vergleichsweise kühlem Kühlmedium zur Verfügung steht. Der Kühlkreislauf 20 wird somit nicht durch den zusätzlichen Wärmeeintrag aus dem Kondensator 4 überlastet.
-
Prinzipiell ist für die Erfindung auch ein separater Kühlkreislauf 20 verwendbar, in dem die Brennkraftmaschine 50 nicht angeordnet ist, wie in 2 dargestellt. Dies hätte den Vorteil einer einfacheren Steuerung des Kühlkreislaufs 20, wäre aber auch mit mehr Kosten verbunden.
-
Die erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Abwärmenutzungsanordnung 1 sehen folgende Regelungs- bzw. Steuerungsalgorithmen vor:
- – In Betriebssituationen, in denen der Kühlleistungsbedarf für das Arbeitsmedium im Kondensator 4 größer ist als die über den Kühlkreislauf 20, das heißt über den Kühler 35, abführbare Wärmeleistung, wird dem Wärmespeicher 30 Wärmeleistung zugeführt.
- – In Betriebssituationen, in denen der Kühlleistungsbedarf für das Arbeitsmedium im Kondensator 4 geringer ist als die über den Kühlkreislauf 20 bzw. den Kühler 35 abführbare Wärmeleistung, wird dem Wärmespeicher 30 Wärmeleistung entzogen und/oder zumindest ein Teilmassestrom des Kühlmediums durch die Bypassleitung 31 an dem Wärmespeicher 30 vorbeigeleitet.
- – In einer Startphase der Brennkraftmaschine 50 wird dem Wärmespeicher 30 Wärmeenergie zum Erwärmen des Kühlkreislaufs 20 entzogen, sofern Wärmeenergie in dem Wärmespeicher 30 gespeichert ist.
-
Für sämtliche Entleer- bzw. Befüllvorgänge des Wärmespeichers 30 und für die Umgehung des Wärmespeichers 30 über die Bypassleitung 31 wird dabei das Verteilerventil 32 entsprechend angesteuert. In alternativen Ausführungsformen sind jedoch auch andere Ventilanordnungen verwendbar, die ein gesteuertes Entleeren und Befüllen des Wärmespeichers ermöglichen, beispielsweise zwei einfache 2/2-Wege-Ventile, wobei jeweils eines vor dem Wärmespeicher 30 und in der Bypassleitung 31 angeordnet ist. In einer kostengünstigen Ausführung kann auch auf das Verteilerventil 32 und die Bypassleitung 31 verzichtet werden, so dass das Kühlmedium immer durch den Wärmespeicher 30 geleitet wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
