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Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Abwärmenutzungsanordnungen von Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
JP 11-093689A . Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Hauptkreislauf, wobei in dem Hauptkreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnet, so dass die Wärmeenergie des Abgases das Arbeitsmedium in dem Verdampfer verdampft.
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Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung weist weiterhin ein Filterelement in dem Hauptkreislauf auf, so dass das Arbeitsmedium kontinuierlich gefiltert wird. Das Filterelement hat demzufolge einen kontinuierlichen Druckverlust im Hauptkreislauf zur Folge. Dadurch verringert sich der Wirkungsgrad der gesamten Abwärmenutzungsanordnung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Filterelement vorteilhaft außerhalb des Hauptkreislaufs in einer Nebenleitung angeordnet ist. Dadurch kommt es zu keinem Druckabfall im Hauptkreislauf aufgrund des Filterelements. Die Abwärmenutzungsanordnung ist dadurch effizienter.
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Dazu weist die Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine einen ein Arbeitsmedium führenden Hauptkreislauf auf, wobei in dem Hauptkreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnet. Die Abwärmenutzungsanordnung weist weiterhin eine mit dem Hauptkreislauf verbindbare Nebenleitung auf. Erfindungsgemäß ist in der Nebenleitung ein Filterelement angeordnet.
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Durch die Anordnung des Filterelements in der Nebenleitung kommt es in der Hauptleitung zu keinem Druckverlust. Die Nebenleitung wird im Durchschnitt mit einem geringeren Massenstrom des Arbeitsmediums bzw. weniger häufig durchströmt als der Hauptkreislauf. Insgesamt wird somit die Effizienz der Abwärmenutzungsanordnung gesteigert. Dabei wird die Nebenleitung immer noch mit einem für die Filterfunktion ausreichenden Massenstrom durchströmt. Dies kann beispielsweise auch nur am Beginn oder nur am Ende des Betriebs der Brennkraftmaschine stattfinden.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist ein Tank für das Arbeitsmedium über die Nebenleitung mit dem Hauptkreislauf verbindbar. Vorzugsweise durchströmt das Arbeitsmedium die Nebenleitung nur beim Hochfahren der Brennkraftmaschine. Dadurch kommt es lediglich zu Beginn des Betriebs der Abwärmenutzungsanordnung zu einem Druckverlust am Filterelement. Die Filterwirkung des Filterelements ist dennoch ausreichend, da die Abwärmenutzungsanordnung ausreichend zur Umgebung abgedichtet ist, also lediglich vergleichsweise geringen Verunreinigungen ausgesetzt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Nebenleitung eine Parallelschaltung aus einer Zuführleitung von dem Tank zu dem Hauptkreislauf und einer Rückführleitung aus dem Hauptkreislauf zu dem Tank auf. Dadurch können die Massenströme zu dem Hauptkreislauf und zurück in den Tank durch zwei unterschiedliche Ventilanordnungen auf einfache Art und Weise gesteuert werden.
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Vorteilhafterweise ist das Filterelement in der Rückführleitung angeordnet. Dadurch wird das Arbeitsmedium vorwiegend zu Beginn des Betriebs der Brennkraftmaschine, also beim Systemhochlauf der Abwärmenutzungsanordnung gereinigt. Dadurch werden eventuelle Verunreinigungen im Hauptkreislauf am Betriebsanfang ausgefiltert. Beim Hochfahren der Brennkraftmaschine bzw. der Abwärmenutzungsanordnung wird der Dampfanteil des Arbeitsmediums im Hauptkreislauf erhöht, was eine Volumenerhöhung des Arbeitsmediums zur Folge hat; somit wird die Nebenleitung bzw. die Rückführleitung beim Hochfahren mit Arbeitsmedium durchströmt.
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Alternativ ist das Filterelement in der Zuführleitung angeordnet. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn im Tank Verunreinigungen vorliegen, um den Hauptkreislauf vor diesen Verunreinigungen zu schützen.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Rückführleitung eine Ventilanordnung angeordnet, die ein Durchströmen der Rückführleitung von dem Tank zu dem Hauptkreislauf sperrt. Vorzugsweise ist das Filterelement dabei in der Rückführleitung angeordnet. So ist sichergestellt, dass das Filterelement nur in einer Richtung durchströmt wird.
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Vorteilhafterweise sind das Filterelement und die Ventilanordnung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dadurch ist das Filterelement kostengünstig und bauraumsparend ausgeführt.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführung ist die Nebenleitung parallel zu dem Verdampfer geschaltet und ein weiterer Verdampfer in der Nebenleitung angeordnet. Vorzugsweise ist der weitere Verdampfer durchschnittlich von weniger Arbeitsmedium durchströmt als der Verdampfer. Dadurch ist auch das Filterelement von vergleichsweise wenig Arbeitsmedium durchströmt. Diese geringe Durchströmung genügt dennoch, um eine ausreichende Filterwirkung zu erzielen.
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Vorteilhafterweise weist der Abgaskanal einen Rückführkanal für das Abgas zur Brennkraftmaschine auf, und der weitere Verdampfer ist in dem Rückführkanal angeordnet. Der Rückführkanal ist ein Teilkanal des Abgaskanals. Dadurch wird die Effizienz der gesamten Abwärmenutzungsanordnung weiter gesteigert.
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In vorteilhaften Ausführungen steuert ein Verteilerventil die Massenströme zu dem Verdampfer und zu dem weiteren Verdampfer. Dadurch können zum einen die Abgaswärmeenergien in den beiden Verdampfern bestmöglich in den Hauptkreislauf eingebracht werden; zum anderen kann das Verteilerventil aber auch gezielt so angesteuert werden, dass der Massenstrom des Arbeitsmediums durch den weiteren Verdampfer – und damit auch durch das Filterelement – geleitet wird, um einen Reinigungszyklus zu fahren.
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Vorteilhafterweise sind das Filterelement und das Verteilerventil in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dadurch ist das Filterelement kostengünstig und bauraumsparend ausgeführt.
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In einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausführung ist in dem Hauptkreislauf ein Hauptregelventil angeordnet und die Nebenleitung parallel zu dem Hauptregelventil angeordnet. Vorzugsweise regelt das Hauptregelventil den Massenstrom des Arbeitsmediums nach der Speisepumpe. Bei Reinigungsbedarf kann somit die Nebenleitung angesteuert und das Arbeitsmedium gefiltert werden.
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In vorteilhaften Ausführungen ist die Parallelschaltung aus dem Hauptregelventil und der Nebenleitung zwischen der Speisepumpe und dem Verdampfer bzw. zwischen der Speisepumpe und der Parallelschaltung aus mehreren Verdampfern angeordnet. In Abhängigkeit der in den Verdampfern zur Verfügung stehenden Abgaswärmemengen kann der Massenstrom durch das Hauptregelventil damit sehr effizient eingestellt werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Nebenleitung stromaufwärts des Filterelements ein Rückschlagventil angeordnet, wobei das Rückschlagventil einen Massenstrom entgegen der Flussrichtung des Arbeitsmediums sperrt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Filterelement nur in einer Richtung durchströmt werden kann. Vorzugsweise wird das Filterelement in einer Richtung von der Speisepumpe zu dem Verdampfer durchströmt.
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Vorteilhafterweise sind das Filterelement und das Rückschlagventil in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dadurch ist das Filterelement kostengünstig und bauraumsparend ausgeführt.
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In vorteilhaften Ausführungen ist das Filterelement als Inline-Filter ausgeführt. Dadurch kann das Filterelement an beliebiger Stelle sehr einfach in dem Leitungssystem der Abwärmenutzungsanordnung angeordnet werden. Vorzugsweise wird der Inline-Filter dabei in die Leitung eingeschraubt bzw. mit zwei Teilleitungsstücken verschraubt.
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Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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2 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung.
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3 zeigt den Ausschnitt III der 2 in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50 mit einem ein Arbeitsmedium führenden Hauptkreislauf 2 und eine mit dem Hauptkreislauf verbindbare Nebenleitung 20.
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Der Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft, die auch rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine 50 enthalten kann, zugeführt. Auslassseitig weist die Brennkraftmaschine 50 einen Abgaskanal 53 auf, durch den Abgas aus der Brennkraftmaschine 50 ausgestoßen wird.
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Der Hauptkreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe 6, einen Verdampfer 10, eine Expansionsmaschine 3 und einen Kondensator 4. Der Verdampfer 10 ist gleichzeitig im Abgaskanal 53 angeordnet, so dass die Wärmeenergie des Abgases aus dem Abgaskanal 53 in den Hauptkreislauf 2 überführt werden kann.
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Die Abwärmenutzungsanordnung 1 weist weiterhin eine Nebenleitung 20 auf, die mit einem Tank 7 für das Arbeitsmedium verbunden ist. Die Nebenleitung 20 mündet an einem Verbindungspunkt 31, welcher zwischen dem Kondensator 4 und der Speisepumpe 6 angeordnet ist, in den Hauptkreislauf 2. Die Nebenleitung 20 weist eine Parallelschaltung aus einer Zuführleitung 21 und einer Rückführleitung 22 auf. Die Zuführleitung 21 weist eine erste Ventilanordnung 23 und die Rückführleitung 22 eine zweite Ventilanordnung 24 auf. Die beiden Ventilanordnungen 23, 24 sind so ausgeführt, dass Arbeitsmedium in einer Zuströmrichtung 26 vom Tank 7 über die Zuführleitung 21 in den Hauptkreislauf 2 eingespeist wird und in einer Rückströmrichtung 25 aus dem Hauptkreislauf 2 über die Rückführleitung 22 in den Tank 7 zurückgeführt wird. Die beiden Ventilanordnungen 23, 24 umfassen dabei vorzugsweise jeweils ein Rückschlagventil und ein Regelventil, ersatzweise eine Drossel. Das Rückschlagventil sperrt jeweils eine Strömungsrichtung, und das Regelventil regelt den Massenstrom in der entgegengesetzten Strömungsrichtung.
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Erfindungsgemäß ist ein Filterelement 5 in der Rückführleitung 22 angeordnet. Dadurch wird das Arbeitsmedium lediglich bei der Rückführung in den Tank 7 gefiltert, also hauptsächlich zu Beginn der Betriebszyklen der Abwärmenutzungsanordnung 1 bzw. der Brennkraftmaschine 50, wenn sich der Dampfanteil des Arbeitsmediums im Hauptkreislauf 2 erhöht. Es kommt so zu keinen Strömungsverlusten aufgrund von Filteranordnungen im Hauptkreislauf 2. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Filterelement 5 zwischen dem Rückschlagventil und dem Regelventil bzw. der Drossel der zweiten Ventilanordnung 24 in der Rückführleitung 22 angeordnet. In anderen Ausführungen kann das Filterelement 5 jedoch auch in Rückströmrichtung 25 vor oder nach der zweiten Ventilanordnung 24 innerhalb der Rückführleitung 22 angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist das Filterelement 5 dabei in einem Gehäuse 61 mit der zweiten Ventilanordnung 24 verbaut. In weiteren Ausführungen kann das Filterelement 5 auch innerhalb der Zuführleitung 21 positioniert sein.
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2 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung 1. Es soll in der nachfolgenden Beschreibung allerdings nur auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen werden.
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In der Ausführung der 2 weist der Hauptkreislauf 2 den Verdampfer 10 und einen weiteren Verdampfer 11 auf, die in Parallelschaltung angeordnet sind. Ein Verteilerventil 8 regelt dabei die Massenströme des von der Speisepumpe 6 zugeführten Arbeitsmediums zu den beiden Verdampfern 10, 11, wobei der Verdampfer 10 in einer ersten Zweigleitung 2a und der weitere Verdampfer 11 in einer zweiten Zweigleitung 2b angeordnet sind. Vor der Expansionsmaschine 3 vereinigen sich beide Massenströme wieder. In extremen Betriebssituationen kann dabei der Massenstrom des Arbeitsmediums vom Verteilerventil 8 so geregelt werden, dass die Zufuhr in eine der Zweigleitungen 2a, 2b unterbunden wird, oder sogar die Zufuhr in beide Zweigleitungen 2a, 2b.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 weist der Abgaskanal 53 der Brennkraftmaschine 50 einen Endkanal 51 und einen Rückführkanal 52 auf. Der Endkanal 51 führt das von der Brennkraftmaschine 50 ausgestoßene Abgas der Atmosphäre zu, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von nicht dargestellten Nachbehandlungssystemen. Der Rückführkanal 52 führt einen Teil des ausgestoßenen Abgases wieder der Brennkraftmaschine 50 zu. Der Rückführkanal 52 vereinigt sich dabei mit einem Frischluftkanal 54, so dass der Brennkraftmaschine 50 ein Gemisch aus Luft und Abgas zugeführt wird. Die Aufspaltung des Abgasmassenstroms zum Endkanal 51 und zum Rückführkanal 52 wird dabei von einem nicht dargestellten Ventil gesteuert.
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Der Verdampfer 10 ist im Endkanal 51 angeordnet und der weitere Verdampfer 11 im Rückführkanal 52. Üblicherweise strömt durch den Endkanal 51 mehr Abgas als durch den Rückführkanal 52, so dass im Verdampfer 10 mehr Arbeitsmedium verdampft werden kann als im weiteren Verdampfer 11. Daher regelt das Verteilerventil 8 den Massenstrom des Arbeitsmediums in den meisten Fällen so, dass mehr Arbeitsmedium durch die erste Zweigleitung 2a als durch die zweite Zweigleitung 2b geleitet wird. Der durchschnittliche Massenstrom durch die zweite Zweigleitung 2b ist damit geringer, in vielen Applikationen sogar deutlich geringer, als der durchschnittliche Massenstrom durch die erste Zweigleitung 2a. Daher ist in dieser Ausführungsform das Filterelement 5 erfindungsgemäß in der weniger durchströmten zweiten Zweigleitung 2b angeordnet, um die Strömungsverluste beim Durchströmen des Filterelements 5 zu verringern. Die weniger durchströmte zweite Zweigleitung 2b kann dementsprechend in dieser Ausführung auch als Nebenleitung bezeichnet werden.
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In vorteilhaften Ausführungen kann das Filterelement 5 beispielsweise als Inline-Filter in die zweite Zweigleitung 2b eingeschraubt werden. Oder das Filterelement 5 kann auch in einem Gehäuse 62 gemeinsam mit dem Verteilerventil 8 angeordnet sein.
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3 zeigt den Ausschnitt III der 2 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Anstelle des Verteilerventils 8 im Ausführungsbeispiel der 2 sind in dieser Ausführung ein erstes Regelventil 8a und ein zweites Regelventil 8b angeordnet. Das erste Regelventil 8a regelt den Massenstrom des Arbeitsmediums in die erste Zweigleitung 2a zu dem Verdampfer 10. Das zweite Regelventil 8b regelt den Massenstrom des Arbeitsmediums in die zweite Zweigleitung 2b bzw. in die Nebenleitung 20 zu dem weiteren Verdampfer 11. Das Filterelement 5 ist dabei in der Nebenleitung 20 stromabwärts zum zweiten Regelventil 8b angeordnet.
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In vorteilhaften Ausführungen sind das Filterelement 5 und die beiden Regelventile 8a, 8b in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. In weiteren vorteilhaften Ausführungen sind die Speisepumpe 6, das Filterelement 5 und die beiden Regelventile 8a, 8b in einem gemeinsamen Gehäuse 63 angeordnet.
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4 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung 1. Die Abwärmenutzungsanordnung 1 der 4 ist ähnlich dem Ausführungsbeispiel der 3 aufgebaut. Daher soll im Folgenden lediglich auf die Unterschiede dieser beiden Ausführungsformen eingegangen werden.
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Auch in dieser Ausführung umfasst der Hauptkreislauf 2 eine Parallelschaltung von zwei Verdampfern 10, 11, also mit der ersten Zweigleitung 2a und der zweiten Zweigleitung 2b. Das erste Regelventil 8a regelt den Massenstrom des Arbeitsmediums in die erste Zweigleitung 2a zu dem Verdampfer 10. Das zweite Regelventil 8b regelt den Massenstrom des Arbeitsmediums in die zweite Zweigleitung 2b zu dem weiteren Verdampfer 11. Stromaufwärts dieser beiden Regelventile 8a, 8b ist ein Hauptregelventil 9 angeordnet, dass den Gesamtmassenstrom des Arbeitsmediums von der Parallelschaltung der beiden Zweigleitungen 2a, 2b regelt.
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Erfindungsgemäß ist parallel zu dem Hauptregelventil 9 eine Bypassleitung bzw. eine Nebenleitung 30 angeordnet, in welcher wiederum das Filterelement 5 angeordnet ist. In der Nebenleitung 30 ist weiterhin stromaufwärts des Filterelements 5 ein Rückschlagventil 29 angeordnet, dass lediglich einen Strom des Arbeitsmediums von der Speisepumpe 6 zu den beiden Verdampfern 10, 11 gestattet, aber nicht in entgegengesetzter Richtung. Das Hauptregelventil 9 kann in dieser Ausführung den Arbeitsmediumstrom durch die Nebenleitung 30 und damit auch durch das Filterelement 5 steuern.
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Zwischen dem Hauptregelventil 9 und der Parallelschaltung der beiden Zweigleitungen 2a, 2b ist vorteilhafterweise ein Drucksensor 60 angeordnet. Durch die Messung des Drucks im Hauptkreislauf 2 an dieser Stelle kann der Beladungszustand des Filterelements 5 gerpüft werden: der Druck wird einmal gemessen, wenn die Nebenleitung 30 zugeschaltet ist, und einmal, wenn die Nebenleitung 30 für das Arbeitsmedium gesperrt ist. Der Beladungszustand wird anschließend anhand des Druckunterschieds aus beiden Messungen ermittelt.
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In vorteilhaften Ausführungen sind das Hauptregelventil 9, das Filterelement 5, das Rückschlagventil 29 und optional der Drucksensor 60 in einem gemeinsamen Gehäuse 64 angeordnet.
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In alternativen Ausführungsformen ist anstelle der beiden Regelventile 8a, 8b ein Verteilerventil angeordnet, welches die Massenströme in die beiden Zweigleitungen 2a, 2b steuert.
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Die Funktionsweise der Abwärmenutzungsanordnung 1 ist wie folgt:
Die Speisepumpe 6 fördert flüssiges Arbeitsmedium aus dem Tank 7 in den Verdampfer 10 und gegebenenfalls in den weiteren Verdampfer 11. In dem Verdampfer 10 bzw. in den beiden Verdampfern 10, 11 wird das Arbeitsmedium 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. Anschließend wird das flüssige Arbeitsmedium wieder der Speisepumpe 6 oder auch dem Tank 7 (beispielsweise beim Abstellen der Brennkraftmaschine 50) zugeführt.
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Erfindungsgemäß ist nun das Filterelement 5 außerhalb des Hauptkreislaufs 2 in einer Nebenleitung 2b, 20, 30 angeordnet, und zwar derart, dass es ausreichend stark für eine genügende Filterwirkung durchströmt wird, jedoch auch nicht zu stark, um keinen ständigen bzw. zu großen Druckabfall am Filterelement 5 zu erhalten. Die Filterung des Arbeitsmediums der Abwärmenutzungsanordnung 1 ist damit sehr effizient gestaltet.
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Besonders günstige Positionen für die Anordnung des Filterelements 5 in der Abwärmenutzungsanordnung 1 außerhalb des Hauptkreislaufs 2 sind:
- – Die Zuführleitung 21 vom Tank 7 in den Hauptkreislauf 2 bzw. die Rückführleitung 22 aus dem Hauptkreislauf 2 in den Tank 7.
- – In der zum Verdampfer 10 parallel geschalteten zweiten Zweigleitung 2b mit einem weiteren Verdampfer 11. Der weitere Verdampfer 11 ist dabei weniger von Arbeitsmedium durchströmt als der Verdampfer 10.
- – In der zum Hauptregelventil 9 parallel geschalteten Bypassleitung bzw. Nebenleitung 30.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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