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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem mit einem Arbeitsfluidkreislauf, aufweisend einen in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eingeschalteten ersten Wärmetauscher und einen in eine Leitung eingesetzten zweiten Wärmetauscher, die Teil des Arbeitsfluidkreislaufs mit zumindest einer Expansionsmaschine, einem Kondensator und einer Fluidpumpe sind.
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Stand der Technik
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Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der
DE 10 2013 211 875 A1 bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf mit zwei Wärmetauschern auf, wobei ein erster Wärmetauscher in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine und ein zweiter Wärmetauscher in eine Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine eingeschaltet ist. Der Arbeitsfluidkreislauf weist weiterhin eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Fluidpumpe auf, wobei der Arbeitsfluidkreislauf stromabwärts der Fluidpumpe in zwei Fluidzweige aufgeteilt wird, die jeweils zu dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher führen. In die Fluidzweige ist eingangs ein Verteilerventil eingesetzt, das die den Wärmetauschern zugeführte Menge des Arbeitsfluids einstellt.
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Aus der weiterhin bekannten
DE 10 2014 212 920 A1 ist eine doppelhubige Flügelzellenpumpe bekannt, die beispielsweise als Vorförderpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Die Flügelzellenpumpe weist einen Stator mit einem darin drehbeweglich angeordneten Rotor auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem bereitzustellen, dass insbesondere hinsichtlich einer Effizienz des Systems verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass jedem der beiden Wärmetauschern eine Fluidpumpe zugeordnet ist. Dabei wird der Arbeitsfluidkreislauf ausgangsseitig der beiden Fluidpumpen in zwei Arbeitsfluidzweige aufgeteilt, wobei in den ersten Arbeitsfluidzweig der erste Wärmetauscher und in den zweiten Arbeitsfluidzweig der zweite Wärmetauscher eingeschaltet sind. Ausgangsseitig der beiden Wärmetauscher werden die Arbeitsfluidzweige wieder zu dem Arbeitsfluidkreislauf vereint. Durch diese Ausgestaltung können bei einem herkömmlichen Abwärmerückgewinnungssystems vorhandene Ventile, die eine Mengenaufteilung der den beiden Wärmetauschern zuzuführenden Arbeitsfluid einstellen, entbehrt werden. Dadurch kann ein Druckabfall in dem Arbeitsfluid, der mit einem Ventil einhergeht und energetisch ungewollt ist, vermieden werden. Dadurch ist eine Verbesserung des Abwärmerückgewinnungssystems insbesondere hinsichtlich von dessen Effizienz erreicht. Außerdem sind Ventile hinsichtlich ihrer Einstellung toleranzbehaftet. Durch den Entfall der Ventile werden diese Einstellungstoleranzen ebenfalls vermieden.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Fluidpumpen in einer Doppelpumpe vereinigt. Wenn auch die beiden Fluidpumpen grundsätzlich als Einzelpumpen ausgebildet sein können, ist die bevorzugte Ausgestaltung in Form einer Doppelpumpe dargestellt. Eine solche Doppelpumpe benötigt nur einen Antrieb und ein Pumpengehäuse, so dass der Bauaufwand gegenüber einer Einzelpumpe – wenn überhaupt – nur geringfügig erhöht ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Doppelpumpe eine doppelhubige Flügelzellenpumpe. Eine doppelhubige Flügelzellenpumpe ist grundsätzlich beispielsweise als Hydraulikpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem oder auch für ein Getriebe bekannt. Dabei ist der Bauaufwand einer solchen doppelhubigen Flügelzellenpumpe gegenüber einer einhubigen Flügelzellenpumpe nur unbedeutend höher, so dass die Kosten für eine solche doppelhubige Flügelzellenpumpe im Vergleich zu einer einhubigen Flügelzellenpumpe in Bezug auf die eingesparten Ventile neutral sind bzw. ggf. sogar ein Kostenvorteil erreicht wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist je ein erster Verdrängungsraum der doppelhubigen Flügelzellenpumpe über eine erste Zuleitung mit dem ersten Wärmetauscher und ein zweiter Verdrängungsraum der Flügelzellenpumpe über eine zweite Zuleitung mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden. Die beiden Zuleitungen bilden dabei die erwähnten Arbeitsfluidzweige. Durch diese Ausgestaltung ist der Bauaufwand zur Realisierung eines derartigen erfindungsgemäßen Abwärmerückgewinnungssystems gering.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Flügelzellenpumpe bezüglich einer Fördermengenaufteilung in den ersten Verdrängerraum und in den zweiten Verdrängerraum bei konstanter oder einstellbarer Gesamtfördermenge betreibbar. Dabei erfolgt eine Fördermengenaufteilung in den ersten Verdrängerraum und den zweiten Verdrängerraum zwischen 0 und 100% und umgekehrt zwischen 100% und 0% bzw. umgekehrt. Die Gesamtfördermenge kann durch eine Drehzahleinstellung beispielsweise durch einen elektrischen Antrieb vorgegeben werden. Die variable Fördermengenaufteilung kann damit ohne einen nennenswerten Verlust dargestellt werden. Auch dies führt zu einer Steigerung der Effizienz des Systems.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die doppelhubige Flügelzellenpumpe einen in Bezug zu einem Motor radial verschiebbaren Stator auf. Die so ausgebildete Flügelzellenpumpe kann bezüglich der gewünschten Fördermengenaufteilung problemlos eingestellt werden.
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In weiterer ist eine Spindelverstellung mit einer Spindel zur Verschiebung des Stators vorgesehen. Dies stellt die bevorzugte Ausführung zur Verstellung des Stators dar, wobei aber auch andere Verstelleinrichtungen denkbar sind.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein Schrittmotor zur Betätigung der Spindel vorgesehen. Ein solcher Schrittmotor zeichnet sich durch eine hohe Verstellgenauigkeit bei einem robusten Aufbau und niedriger Antriebsleistung aus. Selbstverständlich sind aber im Rahmen der Erfindung auch andere Einstelleinrichtung zur Betätigung der Spindel oder direkt der Verstellung des Stators denkbar.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Leitung mit dem zweiten Wärmetauscher eine Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine. Wenn auch der zweite Wärmetauscher in einer beliebigen Wärmeenergie führenden Leitung der Brennkraftmaschine angeordnet sein kann, ist die bevorzugte Anwendung eben bei einer Abgasrückführleitung gegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
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Es zeigen:
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
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1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäß ausgestalteten Abwärmerückgewinnungssystems mit einem Arbeitsfluidkreislauf, und
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe, die in einem Arbeitsfluidkreislauf gemäß 1 zur Anwendung kommt.
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Das in 1 schematisch dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf 1 mit einem ersten Wärmetauscher 2a und einem zweiten Wärmetauscher 2b auf. Die Wärmetauscher 2a, 2b sind dabei als Verdampfer ausgebildet beziehungsweise fungieren als solche und sind an einer Brennkraftmaschine 5 zur Rückgewinnung von beim Betrieb der Brennkraftmaschine 5 erzeugter Abwärme adaptiert. Dabei ist der erste Wärmetauscher 2a von einem in einer Abgasleitung 3 der Brennkraftmaschine geführten und einen Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 4 der Brennkraftmaschine 5 durchströmt. Zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher 2a ist der zweite Wärmetauscher 2b in einer Leitung in Form einer Abgasrückführleitung 6 oder einer sonstigen Wärmeträgerleitung eingesetzt. Über die Abgasrückführleitung 6 wird dem Abgasstrom 4 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert über ein Abgasrückführleitungsventil 7 einem Ansaugsystem 8 der Brennkraftmaschine 5 zugeführt. Das Ansaugsystem 8 kann dabei auch als Ladeluftleitungssystem ausgebildet sein. Die beiden Wärmetauscher 2a, 2b können ggf. über nicht dargestellte Wärmeträgerbypassleitungen bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 5 eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, umgehbar sein.
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Der Brennkraftmaschine 5 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine 5 unter Erzeugung von Arbeitsleistung zu heißem Abgas, das bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 5 den Abgasstrom 4 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 4 durch die Abgasleitung 3, von der auch die Abgasrückführleitung 6 abzweigt, letztendlich in die Umgebung abgeführt. In der Abgasleitung 3 können vor und/oder hinter dem ersten Wärmetauscher 2a Abgasschalldämpfer 9 sowie Einrichtungen 10 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter eingebaut sein. Die Brennkraftmaschine 5 ist beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt. Die Brennkraftmaschine kann aber auch eine fremdgezündete mit Benzin betriebene Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common-Rail-Einspritzsystem aufweisen kann.
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Der erste Wärmetauscher 2a und der zweite Wärmetauscher 2b sind, wie zuvor ausgeführt, ihrerseits Teil des Arbeitsfluidkreislaufs 1, das neben dem Wärmetauschern 2a, 2b eine Expansionsmaschine 11, einen Kondensator 12, gegebenenfalls eine Kondensatpumpe 13, einen Ausgleichsbehälter 14 und zwei Fluidpumpen 15a, 15b aufweist. Die Fluidpumpe 15a ist über eine erste Zuleitung 25a mit dem ersten Wärmetauscher 2a und die zweite Fluidpumpe 15b ist über eine zweite Zuleitung 25b mit dem zweiten Wärmetauscher 2b strömungsmäßig verschaltet. Die Fluidpumpe 15a, 15b sind in der Darstellung gemäß 1 aus Übersichtlichkeitsgründen als eigenständige Pumpen wiedergegeben, tatsächlich aber bevorzugt in einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16 (siehe 2) vereinigt. Diese doppelhubige Flügelzellenpumpe 16 ist so einstellbar, dass bei einer konstanten oder bevorzugt einstellbaren Gesamtfördermenge eine Fördermengenaufteilung zu dem ersten Wärmetauscher 2a und dem zweiten Wärmetauscher 2b zunehmend und entsprechend abnehmend zwischen 0% und 100% eingestellt werden kann. Die Gesamtfördermenge kann beispielsweise durch eine Drehzahländerung der elektrisch angetriebenen Flügelzellenpumpe 16 eingestellt werden.
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Die Expansionsmaschine 11 kann beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine sein. Im Falle einer Turbine wird normalerweise ein Reduktionsgetriebe nachgeschaltet, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und diese an die Drehzahlen einer nachgeschalteten Arbeitsmaschine oder eines sonstigen Abnehmers anzupassen.
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Beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems wird von der doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid auf einen hohen Druck gebracht und den Wärmetauschern 2a, 2b zugeführt. Das Fluid wird in den Wärmetauschern 2a, 2b erhitzt und unter einem hohen Druck in den dampfförmigen Zustand überführt. Der so erzeugte Dampf wird der Expansionsmaschine 11 zugeführt und treibt diese unter Expandierung des Arbeitsfluids an. Um den Arbeitsfluidkreislauf 8 an der Expansionsmaschine 11 vorbeiführen zu können, kann eine Bypassleitung 17 mit einem Bypassventil 18 vorgesehen sein, über die die Expansionsmaschine 11 umgehbar ist.
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Das der Expansionsmaschine 11 zugeführte Arbeitsfluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über eine Abtriebswelle 19 abgeführt wird. Danach wird der „kalte“ Dampf in dem Kondensator 12 kondensiert und letztendlich wieder der doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16 zugeführt. In die Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 12 und der doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16 ist der Ausgleichsbehälter 14 eingeschaltet. Neben den zuvor beschriebenen Komponenten können noch beliebige weitere Komponenten, insbesondere Sensoren zur Ermittlung von Temperaturen und Drücken in verschiedenen Abschnitten des Arbeitsfluidskreislaufs 1 vorhanden sein.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16. Die doppelhubige Flügelzellenpumpe 16 weist einen Stator 20 auf, der in einem nicht dargestellten Gehäuse der doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16 axial verschiebbar angeordnet ist. Hierauf wird nachfolgend noch eingegangen. Innerhalb des Stators 20 ist ein Rotor 21 drehbar angeordnet, wobei der Rotor eine Anzahl von Schlitzen aufweist, in denen Flügel 22 längsverschiebbar angeordnet sind. In dem Gehäuse der doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16 sind unter Einbezug des Stators 20 und des Rotors 21 ein (durch jeweils einen bogenförmigen Pfeil dargestellter) erster Saugbereich 23a und ein erster Verdrängerraum 24a sowie ein zweiter Saugbereich 23b und ein zweiter Verdrängerraum 24b gebildet. Der erste Saugbereich 23a und der zweite Saugbereich 23b sind innerhalb oder außerhalb des Pumpengehäuses miteinander verbunden und mit dem Arbeitsfluidkreislauf 1 ausgangsseitig des Kondensators 12 beziehungsweise der Kondensatorpumpe 13 verbunden. Der erste Verdrängerraum 24a ist über die erste einen Arbeitsfluidzweig bildende Zuleitung 25a mit dem ersten Wärmetauscher 2a und der zweite Verdrängerraum 24b über die zweite Zuleitung 25b mit dem zweiten Wärmetauscher 2b verbunden.
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Der Stator 20 ist beispielsweise mit einer Spindel 26 verbunden, die ihrerseits mit einem Schrittmotor 27 verbunden ist. Mittels des Schrittmotors 27 kann die Spindel 26 entsprechend dem Doppelpfeil oberhalb des Stators 20 verstellt werden. Somit wird der Stator 20 radial gegenüber dem Rotor 21 verstellt und damit der erste Saugbereich 23a und der erste Verdrängerraum 24a vergrößert und gleichzeitig der zweite Saugbereich 23b und der zweite Verdrängerraum 24b verkleinert beziehungsweise umgekehrt. Dadurch wird eine stufenlose Verstellung der Fördermengenaufteilung in die erste Zuleitung 25a und die zweite Zuleitung 25b eingestellt. Der so ausgebildete Arbeitsfluidkreislauf 1 kommt ohne herkömmlich verbaute Ventile in der ersten Zuleitung 25a und der zweiten Zuleitung 25b aus. Dadurch wird eine Effizienzsteigerung des Abwärmerückgewinnungssystems erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013211875 A1 [0002]
- DE 102014212920 A1 [0003]
