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Querbezug auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht die Rechte der US-Patentanmeldung Nr. 62/209,654, die am 25. August 2015 eingereicht wurde, die hier durch Bezugnahme insgesamt aufgenommen ist.
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung ist auf ein System und auf ein Verfahren zur Wiedergewinnung eines Teils der thermischen Energie gerichtet, welche durch die Abgas- und Kühlsysteme eines Verbrennungsmotors verloren geht, und sie verwendet diese wiedergewonnene Energie, um den Verbrennungsmotor anzutreiben. Insbesondere kann dieses Energiewiedergewinnungssystem und -verfahren die Verwendung eines modifizierten Carnot-Dampfleistungszyklus vorsehen, welcher ungefähr 75% der potenziell verschwendeten thermischen Energie wiedergewinnen kann, die durch die Abgas- und Kühlsysteme verloren gehen.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein typischer hocheffizienter Verbrennungsmotor (beispielsweise Benzinmotor, Dieselmotor usw.) hat einen Betriebswirkungsgrad von ungefähr 35%. Als solches werden ungefähr 35% der chemischen Energie in dem Brennstoff in die mechanische Energie umgewandelt, welche die Räder und die Zusatzsysteme des Fahrzeugs antreibt, in den der Motor eingebaut ist. Ungefähr 60% der chemischen Energie des Brennstoffes geht als thermische Energie durch die Vorrichtungen des Motors verloren, beispielsweise durch seine Abgas- und Kühlsysteme. Der Stand der Technik offenbart verschiedene Konzepte, die auf die Wiedergewinnung von thermischer Energie gerichtet sind, welche durch die Vorrichtungen des Verbrennungsmotors verloren geht.
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Ein Beispiel, das
US-Patent Nummer 4,366,674 von Eakman, ist auf ein System gerichtet, welches einen Rankine-Dampfleistungszyklus verwendet, um thermische Energie aus dem Abgas- und Kühlsysteme mit Hilfe eines dampfgetriebenen Turboladers wiederzugewinnen. Ein Motor eines Automobils muss unter variierenden Lasten arbeiten, somit verwendet Eakman zur Überwindung des langsamen Ansprechens des Motors und des Systems auf gesteigerte Lastanforderungen einen Nachbrenner, was den negativen Effekt hat, den Brennstoffverbrauch zu vergrößern und die Wiedergewinnungsanforderungen an das gesamte System zu vergrößern. Ein Motor eines Automobils ist in einem nicht stetigen Betriebszustand, wobei der Rankine-Zyklus bei variierenden Lasten und Zyklusflussraten somit negative Effekte von schlechter Stabilität für Flüssigkeit hat, die zu einer Rückzirkulationspumpe läuft, wobei hohe Rückzirkulationsverlusten und thermische Verlusten am Kondensator ihn nicht praktisch für einen Motor eines Automobils macht.
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Ein weiteres Beispiel, das
US-Patent Nr. 6,089,020 von Kawamura, ist auf eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung zur Verwendung in einem mit einem Motor gemeinsam erzeugenden System gerichtet. Die Vorrichtung weist mehrere Turbolader in Reihe auf, wobei ein Turbolader vom Abgas des Motors angetrieben wird, und ein anderer Turbolader durch eine Energiewiedergewinnungsturbine angetrieben wird, welche eine Abgasturbine und eine Dampfturbine aufweist, die durch Dampf angetrieben wird, der in einem keramischen Wärmetauscher erzeugt wird, der indirekt Wasser durch das Abgas aufheizt, welches stromabwärts der Turbolader ist.
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Ein weiteres Beispiel, das
US Patent Nr. 7,454,911 von Tafas, ist auf ein Energiewiedergewinnungssystem und -verfahren gerichtet, welches dieses verwendet. Das System ist so konfiguriert, dass das Abgas aus dem Motor durch einen Dampferzeugungsboiler und dann zu einer Abgasturbine fließt. Der von dem Boiler erzeugte Dampf fließt dann zur Dampfturbine, die eine gemeinsame Welle mit der Abgasturbine hat, die dann einen elektrischen Generator antreibt. Der Dampf, der die Dampfturbine verlässt, wird kondensiert und durch den Flüssigkeitskühlkreislauf des Motors und zurück zu dem Boiler gepumpt. Dieses System kann nur in geeigneter Weise bei Motoren verwendet werden, welche Hybrid-Automobile antreiben, so dass die elektrische Energie verwendet werden kann. Auch wegen variierenden Lasten und Drehzahlen eines Automobilmotors, werden Unterschiede des Flusses an den zwei Turbinenrädern bewirken, dass ein Rad das zweite basierend auf den Motorbetriebsbedingungen verzögert. Außerdem bringt das Kondensieren des Dampfes und das Pumpen des Wassers durch den Motorblock und zurück in den Boiler Herausforderungen bezüglich der Fluss- und Strömungsmittelstabilität mit sich, und zwar aufgrund dessen, dass Automobilmotoren die Fähigkeit benötigen, innerhalb einiger Sekunden im Leerlauf und bei voller Last zu arbeiten.
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Ein System und ein Verfahren werden benötigt, welche die Herausforderungen bezüglich der Ausgeglichenheit des Flusses und der Stabilität des Strömungsmittels und die höheren Rückzirkulationsverluste der früheren Wiedergewinnungssysteme zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor überwinden. Die vorliegende Erfindung wird diese Anforderung genauso wie andere Anforderungen erfüllen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die beigefügte Zeichnung bildet einen Teil dieser Beschreibung und soll in Verbindung mit dieser gesehen werden, wobei:
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1 eine schematische Darstellung ist, die einen Aspekt des Systems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor zeigt.
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Das hier dargestellte Beispiel veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Form, und eine solche beispielhafte Darstellung soll nicht in irgendeiner Weise als einschränkend für den Umfang der Erfindung angesehen werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Kurz gesagt ist die vorliegende Erfindung allgemein auf ein thermisches Energiewiedergewinnungssystem gerichtet, welches konfiguriert ist, um einen Verlust von thermischer Energie durch den Betrieb von Vorrichtungen eines Motors aufzunehmen, und die aufgenommene thermische Energie zu verwenden, um den Gesamtwirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Eine der Vorrichtungen kann ein Abgassystem aufweisen, welches eine Auslasssammelleitung aufweist, um Abgas auszustoßen, und eine andere der Vorrichtungen kann ein Kühlsystem aufweisen, welches ein Kühlströmungsmittel aufweist.
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Das System kann einen Abgasturbolader, einen Boiler, einen Dampfturbolader, einen Wärmetauscher und einen Dampfkompressor aufweisen. Der Abgasturbolader weist eine Abgasturbine und einen primären Kompressor auf. Die Abgasturbine ist in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts der Auslasssammelleitung, und der primäre Kompressor ist in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts eines Umgebungslufteinlasses. Der Boiler weist einen ersten Wärmetauscherteil und einen zweiten Wärmetauscherteil auf, wobei der erste Wärmetauscherteil des Boilers in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts der Abgasturbine ist. Der Dampfturbolader weist eine Dampfturbine und einen sekundären Kompressor auf, wobei die Dampfturbine in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts des zweiten Wärmetauscherteils des Boilers ist, und wobei der sekundäre Kompressor in Strömungsmittelverbindung mit dem Umgebungslufteinlass ist und stromabwärts davon positioniert ist. Der Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher weist einen ersten Wärmetauscherteil und einen zweiten Wärmetauscherteil auf. Der erste Wärmetauscherteil des Wärmetauschers ist in Strömungsmittelverbindung mit der Dampfturbine und stromabwärts davon positioniert, und der zweite Wärmetauscherteil des Wärmetauschers ist in Strömungsmittelverbindung mit einem Kühlströmungsmittel in dem Motorkühlsystem. Der Dampfkompressor ist in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts des ersten Wärmetauscherteils des Wärmetauschers. Der Dampfkompressor ist ebenfalls in Strömungsmittelverbindung mit und stromaufwärts des zweiten Wärmetauscherteils des Boilers.
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Im Betrieb wird die Abgasturbine durch das Abgas angetrieben, welches aus der Auslasssammelleitung ausgegeben wird, was wiederum gestattet, dass der primäre Kompressor die Luft vom Umgebungslufteinlass komprimiert, um komprimierte Luft zu einem Motorlufteinlass zu liefern. Das Abgas, welches aus der Abgasturbine ausgegeben wird, wird durch den ersten Wärmetauscherteil des Boilers geleitet. Wärme vom Abgas wird auf eine Wärmeübertragungsflüssigkeit übertragen, welche durch den zweiten Wärmetauscherteil des Boilers läuft, um Wärmeübertragungsdampf zu bilden. Die Dampfturbine wird durch den Wärmeübertragungsdampf angetrieben, der aus dem zweiten Wärmetauscherteil des Boilers ausgegeben wird, was wiederum gestattet, dass der sekundäre Kompressor die Luft aus dem Umgebungslufteinlass komprimiert, um komprimierte Luft zum Motorlufteinlass zu liefern. Wärmeübertragungsdampf, der aus der Dampfturbine ausgegeben wird, wird durch den ersten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers geleitet, wobei Wärme von dem Kühlströmungsmittel, welches durch den zweiten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers läuft, auf den Wärmeübertragungsdampf übertragen wird. Weiterhin ist der Dampfkompressor so konfiguriert, dass er den Wärmeübertragungsdampf in einen halbgesättigten Zustand komprimiert.
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Andere Aspekte des Systems werden hier vorgesehen. Beispielsweise kann der Dampfkompressor durch den Motor angetrieben werden. Weiterhin kann ein Abblasventil in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts des primären Kompressors und des sekundären Kompressors angeordnet sein. Das Abblasventil ist konfiguriert, um die komprimierte Luft, die aus dem primären Kompressor und/oder dem sekundären Kompressor ausgegeben wird, zurück zur Ansaugung des primären Kompressors und des sekundären Kompressors zu zirkulieren, und zwar immer dann, wenn ein Drosselventil zum Motorlufteinlass geschlossen ist. Ein Rückschlagventil kann in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts des sekundären Kompressors sein, um zu verhindern, dass komprimierte Luft, die aus dem primären Kompressor ausgegeben wird, zum sekundären Kompressor geleitet wird. Ein externes Auslassklappenventil bzw. Steuerventil kann in Strömungsmittelverbindung mit der Auslasssammelleitung sein, um eine obere Leistungsgrenze und/oder eine obere Drehmomentgrenze des Motors zu regeln. Außerdem kann das System ein Drei-Wege-Ventil und einen Radiator bzw. Kühler aufweisen, der stromabwärts des Drei-Wege-Ventils angeordnet ist. Das Drei-Wege-Ventil kann konfiguriert sein, um selektiv oder automatisch das Kühlströmungsmittel zu dem zweiten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers und/oder dem Kühler zu leiten, um Wärme aus dem Kühlströmungsmittel abzuführen. Ein Drosselventil kann stromaufwärts des Motorlufteinlasses und stromabwärts des primären Kompressors und des sekundären Kompressors angeordnet sein, um die Menge der komprimierten Luft zu steuern, die zum Motor geliefert wird.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Aufnahme von thermischer Energie, die durch den Betrieb von Vorrichtungen eines Motors verloren geht, vorgesehen, welches die aufgenommene thermische Energie verwendet, um den Gesamtwirkungsgrad des Motors zu steigern. Eine der Vorrichtungen kann ein Abgassystem sein, welches eine Auslasssammelleitung aufweist, um Abgas auszugeben, und eine andere der Vorrichtungen kann ein Kühlsystem sein, welches ein Kühlströmungsmittel aufweist. Das Verfahren kann weiter Folgendes aufweisen: Vorsehen eines Abgasturboladers, der eine Abgasturbine und einen primären Kompressor aufweist, wobei die Abgasturbine in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts von der Auslasssammelleitung ist, und wobei der primäre Kompressor in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts eines Umgebungslufteinlasses ist.; Vorsehen eines Boilers, der einen ersten Wärmetauscherteil und einen zweiten Wärmetauscherteil aufweist, wobei der erste Wärmetauscherteil des Boilers in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts der Abgasturbine ist; Vorsehen eines Dampfturboladers, der eine Dampfturbine und einen sekundären Kompressor aufweist, wobei die Dampfturbine in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts des zweiten Wärmetauscherteils des Boilers ist, und wobei der sekundäre Kompressor in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts des Umgebungslufteinlasses positioniert ist; Vorsehen eines Wärmetauschers, der einen ersten Wärmetauscherteil und einen zweiten Wärmetauscherteil aufweist, wobei der erste Wärmetauscherteil des Wärmetauschers in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts der Dampfturbine positioniert ist, und wobei der zweite Wärmetauscherteil des Wärmetauschers in Strömungsmittelverbindung mit einem Kühlströmungsmittel in dem Motorkühlsystem ist; vorsehen eines Dampfkompressors in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts des ersten Wärmetauscherteils des Wärmetauschers, wobei der Dampfkompressor in Strömungsmittelverbindung mit und stromaufwärts des zweiten Wärmetauscherteils des Boilers ist; Antreiben der Abgasturbine durch das Abgas, welches aus der Auslasssammelleitung ausgegeben wird; Komprimieren der Luft vom Umgebungslufteinlass unter Verwendung des primären Kompressors, um komprimierte Luft zu einem Motorlufteinlass zu liefern; Leiten des Abgases, das aus der Abgasturbine ausgegeben wurde, durch den ersten Wärmetauscherteil des Boilers; Leiten einer Wärmeübertragungsflüssigkeit durch den zweiten Wärmetauscherteil des Boilers, um einen Wärmeübertragungsdampf zu bilden; Antreiben der Dampfturbine durch den Wärmeübertragungsdampf, der aus dem zweiten Wärmetauscherteil des Boilers ausgegeben wurde; Komprimieren der Luft vom Umgebungslufteinlass unter Verwendung des sekundären Kompressors, um komprimierte Luft zum Motorlufteinlass zu liefern; Leiten des Wärmeübertragungsdampfes, der aus der Dampfturbine ausgegeben wurde, durch den ersten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers; und Leiten des Kühlmittels durch den zweiten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers, um Wärme aus dem Kühlströmungsmittel an den Wärmeübertragungsdampf abzugeben; Komprimieren des Wärmeübertragungsdampfes unter Verwendung des Dampfkompressors in einen halbgesättigten Zustand; und Leiten deshalb gesättigten Dampfes zum zweiten Wärmetauscherteil des Boilers.
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Dieses Verfahren kann auch aufweisen, den Dampfkompressor mit dem Motor anzutreiben. Das Verfahren kann auch aufweisen, ein Abblasventil vorzusehen, dass in Strömungsmittelverbindung mit dem und stromabwärts des primären Kompressors und des sekundären Kompressors angeordnet ist; und die komprimierte Luft, die aus dem primären Kompressor und/oder dem sekundären Kompressor ausgegeben wurde, zurück durch das Abblasventil zur Ansaugung des primären Kompressors und des sekundären Kompressors zu zirkulieren, wenn ein Drosselventil des Motorlufteinlasses geschlossen ist.
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Das Verfahren kann auch aufweisen, ein Rückschlagventil in Strömungsmittelverbindung mit und stromabwärts des sekundären Kompressors vorzusehen; und unter Verwendung des Rückschlagventils zu verhindern, dass die komprimierte Luft, die aus dem primären Kompressor ausgegeben wird, zum sekundären Kompressor geleitet wird.
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Das Verfahren kann auch aufweisen, ein externes Auslassklappenventil in Strömungsmittelverbindung mit der Auslasssammelleitung vorzusehen; und eine obere Leistungsgrenze und/oder eine obere Drehmomentgrenze des Motors unter Verwendung des externen Auslassklappenventils zu regeln.
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Das Verfahren kann auch aufweisen, ein Drei-Wege-Ventil vorzusehen; einen Radiator bzw. Kühler vorzusehen, der stromabwärts des Drei-Wege-Ventils angeordnet ist; und selektiv das Kühlströmungsmittel zu dem zweiten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers und/oder dem Kühler zu leiten, um Wärme aus dem Kühlströmungsmittel abzuführen. Das Drei-Wege-Ventil kann konfiguriert sein, um automatisch das Kühlströmungsmittel zu dem zweiten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers und/oder zum Kühler zu leiten, um Wärme aus dem Kühlströmungsmittel abzuführen. Weiterhin kann das Drei-Wege-Ventil konfiguriert sein, um selektiv das Kühlströmungsmittel zu entweder dem zweiten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers oder dem Kühler zu leiten, um die Wärme aus dem Kühlströmungsmittel abzuführen.
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Das Verfahren kann weiter aufweisen, ein Drosselventil vorzusehen, welches stromaufwärts des Motorlufteinlasses und stromabwärts des primären Kompressors und des sekundären Kompressors angeordnet ist; und unter Verwendung des Drosselventils selektiv einen Fluss von komprimierter Luft zu steuern, der zum Motor geleitet wird.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Im Allgemeinen können das hier beschriebene System und Verfahren zum Zulassen von mechanischen Verbindungen, Flussverbindungen und elektrischen Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Ausführungsbeispielen und Verfahren ausgeführt werden.
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Das vorliegende System und das vorliegende Verfahren sind darauf gerichtet, einen Teil der thermischen Energie wieder zu gewinnen, die durch typische Abgas- und Kühlsysteme eines Verbrennungsmotors verloren geht, und auf die Verwendung dieser wiedergewonnenen Energie zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Verbrennungsmotors. Diese Wiedergewinnung von thermischer Energie wird mit Hilfe eines Dampfleistungszyklus ausgeführt, der das Lufteinlass-Abgas-System und das Kühlsystem des Verbrennungsmotors optimiert. Das vorliegende System und das vorliegende Verfahren sind eine Lösung für gewisse Stabilitätsprobleme, die beim Stand der Technik angetroffen werden. Das vorliegende System und das vorliegende Verfahren sprechen auch Probleme mit einer Differenz bei der Flussbalance an, die beim Stand der Technik aufgetreten sind, und sie haben somit die Fähigkeit, bei Leerlauf und voller Last innerhalb eines kurzen Zeitrahmens zu arbeiten, wie beispielsweise innerhalb einiger Sekunden. Das vorliegende Systeme und das vorliegende Verfahren vermeiden auch die negativen Effekte, dass ein Nachbrenner erforderlich ist, der den Brennstoffverbrauch und die Anforderungen an die Wiedergewinnung bezüglich des Gesamtsystems vergrößert. Im Durchschnitt verringern das vorliegende System und das vorliegende Verfahren das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors von ungefähr 10:1 auf ungefähr 8:1. Bei dem niedrigeren Verdichtungsverhältnis und gesteigerter Zwangseinleitung. führt der Kolben weniger Arbeit im Verdichtungshub aus, um den geeigneten Verbrennungsdruck zu erzeugen. In einem Beispiel gestattet die vorliegende Erfindung einem Automobil von 3300 lb mit einem 2-Liter-Benzinmotor, 300 bhp zu erzeugen, und während der Fahrt auf einer Straße bzw. Autobahn bis zu 55 Meilen pro Gallone zu erreichen. Das vorliegende System und das vorliegende Verfahren können bei jeglichem Motor verwendet und installiert werden, einschließlich Hybrid-Motoren. Wenn das vorliegende System bei einem Hybrid-Motor installiert wird, können das System und das Verfahren ausgebildet sein, um eine (nicht gezeigte) Batterie des Hybrid-Motors aufzuladen.
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Nun mit genauerer Bezugnahme auf die Zeichnung, insbesondere auf 1, bezeichnet das Bezugszeichen 100 ein Wiedergewinnungssystem 100 für thermische Energie, welches konfiguriert ist, um einen Teil der thermischen Energie aufzunehmen, die durch die (nicht gezeigten) Vorrichtungen eines Verbrennungsmotors 2 verloren geht, um die aufgenommene Energie einzusetzen, um den Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 zu vergrößern. Es sei bemerkt, dass die Vorrichtungen des Verbrennungsmotors 2 die Abgas- und Kühlsysteme des Verbrennungsmotors 2 sein können, jedoch nicht darauf eingeschränkt sind. Das Abgas vom Verbrennungsmotor 2 wird über eine Auslasssammelleitung 1 zu einer Abgasturbine 6 geleitet. Das Abgas treibt die Abgasturbine 6 durch Expansion an und bewirkt, dass die Abgasturbine 6 sich dreht, wobei eine beträchtliche Menge an Druck und kinetischer Energie von dem Abgas freigesetzt wird. Die Abgasturbine 6 ist mit einem primären Kompressor 4 über eine Welle 36 gekoppelt. Die Abgasturbine 6 und der primäre Kompressor 4 bilden in Verbindung den Abgasturbolader 102. Eine Luftflussmessvorrichtung 30 kann stromaufwärts des Einlasses des primären Kompressors 4 angeordnet sein. Gemäß gewissen Aspekten kann der Abgasturbolader 102 ein Garrett-T3/T4-Hybrid-Turbolader sein. Es sei bemerkt, dass der primäre Kompressor 4 ein Axialkompressor, ein Zentrifugalkompressor, ein Mischflusskompressor oder ein Freikolbengasgenerator sein kann, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
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Der primäre Kompressor 4 ist konfiguriert, um Umgebungsluft zu komprimieren, welche von einem Umgebungslufteinlass 37 geliefert wird, der mit der Luftflussmessvorrichtung 30 verbunden ist, welche dann über das Laderohr 9 zu einem Motorlufteinlass 15 geleitet wird, um den Verbrennungsmotor 2 zu betreiben. Ein Drosselventil 32 kann stromaufwärts des Verbrennungsmotors 2 positioniert sein, um die hereinkommende komprimierte Luft zu steuern. Nach dem Antreiben der Abgasturbine 6 wird das Abgas durch ein Rohr 5 zu einem Wiedergewinnungs/Aufheizungsboiler 12 (im Folgenden „Boiler”) geleitet, insbesondere zu einem ersten Wärmeübertrager- bzw. Wärmetauscherteil des Boilers 12. Eine Wärmeübertragungsflüssigkeit, die in einem zweiten Wärmetauscherteil des Boilers 12 angeordnet ist, wird indirekt aufgeheizt und auf einen überhitzten dampfförmigen Zustand umgewandelt (im Folgenden „Wärmeübertragungsdampf”). Diese Wärmeübertragungsflüssigkeit kann beispielsweise eine nicht entflammbare Flüssigkeit sein, die bei atmosphärischem Druck zwischen 35°C und 50°C siedet (wie beispielsweise 3M-Novec-649, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt), jedoch können andere Arten von Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet werden. Der Boiler 12 kann weiter eine Dampftrommel bzw. Trommel, eine Abschlämmtrommel, eine Ableitplatte, einen Gasdurchlass, einen Überhitzer und eine Reihe von Erzeugerrohren bzw. Steigrohren aufweisen, die zwischen der Dampftrommel und der Abschlämmtrommel angeschlossen sind. Es sei auch bemerkt, dass in gewissen Fällen die Überhitzerrohre und die Erzeugerrohre bzw. Steigrohre gebogen sein können und so eingepasst sein können, dass ihre Konfiguration die Effizienz des Boilers 12 optimiert. Die Komponenten des Boilers 12 können auch aus rostfreiem Stahl hergestellt sein, wie beispielsweise Güte 304 oder 304L, sie sind jedoch nicht darauf eingeschränkt.
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Die Wärme von dem Abgas heizt indirekt die Wärmeübertragungsflüssigkeit beispielsweise in der Dampftrommel, der Abschlämmtrommel, den Erzeugerrohren und den Überhitzerrohren des Boilers 12 auf den überhitzten dampfförmigen Zustand. Dieser Wärmeübertragungsdampf wird verwendet, um einen Dampfturbolader 104 anzutreiben (unten besprochen), der parallel mit dem Abgasturbolader 102 läuft. Die Kombination der Turbolader 102, 104 erzeugt einen Einlass für unter Druck gesetzte Luft, der dahingehend wirkt, dass er den Verbrennungsmotor 2 betreibt. Eine (nicht gezeigte) Heizschlange kann am Boiler 12 installiert sein, um die Wärmeübertragungsflüssigkeit beim Start des Verbrennungsmotors 2 auf eine ordnungsgemäße Temperatur aufzuheizen.
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Nach der indirekten Aufheizung der Wärmeübertragungsflüssigkeit durch den Betrieb des Boilers 12 wird das Abgas nach außen in die Atmosphäre geleitet, und zwar über eine Abgasleitung 7 (beispielsweise ein Rohr). Der Wärmeübertragungsdampf treibt eine Dampfturbine 10 über eine Dampfauslassleitung 19 an. Die Dampfturbine 10 wird mit einem sekundären Kompressor 8 über eine Welle 36' verbunden. Es sei bemerkt, dass der sekundäre Kompressor 8 ein Axialkompressor, ein Zentrifugalkompressor, ein Mischflusskompressor oder ein Freikolbengasgenerator sein kann, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist. Die Dampfturbine 10 und der sekundäre Kompressor 8 bilden zusammen den Dampfturbolader 104. Der Dampfturbolader 104 kann auch ein (nicht gezeigtes) Turbinengehäuse aufweisen, ein (nicht gezeigtes) Turbinenrad, eine (nicht gezeigte) Turbinengehäuserückplatte, ein (nicht gezeigtes) CHRA-Lagergehäuse, ein (nicht gezeigtes) Kompressorrad und ein (nicht gezeigtes Kompressorgehäuse. Die Komponenten des Dampfturbolader 104 können auch beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein.
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Wie oben erwähnt, arbeitet der Dampfturbolader 104 parallel mit dem Abgasturbolader 102, um unter Druck stehende Einlassluft für den Verbrennungsmotor 2 zu erzeugen. Der Wärmeübertragungsdampf vom Boiler 12 expandiert in der Dampfturbine 10 und treibt wiederum über die Welle 36' den sekundären Kompressor 8 an, der dahingehend arbeitet, dass er die Umgebungsluft komprimiert. Der sekundäre Kompressor 8 liefert diese komprimierte Luft an den Motorlufteinlass 15 über die Ladeleitung 11. Stromabwärts vom Auslass des sekundären Kompressors 8 ist ein Rückschlagventil 16, welches verhindert, dass der primäre Kompressor 4 unter Druck stehende Luft zum sekundären Kompressor 8 zurückzirkuliert, und zwar mittels der Ladeleitung 11, was anderenfalls auftreten würde, wenn der Druck der komprimierten Luft, die aus dem primären Kompressor 4 ausgegeben wird, größer ist als der Druck der komprimierten Luft, die aus dem sekundären Kompressor 8 ausgegeben wird. Das Rückschlagventil 16 kann ein 2''-Vollfluss-Rückschlagventil aus Aluminium sein, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.
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Um zu verhindern, dass Luft aus dem primären Kompressor 4 und dem sekundären Kompressor 8 einen Pumpstoß erzeugt, wird ein Abblasventil bzw. Überdruckventil 18 an der Lufteinlassleitung 15 über einer Abblasleitung 17 installiert. Wenn das Drosselventil 32 geschlossen ist, wird sich das Abblasventil 18 öffnen, um Luft aus dem primären Kompressor 4 und dem sekundären Kompressor 8 zurück zu einer gemeinsamen Ansaugung 13 zu zirkulieren. Das Abblasventil 18 kann ein 1,25''-Abblasventil aus Aluminium sein, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.
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Nach dem Antreiben des Dampfturbolader 104, insbesondere der Dampfturbine 10, wird der Wärmeübertragungsdampf vom Boiler 12 mit einer verringerten Enthalpie, wenn er aus der Dampfturbine 10 austritt, zum Wärmetauscher 22 über die Auslassleitung 21 geleitet, insbesondere durch einen ersten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers 22. Der Wärmetauscher 22 ist konfiguriert, um indirekt das Motorkühlströmungsmittel zu kühlen, welches in einen zweiten Wärmetauscherteil des Wärmetauschers 22 über eine Kühlmittelleitung 29 eintritt, und als solches Wärme von einem Motorkühlsystem 40 wiedergewinnt. Nach der Wiedergewinnung (das heißt, Absorption) von Wärmeenergie aus dem Motorkühlsystem 40, wird der Wärmeübertragungsdampf dann zu einem vom Motor angetriebenen Dampfkompressor 20 über die Leitung 23 geleitet, um den Wärmeübertragungsdampf zu komprimieren. Der Dampfkompressor 20 kann über einen Riemen durch eine Riemenscheibe angetrieben werden, die mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist. Dieser Antriebsriemen kann eine elektromagnetisch einzurückende Kupplung tragen, die gestattet, dass der zuvor erwähnte Dampfzyklus 42 eingeschaltet und ausgeschaltet wird, wenn dies nötig ist. Es sei bemerkt, dass der Dampfkompressor 20 den Wärmeübertragungsdampf auf einen halbgesättigten Zustand komprimiert (das heißt, der Zustand, in dem der Dampf umgewandelt wird, nachdem er nahezu auf seinen Sättigungspunkt komprimiert worden ist). Dieser komprimierte halbgesättigte Dampf (d. h., dass Wärmeübertragungsströmungsmittel) wird darauf folgend zu der (nicht gezeigten) Dampftrommel bzw. Trommel des Boilers 12 über die Leitung 25 geleitet, wobei somit der Dampfzyklus 42 vollendet wird.
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Um den Verbrennungsmotor 2 ordnungsgemäß zu kühlen, weist das Motorkühlsystem 40 ein nicht modulierendes Drei-Wege-Ventil 24 auf. Heißes Motorkühlströmungsmittel 39 wird von dem Verbrennungsmotor 2 über die Leitung 27 zum Drei-Wege-Ventil 24 geleitet, welches automatisch das heiße Motorkühlströmungsmittel 39 zu entweder einem Wärmetauscher 22 über die Leitung 29 oder zu einem Radiator bzw. Kühler 26 über die Leitung 33 leitet. Der Kühler 26 kann in paralleler Strömungsmittelverbindung mit dem Wärmetauscher 22 positioniert sein. Es sei bemerkt, dass das gesamte heiße Motorkühlströmungsmittel 39 zu einem Zeitpunkt nur zum Wärmetauscher 22 oder nur zum Kühler 26 geleitet werden kann.
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Wenn der Verbrennungsmotor 2 in einem Zustand mit geringer Last arbeitet, egal ob beim Start oder wenn das Fahrzeug ein Gefälle herunterfährt, was bewirkt, dass die Temperatur des Wärmeübertragungsdampfes im Boiler 12 niedriger ist als eine vorbestimmte minimale Schwelle, beispielsweise, wenn die Wärmeübertragungsflüssigkeit auf 50°C beim Auslass aus dem Boiler ist, und/oder wenn die Flussrate des Dampfzyklus 42 niedriger als eine vorbestimmte minimale Schwelle ist, beispielsweise 5 Kubikfuß pro Minute (cfm) beim Auslass des Boilers, wird eine (nicht gezeigte) mit Kupplung versehene Scheibe außer Eingriff vom Dampfkompressor 20 gebracht, und dies stoppt somit den Dampfzyklus 42. Wenn der Verbrennungsmotor 2 in einem Zustand mit hoher Last arbeitet, wenn beispielsweise der Bediener des Fahrzeugs das Drosselventil öffnet, um anzufordern, dass das Fahrzeug schnell beschleunigt, so dass Effizienz kein wichtiges Kriterium ist, dann kann der Dampfkompressor 20 außer Eingriff gebracht werden, um den Dampfzyklus 42 abzuschalten. Immer wenn der Dampfzyklus 42 ausgeschaltet ist (oder wenn die Zyklusflussrate unter einem vorbestimmten minimalen Wert ist), kann als solches das Drei-Wege-Ventil 24 das heiße Motorkühlströmungsmittel 39 zum Kühler 26 umleiten. Der Kühler 26 ist konfiguriert, um das Motorkühlströmungsmittel zu kühlen, bevor es über die Leitung 35 zurück zum Verbrennungsmotor geleitet wird. Wenn der Dampfzyklus 42 auf einem erwünschten Niveau arbeitet, kann das Drei-Wege-Ventil 24 das Kühlströmungsmittel zum Wärmetauscher 22 leiten, wo die Wärme im Kühlströmungsmittel indirekt absorbiert wird oder in anderer Weise auf den Wärmeübertragungsdampf übertragen wird, bevor er über die Leitung 31 austritt, und schließlich zum Verbrennungsmotor 2 als kaltes Kühlströmungsmittel 41 über die Leitung 35 zurückkehrt. Immer wenn der Dampfzyklus 42 einen geeigneten Fluss hat, wird der Kühler 26 als solches umgangen, und der Dampfzyklus 42 kühlt den Verbrennungsmotor 2. Dies gestattet die Wiedergewinnung von thermischer Energie, die durch den Kühler 26 verloren gegangen wäre.
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Zu Zwecken der Zuverlässigkeit und zu betrieblichen Zwecken kann eine obere Grenze der ausgegebenen Leistung des Verbrennungsmotors 2 geregelt werden, indem der Druck der komprimierten Luft begrenzt wird, die zum Lufteinlass des Verbrennungsmotors 2 läuft. Dies wird mit Hilfe eines externen Auslassklappenventils 14 getan, welches stromabwärts des Abgasauslasses des Verbrennungsmotors 2 und stromaufwärts der Abgasturbine 6 installiert ist. Wie gezeigt, ist das externe Auslassklappenventil bzw. Steuerventil 14 an die Auslasssammelleitung 1 über eine Abnahmeleitung 3 angeschlossen. Um die obere Leistungsgrenze und die obere Drehmomentgrenze der Motorausgabe zu steuern, führt eine pneumatische Signalleitung bzw. Luftdrucksignalleitung den Einlasssammelleitungsdruck zum Betrieb einer Betätigungsvorrichtung für das externe Auslassklappenventil I 14. Wenn der Lufteinlassdruck zur erwünschten oberen Grenze kommt, wird ein Teil der Einlassluft umgeleitet, um die Betätigungsvorrichtung des externen Auslassklappenventils bzw. Steuerventils 14 zu betätigen. Dies öffnet im Endeffekt das externe Auslassklappenventil 14 und lässt die erforderliche Menge an Abgas nach außen in die Atmosphäre, was verhindert, dass dieses Abgas die Abgasturbine 6 und den Boiler 12 antreibt. Das Öffnen des externen Auslassklappenventils 14 verhindert auch, dass der Einlasssammelleitungsdruck höher wird als das erwünschte oberen Niveau. Das externe Auslassklappenventil 14 kann ein externes Auslassklappenventil bzw. Steuerventil von Tial mit 38 mm sein, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.
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Es sei bemerkt, dass die Schritte des hier dargestellten Verfahrens nicht notwendigerweise in der Reihenfolge sein müssen, in der dies dargestellt wird. Es sei auch bemerkt, dass, wenn ein Element als „an”, „verbunden mit” oder als „gekoppelt mit” einem anderen Element bezeichnet wird, dieses Element direkt an, verbunden mit oder gekoppelt mit dem anderen Element sein kann oder dass dazwischen liegende Elemente ebenfalls vorhanden sein können.
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Die vorangegangene Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist für die Zwecke der Darstellung und Beschreibung dargelegt worden. Sie soll nicht erschöpfend sein und sie soll auch nicht die Erfindung auf die spezielle offenbarte Form einschränken. Es wird dem Fachmann klar sein, dass die offenbarten Ausführungsbeispiele im Lichte der obigen Lehren modifiziert werden können. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind ausgewählt, um eine Veranschaulichung von Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung vorzusehen, um dadurch dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und mit verschiedenen Modifikationen anzuwenden, wie sie für die spezielle in Betracht gezogene Anwendung geeignet sind. Daher soll die vorangegangene Beschreibung viel mehr als beispielhaft als als einschränkend angesehen werden, und der wahre Umfang der Erfindung wird in den folgenden Ansprüchen beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4366674 [0004]
- US 6089020 [0005]
- US 7454911 [0006]
