DE102016212679A1

DE102016212679A1 - Abwärmerückgewinnungssystem

Info

Publication number: DE102016212679A1
Application number: DE102016212679.2A
Authority: DE
Inventors: Ralph Fung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2018-01-18
Also published as: WO2018011119A1

Abstract

Abwärmerückgewinnungssystem (100) einer Brennkraftmaschine mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a). Der Kreislauf (100a) umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105). An den Kreislauf (100a) ist ein Schmierstoffbehälter (10) zur Aufnahme eines Schmierstoffs gekoppelt. Vorzugsweise enthält der Schmierstoff Graphit und/oder Molybdändisulfid.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Abwärmerückgewinnungssysteme zur thermischen Energierückgewinnung aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2010 042 405 A1 .
Das bekannte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator.
Bislang ist die Reibungsminimierung der bewegten Bauteile des Abwärmerückgewinnungssystems noch nicht optimiert. Davon sind insbesondere die beiden Komponenten Speisefluidpumpe und Expansionsmaschine betroffen. Die üblicherweise besonders aggressiven Arbeitsmedien der Kreisläufe lassen oft einen Zusatz von herkömmlichen Schmiermitteln nicht zu, da Öle und Fette dieser Schmiermittel durch das Arbeitsmedium gelöst werden würden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem verwendet demgegenüber einen Schmierstoff mit Graphit und/oder Molybdändisulfid.
Dadurch werden zum einen hervorragende tribologische Eigenschaften gewährleistet, insbesondere eine Reibwertminimierung von kontaktierenden Bauteilen. Zum anderen weist dieser Schmierstoff eine sehr hohe Lebenserwartung auf. Der Schmierstoff ist sehr temperaturbeständig, sein Verhalten ist weitestgehend unabhängig von der Temperatur, der Schmierstoff verflüchtigt sich nicht und er wird nicht vom Arbeitsmedium zersetzt. Der Schmierstoff kann dabei auch in einer Suspension vorliegen.
Besonders wirkungsvoll ist der Einsatz eines derartigen Schmierstoffs bei den Arbeitsmedien Cyclopentan oder Ethanol. Diese Arbeitsmedien eignen sich sehr gut für den Einsatz von Abwärmerückgewinnungssystemen mit Expansionsmaschinen, sind aber vergleichsweise aggressiv gegenüber herkömmlichen Schmiermitteln.
Erfindungsgemäß können Bauteile des Abwärmerückgewinnungssystems in der Montage mit einem solchen Schmierstoff benetzt werden, damit sich der Schmierstoff im Betrieb mit dem Arbeitsmedium vermischt. Alternativ kann auch ein Schmierstoffbehälter zur Aufnahme derartiger Schmierstoffe an den Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems gekoppelt sein.
Das Abwärmerückgewinnungssystem weist dann einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. Erfindungsgemäß ist der Schmierstoffbehälter an den Kreislauf gekoppelt, vorzugsweise mittels eines Zuführventils. Dadurch kann der Schmierstoff bedarfsweise dem Arbeitsmedium zugegeben werden. Alternativ kann der Schmierstoffbehälter auch von dem Arbeitsmedium durchströmt werden. Dadurch kann der Schmierstoffbehälter sogar bei Wartungsintervallen kontrolliert bzw. nachgefüllt werden.
Vorteilhafterweise ist der Schmierstoffbehälter bzw. das Zuführventil zwischen dem Kondensator und der Speisefluidpumpe angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form vorliegt; eine effektive Durchmischung mit dem Schmierstoff ist somit möglich.
In Weiterbildung der Erfindung kann nach der zu schmierenden Komponente – vorteilhafterweise Speisefluidpumpe und/oder Expansionsmaschine – ein Abscheider in dem Kreislauf angeordnet sein. Dadurch kann der Schmierstoff wieder aus dem Arbeitsmedium abgeschieden werden und muss nicht durch den gesamten Kreislauf transportiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
1 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Der Brennkraftmaschine 110 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 112 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 111 aus der Brennkraftmaschine 110 abgeführt.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 101 und eine Ventileinheit 101a in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.
Der Verdampfer 103 ist an die Abgasleitung 111 der Brennkraftmaschine 110 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110. Erfindungsgemäß ist ein Schmierstoffbehälter 10 über ein Zuführventil 20 an den Kreislauf 100a gekoppelt. Die Ankopplung erfolgt in der Ausführung der 1 dabei zwischen der Ventileinheit 101a und der Speisefluidpumpe 102, kann jedoch in alternativen Ausführungen an beliebigen Stellen des Kreislaufs 100a angeordnet sein.
Optional ist nach der Speisefluidpumpe 102 ein Abscheider 23 in dem Kreislauf 100a angeordnet. Schmierstoff kann dadurch nach der Speisefluidpumpe 102 wieder aus dem Arbeitsmedium abgeschieden und zurück in den Schmierstoffbehälter 10 geführt bzw. dem Zuführventil 20 zugeführt werden. Dadurch kann der Schmierstoff gezielt für einzelne Komponenten des Kreislaufs eingesetzt werden.
Als weitere Möglichkeit ist ein zweites Zuführventil 30 zwischen dem Verdampfer 103 und der Expansionsmaschine 104 in dem Kreislauf angeordnet und mit dem Schmierstoffbehälter 10 verbunden, so dass dem Arbeitsmedium Schmierstoff vor der Expansionsmaschine 104 zugeführt werden kann. Auch hier kann optional nach der Expansionsmaschine 104 ein zweiter Abscheider 35 in dem Kreislauf 100a angeordnet sein, um den Schmierstoff wieder aus dem Arbeitsmedium abzuscheiden und dem Schmierstoffbehälter 10 oder dem zweiten Zuführventil 30 zurückzuführen.
Die Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems 100 ist wie folgt:
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 102, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 101, in den Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter 101 zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe 102 zugeführt.
Bei Bedarf wird das Zuführventil 20, 30 so geschaltet, dass dem Arbeitsmedium im Kreislauf 100a Schmierstoff aus dem Schmierstoffbehälter 10 zugeführt wird. Optional kann der Schmierstoff nach den jeweiligen zu schmierenden Komponenten – üblicherweise Speisefluidpumpe 102 und Expansionsmaschine 104 – wieder aus dem Arbeitsmedium durch einen Abscheider 23, 35 abgeschieden werden.
Vorzugsweise umfasst der Schmierstoff Graphit und/oder Molybdändisulfid. Dadurch ergibt sich eine Art Trockenschmierung der im Abwärmerückgewinnungssystem 100 verwendeten Komponenten, speziell der Speisefluidpumpe 102 und der Expansionsmaschine 104. Der Schmierstoff kann dabei auch immer in einer Suspension vorliegen, so dass sich eine bessere Durchmischung von Schmierstoff und Arbeitsmedium ergibt.
Der Vorteil der Trockenschmierung bzw. der Suspension ist dabei, dass das aggressive Arbeitsmedium des Kreislaufs 100a die Fette und Öle alternativer Schmiermittel lösen würde, die so ihre Schmiereigenschaften verlieren würden.
Konkrete Vorteile der Trockenschmierung bzw. der Suspension mit den Schmierstoffen Graphit und/oder Molybdändisulfid sind:

– Kein Auflösen eines alternativen Schmiermittels durch das Arbeitsmedium des Kreislaufs (beispielsweise Cyclopentan oder Ethanol).
– Hohe Temperaturbeständigkeit des Schmierstoffs. (Beispielsweise ist Graphit bis ca. 2500°C fest, bei höheren Temperaturen plastisch.)
– Kein Verflüchtigen oder Zersetzen des Schmierstoffs.
– Kein Nachlassen der Schmierwirkung über die Lebensdauer.
– Die Leckageverluste an Dichtstellen werden durch den Schmierstoff verringert.
– Kein Eintrocknen und Verkrusten des Schmierstoffs und damit verbunden auch keine Beschädigung der Komponenten beim Ablösen einer Verkrustung.
– Wartungsfreiheit des Abwärmerückgewinnungssystems 100.
– Betriebssicherheit der beweglichen Bauteile durch sehr niedrige Reibwerte und geringe Reibwertstreuung.
– Definiertes Schmierverhalten des Arbeitsmediums.
– Kein Klebeeffekt zwischen mit Schmiermitteln benetzten Bauteilen in der Montage des Abwärmerückgewinnungssystems 100.
– Stick-Slip-Effekte innerhalb der Komponenten werden verhindert.
– Die tribologischen Eigenschaften, insbesondere die Reibwerte zwischen einzelnen Bauteilen, sind nahezu unabhängig von der Temperatur.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung weist das Abwärmerückgewinnungssystem 100 keinen Schmierstoffbehälter 10 und demzufolge auch kein Zuführventil 20 auf. Anstelle dessen werden die Komponenten des Abwärmerückgewinnungssystems 100 an Bereichen, welche später im Betrieb mit dem Arbeitsmedium in Berührung kommen, mit dem Schmierstoff benetzt. Der Schmierstoff wird so in der Montage auf die Komponenten, insbesondere Speisefluidpumpe 102 und Expansionsmaschine 104, aufgebracht und im Betrieb mit dem Arbeitsmedium vermischt.
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

DE 102010042405 A1 [0002]

Claims

Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, wobei das Arbeitsmedium einen Schmierstoff aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff Graphit und/oder Molybdändisulfid enthält.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Cyclopentan oder Ethanol ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmierstoffbehälter (10) zur Aufnahme eines Schmierstoffs an den Kreislauf (100a) gekoppelt ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoffbehälter (10) mittels eines Zuführventils (20) an den Kreislauf (100a) gekoppelt ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführventil (20) zwischen dem Kondensator (105) und der Speisefluidpumpe (102) angeordnet ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass nach der Speisefluidpumpe (102) ein Abscheider (23) zum Abscheiden des Schmierstoffs aus dem Arbeitsmedium in dem Kreislauf (100a) angeordnet ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführventil (20) zwischen dem Verdampfer (103) und der Expansionsmaschine (104) angeordnet ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass nach der Expansionsmaschine (104) ein Abscheider (35) zum Abscheiden des Schmierstoffs aus dem Arbeitsmedium in dem Kreislauf (100a) angeordnet ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff Graphit und/oder Molybdändisulfid enthält.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Cyclopentan oder Ethanol ist.