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Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die im Betrieb über ein Abgas Restwärme abgibt, die wiederum in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt wird, um in einem Verdampfer ein Arbeitsmedium zu verdampfen, das in einer Expansionsmaschine entspannt wird, um aus der Abgasrestwärme Energie zurückzugewinnen, wobei der Expansionsmaschine ein Kondensator nachgeschaltet ist, der über einen Bypass mit einem Bypassventil auch ohne Expansion direkt mit dem Verdampfer verbindbar ist.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 057 247 A1 ist ein System zur Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas aus einem Verbrennungsmotor bekannt, das zur Nutzung einer Abwärme aus dem Abgas dient. Dazu ist in einen Abgastrakt des Verbrennungsmotors ein Wärmetauscher eingesetzt, der Wärme aus dem Abgas auf ein in einem Wärmekreislauf strömendes Arbeitsmedium überträgt. Das Arbeitsmedium in dem Wärmekreislauf treibt eine Turbine oder eine Kolbenmaschine an, deren Rotationsenergie beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um sie im Bordnetz eines Fahrzeugs zu nutzen. Ein derartiges System ist auch unter dem Begriff „waste heat recovery“-System, kurz WHR-System bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die im Betrieb über ein Abgas Restwärme abgibt, die wiederum in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt wird, um in einem Verdampfer ein Arbeitsmedium zu verdampfen, das in einer Expansionsmaschine entspannt wird, um aus der Abgasrestwärme Energie zurückzugewinnen, wobei der Expansionsmaschine ein Kondensator nachgeschaltet ist, der über einen Bypass mit einem Bypassventil auch ohne Expansion direkt mit dem Verdampfer verbindbar ist, zu schaffen, das kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe ist bei einem System zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die im Betrieb über ein Abgas Restwärme abgibt, die wiederum in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt wird, um in einem Verdampfer ein Arbeitsmedium zu verdampfen, das in einer Expansionsmaschine entspannt wird, um aus der Abgasrestwärme Energie zurückzugewinnen, wobei der Expansionsmaschine ein Kondensator nachgeschaltet ist, der über einen Bypass mit einem Bypassventil auch ohne Expansion direkt mit dem Verdampfer verbindbar ist, dadurch gelöst, dass das Bypassventil in die Expansionsmaschine integriert ist. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet, wo die Brennkraftmaschine auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird. Durch die Integration des Bypassventils in die Expansionsmaschine können die Kosten des Gesamtsystems vorteilhaft reduziert werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil als Schieber-Sitzventil mit einer Expansions-Schaltstellung, in welcher der Verdampfer über die Expansionsmaschine mit dem Kondensator verbunden ist, und mit einer Bypass-Schaltstellung ausgeführt ist, in welcher der Verdampfer über den Bypass direkt mit dem Verdampfer verbunden ist. Das Bypassventil ist als 3/2-Wegeventil mit drei Anschlüssen und zwei Schaltstellungen ausgeführt. Durch die Ausführung als Schieber-Sitzventil können die beiden Strömungswege, die über das Bypassventil darstellbar sind, fluiddicht voneinander getrennt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil in einem Expansionsmaschinengehäuse der Expansionsmaschine angeordnet ist. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem Bypassventil und der Expansionsmaschine erheblich vereinfacht. Darüber hinaus können unerwünschte Beschädigungen an Verbindungsleitungen zwischen dem Bypassventil und der Expansionsmaschine sicher ausgeschlossen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsmaschinengehäuse der Expansionsmaschine zur Aufnahme des Bypassventils eine Ventilausnehmung aufweist, in die ein Zulaufkanal mündet, der mit dem Verdampfer verbunden ist, und von der ein Expansions-Verbindungskanal ausgeht. Der Expansions-Verbindungskanal schafft eine Verbindung zwischen dem Bypassventil und mindestens einem Expansionsraum oder Arbeitsraum in der Expansionsmaschine. Die Verbindungskanäle können kostengünstig aus Bohrungen in dem Expansionsmaschinengehäuse ausgeführt sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Expansions-Verbindungskanal parallel zu dem Zulaufkanal angeordnet ist, der wiederum senkrecht zu einer Längsachse der Ventilausnehmung angeordnet ist. Die Ventilausnehmung ist vorteilhaft ebenfalls als Bohrung, insbesondere als Sackbohrung, in dem Expansionsmaschinengehäuse ausgeführt. Durch die beanspruchte Anordnung der Kanäle und der Ventilausnehmung in dem Expansionsmaschinengehäuse wird auf einfache Art und Weise eine kostengünstige Fertigung der Expansionsmaschine mit dem integrierten Bypassventil ermöglicht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilausnehmung ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende aufweist, von dem ein Bypasskanal ausgeht. An das offene Ende der vorzugsweise als Sackloch ausgeführten Ventilausnehmung kann vorteilhaft eine Magnetbaugruppe angebaut werden, mit der das Bypassventil elektromagnetisch betätigbar ist. Dadurch wird die Montage des Bypassventils erheblich vereinfacht. Der Bypasskanal ist vorteilhaft als Bohrung ausgeführt, die koaxial zu der Ventilausnehmung ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Mündungsbereich des Bypasskanals in die Ventilausnehmung zur Darstellung eines ersten Ventilsitzes ein Durchgangskörper mit einer Dichtfläche oder Dichtkante für einen Ventilkolben angeordnet ist. Bei dem Durchgangskörper handelt es sich vorteilhaft um eine Hülse, die zum Beispiel in dem Bypasskanal eingeschraubt ist. Der Durchgangskörper kann aber auch in den Bypasskanal eingepresst werden. Je nach Ausführung kann der Durchgangskörper auch einstückig mit dem Expansionsmaschinengehäuse verbunden sein. Der Ventilkolben ist vorteilhaft als Hohlkolben in Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels mit Durchgangslöchern an seinen Stirnseiten ausgeführt. Wenn der Ventilkolben an der Dichtfläche oder Dichtkante des Durchgangskörpers zur Anlage kommt, wird der erste Ventilsitz geschlossen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben in einem Führungskörper hin und her bewegbar geführt ist und Durchgangslöcher aufweist, die einen Durchtritt des Arbeitsmediums ermöglichen. Der Führungskörper ist zum Beispiel in die Ventilausnehmung eingeschraubt. Der Führungskörper kann aber auch in die Ventilausnehmung eingepresst werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Führungskörper einen Befestigungsflansch aufweisen, der mit Hilfe von Befestigungsmitteln, wie Schrauben, an dem Expansionsmaschinengehäuse befestigbar ist. Die Durchgangslöcher in dem Ventilkolben ermöglichen eine axiale Durchströmung des Ventilkolbens in dem Führungskörper.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper zur Darstellung eines zweiten Ventilsitzes eine Dichtfläche oder Dichtkante für den Ventilkolben aufweist. Der Ventilkörper ist in axialer Richtung zwischen den beiden Ventilsitzen hin und her bewegbar in dem Führungskörper geführt. Durch eine Ventilfeder, die vorteilhaft ebenfalls in dem Expansionsmaschinengehäuse angeordnet ist, ist der Ventilkolben vorzugsweise gegen die Dichtfläche oder Dichtkante an dem Führungskörper vorgespannt. Bei einer elektromagnetischen Betätigung des Bypassventils wird der Ventilkolben, zum Beispiel über einen Betätigungsstößel, durch einen Anker entgegen einer Federkraft der Ventilfeder auf den Durchgangskörper in dem Bypasskanal zubewegt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Expansionsmaschine, ein Expansionsmaschinengehäuse, ein Bypassventil, einen Ventilkolben, einen Führungskörper und/oder einen Durchgangskörper für ein vorab beschriebenes System. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein System zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die im Betrieb über ein Abgas Restwärme abgibt, die wiederum in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt wird, um mit Hilfe einer Expansionsmaschine aus der Abgasrestwärme Energie zurückzugewinnen, und
- 2 ein Expansionsmaschinengehäuse der Expansionsmaschine aus 1 mit einem integrierten Bypassventil.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein WHR-System 3, wobei die Großbuchstaben WHR für die englischen Begriffe Waste-Heat-Recovery stehen. Das WHR-System 3, das verkürzt auch als System bezeichnet wird, dient dazu, in einem Antriebsstrang 4 eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine 10 einen Teil der eingesetzten Primärenergie über einen Dampfkraftprozess wieder nutzbar zu machen. Dadurch kann vorteilhaft Kraftstoff eingespart werden, was mit einer entsprechenden Reduktion des Kohlendioxidausstoßes und der Betriebskosten verbunden ist.
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In 1 ist durch einen Pfeil 1 Frischluft angedeutet, die dem System 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 2 ist ein Auspuff angedeutet, über den nicht mehr nutzbares Abgas aus dem System 3 abgeführt wird.
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Die Frischluft 1 wird der Brennkraftmaschine 10 über eine Luftzufuhr 5 mit einem Drosselventil 6 zugeführt. In der Luftzufuhr 5 ist ein Verdichter 8 eines Abgasturboladers 16 angeordnet. Zwischen dem Verdichter 8 des Abgasturboladers 16 und dem Drosselventil 6, das auch als Drosselklappe bezeichnet wird, ist ein Einlasskühler 7 angeordnet.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 auftretendes Abgas wird über eine Abgasabfuhr 14 abgeführt. Die Abgasabfuhr 14 ist über eine Abgasrückführleitung 11 mit der Luftzufuhr 5 verbindbar. In der Abgasrückführleitung 11 sind ein Abgasrückführkühler 12 und ein Abgasrückführventil 13 angeordnet.
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In der Abgasabfuhr 14 ist eine Turbine 15 des Abgasturboladers 16 angeordnet. Darüber hinaus sind in der Abgasabfuhr 14 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 18, ein Abgasbypassventil 19 und ein Verdampfer 20 angeordnet. Der Verdampfer 20 dient zur Darstellung eines thermodynamischen Kreisprozesses 21.
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Bei dem thermodynamischen Kreisprozess 21 handelt es sich um einen Dampfkraftprozess, der auch als Rankine-Prozess oder Clausius-Rankine-Kreisprozess bezeichnet wird. Die zentrale Komponente des Dampfprozesses 21 ist eine Expansionsmaschine 22, welche ein dampfförmiges, überhitztes Arbeitsmedium unter Abgabe von Arbeit an eine Expanderwelle entspannt.
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Als Expansionsmaschine 22 wird eine Strömungsmaschine, zum Beispiel eine Turbomaschine, oder eine Verdrängermaschine, zum Beispiel eine Kolbenmaschine, eine Schraubenmaschine oder eine Scroll-Maschine, eingesetzt. Die Wellenarbeit der Expansionsmaschine 22 wird entweder über ein Getriebe an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 abgegeben oder zum Antreiben einer (nicht dargestellten) Elektromaschine verwendet, welche die zurückgewonnene elektrische Energie in ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs einspeist.
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In dem Kreisprozess 21 ist des Weiteren ein Kondensator 24 mit einem Kühlkreislauf 25, der einen Kühler 26 umfasst, angeordnet. Eine Pumpeneinheit 28 ist in dem Kreisprozess 21 zwischen dem Kondensator 24 und dem Verdampfer 20 angeordnet. Die Pumpeneinheit 28 umfasst eine Pumpe für das Arbeitsmedium. Die Pumpe ist durch einen symbolisch angedeuteten Elektromotor angetrieben. Die Pumpeneinheit 28 ist unter Zwischenschaltung eines Tankventils 29 mit einem Arbeitsmediumreservoir 30 verbindbar.
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Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich um ein niedrigviskoses Medium, wie ein ORC-Fluid. Die Buchstaben ORC stehen für die englischen Begriffe Organic Rankine Cycle. Beispiele für ORC-Fluide sind Ethanol oder Cyclopentan. Im Rahmen von Kraftfahrzeuganwendungen hat sich die Verwendung von einem Kältemittel, wie es in Klimaanlagen eingesetzt wird, als vorteilhaft erwiesen. Das Kältemittel hat ausreichend gute thermodynamische Eigenschaften und ist zudem nicht brennbar.
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Der Verdampfer 20 ist über eine Zulaufleitung 33 mit einem Bypassventil 35 verbunden. Das Bypassventil 35 ist über eine Verbindungsleitung 36 mit der Expansionsmaschine 22 verbunden. Darüber hinaus ist das Bypassventil 35 über einen Bypass 38 mit einer Verbindungsleitung 39 verbunden, die wiederum die Expansionsmaschine 22 mit dem Kondensator 24 verbindet.
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Beim Dampfkraftprozess wird das Arbeitsmedium oder Arbeitsfluid durch die Pumpeinheit 28 von einem niedrigen auf einen höheren Druck gebracht und in den Verdampfer 20 gefördert. Dieser nimmt die Abwärme vom Abgastrakt und der Abgasrückführung auf und verdampft das Arbeitsfluid. Der erzeugte Dampf verrichtet in der Expansionsmaschine 22 Arbeit und wird anschließend in dem Kondensator 24 wieder verflüssigt, wobei die Restwärme an die Umgebung abgegeben wird. Schließlich wird die Flüssigkeit erneut der Pumpeinheit 28 zugeführt.
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Über das Bypassventil 35 kann das Arbeitsmedium entweder über die Expansionsmaschine 22 oder über den Bypass 38 direkt zum Kondensator 24 geführt oder geleitet werden. Aufgabe des Bypassventils 35 ist es, bei einer mechanischen Anbindung der Expansionsmaschine 22 an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 bei einem Momentenwunsch von Null das Arbeitsmedium direkt über den Bypass 38 zum Kondensator 24 zu leiten. Das führt dann dazu, dass die Expansionsmaschine 22 vom Arbeitsmedium nicht angetrieben wird und somit kein Moment an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 abgibt. Eine zweite Aufgabe des Bypassventils 35 besteht darin, die Expansionsmaschine 22 zu schützen, wenn sich das Arbeitsmedium in einem Nassdampfbereich befindet. Dadurch können Beschädigungen an der Expansionsmaschine 22 verhindert werden.
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Das Bypassventil 35 ist ein 3/2- Wegeventil, das die Zulaufleitung 33 entweder mit der Expansionsmaschine 22, zum Beispiel einer Turbine, oder mit dem Bypass 38 verbindet. Dabei wird das Bypassventil 35 über einen Aktor gesteuert.
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In 2 ist gezeigt, dass das Bypassventil 35 vorteilhaft in die Expansionsmaschine 22 integriert ist. Die Expansionsmaschine 22 umfasst ein Expansionsmaschinengehäuse 50 mit einer Ventilausnehmung 52 für das Bypassventil 35. Die Ventilausnehmung 52 ist vorteilhaft als Bohrung mit Ringkanälen 41, 42 ausgeführt, die an Dichtstellen 61, 62, 63 dicht voneinander getrennt sind. An der Dichtstelle 61 ist zum Beispiel ein O-Ring zwischen einem Führungskörper 54 und dem Expansionsmaschinengehäuse 50 angeordnet.
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Durch die Anordnung des Bypassventils 35 in der Expansionsmaschine 22 kann eine herkömmliche Verrohrung entfallen. Außerdem können Bauteile, wie eine Federanlagefläche, in das Expansionsmaschinengehäuse 50 integriert werden, das auch als Expandergehäuse bezeichnet wird. Darüber hinaus ist das in die Expansionsmaschine 22 integrierte Bypassventil 35 kostengünstig herstellbar und einfach montierbar. Vorteilhaft wird Bauraum für ein separates Bypassventil eingespart.
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Der Führungskörper 54 ist mit Hilfe eines Gewindes 55 in die Ventilausnehmung 52 eingeschraubt. Zur Zentrierung des Führungskörpers 54 in der Ventilausnehmung 52 dienen Zentrierringkörper 56, 57, 58, die einstückig mit dem Führungskörper 54 verbunden sind. Ein Innenraum 64 des Führungskörpers 54 steht über Durchgangslöcher mit den Ringkanälen 41, 42 in Verbindung.
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Von dem Ringkanal 41 geht ein Expansions-Verbindungskanal 66 aus. Der Expansions-Verbindungskanal 66 steht in dem Expansionsmaschinengehäuse 50 mit einem (nicht dargestellten) Arbeitsraum oder Expansionsraum der Expansionsmaschine 22 in Verbindung.
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In den Ringkanal 42 mündet ein Zulaufkanal 65. Der Zulaufkanal 65 steht, zum Beispiel über die Zulaufleitung (33 in 1), mit dem Verdampfer (20 in 1) in Verbindung.
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Die Ventilausnehmung 52 und der Führungskörper 54 haben eine gemeinsame Längsachse 68. Die Ventilausnehmung 52 ist zum Beispiel als Sackloch mit einem geschlossenen Ende 69 ausgeführt. Von dem geschlossenen Ende 69 der Ventilausnehmung 52 geht ein Bypasskanal 70 aus. Der Bypasskanal 70 steht mit dem Bypass (38 in 1) in Verbindung.
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Ein Durchgangskörper 72 ist mit einem in 2 linken Ende in den Bypasskanal 70 eingeschraubt oder eingepresst. Der Durchgangskörper 72 weist ein zentrales Durchgangsloch auf, das den Bypasskanal 70 mit dem Innenraum 64 des Führungskörpers 54 verbindet. In seinem in 2 rechten Ende weist der Durchgangskörper 72 eine Dichtkante oder Dichtfläche auf, die zur Darstellung eines ersten Ventilsitzes 91 mit einem Ventilkolben 74 dient.
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Der Ventilkolben 74 ist in dem Führungskörper 54 in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Längsachse 68, hin und her bewegbar geführt. Dabei hat der Ventilkolben 74 die Gestalt eines geraden Kreiszylinders 75, der innen hohl ist. Die Enden des hohlen Kreiszylinders 75 sind durch Deckel 76, 77 verschlossen. Der Deckel 76 umfasst Durchgangslöcher 78, 79, die den Durchtritt von Arbeitsmedium ermöglichen. Der Deckel 77 umfasst Durchgangslöcher 80, 81, die den Durchtritt von Arbeitsmedium ermöglichen.
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Der Führungskörper 54 umfasst zur Darstellung eines zweiten Ventilsitzes 92 eine Dichtfläche oder Dichtkante, an welcher der Ventilkolben 74 in 2 mit einer Dichtkante oder Dichtfläche dichtend anliegt. Durch eine Ventilfeder 82, die als Schraubendruckfeder ausgeführt ist, ist der Ventilkolben 74 in seine in 2 dargestellte Bypass-Schaltstellung vorgespannt.
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In der Bypass-Schaltstellung ist der Zulaufkanal 65 über die Durchgangslöcher 78 bis 81 in dem Ventilkolben 74 und den Durchgangskörper 72 mit dem Bypasskanal 70 verbunden. Somit gelangt das Arbeitsmedium von dem Verdampfer (20 in 1) über das Bypassventil 35 und den Bypasskanal 70 direkt zum Kondensator (24 in 1).
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Die Bypassventileinrichtung 35 wird durch eine Elektromagneteinrichtung 90 mit einer Magnetbaugruppe 88 betätigt, die in 2 nur angedeutet ist. Die Magnetbaugruppe 88 umfasst einen Anker 86, der mit einem Betätigungsstößel 85 kombiniert ist. Der Betätigungsstößel 85 liegt mit seinem in 2 linken Ende an dem Deckel 77 des Ventilkolbens 74 an.
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Bei einer Bestromung der Elektromagneteinrichtung 90 bewegt sich der Anker 86 zusammen mit dem Betätigungsstößel 85 in 2 nach links, wodurch der Ventilkolben 74 auf den Durchgangskörper 72 zubewegt wird. Dabei wird der zweite Ventilsitz 92 geöffnet.
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Wenn der Deckel 76 des Ventilkolbens 74 dichtend an dem in 2 rechten Ende des Durchgangskörpers 72 zur Anlage kommt, ist der erste Ventilsitz 91 geschlossen. In dieser, in 2 nicht dargestellten, Schaltstellung ist der Zulaufkanal 65 mit dem Expansions-Verbindungskanal 66 verbunden. Daher wird diese Schaltstellung auch als Expansions-Schaltstellung bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057247 A1 [0002]
