DE102017011851A1 - Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in mechanische Energie, wobei ein Arbeitskreislauf (2) für ein Arbeitsmedium vorgesehen ist, das unter Verwendung der Verlustwärme erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf (2) eine Expansionsmaschine (6) zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei der Arbeitskreislauf (2) durch einen der Expansionsmaschine (6) in Strömungsrichtung (S) des Arbeitsmediums vorgelagerten Wärmetauscher verläuft, wobei der Wärmetauscher einen Abgasrückführungswärmetauscher (4) mit einem kälteren Teil (4.1) und einem wärmeren Teil (4.2), einen Abgaswärmetauscher (3) und eine Phasenübergangs-Kühlung in der Verbrennungskraftmaschine (1) umfasst, wobei der Wärmetauscher durch serielle Verschaltung in der Reihenfolge kälterer Teil (4.1) des Abgasrückführungswärmetauschers (4), Abgaswärmetauscher (3), Phasenübergangs-Kühlung in der Verbrennungskraftmaschine (1), wärmerer Teil (4.2) des Abgasrückführungswärmetauschers (4) gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus US 2014/0137554 A1 ist ein Abwärmerückgewinnungs-System bekannt, das ein Arbeitsfluid mit Fluiddurchgängen verbindet, die in einem Motorblock und/oder einem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine mit interner Verbrennung ausgebildet sind um einen Wärmetauscher zu bilden. Die Fluiddurchgänge sind in der Nähe von Hochtemperaturbereichen der Maschine ausgebildet, um dem Arbeitsfluid genügend Wärmeenergie zuzuführen um das Arbeitsfluid zu verdampfen während das Arbeitsfluid vorteilhafterweise den Motorblock und/oder den Zylinderkopf kühlt um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Die Anordnung des Motorwärmetauschers stromabwärts vom Abgasrückführungs-Überhitzer und stromaufwärts von einem Abgaswärmetauscher führt zu einer optimalen Position des Motorwärmetauschers bezüglich des thermodynamischen Kreislaufs des Abwärmerückgewinnungs-Systems, wobei die Kühlung des rückgeführten Abgases priorisiert wird. Die Anordnung von Ventilen im Abwärmerückgewinnungs-System bietet die Möglichkeit eine Vielzahl von parallelen Fluss-Pfaden für optimalen Betrieb zu wählen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in mechanische Energie umfasst einen Arbeitskreislauf für ein Arbeitsmedium, das unter Verwendung der Verlustwärme erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf eine Expansionsmaschine zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei der Arbeitskreislauf durch einen der Expansionsmaschine in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vorgelagerten Wärmetauscher verläuft, wobei der Wärmetauscher einen Abgasrückführungswärmetauscher mit einem kälteren Teil und einem wärmeren Teil, einen Abgaswärmetauscher und eine Phasenübergangs-Kühlung in der Verbrennungskraftmaschine umfasst, wobei der Wärmetauscher durch serielle Verschaltung in der Reihenfolge kälterer Teil des Abgasrückführungswärmetauschers, Abgaswärmetauscher, Phasenübergangs-Kühlung in der Verbrennungskraftmaschine, wärmerer Teil des Abgasrückführungswärmetauschers gebildet ist.
  • In einer Ausführungsform ist mindestens ein Wärmetauscher, insbesondere mindestens ein Teil des Abgasrückführungswärmetauschers, als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet. Zur Verbesserung der Betriebssicherheit gegen Überhitzung können die Gegenstrom-Wärmetauscher oder Teile der Gegenstrom-Wärmetauscher durch Gleichstrom-Wärmetauscher ersetzt werden, was allerdings zulasten der Systemleistung geht.
  • Erfindungsgemäß ist der Abgaswärmetauscher im Arbeitskreislauf stromaufwärts vor der Verbrennungskraftmaschine und stromabwärts vom kälteren Teil des Abgasrückführungswärmetauschers seriell angeordnet. In der Verbrennungskraftmaschine ist die Kühlung als Phasenübergangs-Kühlung (PCC - phase change cooling) ausgeführt. Dies ermöglicht, Wasser oder ein Wasser-Ethanol-Gemisch als Kühlmedium zu verwenden und einen hohen Verdampfungsdruck zu fahren. Die Phasenübergangs-Kühlung ermöglicht eine konstant hohe Wandtemperatur, so dass die sogenannte Pinch-Punkt-Problematik entschärft werden kann. Ein Kraftstoffeinsparungspotential von 7 % bis 8% bei Einsatz in schweren Nutzfahrzeugen erscheint möglich. Gegenüber einer parallelen Verschaltung kann die Kraftstoffeffizienz beispielsweise um 2% verbessert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Arbeitskreislauf zur Abgaswärmerückgewinnung, und
    • 2 eine schematische Darstellung eines zusätzlichen Kühlsystems.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Arbeitskreislauf 2, der zur Durchführung eines Dampfkreisprozesses, insbesondere eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses, ausgebildet ist.
  • Der Verbrennungskraftmaschine 1 wird Verbrennungsluft V zugeführt, die zu einem Teil aus Frischluft F besteht. Abgase A der Verbrennungskraftmaschine 1 werden zum Teil über einen Abgaswärmetauscher 3 und eine Auspuffanlage (nicht gezeigt) in die Umgebung abgeführt und zum Teil über einen Abgasrückführungswärmetauscher 4 mit der Frischluft F zusammengeführt, um mit dieser die Verbrennungsluft V zu bilden.
  • Der Abgasrückführungswärmetauscher 4 weist einen kälteren Teil 4.1 und einen wärmeren Teil 4.2 auf, wobei der kältere Teil 4.1 im Abgasstrom stromabwärts vom wärmeren Teil 4.2 liegt.
  • Der Arbeitskreislauf 2 ist aus dem kälteren Teil 4.1 des Abgasrückführungswärmetauschers 4 heraus seriell nacheinander über den Abgaswärmetauscher 3, die Verbrennungskraftmaschine 1 in den wärmeren Teil 4.2 des Abgasrückführungswärmetauschers 4 geführt. In der Verbrennungskraftmaschine 1 kann die Kühlung als Phasenübergangs-Kühlung (PCC - phase change cooling) ausgeführt sein. Im Arbeitskreislauf 2 ist ein Arbeitsmedium vorgesehen, beispielsweise Wasser und/oder Ethanol und/oder Methanol.
  • Im Arbeitskreislauf 2 zirkuliert das Arbeitsmedium, das unter Verwendung von Verlustwärme, insbesondere Abgaswärme und/oder Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine 1, erwärmbar und verdampfbar ist. Im Arbeitskreislauf 2 wird das Arbeitsmedium nach Passieren des wärmeren Teils 4.2 des Abgasrückführungswärmetauschers 4 einer Expansionsmaschine 6 zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums zugeführt. Das Arbeitsmedium zirkuliert im Arbeitskreislauf 2, angetrieben von einer Pumpe 7.
  • Der Arbeitskreislauf 2 verläuft in Strömungsrichtung S des Arbeitsmediums nach der Expansionsmaschine 6 durch einen Kondensator 8 und die Pumpe 7 zurück in den kälteren Teil 4.1 des Abgasrückführungswärmetauschers 4. Das Arbeitsmedium wird durch Abgaswärme im Abgasrückführungswärmetauscher 4 und im Abgaswärmetauscher 3 sowie durch Motorwärme in der Verbrennungskraftmaschine 1 erwärmt und zumindest teilweise verdampft. In der Expansionsmaschine 6 expandiert das Arbeitsmedium, wobei thermische Energie in mechanische Energie gewandelt wird, die anschließend gegebenenfalls mittels eines Generators (nicht dargestellt) in elektrische Energie umgewandelt oder anderweitig genutzt wird. Durch die Expansion kühlt das Arbeitsmedium ab und wird anschließend durch den Kondensator 8 geleitet und dort abgekühlt und kondensiert, bevor es wieder die Pumpe 7 erreicht.
  • Druck und Temperatur der Verdampfungskühlung können wie folgt geregelt werden:
  • Die Temperatur wird mithilfe eines Massenstroms des Arbeitsmediums geregelt. Soll die Arbeitsmedientemperatur am Expansionsmaschineneintritt abgesenkt werden, ist der Arbeitsmedienmassenstrom zu erhöhen. Soll die Arbeitsmedientemperatur am Expansionsmaschineneintritt erhöht werden, ist der Arbeitsmedienmassenstrom abzusenken. Die Pumpe 7 kann dabei elektrisch variabel ausgeführt sein, oder auch über ein variables Getriebe mit der Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 gekoppelt sein. Bei starrer Anbindung an die Motordrehzahl kann der Massenstrom über variablen Hub oder einen Bypass eingestellt werden.
  • Der Verdampfungsdruck kann über eine volumetrische Expansionsmaschine 6, die beispielsweise als Scroll-Expander, Schraube, Kolbenexpander ausgebildet ist, in weiten Bereichen über die Drehzahl der Expansionsmaschine 6 eingestellt werden, da EinlassVolumenstrom und Drehzahl fast linear voneinander anhängen. Wird eine Turbine, beispielsweise eine Radialturbine oder eine Axialturbine, als Expansionsmaschine 6 verwendet, ist der Druck durch den wirksamen Querschnitt der Turbine und den Durchsatz gegeben. Dieser Querschnitt kann auch variabel gestaltet sein, z.B. über eine variable Turbinengeometrie oder eine variable Teilbeaufschlagung.
  • Für die Verdampfungskühlung einer Verbrennungskraftmaschine 1 kann sich die Kombination einer volumetrischen Expansionsmaschine 6 und einer Turbine als besonders vorteilhaft erweisen: Mit der Drehzahl der volumetrischen Expansionsmaschine 6 lässt sich der Verdampfungsdruck einstellen. Die nachgeschaltete Turbine ist in der Lage, bei geringer Baugröße den bei sehr niedrigem Kondensationsdruck großen Volumenstrom effektiv zu nutzen. Der Arbeitsmedienstrom vom Verdampfer, das heißt der seriellen Anordnung aus dem kälteren Teil 4.1 des Abgasrückführungswärmetauschers 4, des Abgaswärmetauschers 3, der Verbrennungskraftmaschine 1 und des wärmeren Teils 4.2 des Abgasrückführungswärmetauschers 4, weist bei der Zuführung in die volumetrische Expansionsmaschine 6 eine hohe Temperatur und einen hohen Verdampfungsdruck auf. Die volumetrische Expansionsmaschine 6 stellt durch ihre Drehzahl den Einlassvolumenstrom und damit den Einlassdruck ein. Die nachgeschaltete Turbine kann den großen Volumenstrom, der durch den niedrigen Kondensationsdruck bedingt ist, bei akzeptabler Baugröße noch effektiv nutzen. Der aus der beispielsweise als Turbine ausgebildeten Expansionsmaschine 6 austretende Arbeitsmedienstrom zum Kondensator 8 weist eine niedrige Temperatur und einen sehr niedrigen Kondensationsdruck auf.
  • Die Druck-Regelung kann auf folgenden Kriterien beruhen:
  • Der Verdampfungsdruck bestimmt bei der Verdampfungskühlung die Wandtemperatur der gekühlten Teile. Eine hohe Wandtemperatur sorgt für einen geringeren Wärmeübergang während der Verbrennung und dadurch für eine heißere und eventuell schnellere Verbrennung, bei der tendenziell mehr Stickstoffoxid (NOx) entsteht. Bei NOx-kritischem Motorbetrieb (z.B. innerstädtisch oder bei kalter Abgasnachbehandlung) kann gezielt ein niedriger Verdampfungsdruck gefahren werden, um die Stickoxidemissionen zu mindern.
  • Im Normalbetrieb sollte der Verdampfungsdruck so eingestellt werden, dass die Wandtemperaturen etwa die mit einem konventionellen Kühlsystem erzielbaren Werte erreichen. Auch höhere Wandtemperaturen lassen sich sicher betreiben, weil die Temperatur sich wesentlich präziser einstellen lässt als dies mit Kühlwasser möglich ist. Deswegen muss weniger Sicherheitsabstand zu kritischen Werten gehalten werden. Heißere Wandtemperaturen führen zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig höheren NOx-Emissionen. Ein Kompromiss zwischen diesen beiden Emissionen kann durch den zusätzlichen Freiheitsgrad des Verdampfungsdruckes besser eingestellt werden.
  • Wenn der sichere Betrieb der zu kühlenden Komponenten und die Einhaltung der Schadstoffemissionen sichergestellt ist, so kann der Verdampfungsdruck so eingestellt werden, dass die Leistung der Expansionsmaschine 6 (oder Expansionsmaschinen) abzüglich der Leistung der Pumpe 7 optimal ist.
  • Die Temperatur-Regelung soll sicherstellen, dass die höchste Temperatur im System nicht die Zersetzungstemperatur des verwendeten Arbeitsmediums oder eines verwendeten Konstruktionsmaterials, beispielsweise für Dichtungen, überschreitet. Weiter soll die Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine 6 den Anforderungen der Expansionsmaschine 6 entsprechen. Bei Verwendung einer Turbine sollte der Auslassdampf nicht zu nass werden, damit die Turbine nicht durch Tropfenschlag gefährdet wird.
  • Folgende Sensoren können vorgesehen sein: ein Drucksensor am Eintritt der Expansionsmaschine 6, ein Temperatursensor am Eintritt der Expansionsmaschine 6, ein Drucksensor und ein Temperatursensor am Eintritt der Pumpe 7, ein Drucksensor am Austritt der Pumpe 7.
  • Zusätzlich kann ein Massenstromsensor nach der Pumpe 7 vorgesehen sein, insbesondere falls die Pumpe 7 nicht gut über ein Modell beschreibbar ist. Weitere Temperatursensoren können vor und/oder nach den einzelnen Teilen des Verdampfers, das heißt dem kälteren Teil 4.1 des Abgasrückführungswärmetauschers 4, dem Abgaswärmetauscher 3, der Verbrennungskraftmaschine 1 und dem wärmeren Teil 4.2 des Abgasrückführungswärmetauschers 4 vorgesehen sein.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zusätzlichen Kühlsystems 10. In einem Kühlluftstrom K als erstes, beispielsweise an einer Fahrzeugfront, liegt ein Ladeluftkühler 11. Die Ladeluftkühlung kann direkt oder indirekt erfolgen, bei indirekten Systemen sind auch mehrere Stufen möglich. Andere Komponenten mit Kühlungsbedarf mit niedrigem Temperaturniveau können ebenfalls integriert sein. Weiter kann ein Klimakondensator (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
  • Dem Ladeluftkühler 11 im Kühlluftstrom K nachgelagert ist ein Rückkühler 12 für die Verdampfungskühlung vorgesehen. Dieser sollte ebenfalls mit möglichst kühler Luft versorgt werden. Die Ladeluftkühlung oder Niedertemperatur-Kühlung hat aber Vorrang. Der Rückkühler 12 liegt in einem Kühlwasserkreis 13. Mithilfe eines 3/2-Wege Ventils 14 wird die Temperatur des Kühlwasserkreises 13 nach unten begrenzt, um zu niedrige Kondensationstemperaturen oder, bei Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium, Einfrieren zu verhindern. Eine Kühlwasserpumpe 15 ist vorzugsweise regelbar (mechanisch oder elektrisch) und stellt den Massenstrom im Kühlwasserkreis 13 so gering ein, dass die Unterkühlung der Pumpe 7 im Arbeitskreislauf 2 sichergestellt ist. Optional stellt die regelbare Kühlwasserpumpe 15 den Massenstrom im Kühlwasserkreis 13 so groß ein, dass die Leistungsbilanz des Systems (Leistung der Expansionsmaschine 6-Leistung der Pumpe 7-Leistung der Kühlwasserpumpe 15) möglichst optimal ist. Nach der Kühlwasserpumpe 15 durchströmt das Kühlwasser den als Kondensationswärmetauscher ausgebildeten Kondensator 8 des Arbeitskreislaufs 2.
  • Die beschriebene Prozessführung eines Abgaswärmenutzungssystems kombiniert den Ansatz einer erhöhten Temperatur im Zylinderkopf mit einem seriell verschalteten Abgaswärmerückgewinnungssystem.
  • Durch die konstant hohe Wärmezuführungstemperatur im Zylinderkopf - eine Wärmequelle wie zum Beispiel Abgas kühlt sich ab, wenn man ihr Wärme entzieht, der Zylinderkopf durch die gleichzeitige Wärmezufuhr durch die Verbrennung und Reibung nicht - wird der effiziente Einsatz des Arbeitsmediums Wasser (oder Wasser/Ethanol Gemisch) möglich. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Abwärmenutzungssystemes fast verdoppelt werden; gleichzeitig wird der Wärmeeintrag in das System durch den zusätzlichen Wärmeeintrag der Motorkühlung deutlich erhöht.
  • Die Systemleistung der Anordnung kann dabei erheblich erhöht werden. Weitere Vorteile können für die Verbrennung, die Abgasnachbehandlung sowie für die Aufladung erzielt werden. Die Verbrennung erleidet durch die gleichmäßigeren Wandtemperaturen geringere Wärmeverluste, die Aufladung und die Abgasnachbehandlung profitieren durch höhere Abgastemperaturen. Dadurch kann das eventuell höhere NOx-Niveau durch die homogenere Wandtemperatur überkompensiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungskraftmaschine
    2
    Arbeitskreislauf
    3
    Abgaswärmetauscher
    4
    Abgasrückführungswärmetauscher
    4.1
    kälterer Teil
    4.2
    wärmerer Teil
    6
    Expansionsmaschine
    7
    Pumpe
    8
    Kondensator
    10
    Kühlsystem
    11
    Ladeluftkühler
    12
    Rückkühler
    13
    Kühlwasserkreis
    14
    3/2-Wege Ventil
    15
    Kühlwasserpumpe
    A
    Abgase
    F
    Frischluft
    K
    Kühlluftstrom
    S
    Strömungsrichtung
    V
    Verbrennungsluft
  • 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
    • US 2014/0137554 A1 [0002]

Claims (6)

  1. Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in mechanische Energie, wobei ein Arbeitskreislauf (2) für ein Arbeitsmedium vorgesehen ist, das unter Verwendung der Verlustwärme erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf (2) eine Expansionsmaschine (6) zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei der Arbeitskreislauf (2) durch einen der Expansionsmaschine (6) in Strömungsrichtung (S) des Arbeitsmediums vorgelagerten Wärmetauscher verläuft, wobei der Wärmetauscher einen Abgasrückführungswärmetauscher (4) mit einem kälteren Teil (4.1) und einem wärmeren Teil (4.2), einen Abgaswärmetauscher (3) und eine Phasenübergangs-Kühlung in der Verbrennungskraftmaschine (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher durch serielle Verschaltung in der Reihenfolge kälterer Teil (4.1) des Abgasrückführungswärmetauschers (4), Abgaswärmetauscher (3), Phasenübergangs-Kühlung in der Verbrennungskraftmaschine (1), wärmerer Teil (4.2) des Abgasrückführungswärmetauschers (4) gebildet ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Wasser und/oder Ethanol und/oder Methanol vorgesehen ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine (1) mithilfe eines Massenstroms des Arbeitsmediums regelbar ist.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (6) eine volumetrische Expansionsmaschine umfasst.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (6) eine Turbine umfasst.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Kühlsystem (10) vorgesehen ist, das mittels Kühlluft gekühlt ist und zur Kühlung eines als Kondensationswärmetauscher ausgebildeten Kondensators (8) des Arbeitskreislaufs (2) ausgebildet ist.
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