-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses und einer Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung.
-
Bei einer solchen Anordnung ist die Brennkraftmaschine mit dem System thermisch derart wirkverbunden, dass Abwärme der Brennkraftmaschine in dem System für die Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses nutzbar ist. Das System weist einen Arbeitsmedienkreislauf auf, in welchem im Betrieb des Systems ein Arbeitsmedium strömt, wobei der Arbeitsmedienkreislauf - insbesondere in der angegebenen Reihenfolge in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums entlang des Arbeitsmedienkreislaufs gesehen - eine Arbeitsmedien-Fördereinrichtung, insbesondere eine Speisepumpe, einen Verdampfer, eine Expansionseinrichtung und einen Kondensator aufweist. Das Arbeitsmedium wird in flüssiger Phase von der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung zu dem Verdampfer gefördert, wo es Abwärme der Brennkraftmaschine aufnimmt und verdampft wird. In dampfförmiger Phase strömt das Arbeitsmedium weiter zu der Expansionseinrichtung, in welcher es entspannt wird, wobei es mechanische Arbeit an der Expansionseinrichtung leistet. Das entspannte Arbeitsmedium strömt von der Expansionseinrichtung weiter zu dem Kondensator, in welchem es gekühlt und vorzugsweise wieder verflüssigt wird. Von dem Kondensator strömt das Arbeitsmedium wiederum weiter zu der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung, sodass der Arbeitsmedienkreislauf geschlossen ist. In der Expansionseinrichtung treibt das Arbeitsmedium bevorzugt eine Abtriebswelle an, welche bei einer Ausgestaltung des Systems mit einer elektrischen Maschine antriebswirkverbunden sein kann, sodass die elektrische Maschine von der Abtriebswelle antreibbar ist. Dabei ist die elektrische Maschine vorzugsweise als Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung ausgebildet. Bei einer anderen Ausgestaltung des Systems ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Abtriebswelle der Expansionseinrichtung mechanisch mit einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit derselben Brennkraftmaschine, deren Abwärme in dem System genutzt wird, wirkverbunden ist, sodass die Brennkraftmaschine durch die Expansionseinrichtung unterstützt werden kann. Insbesondere kann die Expansionseinrichtung ein zusätzliches Drehmoment an der Brennkraftmaschine aufbringen und so zusätzlich zur Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine beitragen. Dabei ist die Abtriebswelle der Expansionseinrichtung vorzugsweise mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden, insbesondere über einen auf einer Kraftgegenseite der Brennkraftmaschine vorgesehenen Rädertrieb.
-
Die Brennkraftmaschine ist insbesondere mit dem Verdampfer des Arbeitsmedienkreislaufs thermisch verbunden, wobei besonders bevorzugt Abgas der Brennkraftmaschine durch den Verdampfer strömt, sodass Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine zum Verdampfen des Arbeitsmediums in dem Verdampfer genutzt wird. Es ist möglich, dass dem Arbeitsmedienkreislauf zusätzlich, insbesondere zur Vorwärmung des Arbeitsmediums stromaufwärts des Verdampfers, Abwärme aus einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
-
Das Abgas strömt - entlang eines Abgasstrangs der Brennkraftmaschine gesehen - bevorzugt stromabwärts von gegebenenfalls in dem Abgasstrang angeordneten Abgasturbinen, beispielsweise einer Turbine eines Abgasturboladers, durch den Verdampfer, um zu vermeiden, dass einer solchen Abgasturbine durch das System Exergie entzogen wird. Häufig sind jedoch noch stromaufwärts einer solchen Abgasturbine oder unmittelbar an der Abgasturbine aktiv gekühlte, abgasführende Bauteile vorgesehen, die mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine beaufschlagt werden, um eine unzulässig hohe Bauteiltemperatur zu verhindern. Bei diesen Bauteilen kann es sich beispielsweise um einen Abgaskrümmer, einen Abgasleitungsabschnitt zwischen einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine und einer ersten Abgasturbine entlang des Abgasstrangs, ein Turbinengehäuse der Abgasturbine und dergleichen handeln. Diese aktive Kühlung abgasführender Bauteile reduziert die Enthalpie im Abgas sowohl für die Abgasturbine als auch für die nachfolgende Nutzung in dem System, sodass insbesondere dessen Nutzungspotential herabgesetzt ist. Dabei zeigt sich auch, dass aufgrund der vergleichsweise niedrigen Vorlauftemperatur des Kühlmittels eine relativ umfangreiche Reduzierung der Oberflächentemperatur der aktiv gekühlten abgasführenden Bauteile erreicht wird.
-
Eine mögliche Nutzung der Abwärme des Kühlmittels in dem System erfolgt auf vergleichsweise geringem Temperaturniveau, woraus Exergieverluste resultieren, welche den Wirkungsgrad des Systems begrenzen. Dieser Umstand wird zusätzlich dadurch verschärft, dass die Wärme aus dem Kühlmittel in das System auf geringerem Temperaturniveau übertragen wird als es einem Temperaturniveau entspricht, bei welchem die durch das Kühlmittel abgeführte Wärme in der Brennkraftmaschine anfällt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einem System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses und mit einer Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
-
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Anordnung der hier angesprochenen Art dadurch weitergebildet wird, dass das System mit wenigstens einer an oder in der Brennkraftmaschine angeordneten Wärmequelle thermisch über einen Fluidpfad verbindbar, vorzugsweise verbunden, ist, wobei der Fluidpfad ein Wärmetransportfluid führt, das weder Kühlmittel der Brennkraftmaschine noch Abgas derselben ist. Dies ermöglicht insbesondere das Einbinden von bisher nicht oder nur über den Umweg des Kühlmittels genutzten Wärmequellen an oder in der Brennkraftmaschine in die Abwärmenutzung durch das System, wodurch die nutzbare Abwärmemenge und damit auch die Systemleistung steigt. Dadurch, dass in dem Fluidpfad nicht das Kühlmittel der Brennkraftmaschine als Wärmetransportfluid genutzt wird, kann die Wärmeübertragung auf einem höheren Temperaturniveau, als es demjenigen des Kühlmittelkreislaufs entspricht, erfolgen, wodurch Exergieverluste reduziert werden. Damit steigt der Wirkungsgrad des Systems.
-
Besonders bevorzugt wird wenigstens eine Wärmequelle an oder in der Brennkraftmaschine, die herkömmlicherweise mit Kühlmittel gekühlt wird, nun über den Fluidpfad gekühlt, wodurch zum einen die Wärmeübertragung auf höherem Temperaturniveau erfolgen kann, wobei die Wärmequelle zum anderen im Betrieb der Brennkraftmaschine ein höheres Temperaturniveau aufweisen kann, was sich insbesondere dann als vorteilhaft erweist, wenn die Wärmequelle als abgasführende Leitung oder Bauteil stromaufwärts einer Abgasturbine ausgebildet ist, sodass dem Abgas an dieser Stelle weniger Enthalpie entzogen wird, die dann zum einen in der Abgasturbine und zum anderen auch stromabwärts derselben in dem Verdampfer des Systems zur Verfügung steht. Dadurch steigt zugleich auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Wird wenigstens eine Wärmequelle an der Brennkraftmaschine nun statt mittels des Kühlmittelkreislaufs durch den Fluidpfad gekühlt, kann der Kühlmittelkreislauf vereinfacht und entlastet werden. Dadurch gestaltet sich eine Abstimmung der Kühlung der Brennkraftmaschine einfacher und flexibler.
-
Vorzugsweise weist die Anordnung eine erste thermische Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und dem System, insbesondere dem Arbeitsmedienkreislauf, auf, wobei die erste thermische Wirkverbindung durch den bevorzugt als Abgas-Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer verwirklicht ist. Vorzugsweise weist die Anordnung eine zweite thermische Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und dem System auf, wobei die zweite thermische Wirkverbindung bevorzugt ein Temperaturniveau von mehr als 130 °C, besonders bevorzugt mehr als 150 °C, vorzugsweise höchstens 210 °C, aufweist. Die zweite thermische Wirkverbindung ist vorzugsweise durch den Fluidpfad verwirklicht, der das Wärmetransportfluid führt, welches insbesondere eingerichtet ist zur Wärmeübertragung in den genannten Temperaturbereichen.
-
Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine einen Kühlmittelkreislauf auf, in dem ein Kühlmittel strömt. Der Kühlmittelkreislauf ist insbesondere von dem Fluidpfad strömungstechnisch getrennt.
-
Während es grundsätzlich nicht ausgeschlossen ist, dass als Wärmetransportfluid ein Stoff oder Stoffgemisch verwendet wird, welches auch als Kühlmittels der Brennkraftmaschine in dem Kühlmittelkreislauf verwendet wird, wird allerdings eine Ausgestaltung der Anordnung bevorzugt, bei welcher ein Wärmetransportfluid verwendet wird, welches verschieden ist von dem Stoff oder Stoffgemisch, welches als Kühlmittel der Brennkraftmaschine verwendet wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Anordnung die erste thermische Wirkverbindung mit dem Verdampfer und als zweite thermische Wirkverbindung den Fluidpfad mit dem Wärmetransportfluid auf, wobei die Anordnung eine dritte thermische Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und dem System aufweist, welche über das Kühlmittel als Wärmetransportmedium verwirklicht ist. Hierzu kann insbesondere stromaufwärts des Verdampfers in dem Arbeitsmedienkreislauf des Systems ein Kühlmittel-Wärmetauscher vorgesehen sein, in welchem das Kühlmittel zum Vorwärmen des Arbeitsmediums verwendet wird.
-
Das System ist bevorzugt eingerichtet zur Durchführung eines organischen Rankine-Kreisprozesses (Organic Rankine Cycle - ORC). Dieser thermodynamische Kreisprozess eignet sich ganz besonders zur Abwärmenutzung in Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen. Dabei wird als Arbeitsmedium in dem Arbeitsmedienkreislauf bevorzugt ein organischer Stoff oder ein organisches Stoffgemisch, insbesondere Ethanol oder ein Ethanol-Wasser-Gemisch verwendet. Es ist aber auch möglich, dass als Arbeitsmedium ein Fluorkohlenwasserstoff oder ein Fluorchlorkohlenwasserstoff verwendet wird.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Wärmequelle von Arbeitsmedium des Systems durchströmt ist. In diesem Fall ist das Wärmetransportfluid das Arbeitsmedium des Systems, welches im Betrieb der Anordnung unmittelbar entlang des Fluidpfads durch die wenigstens eine Wärmequelle strömt. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Wärmequelle direkt und unmittelbar ohne Umweg über einen zusätzlichen Fluidkreislauf in den thermodynamischen Kreisprozess des Systems als Wärmequelle eingebunden werden, wobei insbesondere bei dieser Ausgestaltung die Wärmeübertragung in der wenigstens einen Wärmequelle auf einem hohen Temperaturniveau erfolgen kann.
-
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die wenigstens eine Wärmequelle von einem Thermoöl als Wärmetransportfluid im Betrieb der Anordnung durchströmt ist. Das Wärmetransportfluid ist also in diesem Fall als Thermoöl ausgebildet, wobei ein Thermoöl-Zwischenkreis zwischen dem Arbeitsmedienkreislauf und der Brennkraftmaschine eingerichtet sein kann. Auch die Wärmeübertragung mittels eines Thermoöls kann auf einem Temperaturniveau erfolgen, welches deutlich höher ist als das Temperaturniveau in dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine. Dabei wird eine unmittelbare strömungstechnische Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Arbeitsmedienkreislauf vermieden, was gegebenenfalls einen einfacheren Aufbau der Anordnung bedingt und insbesondere auch für Nachrüstlösungen günstig ist.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das System einen Abgas-Wärmetauscher aufweist, in dem Abgas der Brennkraftmaschine in thermischem Kontakt mit Arbeitsmedium des Systems bringbar ist. Der Abgas-Wärmetauscher ist dabei insbesondere der bereits zuvor beschriebene Verdampfer des Arbeitsmedienkreislaufs. Dabei ist der Fluidpfad gemäß einer Ausgestaltung der Anordnung strömungstechnisch parallel zu dem Abgas-Wärmetauscher angeordnet. Insbesondere diese Konfiguration ermöglicht es, das Arbeitsmedium direkt in der wenigstens einen Wärmequelle zu verdampfen, wobei die Verdampfung parallel in dem Abgas-Wärmetauscher einerseits und in der wenigstens einen Wärmequelle andererseits erfolgen kann, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad für eine Dampfregelung ermöglicht.
-
Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass ein mit dem Fluidpfad verbundener Fluidpfad-Wärmetauscher, der insbesondere einerseits von dem Wärmetransportfluid und andererseits von dem Arbeitsmedium durchströmt wird, strömungstechnisch parallel zu dem Abgas-Wärmetauscher angeordnet ist. Dabei erfolgt parallel zu dem Abgas-Wärmetauscher bevorzugt zusätzlich eine Verdampfung in dem Fluidpfad-Wärmetauscher, was ebenfalls einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Dampfregelung ermöglicht.
-
Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass der Fluidpfad strömungstechnisch in Reihe mit dem Abgas-Wärmetauscher, insbesondere stromaufwärts des Abgas-Wärmetauschers, angeordnet ist. Insbesondere bildet der Fluidpfad dabei ein Teilstück des Arbeitsmedienkreislaufs stromaufwärts des Abgas-Wärmetauschers. Das Arbeitskreismedium kann also in dem Fluidpfad vorgewärmt werden. Dabei wird vorzugsweise eine Verdampfung des Arbeitsmediums in der wenigstens einen Wärmequelle vermieden, was insbesondere durch eine geeignete Wahl der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Arbeitsmediums und dem Temperaturniveau der Wärmequelle oder durch ein entsprechend angepasstes Druckniveau für das Wärmetransportfluid in dem Fluidpfad erreicht wird.
-
Alternativ ist es möglich, dass der mit dem Fluidpfad verbundene Fluidpfad-Wärmetauscher strömungstechnisch in Reihe mit dem Abgas-Wärmetauscher, insbesondere stromaufwärts des Abgas-Wärmetauschers, in dem Arbeitsmedienkreislauf angeordnet ist. In diesem Fall dient der Fluidpfad-Wärmetauscher vorzugsweise einer Vorwärmung des Arbeitsmediums, wobei dieses bevorzugt in dem Fluidpfad-Wärmetauscher nicht verdampft wird, was beispielsweise über eine geeignete Temperaturdifferenzeinstellung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmetransportfluid oder durch ein geeignet angepasstes Druckniveau für das Arbeitsmedium erreicht werden kann.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Wärmequelle ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Abgasleitung zwischen einem Brennraum der Brennkraftmaschine und einer Abgasturbine insbesondere eines Abgasturboladers, einem Abgasturbinengehäuse, einem Verdichtergehäuse, und einer Ladeluftleitung zwischen einem Verdichter und einem Ladeluftkühler. Herkömmlicherweise werden diese Elemente mittels Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine gekühlt, um eine unzulässig hohe Bauteiltemperatur zu vermeiden. Dabei wird die Oberflächentemperatur der entsprechenden Elemente vergleichsweise stark herabgesetzt, wodurch den in diesen Elementen strömenden Fluiden eine vergleichsweise große Enthalpiemenge entzogen wird. Dabei können diese Elemente aber auf einem deutlich höheren Temperaturniveau sicher betrieben werden, als es dem Temperaturniveau des Kühlmittels entspricht. Werden diese Wärmequellen nun thermisch über den Fluidpfad, in dem das Wärmetransportfluid strömt, mit dem System verbunden, wobei sie insbesondere durch das Wärmetransportfluid gekühlt werden, kann das Temperaturniveau der Bauteiloberflächen deutlich erhöht werden, wobei die Wärmeübertragung auf einem höheren Temperaturniveau und somit mit geringeren Exergieverlusten und höherem Wirkungsgrad erfolgen kann. Dies wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad und die Leistung des Systems aus. Zusätzlich steht die aufgrund des höheren Temperaturniveaus nicht abgeführte Enthalpie in einer Abgasturbine insbesondere eines Abgasturboladers zur Verfügung, sodass sich auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine selbst erhöht. Das derart weniger stark gekühlte Abgas strömt dann zusätzlich auch heißer durch den Abgas-Wärmetauscher, wo wiederum die zusätzliche Wärme in dem System genutzt werden kann, sodass dessen Leistung zusätzlich steigt.
-
Es ist auch möglich, dass die wenigstens eine Wärmequelle ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine und einer Zylinderlaufbuchse der Brennkraftmaschine. Auch diese Komponenten können mithilfe des Wärmetransportfluids gekühlt werden, wobei ihre Abwärme in dem System genutzt werden kann.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anordnung einen steuer- oder regelbaren Umgehungspfad - insbesondere für das Arbeitsmedium oder für das als Wärmetransportfluid verwendete Thermoöl aufweist - wobei der Umgehungspfad eingerichtet ist, um die wenigstens eine Wärmequelle thermisch zumindest teilweise von dem System zu entkoppeln. Das Arbeitsmedium oder das Wärmetransportfluid kann dann zumindest teilweise entlang des Umgehungspfads an der wenigstens einen Wärmequelle oder einem Fluidpfad-Wärmetauscher vorbeigeleitet werden, sodass die zweite thermische Wirkverbindung geschwächt, reduziert oder ganz aufgehoben wird. Auf diese Weise kann bevorzugt die Wärmeentnahme aus der wenigstens einen Wärmequelle gezielt gesteuert oder geregelt werden, was insbesondere ein Thermomanagement an der Brennkraftmaschine ermöglicht. Damit ist eine flexiblere Abstimmung und Optimierung insbesondere des Kaltstart-, Warmlauf- und/oder Transientverhaltens der Brennkraftmaschine möglich.
-
Vorzugsweise ist pro an der Brennkraftmaschine vorgesehener Wärmequelle jeweils ein - vorzugsweise separat steuer- oder regelbarer - Umgehungspfad vorgesehen, was ein besonders effizientes Thermomanagement für die Brennkraftmaschine ermöglicht.
-
Der Umgehungspfad ist bevorzugt mittels einer ansteuerbaren Ventileinrichtung bezüglich seines Durchflussquerschnitts steuer- oder regelbar.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das System eine Dampfregeleinrichtung auf, die eingerichtet ist, um eine den Abgas-Wärmetauscher durchströmende Arbeitsmedienmenge und eine strömungstechnisch parallel zu dem Abgas-Wärmetauscher strömende Arbeitsmedienmenge einzustellen, um eine Dampfregelung einer Dampfqualität des Arbeitsmediums durchzuführen. Die Dampfregeleinrichtung kann insbesondere eine ansteuerbare Ventileinrichtung, vorzugsweise in Verbindung mit einem geeignet eingerichteten Steuergerät, aufweisen. Die parallel zu dem Abgas-Wärmetauscher strömende Arbeitsmedienmenge strömt insbesondere in dem Fluidpfad oder in dem mit dem Fluidpfad verbundenen Fluidpfad-Wärmetauscher. Mittels der Dampfregeleinrichtung ist das Arbeitsmedium bevorzugt - insbesondere in Abhängigkeit von einer momentanen Dampfqualität und/oder einer Soll-Dampfqualität - aufteilbar auf den Abgas-Wärmetauscher einerseits und den zu diesem parallelen Pfad andererseits. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise eine pro Zeiteinheit den Abgas-Wärmetauscher und den parallelen Pfad durchströmende Gesamtmenge an Arbeitsmedium einstellbar, wobei zur Einstellung dieser Gesamtmenge bevorzugt die Arbeitsmedien-Fördereinrichtung in ihrer Förderleistung variabel ansteuerbar ist. Es ist allerdings auch möglich, dass zur Einstellung dieser Gesamtmenge eine Verstelldrosseleinrichtung oder dergleichen vorgesehen ist.
-
Unter einer Dampfqualität des Arbeitsmediums wird insbesondere eine Temperatur desselben, eine Überhitzung desselben, und/oder ein Anteil von dampfförmigem Arbeitsmedium an dem Gesamt-Arbeitsmedium stromabwärts des Verdampfers sowie des hierzu parallelen Pfads, verstanden.
-
Auch der wenigstens eine Umgehungspfad um die wenigstens eine Wärmequelle kann bevorzugt zur Dampfregelung der Dampfqualität des Arbeitsmediums verwendet werden, insbesondere indem er bedarfsgerecht gesperrt oder zumindest teilweise freigegeben wird.
-
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung mit einem System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses und mit einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei im Rahmen des Verfahrens insbesondere eine Anordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betrieben wird.
-
Im Rahmen des Verfahrens wird Abwärme der Brennkraftmaschine in dem System für die Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses genutzt. Dabei wird Wärme aus wenigstens einer Wärmequelle an oder in der Brennkraftmaschine dem System über einen Fluidpfad zugeführt, wobei in dem Fluidpfad ein Wärmetransportfluid geführt wird, das in der Brennkraftmaschine nicht als Kühlmittel verwendet wird und kein Abgas der Brennkraftmaschine ist. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Wärmetransportfluid in dem Fluidpfad ein Arbeitsmedium des Systems verwendet wird. Dabei wird bevorzugt das Arbeitsmedium in der wenigstens einen Wärmequelle verdampft. Die wenigstens eine Wärmequelle wird also unmittelbar als - insbesondere zusätzlicher - Verdampfer des Systems verwendet.
-
Alternativ ist vorgesehen, dass das Arbeitsmedium in dem Fluidpfad - insbesondere in der Wärmequelle - flüssig gehalten wird. Dies kann zum einen über eine geeignete Einstellung einer Temperaturdifferenz und/oder über die Einstellung eines geeigneten Druckniveaus für das Arbeitsmedium am Ort der Wärmeübertragung in das Arbeitsmedium erreicht werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Wärmetransportfluid in dem Fluidpfad ein Thermoöl verwendet wird. Dies eignet sich - ebenso wie die Verwendung des Arbeitsmediums als Wärmetransportfluid - zur Wärmeübertragung auf einem insbesondere im Vergleich mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine höheren Temperaturniveau.
-
Die Beschreibung der Anordnung einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Anordnung, welche explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, vorzugsweise einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Anordnung. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Anordnung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Anordnung bedingt ist. Die Anordnung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Anordnung mit einem System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses und einer Brennkraftmaschine;
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer solchen Anordnung;
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer solchen Anordnung, und
- 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer solchen Anordnung.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Anordnung 1 mit einem System 3 zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, hier insbesondere eines organischen Rankine-Kreisprozesses (Organic Rankine Cycle - ORC), und mit einer Brennkraftmaschine 5, die in hier nicht explizit dargestellter Weise mit dem System 3 thermisch derart wirkverbunden ist, dass Abwärme der Brennkraftmaschine 5 in dem System 3 für die Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses nutzbar ist.
-
Das System 3 weist einen Arbeitsmedienkreislauf 7 auf, entlang dem - in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums in dem Arbeitsmedienkreislauf 7 in der angegebenen Reihenfolge - eine Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 9, ein Verdampfer 11, eine Expansionseinrichtung 13 und ein Kondensator 15 angeordnet sind. Das in dem Arbeitsmedienkreislauf 7 strömende Arbeitsmedium, vorzugsweise ein organisches Medium, insbesondere Ethanol, ein Ethanol-Wasser-Gemisch, ein Fluorkohlenwasserstoff oder ein Fluorchlorkohlenwasserstoff, wird in flüssiger Phase durch die Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 9 zu dem Verdampfer 11 gefördert und dort verdampft, wonach es weiter zu der Expansionseinrichtung 13 strömt. In dieser wird es entspannt, wobei das Arbeitsmedium mechanische Arbeit an der Expansionseinrichtung 13 verrichtet, sodass insbesondere eine Abtriebswelle 17 angetrieben wird. Das entspannte Arbeitsmedium strömt weiter zu dem Kondensator 15, wo es gekühlt und insbesondere wiederum verflüssigt wird. Von dort gelangt das nunmehr wieder flüssige Arbeitsmedium zurück zu der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 9, sodass der Arbeitsmedienkreislauf 7 geschlossen ist.
-
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abtriebswelle 17 der Expansionseinrichtung 13 mechanisch mit der Brennkraftmaschine 5 wirkverbunden, sodass die Expansionseinrichtung 13 mechanische Arbeit an der Brennkraftmaschine 5 verrichten und insbesondere diese unterstützen kann. Dazu ist die Abtriebswelle 17 besonders bevorzugt mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 5, insbesondere über einen Rädertrieb auf der Kraftgegenseite der Brennkraftmaschine 5, wirkverbunden. Alternativ ist es möglich, dass die Abtriebswelle 17 mit einer elektrischen Maschine antriebswirkverbunden ist, wobei die bevorzugt als Generator ausgebildete elektrische Maschine durch die Abtriebswelle 17 angetrieben werden kann, sodass elektrische Leistung durch die elektrische Maschine erzeugt wird.
-
Die Brennkraftmaschine 5 ist bevorzugt - in hier nicht explizit dargestellter Weise - thermisch mit dem Verdampfer 11 wirkverbunden, wobei besonders bevorzugt Abgas der Brennkraftmaschine 5 durch den Verdampfer 11 strömt, um dort das Arbeitsmedium des Arbeitsmedienkreislaufs 7 zu erhitzen und insbesondere zu verdampfen.
-
Das System 3 ist hier zusätzlich mit wenigstens einer schematisch dargestellten Wärmequelle 19, die an oder in der Brennkraftmaschine 5 angeordnet ist, thermisch über einen Fluidpfad 21 verbunden, wobei der Fluidpfad 21 ein Wärmetransportfluid führt, das weder Kühlmittel der Brennkraftmaschine noch Abgas ist.
-
Die Brennkraftmaschine 5 weist insoweit bevorzugt einen Kühlmittelkreislauf auf, in welchem Kühlmittel zur Kühlung der Brennkraftmaschine 5 strömt. Es ist möglich, dass der Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 5 in hier nicht dargestellter Weise als zusätzliche Wärmequelle in den Arbeitsmedienkreislauf 7 eingebunden ist, insbesondere zum Vorwärmen des Arbeitsmediums stromaufwärts des Verdampfers 11. Eine solche Ausgestaltung muss aber nicht zwingend vorgesehen sein.
-
Die thermische Einbindung der wenigstens einen Wärmequelle 19 über den Fluidpfad 21 hat den Vorteil, dass Wärme an der Wärmequelle 19 mit einem höheren Temperaturniveau durch das Wärmetransportfluid aufgenommen werden kann, weil es sich hierbei nicht um Kühlmittel der Brennkraftmaschine handelt, wobei auch das Eintragen dieser Wärme in den Arbeitsmedienkreislauf 7 auf einem höheren Temperaturniveau erfolgen kann, sodass insgesamt Exergieverluste reduziert werden und der Wirkungsgrad des Systems 3 insbesondere im Vergleich zu einer Ausgestaltung steigen kann, bei welcher die Wärmequelle 19 vermittelt über den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 5 thermisch mit dem Arbeitsmedienkreislauf 7 verbunden ist. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass die Wärmequelle 19 auf einem höheren Temperaturniveau gehalten werden kann, als wenn sie mit Kühlmittel der Brennkraftmaschine 5 beaufschlagt wäre. Dies hat insbesondere dann, wenn es sich bei der Wärmequelle 19 um ein abgasführendes Bauteil stromaufwärts einer Abgasturbine handelt, den Vorteil, dass dem in dem Bauteil strömenden Abgas weniger Enthalpie entzogen wird, sodass diese zusätzliche Enthalpie in der Abgasturbine genutzt werden kann. Dadurch steigt zugleich auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 5. Weiterhin kann das Abgas heißer durch den Verdampfer 11 strömen, sodass zusätzliche Enthalpie auch in dem Verdampfer 11 für den thermodynamischen Kreisprozess genutzt werden kann.
-
Wird die Wärmequelle 19 nicht durch den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 5 gekühlt, kann dieser einfacher ausgestaltet und entlastet werden. Dadurch wird auch die Abstimmung der Motorkühlung vereinfacht und gestaltet sich flexibler.
-
Bei der Wärmequelle 19 handelt es sich besonders bevorzugt um eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine 5, welche einen Brennraum derselben mit einer Abgasturbine, insbesondere der Abgasturbine eines Abgasturboladers, verbindet, um ein Abgasturbinengehäuse, ein Verdichtergehäuse eines in einer Ladeluftleitung angeordneten Verdichters zur Verdichtung der Ladeluft oder eines Verbrennungsluft-Ladeluft-Gemischs, oder um eine Ladeluftleitung zwischen dem Verdichter und einem Ladeluftkühler. Es ist auch möglich, dass es sich bei der Wärmequelle 19 um einen Zylinderkopf, ein Kurbelgehäuse oder eine Zylinderlaufbuchse der Brennkraftmaschine 5 handelt. Insbesondere ist es möglich, dass die Anordnung 1 eine Mehrzahl solcher Wärmequellen 19 aufweist, die bevorzugt ausgewählt sein können aus den zuvor genannten Wärmequellen, insbesondere in beliebiger Kombination.
-
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Anordnung 1 ist die Wärmequelle 19 von dem Arbeitsmedium des Systems 3 als Wärmetransportfluid durchströmt.
-
Wie bereits beschrieben, ist der Verdampfer 11 hier als Abgas-Wärmetauscher 12 ausgebildet, in dem das Abgas der Brennkraftmaschine 5 in thermischen Kontakt mit dem Arbeitsmedium des Systems 3 gebracht wird.
-
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Fluidpfad 21 strömungstechnisch parallel zu dem Abgas-Wärmetauscher 12, das heißt zu dem Verdampfer 11, angeordnet. Das Arbeitsmedium wird dabei parallel sowohl in dem Verdampfer 11 als auch in der Wärmequelle 19 verdampft.
-
Das System 3 weist vorzugsweise eine Dampfregeleinrichtung 23 auf, die eingerichtet ist, um die den Abgas-Wärmetauscher 12 durchströmende Arbeitsmedienmenge sowie eine strömungstechnisch parallel zu diesem strömende Arbeitsmedienmenge einzustellen, um eine Dampfqualität des Arbeitsmediums stromabwärts des Verdampfers 11 und insbesondere stromabwärts einer Einmündung 25 für den mittels der Wärmequelle 19 erzeugten Dampf in einen zu der Expansionseinrichtung 13 strömenden Leitungsabschnitt des Arbeitsmedienkreislaufs 7 zu regeln. Hierzu ist die Dampfregeleinrichtung 23 insbesondere eingerichtet, um eine Dampfqualität an dem Ort der Einmündung 25 in dem Arbeitsmedienkreislauf 7 zu erfassen, und um eine Ventileinrichtung 27 anzusteuern und damit den Arbeitsmedienstrom anteilig auf die Wärmequelle 19 und den Verdampfer 11 aufzuteilen. Es ist möglich, dass die Dampfregeleinrichtung 23 zusätzlich eingerichtet ist, um auch die Gesamtmenge an Arbeitsmedium, welche entlang des Arbeitsmedienkreislaufs 7 strömt, zu beeinflussen. Hierzu ist die Dampfregeleinrichtung 23 bevorzugt mit der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 9 wirkverbunden, um diese in geeigneter Weise anzusteuern.
-
Bevorzugt ist auch ein steuer- oder regelbarer Umgehungspfad vorgesehen, der eingerichtet ist, um die wenigstens eine Wärmequelle 19 thermisch zumindest teilweise von dem System 3 zu entkoppeln. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann hierzu insbesondere eine Ventileinrichtung 27 verwendet werden, um die zu der Wärmequelle 19 strömende Arbeitsmedienmenge - gegebenenfalls bis auf Null - zu reduzieren. Insbesondere wenn pro Wärmequelle 19 ein solcher Umgehungspfad eingerichtet, kann ein flexibles Thermomanagement für die Brennkraftmaschine 5 durchgeführt werden.
-
In 1 ist noch dargestellt, dass dem Arbeitsmedienkreislauf 7 bevorzugt ein Entlüftungspfad 29 mit einem Sicherheitsventil 31 zugeordnet ist, welches bei einem unzulässig hohen Druck in dem Arbeitsmedienkreislauf 7 öffnen und den Arbeitsmedienkreislauf 7 über den Entlüftungspfad 29 zu einer Umgebung 33 hin entlasten kann.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Anordnung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist hier der Fluidpfad 21 strömungstechnisch in Reihe mit dem Abgas-Wärmetauscher 12, insbesondere stromaufwärts desselben, angeordnet. Dabei strömt das Arbeitsmedium insbesondere zunächst entlang des Fluidpfads 21 durch die Wärmequelle 19 und danach durch den Abgas-Wärmetauscher 12. Dabei sind bevorzugt Maßnahmen getroffen, die verhindern, dass das Arbeitsmedium bereits in der Wärmequelle 19 verdampft wird, was insbesondere durch entsprechende Wahl der Temperatur in der Wärmequelle 19 oder - besonders bevorzugt - durch ein entsprechendes Druckniveau für das Arbeitsmedium in der Wärmequelle 19 gewährleistet wird. Auf diese Weise kann das Arbeitsmedium in der Wärmequelle 19 Wärme aufnehmen und dadurch quasi vorgewärmt werden, ohne dass es bereits verdampft wird, wobei es dann anschließend in dem Verdampfer 11 in die Dampfphase überführt wird.
-
Die Verschaltung der Wärmequelle 19 in den Arbeitsmedienkreislauf 7 gemäß 2 eignet sich ganz besonders zur Einbindung eines Abgasrückführkühlers als Wärmequelle 19 in den Arbeitsmedienkreislauf 7.
-
In 2 ist auch ein Umgehungspfad 35 dargestellt, der mittels einer Umgehungspfad-Ventileinrichtung 37, die hier insbesondere zwei Dreiwegeventile umfassen kann, von denen jeweils eines stromaufwärts und eines stromabwärts der Wärmequelle 19 angeordnet ist, steuer- oder regelbar ausgebildet und eingerichtet ist, um die wenigstens eine Wärmequelle 19 thermisch zumindest teilweise von dem System 3 zu entkoppeln. Auf diese Weise kann ein Thermomanagement für die Brennkraftmaschine 5 durchgeführt werden, wobei die Umgehungspfad-Ventileinrichtung 37 vorzugsweise durch eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung, insbesondere eine Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine 5, ansteuerbar ist.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Anordnung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verweisen wird. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 ist hier die Wärmequelle 19 von einem Thermoöl als Wärmetransportfluid durchströmt. Der Fluidpfad 21 ist somit hier nicht Teil des Arbeitsmedienkreislaufs 7, sondern bildet einen separaten Kreislauf zwischen der Wärmequelle 19 und einem Fluidpfad-Wärmetauscher 39, der einerseits von dem Thermoöl und andererseits von dem Arbeitsmedium des Systems 3 durchströmt ist, sodass in dem Fluidpfad-Wärmetauscher 39 ein Wärmeaustausch zwischen dem Thermoöl und dem Arbeitsmedium erfolgen kann.
-
Dabei ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 vorgesehen, dass der mit dem Fluidpfad verbundene Wärmetauscher, das heißt der Fluidpfad-Wärmetaucher 39, strömungstechnisch parallel zu dem Abgas-Wärmetauscher 12 in dem Arbeitsmedienkreislauf 7 angeordnet ist, wobei hier das Arbeitsmedium in dem Fluidpfad-Wärmetauscher 39 - zusätzlich und parallel zu dem Verdampfer 11 - verdampft wird. Entsprechend ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Dampfregeleinrichtung 23 vorgesehen.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Anordnung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nun im Unterschied zu dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 der Fluidpfad-Wärmetauscher 39 strömungstechnisch in Reihe mit dem Abgas-Wärmetauscher 12 und insbesondere stromaufwärts des Abgas-Wärmetauschers 12 in dem Arbeitsmedienkreislauf 7 angeordnet. Dabei strömt auch hier entlang des Fluidpfads 21 ein Thermoöl als Wärmetransportfluid.
-
Es zeigt sich auch, dass bis auf die Zwischenschaltung eines Thermoölkreislaufs als Fluidpfad 21 das dritte Ausführungsbeispiel gemäß 3 strukturell dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 entspricht, wobei in entsprechender Weise das vierte Ausführungsbeispiel gemäß 4 dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht.
-
Insgesamt zeigt sich, dass mit der Anordnung 1 und dem Verfahren zum Betreiben derselben eine Möglichkeit geschaffen wird, zusätzliche Wärmequellen an der Brennkraftmaschine 5 auf hohem Temperaturniveau zu erschließen, und dadurch die nutzbare Abwärmemenge für das System 3 und letztlich dessen Leistung zu steigern.
