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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scroll-Expansionsmaschine, insbesondere für eine Abgasrestwärmenutzungseinrichtung eines Fahrzeuges, mit einem an einem Gehäuse angeordneten zentralen Zulaufanschluss zur Zuführung eines dampfförmigen Arbeitsmediums, mindestens einem Ablaufanschluss zur Abführung des Arbeitsmediums, wobei im Gehäuse eine demgegenüber ortsfeste Spirale mit einer relativ hierzu drehbar beweglichen Spirale nach dem Scroll-Prinzip unter Nutzung des vom Zulaufanschluss über einen Arbeitsraum zum Ablaufanschluss hindurchfließenden Arbeitsmediums zusammenwirkt, wobei die bewegliche Spirale die durch das sich entspannende dampfförmige Arbeitsmedium erzeugte mechanische Arbeit an eine Expanderwelle überträgt, und wobei an der beweglichen Spirale Mittel für die Aufbringung eines axialen Gegendrucks zur Vermeidung einer axialen Leckage vorgesehen sind, welche einen rückwärtig der beweglichen Spirale angeordneten Gegendruckraum umfassen. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Abgasrestwärmenutzungseinrichtung eines Fahrzeuges, welche mit einer solchen Scroll-Expansionsmaschine ausgestattet ist.
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Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, bei denen ein erheblicher Betrag an Abwärme, insbesondere seitens des Abgassystems oder des Kühlersystems entsteht. Dabei werden erfahrungsgemäß bis zu 60% der eingesetzten Primärenergie ungenutzt als Abwärme über Kühler und Abgas abgegeben.
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Eine Abgasrestwärmenutzungseinrichtung nutzt diese Abwärme des Verbrennungsmotors, um durch einen thermodynamischen Dampfkraftprozess (Clausius-Rankine-Prozess) mechanische Energie zu erzeugen, welche der Antriebsenergie zugeschlagen wird.
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Stand der Technik
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Aus dem Produktprospekt „Waste-Heat-Recovery-System für Nutzfahrzeuge“ der Robert Bosch GmbH (Drucknummer: 292000P 1A7-C/CCA-201409-De) aus dem Jahre 2014 geht eine Abgasrestwärmenutzungseinrichtung der hier interessierenden Art hervor. Durch einen Dampfkraftprozess wird das Arbeitsmedium Ethanol durch eine Pumpeneinheit von einem niedrigen auf einen höheren Druck gebracht und in eine Verdampfereinheit gefördert. Diese nimmt die Abwärme vom Abgastrakt und der Abgasrückführung auf und verdampft das Arbeitsmedium. Der erzeugte Dampf verrichtet in einer Expansionsmaschine Arbeit und wird anschließend in einer Kondensatoreinheit wieder verflüssigt, wobei die verbleibende Restwärme an die Umgebung abgegeben wird. Schließlich wird das Arbeitsmedium erneut der Pumpeneinheit zur Beaufschlagung des Dampfkraftprozesses zugeführt.
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Die aus diesem Dampfkraftprozess erhaltene Energie kann mechanisch an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors abgegeben werden oder einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreiben. Die Expansionsmaschine ist hier als eine Radialturbine mit Laval-Düsen ausgebildet.
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Die
DE 10 2015 213 373 A1 offenbart ebenfalls eine Abgasrestwärmenutzungseinrichtung mit einer Verdampfereinheit, Expansionsmaschine, Kondensatoreinheit und Pumpeneinheit zur Bildung eines Dampfkraftprozesses. Es wird hier vorgeschlagen, die Expansionsmaschine beispielsweise als Turbine, Axialkolbenmaschine oder als eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierende Scroll-Expansionsmaschine auszubilden.
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Aus der
DE 11 2014 000 335 T5 geht der allgemeine Aufbau einer solchen Scroll-Expansionsmaschine hervor. Bei dieser Vorveröffentlichung wird diese Maschine allerdings in Funktionsumkehr als Scroll-Kompressor genutzt, was allerdings an dem allgemeinen Aufbau nichts ändert. Insoweit besteht dieses Aggregat im Wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Gehäuse mit einer ortsfest hierin befestigten Spirale, die an einer Seite innerhalb des Gehäuses installiert ist. Diese ortsfeste Spirale korrespondiert nach dem Scroll-Prinzip mit einer demgegenüber drehbar beweglichen Spirale, welche mit einer Welle verbunden ist und über Wälzlager zweifach drehbar im Gehäuse gelagert ist.
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Zur Vermeidung axialer Leckage befindet sich rückwärtig der beweglichen Spirale ein Gegendruckraum. Das Gehäuse ist mit einem Gegendruck-Regulierungskanal versehen, durch den der Gegendruckraum mit einem Ansaugraum in Verbindung steht. Hierdurch wirkt auf die Bodenseite der beweglichen Spirale eine axial gerichtete Kraft, welche entgegen einer gegenüberliegend auf die bewegliche Spirale drückenden axialen Kraft wirkt, um diese zu kompensieren. Diese gegenüberliegende Kraft ist Resultat des sich im Arbeitsraum zwischen den beiden Spiralen befindlichen Mediumdrucks. Die hierbei wirkenden Gaskräfte sind bestrebt, die beiden Spiralen axial auseinanderzudrücken.
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Die vorstehend beschriebenen Mittel für die Aufbringung eines axialen Gegendrucks helfen, die dabei auftretende axiale Leckage gering zu halten. Die übliche Ausführung dieses sogenannten Backpressure-Fluidsystems weist meist einen hydraulischen Regelkreis mit einem separaten Regelventil und einem aufwendigen Rohrleitungssystem auf.
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Es ist die Aufgabe der vorliegende Erfindung eine Scroll-Expansionsmaschine, insbesondere für eine Abgasrestwärmenutzungseinrichtung eines Fahrzeuges, zu schaffen, die technisch einfache und zuverlässige Mittel für die Aufbringung eines axialen Gegendrucks zur Vermeidung einer axialen Leckage an der orbitirenden Spirale aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Scroll-Expansionsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich einer Abgasrestwärmenutzungseinrichtung wird auf Anspruch 9 verwiesen. Anspruch 10 gibt ein diesbezügliches verbrennungsmotorbetriebenes Kraftfahrzeug an, das mit der erfindungsgemäßen Lösung ausgestattet ist.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die in eine Scroll-Expansionsmaschine integrierten Mittel für die Aufbringung eines Gegendrucks einen dynamischen Scroll-Schieber umfassen, der mehrere Durchgangsbohrungen aufweist, die axial entlang eines Spiralbereichs der beweglichen Spirale verlaufend den rückwärtig in der beweglichen Spirale befindlichen Gegendruckraum mit dem zwischen den beiden Spiralen befindlichen mindestens einen Arbeitsraum verbinden.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass durch eine Integration wesentlicher Bestandteile der Mittel für die Aufbringung eines axialen Gegendrucks in Form des dynamischen Scroll-Schiebers in die bewegliche Spirale separate Bauteile entfallen. Die erfindungsgemäß insoweit funktionsintegrierte bewegliche Spirale der Scroll-Expansionsmaschine lässt sich einfach fertigen, da lediglich die Durchgangsbohrungen hierin einzubringen sind.
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Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, die Mittel für die Aufbringung des axialen Gegenstands mit einem sowieso am Gehäuse vorgesehen Zulaufanschluss zu verbinden, indem die Druckbeaufschlagung über eine Zulaufdrossel erfolgt, die zwischen dem Gegendruckraum und dem Zulaufanschluss angeordnet ist. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Zulaufdrossel direkt in den Bodenbereich der beweglichen Spirale integriert werden, beispielsweise durch Einbringung einer Drosselbohrung, welche eine fluidische Blendenöffnung darstellt. Hierdurch lässt sich eine fertigungstechnisch einfach umzusetzende Anbindung des Gegendruckraums an den Scroll-Zulaufdruck realisieren und die bislang hierfür vorgesehene aufwendige Verrohrung kann entfallen.
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Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Mittel für die Aufbringung eines Gegendrucks ferner auch eine Ablaufdrossel umfassen, worüber der Gegendruckraum mit dem Ablaufanschluss der Scroll-Expansionsmaschine verbunden ist. Somit erfolgt die Abströmung des Druckmediums aus dem Gegendruckraum auf den Scroll-Auslassdruck. Auch die Ablaufdrossel kann als eine einfache fluidische Blendenöffnung ausgeführt sein, die vorzugsweise direkt im Gehäuse der Scroll-Expansionsmaschine, ganz vorzugsweise benachbart zum Gegendruckraum, angeordnet ist. Um das Druckmedium aus dem Gegendruckraum zum Bereich des Ablaufanschlusses abzuführen wird vorgeschlagen, einen hierfür vorgesehenen Bypasskanal direkt im Gehäuse auszubilden, was beispielsweise gießtechnisch erfolgen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Scroll-Schieber mit mehreren äquidistant zueinander entlang des Spiralbereichs der beweglichen Spirale verlaufenden Durchgangsbohrungen versehen ist. Hierdurch wird ein gleichmäßig wirkendes dynamisches Ausgleichsystem erzielt. Denn durch die dynamischen Axialkräfte kann die bewegliche Spirale in Axialrichtung abheben, was durch den derart ausgebildeten Scroll-Schieber gleichmäßig kompensierbar ist, denn durch die Durchgangsbohrungen kann bei dem Abheben der beweglichen Spirale der Gegendruck im Gegendruckraum wirksam erhöht werden.
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Vorzugsweise treten die mehreren Durchgangsbohrungen seitens des distalen Endes des Spiralbereiches aus der Stirnflächenseite der beweglichen Spirale aus. Somit verlaufen die Durchgangsbohrungen jeweils durch den Bodenbereich und den Spiralbereich geradlinig entlang der gesamten Axialerstreckung der beweglichen Spirale hindurch.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Abgasrestwärmenutzungseinrichtung eines Fahrzeuges,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Scroll-Expansionsmaschine als Bestandteil der Abgasrestwärmenutzungseinrichtung nach 1,
- 3a eine schematische Darstellung der Wirkungsweise eines dynamischen Scroll-Schiebers der Scroll-Expansionsmaschine nach 2 in einem ersten Betriebszustand,
- 3b eine schematische Darstellung der Wirkungsweise eines dynamischen Scroll-Schiebers der Scroll-Expansionsmaschine nach 2 in einem zweiten Betriebszustand, und
- 3c eine schematische Darstellung der Wirkungsweise eines dynamischen Scroll-Schiebers der Scroll-Expansionsmaschine nach 2 in einem dritten Betriebszustand,
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Gemäß 1 besteht eine Abgasrestwärmenutzungseinrichtung eines - hier nicht weiter dargestellten - Fahrzeuges im Wesentlichen aus einer seitens eines als Abgasrohr ausgebildeten Bauteils 1a angeordneten Verdampfereinheit 2, welche einen Wärmetauscher bildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an Abgasrückführmitteln, die ein weiteres von heißem Abgas durchströmtes Bauteil 1b bilden, eine weitere Verdampfereinheit 2b angeordnet. Das aufgeheizte Arbeitsmedium gelangt eingangsseitig an eine Scroll-Expansionsmaschine 3, welche im Bereich eines Verbrennungsmotors 4 angeordnet ist. Diese Scroll-Expansionsmaschine 3 erzeugt in Folge eines Dampfkreisprozesses mechanische Arbeit, welche hier der Antriebsenergie des Verbrennungsmotors 4 zugeschlagen wird, um Kraftstoff zu sparen.
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Ausgangsseitig der Scroll-Expansionsmaschine 3 gelangt das Arbeitsmedium über eine Kondensatoreinheit 5 zu einer Pumpeneinheit 6. Durch die Kondensatoreinheit 5 wird das Arbeitsmedium weiter gekühlt. Zu diesem Zwecke ist die Kondensatoreinheit 5 als Wärmetauscher ausgebildet und an einem Kühlkreislauf 7 des Verbrennungsmotors 4 angebunden. Zur Bevorratung von rückgekühltem Arbeitsmedium dient ein an die Pumpeneinheit 6 angebundener Tank 8. Die Pumpeneinheit 6 speist den Dampfkraftprozess mit dem Arbeitsmedium, in dem dieses über eine Ventileinrichtung 9 wieder den Verdampfereinheiten 2a und 2b zugeführt wird.
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Die detailliert in 2 dargestellte Scroll-Expansionsmaschine 3 besteht im Wesentlichen aus einem metallischen Gehäuse 10, an welchem ein zentraler stirnseitiger Zulaufanschluss 11 angeordnet ist. Der Zulaufanschluss 11 zur Zuführung eines dampfförmigen Arbeitsmediums des Dampfkreisprozesses ist hier seitens einer dem Gehäuse 10 zugeordneten ortsfesten Spirale 12 platziert. Der ortsfesten Spirale 12 ist eine drehbar relativ des Gehäuses 10 angeordnete bewegliche Spirale 13 zugeordnet. Die ortsfeste Spirale 12 wirkt mit der beweglichen Spirale 13 nach dem an sich bekannten Scroll-Prinzip zusammen. In Umkehrung des Verdichterprinzips verrichtet das über den Zulaufanschluss 11 zugeführte dampfförmige Arbeitsmedium in der Scroll-Expansionsmaschine Arbeit und wird anschließend über einen Ablaufanschluss 14 wieder abgeführt. Hierbei expandiert das Arbeitsmedium in Arbeitsräumen15 (exemplarisch) zwischen der ortsfesten Spirale 12 und der beweglichen Spirale 13. Die durch das sich entspannende dampfförmige Arbeitsmedium erzeugte mechanische Arbeit wird von der beweglichen Spirale 13 an eine hiermit verbundene Expanderwelle 16 übertragen.
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Die Expanderwelle 16 ist exzentrisch mit der beweglichen Spirale 13 verbunden, um das Scroll-Prinzip zu verwirklichen. Die Expanderwelle 16 ist an den - hier nicht weiter dargestellten - Verbrennungsmotor 4 nach 1 angekoppelt, um einen Beitrag zur Antriebsenergie zu leisten. Die Expanderwelle 16 ist über ein spiralseitiges großes Wälzlager 17 sowie über ein austrittsseitiges kleines Wälzlager 18 drehbar gegenüber dem Gehäuse 10 gelagert. Das Wälzlager 18 ist als Dichtlager ausgebildet.
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Während des Betriebes sind aufgrund des zwischen beiden Spiralen 12 und 13 expandierenden Arbeitsmediums diese Bauteile bestrebt, sich in Axialrichtung voneinander zu entfernen, soweit die Lagerung dies zulässt. Hierdurch würde eine unerwünschte axiale Leckage zwischen der ortsfesten Spirale 12 und der beweglichen Spirale 13 entstehen, die den Wirkungsgrad des Dampfkreisprozesses reduzieren würde. Um dies zu vermeiden, sind Mittel für die Aufbringung eines diesbezüglich axialen Gegendrucks vorgesehen. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Gehäuses 10 ein rückwärtig der beweglichen Spirale 13 angeordneter Gegendruckraum 19 vorgesehen. Der im Gegendruckraum 19 aufgebaute Druck presst die bewegliche Spirale 13 in Axialrichtung an die ortsfeste Spirale 12, um eine axiale Leckageneigung zu kompensieren.
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Der Druck im Gegendruckraum 19 wird erfindungsgemäß dem über das dampfförmige Arbeitsmedium seitens des Zulaufanschlusses 11 zugeführten Druck entnommen, indem im Bodenbereich 20 der bewegliche Spirale 13 eine Zulaufdrossel 21 angeordnet ist, welche in den Gegendruckraum 19 mündet. Die Leckageneigungskompensation wird also dadurch erzielt, dass die vom Gegendruckraum 19 durch den Druck des zugeführten dampfförmigen Arbeitsmediums ausgeübte Kraft auf die bewegliche Spirale 13 größer ist, als die aus dem Dampfkreisprozess resultierende entgegengesetzte Kraft aus dem Arbeitsraum 15.
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Die Mittel für die Aufbringung eines Gegendrucks erfordern weiterhin Durchgangsbohrungen 22 entlang des Spiralbereichs 23 der beweglichen Spirale 13, welchen den Gegendruckraum 19 mit dem Arbeitsraum 15 verbinden. Hierdurch entsteht ein dynamischer Scroll-Schieber, dessen Funktion nachfolgend eingehender erläutert wird.
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Zum Abführen von Druck aus dem Gegendruckraum 19 ist dieser über eine Ablaufdrossel 24 und einem nachfolgenden Bypasskanal 25 mit dem Ablaufanschluss 14 verbunden. Der Bypasskanal 25 ist in dem Gehäuse 10 ausgebildet. Der Öffnungsquerschnitt der als fluidische Blendenöffnung ausgebildeten Zulaufdrossel 21 und Ablaufdrossel 24 sind derart aufeinander abgestimmt, dass ein hinreichend hoher Gegendruck im Gegendruckraum 19 zur Verhinderung der axialen Leckage zwischen der ortsfesten Spirale 12 und der beweglichen Spirale gewährleistet ist.
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Nach 3a basiert die Wirkungsweise des dynamischen Scroll-Schiebers aus der auf die bewegliche Spirale 13 durch den Druck im Gegendruckraum 19 aufgebauten Gegenkraft.
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Steigt gemäß 3b in Folge eines laufenden Dampfkraftprozesses der Druck der Arbeitsraum 15 (exemplarisch), so entsteht ein größerer axialer leckageverursachender Abstand zwischen der beweglichen Spirale 13 und der ortsfesten Spirale 12. Da nun jedoch eine Passage des Überdrucks über die Durchgangsbohrungen 22 in den Gegendruckraum 19 eröffnet ist, wird dieser leckageverursachende Überdruck wieder abgebaut. In Folge dessen schließt sich gemäß 3c der axiale Abstand zwischen der ortsfesten Spirale 12 und der beweglichen Spirale 13, so das der gewünschte Betriebszustand erreicht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015213373 A1 [0006]
- DE 112014000335 T5 [0007]
