DE102018107388B4 - Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung - Google Patents

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Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung (2) und Abwärmenutzung (3) in einem gemeinsamen Dampfkreislaufsystem (4), aufweisend:
- einen ersten Abgaswärmeübertrager (6a) in einer Abgasrückführung (6) der Brennkraftmaschine (1),
- ein Verdampfersystem (5), welches mit dem ersten Abgaswärmeübertrager (6a) fluidverbunden ist,
- einen zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) in der Abgasrückführung (6), welcher mit dem Verdampfersystem (5) fluidverbunden ist,
- eine Expansionsmaschine (9), welche mit dem zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) fluidverbunden ist,
- einen Kondensator (10), welcher mit der Expansionsmaschine (9) fluidverbunden ist,
- eine Förderpumpe (11), welche mit dem Kondensator (10) und wiederum mit dem ersten Abgaswärmeübertrager (6a) fluidverbunden ist, wobei das Verdampfersystem (5) aus einen Kühlmantelwärmeübertrager (8a) innerhalb der Brennkraftmaschine (1) in einem Gehäuse (8) für die Verdampfungskühlung (2) und einen dritten Abgaswärmeübertrager (7a) in einem Abgastrakt (7) gebildet ist, und der erste Abgaswärmeübertrager (6a) über den dritten Abgaswärmeübertrager (7a) und anschließend über den Kühlmantelwärmeübertrager (8a) mit dem zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) fluidverbunden ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine kann durch die Nutzung der von der Brennkraftmaschine ausgehenden Abwärme verbessert werden. Dazu sind Systeme zur Abwärmenutzung bekannt, welche beispielsweise mittels eines Dampfkreislaufsystems Abwärme aus dem Kühlmittel und dem Abgas der Brennkraftmaschine nutzbar machen und die dadurch bereitgestellte Energie beispielsweise zum Antrieb oder zur Aufladung der Brennkraftmaschine oder zum Laden einer Batterie verwendet wird.
  • Aus der Patentschrift GB 428,261 ist ein Kühlsystem für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem im Kühlmantel verdampftes Kühlmittel zur weiteren Erwärmung einem Abgaswärmeübertrager und anschließend zur Aufladung der Brennkraftmaschine einer Dampfturbine zugeführt wird. Nach der Kondensation des Dampfes wird das flüssige Kühlmittel wieder dem Kühlmantel zur Kühlung der Brennkraftmaschine zugeführt.
  • Aus der Offenlegungsschrift US 2004/250546 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Abwärmerückgewinnungsvorrichtung bekannt, durch welche rückgewonnene Abwärme als mechanische Energie bereitgestellt wird. Dazu ist ein Verdampfungskreislauf mit mehreren Pumpen, mehreren Wärmeüberträgern, einem Expander, einem Kondensator und einem Speicher vorgesehen, mittels welchem Abwärme an unterschiedlichen Stellen der Brennkraftmaschine eingesammelt wird. Dieser Verdampfungskreislauf ist dazu geeignet, Wasser aus dem Speicher einem ersten Wärmeübertrager im Abgasrohr zu dessen Aufwärmung und weiter einem im Zylinderblock ausgebildeten Wassermantel zu dessen weiterer Erwärmung zuzuführen. Über ein Verteilventil wird das aufgewärmte Wasser dann mittels einer Hochdruckpumpe einem Verdampfer zugeführt, welcher als zweiter Wärmeübertrager im Abgasrohr zwischen erstem Wärmeübertrager und Brennkraftmaschine angeordnet ist. Anschließend wird der Wasserdampf dem Expander zur Bereitstellung mechanischer Energie und dem Kondensator zur Verflüssigung zugeführt, bevor das Wasser wieder in den Tank gelangt.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 028 469 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem als Dampfkreislauf ausgebildeten Zusatzkreis bekannt, welcher eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine darstellt. Der Zusatzkreis weist dazu einen Abgaswärmeübertrager, welcher im Abgasstrang integriert ist, einen ersten Wärmeübertrager in einer Abgasrückführung, einen zweiten Wärmeübertrager in der Abgasrückführung, einen Expander, eine Pumpe und einen Kondensator auf. Dabei wird der erste Wärmeübertrager vor dem zweiten Wärmeübertrager von dem über die Abgasrückführung rückgeführten Abgas durchströmt. Die Wärmeübertrager sind in dem Zusatzkreis derart miteinander verbunden, dass das Arbeitsmedium mittels der dem Kondensator nachgeschalteten Pumpe zu dessen Erwärmung dem zweiten Wärmeübertrager in der Abgasrückführung, anschließend dem Abgaswärmeübertrager zur Verdampfung und weiter dem ersten Wärmeübertrager in der Abgasrückführung zur weiteren Erhitzung zugeführt wird, bevor es über die Expansionsturbine entspannt und wieder zurück zum Kondensator zur Verflüssigung gelangt.
  • Aus der Patentschrift DE 10 2009 056 822 B3 ist eine Brennkraftmaschine mit Abwärmerückgewinnungsvorrichtung bekannt, welche mittels eines separaten Wärmeübertragers auch Abwärme von durch eine Abgasrückführleitung strömendem Abgas nutzbar macht. Insbesondere weist der Wärmeübertrager in der Abgasrückführleitung einen Nebenauslass auf, über welchen ein Teil des Arbeitsmediums im Dampfkreislauf einem weiteren Wärmeübertrager zugeführt wird, welcher im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
  • Aus der Patentschrift US 9,140,209 B2 ist eine Brennkraftmaschine mit Abwärmerückgewinnungsvorrichtung und Verdampfungskühlung bekannt. Die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ist als Dampfkreislaufsystem mit einer Wärmeübertragungseinheit ausgebildet, welche einen Kühlmantelwärmeübertrager im Motorblock, einen Abgaswärmeübertrager im Abgasstrang und in einer Abgasrückführung einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager aufweist. Dabei wird der erste Wärmeübertrager vor dem zweiten Wärmeübertrager von dem über die Abgasrückführung rückgeführten Abgas durchströmt. Die Wärmeübertrager sind in dem Dampfkreislaufsystem derart miteinander verbunden, dass das Arbeitsmedium dem zweiten Wärmeübertrager in der Abgasrückführung, anschließend dem Kühlmantelwärmeübertrager, dann weiter dem Abgaswärmeübertrager und letztlich dem ersten Wärmeübertrager zugeführt wird, bevor die Nutzung der gesammelten Abwärme erfolgt. Es wird beschrieben, dass die Verdampfung des Arbeitsmediums im Kühlmantelwärmeübertrager und gegebenenfalls zusätzlich im Abgaswärmeübertrager und im ersten Wärmeübertrager erfolgt.
  • Aus der Offenlegungsschrift US 2015 / 0 176 465 A1 ist ein System zur Abwärmerückgewinnung von einem Verbrennungsmotor bekannt. Das System umfasst eine Arbeitsfluidzirkulationsleitung mit einer Turbine, mit einer Wärmeübertragungseinheit, welche mit einer Abgasrückführleitung des Verbrennungsmotors verbunden ist, und mit einem Gas-Flüssigkeitsseparator. Mittels der über die Wärmeübertragereinheit vom rückgeführten Abgas genutzten Abwärme wird das Arbeitsfluid verdampft und mittels der Turbine unter Bereitstellung von mechanischer Leistung entspannt. Mittels des Gas-Flüssigkeitsseparators zwischen Turbine und Wärmeübertragungseinheit wird sichergestellt, dass nur gasförmiges Arbeitsfluid der Turbine zugeführt wird, um einen optimalen Betrieb der Turbine zu gewährleisten.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und verbesserter Abwärmenutzung und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und verbesserter Abwärmenutzung bereitzustellen.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Aufgabe wird durch die Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und den jeweiligen Ausführungsbeispielen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt eine vorteilhafte Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und verbesserte Abwärmenutzung bereit. Dazu weist die Brennkraftmaschine ein Dampfkreislaufsystem auf, mittels welchem die Nutzung der beim Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abwärme aus Verdampfungskühlung eines Gehäuses der Brennkraftmaschine und aus Abgaskühlung eines Hauptabgasstroms in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine und aus Abgaskühlung eines Teilabgasstroms in einer Abgasrückführung der Brennkraftmaschine erfolgt. Die Verdampfungskühlung im Gehäuse der Brennkraftmaschine betrifft dabei zumindest einen Zylinderkopf oder einen Motorblock der Brennkraftmaschine als Bestandteil des Gehäuses.
  • Das Dampfkreislaufsystem weist zur Abwärmenutzung in einem gemeinsamen Leitungssystem einen ersten Abgaswärmeübertrager in der Abgasrückführung, einen zweiten Abgaswärmeübertrager in der Abgasrückführung und ein Verdampfersystem auf. Der erste Abgaswärmeübertrager ist in Strömungsrichtung des durch die Abgasrückführung strömenden Teilabgasstroms nach dem ersten Abgaswärmeübertrager in der Abgasrückführung angeordnet, so dass beim Betrieb der Abgasrückführung der zweite Abgaswärmeübertrager vor dem ersten Abgaswärmeübertrager mit Teilabgasstrom durchströmt wird. Das in dem Dampfkreislaufsystem vorgesehene Verdampfersystem wird dabei aus einem dritten Abgaswärmeübertrager im Abgastrakt, sowie einem Kühlmantelwärmeübertrager innerhalb der Brennkraftmaschine im Gehäuse gebildet, welcher als Brennkraftmaschinenkühlmantel für eine Verdampfungskühlung speziell ausgeführt ist. Zudem ist für die Darstellung des Dampfkreislaufsystems im Leitungssystem eine Expansionsmaschine, ein Kondensator und eine Förderpumpe vorgesehen.
  • Die erfindungsgemäß vorteilhafte Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung weist in einem gemeinsamen Dampfkreislaufsystem den ersten Abgaswärmeübertrager in der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine, das Verdampfersystem, das mit dem ersten Abgaswärmeübertrager fluidverbunden ist, den zweiten Abgaswärmeübertrager in der Abgasrückführung, der mit dem Verdampfersystem fluidverbunden ist, die Expansionsmaschine, die mit dem zweiten Abgaswärmeübertrager fluidverbunden ist, den Kondensator, der mit der Expansionsmaschine fluidverbunden ist, und die Förderpumpe, die mit dem Kondensator und wiederum mit dem ersten Abgaswärmeübertrager fluidverbunden ist, auf, wobei das Verdampfersystem aus dem Kühlmantelwärmeübertrager und dem dritten Abgaswärmeübertrager gebildet ist und der erste Abgaswärmeübertrager über den dritten Abgaswärmeübertrager mit dem Kühlmantelwärmeübertrager fluidverbunden ist.
  • In dem Dampfkreislaufsystem wird mittels der Förderpumpe und der Expansionsmaschine ein Arbeitsmittel zirkuliert, welches bereichsweise als flüssiges Arbeitsmittel, als Gemisch von flüssigem Arbeitsmittel und dampfförmigem Arbeitsmittel, insbesondere als Nassdampf, oder dampfförmiges Arbeitsmittel, insbesondere als Heißdampf vorliegt. Dazu wird das Arbeitsmittel mittels der Förderpumpe im flüssigen Aggregatzustand dem ersten Abgaswärmeübertrager in der Abgasrückführung zugeführt. Unter Aufnahme von Abgasabwärme von dem durch die Abgasrückführung strömenden Teilabgasstrom wird das flüssige Arbeitsmittel im ersten Abgaswärmeübertrager erwärmt. Das flüssige Arbeitsmittel kann dabei bereits teilweise verdampfen. Anschließend erfolgt die weitere Erwärmung und zumindest teilweise Verdampfung des Arbeitsmittels im Verdampfersystem, wobei die Erwärmung und Verdampfung im Kühlmantelwärmeübertrager unter Aufnahme von Gehäuseabwärme erfolgt, nachdem dem Arbeitsmittel im dritten Abgaswärmeübertrager unter Nutzung von Abgasabwärme von dem durch den Abgastrakt strömenden Hauptabgasstrom weitere Wärme zugeführt wurde. Dem dampfförmigen, insbesondere als Nassdampf vorliegenden Arbeitsmittel wird anschließend im zweiten Abgaswärmeübertrager unter Nutzung von Abgasabwärme von dem durch die Abgasrückführung strömenden Teilabgasstrom weiter Wärme zugeführt, wodurch das Arbeitsmittel erhitzt wird, bevor das gasförmige, insbesondere als Heißdampf vorliegende Arbeitsmittel unter Abgabe von mechanischer Energie in der Expansionsmaschine entspannt und unter Abgabe von Kondensationswärme im Kondensator wieder verflüssigt und mittels der Förderpumpe dem ersten Abgaswärmeübertrager zugeführt wird. Die Abgaswärmeübertrager sind für eine optimale Wärmeübertragung vorzugweise als Gegenstromwärmeübertrager ausgeführt.
  • In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise ist in dem Dampfkreislaufsystem wenigstens eine Ventileinheit vorgesehen, mittels welcher sich unter Bereitstellung verschiedener Schaltzustände zwischen erstem Abgaswärmeübertrager und zweitem Abgaswärmeübertrager wenigstens zwei unterschiedliche Leitungswege in dem Verdampfersystem über den dritten Abgaswärmeübertrager und Kühlmantelwärmeübertrager ergeben. Dazu ist in dem Dampfkreislaufsystem die Förderpumpe mit dem ersten Abgaswärmeübertrager und dieser wiederum mit der Ventileinheit fluidverbunden. Mittels der Ventileinheit ist der erste Abgaswärmeübertrager in einem ersten Schaltzustand der Ventileinheit über den dritten Abgaswärmeübertrager mit dem Kühlmantelwärmeübertrager und dieser dann über den zweiten Abgaswärmeübertrager mit der Expansionsmaschine fluidverbunden. Über die Ventileinheit ist der erste Abgaswärmeübertrager in einem zweiten Schaltzustand der Ventileinheit über den Kühlmantelwärmeübertrager mit dem dritten Abgaswärmeübertrager und dieser dann über den zweiten Abgaswärmeübertrager mit der Expansionsmaschine fluidverbunden. Die Ventileinheit ist im Besonderen derart ausgebildet, dass die Abgaswärmeübertrager als Gegenstromwärmeübertrager betreibbar sind. Dazu kann die Ventileinheit aus mehreren separaten Ventilen zusammengefasst sein.
  • Ist der erste Abgaswärmeübertrager über den dritten Abgaswärmeübertrager mit dem Kühlmantelwärmeübertrager in einem ersten Leitungsweg im Verdampfersystem fluidverbunden, so erfolgt nach dem Vorwärmen des flüssigen Arbeitsmittels unter Nutzung von Abwärme aus dem über die Abgasrückführung rückgeführten Teilabgasstrom im ersten Abgaswärmeübertrager eine weitere Erwärmung des vorgewärmten flüssigen Arbeitsmittels unter Nutzung von Abwärme aus einem durch den Abgastrakt strömenden Hauptabgasstrom im dritten Abgaswärmetauscher und anschließend eine Verdampfung zur Darstellung der Verdampfungskühlung im Kühlmantelwärmeübertrager.
  • Ist der erste Abgaswärmeübertrager über den Kühlmantelwärmeübertrager mit dem dritten Abgaswärmeübertrager in einem zweiten Leitungsweg im Verdampfersystem fluidverbunden, so erfolgt nach einem Vorwärmen des flüssigen Arbeitsmittels unter Nutzung von Abwärme aus dem über die Abgasrückführung rückgeführten Teilabgasstrom im ersten Abgaswärmeübertrager eine teilweise Verdampfung des vorgewärmten flüssigen Arbeitsmittels zur Darstellung der Verdampfungskühlung im Kühlmantelwärmeübertrager und eine weitere Erwärmung unter Nutzung von Abwärme aus einem durch den Abgastrakt strömenden Hauptabgasstrom im dritten Abgaswärm etauscher.
  • Das dampfförmige, insbesondere als Nassdampf vorliegende Arbeitsmittel wird nach Passieren der beiden vorgenannten Leitungswege anschließend im zweiten Abgaswärmeübertrager unter Aufnahme von Abgasabwärme von dem durch die Abgasrückführung strömenden Teilabgasstrom weiter erhitzt, bevor das gasförmige, insbesondere als Heißdampf vorliegende Arbeitsmittel unter Abgabe von mechanischer Energie in der Expansionsmaschine entspannt und unter Abgabe von Kondensationswärme in Kondensator wieder verflüssigt und mittels der Förderpumpe dem ersten Abgaswärmeübertrager zugeführt wird.
  • Durch die Verdampfungskühlung mittels des Kühlmantelwärmeübertragers wird durch das im Zwei-Phasen-Gebiet vorliegende Arbeitsmittel eine hohe Wärmeübergangsleistung bei gleichbleibender Kühltemperatur erreicht, wodurch sich der geringe Massestrombedarf an Arbeitsmittel positiv auf den Wirkungsgrad der Abwärmenutzung auswirkt. Die von der Expansionsmaschine mittels des Dampfkreislaufsystems aus der Abwärme der Brennkraftmaschine rekuperierte mechanische Energie wird zum Antrieb der Brennkraftmaschine und / oder zum Antrieb von Nebenaggregaten der Brennkraftmaschine verwendet. Weiter wird die rekuperierte mechanische Energie mittels einer Kopplung der Expansionsmaschine an einen Generator zur Aufladung einer Batterie genutzt. Dabei wird das Dampfkreislaufsystem in vorteilhafter Weise als Clausius-Rankine-Kreisprozess betrieben.
  • In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist in dem Dampfkreislaufsystem wenigstens eine schaltbare Umgehungsleitung vorgesehen, um einzelne oder mehrere Abgaswärmeübertrager und / oder den Kühlmantelwärmeübertrager schaltbar zu umgehen und diese somit aus dem Dampfkreislaufsystem auszuschließen, oder nicht zu umgehen und diese somit in das Dampfkreislaufsystem einzuschließen. Die Schaltbarkeit der Umgehungsleitung wird dabei mittels Wegeventilen ermöglicht, so dass das Arbeitsmittel entweder durch die Abgaswärmeübertrager und den Kühlmantelwärmeübertrager oder durch die jeweilige Umgehungsleitung strömt. In einer Weiterbildung ist das Wegeventil derart ausgebildet, dass zusätzlich zu den vorgenannten Strömungswegen das Arbeitsmittel durch Abgaswärmeübertrager und den Kühlmantelwärmeübertrager und die Umgehungsleitung strömt.
  • Demnach ist eine erste Umgehungsleitung vorgesehen, welche in Strömungsrichtung nach der Förderpumpe abzweigt und in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach dem ersten Abgaswärmeübertrager, oder in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach dem Kühlmantelwärmeübertrager, oder in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach dem dritten Abgaswärmeübertrager wieder einmündet.
  • Demnach ist eine zweite Umgehungsleitung vorgesehen, welche in Strömungsrichtung nach dem ersten Abgaswärmeübertrager, oder nach dem Kühlmantelwärmeübertrager abzweigt und in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor dem dritten Abgaswärmeübertrager, oder in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor dem zweiten Abgaswärmeübertrager, oder in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor der Expansionsmaschine wieder einmündet.
  • Demnach ist eine dritte Umgehungsleitung vorgesehen, welche in Strömungsrichtung nach dem ersten Abgaswärmeübertrager, oder nach dem dritten Abgaswärmeübertrager abzweigt und in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor dem Kühlmantelwärmeübertrager, oder in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor dem zweiten Abgaswärmeübertrager, oder in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor der Expansionsmaschine wieder einmündet.
  • In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise weist das Dampfkreislaufsystem eine Drucksteuereinrichtung auf, mittels welcher der Druck im Dampfkreislaufsystem und somit die Siedetemperatur des Arbeitsmittels für die Verdampfungskühlung verändert wird, wobei eine Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit einer Information zum Klopfverhalten oder in Abhängigkeit einer Information zur Schadstoffentwicklung erfolgt.
  • Mittels der Drucksteuereinrichtung wird für eine verbesserte Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation der Druck im Kühlmantelwärmeübertrager verändert, insbesondere erhöht, um die Siedetemperatur des Arbeitsmittels zu erhöhen, oder verringert, um die Siedetemperatur des Arbeitsmittels zu verringern. Dabei wird die Drucksteuereinrichtung durch eine Expansionsmaschine mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis, durch ein separates Expansionsventil mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis, durch eine Förderpumpe mit variabel einstellbarer Fördermenge, durch eine Ausbildung wenigstens eines Wärmeübertragers als Wärmeübertrager mit variabel einstellbarer übertragbarer Wärmemenge, durch einen Kondensator mit variabel einstellbarer Kühlwirkung, durch einen variablen beaufschlagbaren Druckbehälter und / oder durch einen Rekuperator mit variabel einstellbarer übertragbarer Wärmemenge gebildet.
  • In einer bevorzugten Ausbildung ist die Drucksteuereinrichtung als separates Expansionsventil mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis ausgeführt, und in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels im Dampfkreislaufsystem nach dem Kühlmantelwärmeübertrager angeordnet.
  • Ausführungsbeispiele
  • Beispielhaft werden hier Ausführungen einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 mit Verdampfungskühlung 2 und Abwärmenutzung 3 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine 1 mit Verdampfungskühlung 2 und Abwärmenutzung 3.
  • Eine erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine 1 mit Verdampfungskühlung 2 und Abwärmenutzung 3, dargestellt in 1, weist ein Dampfkreislaufsystem 4 mit einem Verdampfersystem 5 auf, mittels welchem die Nutzung der beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 anfallenden Abwärme erfolgt.
  • Das Dampfkreislaufsystem 4 weist dazu einen ersten Abgaswärmeübertrager 6a in einer Abgasrückführung 6, einen zweiten Abgaswärmeübertrager 6b in der Abgasrückführung 6 und einen dritten Abgaswärmeübertrager 7a in einem Abgastrakt 7, sowie einen Kühlmantelwärmeübertrager 8a innerhalb der Brennkraftmaschine 1 im Gehäuse 8 für die Verdampfungskühlung 2 auf, wobei das Verdampfersystem 5 aus dem Kühlmantelwärmeübertrager 8a und dem dritten Abgaswärmeübertrager 7a gebildet ist. Dabei ist der erste Abgaswärmeübertrager 6a über den dritten Abgaswärmeübertrager 7a mit dem Kühlmantelwärmeübertrager 8a fluidverbunden. Weiter ist in dem Dampfkreislaufsystem 4 eine Expansionsmaschine 9, ein Kondensator 10 und eine Förderpumpe 11 vorgesehen. Beim Betrieb der Abgasrückführung 6 wird der zweite Abgaswärmeübertrager 6b vor dem ersten Abgaswärmeübertrager 6a mit einem durch die Abgasrückführung 6 strömenden Teilabgasstrom durchströmt.
  • In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist in dem Dampfkreislaufsystem 4 die mit dem Kondensator 10 fluidverbundene Förderpumpe 11 über den ersten Abgaswärmeübertrager 6a mit dem Verdampfersystem 5, also mit dem dritten Abgaswärmeübertrager 7a und anschließend mit dem Kühlmantelwärmeübertrager 8a, und weiter über den zweiten Abgaswärmeübertrager 6b mit der Expansionsmaschine 9 und diese zur Darstellung des Dampfkreislaufsystems 4 wiederum mit dem Kondensator 10 fluidverbunden. Weiter ist ein Expansionsventil 12 mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels im Dampfkreislaufsystem 4 nach dem Kühlmantelwärmeübertrager 8a angeordnet.
  • Beispielhaft wird hier eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 mit Verdampfungskühlung 2 und Abwärmenutzung 3 dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
  • 2: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine 1 mit Verdampfungskühlung 2 und Abwärmenutzung 3 in einer alternativen Ausführung.
  • Eine erfindungsgemäß vorteilhafte alternative Ausführung der Brennkraftmaschine 1 mit Verdampfungskühlung 2 und Abwärmenutzung 3, dargestellt in 2, weist in dem Dampfkreislaufsystem 4 eine mit dem Verdampfersystem 5, mit dem ersten Abgaswärmeübertrager 6a und dem zweiten Abgaswärmeübertrager 6b fluidverbundene Ventileinheit 13 auf. Unter Bereitstellung verschiedener Schaltzustände mittels der Ventileinheit 13 werden zwischen erstem Abgaswärmeübertrager 6a und zweitem Abgaswärmeübertrager 6b wenigstens zwei unterschiedliche Leitungswege in dem Verdampfersystem 5 über den dritten Abgaswärmeübertrager 7a und den Kühlmantelwärmeübertrager 8a bereitgestellt. Im Dampfkreislaufsystem 4 ist die Förderpumpe 11 mit dem ersten Abgaswärmeübertrager 6a und dieser wiederum mit der Ventileinheit 13 fluidverbunden. Mittels der Ventileinheit 13 ist der erste Abgaswärmeübertrager 6a in einem ersten Schaltzustand über den dritten Abgaswärmeübertrager 7a mit dem Kühlmantelwärmeübertrager 8a und dieser dann über den zweiten Abgaswärmeübertrager 6b mit der Expansionsmaschine 9 fluidverbunden. Mittels der Ventileinheit 13 ist der erste Abgaswärmeübertrager 6a in einem zweiten Schaltzustand über den Kühlmantelwärmeübertrager 8a mit dem dritten Abgaswärmeübertrager 7a und dieser dann über den zweiten Abgaswärmeübertrager 6b mit der Expansionsmaschine 9 fluidverbunden. Die Expansionsmaschine 9 ist dann zur Darstellung des Dampfkreislaufsystems 4 wiederum mit dem Kondensator 10 fluidverbunden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Verdampfungskühlung
    3
    Abwärmenutzung
    4
    Dampfkreislaufsystem
    5
    Verdampfersystem
    6
    Abgasrückführung
    6a, 6b
    erster, zweiter Abgaswärmeübertrager
    7
    Abgastrakt
    7a
    dritter Abgaswärmeübertrager
    8
    Gehäuse
    8a
    Kühlmantelwärmeübertrager
    9
    Expansionsmaschine
    10
    Kondensator
    11
    Förderpumpe
    12
    Expansionsventil
    13
    Ventileinheit

Claims (3)

  1. Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung (2) und Abwärmenutzung (3) in einem gemeinsamen Dampfkreislaufsystem (4), aufweisend: - einen ersten Abgaswärmeübertrager (6a) in einer Abgasrückführung (6) der Brennkraftmaschine (1), - ein Verdampfersystem (5), welches mit dem ersten Abgaswärmeübertrager (6a) fluidverbunden ist, - einen zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) in der Abgasrückführung (6), welcher mit dem Verdampfersystem (5) fluidverbunden ist, - eine Expansionsmaschine (9), welche mit dem zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) fluidverbunden ist, - einen Kondensator (10), welcher mit der Expansionsmaschine (9) fluidverbunden ist, - eine Förderpumpe (11), welche mit dem Kondensator (10) und wiederum mit dem ersten Abgaswärmeübertrager (6a) fluidverbunden ist, wobei das Verdampfersystem (5) aus einen Kühlmantelwärmeübertrager (8a) innerhalb der Brennkraftmaschine (1) in einem Gehäuse (8) für die Verdampfungskühlung (2) und einen dritten Abgaswärmeübertrager (7a) in einem Abgastrakt (7) gebildet ist, und der erste Abgaswärmeübertrager (6a) über den dritten Abgaswärmeübertrager (7a) und anschließend über den Kühlmantelwärmeübertrager (8a) mit dem zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) fluidverbunden ist.
  2. Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung (2) und Abwärmenutzung (3) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem ersten Abgaswärmeübertrager (6a) und dem zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) fluidverbundene Ventileinheit (13) vorgesehen ist, welche unter Bereitstellung verschiedener Schaltzustände zwischen dem ersten Abgaswärmeübertrager (6a) und zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) wenigstens zwei unterschiedliche Leitungswege in dem Verdampfersystem (5) bereitgestellt, wobei in einem ersten Schaltzustand der erste Abgaswärmeübertrager (6a) über den dritten Abgaswärmeübertrager (7a) und anschließend über den Kühlmantelwärmeübertrager (8a) und in einem zweiten Schaltzustand der erste Abgaswärmeübertrager (6a) über den Kühlmantelwärmeübertrager (8a) und anschließend über den dritten Abgaswärmeübertrager (7a) jeweils mit dem zweiten Abgaswärmeübertrager (6b) fluidverbindbar ist.
  3. Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung (2) und Abwärmenutzung (3) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drucksteuereinrichtung als separates Expansionsventil (12) mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels im Dampfkreislaufsystem (4) nach dem Kühlmantelwärmeübertrager (8a) angeordnet ist.
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