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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr.
62/855,234 , eingereicht am 31. Mai 2019 mit dem Titel „Waste Heat Recovery System and Control“, deren Inhalt in Gesamtheit hierin eingeschlossen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Abwärmerückgewinnungssysteme (Waste Heat Recovery, WHR) und insbesondere auf WHR-Systeme, die bei Fahrzeugen verwendet werden.
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STAND DER TECHNIK
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Ein WHR-System gewinnt Wärmeenergie von einer Fahrzeugkomponente oder einem Fahrzeugsystem zurück, wie etwa von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs, die andernfalls verloren gehen würde. Je mehr Abwärmeenergie der Komponente oder dem System durch ein WHR-System entzogen wird, desto größer ist der potentielle Wirkungsgrad des Motors. Mit anderen Worten, anstatt dass die entzogene Wärme verloren geht, kann die entzogene Wärmeenergie umgeleitet werden, z. B. um die Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor zu ergänzen, wodurch der Wirkungsgrad des Systems erhöht wird. Einige WHR-Systeme verwenden einen Rankine-Zyklus (RC), der ein thermodynamischer Prozess ist, bei dem Wärme auf ein Arbeitsfluid des RC-Kreislaufs übertragen wird. Das Arbeitsfluid wird in einen Wärmetauscher gepumpt, wo es verdampft wird. Der Dampf passiert einen Expander und dann einen Kondensator, wo der Dampf zurück in eine Flüssigkeit kondensiert wird. Der Expander kann einen Generator antreiben, um elektrische Energie zu erzeugen. Ein organischer RC (ORC) ist ein RC, bei dem das Arbeitsfluid ein organisches Arbeitsfluid mit hoher Molekülmasse mit einem Flüssig-Gas-Phasenwechsel bei einer geringeren Temperatur als der für Wasser ist. Ein solches Fluid ermöglicht eine Wärmerückgewinnung aus Quellen niedrigerer Temperatur im Vergleich zu anderen anorganischen RC-Kreisläufen.
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KURZDARSTELLUNG
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In einem Gesichtspunkt schließt ein WHR-System mindestens zwei Druckkreisläufe ein, wobei jeder Druckkreislauf mindestens einen Wärmetauscher einschließt, wobei jeder der mindestens zwei Druckkreisläufe dem jeweiligen mindestens einen Wärmetauscher und einem Expander mit einer Vielzahl von Eingängen, die einer Anzahl der mindestens zwei Kreisläufe entsprechen, ein Arbeitsfluid bereitstellt, und eine Steuerung, die kommunikativ mit den mindestens zwei Druckkreisläufen gekoppelt ist. Die Steuerung ist konfiguriert, um einen ersten Druckwert und einen ersten Temperaturwert von einem ersten Sensor zu empfangen, der an einem der Eingänge des Expanders positioniert ist. Die Steuerung ist ferner konfiguriert, um einen überhitzten Temperaturwert aus dem ersten Druckwert basierend auf mindestens einer Eigenschaft des Arbeitsfluids zu bestimmen. Die Steuerung ist auch konfiguriert, um zu bestimmen, ob der erste Temperaturwert größer als der überhitzte Temperaturwert ist. Die Steuerung ist ferner konfiguriert, um als Reaktion auf das Bestimmen, dass der erste Temperaturwert größer als der überhitzte Temperaturwert ist, mindestens eine Pumpe, die das Arbeitsfluid pumpt, oder ein Umgehungsventil, das über die Pumpe positioniert ist, zu steuern, um einen Durchfluss des Arbeitsfluids zu erhöhen.
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In einem anderen Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Betreiben eines WHR-Systems bereitgestellt, das mindestens zwei Druckkreisläufe einschließt, wobei jeder Druckkreislauf mindestens einen Wärmetauscher einschließt, wobei die mindestens zwei Kreisläufe dem jeweiligen mindestens einen Wärmetauscher und einem Expander mit einer Vielzahl von Eingängen, die einer Anzahl der mindestens zwei Kreisläufe entsprechen, ein Arbeitsfluid bereitstellen. Das Verfahren schließt das Empfangen eines ersten Druckwerts und eines ersten Temperaturwerts von einem ersten Sensor, der an einem der Eingänge des Expanders positioniert ist, an einer Steuerung ein. Das Verfahren schließt an der Steuerung ferner das Bestimmen eines überhitzten Temperaturwerts aus dem ersten Druckwert ein, basierend auf mindestens einer Eigenschaft des Arbeitsfluids. Das Verfahren schließt an der Steuerung auch das Bestimmen ein, ob der erste Temperaturwert größer als der überhitzte Temperaturwert ist. Das Verfahren schließt ferner Steuern durch die Steuerung als Reaktion auf das Bestimmen, dass der erste Temperaturwert größer als der überhitzte Temperaturwert ist, von mindestens einer Pumpe, die das Arbeitsfluid pumpt, oder einem Umgehungsventil ein, das über die Pumpe positioniert ist, um einen Durchfluss des Arbeitsfluids zu erhöhen, ein.
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In einer oder mehreren Implementierungen schließt das Verfahren ferner das Empfangen, an der Steuerung, eines zweiten Temperaturwerts und eines zweiten Druckwerts von einem zweiten Sensor ein, der an einem Ausgang eines Unterkühlers positioniert ist, der Arbeitsfluide von den mindestens zwei Kreisläufen empfängt. Das Verfahren schließt auch das Bestimmen, an der Steuerung, eines unterkühlten Temperaturwerts basierend auf dem zweiten Druckwert und mindestens einer Eigenschaft des Arbeitsfluids ein. Das Verfahren schließt an der Steuerung ferner das Bestimmen ein, ob der zweite Temperaturwert kleiner als der unterkühlte Temperaturwert ist. Das Verfahren schließt auch das Steuern, durch die Steuerung, als Reaktion auf das Bestimmen, dass der zweite Temperaturwert kleiner als der unterkühlte Temperaturwert ist, mindestens eines Ventils ein, das den Durchfluss des Arbeitsfluids zu oder von einem Arbeitsfluidbehälter zu dem Unterkühler erhöht.
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In einer oder mehreren Implementierungen schließt das Verfahren auch das Empfangen, an der Steuerung, eines dritten Temperaturwerts von einem dritten Sensor ein, der an einem Ausgang von mindestens einem Wärmetauscher positioniert ist. Das Verfahren schließt ferner das Bestimmen an der Steuerung ein, ob der dritte Temperaturwert kleiner als ein Solltemperaturwert ist. Das Verfahren schließt auch das Steuern, durch die Steuerung als Reaktion auf das Bestimmen, dass der dritte Temperaturwert kleiner als der Solltemperaturwert ist, eines Umgehungsventils über den mindestens einen Wärmetauscher ein, um zu ermöglichen, dass mindestens ein Abschnitt des Arbeitsfluids vorgelagert zu mindestens einen Wärmetauscher nachgelagert zu mindestens einen Wärmetauscher fließt.
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In einer oder mehreren Implementierungen schließt das Verfahren an der Steuerung ferner das Empfangen eines dritten Druckwerts von einem vierten Sensor ein, der an mindestens einem Eingang der Vielzahl von Eingängen des Expanders positioniert ist. Das Verfahren schließt auch das Bestimmen an der Steuerung ein, dass der dritte Druckwert größer als ein Solldruckwert ist. Das Verfahren schließt ferner das Steuern, durch die Steuerung, als Reaktion auf das Bestimmen, dass der dritte Druckwert größer als der Solldruckwert ist, eines Umgehungsventils über den Expander ein, um zu ermöglichen, dass mindestens ein Abschnitt des Arbeitsfluids vorgelagert dem mindestens einen Eingang der Vielzahl von Eingängen des Expanders nachgelagert eines Ausgangs des Expanders fließt.
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In einer oder mehreren Implementierungen schließt das WHR-System ein Transferventil ein, das zwischen einem ersten Druckkreislauf und einem zweiten Druckkreislauf der mindestens zwei Druckkreisläufe positioniert ist, wobei der erste Druckkreislauf einen Arbeitsfluiddruck aufweist, der kleiner als ein Arbeitsfluiddruck des zweiten Druckkreislaufs ist. Das Verfahren schließt an der Steuerung ferner das Empfangen eines vierten Temperaturwerts von einem vierten Temperatursensor ein, der an einem Ausgang eines Wärmetauschers in dem ersten Druckkreislauf positioniert ist. Das Verfahren schließt auch das Bestimmen an der Steuerung ein, dass der vierte Temperaturwert über einem ersten Kreislauftemperatursollwert liegt. Das Verfahren schließt zusätzlich das Steuern des Transferventils durch die Steuerung ein, um Arbeitsfluid von dem zweiten Druckkreislauf an den ersten Druckkreislauf zu übertragen.
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In einer oder mehreren Implementierungen schließt das WHR-System eine gemeinsame Pumpe ein, die sowohl einem ersten Druckkreislauf als auch einem zweiten Druckkreislauf der mindestens zwei Druckkreisläufe Arbeitsfluid bereitstellt, wobei der erste Druckkreislauf einen Arbeitsfluiddruck aufweist, der geringer ist als ein Arbeitsfluiddruck des zweiten Druckkreislaufs, und ein Transferventil, das einen Abschnitt des Arbeitsfluids von dem zweiten Druckkreislauf an den ersten Druckkreislauf umleitet. Das Verfahren schließt an der Steuerung ferner das Empfangen eines vierten Temperaturwerts von einem vierten Temperatursensor ein, der an einem Ausgang eines Wärmetauschers in dem ersten Druckkreislauf positioniert ist. Das Verfahren schließt auch das Bestimmen an der Steuerung ein, dass der vierte Temperaturwert über einem ersten Kreislauftemperatursollwert liegt. Das Verfahren schließt zusätzlich das Steuern des Transferventils durch die Steuerung ein, um die Übertragung von Arbeitsfluid von dem zweiten Druckkreislauf zu dem ersten Druckkreislauf zu erhöhen.
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In noch einem anderen Gesichtspunkt schließt ein System einen Motor und ein WHR-System ein. Das WHR-System schließt mindestens zwei Druckkreisläufe ein, wobei jeder Druckkreislauf mindestens einen Wärmetauscher einschließt, der mindestens ein dem Motor zugeordnetes Fluid aufnimmt, wobei die mindestens zwei Druckkreisläufe dem jeweiligen mindestens einen Wärmetauscher und einem Expander mit einer Vielzahl von Eingängen, die einer Anzahl der mindestens zwei Kreisläufe entsprechen, ein Arbeitsfluid bereitstellen, und eine Steuerung, die kommunikativ mit den mindestens zwei Druckkreisläufen gekoppelt ist. Die Steuerung ist konfiguriert, um einen ersten Druckwert und einen ersten Temperaturwert von einem ersten Sensor zu empfangen, der an einem der Eingänge des Expanders positioniert ist. Die Steuerung ist ferner konfiguriert, um einen überhitzten Temperaturwert aus dem ersten Druckwert basierend auf mindestens einer Eigenschaft des Arbeitsfluids zu bestimmen. Die Steuerung ist auch konfiguriert, um zu bestimmen, ob der erste Temperaturwert größer als der überhitzte Temperaturwert ist. Die Steuerung ist ferner konfiguriert, um als Reaktion auf das Bestimmen, dass der erste Temperaturwert größer als der überhitzte Temperaturwert ist, mindestens eine Pumpe, die das Arbeitsfluid pumpt, oder ein Umgehungsventil, das über die Pumpe positioniert ist, zu steuern, um einen Durchfluss des Arbeitsfluids zu erhöhen.
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Figurenliste
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Der Fachmann wird erkennen, dass die Zeichnungen nur der Erläuterung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Bereich des hierin offenbarten Gegenstands zu beschränken. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; in manchen Fällen können verschiedene Gesichtspunkte des hierin offenbarten Gegenstands in den Zeichnungen übertrieben oder vergrößert dargestellt sein, damit verschiedene Merkmale besser zu verstehen sind. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Zeichen generell gleiche Merkmale (z. B. funktionell ähnliche und/oder strukturell ähnliche Elemente).
- 1 zeigt ein erstes beispielhaftes WHR-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 2 zeigt ein zweites beispielhaftes WHR-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 3 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zum Aufrechterhalten von Temperaturen des Arbeitsfluids.
- 4 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zum Steuern einer Temperatur eines Fluids, das durch einen Wärmetauscher gekühlt wird.
- 5 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zum Steuern des Arbeitsfluiddrucks an Eingängen des Expanders.
- 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Steuern der Übertragung von Arbeitsfluid von einem Hochdruckkreislauf an einen Niederdruckkreislauf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 7 zeigt ein drittes beispielhaftes WHR-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 8 zeigt ein viertes beispielhaftes WHR-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Die Merkmale und Vorteile der hierin offenbarten erfinderischen Konzepte werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher werden.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es folgen weitere ausführlichere Beschreibungen verschiedener Konzepte, die sich auf erfindungsgemäße WHR-Systeme und Verfahren zum Betreiben von WHR-Systemen beziehen. Man beachte, dass verschiedene, oben vorgestellte Konzepte, die nachstehend ausführlicher erörtert werden, auf viele verschiedene Arten verwirklicht werden können, da die offenbarten Konzepte nicht auf eine bestimmte Art und Weise der Implementierung beschränkt sind. Beispiele für spezielle Implementierungen und Anwendungen werden hauptsächlich zu Zwecken der Veranschaulichung bereitgestellt.
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WHR-Systeme können thermische oder andere Formen von Energie in einem Fahrzeug zurückgewinnen, die andernfalls abgeführt und an die Umgebung verloren gegangen wäre, und helfen, die Energie in nutzbare elektrische oder mechanische Energie umzuwandeln. Insbesondere können die WHR-Systeme Wärme absorbieren, die von verschiedenen Komponenten eines Fahrzeugs, wie etwa dem Motor oder dem Abgas, erzeugt wird. Das WHR-System kann die absorbierte Wärme verwenden, um einem erwärmten Arbeitsfluid Bewegung zu verleihen, das wiederum eine Antriebswelle antreiben oder drehen kann. Die Antriebswelle kann mit einem Achsantrieb (wie etwa Rädern) gekoppelt sein oder mit einer Antriebswelle eines Motors/Generators gekoppelt sein, der das übertragene Drehmoment in elektrische Energie umwandeln kann. In Hybridfahrzeugen kann das WHR-System die elektrische Energie zum Laden einer Batterie bereitstellen, die wiederum Leistung an einen oder mehrere Elektromotoren bereitstellen kann, die das Fahrzeug antreiben.
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Einige WHR-Systeme können mehr als einen Arbeitsfluidkreislauf einschließen. Zum Beispiel kann ein WHR-System einen Hochdruckkreislauf und einen Niederdruckkreislauf einschließen, wobei das Arbeitsfluid in dem Hochdruckkreislauf bei einem Druck betrieben wird, der höher ist als der des Arbeitsfluids in dem Niederdruckkreislauf. Jeder Kreislauf kann Wärme von mehr als einer Wärmequelle aufnehmen. Zum Beispiel können die Wärmequellen das Motorkühlmittel, die Motorladeluft, das Motorabgas, das Motorabgasrückführungssystem (EGR-System) usw. einschließen. Diese Wärmequellen liefern verschiedene Grade an Wärmeenergie an das Arbeitsfluid an verschiedenen Abschnitten des jeweiligen Hochdruck- und Niederdruckkreislaufs. Außerdem kann die von diesen Wärmequellen bereitgestellte Wärmeenergie über die Zeit variieren. Es ist erwünscht, das Arbeitsfluid in jedem Kreislauf in bestimmten Temperatur- und Druckbereichen zu betreiben, die zu einer effektiveren Wärmerückgewinnung führen. Bei mehreren Kreisläufen und mehreren Wärmequellen kann die Betriebstemperatur bzw. der Druck des Arbeitsfluids von den gewünschten Temperatur- und Druckbereichen abweichen. Dies kann zu einer ineffizienten Wärmerückgewinnung und -umwandlung führen. Dies kann auch zu einem ineffizienten Betrieb des Motors führen, insbesondere wenn die Temperatur bestimmter Fluide, wie etwa des Abgases in der AGR, innerhalb eines strengen Wertebereichs gehalten werden soll.
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Die hierin erörterten WHR-Systeme stellen eine Lösung für das Problem bereit, den WHR-Kreislauf innerhalb der gewünschten Betriebsbedingungen zu halten. Insbesondere stellen die WHR-Systeme einen Steuerkreislauf bereit, der die Temperatur und den Druck des Arbeitsfluids in verschiedenen Abschnitten der Hochdruck- und Niederdruckkreisläufe erfasst und einen oder mehrere Parameter steuert, wie etwa eine Durchflussrate des Arbeitsfluids und der Umgehungsventile, um die Temperatur und den Druck in diesen verschiedenen Abschnitten des Kreislaufs innerhalb des gewünschten Wertebereichs zu halten. Dies führt zu einer erheblichen Leistungssteigerung sowohl des Motors als auch des Wärmerückgewinnungssystems.
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1 zeigt ein erstes beispielhaftes WHR-System 100. Das erste WHR-System 100 schließt einen Hochdruckarbeitsfluidkreislauf 124 und einen Niederdruckarbeitsfluidkreislauf 122 ein. Der Hochdruckkreislauf 124 zirkuliert ein Arbeitsfluid, das auf einer höheren Temperatur und einem höheren Druck gehalten wird als das Arbeitsfluid im Niederdruckkreislauf 122. In einigen Szenarien kann der Hochdruckkreislauf 124 mit Wärmetauschern verbunden sein, die Wärme mit Hochtemperaturwärmequellen austauschen, während der Niederdruckkreislauf mit Wärmetauschern verbunden sein kann, die Wärme mit Wärmequellen mit relativ niedrigerer Temperatur austauschen. Der Niederdruckkreislauf 122 schließt eine Niederdruckpumpe 118 und einen der Niederdruckpumpe 118 nachgelagerten Rekuperator 108 ein. Es sollte beachtet werden, dass sich die Begriffe „vorgelagert“ und „nachgelagert“ auf die Durchflussrichtung des Arbeitsfluids im WHR-System 100 beziehen. Dem Rekuperator 108 sind ein oder mehrere Wärmetauscher nachgelagert. Beispielsweise ist dem Rekuperator 108 ein Wärmetauscher für gemischten Gebrauch (Mixed Use Heat Exchanger, MUHE) 106 nachgelagert und dem MUHE 106 ein Niedertemperatur-Wärmetauscher (Low Temperature Heat Exchanger, LTHE) 102 nachgelagert positioniert. Das Niederdruckarbeitsfluid am Ausgang des LTHE 102 wird einem Niederdruckeingang des Expanders 110 bereitgestellt.
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In ähnlicher Weise schließt der Hochdruckkreislauf 124 eine Hochdruckpumpe 120 und den der Niederdruckpumpe 118 nachgelagert positionierten Rekuperator 108 ein. Der Rekuperator 108 kann zwei Arbeitsfluidkanäle einschließen, einen für den Hochdruckkreislauf 124 und einen anderen für den Niederdruckkreislauf 122. Der Hochdruckkreislauf 124 schließt ferner den MUHE 106 ein, der dem Rekuperator 108 nachgelagert positioniert ist. Wie der Rekuperator 108 weist der MUHE 106 einen Hochdruckkanal für das Hochdruckarbeitsfluid im Hochdruckkreislauf 124 und einen Niederdruckkanal für das Niederdruckarbeitsfluid im Niederdruckkreislauf 122 auf. Der Hochdruckkreislauf 124 schließt ferner einen Hochtemperaturwärmetauscher (HTHE) 104 ein, der dem MUHE 106 nachgelagert positioniert ist und Hochdruckarbeitsfluid aus dem Hochdruckkanal des MUHE 106 aufnimmt. Das Hochdruckarbeitsfluid am Ausgang des Expanders 104 wird einem Hochdruckeingang des Expanders 110 zugeführt.
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Der Hochdruckkreislauf 124 und der Niederdruckkreislauf 122 sind zu einem gemeinsamen Rücklaufkreislauf 154 an einem Ausgang des Expanders 110 zusammengefasst. Das Arbeitsfluid vom Ausgang des Expanders 110 wird einem Rücklaufkanal des Rekuperators 108 bereitgestellt. Der Rücklaufkreislauf 154 schließt ferner einen Kondensator 114 und einen Unterkühler ein, der dem Rücklaufkanal des Rekuperators 108 nachgelagert positioniert ist. Das Arbeitsfluid am Ausgang des Unterkühlers 116 wird der Niederdruckpumpe 118 und der der Niederdruckpumpe 118 nachgelagert positionierten Hochdruckpumpe 120 wieder bereitgestellt.
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In einigen Ausführungsformen können die Niederdruckpumpe 118 und die Hochdruckpumpe 120 festgelegte Durchflusspumpen sein. In einigen Ausführungsformen können die Pumpen mit variablem Durchfluss sein. Der Rekuperator 108 kann verwendet werden, um die Temperatur des Arbeitsfluids im Rücklaufkreislauf 154 zu senken und die Temperatur des Arbeitsfluids im Hochdruckkreislauf 124 und Niederdruckkreislauf 122 zu erhöhen. Der Rekuperator 108 nimmt das Arbeitsfluid im Rücklauf 154 vom Expander 110 auf. Dieses Arbeitsfluid befindet sich üblicherweise auf hoher Temperatur und in oder nahe einem Dampfzustand. Der Rekuperator 108 reduziert durch Übertragung der Wärme vom Arbeitsfluid im Rücklaufkreislauf 154 auf das Arbeitsfluid im Niederdruckkreislauf 122 und Hochdruckkreislauf 124 die Belastung des Kondensators 114 zur Kühlung des Arbeitsfluids.
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Der MUHE 106 kann mit Nieder- oder Mitteltemperatur-Wärmequellen gekoppelt werden. In einigen Ausführungsformen kann MUHE 106 mit Wärmequellen gekoppelt sein, die eine Temperatur aufweisen, die niedriger ist als die Siedetemperatur der Arbeitsfluide in dem Niederdruckkreislauf 122 und dem Hochdruckkreislauf 124. Beispielsweise kann der MUHE 106 mit einem Ladeluftkühlerkreislauf eines Turboladers gekoppelt sein. Der Ladeluftkühlerkreislauf eines Fahrzeugs kann Ladeluft von einem Kompressor des Turboladers empfangen, die Ladeluft kühlen und die gekühlte Ladeluft einem Ansaugkrümmer des Motors zuführen. Der MUHE 106 kann zur Kühlung der Ladeluft beitragen, indem er Wärme von der Ladeluft auf die Arbeitsfluide im Niederdruckkreislauf 122 und im Hochdruckkreislauf 124 überträgt. In einigen Beispielen kann der MUHE 106 mit anderen Wärmequellen gekoppelt sein, wie etwa dem Abgas für das AGR-System oder einem beliebigen anderen Fluid des Fahrzeugs. Bei einigen Ausführungsformen kann der MUHE 106 weggelassen werden. Das heißt, die Ausgabe des Rekuperators 108 könnte direkt dem LTHE 102 und dem HTHE 104 bereitgestellt werden.
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Der LTHE 102 kann mit Niedertemperatur-Wärmequellen gekoppelt sein, ähnlich denen, die oben in Bezug auf den MUHE 106 erörtert wurden. Der HTHE 104 kann mit Hochtemperaturwärmequellen gekoppelt werden. Als ein Beispiel können die Hochtemperaturwärmequellen diejenigen Wärmequellen einschließen, die eine Temperatur aufweisen, die höher ist als die Siedetemperatur des Arbeitsfluids im Hochdruckkreislauf 124. In einigen Ausführungsformen kann der HTHE 104 mit Wärmequellen, wie etwa dem AGR-Abgas aus dem AGR-System, dem zum Endrohr des Fahrzeugs geleiteten Abgas, einem Motorkühlmittel aus einem Motorkühlkreislauf oder einer anderen Hochtemperaturwärmequelle, gekoppelt sein. Der HTHE 104 und der LTHE 102 können ausreichend Wärme bereitstellen, um den Zustand der Arbeitsfluide in dem jeweiligen Niederdruck- und Hochdruckkreislauf 122 und 124 in den Dampfzustand zu ändern.
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Der Expander 110 erhält mindestens zwei Arbeitsfluideingänge -einen aus dem LTHE 102 und einen anderen aus dem HTHE 104. In einer Ausführungsform kann der Expander 110 ein Expander mit zwei Eingängen sein, wobei jeder Eingang fluidisch mit einem jeweiligen des Hochdruckkreislaufs 124 und des Niederdruckkreislaufs 122 gekoppelt ist. In einer anderen Ausführungsform kann der Expander 110 Zwillingsexpander einschließen, wobei jeder Expander fluidisch mit einem jeweiligen des Hochdruckkreislaufs 124 und des Niederdruckkreislaufs 122 gekoppelt ist. Während das im Wesentlichen verdampfte Arbeitsfluid den Expander 110 passiert, expandiert der Dampf und verliert an Druck, wodurch eine Turbine des Expanders 110 angetrieben wird, um Nutzarbeit zu generieren. In einigen Ausführungsformen ist die Turbine des Expanders operativ mit einem Generator 110 gekoppelt, der die mechanische Energie der rotierenden Turbine in elektrische Energie umwandeln kann. In einigen Ausführungsformen kann die Turbine des Expanders mit einer Kurbelwelle des Motors, einer Motorzubehörwelle und/oder anderen Komponenten gekoppelt sein, wie etwa über einen Zahnrad- oder Riemenantrieb, um die mechanische Energie von der Turbine auf diese Vorrichtungen zu übertragen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Expander 110 einen Kolbenexpander, einen Schraubenexpander, einen Spiralexpander, einen Gerotorexpander oder einen anderen Expandertyp einschließen. In einigen Ausführungsformen kann der Expander 110 Eingangsdüsen mit variabler Geometrie aufweisen. Die Düse mit variabler Geometrie kann eingestellt werden, um die Durchflussgeschwindigkeit gegenüber den Druckeigenschaften des Expanders zu ändern.
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Der Kondensator 114 ist entlang des Rücklaufkreises 154 dem Rekuperator 108 nachgelagert positioniert. Der Kondensator 114 ist strukturiert, um ein Hochtemperaturarbeitsfluid aufzunehmen und Wärme von dem Arbeitsfluid an die Umgebung zu übertragen, wodurch das Arbeitsfluid im Wesentlichen oder vollständig in einen flüssigen Zustand zurückkondensiert wird. In einigen Ausführungsformen kann der Kondensator 114 mindestens teilweise luftgekühlt sein und kann außerhalb des Motors in einem Fahrzeugkühlpaketbereich positioniert sein, der strukturiert ist, um Stauluft aufzunehmen.
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Der Unterkühler 116 ist im Rücklaufkreislauf 154 dem Kondensator 114 nachgelagert positioniert. Der Unterkühler 116 ist strukturiert, um sicherzustellen, dass sich das Arbeitsfluid in einem unterkühlten flüssigen Zustand befindet, bevor es den Niederdruck- und Hochdruckpumpen 118 und 120 bereitgestellt wird. Das Sicherstellen, dass sich das Arbeitsfluid im flüssigen Zustand befindet, verringert das Risiko einer Kavitation in den Pumpen, wodurch die Leistung und die Zuverlässigkeit der Pumpen verbessert werden.
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Der Empfänger 112 ist mit dem Kondensator 114 und dem Unterkühler 116 gekoppelt und kann als Reservoir für das Arbeitsfluid dienen. Der Ein- und Ausfluss in den und aus dem Empfänger 112 kann verwendet werden, um die Durchflussrate des Arbeitsfluids durch den Unterkühler 116 und den Fluidvorrat im Kondensator 114 zu steuern. Ein erstes Empfängerventil 148 kann dem Empfänger 112 nachgelagert und dem Unterkühler 116 vorgelagert positioniert sein. Das erste Empfängerventil 148 kann während des normalen Betriebs geöffnet sein, um die Flüssigkeitsunterkühlung zu erhöhen, die in die Pumpe eintritt, oder geschlossen sein, um sie zu verringern. Ein zweites Empfängerventil 146 ist zwischen einem Punkt, der dem Empfänger 112 nachgelagert und dem ersten Empfängerventil 148 vorgelagert ist und einem Punkt, welcher der Niederdruckpumpe 118 nachgelagert ist, positioniert. Das zweite Empfängerventil 146 kann während des Normalbetriebs geschlossen sein, kann jedoch geöffnet werden, um die Menge an Unterkühlung, die der Unterkühler 116 bietet, zu verringern.
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Das WHR-System 100 schließt ferner ein Steuersystem ein, das eine Steuerung 170, mehrere Sensoren und mehrere Aktuatoren einschließt. Zum Beispiel können die Sensoren Temperatur- und Drucksensoren einschließen, und die Aktuatoren können Ventile einschließen. Die Sensoren und die Ventile können kommunikativ mit der Steuerung 170 gekoppelt sein. Insbesondere können die Sensoren der Steuerung 170 Werte der gemessenen Parameter bereitstellen, und die Ventile können Betätigungssignale von der Steuerung empfangen, um die Ventile zu betätigen. Wie in 1 gezeigt, schließt das WHR-System 100 Unterkühlersensoren 158, MUHE-Sensoren 126 und 128, LTHE-Sensoren 132, HTHE-Sensoren 130 und Expandereingangssensoren 134 und 136 ein. In einigen Ausführungsformen können alle Komponenten, die Arbeitsfluid in dem WHR-Kreislauf verarbeiten, Sensoren an ihren jeweiligen Eingängen und Ausgängen einschließen. Die Aktuatoren können ein Niederdruckpumpen-Umgehungsventil 144, das über der Niederdruckpumpe 118 positioniert ist, ein Hochdruckpumpen-Umgehungsventil 150, das über der Hochdruckpumpe 120, der Niederdruckpumpe 118 und der Hochdruckpumpe 120 positioniert ist, einschließen (insbesondere um ihre Durchflussgeschwindigkeit zu steuern). Die Aktuatoren schließen auch ein MUHE-Umgehungsventil 142 ein, das über dem MUHE 106 positioniert ist. Das MUHE-Umgehungsventil 142 kann zwei Ventile umfassen, je ein Ventil für den Niederdruckkanal und den Hochdruckkanal. Die Aktuatoren schließen ferner das LTHE-Umgehungsventil 138, das über dem LTHE 102 positioniert ist, und das HTHE-Umgehungsventil 140, das über dem HTHE 104 positioniert ist, ein. Die Aktuatoren schließen auch das Expanderumgehungsventil 156 ein, das über dem Expander 110 positioniert ist. Das Expanderumgehungsventil 156 kann zwei Ventile umfassen - eines zum Umgehen des Hochdruckeingangs und ein anderes zum Umgehen des Niederdruckeingangs zum Expander 110. Die Aktuatoren schließen ferner das erste Empfängerventil 148 und das zweite Empfängerventil 146 ein. Der Aktuator kann auch ein Transferventil 152 einschließen, das Arbeitsfluid zwischen dem Hochdruckkreislauf 124 und dem Niederdruckkreislauf 122 übertragen kann. Einzelheiten des Betriebs der Steuerung 170 werden weiter unten erörtert.
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2 zeigt ein zweites beispielhaftes WHR-System 200. Das zweite beispielhafte WHR-System 200 ähnelt dem ersten beispielhaften WHR-System 100, das in Bezug auf 1 erörtert wurde, insofern, als sowohl das erste als auch das zweite beispielhafte WHR-System 100 und 200 Hochdruckarbeitsfluidkreisläufe und Niederdruckarbeitsfluidkreisläufe einschließen. Im zweiten WHR-System 200 wird jedoch nur eine Pumpe verwendet. Zum Pumpen des Arbeitsfluids wird beispielsweise nur die Hochdruckpumpe 120 verwendet. Dies bedeutet, dass nur ein Kanal sowohl des Rekuperators 108 als auch des MUHE 106 zum Wärmetausch genutzt wird. Am Ausgang des MUHE 106 wird das Arbeitsfluid in einen Hochdruckkreislauf 224 und einen Niederdruckkreislauf 222 aufgeteilt. Der Druck im Niederdruckkreislauf 222 wird durch ein Durchflussregelventil 204 aufrechterhalten, das von der Steuerung 170 gesteuert werden kann. In einigen Ausführungsformen kann das Durchflussregelventil 204 dem Rekuperator 108 nachgelagert positioniert sein, wenn der MUHE 106 nicht im System vorhanden ist, oder um den oben in Bezug auf 1 erörterte Zweikanal-MUHE 106 aufrechtzuerhalten. Das zweite beispielhafte WHR-System 200 kann aufgrund der reduzierten Anzahl von Komponenten zuverlässiger als das erste WHR-System 100 sein.
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Mit der großen Anzahl von Wärmequellen, die dem Arbeitsfluid Wärme bereitstellen, und den Temperaturanforderungen einiger der Wärmequellen (z. B. der Ladeluft) können die wünschenswerte Temperatur und der wünschenswerte Druck des Arbeitsfluids trotz dynamischer Änderungen der Eingangswärme und des Temperaturbedarfs der Wärmequellen aufrechterhalten werden. Insbesondere kann die Steuerung 170 konfiguriert sein, um das Arbeitsfluid an verschiedenen Stellen im System auf der gewünschten Temperatur zu halten. Zum Beispiel kann die Steuerung 170 konfiguriert sein, um das Arbeitsfluid in einem überhitzten Zustand zu halten, bevor es in den Expander 110 eintritt, und um das Arbeitsfluid in einem flüssigen oder unterkühlten Zustand zu halten, wenn es den Unterkühler 116 verlässt. Die Steuerung 170 kann auch die Temperatur und den Druck des Arbeitsfluids basierend auf den Temperaturanforderungen der Wärmequellen, wie etwa der Ladelufttemperaturanforderung, steuern. Die Steuerung 170 kann konfiguriert sein, um den Fluidbestand innerhalb des Systems zu verwalten. Die Steuerung 170 kann ferner konfiguriert sein, um den Betrieb des WHR-Systems aufrechtzuerhalten. Jedes dieser Steuerungsszenarien wird nachstehend ausführlich erläutert.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses 300 zum Aufrechterhalten von Temperaturen des Arbeitsfluids. Es ist wünschenswert, den Druck und die Temperatur des Arbeitsfluids sowohl im Niederdruckkreislauf 122 als auch im Hochdruckkreislauf 124, insbesondere am Eingang des Expanders 110, in Bereichen zu halten, die dem überhitzten Zustand des Arbeitsfluids entsprechen. Das Halten des Arbeitsfluids im überhitzten Zustand am Eingang des Expanders 110 kann den Wirkungsgrad des WHR-Systems erhöhen, die Leistungsabgabe des Expanders 110 erhöhen und auch das Risiko einer Kondensation innerhalb des Expanders verringern - wodurch das Risiko einer Beschädigung des Expanders 110 durch Flüssigkeitströpfchen verringert wird. Außerdem kann das Halten der Temperatur des Arbeitsfluids auf unterkühlten Temperaturen am Ausgang des Unterkühlers 116 die Kühlmenge erhöhen, die den Motorkomponenten bereitgestellt wird, wodurch die Motorleistung erhöht wird. Der Prozess 300 schließt das Empfangen von Temperatur T und Druck P ein, die an einem Eingang des Expanders 110 (302) eingegeben werden. Bezugnehmend auf 1 können die Temperatur T und der Druck P durch die Expandereingangssensoren 134 und 136 an den Eingängen des Expanders 110 gemessen werden. Durch Fokussierung auf den Hochdruckkreislauf 124 kann die Steuerung die Temperatur- Druckwerte T und P vom Expandersensor 134 empfangen (obwohl die Steuerung 170 den Prozess 300 ausführen kann, um ebenfalls die Temperatur im Niederdruckkreislauf 122 aufrechtzuerhalten). Die Steuerung 170 kann tatsächliche Werte von T und P von dem Expandersensor 134 empfangen oder Werte empfangen, die repräsentativ für die Werte von T und P sind. In solchen Fällen kann die Steuerung 170 die tatsächlichen Werte der Temperatur T und des Drucks P basierend auf den repräsentativen Werten basierend auf einer Nachschlagetabelle oder einer Formel berechnen.
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Der Prozess 300 schließt ferner das Bestimmen einer gewünschten überhitzten Temperatur Tsh basierend auf dem Druck P am Eingang des Expanders 110 (304) ein. Die überhitzte Temperatur Tsh des Arbeitsfluids kann basierend auf dem Druck, unter dem das Arbeitsfluid arbeitet, variieren. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 170 eine Nachschlagetabelle verwenden, die für die charakteristische Sättigungskurve des Arbeitsfluids repräsentativ ist. Die Nachschlagetabelle kann den Wert von Tsh basierend auf dem gemessenen Wert von P bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 170 eine Formel verwenden, um die überhitzte Temperatur Tsh zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann Tsh ein Bereich von Werten anstelle eines einzelnen Temperaturwerts sein. Unter einigen Betriebsbedingungen kann es vorteilhaft sein, das Arbeitsfluid über dem normalen Tsh-Sollwert zu halten, da das Halten der Temperatur über dem normalen Tsh-Sollwert den Wirkungsgrad des WHR-Systems 100 erhöhen und die vom Expander 110 erzeugte Leistung erhöhen kann. Unter anderen Betriebsbedingungen kann es vorteilhaft sein, die Temperatur des Arbeitsfluids am Eingang des Expanders zu verringern, um die Kapazität der Wärmeentnahme, die den verschiedenen Wärmetauschern bereitgestellt werden kann, zu erhöhen. Dies wiederum kann den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe des Motors erhöhen.
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Der Prozess 300 schließt das Bestimmen ein, ob die gemessene Temperatur T am Eingang des Expanders 110 größer als der Sollwert der Überhitzungstemperatur Tsh (306) ist. Wie oben erwähnt, kann in einigen Ausführungsformen der Tsh-Sollwert einen Bereich von Werten darstellen. Die Steuerung 170 kann bestimmen, ob die gemessene Temperatur T größer als der Wertebereich ist, der durch Tsh-Sollwert dargestellt wird. Der Prozess 300 schließt als Reaktion darauf, dass die gemessene Temperatur T größer als der überhitzte Temperatur Tsh-Sollwert ist, das Steuern der Hochdruckpumpe 120 und/oder des Hochdruckpumpen-Umgehungsventils 150 ein, um die Durchflussgeschwindigkeit der Hochdruckpumpe 120 (308) zu erhöhen. Wenn zum Beispiel die Hochdruckpumpe 120 eine Pumpe mit variabler Durchflussgeschwindigkeit ist, kann die Steuerung 170 die Pumpe selbst steuern, um die Durchflussgeschwindigkeit und somit den Druck des Hochdruckkreislaufs 124 zu erhöhen. In Ausführungsformen, in denen die Hochdruckpumpe 120 eine Pumpe mit fester Durchflussgeschwindigkeit ist, kann die Steuerung 170 das Hochdruckpumpen-Umgehungsventil 150 schließen, um einen kleineren Abschnitt des Fluids der Hochdruckpumpe 120 nachgelagert und der Hochdruckpumpe 120 vorgelagert zurück zuzuführen, wodurch die effektive Durchflussgeschwindigkeit und somit der Druck des Hochdruckkreislaufs 124 erhöht wird. Durch Erhöhen des Drucks kann die Temperatur T des Einlasses des Expanders 110 auf den gewünschten Tsh-Sollwert oder Wertebereich reduziert werden.
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Der Prozess 300 schließt ferner als Reaktion darauf, dass die Temperatur T am Eingang des Expanders 110 nicht größer als die überhitzte Temperatur Tsh-Sollwert ist, das Steuern der Pumpe oder des Umgehungsventils ein, um den Durchfluss zu verringern (310). In Fällen, in denen die Temperatur T unerwünscht unter der überhitzten Temperatur Tsh liegt, kann die Steuerung 170 den effektiven Durchfluss des Hochdruckkreislaufs 124 verringern. Zum Beispiel kann die Steuerung 170 die Hochdruckpumpe 120 direkt steuern, wenn die Pumpe eine Pumpe mit variablem Durchfluss ist, und/oder das Hochdruckpumpen-Umgehungsventil 150 öffnen, wenn es geschlossen ist, um die Durchflussrate und den Druck im Hochdruckkreislauf 124 zu verringern. Somit kann die Steuerung 170 die Pumpen oder die Umgehungsventile über die Pumpen steuern, um die Durchflussgeschwindigkeit und somit den Druck zu steuern. Die Steuerung 170 kann daher den Druck des Arbeitsfluids an die Temperatur der Wärmetauscher anpassen (angegeben durch die Temperatur des Arbeitsfluids am Eingang des Expanders), um das Arbeitsfluid im überhitzten Sollzustand zu halten.
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Der Prozess 300 schließt das Aufrechterhalten der Temperatur des Arbeitsfluids am Ausgang des Unterkühlers 116 ein. Der Prozess 300 schließt das Empfangen von Temperatur- und Druckwerten T und P vom Ausgang des Unterkühlers (312) ein. Insbesondere kann die Steuerung 170 die Temperatur- und Druckwerte T und P von den am Ausgang des Unterkühlers 116 positionierten Unterkühlersensoren 158 empfangen. Unterkühlungstemperaturen können sich auf die Temperatur des Arbeitsfluids unterhalb seiner Sättigungstemperatur beziehen. Jedes Arbeitsfluid kann aufgrund seiner Sättigungskurve eine entsprechende Sättigungstemperatur aufweisen, die einem aktuellen Druck des Arbeitsfluids entspricht. Unterkühlung bezieht sich auf das Reduzieren der Temperatur des Arbeitsfluids unter die Sättigungstemperatur. Der Grad der Unterkühlung kann sich auf den Betrag beziehen, um den die Temperatur des Arbeitsfluids unterhalb der Sättigungstemperatur liegt. Eine Erhöhung der Menge oder des Grads der Unterkühlung kann zu einer niedrigeren Arbeitsfluidtemperatur führen, die verwendet werden kann, um die Fluide des Motors oder des Fahrzeugs in den Wärmetauschern weiter zu kühlen, wodurch der Wirkungsgrad oder die Leistungsabgabe des Motors erhöht wird. Andererseits ermöglicht eine geringere Unterkühlung einen verringerten Kondensatordruck und eine Erhöhung der Expanderleistung 110. In einigen Ausführungsformen kann die ideale Unterkühlungstemperatur Tsc durch den Bediener basierend auf dem Kompromiss zwischen erhöhter Motorleistung und erhöhter Expanderleistung bestimmt werden.
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Der Prozess 300 schließt das Bestimmen der Tsc basierend auf dem P ein, der am Ausgang des Unterkühlers 116 (314) gemessen wird. Wie oben erwähnt, kann der Grad der Unterkühlung auf der Sättigungstemperatur des Arbeitsfluids basieren. Die Sättigungstemperatur des Arbeitsfluids kann basierend auf dem Betriebsdruck des Arbeitsfluids variieren. Die Steuerung 170 kann basierend auf einer Nachschlagetabelle oder einer mathematischen Formel, die für die Kennlinie des Arbeitsfluids repräsentativ ist, die Sättigungstemperatur und somit die Tsc basierend auf dem gewünschten Unterkühlungsgrad bestimmen. Als ein Beispiel kann die Steuerung 170 Tsc = Tsat - x, bestimmen, wobei Tsat die Sättigungstemperatur des Arbeitsfluids ist und ‚x‘ die Menge der gewünschten Unterkühlung in Grad ist.
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Der Prozess 300 schließt das Bestimmen ein, ob die Temperatur T am Ausgang des Unterkühlers größer als die gewünschte Unterkühlungstemperatur Tsc (316) ist. In einigen Ausführungsformen kann Tsc einen Wertebereich darstellen, und die Steuerung 170 kann bestimmen, ob der gemessene Wert von T kleiner als der Wertebereich von Tsc ist. Der Prozess 300 schließt als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die erfasste Temperatur niedriger als die gewünschte Unterkühlungstemperatur Tsc ist, das Erhöhen eines Durchflusses von Arbeitsfluid von dem Empfänger 112 zu dem Unterkühler 116 (318) ein, was die Unterkühlung erhöht. Insbesondere kann die Steuerung 170 das erste Empfängerventil 148 öffnen und das zweite Empfängerventil 146 schließen, wodurch ein Durchfluss von Arbeitsfluid von dem Empfänger 112 zu dem Unterkühler ermöglicht wird. Dieser erhöhte Durchfluss von Arbeitsfluid von dem Empfänger 112 zum Unterkühler 116 erhöht die Menge an Unterkühlung am Ausgang des Unterkühlers 116.
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Der Prozess 300 schließt das Steuern der Empfängerventile ein, um den Durchfluss von Arbeitsfluid vom Empfänger 112 zum Unterkühler 116 (320) zu verringern. Insbesondere kann die Steuerung 170 das erste Empfängerventil 148 schließen und das zweite Empfängerventil 146 öffnen, um den effektiven Durchfluss des Arbeitsfluids von dem Empfänger 112 zu dem Unterkühler 116 zu reduzieren, wodurch die Menge an Unterkühlung reduziert wird. Das Verfahren kann sowohl die Überhitzung als auch die Unterkühlung des Arbeitsfluids an verschiedenen Stellen des Arbeitsfluidkreislaufs wiederholt überwachen.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses 400 zum Steuern einer Temperatur eines Fluids, das durch einen Wärmetauscher gekühlt wird. Insbesondere kann die Steuerung 170 den Prozess ausführen, um die Temperatur von Motorfluiden zu steuern, die durch den einen oder die mehreren Wärmetauscher in dem Hochdruckkreislauf 124 und dem Niederdruckkreislauf 122 gekühlt werden. Als ein Beispiel kann die Steuerung 170 den Prozess 400 ausführen, um die Temperatur der Ladeluft zu steuern, die von dem in 1 gezeigten MUHE 106 gekühlt wird. Es ist jedoch zu beachten, dass die Steuerung 170 ähnliche Prozesse in Verbindung mit den anderen Wärmetauschern in dem WHR-System 100 ausführen kann, wie etwa dem LTHE 102 und dem HTHE 104. Der Prozess 400 schließt das Bestimmen einer Temperatur an einem Ausgang des Wärmetauschers ein (402). In einigen Ausführungsformen können Sensoren 128 (oder 126) am Arbeitsfluidausgang des MUHE 106 verwendet werden, um die Temperatur des durch das Arbeitsfluid gekühlten Fluids anzuzeigen. In einigen Ausführungsformen kann das WHR-System 100 Temperatur- und/oder Drucksensoren am Wärmequellenausgang des MUHE 106 einschließen. Der Prozess 400 schließt ferner das Bestimmen ein, ob die Temperatur der Wärmequelle unter einer Solltemperatur (404) liegt. In einigen Ausführungsformen muss die Ladeluft, die dem Einlasskrümmer des Motors bereitgestellt wird, möglicherweise innerhalb bestimmter Temperaturbereiche bereitgestellt werden, um wirksam zu sein. Der Bediener kann den Wert oder einen Wertebereich für die Solltemperatur Tsoll auswählen.
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Der Prozess 400 schließt das Öffnen eines Umgehungsventils ein, wenn die Temperatur der Wärmequelle kleiner als die Solltemperatur ist (406). Wenn die Temperatur der Wärmequelle unter der Solltemperatur Tsoll oder einem Solltemperaturbereich liegt, kann dies anzeigen, dass die Wärmequelle überkühlt wird. Um die Kühlmenge zu reduzieren, die dem Wärmequellenfluid bereitgestellt wird, kann die Steuerung 170 das MUHE-Umgehungsventil 142 aktivieren, um mindestens einen Abschnitt des Arbeitsfluids vom Eingang des MUHE 106 zum Ausgang des MUHE 106 umzuleiten. Durch Umgehen eines Teils des Arbeitsfluids wird die Kühlmenge des Wärmequellenfluids reduziert, wodurch die Temperatur des Wärmequellenfluids potenziell erhöht wird. Der Prozess 400 schließt auch das Schließen eines Umgehungsventils ein, wenn die Temperatur der Wärmequelle größer als die Solltemperatur Tsoll oder einem Bereich von Solltemperaturen (408) ist. Wenn die Temperatur höher als die Solltemperatur ist, kann angezeigt werden, dass das Wärmequellenfluid nicht ausreichend abkühlt. Somit kann die Steuerung 170, wenn sie geöffnet ist, das MUHE-Umgehungsventil 142 schließen. In einigen Ausführungsformen kann das MUHE-Umgehungsventil 142 ein Ventil mit variablem Durchfluss sein. In einigen solchen Ausführungsformen kann die Steuerung 170 das Ventil steuern, um die Menge an Arbeitsfluid zu regulieren, die umgangen wird, um die gewünschte Solltemperatur zu erreichen. Ebenso kann die Steuerung 170 das Arbeitsfluid sowohl in Bezug auf den Niederdruckkanal als auch den Hochdruckkanal der Wärmetauscher umgehen. In einigen Ausführungsformen kann das WHR-System 100 mindestens ein Umgehungsventil für jeden Kanal durch den Wärmetauscher einschließen. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 170 das Umgehungsventil, das dem Hochtemperaturkanal zugeordnet ist, zuerst steuern, um die Temperatur des Wärmequellenfluids zu steuern. Da der Hochtemperaturkanal Hochdruckarbeitsfluid führt, bietet er einen relativ höheren Wärmeaustausch gegenüber dem Arbeitsfluid im Niederdruckkanal. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 170 für eine noch schnellere Reaktion das Umgehungsventil sowohl des Hochdruck- als auch des Niederdruckkanals aktivieren.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses 500 zum Steuern des Arbeitsfluiddrucks an Eingängen des Expanders. In einigen Ausführungsformen kann der Druck an den 110 Eingängen des Expanders über einen Solldruckbereich oder -wert hinaus ansteigen. Der Solldruckbereich oder -wert kann repräsentativ für einen Auslegungsdruckwert des WHR-Systems 100 sein, der vorzugsweise nicht überschritten werden soll. Die Steuerung kann das Expanderumgehungsventil 156 steuern, um den Eingangsdruck zu steuern. Der Prozess 500 schließt das Bestimmen eines Drucks P an einem Eingang des Expanders 110 (502) ein. Die Steuerung 170 kann den Druck empfangen, der von den Sensoren 136 und 134 gemessen wird, die an den Eingängen des Expanders 110 positioniert sind. Der Prozess schließt ferner das Bestimmen ein, ob der gemessene Wert des Drucks größer als der Solldruckwert Psoll (504) ist. Wenn der Druck größer als der Solldruckwert ist, kann die Steuerung 170 das Expanderumgehungsventil 156 aktivieren, um einen Abschnitt des Arbeitsfluids am Eingang des Expanders 110 zum Ausgang des Expanders 110 umzuleiten. Die Steuerung 170 kann den Druck sowohl am Hochdruck- als auch am Niederdruckeingang des Expanders 110 überwachen und die Umgehungsventile, die dem Hochdruck- und dem Niederdruckeingang zugeordnet sind, unabhängig öffnen (506). Der Prozess 500 schließt das Schließen des Umgehungsventils ein, wenn der Druck am Eingang des Expanders 110 nicht größer als der Solldruck ist (508). Dies kann anzeigen, dass sich der Druck stabilisiert hat und die Steuerung 170 daher das Expanderumgehungsventil 156 schließen kann.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses 600 zum Steuern der Übertragung von Arbeitsfluid von einem Hochdruckkreislauf zu einem Niederdruckkreislauf. In einigen Ausführungsformen kann der Niederdruckkreislauf 122 überlastet werden und möglicherweise nicht in der Lage sein, die gewünschte Kühlung der Motorfluide aufrechtzuerhalten. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass die Temperaturen der Wärmequellenfluide an den Ausgängen des MUHE 106 oder des LTHE 102 größer als die gewünschten Temperaturen sind. Dies kann auftreten, wenn das Arbeitsfluid im Niederdruckkreislauf 122 nicht die Fähigkeit besitzt, die von den Wärmequellenfluiden bereitgestellte Wärme aufzunehmen. In einigen solchen Fällen kann die Steuerung 170 einen Abschnitt des Arbeitsfluids im Hochdruckkreislauf 124 in den Niederdruckkreislauf 122 übertragen. Das Verfahren schließt das Bestimmen einer Temperatur eines Wärmequellenfluids an einem Ausgang eines Wärmetauschers in dem Niederdruckkreislauf (602) ein. Die Steuerung 170 kann Temperaturwerte von einem oder mehreren Wärmetauschern erhalten, nämlich dem MUHE 106 und dem LTHE 102 im Niederdruckkreislauf 122. Temperatursensoren am Ausgang von Kanälen der Wärmetauscher, die Wärmequellenfluide aufnehmen, können der Steuerung 170 die Temperaturwerte bereitstellen. Der Prozess 600 schließt das Bestimmen ein, dass die Temperatur T über einem Solltemperatur-Tsoll oder einem Wertebereich liegt (604). Die Temperatur, die über den Sollwerten liegt, kann anzeigen, dass das Arbeitsfluid nicht in der Lage ist, ausreichend Wärme aus dem Wärmequellenfluid zu absorbieren. Der Prozess 600 schließt das Öffnen eines Transferventils ein, wenn die Temperatur größer als die Solltemperatur ist (606). Die Steuerung 170 kann das Transferventil 152 öffnen, das zwischen dem Niederdruckkreislauf 122 und dem Hochdruckkreislauf 124 am Ausgang des MUHE 106 angeordnet ist, um Arbeitsfluid aus dem Hochdruckkreislauf 124 in den Niederdruckkreislauf 122 zu übertragen. Es sollte beachtet werden, dass das Transferventil irgendwo im WHR-System 100 zwischen dem Niederdruckkreislauf 122 und dem Hochdruckkreislauf 124 positioniert werden kann. Durch die Überführung des Arbeitsfluids aus dem Hochdruckkreislauf 124 in den Niederdruckkreislauf 122 kann die Kapazität des Niederdruckkreislaufs 122 erhöht werden. Der Prozess 600 schließt ferner das Schließen des Transferventils ein, wenn die Temperatur unter dem Sollwert oder Wertebereich liegt (608). Wobei die Temperatur, die unter der Solltemperatur liegt, anzeigen kann, dass das Arbeitsfluid in dem Niederdruckkreislauf in der Lage ist, ausreichend Wärme von den Wärmequellenfluiden zu absorbieren, um die Temperatur unter der Solltemperatur zu halten. Die Steuerung kann das Transferventil 152 steuern, um die Übertragung des Arbeitsfluids aus dem Hochdruckkreislauf 124 in den Niederdruckkreislauf zu beenden.
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In einigen Ausführungsformen kann der Expander 110 einen variablen Durchfluss in den Expander 110 für denselben Eingangsdruck bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann der Expander 110 Düsen mit variabler Geometrie einschließen oder eine variable Geschwindigkeit oder eine variable Verschiebung aufweisen, um einen variablen Durchfluss zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 170 den Expander 110 steuern, um einen erhöhten Durchfluss durch den Expander 110 zu ermöglichen, ohne den Druck und die Sättigungstemperatur des Arbeitsfluids zu erhöhen. Dies kann es dem Expander ermöglichen, eine hohe Leistung zu erzeugen, ohne den Druck und die Temperatur des Arbeitsfluids zu beeinflussen. Weiterhin kann dies ermöglichen, den Verlauf des Durchflusses gegenüber dem Druck des Arbeitsfluids im Hochdruckkreislauf 124 unabhängig von dem des Arbeitsfluids im Niederdruckkreislauf 122 einzustellen. Dies kann eine erhöhte Kühlung der Wärmequellenfluide bereitstellen, während die vom Expander 110 erzeugte Leistung erhöht wird.
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7 zeigt ein drittes beispielhaftes WHR-System 700. Das dritte beispielhafte WHR-System 700 ähnelt dem zweiten beispielhaften WHR-System 200, das in Bezug auf 2 erörtert wurde. Das dritte beispielhafte WHR-System 700 schließt jedoch zusätzlich ein erstes Durchflussregelventil 770 ein, das zwischen dem Hochdruckkreislauf 224 und dem Niederdruckkreislauf 222 angeordnet ist. Insbesondere empfängt ein Eingang des ersten Durchflussregelventils 770 Arbeitsfluid von einer Position in dem Hochdruckkreislauf 224, die dem HTHE 104 nachgelagert und dem Expander 110 vorgelagert ist. Der Ausgang des ersten Durchflussregelventils 770 stellt selektiv Arbeitsfluid an einer Position in dem Niederdruckkreislauf 222 bereit, die dem LTHE 102 nachgelagert und dem Expander 110 vorgelagert ist. In einigen Fällen kann die Steuerung 107 das erste Durchflussregelventil 770 öffnen, um überschüssige Wärmeenergie im Hochdruckkreislauf 224 dem Niederdruckkreislauf 222 bereitzustellen. Die überschüssige Wärmeenergie im Arbeitsfluid kann von einer Hochtemperaturquelle, wie etwa einem Abgasendrohr eines Fahrzeugs, abgegeben werden. Der Expander 110 kann eine Durchflusskapazität aufweisen, über die der Expander 110 möglicherweise nicht in der Lage ist, die Wärmeenergie im Arbeitsfluid in Nutzarbeit umzuwandeln. Wenn nämlich die Durchflussrate des Arbeitsfluids, das in den Expander 110 eintritt, größer als ein Schwellenwert ist, der einer Durchflusskapazität des Expanders 110 entspricht, kann die zusätzliche Wärmeenergie in dem Arbeitsfluid möglicherweise nicht durch den Expander 110 in Nutzarbeit umgewandelt werden. Die überschüssige Wärme kann stattdessen dazu führen, dass die Temperatur des Arbeitsfluids im Rücklaufkreislauf 154 hoch ist, wodurch die Belastung des Kondensators 114 zum Kühlen des Arbeitsfluids erhöht wird. In solchen Fällen, in denen überschüssige Wärmeenergie in dem Arbeitsfluid in einem Kreislauf vorhanden ist, kann die überschüssige Wärmeenergie an den anderen Kreislauf übertragen werden.
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In einigen Ausführungsformen kann die überschüssige Wärmeenergie im Arbeitsfluid im Hochdruckkreislauf 124 auf das Arbeitsfluid im Niederdruckkreislauf 122 übertragen werden. Insbesondere kann überschüssige(r) Wärme und Durchfluss des Arbeitsfluids im Hochdruckkreislauf 224 auf den Niederdruckkreislauf 222 übertragen werden, wenn der Expanderabschnitt 110 des Niederdruckkreislaufs ungenutzte Durchflusskapazität aufweist. Wie in 7 gezeigt, ist das erste Durchflussregelventil 770 zwischen dem Hochdruckkreislauf 224 und dem Niederdruckkreislauf 222 dem Expanders 110 vorgelagert positioniert. Die überschüssige Wärmeenergie, die sonst im Hochdruckkreislauf 224 verlorengehen würde, kann nun aufgrund der zur Verfügung stehenden Kapazität im Expanderbschnitt 110 des Niederdruckkreislaufs im Niederdruckkreislauf 222 genutzt werden. Die Steuerung 170 kann die Temperatur des Arbeitsfluids am Hochdruckkreislauf 224 von den Expandereingangssensoren 134 empfangen und kann eine Durchflussrate im Niederdruckkreislauf 222 vom Expandereingangssensor 136 empfangen. Wenn die Temperatur des Arbeitsfluids im Hochdruckkreislauf 224 am Eingang des Expanders 110 größer als ein Schwellenwert ist und die Durchflussrate des Arbeitsfluids im Niederdruckkreislauf 222 am Eingang des Expanders 110 unter einem Schwellenwert liegt, kann die Steuerung 170 das erste Durchflussregelventil 770 öffnen, um einen Abschnitt des Hochtemperaturarbeitsfluids aus dem Hochdruckkreislauf 224 in den Niederdruckkreislauf 222, der dem Expanders 110 vorgelagert ist, zu übertragen. Die Steuerung 170 kann die vom Expandereingangssensor 134 im Hochdruckkreislauf 224 empfangene Temperatur und die Durchflussrate des Arbeitsfluids im Niederdruckkreislauf am Eingang des Expanders 110 überwachen. Wenn die Temperatur unter einen Schwellenwert sinkt, zeigt dies an, dass keine überschüssige Wärmeenergie und/oder die Durchflussrate im Niederdruckkreislauf 222 gleich oder größer als eine Durchflusskapazität des Expanders 110 im Niederdruckkreislauf 222 ist, kann die Steuerung 170 das erste Durchflussregelventil 770 schließen.
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8 zeigt ein viertes beispielhaftes WHR-System 800. Das vierte beispielhafte WHR-System 800 ähnelt dem zweiten beispielhaften WHR-System 200, das in Bezug auf 2 erörtert wurde. Das vierte beispielhafte WHR-System 800 schließt jedoch zusätzlich ein zweites Durchflussregelventil 880 ein, das zwischen dem Hochdruckkreislauf 224 und dem Niederdruckkreislauf 222 angeordnet ist. Insbesondere erhält der Eingang des zweiten Durchflussregelventils 880 Arbeitsfluid von einer Position in dem Hochdruckkreislauf 224, die dem HTHE 104 nachgelagert und dem Hochdruckkreislaufeingang vorgelagert des Expanders 110 ist. Der Ausgang des zweiten Durchflussregelventils 880 stellt selektiv Arbeitsfluid an eine Position im Niederdruckkreislauf bereit, die dem LTHE 102 vorgelagert ist. Das vierte beispielhafte WHR-System 800 kann verwendet werden, um Wärmequellen, die mit dem LTHE 102 gekoppelt sind, Wärme zurück bereitzustellen.
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Wie oben erwähnt, kann der LTHE 102 mit Nieder- oder Mitteltemperatur-Wärmequellen, wie etwa einem Motorkühlmittel, gekoppelt sein. Die Niedertemperaturwärmequellen können eine Temperatur aufweisen, die niedriger als die Siedetemperatur des Arbeitsfluids ist. In einigen Fällen, wie etwa wenn das Kühlmittel die Wärmequelle ist, kann eine niedrige Temperatur des Kühlmittels, wie etwa während des Motorstarts, zu einem Kaltstart des Motors führen, was wiederum den Anteil schädlicher Emissionen in den Abgasen erhöhen kann. Daher ist es vorteilhaft, das Kühlmittel über einem bestimmten Schwellenwert zu halten, um eine schnellere Erwärmung des Motors und damit eine schnelle Reduzierung des Anteils schädlicher Emissionen im Abgas zu ermöglichen. Die Steuerung 170 kann das zweite Durchflussregelventil so steuern, dass Hochtemperaturarbeitsfluid aus dem Hochdruckkreislauf 224 in den LTHE 102 geleitet wird, was bewirkt, dass die Wärme aus dem Arbeitsfluid auf das Kühlmittel übertragen wird, das durch den LTHE 102 fließt. Dadurch kann die Temperatur des Kühlmittels ansteigen, wodurch der Motor schneller erwärmt wird, als wenn das Kühlmittel im normalen Motorbetrieb erwärmt gelassen würde.
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Die Steuerung 170 kann die Temperatur des Kühlmittels von einem Temperatursensor 882 empfangen, der am Auslass des Wärmequellenkanals des 102 positioniert ist. Wenn die Temperatur des Kühlmittels unter einem Schwellenwert liegt, kann die Steuerung 170 das zweite Durchflussregelventil 880 öffnen, um zu ermöglichen, dass ein Abschnitt des Arbeitsfluids, das von dem 104 ausgegeben wird, in den Eingang des 102 fließt. Die Steuerung 170 kann den vom Temperatursensor 882 empfangenen Kühlmitteltemperaturmesswert überwachen, und wenn die Temperatur des Kühlmittels gleich oder über einem zweiten Schwellenwert liegt (kann gleich dem ersten Schwellenwert sein), kann die Steuerung 170 das zweite Durchflussregelventil 880 schließen. Der zweite Schwellenwert kann eine gewünschte Kühlmitteltemperatur anzeigen. Auf diese Weise kann durch Übertragen von Wärmeenergie von dem WHR-Arbeitsfluid auf eine oder mehrere Wärmequellen der Betrieb des Gesamtsystems verbessert werden. Während 8 die Übertragung von Arbeitsfluid in den LTHE 102 zeigt, kann das Arbeitsfluid auch oder alternativ der MUHE 106 bereitgestellt werden.
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Das erste und das zweite Durchflussregelventil 770 und 880 können Ventile mit variablem Durchfluss sein, d. h. die Steuerung 170 kann die Größe der Durchflussrate des Arbeitsfluids durch die Ventile einstellen. In solchen Fällen kann die Steuerung 170 die Größe des Durchflusses durch die Ventile allmählich erhöhen, wodurch die Menge an Arbeitsfluid, die von dem Hochdruckkreislauf 224 zu dem Niederdruckkreislauf 222 fließt, allmählich erhöht wird.
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In einigen Ausführungsformen schließen die hierin erörterten WHR-Systeme möglicherweise keinen Rekuperator ein. In einigen Ausführungsformen kann das hierin erörterte WHR-System mehr als zwei Kreisläufen einschließen. Das heißt, das WHR-System kann zusätzlich zu dem Niederdruckkreislauf 122 und dem Hochdruckkreislauf 124 weitere Kreisläufe einschließen. In einigen Ausführungsformen können die Wärmetauscher parallel statt in Reihe angeordnet sein, wie in 1 und 2 gezeigt. In einigen Ausführungsformen können die Niederdruckpumpe 118 und die Hochdruckpumpe 120 parallel anstelle in Reihe angeordnet sein, wie in 1 gezeigt. Das Arbeitsfluid kann eine Anzahl verschiedener Fluide einschließen, wie etwa R1233zd (E), R245fa, andere Kühlmittel, Ethanol, Toluol, Wasser und andere Fluide oder Mischungen von Arbeitsfluiden.
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Für die Zwecke dieser Offenbarung bedeutet der Begriff „verkoppelt“ die direkte oder indirekte gegenseitige Verbindung von zwei Elementen. Eine solche Verbindung kann von stationärer oder beweglicher Beschaffenheit sein. Eine solche Verbindung kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente einstückig als ein einheitlicher Körper miteinander ausgebildet werden, oder dadurch, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente aneinander befestigt werden. Eine solche Verbindung kann von permanenter Art sein oder kann von entfernbarer oder lösbarer Art sein.
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Es sollte beachtet werden, dass die Ausrichtung verschiedener Elemente gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen unterschiedlich sein kann und dass solche Variationen von der vorliegenden Offenbarung abgedeckt sein sollen. Es sei klargestellt, dass Merkmale der vorliegenden Erfindung in andere offenbarte Ausführungsformen aufgenommen werden können.
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Es sei klargestellt, dass Bauweisen und Anordnungen von Einrichtungen oder ihren Komponenten, die in den verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gezeigt sind, lediglich der Veranschaulichung dienen. Obwohl nur einige Ausführungsformen in dieser Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, erkennt die Fachwelt beim Lesen dieser Offenbarung unschwer, dass viele Modifikationen möglich sind (z. B. Variationen in Größen, Dimensionen, Strukturen, Formen und Proportionen der verschiedenen Elemente, Werte von Parametern, Montagebaugruppen, Verwendung von Materialien, Farben, Orientierungen usw.), ohne wesentlich von den neuen Lehren und Vorteilen des offenbarten Gegenstands abzuweichen. Beispielsweise können Elemente, die als einstückig geformt dargestellt werden, aus mehreren Teilen oder Elementen konstruiert werden, die Position der Elemente kann umgekehrt oder anderweitig variiert werden, und die Art oder Anzahl separater Elemente bzw. Positionen kann geändert oder variiert werden. Die Reihenfolge oder Abfolge von Prozess- oder Verfahrensschritten kann gemäß alternativen Ausführungsformen variiert oder neu geordnet werden. Weitere Ersetzungen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen können ebenfalls an der Konstruktion, den Betriebsbedingungen und der Anordnung der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Obwohl hierin verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt sind, wird der Durchschnittsfachmann ohne Weiteres eine Reihe anderer Mechanismen und/oder Strukturen zur Ausführung der Funktion und/oder zum Erreichen der Ergebnisse und/oder eines oder mehrerer der hierin beschriebenen Vorteile ersinnen können, und jede dieser Änderungen und/oder Modifikationen soll im Bereich der hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung eingeschlossen sein. Allgemeiner wird der Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennen, dass, wenn nichts anderes angegeben ist, sämtliche Parameter, Abmessungen, Materialien und Konfigurationen, die hierin beschrieben sind, als Beispiele dienen sollen, und dass tatsächliche Parameter, Abmessungen, Materialien und/oder Konfigurationen von der jeweiligen Anwendung oder den jeweiligen Anwendungen abhängen, für die die Lehren der Erfindung verwendet werden. Der Fachmann wird viele Äquivalente der hierin beschriebenen, konkreten Ausführungsformen der Erfindung erkennen oder anhand von nicht mehr als Routineversuchen herauszufinden in der Lage sein. Daher sei klargestellt, dass die obigen Ausführungsformen nur als Beispiele angegeben sind, und dass innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente Ausführungsformen der Erfindung anders verwirklicht werden können als konkret beschrieben und beansprucht. Ausführungsformen der Erfindung in der vorliegenden Offenbarung sind auf jedes einzelne Merkmal, System, Material, Kit, jeden einzelnen Gegenstand und jedes einzelne hierin beschriebene Verfahren gerichtet. Außerdem ist jede Kombination aus zwei oder mehr von diesen Merkmalen, Systemen, Gegenständen, Materialien, Kits und/oder Verfahren, falls solche Merkmale, Systeme, Artikel, Materialien, Kits und/oder Verfahren nicht gegenseitig inkonsistent sind, im Bereich der Erfindung der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen.
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Ebenso kann die hierin beschriebene Technik als Verfahren ausgeführt werden, von dem mindestens ein Beispiel angegeben worden ist. Die Aktionen, die als Teil des Verfahrens ausgeführt werden, können in jede geeignete Reihenfolge gebracht werden, solange nichts Anderes angegeben ist. Somit können Ausführungsformen konstruiert werden, in denen Aktionen in einer anderen Reihenfolge als dargestellt durchgeführt werden, was die gleichzeitige Durchführung mancher Aktionen beinhalten kann, auch wenn sie in erläuternden Ausführungsformen als aufeinander folgende Aktionen dargestellt sind.
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Die Ansprüche sollten nicht als beschränkt auf die beschriebene Reihenfolge oder die beschriebenen Elemente betrachtet werden, solange nichts Derartiges angegeben ist. Man beachte, dass von einem Durchschnittsfachmann verschiedene Änderungen an der Form und an Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Bereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Alle Ausführungsformen, die im Gedanken und Bereich der folgenden Ansprüche und Äquivalente liegen, werden beansprucht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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