DE202014002830U1

DE202014002830U1 - Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine und Anlage zur Energiegewinnung mit einem thermodynamischen Kreisprozess

Info

Publication number: DE202014002830U1
Application number: DE201420002830
Authority: DE
Original assignee: Maschinenwerk Misselhorn MWM GmbH
Current assignee: Maschinenwerk Misselhorn MWM GmbH
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2024-04-02

Abstract

Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der als Teil eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem gasförmigen Arbeitsmedium unter Druck beaufschlagbar ist, mit einer Pumpe, die mit dem Innenvolumen des Kurbelgehäuses der Wärmekraftmaschine kommuniziert, um Blow-by-Arbeitsmedium abzusaugen und das abgesaugte Arbeitsmedium in den Kreisprozess zurückzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine und auf eine Anlage zur Energiegewinnung mit einem thermodynamischen Kreisprozess, in dem die Vorrichtung eingesetzt ist.
Thermodynamische Kreisprozesse zur Energiegewinnung sind bekannt. Beispielsweise wird der sogenannte ORC (Organic Rankine Cycle) Prozess verwendet, in dem anstelle von Wasser ein niedrig siedender organischer Stoff wie Kohlenwasserstoffe oder Silikonöle als Arbeitsmedium verwendet wird. Ein Vorteil des ORC-Kreisprozesses liegt darin, dass der Kreisprozess bereits bei Temperaturen ab 100°C und Drücken unter 20 Bar arbeitet und zum Auskoppeln von Arbeit aus dem Prozess geeignet ist. Als Wärmequelle können beispielsweise geothermische Ressourcen, industrielle Abwärme, solare Anwendungen oder Biomassefeuerungen eingesetzt werden, wobei das flüssige Arbeitsmedium im Kreisprozess durch Wärmetausch mit der Wärmequelle erwärmt und verdampft wird. Das gasförmige Arbeitsmedium wird in einer Wärmekraftmaschine, beispielsweise einer Turbine oder einem Kolbenmotor, der damit quasi als Hubkolbenexpander oder Dampfmaschine arbeitet, entspannt und das Arbeitsmittel wird nach der Entspannung und Arbeitsleistung in einem Verflüssiger zurückgekühlt und kondensiert, um als flüssiges Arbeitsmedium in einem erneuten Zyklus im Prozess zirkuliert zu werden.
Ein weiterer Kreisprozess zur Nutzung der beschriebenen Wärmequellen mit niedrigem Temperaturniveau in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess ist der sogenannte „Misselhorn-Prozess”, der in Teilen in der DE 10 2005 003 896 A oder der DE 10 2005 013 287 A beschrieben ist. Dieser Kreisprozess arbeitet, im Unterschied zum ORC-Prozess, mit einer instationären Verdampfung des Arbeitsmediums, sodass der zur Verfügung stehende Druck des Arbeitsmediums in noch größerem Masse wie bei einem ORC-Prozess schwanken kann.
Aufgrund des relativ niedrigen Druckniveaus bieten sich für die Arbeitsleistung durch Entspannung des Arbeitsmediums unter Druck Wärmekraftmaschinen an, die nach dem Hubkolbenprinzip arbeiten und einen oder mehrere Zylinder mit einem darin jeweils beweglich angeordneten Kolben besitzen, wobei jeder Zylinderraum mit dem Arbeitsmedium unter Druck beaufschlagt wird, das Arbeitsmedium darin entspannt und dabei den Kolben im Zylinderraum bewegt und über eine an sich bekannte Kurbelwelle, die in einem separaten Kurbelgehäuse gelagert ist, mechanische Arbeit auskoppelt, welche sodann durch Antreiben eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Weil die Dichtung zwischen Zylinderraum und Kolben nie ganz vollständig ist, gelangt Arbeitsmedium unter Druck an den Kolbendichtungen vorbei in das Kurbelgehäuse der Wärmekraftmaschine. Dadurch steigt der Druck im Kurbelgehäuse an und wirkt der Kolbenbewegung aufgrund der Expansion des Arbeitsmediums entgegen. Das Kurbelgehäuse müsste entsprechend stärker ausgestaltet werden, um den höheren Drücken standhalten zu können. Auch die Anforderungen an die Lagerabdichtungen und die damit einhergehenden Kosten steigen mit einem höheren Druckniveau im Kurbelgehäuse an.
Ein Ansatz zur wirtschaftlichen Realisierung von Anlagen zur Energiegewinnung mit einem thermodynamischen Kreisprozess und einer nach dem Hubkolbenprinzip arbeitenden Wärmekraftmaschine ist die Verwendung von aus dem Großserienbereich wie dem Kfz-Bereich bekannten und in sehr großen Stückzahlen hergestellten Motorenkomponenten. Diese Verbrennungskraftmaschinen haben zwar ebenfalls das Problem der sogenannten „Blow-By-Gase” die bei der Kompression oder bei der Verbrennung aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse gelangen. Allerdings werden bei den Fahrzeugmotoren die Blow-By-Gase durch eine geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung über eine Entlüftungsleitung in den Ansaugtrakt des Motors eingeleitet und dort einer erneuten Verbrennung zugeführt. Die Absaugung erfolgt bei der geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftung durch den Unterdruck im Ansaugtrakt quasi automatisch und ohne weitere Hilfsmittel mit Ausnahme eines Druckregelventils.
Bekannt ist auch eine offene Kurbelgehäuseentlüftung, bei der die Blow-By-Gase vom Kurbelgehäuse in die Atmosphäre ausgeleitet werden. Diese Lösung steht wegen der teuren und häufig umweltschädlichen Arbeitsmedien bei einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozesses nicht zur Verfügung.
Die Verwendung von Motorenkomponenten wie Kurbelgehäuse, Zylinder und Kolben aus dem Großserienbereich und der Einsatz dieser Teile bei einer Wärmekraftmaschine, die nach dem Hubkolbenprinzip arbeitet und als Teil eines geschlossenen thermodynamischen Kreisprozesses mit einem gasförmigen Arbeitsmedium unter Druck beaufschlagt wird, erfordert allerdings den Einsatz aufwendiger und teurer Gleitringdichtungen, um die Menge des Blow-By-Arbeitsmediums und damit den Anstieg des Druckniveaus im Kurbelgehäuse zu verringern.
Die Erfindung bezweckt eine Lösung des Problems und schlägt eine Möglichkeit vor, wie Großserienbauteile von Wärmekraftmaschinen wie Kurbelgehäuse, Zylinder und/oder Kolben bei einer Wärmekraftmaschine als Teil eines thermodynamischen Kreisprozesses eingesetzt werden können, ohne aufwendige Dichtungen zwischen Kolben und Zylinderraum oder eine signifikante konstruktive Verstärkung des Kurbelgehäuses zu erfordern.
Zur Lösung schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung gemäß Schutzanspruch 1 und eine Anlage zur Energiegewinnung mit dieser Vorrichtung gemäß Anspruch 7 vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung der Wärmekraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der als Teil eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem gasförmigen Arbeitsmedium unter Druck beaufschlagbar ist, umfasst eine Pumpe, die mit dem Innenvolumen des Kurbelgehäuses der Wärmekraftmaschine kommuniziert, um Blow-By-Arbeitsmedium aktiv abzusaugen und das abgesaugte Arbeitsmedium in den Kreisprozess zurückzuführen.
Der Einsatz der Pumpe ermöglicht es, das vom Arbeitsraum des Zylinders an dem oder den Kolben vorbei in das Kurbelgehäuse gelangte Arbeitsmedium aus diesem abzusaugen, und dadurch einen Anstieg des Druckniveaus im Kurbelgehäuse zu verhindern. Gleichzeitig kann durch die aktive Absaugung der Druck im Kurbelgehäuse gezielt auf einen für den Betrieb der Wärmekraftmaschine geeignetes Druckniveau eingestellt und das abgesaugte Arbeitsmedium in den Kreisprozess an geeigneter Stelle, beispielsweise vor einem Verflüssiger zurückgeführt werden.
Als Pumpe kann ebenfalls vorzugsweise ein Bauteil aus der Großserienproduktion, beispielsweise in Form einer Kfz-Klimakompressorpumpe verwendet werden. Diese oder eine andere geeignete Pumpe kann durch die Wärmekraftmaschine selbst angetrieben sein, beispielsweise über eine Getriebeanordnung in Form eines Antriebsriemens oder einer Kette, wie das im Kfz-Bereich üblich ist.
Die Pumpe besitzt vorzugsweise eine variierbare Förderleistung, wobei die Variierung der Förderleistung zur Anpassung des Druckniveaus im Kurbelgehäuse dient und dadurch realisiert ist, dass die Pumpe ein variierbares Fördervolumen hat, beispielsweise durch Verändern des Ansaugvolumens oder dadurch, dass die Pumpe intermittierend oder mit unterschiedlicher Frequenz betreibbar ist. Erfindungsgemäß ist dazu eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die die Förderleistung der Pumpe in Abhängigkeit von dem Druck im Kurbelgehäuse anpassen kann, wobei die Steuerungseinrichtung vorzugsweise so eingerichtet ist, dass die Förderleistung der Pumpe so geregelt werden kann, dass der Druck im Kurbelgehäuse stets größer als der oder gleich dem Umgebungsdruck ist.
Erfindungsgemäß ist die Steuerungseinrichtung vorzugsweise mit einem Sensor gekoppelt, der den im Kurbelgehäuse vorliegenden Druck misst und der mit der Steuerungseinrichtung zusammenwirkt, um die genannte Regelung des Fördervolumens der Pumpe zu steuern.
Der Sensor kann so ausgestaltet sein, dass er den Druck im Kurbelgehäuse erfasst und ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, das zu der Steuerungseinrichtung geführt wird und über diese eine elektromechanische oder elektromotorische Verstellung des Fördervolumens der Pumpe auslöst oder den Betriebsmodus der Pumpe verändert, indem diese bei gleichem Fördervolumen beispielsweise intermittierend oder mit unterschiedlicher Frequenz betrieben wird. Alternativ kann die Förderleistung der Pumpe auch durch eine pneumatische/mechanische Koppelung des Drucks Im Innenraum des Kurbelgehäuses zu einer pneumatisch/mechanisch betätigbaren Verstellung der Förderleistung der Pumpe realisiert sein, beispielsweise über eine pneumatische Leitung oder eine mechanische Verbindung, wobei in diesem Fall ein elektrisches Signal und eine Signalverarbeitung entfallen kann.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht also darin, einen Weg aufzuzeigen, mit dem durch geringe Modifikationen Komponenten aus der Großserienproduktion, beispielsweise der Automobilproduktion, für eine Wärmekraftmaschine verwendet werden können, die mindestens einen Zylinder besitzt und als Teil eines thermodynamischen Kreisprozesses eingesetzt wird, in dem sie mit einem gasförmigen Arbeitsmediums unter Druck beaufschlagt wird, um dem Arbeitsmedium durch Entspannung Arbeit zu entziehen. Die Verwendung der separaten Pumpe zum aktiven Absaugen des Arbeitsmediums aus dem Kurbelgehäuse verhindert einen Druckanstieg im Kurbelgehäuse und erlaubt die zielgerichtete Einstellung eines gewünschten Druckniveaus darin. Ferner kann das teure und häufig auch umweltschädliche Arbeitsmedium zuverlässig innerhalb des Kreisprozesses gehalten werden, indem es nach dem Absaugen aus dem Kurbelgehäuse an geeigneter Stelle, vorzugsweise vor einem Verflüssiger, wieder in den Kreisprozess zurückgeführt wird.
Die Variierung der Förderleistung der Pumpe in Abhängigkeit vom Druckniveau im Kurbelgehäuse erlaubt eine Optimierung des Betriebs der Wärmekraftmaschine und eine Minimierung der zum Absaugen erforderlichen Energiemenge, was den Wirkungsgrad einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Anlage zur Energiegewinnung erhöht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sowohl auf den eingangs beschriebenen ORC-Prozess als auch auf andere geschlossene thermodynamische Kreisprozesse zur Energiegewinnung anwendbar, bei denen eine nach dem Hubkolbenprinzip arbeitende Wärmekraftmaschine zur Arbeitsleistung verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005003896 A [0003]
DE 102005013287 A [0003]

Claims

Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der als Teil eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem gasförmigen Arbeitsmedium unter Druck beaufschlagbar ist, mit einer Pumpe, die mit dem Innenvolumen des Kurbelgehäuses der Wärmekraftmaschine kommuniziert, um Blow-by-Arbeitsmedium abzusaugen und das abgesaugte Arbeitsmedium in den Kreisprozess zurückzuführen.
Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Pumpe durch die Wärmekraftmaschine selbst angetrieben ist, beispielsweise über eine Getriebeanordnung.
Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumpe eine variierbare Förderleistung besitzt, vorzugsweise dadurch, dass sie ein variierbares Fördervolumen hat oder intermittierend oder mit unterschiedlicher Frequenz betreibbar ist, und wobei eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, die die Förderleistung der Pumpe in Abhängigkeit von dem Druck im Kurbelgehäuse anzupassen vermag.
Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 3, wobei die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, die Förderleistung der Pumpe so zu regeln, dass der Druck im Kurbelgehäuse größer als der Umgebungsdruck ist.
Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, die Förderleistung der Pumpe im Zusammenwirken mit einem Sensor anzupassen, der den Druck im Kurbelgehäuse misst.
Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Wärmekraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pumpe eine KFZ-Klimakompressorpumpe ist und/oder wobei das Kurbelgehäuse ein KFZ-Verbrennungsmotor-Kurbelgehäuse ist.
Anlage zur Energiegewinnung, mit einem thermodynamischen Kreisprozess zum Verdampfen und Verflüssigen eines Arbeitsmediums, einer Wärmekraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der als Teil des thermodynamischen Kreisprozesses mit gasförmigem Arbeitsmedium unter Druck beaufschlagbar ist, und einer Vorrichtung zur Kurbelgehäuseentlüftung der Wärmekraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die so angeordnet ist, dass das durch die Pumpe abgesaugte Blow-by-Arbeitsmedium in den thermodynamischen Kreisprozess zurückzuführbar ist.
Anlage zur Energiegewinnung gemäß Anspruch 7, wobei die Anordnung so ist, dass das abgesaugte Arbeitsmedium vor einem Verflüssiger in den thermodynamischen Kreisprozess zurückzuführt wird.