DE202015101744U1 - Vorrichtung zur Energierückgewinnung an einem Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader als Wärmequelle für einen Dampfkraftmaschinenkreislauf - Google Patents

Vorrichtung zur Energierückgewinnung an einem Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader als Wärmequelle für einen Dampfkraftmaschinenkreislauf Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Energierückgewinnung an einem Verbrennungsmotor (1), bei der mindestens ein Abgasturbolader (2) des Verbrennungsmotors (1) als Wärmequelle für einen Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) mit einer Dampfkraftmaschine (6) verwendet wird und hierzu am Turbinengehäuse des Abgasturboladers (3) ein Wärmeübertrager (4) angeordnet ist, der in den Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) eingebunden und/oder einschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (4) am Turbinengehäuse des Abgasturboladers (2) dazu ausgebildet und/oder angeordnet ist, das Medium in dem Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) ohne Phasenwechsel zu erhitzen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung an einem Verbrennungsmotor, bei der mindestens ein Abgasturbolader des Verbrennungsmotors als Wärmequelle für einen Dampfkraftmaschinenkreislauf verwendet wird und hierzu am Turbinengehäuse des Abgasturboladers ein Wärmeübertrager angeordnet ist, der in einen Dampfkraftmaschinenkreislauf eingebunden und/oder einschaltbar ist.
  • Solche Anordnungen sind bekannt und werden dazu verwendet, die Enthalpie des heißen Abgases dazu auszunutzen, um unter Abkühlung des Abgases einen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere einen Dampfkraftmaschinenprozess, zu betreiben, wodurch dann aus dem Wärmestrom, der dem Abgas entnommen wird, mechanische – oder bei Ankoppelung eines Generators an die Dampfkraftmaschine auch elektrische – Leistung erzeugt werden kann.
  • In der EP 1 835 164 A2 wird ein Fahrzeug oder stationäre Kraftanlage mit einer aufgeladenen Brennkraftmaschine als Antriebsquelle beschrieben, bei der die Turbine des Abgasturboladers als Heizquelle herangezogen und/oder ausgebildet ist und hierzu außen am Turbinengehäuse ein Wärmeübertrager angeordnet ist, der in einen Medium-Kreislauf eingebunden oder einschaltbar ist. Dabei kann das Medium in dem Medium-Kreislauf, wenn es sich bei diesem um eine niedrig-siedende Flüssigkeit handelt, beim Durchströmen des turbinenseitigen Wärmeübertragers vom flüssigen in einen dampfförmigen Aggregatzustand überführt und in diesem dampfförmigen Zustand einer Dampfturbine zugeführt werden, von der dann mechanische Leistung abgegeben werden kann.
  • Allerdings ergibt sich hier der Nachteil, dass der Betrieb des thermodynamischen Kreisprozesses mit Überführung des Mediums vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand mittels des Wärmeübertragers die zur Verfügung stehenden Optionen hinsichtlich Auswahl des Mediums und Anpassung der relevanten Druck- und Temperaturlagen einschränkt. So wird ein transkritischer oder überkritischer Prozess, bei dem keine Verdampfung stattfindet, mithin keine Überführung vom flüssigen in einen dampfförmigen Aggregatzustand, nicht offenbart. Gerade bei der Nutzung von Abgaswärme eines Verbrennungsmotors, die üblicherweise auf einem sehr hohen Temperaturniveau vorliegt, kann ein transkritischer oder überkritischer Prozess bei dem Betrieb eines Dampfkraftmaschinenkreislaufs aber sinnvoll und energetisch vorteilhaft sein.
  • Eine weitere Problematik der offenbarten Anordnung besteht darin, dass das Abgas schon am Turbinengehäuse des Abgasturboladers durch den Wärmeentzug soweit heruntergekühlt werden kann, dass der Betrieb eines dem Abgasturbolader nachgeordneten Abgasnachbehandlungssystems, welches oftmals eine gewisse Mindesttemperatur des Abgases erfordert, eingeschränkt sein kann, oder sogar der Dampfkraftmaschinenkreislauf deaktiviert werden muss, um die Funktion des Abgasnachbehandlungssystems sicherzustellen. Auf diese Problematik wird im Stand der Technik eingegangen.
  • Die EP 1 333 157 A1 offenbart einen zweistufigen Rankine-Prozess, bei dem ein erstes Arbeitsmedium in einem ersten Dampfkraftmaschinenkreislauf und ein zweites Arbeitsmedium in einem zweiten Dampfkraftmaschinenkreislauf von jeweils einem Wärmeübertrager mit Abgaswärme eines Verbrennungsmotors versorgt werden. Dabei ist der erste Wärmeübertrager des ersten Dampfkraftmaschinenkreislaufs in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors vor einem Abgasnachbehandlungssystem angeordnet und der zweite Wärmeübertrager des zweiten Dampfkraftmaschinenkreislaufs in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors nach dem Abgasnachbehandlungssystem. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, bei Wärmebedarf des Abgasnachbehandlungssystems den Betrieb des ersten Dampfkraftmaschinenkreislaufes zu begrenzen oder den ersten Dampfkraftmaschinenkreislauf zu deaktivieren, um die Abgaswärme für das Abgasnachbehandlungssystem zu erhalten.
  • Ein offensichtlicher Nachteil, der sich aus dieser Anordnung ergibt, ist die Komplexität, die mit zwei getrennten Dampfkraftmaschinenkreisläufen und verschiedenen Arbeitsmedien verbunden ist. Zudem ist zu erwarten, dass sich bei Deaktivierung des ersten Dampfkraftmaschinenkreislaufs zugunsten des Abgasnachbehandlungssystems das Temperaturniveau der Wärme-Einspeisung in den zweiten Dampfkraftmaschinenkreislauf verschiebt, was wiederum für die Auswahl des zweiten Arbeitsmediums im zweiten Dampfkraftmaschinenkreislauf problematisch ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Vermeidung der genannten Nachteile eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung an einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei der mindestens ein Abgasturbolader des Verbrennungsmotors als Wärmequelle für einen Dampfkraftmaschinenkreislauf mit einer Dampfkraftmaschine verwendet wird und hierzu am Turbinengehäuse des Abgasturboladers ein Wärmeübertrager angeordnet ist, der in den Dampfkraftmaschinenkreislauf eingebunden und/oder einschaltbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Bei der erfinderischen Vorrichtung ist der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers derart ausgebildet und/oder angeordnet, das Medium in dem Dampfkraftmaschinenkreislauf ohne Phasenwechsel zu erhitzen.
  • Eine Dampfkraftmaschine im Sinne der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise eine Dampfturbine oder auch ein Kolbenexpander. Andere Bauformen sind ebenfalls möglich. In der Dampfkraftmaschine wird ein Arbeitsmedium so entspannt, dass dadurch mechanische Leistung erzeugt wird.
  • Unter Medium oder Arbeitsmedium ist dabei ein Fluid zu verstehen, das in dem Dampfkraftmaschinenkreislauf teils in flüssiger und teils in gasförmiger, oder in überkritischer Phase vorliegt, und das aufgrund seiner thermodynamisch relevanten Stoffeigenschaften dazu geeignet ist, einen thermodynamischen Kreisprozess unter Leistungsabgabe zu durchlaufen. Dieser thermodynamische Kreisprozess kann in idealisierter Form, zur Verdeutlichung von Wärme- und Stoffströmen in und an dem Dampfkraftmaschinenkreislauf, als Clausius-Rankine-Prozess oder Rankine-Prozess beschrieben werden. Wird ein organisches Arbeitsmedium verwendet, spricht man üblicherweise von einem Organic Rankine Cycle (ORC).
  • Erhitzen ohne Phasenwechsel bedeutet, dass während des Erhitzens kein Übergang des Mediums von einer flüssigen in eine gasförmige Phase oder von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand stattfindet. Beispielsweise kann eine unter Druck stehende Flüssigkeit soweit erhitzt werden, dass sich ein überkritischer Zustand einstellt. Eine Entstehung von Dampf findet dann erst im Rahmen eines transkritischen oder überkritischen thermodynamischen Kreisprozesses bei der nachfolgenden Entspannung in der Dampfkraftmaschine statt. Da eine hohe Prozesstemperatur vor der Entspannung für den Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses von Vorteil ist, erlaubt dieser Ansatz oft eine Wirkungsgraderhöhung gegenüber einem unterkritischen Prozess.
  • Genauso ist es möglich, das Medium, wenn es bereits am Eingang zu dem Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers in überkritischer Form vorliegt, weiter zu erhitzen um eine höhere Enthalpie vor der Enstpannung in der Dampfkraftmaschine zu erreichen.
  • Dass der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers derart ausgebildet ist, das Medium ohne Phasenwechsel zu erhitzen bedeutet, dass die Ausgestaltung des Wärmeübertragers, insbesondere im Hinblick auf die Strömungsquerschnitte, an die Transporteigenschaften oder fluiddynamischen Eigenschaften, sowie an die Dichte (und den sich daraus bei einem bestimmten Massendurchsatz ergebenden Volumenstrom), des Mediums angepasst ist, die in dem entsprechenden Zustand im entsprechenden Druck- und Temperaturbereich vorliegen, und dass nicht etwa verschiedene Phasen mit beispielsweise unterschiedlicher Dichte bei der Auslegung des Wärmeübertragers betrachtet werden müssen.
  • Wenn der Dampfkraftmaschinenprozess unterkritisch betrieben wird, ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers dazu ausgebildet und/oder angeordnet ist, den Dampf des Mediums in dem Dampfkraftmaschinenkreislauf zu überhitzen.
  • Überhitzen von Dampf des Mediums bedeutet, dass Sattdampf oder Heißdampf des Mediums – also trockener Dampf – durch den Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers weiter erhitzt wird, so dass Heißdampf mit einer Temperatur deutlich oberhalb der Siedetemperatur entsteht. Der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers ist also als Überhitzer ausgebildet. Generell wird durch Überhitzung des Dampfes vor dem Eintritt in die Dampfkraftmaschine die Effizienz und die Leistung des Dampfkraftmaschinenprozesses gesteigert und die Bildung von Nassdampf durch Kondensation in der Dampfkraftmaschine verringert oder verhindert, d.h. der Dampfgehalt wird bei der Entspannung in der Dampfkraftmaschine hoch gehalten. Da die Überhitzung des Dampfes das höchste Temperaturniveau zur Einspeisung von Wärme in den thermodynamischen Kreisprozess erfordert, ist es sinnvoll, diese Wärme am Turbinengehäuse des Abgasturboladers zu entnehmen, wo die Enthalpie des Abgasstroms des Verbrennungsmotors üblicherweise noch am höchsten ist.
  • Dass der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers derart ausgebildet ist, den Dampf des Mediums zu überhitzen bedeutet, dass die Ausgestaltung des Wärmeübertragers, insbesondere im Hinblick auf die Strömungsquerschnitte, an die Transporteigenschaften oder fluiddynamischen Eigenschaften des gasförmigen Mediums angepasst ist, und nicht an die Eigenschaften der flüssigen Phase oder eines Phasengemisches des Mediums. Dass der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers derart angeordnet ist, den Dampf des Mediums zu überhitzen bedeutet, dass der Wärmeübertrager an einer Stelle im Dampfkraftmaschinenkreiskreis angeordnet ist, wo das Medium bereits als Dampf vorliegt.
  • Wenn sich etwa durch Einbauverhältnisse oder auch durch thermische Gegebenheiten im Motorraum eines Kraftfahrzeuges die Notwendigkeit ergibt, dass die Komponenten des Dampfkraftmaschinenkreislaufs beabstandet von dem Abgasturbolader des Verbrennungsmotor angeordnet werden müssen, ist es von Vorteil, den Wärmeübertrager als Wärmerohr auszuführen, um den Abstand zwischen Turbinengehäuse des Abgasturboladers und Dampfkraftmaschinenkreislauf zu überbrücken. Ein Wärmerohr ist im Sinne dieser Erfindung ein Wärmeübertrager mit einem hermetisch abgeschlossenen Innenraum, in dem ein Fluid durch Phasenübergang die Wärme von einer heißen zu einer kalten Seite transportiert. Die heiße Seite ist dabei mit dem Turbinengehäuse des Abgasturboladers verbunden und die kalte Seite mit dem Dampfkraftmaschinenkreislauf, in dem der thermodynamische Kreisprozess abläuft.
  • Wenn der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers als Überhitzer ausgebildet ist, muss die eigentliche Verdampfung des Mediums im Dampfkraftmaschinenkreislauf bereits vor dem Eintritt des Mediums in den Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers erfolgen. Ebenso kann bei einem transkritischen oder überkritischen Prozess des Medium schon vor Eintritt in den Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers in flüssiger Form erhitzt oder in einen überkritischen Zustand überführt werden.
  • Dazu ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers einem zweiten Wärmeübertrager im Dampfkraftmaschinenkreislauf nachgeschaltet ist, in dem das Medium aufgeheizt und/oder verdampft wird.
  • Bevorzugt ist es, wenn der zweite Wärmeübertrager im Dampfkraftmaschinenkreislauf mit der Abgasleitung des Verbrennungsmotors in Verbindung steht und Wärme aus dem Abgas in das Medium überträgt. Dadurch ergibt sich ein ähnliches Temperaturniveau bei der Einspeisung der Wärme, die zur Verdampfung oder zur überkritischen Konditionierung des Mediums genutzt wird wie bei der folgenden Überhitzung oder weiteren Erhitzung. Die Auswahl des Arbeitsmediums für den thermodynamischen Kreisprozess wird dadurch vereinfacht.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der zweite Wärmeübertrager an der Abgasleitung stromabwärts nach einem Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist und dort Wärme aus dem Abgas entnimmt.
  • Da der thermodynamische Kreisprozess auch bei reduzierter Erhitzung im überkritischen Zustand bzw. bei reduzierter Überhitzung des Dampfes, und sogar mit Nassdampf, vor der Dampfkraftmaschine betrieben werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, den thermodynamischen Kreisprozess sowohl mit, als auch ohne – oder mit reduziertem – Beitrag des Wärmeübertragers am Turbinengehäuse des Abgasturboladers, zu betreiben.
  • Wenn also beispielsweise die Temperatur des Abgases des Verbrennungsmotors am Austritt der Turbine das Abgasturboladers hoch gehalten werden muss, um ein dem Abgasturbolader nachgeordnetes Abgasnachbehandlungssystem zu konditionieren oder zu regenerieren, kann der Betrieb des Wärmeübertragers am Turbinengehäuse des Abgasturboladers, und damit sein Wärmeeintrag in den Dampfkraftmaschinenkreislauf, reduziert oder abgeschaltet werden. Je nachdem, wie der Temperaturverlauf in dem Abgasnachbehandlungssystem ist, kann das sogar für den Betrieb des thermodynamischen Kreisprozesses von Vorteil sein. Wenn etwa das Abgas beispielsweise während einer Regeneration beim Austritt aus dem Abgasnachbehandlungssystem heißer ist als beim Eintritt, insbesondere aufgrund einer exothermen chemischen Reaktion innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems, ist es sinnvoll, diese höhere Abgastemperatur auch zur Konditionierung des Mediums vor dem Eintritt in die Dampfkraftmaschine des Dampfkraftmaschinenkreislaufs zu nutzen, und auf weitere Einspeisung von Abgaswärme von der Turbine des Abgasturboladers zu verzichten. Die Platzierung des zweiten Wärmeübertragers im Abgasweg stromabwärts nach einem Abgasnachbehandlungssystem ermöglicht diesen beschriebenen Ansatz.
  • Vorteilhaft ist es auch, wenn der Dampfkraftmaschinenkreislauf mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf des Motors in Verbindung steht, so dass das Medium durch das Motorkühlmittel vorerwärmt werden kann, bevor es mittels Abgaswärme weiter aufgeheizt wird. Dazu kann beispielsweise im Dampfkraftmaschinenkreislauf ein dritter Wärmeübertrager angeordnet sein, der mit dem Kühlmittelkreislauf des Motors verbunden ist und so die dem Motor und entzogene Wärme in den Dampfkraftmaschinenkreislauf einbringt und so die Nutzung dieser Wärme erlaubt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Abgas aus mehreren Zylindern des Verbrennungsmotors in mindestens einem Zylinderkopf des Motors mittels eines integrierten Abgaskrümmers zusammengeführt, der der Turbine des Abgasturboladers im Abgasweg stromaufwärts vorgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass zwischen der Verbrennung im Motor und Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers keine Wärmeverluste an die Umgebungsluft anfallen wie es bei einem separaten Abgaskrümmer der Fall ist. Die Abgasenthalpie beim Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers ist daher noch so hoch wie möglich und erlaubt eine bestmögliche Wärmerückgewinnung durch den thermodynamischen Kreisprozess.
  • Sofern der integrierte Abgaskrümmer gekühlt wird, um beispielsweise Materialtemperatur-Grenzwerte nicht zu überschreiben, ist es weiterhin von Vorteil, wenn der integrierte Abgaskrümmer im Zylinderkopf mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf des Motors in Verbindung steht. Dazu kann im Zylinderkopf des Motors beispielsweise mindestens ein Kühlmittelmantel vorgesehen sein, über den Wärme in den Kühlmittelkreislauf übertragen wird. Die in den Kühlmittelkreislauf übertragene Abgaswärme kann danach auch zurückgewonnen bzw. weiter verwendet werden. Die Nutzung der Abwärme kann in dem Dampfkraftmaschinenkreislauf innerhalb des thermodynamischen Kreisprozesses erfolgen.
  • Je nach Arbeitsprinzip des Verbrennungsmotors können sich im Betrieb unterschiedliche Abgastemperaturen ergeben. So ist beispielsweise bei einem mit Benzin oder Gas betriebenen Ottomotor die Abgastemperatur typischerweise höher als bei einem Dieselmotor. Auch das maximale und das momentan abgerufene Leistungsniveau des Motors, sowie die durch die Motorsteuerung vorgegebenen Randbedingungen der innermotorischen Verbrennung spielen hier eine Rolle.
  • Der Temperaturverlauf innerhalb des Abgasweges wird unter anderem bestimmt durch Wärmeverluste von der Abgasleitung an die Umgebung, durch die Art und Betriebsart von Abgasnachbehandlungssystemen, die im Abgasweg angeordnet sind, sowie durch die Lauflänge des Abgases bis zur Entnahme von Wärme, die Menge und Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Weitere, hier nicht explizit genannte Einflüsse sind vorhanden.
  • Es ergibt sich also hinsichtlich der Temperaturlage des Abgases eine signifikante Varianz, sowohl zwischen verschiedenen Anordnungen, als auch im Betrieb zwischen verschiedenen Arbeitspunkten des Verbrennungsmotors.
  • Da das höchste zur Verfügung stehende Temperaturniveau üblicherweise vor dem Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers vorliegt, ist der Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers die Stelle im Dampfkraftmaschinenkreislauf, an der Wärme auf dem höchsten Temperaturniveau eingebracht wird. Daraus ergibt sich die Folgerung, dass die Siedetemperatur des Arbeitsmediums, die sich im Betrieb des thermodynamischen Kreisprozesses bei den entsprechenden zu erwartenden Drucklagen gemäß der Dampfdruckkurve des Mediums einstellt, deutlich niedriger liegen sollte als die Abgastemperatur im Turbinengehäuse des Abgasturboladers, damit ein ausreichender Wärmestrom zur Überhitzung oder überkritischen Konditionierung entsteht.
  • Je nachdem, wie der Dampfkraftmaschinenkreislauf hinsichtlich der Anordnung der Wärmeübertrager – und der sich daraus ergebenden Temperaturbereiche zur Aufheizung, Verdampfung und Überhitzung, oder Erhitzung zum Erreichen eines überkritischen Zustandes – ausgestaltet ist, ergeben sich weitere Anforderungen an die Stoffeigenschaften des Arbeitsmediums. Es ist daher wichtig, ein Medium auszuwählen, das innerhalb der durch die Ausgestaltung und durch den Betrieb des Verbrennungsmotors vorgegebenen Temperaturbereiche einen leistungsfähigen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad des im thermodynamischen Kreisprozesses im Dampfkraftmaschinenkreislauf ermöglicht.
  • Als Arbeitsmedium für die erfinderische Anordnung kommen verschiedene Fluide in Frage. Bevorzugt ist es, wenn das Arbeitsmedium im Medium-Kreislauf ein Fluid aus der Gruppe Wasser, Ethanol, HFC-134a, HFO-1234yf, HFC-152a, HFC-245fa, HFC-245ca, HFC-236fa, Propan, Butan, CO2 ist oder enthält.
  • Ausführungsformen der Erfindung sind in 1 und 2 dargestellt und werden im Folgenden beschrieben.
  • 1 zeigt eine Ausgestaltung der erfinderischen Vorrichtung, bei der Abgaswärme von dem Wärmeübertrager am Turbinengehäuse des Abgasturboladers, sowie von einem zweiten Wärmeübertrager im Abgasweg, in den Dampfkraftmaschinenkreislauf zum Betrieb des thermodynamischen Kreisprozesses eingebracht wird:
    Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, an dessen Turbinengehäuse 3 der Wärmeübertrager 4 angeordnet ist, der als Überhitzer für den Dampfkraftmaschinenkreislauf 5 für den thermodynamischen Kreisprozess ausgebildet ist. In dem Dampfkraftmaschinenkreislauf 5 ist weiterhin die Dampfkraftmaschine 6 vorgesehen, an der über den Abtrieb 7 mechanische Leistung entnommen werden kann. Alternativ kann an dem Abtrieb 7 auch ein Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung angekoppelt werden. Nach dem Austritt aus der Dampfkraftmaschine 6 wird das Medium einem Kondensator 12 zugeführt, wo es in vollständig flüssige Form überführt wird. Die Flüssigkeit des Mediums wird dann mittels einer Pumpe 13 unter Druckerhöhung dem zweiten Wärmeübertrager 8 zugeführt, der mit der Abgasleitung 9 des Verbrennungsmotors 1 verbunden ist, und in Abgasweg stromabwärts hinter einem Abgasnachbehandlungssystem 10 angeordnet ist. In dem zweiten Wärmeübertrager 8 wird das flüssige Arbeitsmedium erhitzt und vollständig verdampft. Danach tritt das Medium als Dampf in den Wärmeübertrager 4 ein, wo es überhitzt wird, bevor es zur Entspannung unter Leistungsabgabe in die Dampfkraftmaschine 6 eingeleitet wird.
  • Die Abgasführung von dem Verbrennungsmotor 1 erfolgt erst durch den im Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 1 integrierten Abgaskrümmer 11, in dem das Abgas aus mehreren Zylindern gesammelt und der Turbine des Abgasturboladers 2 zugeleitet wird. Nach dem Austritt aus dem Turbinengehäuse 3 des Abgasturboladers 2 durchströmt das Abgas im weiteren Verlauf der Abgasleitung 9 das Abgasnachbehandlungssystem 10 und den zweiten Wärmeübertrager 8.
  • In 2 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, bei der zusätzlich der Dampfkraftmaschinenkreislauf mit einem Kühlmittelkreislauf des Motors in Verbindung steht, so dass das Medium durch das Motorkühlmittel vorerwärmt werden kann, bevor es mittels Abgaswärme weiter aufgeheizt wird.
  • Dazu ist in dem Dampfkraftmaschinenkreislauf ein dritter Wärmeübertrager 14 vorgesehen, der Wärme aus einem Kühlmittelkreislauf 16 in den Dampfkraftmaschinenkreislauf 5 einbringt und das Medium vor dem Eintritt in den zweiten Wärmeübertrager 8 vorerwärmt.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der integrierte Abgaskrümmer durch Motorkühlmittel gekühlt wird.
  • Der integrierte Abgaskrümmer 11 im Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 1 steht über den Kühlmittelmantel 15 mit dem Kühlmittelkreislauf 16 des Motors in Verbindung und wird dadurch mit Motorkühlmittel gekühlt. Die Wärme, die dabei in den Kühlmittelkreislauf 16 eingeleitet wird, kann mittels des dritten Wärmeübertragers 14 dazu genutzt werden, das Medium in der beschriebenen Weise vorzuerwärmen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Abgasturbolader
    3
    Turbinengehäuse des Abgasturboladers
    4
    Wärmeübertrager
    5
    Dampfkraftmaschinenkreislauf
    6
    Dampfkraftmaschine
    7
    Abtrieb
    8
    zweiter Wärmeübertrager
    9
    Abgasleitung
    10
    Abgasnachbehandlungssystem
    11
    integrierter Abgaskrümmer
    12
    Kondensator
    13
    Pumpe
    14
    dritter Wärmeübertrager
    15
    Kühlmittelmantel
    16
    Kühlmittelkreislauf
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1835164 A2 [0003]
    • EP 1333157 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Energierückgewinnung an einem Verbrennungsmotor (1), bei der mindestens ein Abgasturbolader (2) des Verbrennungsmotors (1) als Wärmequelle für einen Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) mit einer Dampfkraftmaschine (6) verwendet wird und hierzu am Turbinengehäuse des Abgasturboladers (3) ein Wärmeübertrager (4) angeordnet ist, der in den Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) eingebunden und/oder einschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (4) am Turbinengehäuse des Abgasturboladers (2) dazu ausgebildet und/oder angeordnet ist, das Medium in dem Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) ohne Phasenwechsel zu erhitzen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (4) am Turbinengehäuse des Abgasturboladers (2) dazu ausgebildet und/oder angeordnet ist, den Dampf des Mediums in dem Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) zu überhitzen.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (4) als Wärmerohr ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (4) einem zweiten Wärmeübertrager (8) im Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) nachgeschaltet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeübertrager (8) im Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) mit der Abgasleitung (9) des Verbrennungsmotors (1) in Verbindung steht.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeübertrager (8) an der Abgasleitung (9) stromabwärts nach einem Abgasnachbehandlungssystem (10) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf (16) des Verbrennungsmotors (1) in Verbindung steht.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin mindestens einen integrierten Abgaskrümmer (11) beinhaltet, der in mindestens einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors (1) integriert ist und Abgas aus mehreren Zylindern zusammengeführt, und der der Turbine des Abgasturboladers (2) im Abgasweg stromaufwärts vorgeschaltet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Abgaskrümmer (11) im Zylinderkopf mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf (16) des Motors in Verbindung steht.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium im Dampfkraftmaschinenkreislauf (5) ein Fluid aus der Gruppe Wasser, Ethanol, HFC-134a, HFO-1234yf, HFC-152a, HFC-245fa, HFC-245ca, HFC-236fa, Propan, Butan, CO2 ist oder enthält.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1333157A1 (de) 2000-10-11 2003-08-06 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Rankine-prozess-vorrichtung für einen verbrennungsmotor
EP1835164A2 (de) 2006-03-15 2007-09-19 MAN Nutzfahrzeuge Aktiengesellschaft Fahrzeug oder stationäre Kraftanlage mit einer aufgeladenen Brennkraftmaschine als Antriebswelle

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