EP2411652A2 - Abgaswärmenutzung in kraftfahrzeugen - Google Patents

Abgaswärmenutzung in kraftfahrzeugen

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Publication number
EP2411652A2
EP2411652A2 EP10712331A EP10712331A EP2411652A2 EP 2411652 A2 EP2411652 A2 EP 2411652A2 EP 10712331 A EP10712331 A EP 10712331A EP 10712331 A EP10712331 A EP 10712331A EP 2411652 A2 EP2411652 A2 EP 2411652A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
working fluid
fluid
working
cycle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10712331A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2411652A2 publication Critical patent/EP2411652A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an exhaust gas heat recovery cycle in a motor vehicle, having the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an exhaust heat utilization device, a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a fluid for use as working fluid in an exhaust heat utilization device.
  • water is vaporized as the working fluid of the Rankine cycle system, by the waste heat of the exhaust gas in an evaporator through which the exhaust gas flows.
  • the temperature of the steam exiting the evaporator is measured and regulated by means of this steam temperature, the evaporator supplied amount of water.
  • a Rankine circuit system Described in a Rankine circuit system according to DE 20 2007 002 602 U1, with an organic compound as the working fluid, such.
  • the organic working fluid As methylcyclohexane or octane or heptane, the organic working fluid is vaporized by the exhaust heat.
  • a safety temperature limiter is arranged on the exhaust side of the evaporator after the flow through it with exhaust gas, which spends the system by means of switching signal in a safe state when a temperature threshold is exceeded.
  • other safety equipment such.
  • B account for a flow monitoring in the working fluid circuit of the Rankine circle system. A low temperature indicates a flooded and flowed evaporator.
  • a temperature control device for an evaporator is described in EP 1 431 523 A1, wherein the evaporator can be part of a Rankine circuit system with which an exhaust heat of an internal combustion engine in a motor vehicle can be used.
  • water is evaporated as working fluid in the heat exchanger of the Rankine circular system by the waste heat of the exhaust gas.
  • the steam temperature is adjusted by means of the temperature control device by regulating the amount of water fed into the evaporator, based on the flow rate of the exhaust gas, the temperature of the exhaust gas, the temperature of the water and the steam temperature.
  • Rankine circuit systems can be operated with organic or non-organic media.
  • Rankine circular systems that are operated with organic working fluid are also referred to as Organic RC or ORC.
  • Rankine cycles operated with organic media are often referred to as Clausius-Rankine circular systems or CRCs.
  • a disadvantage of Rankine circular systems with an organic working fluid is the limited to relatively low temperatures thermal stability of the organic working fluid.
  • the present invention deals with the problem for an operating method or for an exhaust heat utilization device or for a working fluid to provide an improved or at least another embodiment, which is particularly characterized in that the thermal stability of the working fluid is better taken into account. In particular, a higher efficiency is sought.
  • the invention is based on the general idea, when operating an exhaust heat utilization cycle in a motor vehicle, to control a working temperature of a working fluid of the exhaust heat recovery cycle by adjusting a mass flow of the working fluid flowing through the heat exchanger of the exhaust heat recovery cycle. It should be avoided by regulating the working temperature that the working fluid exceeds a maximum allowable working temperature. Especially in the case of using organic working fluids, the exhaust gas temperature can be well above the chemical decomposition temperature of the working fluid. Therefore, it is expedient to regulate the maximum permissible operating temperature of the working fluid only slightly below the chemical decomposition temperature. Preferably, the process temperature of the working fluid should fall below the decomposition temperature by the tolerance range of the temperature control quality. As a result, decomposition of the particular organic working fluid can be prevented or at least reduced or delayed.
  • the decomposition temperature is preferably the lowest of the chemical decomposition temperatures of the components of the working fluid. This is also referred to below as the lowest chemical decomposition temperature of the working fluid.
  • Exhaust gas heat recovery cycle processes that are equipped with, in particular, organic, working fluids and are operated so that the operating temperature is regulated by adjusting a mass flow of the working fluid flowing through a heat exchanger of the exhaust gas heat recovery cycle can be used in exhaust heat utilization devices of a motor vehicle.
  • an organic fluid may be used in such exhaust heat utilization device of a motor vehicle having an exhaust heat utilization cycle.
  • the fluid is vaporizable and condensable, an organic compound or a mixture of organic compounds and has at least methanol, ethanol, N-propanol, iso-propanol, dimethyl ether, ethyl methyl ether, diethyl ether or an alkane.
  • At least one of the organic compounds or a compound mixture containing at least methanol when used in a waste heat utilization device, causes the waste heat utilization device to have a higher efficiency than with water as the working fluid.
  • the exhaust heat utilization may utilize the heat of the exhaust gases in the exhaust system and / or the heat of the recirculated exhaust gas recirculation gases.
  • Fig. 1 a via a heat exchanger with the exhaust stream of a
  • FIG. 2 shows an efficiency behavior of different working fluids.
  • an exhaust heat utilization device 1 for use in automobiles an exhaust heat utilization cycle 2 and an internal combustion engine 3, which are connected to each other via an exhaust gas supply line 4.
  • the exhaust heat utilization cycle 2 which is formed in this embodiment as a Clausius-Rankine cycle, has a heat exchanger 5, a turbine 6 with a power converter 7, a capacitor 8 and a pump 9.
  • a pressure P 1 and a temperature T 1 prevails between the condenser 8 and the pump 9, a pressure p 2 between the pump 9 and the heat exchanger 5 and a temperature T 2 , between the heat exchanger 5 and turbine 6, the pressure p 2 and a temperature T 3 and between the turbine 6 and condenser 8, the pressure P 1 and the temperature T 1 , wherein the pressure p 2 is greater than the pressure P 1 and the temperature T 3 is greater than the temperature T 2 and greater than the temperature T 1 .
  • the exhaust heat utilization cycle 2 can also be operated according to other cycles, such. B. after the Carnot cycle, the Stirling cycle or the Joule cycle or the like. In this case, possibly other pressure and temperature conditions occur in the working fluid.
  • the expanded working fluid is subsequently liquefied in the condenser 8 and pumped through the heat exchanger 5 for receiving waste heat 11 by means of the pump 9 at elevated pressure p 2 .
  • the exhaust heat utilization cycle 2 can be operated by a method in which the working temperature of the working fluid is controlled by adjusting a mass flow of the working fluid flowing through the heat exchanger 5 so that a maximum allowable working temperature of the working fluid is not exceeded.
  • organic working fluids such as methanol, diethyl ether, dimethyl ether or the like or organic compound mixtures
  • the regulation of the working temperature T 1 , T 2 of the working fluid is essential for the proper functioning of the exhaust heat recovery cycle 2, since due to the hot exhaust gases, for example, the temperatures of 700 0 C can reach, a decomposition temperature of a working fluid of z. B. 350 0 C is far exceeded.
  • the hot exhaust gas flowing through the heat exchanger 5 would at least partially decompose the organic working fluid also flowing through the heat exchanger 5 in opposite directions. Since this should be prevented, it is expedient to select the maximum permissible operating temperature of the working fluid so that it is, for example, at least 20 0 C less than the chemical decomposition temperature of the working fluid.
  • the working temperature of the working fluid can be regulated by cooling it prior to entry into the heat exchanger 5.
  • the operating temperature may be affected by limiting the waste heat fluid mass flow passing through the heat exchanger 5 and by admixing cold fluids to the waste heat fluid before entering the heat exchanger 5.
  • Such measures are advantageous if in the circulation line 10, a maximum possible working fluid mass flow is reached and this can not be increased. If, in this case, a temperature increase continues after the heat exchanger 5 in the direction of the turbine 6, and there is the danger that the maximum permissible operating temperature of the working fluid is exceeded, the waste heat 11 which is present in the heat exchanger 5 can be removed by the above-described measures is supplied by the waste heat, limited and thus the working temperature of the working fluid can be controlled.
  • the waste heat 11 transferred in the heat exchanger 5 are determined in particular in time dependence due to the detection signals and thus the working temperature are kept constant regardless of peak loads below the chemical decomposition temperature.
  • a waste heat utilization device 1 in which the efficiency of the waste heat recovery device 1 is greater than using water as the working fluid.
  • methanol should be mentioned here, as can be seen from FIG. According to FIG. 2, several efficiency curves of n-octane 13, n-heptane 14, toluene 15, n-hexane 16, cyclohexane 17, benzene 18 and ethanol 19 show a poorer efficiency behavior than the efficiency curve of water 20. In the examples given alone the efficiency curve of methanol 21 is superior to water 20 in terms of efficiency. Also suitable as working fluid are alkanes.
  • a change in the mass flow of the working fluid changes the temperature T3 of the working fluid.
  • Increasing the mass flow reduces the heat input per mass and lowers the working medium temperature T3.
  • a reduction of the mass flow can increase the heat input per mass and thus the working medium temperature T3. In this way, a regulation of the operating temperature T3 by means of adaptation of the working fluid mass flow can be displayed.
  • the decomposition temperature of such a working fluid can be taken into account by regulating the working temperature by adjusting the working fluid mass flow in such a way that the working temperature in each case remains below the decomposition temperature of the working fluid during operation of the exhaust heat utilization device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgaswärmenutzungsvorrichtung (1) eines Kraftfahrzeuges mit einem Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess (2) bei dem eine Arbeitstemperatur eines Arbeitsfluides des Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses (2) geregelt wird. Dabei wird durch Anpassung eines durch den Wärmetauscher (5) des Abgaswärmenutzungs- Kreisprozesses (2) strömenden Massenstroms des Arbeitsfluides die Arbeitstemperatur (T1, T2, T3) so geregelt, dass eine maximal zulässige Arbeitstemperatur, insbesondere die Zersetzungstemperatur, des Arbeitsfluides nicht überschritten wird.

Description

Abgaswärmenutzung in Kraftfahrzeugen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses in einem Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Abgaswärmenutzungsvorrichtung, eines Kraftfahrzeuges. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fluid zur Verwendung als Arbeitsfluid in einer Abgaswärmenutzungsvorrichtung.
In der DE 10 2007 057 164 A1 sind ein System mit einem Organic Rankine-Kreissystem zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine, ein Wärmetauscher zum Antrieb einer Expansionsmaschine und ein Verfahren zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine beschrieben.
In einem Rankine-Kreissystem gemäß der US 2006 0 201 153 A1 wird Wasser als Arbeitsfluid des Rankine-Kreissystems, durch die Abwärme des Abgases in einem abgasdurchströmten Verdampfer verdampft. Dabei wird die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Dampfes gemessen und mittels dieser Dampftemperatur die dem Verdampfer zugeführte Wassermenge geregelt.
In einem Rankine-Kreissystem gemäß der DE 20 2007 002 602 U1 beschrieben, mit einer organischen Verbindung als Arbeitsfluid, wie z. B. Methylcyclohexan oder auch Oktan oder Heptan, wird das organische Arbeitsfluid durch die Abgaswärme verdampft. Zur sicherheitstechnischen Überwachung wird auf der Abgasseite des Verdampfers nach dessen Durchströmung mit Abgas ein Sicherheitstemperaturbegrenzer angeordnet, der bei Überschreitung einer Temperaturschwelle die Anlage mittels Schaltsignal in einen sicheren Zustand verbringt. Hierdurch können weitere sicherheitstechnische Einrichtungen, wie z. B. eine Durchflussüberwachung im Arbeitsfluidkreis des Rankine- Kreissystems entfallen. Dabei signalisiert eine niedrige Temperatur einen gefluteten und durchströmten Verdampfer. In der EP 1 431 523 A1 ist eine Temperaturkontrolleinrichtung für einen Verdampfer beschrieben, wobei der Verdampfer ein Teil eines Rankine-Kreissystems sein kann, mit dem eine Abgaswärme eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug genutzt werden kann. Dabei wird als Arbeitsfluid Wasser in dem Wärmetauscher des Rankine- Kreissystems durch die Abwärme des Abgases verdampft. Die Dampftemperatur wird hierbei mittels der Temperaturkontrolleinrichtung durch Regelung der in den Verdampfer eingespeisten Menge an Wasser, basierend auf der Flussrate des Abgases, der Temperatur des Abgases, der Temperatur des Wassers und der Dampftemperatur, eingestellt.
Rankine Kreissysteme können mit organischen oder nichtorganischen Medien betrieben werden. Rankine Kreissysteme die mit organischem Arbeitsfluid betrieben werden bezeichnet man auch als Organic RC oder ORC. Als Clausius-Rankine Kreissysteme oder CRC werden demgegenüber häufig die mit organischen Medien betriebenen Rankine-Kreisläufe bezeichnet.
Nachteilig an Rankine-Kreissystemen mit einem organischen Arbeitsfluid ist die auf vergleichsweise niedrige Temperaturen begrenzte thermische Stabilität des organischen Arbeitsfluids.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem für ein Betriebsverfahren bzw. für eine Abgaswärmenutzungsvorrichtung bzw. für ein Arbeitsfluid eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die thermische Stabilität des Arbeitsfluids besser berücksichtigt wird. Insbesondere ist dabei ein höherer Wirkungsgrad angestrebt.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, beim Betreiben eines Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses in einem Kraftfahrzeug, eine Arbeitstemperatur eines Arbeitsfluids des Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses durch Anpassen eines durch den Wärmetauscher des Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses strömenden Massenstroms des Arbeitsfluids zu regeln. Dabei soll durch die Regelung der Arbeitstemperatur vermieden werden, dass das Arbeitsfluid eine maximal zulässige Arbeitstemperatur überschreitet. Gerade im Fall der Verwendung organischer Arbeitsfluide kann die Abgastemperatur deutlich über der chemischen Zersetzungstemperatur des Arbeitsfluides liegen. Deshalb ist es zweckmäßig, die maximal zulässige Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides nur geringfügig unterhalb der chemischen Zersetzungstemperatur zu regeln. Bevorzugt sollte die Prozesstemperatur des Arbeitsfluids die Zersetzungstemperatur um den Toleranzbereich der Temperaturregelgüte unterschreiten. Dadurch kann eine Zersetzung des insbesondere organischen Arbeitsfluides verhindert oder zumindest verringert bzw. verzögert werden.
Dabei ist bei einem als Gemisch ausgeführten Arbeitsfluid die Zersetzungstemperatur bevorzugt die niedrigste der chemischen Zersetzungstemperaturen der Komponenten des Arbeitsfluids. Diese wird nachfolgend auch als niedrigste chemische Zersetzungstemperatur des Arbeitsfluids bezeichnet.
Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesse die mit, insbesondere organischen, Arbeitsfluiden ausgestattet sind und so betrieben werden, dass die Arbeitstemperatur durch Anpassen eines durch einen Wärmetauscher des Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses strömenden Massenstroms des Arbeitsfluids geregelt wird, sind in Abgaswärmenutzungsvorrichtungen eines Kraftfahrzeuges einsetzbar.
Als Arbeitsfluid kann ein organisches Fluid in einer solchen Abgaswärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges mit einem Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess, eingesetzt werden. Dabei ist das Fluid verdampfbar und kondensierbar, eine organische Verbindung oder ein Gemisch organischer Verbindungen und weist zumindest Methanol, Ethanol, N-Propanol, Iso-Propanol, Dimethylether, Ethylmethylether, Diethylether oder ein Alkan auf. Zumindest eine der organischen Verbindungen oder ein Verbindungsgemisch, das zumindest Methanol enthält, führt eingesetzt in einer Abwärmenutzungsvorrichtung dazu, dass die Abwärmenutzungsvorrichtung einen höheren Wirkungsgrad hat, als mit Wasser als Arbeitsfluid.
Die Abgaswärmenutzung kann die Wärme der Abgase in der Abgasanlage und/oder die Wärme der rezirkulierten Abgasrückführgase nutzen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine über einen Wärmetauscher mit dem Abgasstrom eines
Verbrennungsmotors gekoppelte Abgaswärmenutzungsvorrichtung, Fig. 2 ein Wirkungsgradverhalten unterschiedlicher Arbeitsfluide.
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Abgaswärmenutzungsvorrichtung 1 für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, einen Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess 2 und einen Verbrennungsmotor 3, die über eine Abgaszufuhrleitung 4 miteinander verbunden sind. Der Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess 2, der in dieser Ausführungsform als Clausius- Rankine-Kreisprozess ausgebildet ist, weist einen Wärmetauscher 5, eine Turbine 6 mit einem Leistungswandler 7, einen Kondensator 8 und eine Pumpe 9 auf. Wird ein solcher Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess 2 mit einem Verfahren nach dem Clausius-Rankine- Kreisprozess betrieben, so herrscht zwischen Kondensator 8 und Pumpe 9 ein Druck P1 und eine Temperatur T1, zwischen Pumpe 9 und Wärmetauscher 5 ein Druck p2 und eine Temperatur T2, zwischen Wärmetauscher 5 und Turbine 6 der Druck p2 und eine Temperatur T3 und zwischen Turbine 6 und Kondensator 8 der Druck P1 und die Temperatur T1, wobei der Druck p2 größer als der Druck P1 ist und die Temperatur T3 größer als die Temperatur T2 und größer als die Temperatur T1 ist. Die Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess 2 kann auch nach anderen Kreisprozessen betrieben werden, wie z. B. nach dem Carnot-Kreisprozess, dem Stirling-Kreisprozess oder dem Joule-Kreisprozess oder dergleichen. In diesem Fall treten evtl. andere Druck- und Temperaturverhältnisse im Arbeitsfluid auf.
Heißes von dem Verbrennungsmotor 3 über die Abgaszufuhrleitung 4 in den Wärmetauscher 5 eingeleitetes Abgas durchströmt denselben und verdampft dabei das in einer Zirkulationsleitung 10 umgewälzte Arbeitsfluid, welches in einer Turbine 6 expandiert wird, wodurch ein Teil der im Wärmetauscher 5 zugeführten Abwärme 11 in nutzbare Arbeit 12 durch den Leistungswandler 7 umgewandelt werden kann. Das expandierte Arbeitsfluid wird in dem Kondensator 8 nachfolgend verflüssigt und mittels der Pumpe 9 mit erhöhtem Druck p2 durch den Wärmetauscher 5 zur Aufnahme von Abwärme 11 durchgepumpt.
In einer hier vorgestellten Ausführungsform kann der Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess 2 durch ein Verfahren betrieben werden, bei dem die Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides durch Anpassen eines durch den Wärmetauscher 5 strömenden Massenstromes des Arbeitsfluides so geregelt wird, dass eine maximal zulässige Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides nicht überschritten wird. Gerade bei organischen Arbeitsfluiden, wie z. B. Methanol, Diethylether, Dimethylether oder dergleichen oder organischer Verbindungsgemische, ist die Regelung der Arbeitstemperatur T1, T2 des Arbeitsfluides von essentieller Bedeutung für ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses 2, da in Folge der heißen Abgase, die beispielsweise Temperaturen von 7000C erreichen können, eine Zersetzungstemperatur eines Arbeitsfluides von z. B. 3500C weit überschritten wird. In diesem Fall würde bei Volllast das heiße, den Wärmetauscher 5 durchströmende Abgas, das ebenfalls den Wärmetauscher 5 gegenläufig durchströmende organische Arbeitsfluid zumindest teilweise zersetzen. Da dies verhindert werden soll, ist es zweckmäßig, die maximal zulässige Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides so zu wählen, dass sie beispielsweise zumindest 200C weniger als die chemische Zersetzungstemperatur des Arbeitsfluides beträgt.
Dabei muss bei Stoffgemischen beachtet werden, dass die einzelnen organischen Verbindungen bei unterschiedlichen Temperaturen zersetzt werden. In diesem Fall ist es eine Bedingung, die maximal zulässige Arbeitstemperatur so zu wählen, dass die niedrigste chemische Zersetzungstemperatur berücksichtigt wird. Dabei ist es zweckmäßig, dass die chemische Zersetzungstemperatur des Arbeitsfluides oberhalb des Regelbereichs der Temperaturgüte, beispielsweise 2O0C oberhalb der Maximaltemperatur des Abwärmefluides liegt, da dann die chemische Zersetzung des Arbeitsfluides durch das Abwärmefluid vernachlässigt werden kann und zumindest nur dann eintritt, wenn durch einen technischen Defekt die Fließgeschwindigkeit des Arbeitsfluides durch den Wärmetauscher 5 aussetzt und somit das in dem Wärmetauscher 5 befindliche Arbeitsfluid ohne den Wärmetauscher 5 zu durchströmen, in demselben verbleibt. Nun lässt sich die Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides außerdem noch durch Kühlen desselben vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 5 regeln. Ebenfalls kann die Arbeitstemperatur durch Begrenzen des durch den Wärmetauscher 5 strömenden Abwärmefluidmassenstroms und durch ein Zumischen von kalten Fluiden zum Abwärmefluid vor Eintritt in den Wärmetauscher 5 beeinflussen. Solche Maßnahmen sind vorteilhaft, wenn in der Zirkulationsleitung 10 ein maximal möglicher Arbeitsfluidmassenstrom erreicht ist und dieser nicht mehr gesteigert werden kann. Stellt sich in diesem Fall dennoch eine Temperaturerhöhung nach dem Wärmetauscher 5 in Richtung zur Turbine 6 ein, und besteht die Gefahr, dass die maximal zulässige Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides überschritten wird, so kann durch oben beschriebene Maßnahmen die Abwärme 11 , die im Wärmetauscher 5 dem Arbeitsfluid durch das Abwärmefluid zugeführt wird, begrenzt werden und damit die Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides geregelt werden.
Um eine genauere und feinere Einstellung der Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides zu ermöglichen, können bei der Regelung der Arbeitstemperatur weitere Parameter berücksichtigt werden. So kann aufgrund der Detektion und Verarbeitung der Temperatur des Abwärmefluids vor und/oder nach dem Wärmetauscher 5 und/oder einer Temperatur des Arbeitsfluides vor und/oder nach dem Wärmetauscher 5 sowie durch einen Druck des Arbeitsfluides vor und/oder nach der Turbine 6 und/oder durch eine Fließgeschwindigkeit des Arbeitsfluides und/oder des Abwärmefluides, die im Wärmetauscher 5 transferierte Abwärme 11 insbesondere in zeitlicher Abhängigkeit aufgrund der Detektionssignale bestimmt werden und somit die Arbeitstemperatur unabhängig von Spitzenlasten konstant unterhalb der chemischen Zersetzungstemperatur gehalten werden.
Vorteilhaft ist es, solche organische Verbindungen als Arbeitsfluid in einer Abwärmenutzungsvorrichtung 1 zu verwenden, bei denen der Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 größer ist als unter Verwendung von Wasser als Arbeitsfluid. Als Beispiel ist hier Methanol zu nennen, wie man der Fig. 2 entnehmen kann. Gemäß Fig. 2 zeigen mehrere Wirkungsgradkurven von n-Oktan 13, n-Heptan 14, Toluol 15, n-Hexan 16, Cyclohexan 17, Benzol 18 und Ethanol 19 ein schlechteres Wirkungsgradverhalten als die Wirkungsgradkurve von Wasser 20. In den aufgeführten Beispielen zeigt allein die Wirkungsgradkurve von Methanol 21 ein gegenüber dem Wasser 20 überlegenes Wirkungsgradverhalten. Ebenso als Arbeitsfluid geeignet sind Alkane. An dieser Stelle sei allerdings darauf verwiesen, dass andere organische Verbindungen, als Arbeitsfluid eingesetzt, einen noch höheren Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 aufweisen können. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird somit ein organisches Arbeitsfluid verwendet, das eine organische Verbindung oder ein Gemisch organischer Verbindungen aufweist, wobei dieses Arbeitsfluid in der Abgaswärmenutzungsvorrichtung 1 einen höheren Wirkungsgrad aufweist als Wasser 20.
Eine Veränderung des Massenstroms des Arbeitsfluids verändert die Temperatur T3 des Arbeitsfluids. Eine Erhöhung des Massenstroms verringert den Wärmeeintrag pro Massen und senkt die Arbeitmedientemperatur T3. Eine Absenkung des Massenstroms kann den Wärmeeintrag pro Masse und damit die Arbeitmedientemperatur T3 erhöhen. Auf diese Weise ist eine Regelung der Arbeitstemperatur T3 mittels Anpassung des Arbeitsfluidmassenstroms darstellbar.
Dabei kann die Zersetzungstemperatur eines solchen Arbeitsfluides durch Regelung der Arbeitstemperatur mittels Anpassung des Arbeitsfluidmassenstroms in der Art und Weise berücksichtigt werden, dass die Arbeitstemperatur in jedem Fall unterhalb der Zersetzungstemperatur des Arbeitsfluides während des Betriebes der Abgaswärmenutzungsvorrichtung verbleibt.
Bezugszeichenliste
1 Abgaswärmenutzungsvorπchtung
2 Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess
3 Verbrennungsmotor
4 Abgaszufuhrleitung
5 Wärmetauscher
6 Turbine
7 Leistungswandler
8 Kondensator
9 Pumpe
10 Zirkulationsleitung
11 Abwärme
12 Arbeit
13 N-Oktan
14 N-Heptan
15 Toloul
16 N-Hexan
17 Zyklohexan
18 Benzol
19 Ethanol
20 Wasser
21 Methanol

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses (2) in einem Kraftfahrzeug, mit einer Regelung einer Arbeitstemperatur (T1, T2, T3) eines Arbeitsfluids des Abgaswärmenutzungs-Kreisprozesses (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitstemperatur (T1, T2, T3) durch Anpassen eines durch einen Wärmetauscher (5) der Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess (2) strömenden Massenstroms des Arbeitsfluids so geregelt wird, dass eine maximal zulässige Arbeitstemperatur des Arbeitsfluids nicht überschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitstemperatur (T1, T2, T3) des Arbeitsfluids außerdem durch zumindest eine der folgenden Maßnahmen geregelt wird:
- Kühlen eines Abwärmefluids, insbesondere eines Abgases eines Verbrennungsmotors (3), vor Eintritt in den Wärmetauscher (5),
- Begrenzen des durch den Wärmetauscher (5) strömenden Abwärmefluidmassenstroms,
- Zumischen von kalten Fluiden zum Abwärmefluid vor Eintritt in den Wärmetauscher (5).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung der Arbeitstemperatur (T1, T2, T3) zumindest einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird:
- eine Temperatur des Abwärmefluids vor dem Wärmetauscher (5), - eine Temperatur des Abwärmefluids nach dem Wärmetauscher (5),
- eine Temperatur (T2) des Arbeitsfluids vor dem Wärmetauscher (5),
- eine Temperatur (T3) des Arbeitsfluids nach dem Wärmetauscher (5),
- ein Druck (p2) des Arbeitsfluids vor einer Turbine der Abgaswärmenutzungs- Kreisprozess (2),
- ein Druck (P1) des Arbeitsfluids nach der Turbine der Abgaswärmenutzungs- Kreisprozess (2), eine Fließgeschwindigkeit des Arbeitsfluids,
- eine Fließgeschwindigkeit des Abwärmefluids.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige Arbeitstemperatur des Arbeitsfluids unterhalb einer chemische Zersetzungstemperatur des Arbeitsfluids liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides die chemische Zersetzungstemperatur um den Toleranzbereich der Temperaturregelungsgüte unterschreitet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Kreisprozess aufweist, der insbesondere als Carnot- Kreisprozess, als Clausius-Rankine-Kreisprozess, als Stirling-Kreisprozess oder als Joule-Kreisprozess oder dergleichen ausgestaltet ist.
7. Abgaswärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges, mit einer Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess (2), die so ausgestattet ist, dass sie nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 6 betriebenen werden kann.
8. Fluid zur Verwendung als Arbeitsfluid in einer Abgaswärmenutzungsvorrichtung (1 ), insbesondere nach Anspruch 7, eines Kraftfahrzeuges mit einem Abgaswärmenutzungs-Kreisprozess (2), wobei das Fluid verdampfbar und kondensierbar ist und eine organische Verbindung oder ein Gemisch organischer
Verbindungen enthält oder daraus besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zumindest eine der folgenden Verbindungen aufweist:
- einen einfachen Alkohol, wie z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, iso-Propanol, einen Ether, wie z. B. Dimethylether, Ethyl-Methylether, Diethylether,
- ein Alkan.
9. Fluid nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigste chemische Zersetzungstemperatur des Arbeitsfluids um den Regelbereich der Temperaturgüte oberhalb einer Maximaltemperatur des Abwärmefluids liegt.
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