EP2539568A2 - Antriebsstrang, insbesondere für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Antriebsstrang, insbesondere für ein kraftfahrzeug

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EP2539568A2
EP2539568A2 EP10729793A EP10729793A EP2539568A2 EP 2539568 A2 EP2539568 A2 EP 2539568A2 EP 10729793 A EP10729793 A EP 10729793A EP 10729793 A EP10729793 A EP 10729793A EP 2539568 A2 EP2539568 A2 EP 2539568A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
evaporator
exhaust gas
working medium
gas recirculation
heat flow
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Withdrawn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
EP10729793A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Berger
Stephan Bartosch
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.)
SteamDrive GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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 Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2539568A2 publication Critical patent/EP2539568A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/24—Layout, e.g. schematics with two or more coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/25—Layout, e.g. schematics with coolers having bypasses
    • 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 drive train, in particular for a motor vehicle, in which the heat flow generated by a drive motor for the evaporation of a working medium is used and the evaporated working fluid is expanded in a steam engine to additional
  • the published patent application DE 31 48 208 A1 describes a drive device of internal combustion engine and steam engine, in which the steam engine is operated by a separate water / steam cycle system, which is coupled via a first heat exchanger to the cooling water system of the internal combustion engine and via a heat exchanger acting as an evaporator is passed, through which the exhaust gases of the internal combustion engine are passed.
  • the formation of steam in the exhaust gas heat exchanger can be adjusted by means of a controlled pump, by means of which the amount of water injected into the exhaust gas heat exchanger can be metered.
  • EP 1 249 580 A1 describes a heat recovery system for a
  • the present invention has for its object to provide a drive train, in particular for a motor vehicle, such as rail vehicle or truck, which is improved in terms of said requirements compared to the prior art.
  • the object of the invention is achieved by a drive train with the
  • Motor vehicle drive train such as a rail vehicle or truck but also in other drive trains, such as in a car, on board a ship, or can be used in stationary systems, has a heat flow generating drive motor. If the drive motor is designed as an internal combustion engine, the
  • Heat flow for example, be contained in the exhaust gas.
  • other heat flows for example in a cooling circuit for the drive motor, regardless of whether it is designed as an internal combustion engine or as another engine, such as electric motor or fuel cell.
  • a steam engine is provided in a steam cycle, wherein a working medium evaporates in the steam cycle and then in the steam cycle
  • a reservoir for the working fluid or an expansion tank will be provided in the steam cycle and a condenser.
  • at least one evaporator, referred to herein as the first evaporator advantageously a plurality of
  • Evaporators arranged which is / are acted upon with at least a portion of the heat flow of the drive motor / to evaporate the working medium. As part of the evaporation is here in special cases already the
  • Heating the working fluid considered for a later phase transition in another evaporator Heating the working fluid considered for a later phase transition in another evaporator.
  • the evaporator (the first evaporator) has an inlet for liquid working medium and an outlet for vaporous working medium. Under vapor
  • Working medium in this context is both partially vaporous, completely vaporous as well as overheated working medium, depending on
  • the (first) evaporator further has a according to this embodiment
  • evaporation may not yet include phase transition of the working medium.
  • the working medium discharged from the evaporator via the secondary outlet is in the liquid state, whereas that which is initially further vaporized in the evaporator and then discharged via the outlet
  • a second evaporator in addition to the described (first) evaporator, is provided, in which the discharged via the secondary outlet working fluid by means of a second
  • the second heat flow can also be generated by the drive motor and be transported, for example, in the exhaust or cooling circuit.
  • the drive motor is designed as an internal combustion engine, which generates at least a portion of the heat flow exhaust gas flow, of which a part is recirculated via an exhaust gas recirculation to the fresh air side of the engine
  • the first evaporator in the exhaust gas recirculation can be arranged and there with the Heat flow of the exhaust gas are acted upon in the exhaust gas recirculation, and the second evaporator can be advantageous in the exhaust stream outside the
  • Exhaust gas recirculation in particular to be arranged in the flow direction behind a branch for exhaust gas recirculation.
  • the remaining part, however, is bypassed by a bypass to the second evaporator and mixed again behind the second evaporator with the guided through the second evaporator part of the working medium.
  • Behind the evaporator can mean both immediately behind the evaporator and in the flow direction further back in the working medium circuit, behind further intermediate units.
  • the guided through the bypass part of the working medium flow equal to a capacitor in the working medium circuit or a
  • a further (third) evaporator is positioned, which in particular also with a
  • Heat flow from the exhaust stream for evaporation of the working medium is applied.
  • the further evaporator is then advantageously arranged outside the exhaust gas recirculation, for example in the exhaust gas flow in
  • the volume flows and / or the pressure of the working medium can be controlled or regulated at one or more points in the damping circuit, in particular by means of valves or other means positioned there
  • Open devices For example, it is possible to regulate or control in its volume the working medium flow discharged from the secondary outlet or the working medium flow introduced into the bypass. Further, it is possible to control or regulate the working medium flow in the first evaporator by means of a pressure control valve or volume control valve.
  • non-bypassed working medium flow or discharged through the outlet for vaporous working medium
  • Working medium flow can be variably provided in its volume and / or pressure by a corresponding valve or other control member.
  • Heat exchangers may be provided, in which heat is transferred to the working medium or withdrawn from the working medium.
  • a heat exchanger for charge air cooling is considered for the former case in order to heat the working medium.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an inventively designed drive train
  • Figure 2 shows a second embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows schematically a drive train with a drive motor 1, which generates an exhaust gas flow 2.
  • the exhaust stream 2 naturally leads to a heat flow of the drive motor 1, as is customary in drive motors designed as internal combustion engines.
  • a portion of the exhaust stream 2 is an exhaust gas recirculation 3 on the
  • a first evaporator 5 of a steam cycle 6 is arranged in the exhaust gas recirculation 3.
  • the working medium of the steam cycle 6 is at least partially vaporized, wherein a partial evaporation in the present case or in particular only a heating without phase transition of the liquid working medium is to be understood.
  • Only part of the working medium of the steam circuit 6 flowing into the first evaporator 5 is branched off from the evaporator 5 via a secondary outlet 8 and fed to a second evaporator 7 which is positioned in the exhaust gas flow 2 behind the branch with the discharge of the exhaust gas into the exhaust gas recirculation 3 ,
  • the first evaporator 5 does not have the
  • Working medium be additionally supplied in one or more other evaporators heat in addition.
  • the steam engine 10 performs the supplied working fluid under expansion work, which can be used to drive the drive train, in particular of the motor vehicle in a motor vehicle drive train, as a supplement to the drive power of the drive motor 1, or which can be used to drive a further unit, for example an electric generator ,
  • Capacitor 11 condensed and passed back into a collection container 12. From this reservoir 12 then the feed pump 13 pumps the liquid
  • Boundary conditions can be saved.
  • the embodiment according to FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that here two evaporators in the flow direction of the exhaust gas and in the direction of flow of the working medium are positioned behind one another in the exhaust gas recirculation 3. In this case, a part of the first evaporator 5
  • Exhaust gas recirculation 3 is arranged, fed and there with heat from the
  • two evaporators 5, 7 are used in the exhaust gas recirculation 3, and it can therefore be applied to one

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, - mit einem einen Wärmestrom erzeugenden Antriebsmotor; - mit einem Dampfmotor in einem Dampfkreislauf, in dem ein Arbeitsmedium verdampft und im Dampfmotor expandiert wird; - mit einem Verdampfer, der in dem Dampfkreislauf angeordnet ist und mit zumindest einem Teil des Wärmestroms beaufschlagt ist, um das Arbeitsmedium zu verdampfen; wobei - der Verdampfer einen Einlass für flüssiges Arbeitsmedium und einen Auslass für dampfförmiges Arbeitsmedium aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer ferner einen Nebenauslass aufweist, über welchen ein Teil des durch den Einlass in den Verdampfer eingeleiteten und mit dem Wärmestrom erwärmten Arbeitsmediums ausgeleitet wird, bevor das im Verdampfer verbleibende Arbeitsmedium mittels des Wärmestroms weiter verdampft wird.

Description

Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei welchem der von einem Antriebsmotor erzeugte Wärmestrom zur Verdampfung eines Arbeitsmediums verwendet wird und das verdampfte Arbeitsmedium in einem Dampfmotor expandiert wird, um zusätzliche
Antriebsleistung zu erzeugen.
Antriebsstränge der eingangs genannten Art sind dem Fachmann seit vielen Jahrzehnten bekannt, wurden jedoch zwischenzeitlich kaum weiterentwickelt.
Aufgrund der heutzutage gestiegenen Anforderungen an eine möglichst optimale Energieausnutzung von durch Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen oder Lastkraftwagen, sind solche
Antriebsstränge in jüngerer Zeit Gegenstand eines gestiegenen Interesses der Fachwelt. Hierbei werden verschiedene Ausführungsformen vorgeschlagen, bei denen die Abwärme an verschiedenen Positionen des Antriebsstranges zur Dampferzeugung genutzt wird, beispielsweise im Abgasstrom, in der sogenannten Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors oder im Kühlkreislauf.
Beispielsweise wird auf die internationale Patentanmeldung WO 2004/033859 A1 verwiesen.
Obwohl somit Ansätze zur möglichst umfassenden Abwärmeausnutzung existieren, gibt es einen andauernden Bedarf an weiteren Verbesserungen, um die Abwärmenutzung zu optimieren, hierdurch den Kraftstoffverbrauch zu senken und/oder die Leistung des Antriebsmotors zu steigern, jedoch zugleich die strengen Anforderungen an die künftigen Abgasemissionen zu erfüllen.
Die Offenlegungsschrift DE 31 48 208 A1 beschreibt eine Antriebseinrichtung aus Verbrennungsmotor und Dampfmotor, in welcher der Dampfmotor von einem gesonderten Wasser/Dampf-Kreislaufsystem betrieben wird, das über einen ersten Wärmetauscher mit dem Kühlwassersystem des Verbrennungsmotors gekoppelt ist und das über einen als Verdampfer wirkenden Wärmetauscher geführt ist, durch welchen die Abgase des Verbrennungsmotors hindurchgeleitet werden. Die Dampfbildung im Abgaswärmetauscher lässt sich mittels einer gesteuerten Pumpe einstellen, mittels welcher die in den Abgaswärmetauscher eingespritzte Wassermenge dosiert werden kann.
EP 1 249 580 A1 beschreibt ein Wärmerückgewinnungssystem für einen
Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Verdampfern, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten. US 5 609 029 A beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der
Energieausnutzung einer flüssigkeitsgekühlten thermischen Maschine, wobei wenigstens ein Teil des Kühlmittels in einen Verdampfungsraum geführt und dort verdampft wird. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wie Schienenfahrzeug oder Lastkraftwagen anzugeben, der hinsichtlich der genannten Anforderungen gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Gestaltungen der Erfindung angegeben. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang, der insbesondere als
Kraftfahrzeugantriebsstrang, beispielsweise eines Schienenfahrzeugs oder Lastkraftwagens jedoch auch in anderen Antriebssträngen, beispielsweise in einem Pkw, an Bord eines Schiffes, oder in stationären Anlagen verwendet werden kann, weist einen einen Wärmestrom erzeugenden Antriebsmotor auf. Wenn der Antriebsmotor als Verbrennungsmotor ausgeführt ist, kann der
Wärmestrom beispielsweise im Abgas enthalten sein. Jedoch sind auch andere Wärmeströme, beispielsweise in einem Kühlkreislauf für den Antriebsmotor, verwendbar, unabhängig davon, ob er als Verbrennungsmotor oder als anderer Motor, beispielsweise E-Motor oder Brennstoffzelle, ausgeführt ist.
Erfindungsgemäß ist ein Dampfmotor in einem Dampfkreislauf vorgesehen, wobei in dem Dampfkreislauf ein Arbeitsmedium verdampft und anschließend im
Dampfmotor expandiert wird. In der Regel wird im Dampfkreislauf auch ein Vorratsbehälter für das Arbeitsmedium beziehungsweise ein Ausgleichsbehälter vorgesehen sein sowie ein Kondensator. In dem Dampfkreislauf ist erfindungsgemäß wenigstens ein Verdampfer, vorliegend als erster Verdampfer bezeichnet, vorteilhaft eine Vielzahl von
Verdampfern angeordnet, der/die mit zumindest einem Teil des Wärmestroms des Antriebsmotors beaufschlagt ist/sind, um das Arbeitsmedium zu verdampfen. Als Teil der Verdampfung wird hierbei in besonderen Fällen auch bereits die
Erwärmung des Arbeitsmediums für einen späteren Phasenübergang in einem weiteren Verdampfer betrachtet.
Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Verdampfer (der erste Verdampfer) einen Einlass für flüssiges Arbeitsmedium und einen Auslass für dampfförmiges Arbeitsmedium auf. Unter dampfförmigem
Arbeitsmedium ist in diesem Zusammenhang sowohl teilweise dampfförmiges, vollständig dampfförmiges als auch überhitztes Arbeitsmedium, je nach
Ausgestaltung der Erfindung, zu verstehen. Der (erste) Verdampfer weist gemäß dieser Ausführungsform ferner einen
Nebenauslass auf, über welchen ein Teil des durch den Einlass in den
Verdampfer eingeleiteten und mit dem Wärmestrom erwärmten Arbeitsmediums ausgeleitet wird, bevor das im Verdampfer verbleibende Arbeitsmedium mittels des Wärmestroms weiter verdampft wird. Auch hier muss die weitere
Verdampfung noch keinen Phasenübergang des Arbeitsmediums umfassen, kann jedoch. Besonders vorteilhaft liegt das über den Nebenauslass aus dem Verdampfer ausgeleitete Arbeitsmedium im flüssigen Zustand vor, wohingegen das zunächst im Verdampfer weiter verdampfte und dann über den Auslass ausgeleitete
Arbeitsmedium insbesondere in einem vollständig verdampften Zustand oder sogar überhitzt vorliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zusätzlich zu dem beschriebenen (ersten) Verdampfer ein zweiter Verdampfer vorgesehen, in welchem das über den Nebenauslass ausgeleitete Arbeitsmedium mittels eines zweiten
Wärmestromes verdampft wird. Der zweite Wärmestrom kann dabei ebenfalls durch den Antriebsmotor erzeugt werden und beispielsweise in dessen Abgas oder Kühlkreislauf transportiert werden. So kann beispielsweise, wenn der Antriebsmotor als Verbrennungsmotor ausgeführt ist, der einen zumindest einen Teil des Wärmestroms führenden Abgasstrom erzeugt, von dem ein Teil über eine Abgasrückführung auf die Frischluftseite des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird, der erste Verdampfer in der Abgasrückführung angeordnet sein und dort mit dem Wärmestrom des Abgases in der Abgasrückführung beaufschlagt werden, und der zweite Verdampfer kann vorteilhaft im Abgasstrom außerhalb der
Abgasrückführung, insbesondere in Strömungsrichtung hinter einer Abzweigung zur Abgasrückführung angeordnet sein.
Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, dass zum einen eine besonders effektive Verdampfung des Arbeitsmittels erfolgen kann und zum anderen das Abgas der Abgasrückführung besonders stark gekühlt werden kann. So kann nämlich besonders viel Arbeitsmedium im flüssigen Zustand, in welchem das
Arbeitsmedium noch ein vergleichsweise kleines spezifisches Volumen aufweist, in den Verdampfer eingeleitet werden und dort mit Wärme aus dem Abgasstrom beaufschlagt werden. Bevor nun das spezifische Volumen des Arbeitsmediums bei der Verdampfung sich erheblich vergrößert, wird nun ein Teil des
Arbeitsmediums wieder aus dem Verdampfer über den Nebenauslass ausgeleitet. Dies bedeutet, dass jener Bereich des Verdampfers, in dem der teilweise oder vollständige Phasenübergang des Arbeitsmediums stattfindet, die Strömungsquerschnitte für das Arbeitsmedium nicht größer im Vergleich zu herkömmlichen Verdampfern ausgeführt werden müssen, obwohl mehr flüssiges Arbeitsmedium als bisher in den Verdampfer eingebracht wird. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der erste Verdampfer in der Abgasrückführung des als Verbrennungsmotor ausgeführten Antriebsmotors positioniert ist, ist ein zweiter Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums in der Abgasrückführung hinter dem ersten Verdampfer angeordnet. Der zweite Verdampfer wird dabei nur von einem Teil des durch den ersten Verdampfer und dort mit einem Wärmestrom beaufschlagten
Arbeitsmediumstromes durchströmt. Der verbleibende Teil hingegen wird durch einen Bypass an dem zweiten Verdampfer vorbeigeleitet und hinter dem zweiten Verdampfer wieder mit dem durch den zweiten Verdampfer geleiteten Teil des Arbeitsmediums vermischt. Hinter dem Verdampfer kann dabei sowohl unmittelbar hinter dem Verdampfer bedeuten als auch in Strömungsrichtung weiter hinten im Arbeitsmediumkreislauf, hinter weiteren zwischengeschalteten Aggregaten. Auch ist es möglich, den durch den Bypass geleiteten Teil des Arbeitsmediumstromes gleich einem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf oder auch einem
Vorratsbehälter zuzuleiten. Weitere Rückeinspeisungspunkte in den
Dampfkreislauf sind möglich.
Besonders vorteilhaft ist in dem Bypass zu dem zweiten Verdampfer ein weiterer (dritter) Verdampfer positioniert, der insbesondere ebenfalls mit einem
Wärmestrom aus dem Abgasstrom zur Verdampfung des Arbeitsmediums beaufschlagt ist. Der weitere Verdampfer ist dann jedoch vorteilhaft außerhalb der Abgasrückführung angeordnet, beispielsweise im Abgasstrom in
Strömungsrichtung des Abgases hinter einer Abzweigung zur Abgasrückführung.
Bei beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann durch den
vergleichsweise größeren Massenstrom des Arbeitsmediums vor seiner
Ausleitung aus der Abgasrückführung das Abgas in der Abgasrückführung deutlich stärker gekühlt werden. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die Einhaltung zukünftiger Abgasanforderungen. Im Gegenzug würde die Wärmemenge in der Abgasrückführung aber in aller Regel nicht ausreichen, um den zunächst in wärmeübertragenden Kontakt mit der Abgasrückführung gebrachten Massenstrom des Arbeitsmediums auch zu verdampfen und gegebenenfalls zu überhitzen. Somit können durch die Erfindung einerseits künftige Abgasanforderungen sicher erfüllt und gleichzeitig vorhandene Wärmemengen ideal ausgenutzt werden.
Vorteilhaft sind die Volumenströme und/oder der Druck des Arbeitsmediums an einer oder mehreren Stellen im Dämpfkreislauf steuerbar oder regelbar, insbesondere mittels dort positionierten Ventilen oder sonstigen
Stellvorrichtungen. Beispielsweise kommt in Betracht, den aus dem Nebenauslass ausgeleiteten Arbeitsmediumstrom beziehungsweise den in den Bypass eingeleiteten Arbeitsmediumstrom in seinem Volumen zu regeln oder zu steuern. Ferner ist es möglich, mittels eines Druckregelventils oder Volumenregelventils den Arbeitsmediumstrom in den ersten Verdampfer zu steuern oder zu regeln.
Auch der nicht in den Bypass geleitete Arbeitsmediumstrom beziehungsweise der über den Auslass für dampfförmiges Arbeitsmedium ausgeleitete
Arbeitsmediumstrom kann in seinem Volumen und/oder seinem Druck variierbar durch ein entsprechendes Ventil oder sonstiges Steuerorgan vorgesehen sein.
Neben den hier beschriebenen Verdampfern können auch weitere
Wärmeüberträger vorgesehen sein, in denen Wärme in das Arbeitsmedium übertragen wird oder aus dem Arbeitsmedium entzogen wird. Für den ersteren Fall kommt beispielsweise ein Wärmeüberträger für eine Ladeluftkühlung in Betracht, um das Arbeitsmedium zu erwärmen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen
exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Antriebsstranges;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß
ausgeführten Antriebsstranges.
In der Figur 1 ist schematisch ein Antriebsstrang mit einem Antriebsmotor 1 dargestellt, der einen Abgasstrom 2 erzeugt. Der Abgasstrom 2 führt naturgemäß einen Wärmestrom des Antriebsmotors 1 , wie dies bei als Verbrennungsmotoren ausgeführten Antriebsmotoren üblich ist.
Ein Teil des Abgasstromes 2 wird über eine Abgasrückführung 3 auf die
Frischluftseite 4 des Antriebsmotors 1 geleitet. Dies dient, wie dem Fachmann bekannt ist, zur Reduzierung von Emissionen im Abgasstrom 2 des
Antriebsmotors 1.
In der Abgasrückführung 3 ist ein erster Verdampfer 5 eines Dampfkreislaufes 6 angeordnet. In diesem ersten Wärmetauscher 5 wird das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes 6 zumindest teilweise verdampft, wobei unter einer teilweisen Verdampfung vorliegend auch oder insbesondere nur eine Erwärmung ohne Phasenübergang des flüssigen Arbeitsmediums zu verstehen ist.
Nur ein Teil des in den ersten Verdampfer 5 einströmenden Arbeitsmediums des Dampfkreislaufes 6 wird aus dem Verdampfer 5 über einen Nebenauslass 8 abgezweigt und einem zweiten Verdampfer 7, der im Abgasstrom 2 hinter der Zweigstelle mit der Ableitung des Abgases in die Abgasrückführungen 3 positioniert ist, zugeführt. Das im ersten Verdampfer 5 nicht über den
Nebenauslass 8 abgezweigte Arbeitsmedium wird in dem ersten Verdampfer 5 weiter verdampft und verlässt den ersten Verdampfer 5 über den Auslass 9 für dampfförmiges Arbeitsmedium, insbesondere in teilweise oder vollständig verdampftem Zustand. Das aus dem Auslass 9 ausströmende Arbeitsmedium wird mit dem aus dem zweiten Verdampfer 7 ausströmenden Arbeitsmedium wieder vermischt und gemeinsam dem Dampfmotor 10 zugeführt. Wenn gewünscht, kann dem
Arbeitsmedium zuvor in einem oder mehreren weiteren Verdampfern zusätzlich Wärme zugeführt werden.
Im Dampfmotor 10 verrichtet das zugeführte Arbeitsmedium unter Expansion Arbeit, welche zum Antrieb des Antriebsstrangs, insbesondere des Kraftfahrzeugs bei einem Kraftfahrzeugantriebsstrang, genutzt werden kann als Ergänzung zur Antriebsleistung des Antriebsmotors 1 , oder welches zum Antreiben eines weiteren Aggregats, beispielsweise eines elektrischen Generators benutzt werden kann.
Das aus dem Dampfmotor 10 austretende Arbeitsmedium wird in dem
Kondensator 11 kondensiert und zurück in einen Sammelbehälter 12 geleitet. Aus diesem Sammelbehälter 12 pumpt dann die Speisepumpe 13 das flüssige
Arbeitsmedium wieder in Richtung des ersten Verdampfers 5. Abweichend von der hier dargestellten Ausführungsform könnte der Sammelbehälter 12 jedoch auch an einer anderen Position vorgesehen sein oder bei ganz bestimmten
Randbedingungen eingespart werden.
Die Ausführungsform gemäß der Figur 2 unterscheidet sich von jener der Figur 1 darin, dass hier zwei Verdampfer in Strömungsrichtung des Abgases und in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hintereinander in der Abgasrückführung 3 positioniert sind. Dabei wird ein Teil des aus dem ersten Verdampfer 5
ausströmenden Arbeitsmediums abgezweigt und durch einen Bypass um den zweiten Verdampfer 7 geleitet. Somit wird nicht sämtliches Arbeitsmedium, das in den ersten Verdampfer 5 in der Abgasrückführung 3 eingeleitet wird, im zweiten Verdampfer 7 in der Abgasrückführung 3 verdampft, sondern ein Teil wird einem dritten Verdampfer 14, der im Abgasstrom 2 hinter der Abzweigung zu der
Abgasrückführung 3 angeordnet ist, zugeleitet und dort mit Wärme aus dem
Abgasstrom 2 beaufschlagt. Anschließend wird das Arbeitsmedium aus dem dritten Verdampfer 14 mit dem Arbeitsmedium, das aus dem zweiten Verdampfer 7 austritt, gemischt und dem Dampfmotor 10 zugeführt.
Bei der Ausführungsform gemäß der Figur 2 kommen somit zwei Verdampfer 5, 7 in der Abgasrückführung 3 zum Einsatz, und es kann daher auf einen
Nebenauslass an einem Verdampfer verzichtet werden. Selbstverständlich wäre es auch möglich, den ersten Verdampfer 5 oder den zweiten Verdampfer 7 entsprechend der Darstellung in der Figur 1 mit einem Nebenauslass zu versehen, um die Ausführungsformen gemäß der Figur 1 und gemäß der Figur 2 zu kombinieren.
Die hier dargestellte Erfindung ist unabhängig davon anwendbar, ob der
Antriebsmotor mittels eines ein- oder mehrstufigen Turboladers aufgeladen wird oder ob ein Turbocompoundsystem vorgesehen ist. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung zusätzlich zu diesen genannten Maßnahmen oder als Alternative hierzu verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
1.1 mit einem einen Wärmestrom erzeugenden Antriebsmotor (1 );
1.2 mit einem Dampfmotor (10) in einem Dampfkreislauf (6), in dem ein
Arbeitsmedium verdampft und im Dampfmotor (10) expandiert wird;
1.3 mit einem ersten Verdampfer (5), der in dem Dampfkreislauf (6) angeordnet ist und mit zumindest einem Teil des Wärmestroms beaufschlagt ist, um das Arbeitsmedium zu verdampfen; wobei
1.4 der erste Verdampfer (5) einen Einlass für flüssiges Arbeitsmedium und einen Auslass (9) für dampfförmiges Arbeitsmedium aufweist;
dadurch gekennzeichnet, dass
1.5 der erste Verdampfer (5) ferner einen Nebenauslass (8) aufweist, über welchen ein Teil des durch den Einlass in den ersten Verdampfer (5) eingeleiteten und mit dem Wärmestrom erwärmten Arbeitsmediums ausgeleitet wird, bevor das im ersten Verdampfer (5) verbleibende
Arbeitsmedium mittels des Wärmestroms weiter verdampft wird.
2. Antriebsstrang gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das über den Nebenauslass (8) ausgeleitete Arbeitsmedium im flüssigen Zustand vorliegt, und das über den Auslass (9) ausgeleitete Arbeitsmedium insbesondere in vollständig verdampftem Zustand vorliegt.
3. Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass ein zweiter Verdampfer (7) vorgesehen ist, in welchem das über den Nebenauslass (8) ausgeleitete Arbeitsmedium mittels eines zweiten Wärmestromes verdampft wird.
4. Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (1 ) als Verbrennungsmotor ausgeführt ist, der einen zumindest einen Teil des Wärmestroms führenden Abgasstrom (2) erzeugt, von dem ein Teil über eine Abgasrückführung (3) auf die Frischluftseite (4) des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird, und der erste Verdampfer (5) in der Abgasrückführung (3) beaufschlagt mit dem Wärmestrom des Abgases in der Abgasrückführung (3) angeordnet ist.
5: Antriebsstrang gemäß der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdampfer (7) im Abgasstrom (2) außerhalb der
Abgasrückführung (3), insbesondere in Strömungsrichtung hinter einer Abzweigung zur Abgasrückführung (3), angeordnet ist.
6. Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
6.1 mit einem einen Wärmestrom erzeugenden Antriebsmotor (1 );
6.2 mit einem Dampfmotor (10) in einem Dampfkreislauf (6), in dem ein
Arbeitsmedium verdampft und im Dampfmotor (10) expandiert wird; wobei
6.3 der Antriebsmotor (1 ) als Verbrennungsmotor ausgeführt ist, der einen zumindest einen Teil des Wärmestromes führenden Abgasstrom (2) erzeugt, von dem ein Teil über eine Abgasrückführung (3) auf die
Frischluftseite (4) des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird; und
6.4 ein erster Verdampfer (5) in der Abgasrückführung (3) beaufschlagt mit dem Wärmestrom angeordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
6.5 dem ersten Verdampfer (5) in der Abgasrückführung (3) ein zweiter
Verdampfer (7) in der Abgasrückführung (3) nachgeordnet ist, der nur mit einem Teil des durch den ersten Verdampfers (5) in der Abgasrückführung (3) geleiteten Arbeitsmediums beaufschlagt wird und der verbleibende Teil des Arbeitsmediums an dem zweiten Verdampfer (7) in einem Bypass vorbeigeleitet wird und hinter dem zweiten Verdampfer (7) wieder mit dem durch den zweiten Verdampfer (7) geleiteten Teil vermischt wird.
7. Antriebsstrang gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass ein weiterer Verdampfer (14) positioniert ist, der insbesondere ebenfalls mit einem Wärmestrom aus dem Abgasstrom (2) zur
Verdampfung des Arbeitsmediums beaufschlagt ist, wobei der weitere Verdampfer (14) außerhalb der Abgasrückführung (3) angeordnet ist.
8. Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem ersten Verdampfer (5) in der Abgasrückführung (3) ein
Volumenstromregelventil und/oder ein Druckregelventil im Dampfkreislauf (6) angeordnet ist, mittels welchem der Volumenstrom des Arbeitsmediums in den ersten Verdampfer (5) und/oder der Druck des Arbeitsmediums am Einlass des ersten Verdampfers (5) steuerbar oder regelbar ist.
9. Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass das über den Nebenauslass (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder in den Bypass gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 geleitete Arbeitsmedium in seinem Volumenstrom mittels eines Ventils veränderbar ist und/oder dass das über den Auslass (9) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder in Richtung des zweiten Verdampfers (7) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 geleitete Arbeitsmedium in seinem
Volumenstrom durch ein Ventil variierbar ist.
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