EP2710236A2 - Vorrichtung und verfahren zur nutzung der abwärme einer brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur nutzung der abwärme einer brennkraftmaschine

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EP2710236A2
EP2710236A2 EP12718144.4A EP12718144A EP2710236A2 EP 2710236 A2 EP2710236 A2 EP 2710236A2 EP 12718144 A EP12718144 A EP 12718144A EP 2710236 A2 EP2710236 A2 EP 2710236A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
expansion machine
internal combustion
combustion engine
drive train
waste heat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12718144.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Krueger
Gregory Rewers
Nadja Eisenmenger
Achim Brenk
Dieter Seher
Hans-Christoph Magel
Andreas Wengert
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2710236A2 publication Critical patent/EP2710236A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
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    • F01K15/00—Adaptations of plants for special use
    • F01K15/02—Adaptations of plants for special use for driving vehicles, e.g. locomotives
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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
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/12—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engines being mechanically coupled
    • F01K23/14—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engines being mechanically coupled including at least one combustion engine
    • 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 invention relates to a device and a method for using the waste heat of an internal combustion engine.
  • the conversion of thermal energy into mechanical energy preferably takes place with the aid of an ORC process (Organic Rankine Cycle):
  • ORC process Organic Rankine Cycle:
  • a liquid working medium is compressed to a working pressure and conveyed to at least one heat exchanger.
  • the waste heat from the exhaust gas or the exhaust gas recirculation is transmitted via the or the heat exchanger to the working medium of the ORC process, which is thereby evaporated.
  • the steam is then expanded in an expansion machine, whereby mechanical energy is recovered and released.
  • Expansion machines are preferably piston engines or turbines used.
  • a charging device which serves to utilize the waste heat of an internal combustion engine.
  • At the exhaust tract of the internal combustion engine at least one heat exchanger of a
  • Thermodynamic circuit attached to a working medium.
  • a turbine part and a delivery unit are arranged in the circuit.
  • a compressor part arranged in the intake tract of the internal combustion engine is driven via the turbine part.
  • Driving condition (traffic situation, load, slope, speed, etc.) depends, it is subject to strong changes. Similarly, the need for drive power and the power requirement of the ancillary components is subject to strong fluctuations, so that the distribution of the power obtained from the steam power process on crankshaft or the drive train and ancillaries of the vehicle must be continuously adjusted to optimize the use of the thermodynamic work to allow the waste heat gained energy.
  • the object of the present invention is an apparatus and a method for improved utilization of the waste heat of an internal combustion engine
  • the object is achieved by a device for waste heat utilization of an internal combustion engine, which is designed for driving a drive train, the device having a thermodynamic working circuit that uses the waste heat of the internal combustion engine for driving an expansion machine.
  • Expansion machine which is designed for example as a drive shaft, is connected to a mechanical distributor device which is suitable for selectively transmitting the mechanical energy generated by the expansion machine in operation to the drive train and / or at least one further mechanically drivable component (accessory).
  • the mechanical energy generated by the expansion engine from the waste heat of the internal combustion engine is selectively transmitted to the drive train of the internal combustion engine and / or a further mechanically drivable component (auxiliary unit).
  • a device according to the invention and a method according to the invention make it possible to optimally utilize the waste heat of the internal combustion engine in each operating state, since the mechanical energy transmitted to the drive train or the further component can be optimally adapted to the respective operating state.
  • the at least one further component is designed as an electrical generator. So the waste heat of the
  • Internal combustion engine for generating the operation for example, a vehicle, necessary electric power can be used.
  • the internal combustion engine is not charged additionally, so that an increased fuel consumption is avoided.
  • the at least one further component is designed as a hydraulic compressor or as a pneumatic compressor.
  • the hydraulic or pneumatic pressure as e.g. to operate a brake system is necessary to be generated by utilizing the waste heat of the internal combustion engine.
  • the waste heat By using the waste heat, the internal combustion engine is not charged additionally, so that an increased fuel consumption is avoided.
  • the proportion of the mechanical energy generated by the expander machine, which is respectively transmitted to the drive train and the further component can be varied.
  • a variable energy transfer enables a particularly efficient use of the energy generated by the expansion machine, since the distribution of energy is always optimally adapted to the respective operating state and the energy currently required by the component.
  • the distributor device is designed, for example, as a transfer case and in particular as a planetary gear. Here is the sun's wheel of
  • Planetary gear e.g. connected to the internal combustion engine, the planet carrier with the expansion machine and the ring gear with the other component.
  • the distributor device as a planetary gear has a change in the load of the other component with the result that also changes the force acting on the ring gear of the planetary gear mechanical torque. This allows both the load distribution of the
  • Expansionsmaschine emitted energy between the other component and the drive train and the transmission ratio between the Internal combustion engine and the expansion machine can be varied continuously.
  • Such a planetary gear mechanism therefore provides a cost-effective, reliable and reliable distributor device which allows a stepless distribution of the energy produced by the expansion engine to the drive train and at least one further component,
  • the generator can also be operated as a motor and it is possible to use the generator via the distributor device as a starting device for the expansion machine. This is particularly advantageous when it comes to the
  • Expansion machine is an expansion machine that does not start by itself, but must be started by a starter.
  • a freewheel may be provided between the transfer case and the internal combustion engine to prevent the engine from being dragged at low speed (e.g., idle) by a faster-running expander machine, consuming energy generated by the expander.
  • a further component is designed as a hydraulic or pneumatic compressor, it is additionally possible to provide a pressure accumulator in order to store excess energy which is not required in a respective current operating state for driving the drive train for later use.
  • a transmission or reduction gear between the expansion machine and the transfer case, a transmission or reduction gear
  • a planetary gear can be used as a transmission or reduction gear.
  • a planetary gear can be used as a transmission or reduction gear.
  • Hydraulic compressor and / or pneumatic compressor are more
  • Figure 1 shows a schematic representation of an apparatus for
  • Figure 2 shows a schematic section through a planetary gear, as it can be used as a transfer case.
  • thermodynamic working circuit 4 shows a schematic representation of a device for waste heat utilization of an internal combustion engine 2 with a thermodynamic working circuit 4, in which a working medium circulates.
  • thermodynamic working group 4 are in the flow direction of the working medium
  • Heat exchanger 8 an expansion machine 10, a capacitor 12 and a pump 6 are arranged.
  • the internal combustion engine 2 can be used, in particular, as an air-compressing,
  • the device is suitable for waste heat utilization for applications in motor vehicles with a gasoline or diesel engine.
  • a device according to the invention for the use of waste heat is also suitable for other applications.
  • the internal combustion engine 2 burns fuel to generate mechanical energy.
  • the resulting exhaust gases are discharged via an exhaust system 21, in which a not shown in the figure 1 exhaust gas catalyst can be arranged.
  • a line section of the exhaust system 21 is through a
  • Heat exchanger 8 out. Heat energy from the exhaust gases or the Exhaust gas recirculation is transmitted via the line section 21 in the heat exchanger 8 to the working medium of the thermodynamic working circuit 4, so that the working fluid is heated in the heat exchanger 8 and possibly superheated and evaporated.
  • the heat exchanger 8 of the thermodynamic working circuit 4 is connected via a line 26 to the expansion machine 10.
  • the expansion machine 10 may be configured, for example, as a turbine or piston engine. Through the line 26, the heated working fluid flows to
  • Expansion machine 10 drives it.
  • the expansion machine 10 has a drive shaft 1 1, via which the mechanical energy generated by the expansion machine 10 is output. After flowing through the expansion machine 10 is the
  • Condenser 12 cooled and possibly liquefied.
  • the condenser 12 may be connected to a cooling circuit 20 in order to remove the heat from the working medium particularly effectively.
  • This cooling circuit 20 may be e.g. to act the cooling circuit of the internal combustion engine 2.
  • the working medium cooled in the condenser 12 is conveyed through the line 29 by a pump 6 into the line 24.
  • a pressure control valve 27 which serves to regulate the pressure of the working medium in the inlet to the heat exchanger 8.
  • Evaporation temperature of the working medium can be regulated by means of the pressure set by the pressure control valve 27 in the inlet to the heat exchanger 8.
  • a bypass connection 31 can be provided parallel to the pump 6, in which a pressure relief valve 30 is located.
  • the pressure relief valve 30 the maximum allowable pressure of the working medium between the pump 6 and heat exchanger 8 limit.
  • the line 24 leads directly into the heat exchanger 8, in which the working medium is heated and optionally evaporated or superheated. Via the line 26 the heated working medium again reaches the expansion machine 10 and the working medium again flows through the thermodynamic working circuit 4.
  • the passage direction of the working medium is determined by the thermodynamic working group 4.
  • thermodynamic requirements are used.
  • thermodynamic working group 4 is also a bypass connection
  • bypass connection 15 which is connected in parallel to the expansion machine 10.
  • the bypass connection 15 establishes a connection between the line 26 between the heat exchanger 8 and the expansion machine 10 and the line 28 between the expansion machine 10 and the condenser 12.
  • the bypass connection 15 is another
  • Bypass pressure control valve 16 is arranged. Instead of the other
  • Bypass pressure control valve 16 may also be a pressure relief valve 32 in the bypass connection 15. By opening the bypass pressure control valve 16, the working fluid can be passed to the expansion machine 10 passing directly from the heat exchanger 8 to the condenser 12, at high pressure in the working circuit 4 damage to components of the line 26 and / or
  • Component 25 are connected to a transfer case 14.
  • Transfer case 14 is designed in such a way that the mechanical energy output by expansion machine 10 via its drive shaft 11 can optionally be transferred to drive shaft 22, 23 or to additional component 25 in addition to the mechanical energy supplied by internal combustion engine 2.
  • the drive shaft 22, 23 may be part of the example
  • the further component 25 may be, for example, an electric generator, a hydraulic compressor or a pneumatic compressor.
  • a freewheel 34 is disposed between the engine 2 and the transfer case 14 in order to prevent the expansion machine 10 at a low waste heat supply of the
  • Translation or reduction gear 36 is provided which is adapted to the rotational speed of the drive shaft 1 1 of the expansion machine 10 to the rotational speed of the drive shaft 22 of the engine 2 and des
  • Figure 2 shows a schematic section through a planetary gear 42, as it can be used as a transfer case 14.
  • the drive shaft 22 of the engine 2 is connected to the sun gear 50 of the planetary gear 42.
  • the expansion machine 10 acts on the planet carrier 48 of the planetary gear 42, and the further component 25 is in operative connection with the ring gear 44 of the planetary gear 42nd
  • a change in the load of the component 25 results in that the mechanical torque acting on the ring gear 44 of the planetary gear 40 changes.
  • both the load sharing of the energy output from the expansion engine O between the component 25 and the power train 23 and the gear ratio between the engine 2 and the expansion engine 10 can be varied steplessly.

Landscapes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) mit einem thermodynamischen Arbeitskreis (4), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe (6), wenigstens ein Wärmetauscher (8), wenigstens eine Expansionsmaschine (10) und wenigstens ein Kondensator (12) angeordnet sind, wobei die von der Expansionsmaschine (10) erzeugte mechanische Energie wahlweise an einen Antriebsstrang (23) und/oder wenigstens eine weitere mechanisch antreibbare Komponente (25) übertragen wird.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Systeme zur Nutzung der Abwärme von Brennkraftmaschinen sind bisher nur für stationäre Motoren bzw. Großmotoren im Einsatz.
Bei solchen Systemen geschieht die Wandlung der thermischen Energie in mechanische Energie vorzugsweise mit Hilfe eines ORC-Prozesses (Organic Rankine Cycle): Ein flüssiges Arbeitsmedium wird bis auf einen Arbeitsdruck verdichtet und zu wenigstens einem Wärmetauscher gefördert. Die Abwärme aus dem Abgas bzw. der Abgasrückführung wird über den oder die Wärmetauscher an das Arbeitsmedium des ORC-Prozesses übertragen, das dadurch verdampft wird. Der Dampf wird anschließend in einer Expansionsmaschine entspannt, wobei mechanische Energie gewonnen und abgegeben wird. Als
Expansionsmaschinen kommen dabei vorzugsweise Kolbenmaschinen oder Turbinen zum Einsatz.
Aus DE 10 2006 057 247 A1 ist eine Aufladeeinrichtung bekannt, die zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine dient. Am Abgastrakt der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Wärmetauscher eines
thermodynamischen Kreislaufes mit einem Arbeitsmedium angebracht. In dem Kreislauf sind außerdem ein Turbinenteil und ein Förderaggregat angeordnet. Über das Turbinenteil wird ein im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnetes Verdichterteil angetrieben.
Da das Angebot an Abwärme bei mobilen Anwendungen vom aktuellen
Fahrzustand (Verkehrssituation, Beladung, Steigung, Fahrgeschwindigkeit, usw.) abhängt, ist es starken Veränderungen unterworfen. Genauso ist der Bedarf an Antriebsleistung sowie die Leistungsanforderung der Nebenaggregate starken Schwankungen unterworfen, so dass die Aufteilung der aus dem Dampfkraftprozess gewonnenen Leistung auf Kurbelwelle bzw. den Antriebsstrang und Nebenaggregate des Fahrzeugs fortlaufend angepasst werden muss, um eine optimale Nutzung der durch den thermodynamischen Arbeitskreis aus der Abwärme gewonnenen Energie zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur verbesserten Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine
bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine, die zum Antreiben eines Antriebsstrangs ausgebildet ist, gelöst, wobei die Vorrichtung einen thermodynamischen Arbeitskreis aufweist, der die Abwärme der Brennkraftmaschine zum Antreiben einer Expansionsmaschine nutzt. Der mechanische Ausgang der
Expansionsmaschine, der beispielsweise als Antriebswelle ausgebildet ist, ist mit einer mechanischen Verteilervorrichtung verbunden, die geeignet ist, die von der Expansionsmaschine im Betrieb erzeugte mechanische Energie wahlweise an den Antriebsstrang und/ oder wenigstens eine weitere mechanisch antreibbare Komponente (Nebenaggregat) zu übertragen.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die von der Expansionsmaschine aus der Abwärme der Brennkraftmaschine erzeugte mechanische Energie wahlweise auf den Antriebsstrang des Verbrennungsmotors und/oder eine weitere mechanisch antreibbare Komponente (Nebenaggregat) übertragen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglichen in jedem Betriebszustand eine optimale Nutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine, da die an den Antriebsstrang bzw. die weitere Komponente übertragene mechanische Energie optimal an den jeweiligen Betriebszustand angepasst werden kann. In einer Ausführungsform ist die wenigstens eine weitere Komponente als elektrischer Generator ausgebildet. So kann die Abwärme der
Brennkraftmaschine zur Erzeugung des zum Betrieb, beispielsweise eines Fahrzeugs, notwendigen elektrischen Stromes genutzt werden. Durch die
Nutzung der Abwärme wird die Brennkraftmaschine nicht zusätzlich belastet, so dass ein erhöhter Brennstoffverbrauch vermieden wird.
In einer Ausführungsform ist die wenigstens eine weitere Komponente als Hydraulikkompressor oder als pneumatischer Kompressor ausgebildet. So kann der hydraulische oder pneumatische Druck, wie er z.B. zum Betreiben einer Bremsanlage notwendig ist, durch Nutzen der Abwärme der Brennkraftmaschine erzeugt werden. Durch die Nutzung der Abwärme wird die Brennkraftmaschine nicht zusätzlich belastet, so dass ein erhöhter Brennstoffverbrauch vermieden wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der jeweils an den Antriebsstrang und die weitere Komponente übertragene Anteil der von der Expansionsmaschine erzeugten mechanischen Energie variierbar. Eine variierbare Energieübertragung ermöglicht eine besonders effiziente Nutzung der von der Expansionsmaschine erzeugten Energie, da die Verteilung der Energie stets optimal an den jeweiligen Betriebszustand und die von der Komponente jeweils aktuell benötigte Energie anpassbar ist. Die Verteilervorrichtung ist beispielsweise als Verteilergetriebe und insbesondere als Planetengetriebe ausgebildet. Dabei ist das Sonnenrad des
Planetengetriebes z.B. mit der Brennkraftmaschine, der Planetenträger mit der Expansionsmaschine und das Hohlrad mit der weiteren Komponente verbunden. Bei einer derartigen Konstruktion der Verteilervorrichtung als Planetengetriebe hat eine Veränderung der Last der weiteren Komponente zur Folge, dass sich auch das auf das Hohlrad des Planetengetriebes wirkende mechanische Moment verändert. Dadurch können sowohl die Lastaufteilung der von der
Expansionsmaschine abgegebenen Energie zwischen der weiteren Komponente und dem Antriebsstrang als auch das Übersetzungsverhältnis zwischen der Brennkraftmaschine und der Expansionsmaschine stufenlos variiert werden. Ein derartiges Planetengetriebe stellt daher eine kostengünstige, belastbare und zuverlässige Verteilervorrichtung zur Verfügung, die eine stufenlose Verteilung der von der Expansionsmaschine erzeugten Energie auf den Antriebsstrang und wenigstens eine weitere Komponente ermöglicht,
Ist die weitere Komponente ein elektrischer Generator, der für einen
Zweiquadrantenbetrieb ausgelegt ist, kann der Generator auch als Motor betrieben werden und es besteht die Möglichkeit, den Generator über die Verteilervorrichtung als Startvorrichtung für die Expansionsmaschine zu verwenden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich bei der
Expansionsmaschine um eine Expansionsmaschine handelt, die nicht von selbst anläuft, sondern durch einen Starter gestartet werden muss.
Zwischen dem Verteilergetriebe und dem Verbrennungsmotor kann ein Freilauf vorgesehen sein, um zu verhindern, dass der Verbrennungsmotor bei niedriger Drehzahl (z.B. im Leerlauf) von einer schneller laufenden Expansionsmaschine mitgeschleppt wird und dabei von der Expansionsmaschine erzeugte Energie verbraucht.
Ist eine weitere Komponente als hydraulischer oder pneumatischer Kompressor ausgebildet, so kann zusätzlich ein Druckspeicher vorgesehen sein, um überschüssige Energie, die in einem jeweils aktuellen Betriebszustand nicht zum Antreiben des Antriebsstrangs benötigt wird, zur späteren Verwendung zu speichern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Expansionsmaschine und dem Verteilergetriebe ein Übersetzungs- bzw. Untersetzungsgetriebe
angeordnet, das ausgebildet ist, um die Drehzahl der Expansionsmaschine auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. des Antriebsstrangs umzusetzen. Auch als Übersetzungs- bzw. Untersetzungsgetriebe kann ein Planetengetriebe verwendet werden. Neben der Ausbildung der weiteren Komponente als Generator,
Hydraulikkompressor und/oder pneumatischer Kompressor sind weitere
Varianten denkbar, bei denen die von dem Verteilergetriebe abgegebene mechanische Energie zum Antrieb weiterer Nebenaggregate verwendet wird. Ist die Last dieser Nebenaggregate regelbar, kann eine variable Lastverteilung auch ohne ein variables Verteilergetriebe realisiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert:
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine mit einem thermodynamischen Arbeitskreis.
Figur 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Planetengetriebe, wie es als Verteilergetriebe verwendet werden kann.
Dabei zeigt die Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2 mit einem thermodynamischen Arbeitskreis 4, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im thermodynamischen Arbeitskreis 4 sind in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums ein
Wärmetauscher 8, eine Expansionsmaschine 10, ein Kondensator 12 und eine Pumpe 6 angeordnet.
Die Brennkraftmaschine 2 kann insbesondere als luftverdichtende,
selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 2 ausgestaltet sein. Speziell eignet sich die Vorrichtung zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen mit einem Otto- oder Dieselmotor. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung eignet sich aber auch für andere Anwendungsfälle.
Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage 21 , in der ein in der Figur 1 nicht gezeigter Abgaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt der Abgasanlage 21 ist durch einen
Wärmetauscher 8 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird über den Leitungsabschnitt 21 im Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium des thermodynamischen Arbeitskreises 4 übertragen, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 erwärmt und ggf. überhitzt und verdampft wird.
Der Wärmetauscher 8 des thermodynamischen Arbeitskreises 4 ist über eine Leitung 26 mit der Expansionsmaschine 10 verbunden. Die Expansionsmaschine 10 kann beispielsweise als Turbine oder Kolbenmaschine ausgestaltet sein. Durch die Leitung 26 strömt das erwärmte Arbeitsmedium zur
Expansionsmaschine 10 und treibt diese an.
Die Expansionsmaschine 10 weist eine Antriebswelle 1 1 auf, über welche die von der Expansionsmaschine 10 erzeugte mechanische Energie ausgegeben wird. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 10 wird das
Arbeitsmedium durch eine Leitung 28 zu einem Kondensator 12 geführt. Das über die Expansionsmaschine 10 entspannte Arbeitsmedium wird im
Kondensator 12 abgekühlt und ggf. verflüssigt. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden sein, um die Wärme aus dem Arbeitsmedium besonders effektiv abzuführen. Bei diesem Kühlkreislauf 20 kann es sich z.B. um den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 handeln. Das im Kondensator 12 abgekühlte Arbeitsmedium wird durch die Leitung 29 von einer Pumpe 6 in die Leitung 24 gefördert.
In der Leitung 24 befindet sich ein Druckregelventil 27, das zur Regelung des Drucks des Arbeitsmediums im Zulauf zum Wärmetauscher 8 dient. Die
Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums lässt sich mit Hilfe des durch das Druckregelventil 27 eingestellten Druckes im Zulauf zum Wärmetauscher 8 regulieren.
Zusätzlich kann eine Bypassverbindung 31 parallel zur Pumpe 6 vorgesehen werden, in der sich ein Überdruckventil 30 befindet. Durch das Überdruckventil 30 lässt sich der maximal zulässige Druck des Arbeitsmediums zwischen Pumpe 6 und Wärmetauscher 8 begrenzen.
Die Leitung 24 führt direkt in den Wärmetauscher 8, in dem das Arbeitsmedium erwärmt und gegebenenfalls verdampft bzw. überhitzt wird. Über die Leitung 26 gelangt das erwärmte Arbeitsmedium erneut zur Expansionsmaschine 10 und das Arbeitsmedium durchströmt erneut den thermodynamischen Arbeitskreis 4.
Durch die Pumpe 6 und die Expansionsmaschine 10 ist die Durchlaufrichtung des Arbeitsmediums durch den thermodynamischen Arbeitskreis 4 festgelegt.
Somit kann den Abgasen und den Bestandteilen der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine 2 über den Wärmetauscher 8 fortwährend Wärmeenergie entzogen werden, die in Form von mechanischer Energie an die Welle 1 1 abgegeben wird.
Als Arbeitsmedium kann Wasser oder ein anderes Fluid, das den
thermodynamischen Anforderungen entspricht, eingesetzt werden. Das
Arbeitsmedium erfährt beim Durchströmen des thermodynamischen
Arbeitskreises 4 thermodynamische Zustandsänderungen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Pumpe 6 auf das Druckniveau für die
Verdampfung gebracht. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Der Dampf wird in der Expansionsmaschine 10 adiabatisch entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und auf die Welle 1 1 übertragen. Das Arbeitsmedium wird im Folgenden im Kondensator 12 abgekühlt und wieder der Pumpe 6 zugeführt. Im thermodynamischen Arbeitskreis 4 befindet sich auch eine Bypassverbindung
15, die parallel zur Expansionsmaschine 10 geschaltet ist. Die Bypassverbindung 15 stellt eine Verbindung zwischen der Leitung 26 zwischen Wärmetauscher 8 und Expansionsmaschine 10 und der Leitung 28 zwischen Expansionsmaschine 10 und Kondensator 12 her. In der Bypassverbindung 15 ist ein weiteres
Bypassdruckregelventil 16 angeordnet. Anstelle des weiteren
Bypassdruckregelventils 16 kann sich auch ein Druckbegrenzungsventil 32 in der Bypassverbindung 15 befinden. Durch Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 kann das Arbeitsmedium an der Expansionsmaschine 10 vorbei direkt vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 geleitet werden, um bei hohem Druck im Arbeitskreis 4 Schäden an Bauteilen der Leitung 26 und/oder der
Expansionsmaschine 10 zu verhindern. Die Antriebswelle 1 1 der Expansionsmaschine 10, ein Bereich 22 der
Antriebswelle des Verbrennungsmotors 2 und wenigstens eine weitere
Komponente 25 sind mit einem Verteilergetriebe 14 verbunden. Das
Verteilergetriebe 14 ist derart ausgebildet, dass die von der Expansionmaschine 10 über ihre Antriebswelle 1 1 ausgegebene mechanische Energie wahlweise zusätzlich zu der von dem Verbrennungsmotor 2 gelieferten mechanischen Energie an die Antriebswelle 22, 23 oder an die zusätzliche Komponente 25 übertragbar ist. Die Antriebswelle 22, 23 kann beispielsweise Teil des
Antriebsstrangs eines Fahrzeugs sein, der über ein geeignetes Getriebe 40, eine Kupplung 38 und ein in der Figur nicht gezeigtes Differential die Antriebsräder des Fahrzeugs antreibt.
Die weitere Komponente 25 kann beispielsweise ein elektrischer Generator, ein Hydraulikkompressor oder ein pneumatischer Kompressor sein.
Im Verlauf der Antriebswelle 22 ist zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Verteilergetriebe 14 ein Freilauf 34 angeordnet, um zu verhindern, dass die Expansionsmaschine 10 bei einem geringen Abwärmeangebot des
Verbrennungsmotors 2 von dem Verbrennungsmotor 2 über das Verteilergetriebe 14„mitgeschleppt" wird und dabei Energie von dem Verbrennungsmotor 2 aufnimmt.
Im Verlauf der Antriebswelle 1 1 der Expansionsmaschine 10 ist ein
Übersetzungs- oder Untersetzungsgetriebe 36 vorgesehen, das ausgebildet ist, um die Drehzahl der Antriebswelle 1 1 der Expansionsmaschine 10 an die Drehzahl der Antriebswelle 22 des Verbrennungsmotors 2 bzw. des
Antriebsstrangs 23 anzupassen.
Figur 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Planetengetriebe 42, wie es als Verteilergetriebe 14 verwendet werden kann. In einem Ausführungsbeispiel ist die Antriebswelle 22 des Verbrennungsmotors 2 mit dem Sonnenrad 50 des Planetengetriebes 42 verbunden. Die Expansionsmaschine 10 wirkt auf den Planetenträger 48 des Planetengetriebes 42, und die weitere Komponente 25 steht in Wirkverbindung mit dem Hohlrad 44 des Planetengetriebes 42. Bei einem derartigen Aufbau hat eine Veränderung der Last der Komponente 25 zur Folge, dass sich das auf das Hohlrad 44 des Planetengetriebes 40 wirkende mechanische Moment verändert. Mit einem derartigen Aufbau können durch eine Veränderung der Last der Komponente 25 sowohl die Lastaufteilung der von der Expansionsmaschinel O abgegebenen Energie zwischen der Komponente 25 und dem Antriebsstrang 23 als auch das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der Expansionsmaschine 10 stufenlos variiert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2), die zum Antreiben eines Antriebsstrangs (23) ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung einen thermodynamischen Arbeitskreis (4) mit einer Expansionsmaschine (10) aufweist und wobei die Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Verteilervorrichtung (14) aufweist, die mechanisch mit der Expansionsmaschine (10) verbunden und ausgebildet ist, um die von der Expansionsmaschine (10) im Betrieb abgegebene mechanische Energie wahlweise auf den Antriebsstrang (23) oder wenigstens eine weitere mechanisch antreibbare Komponente (25) zu übertragen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die weitere Komponente (25) ein elektrischer Generator, ein Hydraulikkompressor oder ein pneumatischer Kompressor ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Verteilervorrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass der Anteil der an den Antriebsstrang (23) und die weitere Komponente (25) übertragenden Energie variabel ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Verteilervorrichtung (14) als Getriebe und vorzugsweise als Planetengetriebe (42) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine (2) mit dem Sonnenrad (50) des Planetengetriebes (42) verbunden ist, die Expansionsmaschine (10) auf den Planetenträger (48) des Planetengetriebes (42) wirkt und die weitere Komponente (25) in Wirkverbindung mit dem Hohlrad (44) des Planetengetriebes (42) steht.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das
Verteilergetriebe (14) als Zweiquadrantengetriebe ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Brennkraftmaschine (2) und dem Verteilergetriebe (14) ein Freilauf (34) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Expansionsmaschine (10) und dem Verteilergetriebe (14) ein Übersetzungsbzw. Untersetzungsgetriebe (36) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das
Verteilergetriebe (14) als Startvorrichtung zum Starten der Expansionsmaschine (10) nutzbar ist.
10. Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2), die zum Antreiben eines Antriebsstrangs (23) ausgebildet ist, mit einem
thermodynamischen Arbeitskreis (4), der eine Expansionsmaschine (10) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionsmaschine (10) erzeugte mechanische Energie wahlweise an den Antriebsstrang (23) und/oder wenigstens eine weitere mechanisch antreibbare Komponente (25) übertragen wird, wobei der Anteil der auf den Antriebsstrang (23) bzw. die weitere Komponente (25) übertragenen Energie vorzugsweise variabel ist.
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