WO2011085868A1 - Vorrichtung zur umsetzung einer abwärme einer brennkraftmaschine in mechanische energie - Google Patents

Vorrichtung zur umsetzung einer abwärme einer brennkraftmaschine in mechanische energie Download PDF

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Definitions

  • Fig. 2 is a diagram for explaining the operation of the device of

Abstract

Eine Vorrichtung (1) dient zur Umsetzung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine (2) in mechanische Energie. Die Vorrichtung (1) weist eine Kolbenmaschine (3) auf, die die Abwärme der Brennkraftmaschine (2) in einem ORC-Prozess in mechanische Energie umsetzt, die auf eine von der Brennkraftmaschine (2) angetriebene Welle (7) übertragbar ist. Außerdem ist ein variables Getriebe (6) vorgesehen, über das die Kolbenmaschine (3) die mechanische Energie auf die Welle (7) der Brennkraftmaschine (2) überträgt. Das variable Getriebe (6) übersetzt hierbei eine Ausgangsdrehzahl der Kolbenmaschine (3) auf eine Drehzahl der von der Brennkraftmaschine (2) angetriebenen Welle (7). Dadurch kann der ORC-Prozess in optimaler Weise durchgeführt werden.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Umsetzung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine in mechanische Energie
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung einer Abwärme einer
Brennkraftmaschine in mechanische Energie. Speziell betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Umsetzung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs in zusätzliche mechanische Antriebsenergie.
Für stationäre Motoren oder Großmotoren sind Systeme zur Abwärmenutzung denkbar. Der Einsatz solcher Systeme für mobile Anwendungen ist allerdings problematisch. Bei mobilen Anwendungen besteht nämlich das Problem, dass das momentane Angebot der Abwärme vom Fahrzustand abhängt. Der Fahrzustand ist beispielsweise durch eine
Verkehrssituation, eine Beladung des Fahrzeugs, eine Steigung und die
Fahrgeschwindigkeit bestimmt. Somit ist das Angebot der Abwärme starken Veränderungen unterworfen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Abwärme einer Brennkraftmaschine in mechanische Energie umsetzbar ist, wobei in vorteilhafter Weise eine Anpassung an die momentan verfügbare Abwärme der Brennkraftmaschine möglich ist. Speziell ist eine kontinuierliche Verstellung eines Volumenstroms der Kolbenmaschine und damit eine Anpassung an den Wärmestrom der Brennkraftmaschine möglich, ohne dabei die Parameter des thermodynamischen Prozesses zu variieren.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich. Speziell kann die Vorrichtung zur Umsetzung der Abwärme der Brennkraftmaschine bei mobilen Einrichtungen, insbesondere Kraftfahrzeugen, zum Einsatz kommen. Hierbei wird die thermische Energie der Abwärme über den ORC-Prozess in mechanische Energie umgesetzt. Hierbei kann in vorteilhafter Weise die Abwärme aus einem Abgas der Brennkraftmaschine oder einer Abgasrückführung über einen Wärmetauscher an ein Arbeitsmedium des ORC-Prozesses übertragen werden. Hierdurch kann das
Arbeitsmedium verdampft werden. Dieser Dampf kann anschließend in der als
Expansionsmaschine dienenden Kolbenmaschine entspannt werden, wobei mechanische Energie gewonnen wird und über das variable Getriebe an die Welle der
Brennkraftmaschine abgegeben wird. Variationen des Angebots an Abwärme können hierbei über das variable Getriebe ausgeglichen werden. Somit ist die Abschaltung eines oder mehrerer Zylinder der Kolbenmaschine nicht erforderlich. Die Abschaltung einzelner Zylinder der Kolbenmaschine hat nämlich den Nachteil, dass dies nur in diskreten Stufen erfolgen kann. Ferner ist bei einer als Axialkolbenmotor oder Radialkolbenmaschine ausgestalteten Kolbenmaschine in der Regel eine paarweise Abschaltung von
Kolbenelementen, die einander gegenüberliegen, erforderlich, um ungleichförmige
Drehbewegungen zu vermeiden. Somit kann durch eine Zylinderabschaltung keine kontinuierliche Verstellung des Volumenstroms der Kolbenmaschine erfolgen. Dies würde eine zusätzliche Anpassung der Parameter des ORC-Prozesses an das Fördervolumen erforderlich machen. Durch den Einsatz des variablen Getriebes ist allerdings eine kontinuierliche Verstellung des Volumenstroms der Kolbenmaschine möglich, so dass eine Anpassung an den Wärmestrom der Brennkraftmaschine möglich ist, ohne dabei die Parameter des ORC-Prozesses zu variieren. Somit ermöglicht der Einsatz des variablen Getriebes eine kontinuierliche Anpassung des Volumenstrom der Kolbenmaschine an den Volumenstrom des ORC-Prozesses bei bestmöglicher Anpassung des ORC-Prozesses an das Abwärmeangebot der
Brennkraftmaschine. Eine Abschaltung von einzelnen Kolbenelementen oder
Zuströmkanälen ist dabei nicht erforderlich. Die Anpassung erfolgt über ein stufenlos veränderbares Übersetzungsverhältnis der Kolbenmaschine zu der von der
Brennkraftmaschine angetriebenen Welle.
Auf diese Weise kann unabhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, insbesondere einer Wärmeabgabe und Drehzahl, ein optimaler Wirkungsgrad der
Kolbenmaschine erzielt werden. Hierbei kann die Kolbenmaschine in vorteilhafter Weise an einem durch ein Expansionsverhältnis bestimmten Auslegungspunkt die Abwärme der Brennkraftmaschine in mechanische Energie umsetzen. Somit kann die Kolbenmaschine immer an ihrem Auslegungspunkt betrieben werden. Je nach eingesetzter Getriebebauform kann dabei auf eine Steuerung oder Regelung des Übersetzungsverhältnisses des
Getriebes verzichtet werden, da sich das Getriebe selbstregelnd an die beiden
aufgeprägten Drehzahlen anpassen kann. Somit ist es ferner vorteilhaft, dass das variable Getriebe als selbstregelndes variables Getriebe ausgestaltet ist, wobei sich das Getriebe einerseits an die Ausgangsdrehzahl der Kolbenmaschine und andererseits an die Drehzahl der von der Brennkraftmaschine angetriebenen Welle anpasst. In vorteilhafter Weise kann als variables Getriebe ein Toroidalgetriebe, insbesondere ein Volltoroidalgetriebe, oder ein Nu-Vici-Getriebe zum Einsatz kommen. Werden die Druckniveaus des ORC-Prozesses, nämlich der Verdampfungsdruck und der Kondensationsdruck, auf das geometrische Expansionsverhältnis der Kolbenmaschine eingeregelt, so folgt die Drehzahl der Kolbenmaschine dem erzeugten Dampfmengenstrom, das heißt dem Volumenstrom des ORC-Prozesses. Die Drehzahl der Kolbenmaschine ist vorzugsweise gleich der Ausgangsdrehzahl der Kolbenmaschine und somit die
Eingangsdrehzahl für das variable Getriebe. Die Ausgangsdrehzahl des variablen Getriebes wird durch die momentane Drehzahl der von der Brennkraftmaschine angetrieben Welle, insbesondere einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, bestimmt. Hierbei kann die Ausgangsdrehzahl des Getriebes gleich der Drehzahl der Kurbelwelle sein. Auf Grund dieser beiden vorgegebenen Randbedingungen am Eingang sowie am Ausgang des variablen Getriebes werden die Laufräder eines Toroidalgetriebes in eine definierte Lage gezwungen, so dass eine Steuerung der Getriebeübersetzung in diesem Fall nicht erforderlich ist. Gleiches gilt beim Einsatz eines Nu-Vici-Getriebes.
In vorteilhafter Weise kann ein Arbeitsmedium des ORC-Prozesses zumindest im
Wesentlichen aus Wasser bestehen. Allerdings können auch andere Arbeitsmedium zum
Einsatz kommen.
Das Arbeitsmedium des ORC-Prozess wird in der flüssigen Phase von einer Pumpe auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases sowie die der Abgasrückführung über einen Wärmetauscher an das
Arbeitsmedium des ORC-Prozesses übertragen. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Kolbenmaschine adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und über das variable Getriebe auf die Welle der Brennkraftmaschine übertragen. Das Arbeitsmedium wird nun in einem Kondensator abgekühlt und wieder der Pumpe zugeführt. Hierdurch ist der Kreislauf geschlossen. Je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine variieren der Abgasmassenstrom, der Massenstrom der Abgasrückführung und die Temperaturen von Abgas und
Abgasrückführung. Der Volumenstrom des Arbeitsmediums muss dabei auf das
Wärmeangebot der Brennkraftmaschine angepasst werden, da einerseits ein möglichst großer Anteil der thermischen Energie in mechanische Energie umgewandelt werden soll und andererseits die Abgasrückführung möglich stark abgekühlt werden soll.
Veränderungen im Volumenstrom bedingen auch eine Anpassung der Kolbenmaschine, das heißt entweder wird das Hubvolumen variiert, was über die Abschaltung einzelner Kolbenelemente erfolgen kann und somit unerwünscht ist, oder die Drehzahl der
Kolbenmaschine wird verändert.
Wäre die Kolbenmaschine über ein starres Getriebe mit der Welle der Brennkraftmaschine verbunden, so könnte der Volumenstrom nur durch die Abschaltung einzelner
Kolbenelemente der Kolbenmaschine oder durch eine Variation des Prozessdrucks erreicht werden. Durch die Abschaltung einzelner Kolbenelemente kann der Volumenstrom allerdings nur in diskreten Stufen verändert werden. Sind nach der Abschaltung einzelner Zylinder noch Abweichungen zwischen dem für die Wärmeaufnahme erforderlichen
Volumenstrom und dem von der Kolbenmaschine realisierten Volumenstrom vorhanden, dann muss dies über eine Anpassung der Verdampfungs- und Überhitzungstemperatur ausgeglichen werden. Eine Anpassung der Verdampfungstemperatur des ORC-Prozesses führt dazu, dass das Druckverhältnis und die Volumenverhältnisse des ORC-Prozesses nicht mehr zu dem Expansionsverhältnis der Kolbenmaschine passt. Dies hat eine
Abnahme des Wirkungsgrads zur Folge. Wird beispielsweise die Überhitzungstemperatur angehoben, so ist es unvermeidlich, dass eine große Menge Dampf in den Kondensator eintritt, was zusätzliche technische
Anforderungen mit sich bringt, da der Kondensator nun ein größeres Bauvolumen einnimmt und mit einer ungünstigeren Wärmeübertragung der dampfförmigen Phase des
Arbeitsmediums zurecht kommen muss. Gleichzeitig nimmt auch der Wirkungsgrad der Kolbenmaschine ab, da durch die vorgegebene Drehzahl die Reibleistung konstant bleibt, die umgesetzte Arbeit durch die Elementabschaltung jedoch reduziert wird.
Somit wird in vorteilhafter Weise eine Anpassung des Volumenstroms der Kolbenmaschine in der Veränderung der Getriebeübersetzung des variablen Getriebes ermöglicht. Über die Getriebeübersetzung wird die von der Kolbenmaschine abgegebene Arbeit auf die Welle der Brennkraftmaschine übertragen. Der Einsatz des variablen Getriebes ermöglicht hierbei eine stufenlose Anpassung des Volumenstroms der Kolbenmaschine ohne einzelne Kolbenelemente abzuschalten oder die Überhitzungstemperatur des ORC-Prozesses anzuheben.
Somit kann durch die Vorrichtung zur Umsetzung der Abwärme der Brennkraftmaschine in mechanische Energie die Abwärme der Brennkraftmaschine genutzt werden, deren Wandlung in mechanische Energie erfolgen und eine Rückspeisung auf die Welle der Brennkraftmaschine, insbesondere auf eine Kurbelwelle, erfolgen.
Vorteilhaft ist es, dass die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass die Abwärme der
Brennkraftmaschine aus einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine aufgenommen wird. Hierbei kann die Abwärme dem Kühlwasser des Kühlkreislaufs entnommen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Umsetzung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine in mechanische Energie in einer schematischen Darstellung und
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Vorrichtung des
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Umsetzung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine 2 in mechanische Energie in einer schematischen Darstellung. Die Vorrichtung 1 kommt bei mobilen Anwendungen zum Einsatz. Speziell kann die Vorrichtung 1 für Nutzkraftwagen oder Personenkraftwagen dienen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Die Vorrichtung 1 weist eine Kolbenmaschine 3 auf, die über einen Wärmetauscher 4 mit der Brennkraftmaschine 2 verbunden ist, wie es durch den Doppelpfeil 4 veranschaulicht ist. Hierbei können beispielsweise die Abgase der Brennkraftmaschine 2 als Abwärme der Brennkraftmaschine 2 zu der Kolbenmaschine 3 übertragen werden. Die Kolbenmaschine 3 setzt die Abwärme in mechanische Energie um, wobei eine Welle 5 angetrieben wird. Hierbei treibt die Kolbenmaschine 3 die Welle 5 mit einer Ausgangsdrehzahl der
Kolbenmaschine 3 an. Über die Welle 5 ist die Kolbenmaschine 3 mit einem Getriebe 6 verbunden. Das Getriebe 6 ist als variables Getriebe ausgestaltet. Die Brennkraftmaschine 2 treibt eine Welle 7 an, die in diesem Ausführungsbeispiel als Kurbelwelle 7 ausgestaltet ist. In Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl der Kurbelwelle 7 passt das variable Getriebe eine Ausgangsdrehzahl einer Ausgangswelle 8 des Getriebes 6 an. Die
Ausgangswelle 8 steht mit der Kurbelwelle 7 in Wirkverbindung. Diese Wirkverbindung ist durch Zahnräder 9, 10 veranschaulicht, die miteinander im Eingriff stehen.
Es ist auch eine direkte Kopplung des Getriebes 6 mit der Kurbelwelle 7 möglich. Somit kann die von der Brennkraftmaschine 2 erzeugte Abwärme zumindest teilweise in mechanische Energie umgesetzt werden, die als zusätzliche Antriebsenergie auf die Kurbelwelle 7 übertragen wird. Hierdurch kann der Wirkungsgrad verbessert werden.
Das variable Getriebe 6 ist als selbstregelndes variables Getriebe 6 ausgestaltet. Dabei passt sich das Getriebe 6 einerseits an die Ausgangsdrehzahl der Kolbenmaschine 3, das heißt die Drehzahl der Welle 5, und andererseits an die Drehzahl der Kurbelwelle 7, die von der Brennkraftmaschine 2 angetrieben wird, an. Hierbei kann das variables Getriebe 6 insbesondere als Toroidalgetriebe, insbesondere Volltoroidalgetriebe, ausgestaltet seine. Das variable Getriebe 6 kann auch als Nu-Vici-Getriebe 6 ausgestaltet sein.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Funktionsweise der Vorrichtung 1 zur Umsetzung der Abwärme der Brennkraftmaschine 2 in mechanische Energie illustriert. Hierbei ist an der Abszisse die Entrope s angetragen, während an der Ordinate die Temperatur T für ein Arbeitsmedium der Kolbenmaschine 3 angetragen ist. Als Arbeitsmedium ist hierbei exemplarisch Wasser gewählt. In dem Diagramm ist eine Flüssigkeitskurve 15 dargestellt, die bis zu einem kritischen Punkt 16 von Wasser ansteigt. Ferner ist ausgehend von dem kritischen Punkt 16 eine Sattdampfkurve 17 dargestellt. Das als Beispiel für das
Arbeitsmedium verwendete Wasser hat hierbei eine fallende Sattdampfkurve 17, wie es in dem Diagramm gezeigt ist. Bei anderen Arbeitsmedien können sich andere Kurven Verläufe ergeben. Speziell kann die Sattdampfkurve auch ansteigen.
Außerdem ist der thermodynamische ORC-Prozess als geschlossene Kurve 18
veranschaulicht. Als thermodynamischer Prozess wird der Organic Rankine Cycle Prozess, das heißt ORC- Prozess, gewählt. Das als Arbeitsmedium dienende Wasser wird in der flüssigen Phase von einer Pumpe auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 4 an das Arbeitsmedium Wasser übertragen. Dabei wird das Wasser isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Kolbenmaschine 3 adibat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und über das Getriebe 6 auf die Kurbelwelle 7 übertragen. Das als Arbeitsfluid dienende Wasser wird nun in einem Kondensator abgekühlt und wieder der Pumpe zugeführt.
Die Vorrichtung 1 kann so ausgestaltet sein, dass die Abwärme der Brennkraftmaschine 2 aus einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 aufgenommen wird. Hierbei kann die Abwärme dem Kühlwasser des Kühlkreislaufs entnommen werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung (1 ) zur Umsetzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine (2) in
mechanische Energie mit einer Kolbenmaschine (3), die die Abwärme der
Brennkraftmaschine (2) in einem ORC-Prozess in mechanische Energie umsetzt, die auf eine von der Brennkraftmaschine (2) angetriebene Welle (7) übertragbar ist, und einem variablen Getriebe (6), über das die Kolbenmaschine (3) die mechanische Energie auf die Welle (7) der Brennkraftmaschine (2) überträgt, wobei das variable Getriebe (6) eine Ausgangsdrehzahl der Kolbenmaschine (3) an eine Drehzahl der von der
Brennkraftmaschine (2) angetriebenen Welle (7) übersetzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kolbenmaschine (3) zumindest näherungsweise an einem durch ein
Expansionsverhältnis bestimmten Auslegungspunkt die Abwärme der Brennkraftmaschine (2) in die mechanische Energie umsetzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangsdrehzahl der Kolbenmaschine (3) im Auslegungspunkt einem erzeugten Dampfmengenstrom des ORC-Prozesses folgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das variable Getriebe (6) als selbstregelndes und/oder momentensensitives variables Getriebe (6) ausgestaltet ist, wobei sich das Getriebe (6) einerseits an die
Ausgangsdrehzahl der Kolbenmaschine (3) und andererseits an die Drehzahl der von der Brennkraftmaschine (2) angetriebenen Welle (7) anpasst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das variable Getriebe (6) als Toroidalgetriebe, insbesondere Volltoroidalgetriebe, oder als Nu-Vici-Getriebe ausgestaltet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Arbeitsmedium des ORC-Prozesses zumindest im Wesentlichen aus Wasser besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der ORC-Prozess so ausgestaltet ist, dass bei dem ORC-Prozess ein Arbeitsmedium des ORC-Prozesses in einer flüssigen Phase auf ein Druckniveau für eine Verdampfung komprimiert wird, anschließend die Abwärme der Brennkraftmaschine (2) auf das
Arbeitsmedium übertragen wird, wobei eine isobare Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums erfolgt, anschließend das dampfförmige Arbeitsmedium zum Erzeugen der mechanischen Energie adiabat entspannt wird und anschließend das Arbeitsmedium angekühlt und wieder in die flüssige Phase überführt wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die über den ORC-Prozess erzeugte mechanische Energie als zusätzliche
Antriebsenergie dient, die auf die von der Brennkraftmaschine (2) angetriebene Welle (5) übertragen wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der ORC-Prozess die Abwärme der Brennkraftmaschine (2) zumindest teilweise aus einem Abgas der Brennkraftmaschine (2) und/oder einer der Brennkraftmaschine (2) zugeordneten Abgasrückführung entnimmt und in die mechanische Energie umsetzt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abwärme der Brennkraftmaschine (2) aus einem Kühlkreislauf der
Brennkraftmaschine (2) aufgenommen wird.
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