WO2012076132A1 - Verfahren und vorrichtung zur entlüftung eines abwärmenutzungskreislaufs in einem fahrzeug - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur entlüftung eines abwärmenutzungskreislaufs in einem fahrzeug Download PDF

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WO2012076132A1
WO2012076132A1 PCT/EP2011/006044 EP2011006044W WO2012076132A1 WO 2012076132 A1 WO2012076132 A1 WO 2012076132A1 EP 2011006044 W EP2011006044 W EP 2011006044W WO 2012076132 A1 WO2012076132 A1 WO 2012076132A1
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WO
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heat recovery
waste heat
working medium
degassing device
recovery circuit
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PCT/EP2011/006044
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Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Frank Obrist
Christian SCHMÄLZLE
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Daimler Ag
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Publication date
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    • 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
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    • 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 method for venting a waste heat recovery circuit in a vehicle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the
  • Modern internal combustion engines have efficiencies in the range of 30% to 40%.
  • a large part of the chemical energy supplied to the internal combustion engine in the form of waste heat is preferably delivered to a vehicle environment via a coolant and an exhaust gas heat.
  • the internal combustion engine is followed by a cycle in which the hot exhaust gas flow and in part the coolant of the
  • the cyclic process is usually a so-called Clausius-Rankine process or an Organic Clausius-Rankine process, in which a liquid medium absorbs heat, which underlies
  • Heat is mainly evaporated and then in a
  • Expansion machine is relaxed under the release of mechanical energy to an output shaft.
  • organic agents a mixture of such organic agents, alcohol mixtures or water-alcohol mixtures or water with certain additives into consideration.
  • Internal combustion engine arranged pumping device for pumping a coolant by the internal combustion engine, a radiator whose inlet side via a first Coolant line is connected to the outlet side of the internal combustion engine and the outlet side is connected via a second coolant line to the inlet side of the pump device for cooling the coolant, a cooler bypass line which connects the outlet side of the internal combustion engine, bypassing the radiator directly to the inlet side of the pump device, and a switching valve disposed in the second coolant line between the radiator and the pump device, for selectively opening and closing the second coolant line and the radiator bypass line.
  • a switching valve bypass channel is also provided, which connects the second coolant line, bypassing the switching valve directly to the inlet side of the pumping device.
  • the invention has for its object to provide an improved method and apparatus for venting a waste heat recovery circuit in a vehicle, in which a safe and effective ventilation smallest
  • the object is achieved by the features specified in claim 1.
  • the object is achieved by the features specified in claim 5.
  • Combustion engine in a vehicle in particular a Clausius-Rankine cycle or an Organic Clausius Rankine cycle, with an at least time and / or sections of liquid working medium is the in
  • Degassing device automatically vented. Thus, it is possible to have an im
  • Working medium existing residual air content to minimize and especially the smallest contained in the working fluid residual air volumes automatically or deposit, creating a particularly high efficiency of the waste heat recovery circuit is possible.
  • a residual air content present in the liquid working medium causes the working medium, which is incompressible or almost incompressible without residual air content, to become compressible.
  • a delivery rate of a pump arranged in the waste heat recovery circuit drops and in particular one pumped by the pump
  • Mass flow of the working medium is undetermined. This is safely avoided by venting the waste heat recovery circuit, so that effective and precise control of the pump and the pumped by the pump mass flow of the
  • Waste heat recovery circuit are possible.
  • the inventive venting a uniform and / or constant operating pressure
  • the degassing device during operation of the
  • Waste heat recovery circuit operated continuously.
  • the working fluid is automatically and regularly vented during operation of the waste heat recovery circuit.
  • the residual air present in the working medium of the waste heat recovery circuit reduces or reduces a heat transfer in a heat exchanger of the waste heat recovery circuit. This is safely avoided by the continuous venting.
  • Gas mixtures can be separated or separated.
  • a degassing device is arranged, which is passively formed.
  • a passively designed degassing directs that from the
  • a passive degassing device is understood to mean a degassing device which operates autonomously, ie. H. the
  • Degassing device is not coupled to a control unit and / or is not supplied with additional energy for operation.
  • the degassing device is designed as a diaphragm valve or comprises a diaphragm valve.
  • a diaphragm valve By means of such a diaphragm valve can be removed or separated in a simple, self-sufficient and low-maintenance manner contained in the working medium gas or gas mixture.
  • the degassing device is designed as a float valve or comprises a float valve.
  • a float valve gas or gas mixture contained in the working medium can be separated or separated in a simple and self-contained manner.
  • the degassing device is in a low pressure section of the waste heat recovery circuit in a liquid
  • Capacitor output and the pump input is liquid and a pressure of
  • Working medium corresponds to an ambient pressure, whereby the residual air content is particularly easy to eliminate from the working medium.
  • the degassing device is arranged on a relative to the position of the output of the capacitor and the position of the input of the delivery unit elevated position in the waste heat recovery circuit.
  • the degassing device opens when a pressure in the low pressure section of the waste heat recovery circuit is a predeterminable value above an ambient pressure.
  • FIG. 1 shows schematically a block diagram of an internal combustion engine with a heat recovery device based on the principle of a Rankine cycle process with a degassing device according to the invention
  • Fig. 2 shows schematically an arrangement of the degassing between
  • FIG. 3 schematically shows a membrane valve comprising a degassing device
  • Fig. 4 shows schematically a float valve comprehensive
  • Fig. 5 shows schematically a float valve comprehensive
  • FIG. 1 shows schematically a block diagram of an internal combustion engine 1 based on a Clausius-Rankine cycle process
  • Bei the internal combustion engine 1 may be a conventional diesel or gasoline engine or another internal combustion engine, for. B. a vehicle,
  • a conveying unit 4 In the waste heat utilization device 2, a conveying unit 4, a
  • Heat exchanger assembly 5 an expansion device 6 and a capacitor 7 connected in a waste heat recovery circuit AK, wherein in this
  • Waste heat recovery cycle AK a working medium is performed and a in the
  • Waste heat recovery cycle AK performed process flow of a so-called Clausius-Rankine cycle process or an Organic-Clausius-Rankine cycle corresponds.
  • Liquids and / or solutions of these can be used.
  • the liquid working medium is supplied in a working fluid flow AS from the conveying unit 4 to the heat exchanger arrangement 5.
  • the liquid working medium is heated under constant or almost constant pressure using the heat loss of the internal combustion engine 1 such that it evaporates.
  • the internal combustion engine 1 thermally with the
  • Heat exchanger assembly 5 coupled.
  • the heat exchanger assembly 5 can use, for example, as exhaust gas heat exchanger, exhaust gas recirculation heat exchanger and / or coolant heat exchanger exhaust heat and / or heat of a coolant of the internal combustion engine 1 to heat the liquid working fluid and evaporate.
  • the high pressure vaporous working medium becomes the
  • Expansion device 6 is supplied and is relaxed in an adiabatic or nearly adiabatic expansion to a vaporized working medium at atmospheric pressure.
  • the expansion device 6 the z. B. as a turbine or
  • Piston expansion engine is executed, while a kinetic energy of the vaporous working medium is converted into a mechanical energy. For example, the generated mechanical energy at a coupling of the
  • Expansion device 6 are converted into an electrical energy with an electric generator, not shown.
  • This electrical energy can z. B. are used to drive an electric motor, not shown, which acts to support the internal combustion engine 1. Furthermore, the means of the
  • Expansionsvoriques 6 generated mechanical energy directly via unspecified arrangements of the internal combustion engine 1 are supplied to support.
  • the vaporous working medium is fed to a condenser 7, in which the vaporous working medium is isobaric or nearly isobaric condensed by means of cooling and thus converted into a liquid state of aggregation, so that the delivery unit 4 can be supplied with the liquid working medium on the input side.
  • the degassing device 3 is arranged in the waste heat recovery cycle AK according to the invention between the condenser 7 and the conveyor unit 4.
  • the waste heat recovery circuit AK is automatically vented, d. H. the guided in the waste heat recovery cycle AK liquid working fluid is separated from gases or gas mixtures.
  • gases or gas mixtures for example air, hereinafter also referred to as the residual air fraction RL in the working medium, can penetrate, be stored or taken up, be diffused into and conveyed during filling and / or operation of the waste heat recovery circuit AK.
  • An existing in liquid working fluid residual air content leads, for example, that the incompressible without residual air content or almost incompressible
  • Mass flow of the working medium is undetermined. This will be a
  • the degassing device 3 is operated continuously during the operation of the waste heat recovery circuit AK.
  • a uniform and / or constant operating pressure and rest pressure level in the waste heat recovery circuit AK is possible.
  • the degassing device 3 is operated passively and then diverts residual air fraction RL separated from the working medium to an environment of the waste heat recovery cycle AK. Under a passive operation of the degassing device 3 is understood that the degassing device 3 is self-sufficient, d. H. the degassing device 3 is not coupled to a control unit and / or is not supplied with additional energy for operation.
  • Residual air fraction RL in the working medium significantly reduced or eliminated completely.
  • the residual air fraction RL present in the working medium of the waste heat recovery circuit AK reduces or reduces a heat transfer in the heat exchanger arrangement 5 of the waste heat recovery circuit AK. This is safely avoided by the continuous venting.
  • the degassing device 3 is in one
  • Low pressure section NA of the waste heat recovery circuit AK is liquid and a pressure of the working medium corresponds to an ambient pressure, whereby the residual air content RL is particularly easy to eliminate from the working fluid.
  • the degassing device 3 is preferably arranged at an elevated position in the waste heat recovery circuit AK.
  • the degassing device 3 forms the highest point in the entire waste heat recovery cycle AK.
  • the degassing device 3 as
  • conventional diaphragm valve may be formed or comprise a conventional diaphragm valve.
  • a degassing device 3 with a membrane 8 is shown schematically in FIG.
  • a conventional diaphragm valve is a shut-off of a membrane 8, which for example by rolling a
  • Valve cross-sectional area releases or closes.
  • the membrane 8 may be conventional
  • the degassing device 3 as
  • Float valve include. Such a degassing device 3 with a
  • Float 10 is shown schematically in Figures 4 and 5. Such
  • conventional float valve is a valve controlled by a float. If a certain level of a liquid medium, on which the float floats, falls below the valve opens; when it reaches the desired level, it closes again.
  • the degassing device 3 is shown schematically with the float 10 in the open state.
  • the level 11 of the working medium is so low that the float 10, the outlet opening 9 releases, so that from the
  • FIG. 5 schematically shows the degassing device 3 with the float 10 in the closed state.
  • the level 1 of the working medium is so high that the float 10 closes the outlet opening 9 gas-tight.
  • a conventional pressure relief valve can be arranged in the outlet opening 9, which automatically and automatically opens when a pressure in the low pressure section NA of the waste heat recovery circuit AK is a predeterminable value above an ambient pressure.
  • Pressure relief valve so that only at a definable float position, which corresponds to a sufficient amount of gas, and at an existing pressure opening of the vent valve occurs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs (AK) für eine Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius- Rankine-Kreislaufs oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreislaufs, mit einem zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssigen Arbeitsmedium. Erfindungsgemäß wird das im Abwärmenutzungskreislauf (AK) strömende Arbeitsmedium mittels einer Entgasungsvorrichtung (3) automatisch entlüftet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine passive Entgasungsvorrichtung (3) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Entlüftung eines Abwärmenutzungskreislaufs in einem
Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entlüftung eines Abwärmenutzungskreislaufs in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die
Erfindung eine Entgasungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Moderne Verbrennungsmotoren weisen Wirkungsgrade im Bereich von 30 % bis 40 % auf. Daraus resultierend wird ein großer Teil der dem Verbrennungsmotor zugeführten chemischen Energie in Form von Abwärme vorzugsweise über ein Kühlmittel und eine Abgaswärme an eine Fahrzeugumgebung abgegeben.
Zu einer Wirkungsgraderhöhung ist dem Verbrennungsmotor ein Kreisprozess nachgeschaltet, bei dem der heiße Abgasstrom und zum Teil das Kühlmittel des
Verbrennungsmotors als Wärmequelle zum Betrieb einer nachgeschalteten Maschine im Kreisprozess verwendet wird. Bei dem Kreisprozess handelt es sich üblicherweise um einen so genannten Clausius-Rankine-Prozess oder einen Organic-Clausius-Rankine- Prozess, bei welchem ein flüssiges Medium Wärme aufnimmt, welches unter
Wärmezufuhr überwiegend verdampft wird und anschließend in einer
Expansionsmaschine unter Abgabe von mechanischer Energie an eine Abtriebswelle entspannt wird. Als Arbeitsmedium kommen hier organische Arbeitsstoffe, eine Mischung solcher organischer Arbeitsstoffe, Alkoholgemische oder Wasser-Alkoholgemische oder Wasser mit bestimmten Additiven in Betracht.
In der DE 10 2005 010 236 A1 wird ein Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs beschrieben, mit einem Verbrennungsmotor, einer stromauf des
Verbrennungsmotors angeordneten Pumpvorrichtung zum Pumpen eines Kühlmittels durch den Verbrennungsmotor, einem Kühler, dessen Einlassseite über eine erste Kühlmittelleitung mit der Auslassseite des Verbrennungsmotors verbunden ist und dessen Auslassseite über eine zweite Kühlmittelleitung mit der Einlassseite der Pumpvorrichtung verbunden ist, zum Kühlen des Kühlmittels, einer Kühler-Bypassleitung, welche die Auslassseite des Verbrennungsmotors unter Umgehung des Kühlers direkt mit der Einlassseite der Pumpvorrichtung verbindet, und einem Schaltventil, das in der zweiten Kühlmittelleitung zwischen dem Kühler und der Pumpvorrichtung angeordnet ist, zum wahlweisen Öffnen und Schließen der zweiten Kühlmittelleitung und der Kühler- Bypassleitung. Zum sicheren Entlüften der zweiten Kühlmittelleitung während des Befüllprozesses ist ferner ein Schaltventil-Bypasskanal vorgesehen, der die zweite Kühlmittelleitung unter Umgehung des Schaltventils direkt mit der Einlassseite der Pumpvorrichtung verbindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Entlüftung eines Abwärmenutzungskreislaufs in einem Fahrzeug anzugeben, bei welchen eine sichere und effektive Entlüftung kleinster
Gasmengen aus einem Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreislaufs ermöglicht ist und daraus resultierend eine Effizienz des Abwärmenutzungskreislaufs signifikant gesteigert ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs für eine
Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius-Rankine- Kreislaufs oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreislaufs, mit einem zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssigem Arbeitsmedium wird das im
Abwärmenutzungskreislauf strömende Arbeitsmedium mittels einer
Entgasungsvorrichtung automatisch entlüftet. Somit ist es möglich, einen im
Arbeitsmedium vorhandenen Restluftanteil zu minimieren und insbesondere kleinste im Arbeitsmedium enthaltene Restluftmengen automatisch aus- oder abzuscheiden, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad des Abwärmenutzungskreislaufs ermöglicht ist. Ein im flüssigen Arbeitsmedium vorhandener Restluftanteil führt dazu, dass das ohne Restluftanteil inkompressible oder nahezu inkompressible Arbeitsmedium kompressibel wird. Daraus resultiert, dass eine Förderleistung einer im Abwärmenutzungskreislauf angeordneten Pumpe sinkt und insbesondere ein von der Pumpe geförderter
Massenstrom des Arbeitsmediums unbestimmt wird. Dies ist durch die Entlüftung des Abwärmenutzungskreislaufs sicher vermieden, so dass eine effektive und präzise Steuerung der Pumpe und des von der Pumpe geförderten Massenstroms des
Arbeitsmediums und eine daraus resultierende Leistungsregelung des
Abwärmenutzungskreislaufs ermöglicht sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind ein Überhitzen von Bauteilen des
Abwärmenutzungskreislaufs und/oder eine unkontrollierte, unvollständige Kondensation des Arbeitsmediums im Kondensator verhindert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist durch die erfindungsgemäße Entlüftung ein gleichmäßiges und/oder gleichbleibendes Betriebsdruck- und
Ruhedruckniveau im Abwärmenutzungskreislauf ermöglicht.
Vorteilhafterweise wird die Entgasungsvorrichtung während eines Betriebs des
Abwärmenutzungskreislaufs kontinuierlich betrieben. Dadurch wird das Arbeitsmedium während des Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs automatisch und regelmäßig entlüftet. Herkömmlicherweise reduziert oder verringert die im Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreislaufs vorhandene Restluft einen Wärmeübergang in einem Wärmetauscher des Abwärmenutzungskreislaufs. Dies ist durch die kontinuierliche Entlüftung sicher vermieden.
Besonders vorteilhafterweise wird das flüssige Arbeitsmedium innerhalb der
Entgasungsvorrichtung von im Arbeitsmedium enthaltenen, eingelagerten,
eingedrungenen, hineindiffundierten und/oder mitbeförderten Gasen oder Gasgemischen getrennt. Somit sind sämtliche während der Befüllung oder während des Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs vom Arbeitsmedium aufgenommene Gase oder
Gasgemische abscheid- oder separierbar.
Zweckmäßigerweise wird das vom Arbeitsmedium separierte oder aus dem
Arbeitsmedium abgeschiedene Gas oder Gasgemisch von der Entgasungsvorrichtung geregelt und/oder gesteuert an oder in eine Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs abgegeben. Dadurch wird das abgeschiedene Gas oder das Gasgemisch sicher und vollständig aus dem Abwärmenutzungskreislauf entfernt und einer Umgebung zugeführt.
Bei der Vorrichtung zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs für eine
Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius-Rankine- Kreislaufs oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreislaufs, mit einem zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssigem Arbeitsmedium ist im Abwärmenutzungskreislauf erfindungsgemäß eine Entgasungsvorrichtung angeordnet, welche passiv ausgebildet ist. Eine solche passiv ausgebildete Entgasungsvorrichtung leitet das aus dem
Arbeitsmedium abgeschiedene Gas oder Gasgemisch an eine Umgebung des
Abwärmenutzungskreislaufs ab. Unter einer passiven Entgasungsvorrichtung wird eine Entgasungsvorrichtung verstanden, welche autark funktioniert, d. h. die
Entgasungsvorrichtung ist nicht mit einer Steuereinheit gekoppelt und/oder wird nicht mit einer Zusatzenergie zum Betrieb versorgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung als Membranventil ausgebildet oder umfasst ein Membranventil. Mittels eines solchen Membranventils ist auf einfache, autarke und wartungsarme Weise im Arbeitsmedium enthaltenes Gas oder Gasgemisch aus- oder abscheidbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung als Schwimmerventil ausgebildet oder umfasst ein Schwimmerventil. Mittels eines solchen Schwimmerventils ist auf einfache und autarke Weise im Arbeitsmedium enthaltenes Gas oder Gasgemisch aus- oder abscheidbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung in einem Niederdruckabschnitt des Abwärmenutzungskreislaufs in einem flüssigen
Arbeitsmediumstrom zwischen einem Kondensatorausgang und einem Pumpeneingang angeordnet. Auf diese Weise ist der Restluftanteil besonders einfach aus dem
Arbeitsmedium zu separieren, da das Arbeitsmedium im Abschnitt zwischen dem
Kondensatorausgang und dem Pumpeneingang flüssig ist und ein Druck des
Arbeitsmediums einem Umgebungsdruck entspricht, wodurch der Restluftanteil besonders einfach aus dem Arbeitsmedium ausscheidbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung an einer gegenüber der Position des Ausgangs des Kondensators und der Position des Eingangs der Fördereinheit erhöhten Position im Abwärmenutzungskreislauf angeordnet. Dadurch kann sich der Restluftanteil im Arbeitsmedium, bedingt durch seine geringere Dichte, an dieser erhöhten Position sammeln und aus dem Arbeitsmedium abgeschieden werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform öffnet die Entgasungsvorrichtung, wenn ein Druck im Niederdruckabschnitt des Abwärmenutzungskreislaufs einen vorgebbaren Wert über einem Umgebungsdruck liegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Abwärmenutzungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung,
Fig. 2 schematisch eine Anordnung der Entgasungsvorrichtung zwischen
Kondensator und Fördereinheit,
Fig. 3 schematisch eine ein Membranventil umfassende Entgasungsvorrichtung,
Fig. 4 schematisch eine ein Schwimmerventil umfassende
Entgasungsvorrichtung, wobei das Schwimmerventil geöffnet ist, und
Fig. 5 schematisch eine ein Schwimmerventil umfassende
Entgasungsvorrichtung, wobei das Schwimmerventil geschlossen ist.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden
Abwärmenutzungsvorrichtung 2 mit einer erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung 3 zur Energierückgewinnung aus einer Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 1. Bei der Verbrennungskraftmaschine 1 kann es sich um einen herkömmlichen Diesel- oder Ottomotor oder eine andere Verbrennungsmaschine, z. B. eines Fahrzeugs,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs, handeln.
In der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 sind eine Fördereinheit 4, eine
Wärmetauscheranordnung 5, eine Expansionsvorrichtung 6 und ein Kondensator 7 in einem Abwärmenutzungskreislauf AK verschaltet, wobei in diesem
Abwärmenutzungskreislauf AK ein Arbeitsmedium geführt wird und ein in dem
Abwärmenutzungskreislauf AK durchgeführter Prozessablauf dem eines so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
Als Arbeitsmedium können herkömmliche organische und/oder anorganische
Arbeitsmittel, wie z. B. Wasser, Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, weitere
Flüssigkeiten und/oder Lösungen dieser verwendet werden.
Im Prozessablauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses wird das flüssige Arbeitsmedium in einem Arbeitmittelstrom AS von der Fördereinheit 4 der Wärmetauscheranordnung 5 zugeführt. In der Wärmetauscheranordnung 5 wird das flüssige Arbeitsmedium unter konstantem oder nahezu konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine 1 derart erwärmt, dass es verdampft.
Dazu ist die Verbrennungskraftmaschine 1 thermisch mit der
Wärmetauscheranordnung 5 gekoppelt. Die Wärmetauscheranordnung 5 kann dabei beispielsweise als Abgaswärmetauscher, Abgasrückführungswärmetauscher und/oder Kühlmittelwärmetauscher eine Abgaswärme und/oder eine Wärme eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine 1 verwenden, um das flüssige Arbeitsmedium zu erwärmen und zu verdampfen.
Das unter hohem Druck stehende dampfförmige Arbeitsmedium wird der
Expansionsvorrichtung 6 zugeführt und wird in einer adiabatischen oder nahezu adiabatischen Expansion zu einem dampfförmigen Arbeitsmedium mit Normaldruck entspannt. In der Expansionsvorrichtung 6, die z. B. als Turbine oder
Kolbenexpansionsmaschine ausgeführt ist, wird dabei eine kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmediums in eine mechanische Energie umwandelt. Beispielsweise kann die erzeugte mechanische Energie bei einer Kopplung der
Expansionsvorrichtung 6 mit einem nicht näher dargestellten elektrischen Generator in eine elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann z. B. zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Elektromotors genutzt werden, der unterstützend zu der Verbrennungskraftmaschine 1 wirkt. Weiterhin kann die mittels der
Expansionsvorrichtung 6 erzeugte mechanische Energie direkt über nicht näher dargestellte Anordnungen der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Unterstützung zugeführt werden.
Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmedium einem Kondensator 7 zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmedium mittels einer Kühlung isobar oder nahezu isobar kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass der Fördereinheit 4 eingangsseitig das flüssige Arbeitsmedium zuführbar ist.
Im Abwärmenutzungskreislauf AK ist erfindungsgemäß zwischen dem Kondensator 7 und der Fördereinheit 4 die Entgasungsvorrichtung 3 angeordnet. Mittels dieser
Entgasungsvorrichtung 3 wird der Abwärmenutzungskreislauf AK automatisch entlüftet, d. h. das im Abwärmenutzungskreislauf AK geführte flüssige Arbeitsmedium wird von Gasen oder Gasgemischen getrennt. Diese Gase oder Gasgemische, beispielweise Luft, im Folgenden auch als Restluftanteil RL im Arbeitsmedium bezeichnet, können bei einem Befüllen und/oder im Betrieb des Abwärmenutzungskreislaufs AK in das Arbeitsmedium eindringen, eingelagert oder aufgenommen werden, hineindiffundieren und mitbefördert werden. Ein im flüssigen Arbeitsmedium vorhandener Restluftanteil führt beispielweise dazu, dass das ohne Restluftanteil inkompressible oder nahezu inkompressible
Arbeitsmedium kompressibel wird. Daraus resultiert, dass eine Förderleistung der Fördereinheit 4 sinkt und insbesondere ein von der Fördereinheit 4 geförderter
Massenstrom des Arbeitsmediums unbestimmt wird. Dadurch wird eine
Leistungsregelung des Abwärmenutzungskreislauf AK unpräzise, da diese anhand des von der Fördereinheit 4 geförderten Massenstroms des Arbeitsmediums gesteuert und/oder geregelt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Entgasungsvorrichtung 3 während des Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs AK kontinuierlich betrieben. Dadurch ist ein gleichmäßiges und/oder gleichbleibendes Betriebsdruck- und Ruhedruckniveau im Abwärmenutzungskreislauf AK ermöglicht. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind ein Überhitzen von Bauteilen des
Abwärmenutzungskreislaufs AK und/oder eine unkontrollierte, unvollständige
Kondensation des Arbeitsmediums im Kondensator 7 verhindert.
Im Betrieb des Abwärmenutzungskreislaufs AK wird die Entgasungsvorrichtung 3 passiv betrieben und leitet dann aus dem Arbeitsmedium abgeschiedenen Restluftanteil RL an eine Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs AK ab. Unter einem passiven Betrieb der Entgasungsvorrichtung 3 wird verstanden, dass die Entgasungsvorrichtung 3 autark funktioniert, d. h. die Entgasungsvorrichtung 3 ist nicht mit einer Steuereinheit gekoppelt und/oder wird nicht mit einer Zusatzenergie zum Betrieb versorgt.
Durch die kontinuierliche Entlüftung des Arbeitsmediums im
Abwärmenutzungskreislauf AK mittels der Entgasungsvorrichtung 3 kann der
Restluftanteil RL im Arbeitsmedium signifikant reduziert oder vollständig eliminiert werden. Herkömmlicherweise reduziert oder verringert der im Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreislaufs AK vorhandene Restluftanteil RL einen Wärmeübergang in der Wärmetauscheranordnung 5 des Abwärmenutzungskreislaufs AK. Dies ist durch die kontinuierliche Entlüftung sicher vermieden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entgasungsvorrichtung 3 in einem
Niederdruckabschnitt NA des Abwärmenutzungskreislaufs AK im flüssigen
Arbeitsmediumstrom zwischen einem Ausgang des Kondensators 7 und einem Eingang der Fördereinheit 4 angeordnet. Auf diese Weise ist der Restluftanteil RL besonders einfach aus dem Arbeitsmedium zu separieren, da das Arbeitsmedium im
Niederdruckabschnitt NA des Abwärmenutzungskreislaufs AK flüssig ist und ein Druck des Arbeitsmediums einem Umgebungsdruck entspricht, wodurch der Restluftanteil RL besonders einfach aus dem Arbeitsmedium ausscheidbar ist.
In Figur 2 ist schematisch die Anordnung der Entgasungsvorrichtung 3 zwischen Kondensator 7 und Fördereinheit 4 dargestellt. Dabei ist die Entgasungsvorrichtung 3 vorzugsweise an einer erhöhten Position im Abwärmenutzungskreislauf AK angeordnet. Besonders bevorzugt bildet die Entgasungsvorrichtung 3 die höchste Stelle im gesamten Abwärmenutzungskreislauf AK. Dadurch kann sich der Restluftanteil RL im
Arbeitsmedium, bedingt durch seine geringere Dichte, an dieser erhöhten Position sammeln und aus Arbeitsmedium abgeschieden werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Entgasungsvorrichtung 3 als
herkömmliches Membranventil ausgebildet sein oder ein herkömmliches Membranventil umfassen. Eine solche Entgasungsvorrichtung 3 mit einer Membran 8 ist in Figur 3 schematisch dargestellt. Bei einem solchen herkömmlichen Membranventil besteht ein Absperrkörper aus einer Membran 8, welche beispielweise durch Abrollen eine
Ventilquerschnittsfläche freigibt oder verschließt.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Membran 8 als herkömmliche
semipermeable Membran ausgebildet sein, welche nur für den im Arbeitsmedium enthaltenen Restluftanteil RL durchlässig ist. An dieser Membran 8 findet somit eine Phasentrennung zwischen dem flüssigen Arbeitsmedium und dem Restluftanteil RL statt, so dass unterhalb der Membran 8 das Arbeitsmedium geführt ist, während oberhalb der Membran 8 der Restluftanteil RL abgeschieden ist. Der Restluftanteil wird mittels der Auslassöffnung 9 an eine Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs AK abgegeben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Entgasungsvorrichtung 3 als
herkömmliches Schwimmerventil ausgebildet sein oder ein herkömmliches
Schwimmerventil umfassen. Eine solche Entgasungsvorrichtung 3 mit einem
Schwimmer 10 ist in den Figuren 4 und 5 schematisch dargestellt. Ein solches
herkömmliches Schwimmerventil ist ein durch einen Schwimmer gesteuertes Ventil. Wird ein bestimmter Pegelstand eines flüssigen Mediums, auf welchem der Schwimmer schwimmt, unterschritten, öffnet das Ventil; beim Erreichen des Sollpegels schließt es wieder.
In Figur 4 ist schematisch die Entgasungsvorrichtung 3 mit dem Schwimmer 10 in geöffneten Zustand dargestellt. Dabei ist der Pegel 11 des Arbeitsmediums derart niedrig, dass der Schwimmer 10 die Auslassöffnung 9 freigibt, so dass der aus dem
Arbeitsmedium austretende Restluftanteil RL aus der Auslassöffnung 9 entweichen kann.
In Figur 5 ist schematisch die Entgasungsvorrichtung 3 mit dem Schwimmer 10 in geschlossenem Zustand dargestellt. Dabei ist der Pegel 1 des Arbeitsmediums so hoch, dass der Schwimmer 10 die Auslassöffnung 9 gasdicht verschließt. Nicht näher dargestellt kann in der Auslassöffnung 9 ein herkömmliches Überdruckventil angeordnet sein, welches sich automatisch und selbsttätig öffnet, wenn ein Druck im Niederdruckabschnitt NA des Abwärmenutzungskreislaufs AK einen vorgebbaren Wert über einem Umgebungsdruck liegt. Dabei kann die Entgasungsvorrichtung 3 mit Schwimmer- oder Membranventil zusammen mit diesem Überdruckventil
vorteilhafterweise eine kompakte bauliche Einheit bilden. Dabei erfolgt in einer vorteilhaften Ausführung eine Kopplung eines Schwimmerventils mit einem
Überdruckventil so, dass nur bei einer festlegbaren Schwimmerposition, die einer ausreichenden Gasmenge entspricht, und bei einem vorliegenden Überdruck ein Öffnen des Entlüftungsventils erfolgt.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungskraftmaschine
2 Abwärmenutzungsvorrichtung
3 Entgasungsvorrichtung
4 Fördereinheit
5 Wärmetauscheranordnung
6 Expansionsvorrichtung
7 Kondensator
8 Membran
9 Auslassöffnung
10 Schwimmer
11 Pegel
AK Abwärmenutzungskreislauf
AS Arbeitmittelstrom
NA Niederdruckabschnitt
RL Restluftanteil

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs (AK) für eine
Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius-Rankine- Kreislaufs oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreislaufs, mit einem zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssigem Arbeitsmedium,
dadurch gekennzeichnet, dass
das im Abwärmenutzungskreislauf (AK) strömende Arbeitsmedium mittels einer Entgasungsvorrichtung (3) automatisch entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entgasungsvorrichtung (3) während eines Betriebs des
Abwärmenutzungskreislaufs (AK) kontinuierlich betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb der Entgasungsvorrichtung (3) das Arbeitsmedium von in diesem enthaltenen, eingelagerten, eingedrungenen, hineindiffundierten und/oder mitbeförderten Gasen oder Gasgemischen getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das vom Arbeitsmedium separierte oder aus dem Arbeitsmedium abgeschiedene Gas oder Gasgemisch von der Entgasungsvorrichtung (3) geregelt und/oder gesteuert an oder in eine Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs (AK) abgegeben wird.
5. Vorrichtung zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs (AK) für eine
Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius-Rankine- Kreislaufs oder eines Organic-Clausius-Rankine-Kreislaufs, mit einem zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssigem Arbeitsmedium,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Abwärmenutzungskreislauf (AK) eine Entgasungsvorrichtung (3) angeordnet ist, welche passiv ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entgasungsvorrichtung (3) als ein embranventil ausgebildet ist oder ein Membranventil umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entgasungsvorrichtung (3) als ein Schwimmerventil ausgebildet ist oder ein Schwimmerventil umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entgasungsvorrichtung (3) in einem Niederdruckabschnitt (NA) des
Abwärmenutzungskreislaufs (AK) in einem flüssigen Arbeitsmediumstrom zwischen einem Ausgang eines Kondensators (7) und einem Eingang einer Fördereinheit (4) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entgasungsvorrichtung (3) an einer gegenüber der Position des Ausgangs des Kondensators (7) und der Position des Eingangs der Fördereinheit (4) erhöhten Position im Abwärmenutzungskreislauf (AK) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entgasungsvorrichtung (3) öffnet, wenn ein Druck in einem Niederdruckabschnitt (NA) des Abwärmenutzungskreislaufs (AK) vorgebbaren Wert über einem Umgebungsdruck liegt.
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