WO2012156175A2 - Vorrichtung und verfahren zur nutzung der abwärme einer brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur nutzung der abwärme einer brennkraftmaschine Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for using the waste heat of an internal combustion engine.
  • 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
  • a transmission or reduction gear between the expansion machine and the transfer case, a transmission or reduction gear
  • 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
  • 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.
  • Bypass pressure control valve 16 is arranged. Instead of the other
  • Component 25 are connected to a transfer case 14.
  • 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

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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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