WO2013060447A1 - Abwärmenutzungsvorrichtung - Google Patents

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WO2013060447A1
WO2013060447A1 PCT/EP2012/004436 EP2012004436W WO2013060447A1 WO 2013060447 A1 WO2013060447 A1 WO 2013060447A1 EP 2012004436 W EP2012004436 W EP 2012004436W WO 2013060447 A1 WO2013060447 A1 WO 2013060447A1
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WO
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waste heat
evaporator
working medium
heat recovery
heat utilization
Prior art date
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PCT/EP2012/004436
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Franke
Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Original Assignee
Daimler Ag
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Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F02G5/04—Profiting from waste heat of exhaust gases in combination with other waste heat from combustion engines
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat utilization device of a
  • a waste heat utilization device is used to use usually generated as a by-product heat. In an internal combustion engine, this heat is through the
  • the heat to be used is present above all as heat contained in an exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is usually cooled by a cooling circuit, whereby a coolant of the cooling circuit also contains a heat coming from the internal combustion engine. It is desirable, both of these heat sources, so the exhaust of the
  • Internal combustion engine and the heated by the internal combustion engine coolant to share, taking into account that the coolant is usually a lower temperature than the exhaust gas.
  • a system which comprises two heat exchangers which are integrated in a Rankine cycle circulated by a first working medium. Both heat exchangers are also flowed through by a second working fluid, wherein the second working fluid absorbs both the heat of the exhaust gas of the internal combustion engine and the heat of the coolant of the internal combustion engine and emits to the heat exchanger.
  • the heat and thus the energy of the second working medium is here by means of the heat exchanger to the second
  • Transfer working medium which drives a generator and thus uses the heat.
  • the disadvantage here is that the second working medium has a constant pressure level. If the coolant is used on the one hand to evaporate the second working medium, the working medium has a low pressure, so that the efficiency of the
  • Heat transfer of the exhaust gas is reduced to the second working medium.
  • the coolant is used for preheating or preheating the second working medium, the efficiency of the subsequent heat transfer by the exhaust gas is also reduced and evaporation of the working medium is made more difficult.
  • the present invention deals with the problem for a
  • Waste heat recovery device of a motor vehicle in particular a
  • Internal combustion engine of a motor vehicle to provide an improved or at least alternative embodiment, which is characterized in particular by increased efficiency and cost-effective production.
  • the present invention is based on the general idea, a
  • Waste heat recovery device of a motor vehicle to equip with a waste heat recovery circuit and a secondary branch, which are flowed through by a working medium and each having an evaporator, the working fluid in the secondary branch another pressure level, in particular a lower pressure level than in
  • the waste heat utilization device has the waste heat recovery circuit, in which the working medium circulates.
  • Waste heat recovery circuit includes a conveyor for driving the
  • Waste heat recovery circuit is arranged, wherein the expander, for example by means of a generator, the conversion of the heat to be used in electrical or mechanical energy can serve. Downstream of the expander in the waste heat recovery circuit is also a Condenser arranged for condensing the working medium, which closes the waste heat recovery circuit and thus upstream of the conveyor in
  • Waste heat recovery circuit is arranged.
  • the waste heat recovery circuit further has a Saugstrahlt adopted having a drive input, an output and a suction inlet.
  • the Saugstrahlt adopted is integrated by means of the drive input and the output in the waste heat recovery circuit, while the suction inlet is connected to an outlet of the secondary branch.
  • the auxiliary branch has an inlet which downstream of the condenser and upstream of the Saugstrahlky thanks to the
  • Waste heat recovery circuit is connected.
  • the inlet of the secondary branch thus serves to divert a partial flow of the working medium, which is the secondary branch
  • the partial flow flows in the secondary branch parallel to the main flow and is via the Saugstrahlky thanks, namely via the suction of the
  • main flow is used for the entire waste heat recovery cycle, although the main flow downstream of the suction jet conveyor corresponds to the sum of main flow and partial flow or a total flow.
  • the Saugstrahlt Marie adopted serves to drive the partial flow in the secondary branch, wherein the Saugstrahlt Marie adopted is driven by the main stream in the waste heat recovery circuit. Due to the suction effect of the suction jet conveyor device developed at the suction inlet, a pressure level lower than in the main evaporator is produced in the secondary branch
  • the sub-branch pressure level is correspondingly lower than the high-pressure level and the medium-pressure level.
  • the Mauzweig réelleieri may, in particular depending on the efficiency of the secondary evaporator and the
  • Condenser the connection of the inlet to the waste heat recovery circuit and thermodynamic conditions on or in the condenser and / or the secondary evaporator and the performance of the conveyor are lower or higher than the low pressure level.
  • Environmental conditions may also have an influence on the low pressure level and the secondary armature pressure level and accordingly determine which of these pressure levels is higher than the other one.
  • the main evaporator and the secondary evaporator are designed or configured for different pressure levels. While the main evaporator is preferably designed for higher pressures of the working medium, the secondary evaporator is preferably for lower pressures of the v
  • the secondary evaporator can be configured for other, in particular lower, temperatures than the main evaporator.
  • the sub-evaporator may be wholly or partially made of plastic, while the main evaporator is made entirely or mainly of metal.
  • the secondary evaporator can have in its interior a secondary evaporator internal volume which can be flowed through by the working medium and which is greater than a corresponding internal volume of the other components of the internal volume
  • the secondary evaporator internal volume may be disproportionately larger than a main evaporator internal volume of the main evaporator and / or as a condenser internal volume of the condenser and / or as an expander internal volume of the expander.
  • the secondary evaporator can provide in particular a compensation volume to
  • the secondary branch has a
  • Pressure control valve which is arranged between the inlet and the secondary evaporator, that is, upstream of the secondary evaporator and downstream of the inlet.
  • the pressure control valve may in particular be designed as an expansion valve and serves the purpose of adjusting the pressure in the secondary branch and thus the secondary branch pressure level downstream of the pressure regulating valve.
  • the pressure control valve is preferably used to regulate a volume flow of the working medium through the secondary evaporator and thus to increase the efficiency of the secondary evaporator.
  • the pressure regulating valve preferably reduces the pressure of the partial flow diverted from the main flow.
  • the main evaporator is arranged upstream of the suction jet conveyor in the waste heat recovery circuit, wherein the inlet of the secondary branch upstream of the main evaporator is connected to the waste heat recovery circuit.
  • the inlet can thus downstream of the conveyor and thus between the conveyor and the main evaporator to the
  • Waste heat recovery circuit connected.
  • the inlet is disposed in a region of the waste heat recovery circuit at high pressure level.
  • the inlet upstream of the conveyor and thus between the condenser and the conveyor in an area at low pressure level to the waste heat recovery circuit is connected.
  • the working fluid flows liquid into the main evaporator and is at least partially vaporized at the high pressure level. Subsequently, the at least partially evaporated working medium flows to the suction jet conveyor. In addition, that flows
  • Working medium usually and preferably liquid via the inlet in the Mauzweig and is at least partially evaporated by the secondary evaporator with reduced pressure level. Subsequently, the at least partially evaporated partial stream flows via the suction inlet to the suction jet conveying device, where it flows together with the main flow at the medium pressure level to the expander.
  • Saugstrahlen operates in this case as a steam jet pump.
  • Suction jet conveyor is arranged in the waste heat recovery circuit.
  • the preferably liquid working fluid flows through the drive input into the
  • Suction jet conveyor a the partially vaporized partial stream of the secondary branch flows to side branch pressure level via the suction inlet in the
  • the inlet of the secondary branch is here optionally between the conveyor and the Saugstrahlke issued and thus on
  • the working medium preferably flows liquid into the secondary branch and is at least partially evaporated by the secondary evaporator. Downstream of the output
  • the mean pressure level preferably corresponds to an evaporation level at an outlet of the main evaporator, through which the working medium flows out of the main evaporator.
  • the Saugstrahlky shark operates as a liquid jet pump.
  • Saugstrahlt is designed as an ejector.
  • the Saugstrahlt dressed is thus in particular in the arrangement of the main evaporator downstream of the Saugstrahlt prepared
  • Formed liquid jet pump or the Saugstrahltune is preferably formed in the arrangement of the main evaporator upstream of the Saugstrahlky adopted as Dam pfstrahl pump.
  • the Saugstrahlt In order to adapt the waste heat utilization device to the prevailing conditions, in particular to different operating states of an internal combustion engine cooperating with the waste heat recovery circuit, the Saugstrahlt adopted formed or equipped adjustable. Consequently, the suction jet conveying device designed as an ejector is preferably adjustable. The controllability of Saugstrahlt dressed allows an adjustment of the power of
  • Waste heat recovery circuit and the secondary branch are Waste heat recovery circuit and the secondary branch.
  • the suction jet conveying device in particular the ejector, is designed in multiple stages.
  • the suction jet conveyor device or the ejector has two or more suction jet conveyor units or ejector units arranged one behind the other.
  • the respective units are preferably controllable, so that the overall performance of the Saugstrahlky dressed is adjustable.
  • the multi-stage design of Saugstrahlt dressed leads to an increase in
  • the adaptation of the waste heat utilization device can be realized by the controllability of the pressure control valve.
  • the side branch pressure level and correspondingly the pressure of the working medium in the secondary evaporator can be regulated.
  • the pressure control valve is designed as an expansion valve, wherein the expansion valve is adjustable.
  • the pressure control valve is designed as a thermostatic valve.
  • the pressure control valve thus changes the flow of the working medium in the secondary evaporator and consequently the Mauzweig réellenosti temperammate. This change may, for example, be effected as a function of the ambient temperature and / or of the temperature of the working medium and / or of the temperature of a heat source coupled in a heat-transmitting manner to the secondary evaporator and / or main evaporator.
  • the conveyor may be controllably equipped or designed to adapt the pressure levels and, accordingly, the adaptation of the
  • the waste heat utilization device has a working medium collecting device which stores and / or releases a quantity or a volume of the working medium as required.
  • the working medium collecting device flows through the working medium.
  • the working medium collecting device may for example be arranged in the secondary branch, wherein embodiments are preferred in which the
  • Embodiments are those in which the working fluid collecting means is disposed within the sub-evaporator or is formed as a part of the sub-evaporator.
  • the secondary evaporator internal volume is preferred and disproportionately large in comparison to the other components of the waste heat recovery device. The storage and return of the im
  • Waste heat recovery device for storing in the working fluid collection device and return the waste heat recovery device.
  • the storage of the working medium can for example be upstream of the secondary evaporator, while the return of the stored working medium takes place downstream of the secondary evaporator.
  • the waste heat utilization device can store the working medium in all states of aggregation, in particular liquid and / or gaseous, and / or recycle the waste heat utilization device.
  • controllability of the controllable components of the waste heat utilization device in particular the Saugstrahlt adopted, the pressure control valve and the
  • the control and / or regulating device can serve exclusively for this purpose or the tax and / or
  • Control device of another device or device in particular the control and / or regulating device one with the waste heat utilization device
  • control and / or regulating device can regulate or control the corresponding components, for example, such that the mean pressure level corresponds to the evaporation level at the outlet of the main evaporator.
  • Waste heat utilization device on an internal combustion engine preferably one
  • the arrangement is realized, for example, in such a way that an exhaust-gas-carrying exhaust tract of the internal combustion engine, which serves for discharging the exhaust gas of the internal combustion engine, transmits heat to one of the evaporators,
  • the secondary evaporator is preferably heat-transmitting with a cooling circuit of
  • the cooling circuit in which a coolant cooling the engine, for example cooling water, circulates, serves to cool the internal combustion engine. This makes it possible to use both heat sources of the internal combustion engine, namely the exhaust gas and the coolant, in a single circuit.
  • the internal combustion engine may have an exhaust gas recirculation train for returning the exhaust gas to the internal combustion engine, which is coupled heat-transmitting with the main evaporator.
  • the secondary evaporator is preferably coupled heat-transmitting with the exhaust gas line and / or the cooling circuit.
  • the main evaporator and the secondary evaporator are preferably coupled in a heat-transmitting manner with different heat sources.
  • the efficiency or the efficiency of the waste heat utilization device and accordingly of the internal combustion engine or the associated motor vehicle can be increased.
  • the arrangement of the waste heat utilization device to the internal combustion engine in particular means that only a single capacitor is necessary to both cool the working fluid and thus to condense, as well as to cool the coolant of the cooling circuit.
  • the latter is realized by the heat transfer from the coolant to the working fluid with the help of the secondary evaporator.
  • waste heat recovery device 2 each show an arrangement 1 of a waste heat recovery device 2 to an internal combustion engine 3.
  • the waste heat recovery device 2 has a
  • Working medium is driven by a conveyor 6, which in
  • Waste heat recovery circuit 4 is arranged and may be formed, for example, as a pump 6. Downstream of the conveyor 6, a main evaporator 7 and a Saugstrahlfact driving 8 are arranged in the waste heat recovery circuit 4, wherein the Terms downstream and upstream on a direction indicated by arrows 9 flow direction of the working medium in the waste heat recovery circuit 4 and in the secondary branch 5 relate. An expander 10 is also downstream of the main evaporator 7 and the
  • Suction jet conveyor 8 arranged in the waste heat recovery circuit 4. Downstream of the expander 10 and upstream of the conveyor 6, a capacitor 11 is finally arranged.
  • the working fluid flows in the waste heat recovery circuit 4 thus driven by the conveyor 6 to the main evaporator 7, where it evaporates and then flows to the expander 10, where it is relaxed.
  • the heat is at least partially converted into work or into another form of energy, for example into electrical energy, when the expander 10 drives a generator.
  • the condenser 11 the working medium is then cooled and thus condensed and finally flows back to the conveyor 6, to be promoted by increasing the pressure back to the main evaporator 7.
  • the auxiliary branch 5 of the waste heat recovery device 2 has an inlet 12 and an outlet 13 to divert a partial flow of the working medium from the waste heat recovery circuit 4 and again a main flow of
  • Waste heat recovery circuit 4 return.
  • the Saugstrahlky dressed 8 serves the purpose of driving the working fluid in the secondary branch 5 or suck.
  • the Saugstrahlky prepared 8 a drive input 14, a suction inlet 15 and an output 16. While the drive input 14 and the output 16 of the suction jet conveyor 8 are arranged in the waste heat recovery circuit 4, the outlet 13 of the secondary branch 5 is connected to the suction inlet 15 of the suction jet conveyor 8.
  • the working fluid flows through the inlet 12 in the
  • Working medium in the secondary branch 5 is arranged between the inlet 12 and the outlet 13 of the secondary branch 5.
  • the secondary branch 5 has a pressure regulating valve 18, which serves to regulate the pressure of the working medium in the secondary branch 5 and, for example, as an expansion valve 18 'or thermostatic valve 18 "may be formed and is preferably arranged upstream of the secondary evaporator 17.
  • the waste heat utilization device 2 thus has four pressure levels. One
  • the located at the high pressure level 19 working medium is due to the use of the Working medium as a drive medium for the auxiliary branch 5 within the Saugstrahltenburg 8 reduced to a medium pressure level 20 of the waste heat recovery circuit 5, which downstream of the output 16 of the suction jet conveyor 8 and upstream of the expander 10 prevails.
  • the expansion of the working medium by the expander 10 reduces the pressure of the working medium to a low pressure level 21 of the waste heat recovery circuit 5, which prevails between the expander 10 and the conveyor 6.
  • the working medium in the secondary branch 5 has a side branch pressure level 22 which is effected in particular by the suction force of the suction jet delivery device 8 and by means of the pressure regulating valve 18.
  • the side branch pressure level 22 for example, depending on thermodynamic conditions and operating points of the waste heat recovery device 2 and the connection of the inlet 12 to the waste heat recovery circuit 4 are higher or lower than the low pressure level 21.
  • the Mauzweigdruckitate 22 is smaller or lower than that
  • Waste heat recovery circuit 4 upstream of the conveyor 8 is arranged.
  • Working medium occurs in this example on the medium pressure level 20 in the main evaporator 7, wherein it was previously at least partially evaporated in the secondary branch 5 and / or preheated.
  • the working fluid also passes through the liquid
  • Suction jet conveyor 8 for example, as ejector 23, in particular as
  • Liquid jet pump 24 may be formed. Due to the suction effect of
  • the working medium in the secondary branch 5 also at a lower pressure level, namely at the Mauzweigtiguous 22, evaporate, so that the sub-evaporator 17 may be designed for lower pressures than the main evaporator 7. Further, the secondary evaporator 17 for
  • the main evaporator 7, however, upstream of the suction jet conveyor 8 is arranged.
  • the inlet 12 of the secondary branch 5 is then connected between the conveyor 6 and the main evaporator 7 to the waste heat recovery circuit 4, so that the working medium is diverted at least partially by the secondary branch 5 before entering the main evaporator 7.
  • the working medium thus occurs at the high pressure level 19 in the main evaporator 7 and finally passes in at least partially vaporized form to the drive input 14 of the suction jet conveyor 8, which also as an ejector 23, in particular as
  • Steam jet pump 25 may be formed.
  • the waste heat utilization device 2 shown in FIG. 3 differs from that shown in FIG. 1 in that the inlet 12 of the sub branch 5 between the condenser 11 and the conveyor 6 is connected to the waste heat recovery circuit 4.
  • High pressure level 19 is connected to the waste heat recovery circuit 4, the inlet 12 of the embodiment shown in Fig. 3 is connected in a region of low pressure level 21 to the waste heat recovery circuit 4.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the waste heat utilization device 2, which differs from the variant shown in FIG. 2 in that the inlet 12 of FIG
  • the waste heat utilization device 2 has a
  • the secondary evaporator 17 preferably has a disproportionately large secondary evaporator internal volume in comparison with the other components.
  • Working medium collecting device 28 serves the purpose of storing the working medium in the waste heat recovery device 2, if necessary, and the
  • the conveying device 6, the pressure regulating valve 18, in particular the expansion valve 18 ', as well as the working medium collecting device 28 are preferably controllable or controllable. Accordingly, a control and / or regulating device can be provided which controls or controls these components of the waste heat utilization device 2.
  • the internal combustion engine 2 has an exhaust gas line 26, which serves to discharge an exhaust gas of the internal combustion engine 3. The exhaust gas carries with it a heat from the main evaporator 7 for
  • the internal combustion engine 3 comprises a cooling circuit 27 for cooling the internal combustion engine.
  • a coolant for example, cooling water, which absorbs heat of the internal combustion engine.
  • the coolant also generally has a lower temperature than the exhaust gas.
  • the cooling circuit 27 is further coupled heat-transmitting with the secondary evaporator 17, so that the secondary evaporator 17 uses the heat of the coolant to at least partially evaporate or preheat the working fluid in the secondary branch 5.
  • both the heat stored in the coolant and the heat stored in the exhaust gas is utilized by a single waste heat utilization device 2, through which only a single working medium flows.
  • the preheated in the auxiliary branch 5 or at least partially evaporated working medium thereby increases the efficiency and efficiency of the waste heat recovery device 2, in particular in an arrangement of the main evaporator 7 downstream of the Saugstrahlky Republic 8 im
  • the internal combustion engine 3 may have an exhaust gas recirculation line 29, which, as shown in FIG. 1, is coupled in a heat-transmitting manner to the main evaporator 7.
  • the exhaust gas recirculation line 29 performs that of the
  • Internal combustion engine 3 partially generated exhaust gas to the internal combustion engine 3, for example, to reduce the fuel consumption of the internal combustion engine 3, wherein the exhaust line 26 and the exhaust gas recirculation line 29 may partially coincide.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung (2) eines Kraftfahrzeuges mit einem Abwärmenutzungskreis (4) und einem Nebenzweig (5) durch die ein Arbeitsmedium strömt. Ein erhöhter Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) wird erreicht, in dem das Arbeitsmedium im Nebenzweig (5) von einer Saugstrahlfördereinrichtung (8) angetrieben wird und der Abwärmenutzungskreis (4) sowie der Nebenzweig (5) jeweils einen Verdampfer (7, 17) aufweisen, die jeweils das Arbeitsmedium verdampfen bzw. heizen. Die Erfindung betrifft zudem eine Anordnung (1) einer derartigen Abwärmenutzungsvorrichtung (2) an einer Brennkraftmaschine (3).

Description

Abwärmenutzungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung eines
Kraftfahrzeuges sowie eine Anordnung einer derartigen Abwärmenutzungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschine.
Eine Abwärmenutzungsvorrichtung dient der Nutzung von in der Regel als Beiprodukt erzeugten Wärme. Bei einer Brennkraftmaschine wird diese Wärme durch die
Verbrennung eines Kraftstoffes erzeugt. Die zu nutzende Wärme liegt in diesem Fall vor allem als in einem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Wärme vor. Zudem wird die Brennkraftmaschine üblicherweise durch einen Kühlkreis gekühlt, wodurch ein Kühlmittel des Kühlkreises ebenfalls eine von der Brennkraftmaschine stammende Wärme enthält. Wünschenswert ist es, beide dieser Wärmequellen, also das Abgas der
Brennkraftmaschine sowie das von der Brennkraftmaschine aufgewärmte Kühlmittel, gemeinsam zu nutzen, wobei zu beachten ist, dass das Kühlmittel in der Regel eine niedrigere Temperatur aufweist als das Abgas.
Aus der DE 10 2007 057 164 ist ein System bekannt, welches zwei Wärmetauscher aufweist, die in einem von einem ersten Arbeitsmedium zirkulierten Rankine-Kreis integriert sind. Beide Wärmetauscher werden zudem von einem zweiten Arbeitsmedium durchströmt, wobei das zweite Arbeitsmedium sowohl die Wärme des Abgases der Brennkraftmaschine als auch die Wärme des Kühlmittels der Brennkraftmaschine aufnimmt und an die Wärmetauscher abgibt. Die Wärme und somit die Energie des zweiten Arbeitsmediums wird hier mittels der Wärmetauscher auf das zweite
Arbeitsmedium übertragen, welches einen Generator antreibt und die Wärme somit nutzt. Nachteilig dabei ist, dass das zweite Arbeitsmedium ein konstantes Druckniveau aufweist. Wird das Kühlmittel einerseits zum Verdampfen des zweiten Arbeitsmediums verwendet, so weist das Arbeitsmedium einen niedrigen Druck auf, so dass die Effizienz der
Wärmeübertragung des Abgases auf das zweite Arbeitsmedium reduziert ist. Wird das Kühlmittel andererseits zum Vorwärmen bzw. Vorheizen des zweiten Arbeitsmediums verwendet, so ist die Effizienz der anschließenden Wärmeübertragung durch das Abgas ebenfalls reduziert und ein Verdampfen des Arbeitsmediums erschwert.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine
Abwärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einer
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen erhöhten Wirkungsgrad sowie eine kostengünstige Herstellung auszeichnet.
Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine
Abwärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges mit einem Abwärmenutzungskreis und einem Nebenzweig auszustatten, die von einem Arbeitsmedium durchströmbar sind und jeweils einen Verdampfer aufweisen, wobei das Arbeitsmedium im Nebenzweig ein anderes Druckniveau, insbesondere ein niedrigeres Druckniveau, als im
Abwärmenutzungskreis aufweist. Somit ist es möglich, die jeweiligen Verdampfer in einem einzigen Kreislauf auf unterschiedlichen Druckniveaus zu betreiben und den
Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung zu steigern.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die Abwärmenutzungsvorrichtung den Abwärmenutzungskreis auf, in dem das Arbeitsmedium zirkuliert. Der
Abwärmenutzungskreis umfasst eine Fördereinrichtung zum Antreiben des
Arbeitsmediums sowie einen Haupt-Verdampfer zum Verdampfen eines Hauptstroms des Arbeitsmediums. Weiter weist die Abwärmenutzungsvorrichtung einen Expander zum Entspannen des Arbeitsmediums auf, der stromab des Haupt-Verdampfers im
Abwärmenutzungskreis angeordnet ist, wobei der Expander, beispielsweise mittels eines Generators, der Umwandlung der zu nutzenden Wärme in elektrische bzw. mechanische Energie dienen kann. Stromab des Expanders im Abwärmenutzungskreis ist zudem ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums angeordnet, der den Abwärmenutzungskreis schließt und somit stromauf der Fördereinrichtung im
Abwärmenutzungskreis angeordnet ist. Der Abwärmenutzungskreis weist femer eine Saugstrahlfördereinrichtung auf, die einen Treibeingang, einen Ausgang sowie einen Saugeingang aufweist. Die Saugstrahlfördereinrichtung ist mittels des Treibeingangs und des Ausgangs in den Abwärmenutzungskreis eingebunden, während der Saugeingang an einem Auslass des Nebenzweiges angeschlossen ist. Um den Nebenzweig vom
Arbeitsmedium durchströmbar zu machen, weist der Nebenzweig einen Einlass auf, der stromab des Kondensators und stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung an den
Abwärmenutzungskreis angeschlossen ist. Der Einlass des Nebenzweiges dient somit dem Abzweigen eines Teilstroms des Arbeitsmediums, der den Nebenzweig
durchströmen kann und über den Auslass dem Abwärmenutzungskreis rückführbar ist. Das heißt, der Teilstrom strömt im Nebenzweig parallel zum Hauptstrom und wird über die Saugstrahlfördereinrichtung, nämlich über den Saugeingang der
Saugstrahlfördereinrichtung, zum Abwärmenutzungskreis zurückgeführt. Die
Unterscheidung zwischen dem Hauptstrom und dem Teilstrom ist folglich für diesen, parallel zum Nebenzweig verlaufenden, Bereich sinnvoll. Im Folgenden wird jedoch für den gesamten Abwärmenutzungskreis der Begriff Hauptstrom genutzt, obwohl der Hauptstrom stromab der Saugstrahlfördereinrichtung der Summe aus Hauptstrom und Teilstrom bzw. einem Gesamtstrom entspricht. Die Saugstrahlfördereinrichtung dient hierbei dem Antrieb des Teilstroms im Nebenzweig, wobei die Saugstrahlfördereinrichtung vom Hauptstrom im Abwärmenutzungskreis angetrieben wird. Durch die am Saugeingang entwickelte Saugwirkung der Saugstrahlfördereinrichtung entsteht im Nebenzweig ein im Vergleich zu dem im Haupt-Verdampfer herrschenden Druckniveau niedrigeres
Druckniveau. Durch die Anordnung eines Neben-Verdampfers zum Verdampfen des Arbeitsmediums zwischen dem Einlass und dem Auslass im Nebenzweig sind somit zwei Verdampfer vorhanden, die von demselben Arbeitsmedium durchströmt sind, wobei das Arbeitsmedium in den jeweiligen Verdampfern unterschiedlichen Druckniveaus ausgesetzt ist. Damit ist es möglich, die Wärme von zwei unterschiedlichen Wärmequellen, die insbesondere unterschiedliche Temperaturen aufweisen können, in einer einzigen Abwärmenutzungsvorrichtung zu nutzen, wobei ein einziges Arbeitsmedium durch die Abwärmenutzungsvorrichtung strömt.
Durch den von der Saugstrahlfördereinrichtung bewirkten Antrieb des Arbeitsmediums im Nebenzweig herrscht im Abwärmenutzungskreis stromauf des Treibeingangs der Saugstrahlfördereinrichtung ein höheres Druckniveau im Arbeitsmedium, als stromab des Ausganges der Saugstrahlfördereinrichtung. Somit entstehen durch den Einsatz der Saugstrahlfördereinrichtung innerhalb des Abwärmenutzungskreises drei bzw. vier unterschiedliche Druckniveaus. Hierzu zählen ein im Abwärmenutzungskreis stromab der Fördereinrichtung und stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung herrschendes
Hochdruckniveau sowie ein stromab der Saugstrahlfördereinrichtung und stromauf des Expanders herrschendes Mitteldruckniveau. Wegen der durch den Expander bewirkten Entspannung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis herrscht zudem stromab des Expanders und stromauf der Fördereinrichtung ein Niederdruckniveau im
Abwärmenutzungskreis. Ferner herrscht innerhalb des Nebenzweigs ein
Nebenzweigdruckniveau. Das Nebenzweigdruckniveau ist entsprechend niedriger als das Hochdruckniveau und das Mitteldruckniveau. Das Nebenzweigdruckniveau kann, insbesondere abhängig von der Effizienz des Neben-Verdampfers sowie des
Kondensators, vom Anschluss des Einlasses an den Abwärmenutzungskreis und von thermodynamischen Gegebenheiten am bzw. im Kondensator und/oder dem Neben- Verdampfer sowie der Leistung der Fördereinrichtung niedriger oder höher liegen als das Niederdruckniveau. Auch können Umgebungsbedingungen einen Einfluss auf das Niederdruckniveau und das Nebenzweigdruckniveau haben und entsprechend ausschlaggebend dafür sein, welches dieser Druckniveaus höher liegt als das andere. Somit ist es möglich, durch den Einsatz einer einzigen Fördereinrichtung vier
unterschiedliche Druckniveaus zu realisieren.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind der Haupt-Verdampfer und der Neben-Verdampfer für unterschiedliche Druckniveaus ausgebildet bzw. ausgestaltet. Während der Haupt-Verdampfer bevorzugt für höhere Drücke des Arbeitsmediums ausgelegt ist, ist der Neben-Verdampfer vorzugsweise für niedrigere Drücke des v
Arbeitsmediums ausgelegt. Das heißt insbesondere, dass der Neben-Verdampfer eine erhöhte Effizienz bei der Verdampfung des Arbeitsmediums auf dem
Nebenzweigdruckniveau aufweist, während der Haupt-Verdampfer eine erhöhte Effizienz bei der Verdampfung des Arbeitsmediums auf einem höheren Druckniveau aufweist. Zudem kann der Neben-Verdampfer für andere, insbesondere niedrigere, Temperaturen ausgestaltet sein als der Haupt-Verdampfer. Beispielsweise kann der Neben-Verdampfer vollständig oder teilweise aus Kunststoff hergestellt sein, während der Haupt-Verdampfer vollständig oder hauptsächlich aus Metall hergestellt ist. Insbesondere kann der Neben-Verdampfer in seinem Inneren ein vom Arbeitsmedium durchströmbares Neben-Verdampfer-Innenvolumen aufweisen, welches größer ist als ein entsprechendes Innenvolumen der anderen Komponenten der
Abwärmenutzungsvorrichtung. Dementsprechend kann das Neben-Verdampfer- Innenvolumen überproportional größer sein als ein Haupt-Verdampfer-Innenvolumen des Haupt-Verdampfers und/oder als ein Kondensator- Innenvolumen des Kondensators und/oder als ein Expander-Innenvolumen des Expanders. Somit kann der Neben- Verdampfer insbesondere ein Ausgleichsvolumen zur Verfügung stellen, um
Massenverschiebungen zwischen der Flüssigphase und der Dampfphase bzw. Gasphase bei transienten Betriebspunkten auszugleichen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Nebenzweig ein
Druckregelventil auf, das zwischen dem Einlass und dem Neben-Verdampfer, also stromauf des Neben-Verdampfers und stromab des Einlasses angeordnet ist. Das Druckregelventil kann insbesondere als Expansionsventil ausgebildet sein und dient dem Zweck, den Druck im Nebenzweig und somit das Nebenzweigdruckniveau stromab des Druckregelventils einzustellen. Das Druckregelventil wird vorzugsweise dafür genutzt, einen Volumenstrom des Arbeitsmediums durch den Neben-Verdampfer zu regeln und somit die Effizienz des Neben-Verdampfers zu steigern. Das Druckregelventil reduziert zudem vorzugsweise den Druck des vom Hauptstrom abgezweigten Teilstroms.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist der Haupt-Verdampfer stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung im Abwärmenutzungskreis angeordnet, wobei der Einlass des Nebenzweiges stromauf des Haupt-Verdampfers an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen ist. Der Einlass kann folglich stromab der Fördereinrichtung und somit zwischen der Fördereinrichtung und dem Haupt-Verdampfer an den
Abwärmenutzungskreis angeschlossen sein. In diesem Fall ist der Einlass in einem Bereich des Abwärmenutzungskreises mit Hochdruckniveau angeordnet. Bei einer weiteren Variante ist der Einlass stromauf der Fördereinrichtung und somit zwischen dem Kondensator und der Fördereinrichtung in einem Bereich auf Niederdruckniveau an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen. Bei diesen Ausführungsformen strömt das Arbeitsmedium flüssig in den Haupt-Verdampfer und wird dabei zumindest teilweise auf dem Hochdruckniveau verdampft. Anschließend strömt das zumindest teilweise verdampfte Arbeitsmedium zur Saugstrahlfördereinrichtung. Zudem strömt das
Arbeitsmedium in der Regel und vorzugsweise flüssig über den Einlass in den Nebenzweig und wird vom Neben-Verdampfer mit reduziertem Druckniveau zumindest teilweise verdampft. Anschließend strömt der zumindest teilweise verdampfte Teilstrom über den Saugeingang zur Saugstrahlfördereinrichtung, wo er gemeinsam mit dem Hauptstrom auf dem Mitteldruckniveau zum Expander strömt. Die
Saugstrahlfördereinrichtung arbeitet in diesem Fall als Dampfstrahlpumpe.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Haupt-Verdampfer stromab der
Saugstrahlfördereinrichtung im Abwärmenutzungskreis angeordnet ist. Somit strömt das vorzugsweise flüssige Arbeitsmedium über den Treibeingang in die
Saugstrahlfördereinrichtung ein. Zudem strömt der teilweise verdampfte Teilstrom des Nebenzweigs auf Nebenzweigdruckniveau über den Saugeingang in die
Saugstrahlfördereinrichtung. Der Einlass des Nebenzweigs ist hier wahlweise zwischen der Fördereinrichtung und der Saugstrahlfördereinrichtung und somit auf
Hochdruckniveau oder zwischen dem Kondensator und der Fördereinrichtung und folglich auf Niederdruckniveau an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen. In beidem Fällen strömt das Arbeitsmedium bevorzugt flüssig in den Nebenzweig und wird vom Neben- Verdampfer zumindest teilweise verdampft. Stromab des Ausgangs der
Saugstrahlfördereinrichtung strömt nun das auf Mitteldruckniveau vorhandene und teilweise verdampfte Arbeitsmedium zum Haupt-Verdampfer. Das Mitteldruckniveau entspricht hierbei vorzugsweise einem Verdampfungsniveau an einem Austritt des Haupt- Verdampfers, durch den das Arbeitsmedium aus dem Haupt-Verdampfer hinausströmt. Somit kann die Effizienz des Haupt-Verdampfers und dementsprechend der
Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung gesteigert werden. In diesem Fall arbeitet die Saugstrahlfördereinrichtung als Flüssigkeitsstrahlpumpe.
Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die Saugstrahlfördereinrichtung als ein Ejektor ausgebildet ist. Die Saugstrahlfördereinrichtung ist folglich insbesondere bei der Anordnung des Haupt-Verdampfers stromab der Saugstrahlfördereinrichtung als
Flüssigkeitsstrahlpumpe ausgebildet bzw. ist die Saugstrahlfördereinrichtung bei der Anordnung des Haupt-Verdampfers stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung bevorzugt als Dam pfstrahl pumpe ausgebildet.
Um die Abwärmenutzungsvorrichtung an die herrschenden Gegebenheiten, insbesondere an unterschiedlichen Betriebszuständen einer mit dem Abwärmenutzungskreis zusammenwirkenden Brennkraftmaschine, anzupassen, ist die Saugstrahlfördereinrichtung regelbar ausgebildet bzw. ausgestattet. Folglich ist die als Ejektor ausgebildete Saugstrahlfördereinrichtung vorzugsweise regelbar. Die Regelbarkeit der Saugstrahlfördereinrichtung erlaubt eine Anpassung der Leistung der
Saugstrahlfördereinrichtung und somit eine Änderung der Druckniveaus des
Abwärmenutzungskreises und des Nebenzweiges.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Saugstrahlfördereinrichtung, insbesondere der Ejektor, mehrstufig ausgebildet. Das heißt, dass die Saugstrahlfördereinrichtung bzw. der Ejektor zwei oder mehrere hintereinander angeordnete Saugstrahlfördereinheiten bzw. Ejektoreinheiten aufweisen. Die jeweiligen Einheiten sind bevorzugt regelbar, sodass die Gesamtleistung der Saugstrahlfördereinrichtung regelbar ist. Zudem führt die mehrstufige Ausbildung der Saugstrahlfördereinrichtung zu einer Steigerung der
Gesamtleistung der Saugstrahlfördereinrichtung.
Alternativ oder zusätzlich kann die Anpassung der Abwärmenutzungsvorrichtung durch die Regelbarkeit des Druckregelventils realisiert sein. Somit kann insbesondere das Nebenzweigdruckniveau und entsprechend der Druck des Arbeitsmediums im Neben- Verdampfer geregelt werden. Vorzugsweise ist das Druckregelventil als Expansionsventil ausgebildet, wobei das Expansionsventil regelbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Druckregelventil als Thermostatventil ausgestaltet. Das Druckregelventil ändert also die Strömung des Arbeitsmediums in den Neben-Verdampfer und folglich das Nebenzweigdruckniveau temperaurabhängig. Diese Änderung kann beispielsweise abhängig von der Umgebungstemperatur und/oder von der Temperatur des Arbeitsmediums und/oder von der Temperatur einer mit dem Neben- Verdampfer und/oder Haupt-Verdampfer wärmeübertragend gekoppelten Wärmequelle erfolgen.
Auch kann die Fördereinrichtung regelbar ausgestattet bzw. ausgebildet sein, um eine Anpassung der Druckniveaus und dementsprechend die Anpassung der
Abwärmenutzungsvorrichtung an unterschiedlichen Gegebenheiten zu gewährleisten. So ist es vorstellbar die Leistung der Fördereinrichtung zu regeln und/oder die
Fördereinrichtung mehrstufig auszubilden. Aufgrund von thermodynamischen Variationen der mit der Abwärmenutzungsvorrichtung gekoppelten Wärmequellen und/oder wegen transienten Betriebspunkten, kann es zu Schwankungen des Bedarfs an einer Arbeitsmediummenge des Arbeitsmediums und/oder Massenverschiebungen zwischen der Flüssigphase und der Dampfphase des
Arbeitsmediums kommen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Abwärmenutzungsvorrichtung eine Arbeitsmediumsammeleinrichtung auf, die eine Menge bzw. ein Volumen des Arbeitsmediums bei Bedarf speichert und/oder wieder freigibt. Zweckmäßig ist die Arbeitsmediumsammeleinrichtung vom Arbeitsmedium durchströmt. Die Arbeitsmediumsammeleinrichtung kann beispielsweise im Nebenzweig angeordnet sein, wobei Ausführungsformen bevorzugt sind, bei denen die
Arbeitsmediumsammeleinrichtung am Neben-Verdampfer angeordnet, das heißt dem Neben-Verdampfer stromab oder stromauf benachbart, ist. Weitere bevorzugte
Ausführungsformen sind diejenigen, bei denen die Arbeitsmediumsammeleinrichtung innerhalb des Neben-Verdampfers angeordnete ist bzw. als ein Teil des Neben- Verdampfers ausgebildet ist. Hierzu ist das Neben-Verdampfer-Innenvolumen bevorzugt und im Vergleich zu den anderen Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung überproportional groß. Die Speicherung und Rückführung des im
Arbwärmenutzungskreis und im Nebenzweig strömenden Arbeitsmediums mittels der Arbeitsmediumsammeleinrichtung erfolgt hierbei im Nebenzweig.
Insbesondere ist es möglich das Arbeitsmedium an unterschiedlichen Stellen der
Abwärmenutzungsvorrichtung zum Speichern in der Arbeitsmediumsammeleinrichtung abzuzweigen und der Abwärmenutzungsvorrichtung rückzuführen. Die Speicherung des Arbeitsmediums kann beispielsweise stromauf des Neben-Verdampfers erfolgen, während die Rückführung des gespeicherten Arbeitsmediums stromab des Neben- Verdampfers erfolgt. Zudem kann die Abwärmenutzungsvorrichtung da Arbeitsmedium in allen Aggregatzuständen, insbesondere flüssig und/oder gasförmig, speichern und/oder der Abwärmenutzungsvorrichtung rückführen.
Die Regelbarkeit der regelbaren Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung, insbesondere der Saugstrahlfördereinrichtung, des Druckregelventils und der
Fördereinrichtung sowie die Speicherung und Rückführung des Arbeitsmediums mittels der Arbeitsmediumsammeleinrichtung erfolgt abhängig von thermodynamischen
Kenngrößen bzw. Gegebenheiten. Diese Kenngrößen können als Kennlinien und
Kennfelder hinterlegt sein, wobei eine entsprechende Steuer- und/oder Regeleinrichtung die jeweiligen Komponenten regelt bzw. steuert. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann dabei ausschließlich diesem Zweck dienen oder die Steuer- und/oder
Regeleinrichtung einer anderen Vorrichtung bzw. Einrichtung, insbesondere die Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer mit der Abwärmenutzungsvorrichtung
zusammenwirkenden Brennkraftmaschine, sein. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann die entsprechenden Komponenten beispielsweise derart regeln bzw. steuern, dass das Mitteldruckniveau dem Verdampfungsniveau am Austritt des Haupt-Verdampfers entspricht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die
Abwärmenutzungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines
Kraftfahrzeuges, angeordnet. Die Anordnung ist beispielsweise derart realisiert, dass ein abgasführender Abgasstrang der Brennkraftmaschine, der zum Abführen des Abgases der Brennkraftmaschine dient, wärmeübertragend mit einem der Verdampfer,
vorzugsweise mit dem Haupt-Verdampfer, gekoppelt ist. Es ist auch vorstellbar den Abgasstrang wärmeübertragend mit dem Neben-Verdampfer zu koppeln. Der Neben- Verdampfer ist jedoch bevorzugt wärmeübertragend mit einem Kühlkreis der
Brennkraftmaschine gekoppelt. Der Kühlkreis, in welchem ein die Brennkraftmaschine kühlendes Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, zirkuliert, dient dabei der Kühlung der Brennkraftmaschine. Damit ist es möglich, beide Wärmequellen der Brennkraftmaschine, nämlich das Abgas und das Kühlmittel, in einem einzigen Kreislauf zu nutzen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine einen Abgasrückführungsstrang zur Rückführung des Abgases zur Brennkraftmaschine aufweisen, der wärmeübertragend mit dem Hauptverdampfer gekoppelt ist. In diesem Fall ist der Neben-Verdampfer vorzugsweise wärmeübertragend mit der Abgasstrang und/oder dem Kühlkreis gekoppelt. Grundsätzlich sind der Haupt-Verdampfer und der Neben-Verdampfer bevorzugt mit unterschiedlichen Wärmequellen wärmeübertragend gekoppelt.
Durch die Nutzung der Wärme zweier unterschiedlicher Wärmequellen kann die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung und dementsprechend der Brennkraftmaschine bzw. des zugehörigen Kraftfahrzeuges, gesteigert werden. Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der der Neben-Verdampfer für einen Betrieb bei niedrigeren Temperaturen und/oder Drücken ausgelegt ist als der Haupt-Verdampfer. Die Anordnung der Abwärmenutzungsvorrichtung an der Brennkraftmaschine führt insbesondere dazu, dass lediglich ein einzelner Kondensator notwendig ist um sowohl das Arbeitsmedium zu kühlen und somit zu kondensieren, als auch das Kühlmittel des Kühlkreises zu kühlen. Letzteres ist durch die Wärmeübertragung vom Kühlmittel auf das Arbeitsmedium mit Hilfe des Neben-Verdampfers realisiert. Dadurch kann auf einen Kühlkreis-Kondensator zum Abkühlen des Kühlmittels verzichtet werden oder ein solcher Kühlkreis-Kondensator verkleinert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche
Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 und 4 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung einer
Anordnung einer Abwärmenutzungsvorrichtung an einer
Brennkraftmaschine, bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
Die Fig. 1 und 4 zeigen jeweils eine Anordnung 1 einer Abwärmenutzungsvorrichtung 2 an einer Brennkraftmaschine 3. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 weist einen
Abwärmenutzungskreis 4 sowie einen Nebenzweig 5 auf, wobei ein Arbeitsmedium durch den Abwärmenutzungskreis 4 zirkuliert und durch den Nebenzweig 5 strömt. Das
Arbeitsmedium wird von einer Fördereinrichtung 6 angetrieben, die im
Abwärmenutzungskreis 4 angeordnet ist und beispielsweise als Pumpe 6 ausgebildet sein kann. Stromab der Fördereinrichtung 6 sind im Abwärmenutzungskreis 4 ein Haupt- Verdampfer 7 sowie eine Saugstrahlfördereinrichtung 8 angeordnet, wobei sich die Begriffe stromab und stromauf auf eine mit Pfeilen 9 angedeutete Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis 4 bzw. im Nebenzweig 5 beziehen. Ein Expander 10 ist zudem stromab des Haupt-Verdampfers 7 bzw. der
Saugstrahlfördereinrichtung 8 im Abwärmenutzungskreis 4 angeordnet. Stromab des Expanders 10 und stromauf der Fördereinrichtung 6 ist schließlich ein Kondensator 11 angeordnet. Das Arbeitsmedium strömt im Abwärmenutzungskreis 4 folglich angetrieben von der Fördereinrichtung 6 zum Haupt-Verdampfer 7, wo es verdampft und anschließend zum Expander 10 strömt, wo es entspannt wird. Mit dem Expander 10 wird die Wärme zumindest teilweise in Arbeit bzw. in eine andere Energieform gewandelt, zum Beispiel in elektrischer Energie, wenn der Expander 10 einen Generator antreibt. Im Kondensator 11 wird das Arbeitsmedium dann gekühlt und somit kondensiert und strömt schließlich zurück zur Fördereinrichtung 6, um unter Erhöhung des Drucks wieder zum Haupt-Verdampfer 7 gefördert zu werden. Der Nebenzweig 5 der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 weist einen Einlass 12 und einen Auslass 13 auf, um einen Teilstrom des Arbeitsmediums vom Abwärmenutzungskreis 4 abzuzweigen und wieder einen Hauptstrom des
Abwärmenutzungskreises 4 rückzuführen. Die Saugstrahlfördereinrichtung 8 dient hierbei dem Zweck, das Arbeitsmedium im Nebenzweig 5 anzutreiben bzw. anzusaugen. Hierfür weist die Saugstrahlfördereinrichtung 8 einen Treibeingang 14, einen Saugeingang 15 und einen Ausgang 16 auf. Während der Treibeingang 14 und der Ausgang 16 der Saugstrahlfördereinrichtung 8 im Abwärmenutzungskreis 4 angeordnet sind, ist der Auslass 13 des Nebenzweigs 5 an den Saugeingang 15 der Saugstrahlfördereinrichtung 8 angeschlossen. Somit strömt das Arbeitsmedium über den Eingang 12 in den
Nebenzweig 5, wobei es von der Saugstrahlfördereinrichtung 8 angetrieben wird, die als Antriebsmedium den im Abwärmenutzungskreis 4 zirkulierenden Hauptstrom des
Arbeitsmediums verwendet. Ein Neben-Verdampfer 17 zum Verdampfen des
Arbeitsmediums im Nebenzweig 5 ist zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 13 des Nebenzweigs 5 angeordnet. Zudem weist der Nebenzweig 5 ein Druckregelventil 18 auf, das der Regelung des Drucks des Arbeitsmediums im Nebenzweig 5 dient und beispielsweise als Expansionsventil 18' bzw. Thermostatventil 18" ausgebildet sein kann und vorzugsweise stromauf des Neben-Verdampfers 17 angeordnet ist.
Die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 weist somit vier Druckniveaus auf. Ein
Hochdruckniveau 19 des Abwärmenutzungskreises 5 stromab der Fördereinrichtung 6 und stromauf des Treibeinganges 14 der Saugstrahlfördereinrichtung 8. Das sich auf dem Hockdruckniveau 19 befindliche Arbeitsmedium wird, bedingt durch die Nutzung des Arbeitsmediums als Antriebsmedium für den Nebenzweig 5 innerhalb der Saugstrahlfördereinrichtung 8 auf ein Mitteldruckniveau 20 des Abwärmenutzungskreises 5 reduziert, welches stromab des Ausgangs 16 der Saugstrahlfördereinrichtung 8 und stromauf des Expanders 10 herrscht. Die Expansion des Arbeitsmediums durch den Expander 10 reduziert den Druck des Arbeitsmediums auf ein Niederdruckniveau 21 des Abwärmenutzungskreises 5, das zwischen dem Expander 10 und der Fördereinrichtung 6 herrscht. Zudem weist das Arbeitsmedium im Nebenzweig 5 ein insbesondere durch die Saugkraft der Saugstrahlfördereinrichtung 8 und mittels des Druckregelventils 18 bewirktes Nebenzweigdruckniveau 22 auf. Hierbei kann das Nebenzweigdruckniveau 22, beispielsweise abhängig von thermodynamischen Gegebenheiten und Betriebspunkten der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 sowie der Anschluss des Einlasses 12 an den Abwärmenutzungskreis 4 höher oder niedriger liegen als das Niederdruckniveau 21. Jedenfalls ist das Nebenzweigdruckniveau 22 kleiner bzw. niedriger als das
Hochdruckniveau 19 und kleiner als das Mitteldruckniveau 20.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Haupt-Verdampfer 7 des
Abwärmenutzungskreises 4 stromauf der Fördereinrichtung 8 angeordnet. Das
Arbeitsmedium tritt bei diesem Beispiel auf dem Mitteldruckniveau 20 in den Haupt- Verdampfer 7 ein, wobei es zuvor im Nebenzweig 5 zumindest teilweise verdampft und/oder vorgeheizt wurde. Das Arbeitsmedium tritt zudem flüssig durch den
Treibeingang 14 in die Saugstrahlfördereinrichtung 8 ein, so dass die
Saugstrahlfördereinrichtung 8 beispielsweise als Ejektor 23, insbesondere als
Flüssigkeitsstrahlpumpe 24 ausgebildet sein kann. Durch die Saugwirkung der
Saugstrahlfördereinrichtung 8 kann das Arbeitsmedium im Nebenzweig 5 zudem auf einem niedrigerem Druckniveau, nämlich auf dem Nebenzweigdruckniveau 22, verdampfen, so dass der Neben-Verdampfer 17 für niedrigere Drücke ausgelegt sein kann als der Haupt-Verdampfer 7. Ferner kann der Neben-Verdampfer 17 zum
Verdampfen des Arbeitsmediums im Nebenzweig 5 für niedrigere Temperaturen der zu nutzenden Wärme ausgelegt sein als der Haupt-Verdampfer 7.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Haupt-Verdampfer 7 dagegen stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung 8 angeordnet. Der Einlass 12 des Nebenzweigs 5 ist dann zwischen der Fördereinrichtung 6 und dem Haupt-Verdampfer 7 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen, so dass das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Haupt-Verdampfer 7 zumindest teilweise durch den Nebenzweig 5 abgezweigt wird. Das Arbeitsmedium tritt somit auf dem Hochdruckniveau 19 in den Haupt-Verdampfer 7 und gelangt schließlich in zumindest teilweise verdampfter Form zum Treibeingang 14 der Saugstrahlfördereinrichtung 8, die ebenfalls als Ejektor 23, insbesondere als
Dampfstrahlpumpe 25, ausgebildet sein kann.
Die in Fig. 3 gezeigte Abwärmenutzungsvorrichtung 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten darin, dass der Einlass 12 des Nebenzweigs 5 zwischen dem Kondensator 11 und der Fördereinrichtung 6 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen ist.
Während der Einlass 12 beim in Fig. 1 gezeigten Beispiel in einem Bereich mit
Hochdruckniveau 19 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen ist, ist der Einlass 12 der in Fig: 3 gezeigten Ausführungsform in einem Bereich mit Niederdruckniveau 21 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Abwärmenutzungsvorrichtung 2, die sich von der in Fig. 2 gezeigten Variante darin unterscheidet, dass der Einlass 12 des
Nebenzweigs stromab des Kondensators 11 und stromauf der Fördereinrichtung 6 und folglich im Bereich auf Niederdruckniveau 21 an den Abwärmenutzungskreis 4
angeschlossen ist. Ferner weist die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 eine
Arbeitsmediumsammeleinrichtung 28 auf, die im Nebenzweig 5 im inneren des Neben- Verdampfers 17 angeordnet ist bzw. als Teil des Nebenverdampfers 17 ausgebildet ist. Hierzu weist der Neben-Verdampfer 17 bevorzugt ein im Vergleich zu den anderen Komponenten überproportional großes Neben-Verdampfer-Innenvolumenauf. Die
Arbeitsmediumsammeleinrichtung 28 dient dem Zweck, das Arbeitsmedium in der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 bei Bedarf zu speichern und der
Abwärmenutzungsvorrichtung 2 wieder rückzuführen, um insbesondere
Massenverschiebungen des Arbeitsmediums zwischen der Dampfphase und der
Flüssigkeitsphase auszugleichen, welche insbesondere bei transienten Betriebspunkten auftreten.
Die Fördereinrichtung 6, das Druckregelventil 18, insbesondere das Expansionsventil 18', sowie die Arbeitsmediumsammeleinrichtung 28 sind bevorzugt regelbar bzw. steuerbar. Entsprechend kann eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein, welche diese Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 regelt bzw. steuert. Bei den jeweiligen gezeigten Anordnungen 1 weist die Brennkraftmaschine 2 einen Abgasstrang 26 auf, welcher der Abführung eines Abgases der Brennkraftmaschine 3 dient. Das Abgas führt dabei eine Wärme mit, die vom Haupt-Verdampfer 7 zum
Verdampfen des Arbeitsmediums genutzt wird. Dementsprechend ist der Haupt- Verdampfer 7 bei den gezeigten Ausführungsformen wärmeübertragend mit dem
Abgasstrang 26 gekoppelt. Weiter umfasst die Brennkraftmaschine 3 einen Kühlkreis 27, zum Kühlen der Brennkraftmaschine. Hierzu strömt im Kühlkreis 27 üblicherweise ein Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, welches Wärme der Brennkraftmaschine aufnimmt. Das Kühlmittel weist zudem in der Regel eine niedrigere Temperatur auf als das Abgas. Der Kühlkreis 27 ist ferner wärmeübertragend mit dem Neben-Verdampfer 17 gekoppelt, so dass der Neben-Verdampfer 17 die Wärme des Kühlmittels dazu nutzt, das Arbeitsmedium im Nebenzweig 5 zumindest teilweise zu verdampfen oder vorzuheizen. Somit wird sowohl die im Kühlmittel gespeicherte Wärme als auch die im Abgas gespeicherte Wärme durch eine einzelne Abwärmenutzungsvorrichtung 2 genutzt, durch welche lediglich ein einziges Arbeitsmedium strömt. Das im Nebenzweig 5 vorgeheizte bzw. zumindest teilweise verdampfte Arbeitsmedium steigert dabei den Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Abwärmenutzungsvorrichtung 2, insbesondere bei einer Anordnung des Haupt-Verdampfers 7 stromab der Saugstrahlfördereinrichtung 8 im
Abwärmenutzungskreis 4.
Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine 3 einen Abgasrückführungsstrang 29 aufweisen, der, wie in der Fig. 1 gezeigt, wärmeübertragend mit dem Haupt- Verdampfer 7 gekoppelt ist. Der Abgasrückführungsstrang 29 führt das von der
Brennkraftmaschine 3 erzeugte Abgas teilweise zur Brennkraftmaschine 3 zurück, um beispielsweise den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 3 zu reduzieren, wobei der Abgasstrang 26 und der Abgasrückführungsstrang 29 teilweise zusammenfallen können.

Claims

Patentansprüche
1. Abwärmenutzungsvorrichtung (2) eines Kraftfahrzeuges, mit
- einem Abwärmenutzungskreis (4), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert,
- einer im Abwärmenutzungskreis (4) angeordneten Fördereinrichtung (6) zum Antreiben des Arbeitsmediums,
- einem im Abwärmenutzungskreis (4) stromab der Fördereinrichtung (6)
angeordneten Haupt-Verdampfer (7) zum Verdampfen eines Hauptstroms des Arbeitsmediums,
- einem im Abwärmenutzungskreis (4) stromab des Haupt-Verdampfers (7) angeordneten Expander (10) mittels dem die Abwärme zumindest teilweise in mechanische und/oder elektrische Energie umwandelbar ist,
- einem im Abwärmenutzungskreis (4) stromab des Expanders (10) angeordneten Kondensator (11) zum Kondensieren des Arbeitsmediums,
- einem Nebenzweig (5), der von einem Teilstrom des Arbeitsmediums
durchströmbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- im Abwärmenutzungskreis (4) stromab der Fördereinrichtung (6) und stromauf des Expanders (10) eine Saugstrahlfördereinrichtung (8) angeordnet ist, die mit einem Treibeingang (14) und einem Ausgang (16) in den Abwärmenutzungskreis (4) eingebunden ist,
- ein Einlass (12) des Nebenzweigs (5) zum Abzweigen des Teilstroms stromab des Kondensators (11 ) und stromauf der Saugstrahlfördereinrichtung (8) an den Abwärmenutzungskreis (4) angeschlossen ist,
- ein Auslass (13) des Nebenzweigs (5) zum Rückführen des Teilstroms an einem Saugeingang (14) der Saugstrahlfördereinrichtung (8) angeschlossen ist,
- ein Neben-Verdampfer (17) zum Verdampfen des Teilstroms des
Arbeitsmediums im Nebenzweig (5) angeordnet ist.
2. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Einlass (12) des Nebenzweigs (5) und dem Neben-Verdampfer (17) ein Druckregelventil (18) zum Einstellen eines Drucks im Nebenzweig (5) stromab des Neben-Verdampfers (17) angeordnet ist.
3. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Saugstrahlfördereinrichtung (8) als ein Ejektor (23), insbesondere als eine Dampfstrahlpumpe (25) oder eine Flüssigkeitsstrahlpumpe (24), ausgebildet ist.
4. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Saugstrahlfördereinrichtung (8), insbesondere der Ejektor (23), regelbar ist.
5. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Saugstrahlfördereinrichtung (8), insbesondere der Ejektor (23), mehrstufig ausgebildet ist.
6. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Druckregelventil (18) regelbar ist und insbesondere als Expansionsventil (18') ausgestaltet ist.
7. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Druckregelventil (18) als Thermostatventil (18") ausgestaltet ist.
8. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Neben-Verdampfer (17) in seinem Inneren ein von Arbeitsmedium
durchströmtes Neben-Verdampfer-Innenvolumen aufweist, das überproportional größer ist als ein entsprechendes Innenvolumen des Haupt-Verdampfers (7) und/oder des Kondensators (11 ) und/oder des Expanders (10).
9. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abwärmenutzungsvorrichtung (2) eine Arbeitsmediumsammeleinrichtung (28) aufweist, die insbesondere am Neben-Verdampfer (17) angeordnet ist oder integraler Bestandteil des Neben-Verdampfers (17) ist.
10. Anordnung (1 ) einer Abwärmenutzungsvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche an einer Brennkraftmaschine (3), mit einem Abgasstrang (26) und einem Kühlkreis (27), wobei die Brennkraftmaschine (3) wärmeübertragend mit der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) gekoppelt ist, wobei vorgesehen sein kann,
- der Haupt-Verdampfer (7) wärmeübertragend mit dem Abgasstrang (26)
und/oder einem Abgasrückführungsstrang (29) der Brennkraftmaschine (3) gekoppelt ist, und/oder
- dass der Neben-Verdampfer (17) wärmeübertragend mit dem Kühlkreis (27) und/oder dem Abgasstrang (26) der Brennkraftmaschine (3) gekoppelt ist.
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