WO2018011119A1 - Abwärmerückgewinnungssystem - Google Patents

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WO2018011119A1
WO2018011119A1 PCT/EP2017/067213 EP2017067213W WO2018011119A1 WO 2018011119 A1 WO2018011119 A1 WO 2018011119A1 EP 2017067213 W EP2017067213 W EP 2017067213W WO 2018011119 A1 WO2018011119 A1 WO 2018011119A1
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recovery system
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Ralph FUNG
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Robert Bosch Gmbh
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    • F16N15/00—Lubrication with substances other than oil or grease; Lubrication characterised by the use of particular lubricants in particular apparatus or conditions
    • F16N15/02—Lubrication with substances other than oil or grease; Lubrication characterised by the use of particular lubricants in particular apparatus or conditions with graphite or graphite-containing compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M7/00—Solid or semi-solid compositions essentially based on lubricating components other than mineral lubricating oils or fatty oils and their use as lubricants; Use as lubricants of single solid or semi-solid substances
    • 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
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    • 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
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    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
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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
    • 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 recovery system for an internal combustion engine.
  • Waste heat recovery systems for thermal energy recovery from the exhaust gases of an internal combustion engine are known from the prior art, for example from DE 10 2010 042 405 A1.
  • the known waste heat recovery system has a leading a working fluid circuit.
  • the circuit includes in the flow direction of the
  • Working fluid a feed fluid pump, an evaporator, a
  • Waste heat recovery system not yet optimized. This particularly affects the two components feed fluid pump and expansion machine.
  • a lubricant with graphite and / or molybdenum disulfide in contrast, a lubricant with graphite and / or molybdenum disulfide. This ensures on the one hand excellent tribological properties, in particular a minimization of friction of contacting components. On the other hand, this lubricant has a very high
  • the lubricant is very temperature resistant, be
  • the lubricant does not volatilize and it is not decomposed by the working medium.
  • the lubricant can also be present in a suspension. Particularly effective is the use of such a lubricant in the
  • Working media cyclopentane or ethanol. These working media are very well suited to the use of waste heat recovery systems
  • components of the waste heat recovery system can be wetted in the assembly with such a lubricant, so that the lubricant mixes in operation with the working fluid.
  • a lubricant reservoir for receiving such lubricants may be coupled to the cycle of the waste heat recovery system.
  • the waste heat recovery system then has a circuit carrying a working medium.
  • the circuit includes in the flow direction of the
  • Working fluid a feed fluid pump, an evaporator, a
  • Lubricant container coupled to the circuit, preferably by means of a feed valve.
  • the lubricant can be added to the working medium as needed.
  • the lubricant container can also be flowed through by the working medium.
  • the lubricant container can even be checked or refilled during maintenance intervals.
  • the lubricant reservoir or the feed valve is arranged between the condenser and the feed fluid pump.
  • the invention can be arranged in the circuit after the component to be lubricated - advantageously feed fluid pump and / or expansion machine - a separator. This allows the lubricant to be separated again from the working medium and does not have to be transported through the entire cycle.
  • Fig. 1 shows schematically a waste heat recovery system
  • Fig.l shows a waste heat recovery system 100 of an internal combustion engine 110.
  • the internal combustion engine 110 is supplied with oxygen via an air supply 112; the exhaust gas discharged after the combustion process is discharged from the engine 110 through an exhaust pipe 111.
  • the waste heat recovery system 100 comprises a working medium leading circuit 100a, which includes a feed fluid pump 102, an evaporator 103, an expansion machine 104 and a condenser 105 in the flow direction of the working medium.
  • the working medium can be fed as needed via a branch line from a sump 101 and a valve unit 101a in the circuit 100a.
  • the collecting container 101 may alternatively be incorporated into the circuit 100a.
  • the evaporator 103 is connected to the exhaust pipe 111 of the internal combustion engine 110, thus uses the heat energy of the exhaust gas of the
  • a lubricant reservoir 10 is coupled via a feed valve 20 to the circuit 100a.
  • the coupling takes place in the embodiment of FIG. 1 between the valve unit 101a and the feed fluid pump 102, however, can be arranged in alternative embodiments at arbitrary locations of the circuit 100a.
  • a separator 23 is arranged in the circuit 100a downstream of the feed fluid pump 102. Lubricant can be separated from the working fluid after the feed fluid pump 102 and back into the
  • Lubricant container 10 is guided or fed to the feed valve 20.
  • the lubricant can be used specifically for individual components of the circuit.
  • a second supply valve 30 is arranged between the evaporator 103 and the expansion machine 104 in the circuit and connected to the lubricant container 10, so that lubricant can be supplied to the working medium before the expansion machine 104.
  • a second separator 35 may be arranged in the circuit 100 a to the lubricant again from the
  • the operation of the waste heat recovery system 100 is as follows:
  • Liquid working medium is conveyed by the feed fluid pump 102, possibly from the collecting container 101, into the evaporator 103 and vaporized there by the heat energy of the exhaust gas of the internal combustion engine 110.
  • the vaporized working medium is subsequently expanded in the expansion machine 104 with release of mechanical energy, for example to a generator, not shown, or to a transmission, not shown. Subsequently, the working medium in the condenser 105 is liquefied again and in the
  • Sump 101 returned or fed to the feed fluid pump 102.
  • the feed valve 20, 30 is switched so that lubricant is supplied from the lubricant reservoir 10 to the working fluid in the circuit 100a.
  • the lubricant can be lubricated according to the respective
  • Components - usually feed fluid pump 102 and expander 104 - are again separated from the working medium by a separator 23, 35.
  • the lubricant comprises graphite and / or molybdenum disulfide. This results in a kind of dry lubrication of the
  • Exhaust heat recovery system 100 used components, especially the feed fluid pump 102 and the expansion machine 104.
  • the lubricant can also be present in a suspension, so that there is a better mixing of lubricant and working fluid.
  • Lubricants graphite and / or molybdenum disulfide are:
  • Components in particular feed fluid pump 102 and expansion machine 104, applied and mixed in operation with the working fluid.

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Abstract

Abwärmerückgewinnungssystem (100) einer Brennkraftmaschine mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a). Der Kreislauf (100a) umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105). An den Kreislauf (100a) ist ein Schmierstoffbehälter (10) zur Aufnahme eines Schmierstoffs gekoppelt. Vorzugsweise enthält der Schmierstoff Graphit und/oder Molybdändisulfid.

Description

Beschreibung
Titel
Abwärmerückgewinnungssvstem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Abwärmerückgewinnungssysteme zur thermischen Energierückgewinnung aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2010 042 405 A1.
Das bekannte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des
Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine
Expansionsmaschine und einen Kondensator.
Bislang ist die Reibungsminimierung der bewegten Bauteile des
Abwärmerückgewinnungssystems noch nicht optimiert. Davon sind insbesondere die beiden Komponenten Speisefluidpumpe und Expansionsmaschine betroffen. Die üblicherweise besonders aggressiven Arbeitsmedien der Kreisläufe lassen oft einen Zusatz von herkömmlichen Schmiermitteln nicht zu, da Öle und Fette dieser Schmiermittel durch das Arbeitsmedium gelöst werden würden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem verwendet
demgegenüber einen Schmierstoff mit Graphit und/oder Molybdändisulfid. Dadurch werden zum einen hervorragende tribologische Eigenschaften gewährleistet, insbesondere eine Reibwertminimierung von kontaktierenden Bauteilen. Zum anderen weist dieser Schmierstoff eine sehr hohe
Lebenserwartung auf. Der Schmierstoff ist sehr temperaturbeständig, sein
Verhalten ist weitestgehend unabhängig von der Temperatur, der Schmierstoff verflüchtigt sich nicht und er wird nicht vom Arbeitsmedium zersetzt. Der Schmierstoff kann dabei auch in einer Suspension vorliegen. Besonders wirkungsvoll ist der Einsatz eines derartigen Schmierstoffs bei den
Arbeitsmedien Cyclopentan oder Ethanol. Diese Arbeitsmedien eignen sich sehr gut für den Einsatz von Abwärmerückgewinnungssystemen mit
Expansionsmaschinen, sind aber vergleichsweise aggressiv gegenüber herkömmlichen Schmiermitteln.
Erfindungsgemäß können Bauteile des Abwärmerückgewinnungssystems in der Montage mit einem solchen Schmierstoff benetzt werden, damit sich der Schmierstoff im Betrieb mit dem Arbeitsmedium vermischt. Alternativ kann auch ein Schmierstoffbehälter zur Aufnahme derartiger Schmierstoffe an den Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems gekoppelt sein.
Das Abwärmerückgewinnungssystem weist dann einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des
Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine
Expansionsmaschine und einen Kondensator. Erfindungsgemäß ist der
Schmierstoffbehälter an den Kreislauf gekoppelt, vorzugsweise mittels eines Zuführventils. Dadurch kann der Schmierstoff bedarfsweise dem Arbeitsmedium zugegeben werden. Alternativ kann der Schmierstoffbehälter auch von dem Arbeitsmedium durchströmt werden. Dadurch kann der Schmierstoffbehälter sogar bei Wartungsintervallen kontrolliert bzw. nachgefüllt werden.
Vorteilhafterweise ist der Schmierstoffbehälter bzw. das Zuführventil zwischen dem Kondensator und der Speisefluidpumpe angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form vorliegt; eine effektive Durchmischung mit dem Schmierstoff ist somit möglich. In Weiterbildung der Erfindung kann nach der zu schmierenden Komponente - vorteilhafterweise Speisefluidpumpe und/oder Expansionsmaschine - ein Abscheider in dem Kreislauf angeordnet sein. Dadurch kann der Schmierstoff wieder aus dem Arbeitsmedium abgeschieden werden und muss nicht durch den gesamten Kreislauf transportiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem einer
Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig.l zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Der Brennkraftmaschine 110 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 112 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 111 aus der Brennkraftmaschine 110 abgeführt.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 101 und eine Ventileinheit 101a in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.
Der Verdampfer 103 ist an die Abgasleitung 111 der Brennkraftmaschine 110 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der
Brennkraftmaschine 110. Erfindungsgemäß ist ein Schmierstoffbehälter 10 über ein Zuführventil 20 an den Kreislauf 100a gekoppelt. Die Ankopplung erfolgt in der Ausführung der Fig.l dabei zwischen der Ventileinheit 101a und der Speisefluidpumpe 102, kann jedoch in alternativen Ausführungen an beliebigen Stellen des Kreislaufs 100a angeordnet sein.
Optional ist nach der Speisefluidpumpe 102 ein Abscheider 23 in dem Kreislauf 100a angeordnet. Schmierstoff kann dadurch nach der Speisefluidpumpe 102 wieder aus dem Arbeitsmedium abgeschieden und zurück in den
Schmierstoffbehälter 10 geführt bzw. dem Zuführventil 20 zugeführt werden. Dadurch kann der Schmierstoff gezielt für einzelne Komponenten des Kreislaufs eingesetzt werden.
Als weitere Möglichkeit ist ein zweites Zuführventil 30 zwischen dem Verdampfer 103 und der Expansionsmaschine 104 in dem Kreislauf angeordnet und mit dem Schmierstoffbehälter 10 verbunden, so dass dem Arbeitsmedium Schmierstoff vor der Expansionsmaschine 104 zugeführt werden kann. Auch hier kann optional nach der Expansionsmaschine 104 ein zweiter Abscheider 35 in dem Kreislauf 100a angeordnet sein, um den Schmierstoff wieder aus dem
Arbeitsmedium abzuscheiden und dem Schmierstoff behälter 10 oder dem zweiten Zuführventil 30 zurückzuführen.
Die Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems 100 ist wie folgt:
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 102, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 101, in den Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den
Sammelbehälter 101 zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe 102 zugeführt.
Bei Bedarf wird das Zuführventil 20, 30 so geschaltet, dass dem Arbeitsmedium im Kreislauf 100a Schmierstoff aus dem Schmierstoffbehälter 10 zugeführt wird. Optional kann der Schmierstoff nach den jeweiligen zu schmierenden
Komponenten - üblicherweise Speisefluidpumpe 102 und Expansionsmaschine 104 - wieder aus dem Arbeitsmedium durch einen Abscheider 23, 35 abgeschieden werden.
Vorzugsweise umfasst der Schmierstoff Graphit und/oder Molybdändisulfid. Dadurch ergibt sich eine Art Trockenschmierung der im
Abwärmerückgewinnungssystem 100 verwendeten Komponenten, speziell der Speisefluidpumpe 102 und der Expansionsmaschine 104. Der Schmierstoff kann dabei auch immer in einer Suspension vorliegen, so dass sich eine bessere Durchmischung von Schmierstoff und Arbeitsmedium ergibt.
Der Vorteil der Trockenschmierung bzw. der Suspension ist dabei, dass das aggressive Arbeitsmedium des Kreislaufs 100a die Fette und Öle alternativer Schmiermittel lösen würde, die so ihre Schmiereigenschaften verlieren würden. Konkrete Vorteile der Trockenschmierung bzw. der Suspension mit den
Schmierstoffen Graphit und/oder Molybdändisulfid sind:
Kein Auflösen eines alternativen Schmiermittels durch das Arbeitsmedium des Kreislaufs (beispielsweise Cyclopentan oder Ethanol).
Hohe Temperaturbeständigkeit des Schmierstoffs. (Beispielsweise ist Graphit bis ca. 2500°C fest, bei höheren Temperaturen plastisch.)
Kein Verflüchtigen oder Zersetzen des Schmierstoffs.
Kein Nachlassen der Schmierwirkung über die Lebensdauer.
Die Leckageverluste an Dichtstellen werden durch den Schmierstoff verringert.
- Kein Eintrocknen und Verkrusten des Schmierstoffs und damit verbunden auch keine Beschädigung der Komponenten beim Ablösen einer
Verkrustung.
Wartungsfreiheit des Abwärmerückgewinnungssystems 100.
Betriebssicherheit der beweglichen Bauteile durch sehr niedrige Reibwerte und geringe Reibwertstreuung.
Definiertes Schmierverhalten des Arbeitsmediums.
Kein Klebeeffekt zwischen mit Schmiermitteln benetzten Bauteilen in der
Montage des Abwärmerückgewinnungssystems 100.
Stick-Slip- Effekte innerhalb der Komponenten werden verhindert.
- Die tribologischen Eigenschaften, insbesondere die Reibwerte zwischen einzelnen Bauteilen, sind nahezu unabhängig von der Temperatur. In einer alternativen Ausführung der Erfindung weist das
Abwärmerückgewinnungssystem 100 keinen Schmierstoffbehälter 10 und demzufolge auch kein Zuführventil 20 auf. Anstelle dessen werden die
Komponenten des Abwärmerückgewinnungssystems 100 an Bereichen, welche später im Betrieb mit dem Arbeitsmedium in Berührung kommen, mit dem Schmierstoff benetzt. Der Schmierstoff wird so in der Montage auf die
Komponenten, insbesondere Speisefluidpumpe 102 und Expansionsmaschine 104, aufgebracht und im Betrieb mit dem Arbeitsmedium vermischt.

Claims

Ansprüche
1. Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, wobei das Arbeitsmedium einen Schmierstoff aufweist dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmierstoff Graphit und/oder Molybdändisulfid enthält.
2. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsmedium Cyclopentan oder Ethanol ist.
3. Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Schmierstoffbehälter (10) zur Aufnahme eines Schmierstoffs an den Kreislauf (100a) gekoppelt ist.
4. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmierstoffbehälter (10) mittels eines Zuführventils (20) an den Kreislauf (100a) gekoppelt ist.
5. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zuführventil (20) zwischen dem Kondensator (105) und der Speisefluidpumpe (102) angeordnet ist.
6. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
nach der Speisefluidpumpe (102) ein Abscheider (23) zum Abscheiden des Schmierstoffs aus dem Arbeitsmedium in dem Kreislauf (100a) angeordnet ist.
7. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zuführventil (20) zwischen dem Verdampfer (103) und der
Expansionsmaschine (104) angeordnet ist.
8. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 7
dadurch gekennzeichnet, dass
nach der Expansionsmaschine (104) ein Abscheider (35) zum
Abscheiden des Schmierstoffs aus dem Arbeitsmedium in dem Kreislauf (100a) angeordnet ist.
9. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmierstoff Graphit und/oder Molybdändisulfid enthält.
10. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsmedium Cyclopentan oder Ethanol ist.
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