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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftmaschine in einem Kraftfahrzeug.
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Eine Wärmekraftmaschine in einem Kraftfahrzeug ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift
EP 1 573194 B1 bekannt. Dabei wird grundsätzlich von einer Wärmekraftmaschine ausgegangen, die nach dem Rankine-Prozess arbeitet. Eine derartige Wärmekraftmaschine wandelt Heißdampf eines Arbeitsmediums mittels einer Entspannungseinrichtung in Bewegungsenergie um, die beispielsweise zur Leistungssteigerung oder Kraftstoffreduzierung in den Abtrieb der Brennkraftmaschine koppelbar ist. Die Wärmekraftmaschine verfügt hierfür über einen Hochtemperaturkreis und einen Niedertemperaturkreis. Im Niedertemperaturkreis wird die Wärmeenergie des Kühlmittels der Brennkraftmaschine mittels eines vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine durchströmten Behälters in Form eines Wärmetauschers auf das Arbeitsmedium übertragen. Zur Förderung des Arbeitsmediums ist eine Pumpe vorgesehen. Im Hochtemperaturkreislauf wird das Arbeitsmedium durch einen weiteren Wärmetauscher gefördert, der im heißen Abgas der Brennkraftmaschine (Abgaswärmetauscher) angeordnet ist. Der so erzeugte Heißdampf aus dem Arbeitsmedium wird anschließend einer Entspannungsvorrichtung zugeführt. In der Entspannungseinrichtung wird die im Heißdampf gespeicherte Energie üblicherweise mittels Lavaldüsen in kinetische Energie und anschließend in einem Laufrad einer Turbine in mechanische Bewegungsenergie umgewandelt. Anschließend wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator, der dem oben genannten Behälter in Form eines Wärmetauschers entsprechen kann, verflüssigt und wieder dem Niedertemperatur- und dem Hochtemperaturkreislauf zugeführt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine adaptive Wärmekraftmaschine in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, die an dynamisch bedingte unterschiedliche Rahmenbedingungen anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Erfindung liegen folgende Überlegungen, Erkenntnisse und Ideen zugrunde:
Bei der Abwärmenutzung mittels des Rankine-Prozesses nach dem oben genannten Stand der Technik wird also dem Verbrennungsmotor ein System bestehend aus den Komponenten Arbeitsmedium-Speisepumpe, Abgas- und Kühlmittelwärmetauscher, Expansionsmaschine (Entspannungseinrichtung) und Kondensator nachgeschaltet. Die Speisepumpe setzt ein Arbeitsmedium unter Druck, das unter Verwendung der Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmt, verdampft und überhitzt wird. Der Dampf wird in einer Turbine entspannt und erzeugt so mechanische Leistung. Nach Durchströmen der Entspannungseinrichtung wird das Arbeitsmedium auf niedrigem Druckniveau unter Wärmeabgabe im Kondensator verflüssigt und anschließend wieder von der Speisepumpe angesaugt.
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Bei den im Fahrzeug verhältnismäßig geringen Dampfleistungen und Dampfmassenströmen des Arbeitsmediums werden bevorzugt Gleichdruckturbinen als Entspannungseinrichtungen eingesetzt. Bei Verwendung einer Gleichdruckturbine wird der Frischdampf zunächst über eine Anordnung von Lavaldüsen entspannt, wodurch die zuvor im Druck gespeicherte Energie in Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt wird. Die Strömung trifft nach Austritt aus den Lavaldüsen auf das Laufrad der Turbine. Dort wird sie abgebremst und erzeugt somit ein Drehmoment. Die vom Abwärmenutzungssystem aufgenommene Wärme hängt stark vom aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors ab und ist im PKW variabel in einem weiten Bereich (z. B. von 1 kW bis mehrere 100 kW).
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Der im Verdampfer erzeugte und in die Turbine einströmende Dampfmassenstrom ist proportional zur aufgenommenen Wärmeleistung. Ist der Strömungsquerschnitt der in die Turbine führenden Lavaldüsen konstant, führt dies zu einer Variation des Dampfdrucks und damit auch der Verdampfungstemperatur im Wärmetauscher proportional zum Dampfmassenstrom und damit zur Motorleistung. Die Verdampfungstemperatur ist eine wichtige Größe zur optimalen Anpassung des Rankine-Prozesses an die Parameter der Wärmequelle und sollte daher möglichst regelbar sein. Optimal bedeutet in diesem Fall, dass das Produkt aus Ausnutzung der Wärmequelle (sinkt im Allgemeinen mit steigendem Druck) und Prozesswirkungsgrad (steigt im Allgemeinen mit steigendem Druck) ein Maximum annimmt. Weiterhin würde ein unkontrolliertes Ansteigen des Drucks bei hohen Wärmeleistungen zur Beschädigung der Komponenten des Abwärmenutzungssystems führen.
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Die aufgezeigten Nachteile des Stands der Technik werden erfindungsgemäß durch die Aufteilung des Einströmquerschnitts (= Strömungsquerschnitts) der Turbine auf mehrere schaltbare Einzeldüsen umgangen. Die Düsen – insbesondere Lavaldüsen – weisen dabei vorzugsweise eine Abstufung von Querschnitten auf. Durch Öffnen und Schließen einzelner bzw. einer Kombination von Düsen kann der Dampfdruck so innerhalb eines vorher festgelegten Bereichs gehalten werden. Anstelle von Lavaldüsen kann für die Erfindung jedoch auch eine andere in Stufen schaltbare Zuströmvorrichtung verwendet werden.
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Zur Druckregelung wird folgende Schaltlogik befolgt:
Es wird ein Solldruck vorgegeben, der den Rankine-Prozess optimal (Definition siehe oben) an die Wärmequelle anpasst. Zusätzlich werden zulässige Abweichungen des Drucks nach oben und nach unten vom gewünschten optimalen Druck festgelegt (z. B. 7 bar +/– 1 bar). Steigt der gemessene Druck bis über die so definierte obere Druckgrenze an, wird der Strömungsquerschnitt der Zuströmvorrichtung – insbesondere durch Schalten der nächstgrößeren Düse bzw. Kombination von Düsen – vergrößert. Sinkt der Druck entsprechend unter die untere Druckgrenze, wird der Strömungsquerschnitt der Zuströmvorrichtung verkleinert – insbesondere wird auf die nächstkleinere Düse umgeschaltet bzw. die Kombination von Düsen mit dem nächstkleineren Querschnitt gewählt.
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Da der Systemdruck abhängig vom Dampfspeichervolumen erst nach einer Verzögerungszeit auf den Wechsel des Düsenquerschnitts reagiert und bis dahin noch weiter ansteigen bzw. abfallen kann, wird eine definierte Zeitspanne (die auch 0 s sein kann) lang gewartet, bis der nächste Schaltvorgang freigegeben wird.
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Da der Systemdruck abhängig vom Systemvolumen erst nach einer Verzögerungszeit auf den Wechsel des Düsenquerschnitts reagiert und bis dahin noch weiter ansteigen bzw. abfallen kann, werden die obere und die untere Druckgrenze zum Verhindern von unnötigen schnell aufeinander folgenden Umschaltvorgängen, die das System instabil machen können, nach einem Schaltvorgang für eine definierte Zeit lang (die auch 0 s sein kann) weiter nach oben bzw. nach unten verschoben. Der zulässige Druckbereich erweitert sich temporär und eine weitere Umschaltung erfolgt nur, wenn der Druck stetig weiter ansteigt.
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Bei der Umschaltung zwischen verschiedenen Strömungsquerschnitten in die Turbine werden Druckänderungen im System hervorgerufen, die negative Auswirkungen auf die Stabilität des Verdampfungsprozesses im Verdampfer haben können. Bei einem schnellen Druckabfall im Wärmetauscher fällt auch die Dampftemperatur am Austritt schnell ab. Dies birgt die Gefahr in sich, dass der Dampf teilweise kondensiert und Tröpfchen in die Turbine gelangen und diese beschädigen. Im umgekehrten Fall einer schnellen Druckerhöhung erfolgt eine Erhöhung der Dampftemperatur, die die Beschädigung der Systemkomponenten zur Folge haben kann. Die Größe der Temperaturabweichung hängt im Wesentlichen von der Geschwindigkeit der Druckänderung ab, wobei schnellere Druckänderungen größere Temperaturabweichungen hervorrufen. Die Geschwindigkeit der Druckänderung ist im Wesentlichen von der Größe des Dampfvolumens im Verdampfer und in der Dampfleitung zwischen Verdampfer und Expansionsmaschine abhängig. Dadurch ist das beschriebene Verhalten insbesondere bei mobilen Abwärmenutzungssystemen von Bedeutung, wo geringe Systemvolumina aufgrund von Bauraumbeschränkungen angestrebt werden und somit schnelle Druckänderungen begünstigt werden. Ein für die Regelung der Dampfaustrittstemperatur aus dem Verdampfer auf Basis des Speisemassenstroms und der vom Verbrennungsmotor eingetragenen Wärme ausgelegter Regelkreis weist im Allgemeinen eine zu langsame Reaktionsgeschwindigkeit und zu geringe Verstärkung auf, um die dargestellten Temperaturabweichungen bei Druckänderungen abfangen zu können.
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Vorzugsweise wird daher in einer Weiterbildung der Erfindung zusätzlich eine Steuerungsfunktion vorgeschlagen, die bei Änderung des Strömungsquerschnitts der Turbine einen Massenstromverlauf für die Speisepumpe vorgibt, der dazu führt, dass durch die Druckänderung keine Temperaturabweichung entsteht. Auslöser für die Ausgabe des Massenstroms ist dabei vorzugsweise nicht der Druckverlauf im System, sondern das an die Düsenumschaltung ausgegebene Schaltsignal. Auf diese Weise kann zum frühestmöglichen Zeitpunkt auf eine Düsenumschaltung reagiert werden.
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Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen kann eine Druckregelung für ein Abwärmenutzungssystem mit Gleichdruckturbine als Expansionsmaschine realisiert werden, obwohl dieses bei der Anwendung im Fahrzeug stark variierenden Wärmeeinträgen und somit stark variierenden Dampfmassenströmen ausgesetzt ist.
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Durch Wartezeiten und kurzzeitige Erweiterung des zulässigen Druckbands nach erfolgter Düsenumschaltung werden unnötig schnell aufeinanderfolgende Umschaltungen, die das System instabil machen können, wirksam vermieden.
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Mit der zusätzlichen Weiterbildung können Schwankungen der Dampftemperatur bei der Umschaltung von Zuströmdüsen zur Turbine vermieden werden. Dadurch werden die Bildung von Tröpfchen und der zu starke Temperaturanstieg am Austritt des Verdampfers verhindert.
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Beschädigungen an Verdampfer und Turbine werden vermieden und deren Lebensdauer verlängert.
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Gleichzeitig können die Dampfvolumina, die als Puffer dienen, bei der Konstruktion des Systems gering gehalten werden, was zu verringerten Wärmeverlusten, schnellerer Aufheizung nach einem Kaltstart, geringerem Gewicht, geringerem Bauraumbedarf und verringerten Kosten führt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung und eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
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1 einen schematischen Gesamt-Systemaufbau einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine,
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2 einen schematischen Teil-Systemaufbau einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit seinen wesentlichen Komponenten.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine als Abwärmenutzungssystem gemäß 1, durch die heißer Dampf eines Arbeitsmediums mit der Dampftemperatur T mittels einer Entspannungseinrichtung 11 in Bewegungsenergie umgewandelt wird, besteht im Wesentlichen aus einem Arbeitsmediumkreislauf, in dem das Arbeitsmedium aus einem Behälter 4 von einer Speisepumpe 9 durch einen Abgaswärmetauscher 5 und anschließend durch die Entspannungseinrichtung 11 zurück in den Behälter 4 gefördert wird.
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Der Behälter 4 ist vorzugsweise ein vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine 1 thermisch beaufschlagter Kondensator. Das Arbeitsmedium wird nach dem Ausströmen aus der Entspannungseinrichtung 11 im Behälter 4 durch das Kühlmittel des Kühlsystems 3 der Brennkraftmaschine 1 gekühlt. Weitere Pumpen 8 und 10 sind für die Förderung des Kühlmittels vorgesehen.
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Der Abgaswärmetauscher 5 ist vorzugsweise stromabwärts eines gegebenenfalls vorhandenen Turboladers und/oder Katalysators und/oder weiterer Komponenten zur Abgasnachbehandlung in die Abgashauptleitung 2 der Brennkraftmaschine 1 eingefügt. Vorzugsweise können eine Abgasbypassleitung 6 und ein steuerbares Stellglied 7 vorgesehen sein, wodurch das Abgas eines Verbrennungsmotors 1 optional unter zumindest teilweiser Umgehung des Abgaswärmetauschers 5 ableitbar ist (gestrichelt dargestellt).
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Die Speisepumpe 9 setzt das Arbeitsmedium des Rankine-Prozesses unter Druck (Systemdruck p) und fördert es im Kreis zunächst durch den Verdampfer 14 des Abgaswärmetauschers 5, in dem die Vorerwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums stattfindet. Der Abgaswärmetauscher 5 wird in der Fachliteratur daher auch nur als Verdampfer bezeichnet. Die anschließende Expansion des Arbeitsmediums erfolgt in der Entspannungseinrichtung 11. Die Entspannungseinrichtung 11 besteht aus einer Gleichdruckturbine mit einer Zuströmvorrichtung 11a, insbesondere mehreren einzeln und kombiniert schaltbaren Lavaldüsen, und einem Turbinenlaufrad 11b. In der Gleichdruckturbine wird der Heißdampf des Arbeitsmediums zunächst über eine Anordnung von ein oder mehreren Zuströmdüsen (z. B. Lavaldüsen) entspannt, wodurch die zuvor im Systemdruck p gespeicherte Energie in Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt wird. Die Strömung trifft nach Austritt aus den Lavaldüsen auf das Turbinenlaufrad 11b. Dort wird sie abgebremst, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird. Die Entspannungseinrichtung 11 treibt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Generator 12 zur Erzeugung von elektrischer Leistung LG an.
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Die Aktuatoren der Wärmekraftmaschine sind durch ein elektronisches Steuergerät 13, das beispielsweise das ohnehin üblicherweise vorhandene Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 1 sein kann, steuerbar. Das Steuergerät 13 erhält vorgegebene Betriebsparameter als Eingangssignale. Weiterhin enthält das Steuergerät 13 ein Funktions-Modul F1, in dem die erfindungsgemäße Betriebsführung der Zuströmdüsen programmiert ist. Im Steuergerät 13 können auch empirisch ermittelte Kennfelder und Algorithmen abgespeichert sein, die zur erfindungsgemäßen Steuerung zusätzlich oder als Teil des Funktions-Moduls F1 erforderlich sind.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Gesamtsystems einer Wärmekraftmaschine und insbesondere Details des Funktionsmoduls F1. Das Steuergerät 13 erfasst Betriebsgrößen als Eingangssignale und enthält das Funktions-Modul F1, das die für die Erfindung erforderlichen erfassten Betriebsgrößen verwendet.
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Der Strömungsquerschnitt A ist vom Steuergerät 13 mittels der Zuströmvorrichtung 11a, insbesondere in Form von mehreren einzeln oder kombiniert schaltbaren Lavaldüsen, in Stufen variabel steuerbar. Zur Steuerung der Zuströmvorrichtung 11a ist das Funktions-Modul F1 des elektronischen Steuergeräts 13 in der Weise programmiert, dass das folgende Verfahren durchführbar ist:
Das Steuergerät 13 erfasst den Eingangsdruck p der Zuströmvorrichtung 11a und vergleicht ihn mit einem Toleranzband [po; pu] um einen vorgegebenen Soll-Druck psoll. Bei Überschreiten der oberen Grenze po des Toleranzbandes wird eine druckreduzierende Stufe An+1 des Strömungsquerschnitts A geschaltet. Bei Unterschreiten der unteren Grenze pu des Toleranzbandes würde eine druckerhöhende Stufe An-1 des Strömungsquerschnitts A geschaltet werden (hier nicht dargestellt).
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Toleranzband po, pu unmittelbar nach einer Stufenschaltung (– hier An+1) sprunghaft vergrößert und bei Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne dt2 nach der Stufenschaltung An+1 wieder auf ein vorgegebenes Minimum dpmin reduziert. Dabei kann mit zunehmendem Zeitablauf der Zeitspanne dt2 nach der Stufenschaltung An+1 eine kontinuierliche Verengung des Toleranzbandes (durchgezogener Strich in 2) vorgenommen werden. Anstelle der kontinuierlichen Verengung nach einer sprunghaften Vergrößerung kann beispielsweise auch eine sprunghafte Verengung nach Ablauf der Zeitspanne dt2 vorgenommen werden (in 2 gestrichelt dargestellt).
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Gemäß einer alternativen (erster Fall) oder zusätzlichen (zweiter Fall) vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach einer Stufenschaltung An+1 eine weitere Stufenschaltung An+1 erst nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit dt1 vorgenommen. Im zweiten Fall (in 2 dargestellt) ist vorzugsweise die vorgegebene Verzögerungszeit dt1 kleiner als die Zeitspanne dt2. Hier übersteigt der Eingangsdruck p zum Zeitpunkt t1 die obere Grenze po des Toleranzbandes. Unverzüglich findet mit der druckreduzierende Stufenschaltung An+1 des Strömungsquerschnitts A sprunghaft die Vergrößerung des Toleranzbandes statt. Die vorgegebene Verzögerungszeit dt1 wird gestartet. Zum Zeitpunkt t2 vor Ablauf der Verzögerungszeit dt1 übersteigt der Eingangsdruck p die obere Grenze po des vergrößerten Toleranzbandes. Eine weitere druckreduzierende Stufe An+2 des Strömungsquerschnitts A wird jedoch erst nach Ablauf der Verzögerungszeit dt1 zum Zeitpunkt t3 geschaltet. Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne dt2 der Toleranzband-Vergrößerung ist das Toleranzband wieder (sprunghaft oder kontinuierlich) auf das vorgegebene Minimum dpmin reduziert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird vor Ablauf der Zeitspanne dt2 zum Zeitpunkt t3 keine erneute Vergrößerung des Toleranzbandes vorgenommen. Alternativ könnte jedoch die Zeitspanne dt2 mit Vergrößerung des Toleranzbandes zum Zeitpunkt t3 – also bei einer weiteren Stufenschaltung An+1 oder An-1 des Strömungsquerschnitts A – neu gestartet werden.
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Im Funktions-Modul F1 kann zusätzlich abhängig von und vorzugsweise unmittelbar mit der Veränderung des Strömungsquerschnittes A der Zuströmvorrichtung 11a in der Entspannungsvorrichtung 11 die Speisepumpe 9 mit einer vorgegebenen Drehzahl n angesteuert werden. Die vorgegebene Drehzahl n ergibt sich aus der Soll-Änderung des Massenstroms m . des Arbeitsmediums vor dem Verdampfer 14, um bei einer Veränderung des Strömungsquerschnittes A eine Änderung der Dampftemperatur T des Arbeitsmediums zu verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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