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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System mit einem Organic-Rankine-Kreislauf zum Antrieb zumindest
einer Expansionsmaschine, einen Wärmetauscher zum Antrieb einer
Expansionsmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine.
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Verbrennungsmotoren
für Kraftfahrzeuge
liefern neben der genutzten Antriebsleistung noch Abwärme, die
meist ungenutzt an die Umgebung abgeführt wird. Die Abwärme ist
zumeist im Kühlmittel
enthalten, welches den Motor kühlt.
Ferner ist Abwärme im
Abgas enthalten, das zumeist ungenutzt an die Umgebung abgegeben
wird.
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Aus
der
JP 2002325470 ist
beispielsweise bekannt, dass die Abwärme des Abgases zum Betrieb
eines Generators genutzt wird, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Aus
der
DE 10233763 ist
ein Hilfsaggregat für
Kraftfahrzeuge bekannt, welches die Abwärme des primären Antriebsmotors
zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie nutzt. Ein in die Auspuffanlage
des Kraftfahrzeugs in tegrierter Wärmetauscher erzeugt ein Arbeitsgas,
vorzugsweise Wasserdampf.
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Aus
der
EP 1441121 ist ein
Dampfkompressions-Arbeitsmittelkreislaufsystem
mit einem Arbeitsmittelkreis und einem Rankine-Kreis bekannt. Der Rankine-Kreis weist
einen Kompressor, eine Gas-Flüssigkeits-Separiereinrichtung,
eine Dekompressionsvorrichtung und einen Verdampfer auf.
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Aus
der
FR 2868809 ist ein
System bekannt, welches erlaubt, thermische Energie eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeugs wieder zu gewinnen, in dem ein Rankine-Kreislauf
verwendet wird, der mechanische Energie erzeugt. Das System weist einen
wärmeführendenen
Kreislauf auf, der dazu bestimmt ist, einen Wärmekessel eines Rankine-Kreislaufs
zu erwärmen.
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Aus
der
EP 1431523 ist eine
Regeleinrichtung zur Regelung der Verdampfungstemperatur bekannt.
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Aus
der
DE 60116596 ist
ein Wärmetauscher bekannt,
welcher thermische Energie eines Hochtemperaturfluids von einer
Wärmequelle
wiedergewinnt.
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Aus
der
US 5000003 ist ein
Verfahren zur Rückgewinnung
der Wärme
eines Verbrennungsmotors bekannt, die normalerweise mittels des
Motorkühlmittelkühlers und
durch das Motorabgas abgeführt
wird. Dieses Verfahren zur Rückgewinnung
erfolgt mittels eines Rankine-Kreislaufs, der eine Speisepumpe,
einen Speiseerhitzer, einen Boiler, einen Überhitzer, eine Scroll-Expander sowie einen
luftgekühlten
Kondensator aufweist.
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1 zeigt
ein bekanntes System mit einem Rankine-Kreislauf 109 und
einem Kühl-Kreislauf 110 zur
Kühlung
eines Verbrennungsmotors 102.
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Der
Rankine-Kreislauf 109 weist eine Kälte- oder Speisepumpe 108,
einen Verdampfer 111 und eine Expansionsmaschine 106 sowie
einen Kondensator 104 auf.
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Arbeitsmittel
kondensiert in dem Kondensator 104 und wird mittels der
Kältepumpe 108 durch den
Rankine-Kreislauf 109 gepumpt. Das Arbeitsmittel wird in
einem Verdampfer 111 verdampft. Das dampfförmige Arbeitsmittel
strömt
durch eine Expansionsmaschine 106 und verrichtet Arbeit
in der Expansionsmaschine 106. Nach dem Durchströmen der
Expansionsmaschine 106 strömt das Arbeitsmittel wieder
zurück
zum Kondensator 104 und wird in dem Kondensator 104 von
der dampfförmigen
Phase in die flüssige
Phase überführt. Im
Kühlkreislauf 110 des
Verbrennungsmotors 102 durchströmt Kühlmittel den Verdampfer 111,
einen Abgaskühler 105 sowie einen
Kühlmittelkühler 103.
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Insbesondere
kommt es aufgrund des unterschiedlichen Temperaturprofils zwischen
Rankine-Kreislauf 109 und Kühl-Kreislauf 110 zu
Wirkungsgradverlusten, d.h. zu einem so genannten Temperatur-Missmatch.
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Ferner
führt in
der Warmlaufphase des Motors die Wärmeentnahme aus dem Kühlmittel
des Kühl-Kreislaufs 110 zu
einem verzögerten
Motorwarmlauf und damit zu einem höheren Kraftstoffverbrauch.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes
der Technik zu beseitigen und ein verbessertes System zur Verfügung zu
stellen, das insbesondere einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.
insbesondere sollen die Nachteile in der Motorwarmlaufphase beseitigt
bzw. verbessert werden. Ferner soll insbesondere eine verbesserte
Regelung des Systems sowie ein verbesserter Wärmetauscher zur Verfügung gestellt
werden. Darüber
hinaus soll insbesondere die Anzahl an Wärmetauschern reduziert werden
und auf diese Weise Bauraum eingespart werden. Ferner sollen insbesondere die
Wärmetauscher
des Systems einfacher, insbesondere weniger komplex, ausgebildet
werden, wobei gleichzeitig die Wärmetauscherleistung
erhöht werden
soll.
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Die
Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
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Es
wird ein System vorgeschlagen, das zumindest einen ersten Kreislauf
zur Kühlung
eines Verbrennungsmotors für
ein Kraftfahrzeug aufweist, mit zumindest einem Abgaswärmetauscher
zur Verbrennungsmotorabwärmenutzung,
mit zumindest einem Organic-Rankine-Kreislauf zum Antrieb zumindest
einer Expansionsmaschine und zur Durchströmung mit zumindest einem ersten
Wärmetauschermedium,
wobei der Organic-Rankine-Kreislauf neben einer Vorwärmetauscherstufe
zum Vorwärmen und/oder
Verdampfen zumindest eine zweite Wärmetauscherstufe zum Verdampfen
und/oder Überhitzen des
ersten Wärmetauschermediums
aufweist. Die Vorwärmetauscherstufe
und die zweite Wärmetauscherstufe
sind von einem zweiten Medium, insbesondere einem Kühlmittel,
durchströmt.
Insbesondere können
die Vorwärmetauscherstufe
und die zweite Wärmetauscherstufe
von demselben Kühlmittel,
insbesondere derselben Kühlflüssigkeit,
oder einem unterschiedlichen Kühlmittel,
durchströmt
sein.
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Der
erste Kreislauf dient dabei insbesondere zur Kühlung eines Verbrennungsmotors
für ein
Kraftfahrzeug und ist insbesondere als Kühlmittelkreislauf ausgebildet.
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Ein
Abgaswärmetauscher
dient dabei zur Nutzung der Abwärme
des Verbrennungsmotors, wobei der Abgaswärmetauscher insbesondere von
Motorabgas durchströmt
wird.
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Unter „Organic-Rankine-Kreislauf" ist dabei ein Rankine-Kreislauf
zum Betreiben insbesondere eines Scroll-Expanders mit organischen
Flüssigkeiten
mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet. Mögliche Arbeitsmedien
sind insbesondere R134a, CO2, Blend H, sowie andere halogenierte Kohlenwasserstoffe.
Der Organic-Rankine-Kreislauf wird insbesondere genutzt, wenn das
zur Verfügung stehende
Temperaturgefälle
zwischen Wärmequelle und
Wärmesenke
zu niedrig für
den Betrieb eines von Wasserdampf angetriebenen Scroll-Expanders ist.
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Der
Organic-Rankine-Kreislauf weist dabei zumindest eine Expansionsmaschine,
insbesondere eine Scroll-Expander, auf, die mit einem ersten Wär metauschermedium,
insbesondere einem Arbeitsmittel wie beispielsweise R134a, durchströmt wird.
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Der
Organic-Rankine-Kreislauf weist neben einer Vorwärmetauscherstufe, die insbesondere
zum Vorwärmen
und/oder zum Verdampfen eines ersten Wärmetauschermediums ausgebildet,
insbesondere eines Arbeitsmittels, eine zweite Wärmetauscherstufe auf, wobei
die zweite Wärmetauscherstufe
das erste Wärmetauschermedium,
insbesondere das Arbeitsmittel, verdampft bzw. das bereits verdampfte erste
Wärmetauschermedium
weiter erhitzt bzw. überhitzt.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das System dadurch
gekennzeichnet, dass der Organic-Rankine-Kreislauf zumindest einen
Kondensator zur Verflüssigung
des ersten Wärmetauschermediums,
insbesondere des Arbeitsmittels, aufweist. Auf diese Weise wird
das erste Wärmetauschermedium
besonders vorteilhaft nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine,
insbesondere der Scroll-Expander, von der gasförmigen Phase in die flüssige Phase überführt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das System
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühlmittelkühler zur Kühlung des Verbrennungsmotors
mit einem zweiten Wärmetauschermedium,
insbesondere einem Kühlmittel, durchströmbar ist
bzw. durchströmt
wird bzw. durchströmt
werden kann.
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Ferner
ist die Vorwärmetauscherstufe
besonders vorteilhaft mit einem zweiten Wärmetauschermedium, insbesondere
einem Kühlmittel, durchströmbar bzw.
wird damit durchströmt
bzw. kann damit durchströmt
werden. Ferner sind bzw. könnender
Kühlmittelkühler und/oder
die Vorwärmetauscherstufe
in dem ersten Kreislauf, insbesondere in dem Kühlmittelkreislauf zur Motorkühlung angeordnet
sein bzw. sind in diesem angeordnet.
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Unter „Vorwärmetauscherstufe" ist insbesondere
eine Wärmetauschereinheit
zu verstehen, die insbesondere den Wärmeaustausch zwischen dem ersten
Wärmetauschermedium,
insbesondere dem Arbeitsmittel und dem zweiten Wärmetauschermedium, insbesondere
dem Kühlmittel,
ermöglicht.
Dabei wird das erste Wärmetauschermedium
von dem zweiten Wärmetauschermedium
besonders vorteilhaft vorerwärmt
bzw. verdampft.
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Unter
der „zweiten
Wärmetauscherstufe" ist dabei insbesondere
eine Wärmetauschereinheit
zu verstehen, die den Wärmeaustausch
zwischen einem ersten Wärmetauschermedium
und einem weiteren, insbesondere anderen, Wärmetauschermedium, insbesondere
dem zweiten Wärmetauschermedium,
ermöglicht.
Dabei wird das erste Wärmetauschermedium,
insbesondere das Arbeitsmittel, in der zweiten Wärmetauscherstufe besonders
vorteilhaft, insbesondere im Vergleich mit der Vorwärmetauscherstufe,
weiter erwärmt
bzw. verdampft bzw. überhitzt.
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Unter „Überhitzen" ist dabei insbesondere
zu verstehen, dass das erste Wärmetauschermedium, welches
sich bereits in der Dampfphase befindet, weiter erhitzt wird.
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Weiter
kann besonders vorteilhaft erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass im
ersten Kreislauf, insbesondere dem Kühlmittelkreislauf, abströmseitig
des Verbrennungsmotors zumindest eine Verzweigungsstelle vorgesehen
ist zur Aufteilung in einen ersten Teilstrom zur Durchströmung des
Kühlmittelkühlers und
in einem zweiten Teilstrom. Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft
zweites Wärmetauschermedium,
insbesondere Kühlmittel,
ungekühlt
einem Abgaswärmetauscher
und/oder der Vorwärmetauscherstufe
und/oder der zweiten Wärmetauscherstufe
zugeführt
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zweiter Kreislauf
vorgesehen, in dem der zumindest eine Abgaswärmetauscher und die zweite Wärmetauscherstufe
angeordnet sind. Auf diese Weise kann der erste Kreislauf, insbesondere
der Kühlmittelkreislauf
zur Motorkühlung,
das erste Wärmetauschermedium,
insbesondere das Arbeitsmittel, besonders vorteilhaft in der Vorwärmetauscherstufe vorerwärmen bzw.
verdampfen. In dem zweiten Kreislauf wird insbesondere besonders
vorteilhaft die Abwärme
des Abgases des Verbrennungsmotors zur weiteren Erwärmung bzw.
Verdamp fung bzw. Überhitzung
des ersten Wärmetauschermediums
in der zweiten Wärmetauscherstufe
genutzt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind der erste
Kreislauf und der zweite Kreislauf parallel geschaltet. Unter „parallel
geschaltet" soll
insbesondere verstanden werden, dass ein Teil des Motorkühlmittels
durch einen Abgaswärmetauscher,
eine zweite Wärmetauscherstufe
und die Vorwärmetauscherstufe
strömt
und ein anderer Teil des Motorkühlmittels
direkt zur Vorwärmetauscherstufe
strömt.
Auf diese Weise können
der erste Kreislauf, insbesondere der Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des
Motors, und der zweite Kreislauf zur Durchströmung des Abgaswärmetauschers
besonders vorteilhaft verbunden bzw. getrennt werden. Alternativ ist
auch eine Reihenschaltung möglich,
wobei das Motorkühlmittel
durch einen Abgaswärmetauscher, eine
zweite Wärmetauscherstufe
und die Vorwärmetauscherstufe
oder einen hierzu parallel geschalteten Bypass strömt, und
anschließend
(oder vorhergehend) das Motorkühlmittel
durch die Vorwärmetauscherstufe
oder einen Bypass hierzu strömt.
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Unter
dem „ersten
Kreislauf" soll
insbesondere ein Kühlmittelkreislauf
zur Kühlung
eines Verbrennungsmotors verstanden.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Kreislauf zumindest eine zweite Verzweigungsstelle
aufweist, die abströmseitig
der ersten Verzweigungsstelle angeordnet ist. Die zweite Verzweigungsstelle
dient insbesondere zur Aufteilung des zweiten Teilstroms in einen
dritten Teilstrom und einen Zweigstrom zur Durchströmung des
Abgaswärmetauschers
und/oder der zweiten Wärmetauscherstufe.
Der dritte Teilstrom dient insbesondere besonders vorteilhaft dazu,
dass er die Vorwärmetauscherstufe
durchströmt.
Ferner kann der dritte Teilstrom besonders vorteilhaft mit dem Zweigstrom
gemischt werden, nachdem der Zweigstrom die zweite Wärmetauscherstufe
durchströmt
hat.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zumindest eine erste Vereinigungsstelle zuströmseitig
der Vorwärme tauscherstufe
vorgesehen ist zur Vereinigung des Zweigstroms und des dritten Teilstroms
zum zweiten Teilstrom.
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Auf
diese Weise ist können
aufgrund der unterschiedlichen Massenströme in dem Zweigstrom und in
dem zweiten Teilstrom die Temperaturverläufe im Organic-Rankine-Kreislauf
und im Kühlmittelkreislauf
optimal aufeinander abgestimmt werden, insbesondere kann dadurch
eine Anhebung einer Temperatur T2 des Kühlmittels zuströmseitig
der zweiten Wärmetauscherstufe
besonders vorteilhaft erfolgen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das System dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Vereinigungsstelle zuströmseitig
des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, die insbesondere der Vereinigung
des ersten Teilstroms und des zweiten Teilstroms dient. Auf diese
Weise sind der erste Teilstrom, welcher den Kühlmittelkühler durchströmt hat und
der zweite Teilstrom, insbesondere zur Verdampfung bzw. Überhitzung
des ersten Wärmetauschermediums,
besonders vorteilhaft vereinigbar.
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Weiterhin
kann erfindungsgemäß besonders vorteilhaft
vorgesehen sein, dass an der ersten Verzweigungsstelle ein zweiter
Bypassteilstrom zum Bypassen des Kühlmittelkühlers abzweigt und/oder dass
abströmseitig
der zweiten Wärmetauscherstufe ein
erster Bypassteilstrom zum Bypassen des Verbrennungsmotors abzweigt.
Insbesondere weisen der erste Bypassteilstrom und/oder der zweite
Bypassteil besonders vorteilhaft ein erstes Bypassventil auf. Auf
diese Weise ist der Organic-Rankine-Kreislauf besonders vorteilhaft
kühlmittelseitig überbrückbar, wenn
der Organic-Rankine-Kreislauf nicht betrieben werden soll, insbesondere
die Motoraufwärmung aber
bereits abgeschlossen ist. Besonders vorteilhaft müssen Druckverluste
des Organic-Rankine-Kreislaufs
nicht überwunden
werden, wodurch ein erhöhter
Leistungsbedarf für
die Pumpe zum Pumpen des Kühlmittels
vermieden werden kann und ferner der Kraftstoffbedarf besonders
vorteilhaft gesenkt werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung bilden die
Vorwärmetauscherstufe
und die zweite Wärmetauscherstufe
eine Baueinheit. Auf diese Weise kann Bauraum besonders vorteilhaft durch
die kompakte Ausbildung der Vorwärmetauscherstufe
und der zweiten Wärmetauscherstufe
in einer Baueinheit eingespart werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorwärmetauscherstufe
als zumindest ein Verdampfer und/oder die zweite Wärmetauscherstufe
als zumindest ein Überhitzer
ausgebildet.
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Unter „Überhitzer" ist dabei insbesondere eine
Wärmetauschereinheit
bzw. ein Wärmetauscher zu
verstehen, der bereits verdampftes Arbeitsmittel weiter erwärmt.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der erste
Kreislauf eine Pumpe zum Pumpen des zweiten Wärmetauschermediums auf, wobei die
Pumpe abströmseitig
oder zuströmseitig
des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Auf diese Weise wird zweites
Wärmetauschermedium,
insbesondere Kühlmittel,
besonders vorteilhaft durch den ersten Kreislauf gepumpt.
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Erfindungsgemäß ist weiter
ein Wärmetauscher
vorgesehen, der zumindest eine Vorwärmetauscherstufe zum Verdampfen
eines ersten Wärmetauschermediums,
insbesondere eines Arbeitsmittels, und eine zweite Wärmetauscherstufe
zur Überhitzung,
insbesondere zum weiteren Erwärmen
von bereits verdampftem Arbeitsmittel, zum Antrieb einer Expansionsmaschine
für ein
System nach einem der Ansprüche
1 bis 13 aufweist.
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Erfindungsgemäß ist ferner
die Verwendung eines Wärmetauschers
nach Anspruch 14 für
einen Organic-Rankine-Kreis zum Antrieb einer Expansionsmaschine
vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist weiter
ein Verfahren zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine eines
Organic-Rankine-Kreis-Prozesses vorgesehen, wobei das Verfahren
folgende Verfahrensschritte aufweist:
Ein erstes Wärmetauschermedium,
insbesondere ein Arbeitsmittel, wird in einem Kondensator verflüssigt. Anschließend erfolgt
eine Druckerhöhung des
ersten Wärmetauschermediums
mittels einer Speisepumpe. Das erste Wärmetauschermedium wird mittels
einer Vorwärmetauscherstufe
erwärmt,
insbesondere verdampft. Das erste Wärmetauschermedium wird mittels
einer zweiten Wärmetauscherstufe
weiter erhitzt, insbesondere überhitzt.
Das verdampfte erste Wärmetauschermedium
durchströmt
die Expansionsmaschine.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung strömt zweites
Wärmetauschermedium,
insbesondere Kühlmittel,
nach dem Durchströmen
eines Abgaswärmetauschers
durch die zweite Wärmetauscherstufe,
insbesondere durch den zumindest einen Überhitzer.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Vorwärmetauscherstufe
von einem zweiten Wärmetauschermedium
durchströmt,
wobei für
die Temperatur TVWT des zweiten Wärmetauschermediums
am Eintritt in die Vorwärmetauscherstufe gilt: TVM ≤ TVWT ≤ TZWT.
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Die
Temperatur TVM entspricht dabei im Wesentlichen
der Temperatur des zweiten Wärmetauschermediums
nach dem Durchströmen
des Verbrennungsmotors. Die Temperatur TZWT entspricht dabei
im Wesentlichen der Temperatur des zweiten Wärmetauschermediums nach dem
Durchströmen der
zweiten Wärmetauscherstufe.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen
und aus der Zeichnung.
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Die
Gegenstände
der Unteransprüche
beziehen sich sowohl auf das erfindungsgemäße System mit einem Organic-Rankine-Kreislauf
zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine als auch auf den
Wärmetauscher
zum Antrieb einer Expansionsmaschine als auch auf das Verfahren
zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine mit einem Organic-Rankine-Kreisprozess.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, wobei
eine Beschränkung
der Erfindung hierdurch nicht erfolgen soll. Es zeigen
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1:
ein bereits bekanntes System mit einem Rankine-Kreislauf;
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2:
ein System mit einem Organic-Rankine-Kreislauf, wobei die Vorwärmetauscherstufe
von einem ersten Kreislauf und die zweite Wärmetauscherstufe von einem
zweiten Kreislauf durchströmt wird;
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3:
ein System mit einem Organic-Rankine-Kreislauf, wobei der erste
Kreislauf und der zweite Kreislauf in Strömungsverbindung stehen;
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4a:
ein System, wobei die Vorwärmetauscherstufe
und die zweite Wärmetauscherstufe
eine Baueinheit bilden und die Kühlmittelpumpe
zuströmseitig
des Verbrennungsmotors angeordnet ist;
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4b:
ein System, wobei die Vorwärmetauscherstufe
und die zweite Wärmetauscherstufe eine
Baueinheit bilden und die Kühlmittelpumpe
abströmseitig
des Verbrennungsmotors angeordnet ist;
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5a:
ein System, das eine erste Bypassleitung zum Bypassen des Verbrennungsmotors
aufweist, wobei eine erste Ventileinrichtung in der ersten Bypassleitung
angeordnet ist;
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5b:
ein System mit einer zweiten Bypassleitung zum Bypassen des Kühlmittelkühlers, wobei
die erste Ventileinrichtung in der zweiten Bypassleitung angeordnet
ist.
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2 zeigt
ein System 30 mit einem Organic-Rankine-Kreislauf 9,
wobei die Vorwärmetauscherstufe 21 von
dem ersten Kreislauf 10 beströmt und die zweite Wärmetauscherstufe 22 von
dem zweiten Kreislauf 32 durchströmt wird.
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Der
Organic-Rankine-Kreislauf 9 weist einen Kondensator 4,
eine Speisepumpe 8, eine Vorwärmetauscherstufe 21 sowie
eine zweite Wärmetauscherstufe 22 auf.
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Die
zweite Wärmetauscherstufe 22 ist
in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
als Abgaswärmetauscher 5 ausgebildet
ist. Ferner weist der Organic-Rankine-Kreislauf 9 eine
Expansionsmaschine 6, insbesondere eine Scroll-Expander,
auf. Der Scroll-Expander wird in umgekehrter Weise wie ein Scroll-Verdichter
betrieben. Er besteht insbesondere aus zwei ineinander verschachtelten
Spiralen, von denen eine stationär
ist und die andere kreisförmig
in der ersten bewegt wird. Dabei berühren sich die Spiralen mehrfach
und bilden innerhalb der Windungen mehrere ständig kleiner werdende Kammern.
In einer anderen Ausführungsform
ist die Expansionsmaschine 6 eine Scroll-Expander, ein
Kolbenexpander usw.
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Erstes
Wärmetauschermedium,
insbesondere Arbeitsmittel, wie beispielsweise R134a, CO2 oder Blend
H, wird in dem Kondensator 4 von der gasförmigen Phase
in die flüssige
Phase überführt. Das flüssige Arbeitsmittel
durchströmt
anschließend
die Speisepumpe 8, die insbesondere zum Pumpen des Arbeitsmittels
in dem Organic-Rankine-Kreislauf 9 dient. In einer anderen
nicht dargestellten Ausführungsform
ist die Speisepumpe abströmseitig
der Vorwärmetauscherstufe 21 angeordnet.
In dieser nicht dargestellten Ausführungsform erfolgt in der Vorwärmetauscherstufe 21 ein
Erwärmen,
aber noch kein Verdampfen des Arbeitsmittels.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird das Arbeitsmittel in der Vorwärmetauscherstufe 21 bereits
verdampft, so dass es nach dem Durchströmen der Vorwärmetauscherstufe 21 im
Wesentlichen in der gasförmigen
Phase vorliegt. In der zweiten Wärmetauscherstufe 22 wird
das bereits im Wesentlichen gasförmige
Arbeitsmittel weiter erhitzt, insbesondere überhitzt.
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Das
dampfförmige
Arbeitsmittel durchströmt die
Expansionsmaschine 6, insbesondere die Scroll-Expander.
In der Expansionsmaschine 6, insbesondere der Scroll-Expander,
wird beispielsweise mechanische und/oder mittels eines Generators elektrische
Energie erzeugt.
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Der
Verbrennungsmotor 2 wird auf nicht dargestellte Weise mit
einem Luft/Kraftstoff-Gemisch beströmt, welches in dem Verbrennungsmotor 2 verbrennt.
Aufgrund der Verbrennung entstehen Abgase, welche über die
Abgasleitung 12 aus dem Verbrennungsmotor abgeführt werden.
Eine dritte Ventileinrichtung ist insbesondere als Bypassklappe
bzw. Bypassventil 26 ausgebildet. Die Ventileinheit 26 kann
in einer anderen Ausführungsform
auch als Kombiventil ausgebildet sein. Unter einem „Kombiventil" wird dabei eine
Ventileinheit verstanden, die sowohl die Durchflussrate von Abgas
regeln kann als auch die Zuführung
von Abgas zu einem Abgaswärmetauscher 31 und/oder
zu einer Abgasbypassleitung 13. Die Abgasbypassleitung 13 umgeht
dabei den Abgaswärmetauscher 31.
Abgas kann somit entweder vollständig
durch die Abgasbypassleitung 13 strömen, wobei kein Abgas durch
den Abgaswärmetauscher 31 strömt. In einer
anderen Schaltstellung der dritten Ventileinrichtung 26 strömt das gesamte Abgas
durch den Abgaswärmetauscher 31.
In einer weiteren Einstellung der dritten Ventileinrichtung strömt Abgas
sowohl durch die Abgasbypassleitung 13 als auch den Abgaswärmetauscher 31.
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Das
System 30 weist ferner einen ersten Kreislauf auf, der
als Kühlmittelkreislauf
zur Motorkühlung
des Verbrennungsmotors 2 ausgebildet ist. Dabei pumpt eine
Pumpe 7, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, Kühlmittel
durch den Verbrennungsmotor und kühlt auf diese Weise den Verbrennungsmotor.
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Dabei
wird das Kühlmittel
erwärmt
und strömt
wieder aus dem Verbrennungsmotor 2 heraus. Eine zweite
Ventileinrichtung 25 regelt dabei die Aufteilung des erwärmten Kühlmittels
in einen ersten Teilstrom 23 und einen zweiten Teilstrom 24.
Der erste Teilstrom mit erwärmtem
Kühlmittel
durchströmt den
Kühlmittelkühler 3 und
wird dabei abgekühlt.
Der Kühlmittelkühler 3 ist
ein Luft-/Kühlmittelkühler. Umgebungsluft
kühlt dabei
das erwärmte
Kühlmittel.
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Der
zweite Teilstrom 24 mit erwärmtem Kühlmittel durchströmt die Vorwärmetauscherstufe 21 und
gibt dabei insbesondere Wärme
an das Arbeitsmittel des Organic-Rankine-Kreislaufs ab. Auf diese Weise
wird das Arbeitsmittel des Organic-Rankine-Kreislaufs erwärmt bzw.
verdampft.
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Nach
dem Durchströmen
der Vorwärmetauscherstufe 21 werden
der zweite Teilstrom 24 und der erste Teilstrom 23 an
einer nicht näher
bezeichneten Vereinigungsstelle wieder zusammengeführt.
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Der
Abgaswärmetauscher 31 ist
als Abgas-/Kühlmittelkühler ausgebildet.
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Der
zweite Kreislauf 32, insbesondere der Kühlmittelkreislauf, weist die
zweite Wärmetauscherstufe 22,
den Abgaswärmetauscher 31 sowie
eine zweite Kühlmittelpumpe 33 auf.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
zirkulieren im ersten Kreislauf 10 und im zweiten Kreislauf 32 dasselbe
zweite Wärmetauschermedium,
insbesondere Kühlmittel,
wie beispielsweise eine wasserhaltige Kühlflüssigkeit. In einem anderen
Ausführungsbeispiel
weisen der erste Kreislauf 10 und der zweite Kreislauf 32 unterschiedliche
Wärmetauschermedien,
insbesondere Kühlmedien
wie Kühlflüssigkeiten
auf.
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Das
erste Wärmetauschermedium,
insbesondere das Arbeitsmittel, wird in der Vorwärmetauscherstufe 21 erwärmt und
in der zweiten Wärmetauscherstufe 22 verdampft
und/oder überhitzt.
In einer anderen Ausführungsform
wird das erste Wärmetauschermedium,
insbesondere das Arbeitsmittel, in der Vorwärmetauscherstufe 21 verdampft
und in der zweiten Wärmetauscherstufe 22 überhitzt. „Überhitzen" meint dabei das
weitere Erwärmen
des bereits dampfförmigen
ersten Wärmetauschermediums,
insbesondere des Arbeitsmittels.
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Der
Vorteil des Systems 30 besteht in einer Art Pufferung der
Lastschwankungen durch die thermische Trägheit des zweiten Kreislaufs 32.
Zum anderen wird eine Überhitzung
des Arbeitsmittels durch Vermeidung eines direkten Wärmeaustauschs
zwischen Arbeitsmittel und Abgas verhindert. Auf diese Weise kommt
es nicht zu einer thermischen Zersetzung des Arbeitsmittels, insbesondere
bei Überlastung.
Dies kann durch Steuerung der Ventileinrichtung 26 und/oder
durch eine Anpassung des Temperaturprofils mittels einer Pumpe erfolgen.
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3 zeigt
ein System 40, das einen Organic-Rankine-Kreislauf 9 aufweist,
wobei der erste Kreislauf 10 und der zweite Kreislauf in
Strömungsverbindung
stehen. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen
wie in den vorherigen Figuren.
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Im
Unterschied zu 3 stehen bei dem System 40 der 4 der erste Kreislauf 10 und
der zweite Kreislauf in Strömungsverbindung
und können
insbesondere parallel geschaltet werden. Unter „parallel geschaltet" soll insbesondere
verstanden werden, dass ein Teil des Motorkühlmittels durch einen Abgaswärmetauscher,
eine zweite Wärmetauscherstufe
und die Vorwärmetauscherstufe
strömt und
ein anderer Teil des Motorkühlmittels
direkt zur Vorwärmetauscherstufe
strömt.
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Der
zweite Teilstrom 24 wird an einer zweiten Verzweigungsstelle 44 in
den Zweigstrom 41 und den dritten Teilstrom 42 aufgeteilt
bzw. kann derart aufgeteilt werden.
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Eine
vierte Ventileinrichtung 43, welche insbesondere an der
zweiten Verzweigungsstelle 44 angeordnet ist, dient zur
Regelung der Aufteilung des zweiten Teilstroms 24 in den
Zweigstrom 41 und den dritten Teilstrom 42. Die
vierte Ventileinrichtung 43 kann das System 40 derart
regeln, dass der zweite Teilstrom 24 ausschließlich in
den Zweigstrom 41 geleitet wird. In einer anderen Ventilstellung
der vierten Ventileinrichtung 43 wird der gesamte zweite
Teilstrom 24 an Kühlmittel
in den dritten Teilstrom 42 geleitet. In einer anderen
Ventilstellung der vierten Ventileinrichtung 43 wird ein
Teil des zweiten Teilstroms 24 in den Zweigstrom 41 und
der andere Teil des zweiten Teilstroms 24 in den dritten
Teilstrom 42 geleitet.
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Das
den Zweigstrom 41 durchströmende Kühlmittel durchströmt den Abgaswärmetauscher 31, wird
dabei insbesondere erwärmt
und durchströmt anschließend die
zweite Wärmetauscherstufe 22, wobei
dadurch das Arbeitsmittel im Organic-Rankine-Kreislauf 9 verdampft
bzw. überhitzt
wird.
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In
der Ventilstellung der vierten Ventileinrichtung 43, in
der kein Kühlmittel
in den Zweigstrom 41 geleitet wird, sondern ausschließlich in
den dritten Teilstrom 42, erfolgt keine Erwärmung bzw.
Verdampfung bzw. Überhitzung
des Arbeitsmittels im Organic-Rankine-Kreislauf in der zweiten Wärmetauscherstufe 22.
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An
der ersten Vereinigungsstelle 45 werden der Zweigstrom 41,
welcher die zweite Wärmetauscherstufe 22 durchströmt hat,
mit dem dritten Teilstrom 42 wieder vereinigt.
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Die
erste Vereinigungsstelle 45 ist insbesondere abströmseitig
der zweiten Wärmetauscherstufe 22 und/oder
der vierten Ventileinrichtung 43 angeordnet.
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Das
zweite Wärmetauschermedium,
insbesondere das Kühlmittel,
welches in den dritten Teilstrom 42 strömt, weist die Temperatur TVM auf. Die Temperatur TVM entspricht
im Wesentlichen der Temperatur des zweiten Wärmetauschermediums nach dem
Durchströmen
des Verbrennungsmotors 2.
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Der
Zweigstrom 41 weist nach dem Durchströmen der zweiten Wärmetauscherstufe 22 die Temperatur
TZWT auf. Die Temperatur TZWT ist
abhängig
von der durch den Abgaswärmetauscher 31 in den
Zweigstrom 41 eingebrachten Wärme und aufgrund der Wärmeübertragung
zwischen dem Zweigstrom 41 und dem ersten Wärmetauschermedium,
insbesondere dem Arbeitsmittel, in der zweiten Wärmetauscherstufe 22.
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Aufgrund
der vierten Ventileinrichtung 43 ist die Temperatur TVWT am Eintritt in die Vorwärmetauscherstufe 21 derart
regelbar, dass die Temperatur TVWT Werte
annimmt, für
die gilt: TVM ≤ TVWT ≤ TZWT.
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An
der ersten Vereinigungsstelle 45 werden der Zweigstrom 41 und
der dritte Teilstrom 42 zusammengeführt, wobei das zweite Wärmetauschermedium,
insbesondere das Kühlmittel,
die Temperatur TVWT aufweist und in die
Vor wärmetauscherstufe 21 einströmt. Nach
dem Durchströmen
der Vorwärmetauscherstufe 21 werden
der zweite Teilstrom 24 und der erste Teilstrom 23 an
der zweiten Vereinigungsstelle 46 wieder vereinigt.
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In
der Vorwärmetauscherstufe 21 und/oder in
der zweiten Wärmetauscherstufe 22 erfolgt
die Wärmeübertragung
zwischen dem Organic-Rankine-Kreislauf
im Gegenstromprinzip. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt die
Wärmeübertragung
im Gleichstromprinzip. An der ersten Vereinigungsstelle 45 erfolgt
insbesondere ein Vermischen des dritten Teilstroms 42 mit
dem Zweigstrom 41. Bei einem besonders vorteilhaften Regelzustand
weist der dritte Teilstrom 42 im Wesentlichen dieselbe
Temperatur TVM auf, wie die Temperatur TZWT des Zweigstroms 41, nachdem
dieser den zweiten Wärmetauscher 22 durchströmt hat.
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4a zeigt
ein System 50, wobei die Vorwärmetauscherstufe und die zweite
Wärmetauscherstufe
eine Baueinheit 2122 bilden, wobei die Pumpe 7 zuströmseitig
des Verbrennungsmotors 2 angeordnet ist. Gleiche Merkmale
sind mit den gleichen Bezugszeichen beschrieben wie in den vorherigen
Figuren. Im Unterschied zu 3 sind die
Vorwärmetauscherstufe 21 und
die zweite Wärmetauscherstufe 22 in
einer Baueinheit 2122 angeordnet bzw. sind insbesondere
einteilig ausgebildet.
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Beispielsweise
durch eine Abschaltung der Speisepumpe 8 des Organic-Rankine-Kreislaufes wird
eine Wärmeankopplung
in den Organic-Rankine-Kreislauf
verhindert. Es erfolgt damit eine Nutzung der Abgaswärme zum
beschleunigten Motorwarmlauf. Es erfolgt eine Regelung des Organic-Rankine-Kreislaufs,
insbesondere durch die Speisepumpe 8, derart, dass der
Organic-Rankine-Kreislauf erst mittels der Speisepumpe 8 in
Zirkulation versetzt wird, wenn die Motoraufwärmung abgeschlossen ist. Dies
wird insbesondere mittels zumindest eines Temperatursensors detektiert,
der die Temperatur des Kühlmittels
des Verbrennungsmotors misst. Beim Erreichen und/oder Überschreiten eines
festgelegten Temperaturwertes des Kühlmittels des Motorkühlkreislaufs
beginnt die Speisepumpe 8, Arbeitsmittel im Organic-Rankine-Kreislauf 9 zu
pumpen.
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Eine
Abzweigung zum Kühlmittelkühler kann beispielsweise
nach dem Austritt des Kühlmittels
aus dem Verbrennungsmotor 3 erfolgen oder in einer anderen
Ausführungsform
vor dem Eintritt des Kühlmittels
in den Verbrennungsmotorblock 2.
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Ferner
kann die Kühlmittelpumpe 7 zuströmseitig
des Verbrennungsmotors 2 oder wie in 4b gezeigt,
abströmseitig
des Verbrennungsmotors 2 angeordnet sein.
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In
dem Wärmetauschersystem 60 der 4b ist
die zweite Ventileinrichtung 25, die beispielsweise als
Thermostatventil ausgebildet ist, an der zweiten Vereinigungsstelle 46 angeordnet.
Dies bietet den Vorteil, dass im Falle, in dem die Abwärme nicht
vollständig
durch den Organic-Rankine-Kreislauf abgeführt werden kann, die überschüssige Wärme durch
den Kühlmittelkühler 3 abgeführt wird.
Die Regelung des Durchflusses von Kühlmittel durch den Abgaswärmetauscher 31 ist
insbesondere durch die vierte Ventileinrichtung 43 derart
zu regeln, dass eine für
den Gesamtwirkungsgrad des Systems optimale Temperatur erreicht
wird. Insbesondere hat eine Regelung derart zu erfolgen, dass die
maximal zulässige
Temperatur des Kühlmittels
erreicht wird. Die Wärmeübertragung
zwischen Abgas und Kühlmittel
im Abgaswärmetauscher 31 erfolgt
im dargestellten Ausführungsbeispiel
im Gleichstrom. Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft ein Sieden
des Kühlmittels
des ersten Kreislaufs 10 und/oder des zweiten Kreislaufs
besonders vorteilhaft verhindert werden. In einer anderen nicht
dargestellten Ausführungsform erfolgt
die Wärmeübertragung
im Gegenstromprinzip. Auf diese Weise kann der Wärmeaustauschgrad besonders
vorteilhaft erhöht
werden und/oder die Baugröße des Abgaswärmetauschers 31 besonders vorteilhaft
bei gleichem Austauschgrad verringert werden.
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Die
Temperatur T3 und der Druck P3 des Arbeitsmittels des Organic-Rankine-Kreislaufs 9 abströmseitig
des Wärmeübertragers 2122 und
zuströmseitig
der Expansionsmaschine 6 sowie der Druck PO des Arbeitsmittels
abströmseitig
des Kondensators und zuströmseitig
des Wärmetauschers 2122 sind
Betriebsparameter zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Expansionsmaschine 6.
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Die
Sollwerte der Größen P0,
P3 und T3 werden dabei aus Kennfeldern bestimmt. Die Kennfelder zum
bevorzugten Betrieb des Motors verarbeiten die Umgebungstemperatur
der Luft außerhalb
des Kraftfahrzeugs, die Temperatur T1 des Kühlmittels abströmseitig
des Verbrennungsmotors 2 und/oder zuströmseitig der zweiten Ventileinrichtung 25,
die Fahrgeschwindigkeit und die Motorlast. Zur Ermittlung der Motorlast
kann insbesondere die Motordrehzahl und/oder die Stellung des Gaspedals
zum Gasgeben im Kraftfahrzeug verwendet werden.
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Die
Stellgröße für den Druck
P0 ist insbesondere die Leistung eines nicht dargestellten Lüfters für den Kondensator 4 und/oder
den Kühlmittelkühler 3.
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Die
Stellgröße für den Druck
P3 ist insbesondere die Leistung der Speisepumpe 8.
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Die
Stellgröße für die Temperatur
T3 ist insbesondere die Temperatur T2 des Kühlmittels zuströmseitig
des Wärmetauschers 2122 und/oder
abströmseitig
des Abgaswärmetauschers 31.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
kann alternativ die Temperatur T2 statt T3 verwendet werden, wobei eine
insbesondere lastabhängige
Temperaturdifferenz von 0,5K bis 30K zur Temperatur T2 addiert wird,
die insbesondere bereits im Betriebskennfeld für T2 enthalten ist.
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Die
Einstellung des Temperatur T2 erfolgt insbesondere über den
Durchfluss des Kühlmittels durch
den Abgaswärmetauscher 31 mittels
der vierten Ventileinrichtung 43 und/oder mittels zumindest einer
weiteren nicht dargestellten Pumpe. Wird insbesondere bei maximalem
Durchfluss ein bestimmter Wert der Temperatur T2 überschritten,
wird Abgas, insbesondere mittels der dritten Ventileinrichtung 26 durch
den Abgasbypass 13 geleitet.
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In
einer weiteren nicht dargestellten Ausführung bzw. Weiterbildung wird
der erste Kreislauf 10 und/oder der zweite Kreislauf unter
erhöhtem
Druck betrieben bzw. ein Kühlmittel
mit insbesondere höherem
Glysantinanteil kommt zum Einsatz.
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5a zeigt
ein System 70 mit einem Organic-Rankine-Kreislauf mit einem
ersten Bypassteilstrom 71 zum Bypassen des Abgaswärmetauschers 31 und/oder
des Wärmetauschers 2122,
wobei eine erste Ventileinrichtung 72 in dem ersten Bypassteilstrom 71 angeordnet
ist. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen
wie in den vorherigen Figuren.
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Auf
diese Weise wird besonders vorteilhaft der Organic-Rankine-Kreislauf
kühlmittelseitig überbrückt, wenn
der Organic-Rankine-Kreislauf nicht betrieben werden soll, aber
die Motoraufwärmung
aber schon abgeschlossen ist. Die erste Ventileinrichtung 72 ist
besonders vorteilhaft als Thermostatventil ausgebildet. Aufgrund
des ersten Bypassteilstroms müssen
Druckverluste des Organic-Rankine-Kreislaufs nicht überwunden
werden, wodurch der Leistungsbedarf der Kühlmittelpumpe 7 und
damit der Kraftstoffbedarf besonders vorteilhaft reduziert werden
können.
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5b zeigt
ein weiteres System 80 mit einem zweiten Bypassteilstrom 81,
der im Wesentlichen eine Weiterbildung oder eine Alternative zu
der Ausbildung des Systems in 6a bildet.
Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den
vorherigen Figuren versehen.
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Der
zweite Bypassteilstrom 81 ist insbesondere abströmseitig
des Verbrennungsmotors 2 und abströmseitig der Kühlmittelpumpe 7 zum
Bypassen des Kühlmittelkühlers 3 angeordnet.
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Die
Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele
sind beliebig miteinander kombinierbar. Die Erfindung ist auch für andere
als die gezeigten Gebiete einsetzbar.
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An
Stelle einer Aufspaltungsmöglichkeit
des Kühlmittelkreislaufs
an der zweiten Ventileinrichtung 25 (vgl. 2, 3, 4a)
bzw. der Verzweigung nach dem Motor 2 (vgl. 4b, 5a, 5b) kann
das System auch derart ausgebildet sein, dass auf eine parallele
Anordnung von Kühler 3 und
Vorwärmetauscherstufe 21 verzichtet
und dafür
eine Reihenanordnung von Kühler
und Vorwärmestufe, ggf.
kombiniert mit einer zweiten Wärmetauscherstufe,
jeweils mit einem entsprechenden Bypass versehen, vorgesehen sein
kann, wobei die Reihenfolge Kühler/Vorwärmetauscherstufe
oder Vorwärmetauscherstufe/Kühler sein
kann.