AT516709A4 - Combustion engine with a heat recovery system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem insbesondere nach dem organischen Rankine Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungssystem (10), welches zumindest einen Verdichter (11), zumindest einen Wärmetauscher (12), zumindest einen Expander (13) und zumindest einen Kondensator (14) aufweist, wobei eine Abtriebswelle (5) des Expanders (13) über einen zumindest eine Wellenkupplung (6) aufweisenden Triebstrang (2) mit einer Kurbelwelle (4) der Brennkraftmaschine (1) antriebsverbindbar ist. Um ein Überdrehen des Expanders (13) zuverlässig und mit geringem konstruktivem Aufwand zu vermeiden, ist vorgesehen, dass im Triebstrang (2) zwischen dem Expander (13) und der Brennkraftmaschine (1) zumindest eine Bremseinrichtung (7) angeordnet ist.The invention relates to an internal combustion engine (1) having a waste heat recovery system (10) operating, in particular, according to the organic Rankine cycle, comprising at least one compressor (11), at least one heat exchanger (12), at least one expander (13) and at least one condenser (14). wherein an output shaft (5) of the expander (13) via a at least one shaft coupling (6) comprising the drive train (2) with a crankshaft (4) of the internal combustion engine (1) is drive-connected. In order to avoid over-rotation of the expander (13) reliably and with little constructive effort, it is provided that at least one braking device (7) is arranged in the drive train (2) between the expander (13) and the internal combustion engine (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem insbesondere nach dem organischen Rankine Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungssystem, welches zumindest einen Verdichter, zumindest einen Wärmetauscher, zumindest einen Expander und zumindest einen Kondensator aufweist, wobei eine Abtriebswelle des Expanders übereinen zumindest eine Wellenkupplung aufweisenden Triebstrang mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsverbindbar ist.The invention relates to an internal combustion engine having a waste heat recovery system operating in particular according to the organic Rankine cycle, which has at least one compressor, at least one heat exchanger, at least one expander and at least one condenser, wherein an output shaft of the expander has a drive train with a crankshaft of the internal combustion engine having at least one shaft coupling is drive connectable.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welche ein insbesondere nach dem organischen Rankine Zyklus arbeitendes Abwärmerückgewinnungssystem aufweist, wobei ein Arbeitsmedium in zumindest einem Verdichter komprimiert, in zumindest einen Wärmetauscher durch Abwärme insbesondere der Brennkraftmaschine erhitzt, in zumindest einem Expander unter Abgabe von Arbeit an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine expandiert und in zumindest einem Kondensator abgekühlt wird, wobei ein Triebstrang zwischen dem Expander und der Brennkraftmaschine mittels einer vorzugsweise als Freilaufkupplung ausgebildeten Wellenkupplung unterbrochen wird, wenn die brennkraftmaschinenseitige Drehzahl der Wellenkupplung die expanderseitige Drehzahl der Wellenkupplung überschreitet.Furthermore, the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, which has a waste heat recovery system operating in particular after the organic Rankine cycle, wherein a working fluid in at least one compressor, heated in at least one heat exchanger by waste heat, in particular the internal combustion engine, in at least one expander under delivery of Work on the crankshaft of the engine is expanded and cooled in at least one condenser, wherein a drive train between the expander and the internal combustion engine is interrupted by means of a preferably designed as overrunning clutch shaft coupling when the engine speed of the shaft coupling exceeds the expander side speed of the shaft coupling.
Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine bekannt, mit denen aus dem Abgas der Brennkraftmaschine Energie beispielsweise mittels eines organischen Rankine-Zyklus zurückgewonnen werden kann. Dabei wird ein organisches Arbeitsmedium durch eine Speisepumpe bzw. durch einen Verdichter verdichtet, in einem Wärmetauscher mittels der Abwärme der Brennkraftmaschine erhitzt, in einer beispielsweise als Turbine oder Kolbenmaschine ausgebildeten Arbeitsmaschine (Expander) unter Abgabe von Arbeit expandiert und in einem Kondensator abgekühlt. Die Arbeitsmaschine kann zur Stromerzeugung mit einem Generator verbunden sein oder zur Abgabe von mechanischer Antriebsleistung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden sein.In the prior art devices for waste heat utilization of an internal combustion engine are known with which from the exhaust gas of the internal combustion engine energy can be recovered, for example by means of an organic Rankine cycle. In this case, an organic working fluid is compressed by a feed pump or by a compressor, heated in a heat exchanger by means of the waste heat of the internal combustion engine, expanded in an example designed as a turbine or piston machine working machine (expander) with release of labor and cooled in a condenser. The work machine can be connected to generate electricity with a generator or be drivingly connected to the output of mechanical drive power to the crankshaft of the internal combustion engine.
Aus der DE 20 2013 004 907 Ul ist ein Kraftfahrzeug mit einer koppelbaren Abwärmenutzungsanordnung bekannt, wobei die Arbeitsmaschine des Kreisprozesses über Kupplungen wahlweise mit einer Brennkraftmaschine oder einem Nebenaggregat über ein Zugmittelgetriebe antriebsverbunden werden kann.From DE 20 2013 004 907 Ul a motor vehicle with a coupling waste heat utilization arrangement is known, wherein the working machine of the cycle can be drive-connected via clutches either with an internal combustion engine or an auxiliary unit via a traction mechanism.
Weiters ist zwischen der Arbeitsmaschine und dem Zugmittelgetriebe ein Freilauf angeordnet.Furthermore, a freewheel is arranged between the working machine and the traction mechanism.
Die DE 10 2010 025 186 Al beschreibt eine Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem eine Expansionsmaschine aufweisenden Abwärmenutzungskreis, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Die Expansionsmaschine ist über eine Überholkupplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden. Eine derartige Überholkupplung erlaubt eine Antriebskraftübertragung ausschließlich von der Expansionsmaschine zur Kurbelwelle. Somit wird ein Schleppen der Expansionsmaschine durch die Kurbelwelle vermieden.DE 10 2010 025 186 A1 describes a waste heat utilization device for an internal combustion engine with a heat recovery cycle having an expansion machine, in which a working medium circulates. The expansion machine is connected via an overrunning clutch to the crankshaft of the internal combustion engine. Such an overrunning clutch allows a drive power transmission exclusively from the expansion engine to the crankshaft. Thus, dragging of the expander by the crankshaft is avoided.
In gewissen Betriebsbereichen kann es allerdings Vorkommen, dass trotzdem die Expanderdrehzahl die maximal zulässige Drehzahl des Expanders überschreitet, beispielsweise wenn die zulässige Expanderdrehzahl unter der zulässigen maximalen Motordrehzahl liegt, oder auch im Falle eines Defektes im Triebstrang.However, in certain operating ranges, it may occur that the expander speed still exceeds the maximum allowable speed of the expander, for example when the allowable expander speed is below the allowable maximum engine speed, or even in the event of a driveline fault.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Überdrehen des Expanders zuverlässig und mit geringem konstruktivem Aufwand zu vermeiden.The object of the invention is to reliably prevent overwinding of the expander and with little design effort.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass im Triebstrang zwischen dem Expander und der Brennkraftmaschine zumindest eine Bremseinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Bremseinrichtung im Triebstrang zwischen dem Expander und der Wellenkupplung angeordnet.According to the invention this is achieved in that at least one braking device is arranged in the drive train between the expander and the internal combustion engine. Preferably, the braking device is arranged in the drive train between the expander and the shaft coupling.
Dabei ist die Bremseinrichtung so ausgebildet und im Triebstrang zwischen Expander und Brennkraftmaschine so angeordnet, dass der Expander durch die Bremseinrichtung abbremsbar ist, wenn die Drehzahl des Expanders eine definierte kritische Grenzdrehzahl überschreitet.The braking device is designed and arranged in the drive train between the expander and the engine so that the expander can be braked by the braking device when the speed of the expander exceeds a defined critical limit speed.
Die Bremseinrichtung kann als steuerbare bzw. regelbare Bremseinrichtung ausgebildet sein. In einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung ist allerdings vorgesehen, dass die Bremseinrichtung als Fliehkraftbremse ausgebildet ist. Fliehkraftbremsen haben den Vorteil, dass sie selbsttätig agieren und die entsprechende anliegende Welle ab einer definierten Drehzahl abbremsen.The braking device can be designed as a controllable or controllable braking device. In a particularly simple embodiment of the invention, however, it is provided that the braking device is designed as a centrifugal brake. Centrifugal brakes have the advantage that they act automatically and decelerate the corresponding applied shaft from a defined speed.
Weiters ist es vorteilhaft, wenn die Wellenkupplung als Freilaufkupplung ausgebildet ist. Dadurch kann der Triebstrang durch die Wellenkupplung selbsttätig unterbrochen werden, sobald die brennkraftmaschinenseitige Drehzahl der Wellenkupplung die expanderseitige Drehzahl der Wellenkupplung überschreitet.Furthermore, it is advantageous if the shaft coupling is designed as an overrunning clutch. As a result, the drive train can be automatically interrupted by the shaft coupling as soon as the engine-side rotational speed of the shaft coupling exceeds the expander-side rotational speed of the shaft coupling.
Fliehkraftbremse und Freilaufkupplung arbeiten völlig autark, sodass separate Steuereinrichtungen und Aktuatoren entfallen können.Centrifugal brake and overrunning clutch work completely self-sufficient, so that separate control devices and actuators can be omitted.
Das Abwärmerückgewinnungssystem arbeitet bevorzugt nach dem bekannten Organischen Rankine Zyklus, wobei ein organisches Arbeitsmedium in zumindest einem Verdichter komprimiert, in zumindest einen Wärmetauscher durch Abwärme der Brennkraftmaschine erhitzt, in zumindest einem Expander unter Abgabe von Arbeit an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine expandiert und in zumindest einem Kondensator abgekühlt wird. Der Triebstrang zwischen dem Expander und der Brennkraftmaschine wird mittels der vorzugsweise als Freilaufkupplung ausgebildeten Wellenkupplung unterbrochen, wenn die brennkraftmaschinenseitige Drehzahl der Wellenkupplung die expanderseitige Drehzahl der Wellenkupplung überschreitet.The waste heat recovery system preferably operates according to the well-known Rankine organic cycle wherein an organic working fluid is compressed in at least one compressor, heated in at least one heat exchanger by waste heat from the engine, expanded in at least one expander to deliver work to the crankshaft of the engine and in at least one condenser is cooled. The drive train between the expander and the internal combustion engine is interrupted by means of the preferably designed as an overrunning clutch shaft coupling when the engine speed of the shaft coupling exceeds the expander side speed of the shaft coupling.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zur Vermeidung einer Überdrehzahl des Expanders vorgesehen, dass der Triebstrang auf der Expanderseite der Wellenkupplung über die vorzugsweise als Fliehkraftbremse ausgebildete Bremseinrichtung abgebremst wird, wenn die Drehzahl des Expanders eine definierte kritische Grenzdrehzahl überschreitet.According to the method according to the invention, in order to avoid an overspeed of the expander, the drive train on the expander side of the shaft coupling is braked via the braking device, preferably designed as a centrifugal brake, when the speed of the expander exceeds a defined critical limit speed.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to a non-limiting embodiment.
Die Figur zeigt eine Brennkraftmaschine 1, welche über einen Triebstrang 2 mit einem Expander 13 eines Wärmerückgewinnungssystems 10 verbunden ist, welches neben dem Expander 13 zumindest einen Verdichters 11, einen Wärmetauscher 12 und einen Kondensator 14 aufweist. Über den Verdichter 11 wird das beispielsweise organische Arbeitsmedium verdichtet, im Wärmetauscher 12 die Abwärme der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise aus dem Abgas, zugeführt. Im Expander wird das Arbeitsmedium unter Abgabe von mechanischer Arbeit entspannt und im Kondensator 14 abgekühlt. Der Expander 13 wird durch eine Arbeitsmaschine, beispielsweise eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine gebildet. MitThe figure shows an internal combustion engine 1, which is connected via a drive train 2 with an expander 13 of a heat recovery system 10, which has at least one compressor 11, a heat exchanger 12 and a condenser 14 in addition to the expander 13. About the compressor 11, for example, the organic working fluid is compressed in the heat exchanger 12, the waste heat of the internal combustion engine 1, for example, from the exhaust gas supplied. In the expander, the working medium is released while releasing mechanical work and cooled in the condenser 14. The expander 13 is formed by a working machine, for example a turbine or a reciprocating piston engine. With
Bezugszeichen 4 ist die Kurbelwelle, mit Bezugszeichen 5 die Abtriebswelle des Expanders 13 bezeichnet. Eventuell vorhandene Über- oder Untersetzungsgetriebe zwischen Expander 13 und Brennkraftmaschine 1, die prinzipiell in jedem der drei Abschnitte des Triebstranges (zwischen Kurbelwelle und Wellenkupplung, zwischen Wellenkupplung und Bremseinrichtung sowie zwischen Bremseinrichtung und Expander) angeordnet sein können, sind nicht dargestellt.Reference numeral 4 is the crankshaft, denoted by reference numeral 5, the output shaft of the expander 13. Any existing transmission or reduction gear between expander 13 and internal combustion engine 1, which can be arranged in principle in each of the three sections of the drive train (between the crankshaft and shaft coupling, between the shaft coupling and brake device and between the brake device and expander) are not shown.
Im Triebstrang 2 ist eine als Freilaufkupplung (Überholkupplung) 6a ausgebildete Wellenkupplung 6 angeordnet. Die Freilaufkupplung 6a dient dazu, einen Antrieb des Expanders 13 durch die Kurbelwelle 4 der Brennkraftmaschine 1 zu vermeiden. Sobald die brennkraftmaschinenseitige Drehzahl ni der Freilaufkupplung 6a größer ist, als die expanderseitige Drehzahl n2 der Freilaufkupplung 6a, wird der Triebstrang 2 unterbrochen. Somit ist der Antrieb nur vom Expander 13 zur Brennkraftmaschine 1, aber nicht in umgekehrter Richtung, möglich.In the drive train 2 as a one-way clutch (overrunning clutch) 6a formed shaft coupling 6 is arranged. The one-way clutch 6a serves to avoid a drive of the expander 13 by the crankshaft 4 of the internal combustion engine 1. As soon as the engine-side rotational speed ni of the one-way clutch 6a is greater than the expander-side rotational speed n2 of the one-way clutch 6a, the drive train 2 is interrupted. Thus, the drive is only possible from the expander 13 to the internal combustion engine 1, but not in the opposite direction.
Zwischen der Wellenkupplung 6 und dem Expander 13 ist eine Bremseinrichtung 7 angeordnet, welche als selbsttätige Fliehkraftbremse 7a ausgebildet ist. Sobald die aktuelle Drehzahl n2 des Expanders 13 eine definierte kritische Drehzahl nk erreicht, wird die Abtriebswelle 5 des Expanders 13 durch die Bremseinrichtung 7 abgebremst, sodass ein Überdrehen des Expanders 13 über diese kritische Drehzahl hinaus vermieden wird. Unterhalb der kritischen Drehzahl gibt die Bremseinrichtung 7 die Abtriebswelle 5 frei, sodass ein unbehindertes Drehen des Expanders 13 möglich ist.Between the shaft coupling 6 and the expander 13, a braking device 7 is arranged, which is designed as an automatic centrifugal brake 7a. Once the current speed n2 of the expander 13 reaches a defined critical speed nk, the output shaft 5 of the expander 13 is decelerated by the braking device 7, so that over-rotation of the expander 13 is avoided beyond this critical speed. Below the critical speed, the brake device 7 releases the output shaft 5, so that unimpeded rotation of the expander 13 is possible.
Durch die Fliehkraftbremse wird die aktuelle Drehzahl n2 des Expanders 13, unter allen Betriebszuständen des Motors, insbesondere auch solchen mit hoher Motordrehzahl wie Gangwechsel oder Motorbremsbetrieb, unterhalb der kritischen Drehzahl nk des Expanders 13 gehalten. Zusätzlich agiert die Fliehkraftbremse 7a als Sicherheitseinrichtung für den Expander 13, beispielsweise für den Fall, dass die mechanische Verbindung im Triebstrang 2 zwischen dem Expander 13 und der Brennkraftmaschine 1 unterbrochen wird (zum Beispiel bei Versagen eines Antriebsriemens im Triebstrang).By the centrifugal brake, the current speed n2 of the expander 13, under all operating conditions of the engine, especially those with high engine speed such as gear change or engine braking operation, held below the critical speed nk of the expander 13. In addition, the centrifugal brake 7a acts as a safety device for the expander 13, for example, in the event that the mechanical connection in the drive train 2 between the expander 13 and the internal combustion engine 1 is interrupted (for example, in case of failure of a drive belt in the drive train).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HC | Change of the firm name or firm address |
Owner name: AVL LIST GMBH, AT Effective date: 20170222 Owner name: IVECO SPA, IT Effective date: 20170222 Owner name: FPT INDUSTRIAL, IT Effective date: 20170222 |
|
| MM01 | Lapse because of not paying annual fees |
Effective date: 20230615 |