DE102011003068B4 - Device and method for waste heat utilization of an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Leitungskreis (4), in dem eine Speisepumpe (6), mindestens ein Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10) und ein Kondensator (12) angeordnet sind, wobei im Leitungskreis (4) ein Arbeitsmedium zirkuliert und wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter der Speisepumpe (6) eine Hochdruckseite und in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor der Speisepumpe (6) eine Niederdruckseite vorliegt, wobei eine hydraulische Verbindung (32) mit einer Regeleinrichtung (34) zwischen Wärmetauscher (8) und Kondensator (12) angeordnet ist zum Austausch des flüssigen Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsleitung (36) vorgesehen ist, welche eine der Leitungen (24, 29) oder eine Bypassverbindung (31) parallel zur Speisepumpe (6) zwischen Kondensator (12) und Wärmetauscher (8) mit der hydraulischen Verbindung (32) verbindet.

Figure DE102011003068B4_0000
Device for utilizing waste heat of an internal combustion engine (2) with a line circuit (4) in which a feed pump (6), at least one heat exchanger (8), an expansion machine (10) and a condenser (12) are arranged, wherein in the line circuit (4) a working medium is circulated and in the flow direction of the working medium behind the feed pump (6) there is a high-pressure side and in the flow direction of the working medium in front of the feed pump (6) a low-pressure side, wherein a hydraulic connection (32) with a control device (34) between the heat exchanger (8) and condenser (12) is arranged for the exchange of the liquid working medium, characterized in that a connecting line (36) is provided which one of the lines (24, 29) or a bypass connection (31) parallel to the feed pump (6) between the condenser (12 ) and heat exchanger (8) with the hydraulic connection (32) connects.
Figure DE102011003068B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a device and a method for waste heat recovery according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Aus DE 102 28 868 B4 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie mittels einer Dampfmaschine bekannt. Diese Vorrichtung arbeitet mit einem geschlossenen Kreislauf, der einen Speisewasserbehälter, eine Speisepumpe, einen Verdampfer zur Dampferzeugung, die Dampfmaschine und einen Kondensator aufweist. Der Speisewasserbehälter ist frostunempfindlich ausgebildet und befindet sich zwischen Kondensator und Speisepumpe. Des Weiteren weist der Speisewasserbehälter einen Schutzgasraum auf. Der Schutzgasraum dient dazu über eine Ventilanordnung bei Nichtbetrieb der Vorrichtung das Speisewasser mit Hilfe des Schutzgases aus den frostempfindlichen Teilen der Vorrichtung zu verdrängen.Out DE 102 28 868 B4 a device for generating mechanical energy by means of a steam engine is known. This device operates on a closed circuit comprising a feedwater tank, a feed pump, a vaporisation evaporator, the steam engine and a condenser. The feed water tank is frost-resistant and located between the condenser and the feed pump. Furthermore, the feedwater tank has a protective gas space. The inert gas chamber serves to displace the feed water with the aid of the protective gas from the frost-sensitive parts of the device via a valve assembly when not in operation of the device.

Die DE 10 2006 043 491 A1 zeigt einen Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung.The DE 10 2006 043 491 A1 shows a steam cycle process with improved energy efficiency.

Die WO 2007 104 970 A2 zeigt ein Dampfkreisprozess mit einem geschlossenen Kreislauf für ein nicht-wässriges Arbeitsfluid.The WO 2007 104 970 A2 shows a steam cycle process with a closed circuit for a non-aqueous working fluid.

Sowohl die DE 10 2006 043 491 A1 als auch die WO 2007 104 970 A2 zeigen eine Verbindung zwischen dem Phasentrenner und dem Kondensator.Both the DE 10 2006 043 491 A1 as well as the WO 2007 104 970 A2 show a connection between the phase separator and the capacitor.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass dem Arbeitsmedium beigemischte Zusatzstoffe nicht zum Wärmetauscher und zur Expansionsmaschine gelangen, sondern diese mittels der hydraulischen Verbindung umgangen werden. Das Arbeitsmedium erfährt im Wärmetauscher eine Zustandsänderung vom flüssigen zum dampfförmigen Medium. Die Zusatzstoffe bleiben bei diesem Vorgang im noch nicht verdampften Arbeitsmedium im Wärmetauscher zurück, da sie keine Zustandsänderungen erfahren. Der Wärmetauscher stellt somit eine Barriere für die Zusatzstoffe im Arbeitsmedium dar, da sie nicht wie das Arbeitsmedium verdampft werden und weiter zur Expansionsmaschine transportiert werden können. Die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher steigt an. Durch die hydraulische Verbindung wird eine Möglichkeit geschaffen die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium in den Bereichen, in denen das Arbeitsmedium in der flüssigen Phase transportiert wird, wieder auszugleichen.The inventive apparatus for waste heat utilization of an internal combustion engine and the associated inventive method with the features of the independent claims have the advantage that the working medium admixed additives do not get to the heat exchanger and the expansion machine, but these are bypassed by means of the hydraulic connection. The working medium undergoes a change of state in the heat exchanger from the liquid to the vaporous medium. The additives remain in this process in the not yet evaporated working fluid in the heat exchanger, since they experience no state changes. The heat exchanger thus represents a barrier to the additives in the working medium, since they are not evaporated as the working medium and can be transported to the expansion machine. The concentration of the additive in the liquid working medium in the heat exchanger increases. The hydraulic connection creates a possibility to compensate for the concentration of the additive in the liquid working medium in the areas in which the working medium is transported in the liquid phase again.

Erfindungsgemäß wird ein Verdampfen des Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung verhindert, indem eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, welche eine der Leitungen oder eine Bypassverbindung parallel zur Speisepumpe zwischen Kondensator und Wärmetauscher mit der hydraulischen Verbindung verbindet, da sich kühleres Arbeitsmedium aus der Leitung zwischen Wärmetauscher und Kondensator mit dem erhitzten Arbeitsmedium aus dem Wärmetauscher vermischt. Beim Verdampfen des Arbeitsmediums würden sich Salze an den Wänden der hydraulischen Verbindung ablagern. Diese Ablagerungen können durch ein Vermischen des erhitzten Arbeitsmediums aus dem Wärmetauscher mit dem kühleren Arbeitsmedium aus der Leitung zwischen Wärmetauscher und Kondensator vermieden werden.According to the invention evaporation of the working medium in the hydraulic connection is prevented by a connecting line is provided, which connects one of the lines or a bypass connection parallel to the feed pump between the condenser and the heat exchanger with the hydraulic connection, as cooler working fluid from the line between the heat exchanger and condenser the heated working fluid from the heat exchanger mixed. Upon evaporation of the working medium, salts would settle on the walls of the hydraulic connection. These deposits can be avoided by mixing the heated working medium from the heat exchanger with the cooler working medium from the line between the heat exchanger and condenser.

Durch die hydraulische Verbindung wird das flüssige Arbeitsmedium mit einer hohen Konzentration an Zusatzstoffen vom Wärmetauscher zum Kondensator transportiert. Im Kondensator mischt sich das Arbeitsmedium mit einer hohen Konzentration an Zusatzstoffen, welches aus der hydraulischen Verbindung stammt, mit dem Arbeitsmedium ohne Zusatzstoffe, welches aus der Expansionsmaschine zum Kondensator gelangt. Dieser Vorgang führt zu einem Ausgleich der Konzentration an Zusatzstoffen im flüssigen Arbeitsmedium.Due to the hydraulic connection, the liquid working medium with a high concentration of additives is transported from the heat exchanger to the condenser. In the condenser, the working medium mixes with a high concentration of additives, which originates from the hydraulic connection, with the working fluid without additives, which passes from the expansion machine to the condenser. This process leads to a balance of the concentration of additives in the liquid working medium.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.In the dependent claims advantageous refinements and developments of the method and apparatus of the invention are given.

Vorteilhaft ist der Einsatz einer Regeleinrichtung in der hydraulischen Verbindung, da durch diese die abfließende Menge des flüssigen Arbeitsmediums mit Zusatzstoffen aus dem Wärmetauscher in die hydraulische Leitung reguliert wird. Arbeitsmedium mit Zusatzstoffen, welches mit hohem Druck aus dem Wärmetauscher in die hydraulische Verbindung strömt, wird durch die Regeleinrichtung gedrosselt.Advantageous is the use of a control device in the hydraulic connection, since it regulates the effluent amount of liquid working fluid with additives from the heat exchanger into the hydraulic line. Working fluid with additives, which flows at high pressure from the heat exchanger into the hydraulic connection is throttled by the control device.

Besonders zweckmäßig ist hierbei der Einsatz einer Drossel als Regeleinrichtung, da durch ein einfaches und billiges Bauteil die abfließende Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoffen aus dem Wärmetauscher in die hydraulische Leitung reguliert und eine Drosselung zwischen Wärmetauscher und Kondensator vorgenommen wird.Particularly useful in this case is the use of a throttle as a control device, as regulated by a simple and inexpensive component, the effluent amount of the working fluid with additives from the heat exchanger in the hydraulic line and a restriction between the heat exchanger and condenser is made.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines steuerbaren Ventils oder einer steuerbaren Drossel, da die abfließende Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff, die vom Wärmetauscher zum Kondensator geleitet wird, abhängig von der Betriebssituation der Brennkraftmaschine oder der momentanen Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium im Wärmetauscher variiert wird.Particularly advantageous is the use of a controllable valve or a controllable throttle, since the outflowing amount of the working fluid with additive from the heat exchanger for Capacitor is passed, is varied depending on the operating situation of the internal combustion engine or the instantaneous concentration of the additive in the working fluid in the heat exchanger.

Ein Druckregelventil in einer Leitung zwischen Speisepumpe und Wärmetauscher ist von Vorteil, da durch das Druckregelventil das Druckniveau für die Verdampfung und damit die Verdampfungstemperatur eingestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen werden. Hierbei ist nur ein einzelnes Druckniveau einstellbar, jedoch fallen geringere Kosten hinsichtlich Anschaffung und Regelung an.A pressure regulating valve in a line between the feed pump and the heat exchanger is advantageous because the pressure level for the evaporation and thus the evaporation temperature is set by the pressure control valve. Alternatively or additionally, a pressure relief valve can be provided. Here, only a single pressure level is adjustable, but there are lower costs in terms of purchase and control.

Es ist von Vorteil, wenn die Verbindungsleitung auf der Niederdruckseite der Speisepumpe abzweigt, da dadurch die Speisepumpe entlastet wird und weniger Energie benötigt wird.It is advantageous if the connecting line branches off on the low-pressure side of the feed pump, since this relieves the feed pump and requires less energy.

Es ist vorteilhaft, wenn die Verbindungsleitung auf der Hochdruckseite der Speisepumpe abzweigt, da an dieser Stelle im Leitungskreis ein höheres Druckniveau herrscht und das Arbeitsmedium somit ungehindert von der Leitung zwischen Kondensator und Wärmetauscher in die hydraulische Verbindung strömt.It is advantageous if the connecting line branches off on the high pressure side of the feed pump, as at this point in the line circuit, a higher pressure level prevails and the working fluid thus flows unhindered from the line between the condenser and heat exchanger in the hydraulic connection.

Es zeigt sich als vorteilhaft, wenn die Verbindungsleitung in einen Leitungsabschnitt der hydraulischen Verbindung mündet, der zwischen der Regeleinrichtung und dem Kondensator angeordnet ist, da gerade an dieser Stelle in der hydraulisehen Leitung das Arbeitsmediums leicht verdampft, weil es durch die Regeleinrichtung eine adiabate Drosselung erfährt.It proves to be advantageous if the connecting line opens into a line section of the hydraulic connection which is arranged between the control device and the condenser, since it is precisely at this point in the hydraulic line that the working medium evaporates easily, because it experiences an adiabatic throttling by the control device ,

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung umfasst ein steuerbares Ventil, welches in der Verbindungsleitung angeordnet ist, da durch dieses steuerbare Ventil, die abfließende Menge an Arbeitsmedium aus der Leitung zwischen Wärmetauscher und Kondensator an die Menge des Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung angepasst werden kann.An advantageous development of the device comprises a controllable valve, which is arranged in the connecting line, as can be adjusted by this controllable valve, the outflowing amount of working fluid from the line between the heat exchanger and condenser to the amount of working fluid in the hydraulic connection.

Ein weiterer Vorteil lässt sich durch eine Sensoreinheit, die im Wärmetauscher angeordnet ist und die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium misst, erzielen. Abhängig von der Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmediums gibt die Regeleinrichtung in der hydraulischen Leitung einen unterschiedlichen großen Strömungsquerschnitt frei. Befindet sich eine große Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium, so ist der Strömungsquerschnitt der Regeleinrichtung in der hydraulischen Leitung groß und es wird eine große Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff durch die Regeleinrichtung abgesteuert; befindet sich nur eine geringe Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium, so ist der Strömungsquerschnitt der Regeleinrichtung in der hydraulischen Leitung klein und es wird ein kleine Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff durch die Regeleinrichtung abgesteuert.Another advantage can be achieved by a sensor unit, which is arranged in the heat exchanger and measures the concentration of the additive in the liquid working medium. Depending on the concentration of the additive in the working medium, the control device releases a different large flow cross section in the hydraulic line. If there is a large concentration of the additive in the working medium, then the flow cross-section of the control device in the hydraulic line is large and it is a large amount of the working fluid with additive removed by the control device; if there is only a small concentration of the additive in the working medium, then the flow cross-section of the control device in the hydraulic line is small and it is a small amount of the working fluid with additive controlled by the control device.

Vorteilhaft zeigt sich hierbei, dass eine Regeleinrichtung die Durchflussmenge des flüssigen Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung abhängig von der Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher steuert. Dadurch ist eine genaue Regulierung der Menge des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff, das durch die hydraulische Verbindung abgesteuert wird, möglich. Es wird somit immer nur soviel Arbeitsmedium mit Zusatzstoff abgesteuert, wie maximal nötig ist und damit unnötige Leistungsanforderungen an die Speisepumpe reduziert werden.Advantageously, this shows that a control device controls the flow rate of the liquid working medium in the hydraulic connection depending on the concentration of the additive in the liquid working fluid in the heat exchanger. Thereby, a precise regulation of the amount of the working fluid with additive, which is controlled by the hydraulic connection, possible. It is thus always reduced so much working fluid with additive, as is necessary and thus unnecessary unnecessary power requirements are reduced to the feed pump.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung
  • 2 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel und
  • 3 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Show it:
  • 1 a device known from the prior art for the use of waste heat in a schematic representation
  • 2 a device for waste heat recovery in a schematic representation according to an embodiment and
  • 3 a device for waste heat recovery in a schematic representation according to an embodiment.

Die 1 bis 3 zeigen eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2 mit einem Leitungskreis 4, indem ein flüssiges oder gasförmiges Arbeitsmedium zirkuliert, wobei 1 eine bekannte Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus dem Stand der Technik zeigt. Im Leitungskreis 4 sind mindestens ein Wärmetauscher 8, eine Expansionsmaschine 10, ein Kondensator 12 und eine Speisepumpe 6 angeordnet. Weiterhin ist im Leitungskreis 4 eine hydraulische Verbindung 32 zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12 angeordnet. Diese hydraulische Verbindung 32 dient zum Austausch des flüssigen Arbeitsmediums zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12.The 1 to 3 show a device for waste heat utilization of an internal combustion engine 2 with a circuit 4 by circulating a liquid or gaseous working medium, wherein 1 shows a known device for waste heat recovery from the prior art. In the circuit circle 4 are at least one heat exchanger 8th , an expansion machine 10 , a capacitor 12 and a feed pump 6 arranged. Furthermore, in the circuit circle 4 a hydraulic connection 32 between heat exchangers 8th and capacitor 12 arranged. This hydraulic connection 32 serves to exchange the liquid working medium between the heat exchanger 8th and capacitor 12 ,

Die Brennkraftmaschine 2 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 2 ausgestattet sein. Speziell eignet sich die Vorrichtung zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung zur Abwärmenutzung der Erfindung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.The internal combustion engine 2 can in particular be used as an air-compressing, self-igniting or mixture-compressing, spark-ignited internal combustion engine 2 be equipped. Specifically, the device is suitable for waste heat utilization for applications in motor vehicles. However, the device for waste heat utilization of the invention is also suitable for other applications.

Die Brennkraftmaschine verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage, in der ein Abgaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt 22 der Abgasanlage ist durch den Wärmetauscher 8 geführt. Wärme aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird über den Leitungsabschnitt 22 an das im Wärmetauscher 8 vorgesehene Arbeitsmedium abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Abgaswärmetauscher 8 verdampft und überhitzt werden kann. The internal combustion engine burns fuel to generate mechanical energy. The resulting exhaust gases are discharged via an exhaust system in which an exhaust gas catalyst can be arranged. A line section 22 the exhaust system is through the heat exchanger 8th guided. Heat from the exhaust gases or exhaust gas recirculation is via the line section 22 to the in the heat exchanger 8th provided working fluid, so that the working fluid in the exhaust gas heat exchanger 8th can be vaporized and overheated.

Der Abgaswärmetauscher 8 des Leitungskreises 4 ist über eine Leitung 26 mit der Expansionsmaschine 10 verbunden. Die Expansionsmaschine 10 kann als Turbine oder Kolbenmaschine ausgestaltet sein. Über die Leitung 26 strömt das verdampfte Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine 10 und treibt diese an. Die Expansionsmaschine 10 weist eine Antriebswelle 11 auf, über die die Expansionsmaschine 10 mit einer Last verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise mechanische Energie an einen Antriebsstrang übertragen werden oder zum Antreiben eines elektrischen Generators, einer Pumpe oder dergleichen dienen. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 10 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung 28 zu dem Kondensator 12 geführt. Das über die Expansionsmaschine 10 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 12 abgekühlt und verflüssigt. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf 20 kann es sich um den Kühlkreislauf 20 der Brennkraftmaschine 2 handeln. Das im Kondensator 12 verflüssigte Arbeitsmedium wird über die Leitung 29 von einer Speisepumpe 6 in eine Leitung 24 transportiert. Hinter der Speisepumpe 6 befindet sich In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums eine Hochdruckseite und in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor der Speisepumpe eine Niederdruckseite.The exhaust gas heat exchanger 8th of the management circle 4 is over a line 26 with the expansion machine 10 connected. The expansion machine 10 can be configured as a turbine or piston engine. About the line 26 the vaporized working medium flows to the expansion machine 10 and drives them. The expansion machine 10 has a drive shaft 11 on, about which the expansion machine 10 connected to a load. As a result, for example, mechanical energy can be transmitted to a drive train or used to drive an electric generator, a pump or the like. After flowing through the expansion machine 10 is the working fluid over a line 28 to the capacitor 12 guided. The about the expansion machine 10 relaxed working fluid is in the condenser 12 cooled and liquefied. The capacitor 12 can with a cooling circuit 20 be connected. In this cooling circuit 20 it can be the cooling circuit 20 the internal combustion engine 2 act. That in the condenser 12 liquefied working fluid is being sent over the line 29 from a feed pump 6 in a line 24 transported. Behind the feed pump 6 There is a high-pressure side in the flow direction of the working medium and a low-pressure side upstream of the feed pump in the flow direction of the working medium.

Um den Druck in der Leitung 24, die als Zulauf zum Wärmetauscher 8 dient, zu regulieren, kann die Bypassverbindung 31 parallel zur Speisepumpe 6 vorgesehen werden. In der Bypassverbindung 31 kann sich ein Druckregelventil oder ein Überdruckventil 30 befinden. Durch das Überdruckventil 30 lässt sich der maximal zulässige Druck des Arbeitsmediums zwischen Speisepumpe 6 und Wärmetauscher 8 einstellen. Die Leitung 24 führt direkt in den Wärmetauscher 8, in dem das Arbeitsmedium verdampft und überhitzt wird. Über die Leitung 26 gelangt das verdampfte Arbeitsmedium erneut zur Expansionsmaschine 10 und das Arbeitsmedium durchströmt erneut den Leitungskreis 4. Durch die Speisepumpe 6 und die Expansionsmaschine 10 ist eine Durchlaufrichtung des Arbeitsmediums durch den Leitungskreis 4 gegeben. Somit kann den Abgasen und der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine 2 über den Wärmetauscher 8 fortwährend Wärmeenergie entzogen werden, die in Form von mechanischer Energie an die Last 11 abgegeben wird.To the pressure in the pipe 24 , which serves as an inlet to the heat exchanger 8th serves to regulate the bypass connection 31 parallel to the feed pump 6 be provided. In the bypass connection 31 can be a pressure control valve or a pressure relief valve 30 are located. Through the pressure relief valve 30 can be the maximum allowable pressure of the working medium between feed pump 6 and heat exchangers 8th to adjust. The administration 24 leads directly into the heat exchanger 8th , in which the working medium is evaporated and overheated. About the line 26 the vaporized working medium returns to the expansion machine 10 and the working medium flows through the circuit again 4 , Through the feed pump 6 and the expansion machine 10 is a passage direction of the working medium through the line circuit 4 given. Thus, the exhaust gases and the exhaust gas recirculation of the internal combustion engine 2 over the heat exchanger 8th continuously heat energy is withdrawn, in the form of mechanical energy to the load 11 is delivered.

Als flüssiges Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim Durchströmen des Leitungskreises 4 thermodynamische Zustandsänderungen, die idealer weise einem Organic Rankine Cycle Prozess entsprechen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt Danach wird der Dampf in der Expansionsmaschine 10 adiabat entspannt Dabei wird mechanische Energie gewonnen und auf die Welle 11 übertragen. Das Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 12 abgekühlt und wieder der Speisepumpe 6 zugeführt.As a liquid working medium, water can be used or another liquid that meets the thermodynamic requirements. The working medium experiences when flowing through the line circuit 4 thermodynamic state changes that ideally correspond to an Organic Rankine Cycle process. In the liquid phase, the working medium through the feed pump 6 Subsequently, the heat energy of the exhaust gas is transferred via the heat exchanger to the pressure level for the evaporation 8th delivered to the working medium. The working medium is isobarically evaporated and then overheated. Thereafter, the steam in the expansion machine 10 adiabat relaxes Mechanical energy is gained and onto the shaft 11 transfer. The working medium is then in the condenser 12 cooled and again the feed pump 6 fed.

In dem flüssigen Arbeitsmedium kann sich ein Zusatzstoff befinden, der das Einfrieren des flüssigen Arbeitsmediums verhindert. Als Zusatzstoff können z. B. Salze verwendet werden. Der Zusatzstoff löst sich im flüssigen Arbeitsmedium und wird mit dem flüssigen Arbeitsmedium vom Kondensator durch die Leitung 29 zur Speisepumpe 6 und weiter durch die Leitung 24 zum Wärmetauscher 8 transportiert. Im Wärmetauscher 8 wird das flüssige Arbeitsmedium verdampft, während die Zusatzstoffe im flüssigen Arbeitsmedium verbleiben. Das verdampfte Arbeitsmedium wird über die Leitung 26 weiter zur Expansionsmaschine 10 transportiert. Die Konzentration der Zusatzstoffe im verbliebenen flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 steigt dadurch kontinuierlich an.In the liquid working fluid may be an additive that prevents the freezing of the liquid working medium. As an additive z. As salts are used. The additive dissolves in the liquid working medium and is mixed with the liquid working medium from the condenser through the line 29 to the feed pump 6 and continue through the line 24 to the heat exchanger 8th transported. In the heat exchanger 8th the liquid working medium is evaporated while the additives remain in the liquid working medium. The vaporized working fluid is transferred via the line 26 continue to the expansion machine 10 transported. The concentration of the additives in the remaining liquid working medium in the heat exchanger 8th thus increasing continuously.

Die hydraulische Verbindung 32 befindet sich zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12 und dient zum Austausch des flüssigen Arbeitsmediums mit Zusatzstoffen. Durch die Druckdifferenz zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12 ist eine Durchflussrichtung vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 vorgegeben.The hydraulic connection 32 located between heat exchanger 8th and capacitor 12 and is used to replace the liquid working medium with additives. Due to the pressure difference between the heat exchanger 8th and capacitor 12 is a direction of flow from the heat exchanger 8th to the condenser 12 specified.

Durch die hydraulische Verbindung 32 kann das flüssige Arbeitsmedium mit der hohen Konzentration an Zusatzstoffen vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 geleitet werden. Im Kondensator 12 vermischt sich das flüssige Arbeitsmedium mit der hohen Konzentration an Zusatzstoffen aus der hydraulischen Leitung 32 mit flüssigem Arbeitsmedium ohne Zusatzstoffe, welches über die Leitung 28 von der Expansionsmaschine 10 in den Kondensator 12 gelangt. Somit findet ein Konzentrationsausgleich des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium statt.Through the hydraulic connection 32 can the liquid working fluid with the high concentration of additives from the heat exchanger 8th to the condenser 12 be directed. In the condenser 12 mixes the liquid working fluid with the high concentration of additives from the hydraulic line 32 with liquid working medium without additives, which via the line 28 from the expansion machine 10 in the condenser 12 arrives. Thus, a concentration compensation of the additive takes place in the working medium.

Die Zusatzstoffe müssen einen höheren Siedepunkt als das Arbeitsmedium haben und dürfen kein azetopes Gemisch mit dem Arbeitsmedium bilden, da sie ansonsten mit dem flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft würden und sich später an Bauteilen im Leitungskreis 4 ablagern würden.The additives must have a higher boiling point than the working medium and may do not form a mixture of azetopes with the working fluid, as they otherwise interact with the liquid working fluid in the heat exchanger 8th would evaporate and later on components in the circuit 4 would deposit.

In der hydraulischen Verbindung 32 kann sich eine Regeleinrichtung 34 befinden, welche die Durchflussmenge des flüssigen Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung 32 reduziert oder steuert. Die Regeleinrichtung 34 kann eine Drossel sein, die dazu dient, dass flüssige Arbeitsmedium in der hydraulischen Leitung 32 zu drosseln. Dadurch ist eine kontinuierliche Strömung des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 gegeben.In the hydraulic connection 32 can become a control device 34 located, which is the flow rate of the liquid working fluid in the hydraulic connection 32 reduces or controls. The control device 34 may be a throttle, which serves to fluid working fluid in the hydraulic line 32 to throttle. As a result, there is a continuous flow of the working medium with additive from the heat exchanger 8th to the condenser 12 given.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Regeleinrichtung 34 ein steuerbares Ventil oder eine steuerbare Drossel sein. Durch den Einsatz des steuerbaren Ventils oder der steuerbaren Drossel lässt sich die Menge des abfließenden Arbeitsmediums mit Zusatzstoff aus dem Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 verändern und an die Betriebssituation der Brennkraftmaschine oder die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 anpassen.In an alternative embodiment, the control device 34 be a controllable valve or a controllable throttle. By using the controllable valve or the controllable throttle, the amount of effluent working fluid with additive from the heat exchanger can be 8th to the condenser 12 change and the operating situation of the internal combustion engine or the concentration of the additive in the liquid working fluid in the heat exchanger 8th to adjust.

Die 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen eine Verbindungsleitung 36 vorgesehen ist, welche eine der Leitungen 24, 29 oder die Bypassverbindung 31 zwischen Kondensator 12 und Wärmetauscher 8 mit der hydraulischen Verbindung 32 verbindet. In der Verbindungsleitung 36 kann sich ein steuerbares Ventil 38 befinden. Die Verbindungsleitung 36 mündet stromab von der Regeleinrichtung 34 in die hydraulische Verbindung 32. Durch die Verbindungsleitung 36 gelangt flüssiges, noch nicht erhitztes Arbeitsmedium mit einer geringen Konzentration an Zusatzstoffen in die hydraulische Verbindung 32. Dieses noch nicht erhitzte Arbeitsmedium mit einer geringen Konzentration an Zusatzstoffen wird mit heißem und entspanntem Arbeitsmedium mit Zusatzstoffen aus dem Wärmetauscher 8 vermischt Dadurch lässt sich ein Verdampfen des erhitzten Arbeitsmediums mit Zusatzstoffen, welches aus dem Wärmetauscher 8 stammt, verhindern. Eine Ablagerung von Zusatzstoffen an den Kanalwänden wird somit vermieden.The 2 and 3 show embodiments in which a connecting line 36 is provided, which one of the lines 24 . 29 or the bypass connection 31 between capacitor 12 and heat exchangers 8th with the hydraulic connection 32 combines. In the connection line 36 can be a controllable valve 38 are located. The connection line 36 opens downstream of the control device 34 in the hydraulic connection 32 , Through the connection line 36 enters liquid, not yet heated working fluid with a low concentration of additives in the hydraulic connection 32 , This not yet heated working fluid with a low concentration of additives with hot and relaxed working fluid with additives from the heat exchanger 8th This allows evaporation of the heated working medium with additives, which from the heat exchanger 8th comes, prevent. A deposition of additives on the channel walls is thus avoided.

Die Verbindungsleitung 36 kann aus der Leitung 24, der Leitung 29 oder der Bypassverbindung 31 auf der Hochdruckseite oder der Niederdruckseite der Speisepumpe 6 abzweigen.The connection line 36 can out of the pipe 24 , the lead 29 or the bypass connection 31 on the high pressure side or the low pressure side of the feed pump 6 branch.

Das steuerbare Ventil 38 dient zur Regelung der Menge des abgesteuerten Arbeitsmediums aus einer der Leitungen 24, 29 oder der Bypassverbindung 31. Abhängig von der Betriebssituation der Brennkraftmaschine oder von der Temperatur und dem Druck des Arbeitsmediums mit Zusatzstoff, welches aus dem Wärmetauscher 8 in die hydraulische Verbindung 32 gelangt, muss eine andere Menge an kühleren Arbeitsmedium aus einer der Leitungen 24, 29 oder der Bypassverbindung 31 in die hydraulische Leitung 32 abgesteuert werden.The controllable valve 38 is used to control the amount of the rejected working fluid from one of the lines 24 . 29 or the bypass connection 31 , Depending on the operating situation of the internal combustion engine or on the temperature and pressure of the working fluid with additive, which from the heat exchanger 8th in the hydraulic connection 32 gets a different amount of cooler working fluid from one of the lines 24 . 29 or the bypass connection 31 in the hydraulic line 32 be repulsed.

Um die Fließrichtung vom kühleren Arbeitsmedium aus einer der Leitungen 24, 29 oder der Bypassverbindung 31 zwischen Kondensator 12 und Wärmetauscher 8 zur hydraulischen Leitung 32 zu gewährleisten, muss sichergestellt sein, dass das Druckniveau an der Stelle, an der die Verbindungsleitung 36 aus einer der Leitungen 24, 29 oder Bypassverbindung 31 abzweigt höher ist, als das Druckniveau an der Stelle an der die Verbindungsleitung 36 in die hydraulische Verbindung 32 mündet.To the flow direction of the cooler working fluid from one of the lines 24 . 29 or the bypass connection 31 between capacitor 12 and heat exchangers 8th to the hydraulic line 32 To ensure that the pressure level at the point where the connection line 36 from one of the lines 24 . 29 or bypass connection 31 branches off higher than the pressure level at the point where the connecting line 36 in the hydraulic connection 32 empties.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 zweigt die Verbindungsleitung 36 auf der Niederdruckseite der Speisepumpe 6 ab. Die Verbindungsleitung 36 ist in unmittelbarer Nähe des Druckregelventils 30 in der Bypassverbindung 31 angeordnet Die Verbindungsleitung 36 kann auch aus der Leitung 29 in der Nähe der Speisepumpe 6 abzweigen.In the embodiment according to 2 branches the connection line 36 on the low pressure side of the feed pump 6 from. The connection line 36 is in the immediate vicinity of the pressure control valve 30 in the bypass connection 31 arranged The connection line 36 can also be out of the line 29 near the feed pump 6 branch.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 zweigt die Verbindungsleitung 36 auf der Hochdruckseite der Speisepumpe 6 ab. Die Verbindungsleitung 36 ist in Strömungsrichtung hinter der Speisepumpe 6 in der Leitung 24 angeordnet Die Verbindungsleitung 36 kann auch aus der Bypassverbindung 31 in Strömungsrichtung vor dem Druckregelventil 30 abzweigen.In the embodiment according to 3 branches the connection line 36 on the high pressure side of the feed pump 6 from. The connection line 36 is downstream of the feed pump 6 in the pipe 24 arranged The connection line 36 can also from the bypass connection 31 in the flow direction before the pressure control valve 30 branch.

Durch den Einsatz der in den 1 bis 3 gezeigten Sensoren oder Sensoreinheiten 40 im Wärmetauscher 8 kann die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 gemessen werden. Kommen schaltbare Ventile oder schaltbare Drosseln als Regeleinrichtung 34 zum Einsatz, kann abhängig von der von den Sensoren 40 gemessenen Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 die Durchflussmenge in der hydraulischen Verbindung 32 durch die Regeleinrichtung 34 gesteuert werden. Liegt eine hohe Konzentration von Zusatzstoffen im flüssigen Arbeitsmedium vor, so wird durch die Regeleinrichtung 34 eine hohe Durchflussmenge von flüssigem Arbeitsmedium mit Zusatzstoff zwischen Wärmetauscher 8 und Kondensator 12 ermöglicht. Ist eine geringe Konzentration von Zusatzstoffen im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 vorhanden, wird von der Regeleinrichtung 34 nur eine geringe Durchflussmenge oder kein Durchfluss des flüssigen Arbeitsmediums mit Zusatzstoff durch die hydraulische Leitung 32 ermöglicht.By using the in the 1 to 3 shown sensors or sensor units 40 in the heat exchanger 8th can the concentration of the additive in the liquid working fluid in the heat exchanger 8th be measured. Switchable valves or switchable chokes come as a control device 34 used, depending on the sensors 40 measured concentration of the additive in the liquid working medium in the heat exchanger 8th the flow rate in the hydraulic connection 32 through the control device 34 to be controlled. If there is a high concentration of additives in the liquid working medium, then the control device 34 a high flow rate of liquid working fluid with additive between heat exchanger 8th and capacitor 12 allows. Is a low concentration of additives in the liquid working fluid in the heat exchanger 8th available, is from the control device 34 only a small flow or no flow of liquid working fluid with additive through the hydraulic line 32 allows.

Claims (12)

Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Leitungskreis (4), in dem eine Speisepumpe (6), mindestens ein Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10) und ein Kondensator (12) angeordnet sind, wobei im Leitungskreis (4) ein Arbeitsmedium zirkuliert und wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter der Speisepumpe (6) eine Hochdruckseite und in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor der Speisepumpe (6) eine Niederdruckseite vorliegt, wobei eine hydraulische Verbindung (32) mit einer Regeleinrichtung (34) zwischen Wärmetauscher (8) und Kondensator (12) angeordnet ist zum Austausch des flüssigen Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsleitung (36) vorgesehen ist, welche eine der Leitungen (24, 29) oder eine Bypassverbindung (31) parallel zur Speisepumpe (6) zwischen Kondensator (12) und Wärmetauscher (8) mit der hydraulischen Verbindung (32) verbindet.Device for utilizing waste heat of an internal combustion engine (2) with a line circuit (4) in which a feed pump (6), at least one heat exchanger (8), an expansion machine (10) and a condenser (12) are arranged, wherein in the line circuit (4) a working medium is circulated and in the flow direction of the working medium behind the feed pump (6) there is a high-pressure side and in the flow direction of the working medium in front of the feed pump (6) a low-pressure side, wherein a hydraulic connection (32) with a control device (34) between the heat exchanger (8) and condenser (12) is arranged for the exchange of the liquid working medium, characterized in that a connecting line (36) is provided which one of the lines (24, 29) or a bypass connection (31) parallel to the feed pump (6) between the condenser (12 ) and heat exchanger (8) with the hydraulic connection (32) connects. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (34) eine Drossel ist.Device after Claim 1 , characterized in that the control device (34) is a throttle. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (34) ein steuerbares Ventil oder eine steuerbare Drossel ist.Device after Claim 1 , characterized in that the control device (34) is a controllable valve or a controllable throttle. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckregelventil (30) in der Bypassverbindung (31) parallel zur Speisepumpe (6) angeordnet ist, mit dem der Druck in der Leitung (24) zwischen Speisepumpe (6) und Wärmetauscher (8) einstellbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a pressure regulating valve (30) in the bypass connection (31) is arranged parallel to the feed pump (6), with which the pressure in the line (24) between the feed pump (6) and the heat exchanger (8 ) is adjustable. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gezeichnet, dass die Verbindungsleitung (36) auf der Niederdruckseite der Speisepumpe (6) abzweigt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting line (36) branches off on the low-pressure side of the feed pump (6). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gezeichnet, dass die Verbindungsleitung (36) auf der Hochdruckseite der Speisepumpe (6) abzweigt.Device after Claim 5 , characterized in that the connecting line (36) branches off on the high pressure side of the feed pump (6). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (36) in einen Leitungsabschnitt zwischen der Regeleinrichtung (34) und dem Kondensator (12) in die hydraulische Verbindung (32) mündet.Device according to one of Claims 5 to 6 , characterized in that the connecting line (36) opens into a line section between the control device (34) and the condenser (12) in the hydraulic connection (32). Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (36) ein steuerbares Ventil (38) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the connecting line (36) a controllable valve (38) is arranged. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher (8) eine Sensoreinheit (40) angeordnet ist, die die Konzentration des Zusatzstoffes im Arbeitsmedium misst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the heat exchanger (8) a sensor unit (40) is arranged, which measures the concentration of the additive in the working medium. Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) für eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im flüssigen Arbeitsmediums ein Zusatzstoff befindet und dass das flüssige Arbeitsmedium mit dem Zusatzstoff durch eine hydraulische Verbindung (32) vom Wärmetauscher (8) hin zum Kondensator (12) geleitet wird.A method for waste heat utilization of an internal combustion engine (2) for a device according to one of the preceding claims, characterized in that in the liquid working medium is an additive and that the liquid working medium with the additive by a hydraulic connection (32) from the heat exchanger (8) towards Conductor (12) is passed. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium durch eine Sensoreinheit im Wärmetauscher (8) gemessen wird.Method according to Claim 10 , characterized in that the concentration of the additive in the liquid working medium by a sensor unit in the heat exchanger (8) is measured. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung (34) die Durchflussmenge des flüssigen Arbeitsmediums in der hydraulischen Verbindung (32) abhängig von der Konzentration des Zusatzstoffes im flüssigen Arbeitsmedium im Wärmetauscher (8) steuert.Method according to Claim 11 , characterized in that a control device (34) controls the flow rate of the liquid working medium in the hydraulic connection (32) depending on the concentration of the additive in the liquid working medium in the heat exchanger (8).
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