DE102012222035B4 - Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluid-Kreislauf 4 mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Wärmetauscher 2, eine Expansionsmaschine 6, einen Kondensator 9 und eine Pumpe 5 aufweist. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine angegeben, das den Wirkungsgrad des Systems insbesondere in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine erhöht. Erreicht wird dies dadurch, dass in dem System eine Zwischenspeicherung des Arbeitsfluids in einem in den Wärmetauscher 2 integrierten Zwischenspeicher 13 erfolgt und dass die Expansionsmaschine 6 getaktet betrieben wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluid-Kreislauf mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Wärmetauscher, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Pumpe aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein derartiges System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine.
  • Stand der Technik
  • Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der EP 500 530 A1 bekannt. Das Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine weist zunächst einmal die üblichen Komponenten eines solchen Systems, nämlich einen Arbeitsfluid-Kreislauf mit zumindest einem in dem Abwärmestrom der Brennkraftmaschine angeordneten Wärmetauscher, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Pumpe auf, die allesamt miteinander verschaltet sind. Die Besonderheit dieses Verfahrens bzw. dieses Systems ist eine Turbine, die mit einem Kompressor nach Art eines Abgasturboladers verbunden ist. Dabei ist an die die Turbine mit dem Kompressor verbindenden Welle eine elektrische Maschine angebaut, die als Generator oder als Motor betrieben werden kann. Dadurch ist es möglich, beim normalen Betrieb der Turbine die elektrische Maschine als Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen und umgekehrt bei Betrieb des Kompressors als Pumpe die elektrische Maschine als Motor zum Antrieb dieser Pumpe zu nutzen. Das System durch die durch den Wärmetauscher geleitete Menge des Abwärmestroms gesteuert.
  • Weiterhin sind aus der DE 10 2009 035 522 A1 , der DE 10 2009 045 380 A1 und der DE 10 2010 042 401 A1 Arbeitsfluid-Kreisläufe mit Wärmespeicher bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine (ORC-System) und ein entsprechendes System anzugeben, das den Wirkungsgrad des Systems, insbesondere in einem Teillastbereich einer Brennkraftmaschine, erhöht.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem System eine Zwischenspeicherung des Arbeitsfluids erfolgt und dass die Expansionsmaschine getaktet betrieben wird. Dadurch ist es im Ergebnis möglich, die Expansionsmaschine, insbesondere beim Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, mit einem besseren Wirkungsgrad zu betreiben. Hierbei ist es dann so, dass die Expansionsmaschine auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine immer in einem Lastbereich betrieben wird, der im Bereich des optimalen Wirkungsgrades der Expansionsmaschine liegt. Dies ist in der Regel ein Bereich, der im oberen Lastbereich oder im Volllastbereich der Brennkraftmaschine beziehungsweise des ORC-Systems erreicht wird. Da aber im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine deren Abwärmestrom nicht genügend Energie liefert, um die Expansionsmaschine kontinuierlich in deren Volllastbereich betreiben zu können, erfolgt einerseits eine Zwischenspeicherung des von dem Abwärmestrom in dessen dampfförmige Phase zu überführenden Arbeitsfluids in einem Zwischenspeicher und andererseits wird die Expansionsmaschine getaktet betrieben. Dabei wird die Expansionsmaschine während der Zeit, in der Arbeitsfluid in einem Zwischenspeicher gespeichert und Energie zugeführt wird, abgeschaltet und nur während der Zeitperiode, innerhalb der das Arbeitsfluid als Sattdampf aus der Zwischenspeicherung entnommen wird, wird die Expansionsmaschine betrieben. Der Zustand im Zwischenspeicher wird über die Entnahmemenge von Sattdampf und Zufuhr von kaltem Medium in Abhängigkeit der Energiezufuhr über das Abgas geregelt.
  • In weiterer Ausgestaltung Erfindung erfolgt die Taktung der Expansionsmaschine in Abhängigkeit des in dem Zwischenspeicher herrschenden Drucks des Arbeitsfluids.
  • In einer alternativen Ausführung erfolgt die Taktung der Expansionsmaschine in Abhängigkeit der in dem Zwischenspeicher gespeicherten Masse des Arbeitsfluids.
  • In weiterer alternativer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Taktung der Expansionsmaschine in Abhängigkeit eines gewünschten Massenstroms von Arbeitsfluid durch die Expansionsmaschine. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, Mischformen der verschiedenen Taktungen der Expansionsmaschine vorzunehmen. Alle verschiedenen Taktungsverfahren haben den Vorteil, dass die Expansionsmaschine immer im Bereich ihres optimalen Betriebsbereiches betrieben werden kann.
  • In Weiterbildung der Erfindung erfolgt in Abhängigkeit der Expanionsmaschinenleistung, einer Abdampfzeit und einer Abgastemperatur eine Füllstandsermittlung von Arbeitsfluid in dem Zwischenspeicher. Diese neuartige Möglichkeit ersetzt eine entsprechende Sensorik, die ansonsten an dem Zwischenspeicher installiert werden muss. Aus den genannten Kriterien wird dann in einer entsprechenden Steuereinheit mit einer Recheneinheit aufgrund von abgelegten Daten und Kennfeldern der tatsächliche Füllstand in dem Zwischenspeicher ermittelt. Dabei ist die Abdampfzeit zumindest proportional zur Betriebszeit der Expansionsmaschine.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird die Drehzahl der Expansionsmaschine im abgetakteten Zustand auf einer Mindestdrehzahl gehalten. Diese Mindestdrehzahl kann durch Einleitung einer entsprechend geringen Menge des Arbeitsfluids erfolgen oder aber auch durch beispielsweise einen elektrischen Antrieb der Expansionsmaschine. Diese Maßnahme stellt sicher, dass die Lagerung der Expansionsmaschine immer mit einer Mindestschmierstoffmenge beaufschlagt wird und ermöglicht insbesondere ein schnelles Hochlaufen der Expansionsmaschine bis auf die entsprechende Nenndrehzahl. Insgesamt wird dadurch das Betriebsverhalten der Expansionsmaschine verbessert und gleichzeitig der Verschleiß der Expansionsmaschine verringert.
  • In Weiterbildung der Erfindung weist das System zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine einen Zwischenspeicher für das Arbeitsfluid auf und der Zwischenspeicher ist in dem Wärmetauscher integriert. Dadurch wird der Bauteileaufwand des Systems nicht erhöht, wodurch die Kosten nicht oder nur gering erhöht werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenspeicher ein eingangsseitiges Absperrventil und ein auslassseitiges Absperrventil für das Arbeitsfluid auf. Dabei werden die Absperrventile bevorzugt elektrisch oder elektromechanisch betätigt und die Ansteuerung erfolgt von der elektronischen Steuereinheit, die in die elektronische Steuereinrichtung für die Brennkraftmaschine integriert sein kann.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 in schematischer Darstellung ein Schaltbild eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine,
    • 2 ein Ablaufdiagramm eines Systems zur Energierückgewinnung mit einer getaktet betriebenen Expansionsmaschine, und
    • 3 ein Ablaufdiagramm eines Systems zur Energierückgewinnung mit einer getaktet betriebenen Expansionsmaschine und einer Massenstromregelung.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung ein System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine werden dieser Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine beim Betrieb der Brennkraftmaschine unter Wärmeentwicklung verbrennen. Der Abwärmestrom aus Brennstoff und Brennluft wird über eine Abgasleitung 1 abgeführt und durch einen Wärmetauscher 2 geleitet. Der Wärmetauscher 2 ist beispielsweise als Röhrenwärmetauscher ausgebildet und weist eine Anzahl von Rohren 3 auf, durch die das heiße Abgas geleitet wird, bevor es auf der Ausgangsseite des Wärmetauschers 2 in die weiterführende Abgasleitung 1 gelangt. In die Abgasleitung 1 können vor oder hinter dem Wärmetauscher zumindest ein Abgasschalldämpfer und/oder eine Einrichtung zur Nachbehandlung des Abgases beispielsweise in Form eines Katalysators und/oder eines Rußfilters eingebaut sein, bevor das Abgas aus der Abgasleitung 1 in die Umgebung abgeleitet wird.
  • Der Wärmetauscher 2 ist Teil eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abwärmestrom der Brennkraftmaschine und weist einen Arbeitsfluid-Kreislauf 4 auf, der von einem Arbeitsfluid, das beispielsweise Wasser oder ein organisches Medium wie Ethanol ist, durchströmt wird. Dazu ist eine Pumpe 5 in den Arbeitsfluid-Kreislauf 4 eingeschaltet, die das Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluid-Kreislauf 4 fördert. Die Pumpe 5 kann mechanisch, hydraulisch oder vorzugsweise elektrisch betrieben werden, wobei der Betrieb gesteuert werden kann. Das heißt, dass die Pumpe zumindest in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Systems ein- und ausgeschaltet werden kann. Gegebenenfalls kann die Pumpe 5 darüber hinaus mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben werden, bei der gerade so viel Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluid-Kreislauf 4 gefördert wird, dass eine Expansionsmaschine 6 gerade mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben wird. Die Expansionsmaschine 6 weist beispielsweise eine in einem Gehäuse gelagerte Turbine auf, die von dem strömenden Arbeitsfluid bei einer Durchströmung in Drehbewegung versetzt wird. Die Turbine weist eine mit Lagern versehene Welle 7 auf, die mit einer Arbeitsmaschine 8 verbunden ist. Die Arbeitsmaschine 8 ist beispielsweise ein Generator, mit dem Strom erzeugt wird und gegebenenfalls beispielsweise in einer Batterie gespeichert wird. Die so in Form von Strom erzeugte Energie kann in beliebiger Art und Weise, beispielsweise beim Einbau der Brennkraftmaschine in ein Fahrzeug zum Betrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Die Arbeitsmaschine 8 kann aber auch beispielsweise eine hydraulische Maschine sein, mit der ein Hydraulikfluid beispielsweise in einen Speicher gefördert wird. Schließlich kann die Arbeitsmaschine 8 auch eine mechanische Maschine sein, die beispielsweise direkt mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, verbunden ist.
  • Der Arbeitsfluid-Kreislauf 4 weist weiterhin einen Kondensator 9 auf, der von dem Arbeitsfluid und einem Kühlfluid 10 durchströmt wird.
  • Der Arbeitsfluid-Kreislauf 4 funktioniert folgendermaßen:
  • Die Pumpe 5 fördert das in der flüssigen Phase 11 befindliche Arbeitsfluid in den Wärmetauscher 2, in dem das Arbeitsfluid durch das heiße Abgas in die dampfförmige Phase 12 überführt wird. Ausgangsseitig des Wärmetauschers 2 ist die Expansionsmaschine 6 angeordnet, in der das gasförmige Arbeitsfluid unter Antrieb der Expansionsmaschine 6 expandiert. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 6 wird das Arbeitsfluid dem Kondensator 9 zugeführt, in dem das Arbeitsfluid soweit herunter gekühlt wird, dass es wieder in die flüssige Phase 11 überführt wird, bevor es wiederum der Pumpe 5 zugeführt wird.
  • Der Wärmetauscher 2 ist gleichzeitig als Zwischenspeicher 13 für das Arbeitsfluid ausgebildet und weist ein eingangsseitiges Absperrventil 14a und ein auslassseitiges Absperrventil 14b auf. Die Absperrventile 14a, 14b können unabhängig voneinander, beispielsweise elektrisch angesteuert, geöffnet und geschlossen werden. Insbesondere beim Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, bei der die von der Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme für eine kontinuierliche und durchgehende Überführung des Arbeitsfluids von der flüssigen Phase 11 in die dampfförmige Phase 12 in dem Wärmetauscher 2 nicht ausreicht, können die Absperrventile 14a, 14b - wie nachfolgend noch erläutert wird - gesteuert geöffnet und geschlossen werden, um eine für den Betrieb der Expansionsmaschine 6 in ihrem optimalen Betriebsbereich nötige Menge von Arbeitsfluid in der dampfförmigen Phase 12 bei einem Zieldruck zu erzeugen. Dadurch kann die Expansionsmaschine 6 auch bei Teillast der Brennkraftmaschine immer in ihrem optimalen Betriebsbereich betrieben werden, während sie in einer Speicherphase des Arbeitsfluids in dem Zwischenspeicher 13 des Wärmetauschers 2 abgestellt oder im Leerlauf betrieben wird. Dieser Leerlaufbetrieb kann durch eine geringe, die Expansionsmaschine 6 durchströmende Menge von Arbeitsfluid erfolgen oder aber auch durch einen beispielsweise elektrischen Antrieb der Expansionsmaschine 6 durch beispielsweise die Arbeitsmaschine 8, die dann als beispielsweise elektrisch oder hydraulisch betriebener Motor betrieben wird.
  • In den Ablaufdiagrammen gemäß 2 und 3 sind jeweils auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate übereinanderliegend der Druck p des Arbeitsfluids, der Schaltzustand A des ausgangsseitigen Absperrventils 14b und der Schaltzustand E des eingangsseitigen Schaltventils 14a aufgetragen. Die Schaltzustände A, E sind jeweils mit 0 entsprechend einer geschlossenen Stellung und 1 entsprechend einer offenen Stellung angegeben. Zum Zeitpunkt t0 wird angenommen, dass der in den Wärmetauscher 2 integrierte Zwischenspeicher 13 vollständig aufgeladen ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das ausgangsseitige Absperrventil 14b geöffnet und bis zum Zeitpunkt t1 offengehalten. Während dieser Zeitdauer ist das eingangsseitige Absperrventil 14a geschlossen. Dadurch strömt aus dem Zwischenspeicher 13 Arbeitsfluid unter Abnahme des Drucks von pmax bis auf pmin . Pmax ist der Maximaldruck, der zum Betrieb der Expansionsmaschine 6 im Bereich ihres besten Betriebsbereichs erforderlich ist, während pmin der entsprechende Mindestdruck ist, bei dem die Expansionsmaschine 6 ebenfalls noch in ihrem besten Betriebsbereich arbeitet.
  • Danach wird das auslassseitige Absperrventil 14b geschlossen und das eingangsseitige Absperrventil 14a geöffnet. Zum Zeitpunkt t2 ist nach weiterer Druckabnahme der Zwischenspeicher 13 mit Arbeitsfluid gefüllt und das eingangsseitige Absperrventil 14a wird wieder geschlossen. Danach erfolgt bis zum Zeitpunkt t3 eine isochore Wärmezufuhr bis pmax . Zu diesem Zeitpunkt t3 wird das ausgangsseitige Absperrventil 14b wieder geöffnet und das in der gasförmigen Phase 12 befindliche Arbeitsfluid wird wieder der Expansionsmaschine 6 zugeführt. Die Expansionsmaschine 6 wird folglich in den Zeitfenstern t0 bis t1 und t3 bis t4 usw. betrieben.
  • Alternativ zu diesem beschriebenen Ablauf, bei dem der Zwischenspeicher auf einen bestimmten minimalen kritischen Druck pmin entleert wird, kann eine Massenregelung des Arbeitsfluids erfolgen, bei der eine minimale Masse mmin und eine maximale Masse mmax im Zwischenspeicher definiert werden. Das Regelungsschema ist dabei identisch zu dem in 2 dargestellten und zuvor beschriebenen Regelungsschema, wobei in diesem Falle pmin durch mmin und pmax durch mmax ersetzt werden.
  • In 3 ist ein Regelungsschema dargestellt, bei dem eine Massenstromregelung erfolgt. In diesem Falle wird ein gewünschter Massenstrom durch die Turbine der Expansionsmaschine 6 durch ein Verhältnis von Öffnungs- und Schließzeit des auslassseitigen Absperrventils 14b in einem vorgegebenen Rahmentakt in der Zeitspanne zwischen t0 und t1 eingeregelt. Der Rahmentakt ist von dem Schluckverhalten der Expansionsmaschine 6 abhängig, beispielsweise im Fall einer Turbine vom Düsendurchmesser einer Lavaldüse der Expansionsmaschine 6. Diese Betriebsart ist vor allem bei Systemen nützlich, bei denen die mechanische Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird und dort zeitlich abschnittsweise die Aufnahmeleistung des Bordnetzes begrenzt ist. Ansonsten ist die Erläuterung dieses Ablaufdiagramms der 2 analog zu der Erläuterung des Ablaufdiagramms gemäß 2.
  • Abschließend wird darauf hingewiesen, dass für den Fall, dass genügend Abwärme von der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht, die Expansionsmaschine 6 selbstverständlich auch kontinuierlich betrieben werden kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluid-Kreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Wärmetauscher (2), eine Expansionsmaschine (6), einen Kondensator (9) und eine Pumpe (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem System eine Zwischenspeicherung des Arbeitsfluids in einem Zwischenspeicher (13) erfolgt, wobei der Wärmetauscher (2) als Zwischenspeicher (13) ausgebildet ist, und dass die Expansionsmaschine (6) getaktet betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (13) ein eingangsseitiges Absperrventil (14a) und ein auslassseitiges Absperrventil (14b) aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspeicherung in Abhängigkeit von der in den Wärmetauscher (2) eingetragenen Abwärme des Abgases der Brennkraftmaschine gesteuert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktung der Expansionsmaschine (6) in Abhängigkeit des in dem Zwischenspeicher (13) herrschenden Drucks des Arbeitsfluids erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktung der Expansionsmaschine (6) in Abhängigkeit der in dem Zwischenspeicher (13) gespeicherten Masse des Arbeitsfluids erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktung der Expansionsmaschine (6) in Abhängigkeit eines gewünschten Massenstroms von Arbeitsfluid durch die Expansionsmaschine (6) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Expansionsmaschinenleistung und einer Abgastemperatur eine Füllstandsermittlung von Arbeitsfluid in dem Zwischenspeicher (13) erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Expansionsmaschine (6) im abgetakteten Zustand auf einer Mindestdrehzahl gehalten wird.
  9. System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluid-Kreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Wärmetauscher (2), einer Expansionsmaschine (6), einem Kondensator (9) und eine Pumpe (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Zwischenspeicher (13) für das Arbeitsfluid aufweist und dass der Zwischenspeicher (13) in den Wärmetauscher (2) integriert ist.
  10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (13) und/oder der Wärmetauscher (2) ein eingangsseitige Absperrventil (14a) und ein auslassseitiges Absperrventil (14b) für Arbeitsfluid aufweist.
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