DE102013207170A1 - Waste heat recovery system for an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine 3, aufweisend einen in eine Abgasleitung 5 der Brennkraftmaschine 3 eingeschalteten Wärmetauscher 1a, 1b, der Teil eines Arbeitsfluidkreislaufs 8 mit zumindest einer Expansionsmaschine 9, einem Kondensator 10 und einer Fluidpumpe 13 ist. Erfindungsgemäß wird eine Möglichkeit der Nutzung der von einen Abwärmerückgewinnungssystem lieferbaren Leistung zum Antrieb einer Hochdruckpumpe 23 insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems aufgezeigt. Erreicht wird dies dadurch, dass die Expansionsmaschine 9 direkt oder indirekt und eine Welle 34 der Brennkraftmaschine 3 über ein Kupplungssystem und/oder ein Getriebesystem steuerbar mit einer Hochdruckpumpenwelle einer Hochdruckpumpe 23 eines Common-Rail-Einspritzsystems verbunden ist.The invention relates to a waste heat recovery system for an internal combustion engine 3, comprising a heat exchanger 1a, 1b connected to an exhaust pipe 5 of internal combustion engine 3, which is part of a working fluid circuit 8 with at least one expansion machine 9, a condenser 10 and a fluid pump 13. According to the invention, a possibility of using the power available from a waste heat recovery system to drive a high-pressure pump 23, in particular a common rail injection system, is shown. This is achieved in that the expansion machine 9 is directly or indirectly and a shaft 34 of the internal combustion engine 3 is controllably connected to a high pressure pump shaft of a high pressure pump 23 of a common rail injection system via a clutch system and / or a transmission system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine, aufweisend einen in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, der Teil eines Arbeitsfluidkreislaufs mit zumindest einer Expansionsmaschine, einem Kondensator und einer Fluidpumpe ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abwärmerückgewinnungssystems für eine Brennkraftmaschine. The present invention relates to a waste heat recovery system for an internal combustion engine, comprising a switched on in an exhaust line of the internal combustion engine heat exchanger, which is part of a working fluid circuit with at least one expansion machine, a condenser and a fluid pump. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a waste heat recovery system for an internal combustion engine.

Stand der Technik State of the art

Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der DE 10 2011 007 386 A1 bekannt. Die Expansionsmaschine ist dabei Teil eines Abwärmerückgewinnungssystems an einer Motorenanlage für ein Schiff. Dabei weist das Schiff zwei Brennkraftmaschinen auf, deren Abgassysteme jeweils mit dem System zur Abwärmerückgewinnung verbunden sind. Diese beiden Systeme weisen eine gemeinsame Expansionsmaschine in Form einer als Turbine ausgebildeten Expansionsmaschine auf, die von einem durch einen Wärmetauscher der jeweiligen Abgasleitung in die dampfförmige Phase überführten Fluid durchströmt wird. Die Expansionsmaschine beziehungsweise eine Abtriebswelle der Expansionsmaschine ist zur Erzeugung von Energie über ein Getriebe mit einem Generator drehantriebsverbunden. Such a waste heat recovery system is from the DE 10 2011 007 386 A1 known. The expansion machine is part of a waste heat recovery system on an engine system for a ship. In this case, the ship has two internal combustion engines whose exhaust systems are each connected to the system for waste heat recovery. These two systems have a common expansion machine in the form of a turbine designed as an expansion machine, which is traversed by a transferred through a heat exchanger of the respective exhaust pipe in the vapor phase fluid. The expansion machine or an output shaft of the expansion machine is rotationally connected to generate energy via a gear with a generator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, dessen lieferbare Leistung zweckdienlich nutzbar ist. The invention is based on the object to provide a waste heat recovery system for an internal combustion engine, the deliverable power is useful usable.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Expansionsmaschine direkt oder indirekt und/oder eine Welle der Brennkraftmaschine über ein Kupplungssystem und/oder ein Getriebesystem steuerbar mit einer Hochdruckpumpenwelle einer Hochdruckpumpe insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems verbunden ist. Das entsprechende Verfahren zum Betreiben des Abwärmerückgewinnungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass eine Expansionsmaschine direkt oder indirekt und eine Welle der Brennkraftmaschine über ein Kupplungssystem und/oder ein Getriebesystem steuerbar mit einer Hochdruckpumpenwelle einer Hochdruckpumpe insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems verbindbar ist. Dieser Ausgestaltung bzw. diesem Verfahren liegt zunächst einmal die Erkenntnis zu Grunde, dass von bekannten Abwärmerückgewinnungssystemen die zurückgewonnene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann beispielsweise in das Bordnetz eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, eingespeist wird. Dabei hängt der gesamte Wirkungsgrad des Systems sehr stark davon ab, ob diese zusätzliche elektrische Energie überhaupt genutzt, d.h. entweder in einer Batterie gespeichert oder direkt von verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug verwendet werden kann. Dabei ist darüber hinausgehend zu berücksichtigen, dass eine Speicherung in beispielsweise einer Batterie mit Verlusten verbunden ist. Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, indem die von dem Abwärmerückgewinnungssystems erbrachte Leistung zum Antrieb einer Hochdruckpumpe insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems verwendet wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei einem konventionellen Common-Rail-Einspritzsystem die Drehzahl der Hochdruckpumpe mit einem festen Übersetzungsverhältnis an die Drehzahl der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Die zum Antrieb der Hochdruckpumpe notwendige Leistung wächst proportional zum eingestellten Druck in einem Hochdruckspeicher (Rail) des Common-Rail-Einspritzsystems und zur Drehzahl der Hochdruckpumpe (Fördermenge). Eine Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades ist durch eine kraftstoffzulaufseitige (saugseitige) Mengenregelung der Hochdruckpumpe möglich. Hierbei wird der in die (gegebenenfalls mehreren) Pumpenelemente der Hochdruckpumpe fließende Kraftstoff durch ein stufenlos regelbares Magnetventil, das normalerweise eine Zumesseinheit (ZME) ist, dosiert. Dieses Magnetventil passt die in den Hochdruckspeicher geförderte Kraftstoffmenge dem Systembedarf an. Beispielsweise benötigt eine solche Hochdruckpumpe bei einem 2 Liter 4 Zylinder Dieselmotor mit ca. 105kw eine notwendige mechanische Antriebsleistung von 2kw bis ca. 3kw bei 300Nm (bei maximalen Hochdruckspeicherdruck und maximaler Drehzahl). Eine solche Leistung kann von dem Abwärmerückgewinnungssystem zumindest bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit oberhalb von ca. 70km/km/h in Fahrzeuganwendungen erreicht werden. This object is achieved in that the expansion machine is connected directly or indirectly and / or a shaft of the internal combustion engine via a clutch system and / or a transmission system controllably connected to a high pressure pump shaft of a high pressure pump, in particular a common rail injection system. The corresponding method for operating the waste heat recovery system is characterized in that an expansion machine directly or indirectly and a shaft of the internal combustion engine via a clutch system and / or a transmission system controllably connected to a high pressure pump shaft of a high pressure pump, in particular a common rail injection system is connectable. This refinement or this method is based, first of all, on the knowledge that the recovered energy is converted into electrical energy by known waste heat recovery systems, which energy is then fed, for example, into the vehicle electrical system of a vehicle into which the internal combustion engine is installed. The overall efficiency of the system depends very much on whether this additional electrical energy is used at all, i. either stored in a battery or used directly by various electrical consumers in the vehicle. In addition, it should be taken into account that storage in, for example, a battery is associated with losses. These disadvantages are avoided by the embodiment according to the invention and the method according to the invention by the power provided by the waste heat recovery system is used to drive a high pressure pump, in particular a common rail injection system. It should be noted that in a conventional common rail injection system, the speed of the high-pressure pump is coupled with a fixed ratio to the speed of the internal combustion engine. The power required to drive the high-pressure pump increases proportionally to the set pressure in a high-pressure accumulator (rail) of the common-rail injection system and to the speed of the high-pressure pump (flow rate). An improvement of the energy efficiency is possible by a fuel inlet side (suction side) flow control of the high-pressure pump. In this case, the fuel flowing into the (possibly several) pump elements of the high-pressure pump is metered through a continuously variable solenoid valve, which is normally a metering unit (ZME). This solenoid valve adjusts the amount of fuel delivered to the high-pressure accumulator according to the system requirements. For example, such a high-pressure pump in a 2-liter 4-cylinder diesel engine with about 105kw requires a necessary mechanical drive power of 2kw to about 3kw at 300Nm (at maximum high-pressure accumulator pressure and maximum speed). Such power may be achieved by the exhaust heat recovery system at least at a vehicle speed above about 70km / km / h in vehicle applications.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Hochdruckpumpenwelle über eine Erstkupplung des Kupplungssystems mit der Expansionsmaschine verbunden. Weiterhin ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Hochdruckpumpenwelle über eine Zweitkupplung des Kupplungssystems mit einer Welle der Brennkraftmaschine verbunden. Dabei kann dann gesteuert zwischen den beiden Kupplungen umgeschaltet werden beziehungsweise es kann auch die Hochdruckpumpenwelle sowohl mit der Expansionsmaschine als auch mit der Welle der Brennkraftmaschine verbunden werden. Diese Variante wird insbesondere dann gewählt werden, wenn die von der Expansionsmaschine erbrachte Leistung nicht oder nicht vollkommen ausreicht, um die Hochdruckpumpe mit der nötigen Leistung anzutreiben. In diesem Fall wird dann zusätzliche Leistung von einer Welle der Brennkraftmaschine abgenommen und zum Antrieb der Hochdruckpumpe genutzt. In a development of the invention, the high-pressure pump shaft is connected via an initial coupling of the coupling system to the expansion machine. Furthermore, in an advantageous embodiment of the invention, the high-pressure pump shaft is connected via a second clutch of the clutch system with a shaft of the internal combustion engine. It can then be switched between the two clutches controlled or it can also be connected to the high-pressure pump shaft both with the expansion machine and with the shaft of the internal combustion engine. This variant will be chosen in particular when the power provided by the expander machine is not or not completely sufficient to drive the high pressure pump with the necessary power. In In this case, additional power is then removed from a shaft of the internal combustion engine and used to drive the high-pressure pump.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Kupplungssystem zumindest eine Proportionalkupplung auf. Eine Proportionalkupplung hat sich zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Kupplungssystem besonders geeignet. Grundsätzlich ist aber jede Art eines Kupplungssystems beim Gegenstand der Erfindung einsetzbar.In a development of the invention, the coupling system has at least one proportional coupling. A proportional clutch has been particularly suitable for use in the clutch system according to the invention. In principle, however, any type of coupling system can be used in the subject matter of the invention.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Getriebesystem zumindest ein stufenloses Getriebe auf. Das Getriebesystem weist in weiterer Ausgestaltung zumindest ein Planetengetriebe mit einem Planetenräder tragenden Planetenradträger, ein Hohlrad und einen Sonnenrad auf. Ein solches Planetengetriebe ist erprobt und konstruktiv relativ einfach aufgebaut. Dabei ist ein solches Planetengetriebe hinsichtlich der Übersetzung beziehungsweise einzuleitender Antriebsleistung auch von unterschiedlichen Eingängen in einfacher Weise steuerbar. Dadurch kann besonders vorteilhaft die Antriebsdrehzahl der Hochdruckpumpe unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine eingestellt werden.In a further embodiment of the invention, the transmission system has at least one continuously variable transmission. The transmission system has, in a further embodiment, at least one planetary gear with a planetary gear bearing planetary gear, a ring gear and a sun gear. Such a planetary gear is tried and constructed structurally relatively simple. In this case, such a planetary gear with respect to the translation or einzuleitender drive power and different inputs in a simple manner controllable. As a result, the drive speed of the high-pressure pump can be set particularly advantageously independently of the speed of the internal combustion engine.

In Weiterbildung der Erfindung sind eine Welle, insbesondere eine Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine mit dem Planetenradträger, die Expansionsmaschine mit dem Sonnenrad und die Hochdruckpumpenwelle mit der Hohlradwelle gekoppelt. Diese Anbindung des Planetengetriebes an die einzelnen Komponenten hat sich als besonders geeignet erwiesen. In a development of the invention, a shaft, in particular a crankshaft, of the internal combustion engine with the planet carrier, the expansion engine with the sun gear and the high-pressure pump shaft with the ring gear shaft are coupled. This connection of the planetary gear to the individual components has proven to be particularly suitable.

Dabei ist wiederum in Weiterbildung der Erfindung die Welle, insbesondere die Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine über das stufenlose Getriebe mit dem Planetenradträger gekoppelt. Diese Einbindung des stufenlosen Getriebes (CVT-Getriebe) ist besonders geeignet, den Anteil der von der Brennkraftmaschine bereitgestellten Leistung zum Antrieb der Hochdruckpumpe in weiten Grenzen bezüglich des Antriebsmoments und/oder der Antriebsdrehzahl variabel zu gestalten.Again, in a further development of the invention, the shaft, in particular the crankshaft, the internal combustion engine coupled via the continuously variable transmission with the planet carrier. This integration of the continuously variable transmission (CVT transmission) is particularly suitable for making the portion of the power provided by the internal combustion engine for driving the high-pressure pump variable within wide limits with respect to the drive torque and / or the drive speed.

Die Steuerung des Kupplungssystems oder auch die Steuerung des Planetengetriebes und des stufenlosen Getriebes erfolgt über Steller, die von einem Steuergerät angesteuert werden. Dabei wird beispielsweise bei dem Planetengetriebe eine individuelle Abstützung der Planetenräder des Planetengetriebes eingestellt. Bei dem Kupplungssystem lässt sich die notwendige Leistung der Hochdruckpumpe aus einem zu errechnenden Hochdruckspeicherdruck und den Einspritzmengen, die von den Kraftstoffinjektoren in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt werden (sollen), berechnen. Die von dem Abwärmerückgewinnungssystem lieferbare Leistung lässt sich aus der Abgasenergie der Brennkraftmaschine (über einen Abgasmassenstrom und eine Temperatur bzw. einen Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine) und dem Wirkungsgrad des Abwärmerückgewinnungssystems bestimmen. Ist die Leistung des Abwärmerückgewinnungssystems ausreichend, kann über die Kupplungen die Expansionsmaschine mit der Hochdruckpumpe eingekuppelt und die Brennkraftmaschine ausgekuppelt werden. Über die Proportionalkupplungen oder anders ausgebildeten Kupplungen lässt sich ein ruckfreies Umschalten ermöglichen. Der sich ändernde Momentenbedarf der Brennkraftmaschine wird über die Momentenkoordination und letztlich dann über die Kraftstoff-Einspritzung berücksichtigt. Die bei aktivem Abwärmerückgewinnungssystem reduzierte Einspritzmenge entspricht im Grunde der Einsparung durch die Rekuperation von Abgasenergie. The control of the clutch system or the control of the planetary gear and the continuously variable transmission via actuators, which are controlled by a control unit. In this case, for example, in the planetary gear an individual support of the planet gears of the planetary gear set. In the clutch system, the necessary power of the high-pressure pump can be calculated from a high-pressure accumulator pressure to be calculated and the injection quantities injected by the fuel injectors into assigned combustion chambers of the internal combustion engine. The power available from the waste heat recovery system can be determined from the exhaust gas energy of the engine (via an exhaust gas mass flow and an engine operating point) and the efficiency of the waste heat recovery system. If the performance of the waste heat recovery system is sufficient, the expansion machine can be coupled with the high-pressure pump and the engine disengaged via the couplings. About the proportional couplings or differently designed couplings can be a jerk-free switching enable. The changing torque requirement of the internal combustion engine is taken into account via the moment coordination and then finally via the fuel injection. The reduced injection quantity when the waste heat recovery system is active corresponds basically to the saving due to the recuperation of exhaust gas energy.

Bei dem Getriebesystem mit einem Planetengetriebe und einem stufenlosen Getriebe erfolgt eine Anbindung der einzelnen Komponenten wie zuvor beschrieben ist. Die Berechnung der Leistungsanteile erfolgt dabei wie zuvor beschrieben worden ist. In the transmission system with a planetary gear and a continuously variable transmission is a connection of the individual components as described above. The calculation of the performance shares is carried out as previously described.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist auch die Kombination aus einer Expansionsmaschine, einer Brennkraftmaschine und einem weiteren Antriebssystem, beispielsweise einen Hybridantrieb (beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch oder einer beliebigen Kombination davon).Ein solches System bietet bezüglich des Umschaltvorgangs den Vorteil, dass dieser ruckfrei erfolgen kann, da beim Einkuppeln und/oder Auskuppeln der Expansionsmaschine und/oder der Brennkraftmaschine auf die Hochdruckpumpe der Hybridantrieb kurzzeitig entsprechende mechanische Leistung erzeugen oder rekuperieren kann.A further advantageous embodiment is also the combination of an expansion engine, an internal combustion engine and another drive system, for example a hybrid drive (for example, electrically, pneumatically or hydraulically or any combination thereof). Such a system offers the advantage, with regard to the switching process, that this takes place smoothly can, because when engaging and / or disengaging the expansion engine and / or the internal combustion engine to the high-pressure pump of the hybrid drive briefly generate or recuperate corresponding mechanical power.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind. Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, are described in more detail in the embodiments illustrated in the figures of the invention.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Es zeigen: Show it:

1 ein Schaltbild eines einen Fluidkreislauf aufweisenden Abwärmerückgewinnungssystem aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei eine Expansionsmaschine des Systems und eine Welle der Brennkraftmaschine über ein Kupplungssystem mit einer Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems verbunden ist und 1 a circuit diagram of a fluid circuit having waste heat recovery system from an exhaust stream of an internal combustion engine, wherein an expansion machine of the system and a shaft of the internal combustion engine is connected via a clutch system with a high pressure pump of a common rail injection system and

2 ein Schaltbild eines einen Fluidkreislauf aufweisenden Abwärmerückgewinnungssystem aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei eine Expansionsmaschine des Systems und eine Welle der Brennkraftmaschine über ein Getriebesystem mit einer Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems verbunden ist. 2 a circuit diagram of a fluid circuit having waste heat recovery system from an exhaust stream of an internal combustion engine, wherein an expansion machine of the system and a shaft of the internal combustion engine is connected via a transmission system with a high pressure pump of a common rail injection system.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

Das in 1 schematisch dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Wärmetauscher 1a auf, der von einem in einer Abgasleitung 5 geführten und den Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 2 einer Brennkraftmaschine 3 durchströmt ist. Zusätzlich oder alternativ zu dem Wärmetauscher 1a kann ein Wärmetauscher 1b vorgesehen sein, der in eine Abgasrückführleitung 4 eingesetzt ist. Über die Abgasrückführleitung 4 wird dem Abgasstrom 2 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert dem nicht dargestellten Ansaugsystem der Brennkraftmaschine 3 zugeführt. Die beiden Wärmetauscher 1a, 1b können gegebenenfalls über Bypassleitungen beispielsweise bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine oder eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, umgehbar seinThis in 1 schematically represented waste heat recovery system has a heat exchanger 1a on top of one in an exhaust pipe 5 guided and the waste heat stream forming exhaust stream 2 an internal combustion engine 3 is flowed through. Additionally or alternatively to the heat exchanger 1a can be a heat exchanger 1b be provided in an exhaust gas recirculation line 4 is used. About the exhaust gas recirculation line 4 becomes the exhaust gas flow 2 taken a subset of exhaust gas and controlled the intake system of the internal combustion engine, not shown 3 fed. The two heat exchangers 1a . 1b may optionally be bypassed via bypass lines, for example, in certain operating conditions of the internal combustion engine or a vehicle in which the internal combustion engine is installed

Der Brennkraftmaschine 3 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen unter Erzeugung von Arbeitsleistung zu heißen Abgas, das kontinuierlichen Betrieben der Brennkraftmaschine 3 den Abgasstrom 2 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 2 durch die Abgasleitung 5, von der auch die Abgasrückführleitung 4 abzweigt, wobei in der Abgasleitung 5 vor und/oder hinter dem Wärmetauscher 1a Abgasschalldämpfer 6 sowie Einrichtungen 7 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter eingebaut sein können, letztendlich in die Umgebung abgeführt. Die Brennkraftmaschine 3 ist insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraft betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt. Die Brennkraftmaschine kann aber auch eine fremdgezündete mit Benzin betriebene Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common-Rail-Einspritzsystem aufweist. The internal combustion engine 3 During operation, fuel and combustion air are supplied, which in combustion chambers produce hot gas to produce work, the continuous operation of the internal combustion engine 3 the exhaust gas flow 2 makes, burn. This is the exhaust gas flow 2 through the exhaust pipe 5 , from which also the exhaust gas recirculation line 4 branches off, being in the exhaust pipe 5 before and / or behind the heat exchanger 1a exhaust silencer 6 as well as facilities 7 for after-treatment of the exhaust gas may be incorporated in the form of, for example, a catalyst and / or a filter, ultimately discharged into the environment. The internal combustion engine 3 is in particular a self-igniting internal combustion engine, which is operated by diesel power. In this case, the diesel fuel is injected into the combustion chambers, for example by means of a common-rail injection system. The internal combustion engine can also be a spark-ignited gasoline-fueled internal combustion engine, which also has a common-rail injection system.

Der Wärmetauscher 1a und der Wärmetauscher 1b sind ihrerseits Teil eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom 2 bzw. der zurückgeführten Abgasmenge, das einen Arbeitsfluidkreislauf 8 aufweist. Der Arbeitsfluidkreislauf 8 weist neben dem Wärmetauschern 1a, 1b eine Expansionsmaschine 9, einen Kondensator 10, ggf. eine Kondensatpumpe 11, einen Ausgleichs- und Vorratsbehälter 12, eine Fluidpumpe 13 und ein Verteilerventil 14 auf. Mit dem Verteilerventil 14 wird die den Wärmetauschern 1a, 1b zugeführte Menge des Fluids eingestellt. Neben dem bezeichneten Komponenten sind beispielsweise ausgangsseitig der Wärmetauscher 1a, 1b Temperatursensoren, ausgangsseitig der Expansionsmaschine 9 ein Temperatur- und ein Drucksensor und ausgangsseitig der Fluidpumpe 13 ein weiterer Drucksensor vorgesehen. The heat exchanger 1a and the heat exchanger 1b are in turn part of a system for energy recovery from the exhaust stream 2 or the recirculated exhaust gas amount, a working fluid circuit 8th having. The working fluid circuit 8th points next to the heat exchangers 1a . 1b an expansion machine 9 , a capacitor 10 , if necessary, a condensate pump 11 , a compensation and storage tank 12 , a fluid pump 13 and a distribution valve 14 on. With the distribution valve 14 becomes the heat exchangers 1a . 1b supplied amount of the fluid adjusted. In addition to the designated components, for example, the output side of the heat exchanger 1a . 1b Temperature sensors, on the output side of the expansion machine 9 a temperature and a pressure sensor and the output side of the fluid pump 13 another pressure sensor is provided.

Die Expansionsmaschine 9 kann eine Kolbenmaschine oder eine Turbine sein. Im Falle einer Turbine wird normalerweise ein Reduktionsgetriebe nachgeschaltet, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und an die Drehzahlen einer Hochdruckpumpe 23 vorzugsweise eines Common-Rail-Einspritzsystems anzupassen. Der Abtrieb der Kolbenmaschine beziehungsweise der Ausgang des Reduktionsgetriebes gibt über eine Ausgangswelle 18 mechanische Energie zum Antrieb der vorgenannten Hochdruckpumpe 23 ab. Im Falle der Verwendung eines Reduktionsgetriebes an der Expansionsmaschine kann ein Getriebe an der Brennkraftmaschine entfallen (beziehungsweise umgekehrt). Die Hochdruckpumpe 23 muss dann entsprechend ausgelegt beziehungsweise konstruiert sein.The expansion machine 9 may be a piston engine or a turbine. In the case of a turbine, a reduction gear is normally connected downstream in order to reduce the high turbine speeds and to the speeds of a high-pressure pump 23 preferably to adapt to a common rail injection system. The output of the piston engine or the output of the reduction gear are via an output shaft 18 mechanical energy for driving the aforementioned high-pressure pump 23 from. In the case of using a reduction gear on the expansion machine, a gearbox on the internal combustion engine can be omitted (or vice versa). The high pressure pump 23 must then be designed or constructed accordingly.

Beim Betrieb des Systems zur Abwärmerückgewinnung wird von der Fluidpumpe 13 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid auf einen hohen Druck gebracht und den Wärmetauschern 1a, 1b zugeführt. Das Fluid wird in dem Wärmetauschern 1a, 1b erhitzt und unter hohen Druck in den dampfförmigen Zustand überführt. Der so erzeugte Dampf wird der Expansionsmaschine 9 zugeführt und treibt diese an. Die Expansionsmaschine 9 ist vorzugsweise eine Strömungsmaschine beispielsweise in Form einer Turbine. Um den Arbeitsfluidkreislauf 8 an der Expansionsmaschine 9 vorbei führen zu können, kann eine Bypassleitung 19 mit einem Bypassventil 20 vorgesehen sein, über die die Expansionsmaschine 9 umgehbar ist. Die Expansionsmaschine 9 kann aber – wie zuvor ausgeführt – gegebenenfalls auch eine Kolbenmaschine sein und dann direkt mit der Ausgangswelle 18 verbunden sein.When operating the system for waste heat recovery is provided by the fluid pump 13 a fluid suitable for a Rankine process is brought to a high pressure and the heat exchangers 1a . 1b fed. The fluid is in the heat exchangers 1a . 1b heated and transferred under high pressure in the vapor state. The steam produced in this way becomes the expansion machine 9 fed and drives this. The expansion machine 9 is preferably a turbomachine, for example in the form of a turbine. To the working fluid circuit 8th at the expansion machine 9 can lead past, a bypass line 19 with a bypass valve 20 be provided on the the expansion machine 9 is bypassable. The expansion machine 9 but may - as previously stated - optionally be a piston engine and then directly to the output shaft 18 be connected.

Das der Expansionsmaschine 9 zugeführte Fluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über die Abtriebswelle 15 (oder direkt über die Ausgangswelle 18) abgeführt wird. Danach wird der „kalte“ Dampf im Kondensator 10 kondensiert und letztendlich wieder der Fluidpumpe 13 zugeführt. The expansion machine 9 supplied fluid relaxes in this under the provision of mechanical shaft work, via the output shaft 15 (or directly through the output shaft 18 ) is discharged. Thereafter, the "cold" steam in the condenser 10 condenses and finally the fluid pump again 13 fed.

Die Ausgangswelle 18 ist in dem Ausführungsbeispiel nach 1 über eine Erstkupplung 21 eines Kupplungssystems mit einer Hochdruckpumpenwelle 22 einer Hochdruckpumpe 23 insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems verbunden. Grundsätzlich kann dass Einspritzsystem aber auch ein andersartiges Einspritzsystem sein. Beim Beispiel des Common-Rail Einspritzsystems fördert die Hochdruckpumpe 23 aus einem Tank 24 von einer Niederdruckpumpe über einen Filter 25 zugeführten Kraftstoff gesteuert über eine in die Hochdruckpumpe integrierte Zumesseinheit durch eine Hochdruckleitung in einen Hochdruckspeicher 26. Der Hochdruckspeicher 26 weist ein Druckbegrenzungsventil 27 auf, das über eine Kraftstoffrückführleitung 28 mit dem Tank 24 verbunden ist. Ebenfalls ist an die Kraftstoffrücklaufleitung 28 die Zumesseinheit angeschlossen, die von der Niederdruckpumpe geförderten Kraftstoff, der von der Zumesseinheit nicht zur Förderung in den Hochdruckspeicher weitergeleitet wird, zurück in die Kraftstoffrücklaufleitung 28 absteuert. Der Hochdruckspeicher 26 weist eine Anzahl von Hochdruckanschlüssen auf, die über Einspritzleitungen 29 mit Kraftstoffinjektoren 30 verbunden sind. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in der Figur nur eine Einspritzleitung 29 und ein Kraftstoffinjektor 30 dargestellt. Mittels der Kraftstoffinjektoren wird aus dem Hochdruckspeicher 26 entnommener Kraftstoff gesteuert in zugehörige Brennräume der Brennkraftmaschine 3 eingespritzt. Leckagekraftstoff der Kraftstoffinjektoren 30 wird über eine Leckageleitung 31 zurück in die Niederdruckleitung vor dem Filter 25 abgeleitet.The output shaft 18 is in the embodiment according to 1 over a first clutch 21 a coupling system with a high pressure pump shaft 22 a high pressure pump 23 in particular a common rail injection system connected. In principle, however, the injection system can also be a different type of injection system. In the example of the common rail injection system promotes the high pressure pump 23 from a tank 24 from a low-pressure pump via a filter 25 supplied fuel controlled by a metering unit integrated in the high-pressure pump by a High pressure line in a high pressure accumulator 26 , The high-pressure accumulator 26 has a pressure relief valve 27 on, that via a fuel return line 28 with the tank 24 connected is. Also to the fuel return line 28 connected to the metering unit, the fuel pumped by the low pressure pump, which is not forwarded by the metering unit for delivery in the high-pressure accumulator, back into the fuel return line 28 absteuert. The high-pressure accumulator 26 has a number of high-pressure connections, which via injection lines 29 with fuel injectors 30 are connected. For clarity, in the figure, only one injection line 29 and a fuel injector 30 shown. By means of the fuel injectors is from the high-pressure accumulator 26 removed fuel controlled in associated combustion chambers of the internal combustion engine 3 injected. Leakage fuel of the fuel injectors 30 is via a leakage line 31 back to the low pressure line in front of the filter 25 derived.

Die Hochdruckpumpenwelle 22 der Hochdruckpumpe 23 ist über eine Zweitkupplung 32 direkt oder über ein stufenloses Getriebe 33 mit einer Welle 34, die insbesondere die Kurbelwelle ist, der Brennkraftmaschine 3, die in dem entsprechenden Ausschnitt der Figur ausschnittsweise nochmals dargestellt ist, verbunden. Die Erstkupplung 21 und die Zweitkupplung 32 sind beispielsweise als Proportionalkupplungen als eine Ausführungsform ausgebildet und ermöglichen ein ruckfreies Umschalten des Antriebs der Hochdruckpumpenwelle 22 von der Expansionsmaschine 9 zu der Welle 34 der Brennkraftmaschine 3. Bei ausreichender Leistungsabgebe durch die Expansionsmaschine 9 wird die Hochdruckpumpenwelle 22 von der Expansionsmaschine 9 angetrieben. Für den Fall, beispielsweise bei Teillastbetrieb oder Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 3, dass die Expansionsmaschine 9 keine ausreichende Leistung abgibt, wird die Hochdruckpumpenwelle 22 direkt von der Brennkraftmaschine 3 angetrieben. Denkbar ist gegebenenfalls auch, dass die Brennkraftmaschine 3 unterstützend zum Antrieb der Hochdruckpumpenwelle 22 herangezogen wird. In diesem Fall müssen die Erstkupplung 21 und die Zweitkupplung 32 so ausgebildet sein, dass ein solcher dualer Antrieb möglich ist. Gesteuert wird der Betrieb des Gesamtsystems von einem Steuergerät, das das erweiterte Brennkraftmaschinensteuergerät sein kann: Das Steuergerät bestimmt aus der notwendigen Leistung der Hochdruckpumpe 23 und der von dem Abwärmerückgewinnungssystem lieferbaren Leistung insbesondere die Schaltung der Erstkupplung 21 und der Zweitkupplung 32.The high pressure pump shaft 22 the high pressure pump 23 is via a second clutch 32 directly or via a continuously variable transmission 33 with a wave 34 , which is in particular the crankshaft, the internal combustion engine 3 , which is shown in fragmentary detail in the corresponding section of the figure connected. The first clutch 21 and the second clutch 32 For example, they are designed as proportional couplings as an embodiment and enable a smooth switching of the drive of the high-pressure pump shaft 22 from the expansion machine 9 to the wave 34 the internal combustion engine 3 , With sufficient performance through the expansion machine 9 becomes the high pressure pump shaft 22 from the expansion machine 9 driven. For the case, for example, at partial load operation or idling operation of the internal combustion engine 3 that the expansion machine 9 does not deliver sufficient power, the high pressure pump shaft 22 directly from the internal combustion engine 3 driven. If necessary, it is also conceivable that the internal combustion engine 3 supporting the drive of the high pressure pump shaft 22 is used. In this case, the first clutch must 21 and the second clutch 32 be designed so that such a dual drive is possible. The operation of the entire system is controlled by a control unit, which may be the advanced engine control unit: The control unit determines from the necessary power of the high-pressure pump 23 and the power available from the waste heat recovery system, in particular, the circuit of the first clutch 21 and the second clutch 32 ,

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 das Kupplungssystem durch ein Getriebesystem ersetzt. Das Abwärmerückgewinnungssystem und das Einspritzsystem sind analog zu der 1 aufgebaut. Entsprechend wird diesbezüglich auf die vorherige Beschreibung verwiesen. Das Getriebesystem weist ein Planetengetriebe 35 mit einem Planetenräder 36 tragenden Planetenradträger, einem Hohlrad 37 und einem Sonnenrad 38 auf. Die Ausgangswelle 18 ist mit dem Sonnenrad 38, der Planetenradträger ist direkt oder über das stufenlose Getriebe 33 mit der Welle 34 der Brennkraftmaschine 3 und das Hohlrad 37 ist mit der Hochdruckpumpenwelle 22 verbunden. Bei dieser Ausgestaltung wird immer die von der Ausgangswelle 18 eingebrachte Leistung in das Planetengetriebe 35 eingeleitet und an die Hochdruckpumpenwelle 22 weitergeleitet. Zusätzlich wird bedarfsweise benötigte Leistung von der Brennkraftmaschine 3 in das Planetengetriebe 35 eingeleitet. Dabei kann der Anteil der von der Brennkraftmaschine 3 zu erbringenden Leistung über das stufenlose Getriebe 33 eingestellt werden. Im Falle der Verwendung eines Reduktionsgetriebes an der Expansionsmachine 9 kann das stufenlose Getriebe 33 an der Brennkraftmaschine entfallen. Bei Verwendung einer niedertourigen Kolbenexpansionsmaschine und entsprechender Auslegung des Planetengetriebes 35 kann das Reduktionsgetriebe an der Expansionsmaschine 9 und das stufenlose Getriebe 33 entfallen. Gesteuert wird auch bei dieser Ausführungsform der Betrieb des Gesamtsystems von einem Steuergerät, das das erweiterte Brennkraftmaschinensteuergerät sein kann: Das Steuergerät bestimmt aus der notwendigen Leistung der Hochdruckpumpe 23 und der von dem Abwärmerückgewinnungssystem lieferbaren Leistung insbesondere die Steuerung des Planetengetriebes 35 und des stufenlosen Getriebes 33.In the embodiment according to 2 is in contrast to the embodiment according to 1 the clutch system replaced by a transmission system. The waste heat recovery system and the injection system are analogous to the 1 built up. Accordingly, reference is made in this regard to the previous description. The transmission system has a planetary gear 35 with a planet wheels 36 bearing planet carrier, a ring gear 37 and a sun wheel 38 on. The output shaft 18 is with the sun wheel 38 , the planet carrier is direct or via the continuously variable transmission 33 with the wave 34 the internal combustion engine 3 and the ring gear 37 is with the high pressure pump shaft 22 connected. In this embodiment, always from the output shaft 18 introduced power in the planetary gear 35 introduced and to the high pressure pump shaft 22 forwarded. In addition, if required, required power from the internal combustion engine 3 in the planetary gear 35 initiated. In this case, the proportion of the internal combustion engine 3 to be provided power via the continuously variable transmission 33 be set. In the case of using a reduction gear on the expansion machine 9 can the continuously variable transmission 33 account for the internal combustion engine. When using a low-speed piston expansion machine and appropriate design of the planetary gear 35 can the reduction gear on the expansion machine 9 and the continuously variable transmission 33 omitted. Also controlled in this embodiment, the operation of the entire system of a control unit, which may be the advanced engine control unit: The controller determines from the necessary power of the high-pressure pump 23 and the power available from the waste heat recovery system, particularly the control of the planetary gear 35 and the continuously variable transmission 33 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011007386 A1 [0002] DE 102011007386 A1 [0002]

Claims (11)

Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine (3), aufweisend einen in eine Abgasleitung (5) der Brennkraftmaschine (3) eingeschalteten Wärmetauscher (1a, 1b), der Teil eines Arbeitsfluidkreislaufs (8) mit einer Expansionsmaschine (9), einem Kondensator (10) und einer Fluidpumpe (13) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (9) direkt oder indirekt und/oder eine Welle (34) der Brennkraftmaschine (3) über ein Kupplungssystem und/oder ein Getriebesystem steuerbar mit einer Hochdruckpumpenwelle (22) einer Hochdruckpumpe (23) insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems verbunden ist. Waste heat recovery system for an internal combustion engine ( 3 ), having one in an exhaust pipe ( 5 ) of the internal combustion engine ( 3 ) switched-on heat exchanger ( 1a . 1b ), the part of a working fluid circuit ( 8th ) with an expansion machine ( 9 ), a capacitor ( 10 ) and a fluid pump ( 13 ), characterized in that the expansion machine ( 9 ) directly or indirectly and / or a wave ( 34 ) of the internal combustion engine ( 3 ) via a clutch system and / or a transmission system controllable with a high-pressure pump shaft ( 22 ) a high pressure pump ( 23 ) is connected in particular a common rail injection system. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpenwelle (22) über eine Erstkupplung (21) des Kupplungssystems mit Expansionsmaschine (9) verbunden ist. Waste heat recovery system according to claim 1, characterized in that the high-pressure pump shaft ( 22 ) via a first clutch ( 21 ) of the coupling system with expansion machine ( 9 ) connected is. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpenwelle (22) über eine Zweitkupplung (32) des Kupplungssystems mit einer Welle (34) der Brennkraftmaschine (3) verbunden ist. Waste heat recovery system according to claim 1 or 2, characterized in that the high-pressure pump shaft ( 22 ) via a second clutch ( 32 ) of the coupling system with a shaft ( 34 ) of the internal combustion engine ( 3 ) connected is. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungssystem zumindest eine Proportionalkupplung aufweist. Waste heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling system has at least one proportional coupling. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebesystem zumindest ein stufenloses Getriebe (33) aufweist. Waste heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission system at least one continuously variable transmission ( 33 ) having. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebesystem zumindest ein Planetengetriebe (35) mit einem Planetenräder (36) tragenden Planetenradträger, einem Hohlrad (37) und einem Sonnenrad (38) aufweist. Waste heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission system at least one planetary gear ( 35 ) with a planetary gear ( 36 ) bearing planet carrier, a ring gear ( 37 ) and a sun wheel ( 38 ) having. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (34), insbesondere die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine (3) direkt oder indirekt mit dem Planetenradträger, die Expansionsmaschine (9) mit dem Sonnenrad (38) und die Hochdruckpumpenwelle (22) mit dem Hohlrad (37) gekoppelt sind.Waste heat recovery system according to claim 6, characterized in that the shaft ( 34 ), in particular the crankshaft of the internal combustion engine ( 3 ) directly or indirectly with the planet carrier, the expansion machine ( 9 ) with the sun wheel ( 38 ) and the high pressure pump shaft ( 22 ) with the ring gear ( 37 ) are coupled. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (34) der Brennkraftmaschine (3) über das stufenlose Getriebe (33) mit dem Planetenradträger gekoppelt ist. Waste heat recovery system according to claim 7, characterized in that the shaft ( 34 ) of the internal combustion engine ( 3 ) via the continuously variable transmission ( 33 ) is coupled to the planet carrier. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Antriebssystem, beispielsweise ein Hybridantrieb vorhanden ist, das einen ruckfreien Umschaltvorgang von der Expansionsmaschine (9) und/oder der Brennkraftmaschine (3) auf die Hochdruckpumpe (23) ermöglicht.Waste heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that a further drive system, for example a hybrid drive is present, the a jerk-free switching operation of the expansion machine ( 9 ) and / or the internal combustion engine ( 3 ) on the high pressure pump ( 23 ). Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems für eine Brennkraftmaschine (3), aufweisend einen in einer Abgasleitung (5) der Brennkraftmaschine (3) eingeschalteten Wärmetauscher (1a, 1b), der Teil eines Arbeitsfluidkreislaufs (8) mit zumindest einer Expansionsmaschine (9), einem Kondensator (10) und einer Fluidpumpe (13) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (9) direkt oder indirekt und eine Welle (34) der Brennkraftmaschine (3) über ein Kupplungssystem und/oder ein Getriebesystem steuerbar mit einer Hochdruckpumpenwelle (22) einer Hochdruckpumpe (23) insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems verbindbar ist. Method for operating a waste heat recovery system for an internal combustion engine ( 3 ), having one in an exhaust pipe ( 5 ) of the internal combustion engine ( 3 ) switched-on heat exchanger ( 1a . 1b ), the part of a working fluid circuit ( 8th ) with at least one expansion machine ( 9 ), a capacitor ( 10 ) and a fluid pump ( 13 ), characterized in that the expansion machine ( 9 ) directly or indirectly and a wave ( 34 ) of the internal combustion engine ( 3 ) via a clutch system and / or a transmission system controllable with a high-pressure pump shaft ( 22 ) a high pressure pump ( 23 ) in particular a common rail injection system is connectable. Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine notwendige Leistung der Hochdruckpumpe (23) aus einem zu erreichenden Druckspeicherdruck und einer zu erreichenden Einspritzmenge berechnet wird, dass eine von dem Abwärmerückgewinnungssystem lieferbare Leistung aus einer Abgasenergie der Brennkraftmaschine (3) bestimmt wird, und dass in Abhängigkeit der notwendigen Leistung der lieferbaren Leistung die Antriebssteuerung der Hochdruckpumpe (23) erfolgt. Method for operating a waste heat recovery system according to claim 10, characterized in that a necessary power of the high-pressure pump ( 23 ) is calculated from an accumulator pressure to be achieved and an injection quantity to be achieved, that a power available from the exhaust heat recovery system from an exhaust gas energy of the internal combustion engine ( 3 ), and that, depending on the necessary power of the deliverable power, the drive control of the high-pressure pump ( 23 ) he follows.
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