DE102013222511A1 - A method of operating a system for recovering energy from a waste heat stream of an internal combustion engine - Google Patents

A method of operating a system for recovering energy from a waste heat stream of an internal combustion engine Download PDF

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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 Arbeitsfluidkreislauf 4 mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer 3, einer über einen Bypass 12 steuerbar umgehbaren Expansionsmaschine 6, einen von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator 9 und eine Pumpe 5 aufweist. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine angegeben, bei dem die maximal notwendige Kühlleistung, die von dem Kondensator 9 aufgebracht werden muss, reduziert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass in dem Bypass 12 bei umgangener Expansionsmaschine 6 eine Drosselung des Arbeitsfluids und gleichzeitig in dem Arbeitsfluidkreislauf 4 eine Druckerhöhung einstellbar ist.The invention relates to a method for operating a system for recovering energy from a waste heat stream of an internal combustion engine, the system comprising a working fluid circuit 4 having at least one evaporator 3 arranged in the waste heat stream, an expansion machine 6 controllably bypassable via a bypass 12, a condenser 9 through which a coolant flows and a pump 5. According to the invention, a method for operating a system for recovering energy from a waste heat stream of an internal combustion engine is specified, in which the maximum necessary cooling power that must be applied by the condenser 9 is reduced. This is achieved by the fact that in the bypass 12 at bypassed expansion machine 6, a throttling of the working fluid and at the same time in the working fluid circuit 4, a pressure increase is adjustable.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluidkreislauf mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer, einer über einen Bypass steuerbar umgehbaren Expansionsmaschine, einen von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator und eine Pumpe aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes System zur Energierückgewinnung.The present invention relates to a method for operating a system for energy recovery from a waste heat stream of an internal combustion engine, wherein the system comprises a working fluid circuit with at least one disposed in the waste heat stream evaporator, a bypass controllable bypassable expansion machine, a flowed through by a coolant condenser and a pump , Furthermore, the invention relates to a corresponding system for energy recovery.

Stand der TechnikState of the art

Ein derartiges Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine und ein entsprechendes System sind aus der DE 10 2010 010 298 A1 bekannt. Das angegebene Verfahren beschäftigt sich mit einer Steuerung beziehungsweise Regelung der Pumpe. Denn entweder muss eine in ihrer Förderleistung regelbare Pumpe vorgesehen werden, oder aber es wird eine ungeregelte Pumpe mit einem Pumpenbypass vorgesehen, wobei die zum Verdampfer geleitete Menge des Arbeitsfluids durch mehr oder minder starkes Öffnen eines Ventils in dem Bypass eingestellt wird. Mit zunehmendem Verschließen des Ventils in dem Bypass wird mehr Arbeitsfluid in Richtung des Verdampfers geleitet, und mit zunehmendem Öffnen des Ventils in dem Bypass wird weniger Arbeitsmittel zu dem Verdampfer geleitet.Such a method for operating a system for energy recovery from a waste heat stream of an internal combustion engine and a corresponding system are known from DE 10 2010 010 298 A1 known. The specified method deals with a control or regulation of the pump. For either a variable in their capacity pump must be provided, or it is provided an unregulated pump with a pump bypass, wherein the supplied to the evaporator amount of the working fluid is adjusted by more or less strong opening of a valve in the bypass. As the valve in the bypass closes, more working fluid is directed towards the evaporator, and as the valve opens into the bypass, less working fluid is directed to the evaporator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem die maximal notwendige Kühlleistung, die von einem Kondensator aufgebracht werden muss, reduziert ist.The invention has for its object to provide a method for operating a system for energy recovery from a waste heat flow of an internal combustion engine, in which the maximum cooling power required, which must be applied by a capacitor is reduced.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Bypass zur Umgehung der Expansionsmaschine eine Drosselung des Arbeitsfluids und gleichzeitig in dem Arbeitsfluidkreislauf eine Druckerhöhung einstellbar ist. Das entsprechende System zur Energierückgewinnung sieht vor, dass der Bypass ein Bypassventil und der Arbeitsfluidkreislauf eine Druckregeleinrichtung aufweist.This object is achieved in that in the bypass for bypassing the expansion machine, a throttling of the working fluid and at the same time in the working fluid circuit, a pressure increase is adjustable. The corresponding system for energy recovery provides that the bypass has a bypass valve and the working fluid circuit has a pressure control device.

Hierbei umfasst die Drosselung des Arbeitsfluids bei umgangener Expansionsmaschine eine aktive Drosselung durch eine Drosseleinrichtung, die gegebenenfalls einstellbar ist. Eine aktive Drosselung des Arbeitsfluids ist an dieser Stelle zur Sicherstellung der Funktion des Arbeitsfluidkreislaufs notwendig.Here, the throttling of the working fluid in bypassed expansion machine comprises an active throttling by a throttle device, which is optionally adjustable. Active throttling of the working fluid is necessary at this point to ensure the function of the working fluid circuit.

Durch das Vorbeiführen des Arbeitsfluids an der Expansionsmaschine erfolgt keine Expansion des Arbeitsfluids, die mit einer Temperaturabsenkung verbunden ist. Dadurch, dass nunmehr das Fluid an der Expansionsmaschine vorbeigeführt wird, tritt das Arbeitsfluid mit einer höheren Temperatur in den Kondensator ein, so dass ein höherer Kühlleistungsbedarf zur Kondensation des Arbeitsfluids besteht. Die Auslegung des Kondensators bezüglich der maximalen Kühlleistung wird somit von diesem Betriebszustand bestimmt, da eine Reduzierung der vom Arbeitsfluid über den oder die Verdampfer aufgenommenen Wärme nicht unmittelbar erfolgen kann. Die Anordnung der Komponenten in dem Arbeitsfluidkreislauf und die thermische Trägheit des Verdampfers spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Bei einer Darstellung dieses Vorgangs in einem log (p), h-Diagramm durchläuft das Arbeitsfluid einen Zustand mit einer höheren Temperatur als bei einer Durchströmung der Expansionsmaschine und einer Expansion des Arbeitsfluids. Dementsprechend kommt in diesem Fall eine höhere thermische Leistung an dem Kondensator an und der Kühlleistungsbedarf wird dementsprechend erhöht.By passing the working fluid past the expansion machine, there is no expansion of the working fluid associated with a temperature drop. The fact that now the fluid is passed to the expansion machine, the working fluid enters the condenser at a higher temperature, so that a higher cooling power requirement for condensation of the working fluid. The design of the capacitor with respect to the maximum cooling capacity is thus determined by this operating state, since a reduction of the heat absorbed by the working fluid via the evaporator or evaporators can not be made directly. The arrangement of the components in the working fluid circuit and the thermal inertia of the evaporator play a crucial role. In an illustration of this process in a log (p), h diagram, the working fluid undergoes a higher temperature condition than when the expander is flowing and an expansion of the working fluid. Accordingly, in this case, a higher thermal power arrives at the condenser and the cooling power requirement is accordingly increased.

Die erforderliche Kühlleistung zur Verflüssigung des Arbeitsfluids setzt sich aber aus einem Anteil zur Abkühlung des überhitzten Dampfes des Arbeitsfluids bis zur Erreichung der Taulinie sowie dem Anteil für die Kondensation zusammen und ist folgendermaßen definiert:

Figure DE102013222511A1_0002
However, the required cooling capacity for liquefying the working fluid is composed of a proportion for cooling the superheated steam of the working fluid to the attainment of the dew point and the proportion for the condensation and is defined as follows:
Figure DE102013222511A1_0002

Erfolgt nun eine Druckerhöhung des Arbeitsfluids in dem Arbeitsfluidkreislauf, reduziert sich die erforderliche Gesamtkühlleistung bis zum Erreichen der Siedelinie, da die Siedetemperatur mit dem Druck zunimmt und die Kondensationsenthalpie geringer wird. Zwar steigt die Eintrittstemperatur in den Kondensator und damit die erforderliche Kühlleistung zur Erreichung der Taulinie mit der Druckerhöhung an, diese hat aber im Vergleich zur Kondensationsenthalpie einen kleineren Einfluss auf die erforderliche Gesamtkühlleistung. Somit wird im Ergebnis durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung der Gesamtkühlleistung erreicht.Now, if an increase in pressure of the working fluid in the working fluid circuit, the required total cooling power is reduced until reaching the boiling point, since the boiling temperature increases with the pressure and the enthalpy of condensation becomes lower. Although the inlet temperature rises in the condenser and thus the required cooling capacity to achieve the dew point with the pressure increase, but this has a smaller impact on the required overall cooling performance compared to the condensation enthalpy. Thus, as a result, a reduction of the total cooling capacity is achieved by the inventive method.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Drosselung durch ein Bypassventil einstellbar, wobei wiederum in Weiterbildung der Erfindung durch das Bypassventil gleichzeitig die Zuleitung zu der Expansionsmaschine absperrbar ist. Diese Ausgestaltung beziehungsweise dieses Verfahren betrifft die zuvor erwähnte aktive Drosselung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch verwirklicht, wenn das Arbeitsfluid durch den geöffneten Bypass (nur) an der Expansionsmaschine vorbei geführt wird. Diese Vorbeiführung erfolgt schon allein dadurch, dass die Expansionsmaschine dem Arbeitsfluid einen Strömungswiderstand entgegensetzt, so dass das Arbeitsfluid in den Bypass einströmt.In a further development of the invention, the throttling is adjustable by a bypass valve, wherein in turn, in a further development of the invention by the bypass valve at the same time the supply line to the expansion machine can be shut off. This embodiment or this method relates to the aforementioned active throttling. However, the inventive method is also realized when the working fluid is passed through the open bypass (only) on the expansion machine. This bypass is already effected solely in that the expansion machine opposes the flow of working fluid, so that the working fluid flows into the bypass.

In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Erhöhung des Drucks mittels einer Druckregeleinrichtung. Die Druckregeleinrichtung ist grundsätzlich an beliebiger Stelle in den Arbeitsfluidkreislauf eingebaut und mittels der Druckregeleinrichtung kann ein Druck pnormal (pn) und ein Druck phoch (ph) in dem Arbeitsfluidkreislauf eingestellt werden.In a further development of the invention, the increase of the pressure takes place by means of a pressure regulating device. The pressure control device is basically installed at any point in the working fluid circuit and by means of the pressure control device, a pressure p normal (p n ) and a pressure p high (p h ) are set in the working fluid circuit.

In weiterer Ausgestaltung ist die Druckregeleinrichtung in einen Ausgleichsbehälter eingebaut. Bei dieser Ausgestaltung ist der Ausgleichsbehälter beispielsweise in Art einer Kolbenpumpe ausgestaltet, so dass hierbei auf bekannte Konstruktionen zurückgegriffen werden kann.In a further embodiment, the pressure control device is installed in a surge tank. In this embodiment, the expansion tank is configured for example in the manner of a piston pump, so that in this case can be made of known constructions.

Weiterhin hat das erfindungsgemäße Verfahren und das entsprechende System Vorteile bezüglich der Ausnutzung der von einem Fahrzeug, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut ist, gewonnenen Abwärme. Dadurch, dass eine geringere Wärmemenge im Kondensator abgeführt wird, ist das untere Enthalpieniveau des Arbeitsfluids beim nächsten Durchlauf durch den Arbeitsfluidkreislauf höher. Das Arbeitsfluid kann somit beim nächsten Umschalten auf den Expansionsmaschinenbetrieb im Verdampfer stärker überhitzt werden und somit eine größere Leistung an der Expansionsmaschine abgegriffen werden.Furthermore, the method according to the invention and the corresponding system have advantages with regard to the utilization of the waste heat obtained by a vehicle in which the internal combustion engine is installed. By dissipating a smaller amount of heat in the condenser, the lower enthalpy level of the working fluid is higher on the next pass through the working fluid circuit. The working fluid can thus be overheated more strongly at the next switching to the expansion machine operation in the evaporator and thus a larger power can be tapped on the expansion machine.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the invention are shown in the following description of the drawing, in which an illustrated in the drawing embodiment of the invention is described in more detail.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 in schematischer Darstellung ein Schaltbild eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine und 1 a schematic diagram of a circuit diagram of a system for energy recovery from the waste heat stream of an internal combustion engine and

2 ein log (p), h-Diagramm, in dem die Zusammenhänge der erfindungsgemäß eingestellten Vorgänge dargestellt sind. 2 a log (p), h diagram in which the relationships of the inventively set operations are shown.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

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 derselben unter Wärmeentwicklung und der Erzeugung von mechanischer Arbeit verbrennen. Der entstandene Abwärmestrom wird über eine an der Brennkraftmaschine 1 angebrachte Abgasleitung 2 abgeführt und durch einen Verdampfer 3 geführt. Der Verdampfer 3 ist beispielsweise als Röhrenwärmetauscher ausgebildet und weist eine Anzahl von Röhren auf, durch die das heiße Abgas geleitet wird, bevor es auf der Ausgangsseite des Verdampfers 3 in die weiterführende Abgasleitung 2 gelangt. In die Abgasleitung 2 können vor oder hinter dem Verdampfer 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 2 in die Umgebung abgeleitet wird. Neben dem Verdampfer 3 kann ein weiterer als Verdampfer wirkender Wärmetauscher beispielsweise in eine Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine eingebaut sein, um auch die in der Abgasrückführleitung anfallende Abwärme der Brennkraftmaschine zu nutzen. 1 shows a schematic representation of a system for energy recovery from a waste heat stream of an internal combustion engine. During operation of an internal combustion engine, this fuel and combustion air are supplied to burn in combustion chambers of the internal combustion engine in the operation of the same under heat generation and the generation of mechanical work. The resulting waste heat flow is via an on the internal combustion engine 1 attached exhaust pipe 2 discharged and through an evaporator 3 guided. The evaporator 3 For example, it is designed as a tubular heat exchanger and has a number of tubes through which the hot exhaust gas is passed before it on the output side of the evaporator 3 in the secondary exhaust pipe 2 arrives. In the exhaust pipe 2 can be installed in front of or behind the evaporator, at least one exhaust muffler and / or a device for the aftertreatment of the exhaust gas, for example in the form of a catalyst and / or a soot filter, before the exhaust gas from the exhaust pipe 2 is derived into the environment. Next to the evaporator 3 For example, another heat exchanger acting as an evaporator can be installed in an exhaust gas recirculation line of the internal combustion engine in order to utilize the waste heat of the internal combustion engine arising in the exhaust gas recirculation line.

Der Verdampfer 3 ist Teil eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 und weist einen Arbeitsfluidkreislauf 4 auf, der von einem Arbeitsfluid, das beispielsweise Wasser oder ein organisches Medium wie Äthanol ist, durchströmt wird. Dazu ist eine Pumpe 5 in den Arbeitsfluidkreislauf 4 eingeschaltet, die das Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluidkreislauf 4 fördert. Die Pumpe 5 kann mechanisch, hydraulisch oder vorzugsweise elektrisch betrieben werden, wobei der Betrieb gesteuert werden kann. Das heißt, dass die Pumpe 5 zumindest in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Systems eingeschaltet und ausgeschaltet werden kann. Gegebenenfalls kann die Pumpe 5 darüber hinaus mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben werden, bei der gerade so viel Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluidkreislauf 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 in Lagern gelagerte 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 Antrieb 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 1 eingebaut ist, verbunden ist. The evaporator 3 is part of a system for energy recovery from the exhaust stream of the internal combustion engine 1 and has a working fluid circuit 4 which is flowed through by a working fluid, which is for example water or an organic medium such as ethanol. This is a pump 5 in the working fluid circuit 4 turned on, the working fluid through the working fluid circuit 4 promotes. The pump 5 can be operated mechanically, hydraulically or preferably electrically, wherein the operation can be controlled. That means the pump 5 switched on and off at least depending on operating conditions of the system. Optionally, the pump 5 moreover, be operated at an idle speed, in just as much working fluid through the working fluid circuit 4 is promoted that an expansion machine 6 is currently operated at an idle speed. The expansion machine 6 For example, has a turbine mounted in a housing, which is set by the flowing working fluid at a flow in rotational movement. The turbine has a shaft mounted in bearings 7 on that with a work machine 8th connected is. The working machine 8th For example, is a generator that generates electricity and is optionally stored in a battery, for example. The energy thus generated in the form of electricity can be used in any manner, for example when installing the internal combustion engine in a vehicle to drive the vehicle. The working machine 8th but can also be, for example, a hydraulic machine with which a hydraulic fluid is conveyed for example in a memory. Finally, the work machine can 8th also be a mechanical machine, for example, directly with a drive train of a vehicle, in which the internal combustion engine 1 is installed, connected.

Der Arbeitsfluidkreislauf 4 weist weiterhin einen Kondensator 9 auf, der von dem Arbeitsfluid und einem Kühlfluid durchströmt wird. Dazu weist der Kondensator 9 eine Kühlmittelzuführleitung 10 und eine Kühlmittelabführleitung 11 auf. Die Kühlmittelzuführleitung 10 und die Kühlmittelabführleitung 11 sind beispielsweise mit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine verbunden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Kühlmittelzuführleitung 10 und die Kühlmittelabführleitung 11 mit einem eigenen Kühler und einer eigenen Umwälzpumpe zur Förderung des Kühlmittels versehen sind.The working fluid circuit 4 also has a capacitor 9 which is flowed through by the working fluid and a cooling fluid. This is indicated by the capacitor 9 a coolant supply line 10 and a coolant discharge line 11 on. The coolant supply line 10 and the coolant discharge line 11 For example, they are connected to the cooling system of the internal combustion engine. But it can also be provided that the Kühlmittelzuführleitung 10 and the coolant discharge line 11 are provided with its own radiator and its own circulation pump for conveying the coolant.

Der Arbeitsfluidkreislauf 4 weist weiterhin einen die Expansionsmaschine 6 umgehenden Bypass 12 auf, der von einem Bypassventil 13 gesteuert wird. Das Bypassventil 13 ist als Dreiwegeventil ausgelegt und von dem Bypassventil 13 kann der Strömungsfluss des Arbeitsfluids in den Bypass 12 umgeleitet werden. Der Bypass 12 mündet stromabwärts der Expansionsmaschine 6 wieder in den Arbeitsfluidkreislauf 4 ein. Durch die Vorbeileitung des Arbeitsfluids an der Expansionsmaschine 6 entspannt das Arbeitsfluid nicht und wird zusätzlich beispielsweise von einer eigenständigen oder in das Bypassventil 13 integrierten Drosseleinrichtung gedrosselt. Die Zustandsänderung während dieses Drosselvorgangs führt zu einer höheren Eintrittstemperatur in den Kondensator 9 als bei einer Entspannung des Arbeitsfluids in der Expansionsmaschine 6 und somit zu einem höheren Kühlleistungsbedarf zur Kondensation des Arbeitsfluids. Die Auslegung des Kondensators 9 bezüglich der maximalen Kühlleistung wird somit von diesen Betriebszustandsänderungen mit einem Drosselvorgang bestimmt, da eine Reduzierung der von dem Arbeitsfluid über den Verdampfer 3 aufgenommenen Wärme nicht unmittelbar erfolgen kann. Die Anordnung der einzelnen Komponenten in dem Arbeitsfluidkreislauf 4 und die thermische Trägheit der Wärmeüberträger spielen hierbei eine entscheidende Rolle.The working fluid circuit 4 also has an expansion machine 6 immediate bypass 12 on top of a bypass valve 13 is controlled. The bypass valve 13 is designed as a three-way valve and by the bypass valve 13 can the flow of the working fluid into the bypass 12 be redirected. The bypass 12 flows downstream of the expansion machine 6 back into the working fluid circuit 4 one. By the bypassing of the working fluid at the expansion machine 6 does not relax the working fluid and in addition, for example, from a stand-alone or in the bypass valve 13 throttled integrated throttle device. The change of state during this throttling process leads to a higher inlet temperature into the condenser 9 as with a relaxation of the working fluid in the expansion machine 6 and thus to a higher cooling power requirement for condensation of the working fluid. The design of the capacitor 9 With respect to the maximum cooling capacity is thus determined by these operating state changes with a throttle operation, since a reduction of the working fluid through the evaporator 3 absorbed heat can not take place immediately. The arrangement of the individual components in the working fluid circuit 4 and the thermal inertia of the heat exchanger play a crucial role.

Weiterhin weist der Arbeitsfluidkreislauf 4 einen Ausgleichsbehälter 14 auf, der mit einer Druckregeleinrichtung 15 ausgestattet ist. Mit der Druckregeleinrichtung 15 kann der Druck des Arbeitsfluids in dem Arbeitsfluidkreislauf 4 und insbesondere in dem Kondensator 9 eingestellt werden. Dabei erfolgt eine Einstellung vorzugsweise in der Form, dass in einem nachfolgend noch erläuterten Betriebszustand der Druck des Arbeitsfluids in dem Kondensator von einem Druck pnormal (pn) auf einen Druck phoch (ph) erhöht werden kann. Dazu weist die Druckregeleinrichtung 15 beispielsweise einen Kolben auf, der mittels einer Kolbenstange in dem Ausgleichsbehälter 14 verstellt werden kann.Furthermore, the working fluid circuit 4 a surge tank 14 on top of that with a pressure regulator 15 Is provided. With the pressure regulator 15 may be the pressure of the working fluid in the working fluid circuit 4 and in particular in the condenser 9 be set. In this case, a setting is preferably made in the form that in an operating state explained below the pressure of the working fluid in the condenser can be increased from a pressure p normal (p n ) to a pressure p high (p h ). For this purpose, the pressure regulating device 15 For example, a piston, which by means of a piston rod in the expansion tank 14 can be adjusted.

Der Zusammenhang der erfindungsgemäß in dem Arbeitsfluidkreislauf 4 eingestellten Vorgänge mit der erforderlichen Kühlleistung ist in 2 anhand eines log (p), h-Diagramms dargestellt. Die Betriebspunkte des Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, während der in der Expansionsmaschine 6 von dem Arbeitsfluid Arbeit abgegeben wird, sind durch die Verbindung der Eckpunkte 1-2-3-4a charakterisiert. Dabei erfolgt von dem Eckpunkt 3 zu dem Eckpunkt 4a die Arbeitsabgabe in der Expansionsmaschine 6 bei gleichzeitiger Entspannung des Arbeitsfluids. Findet eine Umgehung der Expansionsmaschine 6 über den Bypass 12 bei gleichzeitiger Drosselung des Arbeitsfluids statt, durchläuft das Arbeitsfluid den Zustand 4b (1-2-3-4b) mit einer Temperatur t (4b) > t (4a). Dadurch kommt im Falle des Drosselvorgangs eine höhere thermische Leistung am Kondensator 9 an und der Kühlleistungsbedarf ist dementsprechend erhöht.The relationship of the invention in the working fluid circuit 4 set operations with the required cooling capacity is in 2 represented by a log (p), h-diagram. The operating points of the system for energy recovery from a waste heat flow of an internal combustion engine, while in the expansion machine 6 from which working fluid is discharged, are characterized by the connection of vertices 1-2-3-4a. In this case, the work output in the expansion machine takes place from the corner point 3 to the corner point 4a 6 with simultaneous relaxation of the working fluid. Finds a bypass of the expansion machine 6 over the bypass 12 with concomitant throttling of the working fluid, the working fluid passes through the condition 4b (1-2-3-4b) at a temperature t (4b)> t (4a). This results in the case of the throttle process, a higher thermal power at the capacitor 9 and the cooling power requirement is increased accordingly.

Die erforderliche Kühlleistung zur Verflüssigung des Arbeitsfluids setzt sich aus einem Anteil zur Abkühlung des überhitzten Arbeitsfluids in Form von Dampf bis zur Erreichung der Taulinie sowie dem Anteil für die Kondensation zusammen und ist folgendermaßen definiert:

Figure DE102013222511A1_0003
The required cooling capacity for liquefying the working fluid is composed of an amount for cooling the superheated working fluid in the form of steam until reaching the dew point and the proportion for the condensation and is defined as follows:
Figure DE102013222511A1_0003

Wird zusätzlich der Druck des Arbeitsfluids bei der Kondensation erhöht, reduziert sich die erforderliche Gesamtkühlleistung in dem Kondensator 9 bis zum Erreichen der Siedelinie, da die Siedetemperatur mit dem Druck zunimmt und die Kondensationsenthalpie geringer wird. Zwar steigt die Eintrittstemperatur in den Kondensator 9 und damit die erforderliche Kühlleistung zur Erreichung der Taulinie mit der Druckerhöhung an, diese hat aber im Vergleich zur Kondensationsenthalpie einen kleineren Einfluss auf die erforderliche Gesamtkühlleistung. Dieser Vorgang ist mittels der Zustände 5a (für die Expansion zum höheren unteren Druckniveau) sowie 5b (Umgehung der Expansionsmaschine 6 und Drosselung des Arbeitsfluids in dem Bypass 12) in dem Diagramm dargestellt.If, in addition, the pressure of the working fluid increases during the condensation, the required total cooling capacity in the condenser is reduced 9 until reaching the boiling point, since the boiling temperature increases with the pressure and the enthalpy of condensation is reduced. Although the inlet temperature rises in the condenser 9 and thus the required cooling capacity to achieve the dew point with the pressure increase, but this has a smaller impact on the required total cooling capacity compared to the condensation enthalpy. This process is described by states 5a (for the expansion to the higher lower pressure level) and 5b (bypassing the expansion machine 6 and throttling the working fluid in the bypass 12 ) are shown in the diagram.

Wird das Arbeitsfluid in einen nachfolgenden Betriebszustand wieder über die Expansionsmaschine 6 geleitet und entspannt, wird der Druck des Arbeitsfluids wieder auf das niedrigere Niveau abgesenkt, um die Expansionsmaschine 6 wirkungsgradoptimal zu betreiben. Zum Aufbau des Drucks phoch (ph) in dem Kondensator 9 wird – wie ausgeführt – beispielsweise die Druckregeleinrichtung 15 in dem Ausgleichsbehälter 14 verwendet.If the working fluid in a subsequent operating state again on the expansion machine 6 led and relaxed, the pressure of the working fluid is lowered back to the lower level to the expansion machine 6 to operate with optimum efficiency. To build up the pressure p high (p h ) in the condenser 9 is - as stated - for example, the pressure control device 15 in the expansion tank 14 used.

Neben der positiven Auswirkung auf die Auslegung des Kondensators, der durch die erforderliche geringere aufzubringende Kühlleistung kleiner ausgelegt sein kann, da Kühlleistungsspitzen abgesenkt werden, ergeben sich zudem Vorteile bezüglich der Ausnutzung der vom Fahrzeug gewonnenen Abwärme. Dadurch, dass eine geringere Wärmemenge im Kondensator 9 abgeführt wird, ist das untere Enthalpieniveau des Arbeitsfluids beim nächsten Durchlauf durch den Kreisprozess höher. Das Arbeitsfluid kann so beim nächsten Umschalten auf den Expansionsmaschinenbetrieb im Verdampfer 3 stärker überhitzt werden und eine größere Leistung kann an der Expansionsmaschine 6 abgegriffen werden.In addition to the positive effect on the design of the capacitor, which can be made smaller by the required lower applied cooling capacity, since cooling power peaks are lowered, there are also advantages in terms of utilization of the waste heat generated by the vehicle. This means that a smaller amount of heat in the condenser 9 is discharged, the lower enthalpy level of the working fluid at the next pass through the cycle is higher. The working fluid may be at the next switching to the expansion machine operation in the evaporator 3 be more overheated and a larger power can be on the expansion machine 6 be tapped.

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  • DE 102010010298 A1 [0002] DE 102010010298 A1 [0002]

Claims (9)

Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluidkreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer (3), einer über einen Bypass (12) steuerbar umgehbaren Expansionsmaschine (6), einen von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator (9) und eine Pumpe (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass (12) bei umgangener Expansionsmaschine (6) eine Drosselung des Arbeitsfluids und gleichzeitig in dem Arbeitsfluidkreislauf (4) eine Druckerhöhung einstellbar ist.A method of operating a system for recovering energy from a waste heat stream of an internal combustion engine, the system comprising a working fluid circuit ( 4 ) with at least one evaporator arranged in the waste heat stream ( 3 ), one via a bypass ( 12 ) controllable bypassable expansion machine ( 6 ), a condenser through which a coolant flows ( 9 ) and a pump ( 5 ), characterized in that in the bypass ( 12 ) with bypassed expansion machine ( 6 ) a throttling of the working fluid and simultaneously in the working fluid circuit ( 4 ) An increase in pressure is adjustable. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung durch ein Bypassventil (13) einstellbar ist.A method according to claim 1, characterized in that the throttling by a bypass valve ( 13 ) is adjustable. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Bypassventils (13) die Zuleitung zu der Expansionsmaschine (6) absperrbar ist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that by means of the bypass valve ( 13 ) the supply line to the expansion machine ( 6 ) can be shut off. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung des Drucks mittels einer Druckregeleinrichtung (15) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the increase of the pressure by means of a pressure regulating device ( 15 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Druckregeleinrichtung ein Druck pnormal (pn) und ein Druck phoch (ph) in dem Kondensator (9) einstellbar ist.A method according to claim 4, characterized in that by means of the pressure regulating device, a pressure p normal (p n ) and a pressure p high (p h ) in the capacitor ( 9 ) is adjustable. System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluidkreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer (3) einer über einen Bypass (12) steuerbar umgehbare Expansionsmaschine (6), einem von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator (9) und eine Pumpe (5) aufweist, und wobei in die Zuleitung zu der Expansionsmaschine stromabwärts des Bypasses (12) ein Absperrventil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (12) ein Bypassventil (13) und der Arbeitsfluidkreislauf (4) eine Druckregeleinrichtung (15) aufweist.System for recovering energy from a waste heat stream of an internal combustion engine, the system comprising a working fluid circuit ( 4 ) with at least one evaporator arranged in the waste heat stream ( 3 ) one via a bypass ( 12 ) controllable bypassable expansion machine ( 6 ), a condenser through which a coolant flows ( 9 ) and a pump ( 5 ) and wherein in the supply line to the expansion machine downstream of the bypass ( 12 ) a shut-off valve is arranged, characterized in that the bypass ( 12 ) a bypass valve ( 13 ) and the working fluid circuit ( 4 ) a pressure control device ( 15 ) having. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (13) regelbar einstellbar ist.System according to claim 6, characterized in that the bypass valve ( 13 ) is adjustable adjustable. System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (12) und/oder das Bypassventil eine Drosseleinrichtung aufweist.System according to claim 6 or 7, characterized in that the bypass ( 12 ) and / or the bypass valve has a throttle device. System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregeleinrichtung (15) in einen Ausgleichsbehälter (14) eingebaut ist.System according to one of claims 6 or 7, characterized in that the pressure control device ( 15 ) into a surge tank ( 14 ) is installed.
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