DE102015214728A1 - Waste heat utilization assembly of an internal combustion engine and method for operating the waste heat recovery assembly - Google Patents
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Abstract
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine mit einem ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. In dem Arbeitskreislauf sind zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich und zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Abgastrakt ist parallel zu dem Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet. In dem Hochdruckbereich ist ein erster Drucksensor angeordnet.Waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine with a working medium leading a working circuit, wherein in the working circuit in the flow direction of the working medium, a feed pump, an evaporator, an expansion machine and a capacitor are arranged. In the working cycle, a high-pressure area is formed between the feed pump and the expansion machine, and a low-pressure area is formed between the expansion machine and the feed pump. The evaporator is also arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine. In the exhaust tract, an exhaust gas bypass duct is arranged parallel to the evaporator. In the high-pressure region, a first pressure sensor is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung.The invention relates to a waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine and to a method for operating the waste heat utilization arrangement.
Stand der TechnikState of the art
Abwärmenutzungsanordnungen von Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung hat keine Steuerung bzw. Regelung der Drücke im Hochdruckbereich oder Niederdruckbereich des Arbeitskreislaufs. The known waste heat utilization arrangement has no control or regulation of the pressures in the high pressure region or low pressure region of the working cycle.
Dadurch besteht das Risiko einer Überlastung der Komponenten des Arbeitskreislaufs.As a result, there is a risk of overloading the components of the working cycle.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Steuerung bzw. Regelung der Drücke im Hochdruckbereich und im Niederdruckbereich des Arbeitskreislaufs stattfindet. Dadurch wird die Lebensdauer und auch die Effektivität der Abwärmenutzungsanordnung gesteigert. Weiterhin kann die Expansionsmaschine durch eine Steuerung bzw. Regelung des Arbeitsmediumdrucks im Hochdruckbereich besonders effizient betrieben werden. In contrast, the waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine according to the invention has the advantage that control or regulation of the pressures takes place in the high-pressure region and in the low-pressure region of the working cycle. This increases the life and also the effectiveness of the waste heat utilization arrangement. Furthermore, the expansion machine can be operated particularly efficiently by controlling or regulating the working medium pressure in the high-pressure region.
Dazu umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. In dem Arbeitskreislauf sind zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich und zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Abgastrakt ist parallel zu dem Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet. Erfindungsgemäß ist in dem Hochdruckbereich ein erster Drucksensor angeordnet.For this purpose, the waste heat utilization arrangement comprises a working medium leading working circuit, wherein in the working circuit in the flow direction of the working medium, a feed pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser are arranged. In the working cycle, a high-pressure area is formed between the feed pump and the expansion machine, and a low-pressure area is formed between the expansion machine and the feed pump. The evaporator is also arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine. In the exhaust tract, an exhaust gas bypass duct is arranged parallel to the evaporator. According to the invention, a first pressure sensor is arranged in the high-pressure region.
Dadurch kann in Abhängigkeit des von dem Drucksensor ermittelten Drucks der Abgasmassenstrom auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal aufgeteilt werden. Ein Druckanstieg im Hochdruckbereich über einen Grenzwert hinaus wird dadurch vermieden. Die Lebensdauer der gesamten Abwärmenutzungsanordnung wird somit erhöht. Zusätzlich wird ein sicherer Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung gewährleistet. Weiterhin kann der für die Expansionsmaschine güngstigste bzw. effizienteste Druck des Arbeitsmediums damit eingestellt werden.As a result, depending on the pressure determined by the pressure sensor, the exhaust gas mass flow can be divided between the evaporator and the exhaust gas bypass duct. An increase in pressure in the high pressure range beyond a limit is thereby avoided. The life of the entire waste heat recovery assembly is thus increased. In addition, safe operation of the waste heat recovery device is ensured. Furthermore, the most favorable or most efficient pressure of the working medium for the expansion machine can thus be set.
Steigt die der Abwärmenutzungsanordnung im Abgastrakt zur Verfügung stehende Abwärmeenergie an, so muss der Massenstrom des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf erhöht werden, um die Abwärmenutzungsanordnung in einem bestimmten Temperaturbereich zu betreiben. Besonders bei organischen Arbeitsmedien und der Bedingung, dass überhitzter Dampf am Eintritt der Expansionsmaschine für die Leistungsabgabe vorliegen muss, ist der Temperaturbereich, innerhalb dessen die Abwärmenutzungsanordnung betrieben werden darf, klein. Folglich muss eine steigende Wärmezufuhr in den Arbeitskreislauf über eine Steigerung des Arbeitsmediummassenstroms abgefangen werden. Betrachtet man ein System mit konstantem Expansionsquerschnitt, so hat ein Arbeitsmediummassenstromanstieg einen Druckanstieg im Hochdruckbereich zur Folge.If the waste heat utilization arrangement available in the exhaust tract increases, the mass flow of the working medium in the working cycle must be increased in order to operate the waste heat utilization arrangement in a specific temperature range. Particularly in the case of organic working media and the condition that superheated steam must be present at the inlet of the power output expansion machine, the temperature range within which the waste heat recovery device is allowed to operate is small. Consequently, an increasing supply of heat must be absorbed in the working circuit via an increase in the working medium mass flow. Considering a system with a constant expansion cross section, a working medium mass flow increase results in a pressure increase in the high pressure area.
Zudem steigt mit zunehmender Wärmeaufnahme und damit zunehmendem Arbeitsmediummassenstrom der Kühlleistungsbedarf im Kondensator an, um das Arbeitsmedium vollständig zu verflüssigen. Je nach zur Verfügung stehender und benötigter Kühlleistung resultiert ein bestimmter Dampf- und Flüssigkeitsanteil im Arbeitskreislauf. Wird mehr Kühlleistung benötigt als zur Verfügung steht, steigt der Dampfanteil im Arbeitskreislauf an, wodurch ein Druckanstieg im Niederdruckbereich resultieren kann, wenn die Fluidmenge des Arbeitsmediums konstant ist, also beispielsweise ein Sammelbehälter für das Arbeitsmedium über ein Speiseventil vom Arbeitskreislauf getrennt ist.In addition, with increasing heat absorption and thus increasing working medium mass flow, the cooling power requirement in the condenser increases in order to completely liquefy the working medium. Depending on the available and required cooling capacity results in a certain vapor and liquid content in the working cycle. If more cooling capacity is required than is available, the proportion of steam increases in the working circuit, whereby a pressure increase in the low pressure range may result if the fluid amount of the working medium is constant, so for example a collecting container for the working fluid is separated from the working circuit via a feed valve.
Um den Druckanstieg sowohl im Niederdruck- als auch im Hochdruckbereich zu begrenzen, wird bei Überschreiten von definierten Druckgrenzwerten das Abgas in den Abgasbypasskanal derart geleitet, dass der gesamte Abgasmassenstrom oder zumindest ein Teil des zur Verfügung stehenden Abgasmassenstroms am Verdampfer vorbei geführt wird. Die Druckgrenzwerte liegen dabei unterhalb des maximal zulässigen Hochdrucks im System.In order to limit the increase in pressure both in the low-pressure and in the high-pressure region, the exhaust gas is passed into the exhaust gas bypass passage at defined pressure limits exceeded such that the entire exhaust gas mass flow or at least a portion of the available exhaust gas mass flow past the evaporator becomes. The pressure limits are below the maximum allowable high pressure in the system.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Niederdruckbereich ein zweiter Drucksensor angeordnet. Dadurch können die Drücke sowohl im Hochdruckbereich als auch im Niederdruckbereich sehr effektiv geregelt werden. Vorzugsweise sind dabei beide Drucksensoren jeweils an der Stelle des maximalen Drucks im Hochdruckbereich bzw. im Niederdruckbereich angebracht.In an advantageous development, a second pressure sensor is arranged in the low-pressure region. As a result, the pressures can be controlled very effectively both in the high pressure range and in the low pressure range. Preferably, both pressure sensors are each attached at the point of maximum pressure in the high pressure region or in the low pressure region.
Alternativ zur Regelung kann jedoch auch eine Steuerung in Form eines Kennfelds oder einer Funktion in einem Steuergerät verwendet werden. Die Steuerung der Aufteilung des Abgasmassenstroms auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal kann dabei in Abhängigkeit des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine bzw. in Abhängigkeit der Abgasmassenströme und -temperaturen erfolgen. Vorteilhafterweise wird dazu die Sensorik der Brennkraftmaschine verwendet. Alternativ oder zusätzlich können auch modellierte Werte aus einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine verwendet werden.Alternatively to the control, however, a control in the form of a map or a function in a control device can be used. The control of the distribution of the exhaust gas mass flow to the evaporator and to the exhaust gas bypass channel can be effected in dependence on the operating point of the internal combustion engine or in dependence on the exhaust gas mass flows and temperatures. Advantageously, the sensor system of the internal combustion engine is used for this purpose. Alternatively or additionally, modeled values from an engine control unit of the internal combustion engine can also be used.
In vorteilhaften Ausführungen ist in dem Abgastrakt ein Abgasbypassventil stromaufwärts der Parallelschaltung aus dem Verdampfer und dem Abgasbypasskanal angeordnet. Dadurch erfolgt die Aufteilung des Abgasmassenstroms auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal auf einfache Art und Weise. Eine sehr schnelle und effiziente Druckregelung des Arbeitskreislaufs kann so durch die Ansteuerung des Abgasbypassventils erzielt werden.In advantageous embodiments, an exhaust gas bypass valve upstream of the parallel circuit of the evaporator and the exhaust gas bypass passage is arranged in the exhaust system. As a result, the distribution of the exhaust gas mass flow to the evaporator and the exhaust gas bypass channel in a simple manner. A very fast and efficient pressure control of the working cycle can be achieved by the control of the exhaust gas bypass valve.
Vorteilhafterweise ist das Abgasbypassventil als Proportionalventil ausgeführt. Mit der Ausführung als Proportionalventil kann die Wärmemenge bedarfsgerecht an den Verdampfer abgeführt werden. Dadurch wird eine höhere Leistungsabgabe an der Expansionsmaschine erzielt, und die gesamte Abwärmenutzungsanordnung wird effizienter.Advantageously, the exhaust gas bypass valve is designed as a proportional valve. With the version as a proportional valve, the amount of heat can be dissipated as needed to the evaporator. As a result, a higher output is achieved on the expansion machine, and the whole waste heat utilization arrangement becomes more efficient.
Alternativ dazu ist das Abgasbypassventil als Schaltventil ausgeführt. Dadurch kann das Abgasbypassventil besonders kostengünstig ausgeführt werden.Alternatively, the exhaust bypass valve is designed as a switching valve. As a result, the exhaust gas bypass valve can be made particularly cost-effective.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist in dem Hochdruckbereich zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine mindestens ein Temperatursensor angeordnet. Dadurch kann zum einen der Arbeitskreislauf auf eine nicht zu überschreitende Maximaltemperatur geregelt werden, zum anderen können auch Eintrittstemperatur und Eintrittsdruck in die Expansionsmaschine geregelt werden, so dass die Expansionsmaschine äußerst effizient betrieben wird. Der Wirkungsgrad der gesamten Abwärmenutzungsanordnung steigt dadurch. In advantageous developments of the invention, at least one temperature sensor is arranged in the high-pressure region between the evaporator and the expansion machine. As a result, on the one hand, the working cycle can be regulated to a maximum temperature which can not be exceeded, and on the other hand, the inlet temperature and inlet pressure in the expansion machine can also be regulated so that the expansion machine is operated extremely efficiently. The efficiency of the entire waste heat recovery assembly increases thereby.
In vorteilhaften Ausführungen ist in dem Arbeitskreislauf parallel zu dem Verdampfer ein weiterer Verdampfer angeordnet. Dadurch kann dem Arbeitskreislauf weitere Wärmeenergie zugeführt werden, so dass die Abgabeleistung der Expansionsmaschine erhöht wird.In advantageous embodiments, a further evaporator is arranged parallel to the evaporator in the working cycle. As a result, further heat energy can be supplied to the working cycle, so that the output of the expansion machine is increased.
Alternativ kann in dem Arbeitskreislauf der weitere Verdampfer auch in Reihe zu dem Verdampfer angeordnet sein. Alternatively, the further evaporator may also be arranged in series with the evaporator in the working cycle.
Vorzugsweise ist der weitere Verdampfer auch in einem Rückführkanal für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine angeordnet. Dadurch werden zwei Wärmequellen im Abgastrakt verwendet: Die Abgaswärme in dem Rückführkanal, die ein sehr hohes Temperaturniveau aufweist, sowie die Abgaswärme, vorzugsweise in einem Endkanal des Abgastrakts nach einer Abgasnachbehandlung, die sich durch einen hohen Abgasmassenstrom auszeichnet. Preferably, the further evaporator is also arranged in a return duct for the exhaust gas back to the internal combustion engine. As a result, two heat sources are used in the exhaust system: The exhaust heat in the return channel, which has a very high temperature level, and the exhaust heat, preferably in an end channel of the exhaust tract after exhaust aftertreatment, which is characterized by a high exhaust gas mass flow.
Will man diese beiden Wärmequellen effektiv nutzen, um die Leistungsabgabe der Abwärmenutzungsanordnung zu maximieren, so muss der maximale Druck im Arbeitskreislauf abhängig von der Wahl des Arbeitsmediums sowohl im Hochdruck- als auch im Niederdruckbereich entsprechend hoch gewählt werden, um die Abwärmenutzungsanordnung auch in Betriebspunkten mit besonders viel Abgasenergie betreiben zu können. Dies hätte zur Folge, dass die Komponenten in der Abwärmenutzungsanordnung für einen höheren Druck ausgelegt werden müssten, was meist mit einer Zunahme an Gewicht und benötigtem Bauraum der Komponenten einhergehen würde. Zwar könnte in Betriebspunkten mit hohem Druckverhältnis an der Expansionsmaschine die Expanderleistung vergrößert werden, allerdings würden gleichzeitig auch die Systemkosten signifikant ansteigen, was sich wiederum nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzungsanordnung auswirken würde. Die vorliegende Erfindung dagegen ermöglicht die Nutzung beider Wärmequellen und gleichzeitig die Einhaltung von Druckbegrenzungen innerhalb des Arbeitskreislaufs. If you want to use these two heat sources effectively to maximize the power output of the waste heat recovery assembly, the maximum pressure in the working circuit must be selected according to the choice of working fluid in both high-pressure and low pressure range correspondingly high to the waste heat recovery assembly in operating points with particular to be able to operate a lot of exhaust gas energy. This would mean that the components in the waste heat recovery assembly would have to be designed for a higher pressure, which would usually be accompanied by an increase in weight and space requirements of the components. Although the expander power could be increased at operating points with a high pressure ratio on the expansion machine, at the same time the system costs would increase significantly, which in turn would adversely affect the economy of the waste heat recovery arrangement. The present invention, however, allows the use of both heat sources and at the same time compliance with pressure limitations within the work cycle.
Vorzugsweise wird dies durch das Abgasbypassventil im Abgastrakt realisiert, mit dem das Abgas bei Bedarf am Verdampfer über den Abgasbypasskanal vorbeigeführt wird. Dadurch wird der Wärmeeintrag in den Arbeitskreislauf bei Bedarf entsprechend reduziert, was eine optimale Auslegung der Abwärmenutzungsanordnung erlaubt.This is preferably realized by the exhaust gas bypass valve in the exhaust system, with which the exhaust gas is passed over the exhaust gas bypass duct on demand on the evaporator. As a result, the heat input into the working cycle is reduced as needed, which allows an optimal design of the waste heat recovery arrangement.
In verschiedenen Ausführungen kann der Abgasbypasskanal dabei parallel zu dem Verdampfer oder zu dem weiteren Verdampfer angeordnet sein. Weiterhin können auch beide Verdampfer jeweils mit einem Abgasbypasskanal und vorzugsweise auch mit einem dazugehörigen Abgasbypassventil versehen werden.In various embodiments, the exhaust gas bypass channel can be arranged parallel to the evaporator or to the further evaporator. Furthermore, both evaporators can each with an exhaust bypass duct and preferably also provided with an associated exhaust gas bypass valve.
Im Folgenden werden Verfahren zum Betreiben der Abwärmenutzungsanordnung der Brennkraftmaschine beschrieben, die eine Druckregelung bzw. Drucksteuerung des Arbeitskreislaufs beinhalten:In the following, methods for operating the waste heat utilization arrangement of the internal combustion engine are described, which include a pressure regulation or pressure control of the working cycle:
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf auf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet, wobei in dem Abgastrakt parallel zu dem Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet ist. Ein Abgasbypassventil teilt den Abgasmassenstrom auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal auf. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasbypassventil von einem Steuergerät derart angesteuert wird, dass ein maximaler Systemdruck des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf nicht überschritten wird.The method according to the invention for operating a waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine has a working cycle leading to a working medium, wherein a feed pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser are arranged in the working circuit in the flow direction of the working medium. The evaporator is also arranged in an exhaust gas tract of the internal combustion engine, wherein an exhaust gas bypass duct is arranged in the exhaust gas tract parallel to the evaporator. An exhaust bypass valve divides the exhaust gas mass flow to the evaporator and to the exhaust bypass passage. The method is characterized in that the exhaust gas bypass valve is controlled by a control unit such that a maximum system pressure of the working medium is not exceeded in the working cycle.
Dadurch regelt das Steuergerät den Systemdruck in dem Arbeitskreislauf so, dass die Druckbelastung der im Arbeitskreislauf angeordneten Komponenten nicht über einen festgelegten Grenzwert ansteigt. Damit wird eine festgelegte Lebensdauer der Abwärmenutzungsanordnung gewährleistet. Gleichzeitig wird das Kosten-Nutzen-Verhältnis der Abwärmenutzungsanordnung optimiert, da teure und überdimensionierte Komponenten vermieden werden.As a result, the control unit regulates the system pressure in the working circuit so that the pressure load of the components arranged in the working circuit does not rise above a defined limit value. This ensures a defined lifetime of the waste heat utilization arrangement. At the same time, the cost-benefit ratio of the waste heat utilization arrangement is optimized, since expensive and oversized components are avoided.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird für die Ansteuerung des Abgasbypassventils ein im Steuergerät hinterlegtes Kennfeld für die Brennkraftmaschine verwendet. Dadurch kann das Abgasbypassventil auf einfache Art und Weise angesteuert werden. Auf die Anordnung von Sensorik, insbesondere von Drucksensoren, im Arbeitskreislauf kann so gegebenenfalls verzichtet werden.In an advantageous embodiment of the method, a map stored in the control unit for the internal combustion engine is used for the control of the exhaust gas bypass valve. As a result, the exhaust gas bypass valve can be controlled in a simple manner. On the arrangement of sensors, in particular of pressure sensors, in the working cycle can be optionally waived.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem Arbeitskreislauf zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich ausgebildet und in dem Hochdruckbereich ein erster Drucksensor angeordnet. Der erste Drucksensor übermittelt Signale an das Steuergerät, und das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch kann eine Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf vorgenommen werden, nämlich in Abhängigkeit des vom ersten Drucksensor ermittelten Hochdrucks vor der Expansionsmaschine. Das Abgasbypassventil kann dadurch sehr schnell und effizient angesteuert werden. Auch eine nur kurzzeitige Überlastung der Komponenten der Abwärmenutzungsanordnung wird dadurch vermieden. In a further advantageous embodiment, a high-pressure region is formed in the working cycle between the feed pump and the expansion machine, and a first pressure sensor is arranged in the high-pressure region. The first pressure sensor transmits signals to the controller, and the controller controls the exhaust bypass valve in response to these signals. As a result, a regulation of the system pressure in the working cycle can be carried out, namely as a function of the high pressure determined by the first pressure sensor in front of the expansion machine. The exhaust bypass valve can be controlled very quickly and efficiently. Even a short-term overload of the components of the waste heat recovery assembly is thereby avoided.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Arbeitskreislauf zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet, wobei in dem Niederdruckbereich ein zweiter Drucksensor angeordnet ist. Der zweite Drucksensor übermittelt Signale an das Steuergerät, und das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch erfolgt die Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf auch für den Niederdruckbereich. Die Komponenten des Niederdruckbereichs, beispielsweise der Kondensator, können demzufolge für einen maximalen Niederdruck ausgelegt werden. In an advantageous development, a low-pressure region is formed in the working cycle between the expansion machine and the feed pump, wherein a second pressure sensor is arranged in the low-pressure region. The second pressure sensor transmits signals to the controller, and the controller controls the exhaust bypass valve in response to these signals. As a result, the regulation of the system pressure in the working cycle also takes place for the low pressure range. The components of the low-pressure region, such as the condenser, can therefore be designed for a maximum low pressure.
Vorteilhafterweise sind der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor jeweils an der Stelle des höchsten Drucks des Hochdruckbereichs bzw. des Niederdruckbereichs platziert.Advantageously, the first pressure sensor and the second pressure sensor are each placed at the location of the highest pressure of the high-pressure region or the low-pressure region.
In vorteilhaften Ausführungen des Verfahrens ermittelt das Steuergerät anhand der von mindestens einem Drucksensor – erster oder zweiter Drucksensor – übermittelten Signale ein Überschreiten eines Druckgrenzwertes und steuert daraufhin das Abgasbypassventil so an, dass der Abgasmassenstrom durch den Abgasbypasskanal erhöht wird. Dadurch wird der Abgasmassenstrom durch den Verdampfer verringert, es wird weniger Wärmeenergie in den Arbeitskreislauf eingespeist und der Druck im Arbeitskreislauf sinkt demzufolge.In advantageous embodiments of the method, the control unit determines on the basis of at least one pressure sensor - first or second pressure sensor - signals transmitted exceeding a pressure limit and then controls the exhaust bypass valve so that the exhaust gas mass flow is increased through the exhaust gas bypass channel. As a result, the exhaust gas mass flow is reduced by the evaporator, it is fed less heat energy in the working circuit and the pressure in the working circuit decreases accordingly.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Temperatursensor in dem Hochdruckbereich angeordnet. Der Temperatursensor übermittelt Signale an das Steuergerät, und das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch kann zum einen der Arbeitskreislauf, speziell der Hochdruckbereich vor zu hohen Temperaturen geschützt werden, was eine Erhöhung der Lebensdauer bedeutet. Zum anderen kann jedoch auch ein für die jeweilige Betriebssituation optimaler Zustand des Arbeitsmediums bezüglich Druck und Temperatur eingestellt werden. Die Expansionsmaschine kann dadurch sehr effizient betrieben werden.In an advantageous development, a temperature sensor is arranged in the high-pressure region. The temperature sensor transmits signals to the controller, and the controller controls the exhaust bypass valve in response to these signals. As a result, on the one hand, the working cycle, especially the high pressure area can be protected from excessive temperatures, which means an increase in the service life. On the other hand, however, it is also possible to set an optimum state of the working medium with regard to pressure and temperature for the respective operating situation. The expansion machine can thus be operated very efficiently.
In einer vorteilhaften Ausführung übermittelt der Temperatursensor Signale an das Steuergerät, und das Steuergerät steuert die Speisepumpe in Abhängigkeit der Temperatursignale an. Die Steuerung der Speisepumpe bewirkt eine Erhöhung bzw. Verringerung des Arbeitsmediummassenstroms. Dies führt wiederum zu einer Druckänderung im Arbeitskreislauf. Abhängig vom erfassten Drucksignalwert steuert das Steuergerät das Abgasbypassventil an. Dadurch können zum einen das Arbeitsmedium und speziell die Komponenten im Hochdruckbereich des Arbeitskreislaufs vor zu hohen Temperaturen geschützt werden, was eine Erhöhung der Lebensdauer bedeutet. Zum anderen kann auch ein für die jeweilige Betriebssituation optimaler Zustand des Arbeitsmediums bezüglich Druck und Temperatur eingestellt werden. Die Expansionsmaschine kann dadurch sehr effizient betrieben werden. In an advantageous embodiment, the temperature sensor transmits signals to the control unit, and the control unit controls the feed pump as a function of the temperature signals. The control of the feed pump causes an increase or decrease of the working medium mass flow. This in turn leads to a pressure change in the working cycle. Depending on the detected pressure signal value, the control unit activates the exhaust gas bypass valve. As a result, on the one hand the working medium and especially the components in the high pressure area of Working cycle are protected from excessive temperatures, which means an increase in life. On the other hand, it is also possible to set an optimum state of the working medium with regard to pressure and temperature for the respective operating situation. The expansion machine can thus be operated very efficiently.
In einer vorteilhaften Ausführung ist in dem Arbeitskreislauf parallel zu dem Verdampfer ein weiterer Verdampfer angeordnet, wobei der weitere Verdampfer auch in einem Rückführkanal für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine angeordnet ist. Durch die Anordnung von mehreren Verdampfern ist die Abwärmenutzungsanordnung sehr effizient ausgeführt. Eine Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf ist dabei besonders wichtig, da in bestimmten Betriebssituationen eine sehr hohe Wärmemenge über die Verdampfer in den Arbeitskreislauf eingespeist werden kann.In an advantageous embodiment, a further evaporator is arranged parallel to the evaporator in the working cycle, wherein the further evaporator is also arranged in a return duct for the exhaust gas back to the internal combustion engine. By disposing a plurality of evaporators, the waste heat utilization assembly is made very efficient. A regulation of the system pressure in the working cycle is particularly important because in certain operating situations, a very high amount of heat can be fed via the evaporator in the working cycle.
Vorteilhafterweise teilt ein Verteilerventil den Massenstrom des Arbeitsmediums auf den Verdampfer und auf den weiteren Verdampfer auf, wobei das Verteilerventil von dem Steuergerät angesteuert. Das Steuergerät verwendet zur Ansteuerung des Verteilerventils vorzugsweise sämtliche ihm zur Verfügung stehenden Daten, beispielsweise die in dem Arbeitskreislauf angeordnete Sensorik, oder auch die Sensorik der Brennkraftmaschine.Advantageously, a distributor valve divides the mass flow of the working medium onto the evaporator and onto the further evaporator, wherein the distributor valve is actuated by the control unit. The control unit preferably uses all data available to it for controlling the distributor valve, for example the sensor system arranged in the working circuit, or also the sensor system of the internal combustion engine.
Alternativ können auch zwei Speisepumpen die jeweilgen Massenströme zu dem Verdampfer und zu dem weiteren Verdampfer steuern.Alternatively, two feed pumps can control the respective mass flows to the evaporator and to the further evaporator.
Zeichnungendrawings
Beschreibungdescription
Der Brennkraftmaschine
Der Arbeitskreislauf
Der Arbeitskreislauf
- – einen
Hochdruckbereich 2a zwischen der Speisepumpe6 und derExpansionsmaschine 3 und - – einen
Niederdruckbereich 2b zwischen derExpansionsmaschine 3 und derSpeisepumpe 6 .
- - a
high pressure area 2a between thefeed pump 6 and theexpansion machine 3 and - - a low pressure area
2 B between theexpansion machine 3 and thefeed pump 6 ,
Im Hochdruckbereich
Im Abgastrakt
Der Kühlkreislauf
Das Steuergerät
Diese Möglichkeit zur Regelung des Kühlkreislaufs
Optional können weitere Sensoren, sowohl im Arbeitskreislauf
Die Brennkraftmaschine
Der Verdampfer
Der Arbeitskreislauf
In alternativen Ausführungen ist auch eine Reihenschaltung aus erstem Verdampfer
Der Sammelbehälter
Der Arbeitskreislauf
- –
den Hochdruckbereich 2a zwischen der Speisepumpe6 und derExpansionsmaschine 3 , der auch diebeiden Zweigleitungen 41 ,42 umfasst - –
den Niederdruckbereich 2b zwischen derExpansionsmaschine 3 und derSpeisepumpe 6 .
- - the
high pressure area 2a between thefeed pump 6 and theexpansion machine 3 who also has the twobranch lines 41 .42 includes - - the low pressure area
2 B between theexpansion machine 3 and thefeed pump 6 ,
Im Hochdruckbereich
Im Abgastrakt
Dazu sind im Endkanal
Optional können auch hier weitere Sensoren verwendet werden, beispielsweise Sensoren der Brennkraftmaschine
Der Arbeitskreislauf
Der Verdampfer
Die Anordnung von zwei Speisepumpen
Die Funktionsweise der Abwärmenutzungsanordnung
Die Speisepumpe
The
Um das Arbeitsmedium im Kondensator
Erfindungsgemäß sind Sensoren, vorwiegend im Arbeitskreislauf
- – der erste Drucksensor
11 im Hochdruckbereich 2a , - – der zweite Drucksensor
12 im Niederdruckbereich 2b , - –
der Temperatursensor 13 im Hochdruckbereich 2a zwischen Verdampfer10 undExpansionsmaschine 3 - – der Temperaturfühler
37 im Kühlkreislauf 20 - – der erste Temperatursensor
55a im Endkanal 55 - – der erste Massenstromsensor
55b im Endkanal 55 - – der zweite Temperatursensor
54a im Rückführkanal 54 - – der zweite Massenstromsensor
54b im Rückführkanal 54 .
- - the
first pressure sensor 11 in thehigh pressure area 2a . - - the
second pressure sensor 12 in the low pressure range2 B . - - the
temperature sensor 13 in thehigh pressure area 2a betweenevaporator 10 andexpansion machine 3 - - the
temperature sensor 37 in thecooling circuit 20 - - the
first temperature sensor 55a in theend channel 55 - - the first
mass flow sensor 55b in theend channel 55 - - the
second temperature sensor 54a in thereturn channel 54 - - The second
mass flow sensor 54b in thereturn channel 54 ,
Die Sensoren übermitteln Daten bzw. Signale an das Steuergerät
Erfindungsgemäß ist der Abgasbypasskanal
In Ausführungsformen mit zwei parallel geschalteten Verdampfern
Durch die Regelung der Drücke und optional auch der Temperaturen im Hochdruckbereich
Alternativ zu dem Einsatz der Sensoren können auch im Steuergerät
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Abwärmenutzungsanordnung
- – Steuerung bzw. Regelung des Abgasmassenstroms durch
den Verdampfer 10 . - – Steuerung bzw. Regelung des
Systemdrucks im Hochdruckbereich 2a . - – Steuerung bzw. Regelung des
Systemdrucks im Niederdruckbereich 2b . - – Steuerung bzw. Regelung der Arbeitsmediumtemperatur, insbesondere der
Dampftemperatur im Hochdruckbereich 2a . - – Steuerung bzw. Regelung des Arbeitsmediummassenstroms durch
das Verteilerventil 45 bzw. dieSpeisepumpen 6 ,8 . - – Steuerung bzw. Regelung der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus
dem Kondensator 4 .
- - Control or regulation of the exhaust gas mass flow through the
evaporator 10 , - - Control or regulation of the system pressure in the
high pressure area 2a , - - Control or regulation of the system pressure in the low pressure range
2 B , - - Control or regulation of the working medium temperature, in particular the steam temperature in the
high pressure region 2a , - - Control or regulation of the working medium mass flow through the
distribution valve 45 or the feed pumps6 .8th , - - Control or regulation of the outlet temperature of the working medium from the
condenser 4 ,
Für sämtliche Steuerungs- bzw. Regelungsvorgänge wird dabei vorzugsweise das Abgasbypassventil
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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