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Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung.
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Stand der Technik
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Abwärmenutzungsanordnungen von Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
WO 2013/028173 A1 . Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, 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. In dem Abgastrakt ist weiterhin ein Abgasbypasskanal zur Umgehung des Verdampfers angeordnet. Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung umfasst auch einen Kühlkreislauf.
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Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung hat jedoch keine Steuerung bzw. Regelung der Temperatur in dem Kühlkreislauf. Dadurch besteht das Risiko einer Überlastung der Komponenten des Kühlkreislaufs und in der Folge auch des Arbeitskreislaufs.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Steuerung bzw. Regelung des Kühlkreislaufs bzw. einer Kühlvorrichtung über einen Temperatursensor stattfindet. Dadurch wird die Lebensdauer insbesondere der Komponenten der Kühlvorrichtung erhöht. Weiterhin wird dadurch auch die Effektivität der Abwärmenutzungsanordnung gesteigert.
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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. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Abgastrakt ist parallel zu dem Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet, wobei in dem Abgastrakt ein Abgasbypassventil angeordnet ist. Die Aufteilung eines Massenstroms des Abgases der Brennkraftmaschine in den Verdampfer und in den Abgasbypasskanal ist durch das Abgasbypassventil steuerbar. Die Abwärmenutzungsanordnung umfasst weiterhin eine ein Kühlmedium führende Kühlvorrichtung. Der Kondensator ist in der Kühlvorrichtung angeordnet. Weiterhin ist zumindest ein Temperatursensor in der Kühlvorrichtung angeordnet.
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Dadurch kann in Abhängigkeit der von dem Temperatursensor ermittelten Temperatur der Abgasmassenstrom auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal aufgeteilt werden. Ein Temperaturanstieg in der Kühlvorrichtung über einen Grenzwert hinaus wird dadurch vermieden. Die Lebensdauer der gesamten Abwärmenutzungsanordnung, insbesondere der Komponenten der Kühlvorrichtung, wird somit erhöht. Zusätzlich wird ein sicherer Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung gewährleistet, da somit auch eine Überhitzung des Arbeitskreislaufs vermieden wird. Die Aufteilung des Abgasmassenstroms auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal erfolgt auf einfache Art und Weise durch das Abgasbypassventil. Eine sehr schnelle und effiziente Temperaturregelung der Kühlvorrichtung – und mittelbar damit auch des Arbeitskreislaufs – kann so durch die Ansteuerung des Abgasbypassventils erzielt werden.
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Vorteilhafterweise ist das Abgasbypassventil als Proportionalventil ausgeführt. Mit der Ausführung als Proportionalventil kann die Wärmemenge bedarfsgerecht an den Verdampfer abgeführt werden. Dadurch wird eine die höchste mögliche Leistungsabgabe an der Expansionsmaschine erzielt ohne den Kühlkreislauf zu überhitzen. Negative Wechselwirkungen zwischen dem Arbeitskreislauf und der Kühlvorrichtung werden dadurch vermieden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Kühlvorrichtung einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe und mit einem Kühler. Das Kühlmedium kann dabei ein flüssiges Kühlmedium sein. Dadurch können sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten realisiert werden, und die Kühlung des Kondensators ist demzufolge sehr effektiv. Es lassen sich sehr hohe Kühlleistungen realisieren.
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Steigt die Temperatur im Kühlkreislauf über den Grenzwert an, so wird die durch den Kondensator in den Kühlkreislauf eingetragene Wärmemenge reduziert, indem das Abgasbypassventil derart angesteuert wird, dass weniger Abgaswärmemenge in den Verdampfer eingeleitet wird. Infolgedessen wird weniger Wärmemenge über den Verdampfer in den Arbeitskreislauf eingetragen, womit auch weniger Wärmemenge über den Kondensator in den Kühlkreislauf gelangt. Die Temperatur im Kühlkreislauf kann dadurch wieder unter den Grenzwert gesenkt werden.
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Um den Temperaturanstieg im Kühlkreislauf zu begrenzen, wird bei Überschreiten von definierten Temperaturgrenzwerten also 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.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Brennkraftmaschine in dem Kühlkreislauf angeordnet. Dadurch benötigt die Abwärmenutzungsanordnung keinen separaten Kühlkreislauf. Alternativ können auch nur einzelne Komponenten des Kühlkreislaufs sowohl zur Kühlung der Brennkraftmaschine als auch zur Kühlung des Kondensators verwendet werden. In beiden Fällen ist es sehr wichtig, dass die Temperatur des Kühlkreislaufs nicht über den Grenzwert ansteigt, da andernfalls die Brennkraftmaschine nicht mehr wirkungsvoll gekühlt werden kann. In ungünstigen Fällen müsste andernfalls sogar die Leistung der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Temperatursensor in dem Kühlkreislauf stromaufwärts des Kondensators angeordnet und ein weiterer Temperatursensor stromabwärts des Kondensators. In alternativen Ausführungen kann auch lediglich ein Temperatursensor entweder stromaufwärts oder stromabwärts des Kondensators angeordnet sein. Dadurch kann bei bekanntem Massenstrom des Kühlmediums die über den Kondensator in den Kühlkreislauf eingetragene Wärmemenge ermittelt werden. Ein Steuergerät kann so ermitteln, wie groß die Zeitdauer ist bis der Grenzwert für die Temperatur des Kühlkreislaufs erreicht sein wird. Frühzeitig kann demzufolge das Abgasbypassventil angesteuert werden, um den Abgasbypasskanal freizugeben und dadurch eine Überhitzung des Kühlkreislaufs zu verhindern.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist der Kühler weiterhin in einem Kühlerluftpfad angeordnet. Der Kühlerluftpfad weist dabei einen zusätzlichen Temperatursensor auf. Dadurch kann die Lufttemperatur am Kühler als Maß für die Wärmemenge, die am Kühler aus dem Kühlkreislauf austritt, überwacht werden. Der zusätzliche Temperatursensor ist vorzugsweise stromabwärts des Kühlers angebracht. Übersteigt die dort gemessene Temperatur eine maximale Lufttemperatur, so wird das Abgasbypassventil entsprechend angesteuert, so dass es den Abgasmassenstrom zu dem Verdampfer drosselt bzw. stoppt.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführung ist die Kühlvorrichtung ein Kühlerluftpfad mit einem Kühler. Das Kühlmedium ist dabei vorzugsweise Luft. Dadurch ist die Kühlung des Kondensators bzw. der Abwärmenutzungsanordnung sehr kompakt ausgeführt. Vorteilhafterweise können so Kondensator und Kühler in einer Baugruppe ausgeführt werden, beispielsweise auch in einem gemeinsamen Gehäuse.
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Vorteilhafterweise ist der Temperatursensor in dem Kühlerluftpfad stromaufwärts des Kondensators angeordnet und/oder ein weiterer Temperatursensor stromabwärts des Kondensators. Dadurch kann bei bekanntem Massenstrom des Kühlmediums die über den Kondensator in den Kühlerluftpfad eingetragene Wärmemenge ermittelt werden. Ein Steuergerät kann so ermitteln, wie groß die Zeitdauer ist bis der Grenzwert für die Temperatur des Kühlerluftpfads erreicht sein wird. Frühzeitig kann demzufolge das Abgasbypassventil angesteuert werden, um den Abgasbypasskanal freizugeben und dadurch eine Überhitzung des Kühlerluftpfads und anschließend des Kondensators zu verhindern.
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Im Folgenden werden weitere Verfahren zum Betreiben der Abwärmenutzungsanordnung der Brennkraftmaschine beschrieben, die eine Temperaturregelung bzw. Temperatursteuerung des Arbeitskreislaufs, insbesondere des Kühlkreislaufs bzw. des Kühlerluftpfads, beinhalten:
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. Die Abwärmenutzungsanordnung weist weiterhin eine ein Kühlmedium führende Kühlvorrichtung auf. In der Kühlvorrichtung sind der Kondensator und ein Temperatursensor angeordnet. Erfindungsgemäß wird das Abgasbypassventil von einem Steuergerät derart angesteuert, dass eine maximale Temperatur an dem Temperatursensor nicht überschritten wird.
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Der Temperatursensor übermittelt Signale an das Steuergerät. Stellt dieses dadurch ein Überschreiten der maximalen Temperatur fest, dann wird der Abgasmassenstrom zu dem Verdampfer entsprechend gedrosselt oder gar gestoppt.
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Dadurch regelt das Steuergerät die Temperatur in der Kühlvorrichtung so, dass die maximale Temperatur nicht überschritten wird. Damit wird zum einen die Stabilität des Kühlmediums selbst gewährleistet. Andererseits werden die Temperaturbelastungen der Komponenten der Kühlvorrichtung nicht zu hoch. Weiterhin können die Abwärmenutzungsanordnung und die Brennkraftmaschine dadurch besonders effektiv betrieben werden.
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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 mehreren Temperatursensoren, im Arbeitskreislauf und in der Kühlvorrichtung kann so gegebenenfalls verzichtet werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen der Anordnung weist die Kühlvorrichtung einen Kühlerluftpfad mit einem Kühler auf. Der Kondensator und der Temperatursensor sind demzufolge in dem Kühlerluftpfad angeordnet. Dadurch ist eine besonders kompakte Ausführung der Kühlung der Abwärmenutzungsanordnung, insbesondere des Kondensators, möglich. Die Messung der Temperatur der Kühlerluft wird dementsprechend als Indikator für eine mögliche Überhitzung des Arbeitskreislaufs verwendet. Das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit der Temperatur der Kühlerluft an. Übersteigt diese Lufttemperatur eine maximale Lufttemperatur, so wird das Abgasbypassventil entsprechend angesteuert, so dass es den Abgasmassenstrom zu dem Verdampfer drosselt bzw. stoppt.
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In alternativen vorteilhaften Weiterbildungen der Anordnung weist die Kühlvorrichtung einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe und mit einem Kühler auf. Demzufolge sind der Kondensator und der Temperatursensor in dem Kühlkreislauf angeordnet. Dadurch ist eine effiziente Kühlung der Abwärmenutzungsanordnung mit dem Kühlmedium möglich. Die Messung der Temperatur des Kühlmediums wird dementsprechend als Indikator für eine mögliche Überhitzung des Arbeitskreislaufs bzw. des Kühlkreislaufs verwendet.
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Vorteilhafterweise ist der Kühler dabei weiterhin in einem Kühlerluftpfad angeordnet. Der Kühlerluftpfad weist einen zusätzlichen Temperatursensor aufweist, wobei der zusätzliche Temperatursensor Signale an das Steuergerät übermittelt. Das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Aus den Signalen ermittelt das Steuergerät eine Lufttemperatur im Kühlerluftpfad. Übersteigt die Lufttemperatur eine maximale Lufttemperatur, so wird das Abgasbypassventil entsprechend angesteuert, so dass es den Abgasmassenstrom zu dem Verdampfer drosselt bzw. stoppt.
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In vorteilhaften Ausführungen weist der Kühler ein Lüfterrad auf. Das Steuergerät detektiert eine Rotation des Lüfterrads, beispielsweise durch einen Drehzahlmesser. Das Abgasbypassventil wird von dem Steuergerät in Abhängigkeit der Rotation des Lüfterrads angesteuert. Hierzu kann beispielsweise ein Kennfeld für die Rotation des Lüfterrads als Maß für die zu erbringende Kühlleistung des Kühlers für die Betriebszustände von Brennkraftmaschine und Abwärmenutzungsanordnung verwendet werden. Ist die zu erbringende Kühlleistung dabei zu hoch, also über einem Kühlleistungsgrenzwert, so wird der Wärmeeintrag durch den Kondensator in den Kühlkreislauf verringert, indem der Wärmeeintrag durch den Verdampfer in den Arbeitskreislauf verringert wird. Dazu wird der Abgasmassenstrom in den Verdampfer durch entsprechende Ansteuerung des Abgasbypassventils reduziert.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Temperaturfühler in dem Arbeitskreislauf installiert, vorzugsweise zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine. Dadurch kann das Steuergerät, welches Signale von dem Temperaturfühler erhält, die maximale Temperatur des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf überwachen. Diese Überwachung erfolgt zusätzlich zur Überwachung der Temperatur des Kühlmediums in der Kühlvorrichtung. Dadurch kann auf Überhitzungen von Arbeits- bzw. Kühlkreislauf bzw. Kühlerluftpfad noch schneller und gezielter reagiert werden.
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Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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2 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Die 3a und 3b zeigen den Ausschnitt III der 2 in weiteren Varianten.
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4 zeigt schematisch eine weitere Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50 mit einem ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf 2. Die Brennkraftmaschine 50 ist in einer Kühlvorrichtung bzw. in einem Motorkühlkreislauf 20 angeordnet.
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Der Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft 51, die auch rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine 50 enthalten kann, zugeführt. Auslassseitig weist die Brennkraftmaschine 50 einen Abgastrakt 53 auf, durch den Abgas 52 aus der Brennkraftmaschine 50 ausgestoßen wird.
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Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Sammelbehälter 7, eine Speisepumpe 6, einen Verdampfer 10, eine Expansionsmaschine 3 und einen Kondensator 4. Der Sammelbehälter 7 kann alternativ auch über eine Stichleitung und eine Ventilanordnung an den Arbeitskreislauf 2 angebunden sein oder sogar komplett entfallen.
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Der Verdampfer 10 ist weiterhin auch in dem Abgastrakt 53 angeordnet, so dass die Wärmeenergie des Abgases aus dem Abgastrakt 53 an den Arbeitskreislauf 2 überführt werden kann. Im Arbeitskreislauf 2 ist am Austritt aus dem Verdampfer 10 ein Temperaturfühler 8 angeordnet, um die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus dem Verdampfer 10 zu ermitteln. Der Temperaturfühler 8 ist mit einem Steuergerät 5 verbunden, welches den Arbeitskreislauf 2 und den Motorkühlkreislauf 20 regelt.
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Der Arbeitskreislauf 2 ist in Flussrichtung des Arbeitsmediums in zwei Bereiche unterteilbar:
- – einen Hochdruckbereich 2a zwischen der Speisepumpe 6 und der Expansionsmaschine 3 und
- – einen Niederdruckbereich 2b zwischen der Expansionsmaschine 3 und der Speisepumpe 6.
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Im Abgastrakt 53 ist parallel zu dem Verdampfer 10 ein Abgasbypasskanal 61 angeordnet. Weiterhin ist im Abgastrakt 53 vor dem Verdampfer 10 ein Abgasbypassventil 60 angeordnet, das den Abgasmassenstrom zu dem Verdampfer 10 und in den Abgasbypasskanal 61 aufteilt bzw. steuert. Alternativ kann das Abgasbypassventil 60 auch stromabwärts des Verdampfers 10 angeordnet sein. Das Abgasbypassventil 60 ist dabei vorzugsweise entweder als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt und wird von dem Steuergerät 5 angesteuert.
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Der Motorkühlkreislauf 20 umfasst in Flussrichtung des Kühlmediums eine Kühlmittelpumpe 21, die Brennkraftmaschine 50, den Kondensator 4 und einen Kühler 35 mit einem Lüfterrad 36, wobei der Kondensator 4 beispielsweise auch zwischen der Kühlmittelpumpe 21 und der Brennkraftmaschine 50 angeordnet sein kann. Der Kondensator 4 ist damit sowohl im Arbeitskreislauf 2 als auch in der Kühlvorrichtung bzw. in dem Motorkühlkreislauf 20 angeordnet; das heißt der Kondensator 4 entzieht dem Arbeitskreislauf 2 Wärmeenergie und speist diese in den Motorkühlkreislauf 20 ein.
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Das Kühlmedium wird im Kühler 35 über den Kühlerluftpfad 30 gekühlt. Im Kühlerluftpfad 30 werden der Kühler 35 bzw. das Lüfterrad 36 mit Kühlerzuluft 33 gespeist; Kühlerabluft 34 wird demzufolge vom Kühler 35 wegtransportiert.
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Im Motorkühlkreislauf 20 sind erfindungsgemäß Temperatursensoren zur Ermittlung der Temperaturen an verschiedenen Stellen angebracht. Dabei müssen nicht alle nachfolgend beschriebenen Temperatursensoren angebracht sein, es kann auch lediglich eine Teilmenge daraus verwendet werden.
- – Ein Temperatursensor 37 zur Ermittlung der Eintrittstemperatur des Kühlmediums in den Kondensator 4.
- – Ein Temperatursensor 38 zur Ermittlung der Austrittstemperatur des Kühlmediums aus dem Kondensator 4.
- – Ein Temperatursensor 41 zur Ermittlung der Eintrittstemperatur des Kühlmediums in die Brennkraftmaschine 50.
- – Ein Temperatursensor 42 zur Ermittlung der Austrittstemperatur des Kühlmediums aus der Brennkraftmaschine 50.
- – Ein Temperatursensor 43 zur Ermittlung der Eintrittstemperatur des Kühlmediums in den Kühler 35.
- – Ein Temperatursensor 44 zur Ermittlung der Austrittstemperatur des Kühlmediums aus dem Kühler 35.
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Optional sind im Kühlerluftpfad 30 weitere Temperatursensoren zur Ermittlung der Temperaturen der Kühlerluft angebracht:
- – Ein Temperatursensor 45 zur Ermittlung der Temperatur der Kühlerzuluft 33.
- – Ein Temperatursensor 46 zur Ermittlung der Temperatur der Kühlerabluft 34.
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Die konkrete Anordnung der Temperatursensoren hängt auch von dem genauen Aufbau des Kühlkreislaufs 20 ab. Im Ausführungsbeispiel der 1 können die Temperatursensoren 37 und 42 zusammengefasst werden, da die Austrittstemperatur des Kühlmediums aus der Brennkraftmaschine 50 der Eintrittstemperatur in den Kondensator 4 entspricht. Ebenso können die Temperatursensoren 38 und 43 zusammengefasst werden, da die Austrittstemperatur des Kühlmediums aus dem Kondensator 4 der Eintrittstemperatur in den Kühler 35 entspricht.
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Das Steuergerät 5 ist mit den Temperatursensoren 37, 38, 41, 42, 43, 44, 45, 46 verbunden und steuert das Abgasbypassventil 60 und optional auch die Speisepumpe 6 und das Lüfterrad 36 des Kühlers 35 in Abhängigkeit der von den Temperatursensoren 37, 38, 41, 42, 43, 44, 45, 46 ermittelten Signale bzw. Temperaturen an, so dass eine Temperaturregelung des Kühlmediums im Motorkühlkreislauf 20 und optional auch eine Temperaturregelung des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf 2 erfolgt. Optional kann, insbesondere für die Temperaturregelung im Motorkühlkreislauf 20, auch die Kühlmittelpumpe 21 von dem Steuergerät 5 angesteuert werden. Die Ansteuerung des Abgasbypassventils 60 erfolgt dabei so, dass eine maximale Temperatur des Kühlmediums in dem Motorkühlkreislauf 20 nicht überschritten wird.
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Weiterhin werden auch die am Temperaturfühler 8 ermittelten Daten an das Steuergerät übertragen und ebenfalls somit zur Regelung von Motorkühlkreislauf 20 und Arbeitskreislauf 2 verwendet.
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2 zeigt schematisch eine weitere Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50.
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Der Unterschied zur Ausführung nach der 1 besteht darin, dass der Kondensator 4 nicht im Motorkühlkreislauf 20 angeordnet ist, sondern in einem weiteren Kühlkreislauf, nämlich in dem Kondensatorkühlkreislauf 40. In der Ausführung der 2 werden sowohl der Motorkühlkreislauf 20 als auch der Kondensatorkühlkreislauf 40 von der Kühlmittelpumpe 21 gespeist. Demzufolge wird in beiden Kreisläufen auch dasselbe Kühlmedium verwendet. In alternativen Ausführungen kann der Kondensatorkühlkreislauf 40 jedoch auch komplett vom Motorkühlkreislauf 20 entkoppelt sein und demzufolge eine eigene Speisepumpe aufweisen. In derartigen Anordnungen können dann auch unterschiedliche Kühlmedien für Motorkühlkreislauf 20 und Kondensatorkühlkreislauf 40 verwendet werden.
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Arbeitskreislauf 2 und Kühlerluftpfad 30 sind in der Ausführung der 2 analog zur 1 aufgebaut. Der Motorkühlkreislauf 20 weist in der Ausführung der 2 den Unterschied zur 1 auf, dass der Kondensator 4 nicht in dem Motorkühlkreislauf 20 angeordnet ist. In Flussrichtung des Kühlmediums sind im Kondensatorkühlkreislauf 40 die Kühlmittelpumpe 21, ein Mediumkühler 49 und der Kondensator 4 angeordnet. Der Mediumkühler 49 kann dabei stromauf- oder stromabwärts des Kondensators 4 angeordnet sein.
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Die Temperatursensoren 37, 38, 41, 42, 43, 44, 45, 46 sind in der Ausführung der 2 entsprechend der 1 angeordnet, wobei auch hier beliebige Kombinationen von Teilmengen dieser Temperatursensoren denkbar sind:
- – Der Temperatursensor 37 zur Ermittlung der Eintrittstemperatur des Kühlmediums in den Kondensator 4.
- – Der Temperatursensor 38 zur Ermittlung der Austrittstemperatur des Kühlmediums aus dem Kondensator 4.
- – Der Temperatursensor 41 zur Ermittlung der Eintrittstemperatur des Kühlmediums in die Brennkraftmaschine 50.
- – Der Temperatursensor 42 zur Ermittlung der Austrittstemperatur des Kühlmediums aus der Brennkraftmaschine 50.
- – Der Temperatursensor 43 zur Ermittlung der Eintrittstemperatur des Kühlmediums in den Kühler 35.
- – Der Temperatursensor 44 zur Ermittlung der Austrittstemperatur des Kühlmediums aus dem Kühler 35.
- – Der Temperatursensor 45 zur Ermittlung der Temperatur der Kühlerzuluft 33.
- – Der Temperatursensor 46 zur Ermittlung der Temperatur der Kühlerabluft 34.
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Die 3a und 3b zeigen den Ausschnitt III der 2 in weiteren Varianten. Im Folgenden wird daher nur auf die Unterschiede zur Ausführung der 2 eingegangen.
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Die 3a und 3b zeigen die Anordnung des Kühlers 35 und des Mediumkühlers 49 in dem Kühlerluftpfad 30. Dabei unterscheiden sich die beiden Varianten der 3a und 3b durch die Reihenfolge der Anordnung in dem Kühlerluftpfad 30:
In der Ausführung der 3a ist stromabwärts des Lüfterrads 36 zunächst der Kühler 35 und dann der Mediumkühler 49 angeordnet. Und in der Ausführung der 3b ist stromabwärts des Lüfterrads 36 zunächst der Mediumkühler 49 und dann der Kühler 35 angeordnet. Beiden Ausführungen ist somit gemeinsam, dass die Rotation des Lüfterrads 36 einen entscheidenden Einfluss auf die Kühlung des Motorkühlkreislaufs 20 und des Kondensatorkühlkreislaufs 40 hat. Die Temperatursensoren 45, 46 können einzeln oder kombiniert beliebig in dem Kühlerluftpfad 30 platziert werden, um die Temperatur der Kühlerluft zu ermitteln. Dadurch kann auf die Effektivität von Kühler 35 und Mediumkühler 49 rückgeschlossen werden, und somit kann mittelbar auch eine Überhitzung des Motorkühlkreislaufs 20 bzw. des Kondensatorkühlkreislaufs 40 vorausgesehen und dementsprechend über eine Ansteuerung des Abgasbypassventils 60 frühzeitig gegengesteuert werden.
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4 zeigt schematisch eine weitere Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Auf die den vorangehenden Ausführungen gemeinsamen Bestandteile der Abwärmenutzungsanordnung 1 wird im Folgenden nicht weiter eingegangen. Die Ausführung der 4 zeigt eine direkte Kühlung des Kondensators 4, vorzugsweise als Luftkühlung; die Kühlvorrichtung dieser Ausführung ist somit der Kühlerluftpfad 30. Dazu wirkt das Lüfterrad 36 des Kühlers 35 direkt auf den Kondensator 4. Die Kühlerzuluft 33 strömt durch den Kühlerluftpfad 30 infolge der Rotation des Lüfterrads 36. Die Kühlerzuluft 33 trifft dann auf den Kondensator 4 und den Kühler 35 und wird anschließend als Kühlerabluft 34 vom Kühler 35 wegtransportiert. In dem Kühlerluftpfad 30 sind weiterhin ein Temperatursensor 45 zur Ermittlung der Temperatur der Kühlerzuluft 33 und/oder ein Temperatursensor 46 zur Ermittlung der Temperatur der Kühlerabluft 34 angeordnet.
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Vorzugsweise erfolgt weiterhin eine mittelbare Kopplung des Kondensators 4 an den Kühlkreislauf 20, nämlich über den Kühlerluftpfad 30. Somit kühlt der Kühler 35 nicht nur den Kondensator 4, sondern auch die Brennkraftmaschine. Eine Erhöhung der Temperatur der Kühlerzuluft 33 aufgrund des Wärmeeintrags durch den Kondensator 4 kann wegen der daraus resultierenden geringeren Wirkung des Kühlers 35 dann jedoch auch eine Überhitzung des Kühlkreislaufs 20 und damit auch der Brennkraftmaschine 50 zur Folge haben. Die Überwachung der Temperatur von Kühlerzuluft 33 und/oder Kühlerabluft 34 dient somit vorteilhafterweise nicht nur der mittelbaren Überwachung des Arbeitskreislaufs 2, sondern auch der Überwachung bezüglich der Vermeidung einer Überhitzung des Kühlkreislaufs 20.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung 1 ist wie folgt:
Die Temperatursensoren 37, 38, 41, 42, 43, 44, 45, 46 und der Temperaturfühler 8 übermitteln Daten bzw. Signale an das Steuergerät 5. Optional können weitere Sensoren, sowohl im Arbeitskreislauf 2 als auch im Motorkühlkreislauf 20 und im Abgastrakt 53, verwendet werden, um die Regelung des Arbeitskreislaufs 2 und/oder die Regelung des Motorkühlkreislaufs 20 bzw. des Kühlerluftpfads 30 noch genauer und effizienter, gegebenenfalls auch schneller zu gestalten. Das Steuergerät 5 kann auch mit weiteren Daten gespeist werden: Beispielsweise mit einer Belastung bzw. einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 50 innerhalb eines Kennfeldes, mit Abgasmassenströmen im Abgastrakt 53, mit Abgastemperaturen im Abgastrakt 53, oder auch mit einem vorausschauenden Streckenprofil bzw. Belastungsprofil für die Brennkraftmaschine 50. All diese Daten können demzufolge für die Ansteuerung der Abwärmenutzungsanordnung 1 verwendet werden.
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Der Abgasbypasskanal 61 ist parallel zu dem Verdampfer 10 angeordnet, um im Bedarf Abgas an dem Verdampfer 10 vorbeileiten zu können. Dadurch werden zu hohe Drücke und/oder Temperaturen im Arbeitskreislauf 2 und/oder im Motorkühlkreislauf 20 und/oder im Kondensatorkühlkreislauf 40 und/oder im Kühlerluftpfad 30 vermieden. Eine Überlastung bzw. ein schneller Verschleiß der Komponenten der Abwärmenutzungsanordnung 1 wird dadurch vermieden, so dass die Lebensdauer der gesamten Abwärmenutzungsanordnung 1 steigt. Ebenso kann aber auch eine Verflüchtigung des Kühlmediums durch zu hohe Temperaturen vermieden werden.
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Vorteilhafterweise steuert das Steuergerät 5 dazu das Abgasbypassventil 60 an und teilt so den Abgasmassenstrom auf den Verdampfer 10 und auf den Abgasbypasskanal 61 auf. Zusätzlich kann das Steuergerät 5 auch die Speisepumpe 6 ansteuern, um den Massenstrom des Arbeitsmediums durch den Arbeitskreislauf 2 zu regeln.
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Im Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung 1 kann es zu Situationen kommen, bei denen es bedingt durch den Wärmeeintrag aus dem Arbeitskreislauf 2 in den Motorkühlkreislauf 20 bzw. in den Kondensatorkühlkreislauf 40 bzw. in den Kühlerluftpfad 30 zu einer deutlichen Erhöhung der Temperatur des Kühlmediums vor dem Kühler 35 bzw. im Kondensatorkühlkreislauf 40 bzw. zu einer Erhöhung der Temperatur der Kühlerluft kommt, ermittelt durch den Temperatursensor 43 bzw. durch einen der Temperatursensoren 37 oder 38 bzw. durch den Temperatursensor 46. Dies hat zur Folge, dass das Lüfterrad 36 früher als in anderen Betriebszuständen in Betrieb genommen werden muss bzw. der Kondensatorkühlkreislauf 40 oder auch der Motorkühlkreislauf 20 überhitzt. Dadurch kann sich die Gesamteffizienz von Brennkraftmaschine 50 und Abwärmenutzungsanordnung 1 reduzieren. Durch die Analyse der Signale der Temperatursensoren 37, 38, 41, 42, 43, 44, 45, 46 (bzw. einer Teilmenge davon) kann eine derartige Betriebssituation frühzeitig detektiert werden und mit der Ansteuerung des Abgasbypassventils 60 einer Überhitzung des Motorkühlkreislaufs 20 und/oder des Kondensatorkühlkreislaufs 40 und/oder des Kühlerluftpfads 30 vorgebeugt werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens detektiert das Steuergerät 5, wenn das Lüfterrad 36 rotiert. Infolgedessen kann der Abgaszustrom zum Verdampfer 10 durch das Abgasbypassventil 60 frühzeitig verringert oder gar unterbunden werden. Dadurch kann beispielsweise eine zwangsweise Drosselung der Brennkraftmaschine 50 verhindert werden.
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In einer weiteren Betriebssituation ist die Kühlleistung des Kühlers 35 bzw. des Mediumkühlers 49 trotz eines hohen Massenstroms des Kühlmediums nicht ausreichend, um die Temperatur und damit auch den Druck im Motorkühlkreislauf 20 bzw. im Kondensatorkühlkreislauf 40 zu begrenzen. Im Extremfall müsste demzufolge sogar die Leistung der Brennkraftmaschine 50 verringert werden. Um dies frühzeitig zu verhindern, erfolgt eine entsprechende Ansteuerung des Abgasbypassventils 60 in Abhängigkeit der durch die im Motorkühlkreislauf 20 bzw. im Kondensatorkühlkreislauf 40 bzw. im Kühlerluftpfad 30 angeordneten Temperatursensoren 37, 38, 41, 42, 43, 44, 45, 46 ermittelten Daten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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