DE102017102893A1 - Internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery - Google Patents

Internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt eine vorteilhafte Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung und ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine bereit. Dazu weist die Brennkraftmaschine ein Dampfkreislaufsystem auf, mittels welchem die Kühlung der Brennkraftmaschine und die Nutzung der beim Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abwärme erfolgt. Das Dampfkreislaufsystem umfasst in einem gemeinsamen Leitungssystem wenigstens einen ersten Wärmeübertrager innerhalb der Brennkraftmaschine, welcher als Brennkraftmaschinenkühlmantel ausgebildet ist, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Förderpumpe. In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise umfasst das Dampfkreislaufsystem eine Drucksteuereinrichtung, mittels welcher der Druck im Hochdruckteil und somit die Siedetemperatur des Kühlmittels im ersten Wärmeübertrager verändert wird, wobei die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine erfolgt.

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The invention provides an advantageous internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery and a method for operating the internal combustion engine. For this purpose, the internal combustion engine to a steam cycle system, by means of which the cooling of the internal combustion engine and the use of the waste heat arising during operation of the internal combustion engine takes place. The steam cycle system comprises in a common line system at least a first heat exchanger within the internal combustion engine, which is designed as an engine cooling jacket, an expansion machine, a condenser and a feed pump. In accordance with the invention advantageously, the steam cycle system comprises a pressure control device, by means of which the pressure in the high pressure part and thus the boiling temperature of the coolant in the first heat exchanger is changed, wherein the control of the pressure control device takes place in dependence on the operating conditions of the internal combustion engine.
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Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 4.The present invention relates to an internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery according to the features of patent claim 1 and a method for operating the internal combustion engine according to the features of patent claim 4.

Stand der TechnikState of the art

Der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine kann durch die Nutzung der von der Brennkraftmaschine ausgehenden Abwärme verbessert werden. Dazu sind Systeme zur Abwärmenutzung bekannt, welche beispielsweise mittels eines Dampfkreislaufsystems Abwärme aus dem Kühlmittel und dem Abgas der Brennkraftmaschine nutzbar machen und die dadurch bereitgestellte Energie beispielsweise zur Aufladung der Brennkraftmaschine verwendet wird.The efficiency of an internal combustion engine can be improved by the use of the emanating from the engine waste heat. For this purpose, systems for the use of waste heat are known, which make use of, for example, by means of a steam cycle system waste heat from the coolant and the exhaust gas of the internal combustion engine and the energy thus provided is used for example for charging the internal combustion engine.

Aus der Patentschrift GB 428,261 ist ein Kühlsystem für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem im Kühlmantel verdampftes Kühlmittel zur weiteren Erwärmung einem Abgaswärmeübertrager und anschließend zur Aufladung der Brennkraftmaschine einer Dampfturbine zugeführt wird. Nach der Kondensation des Dampfes wird das flüssige Kühlmittel wieder dem Kühlmantel zur Kühlung der Brennkraftmaschine zugeführt.From the patent GB 428,261 For example, a cooling system for internal combustion engines is known in which coolant vaporized in the cooling jacket is fed to an exhaust gas heat exchanger for further heating and then to a steam turbine for charging the internal combustion engine. After the condensation of the vapor, the liquid coolant is returned to the cooling jacket for cooling the internal combustion engine.

Das Abwärmeverhalten einer Brennkraftmaschine kann zudem durch eine Verdampfungskühlung verbessert werden. Bei der Verwendung einer Verdampfungskühlung kann durch die für Verdampfung des Kühlmittels erforderliche Verdampfungswärme eine im Vergleich zu einer herkömmlichen Konvektionskühlung ohne Verdampfung des Kühlmittels sehr große Wärmemenge abgeführt werden. Dazu sind Kühlsysteme mit Verdampfung und Kondensation des Kühlmittels bekannt, welche durch eine Steuerung des Kühlmitteldrucks die Siedetemperatur des Kühlmittels im Kühlsystem und somit die Abwärmemenge beeinflussen.The waste heat behavior of an internal combustion engine can also be improved by evaporative cooling. When using evaporative cooling, the evaporation heat required for evaporation of the coolant can dissipate a very large amount of heat in comparison with conventional convection cooling without evaporating the coolant. For this purpose, cooling systems with evaporation and condensation of the coolant are known, which influence the boiling temperature of the coolant in the cooling system and thus the amount of waste heat by controlling the coolant pressure.

Aus der Offenlegungsschrift DE 36 15 974 A1 ist ein Verdampfungskühlsystem für einen Verbrennungsmotor bekannt. Das Verdampfungskühlsystem weist in einem Kreislaufsystem einen Kühlmantel zum Kühlen des Verbrennungsmotors auf, in welchem ein flüssiges Kühlmittel eingeleitet und als dampfförmiges Kühlmittel ausgelassen wird, einen Kondensator, in welchem das dampfförmige Kühlmittel wieder zu dem flüssigen Kühlmittel kondensiert wird, eine Zirkulationspumpe, mittels welcher das flüssige Kühlmittel unter Einhaltung eines vorbestimmten Füllstands im Kühlmantel zurück in den Kühlmantel gefördert wird. Das Verdampfungskühlsystem weist weiter einen Behälter mit einem Ventil zwischen Behälterinnerem und Umgebung auf, wobei mittels des Ventils der Druck im Behälter und im Kühlkreislauf und somit die Wärmeaustauschmenge beeinflussende Siedetemperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit der augenblicklichen Betriebsweise des Verbrennungsmotors geregelt wird. Dazu ist in dem Kühlmantel ein Temperaturfühler angeordnet, so dass die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmantel auf eine Soll-Temperatur gebracht wird, welche für die augenblickliche Betriebsweise des Verbrennungsmotors optimal ist.From the publication DE 36 15 974 A1 For example, an evaporative cooling system for an internal combustion engine is known. The evaporative cooling system comprises, in a circulatory system, a cooling jacket for cooling the internal combustion engine in which a liquid coolant is discharged and discharged as vapor refrigerant, a condenser in which the vapor refrigerant is condensed again to the liquid refrigerant, a circulation pump by means of which the liquid Coolant is promoted in compliance with a predetermined level in the cooling jacket back into the cooling jacket. The evaporative cooling system further comprises a container having a valve between the container interior and the environment, wherein by means of the valve, the pressure in the container and in the cooling circuit and thus the heat exchange amount affecting boiling temperature of the coolant is controlled in dependence on the instantaneous operation of the internal combustion engine. For this purpose, a temperature sensor is arranged in the cooling jacket, so that the temperature of the coolant in the cooling jacket is brought to a desired temperature, which is optimal for the instantaneous operation of the internal combustion engine.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 109 857 A1 ist ein vorteilhaftes Dampfkreislaufsystem zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei Brennkraftmaschinenwärme mittels einer Verdampfungskühlung und Abgaswärme durch Dampfüberhitzung in einem gemeinsamen Clausius-Rankine-Kreisprozess rekuperiert und für die Aufladung der Brennkraftmaschine nutzbar gemacht wird. In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist ein Rekuperator zur Vorwärmung des für die Verdampfungskühlung bestimmten flüssigen Kühlmittels unter Nutzung von Wärme des gasförmigen expandierten Kühlmittels vorgesehen, um die Betriebsbedingungen des Dampfkreislaufsystems den physikalischen Eigenschaften der verwendbaren Kühlmittel anzupassen.From the publication DE 10 2015 109 857 A1 an advantageous steam cycle system for waste heat utilization of an internal combustion engine is known, wherein engine heat is recuperated by means of evaporative cooling and exhaust heat by steam superheating in a common Clausius-Rankine cycle and made usable for the supercharging of the internal combustion engine. In accordance with the present invention, a recuperator is provided for preheating the evaporative cooling liquid refrigerant using heat of the gaseous expanded refrigerant to adjust the operating conditions of the steam cycle system to the physical properties of the refrigerants that can be used.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine mit verbesserter Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit verbesserter Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation bereitzustellen.The object of the invention is to provide an internal combustion engine with improved evaporative cooling and waste heat recovery and a method of operating the internal combustion engine with improved evaporative cooling and waste heat recovery.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird durch die Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einem Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation nach den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und den jeweiligen Ausführungsbeispielen.The object is achieved by the internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery according to the features of claim 1 and a method for operating the internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery according to the features of claim 4. Advantageous developments emerge from the respective subclaims and the respective embodiments.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung stellt eine vorteilhafte Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung bereit. Dazu weist die Brennkraftmaschine ein Dampfkreislaufsystem auf, mittels welchem die Kühlung der Brennkraftmaschine und die Nutzung der beim Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abwärme erfolgen.The invention provides an advantageous internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat utilization. For this purpose, the internal combustion engine has a steam cycle system, by means of which the cooling of the internal combustion engine and the use of the waste heat occurring during operation of the internal combustion engine take place.

Das Dampfkreislaufsystem umfasst in einem gemeinsamen Leitungssystem wenigstens einen ersten Wärmeübertrager innerhalb der Brennkraftmaschine, welcher als Brennkraftmaschinenkühlmantel ausgebildet ist, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Förderpumpe. In dem Leitungssystem wird mittels der Förderpumpe und der Expansionsmaschine ein Kühlmittel zirkuliert, welches bereichsweise als flüssiges Kühlmittel oder dampfförmiges Kühlmittel vorliegt. Das in dem Leitungssystem des Dampfkreislaufsystems zirkulierende Kühlmittel wird mittels der Förderpumpe im flüssigen Aggregatzustand dem ersten Wärmeübertrager zugeführt. Unter Aufnahme der Brennkraftmaschinenabwärme im ersten Wärmeübertrager wird das flüssige Kühlmittel wenigstens teilweise verdampft. Anschließend wird das verdampfte Kühlmittel mittels der Expansionsmaschine unter Abgabe mechanischer Energie entspannt und weiter unter Abgabe von Wärme im Kondensator verflüssigt. Das flüssige Kühlmittel wird dann im Sinne eines Dampfkreislaufsystems mittels der Förderpumpe wieder dem ersten Wärmeübertrager zugeführt. Demnach unterteilt sich das Dampfkreislaufsystem zwischen Expansionsmaschine und Förderpumpe in einen Hochdruckteil mit erstem Wärmeübertrager und einen Niederdruckteil mit Kondensator, wobei der erste Wärmeübertrager mit der Expansionsmaschine, die Expansionsmaschine mit dem Kondensator, der Kondensator mit der Förderpumpe und die Förderpumpe mit dem ersten Wärmeübertrager fluidverbunden sind. The steam cycle system comprises in a common line system at least a first heat exchanger within the internal combustion engine, which is designed as an engine cooling jacket, an expansion machine, a condenser and a feed pump. In the line system, a coolant is circulated by means of the feed pump and the expansion machine, which is present in regions as a liquid coolant or vapor refrigerant. The circulating in the line system of the steam cycle system coolant is supplied by means of the feed pump in the liquid state of aggregation to the first heat exchanger. Taking up the engine waste heat in the first heat exchanger, the liquid coolant is at least partially evaporated. Subsequently, the vaporized coolant is expanded by means of the expansion machine with release of mechanical energy and further liquefied with the release of heat in the condenser. The liquid coolant is then returned to the first heat exchanger in the sense of a steam cycle system by means of the feed pump. Accordingly, the steam cycle system between expansion machine and feed pump is divided into a high-pressure part with first heat exchanger and a low-pressure part with condenser, the first heat exchanger with the expansion machine, the expansion machine with the condenser, the condenser with the feed pump and the feed pump with the first heat exchanger fluidly connected.

In vorteilhafter Weise kann das Dampfkreislaufsystem in dem gemeinsamen Leitungssystem einen zweiten Wärmeübertrager umfassen, welcher innerhalb des Abgasstrangs der Brennkraftmaschine und entweder zwischen dem ersten Wärmeübertrager und der Expansionsmaschine oder zwischen der Förderpumpe und dem ersten Wärmeübertrager oder parallel zum ersten Wärmeübertrager angeordnet ist und mit dem beim Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abgas wärmeübertragend in Kontakt steht.Advantageously, the steam cycle system in the common line system may comprise a second heat exchanger which is disposed within the exhaust line of the internal combustion engine and either between the first heat exchanger and the expansion machine or between the feed pump and the first heat exchanger or parallel to the first heat exchanger and with the in operation the exhaust gas accumulating in the engine is in heat transfer in contact.

Ist der zweite Wärmeübertrager zwischen dem ersten Wärmeübertrager und der Expansionsmaschine, also in Strömungsrichtung des Dampfkreislaufsystems seriell nach dem ersten Wärmeübertrager angeordnet, wird im ersten Wärmeübertrager das flüssige Kühlmittel unter Nutzung der Brennkraftmaschinenabwärme verdampft und über das Leitungssystem dem mit dem ersten Wärmeübertrager fluidverbundenen zweiten Wärmeübertrager zugeführt. Das dampfförmige Kühlmittel wird im zweiten Wärmeübertrager unter Nutzung der Abgasabwärme weiter erhitzt und über das Leitungssystem der mit dem zweiten Wärmeübertrager fluidverbundenen Expansionsmaschine zugeführt.If the second heat exchanger between the first heat exchanger and the expansion machine, so arranged in the flow direction of the steam cycle system in series after the first heat exchanger, the liquid refrigerant is evaporated in the first heat exchanger using the engine waste heat and fed via the line system to the second heat exchanger fluidly connected to the first heat exchanger. The vaporous coolant is further heated in the second heat exchanger using the waste gas waste heat and fed via the line system of the expander connected to the second heat exchanger.

Ist der zweite Wärmeübertrager zwischen der Förderpumpe und dem ersten Wärmeübertrager, also in Strömungsrichtung des Dampfkreislaufsystems seriell vor dem ersten Wärmeübertrager angeordnet, wird im zweiten Wärmeübertrager das flüssige Kühlmittel unter Nutzung der Abgasabwärme verdampft und über das Leitungssystem dem mit dem zweiten Wärmeübertrager fluidverbundenen ersten Wärmeübertrager zugeführt. Das dampfförmige Kühlmittel wird im ersten Wärmeübertrager unter Nutzung der Brennkraftmaschinenabwärme weiter erhitzt und über das Leitungssystem der mit dem ersten Wärmeübertrager fluidverbundenen Expansionsmaschine zugeführt.If the second heat exchanger between the feed pump and the first heat exchanger, that is arranged in the flow direction of the steam cycle system in series in front of the first heat exchanger, the liquid refrigerant is evaporated in the second heat exchanger using the waste heat and fed via the line system to the first heat exchanger fluidly connected to the second heat exchanger. The vaporous coolant is further heated in the first heat exchanger using the waste heat from the engine and fed via the line system of the expander connected to the first heat exchanger.

Ist der zweite Wärmeübertrager parallel zum ersten Wärmeübertrager angeordnet, wird das flüssige Kühlmittel anteilig dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager zugeführt und demnach im ersten Wärmeübertrager unter Nutzung der Brennkraftmaschinenabwärme und im zweiten Wärmeübertrager unter Nutzung der Abgasabwärme verdampft. Über das Leitungssystem wird das verdampfte Kühlmittel der mit dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager fluidverbundenen Expansionsmaschine zugeführt. Die anteilige Zuführung des flüssigen Kühlmittels kann in Strömungsrichtung des Dampfkreislaufsystems vor dem ersten Wärmeübertrager und vor dem zweiten Wärmeübertrager mittels eines Verteilventils oder in Strömungsrichtung des Dampfkreislaufsystems nach dem ersten Wärmeübertrager und nach dem zweiten Wärmeübertrager mittels eines Mischventils erfolgen.If the second heat exchanger is arranged parallel to the first heat exchanger, the liquid coolant is proportionally supplied to the first heat exchanger and the second heat exchanger and thus evaporated in the first heat exchanger using the engine waste heat and in the second heat exchanger using the waste gas heat. Via the line system, the vaporized coolant is supplied to the expander connected to the first heat exchanger and the second heat exchanger fluid. The proportional supply of the liquid coolant can take place in the flow direction of the steam cycle system before the first heat exchanger and before the second heat exchanger by means of a distribution valve or in the flow direction of the steam cycle system after the first heat exchanger and after the second heat exchanger by means of a mixing valve.

Demnach wird mittels des ersten Wärmeübertragers die Verdampfungskühlung unter Nutzung der Brennkraftmaschinenabwärme und mittels des zweiten Wärmeübertragers die Verdampfung beziehungsweise die Dampferhitzung unter Nutzung der Abgasabwärme bereitgestellt. Dadurch wird die Abwärmenutzung weiter verbessert.Accordingly, by means of the first heat exchanger, the evaporative cooling using the engine waste heat and by means of the second heat exchanger, the evaporation or the steam heating is provided using the exhaust heat. This further improves the waste heat utilization.

Die von der Expansionsmaschine mittels des Dampfkreislaufsystems aus der Abwärme der Brennkraftmaschine rekuperierte mechanische Energie wird zum Antrieb der Brennkraftmaschine und / oder zum Antrieb von Nebenaggregaten der Brennkraftmaschine verwendet. Dabei wird das Dampfkreislaufsystem in vorteilhafter Weise als Clausius-Rankine-Kreisprozess betrieben.The recuperated by the expansion machine by means of the steam cycle system from the waste heat of the internal combustion engine mechanical energy is used to drive the internal combustion engine and / or to drive ancillaries of the internal combustion engine. The steam cycle system is advantageously operated as a Clausius-Rankine cycle.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise umfasst das Dampfkreislaufsystem eine Drucksteuereinrichtung, mittels welcher der Druck im Hochdruckteil und somit die Siedetemperatur des Kühlmittels im ersten Wärmeübertrager verändert wird, wobei die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine erfolgt. Mittels der Drucksteuereinrichtung kann für eine verbesserte Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation der Druck im Hochdruckteil verändert, insbesondere erhöht werden, um die Siedetemperatur des Kühlmittels zu erhöhen, oder verringert werden, um die Siedetemperatur des Kühlmittels zu verringern. Dadurch wird eine variable Kühlung der Brennkraftmaschine ermöglicht, welche sich vorrangig durch eine im Vergleich zu herkömmlichen Konvektionskühlungen deutlich schnellere Anpassung der abführbaren Brennkraftmaschinenabwärme auszeichnet. Für die Steuerung der Drucksteuereinrichtung ist eine mit der Drucksteuereinrichtung signalverbundene Steuereinheit vorgesehen, welche wenigstens einen Sensor zur Ermittlung von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine umfasst.In accordance with the invention advantageously, the steam cycle system comprises a pressure control device, by means of which the pressure in the high pressure part and thus the boiling temperature of the coolant in the first heat exchanger is changed, wherein the control of the pressure control device takes place in dependence on the operating conditions of the internal combustion engine. By means of the pressure control device can for improved evaporative cooling and Abwärmerekuperation the pressure in the high pressure part changed, in particular be increased to increase the boiling temperature of the coolant, or reduced to reduce the boiling temperature of the coolant. As a result, a variable cooling of the internal combustion engine is made possible, which is characterized primarily by a significantly faster compared to conventional convection cooling adaptation of the dissipative engine waste heat. For the control of the pressure control device, a signal-connected to the pressure control device control unit is provided which comprises at least one sensor for determining operating conditions of the internal combustion engine.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise wird die Drucksteuereinrichtung durch die Expansionsmaschine mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis gebildet, welche in dem Dampfkreislaufsystem angeordnet ist. Die variable Einstellung des Expansionsverhältnisses der Expansionsmaschine kann beispielsweise bei einer Strömungsmaschine durch eine Verstellvorrichtung für die Turbinengeometrie oder einer Bypassanordnung, oder beispielsweise bei einer Hubkolbenmaschine durch eine Verstellvorrichtung für die Ventilöffnungszeiten oder durch eine Veränderung der Drehzahl der Expansionsmaschine erfolgen.In a particularly advantageous manner according to the invention, the pressure control device is formed by the expansion machine with variably adjustable expansion ratio, which is arranged in the steam cycle system. The variable setting of the expansion ratio of the expansion machine, for example, in a turbomachine by an adjusting device for the turbine geometry or a bypass arrangement, or for example in a reciprocating engine by an adjustment for the valve opening times or by changing the speed of the expansion machine.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise wird die Drucksteuereinrichtung durch ein separates Expansionsventil mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis gebildet, welches in dem Dampfkreislaufsystem angeordnet ist. Dazu kann das Expansionsventil eine einstellbare Fluidverbindung zwischen Hochdruckteil und Niederdruckteil des Dampfkreislaufsystems bereitstellen, so dass der Druck im Hochdruckteil gegenüber dem Druck im Niederdruckteil veränderbar ist. Alternativ kann das Expansionsventil eine einstellbare Fluidverbindung zwischen Hochdruckteil des Dampfkreislaufsystems und der Brennkraftmaschinenumgebung bereitstellen, so dass der Druck im Hochdruckteil veränderbar ist. Die Einstellung des Expansionsverhältnisses wird über einen einstellbaren Querschnitt ermöglicht, der beispielsweise durch einen Drehschieber, ein Nadelventil oder durch ein Tellerventil bereitgestellt wird.In accordance with the invention particularly advantageous manner, the pressure control device is formed by a separate expansion valve with variably adjustable expansion ratio, which is arranged in the steam cycle system. For this purpose, the expansion valve can provide an adjustable fluid connection between the high-pressure part and the low-pressure part of the steam cycle system, so that the pressure in the high-pressure part is variable with respect to the pressure in the low-pressure part. Alternatively, the expansion valve may provide adjustable fluid communication between the high pressure part of the steam cycle system and the engine environment so that the pressure in the high pressure part is changeable. The adjustment of the expansion ratio is made possible by an adjustable cross-section, which is provided for example by a rotary valve, a needle valve or a poppet valve.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise wird die Drucksteuereinrichtung durch die Förderpumpe mit variabel einstellbarer Fördermenge gebildet. Die variable Einstellung der Fördermenge der Förderpumpe kann beispielsweise durch eine Drehzahlsteuerung, ein getaktetes Einlassventil oder ein separat angesteuertes Absteuerventil erfolgen. Durch die variabel einstellbare Fördermenge erfolgt die Steuerung der Dampfqualität, also des Sattdampfgehaltes des dampfförmigen Kühlmittels und somit eine Veränderung des Drucks im Hochdruckteil.In accordance with the invention particularly advantageous manner, the pressure control device is formed by the feed pump with variably adjustable flow rate. The variable adjustment of the delivery rate of the feed pump can be done for example by a speed control, a clocked inlet valve or a separately controlled shut-off valve. Due to the variably adjustable delivery rate, the control of the steam quality, ie the saturated steam content of the vaporous coolant and thus a change in the pressure in the high pressure part.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise wird die Drucksteuereinrichtung durch den zweiten Wärmeübertrager mit variabel einstellbarer übertragbarer Abgasabwärmemenge gebildet. Die variable Einstellung der übertragbaren Abgasabwärmemenge kann beispielsweise durch eine variabel einstellbare Aufteilung des Kühlmittels zwischen dem zweitem Wärmeübertrager und einem Umgehungskanal erfolgen, wobei die Aufteilung in Strömungsrichtung des Dampfkreislaufsystems vor dem zweiten Wärmeübertrager mittels eines Verteilventils oder in Strömungsrichtung des Dampfkreislaufsystems nach dem zweiten Wärmeübertrager mittels eines Mischventils erfolgen kann. Demnach ist das mittels des ersten Wärmeübertragers verdampfte Kühlmittel zur Weiterleitung an die Expansionsmaschine anteilig dem zweiten Wärmeübertrager mit weiterer Erhitzung und dem Umgehungskanal ohne weitere Erhitzung zuführbar.In a particularly advantageous manner according to the invention, the pressure control device is formed by the second heat exchanger with variably adjustable transmittable waste gas waste heat quantity. The variable setting of the transmittable waste heat quantity can be done, for example, by a variably adjustable division of the coolant between the second heat exchanger and a bypass channel, wherein the division in the flow direction of the steam cycle system before the second heat exchanger by means of a distribution valve or in the flow direction of the steam cycle system after the second heat exchanger by means of a mixing valve can be done. Accordingly, the vaporized by means of the first heat exchanger coolant for forwarding to the expansion machine proportionally to the second heat exchanger with further heating and the bypass channel can be fed without further heating.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise wird die Drucksteuereinrichtung durch den Kondensator mit variabel einstellbarer abführbarer Wärmemenge gebildet. Die variable Einstellung der mittels des Kondensators abführbaren Wärmemenge kann beispielsweise durch eine sekundäre Kühlung des Kondensators erfolgen, welche hinsichtlich Kühlleistung einstellbar ist. Alternativ erfolgt die Veränderung der durch den Kondensator abführbaren Wärmemenge durch Veränderung des Druckniveaus innerhalb des Kondensators. Die variable Einstellung des Kondensatordrucks und damit der Kondensationstemperatur kann unter anderem durch einen extern beaufschlagbaren Druckbehälter erfolgen.In a particularly advantageous manner according to the invention, the pressure control device is formed by the condenser with variably adjustable dissipative heat quantity. The variable adjustment of the amount of heat which can be dissipated by means of the capacitor can be effected, for example, by a secondary cooling of the condenser, which is adjustable in terms of cooling capacity. Alternatively, the change in the heat dissipated by the capacitor amount of heat by changing the pressure level within the capacitor. The variable adjustment of the condenser pressure and thus the condensation temperature can be done inter alia by an externally pressurized pressure vessel.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise wird die Drucksteuereinrichtung durch einen Druckbehälter gebildet, welcher mittels einer Ventileinrichtung mit dem Leitungssystem des Dampfkreislaufsystems verbunden ist. Im Fall einer Druckerhöhung im Dampfkreislaufsystem ist Kühlmittel unter Überdruck im Druckbehälter gespeichert, welches für die Druckerhöhung bei geöffnetem Ventil in das Leitungssystem abgelassen werden kann. Im Fall einer Druckverringerung im Dampfkreislaufsystem herrscht im Druckbehälter Unterdruck, so dass Kühlmittel für eine Druckverringerung bei geöffnetem Ventil aus dem Leitungssystem in den Druckbehälter abgelassen werden kann. Demnach stellt der Druckbehälter einen Pufferspeicher dar, in welchem Kühlmittel entweder mit Unterdruck oder mit Überdruck gespeichert ist. Zur Verbesserung der Funktionalität kann zu dem eine Förderpumpe vorgesehen sein, mittels welcher der Druckbehälter mit dem Leitungssystem des Dampfkreislaufsystems verbunden ist. Mittels der Förderpumpe wird in dem Druckbehälter die für die Druckerhöhung oder Druckverringerung erforderliche Füllung hergestellt, wobei eine Speisung von Kühlmittel aus dem Dampfkreislaufsystem oder eine Evakuierung von Kühlmittel in das Dampfkreislaufsystem erfolgt.In accordance with the invention particularly advantageously, the pressure control device is formed by a pressure vessel, which is connected by means of a valve device with the line system of the steam cycle system. In the case of an increase in pressure in the steam cycle system coolant is stored under pressure in the pressure vessel, which can be drained to the pressure increase with the valve open in the line system. In the case of a pressure reduction in the steam cycle system, negative pressure prevails in the pressure vessel, so that coolant can be discharged from the line system into the pressure vessel for a pressure reduction with the valve open. Accordingly, the pressure vessel is a buffer memory, in which coolant is stored either with negative pressure or with overpressure. To improve the functionality may be provided to which a feed pump, by means of which the pressure vessel is connected to the piping system of the steam cycle system. By means of the feed pump required for the pressure increase or pressure reduction filling is made in the pressure vessel, wherein a supply of coolant from the Steam cycle system or evacuation of coolant in the steam cycle system takes place.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise wird die Drucksteuereinrichtung durch einen Rekuperator mit variabel einstellbarer übertragbarer Wärmemenge von mittels der Expansionsmaschine entspanntem dampfförmigen Kühlmittel zu dem für die Verdampfungskühlung dem ersten Wärmetauscher zugeführten flüssigen Kühlmittel gebildet. Demnach steht mittels des Rekuperators das entspannte dampfförmige Kühlmittel mit dem flüssigen Kühlmittel für die Verdampfungskühlung wärmeübertragend in Kontakt. Die variable Einstellung der mittels des Rekuperators übertragbaren Wärmemenge kann beispielsweise durch einen variabel einstellbaren Umgehungskanal erfolgen, wobei nur Teile des flüssigen und / oder entspannten dampfförmigen Kühlmittels miteinander wärmeübertragend in Kontakt stehen.In a particularly advantageous manner according to the invention, the pressure control device is formed by a recuperator with variably adjustable transmittable heat quantity of vaporous refrigerant expanded by means of the expansion machine to the liquid coolant supplied to the first heat exchanger for evaporative cooling. Accordingly, by means of the recuperator the relaxed vaporous coolant is in heat transfer contact with the liquid coolant for evaporative cooling. The variable adjustment of the transferable by means of the recuperator amount of heat can be done, for example, by a variably adjustable bypass channel, with only parts of the liquid and / or relaxed vaporous coolant are in contact with each other heat transfer.

Die unterschiedlichen Drucksteuereinrichtungen bedingen unterschiedliche Reaktionszeiten zwischen der Steuerungsmaßahme und der Veränderung des Drucks im Hochdruckteil des Dampfkreislaufsystems und somit der Siedetemperatur des Kühlmittels im ersten Wärmeübertrager. Demnach hat die Wahl einer speziellen Ausführung für die Drucksteuereinrichtung Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit des Dampfkreislaufsystems. Deshalb können im Dampfkreislaufsystem mehrere verschiedene Drucksteuereinrichtungen vorgesehen sein, um verschiedenen Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit des Dampfkreislaufsystems gerecht zu werden. Demnach umfasst das Dampfkreislaufsystem eine Drucksteuereinrichtung, wobei die Drucksteuereinrichtung durch die Expansionsmaschine mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis, durch das separate Expansionsventil mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis, durch die Förderpumpe mit variabel einstellbarer Fördermenge, durch den zweiten Wärmeübertrager mit variabel einstellbarer übertragbarer Abgasabwärmemenge, durch den Kondensator mit variabel einstellbarer abführbarer Wärmemenge, durch den Druckbehälter und / oder durch den Rekuperator mit variabel einstellbarer übertragbarer Wärmemenge gebildet wird.The different pressure control devices require different reaction times between the control measure and the change in pressure in the high-pressure part of the steam cycle system and thus the boiling temperature of the coolant in the first heat exchanger. Accordingly, the choice of a specific design for the pressure control device has an influence on the reaction rate of the steam cycle system. Therefore, a plurality of different pressure control devices may be provided in the steam cycle system to accommodate different reaction rate requirements of the steam cycle system. Accordingly, the steam cycle system comprises a pressure control means, wherein the pressure control means by the variable expansion expansion machine, by the variable expansion expansion valve, by the variable displacement delivery pump, by the second heat exchanger with variably adjustable transmittable waste heat recovery amount, by the condenser adjustable dissipatable amount of heat is formed by the pressure vessel and / or by the recuperator with variably adjustable transmittable heat quantity.

Die Erfindung stellt weiter ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation bereit. Dazu wird das Dampfkreislaufsystem in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise betrieben, indem eine Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine erfolgt. Dadurch wird der Druck im ersten Wärmeübertrager des Dampfkreislaufsystems und somit die Siedetemperatur des Kühlmittels im ersten Wärmeübertrager verändert, um eine variable Kühlung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Abwärmenutzung zu ermöglichen.The invention further provides a method of operating the internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recuperation. For this purpose, the steam cycle system is operated in accordance with the invention advantageously by a control of the pressure control device takes place in dependence on the operating conditions of the internal combustion engine. Characterized the pressure in the first heat exchanger of the steam cycle system and thus the boiling temperature of the coolant in the first heat exchanger is changed to allow variable cooling of the internal combustion engine with simultaneous waste heat recovery.

Demnach wird durch die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine eine Anpassung der Siedetemperatur an die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ermöglicht, wobei der Druck im ersten Wärmeübertrager verändert, insbesondere erhöht wird, um die Siedetemperatur des Kühlmittels zu erhöhen, oder verringert wird, um die Siedetemperatur des Kühlmittels zu verringern.Accordingly, the activation of the pressure control device as a function of the operating conditions of the internal combustion engine allows adjustment of the boiling temperature to the operating conditions of the internal combustion engine, wherein the pressure in the first heat exchanger changed, in particular increased to increase the boiling temperature of the coolant, or is reduced to the Lower boiling temperature of the coolant.

Für die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine werden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine einbezogen, welche die Qualität der Verbrennung repräsentieren. Demnach lassen sich durch die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine Eigenschaften der Verbrennung ableiten. Diese Bedingungen können Informationen zum Zünd- und Brennverhalten des im Zylinder der Brennkraftmaschine zu verbrennenden Luft-Kraftstoffgemischs und die aus der Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs resultierende Abgasentwicklung, insbesondere die resultierende Schadstoffentwicklung beinhalten. Diese Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine werden mittels des Sensors der Steuereinheit erfasst.For the control of the pressure control device as a function of the operating conditions of the internal combustion engine operating conditions of the internal combustion engine are included, which represent the quality of the combustion. Accordingly, can be derived by the operating conditions of the internal combustion engine characteristics. These conditions may include information on the ignition and combustion behavior of the combustion in the cylinder of the internal combustion engine air-fuel mixture and the resulting from the combustion of the air-fuel mixture exhaust gas evolution, in particular the resulting pollutant development. These operating conditions of the internal combustion engine are detected by means of the sensor of the control unit.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit einer Information zum Klopfverhalten, also einer irregulären Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs im Zylinder der Brennkraftmaschine. Diese Informationen zum Klopfverhalten können anhand von Körperschallsensoren, Zylinderdrucksensoren oder anhand von Sensoren einer lonenstrommessung ermittelt werden. Weiter können Informationen zum Klopfverhalten anhand von Temperaturen der Gasmassen, insbesondere der Verbrennungslufttemperatur oder der Bauteiltemperaturen, insbesondere der Wandtemperaturen im Ansaugtrakt oder im Zylinder abgeleitet werden.In accordance with the invention particularly advantageous, the control of the pressure control device in response to information about the knock behavior, ie an irregular combustion of the air-fuel mixture in the cylinder of the internal combustion engine. This information about the knocking behavior can be determined by means of structure-borne sound sensors, cylinder pressure sensors or sensors of an ion current measurement. Furthermore, information about the knocking behavior can be derived from the temperatures of the gas masses, in particular the combustion air temperature or the component temperatures, in particular the wall temperatures in the intake tract or in the cylinder.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit einer Information zur Schadstoffentwicklung im Zylinder der Brennkraftmaschine. Diese Informationen zur Schadstoffentwicklung können anhand von Gassensoren im Abgasstrang oder anhand von Druck- und Temperaturinformationen verarbeitenden Verbrennungsmodellen abgeleitet werden.In accordance with the invention particularly advantageous, the control of the pressure control device in response to information on pollutant development in the cylinder of the internal combustion engine takes place. This information on pollutant development can be derived from gas sensors in the exhaust system or from combustion models that process pressure and temperature information.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit von aktuell vorherrschenden oder zukünftig zu erwartenden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Für die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit von aktuell vorherrschenden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine werden aktuelle Informationen zur Qualität der Verbrennung verwendet. Für die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit von zukünftig zu erwartenden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine werden Informationen zu einem prognostizierten Fahrzustand des mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs einbezogen. Durch die mittels der Drucksteuereinrichtung zu erreichende hohe Reaktionsgeschwindigkeit des Dampfkreislaufsystems kann sich der prognostizierte Fahrzustand auf einen dem aktuellen Fahrzustand zeitlich folgenden Anfahr- und Beschleunigungszustand beschränken.In accordance with the invention particularly advantageous, the Control of the pressure control device as a function of currently prevailing or expected future operating conditions of the internal combustion engine. For the control of the pressure control device as a function of currently prevailing operating conditions of the internal combustion engine, up-to-date information on the quality of the combustion is used. For controlling the pressure control device as a function of future expected operating conditions of the internal combustion engine, information about a predicted driving state of the motor vehicle equipped with the internal combustion engine is included. Due to the high reaction speed of the steam cycle system to be achieved by means of the pressure control device, the predicted driving state can be limited to a starting and accelerating state which follows the current driving state in time.

In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise ist die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine in eine Regelung integriert, wobei die Drucksteuereinrichtung das Stellglied des Regelkreises darstellt. So kann beispielweise die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit vom Klopfverhalten der Brennkraftmaschine innerhalb einer Klopfregelung erfolgen. Demnach ist die Drucksteuereinrichtung in einen Regelkreis einer Klopfregelung integriert, wobei ein Klopfverhalten-Istwert ermittelt und mit einem Klopfverhalten-Sollwert verglichen wird. Anhand einer Abweichung zwischen dem Klopfverhalten-Istwert und dem Klopfverhalten-Sollwert wird in einem Regler eine Stellgröße für das Stellglied, also für die Drucksteuereinrichtung gebildet, wobei die Stellgröße den Druck im ersten Wärmeübertrager beeinflusst und somit die Siedetemperatur des Kühlmittels und damit das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine beeinflusst wird. Alternativ kann beispielsweise die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit von der Schadstoffentwicklung der Brennkraftmaschine innerhalb einer Schadstoffregelung erfolgen. Demnach ist die Drucksteuereinrichtung in einen Regelkreis einer Schadstoffregelung integriert, wobei ein Istwert der Schadstoffentwicklung ermittelt und mit einem Sollwert der Schadstoffentwicklung verglichen wird. Anhand einer Abweichung zwischen dem Istwert der Schadstoffentwicklung und dem Sollwert der Schadstoffentwicklung wird in einem Regler eine Stellgröße für das Stellglied, also für die Drucksteuereinrichtung gebildet, wobei die Stellgröße den Druck im ersten Wärmeübertrager und somit die Siedetemperatur des Kühlmittels und damit die Schadstoffentwicklung der Brennkraftmaschine beeinflusst wird.In accordance with the invention particularly advantageous manner, the control of the pressure control device is integrated into a control system as a function of the operating conditions of the internal combustion engine, wherein the pressure control device is the control element of the control loop. Thus, for example, the control of the pressure control device as a function of the knocking behavior of the internal combustion engine can take place within a knock control. Accordingly, the pressure control device is integrated in a control loop of a knock control, wherein a knock behavior actual value is determined and compared with a knock behavior setpoint. Based on a deviation between the actual knocking behavior and the knocking behavior setpoint, a control variable for the actuator, that is for the pressure control device, is formed in a controller, wherein the manipulated variable influences the pressure in the first heat exchanger and thus the boiling temperature of the coolant and thus the knocking behavior of the internal combustion engine being affected. Alternatively, for example, the control of the pressure control device as a function of the pollutant development of the internal combustion engine within a pollutant control. Accordingly, the pressure control device is integrated in a control loop of a pollutant control, wherein an actual value of the pollutant development is determined and compared with a desired value of the pollutant development. Based on a deviation between the actual value of the pollutant development and the desired value of the pollutant development, a manipulated variable for the actuator, ie for the pressure control device is formed in a controller, wherein the manipulated variable influences the pressure in the first heat exchanger and thus the boiling temperature of the coolant and thus the pollutant development of the internal combustion engine becomes.

Insbesondere kann die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine als Vorsteuerung in eine Regelung integriert sein.In particular, the control of the pressure control device can be integrated as feedforward control in dependence on the operating conditions of the internal combustion engine.

Figurenlistelist of figures

Beispielhaft wird hier eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung dargestellt, wobei eine Expansionsmaschine (5) als Drucksteuereinrichtung ausgebildet ist. In den dazugehörigen Figuren zeigt:

  • 1: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine (1) mit einer einstellbaren Expansionsmaschine (5) und
  • 2: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine (1) mit einer variabel einstellbaren Expansionsmaschine (5a) in einer Weiterentwicklung.
By way of example, an embodiment of an internal combustion engine (1) according to the invention with evaporative cooling and waste heat recovery is shown here, an expansion machine (5) being designed as a pressure control device. In the accompanying figures shows:
  • 1 : a schematic representation of the internal combustion engine (1) with an adjustable expansion engine (5) and
  • 2 : A schematic representation of the internal combustion engine (1) with a variably adjustable expansion machine (5a) in a further development.

Eine erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 1, umfasst in einem gemeinsamen Leitungssystem (2) eines Dampfkreislaufsystems (3) einen als Brennkraftmaschinenkühlmantel ausgebildeten ersten Wärmeübertrager (4), die variabel einstellbare Expansionsmaschine (5a), einen Kondensator (6) und eine Förderpumpe (7). Die variabel einstellbare Expansionsmaschine (5a) ist in besonders vorteilhafter Weise als Dampfturbine mit variabel einstellbarer Turbinengeometrie ausgebildet. Das in dem gemeinsamen Leitungssystem (2) des Dampfkreislaufsystems (3) zirkulierende Kühlmittel wird mittels der Förderpumpe (7) im flüssigen Aggregatzustand dem ersten Wärmeübertrager (4) zur Verdampfung unter Aufnahme von Brennkraftmaschinenabwärme zugeführt. Das verdampfte Kühlmittel wird anschließend mittels der variabel einstellbaren Expansionsmaschine (5a) unter Abgabe mechanischer Energie entspannt und weiter unter Abgabe von Wärme im Kondensator (6) verflüssigt. Das flüssige Kühlmittel wird dann im Sinne eines Dampfkreislaufsystems (3) mittels der Förderpumpe (7) wieder dem ersten Wärmeübertrager (4) zugeführt. Mittels der variabel einstellbaren Expansionsmaschine (5a) wird das Expansionsverhältnis in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) derart verändert, dass sich im ersten Wärmeübertrager (4) ein bestimmter Druck und somit eine bestimmte Siedetemperatur des Kühlmittels einstellt.An inventively advantageous embodiment of the internal combustion engine ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 1 , in a common management system ( 2 ) of a steam cycle system ( 3 ) designed as a combustion engine cooling jacket first heat exchanger ( 4 ), the variably adjustable expansion machine ( 5a ), a capacitor ( 6 ) and a delivery pump ( 7 ). The variably adjustable expansion machine ( 5a ) is formed in a particularly advantageous manner as a steam turbine with variably adjustable turbine geometry. That in the common management system ( 2 ) of the steam cycle system ( 3 ) circulating coolant is by means of the feed pump ( 7 ) in the liquid state of aggregation of the first heat exchanger ( 4 ) for vaporization while receiving engine waste heat. The vaporized coolant is then removed by means of the variably adjustable expansion machine ( 5a ) with the release of mechanical energy and further with release of heat in the condenser ( 6 ) liquefied. The liquid coolant is then in the sense of a steam cycle system ( 3 ) by means of the feed pump ( 7 ) back to the first heat exchanger ( 4 ). By means of the variably adjustable expansion machine ( 5a ), the expansion ratio is dependent on the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ) so changed that in the first heat exchanger ( 4 ) sets a certain pressure and thus a certain boiling temperature of the coolant.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 2, umfasst das gemeinsame Leitungssystem (2) zusätzlich einen zweiten Wärmeübertrager (8), welcher innerhalb eines Abgasstrangs (9) der Brennkraftmaschine (1) und zwischen dem ersten Wärmeübertrager (4) und der variabel einstellbaren Expansionsmaschine (5a) angeordnet ist und mit dem beim Betrieb der Brennkraftmaschine (1) anfallenden Abgas zur weiteren Erhitzung wärmeübertragend in Kontakt steht.In an advantageous development of the internal combustion engine ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 2 , the common management system ( 2 ) additionally a second heat exchanger ( 8th ), which within an exhaust line ( 9 ) of the internal combustion engine ( 1 ) and between the first heat exchanger ( 4 ) and the variably adjustable expansion machine ( 5a ) is arranged and with the in the operation of the internal combustion engine ( 1 ) Exhaust gas for further heating is heat-transmitting in contact.

Für die Steuerung der variabel einstellbaren Expansionsmaschine (5a) ist eine mit der variabel einstellbaren Expansionsmaschine (5a) signalverbundene Steuereinheit (1a) vorgesehen, welche wenigstens einen Sensor (1b) zur Ermittlung von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) umfasst. For the control of the variably adjustable expansion machine ( 5a ) is one with the variably adjustable expansion machine ( 5a ) signal-connected control unit ( 1a ), which at least one sensor ( 1b ) for determining operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ).

Beispielhaft wird hier eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung dargestellt, wobei ein Expansionsventil (10) als Drucksteuereinrichtung ausgebildet ist. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, an alternative embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, with an expansion valve ( 10 ) is designed as a pressure control device. In the accompanying figure shows:

3: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine (1) mit einem variabel einstellbaren Expansionsventil (10). 3 : a schematic representation of the internal combustion engine ( 1 ) with a variably adjustable expansion valve ( 10 ).

Eine alternative erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 3, umfasst in dem gemeinsamen Leitungssystem (2) des Dampfkreislaufsystems (3) das variabel einstellbare Expansionsventil (10), welches parallel zur Expansionsmaschine (5) angeordnet ist. Mittels des variabel einstellbaren Expansionsventils (10) wird das Expansionsverhältnis in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) derart verändert, dass sich im ersten Wärmeübertrager (4) ein bestimmter Druck und somit eine bestimmte Siedetemperatur des Kühlmittels einstellt. Für die Steuerung des variabel einstellbaren Expansionsventils (10) ist die Steuereinheit (1a) mit dem variabel einstellbaren Expansionsventil (10) signalverbunden.An alternative embodiment according to the invention of the internal combustion engine ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 3 , in the common management system ( 2 ) of the steam cycle system ( 3 ) the variably adjustable expansion valve ( 10 ), which is parallel to the expansion machine ( 5 ) is arranged. By means of the variably adjustable expansion valve ( 10 ), the expansion ratio is dependent on the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ) so changed that in the first heat exchanger ( 4 ) sets a certain pressure and thus a certain boiling temperature of the coolant. For the control of the variably adjustable expansion valve ( 10 ) is the control unit ( 1a ) with the variably adjustable expansion valve ( 10 ) signal connected.

Beispielhaft wird hier eine weitere alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung dargestellt, wobei die Förderpumpe (7) als Drucksteuereinrichtung ausgebildet ist. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, here is another alternative embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, wherein the feed pump ( 7 ) is designed as a pressure control device. In the accompanying figure shows:

4: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine (1) mit einer variabel einstellbaren Förderpumpe (7a). 4 : a schematic representation of the internal combustion engine ( 1 ) with a variably adjustable feed pump ( 7a ).

Eine weitere alternative erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 4, umfasst in dem gemeinsamen Leitungssystem (2) des Dampfkreislaufsystems (3) die variabel einstellbare Förderpumpe (7a). Mittels der variabel einstellbaren Förderpumpe (7a) wird die Fördermenge in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) derart verändert, dass sich im ersten Wärmeübertrager (4) ein bestimmter Druck und somit eine bestimmte Siedetemperatur des Kühlmittels einstellt. Für die Steuerung der variabel einstellbaren Förderpumpe (7a) ist die Steuereinheit (1a) mit der variabel einstellbaren Förderpumpe (7a) signalverbunden.Another alternative advantageous embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 4 , in the common management system ( 2 ) of the steam cycle system ( 3 ) the variably adjustable feed pump ( 7a ). By means of the variably adjustable feed pump ( 7a ) the delivery rate is dependent on the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ) so changed that in the first heat exchanger ( 4 ) sets a certain pressure and thus a certain boiling temperature of the coolant. For the control of the variably adjustable feed pump ( 7a ) is the control unit ( 1a ) with the variably adjustable feed pump ( 7a ) signal connected.

Beispielhaft wird hier eine weitere alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung dargestellt, wobei der zweite Wärmeübertrager (8) als Drucksteuereinrichtung ausgebildet ist. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, here is another alternative embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, the second heat exchanger ( 8th ) is designed as a pressure control device. In the accompanying figure shows:

5: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine (1) mit einem variabel umgehbaren zweiten Wärmeübertrager (8a). 5 : a schematic representation of the internal combustion engine ( 1 ) with a variably bypassable second heat exchanger ( 8a ).

Eine weitere alternative erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 5, umfasst in dem gemeinsamen Leitungssystem (2) des Dampfkreislaufsystems (3) den variabel umgehbaren zweiten Wärmeübertrager (8a). Mittels eines ersten variabel betätigbaren Verteilventils (11) erfolgt die einstellbare Aufteilung des Kühlmittels zwischen zweitem Wärmeübertrager (8) und einem ersten Umgehungskanal (12), wobei das mittels des ersten Wärmeübertragers (4) verdampfte Kühlmittel zur Weiterleitung an die Expansionsmaschine (5) anteilig dem variabel umgehbaren zweiten Wärmeübertrager (8a) mit weiterer Erhitzung und dem Umgehungskanal (12) ohne weitere Erhitzung zuführbar ist. Mittels des variabel umgehbaren zweiten Wärmeübertragers (8a) wird die auf das verdampfte Kühlmittel übertragbare Abgasabwärme in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) derart verändert, dass sich im ersten Wärmeübertrager (4) ein bestimmter Druck und somit eine bestimmte Siedetemperatur des Kühlmittels einstellt. Für die Steuerung des ersten variabel betätigbaren Verteilventils (11) ist die Steuereinheit (1a) mit dem ersten variabel betätigbaren Verteilventil (11) signalverbunden.Another alternative advantageous embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 5 , in the common management system ( 2 ) of the steam cycle system ( 3 ) the variably bypassable second heat exchanger ( 8a ). By means of a first variably actuatable distribution valve ( 11 ) is the adjustable division of the coolant between the second heat exchanger ( 8th ) and a first bypass channel ( 12 ), wherein by means of the first heat exchanger ( 4 ) evaporated coolant for transmission to the expansion machine ( 5 ) proportionally to the variably bypassable second heat exchanger ( 8a ) with further heating and the bypass channel ( 12 ) can be supplied without further heating. By means of the variably bypassable second heat exchanger ( 8a ), the exhaust gas heat transferable to the vaporized coolant is dependent on the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ) so changed that in the first heat exchanger ( 4 ) sets a certain pressure and thus a certain boiling temperature of the coolant. For the control of the first variably actuatable distribution valve ( 11 ) is the control unit ( 1a ) with the first variably actuatable distributor valve ( 11 ) signal connected.

Beispielhaft wird hier eine weitere alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung dargestellt, wobei der Kondensator (6) als Drucksteuereinrichtung ausgebildet ist. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, here is another alternative embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, the condenser ( 6 ) is designed as a pressure control device. In the accompanying figure shows:

6: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine (1) mit einem variabel einstellbaren Kondensator (6a). 6 : a schematic representation of the internal combustion engine ( 1 ) with a variably adjustable capacitor ( 6a ).

Eine weitere alternative erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 6, umfasst in dem gemeinsamen Leitungssystem (2) des Dampfkreislaufsystems (3) den variabel einstellbaren Kondensator (6a). Die variable Einstellung der mittels des variabel einstellbaren Kondensators (6a) abführbaren Wärmemenge erfolgt durch eine sekundäre Kühlung (nicht dargestellt) des variabel einstellbaren Kondensators (6a), welche hinsichtlich Kühlleistung einstellbar ist. Mittels des variabel einstellbaren Kondensators (6a) wird die Verflüssigung und weitere Kühlung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) derart verändert, dass sich im ersten Wärmeübertrager (4) ein bestimmter Druck und somit eine bestimmte Siedetemperatur des Kühlmittels einstellt. Für die Steuerung des variabel einstellbaren Kondensators (6a) ist die Steuereinheit (1a) mit dem variabel einstellbaren Kondensator (6a) signalverbunden.Another alternative advantageous embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 6 , in the common management system ( 2 ) of the steam cycle system ( 3 ) the variably adjustable capacitor ( 6a ). The variable setting of the variable adjustable capacitor ( 6a ) dissipatable amount of heat by a secondary cooling (not shown) of the variably adjustable capacitor ( 6a ), which is adjustable in terms of cooling capacity. By means of the variably adjustable capacitor ( 6a ), the liquefaction and further cooling depending on the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ) so changed that in the first heat exchanger ( 4 ) sets a certain pressure and thus a certain boiling temperature of the coolant. For controlling the variably adjustable capacitor ( 6a ) is the control unit ( 1a ) with the variably adjustable capacitor ( 6a ) signal connected.

Beispielhaft wird hier eine weitere alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung dargestellt, wobei ein variabel umgehbarer Rekuperator (13) als Drucksteuereinrichtung ausgebildet ist. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, here is another alternative embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, wherein a variable bypassable recuperator ( 13 ) is designed as a pressure control device. In the accompanying figure shows:

7: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine (1) mit einem variabel umgehbaren Rekuperator (13). 7 : a schematic representation of the internal combustion engine ( 1 ) with a variable bypass recuperator ( 13 ).

Eine weitere alternative erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 7, umfasst in dem gemeinsamen Leitungssystem (2) des Dampfkreislaufsystems (3) den variabel umgehbaren Rekuperator (13). Die variable Einstellung der mittels des variabel umgehbaren Rekuperators (13) übertragbaren Wärmemenge von mittels der Expansionsmaschine (5) entspanntem dampfförmigen Kühlmittel zu dem für die Verdampfungskühlung dem ersten Wärmetauscher (4) zugeführten flüssigen Kühlmittel erfolgt mittels eines zweiten variabel betätigbaren Verteilventils (14) und eines zweiten Umgehungskanals (15), wobei eine einstellbare Aufteilung des Kühlmittels zwischen variabel umgehbarem Rekuperator (13) und zweitem Umgehungskanal (15) erfolgt, so dass nur Teile des flüssigen Kühlmittels mit dem entspannten dampfförmigen Kühlmittel miteinander wärmeübertragend in Kontakt stehen. Mittels des variabel umgehbaren Rekuperators (13) wird eine Vorwärmung des dem ersten Wärmeübertrager (4) zugeführten flüssigen Kühlmittels in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) derart verändert, dass sich im ersten Wärmeübertrager (4) ein bestimmter Druck und somit eine bestimmte Siedetemperatur des Kühlmittels einstellt. Für die Steuerung des zweiten variabel betätigbaren Verteilventils (14) ist die Steuereinheit (1a) mit dem variabel betätigbaren Verteilventil (14) signalverbunden.Another alternative advantageous embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 7 , in the common management system ( 2 ) of the steam cycle system ( 3 ) the variably bypassable recuperator ( 13 ). The variable setting of the variable bypassable recuperator ( 13 ) transmittable amount of heat by means of the expansion machine ( 5 ) vapor-cooled refrigerant to the for the evaporative cooling the first heat exchanger ( 4 ) supplied liquid coolant by means of a second variably actuated distribution valve ( 14 ) and a second bypass channel ( 15 ), wherein an adjustable division of the coolant between variably bypassable recuperator ( 13 ) and second bypass channel ( 15 ) takes place, so that only parts of the liquid coolant with the relaxed vaporous coolant are in contact with each other heat transfer. By means of the variable bypass recuperator ( 13 ) is a preheating of the first heat exchanger ( 4 ) supplied liquid coolant depending on the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ) so changed that in the first heat exchanger ( 4 ) sets a certain pressure and thus a certain boiling temperature of the coolant. For the control of the second variably actuatable distribution valve ( 14 ) is the control unit ( 1a ) with the variably actuated distributor valve ( 14 ) signal connected.

Beispielhaft wird hier eine weitere alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung dargestellt, wobei ein Druckbehälter (16) als Drucksteuereinrichtung ausgebildet ist. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, here is another alternative embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, wherein a pressure vessel ( 16 ) is designed as a pressure control device. In the accompanying figure shows:

8: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine (1) mit dem Druckbehälter (16). 8th : a schematic representation of the internal combustion engine ( 1 ) with the pressure vessel ( 16 ).

Eine weitere alternative erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 8, umfasst den mittels eines Ventils (17) mit dem gemeinsamen Leitungssystem (2) des Dampfkreislaufsystems (3) fluidverbundenen Druckbehälter (16). Für eine Druckerhöhung im Dampfkreislaufsystem (3) ist Kühlmittel unter Überdruck im Druckbehälter (16) gespeichert, welches für die Druckerhöhung bei geöffnetem Ventil (17) in das Leitungssystem (2) abgelassen werden kann. Für eine Druckverringerung im Dampfkreislaufsystem (3) herrscht im Druckbehälter (16) Unterdruck, so dass Kühlmittel für eine Druckverringerung bei geöffnetem Ventil (17) aus dem Leitungssystem (2) in den Druckbehälter (16) abgelassen werden kann. Durch die Ansteuerung des Ventils (17) in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) wird der Druck im Dampfkreislaufsystem (3) derart verändert, dass sich im ersten Wärmeübertrager (4) ein bestimmter Druck und somit eine bestimmte Siedetemperatur des Kühlmittels einstellt. Für die Steuerung des Ventils (17) ist die Steuereinheit (1a) mit dem Ventil (17) signalverbunden.Another alternative advantageous embodiment of the internal combustion engine according to the invention ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 8th , comprising by means of a valve ( 17 ) with the common management system ( 2 ) of the steam cycle system ( 3 ) fluid-connected pressure vessel ( 16 ). For a pressure increase in the steam cycle system ( 3 ) is coolant under pressure in the pressure vessel ( 16 ), which is used to increase the pressure when the valve is open ( 17 ) into the pipe system ( 2 ) can be drained. For a pressure reduction in the steam cycle system ( 3 ) prevails in the pressure vessel ( 16 ) Negative pressure, so that coolant for a pressure reduction with open valve ( 17 ) from the piping system ( 2 ) in the pressure vessel ( 16 ) can be drained. By controlling the valve ( 17 ) depending on the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ), the pressure in the steam cycle system ( 3 ) so changed that in the first heat exchanger ( 4 ) sets a certain pressure and thus a certain boiling temperature of the coolant. For the control of the valve ( 17 ) is the control unit ( 1a ) with the valve ( 17 ) signal connected.

Ausführungsbeispiel Verfahren zum Betrieb der BrennkraftmaschineEmbodiment Method for operating the internal combustion engine

Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:By way of example, an embodiment of the method according to the invention for operating the internal combustion engine ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery. In the accompanying figure shows:

9: eine schematische Darstellung des Steuerprinzips. 9 : a schematic representation of the control principle.

Eine erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung des Verfahrens zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, dargestellt in 9, umfasst eine Ansteuerung (21) der Drucksteuereinrichtung der Brennkraftmaschine (1), dargestellt in 1-8, in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1). Dazu werden Informationen zum Zünd- und Brennverhalten des im Zylinder der Brennkraftmaschine (1) zu verbrennenden Luft-Kraftstoffgemischs anhand von Sensorsignalen (18) ermittelt und ein Klopfverhalten (19) der Brennkraftmaschine (1) bestimmt. Die Sensorsignale (18) werden mittels des Sensors (1b) der Steuereinheit (1a) bereitgestellt. Aus dem Klopfverhalten (19) der Brennkraftmaschine (1) wird eine Leistungsanforderung an die Verdampfungskühlung insbesondere eine Siedetemperatur (20) des Kühlmittels definiert. Es erfolgt die Ansteuerung (21) der Drucksteuereinrichtung der Brennkraftmaschine (1) zur Veränderung des Drucks im Hochdruckteil des Dampfkreislaufsystems (3) und somit eine Veränderung der Siedetemperatur des Kühlmittels im ersten Wärmeübertrager (4) entsprechend der Leistungsanforderung.An inventively advantageous embodiment of the method for operating the internal combustion engine ( 1 ) with evaporative cooling and waste heat recovery, shown in 9 , includes a control ( 21 ) of the pressure control device of the internal combustion engine ( 1 ), shown in 1 - 8th , in dependence of the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ). For this purpose, information about the ignition and combustion behavior of the cylinder in the internal combustion engine ( 1 ) to be burned air-fuel mixture based on sensor signals ( 18 ) and a knocking behavior ( 19 ) of the internal combustion engine ( 1 ) certainly. The sensor signals ( 18 ) are detected by means of the sensor ( 1b ) of the control unit ( 1a ) provided. From the knocking behavior ( 19 ) of the internal combustion engine ( 1 ) becomes a power requirement to the evaporative cooling in particular a Boiling temperature ( 20 ) of the coolant defined. The activation takes place ( 21 ) of the pressure control device of the internal combustion engine ( 1 ) for changing the pressure in the high-pressure part of the steam cycle system ( 3 ) and thus a change in the boiling temperature of the coolant in the first heat exchanger ( 4 ) according to the performance requirement.

Die Ansteuerung (21) der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit des Klopfverhaltens (19) der Brennkraftmaschine (1) ermöglicht eine Anpassung der Siedetemperatur (20) an die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1), wobei der Druck im ersten Wärmeübertrager (4) erhöht wird, um die Siedetemperatur (20) des Kühlmittels zu erhöhen, oder verringert wird, um die Siedetemperatur (20) des Kühlmittels zu verringern. Die Ansteuerung (21) der Drucksteuereinrichtung erfolgt mittels der mit der Drucksteuereinrichtung signalverbundenen Steuereinheit (1a).The control ( 21 ) of the pressure control device as a function of the knocking behavior ( 19 ) of the internal combustion engine ( 1 ) allows an adjustment of the boiling temperature ( 20 ) to the operating conditions of the internal combustion engine ( 1 ), wherein the pressure in the first heat exchanger ( 4 ) is increased to the boiling point ( 20 ) of the coolant, or decreased to the boiling temperature ( 20 ) of the coolant. The control ( 21 ) of the pressure control device takes place by means of the signal controller connected to the pressure control device ( 1a ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 1a, 1b1, 1a, 1b
Brennkraftmaschine, Steuereinheit, SensorInternal combustion engine, control unit, sensor
22
Leitungssystemline system
33
DampfkreislaufsystemSteam cycle system
44
erster Wärmeübertragerfirst heat exchanger
5, 5a5, 5a
Expansionsmaschine, variabel einstellbare ExpansionsmaschineExpansion machine, variably adjustable expansion machine
6, 6a6, 6a
Kondensator, variabel einstellbarer KondensatorCapacitor, variably adjustable capacitor
7, 7a7, 7a
Förderpumpe, variabel einstellbare FörderpumpeFeed pump, variably adjustable feed pump
8, 8a8, 8a
zweiter Wärmeübertrager, variabel umgehbarer Wärmeübertragersecond heat exchanger, variably bypassable heat exchanger
99
Abgasstrangexhaust gas line
1010
variabel einstellbares Expansionsventilvariably adjustable expansion valve
1111
erstes Verteilventilfirst distribution valve
1212
erster Umgehungskanalfirst bypass channel
1313
variabel umgehbarer Rekuperatorvariable bypass recuperator
1414
zweites Verteilventilsecond distribution valve
1515
zweiter Umgehungskanalsecond bypass channel
1616
Druckbehälterpressure vessel
1717
VentilValve
1818
Sensorsignalsensor signal
1919
Klopfverhaltenknocking behavior
2020
Siedetemperaturboiling
2121
Ansteuerungcontrol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • GB 428261 [0003]GB 428261 [0003]
  • DE 3615974 A1 [0005]DE 3615974 A1 [0005]
  • DE 102015109857 A1 [0006]DE 102015109857 A1 [0006]

Claims (7)

Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung, umfassend in einem gemeinsamen Leitungssystem eines Dam pfkreislaufsystems - wenigstens einen ersten Wärmeübertrager innerhalb der Brennkraftmaschine zur Verdampfung von flüssigem Kühlmittel unter Aufnahme von Brennkraftmaschinenabwärme, welcher als Brennkraftmaschinenkühlmantel ausgebildet ist, - eine Expansionsmaschine zur Entspannung von dampfförmigem Kühlmittel unter Abgabe mechanischer Energie, - einen Kondensator zur Verflüssigung von entspanntem, dampfförmigen Kühlmittel unter Abgabe von Wärme, - eine Förderpumpe zur Zuführung von flüssigem Kühlmittel in den ersten Wärmeübertrager, - eine Drucksteuereinrichtung zur Veränderung des Drucks und somit der Siedetemperatur des Kühlmittels im ersten Wärmeübertrager in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, um eine variable Kühlung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Abwärmenutzung zu ermöglichen, und - eine Steuereinheit zur Steuerung der Drucksteuereinrichtung, welche wenigstens einen Sensor zur Ermittlung von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine umfasst und mit der Drucksteuereinrichtung signalverbunden ist.Internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery, comprising in a common piping system of a Dam pfkreislaufsystems at least one first heat exchanger within the internal combustion engine for the vaporization of liquid coolant while absorbing engine waste heat, which is designed as an engine cooling jacket, an expansion machine for the expansion of vaporous coolant with release of mechanical energy, a condenser for the liquefaction of relaxed, vaporous coolant with release of heat, a feed pump for supplying liquid coolant into the first heat exchanger, - A pressure control device for changing the pressure and thus the boiling temperature of the coolant in the first heat exchanger in dependence on the operating conditions of the internal combustion engine to allow variable cooling of the internal combustion engine with simultaneous waste heat recovery, and - A control unit for controlling the pressure control device, which comprises at least one sensor for determining operating conditions of the internal combustion engine and is signal-connected to the pressure control device. Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dampfkreislaufsystem in dem gemeinsamen Leitungssystem einen zweiten Wärmeübertrager zur weiteren Erhitzung von dampfförmigem Kühlmittel unter Aufnahme von Abgasabwärme umfasst, welcher innerhalb des Abgasstrangs der Brennkraftmaschine und zwischen dem ersten Wärmeübertrager und der Expansionsmaschine angeordnet ist und mit dem beim Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abgas wärmeübertragend in Kontakt steht.Internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery after Claim 1 , characterized in that the steam cycle system in the common line system comprises a second heat exchanger for further heating of vaporous refrigerant receiving waste gas heat, which is disposed within the exhaust line of the internal combustion engine and between the first heat exchanger and the expansion machine and with the resulting during operation of the internal combustion engine Exhaust gas is heat-transmitting in contact. Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksteuereinrichtung durch die Expansionsmaschine mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis, durch ein separates Expansionsventil mit variabel einstellbarem Expansionsverhältnis, durch die Förderpumpe mit variabel einstellbarer Fördermenge, durch den zweiten Wärmeübertrager mit variabel einstellbarer übertragbarer Abgasabwärmemenge, durch den Kondensator mit variabel einstellbarer abführbarer Wärmemenge, durch einen Druckbehälter und / oder durch einen Rekuperator mit variabel einstellbarer übertragbarer Wärmemenge gebildet wird.Internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure control device by the expansion machine with variably adjustable expansion ratio, by a separate expansion valve with variably adjustable expansion ratio, by the feed pump with variably adjustable flow rate, by the second heat exchanger with variably adjustable transmittable Exhaust heat recovery amount, is formed by the condenser with variably adjustable amount of heat dissipatable, by a pressure vessel and / or by a recuperator with variably adjustable transmittable heat quantity. Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation, wobei eine Ansteuerung einer Drucksteuereinrichtung eines wenigstens einen als Brennkraftmaschinenkühlmantel ausgebildeten ersten Wärmeübertrager, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Förderpumpe umfassenden Dampfkreislaufsystems zur Veränderung des Drucks des Kühlmittels in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine erfolgt, um eine variable Kühlung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Abwärmenutzung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.A method for operating the internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery, wherein a control of a pressure control device of at least one designed as an engine cooling jacket first heat exchanger, an expansion machine, a condenser and a feed pump comprising steam cycle system for changing the pressure of the coolant in response to the operating conditions of the internal combustion engine takes place to a allow variable cooling of the internal combustion engine with simultaneous use of waste heat depending on the operating conditions of the internal combustion engine. Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die Qualität der Verbrennung repräsentieren.Method for operating the internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery after Claim 4 , characterized in that the operating conditions of the internal combustion engine represent the quality of the combustion. Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation nach einem der Patentansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine Informationen zum Klopfverhalten und / oder Informationen zur Schadstoffentwicklung der Verbrennung im Zylinder der Brennkraftmaschine repräsentieren.Method for operating the internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery according to one of Claims 4 to 5 , characterized in that the operating conditions of the internal combustion engine information about the knocking behavior and / or information about the pollutant development of the combustion in the cylinder of the internal combustion engine. Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmerekuperation nach einem der Patentansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Drucksteuereinrichtung in Abhängigkeit von aktuell vorherrschenden oder zukünftig zu erwartenden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine erfolgt.Method for operating the internal combustion engine with evaporative cooling and waste heat recovery according to one of Claims 4 to 5 , characterized in that the control of the pressure control device takes place as a function of currently prevailing or future expected operating conditions of the internal combustion engine.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018111704B3 (en) 2018-05-16 2019-08-22 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Method and apparatus for evaporative cooling of an engine based on the temperature and the pressure of a coolant
DE102019217031A1 (en) * 2019-11-05 2021-05-06 Mahle International Gmbh Method for using waste heat from a heat engine
DE102022128616B3 (en) 2022-10-28 2024-01-04 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Phase change cooling circuit with pressure control device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007050259A1 (en) * 2007-10-22 2009-04-23 Ford Global Technologies, LLC, Dearborn Loaded internal-combustion engine for use in vehicle, has expansion machine arranged upstream of heat exchanger for production of additional energy, and overheated and essentially vaporous cooling agent passed through machine
EP2354515A1 (en) * 2010-01-22 2011-08-10 Robert Bosch GmbH Method for operating a combustion machine with a steam power assembly
DE102011003607A1 (en) * 2011-02-03 2012-08-09 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for improving mechanical power output of expansion machine for driving e.g. generator, involves vaporizing working medium using exhaust gas heat from combustion engine and expanding working medium to produce mechanical force

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007050259A1 (en) * 2007-10-22 2009-04-23 Ford Global Technologies, LLC, Dearborn Loaded internal-combustion engine for use in vehicle, has expansion machine arranged upstream of heat exchanger for production of additional energy, and overheated and essentially vaporous cooling agent passed through machine
EP2354515A1 (en) * 2010-01-22 2011-08-10 Robert Bosch GmbH Method for operating a combustion machine with a steam power assembly
DE102011003607A1 (en) * 2011-02-03 2012-08-09 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for improving mechanical power output of expansion machine for driving e.g. generator, involves vaporizing working medium using exhaust gas heat from combustion engine and expanding working medium to produce mechanical force

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018111704B3 (en) 2018-05-16 2019-08-22 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Method and apparatus for evaporative cooling of an engine based on the temperature and the pressure of a coolant
US10711683B2 (en) 2018-05-16 2020-07-14 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Method and apparatus for cooling an engine
DE102019217031A1 (en) * 2019-11-05 2021-05-06 Mahle International Gmbh Method for using waste heat from a heat engine
US11614029B2 (en) 2019-11-05 2023-03-28 Mahle International Gmbh Method for the utilization of waste heat of a heat engine
DE102022128616B3 (en) 2022-10-28 2024-01-04 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Phase change cooling circuit with pressure control device

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