DE102021208409A1 - Method for operating a waste heat utilization device - Google Patents

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Michael Bucher
Hannes Marlok
Christoph Steinmetz
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungseinrichtung (1), die einen Abwärmenutzungskreislauf (2) umfasst, in welchem ein Arbeitsmedium (AM) zirkulierbar ist und in welchem zwischen einem Verdampfer (3) der Abwärmenutzungseinrichtung (1) und einem Kondensator (4) der Abwärmenutzungseinrichtung (1) eine mit einem elektrischen Generator (6) antriebsverbundene Expansionsmaschine (5) angeordnet ist. Dabei treibt die Expansionsmaschine (5) im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung (1) den Generator (6) zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung (P) an. Gemäß dem Verfahren wird im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung (1) die vom elektrischen Generator (6) erzeugte elektrische Ausgangsleistung (P) überwacht. Außerdem wird gemäß dem Verfahren die Expansionsmaschine (5) gedrosselt oder deaktiviert, sobald im Zuge der Überwachung der elektrischen Ausgangsleistung (P) festgestellt wird, dass die elektrische Ausgangsleistung (P) einen vorgegebenen Minimalwert unterschritten hat.The invention relates to a method for operating a waste heat utilization device (1) which comprises a waste heat utilization circuit (2) in which a working medium (AM) can be circulated and in which between an evaporator (3) of the waste heat utilization device (1) and a condenser (4) the waste heat recovery device (1) is arranged with an electric generator (6) drive-connected expansion machine (5). When the waste heat utilization device (1) is in operation, the expansion machine (5) drives the generator (6) to generate an electrical output power (P). According to the method, the electrical output power (P) generated by the electrical generator (6) is monitored during operation of the waste heat utilization device (1). In addition, according to the method, the expansion machine (5) is throttled or deactivated as soon as it is determined during the monitoring of the electrical output power (P) that the electrical output power (P) has fallen below a predetermined minimum value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungseinrichtung sowie eine solche Abwärmenutzungseinrichtung.The invention relates to a method for operating a waste heat recovery device and such a waste heat recovery device.

Abwärmenutzungseinrichtungen mit einem Abwärmenutzungskreislauf können die im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltene Abwärme in einem Kraftfahrzeug nutzen. Hierzu wird ein Verdampfer mit besagter Abwärme beaufschlagt. Üblicherweise wird der Verdampfer von einem Wärmeübertrager gebildet, durch welchen ein Arbeitsmedium zur Aufnahme von Wärme leitbar ist. Dabei wird das in dem Abwärmenutzungskreislauf umlaufende Arbeitsmedium erwärmt, verdampft und überhitzt. Das heiße und unter hohem Druck stehende Arbeitsmedium wird dann in einer Expansionsmaschine expandiert und leistet mechanische Arbeit, die zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt werden kann. In der Expansionsmaschine, beispielsweise einer Axialkolbenmaschine, wird hierzu das Arbeitsmedium von einem hohen Druckniveau auf ein niedrigeres Druckniveau unter mechanischer Arbeitsleistung expandiert. Dabei treiben die Kolben der Expansionsmaschine eine Welle an, welche zum Bewegen des elektrischen Generators mit diesem antriebsverbunden ist. Das expandierte Arbeitsmedium wird in einem Kondensator gekühlt, verflüssigt und dem Fluidkreislauf über eine Pumpe erneut zugeführt.Waste heat recovery devices with a waste heat recovery circuit can use the waste heat contained in the exhaust gas of an internal combustion engine in a motor vehicle. For this purpose, an evaporator is charged with said waste heat. The evaporator is usually formed by a heat exchanger, through which a working medium for absorbing heat can be conducted. The working medium circulating in the waste heat utilization circuit is heated, evaporated and overheated. The hot and highly pressurized working medium is then expanded in an expansion machine and performs mechanical work that can be used to drive an electrical generator. For this purpose, in the expansion machine, for example an axial piston machine, the working medium is expanded from a high pressure level to a lower pressure level with mechanical work output. The pistons of the expansion machine drive a shaft which is drive-connected to the electric generator in order to move it. The expanded working medium is cooled in a condenser, liquefied and returned to the fluid circuit via a pump.

Je höher die Druck- und Temperaturdifferenz des Arbeitsmediums, desto höher ist der Wirkungsgrad der Abwärmenutzungseinrichtung. Als Arbeitsmedium kann Wasser verwendet werden, dessen Dampf unter Abgabe von Arbeit entspannt wird. Es können aber auch beispielsweise organische Arbeitsmedium oder Wasser mit Zusätzen verwendet werden, die wertvoll oder umweltschädlich sein können. Typische Temperaturen des Arbeitsmediums liegen bei einigen hundert °C für den energiereichen Dampfzustand und bei Wasser bei 100°C als Kondensations-Temperatur. Das im Kondensator kondensierte Arbeitsmedium kann einem in dem Abwärmenutzungskreislauf vorhandenem Arbeitsmedium-Reservoir, typischerweise in Form eines geeignet realisierten Behältnisses, zugeführt werden, wo es ohne Verluste wieder für den Abwärmenutzungskreislauf zur Verfügung steht.The higher the pressure and temperature difference of the working medium, the higher the efficiency of the waste heat utilization device. Water can be used as the working medium, the vapor of which is expanded with the release of work. However, it is also possible, for example, to use organic working medium or water with additives that can be valuable or harmful to the environment. Typical temperatures of the working medium are around a few hundred °C for the energy-rich vapor state and at 100 °C as the condensation temperature for water. The working medium condensed in the condenser can be supplied to a working medium reservoir present in the waste heat utilization circuit, typically in the form of a suitably realized container, where it is again available for the waste heat utilization circuit without losses.

Als problematisch kann sich für die Abwärmenutzungseinrichtung erweisen, wenn die Antriebsverbindung zwischen Expansionsmaschine und elektrischem Generator aufgrund eines Fehlers nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet oder der elektrische Generator einen Defekt aufweist, sodass dieser nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert und wie gewünscht eine elektrische Ausgangsleistung erzeugt. Eine solche Fehlfunktion kann zur Folge haben, dass vom elektrischen Generator keine auf die Expansionsmaschine wirkende Gegenkraft mehr erzeugt werden kann, wie dies aufgrund der sogenannten Lenz schen Regel im Zuge der im Generator induzierten Induktionsspannung bei ordnungsgemäßer Funktion des elektrischen Generators der Fall ist.The waste heat recovery device can be problematic if the drive connection between the expansion machine and the electric generator no longer works properly due to a fault or if the electric generator has a defect so that it no longer works properly and generates an electrical output power as desired. Such a malfunction can result in the electric generator no longer being able to generate a counterforce acting on the expansion machine, as is the case due to the so-called Lenz rule in the course of the induction voltage induced in the generator when the electric generator is functioning properly.

Dies wiederum kann zur Folge haben, dass aufgrund des fehlenden mechanischen Widerstands die Expansionsmaschine mit immer höherer Frequenz arbeitet. Falls die Expansionsmaschine durch eine Axialkolbenmaschine gebildet ist, bedeutet dies, dass deren Kolben mit immer stärker ansteigender Frequenz im Arbeitsraum der Expansionsmaschine hin- und her bewegt werden, was zur Beschädigung - bis hin zur Zerstörung - der Expansionsmaschine führen kann.This in turn can result in the expansion machine working at an ever increasing frequency due to the lack of mechanical resistance. If the expansion machine is formed by an axial piston machine, this means that its pistons are moved back and forth in the working chamber of the expansion machine with increasing frequency, which can lead to damage—even destruction—of the expansion machine.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungseinrichtung schaffen, bei welcher insbesondere die Gefahr der Beschädigung oder Zerstörung deren Expansionsmaschine, insbesondere aufgrund eines Funktionsfehlers in der Antriebsverbindung zwischen Expansionsmaschine und elektrischem Generator oder aufgrund eines Funktionsfehlers im elektrischen Generator selbst, verhindert wird oder einer solchen Beschädigung bzw. Zerstörung zumindest entgegengewirkt wird.It is therefore an object of the present invention to create an improved method for operating a waste heat utilization device, in which in particular the risk of damage or destruction of its expansion machine, in particular due to a functional error in the drive connection between the expansion machine and electric generator or due to a functional error in the electric generator itself , Is prevented or such damage or destruction is at least counteracted.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Preferred embodiments are the subject of the dependent claims.

Grundidee der Erfindung ist demnach, während des Betriebs der Abwärmenutzungseinrichtung die vom mit der Expansionsmaschine gekoppelten elektrischen Generator erzeugte elektrische Ausgangsleistung zu überwachen und bei Unterschreiten oder/und Überschreiten eines vorbestimmten Leistungs-Minimalwerts bzw. Maximalwerts - dieser kann ein konstanter Wert sein oder aber auch in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, insbesondere Betriebsparametern, der Abwärmenutzungseinrichtung variabel sein - die Expansionsmaschine zu drosseln oder sogar vollständig abzuschalten, also deren Kolbenbewegung zu verlangsamen oder sogar vollständig anzuhalten. Auf diese Weise wird wie gewünscht verhindert, dass die Expansionsmaschine aufgrund einer Fehlfunktion im elektrischen Generator oder in der Antriebsverbindung zwischen Generator und Expansionsmaschine ebenfalls beschädigt wird. Insbesondere wird das eingangs erwähnte „Hochdrehen“ der Expansionsmaschine aufgrund der fehlenden, bei ordnungsgemäßer Funktion des elektrischen Generators von diesem erzeugten Gegenkraft vermieden.The basic idea of the invention is therefore to monitor the electrical output power generated by the electrical generator coupled to the expansion machine during operation of the waste heat utilization device and, if it falls below and/or exceeds a predetermined minimum or maximum power value - this can be a constant value or also in Depending on various parameters, in particular operating parameters, the waste heat utilization device can be variable - to throttle the expansion machine or even switch it off completely, ie to slow down the piston movement or even to stop it completely. In this way it is prevented, as desired, that the expander is also damaged due to a malfunction in the electrical generator or in the drive connection between the generator and the expander. In particular, the “revving up” of the expansion machine mentioned at the outset is avoided due to the lack of counterforce generated by the electrical generator when it is functioning properly.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer Abwärmenutzungseinrichtung, die einen Abwärmenutzungskreislauf umfasst, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert werden kann. Zwischen einem Verdampfer der Abwärmenutzungseinrichtung und einem Kondensator der Abwärmenutzungseinrichtung ist eine mit einem elektrischen Generator antriebsverbundene Expansionsmaschine angeordnet. Die Expansionsmaschine treibt im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung den elektrischen Generator an, so dass dieser eine elektrischen Ausgangsleistung erzeugt und somit wenigstens einen elektrisch mit dem Generator verbundenen elektrischen Verbraucher - beispielsweise ein elektrisches Bordnetz des mit der Abwärmenutzungseinrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs - mit elektrischer Energie versorgen kann. Mittels der Expansionsmaschine kann also in Verbindung mit dem elektrischen Generator mechanische Arbeit in elektrische Energie umgewandelt werden.The method according to the invention is used to operate a waste heat recovery device that includes a waste heat recovery circuit in which a working medium can be circulated. An expansion machine drive-connected to an electric generator is arranged between an evaporator of the waste heat utilization device and a condenser of the waste heat utilization device. When the waste heat utilization device is in operation, the expansion machine drives the electrical generator so that it generates an electrical output power and can therefore supply electrical energy to at least one electrical consumer connected electrically to the generator—for example, an on-board electrical system of the motor vehicle equipped with the waste heat utilization device. Mechanical work can thus be converted into electrical energy by means of the expansion machine in conjunction with the electrical generator.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung die vom elektrischen Generator erzeugte elektrische Ausgangsleistung überwacht. Erfindungsgemäß wird die Expansionsmaschine gedrosselt oder deaktiviert, sobald im Zuge der Überwachung der elektrischen Ausgangsleistung festgestellt wird, dass die elektrische Ausgangsleistung einen vorgegebenen Minimalwert unterschritten oder/und einen vorbestimmten Maximalwert überschritten hat.In the method according to the invention, the electrical output power generated by the electrical generator is monitored during operation of the waste heat utilization device. According to the invention, the expansion machine is throttled or deactivated as soon as it is determined during the monitoring of the electrical output power that the electrical output power has fallen below a predetermined minimum value and/or has exceeded a predetermined maximum value.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Drosselung oder Deaktivierung der Expansionsmaschine durch Reduktion bzw. Unterbindung einer Durchströmung des Arbeitsraums/der Arbeitsräume der Expansionsmaschine mit dem Arbeitsmedium. Dadurch wird verhindert, dass Druck und Temperatur des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine, insbesondere in deren Arbeitsraum, einen zu hohen Wert annehmen können, sodass die genannte Gefahr einer Beschädigung oder gar Zerstörung der Expansionsmaschine besteht.According to a preferred embodiment of the method, the expansion machine is throttled or deactivated by reducing or preventing the working medium from flowing through the working space(s) of the expansion machine. This prevents the pressure and temperature of the working medium in the expansion machine, in particular in its working space, from being too high, so that there is the risk of damage or even destruction of the expansion machine.

Darüber hinaus ist eine solche Reduktion bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine mit dem Arbeitsmedium auf technisch relativ einfache Weise durch Bereitstellung einer verstellbaren und elektrisch steuerbaren Ventileinrichtung im Abwärmenutzungskreislauf im Bereich der Expansionsmaschine möglich. Die Steuerung der Ventileinrichtung kann mittels einer geeigneten Steuerungs-/Regelungseinrichtung erfolgen, mittels welcher auch die erforderliche Überwachung der vom elektrischen Generator zur elektrischen Ausgangsleistung erfolgen kann. Hierzu kann am Generator ein geeigneter elektrischer Leistungssensor vorgesehen sein, welcher an die Steuerung-Regelungseinheit Sensordaten übermittelt, aus welchen wiederum die vom elektrischen Generator momentan erzeugte elektrische Ausgangsleistung bestimmt werden kann.In addition, such a reduction or prevention of the flow of the working medium through the expansion machine is technically relatively simple by providing an adjustable and electrically controllable valve device in the waste heat recovery circuit in the area of the expansion machine. The valve device can be controlled by means of a suitable control/regulating device, by means of which the required monitoring of the electrical output power generated by the electric generator can also take place. For this purpose, a suitable electrical power sensor can be provided on the generator, which transmits sensor data to the control and regulation unit, from which the electrical output power currently generated by the electrical generator can be determined.

Insbesondere kann eine solche Ventileinrichtung verstellbar ausgebildet sein zwischen einer Schließstellung, in welcher kein Arbeitsmedium durch die Ventileinrichtung hindurchströmen kann, und einer Offenstellung, welcher der Strömungsquerschnitt der Ventileinrichtung zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium maximal ist.In particular, such a valve device can be designed to be adjustable between a closed position, in which no working medium can flow through the valve device, and an open position, in which the flow cross section of the valve device for the working medium to flow through is at its maximum.

Bevorzugt lässt sich die Ventileinrichtung an unterschiedlichen Positionen, gleich wohl jeweils im Bereich der Expansionsmaschine, in dem Abwärmenutzungskreislauf anordnen. Insbesondere kann die Ventileinrichtung ein Bypass-Ventil sein oder umfassen, welches in einer an der Expansionsmaschine vorbeiführenden Bypass-Leitung des Abwärmenutzungskreislaufs angeordnet ist. Bei dieser Variante erfolgt die Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine durch Verstellung der Ventileinrichtung zur Offenstellung der Ventileinrichtung hin oder in diese Offenstellung. Somit wird das Arbeitsmedium aufgrund des geringeren Strömungswiderstands teilweise oder vollständig an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet und diese somit gedrosselt oder sogar deaktiviert.The valve device can preferably be arranged at different positions in the waste heat utilization circuit, although each is in the area of the expansion machine. In particular, the valve device can be or comprise a bypass valve, which is arranged in a bypass line of the waste heat recovery circuit that leads past the expansion machine. In this variant, the flow through the expansion machine is throttled or prevented by adjusting the valve device toward the open position of the valve device or into this open position. Due to the lower flow resistance, the working medium is thus partially or completely routed past the expansion machine and this is thus throttled or even deactivated.

Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, die Ventileinrichtung in der Expansionsmaschine im Bereich eines Übergangs von der Hochdruck- zur Niederdruckseite des Abwärmenutzungskreislaufs, also bevorzugt im Arbeitsraum der Expansionsmaschine, anzuordnen.As an alternative to this, however, it is also conceivable to arrange the valve device in the expansion machine in the area of a transition from the high-pressure side to the low-pressure side of the waste heat utilization circuit, ie preferably in the working space of the expansion machine.

Alternativ dazu denkbar sind zwei weitere Varianten, bei welchen die Ventileinrichtung hochdruckseitig an einem Medieneinlass der Expansionsmaschine bzw. niederdruckseitig an einem Medienauslass der Expansionsmaschine angeordnet ist.As an alternative to this, two further variants are conceivable, in which the valve device is arranged on the high-pressure side at a media inlet of the expansion machine or on the low-pressure side at a media outlet of the expansion machine.

Um bei den voranstehend erläuterten drei Varianten die gewünschte Reduktion bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine mit dem Arbeitsmedium zu erzielen, ist es - gegensätzlich zur Variante mit einem Bypass-Ventil - erforderlich, die voranstehend erläutert im Abwärmenutzungskreislauf angeordnete Ventileinrichtung zu einer Schließstellung der Ventileinrichtung hin bzw. in diese Schließstellung zu verstellen.In order to achieve the desired reduction or suppression of the flow through the expansion machine with the working medium in the three variants explained above, it is necessary - in contrast to the variant with a bypass valve - to move the valve device, which is arranged in the waste heat utilization circuit and explained above, to a closed position of the valve device or to adjust in this closed position.

Die Erfindung betrifft ferner eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einem in einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich unterteilten Abwärmenutzungskreislauf. Im Abwärmenutzungskreislauf kann entlang einer Zirkulationsrichtung ein Arbeitsmedium zirkulieren. Die Abwärmenutzungseinrichtung umfasst einen Verdichter, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator, die alle im Abwärmenutzungskreislauf angeordnet sind. Vorzugsweise unterteilen der Verdichter und die Expansionsmaschine den Abwärmenutzungskreislauf in einen sich vom Verdichter zur Expansionsmaschine erstreckenden Hochdruckbereich und in einen sich von der Expansionsmaschine zum Verdichter erstreckenden Niederdruckbereich. Der Verdampfer ist zwischen Verdichter und Expansionsmaschine im Hochdruckbereich angeordnet. Der Kondensator ist zwischen Expansionsmaschine und Verdichter im Niederdruckbereich angeordnet.The invention also relates to a waste heat recovery device with a waste heat recovery circuit divided into a high-pressure area and a low-pressure area. A working medium can circulate along a circulation direction in the waste heat utilization circuit. The waste heat recovery device includes a compressor, a Ver evaporator, an expander and a condenser, all located in the waste heat recovery circuit. Preferably, the compressor and the expander divide the waste heat utilization circuit into a high-pressure area extending from the compressor to the expander and a low-pressure area extending from the expander to the compressor. The evaporator is located between the compressor and the expansion machine in the high-pressure area. The condenser is located between the expansion machine and the compressor in the low-pressure area.

Die Abwärmenutzungseinrichtung umfasst ferner einen mit der Expansionsmaschine antriebsverbundenen elektrischen Generator zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung. Der elektrische Generator kann einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor aufweisen, wobei der Rotor - insbesondere über eine Drehwelle - mit der Expansionsmaschine antriebsverbunden sein kann. The waste heat utilization device also includes an electrical generator, which is drive-connected to the expansion machine, for generating an electrical output power. The electrical generator can have a stator and a rotor which can be rotated relative to the stator, the rotor being able to be drive-connected to the expansion machine, in particular via a rotating shaft.

Außerdem umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung, die zur Durchführung des voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet/programmiert ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten daher auch für die erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung. Bei der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung ist eine im Abwärmenutzungskreislauf verstellbar angeordnete und mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung elektrisch steuerbare Ventileinrichtung vorhanden, mittels welcher die Durchströmung der Expansionsmaschine mit dem Arbeitsmedium variiert werden kann. Ferner umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung einen elektrischen Leistungssensor, mittels welchem die vom elektrischen Generator momentan erzeugte Ausgangsleistung bestimmbar und an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung übermittelbar ist.In addition, the waste heat recovery device includes a control/regulation device that is set up/programmed to carry out the method according to the invention presented above. The advantages of the method according to the invention explained above therefore also apply to the waste heat utilization device according to the invention. In the waste heat utilization device according to the invention, there is a valve device which is adjustably arranged in the waste heat utilization circuit and can be electrically controlled by means of the control/regulating device, by means of which the flow through the expansion machine with the working medium can be varied. Furthermore, the waste heat utilization device includes an electrical power sensor, by means of which the output power currently generated by the electrical generator can be determined and transmitted to the control/regulating device.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Abwärmenutzungseinrichtung ist oder umfasst die Expansionsmaschine eine Axialkolbenmaschine.According to a preferred embodiment of the waste heat utilization device, the expansion machine is or includes an axial piston machine.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist oder umfasst die Ventileinrichtung ein Bypass-Ventil, welches in einer an der Expansionsmaschine vorbeiführenden Bypass-Leitung des Abwärmenutzungskreislaufs angeordnet ist. Diese Variante erlaubt es, durch Öffnung des Bypass-Ventils und die damit einhergehende Durchströmung der Bypass-Leitung - anstelle der Expansionsmaschine -den auf den Arbeitsraum der Expansionsmaschine wirkenden Mediendruck des Arbeitsmediums zu reduzieren und auf diese Weise die Expansionsmaschine zu drosseln oder im Extremfall sogar vollständig abzuschalten. Eine nicht akzeptable Bewegung des/der Kolben(s) der Expansionsmaschine mit einer zu hohen Kolbenfrequenz und eine damit einhergehende Beschädigung oder gar Zerstörung der Expansionsmaschine kann somit zumindest entgegengewirkt werden. Bei dieser Variante empfiehlt es sich, die elektrisch steuerbare Ventileinrichtung so auszugestalten, dass diese sich, sobald sie elektrisch stromlos geschaltet ist, selbsttätig in die Offenstellung verstellt und somit die Bypass-Leitung zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium freigibt. Eine solche „Fail-Safe“-Funktion stellt sicher, dass bei Ausfall der elektrischen Spannungsversorgung - insbesondere wenn diese durch die Fehlfunktion des elektrischen Generators hervorgerufen wird - automatisch die gewünschte Drosselung bzw. Deaktivierung der Expansionsmaschine erfolgen soll, um diese gegen Beschädigung oder Zerstörung zu schützen.According to another preferred embodiment, the valve device is or comprises a bypass valve, which is arranged in a bypass line of the waste heat utilization circuit that leads past the expansion machine. This variant allows, by opening the bypass valve and the associated flow through the bypass line - instead of the expander - to reduce the medium pressure of the working medium acting on the working chamber of the expander and in this way to throttle the expander or, in extreme cases, even completely turn off An unacceptable movement of the piston(s) of the expansion machine with too high a piston frequency and damage or even destruction of the expansion machine associated therewith can thus at least be counteracted. In this variant, it is advisable to configure the electrically controllable valve device in such a way that, as soon as it is electrically de-energized, it automatically moves into the open position and thus releases the bypass line for the working medium to flow through. Such a "fail-safe" function ensures that in the event of a failure of the electrical power supply - especially if this is caused by the malfunction of the electrical generator - the desired throttling or deactivation of the expansion machine should take place automatically in order to protect it against damage or destruction protection.

Bei einer anderen bevorzugten und zur vorangehend erläuterten Ausführungsform alternativen Varianten kann die Ventileinrichtung in der Expansionsmaschine im Bereich eines Übergangs von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Abwärmenutzungskreislaufs - insbesondere in einem Arbeitsraum der Expansionsmaschine, in welcher deren verstellbare(r) Kolben vorgesehen ist/sind - angeordnet sein. Diese Variante ist technisch besonders einfach realisierbar und daher kostengünstig. Die gewünschte Drosselung der Expansionsmaschine bis hin zur vollständigen Deaktivierung wird in diesem Fall durch ein Verstellen der Ventileinrichtung zur Schließung hin bzw. in die Schließstellung bewirkt. Da damit eine geringere Durchströmungsrate des Arbeitsraums der Expansionsmaschine mit dem Arbeitsmedium bis hin zum vollständigen Stopp der Durchströmung einhergeht, wird auf diese Weise verhindert, dass die Kolben der Expansionsmaschine aufgrund der fehlenden vom elektrischen Generator erzeugten Gegenkraft auf eine zu hohe Bewegungsfrequenz beschleunigt wird. Bei dieser Variante empfiehlt es sich - gegensätzlich zur vorangehend erläuterten Variante -, die elektrisch steuerbare Ventileinrichtung so anzusteuern, dass diese sich, sobald elektrisch stromlos geschaltet, selbsttätig in die Schließstellung verstellt. Eine solche „Fail-Safe“-Funktion stellt sicher, dass bei Ausfall der elektrischen Spannungsversorgung - insbesondere wenn durch die Fehlfunktion des elektrischen Generators hervorgerufen - automatisch die gewünschte Drosselung bzw. Deaktivierung der Expansionsmaschine erfolgt, um deren Beschädigung oder Zerstörung zu verhindern oder dieser zumindest entgegenzuwirken.In another preferred variant that is alternative to the embodiment explained above, the valve device can be arranged in the expansion machine in the area of a transition from the high-pressure side to the low-pressure side of the waste heat utilization circuit - in particular in a working chamber of the expansion machine in which its adjustable piston(s) is/are provided be. This variant is technically particularly easy to implement and therefore inexpensive. In this case, the desired throttling of the expansion machine up to complete deactivation is effected by adjusting the valve device towards the closure or into the closed position. Since this is associated with a lower flow rate of the working chamber of the expansion machine with the working medium up to a complete stop of the flow, this prevents the pistons of the expansion machine from being accelerated to a movement frequency that is too high due to the lack of counterforce generated by the electric generator. In this variant, it is recommended—in contrast to the previously explained variant—to control the electrically controllable valve device in such a way that it automatically moves into the closed position as soon as it is electrically de-energized. Such a "fail-safe" function ensures that if the electrical power supply fails - especially if this is caused by the malfunction of the electrical generator - the desired throttling or deactivation of the expansion machine takes place automatically in order to prevent damage or destruction, or at least this to counteract.

Bei zwei weiteren bevorzugten und zur vorangehend erläuterten Ausführungsform alternativen Varianten kann die Ventileinrichtung hochdruckseitig an einem Medieneinlass der Expansionsmaschine oder niederdruckseitig an einem Medienauslass der Expansionsmaschine angeordnet sein. In ersterem Fall wird durch Verstellung der Ventileinrichtung zur Schließstellung hin oder in die Schließstellung bewirkt, dass weniger oder überhaupt kein Arbeitsmedium mehr in den Arbeitsraum der Expansionsmaschine gelangen kann, sodass einer Bewegung deren Kolben mit zu hoher Kolbenfrequenz entgegengewirkt wird oder dies sogar vollständig verhindert wird. In letzterem Falle wird derselbe Effekt erzielt, da das in den Arbeitsraum gelangte Medium nicht mehr oder nur noch mit einer geringeren Durchströmungsrate wieder aus dem Arbeitsraum austreten kann. Auch bei diesen beiden Varianten empfiehlt es sich wie bei der vorangehend erläuterten Variante, die elektrisch steuerbare Ventileinrichtung so anzusteuern, dass diese sich, sobald elektrisch stromlos geschaltet, selbsttätig in die Schließstellung verstellt. Auch eine solche „Fail-Safe“-Funktion stellt sicher, dass bei Ausfall der elektrischen Spannungsversorgung - insbesondere wenn hervorgerufen durch die Fehlfunktion des elektrischen Generators - automatisch die gewünschte Drosselung bzw. Deaktivierung der Expansionsmaschine erfolgt.In two further preferred variants that are alternatives to the embodiment explained above, the valve device can be arranged on the high-pressure side at a media inlet of the expansion machine or on the low-pressure side at a media outlet of the expansion machine not be. In the first case, by adjusting the valve device towards the closed position or into the closed position, less or no working medium can get into the working chamber of the expansion machine, so that a movement of the piston with too high a piston frequency is counteracted or even completely prevented. In the latter case, the same effect is achieved since the medium that has entered the working space can no longer exit the working space or can only exit the working space at a lower flow rate. In these two variants, it is also advisable, as in the variant explained above, to control the electrically controllable valve device in such a way that it automatically moves into the closed position as soon as it is electrically de-energized. Such a "fail-safe" function also ensures that the desired throttling or deactivation of the expansion machine takes place automatically in the event of a failure of the electrical power supply - in particular if this is caused by the malfunction of the electrical generator.

Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen Abgasstrang zum Abführen des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases. Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine voranstehend vorgestellte, erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung. Beim erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist der Abgasstrang der Brennkraftmaschine durch den Verdampfer der Abwärmenutzungseinrichtung geführt, so dass durch den Verdampfer fluidisch getrennt vom Arbeitsmedium der Abwärmenutzungseinrichtung geführtes Abgas thermisch mit dem Arbeitsmedium verbunden ist und somit Wärme an das Arbeitsmedium abgeben kann.The invention also relates to a motor vehicle with an internal combustion engine, having an exhaust line for discharging the exhaust gas generated by the internal combustion engine. The motor vehicle also includes a waste heat utilization device according to the invention that was presented above. The advantages of the method according to the invention and the waste heat utilization device according to the invention explained above are therefore also transferred to the waste heat utilization device according to the invention. In the motor vehicle according to the invention, the exhaust line of the internal combustion engine is routed through the evaporator of the waste heat recovery device, so that exhaust gas that is fluidically separated from the working medium of the waste heat recovery device through the evaporator is thermally connected to the working medium and can thus give off heat to the working medium.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend dies genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference numbers referring to identical or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch:

  • 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung, bei welcher die Ventileinrichtung als Bypass-Ventil ausgebildet ist, welches in einer an der Expansionsmaschine vorbeiführenden Bypassleitung angeordnet ist,
  • 2 eine Variante des Beispiels der 1, bei welcher auf die Bypass-leitung verzichtet ist und die Ventileinrichtung stattdessen stromauf der Expansionsmaschine im Abwärmenutzungskreislauf angeordnet ist,
  • 3 eine Alternativ-Variante des Beispiels der 2, bei welcher die Ventileinrichtung stromab der Expansionsmaschine im Abwärmenutzungskreislauf angeordnet ist.
They show, each schematically:
  • 1 an example of a waste heat utilization device according to the invention, in which the valve device is designed as a bypass valve which is arranged in a bypass line leading past the expansion machine,
  • 2 a variant of the example of 1 , in which the bypass line is omitted and the valve device is instead arranged upstream of the expansion machine in the waste heat recovery circuit,
  • 3 an alternative variant of the example 2 , In which the valve device is arranged downstream of the expansion machine in the waste heat utilization cycle.

1 illustriert schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung 1 mit einem Abwärmenutzungskreislauf 2, in welchem ein Arbeitsmedium AM zirkulieren kann. Im Abwärmenutzungskreislauf 2 sind in herkömmlicher Weise ein Verdichter 11, ein Verdampfer 3, ein Expansionsmaschine 5 und ein Kondensator 4 angeordnet, wobei der Verdichter 11 und die Expansionsmaschine 5 den Abwärmenutzungskreislauf 2 in einen sich vom Verdichter 11 zur Expansionsmaschine 5 erstreckenden Hochdruckbereich 2a und in einen sich von der Expansionsmaschine 5 zum Verdichter 11 erstreckenden Niederdruckbereich 2b unterteilen. Der Verdampfer 3 ist zwischen dem Verdichter 11 und der Expansionsmaschine 5 im Hochdruckbereich 2a angeordnet. Der Kondensator 4 ist zwischen Expansionsmaschine 5 und Verdichter 11 im Niederdruckbereich 2b angeordnet. Im Abwärmenutzungskreislauf 2 kann außerdem ein (Ausgleichs-)behältnis 16 zur Aufnahme des Arbeitsmediums Arbeitsmedium angeordnet sein. Die Abwärmenutzungseinrichtung 1 kann Teil eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) sein, welche eine Brennkraftmaschine mit einem - in 1 nur abschnittsweise dargestellten - Abgasstrang 17 zum Abführen des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases umfasst. Der Abgasstrang ist dabei zweckmäßig so durch den Verdampfer 3 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 geführt, dass das durch den Verdampfer 3 fluidisch getrennt vom Arbeitsmedium AM der Abwärmenutzungseinrichtung 1 geführte Abgas AG thermisch mit dem Arbeitsmedium AM verbunden ist und somit Wärme an das Arbeitsmedium AM abgeben kann. 1 schematically illustrates an example of a waste heat utilization device 1 according to the invention with a waste heat utilization cycle 2 in which a working medium AM can circulate. A compressor 11, an evaporator 3, an expansion machine 5 and a condenser 4 are arranged in the conventional manner in the waste heat recovery circuit 2, with the compressor 11 and the expansion machine 5 dividing the waste heat recovery circuit 2 into a high-pressure region 2a extending from the compressor 11 to the expansion machine 5 and into a divide extending from the expander 5 to the compressor 11 low-pressure region 2b. The evaporator 3 is arranged between the compressor 11 and the expansion machine 5 in the high-pressure area 2a. The condenser 4 is arranged between the expansion machine 5 and the compressor 11 in the low-pressure area 2b. A (compensation) container 16 for receiving the working medium can also be arranged in the waste heat recovery circuit 2 . The waste heat utilization device 1 can be part of a motor vehicle (not shown) which has an internal combustion engine with a - in 1 exhaust system 17 for discharging the exhaust gas generated by the internal combustion engine. The exhaust line is expediently routed through the evaporator 3 of the waste heat recovery device 1 in such a way that the exhaust gas AG, which is routed through the evaporator 3 fluidically separately from the working medium AM of the waste heat recovery device 1, is thermally connected to the working medium AM and can therefore give off heat to the working medium AM.

Wie 1 außerdem veranschaulicht, kann im Abwärmenutzungskreislauf 2 ferner ein als sog. Rekuperator 14 ausgebildeter Wärmeübertrager 15 angeordnet sein, welcher sowohl von dem im Hochdruckbereich 2a befindlichen Arbeitsmedium AM als auch von dem im Niederdruckbereich 2b befindlichen Arbeitsmedium AM durchströmt wird. Dabei ist das im Hochdruckbereich 2a befindliche Arbeitsmedium AM im Rekuperator 14 bzw. Wärmeübertrager 15 thermisch mit dem im Niederdruckbereich 2b befindlichen Arbeitsmedium AM gekoppelt, so dass Wärme vom heißeren auf das weniger heiße Arbeitsmedium übertragen werden kann. Auf diese Weise kann die Effizienz der Abwärmenutzungseinrichtung 1 verbessert werden. In einer vereinfachten Variante der Abwärmenutzungseinrichtung 1 kann auf die Bereitstellung des voranstehend erläuterten Rekuperators 14 verzichtet sein (nicht gezeigt).How 1 also illustrated, a so-called Working medium AM located in the pressure area 2a as well as the working medium AM located in the low-pressure area 2b flows through it. The working medium AM in the high-pressure area 2a is thermally coupled in the recuperator 14 or heat exchanger 15 with the working medium AM in the low-pressure area 2b, so that heat can be transferred from the hotter to the less hot working medium. In this way, the efficiency of the waste heat utilization device 1 can be improved. In a simplified variant of the waste heat utilization device 1, the provision of the recuperator 14 explained above can be dispensed with (not shown).

Die Abwärmenutzungseinrichtung 1 umfasst ferner einen mit der Expansionsmaschine 5 antriebsverbundenen elektrischen Generator 6 zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung P. An den elektrischen Generator 6 können elektrische Verbraucher des mit der Abwärmenutzungseinrichtung 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein elektrisches Bordnetz, angeschlossen sein (nicht gezeigt). Der elektrische Generator 6 kann einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor (nicht gezeigt) aufweisen, wobei der Rotor über eine Drehwelle 18 mit der Expansionsmaschine 5 antriebsverbunden sein kann. Die Abwärmenutzungseinrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 10, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet/programmiert ist. Des Weiteren umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung 1 eine im Abwärmenutzungskreislauf 2 angeordnete und mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 10 verstellbaren Ventileinrichtung 7, mittels welcher die Durchströmung der Expansionsmaschine 5 mit dem Arbeitsmedium AM variiert werden kann. Außerdem weist die Abwärmenutzungseinrichtung 1 einen elektrischen Leistungssensor 12 auf, mittels welchem die vom elektrischen Generator 6 momentan erzeugte Ausgangsleistung P bestimmt und an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 10 übermittelt werden kann.The waste heat utilization device 1 also includes an electrical generator 6, which is drive-connected to the expansion machine 5, for generating an electrical output power P. Electrical consumers of the motor vehicle equipped with the waste heat utilization device 1, for example an on-board electrical system, can be connected to the electrical generator 6 (not shown). The electrical generator 6 can have a stator and a rotor (not shown) which can be rotated relative to the stator, it being possible for the rotor to be drive-connected to the expansion machine 5 via a rotary shaft 18 . The waste heat utilization device 1 also includes a control/regulation device 10 which is set up/programmed to carry out the method according to the invention. Furthermore, the waste heat utilization device 1 comprises a valve device 7 which is arranged in the waste heat utilization circuit 2 and can be adjusted by means of the control/regulating device 10, by means of which the flow through the expansion machine 5 with the working medium AM can be varied. In addition, the waste heat utilization device 1 has an electrical power sensor 12 by means of which the output power P currently generated by the electrical generator 6 can be determined and transmitted to the control/regulating device 10 .

Die Expansionsmaschine 5 kann eine Axialkolbenmaschine 13 mit mehreren in den Abwärmenutzungskreislauf 2 eingebundenen und somit vom Arbeitsmedium durchströmbaren Arbeitsräumen (nicht gezeigt) sein, in welchen jeweils ein Kolben (nicht gezeigt) axial verstellbar und vom Arbeitsmedium AM antreibbar angeordnet ist.The expansion machine 5 can be an axial piston machine 13 with several working chambers (not shown) that are integrated into the waste heat recovery circuit 2 and can therefore be flown through by the working medium, in each of which a piston (not shown) is arranged so that it can be adjusted axially and driven by the working medium AM.

Im Beispiel der 1 ist die Ventileinrichtung 7 ein Bypass-Ventil 8, welches in einer an der Expansionsmaschine 5 vorbeiführenden Bypass-Leitung 9 des Abwärmenutzungskreislaufs 2 angeordnet ist.In the example of 1 the valve device 7 is a bypass valve 8 , which is arranged in a bypass line 9 of the waste heat recovery circuit 2 that runs past the expansion machine 5 .

Die 2 zeigt eine erste Variante des Beispiels der 1 und ist eine Detaildarstellung des Abwärmenutzungskreislaufs 2 im Bereich der Expansionsmaschine 5. Beim Beispiel der 2 ist die Ventileinrichtung 7 in der Hochdruckseite 2a im Bereich eines Medieneinlasses 5a der Expansionsmaschine 5 angeordnet.The 2 shows a first variant of the example 1 and is a detailed representation of the waste heat utilization circuit 2 in the area of the expansion machine 5. In the example of FIG 2 the valve device 7 is arranged in the high-pressure side 2a in the region of a media inlet 5a of the expansion machine 5 .

Die 3 zeigt eine zweite Variante des Beispiels der 1 und ist ebenso wie 2 eine Detaildarstellung des Abwärmenutzungskreislaufs 2 im Bereich der Expansionsmaschine 5. Beim Beispiel der 3 ist die Ventileinrichtung 7 in der Niederdruckseite 2b im Bereich eines Medienauslasses 5b der Expansionsmaschine 5 angeordnet.The 3 shows a second variant of the example 1 and is just like 2 a detailed representation of the waste heat utilization circuit 2 in the area of the expansion machine 5. In the example of 3 the valve device 7 is arranged in the low-pressure side 2b in the area of a media outlet 5b of the expansion machine 5 .

Im Folgenden wird das erfindungsgemäßen Verfahren beispielhaft erläutert, welches insbesondere in den Varianten gemäß den 1 bis 3 von deren Steuerungs-/Regelungseinrichtung 10 durchgeführt werden kann.In the following, the inventive method is explained by way of example, which in particular in the variants according to 1 until 3 can be carried out by the control/regulation device 10 .

Gemäß dem Verfahren wird von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 10 im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung 1 die vom elektrischen Generator 6 erzeugte elektrische Ausgangsleistung P überwacht. Die Expansionsmaschine 5 wird von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 10 gedrosselt oder deaktiviert, sobald im Zuge der Überwachung der elektrischen Ausgangsleistung P festgestellt wird, dass die elektrische Ausgangsleistung P einen vorgegebenen Minimalwert unterschritten hat. Die Drosselung oder Deaktivierung der Expansionsmaschine 6 erfolgt durch Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine 5 mit dem Arbeitsmedium AM. Die Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung kann wiederum durch Verstellung wenigstens einer im Abwärmenutzungskreislauf 2 angeordneten Ventileinrichtung 7 erfolgen.According to the method, the electrical output power P generated by the electrical generator 6 is monitored by the control/regulating device 10 during operation of the waste heat utilization device 1 . The expansion machine 5 is throttled or deactivated by the control/regulating device 10 as soon as it is determined during the monitoring of the electrical output power P that the electrical output power P has fallen below a predetermined minimum value. The expansion machine 6 is throttled or deactivated by throttling or preventing the flow of the working medium AM through the expansion machine 5 . The throttling or prevention of the through-flow can in turn be effected by adjusting at least one valve device 7 arranged in the waste heat utilization circuit 2 .

Im Beispiel der 1, bei welchem die Ventileinrichtung 7 ein Bypass-Ventil 8 ist, welches in einer an der Expansionsmaschine 5 vorbeiführenden Bypass-Leitung 9 des Abwärmenutzungskreislaufs angeordnet ist, erfolgt die Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine 5 durch Verstellung der Ventileinrichtung 7 zu einer Offenstellung der Ventileinrichtung 7 hin oder in diese Offenstellung.In the example of 1 , in which the valve device 7 is a bypass valve 8, which is arranged in a bypass line 9 of the waste heat recovery circuit that leads past the expansion machine 5, the flow through the expansion machine 5 is throttled or prevented by adjusting the valve device 7 to an open position Valve device 7 out or in this open position.

Im Beispiel der 2 und 3, bei welchem gegensätzlich zur Variante der 1 keine Bypass-Leitung 9 vorgesehen ist und stattdessen die Ventileinrichtung 7 direkt- also in der Expansionsmaschine 5 oder stromauf oder stromab derselben - im Abwärmenutzungskreislauf 2 angeordnet ist, erfolgt die Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine 5 durch Verstellung der Ventileinrichtung 7 zu einer Schließstellung der Ventileinrichtung 7 hin oder in diese Schließstellung.In the example of 2 and 3 , in which contrary to the variant of 1 no bypass line 9 is provided and instead the valve device 7 is arranged directly - i.e. in the expansion machine 5 or upstream or downstream thereof - in the waste heat recovery circuit 2, the flow through the expansion machine 5 is throttled or prevented by adjusting the valve device 7 to a closed position of the valve device 7 or into this closed position.

In einer Variante des Verfahrens kann bei Anliegen einer elektrischen Betriebsspannung an der Ventileinrichtung 7 sowie bei einer Freigabe durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 10 die Ventileinrichtung 7 - im Abdampf zwischen Expander-Austritt und Kondensatoreintritt und noch vor der Abzweigung zur Überdruckabsicherung angeordnet - in die Offenstellung verstellt werden. Bei Kabelbruch oder elektrischer Überspannung oder bei Abfall der Betriebsspannung wird die Ventileinrichtung 7 selbsttätig in die Schließstellung verstellt werden.In a variant of the method, when an electrical operating voltage is applied to the valve device 7 and when it is released by the control/regulating device 10, the valve device 7 - arranged in the waste steam between the expander outlet and the condenser inlet and before the branch for overpressure protection - can be moved into the open position be adjusted. In the event of a cable break or electrical overvoltage or if the operating voltage drops, the valve device 7 will automatically be moved into the closed position.

Claims (11)

Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungseinrichtung (1), die einen Abwärmenutzungskreislauf (2) umfasst, in welchem ein Arbeitsmedium (AM) zirkulierbar ist und in welchem zwischen einem Verdampfer (3) der Abwärmenutzungseinrichtung (1) und einem Kondensator (4) der Abwärmenutzungseinrichtung (1) eine mit einem elektrischen Generator (6) antriebsverbundene Expansionsmaschine (5) angeordnet ist, die im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung (1) den elektrischen Generator (6) zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung (P) antreibt, wobei gemäß dem Verfahren: - im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung (1) die vom elektrischen Generator (6) erzeugte elektrische Ausgangsleistung (P) überwacht wird; - die Expansionsmaschine (5) gedrosselt oder deaktiviert wird, sobald im Zuge der Überwachung der elektrischen Ausgangsleistung (P) festgestellt wird, dass die elektrische Ausgangsleistung (P) einen vorgegebenen Minimalwert unterschritten hat oder/und einen vorbestimmten Maximalwert überschritten hat.Method for operating a waste heat utilization device (1), which comprises a waste heat utilization cycle (2), in which a working medium (AM) can be circulated and in which between an evaporator (3) of the waste heat utilization facility (1) and a condenser (4) of the waste heat utilization facility (1 ) an expansion machine (5) drive-connected to an electric generator (6) is arranged, which during operation of the waste heat utilization device (1) drives the electric generator (6) to generate an electric output power (P), wherein according to the method: - When the waste heat recovery device (1) is in operation, the electric output power (P) generated by the electric generator (6) is monitored; - The expansion machine (5) is throttled or deactivated as soon as it is determined during the monitoring of the electrical output power (P) that the electrical output power (P) has fallen below a predetermined minimum value and/or has exceeded a predetermined maximum value. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung oder Deaktivierung der Expansionsmaschine (6) durch Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine (5) mit dem Arbeitsmedium (AM) erfolgt.procedure after claim 1 , characterized in that the throttling or deactivation of the expansion machine (6) by throttling or preventing the flow through the expansion machine (5) with the working medium (AM). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine (5) mit dem Arbeitsmedium (AM) durch Verstellung wenigstens einer im Abwärmenutzungskreislauf (2) angeordneten Ventileinrichtung (7) erfolgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the flow through the expansion machine (5) with the working medium (AM) is throttled or prevented by adjusting at least one valve device (7) arranged in the waste heat utilization circuit (2). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die wenigstens eine Ventileinrichtung (7) ein Bypass-Ventil (8) ist oder umfasst, welches in einer an der Expansionsmaschine (5) vorbeiführenden Bypass-Leitung (9) des Abwärmenutzungskreislaufs (2) angeordnet ist; und dass - die Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine (5) durch Verstellung der Ventileinrichtung (7) zu einer Offenstellung der Ventileinrichtung hin oder in diese Offenstellung erfolgt.procedure after claim 3 , characterized in that - the at least one valve device (7) is or comprises a bypass valve (8) which is arranged in a bypass line (9) of the waste heat utilization circuit (2) leading past the expansion machine (5); and that - the flow through the expansion machine (5) is throttled or prevented by adjusting the valve device (7) towards an open position of the valve device or into this open position. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die Ventileinrichtung (7) hochdruckseitig an einem Medieneinlass (5a) der Expansionsmaschine (5) oder niederdruckseitig an einem Medienauslass (5b) der Expansionsmaschine (5) angeordnet ist; und dass - die Drosselung bzw. Unterbindung der Durchströmung der Expansionsmaschine (5) durch Verstellung der Ventileinrichtung (7) zu einer Schließstellung der Ventileinrichtung (7) hin oder in diese Schließstellung erfolgt.procedure after claim 3 or 4 , characterized in that - the valve device (7) is arranged on the high-pressure side at a media inlet (5a) of the expansion machine (5) or on the low-pressure side at a media outlet (5b) of the expansion machine (5); and that - the flow through the expansion machine (5) is throttled or prevented by adjusting the valve device (7) towards a closed position of the valve device (7) or into this closed position. Abwärmenutzungseinrichtung (1), - mit einem in einen Hochdruckbereich (2a) und in einen Niederdruckbereich (2b) unterteilten Abwärmenutzungskreislauf (2), in welchem ein Arbeitsmedium (AM) zirkulierbar ist, wobei die Abwärmenutzungseinrichtung (1) einen Verdichter (11), einen Verdampfer (3), eine Expansionsmaschine (5) und einen Kondensator (4) umfasst, die alle im Abwärmenutzungskreislauf (2) angeordnet sind; - mit einem mit der Expansionsmaschine (5) antriebsverbundenen elektrischen Generator (6) zum Erzeugen einer elektrischen Ausgangsleistung (P); - mit einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung (10), die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet/programmiert ist; - mit wenigstens einer verstellbar im Abwärmenutzungskreislauf (2) angeordneten und mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (10) elektrisch steuerbaren Ventileinrichtung (7), mittels welcher die Durchströmung der Expansionsmaschine (5) mit dem Arbeitsmedium (AM) variiert, insbesondere gedrosselt oder unterbunden, werden kann; - mit einem elektrischen Leistungssensor (12), mittels welchem die vom elektrischen Generator (6) erzeugte Ausgangsleistung (P) bestimmbar und an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (10) übermittelbar ist.waste heat recovery device (1), - With a waste heat recovery circuit (2) divided into a high-pressure area (2a) and a low-pressure area (2b), in which a working medium (AM) can be circulated, the waste heat recovery device (1) having a compressor (11), an evaporator (3), an expander (5) and a condenser (4), all arranged in the waste heat recovery circuit (2); - With one of the expansion machine (5) drive-connected electrical generator (6) for generating an electrical output power (P); - having a control/regulating device (10) which is set up/programmed to carry out the method according to one of the preceding claims; - with at least one adjustable valve device (7) arranged in the waste heat recovery circuit (2) and electrically controllable by means of the control/regulating device (10), by means of which the flow through the expansion machine (5) with the working medium (AM) varies, in particular throttled or prevented, can be; - With an electrical power sensor (12) by means of which the electrical generator (6) generated output power (P) can be determined and transmitted to the control/regulating device (10). Abwärmenutzungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (5) eine Axialkolbenmaschine (13) ist oder umfasst, die wenigstens Kolben umfasst, der in einem vom Arbeitsmedium (AM) durchströmbaren Arbeitsraum axial verstellbar angeordnet ist.waste heat utilization device claim 6 , characterized in that the expansion machine (5) is or comprises an axial piston machine (13) which comprises at least a piston which is arranged in an axially adjustable manner in a working chamber through which the working medium (AM) can flow. Abwärmenutzungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (7) ein Bypass-Ventil (8) ist oder umfasst, welches in einer an der Expansionsmaschine (5) vorbeiführenden Bypass-Leitung (9) des Abwärmenutzungskreislaufs (2) angeordnet ist.waste heat utilization device claim 6 or 7 , characterized in that the valve device (7) is a bypass valve (8) or which is arranged in a bypass line (9) of the waste heat utilization circuit (2) that runs past the expansion machine (5). Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (7) in der Expansionsmaschine (5) im Bereich eines Übergangs von der Hochdruckseite (2a) zur Niederdruckseite (2b) des Abwärmenutzungskreislaufs (2) angeordnet ist.Waste heat utilization device according to one of Claims 6 until 8th , characterized in that the at least one valve device (7) in the expansion machine (5) is arranged in the region of a transition from the high-pressure side (2a) to the low-pressure side (2b) of the waste heat utilization circuit (2). Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (7) hochdruckseitig an einem Medieneinlass (5a) der Expansionsmaschine (5) oder niederdruckseitig an einem Medienauslass (5b) der Expansionsmaschine (5) angeordnet ist.Waste heat utilization device according to one of Claims 6 until 9 , characterized in that the at least one valve device (7) is arranged on the high-pressure side at a media inlet (5a) of the expansion machine (5) or on the low-pressure side at a media outlet (5b) of the expansion machine (5). Kraftfahrzeug, - mit einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen Abgasstrang zum Abführen des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases (AG); - mit einer Abwärmenutzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Abgasstrang (17) durch den Verdampfer (3) der Abwärmenutzungseinrichtung (1) geführt ist, so dass durch den Verdampfer (3) fluidisch getrennt vom Arbeitsmedium der Abwärmenutzungseinrichtung (1) geführte Abgas (AG) thermisch mit dem Arbeitsmedium (AM) verbunden ist und somit Wärme an das Arbeitsmedium (AM) abgeben kann.Motor vehicle, - with an internal combustion engine, having an exhaust line for discharging the exhaust gas (AG) generated by the internal combustion engine; - With a waste heat utilization device (1) according to one of Claims 6 until 10 , wherein the exhaust line (17) is routed through the evaporator (3) of the waste heat recovery device (1), so that through the evaporator (3) fluidically separated from the working medium of the waste heat recovery device (1), exhaust gas (AG) is thermally mixed with the working medium (AM) is connected and can thus give off heat to the working medium (AM).
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