WO2012048958A2 - Vorrichtung und verfahren zur abwärmenutzung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur abwärmenutzung einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2012048958A2
WO2012048958A2 PCT/EP2011/065465 EP2011065465W WO2012048958A2 WO 2012048958 A2 WO2012048958 A2 WO 2012048958A2 EP 2011065465 W EP2011065465 W EP 2011065465W WO 2012048958 A2 WO2012048958 A2 WO 2012048958A2
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combustion engine
control valve
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Achim Brenk
Dieter Seher
Gregory Rewers
Hans-Christoph Magel
Andreas Wengert
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Robert Bosch Gmbh
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    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/20—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by combustion gases of main boiler
    • F01K3/22—Controlling, e.g. starting, stopping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for waste heat recovery according to the preamble of claim 1.
  • a charging device which is used for waste heat utilization of an internal combustion engine.
  • At least one heat exchanger of a circuit of a working medium is housed.
  • a turbine part and a delivery unit are arranged in the circuit.
  • a compressor part arranged in the intake tract of the internal combustion engine is driven via the turbine part.
  • the inventive device for waste heat utilization of an internal combustion engine and the associated method according to the invention with the features of the independent claims has the advantage that is bypassed by a bypass connection, which is connected in parallel to the expansion machine, vaporous working fluid at the expansion machine. Controlling via a bypass pressure control valve allows targeted intervention in the thermodynamic process for the use of waste heat.
  • the expansion engine can be coupled into a line circuit or decoupled. If there is no load request on the expansion machine, the steam can be routed past the expansion machine.
  • the arrangement of a bypass pressure control valve and / or a pressure relief valve in the bypass connection can be controlled by these control elements of the steam on the expansion machine as needed.
  • the pressure relief valve is opened as soon as a predetermined pressure is exceeded and can thus protect components in the circuit and the expansion machine from destruction by overpressure.
  • the bypass pressure control valve may supply steam to the expander or bypass the expander depending on the particular load requirements.
  • a pressure regulating valve in a line between the feed pump and the heat exchanger is advantageous because the pressure level for the evaporation and thus the evaporation temperature is set by the pressure control valve.
  • a pressure relief valve can be provided.
  • only a single pressure level is adjustable, but there are lower costs in terms of purchase and control.
  • Heat from the heat exchanger can be delivered via the bypass connection and the condenser to the cooling circuit of the internal combustion engine. This energy can be used before commissioning the expansion machine for a faster warm-up of the internal combustion engine.
  • At least one line of the bypass connection extends through a housing or in the vicinity of the housing of the expansion machine. If icing or residues are present in the expansion machine due to a frozen working medium, heated steam can be conducted past the housing or in the vicinity of the housing of the expansion machine by opening the bypass pressure regulating valve. By the heated Steam removes the icing and residue and avoids damage at the start of the expansion machine.
  • the bypass pressure control valve can be opened when the quality of the steam is too low, so that the steam is conducted past the expansion machine.
  • Figure 1 shows a device for waste heat recovery in a schematic representation according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a device for waste heat recovery in a schematic representation according to a second embodiment. Description of the embodiments
  • Figures 1 and 2 show a device for waste heat utilization of an internal combustion engine 2 with a line circuit 4, in which a working medium circulates.
  • a line circuit 4 in which a working medium circulates.
  • the line circuit 4 at least one heat exchanger 8, an expansion machine 10, a condenser 12 and a feed pump 6 are arranged.
  • the internal combustion engine 2 may in particular be configured as an air-compressing, self-igniting or mixture-compressing, spark-ignited internal combustion engine 2.
  • the device is suitable for waste heat utilization for applications in motor vehicles.
  • the device for waste heat utilization of the invention is also suitable for other applications.
  • the internal combustion engine 2 burns fuel to generate mechanical energy.
  • the resulting exhaust gases are discharged via an exhaust system in which an exhaust gas catalyst can be arranged.
  • a line section 22 of the exhaust system is passed through a heat exchanger 8. Heat energy from the exhaust gases or the exhaust gas recirculation is discharged via the line section 22 in the heat exchanger 8 to the working fluid, so that the working fluid can be evaporated in the heat exchanger 8 and overheated.
  • the heat exchanger 8 of the line circuit 4 is connected via a line 26 to the expansion machine 10.
  • the expansion machine 10 may be configured as a turbine or piston engine. Via the line 26, the vaporized working fluid flows to the expansion machine 10 and drives them.
  • the expansion machine 10 has a drive shaft 1 1, via which the expansion machine 10 is connected to a load. As a result, for example, mechanical energy can be transmitted to a drive train or used to drive an electric generator, a pump or the like.
  • the working medium After flowing through the expansion machine 10, the working medium is passed via a line 28 to a condenser 12.
  • the working medium, which has been expanded by way of the expansion machine 10 is cooled in the condenser 12.
  • the condenser 12 may be connected to a cooling circuit 20.
  • This cooling circuit 20 may be, for example, a cooling circuit of Internal combustion engine 2 act.
  • the liquefied in the condenser 12 working fluid is transported via the line 29 from a feed pump 6 in the line 24.
  • a pressure control valve 27 which serves to regulate the pressure of the working fluid in the inlet to the heat exchanger 8.
  • the evaporation temperature of the working medium can be regulated by means of the predetermined pressure in the inlet to the heat exchanger 8.
  • a bypass connection 31 can be provided parallel to the feed pump 6, in which a pressure relief valve 30 is located. By the pressure relief valve 30, the maximum allowable pressure of the working medium between the feed pump 6 and heat exchanger 8 can be adjusted.
  • the line 24 leads directly into the heat exchanger 8, in which the working medium is evaporated and optionally superheated. Via the line 26, the evaporated working medium again reaches the expansion machine 10 and the working medium again flows through the line circuit 4. By the feed pump 6 and the expansion machine 10, a passage direction of the working medium is given by the line circuit 4. Thus, the exhaust gases and the components of the exhaust gas recirculation of the internal combustion engine 2 through the heat exchanger 8 continuously heat energy can be withdrawn, which is discharged in the form of mechanical energy to the shaft 1 1.
  • a working medium water can be used or another liquid that meets the thermodynamic requirements.
  • the working medium undergoes thermodynamic changes of state as it flows through the line circuit 4.
  • the working medium is brought by the feed pump 6 to the pressure level for the evaporation.
  • the heat energy of the exhaust gas is discharged via the heat exchanger 8 to the working medium.
  • the working medium is isobarically evaporated and then overheated.
  • the steam in the expansion machine 10 is adiabatically released. This mechanical energy is obtained and transmitted to the shaft 1 1.
  • the working fluid is then cooled in the condenser 12 and returned to the feed pump 6.
  • bypass connection 14 In the line circuit 4 is a bypass connection 14, which is connected in parallel to the expansion machine 10.
  • the bypass connection 14 provides a connection between the line 26 between the heat exchanger 8 and expansion machine 10 and the line 28 between the expansion machine 10 and capacitor 12 there.
  • another bypass pressure regulating valve 16 is arranged in the bypass connection 14.
  • a pressure limiting valve 32 may be located in the bypass connection 14. It is also a parallel connection of the bypass pressure control valve 16 and the pressure relief valve 32 in the bypass connection 14 possible.
  • the pressure relief valve 32 can be set to a maximum pressure, when it opens it opens and the working fluid can flow through the bypass connection. This maximum pressure should be based on the design of the system and prevent overpressure in the circuit 4. By opening the pressure limiting valve 32 in good time, damage to components in the conduit 26 and on the expansion machine 10 can be avoided.
  • bypass pressure control valve 16 By deliberately opening the bypass pressure control valve 16, the power of the expansion engine can be reduced in parallel to the power of the internal combustion engine 2. If there is no load request to the expansion machine, by opening the bypass pressure control valve 16, the steam can be directed past the expansion machine 10 in a targeted manner.
  • bypass pressure control valve 16 may serve to reduce pressure oscillations that may occur in the heat exchanger 8 and the subsequent lines 24, 26. By a brief, clocked opening and closing of the bypass pressure control valve 16, the pressure oscillations can be reduced and damped.
  • the heat exchanger 8 can store the exhaust gas or the exhaust gas recirculation. Heat taken directly through the bypass connection 14 to the condenser 12 are passed. By opening the bypass pressure control valve 16, the heated steam flows past the expansion machine 10 and is passed directly to the condenser 12, which can pass the thermal energy directly to the cooling circuit 20 of the vehicle. Since no expansion of the working medium has taken place in the expansion machine 10, especially a lot of energy for the rapid warm-up of the internal combustion engine 2 is available.
  • the bypass pressure control valve 16 can be opened with a low quality of the steam, so that the steam is guided past the expansion machine 10.
  • FIG. 2 Another embodiment is shown in Figure 2, in which a line section 15 of the bypass connection 14, which is located behind the bypass pressure control valve 16 or the pressure relief valve 32 is passed through a housing 33 of the expansion machine 10.
  • this line section 15 of the bypass connection 14, which is located behind the bypass pressure control valve 16 or the pressure relief valve 32 also be passed in the vicinity of the housing 33 on the expansion machine 10.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) vorgeschlagen, bei dem in einem Leitungskreis (4), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, eine Speisepumpe (6), ein Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10) und ein Kondensator (12) angeordnet sind. Im Leitungskreis (4) ist eine Bypassverbindung (14) parallel zur Expansionsmaschine (10) geschaltet, wobei in Abhängigkeit von einer Betriebssituation der Brennkraftmaschine (2) die Expansionsmaschine (10) in den Leitungskreis (4) eingekoppelt oder abgekoppelt wird.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus DE 10 2006 057 247 AI ist bereits eine Aufladeeinrichtung bekannt, die zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine dient. Im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Wärmetauscher eines Kreislaufes eines Arbeitsmediums untergebracht. In dem Kreislauf sind außerdem ein Turbinenteil und ein Förderaggregat angeordnet. Über das Turbinenteil wird ein im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnetes Verdichterteil angetrieben.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass durch eine Bypassverbindung, die parallel zur Expansionsmaschine geschaltet ist, dampfförmiges Arbeitsmedium an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet wird. Durch die Steuerung über ein By- passdruckregelventil lässt sich gezielt in den thermodynamischen Prozess zur Abwärmenutzung eingreifen. Abhängig von einer Betriebssituation der Brennkraftmaschine kann die Expansionsmaschine in einen Leitungskreis eingekoppelt oder abgekoppelt werden. Liegt keine Lastanforderung an der Expansionsmaschine vor, kann der Dampf an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
Vorteilhaft ist die Anordnung eines Bypassdruckregelventil und/oder eines Druckbegrenzungsventils in der Bypassverbindung, da durch diese Regelelemente der Dampf an der Expansionsmaschine bei Bedarf vorbei gesteuert werden kann. Das Druckbegrenzungsventil wird geöffnet sobald ein vorgegebener Druck überschritten ist und kann somit Bauteile im Leitungskreis und die Expansionsmaschine vor Zerstörung durch Überdruck schützen. Das Bypassdruckregelventil kann abhängig von den jeweiligen Lastanforderungen Dampf der Expansionsmaschine zuführen oder an der Expansionsmaschine vorbeileiten.
Ein Druckregelventil in einer Leitung zwischen Speisepumpe und Wärmetauscher ist von Vorteil, da durch das Druckregelventil das Druckniveau für die Verdampfung und damit die Verdampfungstemperatur eingestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Überdruckventil vorgesehen werden. Hierbei ist nur ein einzelnes Druckniveau einstellbar, jedoch fallen geringere Kosten hinsichtlich Anschaffung und Regelung an.
Vorteilhaft ist eine Verbindung des Kondensators mit einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine. Wärme vom Wärmetauscher kann über die Bypassverbindung und den Kondensator an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine abgegeben werden. Diese Energie kann vor der Inbetriebnahme der Expansionsmaschine für ein schnelleres Warmlaufen der Brennkraftmaschine genutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn mindestens eine Leitung der Bypassverbindung durch ein Gehäuse oder in der Nähe des Gehäuses der Expansionsmaschine verläuft. Befinden sich in der Expansionsmaschine Vereisungen oder Rückstände durch ein gefrorenes Arbeitsmedium, so kann durch das Öffnen des Bypass- druckregelventils erwärmter Dampf durch das Gehäuse oder in der Nähe des Gehäuses der Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden. Durch den erwärmten Dampf werden die Vereisungen und Rückstände entfernt und Schäden beim Start der Expansionsmaschine vermieden.
Wird die Brennkraftmaschine bei reduzierter Leistung betrieben oder die Lastanforderung an die Brennkraftmaschine kurzfristig reduziert, so ist es von Vorteil, wenn durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils die Bypassverbindung vom Arbeitsmedium durchströmt wird, und dadurch die Leistungsabgabe der Expansionsmaschine reduziert wird. Durch die gleichzeitige Leistungsreduzierung von
Brennkraftmaschine und Expansionsmaschine kann verhindert werden, dass aufgrund der thermodynamischen Trägheit mit einer gewissen Zeitverzögerung mechanische Energie produziert wird, die keinen Abnehmer findet.
Vorteilhaft ist die Reduzierung von Druckpulsationen und Druckschwingungen im Wärmetauscher und/oder in den anschließenden Leitungen durch ein getaktetes Öffnen des Bypassdruckregelventils, da keine Kosten durch weitere Bauteile zur Unterdrückung von Druckschwingungen entstehen.
Um die Expansionsmaschine vor Schäden durch Wassertropfen, die bei der Kondensation von nicht ausreichend überhitzten Dampf entstehen, zu schützen, kann das Bypassdruckregelventil bei einer zu geringen Qualität des Dampfes geöffnet werden, so dass der Dampf an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
Figur 2 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2 mit einem Leitungskreis 4, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im Leitungskreis 4 sind mindestens ein Wärmetauscher 8, eine Expansionsmaschine 10, ein Kondensator 12 und eine Speisepumpe 6 angeordnet.
Die Brennkraftmaschine 2 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 2 ausgestaltet sein. Speziell eignet sich die Vorrichtung zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung zur Abwärmenutzung der Erfindung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage, in der ein Abgaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt 22 der Abgasanlage ist durch einen Wärmetauscher 8 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird über den Leitungsabschnitt 22 im Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft und überhitzt werden kann.
Der Wärmetauscher 8 des Leitungskreises 4 ist über eine Leitung 26 mit der Expansionsmaschine 10 verbunden. Die Expansionsmaschine 10 kann als Turbine oder Kolbenmaschine ausgestaltet sein. Über die Leitung 26 strömt das verdampfte Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine 10 und treibt diese an. Die Expansionsmaschine 10 weist eine Antriebswelle 1 1 auf, über die die Expansionsmaschine 10 mit einer Last verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise mechanische Energie an einen Antriebsstrang übertragen werden oder zum Antreiben eines elektrischen Generators, einer Pumpe oder dergleichen dienen. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 10 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung 28 zu einen Kondensator 12 geführt. Das über die Expansionsmaschine 10 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 12 abgekühlt. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf 20 kann es sich z.B. um einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 handeln. Das im Kondensator 12 verflüssigte Arbeitsmedium wird über die Leitung 29 von einer Speisepumpe 6 in die Leitung 24 transportiert.
In der Leitung 24 befindet sich ein Druckregelventil 27, welches zur Druckregelung des Arbeitsmediums im Zulauf zum Wärmetauscher 8 dient. Die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums lässt sich mit Hilfe des vorgegebenen Druckes im Zulauf zum Wärmetauscher 8 regulieren. Des Weiteren kann eine Bypassverbindung 31 parallel zur Speisepumpe 6 vorgesehen werden, in der sich ein Überdruckventil 30 befindet. Durch das Überdruckventil 30 lässt sich der maximal zulässige Druck des Arbeitsmediums zwischen Speisepumpe 6 und Wärmetauscher 8 einstellen.
Die Leitung 24 führt direkt in den Wärmetauscher 8, in dem das Arbeitsmedium verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Über die Leitung 26 gelangt das verdampfte Arbeitsmedium erneut zur Expansionsmaschine 10 und das Arbeitsmedium durchströmt erneut den Leitungskreis 4. Durch die Speisepumpe 6 und die Expansionsmaschine 10 ist eine Durchlaufrichtung des Arbeitsmediums durch den Leitungskreis 4 gegeben. Somit kann den Abgasen und den Bestandteilen der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine 2 über den Wärmetauscher 8 fortwährend Wärmeenergie entzogen werden, die in Form von mechanischer Energie an die Welle 1 1 abgegeben wird.
Als Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim durchströmen des Leitungskreises 4 thermodynamische Zustandsänderungen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung gebracht. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Expansionsmaschine 10 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und auf die Welle 1 1 übertragen. Das Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 12 abgekühlt und wieder der Speisepumpe 6 zugeführt.
Im Leitungskreis 4 befindet sich eine Bypassverbindung 14, welche parallel zur Expansionsmaschine 10 geschaltet ist. Die Bypassverbindung 14 stellt eine Verbindung zwischen der Leitung 26 zwischen Wärmetauscher 8 und Expansionsmaschine 10 und der Leitung 28 zwischen Expansionsmaschine 10 und Kondensator 12 da. In der Bypassverbindung 14 ist ein weiteres Bypassdruckegelventil 16 angeordnet. Anstelle des weiteren Bypassdruckregelventils 16 kann sich ein Druckbegrenzungsventil 32 in der Bypassverbindung 14 befinden. Es ist auch eine Parallelschaltung des Bypassdruckregelventils 16 und der Druckbegrenzungsventils 32 in der Bypassverbindung 14 möglich.
Durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 oder des Druckbegrenzungsventils 32 ist es möglich das das Arbeitsmedium direkt vom Wärmetauscher 8 zum Kondensator 12 strömt und an der Expansionsmaschine 10 vorbeigeleitet wird.
Das Druckbegrenzungsventil 32 kann auf einen Maximaldruck eingestellt werden, bei dessen Überschreitung es öffnet und das Arbeitsmedium durch die Bypassverbindung strömen lässt. Dieser Maximaldruck sollte an der Auslegung des Systems angelehnt sein und einen Überdruck im Leitungskreis 4 verhindern. Durch ein rechtzeitiges Öffnen des Druckbegrenzungsventils 32 können Schäden an Bauteilen in der Leitung 26 und an der Expansionsmaschine 10 vermieden werden.
Durch ein gezieltes Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 kann die Leistung der Expansionsmaschine parallel zur Leistung der Brennkraftmaschine 2 reduziert werden. Liegt keine Lastanforderung an die Expansionsmaschine vor kann durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 der Dampf an der Expansionsmaschine 10 gezielt vorbeigeleitet werden.
Des Weiteren kann das Bypassdruckregelventil 16 zur Reduzierung von Druckschwingungen dienen, die im Wärmetauscher 8 und den anschließenden Leitungen 24, 26 auftreten können. Durch ein kurzzeitiges, getaktetes Öffnen und Schließen des Bypassdruckregelventils 16 können die Druckschwingungen reduziert und gedämpft werden.
Wird die Brennkraftmaschine 2 bei niedrigen Umgebungstemperaturen gestartet, so kann die im Wärmetauscher 8 aus dem Abgas oder der Abgasrückführung aufge- nommene Wärme direkt über die Bypassverbindung 14 an den Kondensator 12 geleitet werden. Durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 strömt der erwärmte Dampf an der Expansionsmaschine 10 vorbei und wird direkt zum Kondensator 12 geleitet, der die thermische Energie direkt an den Kühlkreislauf 20 des Fahrzeuges weitergeben kann. Da keine Expansion des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine 10 stattgefunden hat, steht besonders viel Energie für den schnellen Warmlauf der Brennkraftmaschine 2 zur Verfügung.
Findet im Wärmetauscher 8 keine ausreichende Überhitzung des Dampfes aufgrund eines zu geringen Wärmeangebotes aus der Abgasanlage statt, so hat der Dampf eine geringe Qualität. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass sich während der Expansion des Dampfes in der Expansionsmaschine 10 Tropfen aufgrund von Kondensation bilden. Diese Tropfen können zu Schäden in der Expansionsmaschine 10 führen. Um die Expansionsmaschine vor diesen Schäden durch Kondensation zu schützen, kann das Bypassdruckregelventil 16 bei einer geringen Qualität des Dampfes geöffnet werden, so dass der Dampf an der Expansionmaschine 10 vorbeigeleitet wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 2 dargestellt, bei dem ein Leitungsabschnitt 15 der Bypassverbindung 14, der sich hinter dem Bypassdruckregelventil 16 oder dem Druckbegrenzungsventil 32 befindet durch ein Gehäuse 33 der Expansionsmaschine 10 geleitet wird. Alternativ kann dieser Leitungsabschnitt 15 der Bypassverbindung 14, der sich hinter dem Bypassdruckregelventil 16 oder dem Druckbegrenzungsventil 32 befindet, auch in der Nähe des Gehäuses 33 an der Expansionsmaschine 10 vorbeigeführt werden.
Durch das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel kann bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt oder Nahe beim Gefrierpunkt des Arbeitsmediums vor der Inbetriebnahme der Expansionsmaschine 10 im Wärmetauscher 8 erwärmter Dampf durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils 16 durch das Gehäuse 33 der Expansionsmaschine 10 geleitet oder in der Nähe des Gehäuses 33 der Expansionsmaschine 10 vorbeigeleitet werden. Durch den erwärmten Dampf können Vereisungen oder gefrorene Rückstände in der Expansionsmaschine 10 aufgelöst werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Leitungskreis (4), in dem eine Speisepumpe (6), mindestens ein Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10) und ein Kondensator (12) angeordnet sind, wobei im Leitungskreis (4) ein Arbeitsmedium zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassverbindung (14) parallel zur Expansionsmaschine (10) geschaltet ist, derart, dass in Abhängigkeit von einer Betriebssituation der Brennkraftmaschine (2) die Expansionsmaschine (10) in den Leitungskreis (4) zur Abwärmenutzung eingekoppelt oder abgekoppelt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassverbindung (14) ein Bypassdruckregelventil (16) und/oder ein Druckbegrenzungsventil (32) angeordnet sind/ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in einer Leitung (24) zwischen Speisepumpe (6) und Wärmetauscher (8) durch eine Druckregelventil (27) und/oder ein Überdruckventil (30) einstellbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (12) mit einem Kühlkreislauf (20) der Brennkraftmaschine (2) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gezeichnet, dass mindestens eine Leitung der Bypassverbindung (14) durch ein Gehäuse (33) oder in der Nähe des Gehäuses (33) der Expansionsmaschine (10) verläuft.
6. Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) für eine der Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium gesteuert von einem Bypassdruckregelventil (16) durch eine Bypassverbindung (14) an der Expansionsmaschine (10) vorbeigeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei reduzierter Leistung der Brennkraftmaschine (2) durch das Öffnen des Bypassdruckregelventils (16) die Bypassverbindung (14) vom Arbeitsmedium durchströmt wird, und dadurch die Leistungsabgabe der Expansionsmaschine (10) reduziert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein ge- taktetes Öffnen des Bypassdruckregelventils (16) Druckschwingungen im Wärmetauscher (8) und/oder in den anschließenden Leitungen (24,26) reduziert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des Arbeitsmediums vor der Inbetriebnahme der Expansionsmaschine (10) im Wärmetauscher (8) erwärmtes Arbeitsmedium durch ein Gehäuse (33) der Expansionsmaschine (10) geleitet wird oder in der Nähe des Gehäuses (33) der Expansionsmaschine (10) vorbeigeleitet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigen Temperaturen vor der Inbetriebnahme der Expansionsmaschine (10) das Bypassdruckregelventil (16) geöffnet ist und Wärme vom Wärmetauscher (8) über die Bypassverbindung (14) an den Kühlkreislauf (20) der Brennkraftmaschine (2) abgegeben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassdruckregelventil (16) bei einer zu geringen Überhitzung des Dampfes geöffnet ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassdruckregelventil (16) und/oder das Druckbegrenzungsventil (32) bei der Überschreitung eines vorgegebenen Druckes geöffnet sind/ist.
PCT/EP2011/065465 2010-10-13 2011-09-07 Vorrichtung und verfahren zur abwärmenutzung einer brennkraftmaschine WO2012048958A2 (de)

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