WO2012079669A2 - Waste heat recovery device and operating method - Google Patents

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WO2012079669A2
WO2012079669A2 PCT/EP2011/005707 EP2011005707W WO2012079669A2 WO 2012079669 A2 WO2012079669 A2 WO 2012079669A2 EP 2011005707 W EP2011005707 W EP 2011005707W WO 2012079669 A2 WO2012079669 A2 WO 2012079669A2
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WO
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waste heat
heat recovery
working medium
recovery circuit
expansion machine
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PCT/EP2011/005707
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Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Frank Obrist
Christian SCHMÄLZLE
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Daimler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat utilization device for a
  • the invention also relates to a method for operating such a waste heat utilization device.
  • a waste heat utilization apparatus which operates according to the Rankine cycle or the Rankine-Clausius cycle usually comprises one
  • Waste heat recovery circuit in which circulates a working medium, a in the
  • Abgronnensnik arranged conveyor for conveying the working fluid against a high pressure, arranged in the waste heat recovery circuit downstream of the conveyor evaporator for vaporizing the working fluid using waste heat of the internal combustion engine, in the waste heat recovery circuit downstream of the
  • Evaporator arranged expansion machine for expanding the working fluid to a low pressure and a waste heat recovery circuit downstream of the
  • waste heat recovery circuit is usually designed as a closed circuit, that is sealed to the outside.
  • the working medium both in one
  • Liquid phase occurs as well as in a gas phase, it comes when cooling the
  • Waste heat recovery device to a strong negative pressure, the example.
  • Working medium which consists of a mixture of 70% H 2 0 and 30% methanol, can reach an absolute pressure of about 30 millibar. At such a low pressure in the waste heat recovery circuit, the working medium is to a large extent or completely gaseous, ie in particular in areas in which it during the
  • Damage to the conveyor can cause.
  • Expansion machine a generator and a conveyor combined.
  • the expander drives both the generator and the conveyor.
  • the generator is operated as an electric motor so as to be able to drive the conveyor.
  • the expansion machine is decoupled by means of a corresponding coupling mechanism from the generator or electric motor, such that the expansion machine can perform no fluid work during the cold start.
  • the present invention deals with the problem for a
  • Waste heat recovery device of the aforementioned type or for an associated operating method to provide an improved embodiment, in particular by an improved efficiency of the equipped with the waste heat recovery device internal combustion engine or by a shortened cold start phase
  • Normal operation of the waste heat recovery device is the gas phase of the working medium.
  • working fluid is removed from the evaporator and the condenser and thus ultimately the conveyor is supplied, which in turn drives it in turn towards the evaporator.
  • the invention uses the knowledge that a cold start via the evaporator, a comparatively high heat input into the working medium. By removing the working medium from the evaporator can follow colder working medium quickly.
  • preheated working fluid can be supplied to the suction side of the conveyor in this way, so that the temperature level of the supplied to the evaporator
  • the working medium during the cold start by means of an additional provided for the conveyor
  • Additional conveyor to be driven which is arranged between evaporator and condenser in the waste heat recovery circuit. Especially useful this can
  • Additional conveyor be arranged between the expander and condenser in the waste heat recovery circuit.
  • Additional conveyor can realize the desired promotion of the working medium from the evaporator in the direction of the condenser particularly simple.
  • the expansion engine may be operated during the cold start for driving the working medium. At this point
  • Embodiment is characterized in particular by the fact that it requires no additional space for accommodating an additional conveyor.
  • the expansion machine can be driven during the cold start by means of a drive motor.
  • a drive connected to the expansion machine electric generator is used during the cold start as an electric drive motor.
  • the waste heat utilization device may be equipped with a control device which controls the aforementioned additional conveyor or the expansion machine for driving the working medium for the cold start.
  • the conveying device can also be actuated via this control device.
  • the sole FIGURE 1 shows a greatly simplified circuit diagram-like schematic representation of a waste heat utilization device of an internal combustion engine.
  • an internal combustion engine 1 includes an engine block 2 having a plurality of cylinders 3, a fresh air system 4 for supplying fresh air to the cylinders 3, and an exhaust system 5 for discharging exhaust gas from the cylinders 3.
  • the internal combustion engine 1 is here equipped with a waste heat utilization device 6, which is called Rankine cycle process or as Rankine-Clausius cycle and preferably as closed cycle is configured.
  • the waste heat utilization device 6 comprises a, in particular closed, waste heat recovery circuit 7, in which circulates a working medium and in which in the flow direction of the working medium behind a conveyor 8, an evaporator 9, an expansion machine 10 and a condenser 11 are arranged.
  • the conveyor 8 serves to convey the working medium against a high pressure. It can be configured for example as a volumetric pump.
  • a drive motor 12 is provided for driving the conveyor 8.
  • the evaporator 9 serves to evaporate the working medium.
  • the evaporator 9 is for this purpose coupled heat-transmitting with the internal combustion engine 1.
  • the evaporator 9 is heat-transmitting coupled to the exhaust system 5.
  • the heat carried in the exhaust gas can be used to operate the waste heat utilization device 6.
  • a corresponding heat flow is indicated in FIG. 1 by an arrow 13.
  • the expansion machine 10 is used to expand the working fluid to a low pressure.
  • the expansion machine 10 may be configured, for example, as a turbine.
  • the expansion machine 10 draws energy from the working medium, namely expediently in the form of mechanical work.
  • the expansion engine 10 drives a shaft 14. With this shaft 14, the expansion engine 10 can support the internal combustion engine 1 or an output shaft of the internal combustion engine 1.
  • the expansion machine 10 can drive a generator 15 via the shaft 14. With the aid of the generator 15, the mechanical work can be converted into electrical energy.
  • the condenser 11 serves to condense the working medium. For this purpose, the working medium heat is removed, which is indicated by an arrow 16.
  • the presented here waste heat recovery device 6 may optionally be equipped with an additional conveyor 17 which is arranged in the waste heat recovery circuit 7 between the evaporator 9 and the condenser 11.
  • the additional conveyor 17 between the expansion machine 10 and capacitor 11 is arranged.
  • a corresponding drive motor 18 may be provided for driving the additional conveyor 17, a corresponding drive motor 18 may be provided for driving the additional conveyor 17, a corresponding drive motor 18 may be provided.
  • the waste heat utilization device 6 comprises a control device 19 for actuating the conveying device 8 or the associated drive motor 12.
  • a corresponding actuating line or control line is designated by 20.
  • the control device 19 can also be used to actuate the additional conveyor 17 when the additional conveyor 17 is present or the associated drive motor 18 serve.
  • a corresponding actuating line or control line is again denoted by 20.
  • the controller 19 can then control the serving as an electric motor generator 15 for driving the expander 10 via a corresponding control line 20.
  • the expansion machine 10 is also configured to be used in the driven state for conveying the working medium toward the condenser 11.
  • the expansion machine 10 drives the generator 15 at. If the additional conveyor 17 is present, this is deactivated during normal operation of the waste heat recovery device 6.
  • the additional conveyor 17 may be designed so that it has the lowest possible flow resistance.
  • the control device 19 On the one hand, the conveyor 8 for driving the working fluid from the condenser 11 in the direction of the evaporator 9 drive in the absence of additional conveyor 17.
  • the control device 19 additionally controls the generator 15 in such a way that it serves as an electric motor and drives the expansion machine 0 in such a way that it drives the working medium from the evaporator 9 in the direction of the condenser 11.
  • the additional conveyor 17 controls the control device 19 in addition to the conveyor 8 also to the additional conveyor 7 to drive using the additional conveyor 17, the working fluid from the evaporator 9 in the direction of the condenser 11. Operation of the expansion machine 10 as a conveyor is then not required, but can be performed as an option in addition.

Abstract

The present invention relates to a waste heat recovery device (6) for an internal combustion engine (1) of a motor vehicle, comprising a waste heat recovery circuit (7), in which an operating medium circulates, a pumping apparatus (8) arranged in the waste heat recovery circuit (7) for pumping the operating medium against a high pressure, an evaporator (9) arranged downstream of the pumping apparatus (8) in the waste heat recovery circuit (7) for evaporating the operating medium, an expansion machine (10) arranged downstream of the evaporator (9) in the waste heat recovery circuit (7) for expanding the operating medium to a low pressure, and a condenser arranged downstream of the expansion machine (10) in the waste heat recovery circuit (7) for condensing the operating medium. The cold starting behavior is improved if an apparatus (10, 17) arranged downstream of the evaporator (9) and upstream of the condenser (11) in the waste heat recovery circuit (7) is provided and/or used in order to drive the operating medium.

Description

Abwärmenutzungsvorrichtung und Betriebsverfahren  Waste heat recovery device and operating method
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung für eine The present invention relates to a waste heat utilization device for a
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Abwärmenutzungsvorrichtung. Internal combustion engine of a motor vehicle, having the features of the preamble of claim 5. The invention also relates to a method for operating such a waste heat utilization device.
Eine Abwärmenutzungsvorrichtung, die nach dem Rankine-Kreisprozess oder nach dem Rankine-Clausius-Kreisprozess arbeitet, umfasst üblicherweise einen A waste heat utilization apparatus which operates according to the Rankine cycle or the Rankine-Clausius cycle usually comprises one
Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, eine im Waste heat recovery circuit in which circulates a working medium, a in the
Abwärmenutzungskreis angeordnete Fördereinrichtung zum Fördern des Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck, einen im Abwärmenutzungskreis stromab der Fördereinrichtung angeordneten Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine, eine im Abwärmenutzungskreis stromab des Abwärmenutzungskreis arranged conveyor for conveying the working fluid against a high pressure, arranged in the waste heat recovery circuit downstream of the conveyor evaporator for vaporizing the working fluid using waste heat of the internal combustion engine, in the waste heat recovery circuit downstream of the
Verdampfers angeordnete Expansionsmaschine zum Expandieren des Arbeitsmediums auf einen Niederdruck sowie einen im Abwärmenutzungskreis stromab der Evaporator arranged expansion machine for expanding the working fluid to a low pressure and a waste heat recovery circuit downstream of the
Expansionsmaschine angeordneten Kondensator zum Kondensieren des Expansion machine arranged condenser for condensing the
Arbeitsmediums. Working medium.
In einem Ruhezustand der Abwärmenutzungsvorrichtung befinden sich alle Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung etwa auf Umgebungstemperatur. Diese liegt üblicherweise deutlich unterhalb einer üblichen Betriebstemperatur, die während eines Warmbetriebs der Brennkraftmaschine üblicherweise erreicht wird und die beispielsweise oberhalb 200°C liegt. Um die Abwärmenutzungsvorrichtung aus dem Ruhezustand heraus in Betrieb nehmen zu können, muss ein Kaltstart durchgeführt werden, um zunächst die relevanten Komponenten der Abwärmenutzungsvorrichtung auf eine für den Betrieb der Abwärmenutzungsvorrichtung geeignete Temperatur zu bringen. Je rascher ein derartiger Kaltstart durchgeführt werden kann, also je kürzer eine derartige In a quiescent state of the waste heat utilization device, all components of the waste heat utilization device are at approximately ambient temperature. This is usually well below a normal operating temperature, which is usually achieved during hot operation of the internal combustion engine and which, for example, is above 200 ° C. In order to be able to start up the waste heat utilization device from the idle state, a cold start must be carried out in order first to bring the relevant components of the waste heat utilization device to a temperature suitable for the operation of the waste heat utilization device. The faster such a cold start can be performed, so the shorter such
Kaltstartphase ist, desto eher kann die Abwärmenutzungsvorrichtung in Betrieb genommen werden und desto mehr Abwärme der Brennkraftmaschine kann energetisch genutzt werden. Cold start phase is, the sooner the waste heat recovery device in operation be taken and the more heat the engine can be used energetically.
Problematisch ist in diesem Zusammenhang, dass der Abwärmenutzungskreis üblicherweise als geschlossener Kreis ausgestaltet ist, also nach außen abgedichtet ist. Da außerdem während des Warmbetriebs das Arbeitsmedium sowohl in einer The problem in this context is that the waste heat recovery circuit is usually designed as a closed circuit, that is sealed to the outside. In addition, because during hot operation, the working medium both in one
Flüssigphase als auch in einer Gasphase auftritt, kommt es beim Abkühlen der Liquid phase occurs as well as in a gas phase, it comes when cooling the
Abwärmenutzungsvorrichtung zu einem starken Unterdruck, der bspw. bei einem Waste heat recovery device to a strong negative pressure, the example. At a
Arbeitsmedium, das aus einem Gemisch von 70% H20 und 30% Methanol besteht, einen Absolutdruck von etwa 30 Millibar erreichen kann. Bei einem derartig niedrigen Druck im Abwärmenutzungskreis ist das Arbeitsmedium zu einem großen Teil oder vollständig gasförmig, also insbesondere auch in Bereichen, in denen es während des Working medium, which consists of a mixture of 70% H 2 0 and 30% methanol, can reach an absolute pressure of about 30 millibar. At such a low pressure in the waste heat recovery circuit, the working medium is to a large extent or completely gaseous, ie in particular in areas in which it during the
Normalbetriebs flüssig ist. Dieser Zustand bereitet insbesondere der Fördereinrichtung erhöhte Schwierigkeiten, bei der es sich bevorzugt um eine volumetrische Pumpe handelt. Besonders kritisch ist dabei die Entstehung von Kavitation, die zu Normal operation is fluid. This condition causes especially the conveyor increased difficulties, which is preferably a volumetric pump. Particularly critical is the formation of cavitation, the too
Beschädigungen der Fördereinrichtung führen kann. Damage to the conveyor can cause.
Aus der DE 10 2004 029 505 A1 ist eine Fluidmaschine bekannt, die eine From DE 10 2004 029 505 A1 a fluid machine is known, which is a
Expansionsmaschine, einen Generator und eine Fördereinrichtung kombiniert. Während des Warmbetriebs treibt die Expansionsmaschine sowohl den Generator als auch die Fördereinrichtung an. Bei einem Kaltstart wird der Generator als Elektromotor betrieben, um so die Fördereinrichtung antreiben zu können. Während dieses Kaltstarts ist jedoch die Expansionsmaschine mit Hilfe eines entsprechenden Koppelmechanismus vom Generator bzw. Elektromotor entkoppelt, derart, dass die Expansionsmaschine während des Kaltstarts keine Fluidarbeit ausführen kann. Expansion machine, a generator and a conveyor combined. During hot operation, the expander drives both the generator and the conveyor. During a cold start, the generator is operated as an electric motor so as to be able to drive the conveyor. During this cold start, however, the expansion machine is decoupled by means of a corresponding coupling mechanism from the generator or electric motor, such that the expansion machine can perform no fluid work during the cold start.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine The present invention deals with the problem for a
Abwärmenutzungsvorrichtung der eingangs genannten Art bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verbesserten Wirkungsgrad der mit der Abwärmenutzungsvorrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine bzw. durch eine verkürzte Kaltstartphase Waste heat recovery device of the aforementioned type or for an associated operating method to provide an improved embodiment, in particular by an improved efficiency of the equipped with the waste heat recovery device internal combustion engine or by a shortened cold start phase
auszeichnet. distinguished.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, schon während des Kaltstarts der Abwärmenutzungsvorrichtung das Arbeitsmedium auch zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator in Richtung Kondensator anzutreiben. Mit anderen Worten, während des Kaltstarts soll das Arbeitsmedium auch in dem Bereich des Abwärmenutzungskreises in der üblichen Zirkulationsrichtung gefördert werden, indem sich während des According to the invention, this problem is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims. The invention is based on the general idea, even during the cold start of the waste heat recovery device to drive the working medium between the evaporator and the condenser in the direction of the condenser. In other words, during the cold start, the working medium should also be conveyed in the region of the waste heat recovery circuit in the usual circulation direction, during which
Normalbetriebs der Abwärmenutzungsvorrichtung die Gasphase des Arbeitsmediums befindet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass Arbeitsmedium vom Verdampfer abgeführt und dem Kondensator und somit letztlich der Fördereinrichtung zugeführt wird, die es dann ihrerseits wieder in Richtung Verdampfer antreibt. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass bei einem Kaltstart über den Verdampfer ein vergleichsweise hoher Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium erfolgt. Durch Abtransportieren des Arbeitsmediums vom Verdampfer kann rascher kälteres Arbeitsmedium nachfolgen. Außerdem kann auf diese Weise vorgewärmtes Arbeitsmedium der Saugseite der Fördereinrichtung zugeführt werden, so dass sich das Temperaturniveau des dem Verdampfer zugeführten Normal operation of the waste heat recovery device is the gas phase of the working medium. By this measure it is achieved that working fluid is removed from the evaporator and the condenser and thus ultimately the conveyor is supplied, which in turn drives it in turn towards the evaporator. The invention uses the knowledge that a cold start via the evaporator, a comparatively high heat input into the working medium. By removing the working medium from the evaporator can follow colder working medium quickly. In addition, preheated working fluid can be supplied to the suction side of the conveyor in this way, so that the temperature level of the supplied to the evaporator
Arbeitsmediums erhöht. Auf diese Weise kann insgesamt rascher das Temperaturniveau für die Inbetriebnahme der Abwärmenutzungsvorrichtung erreicht werden, was die Zeitdauer der Kaltstartphase reduziert. Außerdem kann durch diese Maßnahme die Entstehung von Kavitation an der Fördereinrichtung reduziert werden, so dass die Gefahr einer Beschädigung der Fördereinrichtung reduziert und die Leistungsfähigkeit bzw. die Förderleistung der Fördereinrichtung während des Kaltstarts erhöht ist. Working medium increased. In this way, the overall temperature level for the commissioning of the waste heat utilization device can be achieved faster, which reduces the duration of the cold start phase. In addition, the formation of cavitation on the conveyor can be reduced by this measure, so that the risk of damage to the conveyor is reduced and the performance or the capacity of the conveyor is increased during the cold start.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Arbeitsmedium während des Kaltstarts mittels einer zusätzlich zur Fördereinrichtung vorgesehenen According to an advantageous embodiment, the working medium during the cold start by means of an additional provided for the conveyor
Zusatzfördereinrichtung angetrieben werden, die zwischen Verdampfer und Kondensator im Abwärmenutzungskreis angeordnet ist. Besonders zweckmäßig kann diese Additional conveyor to be driven, which is arranged between evaporator and condenser in the waste heat recovery circuit. Especially useful this can
Zusatzfördereinrichtung dabei zwischen Expansionsmaschine und Kondensator im Abwärmenutzungskreis angeordnet sein. Durch die Verwendung einer derartigen Additional conveyor be arranged between the expander and condenser in the waste heat recovery circuit. By using such
Zusatzfördereinrichtung lässt sich die gewünschte Förderung des Arbeitsmediums vom Verdampfer in Richtung Kondensator besonders einfach realisieren. Additional conveyor can realize the desired promotion of the working medium from the evaporator in the direction of the condenser particularly simple.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Expansionsmaschine während des Kaltstarts zum Antreiben des Arbeitsmediums betrieben werden. Bei dieser According to another embodiment, the expansion engine may be operated during the cold start for driving the working medium. At this
Ausführungsform ist keine zusätzliche Komponente erforderlich, da die ohnehin vorhandene Expansionsmaschine zum Antreiben des Arbeitsmediums während des Kaltstarts verwendet wird. Hierzu ist jedoch eine entsprechend ausgestaltete Embodiment, no additional component is required, since the already existing expansion machine is used for driving the working medium during the cold start. However, this is a suitably designed
Expansionsmaschine erforderlich, die sich als Pumpe betreiben lässt. Eine derartige Ausführungsform zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie keinen zusätzlichen Bauraum zur Unterbringung einer Zusatzfördereinrichtung benötigt. Expansion machine required that can be operated as a pump. Such Embodiment is characterized in particular by the fact that it requires no additional space for accommodating an additional conveyor.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Expansionsmaschine während des Kaltstarts mittels eines Antriebsmotors angetrieben werden. Besonders zweckmäßig kann dabei vorgesehen sein, dass ein mit der Expansionsmaschine antriebsverbundener elektrischer Generator während des Kaltstarts als elektrischer Antriebsmotor verwendet wird. Hierdurch lässt sich das Antreiben des Arbeitsmediums vom Verdampfer zum Kondensator besonders einfach und ohne zusätzlichen According to an advantageous embodiment, the expansion machine can be driven during the cold start by means of a drive motor. Particularly expedient may be provided that a drive connected to the expansion machine electric generator is used during the cold start as an electric drive motor. As a result, the driving of the working medium from the evaporator to the condenser is particularly simple and without additional
Bauraumbedarf realisieren. Realize space requirements.
Zweckmäßig kann die Abwärmenutzungsvorrichtung mit einer Steuereinrichtung ausgestattet sein, die für den Kaltstart die zuvor genannte Zusatzfördereinrichtung oder die Expansionsmaschine zum Antreiben des Arbeitsmediums ansteuert. Insbesondere kann über diese Steuereinrichtung auch die Fördereinrichtung betätigt werden. Suitably, the waste heat utilization device may be equipped with a control device which controls the aforementioned additional conveyor or the expansion machine for driving the working medium for the cold start. In particular, the conveying device can also be actuated via this control device.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung. Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawing and from the associated description of the figures with reference to the drawing.
Es versteht sich, dass die vorstehend 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 is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail in the following description.
Die einzige Figur 1 zeigt eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Abwärmenutzungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine. The sole FIGURE 1 shows a greatly simplified circuit diagram-like schematic representation of a waste heat utilization device of an internal combustion engine.
Entsprechend Figur 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 1 einen Motorblock 2 mit mehreren Zylindern 3, eine Frischluftanlage 4 zum Zuführen von Frischluft zu den Zylindern 3 sowie eine Abgasanlage 5 zum Abführen von Abgas von den Zylindern 3. 1, an internal combustion engine 1 includes an engine block 2 having a plurality of cylinders 3, a fresh air system 4 for supplying fresh air to the cylinders 3, and an exhaust system 5 for discharging exhaust gas from the cylinders 3.
Die Brennkraftmaschine 1 ist hier mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung 6 ausgestattet, die als Rankine-Kreisprozess bzw. als Rankine-Clausius-Kreisprozess und bevorzugt als geschlossener Kreisprozess ausgestaltet ist. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 6 umfasst einen, insbesondere geschlossenen, Abwärmenutzungskreis 7, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert und in dem in der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hintereinander eine Fördereinrichtung 8, ein Verdampfer 9, eine Expansionsmaschine 10 und ein Kondensator 11 angeordnet sind. Die Fördereinrichtung 8 dient zum Fördern des Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck. Sie kann beispielsweise als volumetrische Pumpe ausgestaltet sein. Im Beispiel ist ein Antriebsmotor 12 zum Antreiben der Fördereinrichtung 8 vorgesehen. Der Verdampfer 9 dient zum Verdampfen des Arbeitsmediums. Der Verdampfer 9 ist hierzu wärmeübertragend mit der Brennkraftmaschine 1 gekoppelt. Im Beispiel ist der Verdampfer 9 wärmeübertragend mit der Abgasanlage 5 gekoppelt. Auf diese Weise kann die im Abgas mitgeführte Wärme zum Betreiben der Abwärmenutzungsvorrichtung 6 verwendet werden. Ein entsprechender Wärmestrom ist in Figur 1 durch einen Pfeil 13 angedeutet. Die Expansionsmaschine 10 dient zum Expandieren des Arbeitsmediums auf einen Niederdruck. Hierzu kann die Expansionsmaschine 10 beispielsweise als Turbine ausgestaltet sein. Die Expansionsmaschine 10 entzieht dem Arbeitsmedium E- nergie, und zwar zweckmäßig in Form mechanischer Arbeit. Beispielsweise treibt die Expansionsmaschine 10 eine Welle 14 an. Mit dieser Welle 14 kann die Expansionsmaschine 10 die Brennkraftmaschine 1 bzw. eine Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 1 unterstützen. Im gezeigten Beispiel kann die Expansionsmaschine 10 über die Welle 14 einen Generator 15 antreiben. Mit Hilfe des Generators 15 kann die mechanische Arbeit in e- lektrische Energie gewandelt werden. The internal combustion engine 1 is here equipped with a waste heat utilization device 6, which is called Rankine cycle process or as Rankine-Clausius cycle and preferably as closed cycle is configured. The waste heat utilization device 6 comprises a, in particular closed, waste heat recovery circuit 7, in which circulates a working medium and in which in the flow direction of the working medium behind a conveyor 8, an evaporator 9, an expansion machine 10 and a condenser 11 are arranged. The conveyor 8 serves to convey the working medium against a high pressure. It can be configured for example as a volumetric pump. In the example, a drive motor 12 is provided for driving the conveyor 8. The evaporator 9 serves to evaporate the working medium. The evaporator 9 is for this purpose coupled heat-transmitting with the internal combustion engine 1. In the example, the evaporator 9 is heat-transmitting coupled to the exhaust system 5. In this way, the heat carried in the exhaust gas can be used to operate the waste heat utilization device 6. A corresponding heat flow is indicated in FIG. 1 by an arrow 13. The expansion machine 10 is used to expand the working fluid to a low pressure. For this purpose, the expansion machine 10 may be configured, for example, as a turbine. The expansion machine 10 draws energy from the working medium, namely expediently in the form of mechanical work. For example, the expansion engine 10 drives a shaft 14. With this shaft 14, the expansion engine 10 can support the internal combustion engine 1 or an output shaft of the internal combustion engine 1. In the example shown, the expansion machine 10 can drive a generator 15 via the shaft 14. With the aid of the generator 15, the mechanical work can be converted into electrical energy.
Der Kondensator 11 dient zum Kondensieren des Arbeitsmediums. Hierzu wird dem Arbeitsmedium Wärme entzogen, was durch einen Pfeil 16 angedeutet ist. The condenser 11 serves to condense the working medium. For this purpose, the working medium heat is removed, which is indicated by an arrow 16.
Die hier vorgestellte Abwärmenutzungsvorrichtung 6 kann optional mit einer Zusatzfördereinrichtung 17 ausgestattet sein, die im Abwärmenutzungskreis 7 zwischen dem Verdampfer 9 und dem Kondensator 11 angeordnet ist. Im Beispiel ist die Zusatzfördereinrichtung 17 zwischen Expansionsmaschine 10 und Kondensator 11 angeordnet. Zum Antreiben der Zusatzfördereinrichtung 17 kann ein entsprechender Antriebsmotor 18 vorgesehen sein. The presented here waste heat recovery device 6 may optionally be equipped with an additional conveyor 17 which is arranged in the waste heat recovery circuit 7 between the evaporator 9 and the condenser 11. In the example, the additional conveyor 17 between the expansion machine 10 and capacitor 11 is arranged. For driving the additional conveyor 17, a corresponding drive motor 18 may be provided.
Ferner umfasst die Abwärmenutzungsvorrichtung 6 eine Steuereinrichtung 19 zum Betätigen der Fördereinrichtung 8 bzw. des zugehörigen Antriebsmotors 12. Eine entsprechende Betätigungsleitung oder Steuerleitung ist dabei mit 20 bezeichnet. Je nach Ausführungsform des Abwärmenutzungskreises 6 kann die Steuereinrichtung 19 bei vorhandener Zusatzfördereinrichtung 17 auch zur Betätigung der Zusatzfördereinrichtung 17 bzw. des zugehörigen Antriebsmotors 18 dienen. Eine entsprechende Betätigungsleitung bzw. Steuerleitung ist wieder mit 20 bezeichnet. Bei fehlender Zusatzfördereinrichtung 17 kann vorgesehen sein, den Generator 15 so auszugestalten, dass er auch als Elektromotor betrieben werden kann. In diesem Fall kann dann die Steuerung 19 über eine entsprechende Steuerleitung 20 den als Elektromotor dienenden Generator 15 zum Antreiben der Expansionsmaschine 10 ansteuern. In diesem Fall ist die Expansionsmaschine 10 außerdem so ausgestaltet, dass sie im angetriebenen Zustand zum Fördern des Arbeitsmediums in Richtung zum Kondensator 11 verwendet werden kann. Furthermore, the waste heat utilization device 6 comprises a control device 19 for actuating the conveying device 8 or the associated drive motor 12. A corresponding actuating line or control line is designated by 20. Depending on the embodiment of the waste heat recovery circuit 6, the control device 19 can also be used to actuate the additional conveyor 17 when the additional conveyor 17 is present or the associated drive motor 18 serve. A corresponding actuating line or control line is again denoted by 20. In the absence of additional conveyor 17 may be provided to configure the generator 15 so that it can also be operated as an electric motor. In this case, the controller 19 can then control the serving as an electric motor generator 15 for driving the expander 10 via a corresponding control line 20. In this case, the expansion machine 10 is also configured to be used in the driven state for conveying the working medium toward the condenser 11.
Für den Normalbetrieb oder Warmbetrieb der Abwärmenutzungsvorrichtung 6 fördert ausschließlich die Fördereinrichtung 8 das Arbeitsmedium im Abwärmenutzungskreis 7. Während dieses Normalbetriebs treibt die Expansionsmaschine 10 den Generator 15 an. Sofern die Zusatzfördereinrichtung 17 vorhanden ist, ist diese beim Normalbetrieb der Abwärmenutzungsvorrichtung 6 deaktiviert. Die Zusatzfördereinrichtung 17 kann so ausgestaltet sein, dass sie einen möglichst geringen Durchströmungswiderstand besitzt. Alternativ ist es außerdem möglich, zur Umgehung der Zusatzfördereinrichtung 17 einen Bypass 21 vorzusehen, der mittels einer entsprechenden Ventileinrichtung 22, die mit Hilfe der Steuereinrichtung 19 über eine entsprechende Steuerleitung 20 betätigbar ist, aktiviert und deaktiviert werden kann. For normal operation or hot operation of the waste heat recovery device 6 promotes only the conveyor 8, the working fluid in the waste heat recovery circuit 7. During this normal operation, the expansion machine 10 drives the generator 15 at. If the additional conveyor 17 is present, this is deactivated during normal operation of the waste heat recovery device 6. The additional conveyor 17 may be designed so that it has the lowest possible flow resistance. Alternatively, it is also possible to bypass the additional conveyor 17 to provide a bypass 21, which can be activated and deactivated by means of a corresponding valve device 22 which is actuated by means of the control device 19 via a corresponding control line 20.
Für den Kaltstart der Abwärmenutzungsvorrichtung 6 kann bei fehlender Zusatzfördereinrichtung 17 die Steuereinrichtung 19 einerseits die Fördereinrichtung 8 zum Antreiben des Arbeitsmediums vom Kondensator 11 in Richtung zum Verdampfer 9 ansteuern. Andererseits kann die Steuereinrichtung 19 hierzu zusätzlich den Generator 15 so ansteuern, dass er als Elektromotor dient und die Expansionsmaschine 0 derart antreibt, dass diese das Arbeitsmedium vom Verdampfer 9 in Richtung Kondensator 11 antreibt. Hierdurch kann die im Abgas relativ rasch nach dem Einschalten der Brennkraftmaschine 1 enthaltene Abwärme vom Arbeitsmedium aufgenommen werden, was den Aufheizprozess, also die Kaltstartphase verkürzt. For the cold start of the waste heat utilization device 6, the control device 19 on the one hand, the conveyor 8 for driving the working fluid from the condenser 11 in the direction of the evaporator 9 drive in the absence of additional conveyor 17. On the other hand, the control device 19 additionally controls the generator 15 in such a way that it serves as an electric motor and drives the expansion machine 0 in such a way that it drives the working medium from the evaporator 9 in the direction of the condenser 11. As a result, the waste heat contained in the exhaust gas relatively quickly after switching on the internal combustion engine 1 can be absorbed by the working medium, which shortens the heating process, ie the cold start phase.
Für den Fall, dass die Zusatzfördereinrichtung 17 vorhanden ist, steuert die Steuereinrichtung 19 zusätzlich zur Fördereinrichtung 8 außerdem die Zusatzfördereinrichtung 7 an, um mit Hilfe der Zusatzfördereinrichtung 17 das Arbeitsmedium vom Verdampfer 9 in Richtung Kondensator 11 anzutreiben. Ein Betreiben der Expansionsmaschine 10 als Fördereinrichtung ist dann nicht erforderlich, kann aber als Option zusätzlich durchgeführt werden. In the event that the additional conveyor 17 is present, controls the control device 19 in addition to the conveyor 8 also to the additional conveyor 7 to drive using the additional conveyor 17, the working fluid from the evaporator 9 in the direction of the condenser 11. Operation of the expansion machine 10 as a conveyor is then not required, but can be performed as an option in addition.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsvorrichtung (6) für eine A method of operating a waste heat utilization device (6) for a
Brennkraftmaschine (1 ) eines Kraftfahrzeugs,  Internal combustion engine (1) of a motor vehicle,
- wobei die Abwärmenutzungsvorrichtung (6) umfasst:  - wherein the waste heat utilization device (6) comprises:
- einen Abwärmenutzungskreis (7), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert,  a waste heat recovery circuit (7) in which a working medium circulates,
- eine im Abwärmenutzungskreis (7) angeordnete Fördereinrichtung (8) zum  - A in the waste heat recovery circuit (7) arranged conveyor (8) for
Fördern des Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck,  Conveying the working medium against a high pressure,
- einen im Abwärmenutzungskreis (7) stromab der Fördereinrichtung (8)  - one in waste heat recovery circuit (7) downstream of the conveyor (8)
angeordneten Verdampfer (9) zum Verdampfen des Arbeitsmediums unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine (1 ),  arranged evaporator (9) for vaporizing the working medium using waste heat of the internal combustion engine (1),
- eine im Abwärmenutzungskreis (7) stromab des Verdampfers (9) angeordnete Expansionsmaschine (10) zum Expandieren des Arbeitsmediums auf einen Niederdruck,  a expansion machine (10) arranged downstream of the evaporator (9) in the waste heat recovery circuit (7) for expanding the working medium to a low pressure,
- einen im Abwärmenutzungskreis (7) stromab der Expansionsmaschine (10) angeordneten Kondensator (11 ) zum Kondensieren des Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass  - A in the waste heat recovery circuit (7) downstream of the expansion machine (10) arranged capacitor (11) for condensing the working medium, characterized in that
während eines Kaltstarts der Abwärmenutzungsvorrichtung (6) das Arbeitsmedium zwischen Verdampfer (9) und Kondensator (11 ) in Richtung Kondensator (1 1 ) angetrieben wird.  during a cold start of the waste heat recovery device (6) the working medium between the evaporator (9) and capacitor (11) in the direction of the condenser (1 1) is driven.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Arbeitsmedium während des Kaltstarts mittels einer zusätzlich zur  the working medium during the cold start by means of an addition to
Fördereinrichtung (8) vorgesehenen Zusatzfördereinrichtung (17) angetrieben wird, die stromab des Verdampfers (9) und stromauf des Kondensators (11 ) im  Conveyor (8) provided additional conveying device (17) is driven downstream of the evaporator (9) and upstream of the capacitor (11) in
Abwärmenutzungskreis (7) angeordnet ist, und/oder wobei der Abwärmenutzungskreis (7) einen Bypass (21 ) zur Umgehung der Zusatzfördereinrichtung (17) aufweist, der aktivierbar und deaktivierbar ist. Waste heat recovery circuit (7) is arranged, and / or wherein the Waste heat recovery circuit (7) has a bypass (21) for bypassing the additional conveyor (17), which can be activated and deactivated.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , 3. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Expansionsmaschine (10) während des Kaltstarts zum Antreiben des  the expansion engine (10) during the cold start for driving the
Arbeitsmediums betrieben wird.  Working medium is operated.
4. Verfahren nach Anspruch 3, 4. The method according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Expansionsmaschine (10) während des Kaltstarts mittels eines zusätzlichen Antriebsmotors (15) oder eines mit der Expansionsmaschine (10)  the expansion machine (10) during the cold start by means of an additional drive motor (15) or one with the expansion machine (10)
antriebsverbundenem elektrischen Generators (15) angetrieben wird.  driven electrical generator (15) is driven.
5. Abwärmenutzungsvorrichtung (6) für eine Brennkraftmaschine (1 ) eines 5. waste heat utilization device (6) for an internal combustion engine (1) of a
Kraftfahrzeugs,  Motor vehicle,
- mit einem Abwärmenutzungskreis (7), in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, with a waste heat recovery circuit (7) in which a working medium circulates,
- mit einer im Abwärmenutzungskreis (7) angeordneten Fördereinrichtung (8) zum Fördern des Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck, - With a in the waste heat recovery circuit (7) arranged conveyor (8) for conveying the working medium against a high pressure,
- mit einem im Abwärmenutzungskreis (7) stromab der Fördereinrichtung (8) angeordneten Verdampfer (9) zum Verdampfen des Arbeitsmediums,  - With an in waste heat recovery circuit (7) downstream of the conveyor (8) arranged evaporator (9) for vaporizing the working medium,
- mit einer im Abwärmenutzungskreis (7) stromab des Verdampfers (9)  - with a waste heat recovery circuit (7) downstream of the evaporator (9)
angeordneten Expansionsmaschine (10) zum Expandieren des Arbeitsmediums auf einen Niederdruck,  arranged expansion machine (10) for expanding the working fluid to a low pressure,
- mit einem im Abwärmenutzungskreis (7) stromab der Expansionsmaschine (10) angeordneten Kondensator (11 ) zum Kondensieren des Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass  - With a in waste heat recovery circuit (7) downstream of the expansion machine (10) arranged capacitor (11) for condensing the working medium, characterized in that
eine im Abwärmenutzungskreis (7) stromab des Verdampfers (9) und stromauf des Kondensators (11 ) angeordnete Einrichtung (10, 17) zum Antreiben des  a device (10, 17) disposed in the waste heat recovery circuit (7) downstream of the evaporator (9) and upstream of the condenser (11) for driving the
Arbeitsmediums vorgesehen und/oder genutzt ist.  Working medium provided and / or used.
6. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 5, 6. waste heat utilization device according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
zusätzlich zur Fördereinrichtung (8) eine Zusatzfördereinrichtung (17) vorgesehen ist, die stromab des Verdampfers (9) und stromauf des Kondensators (11 ) im Abwärmenutzungskreis (7) angeordnet ist, und/oder wobei der an additional conveying device (17) is provided in addition to the conveying device (8), which downstream of the evaporator (9) and upstream of the condenser (11) in Waste heat recovery circuit (7) is arranged, and / or wherein the
Abwärmenutzungskreis (7) einen Bypass (21 ) zur Umgehung der  Waste heat recovery circuit (7) a bypass (21) to bypass the
Zusatzfördereinrichtung (17) aufweist, der mittels einer Ventileinrichtung (22) aktivierbar und deaktivierbar ist.  Additional conveying device (17) which can be activated and deactivated by means of a valve device (22).
7. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 5, 7. Waste heat utilization device according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Expansionsmaschine (10) so ausgestaltet ist, dass sie zum Antreiben des Arbeitsmediums betreibbar ist.  the expansion machine (10) is configured so that it is operable to drive the working medium.
8. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 7, 8. waste heat utilization device according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
ein Antriebsmotor (15) zum Antreiben der Expansionsmaschine (10) vorgesehen ist, so dass die angetriebene Expansionsmaschine (10) das Arbeitsmedium in Richtung Kondensator (11 ) antreibt.  a drive motor (15) is provided for driving the expansion machine (10), so that the driven expansion machine (10) drives the working medium in the direction of the condenser (11).
9. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, 9. waste heat utilization device according to claim 7 or 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Expansionsmaschine (10) mit einem elektrischen Generator (15)  the expansion machine (10) with an electric generator (15)
antriebsverbunden ist, der so ausgestaltet ist, dass er als Elektromotor zum  is drive connected, which is designed so that it is used as an electric motor for
Antreiben der Expansionsmaschine (10) betreibbar ist, so dass die vom Generator (15) angetriebene Expansionsmaschine (10) das Arbeitsmedium in Richtung Kondensator (11 ) antreibt.  Driving the expansion machine (10) is operable so that the generator (15) driven expansion machine (10) drives the working fluid in the direction of the condenser (11).
10. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem Anspruch 5 bis 9, 10. waste heat recovery device according to one of claims 5 to 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
eine Steuereinrichtung (19) vorgesehen ist, die für den Kaltstart die  a control device (19) is provided, which for the cold start the
Zusatzfördereinrichtung (17) oder die Expansionsmaschine (10) zum Antreiben des Arbeitsmediums ansteuert.  Additional conveyor (17) or the expansion machine (10) for driving the working medium drives.
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