WO2012079709A1 - Abwärmenutzungsvorrichtung, betriebsverfahren - Google Patents

Abwärmenutzungsvorrichtung, betriebsverfahren Download PDF

Info

Publication number
WO2012079709A1
WO2012079709A1 PCT/EP2011/006039 EP2011006039W WO2012079709A1 WO 2012079709 A1 WO2012079709 A1 WO 2012079709A1 EP 2011006039 W EP2011006039 W EP 2011006039W WO 2012079709 A1 WO2012079709 A1 WO 2012079709A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waste heat
heat recovery
working medium
pressure
recovery circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/006039
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Original Assignee
Daimler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
Priority to JP2013543567A priority Critical patent/JP5599953B2/ja
Priority to EP11791444.0A priority patent/EP2652304B1/de
Priority to CN201180060707.6A priority patent/CN103261647B/zh
Publication of WO2012079709A1 publication Critical patent/WO2012079709A1/de
Priority to US13/918,936 priority patent/US9021807B2/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • 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
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat utilization device for a
  • the preamble of claim 1 also relates to an associated
  • a waste heat utilization device which operates according to the Rankine cycle process or according to the Rankine-Clausius cyclic process.
  • Such a waste heat utilization device comprises a waste heat recovery circuit, in which circulates a working fluid, a arranged in the waste heat recovery conveyor for conveying the working fluid against a high pressure, a in the
  • Waste heat recovery circuit downstream of the conveyor arranged evaporator for evaporating the working fluid using waste heat of the internal combustion engine, arranged in the waste heat recovery circuit downstream of the evaporator
  • Expansion machine for expanding the working medium to a low pressure and arranged in the waste heat recovery circuit downstream of the expansion machine condenser for condensing the working medium.
  • the evaporator is heat-coupled to a cooling circuit of the internal combustion engine so as to extract heat energy from the internal combustion engine.
  • Waste heat recovery device the condenser with a refrigerant circuit of an air conditioning system equipped with the internal combustion engine vehicle coupled to transfer heat energy from the waste heat recovery circuit.
  • a fluidic coupling between the refrigerant circuit of the air conditioner and the waste heat recovery circuit is provided in the known waste heat recovery device.
  • a heating or cooling device based on a Rankine cycle process which has a main flow circuit for a fluid refrigerant, in which one after the other in the flow direction with a heat source cooperating heat exchanger as a refrigerant refrigerant compressor, a fluid refrigerant condenser heat exchanger, a pressure reducing valve, a heat exchanger which preferably cooperates with an airflow to be cooled, an evaporator, and a return pump for supplying the compressor with the fluid refrigerant; wherein the compressor is formed of at least two heat exchangers for heat exchange between the fluid refrigerant and the heat source and switching means are provided to alternately feed the condenser from the two heat exchangers and at the same time to feed from the pump those of the heat exchanger which is not feeding the condenser , with a switching sequence adapted to the alternating function of the heat exchangers.
  • the return pump feeds the currently connected heat exchanger preferably with fluid refriger
  • Heat exchangers of the thermal compressor cooperates, or is just filled with fluid refrigerant or are.
  • a storage bottle is provided immediately behind the condenser, which continues the supply of the main flow circuit, so the pressure reducing valve and the downstream evaporator, even during those time intervals of a few seconds in length the
  • Heat exchangers are temporarily switched off in the course of the switching process.
  • a waste heat utilization device which operates according to the Rankine cycle process or according to the Rankine-Clausius cycle, is designed for operation with comparatively high temperatures in the working medium, for. At least 200 ° C. at
  • Waste heat recovery device of the aforementioned type or for an associated operating method to provide an improved embodiment, which is characterized in particular by the fact that the cost of sealing for the idle state or for the hot operating state is reduced.
  • This problem is solved according to the invention by the subject matter of the independent claim.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the invention is based on the general idea that the mass or the volume of the working medium which can circulate in the, preferably closed, waste heat recovery circuit to increase for the resting state. This ensures that the pressure in the working fluid when cooling to ambient temperature can not drop as far as he would drop at a constant volume or at a constant mass of the working fluid.
  • the inventive proposal is thus achieved that when switched off waste heat recovery device in the working medium, a minimum pressure can be set or guaranteed, which is above a static pressure, which would then set when cooling the working fluid when the mass or the volume of the working medium, the during hot operation in the
  • Waste heat recovery cycle could be kept constant.
  • Waste heat recovery circuit arranged or coupled with pressure accumulator can be set or guaranteed.
  • the minimum pressure in the working medium which is to be set or ensured for the idle state or cold state of the waste heat recovery circuit, may be fixed or adjustable, and in particular depending on the respective
  • Ambient temperature be selectable.
  • Such an accumulator can, for example, between the capacitor and the
  • Conveyor be arranged in the waste heat recovery circuit, ie in a region of the waste heat recovery circuit, in which the working fluid is usually liquid in normal operation.
  • the pressure accumulator can be configured as a liquid storage, so that comparatively much mass can be stored with little volume.
  • the accumulator can, for example, be configured as a spring accumulator, in which a
  • the pressure accumulator can be realized particularly simple and inexpensive, preferably as a passive pressure accumulator. Basically, it is in such a
  • Spring accumulator possible to design the spring force adjustable, so that the spring pressure accumulator can also be realized as an active spring pressure accumulator. Because of the adjustable spring force and the minimum pressure can be varied or adjusted.
  • the pressure accumulator may be provided to design the pressure accumulator as an active accumulator, which has an actuator for changing the minimum pressure.
  • an active accumulator in particular an active spring accumulator allows a situation-dependent adjustment of the minimum pressure.
  • the minimum pressure depending on environmental parameters such. Ex. Ambient temperature and / or ambient pressure can be selected.
  • the waste heat utilization device is expediently equipped with a control device which serves for actuating the actuator for setting the minimum pressure depending on the current operating state of the waste heat recovery circuit and / or the internal combustion engine.
  • a control device which serves for actuating the actuator for setting the minimum pressure depending on the current operating state of the waste heat recovery circuit and / or the internal combustion engine.
  • Cooling cold state of the waste heat recovery device in the working medium a minimum pressure of at least 500mbar, preferably of at least 600mbar, set or guaranteed.
  • a minimum pressure of at least 500mbar, preferably of at least 600mbar set or guaranteed.
  • Operating conditions of the waste heat utilization device of the high pressure using the active pressure accumulator is controlled and / or controlled. Transient operating conditions of the waste heat utilization device can arise when the
  • the heat source is generally formed by the internal combustion engine.
  • the heat source will be a Exhaust system of the internal combustion engine is preferred as a heat source because there
  • waste heat utilization apparatus is usually designed for a certain nominal operating condition with a relatively narrow pressure range for optimum high pressures, a widely varying high pressure falling out of the desired high pressure interval reduces the efficiency of the waste heat utilization apparatus.
  • Waste heat utilization device within their optimized rated operation and thus operates at optimum efficiency.
  • the pressure accumulator for example by means of a valve device, can be activated and deactivated.
  • the activated state of the accumulator is fluidly coupled to the waste heat recovery circuit, so that working fluid from the accumulator in the waste heat recovery circuit and can flow back.
  • the pressure accumulator is fluidic from
  • Waste heat recovery circuit decoupled so that no exchange of working fluid between accumulator and waste heat recovery circuit is possible. Due to the possibility of activating and deactivating the pressure accumulator, the waste heat utilization device can be optimally operated in hot operation according to its design, without having to take into account the additional working medium stored in the pressure accumulator. This results in a particularly simple handling or design.
  • Fig. 1 is a greatly simplified schematic diagram of a schematic
  • a waste heat utilization device 1 which can be arranged together with an internal combustion engine 2 in a motor vehicle, comprises a
  • Waste heat recovery circuit 3 in which a working medium 4 circulates.
  • Waste heat recovery circuit 3 is preferably designed as a closed circuit.
  • Waste heat utilization device 1 also comprises a conveyor 5, an evaporator 6, an expansion machine 7 and a condenser 8.
  • the conveyor 5 is disposed in the waste heat recovery circuit 3 and serves to convey the working medium 4 against a high pressure.
  • Conveying device 5 designed as a volumetric pump and this is drive-coupled with a drive motor 9.
  • the evaporator 6 is disposed in the waste heat recovery circuit 3 downstream of the conveyor 5 and serves to evaporate the
  • Working medium 4, including the evaporator 6 uses waste heat of the internal combustion engine 2.
  • the evaporator 6 is this heat coupled with an exhaust system 10 of the internal combustion engine 2 coupled.
  • a corresponding heat flow is indicated by an arrow 11.
  • the internal combustion engine 2 also has a fresh air system 12.
  • the expansion machine 7, for example in the form of a turbine, is arranged in the waste heat recovery circuit 3 downstream of the evaporator 6 and serves to expand the working medium 4 to a low pressure.
  • energy can be extracted from the working medium with the aid of the expansion machine 7, in the form of mechanical work, for example for driving a shaft 13.
  • the energy or work extracted from the working medium 4 can be transmitted via the shaft 13 to drive a generator 14 and / or any one of them another engine or component of the internal combustion engine 2 or the vehicle equipped therewith.
  • drive power can be transmitted to a drive train, not shown, of the internal combustion engine 2 via the shaft 13 in order to support the drive power of the internal combustion engine 2.
  • the condenser 8 is disposed in the waste heat recovery circuit 3 downstream of the expansion machine 7 and serves to condense the working medium 4. For this purpose, the
  • the waste heat recovery circuit 3 is thus configured as a Rankine cycle process or Rankine-Clausius cycle process.
  • the waste heat recovery device 1 is also provided with a
  • Pressure accumulator 6 equipped, which is arranged for this purpose in the waste heat recovery circuit 3 and with the in the working medium 4, a predetermined and / or adjustable
  • Minimum pressure can be set and / or guaranteed.
  • Waste heat recovery circuit 3 arranged or connected thereto.
  • a connecting line 17 may be provided which the pressure accumulator 16 with the
  • Waste heat recovery circuit 3 fluidly coupled.
  • a connection point 18, in which the connecting line 17 is connected to the waste heat recovery circuit 4 is located in the example downstream of the condenser 8 and upstream of the conveyor 5.
  • a valve device 19 may be arranged, with the aid of the connecting line 17 can be opened and locked.
  • the valve device 19 can be actuated by means of a control device 20 for opening and blocking the connecting line 17. If the accumulator 16 as active
  • Pressure accumulator 16 is configured, which is a change in the minimum pressure in
  • Working medium 4 allows this can also be operated by the controller 20.
  • Corresponding actuating lines or control lines for actuating the valve device 19 or for actuating the active pressure accumulator 16 are designated by 21.
  • the waste heat utilization device 1 is also equipped with at least one pressure sensor 22, which is also coupled via a corresponding signal line 23 to the control device 20 in order to transmit the respective measured pressure in the working medium 4 to the control device 20.
  • two such pressure sensors 22 are registered or indicate two possible installation locations for such a pressure sensor 22.
  • the one pressure sensor 22 is located between the conveyor 5 and the evaporator 6 in the waste heat recovery circuit 3.
  • the other pressure sensor 22 is located in the waste heat recovery circuit 3 between evaporator 6 and expansion machine 7.
  • the pressure accumulator 16 may be configured as a spring accumulator.
  • a storage volume 24 is biased by means of a spring force 25 indicated by an arrow to said minimum pressure.
  • at least one spring 27 is provided in a housing 26 of the pressure accumulator 16, which is supported on the one hand on a bottom 28 of the housing 26 and on the other hand on a partition wall 29.
  • Said partition 29 limits the storage volume 24.
  • the partition 29 may be configured as a piston in the example shown. Likewise, it may be at the partition 29 to an adjustable membrane, so that the spring 16 shown here then as
  • Membrane spring memory 16 works. This is a passive one
  • Fig. 3 shows a further spring pressure accumulator 16, in which, however, the spring force 25 is adjustable, so that this is an active spring pressure accumulator 16.
  • this active spring pressure accumulator 16 may have an actuator 30 with which an abutment 31 can be positioned according to a double arrow 32 or relative to the housing bottom 28.
  • the at least one spring 27 is supported on the housing 31 on the abutment 31 in this active spring accumulator.
  • the bias voltage 25 of the respective spring 27 can be changed. Since the pressure in the working medium 4 or in the storage volume 24 depends on the spring force 25, the minimum pressure in the working medium 4 can be varied by actuating the actuator 30.
  • Fig. 4 shows a further active accumulator 16, which is not designed as a spring accumulator.
  • the accumulator 16 again includes a Actuator 30, which serves in this case, however, for adjusting the partition wall 29 relative to the housing bottom 28.
  • the pressure of the stored in the storage volume 24 working medium 4 can also be changed.
  • the accumulator 16 is designed so that it is turned off
  • Waste heat recovery device 1 in the working medium 4 sets or ensures a minimum pressure, which is above a static pressure. This idle pressure would be set to ambient temperature in the absence of pressure accumulator 16 or 16 with deactivated accumulator 16 during cooling of the active material of the working medium.
  • the active mass of the working medium 4 is the mass that when turned on
  • Waste heat recovery device 1 circulates during a warm operation in the waste heat recovery circuit 3. This minimum pressure can be in a cooled to ambient cold state or rest state of the waste heat recovery device 1 z. B. at least 500mbar, preferably at least 600mbar, amount.
  • control device 20 can control the respective pressure accumulator 16 in such a way that in the working medium 4 a
  • Waste heat recovery device 1 and the internal combustion engine 2 depends.
  • the control device 20 may load changes and / or speed changes of the internal combustion engine 2 with respect to their effect on the pressure in the
  • Waste heat recovery circuit 3 quasi-proactively consider to capture or limit the resulting change in the heat flow 1, a resulting change in the high pressure of the waste heat recovery circuit 3.
  • the high pressure can be regulated and / or controlled with the aid of the active pressure accumulator 16, in particular in order to be able to compensate for variations in the heat input 11.
  • the pressure accumulator 16 can be activated via a corresponding actuation of the valve device 19.
  • Pressure accumulator 16 are deactivated again by a corresponding actuation of the valve device 19, for example.
  • Waste heat recovery circuit 3 circulating working medium 4 and to be stored in the accumulator 16 working medium 4 to avoid.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abwärmenutzungskreis (3), in dem ein Arbeitsmedium (4) zirkuliert, mit einer im Abwärmenutzungskreis (3) angeordneten Fördereinrichtung (5) zum Fördern des Arbeitsmediums (4) gegen einen Hochdruck, mit einem im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Fördereinrichtung (5) angeordneten Verdampfer (6) zum Verdampfen des Arbeitsmediums (4) unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine (2), mit einer im Abwärmenutzungskreis (3) stromab des Verdampfers (6) angeordneten Expansionsmaschine (7) zum Expandieren des Arbeitsmediums (4) auf einen Niederdruck und mit einem im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Expansionsmaschine (7) angeordneten Kondensator (8) zum Kondensieren des Arbeitsmediums (4). Ein Ruhezustand der Abwärmenutzungsvorrichtung (1) lässt sich besser beherrschen, wenn im Abwärmenutzungskreis (3) ein Druckspeicher (16) zum Einstellen und/oder Gewährleisten eines vorbestimmten und/oder einstellbaren Mindestdrucks im Arbeitsmedium angeordnet ist.

Description

Daimler AG
Abwärmenutzungsvorrichtung, Betriebsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges
Betriebsverfahren.
Aus der JP 2006-349211 A ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung bekannt, die nach dem Rankine-Kreisprozess bzw. nach dem Rankine-Clausius-Kreisprozess arbeitet. Eine derartige Abwärmenutzungsvorrichtung umfasst einen Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, eine im 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 Verdampfers angeordnete
Expansionsmaschine zum Expandieren des Arbeitsmediums auf einen Niederdruck und einen im Abwärmenutzungskreis stromab der Expansionsmaschine angeordneten Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums.
Bei der bekannten Abwärmenutzungsvorrichtung ist der Verdampfer mit einem Kühlkreis der Brennkraftmaschine wärmeübertragend gekoppelt, um so der Brennkraftmaschine Wärmeenergie zu entziehen. Außerdem ist bei der bekannten
Abwärmenutzungsvorrichtung der Kondensator mit einem Kältekreis einer Klimaanlage eines mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahrzeugs wärmeübertragend gekoppelt, um Wärmeenergie vom Abwärmenutzungskreis abzuführen. Darüber hinaus ist bei der bekannten Abwärmenutzungsvorrichtung eine fluidische Kopplung zwischen dem Kältekreis der Klimaanlage und dem Abwärmenutzungskreis vorgesehen.
Aus der DE 28 18 003 A1 ist ein Heiz- oder Kühlgerät auf Basis eines Rankine- Kreisprozesses bekannt, das einen Hauptströmungskreis für ein fluides Kältemittel aufweist, in dem in Strömungsrichtung nacheinander ein mit einer Wärmequelle zusammenwirkender Wärmetauscher als Kompressor für das fluide Kältemittel, ein Wärmetauscher als Kondensator für das fluide Kältemittel, ein Druckreduzierventil, ein Wärmetauscher, der bevorzugt mit einem zu kühlenden Luftstrom zusammenwirkt, als Verdampfer und eine Rückführ-Pumpe zum speisen des Kompressor mit dem fluiden Kältemittel liegt, wobei der Kompressor aus wenigstens zwei Wärmetauschern für Wärmetausch zwischen dem fluiden Kältemittel und der Wärmequelle gebildet ist und Umschalteinrichtungen vorgesehen sind, um den Kondensator abwechselnd aus den beiden Wärmetauschern zu speisen und gleichzeitig von der Pumpe denjenigen der Wärmetauscher zu speisen, der gerade nicht den Kondensator speist, mit einer der abwechselnden Funktion der Wärmetauscher angepassten Umschaltfolge. Die Rückführ- Pumpe speist dabei den jeweils gerade angeschlossenen Wärmetauscher bevorzugt mit fluidem Kältemittel im dampfförmigen Aggregatzustand. Beim bekannten Heiz- oder Kühlgerät sind die Umschalteinrichtungen vor allem dafür vorgesehen, sicherzustellen, dass die Wärmequelle nur mit demjenigen Wärmetauscher bzw. mit denjenigen
Wärmetauschern des thermischen Kompressors zusammenwirkt, der bzw. die gerade mit fluidem Kältemittel gefüllt ist bzw. sind. Um die Gleichförmigkeit der Funktion des bekannten Heiz- oder Kühlgeräts zu steigern, ist unmittelbar hinter dem Kondensator eine Speicherflasche vorgesehen, die die Speisung des Hauptströmungskreises, also des Druckreduzierventils und des diesem nachgeschalteten Verdampfers, auch während derjenigen Zeitintervalle von einigen Sekunden Länge fortsetzt, in denen die
Wärmetauscher im Zuge des Umschaltvorgangs vorübergehend abgeschaltet sind.
Eine Abwärmenutzungsvorrichtung, die nach dem Rankine-Kreisprozess bzw. nach dem Rankine-Clausius-Kreisprozess arbeitet, ist für einen Betrieb mit vergleichsweise hohen Temperaturen im Arbeitsmedium ausgelegt, z. B. mindestens 200° C. Bei
ausgeschalteter Brennkraftmaschine kommt es zu einer Abkühlung des Arbeitsmediums, was mit einem signifikanten Druckabfall einhergeht. Beispielsweise kann in einem
Ruhezustand, bei dem innerhalb der Abwärmenutzungsvorrichtung im Wesentlichen Umgebungstemperatur vorliegt, ein Ruhedruck im Arbeitsmedium, das bspw. durch ein Gemisch aus 70% H20 und 30% Ethanol gebildet sein kann, entstehen, der bspw. bei etwa 30mbar (absolut) liegen kann. Um derartige niedrige Drücke dauerhaft abdichten zu können, ist ein enormer Aufwand erforderlich. Vermeidet man diesen Aufwand, kommt es im Ruhezustand zu einer Diffusion von Umgebungsluft in den Abwärmenutzungskreis. Versucht man dagegen, die Menge des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis zu erhöhen, kommt es im Warmbetrieb zu stark erhöhten Drücken, die ebenfalls nur mit einem vergleichsweise hohen Aufwand beherrschbar sind. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine
Abwärmenutzungsvorrichtung der eingangs genannten Art bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass der Aufwand zur Abdichtung für den Ruhezustand bzw. für den Warmbetriebszustand reduziert ist. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Masse bzw. das Volumen des Arbeitsmediums das im, vorzugsweise geschlossenen, Abwärmenutzungskreis zirkulieren kann, für den Ruhezustand zu erhöhen. Hierdurch wird erreicht, dass der Druck im Arbeitsmedium beim Abkühlen auf Umgebungstemperatur nicht soweit abfallen kann, wie er dies bei konstantem Volumen bzw. bei konstanter Masse des Arbeitsmediums abfallen würde. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird somit erreicht, dass bei ausgeschalteter Abwärmenutzungsvorrichtung im Arbeitsmedium ein Mindestdruck eingestellt bzw. gewährleistet werden kann, der oberhalb eines Ruhedrucks liegt, der sich beim Abkühlen des Arbeitsmediums dann einstellen würde, wenn die Masse bzw. das Volumen des Arbeitsmediums, das während des Warmbetriebs im
Abwärmenutzungskreis zirkulieren kann, konstant gehalten würde.
Apparativ kann ein derartiger Mindestdruck im Arbeitsmedium mit Hilfe eines im
Abwärmenutzungskreis angeordneten bzw. damit gekoppelten Druckspeichers eingestellt bzw. gewährleistet werden.
Der Mindestdruck im Arbeitsmedium, der für den Ruhezustand oder Kaltzustand des Abwärmenutzungskreises eingestellt bzw. gewährleistet werden soll, kann fest vorbestimmt oder einstellbar sein, und insbesondere abhängig von der jeweiligen
Umgebungstemperatur auswählbar sein.
Ein derartiger Druckspeicher kann bspw. zwischen dem Kondensator und der
Fördereinrichtung im Abwärmenutzungskreis angeordnet sein, also in einem Bereich des Abwärmenutzungskreises, in dem das Arbeitsmedium im Normalbetrieb üblicherweise flüssig ist. Somit kann der Druckspeicher als Flüssigspeicher ausgestaltet werden, so dass vergleichsweise viel Masse bei wenig Volumen bevorratet werden kann.
Der Druckspeicher kann bspw. als Federspeicher ausgestaltet sein, bei dem ein
Speichervolumen mittels einer Federkraft auf den Mindestdruck vorgespannt ist. Somit kann der Druckspeicher besonders einfach und preiswert realisiert werden, und zwar bevorzugt als passiver Druckspeicher. Grundsätzlich ist es bei einem derartigen
Federdruckspeicher möglich, die Federkraft einstellbar auszugestalten, so dass der Federdruckspeicher auch als aktiver Federdruckspeicher realisierbar ist. Denn durch die einstellbare Federkraft lässt sich auch der Mindestdruck variieren bzw. einstellen.
Allgemein kann vorgesehen sein, den Druckspeicher als aktiver Druckspeicher auszugestalten, der einen Aktuator zum Verändern des Mindestdrucks aufweist. Ein derartiger aktiver Druckspeicher, insbesondere ein aktiver Federdruckspeicher ermöglicht eine situationsabhängige Anpassung des Mindestdrucks. Beispielsweise kann der Mindestdruck abhängig von Umgebungsparametern, wie z. Bsp. Umgebungstemperatur und/oder Umgebungsdruck, gewählt werden.
Bei einem aktiven Druckspeicher ist die Abwärmenutzungsvorrichtung zweckmäßig mit einer Steuereinrichtung ausgestattet, die zum Betätigen des Aktuators zum Einstellen des Mindestdrucks abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Abwärmenutzungskreises und/oder der Brennkraftmaschine dient. Somit ist es nicht nur möglich, für die Abkühlung der Abwärmenutzungsvorrichtung stets den gewünschten Mindestdruck zu gewährleisten, vielmehr kann auch während des Warmbetriebs eine Adaption des Mindestdrucks bzw. des Systemdrucks durchgeführt werden, bspw. um Masseverschiebungen zwischen Flüssigphase und Gasphase ausgleichen zu können, die bspw. bei transienten
Betriebszuständen auftreten können.
Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der in einem auf
Umgebungstemperatur abgekühlten Kaltzustand der Abwärmenutzungsvorrichtung im Arbeitsmedium ein Mindestdruck von wenigstens 500mbar, bevorzugt von mindestens 600mbar, eingestellt bzw. gewährleistet wird. Derart geringe Unterdrücke gegenüber ein 1 bar Umgebungsdruck lassen sich vergleichsweise einfach beherrschen, was den apparativen Aufwand zur Realisierung der Abwärmenutzungsvorrichtung reduziert.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass während des Warmbetriebs der Abwärmenutzungsvorrichtung für transiente
Betriebszustände der Abwärmenutzungsvorrichtung der Hochdruck mit Hilfe des aktiven Druckspeichers geregelt und/oder gesteuert wird. Transiente Betriebszustände der Abwärmenutzungsvorrichtung können dann entstehen, wenn sich das
Wärmeabgabepotential der verwendeten Wärmequelle verändert. Die Wärmequelle wird im Allgemeinen durch die Brennkraftmaschine gebildet. Im Speziellen wird dabei eine Abgasanlage der Brennkraftmaschine als Wärmequelle bevorzugt, da dort
vergleichsweise viel Abwärme zur weiteren Nutzung zur Verfügung steht. Ändert die Brennkraftmaschine ihren Betriebszustand hinsichtlich Last und/oder Drehzahl, ändern sich zeitnah auch Temperatur, Druck und Volumenstrom im Abgas, also die im Abgas transportierte Wärme. Verändert sich die im Verdampfer auf das Arbeitsmedium übertragbare Wärme, verändert sich auch die Verdampfungsleistung des Verdampfers, was zu einer Masseverschiebung des Arbeitsmediums zwischen Flüssigphase und Gasphase innerhalb des Abwärmenutzungskreises führt und letztlich den Hochdruck im Abwärmenutzungskreis beeinflusst. Da die Abwärmenutzungsvorrichtung üblicherweise für einen bestimmten Nennbetriebszustand mit einem relativ engen Druckbereich für optimale Hochdrücke ausgelegt ist, reduziert ein stark variierender und aus dem gewünschten Hochdruckintervall herausfallender Hochdruck den Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung. Durch die Nutzung des bei der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsvorrichtung vorhandenen Druckspeichers zum Steuern bzw. Regeln des Hochdrucks kann bei derartigen transienten Betriebszuständen vergleichsweise einfach gewährleistet werden, dass der Hochdruck des Abwärmenutzungskreises innerhalb des vorbestimmten Hochdruckintervalls verbleibt, so dass die
Abwärmenutzungsvorrichtung innerhalb ihres optimierten Nennbetriebs und somit bei optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Druckspeicher, bspw. mittels einer Ventileinrichtung, aktivierbar und deaktivierbar sein. Im aktivierten Zustand ist der Druckspeicher fluidisch mit dem Abwärmenutzungskreis gekoppelt, so dass Arbeitsmedium vom Druckspeicher in den Abwärmenutzungskreis und zurück fließen kann. Im deaktivierten Zustand ist der Druckspeicher fluidisch vom
Abwärmenutzungskreis entkoppelt, so dass kein Austausch von Arbeitsmedium zwischen Druckspeicher und Abwärmenutzungskreis möglich ist. Durch die Möglichkeit, den Druckspeicher zu aktivieren und zu deaktivieren, kann die Abwärmenutzungsvorrichtung im Warmbetrieb entsprechend ihrer Auslegung optimal betrieben werden, ohne dass das zusätzliche, im Druckspeicher bevorratete Arbeitsmedium berücksichtigt werden muss. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Handhabung bzw. Auslegung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. 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.
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 Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer
Abwärmenutzungsvorrichtung,
Fig. 2 bis 4 jeweils eine stark vereinfachte, prinzipielle Schnittansicht eines
Druckspeichers bei verschiedenen Ausführungsformen.
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Abwärmenutzungsvorrichtung 1 , die zusammen mit einer Brennkraftmaschine 2 in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, einen
Abwärmenutzungskreis 3, in dem ein Arbeitsmedium 4 zirkuliert. Der
Abwärmenutzungskreis 3 ist bevorzugt als geschlossener Kreis ausgestaltet. Die
Abwärmenutzungsvorrichtung 1 umfasst außerdem eine Fördereinrichtung 5, einen Verdampfer 6, eine Expansionsmaschine 7 und einen Kondensator 8.
Die Fördereinrichtung 5 ist im Abwärmenutzungskreis 3 angeordnet und dient zum Fördern des Arbeitsmediums 4 gegen einen Hochdruck. Zweckmäßig ist die
Fördereinrichtung 5 als volumentrische Pumpe ausgestaltet und ist hierzu mit einem Antriebsmotor 9 antriebsgekoppelt. Der Verdampfer 6 ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab der Fördereinrichtung 5 angeordnet und dient zum Verdampfen des
Arbeitsmediums 4, wozu der Verdampfer 6 Abwärme der Brennkraftmaschine 2 nutzt. Im Beispiel ist der Verdampfer 6 hierzu wärmeübertragend mit einer Abgasanlage 10 der Brennkraftmaschine 2 gekoppelt. Ein entsprechender Wärmestrom ist durch einen Pfeil 11 angedeutet. Die Brennkraftmaschine 2 weist außerdem eine Frischluftanlage 12 auf.
Die Expansionsmaschine 7, bspw. in Form einer Turbine, ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab des Verdampfers 6 angeordnet und dient zum Expandieren des Arbeitsmediums 4 auf einen Niederdruck. Gleichzeitig kann mit Hilfe der Expansionsmaschine 7 dem Arbeitsmedium Energie entzogen werden und zwar in Form mechanischer Arbeit, bspw. zum Antreiben einer Welle 13. Über die Welle 13 kann die dem Arbeitsmedium 4 entzogene Energie oder Arbeit zum Antreiben eines Generators 14 und/oder einer beliebigen anderen Maschine oder Komponente der Brennkraftmaschine 2 bzw. des damit ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden. Auch kann über die Welle 13 Antriebsleistung an einen nicht gezeigten Antriebsstrang der Brennkraftmaschine 2 übertragen werden, um die Antriebsleistung der Brennkraftmaschine 2 zu unterstützen.
Der Kondensator 8 ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab der Expansionsmaschine 7 angeordnet und dient zum Kondensieren des Arbeitsmediums 4. Hierzu wird dem
Arbeitsmedium 4 gemäß einem Pfeil 15 Wärme entzogen.
Der Abwärmenutzungskreis 3 ist somit als Rankine-Kreisprozess bzw. Rankine-Clausius- Kreisprozess ausgestaltet.
Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsvorrichtung 1 ist außerdem mit einem
Druckspeicher 6 ausgestattet, der hierzu im Abwärmenutzungskreis 3 angeordnet ist und mit dem im Arbeitsmedium 4 ein vorbestimmter und/oder ein einstellbarer
Mindestdruck eingestellt und/oder gewährleistet werden kann. Zweckmäßig ist der Druckspeicher 16 zwischen dem Kondensator 8 und der Fördereinrichtung 5 im
Abwärmenutzungskreis 3 angeordnet bzw. daran angeschlossen. Hierzu kann bspw. eine Verbindungsleitung 17 vorgesehen sein, die den Druckspeicher 16 mit dem
Abwärmenutzungskreis 3 fluidisch koppelt. Eine Anschlussstelle 18, in welcher die Verbindungsleitung 17 an den Abwärmenutzungskreis 4 angeschlossen ist, befindet sich im Beispiel stromab des Kondensators 8 und stromauf der Fördereinrichtung 5.
In der Verbindungsleitung 17 kann eine Ventileinrichtung 19 angeordnet sein, mit deren Hilfe die Verbindungsleitung 17 geöffnet und gesperrt werden kann. Die Ventileinrichtung 19 kann hierzu mit Hilfe einer Steuereinrichtung 20 zum Öffnen und Sperren der Verbindungsleitung 17 betätigt werden. Sofern der Druckspeicher 16 als aktiver
Druckspeicher 16 ausgestaltet ist, der eine Veränderung des Mindestdrucks im
Arbeitsmedium 4 ermöglicht, kann dieser ebenfalls von der Steuereinrichtung 20 betätigt werden. Entsprechende Betätigungsleitungen oder Steuerleitungen zum Betätigen der Ventileinrichtung 19 bzw. zum Betätigen des aktiven Druckspeichers 16 sind dabei mit 21 bezeichnet. Im Beispiel ist die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 außerdem mit wenigstens einem Drucksensor 22 ausgestattet, der über eine entsprechende Signalleitung 23 ebenfalls mit der Steuereinrichtung 20 gekoppelt ist, um der Steuereinrichtung 20 den jeweils gemessenen Druck im Arbeitsmedium 4 zu übermitteln. Im Beispiel sind zwei derartige Drucksensoren 22 eingetragen bzw. zwei mögliche Einbauorte für einen derartigen Drucksensor 22 andeuten. Der eine Drucksensor 22 befindet sich dabei zwischen der Fördereinrichtung 5 und dem Verdampfer 6 im Abwärmenutzungskreis 3. Der andere Drucksensor 22 befindet sich im Abwärmenutzungskreis 3 zwischen Verdampfer 6 und Expansionsmaschine 7. Somit misst der eine Drucksensor 22 den Hochdruck im flüssigen Arbeitsmedium, während der andere Drucksensor 22 den Hochdruck im dampfförmigen Arbeitsmedium misst.
Entsprechend Fig. 2 kann der Druckspeicher 16 als Federspeicher ausgestaltet sein. Bei einem derartigen Federdruckspeicher 16 ist ein Speichervolumen 24 mittels einer durch einen Pfeil angedeuteten Federkraft 25 auf besagten Mindestdruck vorgespannt. Zur Erzeugung der Federkraft 25 ist in einem Gehäuse 26 des Druckspeichers 16 zumindest eine Feder 27 vorgesehen, die sich einerseits an einem Boden 28 des Gehäuses 26 und andererseits an einer Trennwand 29 abstützt. Besagte Trennwand 29 begrenzt das Speichervolumen 24. Die Trennwand 29 kann wie im gezeigten Beispiel als Kolben ausgestaltet sein. Ebenso kann es sich bei der Trennwand 29 um eine verstellbare Membran handeln, so dass der hier gezeigte Federspeicher 16 dann als
Membranfederspeicher 16 arbeitet. Hierbei handelt es sich um einen passiven
Druckspeicher 16 bzw. um einen passiven Federdruckspeicher 16.
Fig. 3 zeigt einen weiteren Federdruckspeicher 16, bei dem jedoch die Federkraft 25 einstellbar ist, so dass es sich hierbei um einen aktiven Federdruckspeicher 16 handelt. Beispielsweise kann dieser aktive Federdruckspeicher 16 einen Aktuator 30 aufweisen, mit dem ein Widerlager 31 entsprechend einem Doppelpfeil 32 verstellbar bzw. relativ zum Gehäuseboden 28 positionierbar ist. Die wenigstens eine Feder 27 stützt sich bei diesem aktiven Federspeicher 16 gehäuseseitig am Widerlager 31 ab. Durch Verändern der Position des Widerlagers 31 relativ zum Gehäuseboden 28 kann die Vorspannung 25 der jeweiligen Feder 27 verändert werden. Da der Druck im Arbeitsmedium 4 bzw. im Speichervolumen 24 von der Federkraft 25 abhängt, kann durch Betätigen des Aktuators 30 der Mindestdruck im Arbeitsmedium 4 variiert werden.
Fig. 4 zeigt einen weiteren aktiven Druckspeicher 16, der jedoch nicht als Federspeicher ausgestaltet ist. Bei dieser Ausführungsform enthält der Druckspeicher 16 wieder einen Aktuator 30, der in diesem Fall jedoch zum Verstellen der Trennwand 29 relativ zum Gehäuseboden 28 dient. Hierdurch kann ebenfalls der Druck des im Speichervolumen 24 bevorrateten Arbeitsmediums 4 verändert werden.
Der Druckspeicher 16 ist dabei so ausgelegt, dass er bei ausgeschalteter
Abwärmenutzungsvorrichtung 1 im Arbeitsmedium 4 einen Mindestdruck einstellt bzw. gewährleistet, der oberhalb eines Ruhedrucks liegt. Dieser Ruhedruck würde sich bei fehlendem Druckspeicher 16 bzw. bei deaktiviertem Druckspeicher 16 beim Abkühlen der aktiven Masse des Arbeitsmediums 4 auf Umgebungstemperatur einstellen. Die aktive Masse des Arbeitsmediums 4 ist dabei diejenige Masse, die bei eingeschalteter
Abwärmenutzungsvorrichtung 1 während eines Warmbetriebs im Abwärmenutzungskreis 3 zirkuliert. Dieser Mindestdruck kann in einem auf Umgebungstemperatur abgekühlten Kaltzustand oder Ruhezustand der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 z. B. mindestens 500mbar, bevorzugt mindestens 600mbar, betragen.
Sofern ein aktiver Druckspeicher 16 verwendet wird, kann die Steuereinrichtung 20 den jeweiligen Druckspeicher 16 so ansteuern, dass sich im Arbeitsmedium 4 ein
Mindestdruck einstellt, der vom aktuellen Betriebszustand der
Abwärmenutzungsvorrichtung 1 bzw. der Brennkraftmaschine 2 abhängt. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 20 Laständerungen und/oder Drehzahländerungen der Brennkraftmaschine 2 hinsichtlich ihrer Auswirkung auf den Druck im
Abwärmenutzungskreis 3 quasi vorausschauend berücksichtigen, um durch die damit einhergehende Änderung des Wärmestroms 1 eine daraus resultierende Änderung im Hochdruck des Abwärmenutzungskreises 3 auffangen bzw. begrenzen zu können.
Insbesondere kann während des Warmbetriebs der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 für transiente Betriebszustände der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 der Hochdruck mit Hilfe des aktiven Druckspeichers 16 geregelt und/oder gesteuert werden, insbesondere um Variationen des Wärmeeintrags 11 kompensieren zu können.
Für derartige Kompensationsvorgänge ist der Druckspeicher 16 über eine entsprechende Betätigung der Ventileinrichtung 19 aktivierbar. Sobald wieder ein stationärer
Betriebszustand innerhalb der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 vorliegt, kann der
Druckspeicher 16 durch eine entsprechende Betätigung der Ventileinrichtung 19 wieder deaktiviert werden, bspw. um störende Wechselwirkungen zwischen den im
Abwärmenutzungskreis 3 zirkulierenden Arbeitsmedium 4 und dem im Druckspeicher 16 bevorrateten Arbeitsmedium 4 zu vermeiden.

Claims

Daimler AG Patentansprüche
1. Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs,
- mit einem Abwärmenutzungskreis (3), in dem ein Arbeitsmedium (4) zirkuliert,
- mit einer im Abwärmenutzungskreis (3) angeordneten Fördereinrichtung (5) zum
Fördern des Arbeitsmediums (4) gegen einen Hochdruck,
- mit einem im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Fördereinrichtung (5)
angeordneten Verdampfer (6) zum Verdampfen des Arbeitsmediums (4) unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine (2),
- mit einer im Abwärmenutzungskreis (3) stromab des Verdampfers (6) angeordneten Expansionsmaschine (7) zum Expandieren des Arbeitsmediums (4) auf einen
Niederdruck,
- mit einem im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Expansionsmaschine (7) angeordneten Kondensator (8) zum Kondensieren des Arbeitsmediums (4), dadurch gekennzeichnet, dass
der Abwärmenutzungskreis (3) mit einem Druckspeicher (16) zum Einstellen und/oder Gewährleisten eines vorbestimmten und/oder einstellbaren Mindestdrucks im
Arbeitsmedium (4) verbunden ist.
2. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckspeicher (16) stromab des Kondensators (8) und stromauf der
Fördereinrichtung (5) im Abwärmenutzungskreis (3) angeordnet oder an den
Abwärmenutzungskreis (3) angeschlossen ist.
3. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (16) als Federspeicher ausgestaltet ist, bei dem ein Speichervolumen (24) mittels einer, insbesondere einstellbaren, Federkraft (25) auf den Mindestdruck vorgespannt ist.
4. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Druckspeicher (16) als aktiver Druckspeicher ausgestaltet ist und einen
Aktuator (30) zum Verändern des Mindestdrucks aufweist,
- wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass eine Steuereinrichtung (20) zum
Betätigen des Aktuators (30) zum Einstellen des Mindestdrucks abhängig vom aktuellen Betriebszustand der Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) und/oder der
Brennkraftmaschine (2) vorgesehen ist.
5. Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) für eine
Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs,
- wobei die Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) umfasst:
- einen Abwärmenutzungskreis (3), in dem ein Arbeitsmedium (4) zirkuliert,
- eine im Abwärmenutzungskreis (3) angeordnete Fördereinrichtung (5) zum Fördern des Arbeitsmediums (4) gegen einen Hochdruck,
- einen im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Fördereinrichtung (5) angeordneten Verdampfer (6) zum Verdampfen des Arbeitsmediums (4) unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine (2),
- eine im Abwärmenutzungskreis (3) stromab des Verdampfers (6) angeordnete
Expansionsmaschine (7) zum Expandieren des Arbeitsmediums (4) auf einen
Niederdruck,
- einen im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Expansionsmaschine (7)
angeordneten Kondensator (8) zum Kondensieren des Arbeitsmediums (4), dadurch gekennzeichnet, dass
bei ausgeschalteter Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) im Arbeitsmedium (4) ein
Mindestdruck eingestellt und/oder gewährleistet wird, der oberhalb eines Ruhedrucks liegt, der sich beim Abkühlen der aktiven Masse des Arbeitsmediums (4), die bei eingeschalteter Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) während eines Warmbetriebs zirkuliert, auf Umgebungstemperatur einstellen würde.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem auf Umgebungstemperatur abgekühlten Kaltzustand der
Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) in dem Arbeitsmedium (4) ein Mindestdruck von wenigstens 500mbar, bevorzugt von wenigstens 600mbar, eingestellt und/oder gewährleistet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Mindestdruck mittels eines im Abwärmenutzungskreis (3) angeordneten oder daran angeschlossenen Druckspeichers (16) eingestellt und/oder gewährleistet wird, der insbesondere stromab des Kondensator (8) und stromauf der Fördereinrichtung (5) im Abwärmenutzungskreis (3) angeordnet oder daran angeschlossen sein kann.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Druckspeicher (16) als Federspeicher ausgestaltet ist, bei dem ein
Speichervolumen (24) mittels einer, insbesondere einstellbaren Federkraft (25) auf den Mindestdruck vorgespannt ist, und/oder
- dass der Druckspeicher (16) als aktiver Druckspeicher ausgestaltet ist und einen
Aktuator (30) zum Verändern des Mindestdrucks aufweist, und/oder
- dass eine Steuereinrichtung (20) zum Betätigen des Aktuators (30) zum Einstellen des Mindestdrucks abhängig vom aktuellen Betriebszustand der
Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) und/oder der Brennkraftmaschine (2) vorgesehen ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
während des Warmbetriebs der Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) für transiente
Betriebszustände der Abwärmenutzungsvorrichtung (1 ) der Hochdruck mit Hilfe des aktiven Druckspeichers (16) geregelt und/oder gesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckspeicher (16), insbesondere mittels einer Ventileinrichtung (19), aktivierbar, also fluidisch mit dem Abwärmenutzungskreis (3) koppelbar und deaktivierbar, also fluidisch vom Abwärmenutzungskreis (3) entkoppelbar ist.
PCT/EP2011/006039 2010-12-16 2011-12-02 Abwärmenutzungsvorrichtung, betriebsverfahren WO2012079709A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013543567A JP5599953B2 (ja) 2010-12-16 2011-12-02 廃熱回収装置、作動方法
EP11791444.0A EP2652304B1 (de) 2010-12-16 2011-12-02 Abwärmenutzungsvorrichtung, betriebsverfahren
CN201180060707.6A CN103261647B (zh) 2010-12-16 2011-12-02 用于机动车的内燃机的废热利用装置及运行方法
US13/918,936 US9021807B2 (en) 2010-12-16 2013-06-15 Waste heat utilization device and operating method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010054733A DE102010054733A1 (de) 2010-12-16 2010-12-16 Abwärmenutzungsvorrichtung, Betriebsverfahren
DE102010054733.6 2010-12-16

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/918,936 Continuation-In-Part US9021807B2 (en) 2010-12-16 2013-06-15 Waste heat utilization device and operating method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012079709A1 true WO2012079709A1 (de) 2012-06-21

Family

ID=45099016

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2011/006039 WO2012079709A1 (de) 2010-12-16 2011-12-02 Abwärmenutzungsvorrichtung, betriebsverfahren

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9021807B2 (de)
EP (1) EP2652304B1 (de)
JP (1) JP5599953B2 (de)
CN (1) CN103261647B (de)
DE (1) DE102010054733A1 (de)
WO (1) WO2012079709A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140116050A1 (en) * 2012-10-30 2014-05-01 Hyundai Motor Company Waste heat retrieval system of vehicle

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010042401A1 (de) * 2010-10-13 2012-04-19 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine
FR2977016B1 (fr) * 2011-06-27 2013-07-26 Dcns Systeme d'energie thermique et procede pour le faire fonctionner
DE102011122436A1 (de) 2011-12-24 2013-06-27 Daimler Ag Druckspeicher und Abwärmenutzungsvorrichtung
DE102012004600A1 (de) * 2012-03-07 2013-09-12 Daimler Ag Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug
CN105102769A (zh) * 2013-03-25 2015-11-25 德纳有限公司 废热回收系统和控制这种系统中所包括的正排量膨胀机的质量流率的方法
DE102014223626A1 (de) * 2013-11-20 2015-05-21 MAHLE Behr GmbH & Co. KG Vorrichtung und Verfahren zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie und ein Nutzkraftfahrzeug
DE102013021578A1 (de) 2013-12-19 2014-07-31 Daimler Ag Abwärmenutzungsanlage
US20170089222A1 (en) * 2014-03-14 2017-03-30 Eaton Corporation Orc system post engine shutdown pressure management
US9890804B2 (en) * 2014-03-24 2018-02-13 Doosan Infracore Co., Ltd. Engine system utilizing hydraulic pressure
DE102014206038A1 (de) * 2014-03-31 2015-10-01 Mtu Friedrichshafen Gmbh System für einen thermodynamischen Kreisprozess, Steuereinrichtung für ein System für einen thermodynamischen Kreisprozess, Verfahren zum Betreiben eines Systems, und Anordnung mit einer Brennkraftmaschine und einem System
FR3020090B1 (fr) * 2014-04-16 2019-04-12 IFP Energies Nouvelles Dispositif de controle d'un circuit ferme fonctionnant selon un cycle de rankine et procede utilisant un tel dispositif
WO2015197090A1 (en) * 2014-06-26 2015-12-30 Volvo Truck Corporation System for a heat energy recovery
US9784141B2 (en) * 2015-01-14 2017-10-10 Ford Global Technologies, Llc Method and system of controlling a thermodynamic system in a vehicle
DE102015209067A1 (de) * 2015-05-18 2016-11-24 Mahle International Gmbh Behältnis für eine Abwärmenutzungseinrichtung
DE102015209091A1 (de) * 2015-05-19 2016-11-24 Robert Bosch Gmbh Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine
DE102016012716A1 (de) 2016-10-25 2018-04-26 Daimler Ag Abwärmenutzungvorrichtung
DE102016012705A1 (de) 2016-10-25 2018-04-26 Daimler Ag Abwärmenutzungsvorrichtung
DE102016222927A1 (de) * 2016-11-21 2018-05-24 Mahle International Gmbh Wärmerückgewinnungseinrichtung
KR101868271B1 (ko) * 2017-03-20 2018-06-15 두산중공업 주식회사 작동 유체 공급 장치
KR101868273B1 (ko) * 2017-03-28 2018-06-15 두산중공업 주식회사 작동 유체 공급 제어 장치
US11136905B2 (en) 2017-09-22 2021-10-05 Tenneco Gmbh Rankine power system with working fluid tank and control system
JP6996208B2 (ja) 2017-10-05 2022-01-17 いすゞ自動車株式会社 ランキンサイクルシステム及びその制御方法
FR3084913B1 (fr) * 2018-08-09 2020-07-31 Faurecia Systemes Dechappement Systeme thermique a circuit rankine
IT201900002385A1 (it) 2019-02-19 2020-08-19 Energy Dome S P A Impianto e processo per l’accumulo di energia

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2818003A1 (de) 1977-08-11 1979-03-01 Roger Bernard Heiz- oder kuehl-geraet
US20050072182A1 (en) * 2003-10-02 2005-04-07 Hiroyoshi Taniguchi Device for controlling liquid level position within condenser in rankine cycle apparatus
JP2006349211A (ja) 2005-06-13 2006-12-28 Nippon Soken Inc 複合サイクル装置およびその制御方法
DE102006043491A1 (de) * 2006-09-12 2008-03-27 Amovis Gmbh Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung
EP1930603A1 (de) * 2006-12-05 2008-06-11 Dendanet, S.L. Ausdehnungsgefäß
DE102009056822B3 (de) * 2009-12-04 2010-12-09 Voith Patent Gmbh Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
WO2011131482A2 (de) * 2010-04-21 2011-10-27 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur abwärmenutzung

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63105369A (ja) * 1986-10-22 1988-05-10 カルソニックカンセイ株式会社 蒸気噴射式冷凍機
JPH01242896A (ja) * 1988-03-23 1989-09-27 Mitsuba Electric Mfg Co Ltd 脈動吸収装置
US6076558A (en) * 1996-05-30 2000-06-20 Lucas Industries Public Limited Company Electronically controllable vehicle braking system for a motor vehicle
JP2000345835A (ja) * 1999-06-07 2000-12-12 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関
AU2001294201B2 (en) * 2000-10-10 2005-02-10 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Rankine cycle device of internal combustion engine
US6651433B1 (en) * 2002-09-13 2003-11-25 Leslie C. George, Jr. Brayton screw engine with brayton bottoming system
US6952924B2 (en) * 2003-10-02 2005-10-11 Honda Motor Co., Ltd. Rankine cycle apparatus
CN2694012Y (zh) * 2003-12-16 2005-04-20 叶寿涂 油量蓄压储存器
JP4848968B2 (ja) * 2007-01-31 2011-12-28 トヨタ自動車株式会社 廃熱回収装置
JP2008231981A (ja) * 2007-03-19 2008-10-02 Sanden Corp 内燃機関の廃熱利用装置
JP5326577B2 (ja) * 2009-01-05 2013-10-30 トヨタ自動車株式会社 エンジンの廃熱利用装置
US8839620B2 (en) * 2009-01-13 2014-09-23 Avl Powertrain Engineering, Inc. Sliding vane rotary expander for waste heat recovery system
JP5332709B2 (ja) * 2009-02-23 2013-11-06 日産自動車株式会社 廃熱回収装置搭載車両
FR2945574B1 (fr) * 2009-05-13 2015-10-30 Inst Francais Du Petrole Dispositif de controle du fluide de travail circulant dans un circuit ferme fonctionnant selon un cycle de rankine et procede pour un tel dispositif

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2818003A1 (de) 1977-08-11 1979-03-01 Roger Bernard Heiz- oder kuehl-geraet
US20050072182A1 (en) * 2003-10-02 2005-04-07 Hiroyoshi Taniguchi Device for controlling liquid level position within condenser in rankine cycle apparatus
JP2006349211A (ja) 2005-06-13 2006-12-28 Nippon Soken Inc 複合サイクル装置およびその制御方法
DE102006043491A1 (de) * 2006-09-12 2008-03-27 Amovis Gmbh Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung
EP1930603A1 (de) * 2006-12-05 2008-06-11 Dendanet, S.L. Ausdehnungsgefäß
DE102009056822B3 (de) * 2009-12-04 2010-12-09 Voith Patent Gmbh Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
WO2011131482A2 (de) * 2010-04-21 2011-10-27 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur abwärmenutzung

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140116050A1 (en) * 2012-10-30 2014-05-01 Hyundai Motor Company Waste heat retrieval system of vehicle
CN103790731A (zh) * 2012-10-30 2014-05-14 现代自动车株式会社 车辆废热回收系统
JP2014088866A (ja) * 2012-10-30 2014-05-15 Hyundai Motor Company Co Ltd 車両の廃熱回収システム
US8925318B2 (en) * 2012-10-30 2015-01-06 Hyundai Motor Company Waste heat retrieval system of vehicle
CN103790731B (zh) * 2012-10-30 2017-03-01 现代自动车株式会社 车辆废热回收系统

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013545930A (ja) 2013-12-26
EP2652304B1 (de) 2019-03-20
CN103261647A (zh) 2013-08-21
DE102010054733A1 (de) 2012-06-21
CN103261647B (zh) 2015-11-25
US9021807B2 (en) 2015-05-05
US20130327041A1 (en) 2013-12-12
EP2652304A1 (de) 2013-10-23
JP5599953B2 (ja) 2014-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2652304B1 (de) Abwärmenutzungsvorrichtung, betriebsverfahren
EP2525052B1 (de) Abwärmenutzungsvorrichtung
EP3004754B1 (de) Wärmepumpe zur verwendung von umweltverträglichen kältemitteln
EP2229524A2 (de) Verfahren zur rückgewinnung einer verlustwärme einer verbrennungskraftmaschine
EP2693001A1 (de) Verfahren zur Regelung eines Wärme-Rückgewinnungs-Systems in einem Kraftfahrzeug
EP2029878B1 (de) Verfahren und eine vorrichtung zur umwandlung thermischer energie in mechanische arbeit
DE102010033124A1 (de) Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
DE102011076405A1 (de) Verfahren zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine
EP2527635A2 (de) Energierückgewinnungssystem
WO2021156298A1 (de) Verfahren zur stabilisierung und/oder steuerung und/oder regelung der arbeitstemperatur, wärmeübertragereinheit, vorrichtung zum transport von energie, kältemaschine sowie wärmepumpe
EP3141710B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum betrieb von volumetrischen expansionsmaschinen
DE102006043491B4 (de) Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung
EP2425101A2 (de) Wärmenutzungsvorrichtung und betriebsverfahren
EP3332098B1 (de) Behältnis für einen abwärmenutzungskreislauf
AT513999B1 (de) Abwärmenutzungssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Speisepumpe
DE102010047520A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine
EP2668374A2 (de) Wärmekraftmaschine
DE102012002768A1 (de) Wärmetauschermodul und Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschermoduls
DE102016221255A1 (de) Abwärmenutzungskreislauf, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
WO2013060447A1 (de) Abwärmenutzungsvorrichtung
DE112019003086T5 (de) Anordnung mit einem Wärmerückgewinnungssystem und Verfahren zum Steuern einer solchen Anordnung
DE112018005818T5 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Volumenkompensation und Drucksteuerung eines Arbeitsmediums in einem WHR-System
EP2951407A2 (de) Verfahren zum betrieb eines niedertemperaturkraftwerkes, sowie niedertemperaturkraftwerk selbst
DE102014018987A1 (de) Membranausdehnungsgefäß
EP2762691B1 (de) ORC-Anlage mit verbesserter Wärmebereitstellung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11791444

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011791444

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013543567

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE