WO2015090508A1 - Abwärmenutzungsanlage - Google Patents

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WO2015090508A1
WO2015090508A1 PCT/EP2014/003156 EP2014003156W WO2015090508A1 WO 2015090508 A1 WO2015090508 A1 WO 2015090508A1 EP 2014003156 W EP2014003156 W EP 2014003156W WO 2015090508 A1 WO2015090508 A1 WO 2015090508A1
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heat recovery
volume
working medium
piston
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PCT/EP2014/003156
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Hartmut Kolb
Hans-Jörg Strud
Hans-Joachim VON WINTERFELD
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Daimler Ag
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Publication date
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat recovery system for a
  • the invention also relates to a method for operating such a waste heat recovery system.
  • a waste heat utilization system which has a waste heat recovery circuit in which circulates a working medium and in the flow direction of the working medium behind a conveyor for driving the liquid working medium, an evaporator for evaporating the working medium, an expansion machine to relax of the gaseous
  • Working medium and a condenser for condensing the working medium contains. Furthermore, an accumulator is provided which contains a compensated volume filled with liquid working medium and which is fluidically connected between the condenser and the conveyor to the waste heat recovery circuit.
  • the compensation volume is active by means of an adjusting device, that is adjustable depending on the current operating state of the waste heat recovery system.
  • the adjusting device is designed as a pressure control device.
  • a waste heat recovery plant In order to improve a waste heat recovery plant in terms of energy yield, it is in a hermetically sealed working medium, such as a organic working medium, required, the pressure in the working medium, for example by means of an active or controllable accumulator, during operation of the
  • waste heat recovery circuit To adapt to waste heat recovery system. For example, undesirable negative pressures within the waste heat recovery circuit can thereby be avoided.
  • the present invention deals with the problem of such
  • Waste heat recovery system to provide an improved or at least another embodiment, which is characterized in particular by an active or controllable pressure accumulator, with the aid of which the pressure in the working medium can be particularly easily varied.
  • the invention is based on the general idea of equipping the accumulator with a cylinder which encloses the compensating volume, wherein an adjusting piston is arranged in the cylinder, which is adjustable in stroke by means of an actuator.
  • the pressure accumulator has a comparatively simple structure.
  • stroke adjustable pistons are relatively easy to control technically, whereby a reliable working active or adjustable pressure accumulator can be provided.
  • the pressure accumulator is either connected fluidically between the condenser and the conveyor to the waste heat recovery circuit or arranged in the condenser and is thus fluidly connected within the condenser to the waste heat recovery circuit.
  • a separating piston is arranged adjustable in the stroke, in the cylinder, the compensating volume of a
  • Gas volume separates, wherein the adjustment piston axially limits the gas volume.
  • the separating piston and the adjusting piston are axially opposite each other, whereby they each axially delimit the gas volume between them.
  • a stroke adjustment of the adjustment piston leads directly to a change in the gas volume.
  • the pressure in the gas volume is changed accordingly, which then leads to a stroke adjustment of the separating piston.
  • the stroke adjustment of the separating piston then leads to a change in the compensation volume or to a change in the pressure in the working fluid.
  • the pressure in the working medium can be changed indirectly by a stroke adjustment of the adjusting piston.
  • the adjustment piston may include at least one throttle point, can pass through the gas from the gas volume in a return volume, which is located on a side facing away from the compensating volume of the adjustment piston.
  • a damping function can be integrated into the adjusting piston in order to be able to dampen pressure surges.
  • Waste heat recovery system is characterized in that the compensation volume is adjusted depending on the current operating state of the waste heat recovery system.
  • the operating method can be designed such that by setting the compensation volume, negative pressures in the waste heat recovery circuit are avoided. Further, preferably, the operating method may be configured to optimize the expansion performance of the expander to maximize energy recovery or waste heat recovery.
  • the waste heat recovery system can be equipped with a control device which is electrically coupled to the setting device and which is designed or programmed so that it can perform the above-mentioned operating method.
  • Waste heat recovery circuit may be designed as a main evaporator, which is heat-transmitting coupled to an exhaust system of the internal combustion engine.
  • this main evaporator can be arranged downstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger and / or downstream of an oxidation catalyst in the exhaust system.
  • an evaporator of the waste heat recovery circuit as
  • Internal combustion engine is coupled to transmit heat. In case of such
  • Additional evaporator can be dispensed within the exhaust gas recirculation system optionally on an exhaust gas recirculation cooler.
  • an exhaust gas recirculation system allows an external exhaust gas recirculation from an exhaust system of the internal combustion engine to a fresh air system of the internal combustion engine.
  • this exhaust gas recirculation is arranged high pressure side, ie downstream of a compressor of the exhaust gas turbocharger and upstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger.
  • Fig. 1 is a greatly simplified schematic diagram of a schematic
  • Fig. 2 is a greatly simplified schematic representation of an active or controllable
  • an internal combustion engine 1 which is preferred for one
  • an engine block 2 each containing a combustion chamber 4 in a plurality of cylinders 3.
  • Shown here is purely exemplary, a series six-cylinder engine.
  • the internal combustion engine 1 comprises a fresh air system 5 for supplying fresh air to the combustion chambers 4 and an exhaust system 6 for discharging exhaust gas from the combustion chambers 4.
  • the internal combustion engine 1 is in the example as charged
  • Exhaust gas turbocharger 7 is equipped.
  • the exhaust gas turbocharger 7 has in the usual way a compressor 8, which is arranged in the fresh air system 5. Furthermore, the
  • Exhaust gas turbocharger 7 equipped with a turbine 9, which is arranged in the exhaust system 6.
  • a charge air cooler 10 is arranged, which in turn is arranged upstream of a fresh air manifold 1 1, which distributes the charge air to the individual combustion chambers 4.
  • the exhaust system 6 includes downstream of the turbine 9, an oxidation catalyst 12 and has upstream of the turbine 9, an exhaust manifold 13, which brings together the exhaust gas from the individual combustion chambers 4 and collects the turbine 9 supplies.
  • Turbine 9 and compressor 8 are suitably drive-connected via a common shaft 14.
  • the internal combustion engine 1 shown here is also equipped with an exhaust gas recirculation system 15, which recirculates exhaust gas from the exhaust system 6 to the fresh air system 5.
  • the exhaust gas recirculation system 15 is arranged on the high pressure side.
  • a removal point 6 of the exhaust gas recirculation system 15 is thus connected upstream of the turbine 9 and in the example of Figure 1 to the exhaust manifold 13.
  • a discharge point 17 of the exhaust gas recirculation system 15 is connected downstream of the compressor 8 and in the example between the charge air cooler 10 and the fresh air manifold 1 1 to the fresh air system 5.
  • the internal combustion engine 1 is also equipped with a waste heat recovery system 18th
  • This includes a waste heat recovery circuit 19, in which a working medium 20, preferably an organic working medium 20, circulates.
  • flow direction 21 of the working medium 20 in the waste heat recovery circuit 19 contains the waste heat recovery system 18 in the waste heat recovery circuit 19 in a row a conveyor 22 for driving the liquid working medium.
  • a distributor valve 23 is arranged in the example of Figure 1, with the aid of which the flow of liquid working medium can be virtually arbitrarily divided between a main branch 24 and an additional branch 25.
  • Main branch 24 as well as the additional branch 25 each contain an evaporator 26.
  • the evaporator 26 of the main branch 24 is designed as a main evaporator 27, while the evaporator 26 of the additional branch 25 is designed as an additional evaporator 28.
  • the main evaporator 27 is designed for greater heat transfer performance than the additional evaporator 28.
  • the main evaporator 27 is heat-transmitting coupled to the exhaust system 6.
  • the main evaporator 27 is downstream of the oxidation catalyst 12 incorporated into the exhaust system 6.
  • the additional evaporator 28, however, is integrated into the exhaust gas recirculation system 15. It is noteworthy that in the example within the exhaust gas recirculation system 15 thus an additional
  • Exhaust gas recirculation cooler can be omitted, since its functionality from
  • a generator in a generator can be converted into electrical energy.
  • a condenser 31 Downstream of the expansion machine 30, a condenser 31 is disposed in the waste heat recovery circuit 19, in which the working medium is condensed before it again to
  • the waste heat recovery system 18 is also with a
  • Expansion machine 30 and the capacitor 31 is integrated into the waste heat recovery circuit 19 and the other part is integrated into the main branch 24.
  • the recuperation heat exchanger 32 can heat transfer the supplied to the main evaporator 27 liquid working fluid with the coming of the expansion machine 30 gaseous working fluid, whereby the main evaporator 27 supplied working fluid is preheated while the pre-cooled by the expansion machine 30 working fluid is pre-cooled.
  • the waste heat recovery system 18 shown here is equipped with a pressure accumulator 33, which contains a compensating volume 34.
  • the compensating volume 34 is filled with liquid working medium 20.
  • the pressure accumulator 33 is in the example of Figure 1 between the capacitor 31 and the conveyor 22 to the
  • Waste heat recovery circuit 19 fluidly connected.
  • the pressure accumulator 33 is structurally integrated into the condenser 31.
  • the accumulator 33 has an adjusting device 35, with the aid of which the compensating volume 34 is adjustable.
  • the pressure accumulator 33 is active or adjustable pressure accumulator 33 configured so that the compensating volume 34 by means of the adjusting device 35 active, ie during operation of the internal combustion engine 1 or during operation of the waste heat recovery system 18 can be changed.
  • the compensation volume 34 can be dependent on the current one
  • the internal combustion engine 1 is also equipped with a cooling circuit 36 in which a main radiator 37 and a coolant pump 38 are arranged. Further, a cooling circuit 36 in which a main radiator 37 and a coolant pump 38 are arranged.
  • Thermostat valve 39 is provided, by means of which a bypass 40 for bypassing the main cooler 37 can be controlled.
  • a fan 41 serves to generate or support a cooling air flow 42, in which the condenser 31, the intercooler 10 and the main radiator 37 are arranged one behind the other, wherein the order of the heat exchanger is shown here purely by way of example and essentially from the different temperature levels of depends on cooling media.
  • the pressure accumulator 33 has a cylinder 43, the
  • Balancing volume 34 encloses.
  • the adjusting device 35 with the help of the
  • Compensation volume 34 can be varied, comprising a setting piston 44 which is arranged in the cylinder 43 adjustable in stroke.
  • the adjusting device 35 further comprises an actuator 45, by means of which the adjusting piston 44 can be adjusted relative to the cylinder 43 axially, ie in its stroke direction.
  • a corresponding stroke adjustment of the adjusting piston 44 is indicated in Figure 2 by a double arrow 46.
  • a separating piston 47 is also arranged adjustable in stroke. The separating piston 47 separates the compensating volume 34 from a gas volume 48 in the cylinder 43
  • Double arrow 46 in the cylinder 43 are strokever remedies, whereby the gas volume 48 can be changed immediately.
  • a change in the gas volume 48 leads to a change in the pressure in the gas volume 48.
  • This pressure change is transmitted via the separating piston 47 to the working medium 20 in the compensating volume 34.
  • there may be a stroke adjustment of the separating piston 47 in the cylinder 43 which is indicated in Figure 2 by a double arrow 49.
  • Stroke 49 of the separating piston 47 is accompanied by a change in the compensation volume 34.
  • the compensation volume 34 can be changed indirectly, namely via the gas volume 48.
  • the adjusting piston 44 is also equipped with an optional throttle restriction 50, can pass through the gas from the gas volume 48 in a back volume 51 and vice versa.
  • the rear volume 51 is located at a side facing away from the compensating volume 34 side of the adjusting piston 44.
  • Working medium 20 may occur, dampen.
  • the waste heat recovery system 18 also with a
  • Control device 52 may be equipped.
  • the control device 52 may have a plurality of outgoing control lines 53, of which at least one with the
  • control device 52 may have a plurality of incoming signal lines 54, which are suitably electrically coupled to other components of the waste heat recovery system 18, for example with a sensor system and the like.
  • the control device 52 can now be designed or programmed so that they
  • Abley Canalsstrom 18 can operate according to a method in which the compensation volume 34 depending on the current operating state of
  • Waste heat recovery system 18 is set.
  • the adjustment of the compensation volume 34 takes place in such a way that negative pressures in the working medium 20 are avoided and / or that a maximum energy yield at the expansion machine 30 can be realized.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage (18) für eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Abwärmenutzungskreis (19), in dem ein Arbeitsmedium (20) zirkuliert und der in der Strömungsrichtung (21) des Arbeitsmediums (20) hintereinander eine Fördereinrichtung (22) zum Antreiben des flüssigen Arbeitsmediums (20), wenigstens einen Verdampfer (26) zum Verdampfen des Arbeitsmediums (20), eine Expansionsmaschine (30) zum Entspannen des gasförmigen Arbeitsmediums (20) und einen Kondensator (31) zum Kondensieren des Arbeitsmediums (20) aufweist, und mit einem Druckspeicher (33), der ein mit flüssigem Arbeitsmedium (20) gefülltes Ausgleichsvolumen (34) enthält und der an den Abwärmenutzungskreis (19) fluidisch angeschlossen ist, wobei das Ausgleichsvolumen (34) mittels einer EinStelleinrichtung (35) aktiv verstellbar ist. Eine erhöhte Zuverlässigkeit ergibt sich, wenn der Druckspeicher (33) einen Zylinder (43) aufweist, der das Ausgleichsvolumen (34) umschließt, wenn die Einsteileinrichtung (35) einen Einstellkolben (44) aufweist, der im Zylinder (43) hubverstellbar angeordnet ist, und wenn die Einsteileinrichtung (35) einen Stellantrieb (45) zum Hubverstellen des Einstellkolbens (44) aufweist.

Description

Abwärmenutzungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Abwärmenutzungsanlage.
Aus der DE 10 2009 050 068 A1 ist eine Abwärmenutzungsanlage bekannt, die einen Abwärmenutzungskreis aufweist, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert und der in der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hintereinander eine Fördereinrichtung zum Antreiben des flüssigen Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine zum Entspannen des gasförmigen
Arbeitsmediums und einen Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums enthält. Des Weiteren ist ein Druckspeicher vorgesehen, der ein mit flüssigem Arbeitsmedium gefülltes Ausgleichsvolumen enthält und der zwischen dem Kondensator und der Fördereinrichtung an den Abwärmenutzungskreis fluidisch angeschlossen ist. Dabei ist das Ausgleichsvolumen mittels einer EinStelleinrichtung aktiv, also abhängig vom aktuellen Betriebszustand der Abwärmenutzungsanlage verstellbar. Bei der bekannten Abwärmenutzungsanlage ist die Einsteileinrichtung als Druckregeleinrichtung konzipiert.
Aus der DE 10 20 0 054 733 A1 ist eine weitere Abwärmenutzungsanlage bekannt, die mit einem aktiven Druckspeicher ausgestattet ist, der mit Hilfe einer Steuereinrichtung betätigt werden kann.
Eine weitere Abwärmenutzungsanlage mit Druckspeicher ist aus der DE 10 2011 122 436 A1 bekannt.
Um eine Abwärmenutzungsanlage hinsichtlich der Energieausbeute zu verbessern, ist es bei einem hermetisch dicht eingeschlossenen Arbeitsmedium, wie zum Beispiel bei einem organischen Arbeitsmedium, erforderlich, den Druck im Arbeitsmedium, beispielsweise mittels eines aktiven oder regelbaren Druckspeichers, während des Betriebs der
Abwärmenutzungsanlage anpassen zu können. Beispielsweise lassen sich dadurch unerwünschte Unterdrücke innerhalb des Abwärmenutzungskreises vermeiden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine derartige
Abwärmenutzungsanlage eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen aktiven bzw. regelbaren Druckspeicher auszeichnet, mit dessen Hilfe der Druck im Arbeitsmedium besonders einfach variiert werden kann.
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, den Druckspeicher mit einem Zylinder auszustatten, der das Ausgleichsvolumen umschließt, wobei im Zylinder ein Einstellkolben angeordnet ist, der mit Hilfe eines Stellantriebs hubverstellbar ist. Durch diese Maßnahme besitzt der Druckspeicher einen vergleichsweise einfachen Aufbau. Des Weiteren sind hubverstellbare Kolben vergleichsweise einfach technisch beherrschbar, wodurch ein zuverlässig arbeitender aktiver bzw. regelbarer Druckspeicher bereitgestellt werden kann.
Bei einer derartigen Abwärmenutzungsanlage kann ferner vorgesehen sein, dass der Druckspeicher entweder zwischen dem Kondensator und der Fördereinrichtung an den Abwärmenutzungskreis fluidisch angeschlossen ist oder aber im Kondensator angeordnet ist und somit innerhalb des Kondensators an den Abwärmenutzungskreis fluidisch angeschlossen ist. Letzteres führt zu einer extrem kompakten Anordnung.
Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher im Zylinder ein Trennkolben hubverstellbar angeordnet ist, der im Zylinder das Ausgleichsvolumen von einem
Gasvolumen trennt, wobei der Einstellkolben das Gasvolumen axial begrenzt. Im Zylinder liegen sich somit der Trennkolben und der Einstellkolben axial gegenüber, wobei sie zwischen sich das Gasvolumen jeweils axial begrenzen. Bei dieser Bauform führt eine Hubverstellung des Einstellkolbens direkt zu einer Veränderung des Gasvolumens.
Hierdurch wird der Druck im Gasvolumen entsprechend verändert, was dann zu einer Hubverstellung des Trennkolbens führt. Die Hubverstellung des Trennkolbens führt dann zu einer Veränderung des Ausgleichsvolumens bzw. zu einer Veränderung des Drucks im Arbeitsmedium. Somit kann durch eine Hubverstellung des Einstellkolbens indirekt der Druck im Arbeitsmedium verändert werden. Durch diese Bauweise ist es möglich, die Gefahr von Leckagen in die Umgebung signifikant zu reduzieren, da nur das Gasvolumen gegenüber der Umgebung abgedichtet werden muss.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Einstellkolben zumindest eine Drosselstelle enthalten, durch die Gas aus dem Gasvolumen in ein Rückvolumen übertreten kann, das sich an einer vom Ausgleichsvolumen abgewandten Seite des Einstellkolbens befindet. Hierdurch lässt sich eine Dämpfungsfunktion in den Einstellkolben integrieren, um Druckstöße abdämpfen zu können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer derartigen
Abwärmenutzungsanlage charakterisiert sich dadurch, dass das Ausgleichsvolumen abhängig vom aktuellen Betriebszustand der Abwärmenutzungsanlage eingestellt wird. Insbesondere kann das Betriebsverfahren dahingehend ausgelegt sein, dass durch das Einstellen des Ausgleichsvolumens Unterdrücke im Abwärmenutzungskreis vermieden werden. Des Weiteren kann vorzugsweise das Betriebsverfahren dahingehend ausgelegt sein, dass die Expansionsleistung der Expansionsmaschine optimiert wird, um die Energieausbeute bzw. die Abwärmerückgewinnung zu maximieren.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Abwärmenutzungsanlage kann diese mit einer Steuereinrichtung ausgestattet sein, die mit der Einsteileinrichtung elektrisch gekoppelt ist und die so ausgestaltet bzw. programmiert ist, dass sie das vorstehend genannte Betriebsverfahren ausführen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Verdampfer des
Abwärmenutzungskreises als Hauptverdampfer konzipiert sein, der wärmeübertragend mit einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Beispielsweise kann dieser Hauptverdampfer stromab einer Turbine eines Abgasturboladers und/oder stromab eines Oxidationskatalysators in der Abgasanlage angeordnet sein.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Verdampfer des Abwärmenutzungskreises als
Zusatzverdampfer konzipiert sein, der mit einer Abgasrückführanlage der
Brennkraftmaschine wärmeübertragend gekoppelt ist. Im Falle eines derartigen
Zusatzverdampfers kann innerhalb der Abgasrückführanlage gegebenenfalls auf einen Abgasrückführkühler verzichtet werden. Eine derartige Abgasrückführanlage ermöglicht eine externe Abgasrückführung von einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine zu einer Frischluftanlage der Brennkraftmaschine. Zweckmäßig ist diese Abgasrückführung dabei hochdruckseitig angeordnet, also stromab eines Verdichters des Abgasturboladers sowie stromauf der Turbine des Abgasturboladers.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Abwärmenutzungsanlage, bei der ein Rekuperationswärmeübertrager vorgesehen ist, der zum Vorwärmen des flüssigen Hochdruck-Arbeitsmediums, also stromauf des Verdampfers bzw. zum Vorkühlen des gasförmigen Niederdruck-Arbeitsmediums, also stromauf des Kondensators dient. Mit Hilfe eines derartigen Rekuperationswärmeübertragers kann der energetische
Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsanlage verbessert werden.
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 Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer
Brennkraftmaschine, die mit einer Abwärmenutzungsanlage ausgestattet ist,
Fig. 2 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines aktiven bzw. regelbaren
Druckspeichers.
Entsprechend Figur 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 1 , die bevorzugt für eine
Verwendung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, vorgesehen ist, einen Motorblock 2, der in mehreren Zylindern 3 je einen Brennraum 4 enthält. Dargestellt ist hier rein exemplarisch ein Reihen-Sechs-Zylinder-Motor. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst eine Frischluftanlage 5 zum Zuführen von Frischluft zu den Brennräumen 4 sowie eine Abgasanlage 6 zum Abführen von Abgas von den Brennräumen 4. Die Brennkraftmaschine 1 ist im Beispiel als aufgeladene
Brennkraftmaschine 1 konzipiert, so dass sie dementsprechend mit einem
Abgasturbolader 7 ausgestattet ist. Der Abgasturbolader 7 weist in üblicher Weise einen Verdichter 8 auf, der in der Frischluftanlage 5 angeordnet ist. Ferner ist der
Abgasturbolader 7 mit einer Turbine 9 ausgestattet, die in der Abgasanlage 6 angeordnet ist. In der Frischluftanlage 5 ist stromab des Verdichters 8, also hochdruckseitig, ein Ladeluftkühler 10 angeordnet, der seinerseits stromauf eines Frischluftverteilers 1 1 angeordnet ist, der die Ladeluft auf die einzelnen Brennräume 4 verteilt. Die Abgasanlage 6 enthält stromab der Turbine 9 einen Oxidationskatalysator 12 und besitzt stromauf der Turbine 9 einen Abgassammler 13, der das Abgas von den einzelnen Brennräumen 4 zusammenführt und gesammelt der Turbine 9 zuführt. Turbine 9 und Verdichter 8 sind zweckmäßig über eine gemeinsame Welle 14 antriebsverbunden.
Die hier gezeigte Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit einer Abgasrückführanlage 15 ausgestattet, die Abgas von der Abgasanlage 6 zur Frischluftanlage 5 zurückführt. Dabei ist die Abgasrückführanlage 15 hochdruckseitig angeordnet. Eine Entnahmestelle 6 der Abgasrückführanlage 15 ist somit stromauf der Turbine 9 und im Beispiel der Figur 1 an den Abgassammler 13 angeschlossen. Eine Einleitstelle 17 der Abgasrückführanlage 15 ist dabei stromab des Verdichters 8 und im Beispiel zwischen dem Ladeluftkühler 10 und dem Frischluftverteiler 1 1 an die Frischluftanlage 5 angeschlossen.
Die Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit einer Abwärmenutzungsanlage 18
ausgestattet. Diese umfasst einen Abwärmenutzungskreis 19, in dem ein Arbeitsmedium 20, vorzugsweise ein organisches Arbeitsmedium 20, zirkuliert. In einer durch Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung 21 des Arbeitsmediums 20 im Abwärmenutzungskreis 19 enthält die Abwärmenutzungsanlage 18 im Abwärmenutzungskreis 19 hintereinander eine Fördereinrichtung 22 zum Antreiben des flüssigen Arbeitsmediums. Stromab der Fördereinrichtung 22 ist im Beispiel der Figur 1 ein Verteilerventil 23 angeordnet, mit dessen Hilfe der Strom des flüssigen Arbeitsmediums quasi beliebig zwischen einem Hauptzweig 24 und einem Zusatzzweig 25 aufgeteilt werden kann. Sowohl der
Hauptzweig 24 als auch der Zusatzzweig 25 enthalten jeweils einen Verdampfer 26. Dabei ist der Verdampfer 26 des Hauptzweiges 24 als Hauptverdampfer 27 konzipiert, während der Verdampfer 26 des Zusatzzweigs 25 als Zusatzverdampfer 28 konzipiert ist. Der Hauptverdampfer 27 ist für eine größere Wärmeübertragungsleistung ausgelegt als der Zusatzverdampfer 28. Der Hauptverdampfer 27 ist wärmeübertragend mit der Abgasanlage 6 gekoppelt. Im Beispiel der Figur 1 ist der Hauptverdampfer 27 stromab des Oxidationskatalysators 12 in die Abgasanlage 6 eingebunden. Der Zusatzverdampfer 28 ist dagegen in die Abgasrückführanlage 15 eingebunden. Bemerkenswert ist, dass im Beispiel innerhalb der Abgasrückführanlage 15 somit auf einen zusätzlichen
Abgasrückführkühler verzichtet werden kann, da dessen Funktionalität vom
Zusatzverdampfer 28 übernommen wird.
Stromab der Verdampfer 26 werden Hauptzweig 24 und Zusatzzweig 25 bei einer Vereinigungsstelle 29 zusammengeführt. Auf diese folgt in der Strömungsrichtung 21 eine Expansionsmaschine 30, in der das nunmehr gasförmige und zweckmäßig überhitzte Arbeitsmedium entspannt werden kann. Die Expansionsmaschine 30 wandelt dabei Energie des Arbeitsmediums, insbesondere Enthalpie, in mechanische Arbeit um, die dann weiter in Form mechanischer Arbeit genutzt werden kann oder die
beispielsweise in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Stromab der Expansionsmaschine 30 ist im Abwärmenutzungskreis 19 ein Kondensator 31 angeordnet, in dem das Arbeitsmedium kondensiert wird, bevor es wieder zur
Fördereinrichtung 22 gelangt.
Im Beispiel der Figur 1 ist die Abwärmenutzungsanlage 18 außerdem mit einem
Rekuperationswärmeübertrager 32 ausgestattet, der einerseits zwischen der
Expansionsmaschine 30 und dem Kondensator 31 in den Abwärmenutzungskreis 19 eingebunden ist und der andererseits in den Hauptzweig 24 eingebunden ist. Auf diese Weise kann der Rekuperationswärmeübertrager 32 das dem Hauptverdampfer 27 zuzuführende flüssige Arbeitsmedium mit dem von der Expansionsmaschine 30 kommenden gasförmigen Arbeitsmedium wärmeübertragend koppeln, wodurch das dem Hauptverdampfer 27 zugeführte Arbeitsmedium vorgewärmt wird, während gleichzeitig das von der Expansionsmaschine 30 kommende Arbeitsmedium vorgekühlt wird.
Schließlich ist die hier gezeigte Abwärmenutzungsanlage 18 mit einem Druckspeicher 33 ausgestattet, der ein Ausgleichsvolumen 34 enthält. Das Ausgleichsvolumen 34 ist mit flüssigem Arbeitsmedium 20 gefüllt. Der Druckspeicher 33 ist im Beispiel der Figur 1 zwischen dem Kondensator 31 und der Fördereinrichtung 22 an den
Abwärmenutzungskreis 19 fluidisch angeschlossen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Ausführungsform denkbar, bei welcher der Druckspeicher 33 in den Kondensator 31 baulich integriert ist. Der Druckspeicher 33 besitzt eine EinStelleinrichtung 35, mit deren Hilfe das Ausgleichsvolumen 34 verstellbar ist. Der Druckspeicher 33 ist als aktiver bzw. regelbarer Druckspeicher 33 ausgestaltet, so dass das Ausgleichsvolumen 34 mit Hilfe der EinStelleinrichtung 35 aktiv, also während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 bzw. während des Betriebs der Abwärmenutzungsanlage 18 verändert werden kann. Insbesondere lässt sich das Ausgleichsvolumen 34 abhängig vom aktuellen
Betriebszustand der Abwärmenutzungsanlage 18 verändern.
Im Hinblick auf die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform ist noch zu erwähnen, dass die Brennkraftmaschine 1 außerdem mit einem Kühlkreis 36 ausgestattet ist, in dem ein Hauptkühler 37 und eine Kühlmittelpumpe 38 angeordnet sind. Ferner ist ein
Thermostatventil 39 vorgesehen, mit dessen Hilfe ein Bypass 40 zur Umgehung des Hauptkühlers 37 gesteuert werden kann. Ein Gebläse 41 dient zur Erzeugung bzw. zur Unterstützung eines Kühlluftstroms 42, in dem der Kondensator 31 , der Ladeluftkühler 10 und der Hauptkühler 37 hintereinander angeordnet sind, wobei die Reihenfolge der Wärmeübertrager hier rein exemplarisch wiedergegeben ist und im Wesentlichen von den unterschiedlichen Temperaturniveaus der zu kühlenden Medien abhängt.
Entsprechend Figur 2 besitzt der Druckspeicher 33 einen Zylinder 43, der das
Ausgleichsvolumen 34 umschließt. Die EinStelleinrichtung 35, mit deren Hilfe das
Ausgleichsvolumen 34 variiert werden kann, umfasst einen Einstellkolben 44, der im Zylinder 43 hubverstellbar angeordnet ist. Die EinStelleinrichtung 35 umfasst ferner einen Stellantrieb 45, mit dessen Hilfe der Einstellkolben 44 relativ zum Zylinder 43 axial, also in seiner Hubrichtung verstellt werden kann. Eine entsprechende Hubverstellung des Einstellkolbens 44 ist in Figur 2 durch einen Doppelpfeil 46 angedeutet. Im Zylinder 43 ist außerdem ein Trennkolben 47 hubverstellbar angeordnet. Der Trennkolben 47 trennt im Zylinder 43 das Ausgleichsvolumen 34 von einem Gasvolumen 48. Dabei ist der
Trennkolben 47 im Zylinder 43 dem Einstellkolben 44 axial gegenüberliegend angeordnet. Somit begrenzen der Trennkolben 47 und der Einstellkolben 44 das Gasvolumen 48 jeweils axial. Mit Hilfe des Stellantriebs 45 kann der Einstellkolben 44 gemäß dem
Doppelpfeil 46 im Zylinder 43 hubverstellt werden, wodurch das Gasvolumen 48 unmittelbar verändert werden kann. Eine Veränderung des Gasvolumens 48 führt zu einer Veränderung des Drucks im Gasvolumen 48. Diese Druckveränderung wird über den Trennkolben 47 auf das Arbeitsmedium 20 im Ausgleichsvolumen 34 übertragen. In der Folge kann es zu einer Hubverstellung des Trennkolbens 47 im Zylinder 43 kommen, was in Figur 2 durch einen Doppelpfeil 49 angedeutet ist. Mit einer derartigen
Hubverstellung 49 des Trennkolbens 47 geht eine Veränderung des Ausgleichsvolumens 34 einher. Somit kann mit Hilfe des Stellantriebs 45 das Ausgleichsvolumen 34 indirekt, nämlich über das Gasvolumen 48 verändert werden. Im Beispiel der Figur 2 ist der Einstellkolben 44 außerdem mit einer optional vorgesehenen Drosselstelle 50 ausgestattet, durch die Gas aus dem Gasvolumen 48 in ein Rückvolumen 51 übertreten kann und umgekehrt. Das Rückvolumen 51 befindet sich dabei an einer vom Ausgleichsvolumen 34 abgewandten Seite des Einstellkolbens 44. Bei entsprechender Auslegung der Drosselstelle 50 lassen sich Druckstöße, die im
Arbeitsmedium 20 auftreten können, dämpfen.
Gemäß Figur 2 kann die Abwärmenutzungsanlage 18 außerdem mit einer
Steuereinrichtung 52 ausgestattet sein. Die Steuereinrichtung 52 kann über mehrere ausgehende Steuerleitungen 53 verfügen, von denen zumindest eine mit der
Einsteileinrichtung 35 bzw. mit dem Stellantrieb 45 elektrisch verbunden ist. Ferner kann die Steuereinrichtung 52 über mehrere eingehende Signalleitungen 54 verfügen, die auf geeignete Weise mit anderen Komponenten der Abwärmenutzungsanlage 18 elektrisch gekoppelt sind, beispielsweise mit einer Sensorik und dergleichen. Die Steuereinrichtung 52 kann nun so ausgestaltet bzw. programmiert sein, dass sie die
Abwärmenutzungsanlage 18 gemäß einem Verfahren betreiben kann, bei dem das Ausgleichsvolumen 34 abhängig vom aktuellen Betriebszustand der
Abwärmenutzungsanlage 18 eingestellt wird. Beispielsweise erfolgt die Einstellung des Ausgleichsvolumens 34 derart, dass Unterdrücke im Arbeitsmedium 20 vermieden werden und/oder dass eine maximale Energieausbeute an der Expansionsmaschine 30 realisierbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Abwärmenutzungsanlage für eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
- mit einem Abwärmenutzungskreis (19), in dem ein Arbeitsmedium (20) zirkuliert und der in der Strömungsrichtung (21) des Arbeitsmediums (20) hintereinander eine Fördereinrichtung (22) zum Antreiben des flüssigen Arbeitsmediums (20), wenigstens einen Verdampfer (26) zum Verdampfen des Arbeitsmediums (20), eine Expansionsmaschine (30) zum Entspannen des gasförmigen Arbeitsmediums (20) und einen Kondensator (31) zum Kondensieren des Arbeitsmediums (20) aufweist,
- mit einem Druckspeicher (33), der ein mit flüssigem Arbeitsmedium (20) gefülltes Ausgleichsvolumen (34) enthält und der an den Abwärmenutzungskreis (19) fluidisch angeschlossen ist,
- wobei das Ausgleichsvolumen (34) mittels einer Einsteileinrichtung (35) aktiv verstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Druckspeicher (33) einen Zylinder (43) aufweist, der das
Ausgleichsvolumen (34) umschließt,
- dass die Einsteileinrichtung (35) einen Einstellkolben (44) aufweist, der im Zylinder (43) hubverstellbar angeordnet ist,
- dass die EinStelleinrichtung (35) einen Stellantrieb (45) zum Hubverstellen des Einstellkolbens (44) aufweist.
2. Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Zylinder (43) ein Trennkolben (47) hubverstellbar angeordnet ist, der im Zylinder (43) das Ausgleichsvolumen (34) von einem Gasvolumen (48) trennt, wobei der Einstellkolben (44) das Gasvolumen (48) axial begrenzt.
3. Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einstellkolben (44) wenigstens eine Drosselstelle (50) enthält, durch die Gas aus dem Gasvolumen (48) in ein Rückvolumen (51) übertreten kann, das sich an einer vom Ausgleichsvolumen (34) abgewandten Seite des Einstellkolbens (44) befindet.
4. Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsanlage (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Ausgleichsvolumen (34) abhängig vom aktuellen Betriebszustand der Abwärmenutzungsanlage (18) eingestellt wird.
5. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch
eine Steuereinrichtung (52), die mit der Einsteileinrichtung (35) elektrisch gekoppelt ist und die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie das Verfahren nach Anspruch 4 ausführen kann.
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