WO2017021033A1 - Abwärmenutzungsanordnung einer brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb der abwärmenutzungsanordnung - Google Patents

Abwärmenutzungsanordnung einer brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb der abwärmenutzungsanordnung Download PDF

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WO2017021033A1
WO2017021033A1 PCT/EP2016/062997 EP2016062997W WO2017021033A1 WO 2017021033 A1 WO2017021033 A1 WO 2017021033A1 EP 2016062997 W EP2016062997 W EP 2016062997W WO 2017021033 A1 WO2017021033 A1 WO 2017021033A1
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evaporator
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secondary line
working medium
working
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PCT/EP2016/062997
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Eberhard Maier
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a waste heat utilization arrangement of a
  • Waste heat utilization arrangements of internal combustion engines are known from the prior art, as for example from the published patent application DE 10 2010 063 701 AI.
  • Internal combustion engine comprises a leading a working medium
  • Working medium a feed pump, an evaporator, an expansion machine and a capacitor are arranged.
  • the evaporator is also in one
  • the known waste heat utilization arrangement has a control device for the regulation of
  • a pressure sensor and a temperature sensor are arranged between the heat exchanger and expander.
  • the known waste heat recovery arrangement thereby has a good
  • the exhaust heat utilization arrangement of an internal combustion engine according to the invention has the advantage that an exact control or regulation in the wet steam region of the working medium is possible. As a result, the control or regulation is very fast and robust. A possible overheating of the components of the working cycle, especially of the evaporator and the
  • the waste heat utilization arrangement comprises a working medium leading working circuit, wherein in the working circuit in the flow direction of the working medium, a feed pump, an evaporator, an expansion machine and a capacitor are arranged.
  • the evaporator is also in one
  • a secondary line is connected in parallel between the evaporator and the condenser.
  • a partial flow evaporator is arranged in the secondary line, wherein in the secondary line, a pressure sensor and / or a temperature sensor are further arranged, wherein the pressure sensor and / or the temperature sensor is arranged downstream of the partial flow evaporator.
  • Partial evaporator heat energy to be supplied.
  • the state changes of the working medium can then by means of the pressure sensor or the
  • Temperature sensor to be monitored.
  • the temperature sensor to be monitored.
  • the partial flow evaporator is in the wet steam state
  • the partial flow evaporator can be controlled by a control unit.
  • Control unit can be performed if necessary, preferably when the working fluid is in the wet steam.
  • the wet steam state can be detected by the pressure sensor or the temperature sensor, for example, based on the respective working medium specific pressure or
  • the controller can control the partial flow evaporator so that this a certain amount of heat in through
  • the partial flow evaporator can be operated with electrical energy.
  • the amount of heat can be fed very quickly into the secondary line.
  • a very accurate determination or dosage of the amount of heat is possible.
  • a throttle is arranged in the secondary line upstream of the partial flow evaporator.
  • the secondary line between the evaporator and the expansion machine is arranged.
  • the secondary line is designed as a bypass line to the expansion machine.
  • Secondary line namely the bypass line can be used. This is a particularly cost-effective and space-saving design.
  • a bypass valve divides the mass flow of the working medium into the expansion machine and into the secondary line or into the bypass line.
  • the bypass valve can so on the one hand
  • the bypass valve is actuated by a control unit, which also processes the sensor data of the temperature sensor and / or the pressure sensor.
  • the working circuit has a parallel connection with a first parallel line and a second parallel line.
  • Evaporator is arranged in the first parallel line, and another Evaporator is arranged in the second parallel line.
  • additional heat energy can be fed into the working cycle via the further evaporator.
  • the further evaporator is arranged simultaneously in an exhaust gas recirculation channel, so that the heat of the
  • Internal combustion engine recirculated exhaust gas is used as an energy source.
  • the secondary line is arranged as a parallel connection in the first parallel line.
  • Another secondary line with a further partial flow evaporator is arranged as a parallel connection in the second parallel line.
  • Partial evaporator disposed another temperature sensor and / or another pressure sensor.
  • the waste heat utilization arrangement comprises a working medium leading a working medium, wherein in the working circuit in the flow direction of the working medium, a feed pump, an evaporator, an expansion machine and a capacitor are arranged.
  • the evaporator is also arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine.
  • Working cycle is connected in parallel between the evaporator and the expansion machine a secondary line.
  • the secondary line are one
  • Partial flow evaporator Partial flow evaporator, a pressure sensor and / or a temperature sensor arranged, wherein the pressure sensor and / or the temperature sensor
  • the partial flow evaporator is arranged downstream of the partial flow evaporator.
  • Waste heat recovery device further comprises a control unit.
  • the pressure sensor and / or the temperature sensor transmits data to the control unit.
  • other pressure or temperature sensor transmits data to the control unit.
  • Temperature sensors transmit data to the control unit. Determination of a wet steam condition of the working fluid by the control unit based on the temperature and / or pressure of the
  • control unit, the wet steam state also based on other arranged in the working circuit pressure and / or
  • the wet steam condition is determined for the specific working fluid on the basis of temperature and / or pressure, for example when the
  • Working medium is at evaporation temperature.
  • the secondary line there is flowing through the working medium then through the
  • Partial evaporator overheated. The method not only determines the
  • Temperature and / or the pressure of the working medium in the liquid or in the vapor state it may also be the enthalpy of the wet-vapor
  • the working cycle has a
  • Secondary line is arranged as a parallel connection in the first parallel line.
  • Another secondary line with a further partial flow evaporator is arranged as a parallel connection in the second parallel line.
  • the method is characterized in that the control unit controls a heat input of the further partial flow evaporator into the further secondary line until the working medium flowing through the further secondary line reaches a superheated steam state.
  • both the amount of partial heat required to achieve the superheated steam state is determined by the first secondary line and also the partial heat quantity by the additional secondary line.
  • the further evaporator is arranged in an exhaust gas recirculation channel of the internal combustion engine.
  • the working medium mass flows can be controlled by the two evaporators due to the determined partial heat quantities, with the aim that in the
  • Working medium a feed pump, an evaporator, an expansion machine and a capacitor are arranged.
  • the evaporator is also in one
  • a secondary line is connected in parallel as a bypass line.
  • a partial flow evaporator In the secondary line, a pressure sensor and / or a temperature sensor are arranged, wherein the pressure sensor and / or the temperature sensor
  • the partial flow evaporator is arranged downstream of the partial flow evaporator.
  • Waste heat recovery device further comprises a control unit.
  • the secondary line can also be arranged as a parallel circuit within the bypass line.
  • the pressure sensor and / or the temperature sensor transmits data to the control unit for this purpose; however, alternative pressure or temperature data may also be used.
  • the wet steam state is determined for the specific working medium advantageously based on the temperature and / or pressure, for example, when the working fluid on
  • Evaporation temperature is located. In the secondary line that will be there
  • the method not only determines the temperature and / or the pressure of the working medium in the liquid or in the vapor state, it can also determine the enthalpy of the wet-vapor working medium.
  • the working medium located in the wet steam state is anyway connected to the
  • Expander must be passed to avoid damage.
  • a bypass valve divides the mass flow of the working medium in the expansion machine and in the secondary line.
  • the control unit controls the bypass valve so that no working medium in the wet steam state flows through the expansion machine. This avoids damage, in particular by cavitation, in the expansion machine.
  • control unit determines a total amount of heat required to achieve the superheated steam state of the working medium in the working cycle. This is preferably achieved by a throttle ratio or by the flow cross section of
  • Secondary line are determined in relation to the total mass flow, and in the sequence in relation to the total amount of heat in relation standing total heat quantity.
  • the partial flow evaporator must supply the working medium only comparatively little heat energy when the throttle ratio is low. Thereby, the determination of the wet steam state or the determination of the amount of energy to convert the total mass flow in the superheated steam state, designed very energy efficient.
  • the control unit controls the feed pump so that the working medium mass flow through the working cycle
  • the waste heat utilization arrangement has a plurality of evaporators, the working medium mass flow, for example, can also be distributed to the respective evaporators via a distribution valve in accordance with the amount of heat available at the individual evaporators. This increases the efficiency of the waste heat recovery device.
  • Amount of heat are controlled by, for example, an exhaust gas bypass valve according to the control unit, so that the working fluid is transferred through the evaporator, optionally also by the other evaporator in the superheated steam condition.
  • Fig.l shows schematically a waste heat utilization arrangement according to the invention of an internal combustion engine, wherein only the essential areas are shown.
  • Waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine wherein only the essential areas are shown.
  • Waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine wherein only the essential areas are shown.
  • Waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine wherein only the essential areas are shown.
  • 5 shows an exemplary entropy-temperature diagram of a
  • Fig.l shows schematically a waste heat utilization arrangement 1 according to the invention of an internal combustion engine 50 with a leading a working medium
  • the internal combustion engine 50 is further arranged in a cooling circuit 20.
  • the internal combustion engine 50 is the inlet side fresh air 51, which also serves as the internal combustion engine 50.
  • recirculated exhaust gas of the internal combustion engine 50 may contain supplied.
  • the internal combustion engine 50 On the exhaust side, the internal combustion engine 50 has an exhaust tract 53 through which exhaust gas 52 is expelled from the internal combustion engine.
  • the working cycle 2 comprises in the flow direction of the working medium a collecting container 7, a feed pump 6, an evaporator 10, a
  • Expansion machine 3 and a condenser 4 The evaporator 10 is simultaneously arranged in the exhaust tract 53, so that the heat energy of the
  • Exhaust gas from the exhaust system 53 can be transferred to the working circuit 2.
  • the collecting container 7 may be arranged in alternative embodiments in a supply line or stub, not shown.
  • the cooling circuit 20 comprises in the flow direction of the cooling medium
  • the condenser 4 is both in
  • Expansion machine 3 parallel to the working cycle 2, a secondary line 2b arranged.
  • a throttle 11 and a partial flow evaporator 12 are arranged in the flow direction of the working medium. Downstream of the Partial flow evaporator 12 are still in the secondary line 2b
  • Temperature sensor 13 and a pressure sensor 14 is arranged, wherein the
  • the throttle 11 throttles the working medium mass flow so that only a small proportion flows through the secondary line 2b.
  • a controller 5 receives from the temperature sensor 13 and the
  • Pressure sensor 14 detected data or signals and processes them further.
  • the control unit 5 also controls and measures that of the sub-line 2b through the
  • Partial flow evaporator 12 supplied energy.
  • waste heat utilization arrangement 1 it is possible to determine by precisely controlled - preferably electrical - energy supply via the partial flow evaporator 12, at which enthalpy position of the working medium is located. This can be done especially in the
  • Wet steam area of the vapor content of the working medium can be determined, although the temperature and pressure of the working medium are constant. This is the basis for a fast and robust control of the waste heat recovery assembly 1. According to the invention is not the entire mass flow of the working medium heat energy through the present arrangement
  • Partial evaporator 12 supplied, which would mean a very large amount of energy, but only a small partial flow through the
  • FIG. 2 shows the waste heat utilization arrangement 1 according to the invention in a further exemplary embodiment.
  • the secondary line 2b is arranged parallel to the expansion machine 3, ie as a bypass line to the expansion machine 3.
  • a bypass valve 31 controls the mass flow of the working medium to the expansion machine 3 and the secondary line 2b or divides the working medium mass flow to the expansion machine 3 and into the bypass line on.
  • the bypass valve 31 is preferably as
  • the secondary line 2b comprises the throttle 11, the partial flow evaporator 12, the
  • the control unit 5 controls the bypass valve 31 and leads the
  • Partial evaporator 12 so the required for controlling the waste heat recovery assembly 1 partial flow of the working medium, and this can also be done only at selected times.
  • the expansion machine 3 the bypass valve 31, the throttle 11, the partial flow evaporator 12, the pressure sensor
  • the embodiment of Figure 2 is particularly advantageous because the secondary line 2b is required anyway as a bypass line to the expansion machine 3, because the
  • Expander 3 must be passed to avoid damage to the expansion machine 3.
  • the secondary line 2b also within the
  • Bypass line can be arranged as a parallel connection.
  • Waste heat recovery arrangement 1 the working circuit 2, a parallel circuit of two evaporators: the evaporator 10 and another evaporator 40.
  • the evaporator 10 is in a first
  • a distribution valve 45 divides the supplied from the feed pump 6 working medium mass flow to the two parallel lines 41, 42, wherein the distribution valve 45 is controlled by the control unit 5.
  • the internal combustion engine 50 of the embodiment of FIG. 3 has a return duct 54.
  • the internal combustion engine 50 is supplied with fresh air 51 on the inlet side and optionally also recirculated exhaust gas from the return duct 54.
  • exhaust gas from the engine 50 is exhausted into the exhaust tract 53.
  • the exhaust gas tract 54 branches into the return duct 54 and into an end duct 55. Via the end duct 55, the exhaust gas, optionally also with the interposition of aftertreatment systems (not shown), reaches the
  • the evaporator 10 is arranged in the end channel 55, the further evaporator 40 in the return channel 54.
  • the working circuit 2 comprises in the flow direction of the working medium thus the collecting container 7, the feed pump 6, the distribution valve 45, the
  • the secondary line 2b is arranged parallel to the working cycle 2 between the parallel connection of the first parallel line 41 and of the second parallel line 42 and between the expansion machine 3.
  • the throttle 11 and the partial flow evaporator 12 is arranged downstream of the partial flow evaporator 12, the temperature sensor 13 and the pressure sensor 14 are further arranged.
  • the throttle 11 throttles the working medium mass flow in operation so that only a small proportion flows through the secondary line 2b.
  • the two sensors 13, 14 transmit data or signals to the control unit 5, which further processes them.
  • the control unit 5 controls the
  • Expansionsmaschine 3 be arranged, as described in Figure 2.
  • the working cycle 2 of the embodiment of Figure 4 comprises in
  • the feed pump 6 and the evaporator 10 are arranged in the first parallel line 41.
  • the second parallel line 42 a further feed pump 8 and the further evaporator 40 are arranged.
  • the collecting container 7 may be arranged in the working cycle 2 or in a supply line, not shown.
  • the evaporator 10 is fed with exhaust heat from the end channel 55, the other evaporator 40 with exhaust heat from the return duct 54th
  • the arrangement of two feed pumps 6, 8 in a parallel connection of two evaporators 10, 40 is generally possible for all embodiments as an alternative to an arrangement of a feed pump 6 and a distributor valve 45.
  • the embodiment of FIG. 3 may alternatively be modified accordingly.
  • Secondary line 2b connected in parallel.
  • the throttle 11 and the partial flow evaporator 12 are arranged analogously to the preceding embodiments in the flow direction of the working medium. Downstream of the
  • Partial flow evaporator 12 the temperature sensor 13 and the pressure sensor 14 are further arranged.
  • another secondary line 2c is connected in parallel downstream of the further evaporator 40.
  • the additional secondary line 2c comprises in the flow direction of the working medium a further throttle IIb and a further partial flow evaporator 12b. Downstream of the other
  • Partial flow evaporator 12b, a further temperature sensor 13b and a further pressure sensor 14b are further arranged.
  • the enthalpy can be determined both for the working medium flowing through the first parallel line 41 and the enthalpy for the working medium flowing through the second parallel line 42.
  • 5 shows an exemplary entropy-temperature diagram of a
  • Waste heat utilization arrangement in particular the inventive
  • Waste heat utilization arrangement 1 The temperature T [K] is plotted against the entropy s [kJ / kg / K]. If thermal energy is supplied to the working medium through the evaporator 10, then three diagram lines 101, 102, 103 describe the course of the state of the working medium:
  • Liquid line 101 the temperature of the liquid working medium rises almost isobarically to the boiling point
  • the operation of the waste heat recovery assembly 1 is as follows:
  • the feed pump 6 promotes liquid working fluid under pressure from the
  • the working medium isobaric evaporated and then fed to the expansion machine 3.
  • the gaseous working medium is expanded, thereby generating a mechanical power, which, for example, in the form of a
  • Torque of an output shaft of the internal combustion engine 50 or a generator can be supplied.
  • the working medium is then liquefied again in the condenser 4 and then fed to the collecting tank 7. In order to liquefy the working fluid in the condenser 4, it is there
  • the capacitor 4 is advantageously arranged simultaneously in the cooling circuit 20 of the internal combustion engine 50, for which purpose any other cooling circuit would be used.
  • sensors mainly in the working circuit 2, arranged to the working circuit 2 in a certain temperature range and
  • a partial flow evaporator 12 is arranged in a secondary line 2b to the working circuit 2 according to the invention.
  • the core of the invention is a precise controlled (preferably electrical) energy supply over the
  • Partial evaporator 12 perform and measure at which position you are in the entropy-temperature diagram and which enthalpy has the working fluid. This method is more efficient than the often inaccurate to be measured or estimated from the exhaust tract 53 supplied
  • the method according to the invention has the advantage that it can regulate the waste heat utilization arrangement 1 relative to the current state and does not require absolute, faulty variables for regulation. In the process for enthalpy determination not the complete
  • Mass flow of the working medium heat energy, for example, by electrical energy, this is made "representative" only for a partial flow through the secondary line 2b
  • the partial flow is significantly less than the total flow on the other hand, the system hardly influenced by the enthalpy detection.
  • Wet steam area - that is located on the wet steam line 102 - is as follows:
  • Throttle ratio of the partial flow to the main flow is thus the
  • control unit 5 detects, for example by the temperature sensor 13, a wet steam state of the working medium upstream of the expansion machine 3, the following method steps can be started.
  • the substream will have a well-known (electrical)
  • the overheating it is also known how much energy was supplied via the partial flow evaporator 12.
  • it can be precisely calculated via the throttle ratio how much energy would have to be supplied to the large main flow or the total flow of the working medium in the working cycle 2 in order to reach the area of overheating.
  • it can also be calculated by how much the total flow of the working medium would have to be reduced in order to achieve an arbitrary point of overheating while maintaining the energy supplied by the evaporator 10.
  • Another advantage of this method is that the mass flow of the
  • control or regulation of the system can take place with the methods known from the prior art.

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Abstract

Abwärmenutzungsanordnung (1) einer Brennkraftmaschine (50) umfassend einen ein Arbeitsmediumführenden Arbeitskreislauf (2). In dem Arbeitskreislauf (2) sind in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe (6), ein Verdampfer (10), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4) angeordnet. Der Verdampfer (10) ist auch in einem Abgastrakt (53) der Brennkraftmaschine (50) angeordnet. Zu dem Arbeitskreislauf (2) ist zwischen dem Verdampfer (10) und dem Kondensator (4) eine Nebenleitung (2b) parallel geschaltet. Erfindungsgemäß ist in der Nebenleitung (2b) ein Teilstromverdampfer (12) angeordnet, wobei in der Nebenleitung (2b) weiterhin ein Drucksensor (14) und/oder ein Temperatursensor (13) angeordnetsind, wobei der Drucksensor (14) und/oder der Temperatursensor (13) stromabwärts des Teilstromverdampfers (12) angeordnet ist.

Description

Titel
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung einer
Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der
Abwärmenutzungsanordnung.
Stand der Technik
Abwärmenutzungsanordnungen von Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 063 701 AI. Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung einer
Brennkraftmaschine umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden
Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des
Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem
Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Weiterhin weist die bekannte Abwärmenutzungsanordnung eine Regeleinrichtung zur Regelung von
Dampftemperatur und Dampfdruck auf. Dazu sind zwischen Wärmetauscher und Expansionsmaschine ein Drucksensor und ein Temperatursensor angeordnet.
Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung weist dadurch eine gut
funktionierende Regelung auf, solange sich das Arbeitsmedium zwischen Verdampfer und Expansionsmaschine im gesättigten Dampfzustand befindet, in welchem bei weiterer Energiezufuhr der Druck und/oder die Temperatur des Arbeitsmediums weiter ansteigt. Befindet sich das Arbeitsmedium jedoch im Nassdampfgebiet, in welchem trotz Energiezufuhr durch den Verdampfer der Druck und die Temperatur über einen großen Bereich konstant bleiben, ist eine genaue Bestimmung des Zustands des Arbeitsmediums nicht möglich.
Beispielsweise kann so nicht erkannt werden, ob der Nassdampf in seinem Zustand 10% oder 90% Dampf aufweist.
Auch eine exakte Kontrolle der dem Arbeitskreislauf durch den Verdampfer zugeführten Wärmemenge ist aufgrund von Sensortoleranzen, Verdampferdrift und Massenstromdrift kaum möglich.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine exakte Steuerung bzw. Regelung auch im Nassdampfbereich des Arbeitsmediums möglich ist. Dadurch ist die Steuerung bzw. Regelung sehr schnell und robust. Ein mögliches Überhitzen der Komponenten des Arbeitskreislaufs, speziell des Verdampfers und der
Expansionsmaschine, wird somit verhindert. In der Folge erhöht sich die
Lebensdauer der gesamten Abwärmenutzungsanordnung.
Dazu umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem
Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Zu dem Arbeitskreislauf ist zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator eine Nebenleitung parallel geschaltet. Erfindungsgemäß ist in der Nebenleitung ein Teilstromverdampfer angeordnet, wobei in der Nebenleitung weiterhin ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor angeordnet sind, wobei der Drucksensor und/oder der Temperatursensor stromabwärts des Teilstromverdampfers angeordnet ist.
Dadurch kann dem Arbeitsmedium in der Nebenleitung durch den
Teilstromverdampfer Wärmeenergie zugeführt werden. Die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums können dann mittels des Drucksensors oder des
Temperatursensors überwacht werden. Vorzugsweise ist dabei der
Arbeitsmediummassenstrom durch die Nebenleitung deutlich kleiner als der Arbeitsmediummassenstrom durch den Arbeitskreislauf, so dass bereits eine geringe Energiezufuhr schon eine deutliche Änderung der Enthalpie zur Folge hat.
In einem zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei durch den Teilstromverdampfer dem sich im Nassdampfzustand befindlichen
Arbeitsmedium in der Nebenleitung so viel Wärmeenergie zugeführt bis der
Dampf in der Nebenleitung gesättigt ist und sich anschließend die Temperatur erhöht. Diese Temperaturerhöhung wird durch den Temperatursensor erfasst. Dadurch wiederum kann auf die Enthalpie des Arbeitsmediums im
Arbeitskreislauf rückgeschlossen werden.
Vorteilhafterweise ist der Teilstromverdampfer von einem Steuergerät ansteuerbar. So kann eine Ermittlung des Enthalpiezustands von dem
Steuergerät bei Bedarf durchgeführt werden, vorzugsweise dann wenn sich das Arbeitsmedium im Nassdampf befindet. Der Nassdampfzustand kann von dem Drucksensor oder dem Temperatursensor detektiert werden, beispielsweise anhand für das jeweilige Arbeitsmedium spezifischer Druck- oder
Temperaturwerte. Daraufhin kann das Steuergerät den Teilstromverdampfer so ansteuern, dass dieser eine gewisse Wärmemenge in das durch die
Nebenleitung strömende Arbeitsmedium einspeist.
In vorteilhaften Ausführungen ist der Teilstromverdampfer mit elektrischer Energie betreibbar. Dadurch kann die Wärmemenge sehr schnell in die Nebenleitung eingespeist werden. Gleichzeitig ist eine sehr genaue Ermittlung bzw. Dosierung der Wärmemenge möglich.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Nebenleitung stromaufwärts des Teilstromverdampfers eine Drossel angeordnet. Dadurch kann das Verhältnis des durch die Nebenleitung strömenden Arbeitsmediummassenstroms zu dem durch die Hauptleitung bzw. durch den Arbeitskreislauf strömenden
Arbeitsmediummassenstrom ermittelt bzw. festgelegt werden. Durch dieses Verhältnis wiederum kann ermittelt werden welche Energiemenge dem
Arbeitskreislauf zugeführt werden müsste, um gesättigten Dampf bzw.
überhitzten Dampf zu erhalten. Alternativ kann beispielsweise auch ermittelt werden, um wie viel der Arbeitsmediummassenstrom durch den Arbeitskreislauf reduziert werden müsste, um gesättigten Dampf bzw. überhitzten Dampf zu erhalten. Dies kann beispielsweise durch eine Reduzierung der Leistung der Speisepumpe erzielt werden.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Nebenleitung zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine angeordnet. Dadurch kann die Enthalpie des der Expansionsmaschine zugeführten Arbeitsmediums leckagefrei ermittelt werden.
In vorteilhaften alternativen Ausführungen ist die Nebenleitung als Bypassleitung zur Expansionsmaschine ausgebildet. Dadurch weist die Enthalpieermittlung bezüglich der Expansionsmaschine zwar eine Leckage auf. Soll die
Expansionsmaschine zur Vermeidung von Schäden, insbesondere
Kavitationsschäden, jedoch nur mit gesättigtem bzw. überhitztem Dampf betrieben werden, so ist die Bypassleitung ohnehin erforderlich. Die
Enthalpieermittlung des im Nassdampfzustand befindlichen Arbeitsmediums wäre somit quasi leckagefrei. Gleichzeitig kann eine bereits vorhandene
Nebenleitung, nämlich die Bypassleitung verwendet werden. Dies ist eine besonders kostengünstige und bauraumsparende Ausführung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung teilt ein Bypassventil den Massenstrom des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine und in die Nebenleitung bzw. in die Bypassleitung auf. Das Bypassventil kann so zum einen die
Expansionsmaschine vor schädlichem Nassdampf schützen und andererseits der Nebenleitung bei Bedarf Arbeitsmedium zuführen, um die Enthalpie zu ermitteln. Vorteilhafterweise wird das Bypassventil dabei von einem Steuergerät angesteuert, welches auch die Sensordaten des Temperatursensors und/oder des Drucksensors verarbeitet.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Arbeitskreislauf eine Parallelschaltung mit einer ersten Parallelleitung und einer zweiten Parallelleitung auf. Der
Verdampfer ist in der ersten Parallelleitung angeordnet, und ein weiterer Verdampfer ist in der zweiten Parallelleitung angeordnet. Dadurch kann über den weiteren Verdampfer zusätzliche Wärmeenergie in den Arbeitskreislauf eingespeist werden. Vorzugsweise ist der weitere Verdampfer gleichzeitig in einem Abgasrückführkanal angeordnet, so dass die Wärme des der
Brennkraftmaschine rückgeführten Abgases als Energiequelle verwendet wird.
Vorteilhafterweise ist die Nebenleitung als Parallelschaltung in der ersten Parallelleitung angeordnet. Eine weitere Nebenleitung mit einem weiterem Teilstromverdampfer ist als Parallelschaltung in der zweiten Parallelleitung angeordnet. So kann auf vorstehend schon beschriebene Arten auch für die zweite Parallelleitung die Enthalpie des Arbeitsmediums bestimmt werden. Dazu ist in der weiteren Nebenleitung stromabwärts des weiteren
Teilstromverdampfers ein weiterer Temperatursensor und/oder ein weiterer Drucksensor angeordnet.
Im Folgenden werden erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine gezeigt:
In einem ersten Verfahren umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Zu dem
Arbeitskreislauf ist zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine eine Nebenleitung parallel geschaltet. In der Nebenleitung sind ein
Teilstromverdampfer, ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor angeordnet, wobei der Drucksensor und/oder der Temperatursensor
stromabwärts des Teilstromverdampfers angeordnet ist. Die
Abwärmenutzungsanordnung weist weiterhin ein Steuergerät auf.
Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Der Drucksensor und/oder der Temperatursensor übermittelt Daten an das Steuergerät. Alternativ können auch andere Druck- bzw.
Temperatursensoren Daten an das Steuergerät übermitteln. Ermittlung eines Nassdampfzustands des Arbeitsmediums durch das Steuergerät anhand der Temperatur und/oder des Drucks des
Arbeitsmediums.
Erhöhung der Wärmeleistung des Teilstromverdampfers in die
Nebenleitung durch das Steuergerät, bis das durch die Nebenleitung strömende Arbeitsmedium einen überhitzten Dampfzustand erreicht.
Ermittlung der zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands
erforderlichen Teilwärmemenge des Wärmeeintrags durch das Steuergerät.
In einer alternativen Ausführung kann das Steuergerät den Nassdampfzustand auch anhand anderer im Arbeitskreislauf angeordneter Druck- und/oder
Temperatursensoren ermitteln.
Der Nassdampfzustand wird für das spezifische Arbeitsmedium anhand der Temperatur und/oder des Drucks ermittelt, beispielsweise wenn sich das
Arbeitsmedium auf Verdampfungstemperatur befindet. In der Nebenleitung wird das dort durchströmende Arbeitsmedium daraufhin durch den
Teilstromverdampfer überhitzt. Das Verfahren ermittelt so nicht nur die
Temperatur und/oder den Druck des Arbeitsmediums im flüssigen oder im Dampfzustand, es kann auch die Enthalpie des nassdampfförmigen
Arbeitsmediums ermitteln.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Arbeitskreislauf eine
Parallelschaltung mit einer ersten Parallelleitung und einer zweiten Parallelleitung auf. Der Verdampfer ist dabei in der ersten Parallelleitung angeordnet, und ein weiterer Verdampfer ist in der zweiten Parallelleitung angeordnet. Die
Nebenleitung ist als Parallelschaltung in der ersten Parallelleitung angeordnet. Eine weitere Nebenleitung mit einem weiteren Teilstromverdampfer ist als Parallelschaltung in der zweiten Parallelleitung angeordnet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät einen Wärmeeintrag des weiteren Teilstromverdampfers in die weitere Nebenleitung steuert, solange bis das durch die weitere Nebenleitung strömende Arbeitsmedium einen überhitzten Dampfzustand erreicht. Dadurch wird sowohl die zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands erforderliche Teilwärmemenge durch die erste Nebenleitung als auch die Teilwärmemenge durch die weitere Nebenleitung ermittelt. Vorzugsweise ist der weitere Verdampfer in einem Abgasrückführkanal der Brennkraftmaschine angeordnet. In vorteilhaften Weiterbildungen können aufgrund der ermittelten Teilwärmemengen so beispielsweise die Arbeitsmediummassenströme durch die beiden Verdampfer gesteuert werden, mit dem Ziel, dass das in die
Expansionsmaschine strömende Arbeitsmedium überhitzten Dampfzustand aufweist.
In einem alternativen vorteilhaften Verfahren umfasst die
Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden
Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des
Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem
Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Zu der Expansionsmaschine ist eine Nebenleitung als Bypassleitung parallel geschaltet. In der Nebenleitung sind ein Teilstromverdampfer, ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor angeordnet, wobei der Drucksensor und/oder der Temperatursensor
stromabwärts des Teilstromverdampfers angeordnet ist. Die
Abwärmenutzungsanordnung weist weiterhin ein Steuergerät auf.
In alternativen Ausführungen kann dabei die Nebenleitung auch innerhalb der Bypassleitung als Parallelschaltung angeordnet sein.
Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Ermittlung eines Nassdampfzustands des Arbeitsmediums durch das Steuergerät anhand der Temperatur und/oder des Drucks des
Arbeitsmediums. Bevorzugt übermittelt dazu der Druckensor und/oder der Temperatursensor Daten an das Steuergerät; es können jedoch auch alternative Druck- bzw. Temperaturdaten verwendet werden.
Erhöhung der Wärmeleistung des Teilstromverdampfers in die
Nebenleitung durch das Steuergerät, bis das durch die Nebenleitung strömende Arbeitsmedium einen überhitzten Dampfzustand erreicht. Ermittlung der zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands
erforderlichen Teilwärmemenge des Wärmeeintrags durch das Steuergerät.
Auch für dieses Verfahren wird der Nassdampfzustand für das spezifische Arbeitsmedium vorteilhafterweise anhand der Temperatur und/oder des Drucks ermittelt, beispielsweise wenn sich das Arbeitsmedium auf
Verdampfungstemperatur befindet. In der Nebenleitung wird das dort
durchströmende Arbeitsmedium daraufhin durch den Teilstromverdampfer überhitzt. Das Verfahren ermittelt so nicht nur die Temperatur und/oder den Druck des Arbeitsmediums im flüssigen oder im Dampfzustand, es kann auch die Enthalpie des nassdampfförmigen Arbeitsmediums ermitteln. Vorteilhaft ist bei der Anordnung des Teilstromverdampfers in der Bypassleitung, dass das sich im Nassdampfzustand befindliche Arbeitsmedium ohnehin an der
Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden muss, um Schäden zu vermeiden.
In einer vorteilhaften Ausführung teilt ein Bypassventil den Massenstrom des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine und in die Nebenleitung auf. Das Steuergerät steuert dabei das Bypassventil so an, dass kein Arbeitsmedium im Nassdampfzustand durch die Expansionsmaschine strömt. Dadurch werden Schäden, insbesondere durch Kavitation, in der Expansionsmaschine vermieden.
In vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens ermittelt das Steuergerät eine zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf erforderliche Gesamtwärmemenge. Vorzugsweise wird dies durch ein Drosselverhältnis oder durch den Strömungsquerschnitt der
Nebenleitung zum Arbeitskreislauf durchgeführt: Dadurch kann der,
vorteilhafterweise vergleichsweise geringe Teilmassenstrom durch die
Nebenleitung in Relation zum Gesamtmassenstrom ermittelt werden, und in der Folge die zur Teilwärmemenge in Relation stehende Gesamtwärmemenge. Der Teilstromverdampfer muss dem Arbeitsmedium dabei nur vergleichsweise wenig Wärmeenergie zuführen, wenn das Drosselverhältnis niedrig ist. Dadurch ist die Ermittlung des Nassdampfzustands bzw. die Ermittlung der Energiemenge, um den Gesamtmassenstrom in den überhitzten Dampfzustand zu überführen, sehr energiesparend ausgeführt. In einer vorteilhaften Ausführung steuert das Steuergerät die Speisepumpe so an, dass der Arbeitsmediummassenstrom durch den Arbeitskreislauf
entsprechend der erforderlichen Gesamtwärmemenge verringert wird. Dadurch sinkt der Energiebedarf, um das Arbeitsmedium des Arbeitskreislaufs vom Nassdampfzustand in den überhitzten Dampfzustand zu überführen. Weist die Abwärmenutzungsanordnung mehrere Verdampfer auf, so kann beispielsweise über ein Verteilerventil auch der Arbeitsmediummassenstrom entsprechend der an den einzelnen Verdampfern zur Verfügung stehenden Wärmemenge auf die jeweiligen Verdampfer aufgeteilt werden. Dadurch wird die Effizienz der Abwärmenutzungsanordnung erhöht.
Weiterhin kann alternativ auch die durch den Abgastrakt strömende
Wärmemenge durch beispielsweise ein Abgasbypassventil entsprechend von dem Steuergerät geregelt werden, so dass das Arbeitsmedium durch den Verdampfer, optional auch durch den weiteren Verdampfer, in den überhitzten Dampfzustand überführt wird.
Zeichnungen
Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.2 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.3 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.4 zeigt schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Fig.5 zeigt ein beispielhaftes Entropie-Temperatur-Diagramm einer
Abwärmenutzungsanordnung.
Beschreibung
Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50 mit einem ein Arbeitsmedium führenden
Arbeitskreislauf 2. Die Brennkraftmaschine 50 ist weiterhin in einem Kühlkreislauf 20 angeordnet.
Der Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft 51, die auch
rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine 50 enthalten kann, zugeführt. Auslassseitig weist die Brennkraftmaschine 50 einen Abgastrakt 53 auf, durch den Abgas 52 aus der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird.
Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Sammelbehälter 7, eine Speisepumpe 6, einen Verdampfer 10, eine
Expansionsmaschine 3 und einen Kondensator 4. Der Verdampfer 10 ist gleichzeitig im Abgastrakt 53 angeordnet, so dass die Wärmeenergie des
Abgases aus dem Abgastrakt 53 an den Arbeitskreislauf 2 überführt werden kann. Optional kann der Sammelbehälter 7 in alternativen Ausführungsformen auch in einer nicht dargestellten Zuführleitung bzw. Stichleitung angeordnet sein. Der Kühlkreislauf 20 umfasst in Flussrichtung des Kühlmediums eine
Kühlmittelpumpe 21, die Brennkraftmaschine 50, den Kondensator 4 und einen Kühler 35 mit einem Lüfterrad 36. Der Kondensator 4 ist sowohl im
Arbeitskreislauf 2 als auch im Kühlkreislauf 20 angeordnet; das heißt der Kondensator 4 entzieht dem Arbeitskreislauf 2 Wärmeenergie und speist diese in den Kühlkreislauf 20 ein.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Verdampfer 10 und der
Expansionsmaschine 3 parallel zum Arbeitskreislauf 2 eine Nebenleitung 2b angeordnet. In der Nebenleitung 2b sind in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Drossel 11 und ein Teilstromverdampfer 12 angeordnet. Stromabwärts des Teilstromverdampfers 12 sind in der Nebenleitung 2b weiterhin ein
Temperatursensor 13 und ein Drucksensor 14 angeordnet, wobei die
Reihenfolge der beiden Sensoren 13, 14 nicht entscheidend ist. Vorzugsweise drosselt die Drossel 11 den Arbeitsmediummassenstrom so ab, dass lediglich ein geringer Anteil durch die Nebenleitung 2b fließt.
Ein Steuergerät 5 empfängt die von dem Temperatursensor 13 und dem
Drucksensor 14 ermittelten Daten bzw. Signale und verarbeitet diese weiter. Das Steuergerät 5 steuert und misst auch die der Nebenleitung 2b durch den
Teilstromverdampfer 12 zugeführte Energie.
Mit der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung 1 ist es möglich, durch genau kontrollierte - vorzugsweise elektrische - Energiezuführung über den Teilstromverdampfer 12 festzustellen, an welcher Enthalpie- Position des Arbeitsmediums man sich befindet. Dadurch kann insbesondere im
Nassdampfgebiet der Dampfanteil des Arbeitsmediums ermittelt werden, obwohl Temperatur und Druck des Arbeitsmediums konstant sind. Dies ist die Grundlage für eine schnelle und robuste Regelung der Abwärmenutzungsanordnung 1. Erfindungsgemäß wird mit der vorliegenden Anordnung nicht dem kompletten Massenstrom des Arbeitsmediums Wärmeenergie durch den
Teilstromverdampfer 12 zugeführt, was einen sehr großen Energieaufwand bedeuten würde, sondern lediglich einem kleinen Teilstrom durch die
Nebenleitung 2b.
Fig.2 zeigt die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. In dieser Ausführung ist die Nebenleitung 2b parallel zur Expansionsmaschine 3 angeordnet, also als Bypassleitung zur Expansionsmaschine 3. Ein Bypassventil 31 steuert dazu die Massenströme des Arbeitsmediums zur Expansionsmaschine 3 und in die Nebenleitung 2b bzw. teilt den Arbeitsmediummassenstrom auf die Expansionsmaschine 3 und in die Bypassleitung auf. Das Bypassventil 31 ist dabei vorzugsweise als
Proportionalventil ausgeführt. Analog zur vorherigen Ausführungsform umfasst die Nebenleitung 2b die Drossel 11, den Teilstromverdampfer 12, den
Drucksensor 14 und den Temperatursensor 13. Durch die Ausführung des Bypassventils 31 als Proportionalventil kann jedoch in alternativen Ausführungen sogar auf die Drossel 11 in der Nebenleitung 2b verzichtet werden.
Das Steuergerät 5 steuert das Bypassventil 31 an und führt dem
Teilstromverdampfer 12 so den zur Regelung der Abwärmenutzungsanordnung 1 benötigten Teilstrom des Arbeitsmediums zu, wobei dies auch lediglich zu ausgewählten Zeitpunkte erfolgen kann.
Vorzugsweise sind in dieser Ausführungsform die Expansionsmaschine 3, das Bypassventil 31, die Drossel 11, der Teilstromverdampfer 12, der Drucksensor
14 und der Temperatursensor 13 in einem gemeinsamen Gehäuse 70 angeordnet.
Die Ausführungsform der Fig.2 ist besonders vorteilhaft, da die Nebenleitung 2b als Bypassleitung zur Expansionsmaschine 3 ohnehin erforderlich ist, weil das
Arbeitsmedium im Falle eines zu hohen Flüssigkeitsanteils an der
Expansionsmaschine 3 vorbeigeleitet werden muss, um Schäden an der Expansionsmaschine 3 zu vermeiden. In einer Weiterbildung kann die Nebenleitung 2b auch innerhalb der
Bypassleitung als Parallelschaltung angeordnet sein.
Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Abwärmenutzungsanordnung 1. In dieser Ausführung weist der Arbeitskreislauf 2 eine Parallelschaltung von zwei Verdampfern auf: dem Verdampfer 10 und einem weiteren Verdampfer 40. Der Verdampfer 10 ist dabei in einer ersten
Parallelleitung 41 angeordnet und der weitere Verdampfer 40 in einer zweiten Parallelleitung 42. Ein Verteilerventil 45 teilt den von der Speisepumpe 6 zugeführten Arbeitsmediummassenstrom auf die beiden Parallelleitungen 41, 42 auf, wobei das Verteilerventil 45 von dem Steuergerät 5 angesteuert wird.
Die Brennkraftmaschine 50 der Ausführung der Fig.3 weist einen Rückführkanal 54 auf. Der Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft 51 und optional auch rückgeführtes Abgas aus dem Rückführkanal 54 zugeführt. Auslassseitig wird Abgas aus der Brennkraftmaschine 50 in den Abgastrakt 53 ausgestoßen. Der Abgastrakt 54 verzweigt sich in den Rückführkanal 54 und in einen Endkanal 55. Über den Endkanal 55 gelangt das Abgas, gegebenenfalls auch unter Zwischenschaltung nicht dargestellter Nachbehandlungssysteme, an die
Umgebung.
Der Verdampfer 10 ist im Endkanal 55 angeordnet, der weitere Verdampfer 40 im Rückführkanal 54.
Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums somit den Sammelbehälter 7, die Speisepumpe 6, das Verteilerventil 45, die
Parallelschaltung aus der ersten Parallelleitung 41 und der zweiten
Parallelleitung 42, die Expansionsmaschine 3 und den Kondensator 4.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Parallelschaltung aus erster Parallelleitung 41 und aus zweiter Parallelleitung 42 und zwischen der Expansionsmaschine 3 parallel zum Arbeitskreislauf 2 die Nebenleitung 2b angeordnet. In der
Nebenleitung 2b sind analog zu den vorhergehenden Ausführungen in
Flussrichtung des Arbeitsmediums die Drossel 11 und der Teilstromverdampfer 12 angeordnet. Stromabwärts des Teilstromverdampfers 12 sind weiterhin der Temperatursensor 13 und der Drucksensor 14 angeordnet. Vorzugsweise drosselt die Drossel 11 den Arbeitsmediummassenstrom im Betrieb so ab, dass lediglich ein geringer Anteil durch die Nebenleitung 2b fließt.
Die beiden Sensoren 13, 14 übermitteln Daten bzw. Signale an das Steuergerät 5, welches diese weiterverarbeitet. Das Steuergerät 5 steuert die der
Nebenleitung 2b durch den Teilstromverdampfer 12 zugeführte Energie.
In alternativen Ausführungsformen mit zwei Verdampfern 10, 40 im
Arbeitskreislauf 2 kann die Nebenleitung 2b auch parallel zur
Expansionsmaschine 3 angeordnet sein, wie in Fig.2 beschrieben.
Weiterhin gibt es bei Abwärmenutzungsanordnungen mit einer Parallelschaltung aus zwei Verdampfern 10, 40 auch die Möglichkeit zwei Teilstromverdampfer einzusetzen, also jeweils einen in jeder Parallelleitung 41, 42. Dies wird im folgenden beispielhaften Ausführungsbeispiel beschrieben: Der Arbeitskreislauf 2 des Ausführungsbeispiels der Fig.4 umfasst in
Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Parallelschaltung aus der ersten
Parallelleitung 41 und der zweiten Parallelleitung 42, die Expansionsmaschine 3 und den Kondensator 4. In der ersten Parallelleitung 41 sind die Speisepumpe 6 und der Verdampfer 10 angeordnet. In der zweiten Parallelleitung 42 sind eine weitere Speisepumpe 8 und der weitere Verdampfer 40 angeordnet. Optional kann der Sammelbehälter 7 in dem Arbeitskreislauf 2 oder in einer nicht dargestellten Zuführleitung angeordnet sein.
Der Verdampfer 10 wird mit Abgaswärme aus dem Endkanal 55 gespeist, der weitere Verdampfer 40 mit Abgaswärme aus dem Rückführkanal 54.
Die Anordnung von zwei Speisepumpen 6, 8 in einer Parallelschaltung von zwei Verdampfern 10, 40 ist generell für sämtliche Ausführungsformen als Alternative zu einer Anordnung von einer Speisepumpe 6 und einem Verteilerventil 45 möglich. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 kann alternativ dementsprechend abgeändert werden.
In der ersten Parallelleitung 41 ist stromabwärts des Verdampfers 10 die
Nebenleitung 2b parallel geschaltet. In der Nebenleitung 2b sind analog zu den vorhergehenden Ausführungen in Flussrichtung des Arbeitsmediums die Drossel 11 und der Teilstromverdampfer 12 angeordnet. Stromabwärts des
Teilstromverdampfers 12 sind weiterhin der Temperatursensor 13 und der Drucksensor 14 angeordnet.
In der zweiten Parallelleitung 42 ist stromabwärts des weiteren Verdampfers 40 eine weitere Nebenleitung 2c parallel geschaltet. Die weitere Nebenleitung 2c umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine weitere Drossel IIb und einen weiteren Teilstromverdampfer 12b. Stromabwärts des weiteren
Teilstromverdampfers 12b sind weiterhin ein weiterer Temperatursensor 13b und ein weiterer Drucksensor 14b angeordnet. Dadurch kann die Enthalpie sowohl für das die erste Parallelleitung 41 durchströmende Arbeitsmedium ermittelt werden, als auch die Enthalpie für das die zweite Parallelleitung 42 durchströmende Arbeitsmedium. Fig.5 zeigt ein beispielhaftes Entropie-Temperatur-Diagramm einer
Abwärmenutzungsanordnung, insbesondere der erfindungsgemäßen
Abwärmenutzungsanordnung 1. Die Temperatur T [K] ist über der Entropie s [kJ/kg/K] aufgetragen. Wird dem Arbeitsmedium durch den Verdampfer 10 Wärmeenergie zugeführt, so beschreiben drei Diagrammlinien 101, 102, 103 den Verlauf des Zustands des Arbeitsmediums:
- Flüssigkeitslinie 101: die Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums steigt nahezu isobar bis zur Siedetemperatur
- Nassdampflinie 102: das Arbeitsmedium wird bei konstanter Temperatur und bei konstantem Druck verdampft
- Dampflinie 103: ab der Sättigung steigt die Temperatur des verdampften
Arbeitsmediums weiter an.
Die Funktionsweise der Abwärmenutzungsanordnung 1 ist wie folgt: Die Speisepumpe 6 fördert flüssiges Arbeitsmedium unter Druck aus dem
Sammelbehälter 7 in den Verdampfer 10 und/oder optional in den weiteren Verdampfer 40. In den Verdampfern 10, 40 wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend der Expansionsmaschine 3 zugeführt. In der Expansionsmaschine 3 wird das gasförmige Arbeitsmedium entspannt und erzeugt dadurch eine mechanische Leistung, welche zum Beispiel in Form eines
Drehmoments einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 50 oder einem Generator zugeführt werden kann. Das Arbeitsmedium wird anschließend im Kondensator 4 wieder verflüssigt und danach dem Sammelbehälter 7 zugeführt. Um das Arbeitsmedium im Kondensator 4 verflüssigen zu können, wird ihm dort
Wärmeenergie entzogen. Daher ist der Kondensator 4 vorteilhafterweise gleichzeitig im Kühlkreislauf 20 der Brennkraftmaschine 50 angeordnet, wobei hierfür auch ein anderer beliebiger Kühlkreislauf verwendbar wäre. Erfindungsgemäß sind Sensoren, vorwiegend im Arbeitskreislauf 2, angeordnet, um den Arbeitskreislauf 2 in einem bestimmten Temperaturbereich und
Druckbereich zu betreiben und vorteilhafterweise auch den Kühlkreislauf unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur zu betreiben. In den
Arbeitskreisläufen nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich den exakten
Zustandspunkt des Arbeitsmediums im Nassdampfgebiet, also auf der
Nassdampflinie 102 zu ermitteln, da es hier keine Temperatur- und
Druckänderungen gibt. Befindet sich das Arbeitsmedium weit rechts auf der Nassdampflinie 102 - also nahezu im gesättigten Bereich - und wird dem Arbeitsmedium durch den Verdampfer 10 weiter Wärmeenergie zugeführt, so besteht die Gefahr der Überhitzung des Arbeitskreislaufs 2 und seiner
Komponenten. Dies ist besonders kritisch, da im Bereich der Dampflinie 103 bereits eine kleine Energieänderung eine sehr große Temperaturänderung zur Folge hat. In diesen Temperaturbereichen verringern sich die Festigkeiten der Bauteile stark mit zunehmender Temperatur. Andererseits sollte kein
Arbeitsmedium im nassdampfförmigen Zustand in die Expansionsmaschine 3 gelangen, da dies ineffizient ist bzw. Schäden wie Kavitationsschäden in der Expansionsmaschine 3 zur Folge hätte. Dementsprechend ist der
Betriebsbereich des Arbeitsmediums für die Expansionsmaschine 3
vorzugsweise sehr eng zu wählen: nämlich mit möglichst geringer Temperatur T, aber dennoch als gesättigter Dampf, also möglichst weit unten auf der Dampflinie 103.
Dazu ist erfindungsgemäß ein Teilstromverdampfer 12 in einer Nebenleitung 2b zum Arbeitskreislauf 2 angeordnet. Kern der Erfindung ist dabei, eine genaue kontrollierte (vorzugsweise elektrische) Energiezufuhr über den
Teilstromverdampfer 12 durchzuführen und zu messen, an welcher Position man sich im Entropie-Temperatur-Diagramm befindet bzw. welche Enthalpie das Arbeitsmedium besitzt. Diese Methode ist effizienter als die oft ungenau zu messenden bzw. abzuschätzenden aus dem Abgastrakt 53 zugeführten
Energiemengen. Weiterhin setzt diese Methode keine Kenntnis des
Abgasmassenstroms voraus.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber den Vorteil, dass es die Abwärmenutzungsanordnung 1 relativ zum aktuellen Zustand regeln kann und keine absoluten, fehlerbehafteten Größen zur Regelung benötigt. Um bei dem Verfahren zur Enthalpieermittlung nicht dem kompletten
Massenstrom des Arbeitsmediums Wärmeenergie, beispielsweise durch elektrische Energie, zuführen zu müssen, wird dies„stellvertretend" nur für einen Teilstrom durch die Nebenleitung 2b gemacht. Vorzugsweise ist der Teilstrom dabei deutlich geringer als der Gesamtstrom. Dadurch wird zum einen der Energieaufwand zur Enthalpieermittlung in Grenzen gehalten, zum anderen das System durch die Enthalpieermittlung kaum beeinflusst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Enthalpiepunktes des Arbeitsmediums, wobei sich der Zustand des Arbeitsmediums im
Nassdampfgebiet - also auf der Nassdampflinie 102 - befindet, ist wie folgt:
Dem Gesamtstrom des Arbeitsmediums durch den Arbeitskreislauf 2 wird durch die konstante Drossel 11 ein Teilstrom entzogen. Durch das konstante
Drosselverhältniss des Teilstroms zum Hauptstrom ist somit die
Massenstromaufteilung bekannt. Ermittelt das Steuergerät 5, beispielsweise durch den Temperatursensor 13, einen Nassdampfzustand des Arbeitsmediums vor der Expansionsmaschine 3, können die folgenden Verfahrensschritte gestartet werden. Dem Teilstrom wird eine genau bekannte (elektrische)
Wärmemenge zugeführt. Dabei wird so viel Energie zugeführt bis der Teilstrom in den Bereich der Überhitzung, also in den Bereich der Dampflinie 103, gelangt. Dies wird mit demTemperatursensor 13 und/oder dem Drucksensor 14 geprüft bzw. überwacht.
Wenn die Überhitzung erreicht wird, ist somit auch bekannt wie viel Energie über den Teilstromverdampfer 12 zugeführt wurde. Daraus wiederum kann über das Drosselverhältniss genau berechnet werden, wie viel Energie dem großen Hauptstrom bzw. dem Gesamtstrom des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf 2 zugeführt werden müsste, um in das Gebiet der Überhitzung zu gelangen. Im Umkehrschluss kann auch errechnet werden um wie viel der Gesamtstrom des Arbeitsmediums reduziert werden müsste, um bei gleichbleibender Energiezufuhr durch den Verdampfer 10 einen beliebigen Punkt der Überhitzung zu erreichen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Massenstrom des
Arbeitsmediums durch den Arbeitskreislauf 2 und die zugeführte Energiemenge durch den Verdampfer 10 nicht genau bekannt sein müssen, da die Regelung relativ zu der durch den Teilstromverdampfer 12 zugeführten genau bekannten Energie in der Nebenleitung 2b stattfindet. Ein Drift des
Arbeitsmediummassenstroms oder ein Drift im Wärmestromübergang des Verdampfers 10 über die Lebenszeit ist damit irrelevant. Dadurch ist dieses Verfahren sehr robust über die Lebensdauer der Abwärmenutzungsanordnung 1.
Ist das Arbeitsmedium im überhitzten Dampfzustand, so kann die Steuerung bzw. Regelung des Systems mit den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann die Steuerung bzw.
Regelung jedoch auch über den Temperatursensor 13 und den Drucksensor 14 erfolgen, bzw. auch über den weiteren Temperatursensor 13b und den weiteren Drucksensor 14b.

Claims

Ansprüche
1. Abwärmenutzungsanordnung (1) einer Brennkraftmaschine (50) umfassend einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf (2), wobei in dem
Arbeitskreislauf (2) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe (6), ein Verdampfer (10), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4) angeordnet sind, wobei der Verdampfer (10) auch in einem Abgastrakt (53) der Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist, wobei parallel zu dem Arbeitskreislauf (2) zwischen dem Verdampfer (10) und dem Kondensator (4) eine Nebenleitung (2b) geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Nebenleitung (2b) ein Teilstromverdampfer (12) angeordnet ist, wobei in der Nebenleitung (2b) weiterhin ein Drucksensor (14) und/oder ein
Temperatursensor (13) angeordnet ist, wobei der Drucksensor (14) und/oder der Temperatursensor (13) stromabwärts des Teilstromverdampfers (12) angeordnet ist.
2. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstromverdampfer von einem Steuergerät (5) ansteuerbar ist.
3. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstromverdampfer (12) mit elektrischer Energie betreibbar ist.
4. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nebenleitung (2b) stromaufwärts des
Teilstromverdampfers (12) eine Drossel (11) angeordnet ist.
5. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (2b) zwischen dem Verdampfer (10) und der Expansionsmaschine (3) angeordnet ist.
6. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (2b) als Bypassleitung zur
Expansionsmaschine (3) ausgebildet ist.
7. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypassventil (31) den Massenstrom des Arbeitsmediums in die
Expansionsmaschine (3) und in die Nebenleitung (2b) aufteilt.
8. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislauf (2) eine Parallelschaltung mit einer ersten Parallelleitung (41) und einer zweiten Parallelleitung (42) aufweist, wobei der Verdampfer (10) in der ersten Parallelleitung (41) angeordnet ist und ein weiterer Verdampfer (40) in der zweiten Parallelleitung (42) angeordnet ist.
9. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (2b) als Parallelschaltung in der ersten Parallelleitung (41) angeordnet ist und dass eine weitere Nebenleitung (2c) mit einem weiterem Teilstromverdampfer (12b) als Parallelschaltung in der zweiten Parallelleitung (42) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsanordnung (1) einer Brennkraftmaschine (50), wobei die Abwärmenutzungsanordnung (1) einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf (2) umfasst, wobei in dem
Arbeitskreislauf (2) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe (6), ein Verdampfer (10), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4) angeordnet sind, wobei der Verdampfer (10) auch in einem Abgastrakt (53) der Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist, wobei zu dem Arbeitskreislauf (2) zwischen dem Verdampfer (10) und der Expansionsmaschine (3) eine
Nebenleitung (2b) parallel geschaltet ist, wobei in der Nebenleitung (2b) ein Teilstrom verdampf er (12) angeordnet ist, wobei in der Nebenleitung (2b) weiterhin ein Drucksensor (14) und/oder ein Temperatursensor (13) angeordnet sind, wobei der Drucksensor (14) und/oder der Temperatursensor (13) stromabwärts des Teilstromverdampfers (12) angeordnet ist, wobei die
Abwärmenutzungsanordnung (1) ein Steuergerät (5) aufweist,
durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Ermittlung eines Nassdampfzustands des Arbeitsmediums durch das Steuergerät (5) anhand der Temperatur und/oder des Drucks des
Arbeitsmediums.
Erhöhung der Wärmeleistung des Teilstromverdampfers (12) in die Nebenleitung (2b) durch das Steuergerät (5), bis das durch die
Nebenleitung (2b) strömende Arbeitsmedium einen überhitzten
Dampfzustand erreicht.
Ermittlung der zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands
erforderlichen Teilwärmemenge des Wärmeeintrags durch das Steuergerät (5).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Arbeitskreislauf (2) eine
Parallelschaltung mit einer ersten Parallelleitung (41) und einer zweiten
Parallelleitung (42) aufweist, wobei der Verdampfer (10) in der ersten
Parallelleitung (41) angeordnet ist und ein weiterer Verdampfer (40) in der zweiten Parallelleitung (42) angeordnet ist, wobei die Nebenleitung (2b) als Parallelschaltung in der ersten Parallelleitung (41) angeordnet ist und wobei eine weitere Nebenleitung (2c) mit einem weiterem Teilstromverdampfer (12b) als Parallelschaltung in der zweiten Parallelleitung (42) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) eine Wärmeleistung des weiteren Teilstromverdampfers (12b) in die weitere Nebenleitung (2c) erhöht, bis das durch die weitere Nebenleitung (2c) strömende Arbeitsmedium einen überhitzten Dampfzustand erreicht.
12. Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsanordnung (1) einer Brennkraftmaschine (50), wobei die Abwärmenutzungsanordnung (1) einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf (2) umfasst, wobei in dem
Arbeitskreislauf (2) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe (6), ein Verdampfer (10), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4) angeordnet sind, wobei der Verdampfer (10) auch in einem Abgastrakt (53) der Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist, wobei zu der Expansionsmaschine (3) eine Nebenleitung (2b) als Bypassleitung parallel geschaltet ist, wobei in der Nebenleitung (2b) ein Teilstromverdampfer (12), ein Drucksensor (14) und/oder ein Temperatursensor (13) angeordnet sind, wobei der Drucksensor (14) und/oder der Temperatursensor (13) stromabwärts des Teilstromverdampfers (12) angeordnet ist, wobei die Abwärmenutzungsanordnung (1) ein Steuergerät (5) aufweist,
durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Ermittlung eines Nassdampfzustands des Arbeitsmediums durch das Steuergerät (5) anhand der Temperatur und/oder des Drucks des
Arbeitsmediums.
Erhöhung der Wärmeleistung des Teilstromverdampfers (12) in die
Nebenleitung (2b) durch das Steuergerät (5), bis das durch die
Nebenleitung (2b) strömende Arbeitsmedium einen überhitzten
Dampfzustand erreicht.
Ermittlung der zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands
erforderlichen Teilwärmemenge des Wärmeeintrags durch das Steuergerät (5).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Bypassventil (31) den Massenstrom des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) und in die Nebenleitung (2b) aufteilt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) das Bypassventil (31) so ansteuert, dass kein Arbeitsmedium im Nassdampfzustand durch die
Expansionsmaschine (3) strömt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) eine zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf (2) erforderliche
Gesamtwärmemenge ermittelt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) die Speisepumpe (6) so ansteuert, dass der Arbeitsmediummassenstrom durch den Arbeitskreislauf (2) entsprechend der erforderlichen
Gesamtwärmemenge verringert wird.
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