WO2017021034A1 - 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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WO2017021034A1
WO2017021034A1 PCT/EP2016/063003 EP2016063003W WO2017021034A1 WO 2017021034 A1 WO2017021034 A1 WO 2017021034A1 EP 2016063003 W EP2016063003 W EP 2016063003W WO 2017021034 A1 WO2017021034 A1 WO 2017021034A1
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exhaust gas
evaporator
pressure
gas bypass
internal combustion
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PCT/EP2016/063003
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Derya CAKALLIK
Daniel Seiler-Thull
Marc Oliver Roehner
Carolina Passenberg
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

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 publication WO 2013/028173 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.
  • a high-pressure area is formed between the feed pump and the expansion machine, and a low-pressure area is formed between the expansion machine and the feed pump.
  • the evaporator is also in an exhaust tract of the
  • Exhaust bypass channel arranged to bypass the evaporator.
  • the known waste heat utilization arrangement has no control or regulation of the pressures in the high pressure region or low pressure region of the working cycle. As a result, there is a risk of overloading the components of the
  • waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine according to the invention has the advantage that control or regulation of the pressures takes place in the high-pressure region and in the low-pressure region of the working cycle. This will increase the lifespan and also the effectiveness of 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.
  • a high-pressure area is formed between the feed pump and the expansion machine
  • a low-pressure area is formed between the expansion machine and the feed pump.
  • the evaporator is also in an exhaust tract of the
  • Evaporator arranged an exhaust gas bypass duct.
  • a first pressure sensor is arranged in the high-pressure region.
  • the exhaust gas mass flow can be divided between the evaporator and the exhaust gas bypass duct. An increase in pressure in the high pressure range beyond a limit is thereby avoided. The life of the whole
  • Waste heat utilization arrangement is thus increased.
  • safe operation of the waste heat recovery device is ensured.
  • Low pressure range can result if the amount of fluid in the working fluid is constant, so for example, a reservoir for the working fluid is separated from the working circuit via a feed valve.
  • the exhaust gas is passed into the exhaust gas bypass passage at defined pressure limits exceeded such that the entire exhaust gas mass flow or at least a portion of the available exhaust gas mass flow is passed to the evaporator.
  • the pressure limits are below the maximum allowable high pressure in the system.
  • a second pressure sensor is arranged in the low-pressure region. This allows the pressures in both
  • both pressure sensors are in each case at the location of maximum pressure in the high pressure range or in the low pressure range
  • Control of the distribution of the exhaust gas mass flow to the evaporator and to the exhaust gas bypass duct can be effected in dependence on the operating point of the internal combustion engine or in dependence on the exhaust gas mass flows and temperatures.
  • the sensors of the exhaust gas mass flow to the evaporator and to the exhaust gas bypass duct can be effected in dependence on the operating point of the internal combustion engine or in dependence on the exhaust gas mass flows and temperatures.
  • modeled values from an engine control unit of the internal combustion engine can also be used.
  • an exhaust gas bypass valve upstream of the parallel circuit of the evaporator and the
  • the exhaust gas bypass valve is designed as a proportional valve.
  • the version as a proportional valve, the amount of heat can be dissipated as needed to the evaporator. This will make a higher
  • Waste heat recovery arrangement becomes more efficient.
  • the exhaust bypass valve is designed as a switching valve.
  • the exhaust gas bypass valve can be made particularly cost-effective.
  • At least one temperature sensor is arranged in the high-pressure region between the evaporator and the expansion machine.
  • the working cycle can be regulated to a maximum temperature which can not be exceeded
  • the inlet temperature and the inlet pressure into the expansion machine can also be controlled be controlled so that the expansion machine is operated extremely efficiently.
  • the efficiency of the entire waste heat recovery assembly increases thereby.
  • Evaporator arranged another evaporator. This allows the
  • the further evaporator may also be arranged in series with the evaporator in the working cycle.
  • the further evaporator is also arranged in a return duct for the exhaust gas back to the internal combustion engine.
  • two heat sources are used in the exhaust system: The exhaust heat in the
  • Exhaust heat preferably in an end channel of the exhaust tract after exhaust aftertreatment, which is characterized by a high exhaust gas mass flow.
  • the maximum pressure in the working circuit must be selected according to the choice of working fluid in both high-pressure and low pressure range correspondingly high to the waste heat recovery assembly in operating points with particular much
  • Waste heat recovery arrangement would affect.
  • the present invention allows the use of both heat sources and at the same time compliance with pressure limitations within the work cycle. This is preferably realized by the exhaust gas bypass valve in the exhaust system, with which the exhaust gas is passed over the exhaust gas bypass duct on demand on the evaporator. As a result, the heat input is reduced accordingly in the working cycle, which is an optimal interpretation of
  • the exhaust gas bypass channel can be arranged parallel to the evaporator or to the further evaporator.
  • both evaporators can each be provided with an exhaust gas bypass duct and preferably also with an associated exhaust gas bypass valve.
  • Described exhaust heat utilization arrangement of the internal combustion engine which include a pressure control or pressure control of the working cycle:
  • Waste heat recovery arrangement of an internal combustion engine has 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 arranged in an exhaust gas tract of the internal combustion engine, wherein an exhaust gas bypass duct is arranged in the exhaust gas tract parallel to the evaporator.
  • An exhaust bypass valve divides the exhaust gas mass flow to the evaporator and to the exhaust bypass passage.
  • the method is characterized in that the exhaust gas bypass valve is controlled by a control unit such that a maximum system pressure of the working medium is not exceeded in the working cycle.
  • control unit regulates the system pressure in the working circuit so that the pressure load of the components arranged in the working circuit does not rise above a defined limit value. This ensures a defined lifetime of the waste heat utilization arrangement. At the same time, the cost-benefit ratio of the waste heat utilization arrangement is optimized, as expensive and oversized components are avoided.
  • the exhaust gas bypass valve can be controlled in a simple manner.
  • sensors in particular of pressure sensors, in the working cycle can be optionally waived.
  • a high-pressure region is formed in the working cycle between the feed pump and the expansion machine, and a first pressure sensor is arranged in the high-pressure region.
  • the first pressure sensor transmits signals to the controller, and the
  • Controller controls the exhaust bypass valve in response to these signals.
  • a regulation of the system pressure in the working cycle can be carried out, namely as a function of the high pressure determined by the first pressure sensor in front of the expansion machine.
  • the exhaust bypass valve can be controlled very quickly and efficiently. Even a short-term overload of the components of the waste heat recovery assembly is thereby avoided.
  • a low-pressure region is formed in the working cycle between the expansion machine and the feed pump, wherein a second pressure sensor is arranged in the low-pressure region.
  • the second pressure sensor transmits signals to the controller, and the controller controls the exhaust bypass valve in response to these signals.
  • the first pressure sensor and the second pressure sensor are each placed at the location of the highest pressure of the high-pressure region or the low-pressure region.
  • the control unit determines on the basis of at least one pressure sensor - first or second pressure sensor - signals transmitted exceeding a pressure limit and then controls the exhaust bypass valve so that the exhaust gas mass flow is increased through the exhaust gas bypass channel. As a result, the exhaust gas mass flow through the
  • Evaporator reduces, it is fed less heat energy in the working circuit and the pressure in the working circuit decreases accordingly.
  • a temperature sensor is in the
  • the temperature sensor transmits signals to the
  • Control unit controls the exhaust gas bypass valve in response to these signals.
  • the working cycle especially the high pressure area can be protected from excessive temperatures, which means an increase in the service life.
  • the operating medium it is also possible for the operating medium to be in an optimal state of the working medium
  • Pressure and temperature can be adjusted.
  • the expansion machine can thus be operated very efficiently.
  • the temperature sensor transmits signals to the control unit, and the control unit controls the feed pump as a function of the temperature signals.
  • the control of the feed pump causes an increase or decrease of the working medium mass flow. This in turn leads to a pressure change in the working cycle.
  • the control unit activates the exhaust gas bypass valve. This can on the one hand the working medium and especially the components in the
  • High pressure area of the working circuit are protected from excessive temperatures, which means an increase in the service life.
  • the expansion machine can thus be operated very efficiently.
  • a further evaporator is arranged parallel to the evaporator in the working cycle, wherein the further evaporator is also arranged in a return duct for the exhaust gas back to the internal combustion engine.
  • the arrangement of several evaporators is the Waste heat recovery arrangement very efficiently executed. A regulation of the system pressure in the working cycle is particularly important because in certain operating situations, a very high amount of heat on the
  • Evaporator can be fed into the work cycle.
  • a distribution valve divides the mass flow of the working medium on the evaporator and on the other evaporator, wherein the
  • the control unit preferably uses all the data available to it for controlling the distributor valve, for example those arranged in the working cycle
  • two feed pumps can control the respective mass flows to the evaporator and to the further evaporator.
  • 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.
  • 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 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 tract 53 to the working circuit 2 can be transferred.
  • the collecting container 7 may be arranged in alternative embodiments in a secondary line or stub, not shown.
  • the working cycle 2 is thus subdivided in the flow direction of the working medium into two areas:
  • a first pressure sensor 11 is arranged in the high pressure region 2a, and in the low pressure region 2b, a second pressure sensor 12. The two of the
  • Pressure sensors 11, 12 detected signals are fed to a control unit 5. Furthermore, in the high pressure region 2 a between the evaporator 10 and the
  • a temperature sensor 13 is arranged, wherein the signals detected by it are also supplied to the control unit 5.
  • an exhaust gas bypass channel 61 is arranged parallel to the evaporator 10. Furthermore, in the exhaust tract 53 before the evaporator 10 a Exhaust bypass valve 60 is arranged, which the exhaust gas mass flow to the
  • the exhaust gas bypass valve 60 is preferably designed either as a switching valve or as a proportional valve and is controlled by the control unit 5.
  • the cooling circuit 20 comprises in the flow direction of the cooling medium
  • the condenser 4 is arranged both in the working circuit 2 and in the cooling circuit 20; that is, the capacitor 4 deprives the
  • a temperature sensor 37 is further arranged, preferably between the coolant pump 21 and the condenser 4. The of the
  • Temperature sensor 37 detected signals are also supplied to the control unit 5.
  • the control unit 5 controls the exhaust gas bypass valve 60 and optionally also the feed pump 6 as a function of the pressures determined by the two pressure sensors 11, 12 and in dependence on the temperature determined by the temperature sensor 13, thereby providing a pressure and temperature control in the working circuit 2. Furthermore, via the control of
  • Temperature sensor 37 detected temperature in the cooling circuit 20 and a temperature control in the cooling circuit 20 and a temperature control of the working fluid at the outlet of the condenser 4 done.
  • the coolant pump 21 and / or the cooler 35 or the fan 36 of the control unit are included in the cooling circuit 20 and a temperature control in the cooling circuit 20 and a temperature control of the working fluid at the outlet of the condenser 4 done.
  • further sensors both in the working cycle 2 and in the cooling circuit 20 and in the exhaust tract 53, can be used to make the regulation of the working cycle 2 and / or the regulation of the cooling circuit 20 even more accurate and efficient, if necessary also faster.
  • FIG. 2 shows schematically a further waste heat utilization arrangement 1 of an internal combustion engine 50.
  • the internal combustion engine 50 has a return duct 54.
  • Internal combustion engine 50 is supplied with fresh air 51 on the inlet side and optionally with 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. The exhaust gas passes via the end duct 55, if necessary also under
  • the evaporator 10 is arranged in the end channel 55. In the return channel 54, a further evaporator 40 is arranged.
  • the working circuit 2 comprises in the flow direction of the working medium the
  • the evaporator 10 is arranged, and in the second branch line 42, the further evaporator 40th
  • the collecting container 7 is hydraulically connectable via a branch line and a valve assembly 70 to the working circuit 2. This arrangement of
  • Collecting container 7 is possible as an alternative to all embodiments of the present invention.
  • the working circle 2 is thus in the flow direction of the working medium in two
  • Expansion machine 3 which also includes the two branch lines 41, 42 - the low pressure area 2b between the expansion machine 3 and the
  • the first pressure sensor 11 is arranged after the feed pump 6, and the second pressure sensor 12 in the low-pressure region 2 b.
  • the signals detected by the two pressure sensors 11, 12 are fed to the control device 5.
  • At least one temperature sensor 13 is arranged, wherein the signals detected by it are also supplied to the control unit 5.
  • the exhaust gas bypass channel 61 is arranged parallel to the evaporator 10. Furthermore, in the end channel 55 before the evaporator 10, the exhaust gas bypass valve 60 is arranged, the
  • Exhaust gas mass flow to the evaporator 10 and in the exhaust gas bypass channel 61 divides or controls.
  • the exhaust gas bypass valve 60 is preferably designed either as a switching valve or as a proportional valve and is of the
  • Control unit 5 controlled.
  • the control unit 5 also controls the feed pump 6 and the distribution valve 45 and thus the
  • the control unit 5 controls the exhaust gas bypass valve 60, the feed pump 6 and the distribution valve 45 as a function of the pressures determined by the two pressure sensors 11, 12 and in dependence on the Temperature sensor 13 detected temperature, so that thereby takes place a pressure and temperature control in the working circuit 2.
  • 3 schematically shows an alternative to Figure 2 according to the invention
  • Waste heat utilization arrangement 1 of an internal combustion engine 50 wherein only the essential areas are shown.
  • Fig.2 takes place in the embodiment of Figure 3 no regulation due to the signals of the two
  • the exhaust gas mass flows can be determined via models stored in the engine control unit.
  • Control unit 5 controls the exhaust gas bypass valve 60 as a function of the exhaust gas temperatures determined by the two temperature sensors 55a, 54a and in dependence on the exhaust gas mass flows determined by the two mass flow sensors 55b, 54b. The control is carried out based on at least one stored in the control unit 5 map.
  • sensors can also be used here, for example sensors of the internal combustion engine 50, in order to control the
  • waste heat recovery assembly 1 To make waste heat recovery assembly 1 even more accurate and efficient.
  • Waste heat utilization arrangement 1 of an internal combustion engine 50 wherein only the essential areas are shown.
  • the working cycle 2 of the embodiment of Figure 4 comprises in the flow direction of
  • Working medium a parallel circuit of the first branch line 41 and the second branch line 42, the expansion machine 3 and the condenser 4.
  • the feed pump 6 and the evaporator 10 are arranged in the first branch line 41.
  • the second branch line 42 a further feed pump 8 and the further evaporator 40 are arranged.
  • the collecting container 7 be arranged in the working circuit 2 or in a secondary line, not shown.
  • the evaporator 10 is also arranged in the end channel 55.
  • the further evaporator 40 is also arranged in the return duct 54.
  • the exhaust gas bypass channel 61 is arranged parallel to the evaporator 10 in the end channel 55.
  • Exhaust bypass valve 60 is upstream of the parallel circuit of the
  • Evaporator 10 and the exhaust gas bypass passage 61 is arranged and controls the division of the exhaust gas mass flow to the evaporator 10 and in the
  • the operation of the waste heat recovery assembly 1 is as follows:
  • the feed pump 6 promotes liquid working fluid under pressure in the
  • Evaporator 10 and / or optionally in the other evaporator 40 are Evaporator 10 and / or optionally in the other evaporator 40.
  • Evaporators 10, 40 will be the working medium according to the ideal
  • the Clausius-Rankine comparison cycle process is theoretically evaporated isobar and then fed to the expansion machine 3.
  • the gaseous working medium is expanded and thereby generates a mechanical power, which can be supplied, for example in the form of a torque of an output shaft of the internal combustion engine 50 or a generator.
  • the working medium is then liquefied again in the condenser 4 and then fed to the collecting tank 7 or the feed pump 6.
  • 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
  • the following sensors can be used, it also being possible to carry out any desired combinations: the first pressure sensor 11 in the high-pressure region 2a,
  • the sensors transmit data or signals to the control unit 5.
  • Control unit 5 can also be supplied with further data: For example, with a load or an operating point of the internal combustion engine 50 within a characteristic field, with exhaust gas mass flows in the exhaust tract 53, with
  • the exhaust gas bypass duct 61 is arranged parallel to the evaporator 10 in order to be able to bypass exhaust gas at the evaporator 10 when needed.
  • too high pressures and / or temperatures in the working circuit 2 are avoided.
  • Overload or rapid wear of the components of the waste heat recovery assembly 1 is thereby avoided, so that the life of the entire waste heat recovery assembly 1 increases.
  • control unit 5 controls to the exhaust gas bypass valve 60 and so shares the exhaust gas mass flow to the evaporator 10 and on the Exhaust bypass channel 61 on.
  • control unit 5 controls to the exhaust gas bypass valve 60 and so shares the exhaust gas mass flow to the evaporator 10 and on the Exhaust bypass channel 61 on.
  • control unit 5 controls to the exhaust gas bypass valve 60 and so shares the exhaust gas mass flow to the evaporator 10 and on the Exhaust bypass channel 61 on.
  • control unit 5 controls to the exhaust gas bypass valve 60 and so shares the exhaust gas mass flow to the evaporator 10 and on the Exhaust bypass channel 61 on.
  • the control unit 5 controls to the exhaust gas bypass valve 60 and so shares the exhaust gas mass flow to the evaporator 10 and on the Exhaust bypass channel 61 on.
  • the control unit 5 controls to the exhaust gas bypass valve 60 and so shares the exhaust gas mass flow to the evaporator 10 and on the Exhaust bypass channel 61 on.
  • the control unit 5 controls to the exhaust gas bypass valve 60
  • control unit 5 advantageously controls the exhaust gas bypass valve 60, which
  • Control coolant pump 21 of the cooling circuit 20 in order to achieve optimum cooling or complete condensation of the working medium in the condenser 4.
  • the life of the components of the waste heat recovery assembly 1 is increased and the waste heat recovery assembly 1 operated efficiently.
  • the heat input via the evaporator 10 - and optionally the further evaporator 40 - in the working circuit 2 is reduced as needed, which allows optimal design of the waste heat recovery assembly 1 in economic terms and at the same time ensures safe operation of the waste heat recovery assembly 1.
  • the cooling circuit 20 in certain operating points of the internal combustion engine 50 can be relieved as well.
  • characteristic maps stored in the control unit 5 can also be used. For example, then the exhaust gas bypass valve 60 of the control unit 5 in response to a
  • Waste heat utilization arrangement in particular based on the sensors mounted in the working cycle 2, provide the following possibilities: Control or regulation of the exhaust gas mass flow through the evaporator 10.
  • Control of the system pressure in the low pressure range 2b Control or regulation of the working medium temperature, in particular the steam temperature in the high pressure region 2a.
  • the exhaust gas bypass valve 60 is preferably activated accordingly.
  • the two feed pumps 6, 8. The pressures in the high pressure region 2a and 2b in the low pressure region are therefore controlled very quickly and efficiently. Furthermore, the regulation of the temperature in the high-pressure region 2 a is particularly advantageous.

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Abstract

Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine mit einem ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. In dem Arbeitskreislauf sind zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich und zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Abgastrakt ist parallel zu dem Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet. In dem Hochdruckbereich ist ein erster Drucksensor angeordnet.

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 WO 2013/028173 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. In dem Arbeitskreislauf sind zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich und zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der
Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Abgastrakt ist weiterhin ein
Abgasbypasskanal zur Umgehung des Verdampfers angeordnet.
Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung hat keine Steuerung bzw. Regelung der Drücke im Hochdruckbereich oder Niederdruckbereich des Arbeitskreislaufs. Dadurch besteht das Risiko einer Überlastung der Komponenten des
Arbeitskreislaufs.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Steuerung bzw. Regelung der Drücke im Hochdruckbereich und im Niederdruckbereich des Arbeitskreislaufs stattfindet. Dadurch wird die Lebensdauer und auch die Effektivität der
Abwärmenutzungsanordnung gesteigert. Weiterhin kann die
Expansionsmaschine durch eine Steuerung bzw. Regelung des
Arbeitsmediumdrucks im Hochdruckbereich besonders effizient betrieben werden.
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. In dem Arbeitskreislauf sind zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich und zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der
Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Abgastrakt ist parallel zu dem
Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet. Erfindungsgemäß ist in dem Hochdruckbereich ein erster Drucksensor angeordnet.
Dadurch kann in Abhängigkeit des von dem Drucksensor ermittelten Drucks der Abgasmassenstrom auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal aufgeteilt werden. Ein Druckanstieg im Hochdruckbereich über einen Grenzwert hinaus wird dadurch vermieden. Die Lebensdauer der gesamten
Abwärmenutzungsanordnung wird somit erhöht. Zusätzlich wird ein sicherer Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung gewährleistet. Weiterhin kann der für die Expansionsmaschine güngstigste bzw. effizienteste Druck des
Arbeitsmediums damit eingestellt werden. Steigt die der Abwärmenutzungsanordnung im Abgastrakt zur Verfügung stehende Abwärmeenergie an, so muss der Massenstrom des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf erhöht werden, um die Abwärmenutzungsanordnung in einem bestimmten Temperaturbereich zu betreiben. Besonders bei organischen Arbeitsmedien und der Bedingung, dass überhitzter Dampf am Eintritt der Expansionsmaschine für die Leistungsabgabe vorliegen muss, ist der
Temperaturbereich, innerhalb dessen die Abwärmenutzungsanordnung betrieben werden darf, klein. Folglich muss eine steigende Wärmezufuhr in den
Arbeitskreislauf über eine Steigerung des Arbeitsmediummassenstroms abgefangen werden. Betrachtet man ein System mit konstantem
Expansionsquerschnitt, so hat ein Arbeitsmediummassenstromanstieg einen Druckanstieg im Hochdruckbereich zur Folge.
Zudem steigt mit zunehmender Wärmeaufnahme und damit zunehmendem Arbeitsmediummassenstrom der Kühlleistungsbedarf im Kondensator an, um das Arbeitsmedium vollständig zu verflüssigen. Je nach zur Verfügung stehender und benötigter Kühlleistung resultiert ein bestimmter Dampf- und Flüssigkeitsanteil im Arbeitskreislauf. Wird mehr Kühlleistung benötigt als zur Verfügung steht, steigt der Dampfanteil im Arbeitskreislauf an, wodurch ein Druckanstieg im
Niederdruckbereich resultieren kann, wenn die Fluidmenge des Arbeitsmediums konstant ist, also beispielsweise ein Sammelbehälter für das Arbeitsmedium über ein Speiseventil vom Arbeitskreislauf getrennt ist.
Um den Druckanstieg sowohl im Niederdruck- als auch im Hochdruckbereich zu begrenzen, wird bei Überschreiten von definierten Druckgrenzwerten das Abgas in den Abgasbypasskanal derart geleitet, dass der gesamte Abgasmassenstrom oder zumindest ein Teil des zur Verfügung stehenden Abgasmassenstroms am Verdampfer vorbei geführt wird. Die Druckgrenzwerte liegen dabei unterhalb des maximal zulässigen Hochdrucks im System.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Niederdruckbereich ein zweiter Drucksensor angeordnet. Dadurch können die Drücke sowohl im
Hochdruckbereich als auch im Niederdruckbereich sehr effektiv geregelt werden. Vorzugsweise sind dabei beide Drucksensoren jeweils an der Stelle des maximalen Drucks im Hochdruckbereich bzw. im Niederdruckbereich
angebracht.
Alternativ zur Regelung kann jedoch auch eine Steuerung in Form eines
Kennfelds oder einer Funktion in einem Steuergerät verwendet werden. Die
Steuerung der Aufteilung des Abgasmassenstroms auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal kann dabei in Abhängigkeit des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine bzw. in Abhängigkeit der Abgasmassenströme und - temperaturen erfolgen. Vorteilhafterweise wird dazu die Sensorik der
Brennkraftmaschine verwendet. Alternativ oder zusätzlich können auch modellierte Werte aus einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine verwendet werden.
In vorteilhaften Ausführungen ist in dem Abgastrakt ein Abgasbypassventil stromaufwärts der Parallelschaltung aus dem Verdampfer und dem
Abgasbypasskanal angeordnet. Dadurch erfolgt die Aufteilung des
Abgasmassenstroms auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal auf einfache Art und Weise. Eine sehr schnelle und effiziente Druckregelung des Arbeitskreislaufs kann so durch die Ansteuerung des Abgasbypassventils erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist das Abgasbypassventil als Proportionalventil ausgeführt. Mit der Ausführung als Proportionalventil kann die Wärmemenge bedarfsgerecht an den Verdampfer abgeführt werden. Dadurch wird eine höhere
Leistungsabgabe an der Expansionsmaschine erzielt, und die gesamte
Abwärmenutzungsanordnung wird effizienter.
Alternativ dazu ist das Abgasbypassventil als Schaltventil ausgeführt. Dadurch kann das Abgasbypassventil besonders kostengünstig ausgeführt werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist in dem Hochdruckbereich zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine mindestens ein Temperatursensor angeordnet. Dadurch kann zum einen der Arbeitskreislauf auf eine nicht zu überschreitende Maximaltemperatur geregelt werden, zum anderen können auch Eintrittstemperatur und Eintrittsdruck in die Expansionsmaschine geregelt werden, so dass die Expansionsmaschine äußerst effizient betrieben wird. Der Wirkungsgrad der gesamten Abwärmenutzungsanordnung steigt dadurch. In vorteilhaften Ausführungen ist in dem Arbeitskreislauf parallel zu dem
Verdampfer ein weiterer Verdampfer angeordnet. Dadurch kann dem
Arbeitskreislauf weitere Wärmeenergie zugeführt werden, so dass die
Abgabeleistung der Expansionsmaschine erhöht wird. Alternativ kann in dem Arbeitskreislauf der weitere Verdampfer auch in Reihe zu dem Verdampfer angeordnet sein.
Vorzugsweise ist der weitere Verdampfer auch in einem Rückführkanal für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine angeordnet. Dadurch werden zwei Wärmequellen im Abgastrakt verwendet: Die Abgaswärme in dem
Rückführkanal, die ein sehr hohes Temperaturniveau aufweist, sowie die
Abgaswärme, vorzugsweise in einem Endkanal des Abgastrakts nach einer Abgasnachbehandlung, die sich durch einen hohen Abgasmassenstrom auszeichnet.
Will man diese beiden Wärmequellen effektiv nutzen, um die Leistungsabgabe der Abwärmenutzungsanordnung zu maximieren, so muss der maximale Druck im Arbeitskreislauf abhängig von der Wahl des Arbeitsmediums sowohl im Hochdruck- als auch im Niederdruckbereich entsprechend hoch gewählt werden, um die Abwärmenutzungsanordnung auch in Betriebspunkten mit besonders viel
Abgasenergie betreiben zu können. Dies hätte zur Folge, dass die Komponenten in der Abwärmenutzungsanordnung für einen höheren Druck ausgelegt werden müssten, was meist mit einer Zunahme an Gewicht und benötigtem Bauraum der Komponenten einhergehen würde. Zwar könnte in Betriebspunkten mit hohem Druckverhältnis an der Expansionsmaschine die Expanderleistung vergrößert werden, allerdings würden gleichzeitig auch die Systemkosten signifikant ansteigen, was sich wiederum nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit der
Abwärmenutzungsanordnung auswirken würde. Die vorliegende Erfindung dagegen ermöglicht die Nutzung beider Wärmequellen und gleichzeitig die Einhaltung von Druckbegrenzungen innerhalb des Arbeitskreislaufs. Vorzugsweise wird dies durch das Abgasbypassventil im Abgastrakt realisiert, mit dem das Abgas bei Bedarf am Verdampfer über den Abgasbypasskanal vorbeigeführt wird. Dadurch wird der Wärmeeintrag in den Arbeitskreislauf bei Bedarf entsprechend reduziert, was eine optimale Auslegung der
Abwärmenutzungsanordnung erlaubt.
In verschiedenen Ausführungen kann der Abgasbypasskanal dabei parallel zu dem Verdampfer oder zu dem weiteren Verdampfer angeordnet sein. Weiterhin können auch beide Verdampfer jeweils mit einem Abgasbypasskanal und vorzugsweise auch mit einem dazugehörigen Abgasbypassventil versehen werden.
Im Folgenden werden Verfahren zum Betreiben der
Abwärmenutzungsanordnung der Brennkraftmaschine beschrieben, die eine Druckregelung bzw. Drucksteuerung des Arbeitskreislaufs beinhalten:
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist einen ein
Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf auf, 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, wobei in dem Abgastrakt parallel zu dem Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet ist. Ein Abgasbypassventil teilt den Abgasmassenstrom auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal auf. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasbypassventil von einem Steuergerät derart angesteuert wird, dass ein maximaler Systemdruck des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf nicht überschritten wird.
Dadurch regelt das Steuergerät den Systemdruck in dem Arbeitskreislauf so, dass die Druckbelastung der im Arbeitskreislauf angeordneten Komponenten nicht über einen festgelegten Grenzwert ansteigt. Damit wird eine festgelegte Lebensdauer der Abwärmenutzungsanordnung gewährleistet. Gleichzeitig wird das Kosten- Nutzen- Verhältnis der Abwärmenutzungsanordnung optimiert, da teure und überdimensionierte Komponenten vermieden werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird für die Ansteuerung des Abgasbypassventils ein im Steuergerät hinterlegtes Kennfeld für die
Brennkraftmaschine verwendet. Dadurch kann das Abgasbypassventil auf einfache Art und Weise angesteuert werden. Auf die Anordnung von Sensorik, insbesondere von Drucksensoren, im Arbeitskreislauf kann so gegebenenfalls verzichtet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem Arbeitskreislauf zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich ausgebildet und in dem Hochdruckbereich ein erster Drucksensor angeordnet. Der erste Drucksensor übermittelt Signale an das Steuergerät, und das
Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch kann eine Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf vorgenommen werden, nämlich in Abhängigkeit des vom ersten Drucksensor ermittelten Hochdrucks vor der Expansionsmaschine. Das Abgasbypassventil kann dadurch sehr schnell und effizient angesteuert werden. Auch eine nur kurzzeitige Überlastung der Komponenten der Abwärmenutzungsanordnung wird dadurch vermieden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Arbeitskreislauf zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet, wobei in dem Niederdruckbereich ein zweiter Drucksensor angeordnet ist. Der zweite Drucksensor übermittelt Signale an das Steuergerät, und das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch erfolgt die Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf auch für den Niederdruckbereich. Die Komponenten des Niederdruckbereichs, beispielsweise der Kondensator, können demzufolge für einen maximalen Niederdruck ausgelegt werden.
Vorteilhafterweise sind der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor jeweils an der Stelle des höchsten Drucks des Hochdruckbereichs bzw. des Niederdruckbereichs platziert. In vorteilhaften Ausführungen des Verfahrens ermittelt das Steuergerät anhand der von mindestens einem Drucksensor - erster oder zweiter Drucksensor - übermittelten Signale ein Überschreiten eines Druckgrenzwertes und steuert daraufhin das Abgasbypassventil so an, dass der Abgasmassenstrom durch den Abgasbypasskanal erhöht wird. Dadurch wird der Abgasmassenstrom durch den
Verdampfer verringert, es wird weniger Wärmeenergie in den Arbeitskreislauf eingespeist und der Druck im Arbeitskreislauf sinkt demzufolge.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Temperatursensor in dem
Hochdruckbereich angeordnet. Der Temperatursensor übermittelt Signale an das
Steuergerät, und das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch kann zum einen der Arbeitskreislauf, speziell der Hochdruckbereich vor zu hohen Temperaturen geschützt werden, was eine Erhöhung der Lebensdauer bedeutet. Zum anderen kann jedoch auch ein für die jeweilige Betriebssituation optimaler Zustand des Arbeitsmediums bezüglich
Druck und Temperatur eingestellt werden. Die Expansionsmaschine kann dadurch sehr effizient betrieben werden.
In einer vorteilhaften Ausführung übermittelt der Temperatursensor Signale an das Steuergerät, und das Steuergerät steuert die Speisepumpe in Abhängigkeit der Temperatursignale an. Die Steuerung der Speisepumpe bewirkt eine Erhöhung bzw. Verringerung des Arbeitsmediummassenstroms. Dies führt wiederum zu einer Druckänderung im Arbeitskreislauf. Abhängig vom erfassten Drucksignalwert steuert das Steuergerät das Abgasbypassventil an. Dadurch können zum einen das Arbeitsmedium und speziell die Komponenten im
Hochdruckbereich des Arbeitskreislaufs vor zu hohen Temperaturen geschützt werden, was eine Erhöhung der Lebensdauer bedeutet. Zum anderen kann auch ein für die jeweilige Betriebssituation optimaler Zustand des Arbeitsmediums bezüglich Druck und Temperatur eingestellt werden. Die Expansionsmaschine kann dadurch sehr effizient betrieben werden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist in dem Arbeitskreislauf parallel zu dem Verdampfer ein weiterer Verdampfer angeordnet, wobei der weitere Verdampfer auch in einem Rückführkanal für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine angeordnet ist. Durch die Anordnung von mehreren Verdampfern ist die Abwärmenutzungsanordnung sehr effizient ausgeführt. Eine Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf ist dabei besonders wichtig, da in bestimmten Betriebssituationen eine sehr hohe Wärmemenge über die
Verdampfer in den Arbeitskreislauf eingespeist werden kann.
Vorteilhafterweise teilt ein Verteilerventil den Massenstrom des Arbeitsmediums auf den Verdampfer und auf den weiteren Verdampfer auf, wobei das
Verteilerventil von dem Steuergerät angesteuert. Das Steuergerät verwendet zur Ansteuerung des Verteilerventils vorzugsweise sämtliche ihm zur Verfügung stehenden Daten, beispielsweise die in dem Arbeitskreislauf angeordnete
Sensorik, oder auch die Sensorik der Brennkraftmaschine.
Alternativ können auch zwei Speisepumpen die jeweilgen Massenströme zu dem Verdampfer und zu dem weiteren Verdampfer steuern.
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.
Beschreibung Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50 mit einem ein Arbeitsmedium führenden
Arbeitskreislauf 2. Die Brennkraftmaschine 50 ist 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 Nebenleitung bzw. Stichleitung angeordnet sein.
Der Arbeitskreislauf 2 ist somit in Flussrichtung des Arbeitsmediums in zwei Bereiche unterteilbar:
einen Hochdruckbereich 2a zwischen der Speisepumpe 6 und der
Expansionsmaschine 3 und
einen Niederdruckbereich 2b zwischen der Expansionsmaschine 3 und der Speisepumpe 6.
Im Hochdruckbereich 2a ist ein erster Drucksensor 11 angeordnet, und im Niederdruckbereich 2b ein zweiter Drucksensor 12. Die von den beiden
Drucksensoren 11, 12 erfassten Signale werden einem Steuergerät 5 zugeführt. Weiterhin ist im Hochdruckbereich 2a zwischen dem Verdampfer 10 und der
Expansionsmaschine 3 ein Temperatursensor 13 angeordnet, wobei die von ihm erfassten Signale ebenfalls dem Steuergerät 5 zugeführt werden.
Im Abgastrakt 53 ist parallel zu dem Verdampfer 10 ein Abgasbypasskanal 61 angeordnet. Weiterhin ist im Abgastrakt 53 vor dem Verdampfer 10 ein Abgasbypassventil 60 angeordnet, das den Abgasmassenstrom zu dem
Verdampfer 10 und in den Abgasbypasskanal 61 aufteilt bzw. steuert. Das Abgasbypassventil 60 ist dabei vorzugsweise entweder als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt und wird von dem Steuergerät 5 angesteuert.
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, wobei der Kondensator 4 beispielsweise auch zwischen der Kühlmittelpumpe 21 und der Brennkraftmaschine 50 angeordnet sein kann. 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. Im Kühlkreislauf 20 ist weiterhin ein Temperaturfühler 37 angeordnet, bevorzugt zwischen der Kühlmittelpumpe 21 und dem Kondensator 4. Die von dem
Temperaturfühler 37 erfassten Signale werden ebenfalls dem Steuergerät 5 zugeführt.
Das Steuergerät 5 steuert das Abgasbypassventil 60 und optional auch die Speisepumpe 6 in Abhängigkeit der von den beiden Drucksensoren 11, 12 ermittelten Drücke und in Abhängigkeit der vom Temperatursensor 13 ermittelten Temperatur an, so dass dadurch eine Druck- und Temperaturregelung im Arbeitskreislauf 2 erfolgt. Weiterhin können über die Ansteuerung von
Speisepumpe 6 und/oder Abgasbypassventil 60 und über die vom
Temperaturfühler 37 ermittelte Temperatur im Kühlkreislauf 20 auch eine Temperaturregelung im Kühlkreislauf 20 sowie eine Temperaturregelung des Arbeitsmediums am Austritt des Kondensators 4 erfolgen. Optional können für die Temperaturregelung im Kühlkreislauf 20 auch die Kühlmittelpumpe 21 und/oder der Kühler 35 bzw. das Lüfterrad 36 von dem Steuergerät 5
angesteuert werden. Durch die Temperaturregelung des Arbeitsmediums am Austritt des Kondensators 4 kann sichergestellt werden, dass stets flüssiges Arbeitsmedium am Eintritt in die Speisepumpe 6 vorhanden ist. So kann die Speisepumpe 6 vor Kavitation geschützt werden, falls erforderlich. Diese Möglichkeit zur Regelung des Kühlkreislaufs 20 gilt auch für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele; allerdings wurde auf eine Darstellung des Kühlkreislaufs 20 in den zugehörigen Figuren verzichtet.
Optional können weitere Sensoren, sowohl im Arbeitskreislauf 2 als auch im Kühlkreislauf 20 und im Abgastrakt 53, verwendet werden, um die Regelung des Arbeitskreislaufs 2 und/oder die Regelung des Kühlkreislaufs 20 noch genauer und effizienter, gegebenenfalls auch schneller zu gestalten.
Fig.2 zeigt schematisch eine weitere Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50.
Die Brennkraftmaschine 50 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. Im Rückführkanal 54 ist ein weiterer Verdampfer 40 angeordnet.
Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums die
Speisepumpe 6, ein Verteilerventil 45, eine Parallelschaltung aus einer ersten Zweigleitung 41 und einer zweiten Zweigleitung 42, die Expansionsmaschine 3 und den Kondensator 4. In der ersten Zweigleitung 41 ist der Verdampfer 10 angeordnet, und in der zweiten Zweigleitung 42 der weitere Verdampfer 40.
In alternativen Ausführungen ist auch eine Reihenschaltung aus erstem
Verdampfer 10 und zweitem Verdampfer 40 möglich; ein Verteilerventil 45 kann bei derartigen Ausführungen entsprechend entfallen. Der Sammelbehälter 7 ist über eine Zweigleitung und eine Ventilanordnung 70 an den Arbeitskreislauf 2 hydraulisch anbindbar. Diese Anordnung des
Sammelbehälters 7 ist als Alternative für sämtliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich.
Der Arbeits kreis lauf 2 ist somit in Flussrichtung des Arbeitsmediums in zwei
Bereiche unterteilbar:
den Hochdruckbereich 2a zwischen der Speisepumpe 6 und der
Expansionsmaschine 3, der auch die beiden Zweigleitungen 41, 42 umfasst - den Niederdruckbereich 2b zwischen der Expansionsmaschine 3 und der
Speisepumpe 6.
Im Hochdruckbereich 2a ist nach der Speisepumpe 6 der erste Drucksensor 11 angeordnet, und im Niederdruckbereich 2b der zweite Drucksensor 12. Die von den beiden Drucksensoren 11, 12 erfassten Signale werden dem Steuergerät 5 zugeführt. Zwischen der Parallelschaltung aus den beiden Verdampfern 10, 40 und der Expansionsmaschine 3 ist mindestens ein Temperatursensor 13 angeordnet, wobei die von ihm erfassten Signale ebenfalls dem Steuergerät 5 zugeführt werden.
Im Abgastrakt 53, genauer im Endkanal 55, ist parallel zu dem Verdampfer 10 der Abgasbypasskanal 61 angeordnet. Weiterhin ist im Endkanal 55 vor dem Verdampfer 10 das Abgasbypassventil 60 angeordnet, das den
Abgasmassenstrom zu dem Verdampfer 10 und in den Abgasbypasskanal 61 aufteilt bzw. steuert. Das Abgasbypassventil 60 ist dabei vorzugsweise entweder als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt und wird von dem
Steuergerät 5 angesteuert. Vorteilhafterweise steuert das Steuergerät 5 auch die Speisepumpe 6 und das Verteilerventil 45 und damit den
Gesamtarbeitsmediummassenstrom und die Aufteilung des
Arbeitsmediummassenstroms in die beiden Zweigleitungen 41, 42 bzw. zu den beiden Verdampfern 10, 40. Das Steuergerät 5 steuert das Abgasbypassventil 60, die Speisepumpe 6 und das Verteilerventil 45 in Abhängigkeit der von den beiden Drucksensoren 11, 12 ermittelten Drücke und in Abhängigkeit der vom Temperatursensor 13 ermittelten Temperatur an, so dass dadurch eine Druck- und Temperaturregelung im Arbeitskreislauf 2 erfolgt. Fig.3 zeigt schematisch eine zur Fig.2 alternative erfindungsgemäße
Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Im Unterschied zur Fig.2 erfolgt in der Ausführung der Fig.3 keine Regelung aufgrund der Signale der beiden
Drucksensoren 11, 12, sondern eine Steuerung aufgrund der
Abgasmassenströme und Eintrittstemperaturen an den beiden Verdampfern 10, 40. Dazu sind im Endkanal 55 am Eintritt in den Verdampfer 10 ein
Temperatursensor 55a und ein Massenstromsensor 55b angeordnet und im Rückführkanal 54 am Eintritt in den weiteren Verdampfer 40 ein weiterer Temperatursensor 54a und ein weiterer Massenstromsensor 54b angeordnet. Alternativ zu den Massenstromsensoren 55b und 54b kann die Bestimmung der Abgasmassenströme über im Motorsteuergerät hinterlegte Modelle erfolgen. Das
Steuergerät 5 steuert das Abgasbypassventil 60 in Abhängigkeit der von den beiden Temperatursensoren 55a, 54a ermittelten Abgastemperaturen und in Abhängigkeit der von den beiden Massenstromsensoren 55b, 54b ermittelten Abgasmassenströme. Die Steuerung erfolgt dabei anhand von zumindest einem im Steuergerät 5 hinterlegten Kennfeld.
Optional können auch hier weitere Sensoren verwendet werden, beispielsweise Sensoren der Brennkraftmaschine 50, um die Steuerung der
Abwärmenutzungsanordnung 1 noch genauer und effizienter zu machen.
Fig.4 zeigt schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße
Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Arbeitskreislauf 2 der Ausführung der Fig.4 umfasst in Flussrichtung des
Arbeitsmediums eine Parallelschaltung aus der ersten Zweigleitung 41 und der zweiten Zweigleitung 42, die Expansionsmaschine 3 und den Kondensator 4. In der ersten Zweigleitung 41 sind die Speisepumpe 6 und der Verdampfer 10 angeordnet. In der zweiten Zweigleitung 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 Nebenleitung angeordnet sein.
Der Verdampfer 10 ist auch im Endkanal 55 angeordnet. Der weitere Verdampfer 40 ist auch im Rückführkanal 54 angeordnet. Der Abgasbypasskanal 61 ist parallel zu dem Verdampfer 10 im Endkanal 55 angeordnet. Das
Abgasbypassventil 60 ist stromaufwärts der Parallelschaltung aus dem
Verdampfer 10 und dem Abgasbypasskanal 61 angeordnet und steuert die Aufteilung des Abgasmassenstroms zu dem Verdampfer 10 und in den
Abgasbypasskanal 61.
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. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 2 und 3 können alternativ dementsprechend abgeändert werden.
Die Funktionsweise der Abwärmenutzungsanordnung 1 ist wie folgt: Die Speisepumpe 6 fördert flüssiges Arbeitsmedium unter Druck in den
Verdampfer 10 und/oder optional in den weiteren Verdampfer 40. In den
Verdampfern 10, 40 wird das Arbeitsmedium entsprechend dem idealen
Clausius- Rankine- Vergleichskreisprozess theoretisch 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 bzw. der Speisepumpe 6 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. Dazu können folgende Sensoren verwendet werden, wobei auch beliebige Kombinationen ausführbar sind: der erste Drucksensor 11 im Hochdruckbereich 2a,
der zweite Drucksensor 12 im Niederdruckbereich 2b,
der Temperatursensor 13 im Hochdruckbereich 2a zwischen Verdampfer
10 und Expansionsmaschine 3
der Temperaturfühler 37 im Kühlkreislauf 20
der erste Temperatursensor 55a im Endkanal 55
der erste Massenstromsensor 55b im Endkanal 55
der zweite Temperatursensor 54a im Rückführkanal 54
der zweite Massenstromsensor 54b im Rückführkanal 54.
Die Sensoren übermitteln Daten bzw. Signale an das Steuergerät 5. Das
Steuergerät 5 kann auch mit weiteren Daten gespeist werden: Beispielsweise mit einer Belastung bzw. einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 50 innerhalb eines Kennfeldes, mit Abgasmassenströmen im Abgastrakt 53, mit
Abgastemperaturen im Abgastrakt 53, oder auch mit einem vorausschauenden Streckenprofil bzw. Belastungsprofil für die Brennkraftmaschine 50. All diese Daten können demzufolge für die Ansteuerung der Abwärmenutzungsanordnung 1 verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist der Abgasbypasskanal 61 parallel zu dem Verdampfer 10 angeordnet, um im Bedarf Abgas an dem Verdampfer 10 vorbeileiten zu können. Dadurch werden zu hohe Drücke und/oder Temperaturen im Arbeitskreislauf 2 vermieden. Eine Überlastung bzw. ein schneller Verschleiß der Komponenten der Abwärmenutzungsanordnung 1 wird dadurch vermieden, so dass die Lebensdauer der gesamten Abwärmenutzungsanordnung 1 steigt.
Vorteilhafterweise steuert das Steuergerät 5 dazu das Abgasbypassventil 60 an und teilt so den Abgasmassenstrom auf den Verdampfer 10 und auf den Abgasbypasskanal 61 auf. Zusätzlich kann das Steuergerät 5 auch die
Speisepumpe 6 ansteuern, um den Massenstrom des Arbeitsmediums durch den Arbeitskreislauf 2 zu regeln.
In Ausführungsformen mit zwei parallel geschalteten Verdampfern 10, 40 steuert das Steuergerät 5 vorteilhafterweise das Abgasbypassventil 60, die
Speisepumpe 6 und das Verteilerventil 45 bzw. die Speisepumpe 6 und die weitere Speisepumpe 8 an. Weiterhin kann das Steuergerät 5 auch die
Kühlmittelpumpe 21 des Kühlkreislaufs 20 ansteuern, um eine optimale Kühlung bzw. vollständige Kondensation des Arbeitsmediums im Kondensator 4 zu erzielen.
Durch die Regelung der Drücke und optional auch der Temperaturen im
Hochdruckbereich 2a und im Niederdruckbereich 2b des Arbeitskreislaufs 2 wird die Lebensdauer der Komponenten der Abwärmenutzungsanordnung 1 erhöht und die Abwärmenutzungsanordnung 1 effizient betrieben. Der Wärmeeintrag über den Verdampfer 10 - und optional den weiteren Verdampfer 40 - in den Arbeitskreislauf 2 wird so bei Bedarf reduziert, was eine optimale Auslegung der Abwärmenutzungsanordnung 1 unter wirtschaftlichen Aspekten erlaubt und gleichzeitig einen sicheren Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung 1 gewährleistet. Zusätzlich kann so auch der Kühlkreislauf 20 in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 50 entlastet werden.
Alternativ zu dem Einsatz der Sensoren können auch im Steuergerät 5 hinterlegte Kennfelder verwendet werden. Beispielsweise kann dann das Abgasbypassventil 60 von dem Steuergerät 5 in Abhängigkeit eines
Betriebspunkts der Brennkraftmaschine 50 angesteuert werden.
Selbstverständlich sind zu den Ansteuerungen von Abgasbypassventil 60, Speisepumpe 6, weiterer Speisepumpe 8, Verteilerventil 45 und Kühlmittelpumpe 21 durch das Steuergerät 5 auch die Verwendung von Kombinationen aus Sensoren und Kennfeldern möglich.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der
Abwärmenutzungsanordnung 1, insbesondere anhand der im Arbeitskreislauf 2 angebrachten Sensoren, sehen folgende Möglichkeiten vor: Steuerung bzw. Regelung des Abgasmassenstroms durch den Verdampfer 10.
Steuerung bzw. Regelung des Systemdrucks im Hochdruckbereich 2a.
Steuerung bzw. Regelung des Systemdrucks im Niederdruckbereich 2b. Steuerung bzw. Regelung der Arbeitsmediumtemperatur, insbesondere der Dampftemperatur im Hochdruckbereich 2a.
Steuerung bzw. Regelung des Arbeitsmediummassenstroms durch das Verteilerventil 45 bzw. die Speisepumpen 6, 8.
Steuerung bzw. Regelung der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus dem Kondensator 4.
Für sämtliche Steuerungs- bzw. Regelungsvorgänge wird dabei vorzugsweise das Abgasbypassventil 60 entsprechend angesteuert. Zusätzlich werden für Ausführungen mit mehreren Verdampfern 10, 40 auch das Verteilerventil 45 und die Speisepumpe 6 angesteuert, bzw. ersatzweise die beiden Speisepumpen 6, 8. Die Drücke im Hochdruckbereich 2a und im Niederdruckbereich 2b werden demzufolge sehr schnell und effizient geregelt. Besonders vorteilhaft ist weiterhin die Regelung der Temperatur im Hochdruckbereich 2a.

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 in dem Arbeitskreislauf (2) zwischen der Speisepumpe (6) und der Expansionsmaschine (3) ein Hochdruckbereich (2a) und zwischen der Expansionsmaschine (3) und der Speisepumpe (6) ein Niederdruckbereich (2b) ausgebildet sind, wobei der Verdampfer (10) auch in einem Abgastrakt (53) der Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist, wobei in dem Abgastrakt (53) parallel zu dem Verdampfer (10) ein Abgasbypasskanal (61) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Hochdruckbereich (2a) ein erster Drucksensor (11) angeordnet ist.
2. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Niederdruckbereich (2b) ein zweiter Drucksensor (12) angeordnet ist.
3. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass in dem Abgastrakt (53) ein Abgasbypassventil (60) stromaufwärts der Parallelschaltung aus dem Verdampfer (10) und dem
Abgasbypasskanal (61) angeordnet ist.
4. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasbypassventil (60) als Proportionalventil ausgeführt ist.
5. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hochdruckbereich (2a) zwischen dem Verdampfer (10) und der Expansionsmaschine (3) ein Temperatursensor (13) angeordnet ist.
6. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Arbeitskreislauf (2) parallel zu dem Verdampfer (10) ein weiterer Verdampfer (40) angeordnet ist.
7. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Verdampfer (40) auch in einem Rückführkanal (54) für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist.
8. Verfahren zum Betrieb 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 in dem Abgastrakt (53) parallel zu dem Verdampfer (10) ein Abgasbypasskanal (61) angeordnet ist, wobei ein Abgasbypassventil (60) den Abgasmassenstrom auf den Verdampfer (10) und auf den Abgasbypasskanal (61) aufteilt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abgasbypassventil (60) von einem Steuergerät (5) derart angesteuert wird, dass ein maximaler Systemdruck des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf (2) nicht überschritten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die
Ansteuerung des Abgasbypassventils (60) ein im Steuergerät (5) hinterl
Kennfeld für die Brennkraftmaschine (50) verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei in dem Arbeitskreislauf (2) zwischen der Speisepumpe (6) und der Expansionsmaschine (3) ein
Hochdruckbereich (2a) ausgebildet ist und wobei in dem Hochdruckbereich (2a) ein erster Drucksensor (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drucksensor (11) Signale an das Steuergerät (5) übermittelt und das Steuergerät (5) das Abgasbypassventil (60) in Abhängigkeit dieser Signale ansteuert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Arbeitskreislauf (2) zwischen der Expansionsmaschine (2b) und der Speisepumpe (6) ein Niederdruckbereich (2b) ausgebildet ist und wobei in dem Niederdruckbereich (2b) ein zweiter
Drucksensor (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Drucksensor (12) Signale an das Steuergerät (5) übermittelt und das Steuergerät (5) das Abgasbypassventil (60) in Abhängigkeit dieser Signale ansteuert.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) anhand der von mindestens einem Drucksensor 11, 12 übermittelten Signale ein Überschreiten eines Druckgrenzwertes ermittelt und das Abgasbypassventil (60) so ansteuert, dass der Abgasmassenstrom durch den Abgasbypasskanal (61) erhöht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Temperatursensor (13) in dem Hochdruckbereich (2a) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (13) Signale an das Steuergerät (5) übermittelt und das Steuergerät (5) das Abgasbypassventil (60) in Abhängigkeit dieser Signale ansteuert.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei in dem Arbeitskreislauf (2) parallel zu dem Verdampfer (10) ein weiterer Verdampfer (40) angeordnet ist, wobei der weitere Verdampfer (40) auch in einem Rückführkanal (54) für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Verteilerventil (45) den Massenstrom des Arbeitsmediums auf den Verdampfer (10) und auf den weiteren Verdampfer (40) aufteilt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerventil (45) von dem Steuergerät angesteuert wird.
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