WO2017092956A1 - Abwärmerückgewinnungssystem einer brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben eines abwärmerückgewinnungssystems einer brennkraftmaschine - Google Patents

Abwärmerückgewinnungssystem einer brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben eines abwärmerückgewinnungssystems einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2017092956A1
WO2017092956A1 PCT/EP2016/076448 EP2016076448W WO2017092956A1 WO 2017092956 A1 WO2017092956 A1 WO 2017092956A1 EP 2016076448 W EP2016076448 W EP 2016076448W WO 2017092956 A1 WO2017092956 A1 WO 2017092956A1
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internal combustion
combustion engine
recovery system
heat recovery
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Peter Schwaderer
Frank Scholz
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a waste heat recovery system
  • the invention relates to a method for
  • This waste heat recovery system has a conventional structure with a working fluid circuit, wherein the
  • Residual heat of any waste heat flow of the internal combustion engine passes a torque generated from it into a drive train of the internal combustion engine and thus can improve the efficiency of the output train of the internal combustion engine and fuel savings of up to 5%.
  • Such a waste heat recovery system is basically designed so that it uses in particular the exhaust gas residual heat of an internal combustion engine to a thermodynamic steam power process (Rankine process) to generate mechanical energy.
  • Rankine process thermodynamic steam power process
  • Steam power process is the expansion machine, which relaxes the vaporous superheated working fluid with the release of labor or a torque to an output shaft of the expansion machine.
  • Expansion machine can be a turbomachine, for example a
  • Turbomachine or a positive displacement machine, a piston engine, a screw machine or a scroll.
  • the shaft work of the expansion machine is either delivered via a transmission to a drive train of the internal combustion engine or drives an electric machine, which generates electrical energy generated in an electrical system of the internal combustion engine or a vehicle on which the internal combustion engine is installed.
  • the invention is based on the object, a waste heat recovery system for an internal combustion engine and a method for operating such
  • Output shaft in particular a turbine shaft, the expansion machine is provided.
  • the corresponding method for operating a turbine shaft is provided.
  • Expansion machine could be required in a conventional system in particular for two reasons. First, it is desired that the Expansion machine in certain operating conditions of the internal combustion engine no torque to the output train with an output shaft, which is, for example, the crankshaft of the internal combustion engine emits. This is the case, for example, when a vehicle on which the internal combustion engine is installed is in a braking mode. Second, the expansion machine should be protected when the working fluid supplied to the expander is in a so-called wet steam zone. In this operating state
  • the turbine or the turbine wheel can be destroyed by condensation erosion.
  • the following mechanism occurs.
  • a condensation drop of the working fluid reaches the rapidly rotating turbine wheel. Due to the high relative velocity of the condensation droplet to the turbine wheel, it leads to erosion.
  • Speed reduction can be adjusted so that the expansion engine emits no torque to the output line of the internal combustion engine.
  • the speed reduction can be set to a speed of the turbine shaft of "zero.” Furthermore, with a speed reduction of the
  • Turbine is reduced to a level that is not critical to a drop erosion.
  • the speed of the turbine wheel must be selected so high that here also no
  • Drop erosion occurs.
  • the speed adjustment is thus a vote between the two mechanisms, which can lead to a drop erosion. If the pressure in front of the expansion engine increases too much due to the deceleration of the turbine shaft or the turbine wheel, the maximum pressure can optionally be set by means of a pressure limiting valve.
  • the device is an electrical machine. This is the preferred embodiment since an electric machine is present and this only needs to be controlled accordingly to adjust the speed of the turbine shaft.
  • the device is a hydraulic machine or a mechanical
  • a control device for the device is provided, in turn, in another embodiment, the control unit is preferably integrated in an internal combustion engine control unit.
  • the control unit is preferably integrated in an internal combustion engine control unit.
  • the speed reduction can be set as a function of the state of aggregation of the working fluid flowing into the expansion machine.
  • the torque request can be derived, for example, from the operating state of the internal combustion engine or of the vehicle, while the state of aggregation of the working fluid can be determined by measuring the temperature and pressure of the working fluid on the input side into the expansion machine.
  • FIG 1 is a circuit diagram of an inventively designed
  • Waste heat recovery system with a working fluid circuit.
  • the waste heat recovery system shown schematically in Figure 1 has a working fluid circuit 1 with at least one heat exchanger 2.
  • the heat exchanger 2 is designed as an evaporator or acts as such and is adapted to an internal combustion engine 5 for the recovery of generated during operation of the internal combustion engine 5 waste heat.
  • the at least one heat exchanger 2 flows through an exhaust gas flow 4 of the internal combustion engine 5 that is guided in an exhaust gas line 3 of the internal combustion engine and forms a waste heat flow.
  • a second heat exchanger 2 a which is used for example in a line in the form of an exhaust gas recirculation line 6 or other heat carrier line, be turned on before or after the heat exchanger 2 in the working fluid circuit 1.
  • the intake system 8 can also be designed as a charge air line system.
  • an exhaust-gas turbocharger 13 is provided, the turbine of which is driven by the exhaust-gas flow 4 in the exhaust-gas line 3 and whose supercharger compresses the combustion air guided in the charge-air line system.
  • the one or more heat exchangers 2, 2 a may possibly be bypassable via heat transfer bypass lines or exhaust gas bypass lines, not shown, in certain operating states of the internal combustion engine 5 of a vehicle on which the internal combustion engine is installed.
  • the internal combustion engine 5 is supplied during operation of fuel and combustion air in combustion chambers of the internal combustion engine 5 to generate
  • Performance to hot exhaust gas which forms the exhaust gas stream 4 during operation of the internal combustion engine 5, burn.
  • the exhaust gas stream 4 is finally discharged through the exhaust pipe 3, from which the exhaust gas recirculation line 6 branches off, into the environment.
  • the exhaust pipe 3 can before and / or behind the heat exchanger 2 exhaust muffler 9 and 10 devices for
  • the internal combustion engine 5 is
  • a self-igniting internal combustion engine which is operated with diesel fuel.
  • the diesel fuel is injected into the combustion chambers, for example by means of a common rail injection system.
  • Internal combustion engine can also be a spark-ignited gasoline-powered internal combustion engine, which may also have a common rail injection system.
  • the heat exchanger 2 and optionally the heat exchanger 2a are, as stated above, in turn part of the working fluid circuit 1, which in addition to at least the heat exchangers 2, an expansion machine 11, a condenser 12, a surge tank 14 and a fluid pump 15.
  • the total amount of the working fluid delivered by the working fluid circuit 1 may be adjusted by, for example, a speed change of the electrically driven fluid pump 15.
  • the expansion engine 11 may be, for example, a reciprocating engine or a turbine.
  • a turbine In the case of a turbine is usually a
  • Downstream reduction gear to reduce the high turbine speeds and adapt them to the speeds of a customer.
  • a fluid suitable for a Rankine process is brought to a high pressure by the fluid pump 15 and fed at least to the heat exchanger 2.
  • the fluid is in the
  • Heat exchanger 2 heated and under a high pressure in the vapor Condition convicted.
  • the steam thus generated is supplied to the expansion machine 11 and drives it under expansion of the working fluid.
  • Condenser 12 condensed and ultimately fed back to the fluid pump 15.
  • the surge tank 14 is turned on.
  • any further components in particular sensors for determining temperatures and pressures in different sections of the working fluid circuit 1 may be present.
  • the expansion machine 11 and its output shaft 19 is connected to a
  • Device in the form of an electric machine 16 is coupled, which is driven in the operation of the waste heat recovery system of the expansion machine 11 and generates electrical energy, which is stored for example in an accumulator 17. From the accumulator 17 is the stored
  • the expansion of the engine 11 connecting the electric machine 16 output shaft 19 is connected directly or via a transmission 18 with the engine 5 or in particular with the crankshaft to the power generated in a power take-off 20 of the
  • Internal combustion engine 5 initiate.
  • the output train 20 of the internal combustion engine is connected, for example via a transmission with a drive axle 21 of the vehicle in which the internal combustion engine 5 is installed.
  • the electric machine 16 In operating conditions in which no torque is to be delivered from the expander 11 to the power train 20, the electric machine 16 is connected as a brake, the speed of the turbine shaft of the
  • Expansion machine 11 representing output shaft 19 reduced.
  • a control unit 22 is provided, preferably as an engine control unit is trained or integrated in this and at the same time the operation of
  • the control unit 22 controls or regulates, depending on an operating state of the internal combustion engine 5, the expansion machine 11 and / or another component, the speed of the expansion machine 11 via the control of the electric machine 16 as a brake.
  • VTurbine-circumference is the peripheral speed of the turbine wheel of the expander 11 connected to the output shaft 19, and VFiuid-Tangentiai is the velocity of a condensation drop of the working fluid of the
  • Working fluid circuit 1 which enters or into the turbine wheel.
  • peripheral speed which corresponds to the turbine speed of the expansion machine 11
  • no appreciable moment is generated by the expansion machine 11 and, on the other hand, the risk of drop erosion on the turbine wheel of the expansion machine 11 is excluded by the working fluid.

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Abstract

Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen Arbeitsfluidkreislauf 1 mit zumindest einem in einem Abwärmestrom der Brennkraftmaschine 5 angeschalteten Wärmetauscher 2, 2a, eine mit einer elektrischen Maschine 16 gekoppelte Expansionsmaschine 11, einen Kondensator 12 und eine Fluidpumpe aufweist. Erfindungsgemäß wird ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine 5 und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abwärmerückgewinnungssystems angegeben, das gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass eine Vorrichtung zur Drehzahlreduzierung der Expansionsmaschine 11 vorgesehen ist beziehungsweise dass die Drehzahlreduzierung der Expansionsmaschine 11 in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 5 und/oder des Abwärmerückgewinnungssystems mittels der Vorrichtung, die insbesondere die elektrische Maschine 16 ist, einstellbar ist.

Description

Beschreibung Titel:
Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem einer
Brennkraftmaschine, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen
Arbeitsfluidkreislauf mit zumindest einem in einen Abwärmestrom der
Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, eine mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Fluidpumpe aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum
Betreiben eines derartigen Abwärmerückgewinnungssystems.
Stand der Technik
Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der
DE 10 2013 205 648 AI bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem weist einen üblichen Aufbau mit einem Arbeitsfluidkreislauf auf, wobei der
Arbeitsfluidkreislauf zumindest einen in einen Abwärmestrom einer
Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, eine mit einer elektrischen Maschine gekoppelte Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Fluidpumpe aufweist. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem nutzt die
Restwärme eines beliebigen Abwärmestroms der Brennkraftmaschine, leitet ein daraus erzeugtes Moment in einen Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine und kann somit den Wirkungsgrad des Abtriebsstrangs der Brennkraftmaschine verbessern und eine Kraftstoffersparnis von bis zu 5 % bewirken.
Ein solches Abwärmerückgewinnungssystem ist grundsätzlich so ausgelegt, dass es insbesondere die Abgasrestwärme einer Brennkraftmaschine nutzt, um durch einen thermodynamischen Dampfkraftprozess (Rankine-Prozess) mechanische Energie zu erzeugen. Eine zentrale Komponente des
Dampfkraftprozesses ist die Expansionsmaschine, welche das dampfförmige überhitzte Arbeitsfluid unter Abgabe von Arbeit beziehungsweise eines Moments an eine Abtriebswelle der Expansionsmaschine entspannt. Als
Expansionsmaschine kann eine Strömungsmaschine, beispielsweise eine
Turbomaschine oder eine Verdrängermaschine, eine Kolbenmaschine, eine Schraubenmaschine oder ein Scroll eingesetzt werden. Die Wellenarbeit der Expansionsmaschine wird entweder über ein Getriebe an einen Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine abgegeben oder aber treibt eine elektrische Maschine an, welche erzeugte elektrische Energie in ein Bordnetz der Brennkraftmaschine beziehungsweise eines Fahrzeugs, an dem die Brennkraftmaschine verbaut ist, einspeist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen
Abwärmerückgewinnungssystems anzugeben, das gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur
Drehzahlreduzierung insbesondere einer ein Turbinenrad tragenden
Abtriebswelle, insbesondere einer Turbinenwelle, der Expansionsmaschine vorgesehen ist. Das entsprechende Verfahren zum Betreiben eines
Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine sieht vor, dass eine
Drehzahlreduzierung einer ein Turbinenrad tragenden Abtriebswelle der Expansionsmaschine in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der
Brennkraftmaschine und/oder des Abwärmerückgewinnungssystems einstellbar ist. Durch diese Ausgestaltung beziehungsweise dieses Verfahren kann ein bisher zur Umgehung der Expansionsmaschine vorhandener Bypass mit einem
Bypassventil eingespart werden. Dadurch ist eine Kostenersparnis darstellbar und durch den Wegfall von bisher verbauten Komponenten wird eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems erreicht. Eine Umgehung der
Expansionsmaschine konnte bei einem herkömmlichen System insbesondere aus zwei Gründen erforderlich sein. Erstens ist gewünscht, dass die Expansionsmaschine bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kein Moment an den Abtriebsstrang mit einer Abtriebswelle, die beispielsweise die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ist, abgibt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn sich ein Fahrzeug, an dem die Brennkraftmaschine verbaut ist, in einem Bremsbetrieb befindet. Zweitens soll die Expansionsmaschine geschützt werden, wenn sich das der Expansionsmaschine zugeführte Arbeitsfluid in einem sogenannten Nassdampfbereich befindet. In diesem Betriebszustand
beziehungsweis Aggregatzustand kann die Turbine beziehungsweise das Turbinenrad durch Kondensationserosion zerstört werden. Dabei tritt folgender Mechanismus auf. Ein Kondensationstropfen des Arbeitsfluids gelangt auf das schnell drehende Turbinenrad. Durch die hohe Relativgeschwindigkeit von dem Kondensationstropfen zu dem Turbinenrad kommt es zu einer Erosion. Dadurch, dass nunmehr eine Vorrichtung zur Drehzahlreduzierung der die Turbinenwelle darstellenden Abtriebswelle vorgesehen ist, kann das Arbeitsfluid immer durch die Expansionsmaschine geleitet werden, ohne dass die zuvor beschriebenen Nachteile beziehungsweise Problemfälle auftreten. So kann eine
Drehzahlreduzierung so eingestellt werden, dass die Expansionsmaschine kein Moment an den Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine abgibt. Dabei kann die Drehzahlreduzierung bis zu einer Drehzahl der Turbinenwelle von„Null" eingestellt werden. Weiterhin wird bei einer Drehzahlreduzierung der
Turbinenwelle und damit des Turbinenrads erreicht, dass die
Relativgeschwindigkeit eines Tropfens des Arbeitsfluids in Bezug zu dem
Turbinenrad auf ein Mass reduziert wird, welches unkritisch bezüglich einer Tropfenerosion ist. Um zu vermeiden, dass nun das einströmende Arbeitsfluid eine zu hohe Relativgeschwindigkeit zu dem Turbinenrad hat, muss die Drehzahl des Turbinenrads so hoch gewählt werden, dass hier ebenfalls keine
Tropfenerosion entsteht. Die Drehzahleinstellung ist somit eine Abstimmung zwischen den beiden Mechanismen, welche zu einer Tropfenerosion führen können. Falls nun durch das Abbremsen der Turbinenwelle beziehungsweise des Turbinenrads der Druck vor der Expansionsmaschine zu stark steigt, kann gegebenenfalls durch ein Druckbegrenzungsventil der maximale Druck eingestellt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung eine elektrische Maschine. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltungsform, da eine elektrische Maschine vorhanden ist und diese nur entsprechend angesteuert werden muss, um die Drehzahl der Turbinenwelle einzustellen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Vorrichtung eine hydraulische Maschine oder eine mechanische
Einrichtung ist. Dabei können auch verschiedene Systeme miteinander kombiniert sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Steuergerät für die Vorrichtung vorgesehen, wobei wiederum in weiterer Ausgestaltung das Steuergerät bevorzugt in ein Brennkraftmaschinensteuergerät integriert ist. Eine solche Ausgestaltung ist quasi ohne nennenswerten Mehraufwand umsetzbar, wobei insbesondere dann, wenn die Vorrichtung die elektrische Maschine ist, ein ohnehin vorhandenes Steuergerät durch Ergänzung der Steuerfunktion genutzt werden kann.
In Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben des
Abwärmerückgewinnungssystems ist vorgesehen, dass die Drehzahlreduzierung bei der direkt mit dem Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine gekoppelten Expansionsmaschine in Abhängigkeit eines in die Abtriebswelle einzuleitenden Moments einstellbar ist.
In weiterer Ausgestaltung ist die Drehzahlreduzierung in Abhängigkeit des Aggregatzustands des in die Expansionsmaschine einströmenden Arbeitsfluids einstellbar. Der Momentenwunsch ist beispielsweise aus dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Fahrzeugs herleitbar, während der Aggregatzustand des Arbeitsfluids durch Messung von Temperatur und Druck des Arbeitsfluids eingangsseitig in die Expansionsmaschine ermittelt werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Drehzahlreduzierung so einstellbar, dass gilt Vlurbine-Umfang = 0,5 X Vpiuid -Tangential- Hierbei ist VTurbine -Umfang öle
Umfangsgeschwindigkeit des mit der Abtriebswelle verbundenen Turbinenrads der Expansionsmaschine und VFiuid-Tangentiai die Geschwindigkeit eines
Kondensationstropfens des Arbeitsfluids des Arbeitsfluidkreislaufs, der auf beziehungsweise in das Turbinenrad gelangt. Somit ist eine Turbinendrehzahl eingestellt, bei der einerseits kein nennenswertes Moment von der Expansionsmaschine erzeugt wird und andererseits die Gefahr von einer Tropfenerosion ausgeschlossen ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.
Es zeigt:
Figur 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Abwärmerückgewinnungssystems mit einem Arbeitsfluidkreislauf.
Das in Figur 1 schematisch dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf 1 mit zumindest einem Wärmetauscher 2 auf. Der Wärmetauscher 2 ist als Verdampfer ausgebildet beziehungsweise fungiert als solcher und ist an einer Brennkraftmaschine 5 zur Rückgewinnung von beim Betrieb der Brennkraftmaschine 5 erzeugter Abwärme adaptiert. Dabei ist der zumindest eine Wärmetauscher 2 von einem in einer Abgasleitung 3 der Brennkraftmaschine geführten und einen Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 4 der Brennkraftmaschine 5 durchströmt. Zusätzlich zu dem beschriebenen ersten Wärmetauscher 2 kann ein zweiter Wärmetauscher 2a, der beispielsweise in einer Leitung in Form einer Abgasrückführleitung 6 oder einer sonstigen Wärmeträgerleitung eingesetzt ist, vor oder hinter dem Wärmetauscher 2 in den Arbeitsfluidkreislauf 1 eingeschaltet sein. Über die Abgasrückführleitung 6 wird dem Abgasstrom 4 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert über ein Abgasrückführleitungsventil 7 einem Brennluft führenden Ansaugsystem 8 der Brennkraftmaschine 5 zugeführt. Das Ansaugsystem 8 kann dabei auch als Ladeluftleitungssystem ausgebildet sein. In diesem Fall ist ein Abgasturbolader 13 vorgesehen, dessen Turbine von dem Abgasstrom 4 in der Abgasleitung 3 angetrieben wird und dessen Lader die in dem Ladeluftleitungssystem geführte Brennluft verdichtet. Der oder die Wärmetauscher 2, 2a kann/können ggf. über nicht dargestellte Wärmeträgerbypassleitungen oder Abgasbypassleitungen bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 5 eines Fahrzeugs, an dem die Brennkraftmaschine verbaut ist, umgehbar sein. Der Brennkraftmaschine 5 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine 5 unter Erzeugung von
Arbeitsleistung zu heißem Abgas, das bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 5 den Abgasstrom 4 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 4 durch die Abgasleitung 3, von der auch die Abgasrückführleitung 6 abzweigt, letztendlich in die Umgebung abgeführt. In der Abgasleitung 3 können vor und/oder hinter dem Wärmetauscher 2 Abgasschalldämpfer 9 sowie Einrichtungen 10 zur
Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter eingebaut sein. Die Brennkraftmaschine 5 ist
beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common- Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt. Die
Brennkraftmaschine kann aber auch eine fremdgezündete mit Benzin betriebene Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common- Rail-Einspritzsystem aufweisen kann.
Der Wärmetauscher 2 und gegebenenfalls der Wärmetauscher 2a sind, wie zuvor ausgeführt, ihrerseits Teil des Arbeitsfluidkreislaufs 1, der neben zumindest dem Wärmetauschern 2 eine Expansionsmaschine 11, einen Kondensator 12, einen Ausgleichsbehälter 14 und eine Fluidpumpe 15 aufweist.
Die Gesamtmenge des durch den Arbeitsfluidkreislauf 1 geförderten Arbeitsfluids kann beispielsweise durch eine Drehzahländerung der elektrisch angetriebenen Fluidpumpe 15 eingestellt werden.
Die Expansionsmaschine 11 kann beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine sein. Im Falle einer Turbine wird normalerweise ein
Reduktionsgetriebe nachgeschaltet, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und diese an die Drehzahlen eines Abnehmers anzupassen.
Beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems wird von der Fluidpumpe 15 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid auf einen hohen Druck gebracht und zumindest dem Wärmetauscher 2 zugeführt. Das Fluid wird in dem
Wärmetauscher 2 erhitzt und unter einem hohen Druck in den dampfförmigen Zustand überführt. Der so erzeugte Dampf wird der Expansionsmaschine 11 zugeführt und treibt diese unter Expandierung des Arbeitsfluids an.
Das der Expansionsmaschine 11 zugeführte Arbeitsfluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über eine Abtriebswelle 19 abgeführt wird. Danach wird der entspannte, abgekühlte Dampf in dem
Kondensator 12 kondensiert und letztendlich wieder der Fluidpumpe 15 zugeführt. In die Verbindungsleitung zwischen der Fluidpumpe 15 und dem Wärmetauscher 2 ist der Ausgleichsbehälter 14 eingeschaltet.
Neben den zuvor beschriebenen Komponenten können noch beliebige weitere Komponenten, insbesondere Sensoren zur Ermittlung von Temperaturen und Drücken in verschiedenen Abschnitten des Arbeitsfluidskreislaufs 1 vorhanden sein.
Die Expansionsmaschine 11 bzw. deren Abtriebswelle 19 ist mit einer
Vorrichtung in Form einer elektrischen Maschine 16 gekoppelt, die beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems von der Expansionsmaschine 11 angetrieben wird und elektrische Energie erzeugt, die beispielsweise in einem Akkumulator 17 gespeichert wird. Aus dem Akkumulator 17 ist die gespeicherte
Energie bedarfsweise abrufbar.
Vorzugsweise ist die die Expansionsmaschine 11 mit der elektrischen Maschine 16 verbindende Abtriebswelle 19 direkt oder über ein Getriebe 18 mit der Brennkraftmaschine 5 beziehungsweise insbesondere mit deren Kurbelwelle verbunden, um die erzeugte Leistung in einen Abtriebsstrang 20 der
Brennkraftmaschine 5 einzuleiten. Der Abtriebsstrang 20 der Brennkraftmaschine ist beispielsweise über ein Getriebe mit einer Antriebsachse 21 des Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine 5 verbaut ist, verbunden.
In Betriebszuständen, in denen kein Moment von der Expansionsmaschine 11 an dem Abtriebsstrang 20 abgegeben werden soll, wird die elektrische Maschine 16 als Bremse geschaltet, die die Drehzahl der die Turbinenwelle der
Expansionsmaschine 11 darstellende Abtriebswelle 19 reduziert. Dazu ist ein Steuergerät 22 vorgesehen, das bevorzugt als Brennkraftmaschinensteuergerät ausgebildet oder in dieses integriert ist und gleichzeitig den Betrieb der
Brennkraftmaschine 5 mit all deren Komponenten steuert. Das Steuergerät 22 steuert beziehungsweise regelt in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 5, der Expansionsmaschine 11 und/oder einer sonstigen Komponente die Drehzahl der Expansionsmaschine 11 über die Ansteuerung der elektrischen Maschine 16 als Bremse. Dabei ist die Drehzahlreduzierung bevorzugt so einstellbar, dass gilt VTurbine-umfang = 0,5 x VFiuid-Tangentiai. Hierbei ist VTurbine-umfang die Umfangsgeschwindigkeit des mit der Abtriebswelle 19 verbundenen Turbinenrads der Expansionsmaschine 11 und VFiuid-Tangentiai die Geschwindigkeit eines Kondensationstropfens des Arbeitsfluids des
Arbeitsfluidkreislaufs 1, der auf beziehungsweise in das Turbinenrad gelangt. Bei der zuvor angegebenen Umfangsgeschwindigkeit, die der Turbinendrehzahl der Expansionsmaschine 11 entspricht, wird einerseits kein nennenswertes Moment von der Expansionsmaschine 11 erzeugt und andererseits ist die Gefahr von einer Tropfenerosion an dem Turbinenrad der Expansionsmaschine 11 durch das Arbeitsfluid ausgeschlossen.

Claims

Ansprüche
1. Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine (5), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen Arbeitsfluidkreislauf (1) mit zumindest einem in einen Abwärmestrom der Brennkraftmaschine (5)
angeschalteten Wärmetauscher (2, 2a), eine mit einer elektrischen Maschine (16) gekoppelte Expansionsmaschine (11), einen Kondensator (12) und eine Fluidpumpe (15) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Drehzahlreduzierung der Expansionsmaschine (11) vorgesehen ist.
2. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die elektrische Maschine (16) ist.
3. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine hydraulische Maschine oder eine mechanische Einrichtung ist.
4. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (22) für die Vorrichtung vorgesehen ist.
5. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (22) in ein
Brennkraftmaschinensteuergerät integriert ist.
6. Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine (5), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen Arbeitsfluidkreislauf (1) mit zumindest einem in einen Abwärmestrom der Brennkraftmaschine (5) eingeschalteten Wärmetauscher (2, 2a), eine mit einer elektrischen Maschine (16) gekoppelte Expansionsmaschine (11), einen
Kondensator (12) und eine Fluidpumpe 15 aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahlreduzierung der
Expansionsmaschine (11) in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der
Brennkraftmaschine (5) und/oder des Abwärmerückgewinnungssystems einstellbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlreduzierung bei einer direkt mit einer Abtriebswelle (19) der Brennkraftmaschine (5) zusammenwirkenden
Expansionsmaschine (11) in Abhängigkeit eines in die Abtriebswelle (19) einzuleitenden Moments einstellbar ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlreduzierung in Abhängigkeit des
Aggregatzustandes des in die Expansionsmaschine (11) einströmenden
Arbeitsfluids einstellbar ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlreduzierung so einstellbar ist, dass gilt: VTurbine-Umfang = 0,5 X V Fluid-Tangential, Wobei Vlurbine-Umfang die
Umfangsgeschwindigkeit eines mit der Abtriebswelle (19) verbundenen
Turbinenrads der Expansionsmaschine (11) und VFiuid-Tangentiai die Geschwindigkeit eines Kondensationstropfens des Arbeitsfluids des Arbeitsfluidkreislaufs 1 ist, der auf beziehungsweise in das Turbinenrad gelangt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlreduzierung mittels einer
Vorrichtung, insbesondere der elektrischen Maschine, einstellbar ist.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016222020A1 (de) * 2016-11-09 2018-05-09 Mahle International Gmbh Antriebssystem

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2204902A1 (de) * 2007-10-17 2010-07-07 Sanden Corporation Abwärme nutzende vorrichtung für einen verbrennungsmotor
JP2013044253A (ja) * 2011-08-23 2013-03-04 Mitsubishi Electric Corp 排熱回生システム
WO2013091669A1 (en) * 2011-12-21 2013-06-27 Volvo Lastvagnar Ab A turbo compound transmission and a method for controlling a turbo compound transmission
DE102012203478A1 (de) * 2012-03-06 2013-09-12 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine
DE102013205648A1 (de) 2012-12-27 2014-07-03 Robert Bosch Gmbh System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine
JP2014125991A (ja) * 2012-12-27 2014-07-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 排熱回収発電装置の運転監視システム
CN103939157A (zh) * 2014-04-18 2014-07-23 国电科学技术研究院 一种超超临界二次再热双轴汽轮机低压轴低速运行方法
WO2016201460A1 (de) * 2015-06-15 2016-12-22 Avl List Gmbh Brennkraftmaschine mit einem abwärmerückgewinnungssystem

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006207396A (ja) * 2005-01-25 2006-08-10 Honda Motor Co Ltd ランキンサイクル装置
DE102010001118B4 (de) * 2010-01-22 2021-05-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Dampfkraftanlage
DE102014206033A1 (de) * 2014-03-31 2015-10-01 Mtu Friedrichshafen Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Systems für einen thermodynamischen Kreisprozess, Steuereinrichtung für ein System für einen thermodynamischen Kreisprozess, System, und Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem System

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2204902A1 (de) * 2007-10-17 2010-07-07 Sanden Corporation Abwärme nutzende vorrichtung für einen verbrennungsmotor
JP2013044253A (ja) * 2011-08-23 2013-03-04 Mitsubishi Electric Corp 排熱回生システム
WO2013091669A1 (en) * 2011-12-21 2013-06-27 Volvo Lastvagnar Ab A turbo compound transmission and a method for controlling a turbo compound transmission
DE102012203478A1 (de) * 2012-03-06 2013-09-12 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine
DE102013205648A1 (de) 2012-12-27 2014-07-03 Robert Bosch Gmbh System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine
JP2014125991A (ja) * 2012-12-27 2014-07-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 排熱回収発電装置の運転監視システム
CN103939157A (zh) * 2014-04-18 2014-07-23 国电科学技术研究院 一种超超临界二次再热双轴汽轮机低压轴低速运行方法
WO2016201460A1 (de) * 2015-06-15 2016-12-22 Avl List Gmbh Brennkraftmaschine mit einem abwärmerückgewinnungssystem

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