WO2017162319A1 - Abwärmerückgewinnungssystem - Google Patents

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WO2017162319A1
WO2017162319A1 PCT/EP2016/077992 EP2016077992W WO2017162319A1 WO 2017162319 A1 WO2017162319 A1 WO 2017162319A1 EP 2016077992 W EP2016077992 W EP 2016077992W WO 2017162319 A1 WO2017162319 A1 WO 2017162319A1
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fluid
slide
recovery system
waste heat
heat recovery
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PCT/EP2016/077992
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Benjamin Schweizer
Peter Schwaderer
Frank Scholz
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
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    • F16K3/24—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members
    • F16K3/26—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members with fluid passages in the valve member
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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 recovery system with a
  • Working fluid circuit comprising one in an exhaust pipe of a
  • Working fluid circuit which has the usual components. These are essentially one in an exhaust pipe of an internal combustion engine
  • an expansion machine with the valve controlled by a bypass, a condenser and a working fluid pump.
  • the expansion machine is torque-free switchable.
  • the bypass and the valve are arranged within the expansion machine or integrated into this.
  • the invention has for its object to provide a waste heat recovery system, which is improved in terms of its function.
  • valve is a directional valve connecting a fluid inlet with an expansion machine fluid outlet and / or a bypass fluid outlet, in particular a 3/2 directional control valve, and that a switched connection fluid outlet to expander fluid output is leak free to the bypass fluid outlet.
  • This 3/2-way valve can either flow over the working fluid flowing in the working fluid circuit
  • a first task of this 3/2-way valve is, for example in the case of a mechanical connection of the expansion engine to a crankshaft of the internal combustion engine, at a torque request of "zero" to direct the working fluid directly to the condenser, so that the
  • Expander of the working fluid is not driven and thus gives no torque to the crankshaft.
  • a second purpose of the 3/2 way valve is to protect the expansion machine when the working fluid is in a wet steam area. In an expander operation, in which the expansion machine is intended to be flowed through by the working fluid, a leakage in the direction of the bypass, which would represent a deterioration of the efficiency of the expansion machine,
  • Expansionsmaschinenfluidausgang in a further embodiment of the invention less than 10% of the maximum volume flow of the working fluid through the
  • Working fluid circuit preferably less than 1% of the maximum volume flow.
  • the 3/2 way valve has a slide (in the form of a piston) with two oppositely controlled by the slide Switch positions on.
  • the switching positions of the slider by a slide seat at the bypass fluid outlet and a
  • Expansionsmaschinenausgangssitz be defined at the expansion engine fluid output or occupied. This is one possible
  • Embodiment in which a small stroke of the slider can be realized, which in turn a simple cost-effective construction of a
  • Actuating element for the adjustment of the slide can be displayed.
  • the switch positions of the spool may be replaced by a spool seat at the bypass fluid exit and as a replacement for the one expansion machine exit seat in the
  • This embodiment is fundamentally similar in function to the first embodiment, wherein here the necessary stroke of the slider is longer because of the overlap to be realized.
  • Embodiment of the 3/2-way valve Embodiment of the 3/2-way valve.
  • bypass fluid outlet has a
  • the slide seat is arranged on a slide bottom wall of the piston-shaped slide (opposite to the side of the connection of a Aktorschaltstange) and wherein the Slider bottom wall has at least one passage opening, which allows throttle-free flow of the working fluid.
  • Expansionsmaschinenausgang can be established or adjusted by a corresponding clearance between the slide and the slide housing.
  • the leakage but also by a
  • Leckagesrosselbohrung be established in the slide.
  • the slide is combined with an actuator.
  • the actuator may be designed as an electromagnet or else be configured or driven pneumatically, hydraulically or electromagnetically in other embodiments.
  • waste heat recovery system designed in this way has the following advantages:
  • Expansion engine fluid output adjusted to heat the expander for example,
  • Figure 1 is a schematic diagram of an expansion machine
  • waste heat recovery system having a waste heat recovery system with a working fluid circuit wherein the waste heat recovery system is attached to an internal combustion engine
  • FIG. 2a shows a first exemplary embodiment of a valve-controlled bypass of the working fluid circuit to an expansion machine in a first switching position
  • FIG. 2b shows a first exemplary embodiment of a valve-controlled bypass of the working fluid circuit to an expansion machine in a second switching position
  • FIG. 3a shows a second embodiment of a valve-controlled bypass of the working fluid circuit to an expansion machine in a first switching position
  • Figure 3b shows a second embodiment of a controlled by a valve bypass of the working fluid circuit to an expansion machine in a second switching position.
  • FIG. 1 shows a waste heat recovery system 1 which is installed on an internal combustion engine 2 having a cooling system (not further illustrated).
  • the internal combustion engine 2 also has a fresh gas line 3 and a
  • Exhaust line 4 switched turbine 7 is driven, is compressed.
  • the compressor 6, a charge air cooler 8 and a throttle valve 9 are connected downstream.
  • the individual combustion chambers of the internal combustion engine 2 with simultaneous supply of fuel, such as diesel fuel, supplied fresh gas burns in the combustion chambers of the internal combustion engine 2 generating work, for example, via a connected to the transmission of a gear with the crankshaft of the engine 2 output shaft 10 to a drive axle 11th is discharged, with which any vehicle in which the internal combustion engine 2 is installed, is driven.
  • About the exhaust pipe 4 burned in the combustion chambers of the internal combustion engine 2 mixture of fuel and fresh gas is finally discharged as a hot exhaust gas into the environment.
  • the exhaust pipe 4 is connected to the fresh gas line 3 via a
  • Exhaust gas recirculation line 12 is connected to a switched exhaust gas recirculation cooler 13 and an exhaust gas recirculation valve 14. Controlled via the exhaust gas recirculation line 12 exhaust gas in the fresh gas line 3 in particular to reduce the harmful exhaust emissions. Downstream of the turbine 7, an exhaust aftertreatment device 15 is also provided to reduce the harmful exhaust emissions. Further downstream is in the exhaust pipe 4, a heat exchanger in the form of a superheater 16 of the
  • Abracerm recovery system 1 is turned on, which has a
  • Exhaust line bypass 17 is bypassed controlled.
  • the superheater 16 is in a working fluid circuit 18 of the waste heat recovery system 1 - as will be explained below - involved.
  • the internal combustion engine 2 has the mentioned - but not for the subject matter of the invention not important and therefore not shown - cooling system with a coolant circuit.
  • the cooling system is used to cool the
  • Internal combustion engine 2 and has a built-in coolant circuit coolant radiator and a coolant pump.
  • the coolant pump conveys the coolant through cooling chambers of the internal combustion engine 2 into the coolant radiator, which is connected on the output side to the suction side of the coolant pump.
  • this coolant circuit described for example, a lubricating oil heat exchanger, a retarder heat exchanger, the intercooler 8 and the exhaust gas recirculation cooler 13 are further incorporated into the coolant circuit in a suitable manner.
  • this has the working fluid circuit 18 with the superheater 16 switched into the exhaust line 4.
  • an expansion machine 20 is turned on, which is driven by the same transferred to the superheater 16 in the gaseous state working fluid under expansion and
  • Capacitor 23 is turned on, in which the working fluid is normally cooled back to the liquid state and subsequently fed to a working fluid pump 24.
  • the working fluid pump 24 is electrically driven, for example by a motor 19 and promotes the back-cooled working fluid back to the superheater 16.
  • Pressure equalization tank 25 in the working fluid circuit 18 is turned on.
  • the aforementioned capacitor 23 is itself part of a
  • Working fluid cooling circuit 26 further comprising a radiator 27.
  • the cooler 27 is arranged, for example, in front of or behind the coolant radiator and is cooled by a flow of cooling air, for example from one of the
  • Internal combustion engine 2 is driven directly or indirectly driven fan 28, flows through. Finally, an electrical or electronic control device 29 is provided, from which the waste heat recovery system 1 including optionally the entire internal combustion engine 1 is controlled. This control device 29 also serves to control the 3/2 way valve 22, the waste heat recovery system 1, with respect to its
  • FIG. 2 a shows the directly controlled 2/3 way valve 22, which is pressure-balanced at least in a switching position, in a first embodiment and a switching position in which the working fluid of the working fluid circuit 18 is led to the expansion machine 20.
  • FIG. 2b shows the directly controlled 2/3 way valve 22, which is pressure-balanced at least in a switching position, in a first embodiment and a switching position in which the working fluid of the working fluid circuit 18 is led to the expansion machine 20.
  • the 3/2 way valve 22 has a cylindrical tube-shaped slide housing 30, in which a piston-shaped slide 31 against the force of a spring 32 is axially adjustable. This adjusting movement is effected by an actuator 33, which by means of an Aktorhalte vibration 34 with the
  • Slider housing 30 is fixedly connected and which has a Aktorschaltstange 35, which in turn is connected to the slide 31 for direct axial adjustment of the slide 31.
  • the actuator 33 is designed as an electromagnet and moves when energized the Aktorschaltstange 35 with the slider 31 in the position shown in Figure 2a, while at a
  • the actuator 33 may also be designed, for example, pneumatically, hydraulically or electromagnetically in other embodiments.
  • the slider housing 30 has a tubular and
  • Slider housing 30 also has a tubular shape
  • Expansion machine fluid outlet 37 which directly or indirectly with the
  • Expansion fluid output 37 may be configured as a metallic pipe fitting that is welded to the valve body 30, also made of a metallic material. Furthermore, the 3/2-way valve 22 has a bypass fluid outlet 38, which is connected to the working fluid bypass 21.
  • the bypass fluid outlet 38 is arranged on a closure plate 39 opposite to the Aktorhalte issued 34 on the slider housing 30 or part of the
  • Closure plate 39 and formed, for example, as a bypass fluid outlet tube with a set by the pipe diameter throttling action.
  • the bypass fluid outlet 38 or the bypass fluid outlet tube has a bypass fluid outlet seat 40, in which a front-side facing
  • Slider seat 41 of the slide 31 is tight and thus leak-free engageable.
  • the slider seat 41 is formed on a slider bottom wall of the piston-shaped Slider 31 arranged or formed integrally therewith, wherein the slide bottom wall passage openings 45 for an unobstructed flow through the working fluid.
  • the corresponding switching position is shown in FIG. 2a. In this
  • Switching position flows through the fluid inlet 36 in the 3/2 way valve 22 and the slide housing 30 incoming working fluid according to the flow arrows shown leakage in the
  • Expansionsmaschinenfluidausgangs 37 is in the slide housing 30, a circumferential annular groove 42 is inserted, which promotes unimpeded flow through the 3/2 way valve 22 and at the same time in the direction of the
  • Expansion machine fluid exit seat 43 transitions.
  • the slide 31 is displaceable with a circumferential slide edge 44.
  • the corresponding switching position is - as previously stated - shown in Figure 2b. In this switching position, the direct transition from the fluid inlet 36 via the expansion machine exit seat 43 and the annular groove 42 in the
  • Expansion machine output 37 locked.
  • the working fluid flows through the piston-shaped slide 31 and passes through the through-openings 45 directly into the bypass fluid outlet 38, since in this switching position the slide seat 41 has moved out of the bypass fluid exit seat 40 and a
  • Expansion machine fluid outlet 37 is set, which is set by the game, with which the slider 31 is guided in the slider housing 30.
  • Alternatively (with a play-free guidance of the slide 31 in the slide housing 30) or In addition, at least one shown only in Figure 2b
  • Leckagesrosselbohrung 47a may be provided in the slide 31 in the region of the annular groove 42.
  • the leakage amount 46a of the working fluid is less than 10% of the maximum volumetric flow, preferably less than 1% of the volumetric flow rate
  • FIGS. 3 a, 3 b differs from that of FIGS. 2 a, 2 b in that here no
  • Expansionsmaschinenfluidausgangssitz 43 is provided, in which in the switching position according to Figure 3b could engage a slider edge 44.
  • the slider housing 30 is formed with a shoulder-free inner diameter.
  • the total leakage amount 46a, 46b of the working fluid is less than 10% of the maximum volumetric flow, preferably less than 1% of the maximum volumetric flow. Furthermore, in this embodiment, the switching path to be represented by the actuator 33 is longer than in the embodiment according to FIGS. 2a, 2b.

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Abstract

Abwärmerückgewinnungssystem (1) mit einem Arbeitsfluidkreislauf (18), aufweisend einen in einer Abgasleitung (4) einer Brennkraftmaschine (2) eingeschalteten Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher Teil des Arbeitsfluidkreislaufs (18) mit zumindest einem von einem Ventilgesteuerten Arbeitsfluidbypass (21) aufweisenden Expansionsmaschine (20). Erfindungsgemäß wird ein Abwärmerückgewinnungssystem (1) bereitgestellt, dass hinsichtlich seiner Funktion verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass das Ventil ein einen Fluideingang (36) mit einem Expansionsmaschinenfluidausgang (37) und/oder einem Bypassfluidausgang (38) verbindendes Wegeventil, insbesondere ein 3/2 Wegeventil (22), ist, und dass eine geschaltete Verbindung Fluideingang (36) zu Expansionsmaschinenfluidausgang (37) leckagefrei zu dem Bypassfluidausgang (38) ist, während eine geschaltete Verbindung Fluideingang (36) zu Bypassfluidausgang (38) leckagebehaftet zu dem Expansionsmaschinenfluidausgang (37) ist.

Description

Beschreibung
Titel:
Abwärmerückgewinnungssystem
Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem mit einem
Arbeitsfluidkreislauf, aufweisend einen in einer Abgasleitung einer
Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher Teil des Arbeitsfluidkreislaufs mit zumindest eines einen von einem Ventil gesteuerten Bypass aufweisenden Expansionsmaschine.
Stand der Technik
Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der DE 10 2013 021 251 AI bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem weist einen
Arbeitsfluidkreislauf auf, der die üblichen Komponenten aufweist. Dies sind im Wesentlichen ein in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine
eingeschalteten Verdampfer, eine Expansionsmaschine mit dem von einem Ventil gesteuerten Bypass, einen Kondensator und eine Arbeitsfluidpumpe. Mittels des von dem Ventil gesteuerten Bypasses ist die Expansionsmaschine momentenfrei schaltbar. Dabei sind der Bypass und das Ventil innerhalb der Expansionsmaschine angeordnet oder in diese integriert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem bereitzustellen, das hinsichtlich seiner Funktion verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Ventil ein einen Fluideingang mit einem Expansionsmaschinenfluidausgang und/oder einen Bypassfluidausgang verbindendes Wegeventil, insbesondere 3/2 Wegeventil, ist, und dass eine geschaltete Verbindung Fluidausgang zu Expansionsmaschinenfluidausgang leckagefrei zu dem Bypassfluidausgang ist. Dieses 3/2 Wegeventil kann das in dem Arbeitsfluidkreislauf strömende Arbeitsfluid entweder über die
Expansionsmaschine oder an der Expansionsmaschine vorbei direkt zu einem in dem Arbeitsfluidkreislauf hinter der Expansionsmaschine vorhandenen
Kondensator leiten. Eine erste Aufgabe dieses 3/2 Wegeventils ist es, beispielsweise bei einer mechanischen Anbindung der Expansionsmaschine an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bei einem Momentenwunsch von„null" das Arbeitsfluid direkt zu dem Kondensator zu leiten, so dass die
Expansionsmaschine von dem Arbeitsfluid nicht angetrieben wird und somit kein Moment an die Kurbelwelle abgibt. Eine zweite Aufgabe des 3/2 Wegeventils besteht darin, die Expansionsmaschine zu schützen, wenn sich das Arbeitsfluid in einem Naßdampfbereich befindet. In einem Expanderbetrieb, in dem die Expansionsmaschine bestimmungsgemäß von dem Arbeitsfluid durchströmt wird, wird eine Leckage in Richtung zu dem Bypass, die eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Expansionsmaschine darstellen würde,
erfindungsgemäß vermieden. Durch diese Ausgestaltung wird die Funktion des Abwärmerückgewinnungssystems verbessert.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine geschaltete Verbindung Fluideingang zu Bypassfluidausgang mit einer Leckagemenge leckagebehaftet zu dem
Expansionsmaschinenfluidausgang. Dabei ist die Leckagemenge zu dem
Expansionsmaschinenfluidausgang in weiterer Ausgestaltung der Erfindung kleiner als 10% des Maximalvolumenstroms des Arbeitsfluids durch den
Arbeitsfluidkreislauf, vorzugsweise kleiner als 1% des Maximalvolumenstroms. Eine solche Minimalleckage ist sinnvoll, weil dadurch die Expansionsmaschine beispielsweise bei einer Inbetriebnahme des Abwärmerückgewinnungssystems aufgeheizt wird, bzw. bei einer vorübergehenden Umgehung der
Expansionsmaschine eine Auskühlung der Expansionsmaschine vermieden wird. Auch wird eine„Dauerschmierung" der Expansionsmaschine gewährleistet. Auch diese Ausgestaltung verbessert die Funktion des
Abwärmerückgewinnungssystems nachhaltig.
In Weiterbildung der Erfindung weist das 3/2 Wegeventil einen Schieber (in Form eines Kolbens) mit zwei gegenüberliegenden von dem Schieber ansteuerbaren Schaltstellungen auf. Dabei können die Schaltstellungen des Schiebers durch einen Schiebersitz an dem Bypassfluidausgang und einen
Expansionsmaschinenausgangssitz bei dem Expansionsmaschinenfluidausgang definiert beziehungsweise eingenommen sein. Dies ist eine mögliche
Ausführungsform, bei dem ein geringer Hub des Schiebers realisierbar ist, wodurch wiederum ein einfacher kostengünstiger Aufbau eines
Betätigungselementes für die Verstellung des Schiebers darstellbar ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform können die Schaltstellungen des Schiebers durch einen Schiebersitz an dem Bypassfluidausgang und als Ersatz für den einen Expansionsmaschinenausgangssitz bei dem
Expansionsmaschinenfluidausgang durch einen Überdeckungsspalt, den der Schieber zu einem Schiebergehäuse einnimmt. Diese Ausführungsform ist grundsätzlich hinsichtlich der Funktion ähnlich zu der ersten Ausführungsform, wobei hier der notwendige Hub des Schiebers wegen der zu realisierenden Überdeckung länger ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das 3/2 Wege-Ventil ein
Schiebergehäuse und ein darin axial gegen die Kraft einer Feder verschiebbaren Schieber auf, der mit dem Fluideingang in einer Dauerströmungsverbindung steht und mit dem Bypassfluidausgang und mit dem
Expansionsmaschinenfluidausgang in jeweils eine Strömungsverbindung stellbar ist. Dies ist die eine bei allen denkbaren Ausgestaltungen realisierte
Ausführungsform des 3/2 Wegeventils.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Bypassfluidausgang einen
Bypassfluidauslasssitz auf, in den ein stirnseitiger Schiebersitz des Schiebers dicht einrückbar ist. Dadurch wird bei einer entsprechenden Schaltstellung des Schiebers die Leckagefreiheit des Fluideingangs zu dem Bypassfluidausgang sichergestellt.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Schiebersitz an einer Schieberbodenwand des kolbenförmig ausgebildeten Schiebers (gegenüberliegend zu der Seite der Anbindung einer Aktorschaltstange) angeordnet und wobei die Schieberbodenwand zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist, die drosselfreie Durchströmung des Arbeitsfluids ermöglicht.
Die gewünschte Leckage des Arbeitsfluids zu dem
Expansionsmaschinenausgang kann durch ein entsprechendes Spiel zwischen dem Schieber und dem Schiebergehäuse herstellt beziehungsweise eingestellt werden. Alternativ kann die Leckage aber auch durch eine
Leckagedrosselbohrung in dem Schieber hergestellt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Schieber mit einem Aktor zusammen. Der Aktor kann als Elektromagnet ausgeführt sein oder aber auch pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch in anderen Ausführungen ausgestaltet bzw. angesteuert sein.
Zusammenfassend bietet das so ausgestaltete Abwärmerückgewinnungssystem folgende Vorteile:
im Turbinenbetrieb, bei dem das Arbeitsfluid vollständig durch die Expansionsmaschine geleitet werden soll, ist sichergestellt, dass keine Leckage in Richtung zu dem Bypassfluidausgang auftritt,
dagegen ist im Bypassbetrieb, wenn das Arbeitsfluid durch den Bypass geleitet wird, eine Minimalleckage in Richtung zu dem
Expansionsmaschinenfluidausgang eingestellt, um die Expansionsmaschine beispielsweise zu beheizen,
es sind nur geringe Aktorkräfte erforderlich, da der Schieber
druckausgeglichen ist. Der Aktor muss folglich nur Federkräfte und
Strömungskräfte überwinden,
in einem Expanderbetrieb sind ebenfalls nur geringe Aktorkräfte notwendig, da der Schieber in diesem Schaltzustand nicht kraftausgeglichen ist, und die einwirkende Kraft schließend in Richtung Bypassfluidausgang wirkt, es ist ein robustes Design mit geringen wirkenden Sitzkräften umsetzbar und
das 3/2 Wegeventil ist kostengünstig umsetzbar. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele beschrieben sind.
Es zeigen:
Figur 1 ein schematisches Schaltbild eines eine Expansionsmaschine
aufweisenden Abwärmerückgewinnungssystems mit einem Arbeitsfluidkreislauf wobei das Abwärmerückgewinnungssystem an eine Brennkraftmaschine angebaut ist,
Figur 2a ein erstes Ausführungsbeispiel eines von einem Ventil gesteuerten Bypasses des Arbeitsfluidkreislaufs zu einer Expansionsmaschine in einer ersten Schaltstellung,
Figur 2b ein erstes Ausführungsbeispiel eines von einem Ventil gesteuerten Bypasses des Arbeitsfluidkreislaufs zu einer Expansionsmaschine in einer zweiten Schaltstellung,
Figur 3a ein zweites Ausführungsbeispiel eines von einem Ventil gesteuerten Bypasses des Arbeitsfluidkreislaufs zu einer Expansionsmaschine in einer ersten Schaltstellung,
Figur 3b ein zweites Ausführungsbeispiel eines von einem Ventil gesteuerten Bypasses des Arbeitsfluidkreislaufs zu einer Expansionsmaschine in einer zweiten Schaltstellung.
Figur 1 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 1, das an einer ein nicht weiter dargestelltes Kühlsystem aufweisenden Brennkraftmaschine 2 verbaut ist. Die Brennkraftmaschine 2 weist weiterhin eine Frischgasleitung 3 und eine
Abgasleitung 4 auf. Über die Frischgasleitung 3 wird der Brennkraftmaschine 2 Verbrennungsluft zugeführt, die in dem Ausführungsbeispiel von einem
Verdichter 5 eines Abgasturboladers 6, der wiederum von einer in die
Abgasleitung 4 eingeschalteten Turbine 7 angetrieben wird, verdichtet wird. Dem Verdichter 6 sind ein Ladeluftkühler 8 und eine Drosselklappe 9 nachgeschaltet. Das einzelnen Brennräumen der Brennkraftmaschine 2 unter gleichzeitiger Zuführung von Brennstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, zugeführte Frischgas verbrennt in den Brennräumen der Brennkraftmaschine 2 unter Erzeugung von Arbeitsleistung, die beispielsweise über eine unter Einschaltung eines Getriebes mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 verbundenen Abtriebswelle 10 an eine Antriebsachse 11 abgegeben wird, mit der ein beliebiges Fahrzeug, in das die Brennkraftmaschine 2 eingebaut ist, angetrieben wird. Über die Abgasleitung 4 wird das in den Brennräumen der Brennkraftmaschine 2 verbrannte Gemisch aus Brennstoff und Frischgas als heißes Abgas letztendlich in die Umgebung abgeführt. Die Abgasleitung 4 ist mit der Frischgasleitung 3 über eine
Abgasrückführleitung 12 mit einem eingeschalteten Abgasrückführkühler 13 und einem Abgasrückführventil 14 verbunden. Über die Abgasrückführleitung 12 wird gesteuert Abgas in die Frischgasleitung 3 insbesondere zur Verringerung der schädlichen Abgasemissionen zurückgeführt. Stromabwärts der Turbine 7 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 15 ebenfalls zur Reduzierung der schädlichen Abgasemissionen vorgesehen. Weiter stromabwärts ist in die Abgasleitung 4 ein Wärmetauscher in Form eines Überhitzers 16 des
Abwärmerückgewinnungssystems 1 eingeschaltet, der über einen
Abgasleitungsbypass 17 gesteuert umgehbar ist. Der Überhitzer 16 ist in einem Arbeitsfluidkreislauf 18 des Abwärmerückgewinnungssystems 1 - wie nachfolgend noch erläutert wird - eingebunden.
Die Brennkraftmaschine 2 weist das erwähnte - aber für den Gegenstand der Erfindung nicht weiter wichtige und daher nicht dargestellte - Kühlsystem mit einem Kühlmittelkreislauf auf. Das Kühlsystem dient zur Kühlung der
Brennkraftmaschine 2 und weist einen in den Kühlmittelkreislauf eingebauten Kühlmittelkühler und eine Kühlmittelpumpe auf. Die Kühlmittelpumpe fördert das Kühlmittel durch Kühlräume der Brennkraftmaschine 2 in den Kühlmittelkühler, der ausgangsseitig mit der Saugseite der Kühlmittelpumpe verbunden ist. In diesem beschriebenen Kühlmittelkreislauf sind weiterhin noch beispielsweise ein Schmierölwärmetauscher, ein Retarderwärmetauscher, der Ladeluftkühler 8 und der Abgasrückführkühler 13 in geeigneter Weise in den Kühlmittelkreislauf eingebunden. Zurückkommend auf das Abwärmerückgewinnungssystem 1 weist dieses den Arbeitsfluidkreislauf 18 mit den in die Abgasleitung 4 eingeschalteten Überhitzer 16 auf. Weiterhin ist in den Arbeitsfluidkreislauf 18 eine Expansionsmaschine 20 eingeschaltet, die von dem in den Überhitzer 16 in den gasförmigen Zustand überführten Arbeitsfluid unter Expansion desselben angetrieben wird und
Arbeitsleistung an die Brennkraftmaschine 2 oder eine sonstige Maschine, beispielsweise einen Generator, abgibt. Dabei ist die Expansionsmaschine 20 über einen von einem vorzugsweise als 3/2 Wegeventil ausgebildeten
Wegeventil 22 gesteuerten Arbeitsfluidbypass 21 umgehbar. Weiterhin ist stromabwärts der Expansionsmaschine 20 in dem Arbeitsfluidkreislauf 18 ein
Kondensator 23 eingeschaltet, in dem das Arbeitsfluid normalerweise in den flüssigen Zustand zurückgekühlt wird und anschließend einer Arbeitsfluidpumpe 24 zugeführt wird. Die Arbeitsfluidpumpe 24 ist beispielsweise von einem Motor 19 elektrisch angetrieben und fördert das zurückgekühlte Arbeitsfluid wieder zu dem Überhitzer 16. Dabei ist ausgangsseitig der Arbeitsfluidpumpe 24 ein
Druckausgleichsbehälter 25 in den Arbeitsfluidkreislauf 18 eingeschaltet.
Der zuvor erwähnte Kondensator 23 ist seinerseits Bestandteil eines
Arbeitsfluidkühlkreislaufs 26 der weiterhin einen Kühler 27 aufweist. Der Kühler 27 ist beispielsweise vor oder hinter dem Kühlmittelkühler angeordnet und wird von einem Kühlluftstrom, der beispielsweise von einem von der
Brennkraftmaschine 2 direkt oder indirekt angetriebenen Lüfter 28 gefördert wird, durchströmt. Schließlich ist eine elektrische beziehungsweise elektronische Steuereinrichtung 29 vorgesehen, von der das Abwärmerückgewinnungssystem 1 einschließlich gegebenenfalls der kompletten Brennkraftmaschine 1 gesteuert wird. Diese Steuereinrichtung 29 dient auch zur Steuerung des 3/2 Wege-Ventils 22, des Abwärmerückgewinnungssystems 1, das hinsichtlich seiner
Ausgestaltung und Funktion in den nachfolgenden Figuren genauer erläutert wird.
Figur 2a zeigt das direktgesteuerte und zumindest in einer Schaltstellung druckausgeglichene 2/3 Wegeventil 22 in einer ersten Ausgestaltungsform und einer Schaltstellung bei dem das Arbeitsfluid des Arbeitsfluidkreislaufs 18 zu der Expansionsmaschine 20 geleitet wird. In der in Figur 2b dargestellten
Schaltstellung des 3/2 Wegeventils 22 wird dagegen das Arbeitsfluid zu dem Arbeitsfluidbypass 21 und somit zu einer Umgehung der Expansionsmaschine 20 geleitet. Das 3/2 Wegeventil 22 weist ein zylinderrohrförmig ausgebildetes Schiebergehäuse 30 auf, in dem ein kolbenförmig ausgebildeter Schieber 31 gegen die Kraft einer Feder 32 axial verstellbar ist. Diese Verstellbewegung wird von einem Aktor 33 bewirkt, der mittels einer Aktorhalteeinrichtung 34 mit dem
Schiebergehäuse 30 fest verbunden ist und der eine Aktorschaltstange 35 aufweist, die ihrerseits mit dem Schieber 31 zur direkten axialen Verstellung des Schieber 31 verbunden ist. Beispielsweise ist der Aktor 33 als Elektromagnet ausgebildet und verfährt bei einer Bestromung die Aktorschaltstange 35 mit dem Schieber 31 in die in Figur 2a dargestellte Position, während bei einer
Nichtbestromung die in Figur 2b dargestellte Position des Schiebers 31 durch die Rückstellkraft der Feder 32 eingestellt ist. Der Aktor 33 kann aber auch beispielsweise pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch in anderen Ausführungen ausgebildet sein.
Das Schiebergehäuse 30 weist einen rohrförmig ausgebildeten und
angeflanschten Fluideingang 36 auf, der mit den Arbeitsfluidkreislauf 18 ausgangsseitig des Überhitzers 16 verbunden ist. Weiterhin weist das
Schiebergehäuse 30 einen ebenfalls rohrförmig ausgebildeten
Expansionsmaschinenfluidausgang 37 auf, der direkt oder indirekt mit den
Strömungseingang in die Expansionsmaschine 20 verbunden ist. Der
Expansionsmaschinenfluidausgang 37 kann wie der Fluideingang 36 als metallisches Rohranschlussstück, das an das ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff gefertigte Schiebergehäuse 30 angeschweißt ist, ausgestaltet sein. Weiterhin weist das 3/2 Wegeventil 22 einen Bypassfluidausgang 38 auf, der mit dem Arbeitsfluidbypass 21 verbunden ist. Der Bypassfluidausgang 38 ist an einer Verschlussplatte 39 gegenüberliegend zu der Aktorhalteeinrichtung 34 an dem Schiebergehäuse 30 angeordnet beziehungsweise Bestandteil der
Verschlussplatte 39 und beispielsweise als Bypassfluidausgangsrohr mit einer durch den Rohrdurchmesser eingestellte Drosselwirkung ausgebildet.
Der Bypassfluidausgang 38 bzw. das Bypassfluidausgangsrohr weist einen Bypassfluidausgangssitz 40 auf, in dem ein stirnseitiger zugewandter
Schiebersitz 41 des Schiebers 31 dicht und somit leckagefrei einrückbar ist. Der Schiebersitz 41 ist an einer Schieberbodenwand des kolbenförmig ausgebildeten Schiebers 31 angeordnet beziehungsweise mit dieser einstückig ausgebildet, wobei die Schieberbodenwand Durchgangsöffnungen 45 für eine ungehinderte Durchströmung des Arbeitsfluids aufweist. Die entsprechende Schaltstellung ist in Figur 2a dargestellt. In dieser
Schaltstellung strömt das über den Fluideingang 36 in das 3/2 Wegeventil 22 bzw. das Schiebergehäuse 30 einströmende Arbeitsfluid entsprechend den dargestellten Strömungspfeilen leckagefrei in den
Expansionsmaschinenfluidausgang 37. Im Bereich des
Expansionsmaschinenfluidausgangs 37 ist in das Schiebergehäuse 30 eine umlaufende Ringnut 42 eingelassen, die eine ungehinderte Durchströmung des 3/2 Wegeventils 22 fördert und gleichzeitig in Richtung zu der
Aktorhalteeinrichtung 34 benachbart zu dem Fluideingang 36 in einen
Expansionsmaschinenfluidausgangssitz 43 übergeht.
In den beispielsweise durch eine Zylinderrohrdurchmesserverringerung des Schiebergehäuses 30 gebildeten Expansionsmaschinenfluidausgangssitz 43 ist der Schieber 31 mit einer umlaufenden Schieberkante 44 verschiebbar. Die entsprechende Schaltstellung ist - wie zuvor ausgeführt - in Figur 2b dargestellt. In dieser Schaltstellung ist der direkte Übergang von dem Fluideingang 36 über den Expansionsmaschinenausgangssitz 43 und die Ringnut 42 in den
Expansionsmaschinenausgang 37 gesperrt. Gleichzeitig durchströmt aber gemäß den dargestellten Strömungspfeilen das Arbeitsfluid den kolbenförmig ausgebildeten Schieber 31 und gelangt über die Durchgansöffnungen 45 direkt in den Bypassfluidausgang 38, da in dieser Schaltstellung der Schiebersitz 41 aus dem Bypassfluidausgangssitz 40 herausgefahren ist und eine
Strömungsverbindung freigibt.
Gleichzeitig ist in dieser Schaltstellung eine geringe Leckage des
Maxiamivolumenstroms des Arbeitsfluids von dem Fluideingang 36 zu dem
Expansionsmaschinenfluidausgang 37 eingestellt, der durch das Spiel, mit dem der Schieber 31 in dem Schiebergehäuse 30 geführt ist, eingestellt ist. Dabei gelangt die definierte Leckagemenge 46a des Arbeitsfluids von dem Schiebersitz 41 zurück zu dem Expansionsmaschinenfluidausgang 37. Alternativ (bei einer spielfreien Führung des Schiebers 31 in dem Schiebergehäuse 30) oder zusätzlich kann auch zumindest eine nur in Figur 2b dargestellte
Leckagedrosselbohrung 47a in den Schieber 31 im Bereich der Ringnut 42 vorgesehen sein. Die Leckagemenge 46a des Arbeitsfluids ist kleiner als 10% des Maximalvolumenstroms, vorzugsweise kleiner als 1% des
Maximalvolumenstroms.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3a, 3b unterscheidet sich von dem der Figuren 2a, 2b dadurch, dass hier kein
Expansionsmaschinenfluidausgangssitz 43 vorgesehen ist, in den in der Schaltstellung gemäß Figur 3b eine Schieberkante 44 eingreifen könnte. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Schiebergehäuse 30 mit einem absatzfreien Innendurchmesser ausgebildet. Somit strömt auch in der Schaltstellung gemäß Figur 3b (die Schaltstellung ist zumindest hinsichtlich der Funktion identisch zu der der Figur 2a) von dieser Seite eine Leckagemenge 46b von dem
Fluideingang 36 in den Expansionsmaschinenfluidausgang 37. Auch bei dieser Ausführungsform ist die gesamte Leckagemenge 46a, 46b des Arbeitsfluids ist kleiner als 10% des Maximalvolumenstroms, vorzugsweise kleiner als 1% des Maximalvolumenstrom. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform der von dem Aktor 33 darzustellende Schaltweg länger als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2a, 2b.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beliebige in den Figuren dargestellte Ausführungsdetails miteinander und untereinander im Rahmen der Erfindung kombiniert sein können.

Claims

Ansprüche
1. Abwärmerückgewinnungssystem (1) mit einem Arbeitsfluidkreislauf (18), aufweisend einen in einer Abgasleitung (4) einer Brennkraftmaschine (2) eingeschalteten Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher Teil des
Arbeitsfluidkreislaufs (18) mit zumindest einer einen von einem Ventil
gesteuerten Arbeitsfluidbypass (21) aufweisenden Expansionsmaschine (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein einen Fluideingang (36) mit einem Expansionsmaschinenfluidausgang (37) und/oder einem Bypassfluidausgang (38) verbindendes Wegeventil (22) ist, und dass eine geschaltete Verbindung Fluideingang (36) zu Expansionsmaschinenfluidausgang (37) leckagefrei zu dem Bypassfluidausgang (38) ist.
2. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass eine geschaltete Verbindung Fluideingang (36) zu Bypassfluidausgang (38) mit einer Leckagemenge (46a, 46b) leckagebehaftet zu dem Expansionsmaschinenfluidausgang (37) ist.
3. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leckagemenge (46a, 46b) kleiner als 10% des Maximalvolumenstroms des Arbeitsfluids, vorzugsweise kleiner als 1% des Maximalvolumenstroms des Arbeitsfluids ist.
4. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (22) einen Schieber (31) mit zwei gegenüberliegenden von dem Schieber (31) ansteuerbaren Schaltstellungen aufweist.
5. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (22) ein Schiebergehäuse (30) und einen darin axial gegen die Kraft einer Feder (32) verschiebbaren Schieber (31) aufweist, der mit dem Fluideingang (36) in einer Dauerströmungsverbindung steht und mit dem Bypassfluidausgang (38) und mit dem
Expansionsmaschinenfluidausgang (37) jeweils in eine Strömungsverbindung stellbar ist.
6. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (22) einen
Bypassfluidausgangssitz (40) aufweist, in den ein stirnseitiger Schiebersitz (41) des Schiebers (31) dicht einrückbar ist.
7. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiebergehäuse (30) einen
Expansionsmaschinenfluidausgangssitz (43) aufweist, in den eine Schieberkante (44) des Schiebers (31) dicht einrückbar ist.
8. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiebersitz (41) an einer
Schieberbodenwand des kolbenförmig ausgebildeten Schiebers (31) angeordnet ist, und dass die Schieberbodenwand Durchgangsöffnungen (45) für eine ungehinderte Durchströmung des Arbeitsfluids aufweist.
10. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (31) mit einem Aktor (33) zusammenwirkt.
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