WO2018153600A1 - Abwärmerückgewinnungssystem sowie ein verfahren zum betreiben eines derartigen abwärmerückgewinnungssystems - Google Patents

Abwärmerückgewinnungssystem sowie ein verfahren zum betreiben eines derartigen abwärmerückgewinnungssystems Download PDF

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WO2018153600A1
WO2018153600A1 PCT/EP2018/051671 EP2018051671W WO2018153600A1 WO 2018153600 A1 WO2018153600 A1 WO 2018153600A1 EP 2018051671 W EP2018051671 W EP 2018051671W WO 2018153600 A1 WO2018153600 A1 WO 2018153600A1
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WO
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drive shaft
recovery system
internal combustion
combustion engine
heat recovery
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PCT/EP2018/051671
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Michael Richter
Toni Jankowski
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
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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 present invention relates to a waste heat recovery system comprising a working fluid circuit carrying a working fluid, comprising at least one heat exchanger connected in an exhaust line of an internal combustion engine which is part of the working fluid circuit with at least one expansion machine, a condenser and a fluid pump. Furthermore, the invention relates to a
  • This waste heat recovery system comprises a working fluid circuit with a heat exchanger, which in a
  • the working fluid circuit further comprises an expansion engine, a condenser and a
  • Fluid pump on It is the fluid pump between the condenser and the
  • Heat exchanger disposed in the fluid circuit and the drive of
  • Fluid pump is controlled by a control unit.
  • the internal combustion engine has a hydrodynamic retarder system which, inter alia, includes a rotor unit.
  • the rotor unit of the retarder system and the expansion machine of the waste heat recovery system are rotatably connected by means of a common motion-transmitting mechanism with a drive train of a vehicle in which the entire system is installed.
  • Another waste heat recovery system is from the
  • This waste heat recovery system has two heat exchangers, of which a first heat exchanger in a
  • Exhaust pipe of the internal combustion engine and a second heat exchanger in an exhaust gas recirculation line of the internal combustion engine are arranged.
  • the invention is based on the object, a waste heat recovery system and a method for operating such
  • the fluid pump has a drive shaft which is connected to a drive shaft of an electric machine of a boost
  • the corresponding method for operating the waste heat recovery system is characterized in that a drive shaft of the fluid pump with a drive shaft of an electric machine of a boost recuperation system (increase recovery system) cooperatively as needed to a
  • boost-recuperation-system is now a Germanized term, whereby the overall system thus designated includes the functions recuperation, acceleration / acceleration, starl stop and sailing. Such a boost recuperation system will be on a
  • the system or the vehicle includes a starl stop function, in which the internal combustion engine is put out of operation, for example, at a traffic light stop and is restarted by the electric machine during a subsequent starting process.
  • the system supports the Starting and accelerating the vehicle, the internal combustion engine with a boost function, in which the electric machine is again supplied from the battery with electrical energy.
  • the boost recovery system shuts off the engine under certain conditions, for example, when coasting or driving downhill. All relevant
  • the drive shaft is coupled via a belt drive with the drive shaft.
  • a belt drive is easily displayed with two pulleys and a belt, moreover, the possibility of an individual translation is easily displayed.
  • a variant of this provides for coupling the drive shaft with the drive shaft via a transmission, wherein the
  • Gear can be configured, for example, as a planetary gear. With such a planetary gear can be adjusted at any time, the speed of the fluid pump in relation to the electric machine. It is also conceivable, however, a direct gearing of the drive shaft and the drive shaft.
  • the drive shaft and the drive shaft are connected to an output shaft of the internal combustion engine.
  • the drive shaft and the drive shaft with a
  • Auxiliary drive shaft is present in many variants of an internal combustion engine.
  • the drive shaft and the drive shaft with a transmission shaft of the internal combustion engine are present in many variants of an internal combustion engine.
  • the transmission shaft in Principle be any transmission input shaft or transmission output shaft.
  • Transmission shaft and / or the drive train has a clutch.
  • Coupling which may be relatively simple, allows a complete separation ultimately of the waste heat recovery system and the boost recuperation system of the internal combustion engine, whereby the applied to the engine drag torque of these components can be turned off, especially in certain operating conditions.
  • At least one further auxiliary machine shaft is connected to the connection of the drive shaft and the drive shaft.
  • This auxiliary machine shaft may for example be a compressor drive shaft of an air conditioning compressor, but here also any other
  • FIG. 1 Show it: a circuit diagram of a waste heat recovery system with a working fluid circuit, wherein the waste heat recovery system is connected to an internal combustion engine, a schematic representation of a connection of a fluid pump of a waste heat recovery system together with another auxiliary machine via a belt drive to an electric machine of a boost recovery system, all together including a Clutch are connected to an output shaft of an internal combustion engine, a schematic representation of a connection of a fluid pump of a waste heat recovery system together with another auxiliary machine via a belt drive to an electric machine of a boost recovery system, which are all connected together with the inclusion of a clutch to an auxiliary output shaft of an internal combustion engine , A schematic representation of a connection of a fluid pump of a waste heat recovery system together with another auxiliary machine via a belt powered by an electric machine of a boost recovery system, which are all connected together with the inclusion of a clutch to a transmission shaft of an internal combustion engine transmission and a schematic representation of a connection of a fluid pump of a waste heat recovery system
  • the waste heat recovery system shown schematically in Figure 1 has a working fluid circuit 1 with a first heat exchanger 2a and a second heat exchanger 2b, in principle, only a single Heat exchangers or even more than two heat exchangers may be part of the waste heat recovery system.
  • the heat exchangers 2a, 2b are designed as evaporators or act as such and are adapted to an internal combustion engine 5 for the recovery of waste heat generated during operation of the internal combustion engine 5. This is the first one
  • the second heat exchanger 2b is in a conduit in the form of a
  • Exhaust gas recirculation line 6 or other heat transfer line installed.
  • a partial amount of exhaust gas is taken from the exhaust gas recirculation line 6 via the exhaust gas recirculation line 6 and controlled via an exhaust gas recirculation line valve 7
  • the Intake system 8 of the internal combustion engine 5 is supplied.
  • the intake system 8 may preferably be designed as a charge air line system. The two
  • Heat exchangers 2a, 2b may optionally not shown
  • Internal combustion engine 5 of a vehicle in which the internal combustion engine 5 is preferably installed, be bypassed.
  • Waste heat recovery system with the working fluid circuit 1 and the mentioned or subsequently described components preferably at least partially installed in an engine compartment of the vehicle.
  • 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 first heat exchanger 2a exhaust muffler 9 and 10 devices for
  • Internal combustion engine 5 is for example a self-igniting
  • the internal combustion engine operated with diesel fuel.
  • the diesel fuel for example by means of a common rail injection system in the combustion chambers injected.
  • the internal combustion engine can also be a spark-ignited, for example, powered by gasoline or gas,
  • Internal combustion engine which may also have a common rail injection system.
  • the first heat exchanger 2a and the second heat exchanger 2b are, as stated above, in turn part of the working fluid circuit 1, in addition to the
  • Heat exchangers 2a, 2b, an expansion machine 11, a condenser 12, optionally a condenser pump 13, a surge tank 14 and at least one fluid pump 15 has.
  • the fluid pump 15 is via a first
  • supply lines 16 a, 16 b can control valves for adjusting a
  • Flow rate distribution be turned on. But it can also be installed in each supply line 16a, 16b own adjustable fluid pump 15, which is in each case adjustable so that at a constant or adjustable
  • Total delivery of the working fluid, a flow rate distribution to the first heat exchanger 2a and the second heat exchanger 2b can be adjusted increasingly and correspondingly decreasing between 0% and 100%.
  • the total delivery rate can then, for example, by a speed change of
  • Fluid pumps 15 are set.
  • the expansion engine 11 is preferably a turbomachine having at least one turbine wheel with turbine blades, which is normally a
  • Downstream reduction gear is to reduce the high turbine speeds and adapt them to the speeds of a downstream machine or other customer.
  • a fluid suitable for a Rankine process for example ethanol is produced by the fluid pump 15.
  • a bypass line 17 may be provided with a bypass valve 18 through which the
  • Expansion machine 11 is bypassed. To prevent the
  • Expansion machine 11 and in particular the turbine in the working fluid in the vapor state optionally contained liquid fractions are supplied or in a critical constellation, a device in the working fluid circuit lvor the entrance into the
  • Expansion machine 11 may be installed, which retains the liquid portions and appropriately dissipates, converts or otherwise harmless. As a result, the turbine wheel or other parts of the
  • Expansion machine 11 protected from liquid fractions, for example in the form of fluid droplets. That supplied to the expansion machine 11
  • Working fluid expands in the expansion machine 11 to provide mechanical shaft work, which is dissipated via an output shaft 19.
  • the output shaft 19 may for example be coupled to a generator for generating electrical power.
  • the "cold" steam is condensed in the condenser 12 and ultimately fed back to the fluid pump 15.
  • the expansion tank 14 is switched into the connecting line between the condenser 12 and the fluid pump 15.
  • any further components in particular sensors, can also be used for determining temperatures and pressures in different sections of the working fluid circuit 1, be present.
  • control unit 20 for controlling the
  • Figure 2 shows a drive train 21 of a vehicle with the
  • Internal combustion engine 5 wherein in the drive train 21, a transmission 22 and a differential 23 cooperating with a wheel axle 24 are mounted on the wheels 25, is connected.
  • This is a conventional powertrain 21 of a vehicle, for example in the form of a truck, a car or even a work machine.
  • the fluid pump 15 having waste heat recovery system is connected.
  • the fluid pump 15 has a drive shaft 26.
  • an electric machine 27 is one in general
  • Boost recovery system with a drive shaft 28 available.
  • the boost recovery system can convert energy taken from the drive train 21 into electrical energy and store it in a battery or, in the case of an energy supply through the battery, additionally feed power into the drive train 21.
  • a start of the engine 5 by the electric machine 27 is possible and provided.
  • an auxiliary machine 29 which can be, for example, an air conditioning compressor of an air conditioning system, is optionally present with an auxiliary machine shaft 30.
  • the shafts 26, 28, 30 of the machines 27, 29 and the fluid pump 15 are coupled to each other via a belt drive 31 and connected via a coupling 32 to an output shaft 33 of the internal combustion engine 5. This is for the fluid pump 15 of the
  • Output shaft 33 may have other (driven) components
  • the belt drive 31 can so with
  • (Adjustable) pulleys on the shafts 26, 28, 30 may be formed so that at least the rotational speed of the drive shaft 26 with respect to the drive shaft 28 is variable.
  • Figure 3 shows a similar embodiment to Figure 2, in which case the coupling of the system unit consisting of fluid pump 15, electric machine 27 and
  • the transmission 22 has an arbitrary transmission shaft 36, to which the clutch 32 and subsequently the fluid pump 15, the electric machine 27 and the auxiliary machine 29 are coupled or can be coupled.
  • Figure 5 is similar to that of Figure 2 constructed, in which case instead of the belt drive 31, a transmission in the form of a planetary gear 35 is provided, which is switched between the clutch 32 and the drive shaft 28 and the drive shaft 26.
  • a transmission in the form of a planetary gear 35 is provided, which is switched between the clutch 32 and the drive shaft 28 and the drive shaft 26.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem mit einem ein Arbeitsfluid führenden Arbeitsfluidkreislauf (1), aufweisend zumindest einen in einer Abgasleitung (3) einer Brennkraftmaschine (5) eingeschalteten Wärmetauscher (2a), der Teil des Arbeitsfluidkreislaufs (1) mit zumindest einer Expansionsmaschine (11), einem Kondensator (12) und einer Fluidpumpe (15) ist. Erfindungsgemäß werden ein Abwärmerückgewinnungssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abwärmerückgewinnungssystems angegeben, das gegenüber dem Stand der Technik insbesondere hinsichtlich seines Systemwirkungsgrades verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass die Fluidpumpe (15) eine Antriebswelle (26) aufweist, die mit einer Triebwelle (28) einer Elektromaschine (27) eines Boost-Recuperation-Systems verbunden ist, die wiederum zusammen über eine Kupplung (32) letztendlich mit einem Antriebsstang (21) eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine (5) verbaut ist, zusammenwirken.

Description

Beschreibung
Titel:
Abwärmerückgewinnungssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abwärmerückgewinnungssystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem mit einem ein Arbeitsfluid führenden Arbeitsfluidkreislauf, aufweisend zumindest einen in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, der Teil des Arbeitsfluidkreislaufs mit zumindest einer Expansionsmaschine, einem Kondensator und einer Fluidpumpe ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abwärmerückgewinnungssystems.
Stand der Technik Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der
DE 11 2015 001 161 T5 bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf mit einem Wärmetauscher auf, der in eine
Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eingeschaltet ist. Der Arbeitsfluidkreislauf weist weiterhin eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine
Fluidpumpe auf. Dabei die ist Fluidpumpe zwischen dem Kondensator und dem
Wärmetauscher in dem Fluidkreislauf angeordnet und der Antrieb der
Fluidpumpe wird von einer Steuereinheit angesteuert. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine ein hydrodynamisches Retardersystem auf, das unter anderem eine Rotoreinheit beinhaltet. Die Rotoreinheit des Retardersystems und die Expansionsmaschine des Abwärmerückgewinnungssystems sind mittels eines gemeinsamen bewegungsübertragenden Mechanismus rotierbar mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, in dem das Gesamtsystem verbaut ist, verbunden. Ein weiteres Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der
DE 10 2013 211 875 AI bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem weist zwei Wärmetauscher auf, von denen ein erster Wärmetauscher in einer
Abgasleitung der Brennkraftmaschine und ein zweiter Wärmetauscher in einer Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen
Abwärmerückgewinnungssystems anzugeben, das gegenüber dem Stand der Technik insbesondere hinsichtlich eines Systemwirkungsgrades verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Fluidpumpe eine Antriebswelle aufweist, die mit einer Triebwelle einer Elektromaschine eines Boost-
Recuperation-Systems (Erhöhung-Rückgewinnung-Systems) verbunden ist. Das entsprechende Verfahren zum Betreiben des Abwärmerückgewinnungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass eine Antriebswelle der Fluidpumpe mit einer Triebwelle einer Elektromaschine eines Boost-Recuperation-Systems (Erhöhung- Rückgewinnung-Systems) zusammenwirkend bedarfsweise an eine
Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine oder alternativ an eine Getriebewelle eines der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Getriebes ankoppelbar ist. Zunächst einmal ist der Begriff Boost-Recuperation-System ein mittlerweile eingedeutschter Begriff, wobei das damit bezeichnete Gesamtsystem die Funktionen Rekuperation, Anfahren/Beschleunigung, Starl Stopp und Segeln umfasst. Ein solches Boost-Recuperation-System wird an einer
Brennkraftmaschine verbaut, die in einem beliebigen Fahrzeug eingebaut ist. Beispielsweise bei einem Bremsbetrieb eines Lastkraftwagens, in dem die Brennkraftmaschine verbaut ist, erfolgt eine Energierückgewinnung durch die Elektromaschine des Boost-Recuperation-Systems, wobei die gewonnene
Energie in einer (systemeigenen) Batterie gespeichert wird. Darüber hinaus beinhaltet das System beziehungsweise das Fahrzeug eine Starl Stopp- Funktion, bei der die Brennkraftmaschine beispielsweise bei einem Ampelstopp außer Betrieb gesetzt wird und bei einem nachfolgenden Anfahrvorgang von der Elektromaschine wieder gestartet wird. Weiterhin unterstützt das System beim Anfahren und Beschleunigen des Fahrzeugs die Brennkraftmaschine mit einer Boostfunktion, bei der die Elektromaschine wieder aus der Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird. Schließlich schaltet das Boost-Recovery- System beispielsweise beim Ausrollen oder leichter Bergabfahrt unter bestimmten Voraussetzungen die Brennkraftmaschine ab. Alle relevanten
Verbraucher werden dann über das elektrische Bordnetz mit Energie versorgt. Dadurch, dass nunmehr die Antriebswelle der Fluidpumpe mit der Triebwelle der Elektromaschine direkt oder indirekt, wie dies nachfolgend noch erläutert wird, verbunden ist, wird ein bisher zum Betreiben der Fluidpumpe benötigter
Elektromotor eingespart und die Elektromaschine erhält eine Doppelfunktion.
Dadurch werden die Glieder der Verlustkette reduziert und somit ein besserer Systemwirkungsgrad und dadurch ein höheres C02-Einsparungspotential erreicht. Im Ergebnis wird dadurch auch ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis dargestellt.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Antriebswelle über einen Riementrieb mit der Triebwelle gekoppelt. Ein solcher Riementrieb ist mit zwei Riemenscheiben und einem Riemen einfach darstellbar, wobei darüber hinaus die Möglichkeit einer individuellen Übersetzung leicht darstellbar ist. Eine Variante dazu sieht vor, die Antriebswelle mit der Triebwelle über ein Getriebe zu koppeln, wobei das
Getriebe beispielsweise als Planetengetriebe ausgebildet sein kann. Mit einem solchen Planetengetriebe kann zu jedem Zeitpunkt die Drehzahl der Fluidpumpe in Bezug zu der Elektromaschine eingestellt werden. Denkbar ist aber auch eine direkte Verzahnung der Triebwelle und der Antriebswelle.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Antriebswelle sowie die Triebwelle mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine verbunden. Dies stellt grundsätzlich die normale Anbindung der Elektromaschine an die Brennkraftmaschine dar, so dass diesbezüglich kein neuer Konstruktionsaufwand besteht. Alternativ zu der Abtriebswelle können die Antriebswelle sowie die Triebwelle auch mit einer
Hilfsantriebswelle der Brennkraftmaschine verbunden sein. Eine solche
Hilfsantriebswelle ist bei vielen Varianten einer Brennkraftmaschine vorhanden. Schließlich können in einer weiteren Alternative die Antriebswelle sowie die Triebwelle mit einer Getriebewelle eines der Brennkraftmaschine
nachgeschalteten Getriebes verbunden sein. Dabei kann die Getriebewelle im Prinzip eine beliebige Getriebeeingangswelle oder Getriebeausgangswelle sein. Darüber hinaus ist es grundsätzlich auch möglich, die Antriebswelle sowie die Triebwelle mit einer beliebigen anderen Komponente eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine verbaut ist, zu koppeln.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindung der Antriebswelle sowie der Triebwelle mit der Abtriebswelle und/oder der
Getriebewelle und/oder dem Antriebsstrang eine Kupplung aufweist. Die
Kupplung, die relativ einfach ausgebildet sein kann, ermöglicht eine vollständige Trennung letztendlich des Abwärmerückgewinnungssystems und des Boost- Recuperation-Systems von der Brennkraftmaschine, wodurch das auf die Brennkraftmaschine einwirkende Schleppmoment dieser Komponenten insbesondere bei bestimmten Betriebszuständen ausgeschaltet werden kann. Andererseits kann die Fluidpumpe von der Elektromaschine im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine oder bei abgeschalteter Brennkraftmaschine
(Segelbetrieb des Fahrzeugs) betrieben werden. Letztendlich ist dadurch auch ein bedarfsgerechter Betrieb der Fluidpumpe nur über die Elektromaschine möglich. In einem denkbaren Fehlerfall einer Komponente kann die Fluidpumpe und die Elektromaschine von der Brennkraftmaschine getrennt werden, um beispielsweise eine Notlauffunktion der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an die Verbindung der Antriebswelle und der Triebwelle zumindest eine weitere Hilfsmaschinenwelle angebunden. Diese Hilfsmaschinenwelle kann beispielsweise eine Kompressorantriebswelle eines Klimakompressors sein, wobei aber hier auch beliebige andere
Komponenten, wie beispielsweise eine Hydraulikpumpe, vorstellbar sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
Es zeigen: ein Schaltbild eines Abwärmerückgewinnungssystems mit einem Arbeitsfluidkreislauf, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem an eine Brennkraftmaschine angebunden ist, eine schematische Darstellung einer Anbindung einer Fluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems gemeinsam mit einer weiteren Hilfsmaschine über einen Riementrieb an eine Elektromaschine eines Boost-Recovery-Systems, die alle zusammen unter Einbezug einer Kupplung an eine Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine angebunden sind, eine schematische Darstellung einer Anbindung einer Fluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems gemeinsam mit einer weiteren Hilfsmaschine über einen Riementrieb an eine Elektromaschine eines Boost-Recovery-Systems, die alle zusammen unter Einbezug einer Kupplung an eine Hilfsabtriebswelle einer Brennkraftmaschine angebunden sind, eine schematische Darstellung einer Anbindung einer Fluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems gemeinsam mit einer weiteren Hilfsmaschine über einen Riementrieb an eine Elektromaschine eines Boost-Recovery-Systems, die alle zusammen unter Einbezug einer Kupplung an eine Getriebewelle eines einer Brennkraftmaschine nachgeschalteten Getriebes angebunden sind und eine schematische Darstellung einer Anbindung einer Fluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems über ein Getriebe an eine Elektromaschine eines Boost-Recovery-Systems, die zusammen unter Einbezug einer Kupplung an eine Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine angebunden sind.
Das in Figur 1 schematisch dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf 1 mit einem ersten Wärmetauscher 2a und einem zweiten Wärmetauscher 2b auf, wobei grundsätzlich auch nur ein einziger Wärmetauscher oder aber auch mehr als zwei Wärmetauscher Bestandteil des Abwärmerückgewinnungssystems sein können. Die Wärmetauscher 2a, 2b sind dabei als Verdampfer ausgebildet beziehungsweise fungieren als solche und sind an einer Brennkraftmaschine 5 zur Rückgewinnung von beim Betrieb der Brennkraftmaschine 5 erzeugten Abwärme adaptiert. Dabei ist der erste
Wärmetauscher 2a von einem in einer Abgasleitung 3 der Brennkraftmaschine geführten und einem Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 4 der
Brennkraftmaschine 5 durchströmt. Zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher 2a ist der zweite Wärmetauscher 2b in einer Leitung in Form einer
Abgasrückführleitung 6 oder einen sonstigen Wärmeträgerleitung eingebaut.
Über die Abgasrückführleitung 6 wird dem Abgasstrom 4 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert über ein Abgasrückführleitungsventil 7 einem
Ansaugsystem 8 der Brennkraftmaschine 5 zugeführt. Das Ansaugsystem 8 kann bevorzugt als Ladeluftleitungssystem ausgebildet sein. Die beiden
Wärmetauscher 2a, 2b können gegebenenfalls über nicht dargestellte
Wärmetauscherbypassleitungen bei bestimmten Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine 5 eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 5 bevorzugt eingebaut ist, umgehbar sein. Beim Einbau der Brennkraftmaschine 5 in eine Fahrzeug ist die Brennkraftmaschine 5 und das
Abwärmerückgewinnungssystem mit dem Arbeitsfluidkreislauf 1 und dem erwähnten beziehungsweise nachfolgend noch beschriebenen Komponenten vorzugweise zumindest teilweise in einen Motorraum des Fahrzeugs eingebaut.
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 ersten Wärmetauscher 2a Abgasschalldämpfer 9 sowie Einrichtungen 10 zur
Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter in beliebiger Reihenfolge 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, beispielsweise mit Benzin oder Gas betriebene,
Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common- Rail-Einspritzsystem aufweisen kann.
Der erste Wärmetauscher 2a und der zweite Wärmetauscher 2b sind, wie zuvor ausgeführt, ihrerseits Teil des Arbeitsfluidkreislaufs 1, der neben den
Wärmetauschern 2a, 2b eine Expansionsmaschine 11, einen Kondensator 12, gegebenenfalls eine Kondensatorpumpe 13, einen Ausgleichsbehälter 14 und zumindest eine Fluidpumpe 15 aufweist. Die Fluidpumpe 15 ist über eine erste
Zuleitung 16a mit dem ersten Wärmetauscher 2a und über eine zweite Zuleitung 16b mit dem zweiten Wärmetauscher 2b strömungsmäßig verschaltet. In die Zuleitungen 16a, 16b können Regelventile zum Einstellen einer
Strömungsmengenaufteilung eingeschaltet sein. Es kann aber auch in jede Zuleitung 16a, 16b eine eigene einstellbare Fluidpumpe 15 eingebaut sein, die jeweils so einstellbar ist, dass bei einer konstanten oder einstellbaren
Gesamtfördermenge des Arbeitsfluids eine Fördermengenaufteilung zu dem ersten Wärmetauscher 2a und dem zweiten Wärmetauscher 2b zunehmend und entsprechend abnehmend zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden kann. Die Gesamtfördermenge kann dann beispielsweise durch eine Drehzahländerung der
Fluidpumpen 15 eingestellt werden.
Die Expansionsmaschine 11 ist bevorzugt eine zumindest ein Turbinenrad mit Turbinenschaufeln aufweisende Turbomaschine, der normalerweise ein
Reduktionsgetriebe nachgeschaltet ist, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und diese an die Drehzahlen einer nachgeschalteten Arbeitsmaschine oder eines sonstigen Abnehmers anzupassen.
Beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems wird von der Fluidpumpe 15 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid, beispielsweise Ethanol,
Cyclopentan oder ein Kältemittel auf einen hohen Druck gebracht und den Wärmetauschern 2a, 2b zugeführt. Das Fluid wird in den Wärmetauschern 2a, 2b 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. Um den Arbeitsfluidkreislauf 1 an der Expansionsmaschine 11 vorbeiführen zu können, kann eine Bypassleitung 17 mit einem Bypassventil 18 vorgesehen sein, über die die
Expansionsmaschine 11 umgehbar ist. Um zu verhindern, dass der
Expansionsmaschine 11 und insbesondere dem Turbinenrad in dem Arbeitsfluid auch in dem dampfförmigen Zustand gegebenenfalls enthaltene flüssige Anteile überhaupt oder in einer kritischen Konstellation zugeführt werden, kann eine Einrichtung in den Arbeitsfluidkreislauf lvor dem Eingang in die
Expansionsmaschine 11 eingebaut sein, die die flüssigen Anteile zurückhält und in geeigneter Weise abführt, umwandelt oder in sonstiger Weise unschädlich macht. Dadurch sind das Turbinenrad oder sonstige Teile der
Expansionsmaschine 11 vor flüssigen Anteilen beispielsweise in Form von Fluidtröpfchen geschützt. Das der Expansionsmaschine 11 zugeführte
Arbeitsfluid entspannt sich in der Expansionsmachine 11 unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über eine Abtriebswelle 19 abgeführt wird. Die Abtriebswelle 19 kann beispielsweise mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung gekoppelt sein. Danach wird der„kalte" Dampf in dem Kondensator 12 kondensiert und letztendlich wieder der Fluidpumpe 15 zugeführt. In die Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 12 und der Fluidpumpe 15 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 Arbeitsfluidkreislaufs 1, vorhanden sein.
Weiterhin ist ein Steuergerät 20 zur Steuerung des
Abwärmerückgewinnungssystems und gegebenenfalls der Brennkraftmaschine 5 zusammen mit den weiteren noch beschriebenen Komponenten vorhanden.
Figur 2 zeigt einen Antriebsstrang 21 eines Fahrzeugs mit der
Brennkraftmaschine 5, wobei in den Antriebsstrang 21 ein Getriebe 22 und ein Differenzial 23 zusammenwirkend mit einer Radachse 24, an der Räder 25 montiert sind, verbunden ist. Dies ist ein üblicher Antriebsstrang 21 eines Fahrzeugs, beispielsweise in Form eines Lkws, eines Pkws oder aber auch einer Arbeitsmaschine.
An die Brennkraftmaschine 5 ist das zuvor erläuterte und die Fluidpumpe 15 aufweisende Abwärmerückgewinnungssystem angebunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Fluidpumpe 15 eine Antriebswelle 26 auf. Weiterhin ist eine Elektromaschine 27 eines in der allgemeinen
Vorteilsbeschreibung genauer erläuterten Boost-Recovery-Systems mit einer Triebwelle 28 vorhanden. Grundsätzlich kann das Boost-Recovery-System von dem Antriebsstrang 21 entnommene Energie in elektrische Energie wandeln und in einer Batterie speichern oder aber bei einer Energieversorgung durch die Batterie zusätzlich Leistung in den Antriebsstrang 21 einspeisen. Auch ist ein Start der Brennkraftmaschine 5 durch die Elektromaschine 27 möglich und vorgesehen. Schließlich ist optional eine Hilfsmaschine 29, die beispielsweise ein Klimakompressor einer Klimaanlage sein kann, mit einer Hilfsmaschinenwelle 30 vorhanden. Die Wellen 26, 28, 30 der Maschinen 27, 29 beziehungsweise der Fluidpumpe 15 sind über einen Riementrieb 31 miteinander gekoppelt und über eine Kupplung 32 mit einer Abtriebswelle 33 der Brennkraftmaschine 5 verbunden. Dadurch ist für die Fluidpumpe 15 des
Abwärmerückgewinnungssystems kein eigener Antrieb in Form insbesondere eines eigenen Elektromotors nötig, da diese Funktion von der Elektromaschine 27 dargestellt wird. Zudem ist durch Anbindung an die Abtriebswelle 33 der Brennkraftmaschine über eine Kupplung 32 eine bedarfsgerechte Ankopplung beziehungsweise Entkopplung von der Brennkraftmaschine 5 möglich, wobei im Abkopplungsfall der Antrieb der Fluidpumpe 15 von der Elektromaschine 27, die dann von einer Batterie mit Strom versorgt wird, betrieben wird. An die
Abtriebswelle 33 können noch weitere (anzutreibende) Komponenten
angebunden sein und über die Abtriebswelle 33 kann auch - wie zuvor ausgeführt - Energie beziehungsweise Leistung letztendlich in den
Antriebsstrang 21 eingespeist werden. Der Riementrieb 31 kann so mit
(verstellbaren) Riemenscheiben auf den Wellen 26, 28, 30 ausgebildet sein, dass zumindest die Drehzahl der Antriebswelle 26 in Bezug zu der Triebwelle 28 variabel ist.
Figur 3 zeigt eine ähnliche Ausführung zu Figur 2, wobei hier die Ankopplung der Systemeinheit bestehend aus Fluidpumpe 15, Elektromaschine 27 und
Hilfsmaschine 29 über die Kupplung 32 an eine Hilfsabtriebswelle 34 der Brennkraftmaschine 5, über die wiederum auch Energie beziehungsweise Leistung letztendlich in den Antriebsstrang 21 eingespeist werden kann, erfolgt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 weist das Getriebe 22 eine beliebige Getriebewelle 36 auf, an die die Kupplung 32 und anschließend die Fluidpumpe 15, die Elektromaschine 27 und die Hilfsmaschine 29 angekoppelt beziehungsweise ankoppelbar sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist ähnlich zu dem der Figur 2 aufgebaut, wobei hier anstelle des Riementriebs 31 ein Getriebe in Form eines Planetengetriebes 35 vorgesehen ist, das zwischen der Kupplung 32 und der Triebwelle 28 und der Antriebswelle 26 eingeschaltet ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist keine Hilfsmaschine 29 vorhanden.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beliebige zuvor beschriebene und/oder in den Figuren dargestellte Einzelmerkmale der Erfindung miteinander und untereinander kombiniert sein können.

Claims

Ansprüche
1. Abwärmerückgewinnungssystem mit einem ein Arbeitsfluid führenden Arbeitsfluidkreislauf (1), aufweisend zumindest einen in einer Abgasleitung (3) einer Brennkraftmaschine (5) eingeschalteten Wärmetauscher (2a), der Teil des Arbeitsfluidkreislaufs (1) mit zumindest einer Expansionsmaschine (11), einem Kondensator (12) und einer Fluidpumpe (15) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidpumpe (15) eine Antriebswelle (26) aufweist, die mit einer Triebwelle (28) einer Elektromaschine (27) eines Boost-Recuperation-Systems (Erhöhung-Rückgewinnung-Systems) verbunden ist.
2. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (26) über einen
Riementrieb (31) mit der Triebwelle (28) gekoppelt ist.
3. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (26) über ein Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe (35), mit der Triebwelle (28) gekoppelt ist.
4. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (26) sowie die
Triebwelle (28) mit einer Abtriebswelle (33) der Brennkraftmaschine (5) verbunden sind.
5. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (26) sowie die
Triebwelle (28) mit einer Hilfsabtriebswelle (34) der Brennkraftmaschine (5) verbunden sind. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (26) sowie die
Triebwelle (28) mit einer Getriebewelle (36) eines der Brennkraftmaschine (5) nachgeschalteten Getriebes (22) verbunden sind.
Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Antriebswelle (26) sowie der Triebwelle (28) mit der Abtriebswelle (33) und/oder der
Hilfsabtriebswelle (34) und/oder der Getriebewelle (36) eine Kupplung (32) aufweist.
Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die Verbindung der Antriebswelle (26) und der Triebwelle (28) an eine weitere Hilfsmaschinenwelle (30) angebunden ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems mit einem ein Arbeitsfluid führenden Arbeitsfluidkreislauf (1), aufweisend zumindest einen in einer Abgasleitung (3) einer Brennkraftmaschine (5) eingeschalteten Wärmetauscher (2a), der Teil des Arbeitsfluidkreislaufs (1) mit zumindest einer Expansionsmaschine (11), einem Kondensator (12) und einer Fluidpumpe (15) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebswelle (26) der Fluidpumpe (15) mit einer Triebwelle (28) einer Elektromaschine (27) eines Boost- Recuperation-Systems (Erhöhung-Rückgewinnung-Systems)
zusammenwirkend bedarfsweise an eine Abtriebswelle (33) und/oder Hilfsabtriebswelle (34) der Brennkraftmaschine (5) ankoppelbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems mit einem ein Arbeitsfluid führenden Arbeitsfluidkreislauf (1), aufweisend zumindest einen in einer Abgasleitung (3) einer Brennkraftmaschine (5) eingeschalteten Wärmetauscher (2a), der Teil des Arbeitsfluidkreislaufs (1) mit zumindest einer Expansionsmaschine (11), einem Kondensator (12) und einer Fluidpumpe (15) ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebswelle (26) der Fluidpumpe (15) mit einer Triebwelle (28) einer Elektromaschine (27) eines Boost- Recuperation-Systems (Erhöhung-Rückgewinnung-Systems)
zusammenwirkend bedarfsweise an eine Getriebewelle (36) eines der Brennkraftmaschine (5) nachgeschalteten Getriebes (22) ankoppelbar ist.
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