Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines

Abwärmenutzungssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Aus der DE 10 2009 050 068 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kühlkreis und einem Clausius-Rankine-Kreis zur Abwärmerückgewinnung bekannt, wobei der Clausius- Rankine-Kreis über eine Wärmetauschereinrichtung Wärme übertragend mit dem

Kühlkreis verbunden ist und in dem Clausius-Rankine-Kreis ein Kondensator, eine Pumpe und eine Expansionseinheit angeordnet sind. Weiterhin sind ein Ausgleichsbehälter zum Ausgleich von Volumen-/Druckschwankungen eines innerhalb des Clausius-Rankine- Kreis zirkulierenden Arbeitsmediums und eine Druckregeleinrichtung vorgesehen, wobei die Druckregeleinrichtung einen im Ausgleichsbehälter herrschenden Druck des

Arbeitsmediums aktiv reguliert.

Weiterhin ist aus der DE 10 2010 053 835 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs für eine Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius-Rankine-Kreislaufs oder eines Organic-Clausius- Rankine-Kreislaufs, bekannt. Der Abwärmenutzungskreislauf umfasst ein zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssiges Arbeitsmedium, wobei im Abwärmenutzungskreislauf eine Entgasungsvorrichtung angeordnet ist, welche passiv und zu einer automatischen Entlüftung des Arbeitsmediums ausgebildet ist. Die Entgasungsvorrichtung umfasst ein Membranventil oder Schwimmerventil und ist in einem Niederdruckabschnitt des

Abwärmenutzungskreislaufs in einem flüssigen Arbeitsmediumstrom zwischen einem Ausgang eines Kondensators und einem Eingang einer Fördereinheit an einer gegenüber einer Position des Ausgangs des Kondensators und einer Position des Eingangs der Fördereinheit erhöhten Position angeordnet. Die Entgasungsvorrichtung öffnet, wenn ein Druck in dem Niederdruckabschnitt einen vorgebbaren Wert über einem

Umgebungsdruck liegt. Dabei wird die Entgasungsvorrichtung während eines Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs kontinuierlich betrieben und trennt das Arbeitsmedium von Gasen oder Gasgemischen. Das vom Arbeitsmedium separierte oder aus dem Arbeitsmedium abgeschiedene Gas oder Gasgemisch wird von der

Entgasungsvorrichtung geregelt oder gesteuert an oder in eine Umgebung des

Abwärmenutzungskreislaufs abgegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines

Abwärmenutzungssystems anzugeben.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Vorrichtung zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfasst einen Abwärmenutzungskreislauf, welcher eine Fördereinheit zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums, zumindest einen Verdampfer zur

Verdampfung des Arbeitsmediums mittels Abwärme einer Abwärmequelle, zumindest eine Expansionsmaschine zur Expansion des verdampften Arbeitsmediums und einen Kondensator zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums umfasst. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen mit dem Abwärmenutzungskreislauf in einem Bereich zwischen dem Kondensator und der Fördereinheit strömungstechnisch gekoppelten Ausgleichsbehälter zum Ausgleich von Volumen- und/oder Druckschwankungen des innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs zirkulierenden Arbeitsmediums.

Erfindungsgemäß ist der Ausgleichsbehälter zur Umgebung offen für Gase und zwischen dem Ausgleichsbehälter und dem Abwärmenutzungskreislauf ist ein Luftsammler strömungstechnisch mit dem Ausgleichsbehälter und dem Abwärmenutzungskreislauf gekoppelt. Aufgrund des Ausgleichsbehälters mit der Offenheit für Gase zur Umgebung hin und aufgrund des mit dem Ausgleichsbehälter gekoppelten Luftsammlers ist keine absolute Dichtheit des Abwärmenutzungssystems erforderlich, wodurch kostengünstige

Komponenten verwendbar sind.

Mittels des Ausgleichsbehälters und des Luftsammlers ist in einfacher Weise eine effektive Entlüftung des Abwärmenutzungskreislaufs möglich, so dass eine vorhandene und einen Betrieb des Abwärmenutzungssystems beeinträchtigende Luft entfernt werden kann. Eine Erzeugung einer absoluten, d. h. hermetischen, Dichtheit des

Abwärmenutzungssystems ist sowohl für einen Betrieb mit Unterdruck als auch für einen Betrieb mit Überdruck technologisch und im Hinblick auf die Kosten sehr aufwendig.

Aufgrund der Entlüftung kann eine Leistungsausbeute des Abwärmenutzungssystems durch Reduzierung des Luftanteils und Einstellung eines optimalen Füllstands des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungssystem erhöht werden.

Bei einer Verwendung des Abwärmenutzungssystems in einem Kraftfahrzeug sind aufgrund der mittels der Vorrichtung automatisch durchführbaren Entlüftung und Befüllung des Abwärmenutzungskreislaufs mit dem Arbeitsmedium die Entlüftung und Befüllung individuell ohne das Erfordernis einer Wartungsmaßnahme möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild eines Abwärmenutzungssystems mit einer

Vorrichtung zum Betrieb desselben und

Fig. 2 schematisch einen Programmablaufplan eines Verfahrens zum Betrieb eines

Abwärmenutzungssystems.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines möglichen Abwärmenutzungssystems 1 mit einem Abwärmenutzungskreislauf 2 und einer Vorrichtung 3 zum Betrieb des Abwärmenutzungssystem 1 , welches auf einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise auf einem so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozess, basiert, dargestellt.

Das Abwärmenutzungssystem 1 ist insbesondere zur Nutzung von Abwärme in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug, beispielsweise eines Nutzfahrzeugs, vorgesehen.

Insbesondere wird als Abwärmequelle (nicht näher dargestellt) eine nicht näher dargestellte Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs verwendet, wobei die Abwärme Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine ist.

Der Abwärmenutzungskreislauf 2 umfasst eine Fördereinheit 2.1 zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums AM, beispielsweise Wasser oder Ethanol, einen

Verdampfer 2.2 zur Verdampfung des Arbeitsmediums AM mittels Abwärme der

Abwärmequelle, eine Expansionsmaschine 2.3, beispielsweise eine Turbine, zur

Erzeugung mechanischer Energie durch Expandieren des verdampften

Arbeitsmediums AM und einen Kondensator 2.4 zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums AM.

In bekannter Weise erfolgt mittels der Fördereinheit 2.1 eine insbesondere adiabate und isentrope Druckerhöhung des Arbeitsmediums AM, bevor diesem innerhalb des

Verdampfers 2.2 isobar Wärme zugeführt wird. Diese Wärme ist Abwärme der beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Abwärmequelle, welche thermisch mit dem Verdampfer 2.2 gekoppelt ist. Die Abwärme wird mittels des

Verdampfers 2.2 auf das Arbeitsmedium AM übertragen. Hierbei wird das

Arbeitsmedium AM insbesondere zunächst bis zu einem Verdampfungspunkt erwärmt, anschließend isotherm verdampft und gegebenenfalls zusätzlich überhitzt. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen können mehrere Verdampfer 2.2 zur Realisierung einer oder mehrerer so genannter Zwischenüberhitzungen vorgesehen sein.

Anschließend wird das verdampfte Arbeitsmedium AM der Expansionsmaschine 2.3 zugeführt, mittels welcher eine insbesondere adiabat ausgebildete Expansion des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durchgeführt wird. Die hierbei aus der Expansion resultierende und mittels der Expansionsmaschine 2.3 erzeugte mechanische Energie wird beispielsweise direkt zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine beim Antrieb des Kraftfahrzeugs oder zum Antrieb weiterer Aggregate des Kraftfahrzeugs verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Teil der mechanischen Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt, gespeichert und/oder unmittelbar zum Betrieb elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs verwendet.

Nach der Expansion wird das expandierte oder entspannte Arbeitsmedium AM dem Kondensator 2.4 zugeführt, in welchem eine insbesondere isobar ausgebildete

Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durch Kühlung erfolgt. Für diese Kühlung ist der Kondensator 2.4 beispielsweise mit einem Kühlkreislauf der

Verbrennungskraftmaschine und/oder einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs gekoppelt.

Das Arbeitsmedium AM ist dabei derart ausgebildet, dass innerhalb des

Abwärmenutzungskreislaufs 2 Betriebszustände auftreten können, in welchen Unterdruck herrscht, d. h. ein Systemdruck ist kleiner als ein Umgebungsdruck, oder in welchen Überdruck herrscht, d. h. der Systemdruck ist größer als der Umgebungsdruck.

Das Abwärmenutzungssystem 1 ist dabei hermetisch nicht dicht ausgebildet, so dass im Ruhezustand des Abwärmenutzungssystem 1 , in welchem der Systemdruck kleiner als der Umgebungsdruck ist, Luft in den Abwärmenutzungskreislauf 2 eintreten kann. Diese Luft kann im Betrieb zu einer Beeinträchtigung des thermodynamischen Kreisprozesses und somit zu einer Verringerung eines Wirkungsgrades des Abwärmenutzungssystems 1 führen. Zur Steigerung des Wirkungsgrades ist deshalb ein Herausführen der Luft aus dem Abwärmenutzungskreislauf 2, d. h. eine so genannte Entlüftung, erforderlich.

Zu dieser Entlüftung umfasst die Vorrichtung 3 einen mit dem

Abwärmenutzungskreislauf 2 in einem Bereich zwischen dem Kondensator 2.4 und der Fördereinheit 2.1 strömungstechnisch gekoppelten Luftsammler 3.1 , welcher mittels eines Ventils 3.2 strömungstechnisch mit einem zum Ausgleich von Volumen- und/oder Druckschwankungen des Arbeitsmediums AM vorgesehenen Ausgleichsbehälter 3.3 koppelbar und von diesem trennbar ist.

Das Ventil 3.2 ist dabei steuerbar und/oder regelbar und zu diesem Zweck mit einer Steuereinheit 3.4 verbunden, wobei die Ansteuerung des Ventils 3.2 mittels der

Steuereinheit 3.4 unter Bezugnahme auf den in Figur 2 dargestellten Programmablaufplan näher beschrieben wird.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 3 eine innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs 2 im Bereich zwischen dem Kondensator 2.4 und der Fördereinheit 2.1 vor dem Luftsammler 3.1 angeordnete Temperaturerfassungseinheit 3.5 zur Erfassung einer Temperatur des Arbeitsmediums AM und eine ebenfalls im Bereich zwischen dem

Kondensator 2.4 und der Fördereinheit 2.1 vor dem Luftsammler 3.1 angeordnete Druckerfassungseinheit 3.6 zur Erfassung eines Drucks des Arbeitsmediums AM.

Ferner umfasst der Ausgleichsbehälter 3.3 einen Füllstandssensor 3.7 zur Erfassung eines Füllstands von innerhalb des Ausgleichsbehälters 3.3 befindlichem

Arbeitsmedium AM.

Figur 2 zeigt einen Programmablaufplan eines möglichen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des in Figur 1 dargestellten

Abwärmenutzungssystems 1.

Das Verfahren wird dabei derart ausgeführt, dass wie bereits beschrieben mittels der Fördereinheit 2.1 eine insbesondere adiabate und isentrope Druckerhöhung des

Arbeitsmediums AM durchgeführt wird, bevor diesem innerhalb des Verdampfers 2.2 isobar Wärme zugeführt wird. Diese Wärme ist Abwärme der beispielsweise als

Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Abwärmequelle, welche thermisch mit dem Verdampfer 2.2 gekoppelt ist. Die Abwärme wird mittels des Verdampfers 2.2 auf das Arbeitsmedium AM übertragen. Hierbei wird das Arbeitsmedium AM insbesondere zunächst bis zu einem Verdampfungspunkt erwärmt, anschließend isotherm verdampft und gegebenenfalls zusätzlich überhitzt. In nicht näher dargestellten

Ausführungsbeispielen können mehrere Verdampfer 2.2 zur Realisierung einer oder mehrerer so genannter Zwischenüberhitzungen vorgesehen sein.

Anschließend wird das verdampfte Arbeitsmedium AM der Expansionsmaschine 2.3 zugeführt, mittels welcher eine insbesondere adiabat ausgebildete Expansion des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durchgeführt wird. Die hierbei aus der Expansion resultierende und mittels der Expansionsmaschine 2.3 erzeugte mechanische Energie wird beispielsweise direkt zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine beim Antrieb des Kraftfahrzeugs oder zum Antrieb weiterer Aggregate des Kraftfahrzeugs verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Teil der mechanischen Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt, gespeichert und/oder unmittelbar zum Betrieb elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs verwendet.

Nach der Expansion wird das expandierte oder entspannte Arbeitsmedium AM dem Kondensator 2.4 zugeführt, in welchem eine insbesondere isobar ausgebildete Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durch Kühlung erfolgt. Für diese Kühlung ist der Kondensator 2.4 beispielsweise mit einem Kühlkreislauf der

Verbrennungskraftmaschine und/oder einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs gekoppelt.

Eine Entlüftung des Abwärmenutzungskreislaufs 2 und eine Befüllung desselben werden wie im Folgenden beschrieben durchgeführt.

Nach einem Start des Verfahrens erfolgt zunächst in einem ersten Schritt S1 eine

Bestimmung einer aktuellen Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2. Diese erfolgt bei ruhendem Abwärmenutzungskreislauf 2 wobei in einer ersten Verzweigung V1 überprüft wird, ob stationäre Bedingungen vorliegen (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen J für "Ja") oder ob keine stationären Bedingungen vorliegen (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen N für "Nein").

Zur Bestimmung der Luftmenge im Schritt S1 dient ein Verfahren, welches im

Ruhezustand des Abwärmenutzungskreislaufs 2 anhand eines mittels der

Druckerfassungseinheit 3.6 gemessenen Drucks die Luftmenge im

Abwärmenutzungskreislauf 2 bestimmt. Dazu wird der gemessene Druck mit einem aus einer Datenbank entnommenen Referenzdruck verglichen. Der Referenzdruck wird dabei in der Datenbank aus einer so genannten Dampfdruckkurve anhand einer mittels der Temperaturerfassungseinheit 3.5 ermittelten Temperatur und hinterlegten Stoffkenndaten ermittelt. Wenn sich keine Luft im Abwärmenutzungskreislauf 2 befindet, sind der gemessene Druck und der Referenzdruck identisch. Liegt der gemessene Druck über dem Referenzdruck, wird ein vorhandener Differenzdruck zur Berechnung eines Luft- Partialdrucks und damit der vorhandenen Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2 verwendet. Diese Berechnung im Ruhezustand dient als Initialisierung einer im

Systembetrieb laufend im zweiten Schritt S2 durchgeführten Partialdruckberechnung.

In diesem Schritt S2 wird während des Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs 2 gemäß analog zum Schritt S1 die aktuelle Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2 ermittelt. In einem darauffolgenden dritten Schritt S3 erfolgt ein Abgleich der im Schritt S1 und Schritt S2 ermittelten Werte der Luftmenge, wobei anhand des Abgleichs in einer weiteren Verzeigung V2 ermittelt wird, ob eine Entgasung und/oder eine Verringerung einer Füllmenge an Arbeitsmedium AM, im Folgenden als Entleerung bezeichnet, möglich ist. Ist keine Entgasung oder Entleerung möglich, wird in einer weiteren Verzweigung V3 ermittelt, ob eine Befüllung des Abwärmenutzungskreislaufs 2 mit Arbeitsmedium AM möglich ist.

Ist die Befüllung nicht möglich, erfolgt eine unmittelbare Rückführung des Verfahrens zu Schritt S2. Ist die Befüllung möglich, wird in einer weiteren Verzweigung V4 überprüft, ob die Befüllung erforderlich ist. Ist dies der Fall, erfolgt in einem vierten Schritt S4 eine Ansteuerung einer Wiederbefüllung des Abwärmenutzungskreislaufs 2 und anschließend eine Rückführung zu Schritt S2. Ist eine Befüllung nicht erforderlich, erfolgt die

Rückführung des Verfahrens zu Schritt S2 unmittelbar.

Wird dagegen in der Verzweigung V2 ermittelt, dass die Entgasung und/oder Entleerung möglich ist bzw. sind, wird in einer weiteren Verzweigung V5 ermittelt, ob die Entleerung erforderlich ist. Ist dies der Fall, erfolgt in einem fünften Schritt S5 eine Ansteuerung der Entleerung und anschließend eine Rückführung des Verfahrens zu Schritt S2.

Ist eine Entleerung nicht erforderlich, wird in einer weiteren Verzweigung V6 ermittelt, ob die Entgasung erforderlich ist. Ist dies der Fall, erfolgt in einem sechsten Schritt S6 eine Ansteuerung der Entgasung und anschließend eine Rückführung des Verfahrens zu Schritt S2. Ist keine Entgasung erforderlich, erfolgt eine Weiterführung des Verfahrens zur Verzweigung V3.

Dabei erfolgt die Entgasung bei erfasstem Überdruck, das heißt die Verringerung der Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2, derart, dass das Ventil 3.2 geöffnet wird und innerhalb des Luftsammlers 3.1 aufgenommene Luft in den Ausgleichsbehälter 3.3 strömt. Hierbei wird das Ventil 3.2 taktweise angesteuert und eine im Luftsammler 3.1 gebildete Luftblase entweicht jeweils stückweise in den Ausgleichsbehälter 3.3. Dabei folgen in kurzen Zeitabschnitten des Ventilöffnens längere Zeitabschnitte mit geschlossenem Ventil 3.2, damit sich die Luft wieder im Luftsammler 3.1 ansammeln kann und eine Menge an entweichendem Arbeitsmedium AM minimiert wird. Eine dennoch mit der Luft entweichende Menge des Arbeitsmediums AM wird im Ausgleichsbehälter 3.3 gesammelt, wobei mittels des in den Ausgleichsbehälter 3.3 eintretenden Arbeitsmediums AM im zur Umgebung geöffneten Ausgleichsbehälter 3.3 vorhandene Luft in die Umgebung verdrängt. Diese zuvor beschriebene Ansteuerung des Ventils 3.2 erfolgt in

wiederkehrenden Abfolgen bis entweder der Ausgleichsbehälter 3.3 vollständig mit Arbeitsmedium AM gefüllt ist und dies vom Füllstandsensor 3.7 erfasst wird oder bis eine berechnete Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2 einen vorgegebenen Wert erreicht hat.

Ist bei erfasstem Überdruck eine Entleerung, d. h. eine Verringerung der Füllmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2, erforderlich, wird das Ventil 3.2 derart, insbesondere ohne Taktung, angesteuert, dass das Arbeitsmedium AM in den Ausgleichsbehälter 3.3 transportiert wird.

Um die Entlüftungsfunktion erneut durchzuführen, werden Betriebsphasen mit

vorherrschendem Unterdruck im Abwärmenutzungskreislauf 2 genutzt. Dieser Unterdruck kann sich entweder durch Betriebssituationen selbständig ergeben oder auch gezielt durch entsprechende Ansteuerung des Kondensators 2.4, insbesondere eine Erhöhung einer Kühlleistung, und/oder eine Ansteuerung der Fördereinheit 2.1, insbesondere eine Verringerung der Fördermenge, erzeugt werden. Bei erfasstem Unterdruck wird das Ventil 3.2 geöffnet und aufgrund des Unterdrucks wird in dem Ausgleichsbehälter 3.3 befindliches Arbeitsmedium AM zurück in den Abwärmenutzungskreislauf 2 gesaugt. Dies erfolgt insbesondere so lange, bis mittels des Füllstandssensors 3.7 ein vorgegebener minimaler Füllstand des Ausgleichsbehälters 3.3 erfasst wird oder eine vorgegebene Füllmenge des Abwärmenutzungskreislaufs 2 eingestellt ist. Es verbleibt immer eine Restmenge Arbeitsmedium AM im Ausgleichsbehälter 3.3, um ein Ansaugen von Luft aus diesem in den Abwärmenutzungskreislauf 2 zu vermeiden.

Mittels des zuvor beschriebenen Verfahrensablaufs ist es möglich, dass der

Abwärmenutzungskreislauf 2 im Ruhezustand vollständig mit dem Arbeitsmedium AM befüllt wird und eine Druckdifferenz zur Umgebung sowie dadurch eine Menge der möglicherweise eintretenden Luft in den Abwärmenutzungskreislauf 2 reduziert wird.

Weiterhin werden bei der Durchführung des Verfahrens vorherrschende Druckniveaus und Druckdifferenzen zwischen dem Abwärmenutzungskreislauf 2 und seiner Umgebung genutzt, um allein durch Ansteuerung des Ventils 3.2 ohne Nutzung einer Medienpumpe oder anderer aktiver Elemente die Luft aus dem Abwärmenutzungskreislauf 2 heraus oder das Arbeitsmedium AM in den Abwärmenutzungskreislauf 2 hinein oder heraus zu fördern. Bezugszeichenliste

1 Abwärmenutzungssystem

2 Abwärmenutzungskreislauf

2.1 Fördereinheit

2.2 Verdampfer

2.3 Expansionsmaschine

2.4 Kondensator

3 Vorrichtung

3.1 Luftsammler

3.2 Ventil

3.3 Ausgleichsbehälter

3.4 Steuereinheit

3.5 Temperaturerfassungseinheit

3.6 Druckerfassungseinheit

3.7 Füllstandssensor

AM Arbeitsmedium

J Ja

N Nein

S1 bis S6 Schritt

V1 bis V6 Verzweigung