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.