Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem insbesondere nach dem organischen Rankine Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungssystem, welches zumindest einen Verdichter, zumindest einen Wärmetauscher, zumindest einen Expander und zumindest einen Kondensator aufweist, wobei eine Abtriebswelle des Expanders über einen zumindest eine Wellenkupplung aufweisenden Triebstrang mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsverbindbar ist, wobei der Triebstrang durch die Wellenkupplung unterbrechbar ist, sobald die brennkraftmaschinenseitige Drehzahl der Wellenkupplung die expanderseitige Drehzahl der Wellenkupplung überschreitet und wobei im Triebstrang zwischen dem Expander und der Brennkraftmaschine zumindest eine Bremseinrichtung angeordnet ist.

Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welche ein insbesondere nach dem organischen Rankine Zyklus arbeitendes Abwärmerückgewinnungssystem aufweist, wobei ein Arbeitsmedium in zumindest einem Verdichter komprimiert, in zumindest einen Wärmetauscher durch Abwärme insbesondere der Brennkraftmaschine erhitzt, in zumindest einem Expander unter Abgabe von Arbeit an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine expandiert und in zumindest einem Kondensator abgekühlt wird, wobei ein Triebstrang zwischen dem Expander und der Brennkraftmaschine mittels einer vorzugsweise als Freilaufkupplung ausgebildeten Wellenkupplung unterbrochen wird, wenn die brennkraftmaschinenseitige Drehzahl der Wellenkupplung die expanderseitige Drehzahl der Wellenkupplung überschreitet.

Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine bekannt, mit denen aus dem Abgas der Brennkraftmaschine Energie beispielsweise mittels eines organischen Rankine-Zyklus zurückgewonnen werden kann. Dabei wird ein organisches Arbeitsmedium durch eine Speisepumpe bzw. durch einen Verdichter verdichtet, in einem Wärmetauscher mittels der Abwärme der Brennkraftmaschine erhitzt, in einer beispielsweise als Turbine oder Kolbenmaschine ausgebildeten Arbeitsmaschine (Expander) unter Abgabe von Arbeit expandiert und in einem Kondensator abgekühlt. Die Arbeitsmaschine kann zur Stromerzeugung mit einem Generator verbunden sein oder zur Abgabe von mechanischer Antriebsleistung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden sein.

Die EP 1 243 758 AI offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem nach dem organischen Rankine-Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungssystem, welches einen Verdichter, einen Wärmetauscher, einen Expander und einen Kondensator aufweist. Die Abtriebswelle des Expanders ist über zumindest einen Wellenkupplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebverbindbar. Zwischen dem Expander und der Brennkraftmaschine ist im Triebstrang eine Bremseinrichtung angeordnet.

Aus der DE 20 2013 004 907 Ul ist ein Kraftfahrzeug mit einer koppelbaren Abwärmenutzungsanordnung bekannt, wobei die Arbeitsmaschine des Kreisprozesses über Kupplungen wahlweise mit einer Brennkraftmaschine oder einem Nebenaggregat über ein Zugmittelgetriebe antriebsverbunden werden kann. Weiters ist zwischen der Arbeitsmaschine und dem Zugmittelgetriebe ein Freilauf angeordnet.

Die DE 10 2010 025 186 AI beschreibt eine Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem eine Expansionsmaschine aufweisenden Abwärmenutzungskreis, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Die Expansionsmaschine ist über eine Überholkupplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden. Eine derartige Überholkupplung erlaubt eine Antriebskraftübertragung ausschließlich von der Expansionsmaschine zur Kurbelwelle. Somit wird ein Schleppen der Expansionsmaschine durch die Kurbelwelle vermieden.

In gewissen Betriebsbereichen kann es allerdings vorkommen, dass trotzdem die Expanderdrehzahl die maximal zulässige Drehzahl des Expanders überschreitet, beispielsweise wenn die zulässige Expanderdrehzahl unter der zulässigen maximalen Motordrehzahl liegt, oder auch im Falle eines Defektes im Triebstrang.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Überdrehen des Expanders zuverlässig und mit geringem konstruktivem Aufwand zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Expander durch die Bremseinrichtung abbremsbar ist, wenn die Drehzahl des Expanders eine definierte kritische Grenzdrehzahl des Expanders überschreitet.

Vorzugsweise ist die Bremseinrichtung im Triebstrang zwischen dem Expander und der Wellenkupplung angeordnet.

Die Bremseinrichtung kann als steuerbare bzw. regelbare Bremseinrichtung ausgebildet sein. In einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung ist allerdings vorgesehen, dass die Bremseinrichtung als Fliehkraftbremse ausgebildet ist. Fliehkraftbremsen haben den Vorteil, dass sie selbsttätig agieren und die entsprechende anliegende Welle ab einer definierten Drehzahl abbremsen. Weiters ist es vorteilhaft, wenn die Wellenkupplung als Freilaufkupplung ausgebildet ist. Dadurch kann der Triebstrang durch die Wellenkupplung selbsttätig unterbrochen werden, sobald die brennkraftmaschinenseitige Drehzahl der Wellenkupplung die expanderseitige Drehzahl der Wellenkupplung überschreitet.

Fliehkraftbremse und Freilaufkupplung arbeiten völlig autark, sodass separate Steuereinrichtungen und Aktuatoren entfallen können.

Das Abwärmerückgewinnungssystem arbeitet bevorzugt nach dem bekannten Organischen Rankine Zyklus, wobei ein organisches Arbeitsmedium in zumindest einem Verdichter komprimiert, in zumindest einen Wärmetauscher durch Abwärme der Brennkraftmaschine erhitzt, in zumindest einem Expander unter Abgabe von Arbeit an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine expandiert und in zumindest einem Kondensator abgekühlt wird. Der Triebstrang zwischen dem Expander und der Brennkraftmaschine wird mittels der vorzugsweise als Freilaufkupplung ausgebildeten Wellenkupplung unterbrochen, wenn die brennkraftmaschinenseitige Drehzahl der Wellenkupplung die expanderseitige Drehzahl der Wellenkupplung überschreitet.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zur Vermeidung einer Überdrehzahl des Expanders vorgesehen, dass der Triebstrang auf der Expanderseite der Wellenkupplung über die vorzugsweise als Fliehkraftbremse ausgebildete Bremseinrichtung abgebremst wird, wenn die Drehzahl des Expanders eine definierte kritische Grenzdrehzahl überschreitet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Brennkraftmaschine 1, welche über einen Triebstrang 2 mit einem Expander 13 eines Wärmerückgewinnungssystems 10 verbunden ist, welches neben dem Expander 13 zumindest einen Verdichters 11, einen Wärmetauscher 12 und einen Kondensator 14 aufweist. Über den Verdichter 11 wird das beispielsweise organische Arbeitsmedium verdichtet, im Wärmetauscher 12 die Abwärme der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise aus dem Abgas, zugeführt. Im Expander wird das Arbeitsmedium unter Abgabe von mechanischer Arbeit entspannt und im Kondensator 14 abgekühlt. Der Expander 13 wird durch eine Arbeitsmaschine, beispielsweise eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine gebildet. Mit Bezugszeichen 4 ist die Kurbelwelle, mit Bezugszeichen 5 die Abtriebswelle des Expanders 13 bezeichnet. Eventuell vorhandene Über- oder Untersetzungsgetriebe zwischen Expander 13 und Brennkraftmaschine 1, die prinzipiell in jedem der drei Abschnitte des Triebstranges (zwischen Kurbelwelle und Wellen- kupplung, zwischen Wel lenkupplung und Bremseinrichtung sowie zwischen Bremseinrichtung und Expander) angeordnet sein können, sind nicht dargestellt.

Im Triebstrang 2 ist eine als Freilaufkuppl ung (Überholkupplung) 6a ausgebildete Wellenkupplung 6 angeordnet. Die Frei laufkupplung 6a dient dazu, einen Antrieb des Expanders 13 durch die Kurbelwel le 4 der Brennkraftmaschine 1 zu vermei ^¬ den . Sobald die brennkraftmasch inenseitige Drehzahl ni der Freilaufkupplung 6a größer ist, als die expanderseitige Drehzahl n ₂ der Freilaufkupplung 6a, wird der Triebstrang 2 unterbrochen . Somit ist der Antrieb nu r vom Expander 13 zur Brennkraftmaschine 1, aber nicht in umgekehrter Richtung, möglich .

Zwischen der Wellenkupplung 6 und dem Expander 13 ist eine Bremseinrichtung 7 angeordnet, welche als selbsttätige Fl iehkraftbremse 7a ausgebi ldet ist. Sobald die aktuel le Drehzahl n ₂ des Expanders 13 eine definierte kritische Drehzahl ni< erreicht, wird die Abtriebswel le 5 des Expanders 13 durch die Bremseinrichtung 7 abgebremst, sodass ein Überdrehen des Expanders 13 über diese kritische Dreh ^¬ zahl h inaus verm ieden wird . Unterhalb der kritischen Drehzahl gi bt die Bremseinrichtung 7 die Abtriebswelle 5 frei, sodass ein unbeh indertes Drehen des Expan ^¬ ders 13 möglich ist.

Durch die Fliehkraftbremse wird die aktuel le Drehzahl n ₂ des Expanders 13, unter allen Betriebszuständen des Motors, insbesondere auch solchen m it hoher Motordrehzahl wie Gangwechsel oder Motorbremsbetrieb, unterhal b der kritischen Drehzahl ni< des Expanders 13 gehalten . Zusätzlich agiert die Fliehkraftbremse 7a als Sicherheitseinrichtung für den Expander 13, beispielsweise fü r den Fall, dass die mechan ische Verbindung im Triebstrang 2 zwischen dem Expander 13 und der Brennkraftmaschi ne 1 unterbrochen wird (zum Beispiel bei Versagen eines Antriebsriemens i m Triebstrang) .