Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem einer

Brennkraftmaschine, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen

Arbeitsfluidkreislauf mit zumindest einem in einen Abwärmestrom der

Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, eine mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Fluidpumpe aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum

Betreiben eines derartigen Abwärmerückgewinnungssystems.

Stand der Technik

Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der

DE 10 2013 205 648 AI bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem weist einen üblichen Aufbau mit einem Arbeitsfluidkreislauf auf, wobei der

Arbeitsfluidkreislauf zumindest einen in einen Abwärmestrom einer

Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, eine mit einer elektrischen Maschine gekoppelte Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Fluidpumpe aufweist. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem nutzt die

Restwärme eines beliebigen Abwärmestroms der Brennkraftmaschine, leitet ein daraus erzeugtes Moment in einen Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine und kann somit den Wirkungsgrad des Abtriebsstrangs der Brennkraftmaschine verbessern und eine Kraftstoffersparnis von bis zu 5 % bewirken.

Ein solches Abwärmerückgewinnungssystem ist grundsätzlich so ausgelegt, dass es insbesondere die Abgasrestwärme einer Brennkraftmaschine nutzt, um durch einen thermodynamischen Dampfkraftprozess (Rankine-Prozess) mechanische Energie zu erzeugen. Eine zentrale Komponente des

Dampfkraftprozesses ist die Expansionsmaschine, welche das dampfförmige überhitzte Arbeitsfluid unter Abgabe von Arbeit beziehungsweise eines Moments an eine Abtriebswelle der Expansionsmaschine entspannt. Als

Expansionsmaschine kann eine Strömungsmaschine, beispielsweise eine

Turbomaschine oder eine Verdrängermaschine, eine Kolbenmaschine, eine Schraubenmaschine oder ein Scroll eingesetzt werden. Die Wellenarbeit der Expansionsmaschine wird entweder über ein Getriebe an einen Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine abgegeben oder aber treibt eine elektrische Maschine an, welche erzeugte elektrische Energie in ein Bordnetz der Brennkraftmaschine beziehungsweise eines Fahrzeugs, an dem die Brennkraftmaschine verbaut ist, einspeist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen

Abwärmerückgewinnungssystems anzugeben, das gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur

Drehzahlreduzierung insbesondere einer ein Turbinenrad tragenden

Abtriebswelle, insbesondere einer Turbinenwelle, der Expansionsmaschine vorgesehen ist. Das entsprechende Verfahren zum Betreiben eines

Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine sieht vor, dass eine

Drehzahlreduzierung einer ein Turbinenrad tragenden Abtriebswelle der Expansionsmaschine in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der

Brennkraftmaschine und/oder des Abwärmerückgewinnungssystems einstellbar ist. Durch diese Ausgestaltung beziehungsweise dieses Verfahren kann ein bisher zur Umgehung der Expansionsmaschine vorhandener Bypass mit einem

Bypassventil eingespart werden. Dadurch ist eine Kostenersparnis darstellbar und durch den Wegfall von bisher verbauten Komponenten wird eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems erreicht. Eine Umgehung der

Expansionsmaschine konnte bei einem herkömmlichen System insbesondere aus zwei Gründen erforderlich sein. Erstens ist gewünscht, dass die Expansionsmaschine bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kein Moment an den Abtriebsstrang mit einer Abtriebswelle, die beispielsweise die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ist, abgibt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn sich ein Fahrzeug, an dem die Brennkraftmaschine verbaut ist, in einem Bremsbetrieb befindet. Zweitens soll die Expansionsmaschine geschützt werden, wenn sich das der Expansionsmaschine zugeführte Arbeitsfluid in einem sogenannten Nassdampfbereich befindet. In diesem Betriebszustand

beziehungsweis Aggregatzustand kann die Turbine beziehungsweise das Turbinenrad durch Kondensationserosion zerstört werden. Dabei tritt folgender Mechanismus auf. Ein Kondensationstropfen des Arbeitsfluids gelangt auf das schnell drehende Turbinenrad. Durch die hohe Relativgeschwindigkeit von dem Kondensationstropfen zu dem Turbinenrad kommt es zu einer Erosion. Dadurch, dass nunmehr eine Vorrichtung zur Drehzahlreduzierung der die Turbinenwelle darstellenden Abtriebswelle vorgesehen ist, kann das Arbeitsfluid immer durch die Expansionsmaschine geleitet werden, ohne dass die zuvor beschriebenen Nachteile beziehungsweise Problemfälle auftreten. So kann eine

Drehzahlreduzierung so eingestellt werden, dass die Expansionsmaschine kein Moment an den Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine abgibt. Dabei kann die Drehzahlreduzierung bis zu einer Drehzahl der Turbinenwelle von„Null" eingestellt werden. Weiterhin wird bei einer Drehzahlreduzierung der

Turbinenwelle und damit des Turbinenrads erreicht, dass die

Relativgeschwindigkeit eines Tropfens des Arbeitsfluids in Bezug zu dem

Turbinenrad auf ein Mass reduziert wird, welches unkritisch bezüglich einer Tropfenerosion ist. Um zu vermeiden, dass nun das einströmende Arbeitsfluid eine zu hohe Relativgeschwindigkeit zu dem Turbinenrad hat, muss die Drehzahl des Turbinenrads so hoch gewählt werden, dass hier ebenfalls keine

Tropfenerosion entsteht. Die Drehzahleinstellung ist somit eine Abstimmung zwischen den beiden Mechanismen, welche zu einer Tropfenerosion führen können. Falls nun durch das Abbremsen der Turbinenwelle beziehungsweise des Turbinenrads der Druck vor der Expansionsmaschine zu stark steigt, kann gegebenenfalls durch ein Druckbegrenzungsventil der maximale Druck eingestellt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung eine elektrische Maschine. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltungsform, da eine elektrische Maschine vorhanden ist und diese nur entsprechend angesteuert werden muss, um die Drehzahl der Turbinenwelle einzustellen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Vorrichtung eine hydraulische Maschine oder eine mechanische

Einrichtung ist. Dabei können auch verschiedene Systeme miteinander kombiniert sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Steuergerät für die Vorrichtung vorgesehen, wobei wiederum in weiterer Ausgestaltung das Steuergerät bevorzugt in ein Brennkraftmaschinensteuergerät integriert ist. Eine solche Ausgestaltung ist quasi ohne nennenswerten Mehraufwand umsetzbar, wobei insbesondere dann, wenn die Vorrichtung die elektrische Maschine ist, ein ohnehin vorhandenes Steuergerät durch Ergänzung der Steuerfunktion genutzt werden kann.

In Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben des

Abwärmerückgewinnungssystems ist vorgesehen, dass die Drehzahlreduzierung bei der direkt mit dem Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine gekoppelten Expansionsmaschine in Abhängigkeit eines in die Abtriebswelle einzuleitenden Moments einstellbar ist.

In weiterer Ausgestaltung ist die Drehzahlreduzierung in Abhängigkeit des Aggregatzustands des in die Expansionsmaschine einströmenden Arbeitsfluids einstellbar. Der Momentenwunsch ist beispielsweise aus dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Fahrzeugs herleitbar, während der Aggregatzustand des Arbeitsfluids durch Messung von Temperatur und Druck des Arbeitsfluids eingangsseitig in die Expansionsmaschine ermittelt werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Drehzahlreduzierung so einstellbar, dass gilt Vlurbine-Umfang = 0,5 X Vpiuid -Tangential- Hierbei ist V _Tur bine -Umfang öle

Umfangsgeschwindigkeit des mit der Abtriebswelle verbundenen Turbinenrads der Expansionsmaschine und VFiuid-Tangentiai die Geschwindigkeit eines

Kondensationstropfens des Arbeitsfluids des Arbeitsfluidkreislaufs, der auf beziehungsweise in das Turbinenrad gelangt. Somit ist eine Turbinendrehzahl eingestellt, bei der einerseits kein nennenswertes Moment von der Expansionsmaschine erzeugt wird und andererseits die Gefahr von einer Tropfenerosion ausgeschlossen ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der

Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.

Es zeigt:

Figur 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäß ausgestalteten

Abwärmerückgewinnungssystems mit einem Arbeitsfluidkreislauf.

Das in Figur 1 schematisch dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf 1 mit zumindest einem Wärmetauscher 2 auf. Der Wärmetauscher 2 ist als Verdampfer ausgebildet beziehungsweise fungiert als solcher und ist an einer Brennkraftmaschine 5 zur Rückgewinnung von beim Betrieb der Brennkraftmaschine 5 erzeugter Abwärme adaptiert. Dabei ist der zumindest eine Wärmetauscher 2 von einem in einer Abgasleitung 3 der Brennkraftmaschine geführten und einen Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 4 der Brennkraftmaschine 5 durchströmt. Zusätzlich zu dem beschriebenen ersten Wärmetauscher 2 kann ein zweiter Wärmetauscher 2a, der beispielsweise in einer Leitung in Form einer Abgasrückführleitung 6 oder einer sonstigen Wärmeträgerleitung eingesetzt ist, vor oder hinter dem Wärmetauscher 2 in den Arbeitsfluidkreislauf 1 eingeschaltet sein. Über die Abgasrückführleitung 6 wird dem Abgasstrom 4 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert über ein Abgasrückführleitungsventil 7 einem Brennluft führenden Ansaugsystem 8 der Brennkraftmaschine 5 zugeführt. Das Ansaugsystem 8 kann dabei auch als Ladeluftleitungssystem ausgebildet sein. In diesem Fall ist ein Abgasturbolader 13 vorgesehen, dessen Turbine von dem Abgasstrom 4 in der Abgasleitung 3 angetrieben wird und dessen Lader die in dem Ladeluftleitungssystem geführte Brennluft verdichtet. Der oder die Wärmetauscher 2, 2a kann/können ggf. über nicht dargestellte Wärmeträgerbypassleitungen oder Abgasbypassleitungen bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 5 eines Fahrzeugs, an dem die Brennkraftmaschine verbaut ist, umgehbar sein. 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 Wärmetauscher 2 Abgasschalldämpfer 9 sowie Einrichtungen 10 zur

Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter 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 mit Benzin betriebene Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common- Rail-Einspritzsystem aufweisen kann.

Der Wärmetauscher 2 und gegebenenfalls der Wärmetauscher 2a sind, wie zuvor ausgeführt, ihrerseits Teil des Arbeitsfluidkreislaufs 1, der neben zumindest dem Wärmetauschern 2 eine Expansionsmaschine 11, einen Kondensator 12, einen Ausgleichsbehälter 14 und eine Fluidpumpe 15 aufweist.

Die Gesamtmenge des durch den Arbeitsfluidkreislauf 1 geförderten Arbeitsfluids kann beispielsweise durch eine Drehzahländerung der elektrisch angetriebenen Fluidpumpe 15 eingestellt werden.

Die Expansionsmaschine 11 kann beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine sein. Im Falle einer Turbine wird normalerweise ein

Reduktionsgetriebe nachgeschaltet, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und diese an die Drehzahlen eines Abnehmers anzupassen.

Beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems wird von der Fluidpumpe 15 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid auf einen hohen Druck gebracht und zumindest dem Wärmetauscher 2 zugeführt. Das Fluid wird in dem

Wärmetauscher 2 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.

Das der Expansionsmaschine 11 zugeführte Arbeitsfluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über eine Abtriebswelle 19 abgeführt wird. Danach wird der entspannte, abgekühlte Dampf in dem

Kondensator 12 kondensiert und letztendlich wieder der Fluidpumpe 15 zugeführt. In die Verbindungsleitung zwischen der Fluidpumpe 15 und dem Wärmetauscher 2 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 Arbeitsfluidskreislaufs 1 vorhanden sein.

Die Expansionsmaschine 11 bzw. deren Abtriebswelle 19 ist mit einer

Vorrichtung in Form einer elektrischen Maschine 16 gekoppelt, die beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems von der Expansionsmaschine 11 angetrieben wird und elektrische Energie erzeugt, die beispielsweise in einem Akkumulator 17 gespeichert wird. Aus dem Akkumulator 17 ist die gespeicherte

Energie bedarfsweise abrufbar.

Vorzugsweise ist die die Expansionsmaschine 11 mit der elektrischen Maschine 16 verbindende Abtriebswelle 19 direkt oder über ein Getriebe 18 mit der Brennkraftmaschine 5 beziehungsweise insbesondere mit deren Kurbelwelle verbunden, um die erzeugte Leistung in einen Abtriebsstrang 20 der

Brennkraftmaschine 5 einzuleiten. Der Abtriebsstrang 20 der Brennkraftmaschine ist beispielsweise über ein Getriebe mit einer Antriebsachse 21 des Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine 5 verbaut ist, verbunden.

In Betriebszuständen, in denen kein Moment von der Expansionsmaschine 11 an dem Abtriebsstrang 20 abgegeben werden soll, wird die elektrische Maschine 16 als Bremse geschaltet, die die Drehzahl der die Turbinenwelle der

Expansionsmaschine 11 darstellende Abtriebswelle 19 reduziert. Dazu ist ein Steuergerät 22 vorgesehen, das bevorzugt als Brennkraftmaschinensteuergerät ausgebildet oder in dieses integriert ist und gleichzeitig den Betrieb der

Brennkraftmaschine 5 mit all deren Komponenten steuert. Das Steuergerät 22 steuert beziehungsweise regelt in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 5, der Expansionsmaschine 11 und/oder einer sonstigen Komponente die Drehzahl der Expansionsmaschine 11 über die Ansteuerung der elektrischen Maschine 16 als Bremse. Dabei ist die Drehzahlreduzierung bevorzugt so einstellbar, dass gilt V _T urbine-umfan _g = 0,5 x V _F iuid-Tan _g entiai. Hierbei ist VTurbine-umfang die Umfangsgeschwindigkeit des mit der Abtriebswelle 19 verbundenen Turbinenrads der Expansionsmaschine 11 und VFiuid-Tangentiai die Geschwindigkeit eines Kondensationstropfens des Arbeitsfluids des

Arbeitsfluidkreislaufs 1, der auf beziehungsweise in das Turbinenrad gelangt. Bei der zuvor angegebenen Umfangsgeschwindigkeit, die der Turbinendrehzahl der Expansionsmaschine 11 entspricht, wird einerseits kein nennenswertes Moment von der Expansionsmaschine 11 erzeugt und andererseits ist die Gefahr von einer Tropfenerosion an dem Turbinenrad der Expansionsmaschine 11 durch das Arbeitsfluid ausgeschlossen.