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Title:
WASTE-HEAT UTILISATION ASSEMBLY OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND A METHOD FOR OPERATING SAID WASTE-HEAT UTILISATION ASSEMBLY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/021034
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a waste-heat utilisation assembly of an internal combustion engine, comprising a working circuit that conducts a working fluid, wherein a feed pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser are arranged in the working circuit in the direction of flow of the working fluid. In said working circuit, a high-pressure region is formed between the feed pump and the expansion machine, and a low-pressure region is formed between the expansion machine and the feed pump. The evaporator is also arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine. An exhaust by-pass channel is arranged in said exhaust tract, parallel to the evaporator. A first pressure sensor is arranged in the high-pressure region.

Inventors:
CAKALLIK, Derya (Kirchstrasse 26, Rutesheim, 71277, DE)
SEILER-THULL, Daniel (Schoenbergstrasse 39, Stuttgart, 70599, DE)
ROEHNER, Marc Oliver (Schwarzwaldstr. 56, Heidelberg, 69124, DE)
PASSENBERG, Carolina (Auf Der Steige 24/7, Rutesheim, 71277, DE)
Application Number:
EP2016/063003
Publication Date:
February 09, 2017
Filing Date:
June 08, 2016
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
F02G5/04; F01K23/10; F01N5/04
Domestic Patent References:
WO2010109145A22010-09-30
WO2012096958A12012-07-19
WO2013028173A12013-02-28
Foreign References:
JP2013231377A2013-11-14
DE102013211875A12015-01-08
EP2354515A12011-08-10
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Claims:
Ansprüche

1. Abwärmenutzungsanordnung (1) einer Brennkraftmaschine (50) umfassend einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf (2), wobei in dem

Arbeitskreislauf (2) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe (6), ein Verdampfer (10), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4) angeordnet sind, wobei in dem Arbeitskreislauf (2) zwischen der Speisepumpe (6) und der Expansionsmaschine (3) ein Hochdruckbereich (2a) und zwischen der Expansionsmaschine (3) und der Speisepumpe (6) ein Niederdruckbereich (2b) ausgebildet sind, wobei der Verdampfer (10) auch in einem Abgastrakt (53) der Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist, wobei in dem Abgastrakt (53) parallel zu dem Verdampfer (10) ein Abgasbypasskanal (61) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass

in dem Hochdruckbereich (2a) ein erster Drucksensor (11) angeordnet ist.

2. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Niederdruckbereich (2b) ein zweiter Drucksensor (12) angeordnet ist. 3. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, dass in dem Abgastrakt (53) ein Abgasbypassventil (60) stromaufwärts der Parallelschaltung aus dem Verdampfer (10) und dem

Abgasbypasskanal (61) angeordnet ist. 4. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasbypassventil (60) als Proportionalventil ausgeführt ist.

5. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hochdruckbereich (2a) zwischen dem Verdampfer (10) und der Expansionsmaschine (3) ein Temperatursensor (13) angeordnet ist.

6. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Arbeitskreislauf (2) parallel zu dem Verdampfer (10) ein weiterer Verdampfer (40) angeordnet ist.

7. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Verdampfer (40) auch in einem Rückführkanal (54) für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist. 8. Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsanordnung (1) einer

Brennkraftmaschine (50), wobei die Abwärmenutzungsanordnung (1) einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf (2) umfasst, wobei in dem

Arbeitskreislauf (2) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe (6), ein Verdampfer (10), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4) angeordnet sind, wobei der Verdampfer (10) auch in einem Abgastrakt (53) der

Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist, wobei in dem Abgastrakt (53) parallel zu dem Verdampfer (10) ein Abgasbypasskanal (61) angeordnet ist, wobei ein Abgasbypassventil (60) den Abgasmassenstrom auf den Verdampfer (10) und auf den Abgasbypasskanal (61) aufteilt,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Abgasbypassventil (60) von einem Steuergerät (5) derart angesteuert wird, dass ein maximaler Systemdruck des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf (2) nicht überschritten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die

Ansteuerung des Abgasbypassventils (60) ein im Steuergerät (5) hinterl

Kennfeld für die Brennkraftmaschine (50) verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei in dem Arbeitskreislauf (2) zwischen der Speisepumpe (6) und der Expansionsmaschine (3) ein

Hochdruckbereich (2a) ausgebildet ist und wobei in dem Hochdruckbereich (2a) ein erster Drucksensor (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drucksensor (11) Signale an das Steuergerät (5) übermittelt und das Steuergerät (5) das Abgasbypassventil (60) in Abhängigkeit dieser Signale ansteuert.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Arbeitskreislauf (2) zwischen der Expansionsmaschine (2b) und der Speisepumpe (6) ein Niederdruckbereich (2b) ausgebildet ist und wobei in dem Niederdruckbereich (2b) ein zweiter

Drucksensor (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Drucksensor (12) Signale an das Steuergerät (5) übermittelt und das Steuergerät (5) das Abgasbypassventil (60) in Abhängigkeit dieser Signale ansteuert.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) anhand der von mindestens einem Drucksensor 11, 12 übermittelten Signale ein Überschreiten eines Druckgrenzwertes ermittelt und das Abgasbypassventil (60) so ansteuert, dass der Abgasmassenstrom durch den Abgasbypasskanal (61) erhöht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Temperatursensor (13) in dem Hochdruckbereich (2a) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (13) Signale an das Steuergerät (5) übermittelt und das Steuergerät (5) das Abgasbypassventil (60) in Abhängigkeit dieser Signale ansteuert.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei in dem Arbeitskreislauf (2) parallel zu dem Verdampfer (10) ein weiterer Verdampfer (40) angeordnet ist, wobei der weitere Verdampfer (40) auch in einem Rückführkanal (54) für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine (50) angeordnet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein

Verteilerventil (45) den Massenstrom des Arbeitsmediums auf den Verdampfer (10) und auf den weiteren Verdampfer (40) aufteilt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerventil (45) von dem Steuergerät angesteuert wird.

Description:
Titel

Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung einer

Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der

Abwärmenutzungsanordnung.

Stand der Technik

Abwärmenutzungsanordnungen von Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Offenlegungsschrift WO 2013/028173 AI. Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung einer

Brennkraftmaschine umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden

Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des

Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. In dem Arbeitskreislauf sind zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich und zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der

Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Abgastrakt ist weiterhin ein

Abgasbypasskanal zur Umgehung des Verdampfers angeordnet.

Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung hat keine Steuerung bzw. Regelung der Drücke im Hochdruckbereich oder Niederdruckbereich des Arbeitskreislaufs. Dadurch besteht das Risiko einer Überlastung der Komponenten des

Arbeitskreislaufs.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Steuerung bzw. Regelung der Drücke im Hochdruckbereich und im Niederdruckbereich des Arbeitskreislaufs stattfindet. Dadurch wird die Lebensdauer und auch die Effektivität der

Abwärmenutzungsanordnung gesteigert. Weiterhin kann die

Expansionsmaschine durch eine Steuerung bzw. Regelung des

Arbeitsmediumdrucks im Hochdruckbereich besonders effizient betrieben werden.

Dazu umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. In dem Arbeitskreislauf sind zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich und zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der

Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Abgastrakt ist parallel zu dem

Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet. Erfindungsgemäß ist in dem Hochdruckbereich ein erster Drucksensor angeordnet.

Dadurch kann in Abhängigkeit des von dem Drucksensor ermittelten Drucks der Abgasmassenstrom auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal aufgeteilt werden. Ein Druckanstieg im Hochdruckbereich über einen Grenzwert hinaus wird dadurch vermieden. Die Lebensdauer der gesamten

Abwärmenutzungsanordnung wird somit erhöht. Zusätzlich wird ein sicherer Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung gewährleistet. Weiterhin kann der für die Expansionsmaschine güngstigste bzw. effizienteste Druck des

Arbeitsmediums damit eingestellt werden. Steigt die der Abwärmenutzungsanordnung im Abgastrakt zur Verfügung stehende Abwärmeenergie an, so muss der Massenstrom des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf erhöht werden, um die Abwärmenutzungsanordnung in einem bestimmten Temperaturbereich zu betreiben. Besonders bei organischen Arbeitsmedien und der Bedingung, dass überhitzter Dampf am Eintritt der Expansionsmaschine für die Leistungsabgabe vorliegen muss, ist der

Temperaturbereich, innerhalb dessen die Abwärmenutzungsanordnung betrieben werden darf, klein. Folglich muss eine steigende Wärmezufuhr in den

Arbeitskreislauf über eine Steigerung des Arbeitsmediummassenstroms abgefangen werden. Betrachtet man ein System mit konstantem

Expansionsquerschnitt, so hat ein Arbeitsmediummassenstromanstieg einen Druckanstieg im Hochdruckbereich zur Folge.

Zudem steigt mit zunehmender Wärmeaufnahme und damit zunehmendem Arbeitsmediummassenstrom der Kühlleistungsbedarf im Kondensator an, um das Arbeitsmedium vollständig zu verflüssigen. Je nach zur Verfügung stehender und benötigter Kühlleistung resultiert ein bestimmter Dampf- und Flüssigkeitsanteil im Arbeitskreislauf. Wird mehr Kühlleistung benötigt als zur Verfügung steht, steigt der Dampfanteil im Arbeitskreislauf an, wodurch ein Druckanstieg im

Niederdruckbereich resultieren kann, wenn die Fluidmenge des Arbeitsmediums konstant ist, also beispielsweise ein Sammelbehälter für das Arbeitsmedium über ein Speiseventil vom Arbeitskreislauf getrennt ist.

Um den Druckanstieg sowohl im Niederdruck- als auch im Hochdruckbereich zu begrenzen, wird bei Überschreiten von definierten Druckgrenzwerten das Abgas in den Abgasbypasskanal derart geleitet, dass der gesamte Abgasmassenstrom oder zumindest ein Teil des zur Verfügung stehenden Abgasmassenstroms am Verdampfer vorbei geführt wird. Die Druckgrenzwerte liegen dabei unterhalb des maximal zulässigen Hochdrucks im System.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Niederdruckbereich ein zweiter Drucksensor angeordnet. Dadurch können die Drücke sowohl im

Hochdruckbereich als auch im Niederdruckbereich sehr effektiv geregelt werden. Vorzugsweise sind dabei beide Drucksensoren jeweils an der Stelle des maximalen Drucks im Hochdruckbereich bzw. im Niederdruckbereich

angebracht.

Alternativ zur Regelung kann jedoch auch eine Steuerung in Form eines

Kennfelds oder einer Funktion in einem Steuergerät verwendet werden. Die

Steuerung der Aufteilung des Abgasmassenstroms auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal kann dabei in Abhängigkeit des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine bzw. in Abhängigkeit der Abgasmassenströme und - temperaturen erfolgen. Vorteilhafterweise wird dazu die Sensorik der

Brennkraftmaschine verwendet. Alternativ oder zusätzlich können auch modellierte Werte aus einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine verwendet werden.

In vorteilhaften Ausführungen ist in dem Abgastrakt ein Abgasbypassventil stromaufwärts der Parallelschaltung aus dem Verdampfer und dem

Abgasbypasskanal angeordnet. Dadurch erfolgt die Aufteilung des

Abgasmassenstroms auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal auf einfache Art und Weise. Eine sehr schnelle und effiziente Druckregelung des Arbeitskreislaufs kann so durch die Ansteuerung des Abgasbypassventils erzielt werden.

Vorteilhafterweise ist das Abgasbypassventil als Proportionalventil ausgeführt. Mit der Ausführung als Proportionalventil kann die Wärmemenge bedarfsgerecht an den Verdampfer abgeführt werden. Dadurch wird eine höhere

Leistungsabgabe an der Expansionsmaschine erzielt, und die gesamte

Abwärmenutzungsanordnung wird effizienter.

Alternativ dazu ist das Abgasbypassventil als Schaltventil ausgeführt. Dadurch kann das Abgasbypassventil besonders kostengünstig ausgeführt werden.

In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist in dem Hochdruckbereich zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine mindestens ein Temperatursensor angeordnet. Dadurch kann zum einen der Arbeitskreislauf auf eine nicht zu überschreitende Maximaltemperatur geregelt werden, zum anderen können auch Eintrittstemperatur und Eintrittsdruck in die Expansionsmaschine geregelt werden, so dass die Expansionsmaschine äußerst effizient betrieben wird. Der Wirkungsgrad der gesamten Abwärmenutzungsanordnung steigt dadurch. In vorteilhaften Ausführungen ist in dem Arbeitskreislauf parallel zu dem

Verdampfer ein weiterer Verdampfer angeordnet. Dadurch kann dem

Arbeitskreislauf weitere Wärmeenergie zugeführt werden, so dass die

Abgabeleistung der Expansionsmaschine erhöht wird. Alternativ kann in dem Arbeitskreislauf der weitere Verdampfer auch in Reihe zu dem Verdampfer angeordnet sein.

Vorzugsweise ist der weitere Verdampfer auch in einem Rückführkanal für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine angeordnet. Dadurch werden zwei Wärmequellen im Abgastrakt verwendet: Die Abgaswärme in dem

Rückführkanal, die ein sehr hohes Temperaturniveau aufweist, sowie die

Abgaswärme, vorzugsweise in einem Endkanal des Abgastrakts nach einer Abgasnachbehandlung, die sich durch einen hohen Abgasmassenstrom auszeichnet.

Will man diese beiden Wärmequellen effektiv nutzen, um die Leistungsabgabe der Abwärmenutzungsanordnung zu maximieren, so muss der maximale Druck im Arbeitskreislauf abhängig von der Wahl des Arbeitsmediums sowohl im Hochdruck- als auch im Niederdruckbereich entsprechend hoch gewählt werden, um die Abwärmenutzungsanordnung auch in Betriebspunkten mit besonders viel

Abgasenergie betreiben zu können. Dies hätte zur Folge, dass die Komponenten in der Abwärmenutzungsanordnung für einen höheren Druck ausgelegt werden müssten, was meist mit einer Zunahme an Gewicht und benötigtem Bauraum der Komponenten einhergehen würde. Zwar könnte in Betriebspunkten mit hohem Druckverhältnis an der Expansionsmaschine die Expanderleistung vergrößert werden, allerdings würden gleichzeitig auch die Systemkosten signifikant ansteigen, was sich wiederum nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit der

Abwärmenutzungsanordnung auswirken würde. Die vorliegende Erfindung dagegen ermöglicht die Nutzung beider Wärmequellen und gleichzeitig die Einhaltung von Druckbegrenzungen innerhalb des Arbeitskreislaufs. Vorzugsweise wird dies durch das Abgasbypassventil im Abgastrakt realisiert, mit dem das Abgas bei Bedarf am Verdampfer über den Abgasbypasskanal vorbeigeführt wird. Dadurch wird der Wärmeeintrag in den Arbeitskreislauf bei Bedarf entsprechend reduziert, was eine optimale Auslegung der

Abwärmenutzungsanordnung erlaubt.

In verschiedenen Ausführungen kann der Abgasbypasskanal dabei parallel zu dem Verdampfer oder zu dem weiteren Verdampfer angeordnet sein. Weiterhin können auch beide Verdampfer jeweils mit einem Abgasbypasskanal und vorzugsweise auch mit einem dazugehörigen Abgasbypassventil versehen werden.

Im Folgenden werden Verfahren zum Betreiben der

Abwärmenutzungsanordnung der Brennkraftmaschine beschrieben, die eine Druckregelung bzw. Drucksteuerung des Arbeitskreislaufs beinhalten:

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer

Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist einen ein

Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf auf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet, wobei in dem Abgastrakt parallel zu dem Verdampfer ein Abgasbypasskanal angeordnet ist. Ein Abgasbypassventil teilt den Abgasmassenstrom auf den Verdampfer und auf den Abgasbypasskanal auf. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasbypassventil von einem Steuergerät derart angesteuert wird, dass ein maximaler Systemdruck des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf nicht überschritten wird.

Dadurch regelt das Steuergerät den Systemdruck in dem Arbeitskreislauf so, dass die Druckbelastung der im Arbeitskreislauf angeordneten Komponenten nicht über einen festgelegten Grenzwert ansteigt. Damit wird eine festgelegte Lebensdauer der Abwärmenutzungsanordnung gewährleistet. Gleichzeitig wird das Kosten- Nutzen- Verhältnis der Abwärmenutzungsanordnung optimiert, da teure und überdimensionierte Komponenten vermieden werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird für die Ansteuerung des Abgasbypassventils ein im Steuergerät hinterlegtes Kennfeld für die

Brennkraftmaschine verwendet. Dadurch kann das Abgasbypassventil auf einfache Art und Weise angesteuert werden. Auf die Anordnung von Sensorik, insbesondere von Drucksensoren, im Arbeitskreislauf kann so gegebenenfalls verzichtet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem Arbeitskreislauf zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmaschine ein Hochdruckbereich ausgebildet und in dem Hochdruckbereich ein erster Drucksensor angeordnet. Der erste Drucksensor übermittelt Signale an das Steuergerät, und das

Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch kann eine Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf vorgenommen werden, nämlich in Abhängigkeit des vom ersten Drucksensor ermittelten Hochdrucks vor der Expansionsmaschine. Das Abgasbypassventil kann dadurch sehr schnell und effizient angesteuert werden. Auch eine nur kurzzeitige Überlastung der Komponenten der Abwärmenutzungsanordnung wird dadurch vermieden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Arbeitskreislauf zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe ein Niederdruckbereich ausgebildet, wobei in dem Niederdruckbereich ein zweiter Drucksensor angeordnet ist. Der zweite Drucksensor übermittelt Signale an das Steuergerät, und das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch erfolgt die Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf auch für den Niederdruckbereich. Die Komponenten des Niederdruckbereichs, beispielsweise der Kondensator, können demzufolge für einen maximalen Niederdruck ausgelegt werden.

Vorteilhafterweise sind der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor jeweils an der Stelle des höchsten Drucks des Hochdruckbereichs bzw. des Niederdruckbereichs platziert. In vorteilhaften Ausführungen des Verfahrens ermittelt das Steuergerät anhand der von mindestens einem Drucksensor - erster oder zweiter Drucksensor - übermittelten Signale ein Überschreiten eines Druckgrenzwertes und steuert daraufhin das Abgasbypassventil so an, dass der Abgasmassenstrom durch den Abgasbypasskanal erhöht wird. Dadurch wird der Abgasmassenstrom durch den

Verdampfer verringert, es wird weniger Wärmeenergie in den Arbeitskreislauf eingespeist und der Druck im Arbeitskreislauf sinkt demzufolge.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Temperatursensor in dem

Hochdruckbereich angeordnet. Der Temperatursensor übermittelt Signale an das

Steuergerät, und das Steuergerät steuert das Abgasbypassventil in Abhängigkeit dieser Signale an. Dadurch kann zum einen der Arbeitskreislauf, speziell der Hochdruckbereich vor zu hohen Temperaturen geschützt werden, was eine Erhöhung der Lebensdauer bedeutet. Zum anderen kann jedoch auch ein für die jeweilige Betriebssituation optimaler Zustand des Arbeitsmediums bezüglich

Druck und Temperatur eingestellt werden. Die Expansionsmaschine kann dadurch sehr effizient betrieben werden.

In einer vorteilhaften Ausführung übermittelt der Temperatursensor Signale an das Steuergerät, und das Steuergerät steuert die Speisepumpe in Abhängigkeit der Temperatursignale an. Die Steuerung der Speisepumpe bewirkt eine Erhöhung bzw. Verringerung des Arbeitsmediummassenstroms. Dies führt wiederum zu einer Druckänderung im Arbeitskreislauf. Abhängig vom erfassten Drucksignalwert steuert das Steuergerät das Abgasbypassventil an. Dadurch können zum einen das Arbeitsmedium und speziell die Komponenten im

Hochdruckbereich des Arbeitskreislaufs vor zu hohen Temperaturen geschützt werden, was eine Erhöhung der Lebensdauer bedeutet. Zum anderen kann auch ein für die jeweilige Betriebssituation optimaler Zustand des Arbeitsmediums bezüglich Druck und Temperatur eingestellt werden. Die Expansionsmaschine kann dadurch sehr effizient betrieben werden.

In einer vorteilhaften Ausführung ist in dem Arbeitskreislauf parallel zu dem Verdampfer ein weiterer Verdampfer angeordnet, wobei der weitere Verdampfer auch in einem Rückführkanal für das Abgas zurück zur Brennkraftmaschine angeordnet ist. Durch die Anordnung von mehreren Verdampfern ist die Abwärmenutzungsanordnung sehr effizient ausgeführt. Eine Regelung des Systemdrucks in dem Arbeitskreislauf ist dabei besonders wichtig, da in bestimmten Betriebssituationen eine sehr hohe Wärmemenge über die

Verdampfer in den Arbeitskreislauf eingespeist werden kann.

Vorteilhafterweise teilt ein Verteilerventil den Massenstrom des Arbeitsmediums auf den Verdampfer und auf den weiteren Verdampfer auf, wobei das

Verteilerventil von dem Steuergerät angesteuert. Das Steuergerät verwendet zur Ansteuerung des Verteilerventils vorzugsweise sämtliche ihm zur Verfügung stehenden Daten, beispielsweise die in dem Arbeitskreislauf angeordnete

Sensorik, oder auch die Sensorik der Brennkraftmaschine.

Alternativ können auch zwei Speisepumpen die jeweilgen Massenströme zu dem Verdampfer und zu dem weiteren Verdampfer steuern.

Zeichnungen

Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.2 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße

Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.3 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße

Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.4 zeigt schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße

Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Beschreibung Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50 mit einem ein Arbeitsmedium führenden

Arbeitskreislauf 2. Die Brennkraftmaschine 50 ist in einem Kühlkreislauf 20 angeordnet.

Der Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft 51, die auch

rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine 50 enthalten kann, zugeführt. Auslassseitig weist die Brennkraftmaschine 50 einen Abgastrakt 53 auf, durch den Abgas 52 aus der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird.

Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Sammelbehälter 7, eine Speisepumpe 6, einen Verdampfer 10, eine

Expansionsmaschine 3 und einen Kondensator 4. Der Verdampfer 10 ist gleichzeitig im Abgastrakt 53 angeordnet, so dass die Wärmeenergie des Abgases aus dem Abgastrakt 53 an den Arbeitskreislauf 2 überführt werden kann. Optional kann der Sammelbehälter 7 in alternativen Ausführungsformen auch in einer nicht dargestellten Nebenleitung bzw. Stichleitung angeordnet sein.

Der Arbeitskreislauf 2 ist somit in Flussrichtung des Arbeitsmediums in zwei Bereiche unterteilbar:

einen Hochdruckbereich 2a zwischen der Speisepumpe 6 und der

Expansionsmaschine 3 und

einen Niederdruckbereich 2b zwischen der Expansionsmaschine 3 und der Speisepumpe 6.

Im Hochdruckbereich 2a ist ein erster Drucksensor 11 angeordnet, und im Niederdruckbereich 2b ein zweiter Drucksensor 12. Die von den beiden

Drucksensoren 11, 12 erfassten Signale werden einem Steuergerät 5 zugeführt. Weiterhin ist im Hochdruckbereich 2a zwischen dem Verdampfer 10 und der

Expansionsmaschine 3 ein Temperatursensor 13 angeordnet, wobei die von ihm erfassten Signale ebenfalls dem Steuergerät 5 zugeführt werden.

Im Abgastrakt 53 ist parallel zu dem Verdampfer 10 ein Abgasbypasskanal 61 angeordnet. Weiterhin ist im Abgastrakt 53 vor dem Verdampfer 10 ein Abgasbypassventil 60 angeordnet, das den Abgasmassenstrom zu dem

Verdampfer 10 und in den Abgasbypasskanal 61 aufteilt bzw. steuert. Das Abgasbypassventil 60 ist dabei vorzugsweise entweder als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt und wird von dem Steuergerät 5 angesteuert.

Der Kühlkreislauf 20 umfasst in Flussrichtung des Kühlmediums eine

Kühlmittelpumpe 21, die Brennkraftmaschine 50, den Kondensator 4 und einen Kühler 35 mit einem Lüfterrad 36, wobei der Kondensator 4 beispielsweise auch zwischen der Kühlmittelpumpe 21 und der Brennkraftmaschine 50 angeordnet sein kann. Der Kondensator 4 ist sowohl im Arbeitskreislauf 2 als auch im Kühlkreislauf 20 angeordnet; das heißt der Kondensator 4 entzieht dem

Arbeitskreislauf 2 Wärmeenergie und speist diese in den Kühlkreislauf 20 ein. Im Kühlkreislauf 20 ist weiterhin ein Temperaturfühler 37 angeordnet, bevorzugt zwischen der Kühlmittelpumpe 21 und dem Kondensator 4. Die von dem

Temperaturfühler 37 erfassten Signale werden ebenfalls dem Steuergerät 5 zugeführt.

Das Steuergerät 5 steuert das Abgasbypassventil 60 und optional auch die Speisepumpe 6 in Abhängigkeit der von den beiden Drucksensoren 11, 12 ermittelten Drücke und in Abhängigkeit der vom Temperatursensor 13 ermittelten Temperatur an, so dass dadurch eine Druck- und Temperaturregelung im Arbeitskreislauf 2 erfolgt. Weiterhin können über die Ansteuerung von

Speisepumpe 6 und/oder Abgasbypassventil 60 und über die vom

Temperaturfühler 37 ermittelte Temperatur im Kühlkreislauf 20 auch eine Temperaturregelung im Kühlkreislauf 20 sowie eine Temperaturregelung des Arbeitsmediums am Austritt des Kondensators 4 erfolgen. Optional können für die Temperaturregelung im Kühlkreislauf 20 auch die Kühlmittelpumpe 21 und/oder der Kühler 35 bzw. das Lüfterrad 36 von dem Steuergerät 5

angesteuert werden. Durch die Temperaturregelung des Arbeitsmediums am Austritt des Kondensators 4 kann sichergestellt werden, dass stets flüssiges Arbeitsmedium am Eintritt in die Speisepumpe 6 vorhanden ist. So kann die Speisepumpe 6 vor Kavitation geschützt werden, falls erforderlich. Diese Möglichkeit zur Regelung des Kühlkreislaufs 20 gilt auch für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele; allerdings wurde auf eine Darstellung des Kühlkreislaufs 20 in den zugehörigen Figuren verzichtet.

Optional können weitere Sensoren, sowohl im Arbeitskreislauf 2 als auch im Kühlkreislauf 20 und im Abgastrakt 53, verwendet werden, um die Regelung des Arbeitskreislaufs 2 und/oder die Regelung des Kühlkreislaufs 20 noch genauer und effizienter, gegebenenfalls auch schneller zu gestalten.

Fig.2 zeigt schematisch eine weitere Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50.

Die Brennkraftmaschine 50 weist einen Rückführkanal 54 auf. Der

Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft 51 und optional auch rückgeführtes Abgas aus dem Rückführkanal 54 zugeführt. Auslassseitig wird Abgas aus der Brennkraftmaschine 50 in den Abgastrakt 53 ausgestoßen. Der Abgastrakt 54 verzweigt sich in den Rückführkanal 54 und in einen Endkanal 55. Über den Endkanal 55 gelangt das Abgas, gegebenenfalls auch unter

Zwischenschaltung nicht dargestellter Nachbehandlungssysteme, an die Umgebung.

Der Verdampfer 10 ist im Endkanal 55 angeordnet. Im Rückführkanal 54 ist ein weiterer Verdampfer 40 angeordnet.

Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums die

Speisepumpe 6, ein Verteilerventil 45, eine Parallelschaltung aus einer ersten Zweigleitung 41 und einer zweiten Zweigleitung 42, die Expansionsmaschine 3 und den Kondensator 4. In der ersten Zweigleitung 41 ist der Verdampfer 10 angeordnet, und in der zweiten Zweigleitung 42 der weitere Verdampfer 40.

In alternativen Ausführungen ist auch eine Reihenschaltung aus erstem

Verdampfer 10 und zweitem Verdampfer 40 möglich; ein Verteilerventil 45 kann bei derartigen Ausführungen entsprechend entfallen. Der Sammelbehälter 7 ist über eine Zweigleitung und eine Ventilanordnung 70 an den Arbeitskreislauf 2 hydraulisch anbindbar. Diese Anordnung des

Sammelbehälters 7 ist als Alternative für sämtliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich.

Der Arbeits kreis lauf 2 ist somit in Flussrichtung des Arbeitsmediums in zwei

Bereiche unterteilbar:

den Hochdruckbereich 2a zwischen der Speisepumpe 6 und der

Expansionsmaschine 3, der auch die beiden Zweigleitungen 41, 42 umfasst - den Niederdruckbereich 2b zwischen der Expansionsmaschine 3 und der

Speisepumpe 6.

Im Hochdruckbereich 2a ist nach der Speisepumpe 6 der erste Drucksensor 11 angeordnet, und im Niederdruckbereich 2b der zweite Drucksensor 12. Die von den beiden Drucksensoren 11, 12 erfassten Signale werden dem Steuergerät 5 zugeführt. Zwischen der Parallelschaltung aus den beiden Verdampfern 10, 40 und der Expansionsmaschine 3 ist mindestens ein Temperatursensor 13 angeordnet, wobei die von ihm erfassten Signale ebenfalls dem Steuergerät 5 zugeführt werden.

Im Abgastrakt 53, genauer im Endkanal 55, ist parallel zu dem Verdampfer 10 der Abgasbypasskanal 61 angeordnet. Weiterhin ist im Endkanal 55 vor dem Verdampfer 10 das Abgasbypassventil 60 angeordnet, das den

Abgasmassenstrom zu dem Verdampfer 10 und in den Abgasbypasskanal 61 aufteilt bzw. steuert. Das Abgasbypassventil 60 ist dabei vorzugsweise entweder als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt und wird von dem

Steuergerät 5 angesteuert. Vorteilhafterweise steuert das Steuergerät 5 auch die Speisepumpe 6 und das Verteilerventil 45 und damit den

Gesamtarbeitsmediummassenstrom und die Aufteilung des

Arbeitsmediummassenstroms in die beiden Zweigleitungen 41, 42 bzw. zu den beiden Verdampfern 10, 40. Das Steuergerät 5 steuert das Abgasbypassventil 60, die Speisepumpe 6 und das Verteilerventil 45 in Abhängigkeit der von den beiden Drucksensoren 11, 12 ermittelten Drücke und in Abhängigkeit der vom Temperatursensor 13 ermittelten Temperatur an, so dass dadurch eine Druck- und Temperaturregelung im Arbeitskreislauf 2 erfolgt. Fig.3 zeigt schematisch eine zur Fig.2 alternative erfindungsgemäße

Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Im Unterschied zur Fig.2 erfolgt in der Ausführung der Fig.3 keine Regelung aufgrund der Signale der beiden

Drucksensoren 11, 12, sondern eine Steuerung aufgrund der

Abgasmassenströme und Eintrittstemperaturen an den beiden Verdampfern 10, 40. Dazu sind im Endkanal 55 am Eintritt in den Verdampfer 10 ein

Temperatursensor 55a und ein Massenstromsensor 55b angeordnet und im Rückführkanal 54 am Eintritt in den weiteren Verdampfer 40 ein weiterer Temperatursensor 54a und ein weiterer Massenstromsensor 54b angeordnet. Alternativ zu den Massenstromsensoren 55b und 54b kann die Bestimmung der Abgasmassenströme über im Motorsteuergerät hinterlegte Modelle erfolgen. Das

Steuergerät 5 steuert das Abgasbypassventil 60 in Abhängigkeit der von den beiden Temperatursensoren 55a, 54a ermittelten Abgastemperaturen und in Abhängigkeit der von den beiden Massenstromsensoren 55b, 54b ermittelten Abgasmassenströme. Die Steuerung erfolgt dabei anhand von zumindest einem im Steuergerät 5 hinterlegten Kennfeld.

Optional können auch hier weitere Sensoren verwendet werden, beispielsweise Sensoren der Brennkraftmaschine 50, um die Steuerung der

Abwärmenutzungsanordnung 1 noch genauer und effizienter zu machen.

Fig.4 zeigt schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße

Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Arbeitskreislauf 2 der Ausführung der Fig.4 umfasst in Flussrichtung des

Arbeitsmediums eine Parallelschaltung aus der ersten Zweigleitung 41 und der zweiten Zweigleitung 42, die Expansionsmaschine 3 und den Kondensator 4. In der ersten Zweigleitung 41 sind die Speisepumpe 6 und der Verdampfer 10 angeordnet. In der zweiten Zweigleitung 42 sind eine weitere Speisepumpe 8 und der weitere Verdampfer 40 angeordnet. Optional kann der Sammelbehälter 7 in dem Arbeitskreislauf 2 oder in einer nicht dargestellten Nebenleitung angeordnet sein.

Der Verdampfer 10 ist auch im Endkanal 55 angeordnet. Der weitere Verdampfer 40 ist auch im Rückführkanal 54 angeordnet. Der Abgasbypasskanal 61 ist parallel zu dem Verdampfer 10 im Endkanal 55 angeordnet. Das

Abgasbypassventil 60 ist stromaufwärts der Parallelschaltung aus dem

Verdampfer 10 und dem Abgasbypasskanal 61 angeordnet und steuert die Aufteilung des Abgasmassenstroms zu dem Verdampfer 10 und in den

Abgasbypasskanal 61.

Die Anordnung von zwei Speisepumpen 6, 8 in einer Parallelschaltung von zwei Verdampfern 10, 40 ist generell für sämtliche Ausführungsformen als Alternative zu einer Anordnung von einer Speisepumpe 6 und einem Verteilerventil 45 möglich. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 2 und 3 können alternativ dementsprechend abgeändert werden.

Die Funktionsweise der Abwärmenutzungsanordnung 1 ist wie folgt: Die Speisepumpe 6 fördert flüssiges Arbeitsmedium unter Druck in den

Verdampfer 10 und/oder optional in den weiteren Verdampfer 40. In den

Verdampfern 10, 40 wird das Arbeitsmedium entsprechend dem idealen

Clausius- Rankine- Vergleichskreisprozess theoretisch isobar verdampft und anschließend der Expansionsmaschine 3 zugeführt. In der Expansionsmaschine 3 wird das gasförmige Arbeitsmedium entspannt und erzeugt dadurch eine mechanische Leistung, welche zum Beispiel in Form eines Drehmoments einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 50 oder einem Generator zugeführt werden kann. Das Arbeitsmedium wird anschließend im Kondensator 4 wieder verflüssigt und danach dem Sammelbehälter 7 bzw. der Speisepumpe 6 zugeführt.

Um das Arbeitsmedium im Kondensator 4 verflüssigen zu können, wird ihm dort Wärmeenergie entzogen. Daher ist der Kondensator 4 vorteilhafterweise gleichzeitig im Kühlkreislauf 20 der Brennkraftmaschine 50 angeordnet, wobei hierfür auch ein anderer beliebiger Kühlkreislauf verwendbar wäre. Erfindungsgemäß sind Sensoren, vorwiegend im Arbeitskreislauf 2, angeordnet, um den Arbeitskreislauf 2 in einem bestimmten Temperaturbereich und

Druckbereich zu betreiben und vorteilhafterweise auch den Kühlkreislauf unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur zu betreiben. Dazu können folgende Sensoren verwendet werden, wobei auch beliebige Kombinationen ausführbar sind: der erste Drucksensor 11 im Hochdruckbereich 2a,

der zweite Drucksensor 12 im Niederdruckbereich 2b,

der Temperatursensor 13 im Hochdruckbereich 2a zwischen Verdampfer

10 und Expansionsmaschine 3

der Temperaturfühler 37 im Kühlkreislauf 20

der erste Temperatursensor 55a im Endkanal 55

der erste Massenstromsensor 55b im Endkanal 55

der zweite Temperatursensor 54a im Rückführkanal 54

der zweite Massenstromsensor 54b im Rückführkanal 54.

Die Sensoren übermitteln Daten bzw. Signale an das Steuergerät 5. Das

Steuergerät 5 kann auch mit weiteren Daten gespeist werden: Beispielsweise mit einer Belastung bzw. einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 50 innerhalb eines Kennfeldes, mit Abgasmassenströmen im Abgastrakt 53, mit

Abgastemperaturen im Abgastrakt 53, oder auch mit einem vorausschauenden Streckenprofil bzw. Belastungsprofil für die Brennkraftmaschine 50. All diese Daten können demzufolge für die Ansteuerung der Abwärmenutzungsanordnung 1 verwendet werden.

Erfindungsgemäß ist der Abgasbypasskanal 61 parallel zu dem Verdampfer 10 angeordnet, um im Bedarf Abgas an dem Verdampfer 10 vorbeileiten zu können. Dadurch werden zu hohe Drücke und/oder Temperaturen im Arbeitskreislauf 2 vermieden. Eine Überlastung bzw. ein schneller Verschleiß der Komponenten der Abwärmenutzungsanordnung 1 wird dadurch vermieden, so dass die Lebensdauer der gesamten Abwärmenutzungsanordnung 1 steigt.

Vorteilhafterweise steuert das Steuergerät 5 dazu das Abgasbypassventil 60 an und teilt so den Abgasmassenstrom auf den Verdampfer 10 und auf den Abgasbypasskanal 61 auf. Zusätzlich kann das Steuergerät 5 auch die

Speisepumpe 6 ansteuern, um den Massenstrom des Arbeitsmediums durch den Arbeitskreislauf 2 zu regeln.

In Ausführungsformen mit zwei parallel geschalteten Verdampfern 10, 40 steuert das Steuergerät 5 vorteilhafterweise das Abgasbypassventil 60, die

Speisepumpe 6 und das Verteilerventil 45 bzw. die Speisepumpe 6 und die weitere Speisepumpe 8 an. Weiterhin kann das Steuergerät 5 auch die

Kühlmittelpumpe 21 des Kühlkreislaufs 20 ansteuern, um eine optimale Kühlung bzw. vollständige Kondensation des Arbeitsmediums im Kondensator 4 zu erzielen.

Durch die Regelung der Drücke und optional auch der Temperaturen im

Hochdruckbereich 2a und im Niederdruckbereich 2b des Arbeitskreislaufs 2 wird die Lebensdauer der Komponenten der Abwärmenutzungsanordnung 1 erhöht und die Abwärmenutzungsanordnung 1 effizient betrieben. Der Wärmeeintrag über den Verdampfer 10 - und optional den weiteren Verdampfer 40 - in den Arbeitskreislauf 2 wird so bei Bedarf reduziert, was eine optimale Auslegung der Abwärmenutzungsanordnung 1 unter wirtschaftlichen Aspekten erlaubt und gleichzeitig einen sicheren Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung 1 gewährleistet. Zusätzlich kann so auch der Kühlkreislauf 20 in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 50 entlastet werden.

Alternativ zu dem Einsatz der Sensoren können auch im Steuergerät 5 hinterlegte Kennfelder verwendet werden. Beispielsweise kann dann das Abgasbypassventil 60 von dem Steuergerät 5 in Abhängigkeit eines

Betriebspunkts der Brennkraftmaschine 50 angesteuert werden.

Selbstverständlich sind zu den Ansteuerungen von Abgasbypassventil 60, Speisepumpe 6, weiterer Speisepumpe 8, Verteilerventil 45 und Kühlmittelpumpe 21 durch das Steuergerät 5 auch die Verwendung von Kombinationen aus Sensoren und Kennfeldern möglich.

Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der

Abwärmenutzungsanordnung 1, insbesondere anhand der im Arbeitskreislauf 2 angebrachten Sensoren, sehen folgende Möglichkeiten vor: Steuerung bzw. Regelung des Abgasmassenstroms durch den Verdampfer 10.

Steuerung bzw. Regelung des Systemdrucks im Hochdruckbereich 2a.

Steuerung bzw. Regelung des Systemdrucks im Niederdruckbereich 2b. Steuerung bzw. Regelung der Arbeitsmediumtemperatur, insbesondere der Dampftemperatur im Hochdruckbereich 2a.

Steuerung bzw. Regelung des Arbeitsmediummassenstroms durch das Verteilerventil 45 bzw. die Speisepumpen 6, 8.

Steuerung bzw. Regelung der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus dem Kondensator 4.

Für sämtliche Steuerungs- bzw. Regelungsvorgänge wird dabei vorzugsweise das Abgasbypassventil 60 entsprechend angesteuert. Zusätzlich werden für Ausführungen mit mehreren Verdampfern 10, 40 auch das Verteilerventil 45 und die Speisepumpe 6 angesteuert, bzw. ersatzweise die beiden Speisepumpen 6, 8. Die Drücke im Hochdruckbereich 2a und im Niederdruckbereich 2b werden demzufolge sehr schnell und effizient geregelt. Besonders vorteilhaft ist weiterhin die Regelung der Temperatur im Hochdruckbereich 2a.