DE102015007858A1

DE102015007858A1 - Waste heat recovery device and vehicle

Info

Publication number: DE102015007858A1
Application number: DE102015007858.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Gärtner; Andreas Hartmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abwärmenutzungsvorrichtung (1) einen Ejektorkreislauf (3) zur Kühlung einer der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluft umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die Abwärmenutzungsvorrichtung (1) einen Rankine-Kreislauf (4) nach Art eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses, wobei ein Abgasstrang (5) und/oder ein Abgasrückführungsstrang der Verbrennungskraftmaschine zwei parallele Teilstränge (5.1, 5.2) aufweist und wobei ein Rankine-Verdampfer (6) des Rankine-Kreislaufs (4) mit einem der Teilstränge (5.1) thermisch gekoppelt ist und ein Ejektor-Verdampfer (7) des Ejektorkreislaufs (3) mit dem anderen Teilstrang (5.2) thermisch gekoppelt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Abwärmenutzungsvorrichtung (1).The invention relates to a waste heat utilization device (1) for a vehicle with an internal combustion engine, wherein the waste heat utilization device (1) comprises an ejector circuit (3) for cooling charge air supplied to the internal combustion engine. According to the invention, the waste heat utilization device (1) comprises a Rankine cycle (4) in the manner of a Rankine cycle, wherein an exhaust line (5) and / or an exhaust gas recirculation train of the internal combustion engine has two parallel sub-strands (5.1, 5.2) and wherein a Rankine Evaporator (6) of the Rankine cycle (4) with one of the sub-strands (5.1) is thermally coupled and an ejector-evaporator (7) of the ejector (3) with the other sub-strand (5.2) is thermally coupled. Furthermore, the invention relates to a vehicle with such a waste heat utilization device (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung.The invention relates to a waste heat utilization device according to the features of the preamble of claim 1 and a vehicle with a waste heat utilization device.

Aus dem Stand der Technik ist, wie in Samir Kadunic, Florian Scherer, Roland Baar, Tobias Zegenhagen: „Ladeluftkühlung mittels Abgasenergienutzung zur Wirkungsgradsteigerung von Ottomotoren”; MTZ 01/2014, 75 . Jahrgang beschrieben, eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung eines Ottomotors bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird mittels Abgaswärme eine Dampfstrahlkälteanlage angetrieben. Diese stellt ein Medium mit einer Temperatur zur Verfügung, die eine Ladeluftkühlung unter die Umgebungstemperatur ermöglicht. Die Dampfstrahlkälteanlage entzieht der Ladeluft die Kälteleistung nach dem konventionellen Ladeluftkühler auf niedrigem Temperaturniveau.From the prior art is, as in Samir Kadunic, Florian Scherer, Roland Baar and Tobias Zegenhagen: "Intercooling using exhaust gas energy to increase the efficiency of gasoline engines"; MTZ 01/2014, 75 , Vintage described a device for intercooling a gasoline engine known. In this apparatus, a steam jet refrigeration system is driven by means of exhaust heat. This provides a medium with a temperature that allows intercooling below ambient temperature. The steam jet cooling system removes the cooling air from the charge air after the conventional charge air cooler at a low temperature level.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abwärmenutzungsvorrichtung und ein Fahrzeug mit einer solchen Abwärmenutzungsvorrichtung anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved waste heat recovery device and a vehicle with such a waste heat recovery device.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abwärmenutzungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5.The object is achieved by a waste heat recovery device with the features of claim 1 and a vehicle having the features of claim 5.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Eine Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Ejektorkreislauf zur Kühlung einer der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluft. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Rankine-Kreislauf nach Art eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses, wobei ein Abgasstrang und/oder ein Abgasrückführungsstrang der Verbrennungskraftmaschine zwei parallele Teilstränge aufweist und wobei ein Rankine-Verdampfer des Rankine-Kreislaufs mit einem der Teilstränge thermisch gekoppelt ist und ein Ejektor-Verdampfer des Ejektorkreislaufs mit dem anderen Teilstrang thermisch gekoppelt ist.A waste heat utilization device for a vehicle having an internal combustion engine comprises an ejector circuit for cooling a charge air supplied to the internal combustion engine. According to the invention, the device comprises a Rankine cycle in the manner of a Clausius-Rankine cycle, wherein an exhaust line and / or an exhaust gas recirculation train of the internal combustion engine has two parallel sub-strands and wherein a Rankine evaporator of the Rankine cycle is thermally coupled to one of the sub-strands and a Ejector evaporator of the ejector cycle is thermally coupled to the other sub-strand.

Durch die Erfindung wird eine vorteilhafte Kombination zweier Technologien zur Rekuperation von Energie aus Abgaswärme der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs ermöglicht. Eine Vorrichtung zur Nutzung der Abgasenthalpie mittels Wandlung in eine andere Energieform durch einen Rankine-Kreislauf nach Art eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses ist durch die begrenzte Kapazität der Wärmesenke in ihrem Betriebsbereich, insbesondere bei Teillast der Verbrennungskraftmaschine, beschränkt. Bei Dampfkraftprozessen ist dies teilweise auch auf die thermische Stabilität des Arbeitsmediums zurückzuführen.The invention enables an advantageous combination of two technologies for recuperation of energy from exhaust heat of the internal combustion engine of the vehicle. A device for using the exhaust gas enthalpy by conversion into another form of energy through a Rankine cycle in the manner of a Rankine cycle is limited by the limited capacity of the heat sink in its operating range, in particular at partial load of the internal combustion engine. In steam power processes, this is partly due to the thermal stability of the working medium.

Wird der erlaubte Betriebsbereich verlassen, so wird bei der erfindungsgemäßen Lösung der Abgasmassenstrom über eine Bypassleitung, d. h. über den anderen Teilstrang des Abgasstrangs, am Rankine-Verdampfer des Rankine-Kreislaufs vorbeigeleitet. Damit die Abgasenthalpie dann nicht ungenutzt bleibt, ist in diesem anderen Teilstrang ein Ejektor-Verdampfer zur Erzeugung von Dampf zum Betrieb des Ejektorkreislaufs, auch als Dampfstrahlejektor bezeichnet, eingebracht. Zweckmäßigerweise weist der Ejektorkreislauf ein thermisch robustes Arbeitsmedium auf, so dass auch in hochlastigen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine eine Nutzung der Abwärme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann, da sich die Wärmeaufnahme aus dem Abgasmassenstrom über einen minimalen Arbeitsmediummassenstrom durch eine beispielsweise als Pumpe ausgebildete Ejektor-Fördereinrichtung einstellen lässt und damit die Wärmesenke geschont wird. Dabei besteht, wenn die Verweildauer im heißen Ejektor-Verdampfer durch die geringen Strömungsgeschwindigkeiten gering ist, nicht die Gefahr einer thermischen Zersetzung des Arbeitsmediums. Dieser Dampfstrahlejektor, d. h. der Ejektorkreislauf, dient der Ladeluftkühlung, so dass diese Ladeluftkühlung gerade in den Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine günstig beeinflusst wird, in denen die Verbrennungskraftmaschine niedrige Ladelufttemperaturen benötigt.If the permitted operating range is left, then, in the solution according to the invention, the exhaust gas mass flow is conducted via a bypass line, i. H. over the other branch of the exhaust line, led past the Rankine evaporator of the Rankine cycle. So that the exhaust gas enthalpy then does not remain unused, an ejector-evaporator for generating steam for the operation of the ejector cycle, also referred to as Dampfstrahlejektor, introduced in this other sub-strand. Conveniently, the Ejektorkreislauf on a thermally robust working fluid, so that even in high-load operating points of the internal combustion engine can use the waste heat of the exhaust gas of the internal combustion engine, since the heat absorption from the exhaust gas mass flow over a minimum working medium mass flow set by an example designed as a pump ejector conveyor leaves and thus the heat sink is protected. There is, if the residence time in the hot ejector evaporator is low due to the low flow rates, not the risk of thermal decomposition of the working medium. This steam jet ejector, d. H. the Ejektorkreislauf, serves the charge air cooling, so that this intercooler is favorably influenced, especially in the operating points of the internal combustion engine, in which the internal combustion engine requires low charge air temperatures.

Somit wird durch die erfindungsgemäße Lösung die Abwärme des Abgases über einen breiteren Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine hinweg genutzt, wobei durch die erfindungsgemäße Lösung geringere Ladelufttemperaturen insbesondere bei hohen Lasten der Verbrennungskraftmaschine erzielt werden.Thus, the waste heat of the exhaust gas over a wider operating range of the internal combustion engine away is used by the inventive solution, which are achieved by the inventive solution lower charge air temperatures, especially at high loads of the internal combustion engine.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch eine Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, 1 schematically a waste heat utilization device for a vehicle with an internal combustion engine,

2 schematisch ein Ersatzschaltbild eines Ejektors, 2 schematically an equivalent circuit of an ejector,

3 schematisch ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm, und 3 schematically a torque-speed diagram, and

4 schematisch einen Ejektorkreislauf in einem Druck-Enthalpie-Diagramm. 4 schematically an ejector cycle in a pressure-enthalpy diagram.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abwärmenutzungsvorrichtung 1 für ein hier nicht näher dargestelltes Fahrzeug, welches eine Verbrennungskraftmaschine aufweist. Die Verbrennungskraftmaschine, auch als Verbrennungsmotor bezeichnet, ist beispielsweise als ein Ottomotor oder als ein Dieselmotor ausgebildet. Mittels der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 wird eine Ladeluft, welche mittels eines Verdichters, der im dargestellten Beispiel ein Bestandteil eines Abgasturboladers 2 ist, verdichtet und durch das Verdichten erwärmt wurde, abgekühlt, bevor die Ladeluft einem Brennraum oder üblicherweise mehreren Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Zum Kühlen der Ladeluft umfasst die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 einen Ejektorkreislauf 3, welcher im dargestellten Beispiel mit einem Ladeluftkühler fluidisch gekoppelt ist, d. h. der Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft für die Verbrennungskraftmaschine ist ein Bestandteil des Ejektorkreislaufs 3. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Ejektorkreislauf 3 alternativ oder zusätzlich mit einem Ladeluftkühlkreislauf fluidisch und/oder thermisch gekoppelt sein und/oder mit dem Ladeluftkühler thermisch gekoppelt sein. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a waste heat recovery device 1 for a vehicle not shown here, which has an internal combustion engine. The internal combustion engine, also referred to as an internal combustion engine, is designed for example as a gasoline engine or as a diesel engine. By means of the waste heat utilization device 1 is a charge air, which by means of a compressor, in the example shown a part of an exhaust gas turbocharger 2 is, compressed and heated by the compression, cooled before the charge air is supplied to a combustion chamber or usually more combustion chambers of the internal combustion engine. To cool the charge air includes the waste heat recovery device 1 an ejector cycle 3 which is fluidly coupled in the example shown with a charge air cooler, ie the intercooler for cooling the charge air for the internal combustion engine is a component of the ejector cycle 3 , In other embodiments, the ejector cycle 3 Alternatively or additionally be fluidically and / or thermally coupled with a charge air cooling circuit and / or be thermally coupled to the intercooler.

In hochlastigen Fahrzuständen kann es im Fahrzeug zu einem erhöhten Bedarf an Kühlleistung zur Kühlung der Ladeluft kommen. Diese kann über die Umgebungsluft bis maximal auf Umgebungstemperatur und über das Kühlwasser eines Ladeluftkühlkreislaufs auf die entsprechende Kühlwassertemperatur abgekühlt werden.In high-load driving conditions, there may be an increased need for cooling power in the vehicle for cooling the charge air. This can be cooled by the ambient air to a maximum of ambient temperature and the cooling water of a charge air cooling circuit to the corresponding cooling water temperature.

Eine weitere Absenkung der Ladelufttemperatur unter Umgebungstemperatur wird bei der dargestellten Lösung über den Einsatz des Ejektorkreislaufs 3 erreicht, wodurch eine Steigerung der Leistungsdichte und des motorischen Wirkungsgrades erreicht wird.A further reduction of the charge air temperature below ambient temperature is in the illustrated solution on the use of the Ejektorkreislaufs 3 achieved, whereby an increase in power density and motor efficiency is achieved.

Durch die in 1 dargestellte Lösung wird zudem ein Nachteil dieser Ladeluftkühlung mittels des Ejektorkreislaufs 3 vermieden. Dieser Nachteil resultiert aus dem schwankenden Bedarf an Kühlleistung zur Kühlung der Ladeluft. Der Ejektorkreislauf 3 allein würde daher nur effizient arbeiten, wenn ein Bedarf zur Kühlung der Ladeluft vorliegt. In niederlastigen und/oder konstanten Fahrzuständen ist dies nicht der Fall, so dass die Kühlleistung des Ejektorkreislaufs 3 ungenutzt abgeführt werden müsste.By the in 1 The solution shown is also a disadvantage of this intercooler by means of the ejector cycle 3 avoided. This disadvantage results from the fluctuating demand for cooling power for cooling the charge air. The ejector cycle 3 therefore alone would only work efficiently if there is a need to cool the charge air. In low-load and / or constant driving conditions, this is not the case, so that the cooling capacity of the ejector cycle 3 would have to be dissipated unused.

Um dies zu vermeiden, umfasst die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 des Weiteren einen Rankine-Kreislauf 4 nach Art eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses. Dabei weist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Abgasstrang 5 der Verbrennungskraftmaschine, in anderen Ausführungsbeispielen alternativ oder zusätzlich ein Abgasrückführungsstrang der Verbrennungskraftmaschine, zwei parallele Teilstränge 5.1, 5.2 auf, wobei ein Rankine-Verdampfer 6 des Rankine-Kreislaufs 4 mit einem Teilstrang 5.1 thermisch gekoppelt ist und ein Ejektor-Verdampfer 7 des Ejektorkreislaufs 3 mit dem anderen Teilstrang 5.2 thermisch gekoppelt ist. Zweckmäßigerweise umfasst die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 zudem zumindest ein steuerbares und/oder regelbares Ventil 8 zur Steuerung und/oder Regelung eines Abgasmassenstroms über den einen Teilstrang 5.1 oder über den anderen Teilstrang 5.2 oder, je nach Stellung des Ventils 8, anteilig über beide Teilstränge 5.1, 5.2. Dieses Ventil 8 ist beispielsweise als eine Klappe ausgebildet. Im dargestellten Beispiel sind eine Aufspaltung des Abgasstrangs 5 in die beiden parallelen Teilstränge 5.1, 5.2 und das an dieser Aufspaltung angeordnete Ventil 8 in Abgasströmungsrichtung R nach dem Abgasturbolader 2 und einem Katalysator 9 des Abgasstrangs 5 angeordnet.To avoid this, the waste heat utilization device includes 1 furthermore, a Rankine cycle 4 in the manner of a Clausius-Rankine cycle. In this case, in the illustrated embodiment, an exhaust system 5 the internal combustion engine, in other embodiments, alternatively or additionally, an exhaust gas recirculation train of the internal combustion engine, two parallel sub-strands 5.1 . 5.2 on, being a Rankine evaporator 6 of the Rankine cycle 4 with a substring 5.1 thermally coupled and an ejector-evaporator 7 of the ejector cycle 3 with the other substring 5.2 thermally coupled. Conveniently, the waste heat utilization device comprises 1 In addition, at least one controllable and / or controllable valve 8th for controlling and / or regulating an exhaust gas mass flow over the one partial line 5.1 or over the other substring 5.2 or, depending on the position of the valve 8th , proportionately over both partial strands 5.1 . 5.2 , This valve 8th For example, it is designed as a flap. In the example shown, a splitting of the exhaust gas line 5 in the two parallel sub-strands 5.1 . 5.2 and the valve disposed at this split 8th in the exhaust gas flow direction R to the exhaust gas turbocharger 2 and a catalyst 9 of the exhaust system 5 arranged.

Mittels der auf diese Weise ausgebildeten Abwärmenutzungsvorrichtung 1 kann somit eine Abwärme eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine entweder mittels des Ejektorkreislaufs 3 zur Kühlung der Ladeluft verwendet werden oder mittels des Rankine-Kreislaufs 4 zur Erzeugung elektrischer und/oder mechanischer Energie verwendet werden, um dadurch beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine und/oder ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeugs zu entlasten und/oder beispielsweise die elektrische Energie in einer Batterie des Fahrzeugs, d. h. in einem elektrochemischen Energiespeicher, zu speichern. Bei einer entsprechenden Stellung des Ventils 8 derart, dass der Abgasmassenstrom anteilig über beide Teilstränge 5.1, 5.2 strömt, ist auch eine gleichzeitige anteilige Nutzung der Abwärme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine sowohl mittels des Ejektorkreislaufs 3 zur Kühlung der Ladeluft als auch mittels des Rankine-Kreislaufs 4 zur Erzeugung elektrischer und/oder mechanischer Energie möglich.By means of the waste heat recovery device formed in this way 1 Thus, a waste heat of an exhaust gas of the internal combustion engine either by means of the Ejektorkreislaufs 3 be used for cooling the charge air or by means of the Rankine cycle 4 be used to generate electrical and / or mechanical energy to thereby relieve, for example, the internal combustion engine and / or an electrical system of the vehicle and / or, for example, to store the electrical energy in a battery of the vehicle, ie in an electrochemical energy storage. At a corresponding position of the valve 8th such that the exhaust gas mass flow proportionately over both partial strands 5.1 . 5.2 flows, is also a simultaneous proportionate use of the waste heat of the exhaust gas of the internal combustion engine both by means of the ejector cycle 3 for cooling the charge air as well as by means of the Rankine cycle 4 to generate electrical and / or mechanical energy possible.

Der Rankine-Kreislauf 4 umfasst eine beispielsweise mittels eines vom Bordnetz des Fahrzeugs gespeisten Elektromotors 10 angetriebene Rankine-Fördereinrichtung 11, auch als Pumpe oder Speisepumpe bezeichnet, zum Antreiben eines Arbeitsmediums des Rankine-Kreislaufs 4, den Rankine-Verdampfer 6 zum Verdampfen des Arbeitsmediums, welcher stromab der Fördereinrichtung 11 angeordnet ist, einen stromab des Rankine-Verdampfers 6 angeordneten Expander 12, auch als Expansionsvorrichtung oder Expansionsmaschine bezeichnet, zum Entspannen des Arbeitsmediums auf Niederdruck und einen stromab des Expanders 12 angeordneten Rankine-Kondensator 13 zum Kühlen des Arbeitsmediums. Der Expander 12 ist beispielsweise als eine Turbine, als eine Schraubenexpansionsmaschine, als eine Kolbenexpansionsmaschine oder als eine Scrollexpansionsmaschine ausgebildet, welche vom dampfförmigen oder gasförmigen Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufs 4 angetrieben wird und im dargestellten Beispiel einen elektrischen Generator 14 zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt.The Rankine cycle 4 includes an electric motor, for example, powered by an on-board electrical system of the vehicle 10 powered Rankine conveyor 11 , also referred to as pump or feed pump, for driving a working medium of the Rankine cycle 4 , the Rankine evaporator 6 for vaporizing the working medium, which downstream of the conveyor 11 is located, one downstream of the Rankine evaporator 6 arranged expander 12 Also referred to as expansion device or expansion machine, for relaxing the working medium to low pressure and downstream of the expander 12 arranged Rankine capacitor 13 for cooling the working medium. The expander 12 is for example as a turbine, as one Schraubenexpansionsmaschine, as a piston expansion machine or as a Scrollexpansionsmaschine formed by the vaporous or gaseous working medium of the Rankine cycle 4 is driven and in the example shown an electric generator 14 to generate electrical energy.

Der Rankine-Verdampfer 6 ist, wie bereits beschrieben, mit einem Teilstrang 5.1 des Abgasstrangs 5 und/oder des Abgasrückführungsstrangs der Verbrennungskraftmaschine thermisch gekoppelt, so dass das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufs 4 unter Aufnahme von Abgaswärme verdampft wird. Der Rankine-Kondensator 13 des Rankine-Kreislaufs 4 ist zum Kühlen des Arbeitsmediums beispielsweise mit einem Kühlkreislauf thermisch gekoppelt, so dass er Kondensationswärme an ein Kühlmedium des Kühlkreislaufs abgibt, wodurch der Dampf des Arbeitsmediums auf Kondensationsdruckniveau isobar kondensiert wird und wieder der Rankine-Fördereinrichtung 11 zugeführt wird. Bei dem Kühlkreislauf handelt es sich beispielsweise um einen Kühlkreislauf zum Kühlen der Verbrennungkraftmaschine des Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich kann der Rankine-Kondensator 13 zum Kühlen des Arbeitsmediums durch Abgabe der Kondensationswärme beispielsweise mit der Umgebungsluft thermisch gekoppelt sein.The Rankine evaporator 6 is, as already described, with a sub-string 5.1 of the exhaust system 5 and / or the exhaust gas recirculation train of the internal combustion engine thermally coupled, so that the working fluid of the Rankine cycle 4 is vaporized by absorbing exhaust heat. The Rankine capacitor 13 of the Rankine cycle 4 is thermally coupled for cooling the working medium, for example with a cooling circuit, so that it gives off condensation heat to a cooling medium of the cooling circuit, whereby the vapor of the working medium is condensed isobar condensation pressure level and again the Rankine conveyor 11 is supplied. The refrigeration cycle is, for example, a refrigeration cycle for cooling the internal combustion engine of the vehicle. Alternatively or additionally, the Rankine capacitor 13 be thermally coupled for cooling the working medium by emitting the heat of condensation, for example, with the ambient air.

Der Ejektorkreislauf 3 weist einen ersten Ejektorteilkreislauf 3.1 und einen zweiten Ejektorteilkreislauf 3.2 auf. Der erste Ejektorteilkreislauf 3.1 umfasst den Ejektor-Verdampfer 7 zum Verdampfen eines Arbeitsmediums des Ejektorkreislaufs 3, welcher, wie bereits beschrieben, mit dem anderen Teilstrang 5.2 des Abgasstrangs 5 und/oder des Abgasrückführungsstrangs der Verbrennungskraftmaschine thermisch gekoppelt ist, so dass das Arbeitsmedium des Ejektorkreislaufs 3 unter Aufnahme von Abgaswärme verdampft wird. Des Weiteren umfasst der erste Ejektorteilkreislauf 3.1 einen Ejektor 15, auch als Saugstrahlfördereinrichtung oder Strahlpumpe bezeichnet. In 2 ist ein Ersatzschaltbild dieses Ejektors 15 dargestellt. Das Arbeitsmedium, genauer gesagt dessen Dampf, strömt vom ersten Ejektorteilkreislauf 3.1 in einen Treibmediumeingang 15.1 des Ejektors 15 ein und aus einem Ausgang 15.2 des Ejektors 15 aus. Über den Ejektor 15 wird der Dampf des Arbeitsmediums entspannt, wodurch auf einer Saugseite des Ejektors 15, d. h. an einem Saugmediumeingang 15.3, in welchen der zweite Ejektorteilkreislauf 3.2 mündet, ein Niederdruck erzeugt wird, der unterhalb des Kondensationsdrucks liegt, im Folgenden als Niederstdruck bezeichnet. Über diesen Niederstdruck ist es möglich, Wärme auf einem niedrigeren Temperaturniveau als das der Kondensation aufzunehmen.The ejector cycle 3 has a first ejector subcircuit 3.1 and a second ejector subcircuit 3.2 on. The first ejector subcircuit 3.1 includes the ejector-evaporator 7 for vaporizing a working medium of the ejector cycle 3 which, as already described, with the other sub-string 5.2 of the exhaust system 5 and / or the exhaust gas recirculation train of the internal combustion engine is thermally coupled, so that the working medium of the Ejektorkreislaufs 3 is vaporized by absorbing exhaust heat. Furthermore, the first ejector subcircuit comprises 3.1 an ejector 15 Also referred to as Saugstrahlfördereinrichtung or jet pump. In 2 is an equivalent circuit diagram of this ejector 15 shown. The working fluid, more precisely its vapor, flows from the first ejector subcircuit 3.1 into a drive medium input 15.1 of the ejector 15 in and out of an exit 15.2 of the ejector 15 out. About the ejector 15 the vapor of the working medium is released, whereby on a suction side of the ejector 15 , ie at a Saugmediumeingang 15.3 in which the second Ejektorteilkreislauf 3.2 opens, a low pressure is generated, which is below the condensation pressure, hereinafter referred to as the lowest pressure. With this low pressure, it is possible to absorb heat at a lower temperature level than that of the condensation.

Der erste Ejektorteilkreislauf 3.1 umfasst des Weiteren einen stromab des Ejektors 15 angeordneten Ejektor-Kondensator 16 zum Kühlen des Arbeitsmediums sowie eine stromab des Ejektor-Kondensators 16 angeordnete und beispielsweise mittels eines vom Bordnetz des Fahrzeugs gespeisten weiteren Elektromotors angetriebene Ejektor-Fördereinrichtung 17, auch als Pumpe oder Speisepumpe bezeichnet, zum Antreiben des Arbeitsmediums und zum Fördern des Arbeitsmediums zum Ejektor-Verdampfer 7. Der Ejektor-Kondensator 16 des Ejektorkreislaufs 3 ist zum Kühlen des Arbeitsmediums beispielsweise ebenfalls mit dem Kühlkreislauf thermisch gekoppelt, so dass er Kondensationswärme an das Kühlmedium des Kühlkreislaufs abgibt, wodurch der Dampf des Arbeitsmediums auf Kondensationsdruckniveau isobar kondensiert wird und wieder der Ejektor-Fördereinrichtung 17 zugeführt wird. Bei dem Kühlkreislauf handelt es sich beispielsweise ebenfalls um den Kühlkreislauf zum Kühlen der Verbrennungkraftmaschine des Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Ejektor-Kondensator 16 zum Kühlen des Arbeitsmediums durch Abgabe der Kondensationswärme beispielsweise mit der Umgebungsluft thermisch gekoppelt sein.The first ejector subcircuit 3.1 further includes a downstream of the ejector 15 arranged ejector-capacitor 16 for cooling the working medium and downstream of the ejector-capacitor 16 arranged and, for example, by means of a powered by the electrical system of the vehicle further electric motor driven ejector conveyor 17 Also referred to as pump or feed pump, for driving the working fluid and for conveying the working fluid to the ejector-evaporator 7 , The ejector capacitor 16 of the ejector cycle 3 is also thermally coupled to the cooling of the working medium, for example, with the cooling circuit so that it emits heat of condensation to the cooling medium of the cooling circuit, whereby the vapor of the working medium is condensed isobar condensate pressure level and again the ejector conveyor 17 is supplied. For example, the refrigeration cycle is also the refrigeration cycle for cooling the internal combustion engine of the vehicle. Alternatively or additionally, the ejector capacitor 16 be thermally coupled for cooling the working medium by emitting the heat of condensation, for example, with the ambient air.

Der zweite Ejektorteilkreislauf 3.2 umfasst ein Expansionsventil 18 und stromab des Expansionsventils 18 einen Niedertemperaturverdampfer 19, welcher als der oben bereits beschriebene Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft ausgebildet ist oder ein Bestandteil des Ladeluftkühlers ist. Über diesen Niedertemperaturverdampfer 19 nimmt das Arbeitsmedium Ladeluftwärme von der Ladeluft auf und wird dadurch im Niedertemperaturverdampfer 19 verdampft. Durch diese Wärmeabgabe der Ladeluft an das Arbeitsmedium wird die Ladeluft abgekühlt. Der zweite Ejektorteilkreislauf 3.2 zweigt zwischen dem Ejektor-Kondensator 16 und der Ejektor-Fördereinrichtung 17 vom ersten Ejektorteilkreislauf 3.1 ab, so dass hier eine Abzweigung eines Teilmassenstroms des Arbeitsmediums über das Expansionsventil 18 erfolgt, und mündet in den Saugmediumeingang 15.3 des Ejektors 15. Dieser Teilmassenstrom des Arbeitsmediums wird auf Niederstdruckniveau im Niedertemperaturverdampfer 19 verdampft. Eine hierdurch erzeugte Kälteleistung kann zur Kühlung der Ladeluft verwendet werden. Der im Niedertemperaturverdampfer 19 erzeugte Dampf wird durch den Ejektor 15 angesaugt, mithilfe eines Treibstrahls des Ejektors 15 zum Ejektor-Kondensator 16 gefördert und wieder auf Austrittsdruck, d. h. Kondensationsdruck, verdichtet.The second ejector subcircuit 3.2 includes an expansion valve 18 and downstream of the expansion valve 18 a low temperature evaporator 19 , which is designed as the charge air cooler already described above for cooling the charge air or is a component of the charge air cooler. About this low-temperature evaporator 19 takes the working medium charge air heat from the charge air and is thus in the low-temperature evaporator 19 evaporated. By this heat transfer of the charge air to the working medium, the charge air is cooled. The second ejector subcircuit 3.2 branches between the ejector capacitor 16 and the ejector conveyor 17 from the first ejector cycle 3.1 so that here is a branch of a partial mass flow of the working medium via the expansion valve 18 takes place, and flows into the Saugmediumeingang 15.3 of the ejector 15 , This partial mass flow of the working medium is at the lowest pressure level in the low-temperature evaporator 19 evaporated. A cooling capacity generated thereby can be used for cooling the charge air. The in the low temperature evaporator 19 Steam generated by the ejector 15 sucked, using a jet of ejector 15 to the ejector-capacitor 16 promoted and back to outlet pressure, ie condensing pressure, compacted.

3 zeigt eine schematische Darstellung des Ejektorkreislaufs 3 in einem Druck p-Enthalpie h-Diagramm. Um den Druck p und die Enthalpie h in verschiedenen Bereichen B1 bis B6 des Ejektorkreislaufs 3 zu verdeutlichen, sind diese Bereiche B1 bis B6 in den 1 bis 3 mittels gestrichelter Markierungen gekennzeichnet. Der Ejektor 15 ist in 3 mittels seines hier auf die beiden Ejektorteilkreisläufe 3.1, 3.2 aufgeteilten Ersatzschaltbildes gemäß 2 dargestellt. 3 shows a schematic representation of the Ejektorkreislaufs 3 in a pressure p-enthalpy h-diagram. To the pressure p and the enthalpy h in different areas B1 to B6 of the Ejektorkreislaufs 3 To clarify, these areas are B1 to B6 in the 1 to 3 marked by dashed marks. The ejector 15 is in 3 by means of his here on the two Ejektorteilkreisläufe 3.1 . 3.2 divided equivalent circuit diagram according to 2 shown.

Als Arbeitsmedium kann im Rankine-Kreislauf 4 und im Ejektorkreislauf 3 das gleiche Medium verwendet werden oder es können unterschiedliche Medien verwendet werden. Das jeweilige Arbeitsmedium ist beispielsweise Wasser, Ethanol, ein Wasser-Ethanol-Gemisch oder ein Kältemittel. Eine Strömungsrichtung des jeweiligen Arbeitsmediums im jeweiligen Kreislauf ist durch Strömungspfeile P dargestellt.As a working medium can in the Rankine cycle 4 and in the ejector cycle 3 the same medium can be used or different media can be used. The respective working medium is for example water, ethanol, a water-ethanol mixture or a refrigerant. A flow direction of the respective working medium in the respective circuit is represented by flow arrows P.

Durch diese Ausbildung der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 wird die Abwärme des Abgases über einen breiteren Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine hinweg genutzt, wie anhand eines in 4 dargestellten Drehmoment M-Drehzahl n-Diagramms gezeigt, in welchem eine Abwärmenutzung AE mittels des Ejektorkreislaufs 3 und eine Abwärmenutzung AR mittels des Rankine-Kreislaufs 4 in einem jeweiligen Drehmoment M-Drehzahl n-Bereich dargestellt sind. Bei einer höheren Drehmomentanforderung und/oder bei höheren Drehzahlen n der Verbrennungskraftmaschine wird die Abwärme des Abgases vorzugsweise mittels des Ejektorkreislaufs 3 zur Ladeluftkühlung genutzt, wodurch eine Effizienzsteigerung und Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine erreichbar ist. Bei eher geringeren Drehzahlen n und insbesondere bei geringen Drehmomentanforderungen der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise in einem Teillastbereich, wird die Abwärme des Abgases vorzugsweise mittels des Rankine-Kreislaufs 4 zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt, um dadurch das Bordnetz des Fahrzeugs und somit auch die Verbrennungskraftmaschine zu entlasten.Through this design of the waste heat recovery device 1 the waste heat of the exhaust gas over a wider operating range of the internal combustion engine is used away, as based on a in 4 shown torque M-speed n diagram shown in which a waste heat utilization AE by means of the Ejektorkreislaufs 3 and a waste heat utilization AR by means of the Rankine cycle 4 are shown in a respective torque M-speed n range. At a higher torque request and / or at higher speeds n of the internal combustion engine, the waste heat of the exhaust gas is preferably by means of the ejector cycle 3 used for charge air cooling, whereby an increase in efficiency and performance of the internal combustion engine can be achieved. At rather lower speeds n and in particular at low torque requirements of the internal combustion engine, for example in a partial load range, the waste heat of the exhaust gas is preferably by means of the Rankine cycle 4 used to generate electrical energy, thereby relieving the electrical system of the vehicle and thus also the internal combustion engine.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: AbwärmenutzungsvorrichtungWaste heat recovery device
22: Abgasturboladerturbocharger
33: Ejektorkreislaufejector
3.1, 3.23.1, 3.2: EjektorteilkreislaufEjektorteilkreislauf
44: Rankine-KreislaufRankine cycle
55: Abgasstrangexhaust gas line
5.1, 5.25.1, 5.2: Teilstrangpartial strand
66: Rankine-VerdampferRankine evaporator
77: Ejektor-VerdampferEjector evaporator
88th: VentilValve
99: Katalysatorcatalyst
1010: Elektromotorelectric motor
1111: Rankine-FördereinrichtungRankine conveyor
1212: Expanderexpander
1313: Rankine-KondensatorRankine condenser
1414: Generatorgenerator
1515: Ejektorejector
15.115.1: TreibmediumeingangPropellant input
15.215.2: Ausgangoutput
15.315.3: SaugmediumeingangSaugmediumeingang
1616: Ejektor-KondensatorEjector-condenser
1717: Ejektor-FördereinrichtungEjector conveyor
1818: Expansionsventilexpansion valve
1919: NiedertemperaturverdampferLow temperature evaporator
AEAE: Abwärmenutzung mittels des EjektorkreislaufsWaste heat recovery by means of the ejector cycle
ARAR: Abwärmenutzung mittels des Rankine-KreislaufsWaste heat utilization by means of the Rankine cycle
B1 bis 66B1 to 66: BereichArea
MM: Drehmomenttorque
nn: Drehzahlrotation speed
PP: Strömungspfeilflow arrow
pp: Druckprint
hH: Enthalpieenthalpy
RR: AbgasströmungsrichtungExhaust gas flow direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Samir Kadunic, Florian Scherer, Roland Baar and Tobias Zegenhagen: "Intercooling using exhaust gas energy to increase the efficiency of gasoline engines"; MTZ 01/2014, 75 [0002]

Claims

Waste heat recovery device ( 1 ) for a vehicle having an internal combustion engine, wherein the waste heat utilization device ( 1 ) an ejector cycle ( 3 ) for cooling a charge air supplied to the internal combustion engine, characterized by a Rankine cycle ( 4 ) in the manner of a Clausius-Rankine cycle, wherein an exhaust line ( 5 ) and / or an exhaust gas recirculation train of the internal combustion engine two parallel partial strands ( 5.1 . 5.2 ) and wherein a Rankine evaporator ( 6 ) of the Rankine cycle ( 4 ) with one of the partial strands ( 5.1 ) is thermally coupled and an ejector-evaporator ( 7 ) of the ejector cycle ( 3 ) with the other substring ( 5.2 ) is thermally coupled.

Waste heat recovery device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the ejector cycle ( 3 ) is fluidically and / or thermally coupled to a charge air cooler and / or with a charge air cooling circuit.

Waste heat recovery device ( 1 ) according to claim 1 or 2, comprising at least one controllable and / or controllable valve ( 8th ) for controlling and / or regulating an exhaust gas mass flow over the one partial branch ( 5.1 ) and / or over the other sub-string ( 5.2 ).

Waste heat recovery device ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the valve ( 8th ) is formed as a flap.

Vehicle with a waste heat utilization device ( 1 ) according to one of claims 1 to 4.