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DE102017006171A1 - Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor Download PDF

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DE102017006171A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor (2). Die Anordnung umfasst ein WRG-System, das einen WRG-Kreislauf (18) mit einem umwälzenden Arbeitsmedium, einem ersten Wärmetauscher (20) in der Form eines auf einer Hochdruckseite (18a) des WRG-Kreislaufs (18) angeordneten Verdampfers, in dem das Arbeitsmedium durch Abgase aus dem Verbrennungsmotor (2) erwärmt wird, und einen Expander (22), der mechanische Energie aus dem Arbeitsmedium erzeugt. Das WRG-System umfasst einen zweiten Wärmetauscher (21), der auf der Hochdruckseite (18a) des WRG-Kreislaufs (18) angeordnet ist und mindestens die zweifache Wärmespeicherkapazität wie der erste Wärmetauscher (20) aufweist, und eine Ventilvorrichtung (24–27, 19), die dazu konfiguriert ist, Abgase und Arbeitsmedium derart zu den Wärmetauschern (20, 21) zu leiten, dass das Arbeitsmedium in mindestens einem der Wärmetauscher (20, 21) verdampft und überhitzt wird, bevor es an den Expander (22) geleitet wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Ein WRG-System (Wärmerückgewinnungssystem) kann für die Rückgewinnung von Abwärmeenergie eingesetzt werden und diese in mechanische Energie oder elektrische Energie umwandeln. Ein WRG-System umfasst eine Pumpe, die ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf mit Druck beaufschlagt und umwälzt. Der Kreislauf umfasst einen Verdampfer, in dem das Arbeitsmedium durch eine Wärmequelle, wie beispielsweise Abgase, erwärmt und verdampft wird. Das druckbeaufschlagte und erwärmte gasförmige Arbeitsmedium dehnt sich in einem Expander aus. Der Expander erzeugt mechanische Energie, die dazu verwendet werden kann, den Motor und/oder Vorrichtungen in einem Fahrzeug zu unterstützen. Alternativ ist der Expander mit einem Generator verbunden, der elektrische Energie erzeugt. Der Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors kann mittels eines WRG-Systems reduziert werden. Die Abwärmeenergie kann jedoch in dem Fall, in dem das WRG-System keine teuren Geräte umfasst, die die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt, im Allgemeinen nur zu dem Zeitpunkt genutzt werden, zu dem sie erzeugt wird. Während bestimmter Betriebsbedingungen befindet sich mehr Wärmeenergie in den Abgasen als durch das WRG-System genutzt werden kann. Während anderer Betriebsbedingungen befindet sich im Wesentlichen keine Wärmeenergie in den Abgasen, die durch das WRG-System genutzt werden kann.
  • WO 2014/096892 zeigt eine Motoranordnung, die einen Verbrennungsmotor, ein Wärmerückgewinnungssystem, in dem ein Arbeitsfluid nacheinander durch eine Pumpe gepumpt, in einem Wärmetauscher mit einer durch den Motorbetrieb erzeugten Wärmequelle erwärmt, und in einem Expander ausgedehnt wird. Das Wärmerückgewinnungssystem umfasst ferner eine Wärmespeichervorrichtung, die außerhalb des Wärmetauschers, der Pumpe vorgeschaltet und dem Expander vorgeschaltet, angeordnet ist, wobei die Wärmespeichervorrichtung ein Wärmespeichermaterial umfasst, das durch eine Trennwand in Wärmekontakt mit dem Arbeitsfluid ist und so angeordnet ist, dass es Wärme von der Wärmequelle speichern kann und zuvor gespeicherte Wärme freigeben kann, um das Arbeitsfluid zu erwärmen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung bereitzustellen, die im Wesentlichen immer in der Lage ist, Wärmeenergie aus Abgasen als mechanische Energie zurückzugewinnen, wenn ein Energiebedarf vorliegt.
  • Die obengenannte Aufgabe wird durch das Steuersystem gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst. Die Anordnung umfasst ein WRG-System, das mit einem ersten Wärmetauscher und einem zweiten Wärmetauscher, der eine beträchtlich höhere Wärmespeicherkapazität als der erste Wärmespeicher auf seiner Hochdruckseite aufweist, ausgebildet ist. Bevorzugt weist der zweite Wärmetauscher eine Wärmespeicherkapazität auf, die mindestens die fünffache oder zehnfache Wärmespeicherkapazität des ersten Wärmetauschers ist. Die Menge an Wärmeenergie in den Abgasen bezieht sich auf die Last des Verbrennungsmotors. Vorteilhafterweise ist das WRG-System dazu ausgebildet, die gesamte Wärmeenergie in den Abgasen bei Normallast des Verbrennungsmotors zu nutzen. In diesem Fall leitet die Ventilvorrichtung den gesamten Abgasstrom und das Arbeitsmedium an den ersten Wärmetauscher zur Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums bevor es zu dem Expander geleitet wird.
  • Bei einer hohen Last des Verbrennungsmotors ist das WRG-System nicht in der Lage, die gesamte Warmenergie in den Abgasen als mechanische Energie zurückzugewinnen. In diesem Fall, und wenn ein Energiebedarf des WRG-Systems besteht, leitet die Ventilvorrichtung Abgase und das Arbeitsmedium derart zu dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher, dass das WRG-System einen Teil der Wärmeenergie in den Abgasen als mechanische Energie entsprechend seiner Kapazität zur gleichen Zeit zurückgewinnt, zu der ein überschüssiger Teil der Wärmeenergie in den Abgasen genutzt wird, um den zweiten Wärmetauscher zu erwärmen. Bei einer niedrigen Last des Verbrennungsmotors kann die Ventilvorrichtung den gesamten Abgasstrom und das Arbeitsmedium zu dem zweiten Wärmetauscher zur Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums leiten. Bei einer Last des Verbrennungsmotors, wenn kein Energiebedarf besteht, kann die Ventilvorrichtung den gesamten Abgasstrom an den zweiten Wärmetauscher leiten, um in auf eine höhere Temperatur zu erwärmen.
  • Folglich macht die oben erwähnte Anordnung möglich, mindestens einen Teil der Wärmenergie in den Abgasen als mechanische Energie zurückzugewinnen, und einen überschüssigen Teil der Wärmeenergie in dem zweiten Wärmetauscher zu speichern. Die in dem zweiten Energiespeicher gespeicherte Energie kann genutzt werden, wenn die Last des Motors zur gleichen Zeit wie ein Energiebedarf niedrig ist. Da die Wärmenergie in einem Wärmetauscher gespeichert wird, ist es einfach, die gespeicherte Wärmenergie zu nutzen. Weiterhin kann das WRG-System aufgrund seiner Fähigkeit, Wärmenergie in dem zweiten Wärmetauscher zu speichern, mit kleineren Abmessungen versehen werden als ein entsprechendes herkömmliches WRG-System.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Wärmetauscher eine größere Masse als der erste Wärmetauscher auf. Die Kapazität eines Materialkörpers, Wärmeenergie zu speichern hängt mit der Masse des Körpers zusammen. Daher ist es zweckmäßig, dass der zweite Wärmetauscher eine beträchtlich größere Masse aufweist als der erste Wärmetauscher. Der zweite Wärmetauscher kann einen durch die Abgase erwärmten Feststoff umfassen. Ein solcher Feststoff kann beispielsweise ein Keramikmaterial sein. Alterativ oder in Kombination umfasst der zweite Wärmetauscher ein Phasenwechselmaterial. Eine große Menge an Wärmeenergie kann während eines Phasenwechselprozesses zwischen den Abgasen und einem solchen Material übertragen werden. Ein zweiter Wärmetauscher, der ein Phasenwechselmaterial umfasst, muss nicht wesentlich schwerer sein als der erste Wärmetauscher. Weiterhin hat ein mit einem Phasenwechselmaterial versehener zweiter Wärmetauscher eine im Wesentlichen konstante Temperatur während des Phasenwechselprozesses des Materials. Das Phasenwechselmaterial kann beispielsweise Zinn oder Zink sein. Gemäß einer weiteren Alternative kann der zweite Wärmetauscher eine Mischung aus zwei Phasenwechselmaterialien sein. In diesem Fall kann der zweite Wärmetauscher als ein Wärmenergiespeicher mit zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus definiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher parallel in dem WRG-System angeordnet und die Ventilvorrichtung umfasst ein Ventil, das den Arbeitsmediumstrom zu dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher leitet. Das Ventil kann so konfiguriert sein, dass es das Arbeitsmedium bei normaler und hoher Last des Verbrennungsmotors zum ersten Wärmetauscher leitet, wenn ein Energiebedarf des WRG-System vorhanden ist. Das Ventil kann so konfiguriert sein, dass es das Arbeitsmedium bei einer niedrigen Last zu dem zweiten Wärmetauscher leitet, wenn ein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher in Reihe in dem WRG-System angeordnet, und die Ventilvorrichtung umfasst ein in einer dem ersten Wärmetauscher nachgeschalteten Position und einer dem zweiten Wärmetauscher vorgeschalteten Position angeordnetes Ventil. In dem Fall, dass der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet sind, ist das Ventil dazu konfiguriert, das Arbeitsmedium bei normaler und hoher Last des Verbrennungsmotors aus dem ersten Wärmetauscher am zweiten Wärmetauscher vorbei zu leiten, wenn ein Energiebedarf des WRG-System vorhanden ist. Das Ventil ist dazu konfiguriert, das Arbeitsmedium bei niedriger Last, wenn ein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegt, von dem ersten Wärmetauscher zu dem zweiten Wärmetauscher zu leiten.
  • Andererseits ist in einem Fall, in dem der erste Wärmetauscher in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist und der zweite Wärmetauscher außerhalb der Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist, das Ventil dazu konfiguriert, das Arbeitsmedium bei normaler Last des Verbrennungsmotors aus dem ersten Wärmetauscher vorbei an dem zweiten Wärmetauscher zu leiten, wenn ein Energiebedarf des WRG-Systems vorhanden ist. Das Ventil ist dazu konfiguriert, das Arbeitsmedium bei niedriger Last und bei hoher Last, wenn ein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegt, von dem ersten Wärmetauscher zu dem zweiten Wärmetauscher zu leiten. Wenn eine hohe Last am Verbrennungsmotor vorliegt ist, wird das Arbeitsmedium im ersten Wärmetauscher auf eine zu hohe Temperatur überhitzt. In diesem Fall wird die Überhitzung des Arbeitsmediums im zweiten Wärmetauscher entzogen. Wenn eine niedrige Last am Verbrennungsmotor vorliegt, kann das Arbeitsmedium in dem zweiten Wärmetauscher verdampft und überhitzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung eine erste Wärmetauscher-Bypassleitung, und die Ventilvorrichtung umfasst mindestens ein Ventil, das den Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher und die erste Wärmetauscher-Bypassleitung steuert. In diesem Fall ist es möglich, einen reduzierten Abgasstrom an dem ersten Wärmetauscher während Betriebsbedingungen bereitzustellen, wenn eine hohe Last an dem Verbrennungsmotor vorliegt, um eine zu hohe Überhitzung des Wärmemediums im ersten Wärmetauscher bereitzustellen. Die Abgase in der Bypassleitung können dazu benutzt werden, den zweiten Wärmetauscher zu erwärmen. Weiterhin ist es möglich, den gesamten Abgasstrom über die erste Wärmetauscher-Bypassleitung zu leiten, wenn keine Wärmeübertragung in dem ersten Wärmetauscher stattfindet, um den Strömungswiderstand für die Abgase in der Abgasleitung zu reduzieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung eine zweite Wärmetauscher-Bypassleitung, und die Ventilvorrichtung umfasst mindestens ein Ventil, das den Abgasstrom durch den zweiten Wärmetauscher und die zweite Bypassleitung steuert. Das Ventil ermöglicht, den Abgasstrom zu dem zweiten Wärmetauscher zu leiten, wenn er eine ausreichend hohe Temperatur aufweist, um den zweiten Wärmetauscher zu erwärmen, und zu der zweiten Wärmetauscher-Bypassleitung zu leiten, wenn er eine zu niedrige Temperatur aufweist, um den zweiten Wärmetauscher zu erwärmen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst sie eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, die Ventilvorrichtung mittels einer Information von mindestens einem Betriebsparameter zu steuern. Der Betriebsparameter kann mindestens einen der folgenden Parameter der Temperatur der Abgase, der Temperatur des zweiten Wärmetauschers, der Last des Verbrennungsmotors und des Energiebedarfs des WRG-Systems betreffen. Die Temperaturdifferenz zwischen den Abgasen und dem zweiten Wärmetauscher kann dazu verwendet werden zu bestimmen, ob es möglich ist, den zweiten Wärmetauscher mittels der Abgase zu erwärmen. Die Last des Verbrennungsmotors hängt mit dem Abgasstrom und der Temperatur der Abgase zusammen, die die Wärmeenergie in den Abgasen definiert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In dem Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung als Beispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
  • 2 eine Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
  • 3 eine Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt ein schematisch offenbartes Fahrzeug 1, das durch einen aufgeladenen Verbrennungsmotor 2 angetrieben wird. Der Verbrennungsmotor 2 kann ein Dieselmotor sein. Das Fahrzeug 1 kann ein Schwerfahrzeug sein. Das Fahrzeug 1 umfasst eine Abgasleitung 3, die Abgase von dem Verbrennungsmotor 2 empfängt. Die Abgasleitung 3 umfasst eine Turbine 4a eines Turbo-Aggregats 4. Die Turbine 4a treibt einen Verdichter 4b des Turboladers 4 an. Der Verdichter 4 verdichtet Luft, die über eine Ladeluftleitung 5 zu dem Verbrennungsmotor 2 geführt wird. Die Ladeluftleitung 5 umfasst einen Ladeluftkühler 6, der an einem Vorderabschnitt des Fahrzeugs 1 angeordnet ist.
  • Das Fahrzeug 1 umfasst ein Kühlsystem, das eine Motoreinlassleitung 7 umfasst, die Kühlmittel zum Verbrennungsmotor 2 leitet. Die Motoreinlassleitung 7 ist mit einer Pumpe 8 versehen, die ein Kühlmittel in dem Kühlsystem umwälzt. Das den Verbrennungsmotor 2 verlassende Kühlmittel wird in einer Motorauslassleitung 9 aufgenommen. Ein erstes Ventilelement 10 in Form eines Dreiwegeventils 10 ist an einem Ende der Motorauslassleitung 9 angeordnet. Das Kühlsystem umfasst eine Kühler-Bypassleitung 11 und einen Kühler 12. Das erste Ventilelement 10 ist in der Lage, Kühlmittel von der Motorauslassleitung 9 zu empfangen und einen Teil davon auf die Kühler-Bypassleitung 11 und einen verbleibenden Teil davon auf den Kühler 12 zu verteilen. Das Kühlsystem umfasst ein zweites Ventilelement 14 in der Form eines Dreiwegeventils. Das zweite Ventilelement 14 kann Kühlmittel von der Kühler-Bypassleitung 11 empfangen und es zu der Motoreinlassleitung 7 oder zu einem Verflüssiger-Kreislauf 15 leiten, in dem das Kühlmittel ein Arbeitsmedium in einem Verflüssiger 16 eines WRG-Systems kühlt. Im letzteren Fall wird Kühlmittel von der Kühler-Bypassleitung 11 und mögliches Kühlmittel von dem Kühler 12 gemischt und zu dem Verflüssiger-Kreislauf 15 geleitet. Alternativ empfängt das zweite Ventilelement 14 Kühlmittel von dem Kühler 12 und leitet es zu der Motoreinlassleitung 7. Der Verflüssiger-Kreislauf 15 umfasst eine Verflüssiger-Einlassleitung 15a, die Kühlmittel zu dem Verflüssiger 16 leitet, und eine Verflüssiger-Auslassleitung 15b, die Kühlmittel von dem Verflüssiger 16 zu der Motoreinlassleitung 7 leitet.
  • Demzufolge ist das Fahrzeug mit einem WRG-System (Wärmerückgewinnungssystem) versehen. Das WRG-System umfasst eine Pumpe 17, die ein Arbeitsmedium in einem WRG-Kreislauf 18 mit Druck beaufschlagt und umwälzt. Das Arbeitsmedium kann Ethanol, R245fa oder eine andere Art von Arbeitsmedium sein. Das Arbeitsmedium, das die Pumpe 17 verlässt, tritt in ein Dreiwegeventil 19 ein. Das Dreiwegeventil 19 kann das Arbeitsmedium zu einem ersten Wärmetauscher 20 oder einem zweiten Wärmetauscher 21 leiten. In diesem Fall sind der erste Wärmetauscher 20 und der zweite Wärmetauscher parallel angeordnet. Der erste Wärmetauscher 20 ist dazu konfiguriert, als Verdampfer verwendet zu werden und der zweite Wärmetauscher 21 ist dazu konfiguriert, als ein Wärmespeicher und Verdampfer verwendet zu werden. Der zweite Wärmetauscher 21 weist eine beträchtlich höhere Wärmespeicherkapazität als der erste Wärmetauscher 20 auf. Der zweite Wärmetauscher 21 kann eine beträchtlich höhere Masse als der erste Wärmetauscher 20 aufweisen. Der zweite Wärmetauscher 21 kann einen durch die Abgase erwärmten Feststoff umfassen, beispielsweise ein Keramikmaterial. Alternativ oder in Kombination kann er ein Phasenwechselmaterial umfassen, beispielsweise Zinn, das bei ungefähr 230°C schmilzt, oder Zink, das bei ungefähr 430°C schmilzt. Eine Mischung von zwei Phasenwechselmaterialien kann ferner in dem zweiten Wärmetauscher 21 verwendet werden.
  • Das Arbeitsmedium wird in mindestens einem der Wärmetauscher 20, 21 erwärmt, sodass es verdampft und auf eine geeignete Temperatur überhitzt wird. Die die Wärmetauscher 20, 21 verlassenden gasförmigen Arbeitsmedien werden in einer gemeinsamen Leitung des WRG-Kreislaufs 18 empfangen, die das Arbeitsmedium zu einen Expander 22 leitet. Das Arbeitsmedium dehnt sich in dem Expander 22 aus. Der Expander 22 erzeugt eine Rotationsbewegung, die über eine geeignete mechanische Übertragung an eine Welle oder den Antriebsstrang des Fahrzeugs 1 übertragen werden kann. Nachdem das Arbeitsmedium den Expander 22 durchlaufen hat, wird es zu dem Verflüssiger 16 geleitet. Das Arbeitsmedium wird in dem Verflüssiger 16 durch das Kühlmittel in dem Verflüssiger-Kreislauf 15 auf eine Temperatur gekühlt, bei der es kondensiert. Das flüssige Arbeitsmedium wird von dem Verflüssiger 16 zu einem Sammelbehälter 23 geleitet. Arbeitsmedium wird aus dem Sammelbehälter 23 zur Pumpe 17 gesaugt. Der der Pumpe 17 nachgeschaltet angeordnete und dem Expander 22 vorgeschaltete Teil des WRG-Kreislaufs 18 umfasst eine Hochdruckseite 18a des WRG-Kreislauf 18. Der Teil des WRG-Kreislaufs 18, der dem Expander 22 vorgeschaltet angeordnet und der Pumpe 17 nachgeschaltet angeordnet ist, umfasst eine Niederdruckseite 18a des WRG-Kreislaufs 18.
  • Die Abgasleitung 3 umfasst eine erste Wärmetauscher-Bypassleitung 3a und eine zweite Wärmetauscher-Bypassleitung 3b. Die Abgasleitung 3 umfasst ein erstes Ventil 24, das den Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher 20 steuert, ein zweites Ventil 25, das den Abgasstrom durch die erste Wärmetauscher-Bypassleitung 3a steuert, ein drittes Ventil 26, das den Abgasstrom durch den zweiten Wärmetauscher 21 steuert und ein viertes Ventil 27, das den Abgasstrom durch die zweite Wärmetauscher-Bypassleitung 3b steuert. Die Ventile 24–27 sind stufenlos einstellbar. Die Ventile 24–27 können Drosselklappenventile sein. Eine Steuereinheit 28 steuert die Ventile 24–27 und das Dreiwegeventil 19. Ein erster Temperatursensor 29 detektiert die Temperatur der Abgase an einer dem zweiten Wärmetauscher 21 vorgeschalteten Position. Ein zweiter Temperatursensor 30 detektiert die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21. Die Steuereinheit 28 empfängt ferner eine Information über andere Betriebsparameter, wie die Last 31 des Verbrennungsmotors 2 und den Energiebedarf des WRG-Systems. Die Last 31 des Verbrennungsmotors 2 bezieht sich auf die Menge an Wärmenergie in den Abgasen. In diesem Fall ist das WRG-System so ausgebildet, dass es die Kapazität hat, die gesamte Wärmeenergie in den Abgasen bei einer Normallast des Verbrennungsmotors 2 zurückzugewinnen.
  • Wenn eine normale Last am Verbrennungsmotor 2 und ein Energiebedarf des WRG-Systems vorhanden sind, steuert die Steuereinheit 28 die Ventilvorrichtung 19 so, dass sie den gesamten Arbeitsmediumstrom zu dem ersten Wärmetauscher 20 leitet. Weiterhin öffnet die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und schließt das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher 20 geleitet wird. In diesem Fall wird das Arbeitsmedium durch die Abgase in dem ersten Wärmetauscher 20 so erwärmt, dass es verdampft und auf eine geeignete Temperatur überhitzt wird, bevor es zu dem Expander 22 geleitet wird. Um unnötige Druckabfälle in der Abgasleitung 3 zu vermeiden, schließt die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 26 und öffnet das vierte Ventil 27, sodass der Abgasstrom an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbeigeführt wird.
  • Wenn eine hohe Last an dem Verbrennungsmotor 2 anliegt, hat das WRG-System keine Kapazität, um die gesamte Energie in den Abgasen zu nutzen. In diesem Fall steuert die Steuereinheit 28 die Ventilvorrichtung 19 so, dass sie den Arbeitsmediumstrom zum ersten Wärmetauscher 20 leitet. Die Steuereinheit 28 schätzt den Teil des Abgases, der an den ersten Wärmetauscher 20 ohne übermäßige Überhitzung des Arbeitsmediums in dem ersten Wärmetauscher 20 geleitet werden soll. Die Steuereinheit 28 regelt das erste Ventil 24 und das zweite Ventil 25 derart, dass der geschätzte Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher 21 geleitet wird und der verbleibende Teil des Abgasstroms durch die erste Ventil-Bypassleitung 3a geleitet wird. Die Steuereinheit 28 empfängt eine Information über die Temperatur der Abgase an einer dem zweiten Wärmetauscher 20 vorgeschalteten Position von dem ersten Temperatursensor 29 und über die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21 von dem zweiten Temperatursensor 30. Hinsichtlich dieser Information schätzt die Steuereinheit 28, ob es möglich ist, den zweiten Wärmetauscher 21 zu erwärmen, und ob dies zu einem Vorteil führt, der größer als der Nachteil ist, der durch den in der Abgasleitung 3 zugefügten Gegendruck verursacht wird. Wenn dies der Fall ist, öffnet die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 25 und schließt das vierte Ventil 27, sodass die Abgase durch den zweiten Wärmetauscher 21 strömen und ihn auf eine höhere Temperatur erwärmen. Wenn dies nicht der Fall ist, schließt die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 25 und öffnet das vierte Ventil 27, sodass der Abgasstrom an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbeigeleitet wird. In diesem Fall gewinnt das WRG-System einen Teil der Wärmeenergie in den Abgasen zurück und wandelt sie in mechanische Energie um. Ein überschüssiger Teil der Wärmeenergie in den Abgasen wird in dem zweiten Wärmetauscher 21 gespeichert.
  • Wenn keine oder eine niedrige Last an dem Verbrennungsmotor 2 und ein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegen, bestimmt die Steuereinheit 28, ob die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21 ausreichend hoch ist, um eine effiziente Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums in dem zweiten Wärmetauscher 21 bereitzustellen. Wenn dies der Fall ist, steuert die Steuereinheit 28 die Ventilvorrichtung 19 derart, dass sie den Arbeitsmediumstrom zu dem zweiten Wärmetauscher 21 leitet. Um unnötige Druckabfälle in der Abgasleitung 3 zu vermeiden, schließt die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und öffnet das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom an dem ersten Wärmetauscher 20 vorbeigeleitet wird. Die Steuereinheit 28 öffnet das dritte Ventil 26 und schließt das vierte Ventil 27, sodass der gesamte Abgasstrom durch den zweiten Wärmetauscher 21 geleitet wird. Wenn es nicht möglich oder nicht zweckmäßig ist, den zweiten Wärmetauscher 21 zu erwärmen, schaltet die Steuereinheit 28 das WRG-System ab.
  • Wenn eine Last am Verbrennungsmotor 2 und kein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegt, schaltet die Steuereinheit 28 die Pumpe 17 ab, sodass die Umwälzung des Arbeitsmediums in dem WRG-Kreislauf 18 beendet wird. Hinsichtlich der Information über die Last an dem Verbrennungsmotor 2, die Temperatur der Abgase und die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21 schätzt die Steuereinheit 28, ob es möglich ist, den zweiten Wärmetauscher durch die Abgase zu erwärmen, und ob dies zu einem Vorteil führt, der größer als der Nachteil ist, der durch den in der Abgasleitung 3 zugefügten Gegendruck verursacht wird. Wenn dies der Fall ist, schließt die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und öffnet das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom an dem ersten Wärmetauscher 20 vorbeigeführt wird. Weiterhin öffnet die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 25 und schließt das vierte Ventil 27, sodass der gesamte Abgasstrom durch den zweiten Wärmetauscher 21 geleitet wird. Wenn es nicht möglich oder nicht zweckmäßig ist, Wärmeenergie in dem zweiten Wärmetauscher 21 zu speichern, schließt die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 26 und öffnet das vierte Ventil 27, sodass der gesamte Abgasstrom auch an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbeigeleitet wird.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des WRG-Systems. In diesem Fall sind der erste Wärmetauscher 20 und der zweite Wärmetauscher 21 in Reihe in dem WRG-Kreislauf angeordnet. Der erste Wärmetauscher 20 ist an einer dem zweiten Wärmetauscher 21 vorgeschalteten Position angeordnet. Ein Dreiwegeventil 19 ist an einer Position angeordnet, die dem ersten Wärmetauscher 20 nachgeschaltet und dem zweiten Wärmetauscher 21 vorgeschaltet ist. Infolgedessen wird das Arbeitsmedium immer durch den ersten Wärmetauscher 20 geleitet. Durch die Ventilvorrichtung 19 ist es möglich, das den ersten Wärmetauscher 20 verlassende Arbeitsmedium zu dem zweiten Wärmetauscher 21 oder an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbei zu leiten, bevor es in den Expander 22 eintritt.
  • Wenn eine normale Last an dem Verbrennungsmotor 2 und ein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegen, steuert die Steuereinheit 28 die Ventilvorrichtung 19 derart, dass der Arbeitsmediumstrom aus dem ersten Wärmetauscher 20 an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbei und zu dem Expander 22 geleitet wird. Weiterhin öffnet die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und schließt das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher 20 geleitet wird. Das Arbeitsmedium wird durch die Abgase in dem ersten Wärmetauscher 20 derart erwärmt, dass es verdampft und auf eine geeignete Temperatur überhitzt wird. Um Druckabfälle in der Abgasleitung 3 zu vermeiden, schließt die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 26 und öffnet das vierte Ventil 27, sodass der gesamte Abgasstrom an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbeigeleitet wird.
  • Wenn eine sehr hohe Last an dem Verbrennungsmotor vorliegt, hat das WRG-System keine Kapazität, um die gesamte Wärmeenergie in den Abgasen zu nutzen. In diesem Fall steuert die Steuereinheit 28 das Dreiwegeventil 19 derart, dass der Arbeitsmediumstrom aus dem ersten Wärmetauscher 20 an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbei und zu dem Expander 22 geleitet wird. Die Steuereinheit 28 schätzt den Teil des Abgasstroms, der zum ersten Wärmetauscher 20 ohne übermäßige Überhitzung des Arbeitsmediums geleitet werden soll. Die Steuereinheit 28 regelt das erste Ventil 24 und das zweite Ventil 25 derart, dass der geschätzte Abgasstrom zu dem ersten Wärmetauscher 21 geleitet wird und ein verbleibender Teil des Abgasstroms zur ersten Bypassleitung 3a geleitet wird. Infolgedessen wird das Arbeitsmedium verdampft und auf eine geeignete Temperatur in dem ersten Wärmetauscher 20 überhitzt, bevor er zu dem Expander 22 geleitet wird. Die Steuereinheit 28 empfängt eine Information über die Temperatur des Abgases an einer dem zweiten Wärmetauscher 20 vorgeschalteten Position von dem ersten Temperatursensor 29 und über die Temperatur des zweiten Wärmetauscher 21 von dem zweiten Temperatursensor 30. Hinsichtlich dieser Information schätzt die Steuereinheit, ob es möglich ist, den zweiten Wärmetauscher 21 durch die Abgase zu erwärmen und ob dies zu einem Vorteil führt, der größer als der Nachteil ist, der durch den in der Abgasleitung 3 zugefügten Gegendruck verursacht wird. Wenn dies der Fall ist, öffnet die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 25 und schließt das vierte Ventil 27, sodass der Abgasstrom durch den zweiten Wärmetauscher 21 geleitet wird. Wenn es nicht möglich ist, den zweiten Wärmetauscher zu erwärmen, schließt die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 25 und öffnet das vierte Ventil 27, sodass der Abgasstrom an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbeigeleitet wird. In diesem Fall gewinnt das WRG-System eine maximale Menge an Wärmeenergie in den Abgasen als mechanische Energie zurück. Ein überschüssiger Teil der Warmenergie in den Abgasen wird in dem zweiten Wärmetauscher 21 gespeichert.
  • Wenn keine oder eine niedrige Last an dem Verbrennungsmotor und ein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegt, bestimmt die Steuereinheit 28, ob die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21 hoch genug ist, um eine effiziente Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums in dem zweiten Wärmetauscher 21 bereitzustellen. Wenn dies der Fall ist, steuert die Steuereinheit 28 die Ventilvorrichtung 19 derart, dass sie den Arbeitsmediumstrom aus dem ersten Wärmetauscher 20 zu dem zweiten Wärmetauscher 21 leitet. Um Druckabfälle in der Abgasleitung 3 zu vermeiden, schließt die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und öffnet das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom an dem ersten Wärmetauscher 20 vorbeigeleitet wird. Die Steuereinheit 28 öffnet das dritte Ventil 26 und schließt das vierte Ventil 27, sodass der gesamte Abgasstrom durch den zweiten Wärmetauscher 21 geleitet wird. Wenn es nicht möglich oder nicht zweckmäßig ist, den zweiten Wärmetauscher 21 zu erwärmen, wird das WRG-System abgeschaltet.
  • Wenn eine Last am Verbrennungsmotor und kein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegt, schaltet die Steuereinheit 28 die Pumpe 17 ab, sodass die Umwälzung des Arbeitsmediums in dem WRG-Kreislauf 18 beendet wird. Hinsichtlich der Information über die Last an dem Verbrennungsmotor 2, die Temperatur der Abgase und die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21 schätzt die Steuereinheit 28, ob es möglich ist, den zweiten Wärmetauscher 21 durch die Abgase zu erwärmen, und ob dies zu einem Vorteil führt, der größer als der Nachteil ist, der durch den in der Abgasleitung 3 zugefügten Gegendruck verursacht wird. Wenn dies der Fall ist, schließt die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und öffnet das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom an dem ersten Wärmetauscher 20 vorbeigeführt wird. Weiterhin öffnet die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 25 und schließt das vierte Ventil 27, sodass der gesamte Abgasstrom durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird. Wenn es nicht möglich oder nicht zweckmäßig ist, Wärmeenergie in dem zweiten Wärmetauscher 21 zu speichern, schließt die Steuereinheit 28 das dritte Ventil 26 und öffnet das vierte Ventil 27, sodass der gesamte Abgasstrom auch an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbeigeleitet wird.
  • 3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des WRG-Systems. In diesem Fall sind der erste Wärmetauscher 20 und der zweite Wärmetauscher 21 in dem WRG-Kreislauf 18 in Reihe angeordnet; der zweite Wärmetauscher 21 ist jedoch nicht in der Abgasleitung 3 angeordnet. Ein Dreiwegeventil 19 ist in einer Position angeordnet, die dem ersten Wärmetauscher 20 nachgeschaltet und dem zweiten Wärmetauscher 21 vorgeschaltet ist. Auch in diesem Fall wird das Arbeitsmedium immer durch den ersten Wärmetauscher 20 geleitet. Mittels der Ventilvorrichtung 19 ist es möglich, das den ersten Wärmetauscher 20 verlassende Arbeitsmedium zu dem zweiten Wärmetauscher 21 oder an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbei zu leiten, bevor es zu dem Expander 22 geleitet wird.
  • Wenn eine normale Last an dem Verbrennungsmotor 2 und ein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegt, liegt die Überhitzung des Arbeitsmediums in dem ersten Wärmetauscher 20 normalerweise innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs. Die Steuereinheit 28 steuert das Dreiwegeventil 19 derart, dass der Arbeitsmediumstrom aus dem ersten Wärmetauscher 20 an dem zweiten Wärmetauscher 21 vorbei und zu dem Expander 22 geleitet wird. Des Weiteren öffnet die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und schließt das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher 20 geleitet wird.
  • Wenn eine sehr hohe Last an dem Verbrennungsmotor 2 vorliegt, ist die Menge an Wärmeenergie in den Abgasen hoch. Infolgedessen erhält das Arbeitsmedium eine zu hohe Überhitzung in dem ersten Wärmetauscher 20. Die Steuereinheit 28 empfängt eine Information über die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21 und bestimmt, ob es möglich ist, dem Arbeitsmedium in dem zweiten Wärmetauscher 21 die Überhitzung zu entziehen. Wenn dies der Fall ist, steuert die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und das zweite Ventil 25 derart, dass der gesamte Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher 20 geleitet wird. Des Weiteren steuert die Steuereinheit 28 das Dreiwegeventil 19 derart, dass sie den den ersten Wärmetauscher 20 verlassenden Arbeitsmediumstrom zu dem zweiten Wärmetauscher 21 leitet. Das Arbeitsmedium wird in dem zweiten Wärmetauscher 21 derart gekühlt, dass es eine geeignete Überhitzung aufweist, wenn es den zweiten Wärmetauscher 21 verlässt und in den Expander 22 eintritt. Gleichzeitig wird der zweite Wärmetauscher 21 durch das überhitzte Arbeitsmedium erwärmt. Wenn es nicht möglich ist, dem Arbeitsmedium in dem zweiten Wärmetauscher 21 die Überhitzung zu entziehen, steuert die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und das zweite Ventil 25 derart, dass ein Teil des Abgasstroms derart durch den ersten Wärmetauscher 20 geleitet wird, dass das Arbeitsmedium eine geeignete Überhitzung in dem ersten Wärmetauscher 20 erhält.
  • Wenn keine oder eine niedrige Last an dem Verbrennungsmotor und ein Energiebedarf des WRG-Systems vorliegen, bestimmt die Steuereinheit 28, ob die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21 hoch genug ist, um eine effiziente Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums bereitzustellen. Wenn dies der Fall ist, steuert die Steuereinheit 28 die Ventilvorrichtung 19 derart, dass sie den Arbeitsmediumstrom aus dem ersten Wärmetauscher 20 zu dem zweiten Wärmetauscher 21 leitet. Um Druckabfälle in der Abgasleitung 3 zu vermeiden, schließt die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und öffnet das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom an dem ersten Wärmetauscher 20 vorbeigeleitet wird. Wenn es nicht möglich oder nicht zweckmäßig ist, den zweiten Wärmetauscher 21 zu erwärmen, wird das WRG-System abgeschaltet.
  • Wenn eine Last an dem Verbrennungsmotor vorliegt und kein Energiebedarf des Arbeitsmediums in dem WRG-Kreislauf 18 vorliegt, muss die Umwälzung des Arbeitsmediums in dem WRG-Kreislauf 18 weiterlaufen. Hinsichtlich der Information über die Last an dem Verbrennungsmotor 2, die Temperatur der Abgase und die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 21 schätzt die Steuereinheit 28, ob es möglich ist, das Arbeitsmedium in dem zweiten Wärmetauscher 21 zu verdampfen und zu überhitzen. Wenn dies der Fall ist, öffnet die Steuereinheit 28 das erste Ventil 24 und schließt das zweite Ventil 25, sodass der gesamte Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher 20 geleitet wird. Des Weiteren steuert die Steuereinheit 28 die Ventilvorrichtung 19 derart, dass sie den Arbeitsmediumstrom aus dem ersten Wärmetauscher 20 zu dem zweiten Wärmetauscher 21 leitet. Wenn es nicht möglich oder zweckmäßig ist, den zweiten Wärmetauscher 21 zu erwärmen, wird das WRG-System abgeschaltet.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann frei innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche verändert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2014/096892 [0003]

Claims (13)

  1. Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in Abgasen aus einem Verbrennungsmotor (2), wobei die Anordnung ein WRG-System umfasst, das einen WRG-Kreislauf (18) mit einem umwälzenden Arbeitsmedium, einem ersten Wärmetauscher (20) in der Form eines auf einer Hochdruckseite (18a) des WRG-Kreislaufs (18) angeordneten Verdampfers, in dem das Arbeitsmedium durch Abgase aus dem Verbrennungsmotor (2) erwärmt wird, und einen Expander (22), der mechanische Energie aus dem Arbeitsmedium erzeugt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das WRG-System einen zweiten Wärmetauscher (21), der auf der Hochdruckseite (18a) des WRG-Kreislaufs (18) angeordnet ist und mindestens die zweifache Wärmespeicherkapazität wie der erste Wärmetauscher (20) aufweist, und eine Ventilvorrichtung (24–27, 19) umfasst, die dazu konfiguriert ist, Abgase und Arbeitsmedium derart zu den Wärmetauschern (20, 21) zu leiten, dass das Arbeitsmedium in mindestens einem der Wärmetauscher (20, 21) verdampft und überhitzt wird, bevor es zu dem Expander (2) geleitet wird.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (21) eine größere Masse als der erste Wärmetauscher (20) aufweist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (21) einen durch die Abgase zu erwärmenden Feststoff umfasst.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (21) ein durch die Abgase zu erwärmendes Phasenwechselmaterial umfasst.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (21) eine Mischung aus zwei durch die Abgase zu erwärmende Phasenwechselmaterialien umfasst.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (20) und der zweite Wärmetauscher (21) in dem WRG-Kreislauf (18) parallel angeordnet sind und dass die Ventilvorrichtung ein Ventil (19) umfasst, das das Arbeitsmedium zu dem ersten Wärmetauscher (29) oder dem zweiten Wärmetauscher (21) leitet.
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (20) und der zweite Wärmetauscher (21) in dem WRG-Kreislauf (18) in Reihe angeordnet sind und dass die Ventilvorrichtung ein Ventil (19) umfasst, das in einer dem ersten Wärmetauscher nachgeschalteten und dem zweiten Wärmetauscher vorgeschalteten Position zwischen den Wärmetauschern (20, 21) angeordnet ist und das den ersten Wärmetauscher (20) verlassende Arbeitsmedium zu dem zweiten Wärmetauscher (21) oder an dem zweiten Wärmetauscher (21) vorbei leitet.
  8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (20) und der zweite Wärmetauscher (21) in einer Abgasleitung (3) des Verbrennungsmotors (2) angeordnet sind.
  9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (20) in einer Abgasleitung (3) des Verbrennungsmotors (2) angeordnet ist und der zweite Wärmetauscher (21) außerhalb der Abgasleitung (3) des Verbrennungsmotors (2) angeordnet ist.
  10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Wärmetauscher-Bypassleitung (3a) umfasst und dass die Ventilvorrichtung mindestens ein Ventil (24, 25) umfasst, das den Abgasstrom durch den ersten Wärmetauscher (20) und die erste Wärmetauscher-Bypassleitung (3a) steuert.
  11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zweite Wärmetauscher-Bypassleitung (3b) umfasst, und dass die Ventilvorrichtung mindestens ein Ventil (26, 27) umfasst, das den Abgasstrom durch den zweiten Wärmetauscher (21) und die zweite Wärmetauscher-Bypassleitung (3b) steuert.
  12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (28) umfasst, die dazu konfiguriert ist, die Ventilvorrichtung (19) mittels einer Information von mindestens einem Betriebsparameter zu steuern.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter mindestens einen der folgenden Parameter der Temperatur der Abgase, der Temperatur des zweiten Wärmetauschers, der Last (31) des Verbrennungsmotors (2) und des Energiebedarfs (32) des WRG-Systems betrifft.
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