DE102013222763A1

DE102013222763A1 - Waste Heat Recovery System

Info

Publication number: DE102013222763A1
Application number: DE201310222763
Authority: DE
Inventors: Georg Mallebrein; Martin Johannaber; Martin Schulte Moenting; Stefan Stein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-05-13

Abstract

Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine 3, aufweisend zumindest einen in eine Abgasleitung 5 der Brennkraftmaschine 3 eingeschalteten Wärmetauscher 1a, 1b, der Teil eines Arbeitsfluidkreislaufs 8 mit zumindest einer Expansionsmaschine 9, einem Kondensator 10 und einer Fluidpumpe 13 ist. Erfindungsgemäß wird ein Abwärmerückgewinnungssystem mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitgestellt beziehungsweise ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Abwärmerückgewinnungssystems angegeben. Dies wird dadurch erreicht, dass das Abwärmerückgewinnungssystem einen Thermospeicher 18 aufweist. In dem Thermospeicher 18 ist aus dem Gesamtsystem, bestehend aus der Brennkraftmaschine 3 und dem Abwärmerückgewinnungssystem, gewonnene thermische Energie speicherbar, die bedarfsweise in den Arbeitsfluidkreislauf 8 einspeisbar ist.A waste heat recovery system for an internal combustion engine 3, comprising at least one heat exchanger 1a, 1b turned on in an exhaust pipe 5 of the internal combustion engine 3, which is part of a working fluid circuit 8 with at least one expansion engine 9, a condenser 10 and a fluid pump 13. According to the invention, a waste heat recovery system with improved efficiency is provided or a corresponding method for operating the waste heat recovery system is specified. This is achieved in that the waste heat recovery system has a thermal storage 18. In the thermal storage 18 is obtained from the entire system, consisting of the internal combustion engine 3 and the waste heat recovery system, stored thermal energy that can be fed into the working fluid circuit 8 as needed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine, aufweisend zumindest einen in eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher, der Teil eines Arbeitsfluidkreislaufs mit zumindest einer Expansionsmaschine, einem Kondensator und einer Fluidpumpe ist.The invention relates to a waste heat recovery system for an internal combustion engine, comprising at least one switched on an exhaust pipe of the internal combustion engine heat exchanger, which is part of a working fluid circuit with at least one expansion machine, a condenser and a fluid pump.

Stand der Technik State of the art

Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der DE 10 2010 010 298 A1 bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem ist an einer Brennkraftmaschine angebaut und weist einen in eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingebauten Wärmetauscher auf, der Teil eines Arbeitsfluidkreislaufs mit zumindest einer Expansionsmaschine, einem Kondensator und einer Fluidpumpe ist. In den Fluidkreislauf ist im Bereich der Fluidpumpe ein Ventil angeordnet, das zwischen einem Vorwärmer und einer den Kondensator aufweisenden Kondensatorbaugruppe angeordnet ist. Mit diesem Ventil soll die Steuerung der Fluidpumpe optimiert werden.Such a waste heat recovery system is from the DE 10 2010 010 298 A1 known. This waste heat recovery system is mounted on an internal combustion engine and has a built-in an exhaust line of the internal combustion engine heat exchanger, which is part of a working fluid circuit with at least one expansion machine, a condenser and a fluid pump. In the fluid circuit, a valve is disposed in the region of the fluid pump, which is arranged between a preheater and a condenser assembly having the capacitor. With this valve, the control of the fluid pump should be optimized.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen, beziehungsweise ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Abwärmerückgewinnungssystems anzugeben.The invention has for its object to provide a waste heat recovery system with improved efficiency, or to provide a corresponding method for operating the waste heat recovery system.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Abwärmerückgewinnungssystem einen Thermospeicher aufweist. Das entsprechende Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass von einem in das Abwärmerückgewinnungssystem integrierten Thermospeicher gespeicherte thermische Energie dann in den Arbeitsfluidkreislauf abgegeben wird, wenn die Energie sinnvoll von der Expansionsmaschine nutzbar ist. Dadurch wird mit einfachen Mitteln der Wirkungsgrad des Abwärmerückgewinnungssystems und damit der Brennkraftmaschine verbessert beziehungsweise erhöht. Dabei kann in einer allgemeinen Ausführung in dem Thermospeicher beliebige überschüssige thermische Energie gespeichert werden bzw. sein.This object is achieved in that the waste heat recovery system has a thermal storage. The corresponding method for operating a waste heat recovery system is characterized in that is stored by a built-in waste heat recovery system thermal storage thermal energy in the working fluid circuit when the energy is useful from the expansion machine available. As a result, the efficiency of the waste heat recovery system and thus of the internal combustion engine is improved or increased by simple means. In this case, any excess thermal energy can be stored or be in a general embodiment in the thermal storage.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Thermospeicher mit dem Wärmetauscher verschaltet. Dazu besteht zwischen dem Wärmetauscher und dem Thermospeicher eine Fluidverbindung, in die eine Wärmetauschpumpe eingesetzt ist. Diese Wärmetauschpumpe wird insbesondere dann betrieben, wenn aus dem Thermospeicher thermische Energie in den Wärmetauscher überführt werden soll. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Brennkraftmaschine mit Teillast betrieben wird und die Abgastemperaturen in der Abgasleitung für eine hinreichende Verdampfung des Arbeitsfluids in dem als Verdampfer fungierenden Wärmetauscher nicht ausreicht. Dadurch würde dann die Expansionsmaschine nicht oder nicht optimal betrieben werden können. Dadurch, dass nun aus dem Thermospeicher thermische Energie zusätzlich in den Wärmetauscher eingeleitet wird, kann das Arbeitsfluid vollständig verdampft werden und die Expansionsmaschine länger in einem günstigen Arbeitsbereich betrieben werden. Umgekehrt kann zu Zeiten, in denen von der Brennkraftmaschine über den heißen Abgasstrom so viel Wärme in den Wärmetauscher eingeleitet wird, die zur Verdampfung des Arbeitsfluids nicht vollständig benötigt wird, überschüssige thermische Energie in den Thermospeicher eingeleitet und gespeichert werden.In a further development of the invention, the thermal storage is connected to the heat exchanger. For this purpose, there is a fluid connection between the heat exchanger and the thermal storage, in which a heat exchange pump is used. This heat exchange pump is operated in particular when thermal energy is to be transferred from the thermal storage in the heat exchanger. This is for example the case when the internal combustion engine is operated at partial load and the exhaust gas temperatures in the exhaust pipe for sufficient evaporation of the working fluid in the evaporator acting as an evaporator is not sufficient. As a result, the expansion machine would not be able to operate or not optimally. Because thermal energy is additionally introduced into the heat exchanger from the thermal store, the working fluid can be completely evaporated and the expansion machine can be operated for a longer time in a favorable operating range. Conversely, at times when so much heat is introduced into the heat exchanger from the engine via the hot exhaust gas flow that is not completely needed for the evaporation of the working fluid, excess thermal energy is introduced and stored in the thermal storage.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Thermospeicher in den Arbeitsfluidkreislauf eingeschaltet. Diese Einschaltung des Thermospeichers in den Arbeitsfluidkreislauf erfolgt wiederum in weiterer Ausgestaltung über eine mit dem Thermospeicher verbundene Speicherleitung, die parallel zu dem Wärmetauscher in den Arbeitsfluidkreislauf eingeschaltet ist. In a further development of the invention, the thermal storage is switched on in the working fluid circuit. This activation of the thermal reservoir in the working fluid circuit is again in a further embodiment via a storage line connected to the thermal storage, which is turned on parallel to the heat exchanger in the working fluid circuit.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Speicherleitung eingangsseitig ein Einlassventil und ausgangsseitig des Thermospeichers ein Auslassventil auf. Mit diesen beiden Ventilen kann der Wärmeeintrag und die Wärmeabgabe in bzw. aus dem Thermospeicher geregelt werden.In a development of the invention, the storage line has an inlet valve on the inlet side and an outlet valve on the output side of the thermal reservoir. With these two valves, the heat input and the heat output can be regulated in or out of the thermal storage.

Wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweigt ausgangsseitig des Wärmetauschers eine Rückführleitung ab, die eingangsseitig des Thermospeichers in die Speicherleitung einmündet. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung stromabwärts der Abzweigung der Rückführleitung in den Arbeitsfluidkreislauf ein Wärmetauscherventil angeordnet, während in die Rückführleitung ein Steuerventil eingebaut ist. Durch die entsprechende Steuerung der Ventile kann die Zuführung von thermischer Energie in den Thermospeicher und die Abgabe von thermischer Energie aus dem Thermospeicher geregelt werden. Dabei erfolgt die umgesetzte Regelung nach den zuvor angegebenen Kriterien. Again in a further embodiment of the invention, the output side of the heat exchanger branches off from a return line, which opens on the input side of the thermal storage in the storage line. In this case, in a further embodiment downstream of the diversion of the return line in the working fluid circuit, a heat exchanger valve is arranged, while in the return line, a control valve is installed. By the appropriate control of the valves, the supply of thermal energy in the thermal storage and the release of thermal energy from the thermal storage can be controlled. In this case, the implemented control takes place according to the criteria given above.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Thermospeicher mit einem Retarder in der Form verschaltet, dass von dem Retarder erzeugte thermische Energie in den Thermospeicher eingeführt wird. Ein Retarder wird insbesondere bei Einbau der Brennkraftmaschine in ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug oder einen Bus, verwendet, um bei einem Bremsvorgang des Fahrzeugs, der beispielsweise durch eine längere Bergabfahrt veranlasst wird, die Radbremsen zu entlasten. Dabei wird dann aber bei einem herkömmlichen Retarder die erzeugte Wärmeenergie in geeigneter Weise ohne Nutzung abgeführt. Zusätzlich oder alternativ weist der Thermospeicher eine elektrische Heizung auf, die von einem Generator betrieben wird. Dieser Generator erzeugt beispielsweise ebenfalls bei einer Bergabfahrt elektrische Energie, die zu Heizzwecken des Thermospeichers bzw. des in dem Thermospeicher befindlichen Arbeitsfluids herangezogen wird. Der Generator kann der an der Brennkraftmaschine standardmäßig verbaute Generator oder aber ein zusätzlicher in dem Antriebsstrang des entsprechenden Fahrzeugs verbauter Generator sein, der dann vorzugsweise frei zu- und abschaltbar ist.In a development of the invention, the thermal store is connected to a retarder in the form that thermal energy generated by the retarder is introduced into the thermal store. A retarder is used in particular when the internal combustion engine is installed in a vehicle, in particular a commercial vehicle or a bus, in order, for example, during a braking operation of the vehicle is caused by a longer downhill ride to relieve the wheel brakes. In this case, however, the heat energy generated is then dissipated in a suitable manner without use in a conventional retarder. Additionally or alternatively, the thermal storage on an electric heater, which is operated by a generator. For example, this generator also generates electrical energy during a downhill run, which is used for heating purposes of the thermal store or of the working fluid in the thermal store. The generator may be the generator installed as standard on the internal combustion engine or else an additional generator installed in the drive train of the corresponding vehicle, which then preferably can be freely switched on and off.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, are described in more detail in the embodiments illustrated in the figures of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 ein schematisches Schaltbild eines Abwärmerückgewinnungssystems in einer ersten Ausführungsform und 1 a schematic diagram of a waste heat recovery system in a first embodiment and

2 ein schematisches Schaltbild eines Abwärmerückgewinnungssystems in einer zweiten Ausgestaltung. 2 a schematic diagram of a waste heat recovery system in a second embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein schematisches Schaltschema eines Abwärmerückgewinnungssystems. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Wärmetauscher 1a auf, der von einem in einer Abgasleitung 5 geführten und den Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 2 einer Brennkraftmaschine 3 durchströmt ist. Zusätzlich oder alternativ zu dem Wärmetauscher 1a kann ein Wärmetauscher 1b als ein Bestandteil des Abwärmerückgewinnungssystems vorgesehen sein, der in einer Abgasrückführleitung 4 oder einer sonstigen Wärmeträgerleitung eingesetzt ist. Über die Abgasrückführleitung 4 wird dem Abgasstrom 2 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert einem nicht dargestellten Ansaugsystem der Brennkraftmaschine 3 zugeführt. Die beiden Wärmetauscher 1a, 1b können gegebenenfalls über Bypassleitungen beispielsweise bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 3 eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 3 eingebaut ist, umgehbar sein. 1 shows a schematic circuit diagram of a waste heat recovery system. The waste heat recovery system has a heat exchanger 1a on top of one in an exhaust pipe 5 guided and the waste heat stream forming exhaust stream 2 an internal combustion engine 3 is flowed through. Additionally or alternatively to the heat exchanger 1a can be a heat exchanger 1b be provided as part of the waste heat recovery system, which in an exhaust gas recirculation line 4 or another heat transfer line is used. About the exhaust gas recirculation line 4 becomes the exhaust gas flow 2 taken a subset of exhaust gas and controlled an intake system, not shown, of the internal combustion engine 3 fed. The two heat exchangers 1a . 1b optionally via bypass lines, for example, in certain operating conditions of the internal combustion engine 3 a vehicle into which the internal combustion engine 3 is installed, be passable.

Der Brennkraftmaschine 3 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen unter Erzeugung von Arbeitsleistung zu heißem Abgas, das bei einem kontinuierlichen Betrieb der Brennkraftmaschine 3 den Abgasstrom 2 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 2 durch die Abgasleitung 5, von der auch die Abgasrückführleitung 4 abzweigt, letztendlich in die Umgebung abgeführt. In der Abgasleitung 5 können vor und/oder hinter dem Wärmetauscher 1a Abgasschalldämpfer 6 sowie Einrichtungen 7 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter, beispielsweise einem Rußfilter, eingebaut sein. Die Brennkraftmaschine 3 ist beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt. Die Brennkraftmaschine 3 kann aber auch eine fremdgezündete mit Benzin betriebene Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common-Rail-Einspritzsystem aufweisen kann.The internal combustion engine 3 During operation, fuel and combustion air are supplied, which in combustion chambers to generate work to hot exhaust gas, in a continuous operation of the internal combustion engine 3 the exhaust gas flow 2 makes, burn. This is the exhaust gas flow 2 through the exhaust pipe 5 , from which also the exhaust gas recirculation line 4 branches off, eventually dissipated into the environment. In the exhaust pipe 5 can be before and / or behind the heat exchanger 1a exhaust silencer 6 as well as facilities 7 for the aftertreatment of the exhaust gas in the form of, for example, a catalyst and / or a filter, for example a soot filter. The internal combustion engine 3 is for example a self-igniting internal combustion engine, which is operated with diesel fuel. In this case, the diesel fuel is injected into the combustion chambers, for example by means of a common-rail injection system. The internal combustion engine 3 but can also be a spark-ignited gasoline-powered internal combustion engine, which may also have a common rail injection system.

Der Wärmetauscher 1a und der Wärmetauscher 1b sind ihrerseits Teil eines Abwärmerückgewinnungssystems aus dem Abgasstrom 2 beziehungsweise aus dem rückgeführten Abgasmengenstrom oder aus einem sonstigen Wärmeträgerstrom, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen Arbeitsfluidkreislauf 8 aufweist. Der Arbeitsfluidkreislauf 8 weist neben den Wärmetauschern 1a, 1b eine Expansionsmaschine 9, einen Kondensator 10, gegebenenfalls eine Kondensatpumpe 11, einen Ausgleichsbehälter 12, eine Fluidpumpe 13 und einen Steuerblock 14 mit Steuerventilen 15a, 15b auf. Mit den Steuerventilen 15a, 15b wird die den Wärmetauschern 1a, 1b zugeführte Menge des Arbeitsfluids eingestellt. Weiterhin weist die Expansionsmaschine 9 einen Expansionsmaschinenbypass 16 mit einem Expansionsmaschinenbypassventil 17 auf. Den zuvor beschriebenen Komponenten sind beispielsweise ausgangsseitig der Wärmetauscher 1a, 1b Temperatursensoren T, eingangsseitig und ausgangsseitig der Expansionsmaschine 9 Drucksensoren P und ausgangsseitig der Expansionsmaschine 9 weiterhin ein Temperatursensor T zugeordnet. Bedarfsweise kann der Arbeitsfluidkreislauf 8 aber auch noch weitere Sensoren aufweisen. Die Signale beziehungsweise Messdaten der Sensoren werden einem zentralen Steuergerät zur Steuerung und Regelung des Abwärmerückgewinnungssystem zugeführt. Das Steuergerät kann in ein Zentralsteuergerät zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine integriert sein.The heat exchanger 1a and the heat exchanger 1b are themselves part of a waste heat recovery system from the exhaust stream 2 or from the recirculated exhaust gas flow or from any other heat carrier flow, wherein the waste heat recovery system a working fluid circuit 8th having. The working fluid circuit 8th points next to the heat exchangers 1a . 1b an expansion machine 9 , a capacitor 10 , optionally a condensate pump 11 , a surge tank 12 , a fluid pump 13 and a control block 14 with control valves 15a . 15b on. With the control valves 15a . 15b becomes the heat exchangers 1a . 1b supplied amount of the working fluid adjusted. Furthermore, the expansion machine 9 an expansion machine bypass 16 with an expansion machine bypass valve 17 on. The components described above are, for example, the output side of the heat exchanger 1a . 1b Temperature sensors T, on the input side and output side of the expansion machine 9 Pressure sensors P and the output side of the expansion machine 9 furthermore associated with a temperature sensor T. If necessary, the working fluid circuit 8th but also have more sensors. The signals or measurement data of the sensors are fed to a central control unit for controlling and regulating the waste heat recovery system. The control unit can be integrated in a central control unit for controlling and regulating the internal combustion engine.

Die Expansionsmaschine 9 kann beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine sein. Im Falle einer Turbine wird normalerweise ein Reduktionsgetriebe nachgeschaltet, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und an die Drehzahlen einer nachgeschalteten Arbeitsmaschine oder eines sonstigen Abnehmers anzupassen. Das der Expansionsmaschine zugeführte Arbeitsfluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über eine Abtriebswelle abgeführt wird. Danach wird der „kalte“ Dampf in dem Kondensator 10 kondensiert und letztendlich wieder der Fluidpumpe 13 zugeführt. In die Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 10 und der Fluidpumpe 13 ist der Ausgleichsbehälter 12 eingeschaltet, der von dem Arbeitsfluid druckbeaufschlagt ist. The expansion machine 9 For example, it may be a reciprocating engine or a turbine. In the case of a turbine is usually followed by a reduction gear to reduce the high turbine speeds and to adapt to the speeds of a downstream machine or other customer. The expansion of the supplied working fluid relaxes in this while providing mechanical Shaft work, which is discharged via an output shaft. Thereafter, the "cold" steam in the condenser 10 condenses and finally the fluid pump again 13 fed. In the connecting line between the capacitor 10 and the fluid pump 13 is the expansion tank 12 turned on, which is pressurized by the working fluid.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist mit dem Wärmetauscher 1a, der in die Abgasleitung 5 eingesetzt ist, ein Thermospeicher 18 mit einem angebauten Temperatursensor T über ein Wärmetauscherleitungssystem 19 mit einer eingebauten Wärmetauschpumpe 20 verbunden. Über das Wärmetauscherleitungssystem 19 kann direkt oder indirekt in dem Thermospeicher 18 gespeicherte thermische Energie in den Wärmetauscher 1a und umgekehrt transportiert werden.In the embodiment according to 1 is with the heat exchanger 1a in the exhaust pipe 5 is used, a thermal storage 18 with a mounted temperature sensor T via a heat exchanger duct system 19 with a built-in heat exchange pump 20 connected. About the heat exchanger piping system 19 can be directly or indirectly in the thermal storage 18 stored thermal energy in the heat exchanger 1a and vice versa.

Ein mit einer Achse 21 eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 3 eingebaut ist, zusammenwirkender Antriebsstrang 22, der über ein Getriebe mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, weist einen Retarder 23 und ein Generator 24 auf. Bei einem eingeleiteten Bremsbetrieb des Fahrzeugs wird von dem Retarder 23 (Bewegungs)-Energie aus dem Antriebsstrang 22 aufgenommen und in thermische Energie umgesetzt. Diese thermische Energie des Retarders 23 wird über eine geeignete Einleitung 25 in den Thermospeicher 18 eingeleitet. Ebenfalls wird beispielsweise bei einem Bremsbetrieb des Fahrzeugs von dem Generator 24 elektrische Energie erzeugt, die an eine elektrische Heizung 26, die beispielsweise in Form einer Heizspirale in den Thermospeicher 18 eingebaut ist, abgegeben. One with an axle 21 a vehicle into which the internal combustion engine 3 built-in, cooperative powertrain 22 , which is connected via a transmission with a crankshaft of the internal combustion engine, has a retarder 23 and a generator 24 on. When an initiated braking operation of the vehicle is of the retarder 23 (Motion) energy from the powertrain 22 absorbed and converted into thermal energy. This thermal energy of the retarder 23 will have a suitable introduction 25 in the thermal storage 18 initiated. Also, for example, in a braking operation of the vehicle by the generator 24 electrical energy generated, connected to an electric heater 26 , for example in the form of a heating coil in the thermal storage 18 is installed, delivered.

Die Wärmetauschpumpe 20 wird dann zugeschaltet, wenn:

a) das Medium in dem Thermospeicher 18 ein höheres Temperaturniveau als der Wärmetauscher 1a hat und die Expansionsmaschine 9 den zusätzlichen Dampf mit einem differenziellen Wirkungsgrad größer einer Schwelle umsetzen kann. Ein typischer Fall hierfür ist ein niedriger Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs nach einer Bergabfahrt. Die Wärmetauschpumpe 20 läuft jedoch nicht, wenn die Dampfenergie nicht sinnvoll verwertet werden kann, also beispielsweise, wenn der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 3 sehr niedrig ist und der Thermospeicher 18 schon recht leer ist, so dass beide Wärmeströme (aktuelle Abgasenergie und möglicher Wärmestrom aus dem Thermospeicher 18) ein zu geringes Temperaturniveau bzw. Wärmestromniveau ergeben würden, um die Expansionsmaschine 16 mit einem vernünftigen Wirkungsgrad zu betreiben. Ein Beispiel hierfür ist eine Stadtfahrt des Fahrzeugs mit einer Abgastemperatur von circa 200°C und einer Speichertemperatur des Thermospeichers 18 von weniger als circa 250°C. Eine weitere Auskühlung des Thermospeichers 18 wäre in der Gesamtenergiebilanz negativ. Wenn die Wärmetauschpumpe 20 betrieben würde, ergäbe sich eine Dampftemperatur von beispielsweise nur 150°C bei geringem Dampfstrom des Arbeitsfluids, so dass ein schlechter Wirkungsgrad der Expansionsmaschine 16 gegeben wäre.
b) das Medium im Thermospeicher 18 ein tieferes Temperaturniveau als der Wärmetauscher 1a hat und die Expansionsmaschine 9 die hohe Menge an aktuell anfallender Abgasenergie nicht umsetzen kann. Die Wärmetauschpumpe 20 läuft, um überschüssige Abgasenergie wegzuspeichern, die dann später verwendet werden kann. Rekuperative Energie wird solange in den Thermospeicher 18 eingebracht, bis dieser sein maximales Temperaturniveau erreicht hat. Ein typischer Fall hierfür ist der Betrieb der Brennkraftmaschine 3 unter sehr hoher Last und Drehzahl, was beispielsweise bei einer Bergauffahrt gegeben ist. Die Wärmetauschpumpe 20 läuft jedoch nicht, oder nur mit reduziertem Volumenstrom, wenn der Wärmetauscher 1a nur so viel Energie liefert, wie die Expansionsmaschine 9 aktuell verwerten kann. In diesem Fall wird die anfallende aktuelle Abgasenergie besser unmittelbar der Expansionsmaschine 9 zugeführt, als sie in den Thermospeicher 18 einzutragen. Der Wirkungsgrad wäre auch hier schlechter.

The heat exchange pump 20 is then switched on, if:

a) the medium in the thermal storage 18 a higher temperature level than the heat exchanger 1a has and the expansion machine 9 can implement the additional steam with a differential efficiency greater than a threshold. A typical case for this is a low part load operation of the internal combustion engine of the vehicle after a downhill. The heat exchange pump 20 however, does not run if the steam energy can not be usefully utilized, that is, for example, when the operating point of the internal combustion engine 3 is very low and the thermal storage 18 is already quite empty, so that both heat flows (current exhaust gas energy and possible heat flow from the thermal storage 18 ) would give too low a temperature level or heat flow level to the expansion machine 16 operate at a reasonable efficiency. An example of this is a city drive of the vehicle with an exhaust gas temperature of about 200 ° C and a storage temperature of the thermal storage 18 less than about 250 ° C. Another cooling of the thermal storage 18 would be negative in the overall energy balance. When the heat exchange pump 20 operated, would result in a steam temperature of, for example, only 150 ° C at low vapor flow of the working fluid, so that a poor efficiency of the expansion machine 16 would be given.
b) the medium in the thermal storage 18 a lower temperature level than the heat exchanger 1a has and the expansion machine 9 the high amount of currently incurred exhaust gas energy can not be implemented. The heat exchange pump 20 runs to store away excess exhaust energy, which can then be used later. Recuperative energy is stored in the thermal storage tank 18 introduced until it has reached its maximum temperature level. A typical case for this is the operation of the internal combustion engine 3 under very high load and speed, which is given, for example, when driving uphill. The heat exchange pump 20 However, does not run, or only with reduced flow when the heat exchanger 1a only provides as much energy as the expansion machine 9 can currently use. In this case, the resulting current exhaust energy is better directly the expansion machine 9 fed, as in the thermal storage 18 entered. The efficiency would be worse here too.

Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, bei dem die Brennkraftmaschine 3 und ihre Anbindung an den Arbeitsfluidkreislauf 8 identisch zu 1 ist und aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist, der Thermospeicher 18 in eine Speicherleitung 27a, 27b eingeschaltet, die parallel zu den Wärmetauschern 1a, 1b in den Arbeitsfluidkreislauf 8 eingeschaltet ist. Die Speicherleitung 27a kann über ein in den Steuerblock 14 eingebautes Einlassventil 28 mit Arbeitsfluid beschickt werden oder nicht, während ein Auslassventil 29 in der Speicherleitung 27b die Abgabe von in dem Thermospeicher 18 unter hohem Druck gespeicherten Fluid in den Arbeitsfluidkreislauf 8 zur Einleitung in die Expansionsmaschine 9 regelt. In die Ausgangsleitung des Wärmetauschers 1a ist ein Wärmetauscherventil 30 eingebaut, wobei stromaufwärts des Wärmetauscherventils 30 eine Rückführleitung 31 abzweigt. Diese Rückführleitung 31 mündet in die Speicherleitung 27a ein, wobei in die Rückführleitung 31 ein Steuerventil 32 eingebaut ist. Durch diese Rückführleitung 31 kann thermische Energie aus dem Wärmetauscher 1a in den Thermospeicher 18 eingeleitet werden. Grundsätzlich erfolgt das Laden bzw. Entladen des Thermospeichers 18 in der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch gilt hier:
Ein Laden des Thermospeichers 18 mit überschüssiger Energie aus dem durch Abgas erwärmten Wärmetauscher 1a erfolgt durch Öffnen des Steuerventils 32 und Schließen des Einlassventils 28 und des Auslassventils 29. Das Wärmetauscherventil 30 wird teilweise geschlossen, so dass nur ein von dem Thermospeicher 18 verwertbarer Dampfstrom in den Thermospeicher 18 eingeleitet wird.In contrast to the embodiment according to 1 is in the embodiment according to 2 in which the internal combustion engine 3 and their connection to the working fluid circuit 8th identical to 1 is and is not shown for reasons of clarity, the thermal storage 18 in a storage line 27a . 27b switched on, in parallel with the heat exchangers 1a . 1b in the working fluid circuit 8th is turned on. The storage line 27a can via a in the control block 14 built-in inlet valve 28 be charged with working fluid or not, while an exhaust valve 29 in the storage line 27b the release of in the thermal storage 18 stored under high pressure fluid in the working fluid circuit 8th for introduction into the expansion machine 9 regulates. In the output line of the heat exchanger 1a is a heat exchanger valve 30 installed, wherein upstream of the heat exchange valve 30 a return line 31 branches. This return line 31 flows into the storage line 27a a, wherein in the return line 31 a control valve 32 is installed. Through this return line 31 can generate thermal energy from the heat exchanger 1a in the thermal storage 18 be initiated. Basically, the loading or unloading of the thermal storage takes place 18 in the same way as in the first embodiment, but here:
A loading of the thermal storage 18 with excess energy from the heat exchanger heated by exhaust gas 1a done by opening the control valve 32 and closing the inlet valve 28 and the exhaust valve 29 , The heat exchanger valve 30 is partially closed, leaving only one of the thermal storage 18 usable steam flow into the thermal storage 18 is initiated.

Ein Entladen des thermischen Speichers erfolgt durch ein Schließen des Einlassventils 28 und des Steuerventils 32. Beim Entladen des Thermospeichers 18 ist das Auslassventil 29 und auch das Wärmetauscherventil 30 wiederum geöffnet.A discharge of the thermal storage takes place by closing the inlet valve 28 and the control valve 32 , When unloading the thermal storage 18 is the exhaust valve 29 and also the heat exchanger valve 30 opened again.

Darüber hinaus muss der Fluidhaushalt des Thermospeichers 18 gesteuert werden, damit beispielsweise mit aus dem Retarder 23 gewonnener Energie Fluid verdampft werden kann. Dies wird mithilfe des Einlassventils 28 vorgenommen. Dabei ist das Steuerventil 32 geschlossen. Auch die beiden Steuerventile 15a, 15b für die Wärmetauscher 1a, 1b sind geschlossen, da der Druck in diesen Systemen vom Druck im Thermospeicher 18 abweicht. Die Fluidpumpe 13 muss gegen den möglicherweise sehr hohen Gegendruck des Thermospeichers 18 pumpen können.In addition, the fluid balance of the thermal storage must 18 be controlled, so for example with out of the retarder 23 recovered energy fluid can be evaporated. This is done using the inlet valve 28 performed. Here is the control valve 32 closed. Also the two control valves 15a . 15b for the heat exchangers 1a . 1b are closed because the pressure in these systems from the pressure in the thermal storage 18 differs. The fluid pump 13 must against the possibly very high back pressure of the thermal storage 18 can pump.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010010298 A1 [0002]

Claims

Waste heat recovery system for an internal combustion engine ( 3 ), comprising at least one in an exhaust pipe ( 5 ) of the internal combustion engine ( 3 ) switched-on heat exchanger ( 1a . 1b ), the part of a working fluid circuit ( 8th ) with at least one expansion machine ( 9 ), a capacitor ( 10 ) and a fluid pump ( 13 ), characterized in that the waste heat recovery system a thermal storage ( 18 ) having.

Waste heat recovery system according to claim 1, characterized in that the thermal storage ( 18 ) with the heat exchanger ( 1a . 1b ) is interconnected.

Waste heat recovery system according to claim 1, characterized in that the thermal storage ( 18 ) into the working fluid circuit ( 8th ) is turned on.

Waste heat recovery system according to claim 3, characterized in that the thermal storage ( 18 ) parallel to the heat exchanger ( 1a . 1b ) into a storage line ( 27a . 27b ) of the working fluid circuit ( 8th ) is turned on.

Waste heat recovery system according to claim 4, characterized in that the storage line ( 27a . 27b ) on the input side an inlet valve ( 28 ) and the output side of the thermal storage ( 18 ) an exhaust valve ( 29 ) having.

Waste heat recovery system according to one of claims 4 or 5, characterized in that the output side of the heat exchanger ( 1a . 1b ) a return line ( 31 ) branches, the input side of the thermal storage ( 18 ) in the memory line ( 27a ).

Waste heat recovery system according to claim 6, characterized in that downstream of the branch of the return line ( 31 ) into the working fluid circuit ( 8th ) a heat exchanger valve ( 30 ) is arranged.

Waste heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal storage ( 18 ) with a retarder ( 23 ) is interconnected.

Waste heat recovery system according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal storage ( 18 ) one of a generator ( 24 ) operated electric heating ( 26 ) having.

Method for operating a waste heat recovery system for an internal combustion engine ( 3 ), comprising at least one in an exhaust pipe ( 5 ) of the internal combustion engine ( 3 ) switched-on heat exchanger ( 1a . 1b ), the part of a working fluid circuit ( 8th ) with at least one expansion machine ( 9 ), a capacitor ( 10 ) and a fluid pump ( 13 ), characterized in that by a built-in thermal waste heat recovery system ( 18 ) stored thermal energy then into the working fluid circuit ( 8th ), if the energy makes sense from the expansion machine ( 9 ) is usable.

A method according to claim 10, characterized in that of the heat exchanger ( 1a . 1b ) recovered thermal exhaust energy then in the thermal storage ( 18 ) is initiated when the thermal exhaust gas energy from the expansion engine ( 18 ) is not useful.