AT518884B1 - METHOD FOR OPERATING AN EXHAUST WARMER RECOVERY SYSTEM - Google Patents

METHOD FOR OPERATING AN EXHAUST WARMER RECOVERY SYSTEM Download PDF

Info

Publication number
AT518884B1
AT518884B1 ATA50639/2016A AT506392016A AT518884B1 AT 518884 B1 AT518884 B1 AT 518884B1 AT 506392016 A AT506392016 A AT 506392016A AT 518884 B1 AT518884 B1 AT 518884B1
Authority
AT
Austria
Prior art keywords
energy input
working medium
input step
dynamic energy
mass flow
Prior art date
Application number
ATA50639/2016A
Other languages
German (de)
Other versions
AT518884A4 (en
Inventor
Dipl Ing Glensvig Michael
Cococcetta Fabio
Calaon Ivan
Dipl Ing Dr Wolkerstorfer Josef
Dipl Ing Neunteufl Klemens
Ing Fh Gerald Gradwohl Dipl
Original Assignee
Avl List Gmbh
Fpt Ind Spa
Iveco Spa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Avl List Gmbh, Fpt Ind Spa, Iveco Spa filed Critical Avl List Gmbh
Priority to ATA50639/2016A priority Critical patent/AT518884B1/en
Application granted granted Critical
Publication of AT518884A4 publication Critical patent/AT518884A4/en
Publication of AT518884B1 publication Critical patent/AT518884B1/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines nach einem Rankine Prozess, insbesondere einem organischen Rankine Prozess, arbeitenden Abgaswärmerückgewinnungssystems (5), insbesondere für eine Brennkraftmaschine (1), wobei ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe (6) verdichtet wird, in einem Verdampfer (7) dem Arbeitsmedium Abgaswärme zugeführt wird, in einem Expander (8) das Arbeitsmedium unter Arbeitsverrichtung entspannt und in einem Kondensor (9) abgekühlt wird, und wobei in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) ein dynamischer Energieeintragsschritt (E) in das Arbeitsmedium durchgeführt wird, indem innerhalb einer definierten Zeitdauer (Δt) der dem Verdampfer (7) zugeführte Massenstrom () des Arbeitsmediums kurzzeitig von einem definierten ersten Normalwert () auf einen definierten Spitzenwert () erhöht und danach – vorzugsweise wieder auf einen zweiten definierten Normalwert () - abgesenkt wird, wobei der dynamische Energieeintragsschritt (E) zumindest zweimal, vorzugsweise zumindest dreimal hintereinander durchgeführt wird. Um den Wirkungsgrad des Abgaswärmerückgewinnungssystems (5) zu erhöhen ist vorgesehen, dass zumindest ein dynamischer Energieeintragsschritt (E) und/oder die Wiederholung des dynamischen Energieeintragsschrittes (E) unmittelbar vor einer Lastpause und/oder Betriebspause der Brennkraftmaschine (1) und/oder unmittelbar vor einem Gangwechsel durchgeführt wird.The invention relates to a method for operating an exhaust gas heat recovery system (5) operating according to a Rankine process, in particular an organic Rankine process, in particular for an internal combustion engine (1), a working medium being compressed by a pump (6) in an evaporator (7 ) is supplied to the working medium exhaust heat, in an expander (8) the working medium under Arbeitsverrichtung relaxed and cooled in a condenser (9), and wherein in at least one operating range of the internal combustion engine (1) a dynamic energy input step (E) is performed in the working medium in that, within a defined period of time (Δt), the mass flow () of the working medium supplied to the evaporator (7) briefly increases from a defined first normal value () to a defined peak value () and then - preferably down to a second defined normal value () with the dynamic energy input step (E ) is performed at least twice, preferably at least three times in succession. In order to increase the efficiency of the exhaust heat recovery system (5) is provided that at least one dynamic energy input step (E) and / or the repetition of the dynamic energy input step (E) immediately before a load break and / or break of the internal combustion engine (1) and / or immediately before a gear change is performed.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines nach einem Rankine Prozess, insbesondere einem organischen Rankine Prozess, arbeitenden Abgaswärmerückgewinnungssystems, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, wobei ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe verdichtet wird, in einem Verdampfer dem Arbeitsmedium Abgaswärme zugeführt wird, in einem Expander das Arbeitsmedium unter Arbeitsverrichtung entspannt und in einem Kondensor abgekühlt wird, und wobei in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein dynamischer Energieeintragsschritt in das Arbeitsmedium durchgeführt wird, indem innerhalb eines definierten Zeitfensters der dem Verdampfer zugeführte Massenstrom des Arbeitsmediums kurzzeitig von einem definierten Normalwert auf einen definierten Spitzenwert erhöht und danach - vorzugsweise wieder auf den definierten Normalwert - abgesenkt wird, wobei der dynamische Energieeintragsschritt zumindest zweimal, vorzugsweise zumindest dreimal hintereinander durchgeführt wird.The invention relates to a method for operating a Rankine process, in particular an organic Rankine process, working exhaust heat recovery system, in particular for an internal combustion engine, wherein a working fluid is compressed by a pump, in an evaporator the working fluid exhaust heat is supplied, in an expander the working medium is relaxed under Arbeitsverrichtung and cooled in a condenser, and wherein in at least one operating range of the internal combustion engine, a dynamic energy input step is performed in the working medium by within a defined time window of the evaporator supplied mass flow of the working medium briefly from a defined normal value to a increases defined peak value and then - preferably back to the defined normal value - is lowered, wherein the dynamic energy input step at least twice, preferably at least three times hi is carried out in tandem.

[0002] Es ist bekannt, die Dampftemperatur des Arbeitsmediums durch Variieren des Massen-durchflusses des dem Verdampfer zugeführten Arbeitsmediums zu verändern, um einen Rankine Prozess mit optimalen Wirkungsgrad entsprechend dem Lastzustand der Brennkraftmaschine betreiben zu können. Die US 2006/0168963 A1 beschreibt beispielsweise, dass bei Zunahme der Last der Brennkraftmaschine die Dampftemperatur sowie der Dampfdruck des Arbeitsmediums durch Steigerung des dem Verdampfer zugeführten Massenstroms einmalig erhöht werden kann, wobei durch Erhöhen der Expanderdrehzahl die Druckzunahme verringert wird.It is known to change the steam temperature of the working medium by varying the mass flow rate of the working medium supplied to the evaporator in order to operate a Rankine process with optimum efficiency in accordance with the load state of the internal combustion engine can. US 2006/0168963 A1 describes, for example, that as the load of the internal combustion engine increases, the steam temperature and the vapor pressure of the working medium can be increased once by increasing the mass flow supplied to the evaporator, whereby the pressure increase is reduced by increasing the expander speed.

[0003] Die Druckschrift DE 10 2012 204260 A1 beschreibt eine Wärmekraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, durch die heißer Dampf eines Arbeitsmediums mittels einer Entspannungseinrichtung in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Die Wärmekraftmaschine weist einen Arbeitsmediumkreislauf auf, in dem ein Arbeitsmedium aus einem Behälter von einer Pumpe durch einen Abgaswärmetauscher und anschließend in einer durch eine Gleichdruckturbine gebildeten Entspannungseinrichtung entspannt und in einem Kondensator abgekühlt wird. Die Einströmung des dampfförmigen Arbeitsmediums in die Turbine erfolgt über variable Zu-strömdüsen in Form von Lavaldüsen. Dabei wird der Massenstrom des Arbeitsmediums vor dem Verdampfer verändert, um bei einer Änderung des Strömungsquerschnittes der Zu-strömdüsen in der Entspannungsvorrichtung eine Änderung der Dampftemperatur des Arbeitsmediums zu verhindern. Beispielsweise kann dabei der Massenstrom von einem Normalwert auf einen Spitzenwert erhöht und danach wieder abgesenkt werden, wobei dieser Vorgang wiederholt werden kann.The document DE 10 2012 204260 A1 describes a heat engine in a motor vehicle, is converted by the hot steam of a working fluid by means of a relaxation device into kinetic energy. The heat engine has a working medium circuit in which a working medium is expanded from a container by a pump through an exhaust gas heat exchanger and then cooled in a condenser formed by a constant pressure turbine and cooled in a condenser. The inflow of the vaporous working medium into the turbine via variable inlet nozzles in the form of Laval nozzles. In this case, the mass flow of the working medium is changed in front of the evaporator to prevent a change in the flow cross-section of the zu-strömdüsen in the expansion device, a change in the steam temperature of the working medium. For example, while the mass flow of a normal value can be increased to a peak value and then lowered again, this process can be repeated.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines Abgaswärmerückgewinnungssystems zu erhöhen.The object of the invention is to increase the efficiency of an exhaust heat recovery system.

[0005] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein dynamischer Energieeintragsschritt und/oder die Wiederholung des dynamischen Energieeintragsschrittes unmittelbar vor einer Lastpause und/oder Betriebspause der Brennkraftmaschine und/oder unmittelbar vor einem Gangwechsel durchgeführt wird.According to the invention this is achieved in that at least one dynamic energy input step and / or the repetition of the dynamic energy input step is performed immediately before a load break and / or pause in operation of the internal combustion engine and / or immediately before a gear change.

[0006] Dies ermöglicht eine deutlich höhere Energieausbeute als bei vergleichbaren bekannten Verfahren.This allows a significantly higher energy yield than in comparable known methods.

[0007] Eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades des Abgaswärmerückgewinnungssystems lässt sich erzielen, wenn innerhalb zumindest eines Energieeintragsschrittes der Spitzenwert des Massenstroms zumindest 5%, vorzugsweise zumindest 10% des definierten ersten oder zweiten Normalwertes beträgt. Der zweite Normalwert kann dabei gleich groß sein wie der erste Normalwert. Es ist aber auch möglich, dass erste und zweite Normalwerte unterschiedlich groß gewählt werden.A significant increase in the efficiency of the exhaust heat recovery system can be achieved if, within at least one Energieeintragsschrittes the peak mass flow is at least 5%, preferably at least 10% of the defined first or second normal value. The second normal value can be the same as the first normal value. But it is also possible that first and second normal values are chosen to be different in size.

[0008] Durch wiederholte Durchführung des dynamischen Energieeintragsschrittes kann es in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine Vorkommen, dass dem Abgas mehr Energie entzogen, als nachgeliefert wird, sodass das Abgaswärmerückgewinnungssystem nicht im thermodynamischen Gleichgewicht betrieben wird. Aus thermodynamischen Gründen ist in solchen Fällen die Anzahl an Wiederholungen des dynamischen Energieeintragsschrittes begrenzt.By repeatedly carrying out the dynamic energy input step, it may occur in certain operating ranges of the internal combustion engine, that the exhaust more energy withdrawn, as replenished, so that the exhaust heat recovery system is not operated in thermodynamic equilibrium. For thermodynamic reasons, the number of repetitions of the dynamic energy input step is limited in such cases.

[0009] Dadurch, dass zumindest ein dynamischer Energieeintragsschritt und/oder die Wiederholung des dynamischen Energieeintragsschrittes nur unmittelbar vor einer Lastpause und/oder Betriebspause und/oder unmittelbar vor einem Gangwechsel durchgeführt wird, kann dieses Problem in einfacher Weise vermieden werden. Auf diese Weise wird ein Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichtes vermieden bzw. es kann sich in der darauffolgenden Lastpause wieder ein Ausgleich des Energieniveaus einstellen.Characterized in that at least one dynamic energy input step and / or the repetition of the dynamic energy input step is performed only immediately before a load break and / or break and / or immediately before a gear change, this problem can be avoided in a simple manner. In this way, an operation of the waste heat recovery system is avoided outside the thermodynamic equilibrium or it can adjust in the subsequent load break again a compensation of the energy level.

[0010] Unter Lastpausen sind hier Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine, bei denen diese keine Arbeit vollrichtet, also beispielsweise Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine, zum Beispiel bei angehaltenem Fahrzeug, Segelbetrieb, oder Schaltpausen zwischen zwei Schaltvorgängen, zu verstehen. Eine Betriebspause ist dagegen eine Pause, bei der die Brennkraftmaschine abgestellt wird, also beispielsweise durch eine Betriebsunterbrechung durch eine Start/Stop-Automatik bei stillstehendem/wartendem Fahrzeug, oder am Ende des Fährbetriebes.Under load pauses operating areas of the internal combustion engine, where this performs no work, so for example idling operation of the internal combustion engine, for example, when the vehicle is stopped, sailing operation, or switching pauses between two switching operations to understand. A break in operation, however, is a break in which the engine is turned off, so for example by an interruption of operation by a start / stop automatic with stationary / waiting vehicle, or at the end of the ferry.

[0011] Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht dabei vor, dass mittels eines prädikti-ven Modells eine Vorhersage für die Wahrscheinlichkeit des Eintretens einer Lastpause oder einer Betriebspause der Brennkraftmaschine innerhalb eines definierten Prädiktionshorizontes gemacht wird und der dynamische Energieeintragsschritt mehrmals hintereinander durchgeführt wird, wenn die Wahrscheinlichkeit des Eintretens einer Lastpause oder Betriebspause der Brennkraftmaschine innerhalb eines definierten Prädiktionshorizontes zumindest einer definierten Mindestwahrscheinlichkeit entspricht.A preferred embodiment of the invention provides that by means of a predictive model, a prediction for the probability of the occurrence of a load break or an operating pause of the internal combustion engine within a defined prediction horizon is made and the dynamic energy input step is performed several times in succession, if the Probability of the occurrence of a load break or downtime of the internal combustion engine within a defined prediction horizon corresponds to at least one defined minimum probability.

[0012] Das prädiktive Modell kann dabei auf der Basis von topografischen und/oder verkehrstechnischen Informationen und/oder Informationen zur Wetterlage und dem Straßenzustand, und der aktuellen Position des Fahrzeuges erkennen, ob eine Lastpause, eine betriebspause oder ein Gangwechsel unmittelbar bevorsteht. Ist dies der Fall, so wird noch vor Eintreten der Lastpause, der Betriebspause und/oder des Gangwechsels zumindest ein dynamischer Energieeintragsschritt durchgeführt, indem der Massenstrom des Arbeitsmediums kurzzeitig auf einen definierten Spitzenwert erhöht und danach wieder abgesenkt wird.The predictive model can recognize on the basis of topographical and / or traffic information and / or information on the weather and the road conditions, and the current position of the vehicle, whether a load break, a break in business or a gear change is imminent. If this is the case, at least one dynamic energy input step is performed before the onset of the load break, the break and / or the gear change, by briefly increasing the mass flow of the working medium to a defined peak value and then lowering it again.

[0013] Beispielsweise können folgende Situationen durch das prädiktive Modell vorrausschau-end erkannt werden: [0014] · Lastpausen und Gangwechsel während oder vor unmittelbar bevorstehenden Tal fahrt des Fahrzeuges; [0015] · Verkehrsbedingte Lastpausen und Gangwechsel, beispielsweise durch Stau und/oder Ampelanlagen; [0016] · Betriebspausen bei Erreichen des Zielortes.For example, the following situations can be anticipated by the predictive model: · load breaks and gear changes during or before imminent valley ride of the vehicle; Traffic-related load breaks and gear changes, for example by traffic jams and / or traffic lights; · Stoppages on reaching the destination.

[0017] Um zwischen zwei aufeinanderfolgenden dynamische Energieeintragsschritten zumindest teilweise einen Ausgleich des Energieniveaus zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der dynamische Energieeintragsschritt in definierten Zeitabschnitten wiederholt wird, wobei vorzugsweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden dynamischen Energieeintragungsschritten eine definierte Ruhepause erfolgt, während der der Massenstrom des Arbeitsmediums auf den definierten Normalwert abgesenkt wird. Besonders günstig ist es dabei, wenn zumindest eine Betriebspause oder zumindest eine Lastpause in das Zeitfenster der Ruhepause fällt. Die Ruhepause zwischen zwei aufeinanderfolgenden dynamischen Energieeintragungsschritten beträgt vorzugsweise mindestens 20 Sekunden, besonders vorzugsweise mindestens 30 Sekunden.In order to at least partially allow a balance of the energy level between two successive dynamic energy input steps, it is advantageous if the dynamic energy input step is repeated in defined time periods, preferably between two successive dynamic energy input steps a defined rest period, while the mass flow of the working medium is lowered to the defined normal value. It is particularly advantageous if at least one break or at least a load break falls in the window of rest. The rest period between two consecutive dynamic energy input steps is preferably at least 20 seconds, more preferably at least 30 seconds.

[0018] Es hat sich gezeigt, dass die besten Ergebnisse erzielt werden können, wenn die kurzzeitige Erhöhung des Massenstroms des Arbeitsmediums während eines dynamischen Energieeintragsschrittes in einer Stufen- oder Sprungfunktion durchgeführt wird. Durch die plötzlicheIt has been found that the best results can be achieved if the short-term increase in the mass flow of the working medium is carried out during a dynamic energy input step in a step or jump function. By the sudden

Erhöhung des Massenstromes kann kurzzeitig die Energieausbeute sehr rasch erhöht werden. Die Einschwingzeit der Sprungfunktion für die Erhöhung des Massenstroms des Arbeitsmediums sollte dabei maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 8 Sekunden, besonders vorzugsweise maximal 5 Sekunden betragen. Dies ermöglicht eine rasche Erhöhung des Energieeintrags in das Arbeitsmedium durch schnellen Druckanstieg im Arbeitsmedium.Increasing the mass flow can briefly increase the energy yield very quickly. The settling time of the step function for increasing the mass flow of the working medium should be a maximum of 10 seconds, preferably a maximum of 8 seconds, more preferably a maximum of 5 seconds. This allows a rapid increase in the energy input into the working medium by rapid pressure increase in the working medium.

[0019] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die kurzzeitige Erhöhung des Massenstroms während des dynamischen Energieeintragsschrittes so bemessen wird, dass eine Differenz zwischen der Sättigungstemperatur und der Überhitzungstemperatur des Arbeitsmediums im Bereich des Eintrittes in den Expander mindestens etwa 5° Celsius beträgt. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von sogenannter Blitz-Kondensation im Verdampfer vermindert werden.It when the short-term increase in the mass flow during the dynamic energy input step is so dimensioned that a difference between the saturation temperature and the superheating temperature of the working medium in the region of entry into the expander is at least about 5 ° C is particularly advantageous. As a result, the probability of the occurrence of so-called flash condensation in the evaporator can be reduced.

[0020] Der erzielte Energiegewinn durch die mehrmalige Wiederholung des dynamischen Energieeintragsschrittes ist abhängig von der Anzahl und Dauer der Lastpausen, insbesondere der Häufigkeit und Art der Schaltvorgänge. Die gesamte Energieausbeute setzt sich somit aus der Summe der vor jedem Schaltvorgang, Segelbetrieb oder dergleichen durchgeführten dynamischen Energieeintragsschritte zusammen.The energy gain achieved by the repeated repetition of the dynamic energy input step is dependent on the number and duration of the load breaks, in particular the frequency and type of switching operations. The total energy yield is thus composed of the sum of the dynamic energy input steps carried out before each switching operation, sailing operation or the like.

[0021] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in den Figuren gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen [0022] Fig. 1 schematisch eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens, [0023] Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren an Hand eines Prinzip-Diagramms und [0024] Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention will be explained in more detail below with reference to the non-limiting embodiment shown in the figures. 1 schematically shows an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention, FIG. 2 shows the method according to the invention with reference to a schematic diagram, and [0024] FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention.

[0025] Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 für ein Nutzfahrzeug mit mehreren Zylindern 2, einem Einlasssystem 3 und einem Auslasssystem 4, sowie mit einem Abgaswärmerückgewinnungssystem 5. Das nach dem organischen Rankine Kreislauf arbeitende Abgaswärmerückgewinnungssystem 5 weist einen Verdichter 6, einen Wärmetauscher 7, einen Expander 8 und einen Kondensator 9 auf. Der Expander 8 kann mit einem Generator 10 zur Erzeugung von elektrischer Energie antriebsverbunden sein. Der Wärmetauscher 7 ist mit dem Abgasstrang 4a des Auslasssystems 4 thermisch verbunden und so ausgebildet, dass Abgaswärme an das Arbeitsmedium des Abgaswärmerückgewinnungssystems 5 übertragen werden kann.Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine 1 for a commercial vehicle with a plurality of cylinders 2, an intake system 3 and an exhaust system 4, and with an exhaust heat recovery system 5. The operating according to the organic Rankine cycle exhaust heat recovery system 5 comprises a compressor 6, a heat exchanger. 7 , an expander 8 and a condenser 9. The expander 8 may be drive connected to a generator 10 for generating electrical energy. The heat exchanger 7 is thermally connected to the exhaust line 4a of the exhaust system 4 and designed so that exhaust gas heat can be transferred to the working fluid of the exhaust heat recovery system 5.

[0026] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben des in Fig. 1 dargestellten Abgaswärmerückgewinnungssystems 5 der Brennkraftmaschine 1. Mittels der Pumpe 6 wird das beispielsweise durch Ethanol gebildete Arbeitsmedium verdichtet und im Verdampfer 7 unter Zufuhr der Abwärme des Abgases im Abgasstrang 4a erhitzt. Im Expander 8 wird das Arbeitsmedium unter Arbeitsverrichtung entspannt und in einem Kondensor 9 abgekühlt.The invention relates to a method for operating the illustrated in Fig. 1 exhaust heat recovery system 5 of the internal combustion engine 1. By means of the pump 6, for example, formed by ethanol working fluid is compressed and heated in the evaporator 7 while supplying the waste heat of the exhaust gas in the exhaust line 4a. In the expander 8, the working medium is relaxed under Arbeitsverrichtung and cooled in a condenser 9.

[0027] Dabei wird in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 ein dynamischer Energieeintragsschritt E in das Arbeitsmedium durchgeführt, indem innerhalb eines definierten Zeitfensters Ät der dem Verdampfer 7 zugeführte Massenstrom m des Arbeitsmediums kurzzeitig von einem ersten definierten Normalwert mλ auf einen definierten Spitzenwert mE erhöht und danach - vorzugsweise wieder auf den ersten definierten Normalwert ήιλ oder auf einen zweiten definierten Normalwert m2, welcher in Fig. 2 über dem ersten definierten Normalwert wi liegt - abgesenkt wird. Das kurzzeitige Erhöhen des Massenstroms m kann in einer Stufen- oder Sprungfunktion durchgeführt werden, wie in Fig. 2 angedeutet ist. In Fig. 2 ist der Verlauf der Temperatur T des Austrittsmediums am Austritt 7a des Verdampfers 7, der Massenstrom m und der Druck p des Arbeitsmediums am Austritts 7a des Verdampfers 7 des Abwärmerückgewinnungssystems 5 über der Zeit t dargestellt. Die voll ausgezogenen Linien TV7, mv, Pv7 stellen Vergleichskurven für die Temperatur T, den Massenstrom m und den Druck p bei einem gemäß dem Stand der Technik ohne einen dynamischen Energieeintragsschritt E betriebenen Abwärmerückgewinnungssystem 5 dar, wobei der Massenstrom m von einem ersten definierten Normalwert m·, auf einen zweiten definierten Normalwert m2 erhöht wird. Die strichli iert dargestellten Linien TE7, mE, Pe7 zeigen Verläufe der Temperatur T, des Massenstroms m und des Druckes p am Austritt 7a des Verdampfers 7 bei Durchführung eines dynamischen Energieeintragsschrittes E. Dabei wird der Massenstrom m zum Zeitpunkt ti vom ersten definierten Normalwert m auf einen definierten Spitzenwert mE erhöht und nach Verstreichen einer definierten Zeitdauer At wieder auf den ersten ήιλ oder zweiten Normalwert m2 abgesenkt. Wie aus dem Verlauf des Druckes p des Arbeitsmediums zu entnehmen ist, kommt es als Reaktion auf die abrupte kurzzeitige Anhebung des Massenstroms m auf den Spitzenwert mE zu einem deutlichen Anstieg des Druckes pE7 des Arbeitsmediums nach dem Verdampfer 7 bzw. vor dem Eintritt in den Expander 8 während eines ersten Zeitabschnittes tA. In diesem ersten Zeitabschnitt tA liegt der Druck pE7 bei Durchführung des dynamischen Energieeintragsschrittes E über dem Druck pV7 der Vergleichskurve. Die Druckspitze pE7max stellt sich nach einer Verzögerungszeit AtE7max ein. Der Druckanstieg während des ersten Zeitabschnittes tA kann durch den Expander 5 direkt in zusätzliche Arbeit, beispielsweise zur Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie, umgesetzt werden. Auf den ersten Zeitabschnitt tA folgt ein zweiter Zeitabschnitt tB, während dessen der Druck pE7 kurzfristig den Druck pV7 der Vergleichskurve unterschreiten kann. Während dem zweiten Zeitabschnitt tB wird Energie gebraucht um die Wand des Verdampfers 7 zu erwärmen. Der erste Zeitabschnitt tA beträgt beispielsweise 10 bis 30 Sekunden, der zweite Zeitabschnitt tB beispielsweise 30 bis 60 Sekunden. Der Energieüberschuss im ersten Zeitabschnitt tA entspricht im Wesentlichen dem Energiebedarf des zweiten Zeitabschnittes tß- [0028] Fig. 3 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel an Hand eines Diagrammes, in welchem der Druck pE8 im Bereich des Austrittes 7a aus dem Verdampfer 7 und die Temperatur TE7 des Arbeitsmediums im Bereich des Austrittes 7a aus dem Verdampfer 7, die Temperatur TE8 des Arbeitsmediums im Bereich des Eintrittes 8a in den Expander 8, und der Massenstrom m des Arbeitsmediums des Abwärmerückgewinnungssystems 5 über der Zeit t aufgetragen ist. Deutlich ist zu erkennen, dass der dynamische Energieeintragsschritt E mit einer Zunahme des Druckes pE8 im Bereich des Austrittes 7a aus dem Verdampfer 7 korreliert, wobei sich die Druckspitze pE8max im Beispiel mit einer Verzögerungszeit AtE8max=15 Sekunden nach dem Beginn der Zunahme des Massendurchflusses m einstellt. Der Massenstrom m wird in Form einer Sprungfunktion erhöht. Mit ts ist die Einschwingzeit der Sprungfunktion bezeichnet, welche hier beispielsweise acht Sekunden beträgt.In this case, in at least one operating range of the internal combustion engine 1, a dynamic energy input step E performed in the working medium by within a defined time window et the evaporator 7 supplied mass flow m of the working medium briefly increased from a first defined normal value mλ to a defined peak mE and thereafter - preferably back to the first defined normal value ήιλ or to a second defined normal value m2, which in Fig. 2 is above the first defined normal value wi - is lowered. The brief increase in the mass flow m can be carried out in a step function or step function, as indicated in FIG. 2. FIG. 2 shows the course of the temperature T of the discharge medium at the outlet 7a of the evaporator 7, the mass flow m and the pressure p of the working medium at the outlet 7a of the evaporator 7 of the waste heat recovery system 5 over the time t. The solid lines TV7, mv, Pv7 represent comparison curves for the temperature T, the mass flow m and the pressure p in a waste heat recovery system 5 operated according to the prior art without a dynamic energy input step E, the mass flow m being of a first defined normal value m ·, Is increased to a second defined normal value m2. The dashed lines TE7, mE, Pe7 show curves of the temperature T, the mass flow m and the pressure p at the outlet 7a of the evaporator 7 when carrying out a dynamic energy input step E. In this case, the mass flow m at the time ti of the first defined normal value m increases a defined peak value mE and, after elapse of a defined period of time Δt, is lowered again to the first or second normal value m2. As can be seen from the course of the pressure p of the working medium, there is a significant increase in the pressure pE7 of the working medium after the evaporator 7 or before it enters the expander, in response to the abrupt brief increase of the mass flow m to the peak value mE 8 during a first time period tA. In this first period of time tA, when the dynamic energy input step E is carried out, the pressure pE7 is above the pressure pV7 of the comparison curve. The pressure peak pE7max adjusts itself after a delay time AtE7max. The pressure rise during the first time period tA can be converted by the expander 5 directly into additional work, for example to generate additional electrical energy. The first time interval tA is followed by a second time interval tB, during which the pressure pE7 can briefly fall below the pressure pV7 of the comparison curve. During the second period tB, energy is needed to heat the wall of the evaporator 7. The first time interval tA is for example 10 to 30 seconds, the second time interval tB for example 30 to 60 seconds. The energy surplus in the first time period tA essentially corresponds to the energy requirement of the second time interval t.sub.50. FIG. 3 shows a concrete exemplary embodiment with reference to a diagram in which the pressure pE8 in the region of the exit 7a from the evaporator 7 and the temperature TE7 of the evaporator 7 Working fluid in the region of the outlet 7a from the evaporator 7, the temperature TE8 of the working medium in the region of the inlet 8a in the expander 8, and the mass flow m of the working medium of the waste heat recovery system 5 is plotted over the time t. It can be clearly seen that the dynamic energy input step E correlates with an increase in the pressure pE8 in the region of the outlet 7a from the evaporator 7, wherein the pressure peak pE8max adjusts in the example with a delay time AtE8max = 15 seconds after the beginning of the increase of the mass flow m , The mass flow m is increased in the form of a jump function. With ts the settling time of the jump function is designated, which is here, for example, eight seconds.

[0029] Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der dynamische Energieeintragsschritt E mehrmals hintereinander durchgeführt, wobei im in Fig. 3 gezeigten Beispiel ein erster dynamische Energieeintragsschritt E·, und ein zweiter dynamischer Energieeintragsschritt E2 dargestellt ist. Zwischen den einzelnen Energieeintragungsschritten E1; E2 ist dabei jeweils eine Ruhepause AtP vorgesehen, während der der Massenstrom m des Arbeitsmediums auf den definierten ersten oder zweiten Normalwert w1; m2 abgesenkt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine Betriebspause oder Lastpause der Brennkraftmaschine 1 in das Zeitfenster der Ruhepause AtP fällt. Dadurch wird vermieden, dass die zusätzlich erzeugte Leistung durch den Ausgleich des Energieniveaus egalisiert wird, sodass immer ein Netto-Energieüberschuss übrigbleibt.In the method according to the invention, the dynamic energy input step E is performed several times in succession, wherein in the example shown in Fig. 3, a first dynamic energy input step E ·, and a second dynamic energy input step E2 is shown. Between the individual energy entry steps E1; E2 is provided in each case a rest pause AtP, while the mass flow m of the working medium to the defined first or second normal value w1; m2 is lowered. It is advantageous if a break in operation or load break of the internal combustion engine 1 falls within the time window of the rest AtP. This avoids that the additional generated power is equalized by the compensation of the energy level, so that there is always a net energy surplus left.

[0030] Wird das Gaspedal durch den Fahrer des Fahrzeuges über einem bestimmten Schwellwert aktiviert, wird der Massenstrom m in einer Stufenfunktion erhöht bis sich eine Zunahme bei der durch den Expander 8 erzeugten Leistung einstellt, wobei die zeitliche Verzögerung AtE7max bzw. AtE8max berücksichtigt wird. Diese Maßnahme stellt auch eine wirksame Methode dar, um die Temperatur T des Arbeitsmediums unter einem definierten Grenzwert zu halten (beispielsweise unterhalb von 230° bei Ethanol als Arbeitsmedium).If the accelerator pedal is activated by the driver of the vehicle above a certain threshold, the mass flow m is increased in a step function until an increase in the power generated by the expander 8 occurs, taking into account the time delay AtE7max or AtE8max. This measure is also an effective method to keep the temperature T of the working medium below a defined limit (for example, below 230 ° with ethanol as the working medium).

[0031] Wird das Gaspedal vom Fahrer entlastet, wobei die Brennkraftmaschine 1 außerhalb des Schubbetriebsbereiches betrieben wird, wird der Massenfluss m ebenfalls erhöht, um den Verdampfer 7 zu kühlen. Dies führt zu einer höheren Temperaturdifferenz zwischen der Restwärme einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (wie beispielsweise eines SCR-Katalysators oder einem Dieselpartikelfilter) und der Wand des Verdampfers 7, da ein effektiverer Wärmeübertritt in das Arbeitsmedium erfolgt.If the accelerator pedal is relieved by the driver, wherein the internal combustion engine 1 is operated outside the overrun operating range, the mass flow m is also increased to cool the evaporator 7. This leads to a higher temperature difference between the residual heat of an exhaust aftertreatment device (such as an SCR catalyst or a diesel particulate filter) and the wall of the evaporator 7, as a more effective heat transfer occurs in the working medium.

Claims (9)

Patentansprücheclaims 1. Verfahren zum Betreiben eines nach einem Rankine Prozess, insbesondere einem organischen Rankine Prozess, arbeitenden Abgaswärmerückgewinnungssystems (5), insbesondere für eine Brennkraftmaschine (1), wobei ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe (6) verdichtet wird, in einem Verdampfer (7) dem Arbeitsmedium Abgaswärme zugeführt wird, in einem Expander (8) das Arbeitsmedium unter Arbeitsverrichtung entspannt und in einem Kondensator (9) abgekühlt wird, und wobei in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) ein dynamischer Energieeintragsschritt (E) in das Arbeitsmedium durchgeführt wird, indem innerhalb einer definierten Zeitdauer (At) der dem Verdampfer (7) zugeführte Massenstrom m des Arbeitsmediums kurzzeitig von einem definierten ersten Normalwert (wi) auf einen definierten Spitzenwert (mE) erhöht und danach - vorzugsweise wieder auf einen zweiten definierten Normalwert (m2) - abgesenkt wird, wobei der dynamische Energieeintragsschritt (E) zumindest zweimal, vorzugsweise zumindest dreimal hintereinander durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dynamischer Energieeintragsschritt (E) und/oder die Wiederholung des dynamischen Energieeintragsschrittes (E) unmittelbar vor einer Lastpause und/oder Betriebspause der Brennkraftmaschine (1) und/oder unmittelbar vor einem Gangwechsel durchgeführt wird.1. A method for operating a Rankine process, in particular an organic Rankine process, working exhaust heat recovery system (5), in particular for an internal combustion engine (1), wherein a working fluid is compressed by a pump (6), in an evaporator (7) Working medium exhaust heat is supplied in an expander (8) the working medium under Arbeitsverrichtung relaxed and cooled in a condenser (9), and wherein in at least one operating range of the internal combustion engine (1) a dynamic energy input step (E) is performed in the working medium by Within a defined period of time (At), the mass flow m of the working medium supplied to the evaporator (7) is briefly increased from a defined first normal value (wi) to a defined peak value (mE) and then - preferably lowered again to a second defined normal value (m2) wherein the dynamic energy input step (E) is at least twice, is preferably carried out at least three times in succession, characterized in that at least one dynamic energy input step (E) and / or the repetition of the dynamic energy input step (E) immediately before a load pause and / or pause in operation of the internal combustion engine (1) and / or carried out immediately before a gear change becomes. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines prädiktiven Modells eine Vorhersage für die Wahrscheinlichkeit des Eintretens einer Lastpause oder einer Betriebspause der Brennkraftmaschine (1) und/oder eines Gangwechsels innerhalb eines definierten Prädiktionshorizontes gemacht wird und der dynamische Energieeintragsschritt (E) mehrmals hintereinander durchgeführt wird, wenn die Wahrscheinlichkeit des Eintretens einer Lastpause oder Betriebspause der Brennkraftmaschine (1) innerhalb eines definierten Prädiktionshorizontes zumindest einer definierten Mindestwahrscheinlichkeit entspricht.2. The method according to claim 1, characterized in that by means of a predictive model, a prediction for the probability of the occurrence of a load break or an operating break of the internal combustion engine (1) and / or a gear change within a defined prediction horizon is made and the dynamic energy input step (E) is performed several times in succession, if the probability of the occurrence of a load break or break in operation of the internal combustion engine (1) within a defined prediction horizon corresponds to at least one defined minimum probability. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Energieeintragsschritt (E) in definierten Zeitabschnitten wiederholt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the dynamic energy input step (E) is repeated in defined time periods. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden dynamischen Energieeintragungsschritten (E; E^ E2) eine definierte Ruhepause (AtP) erfolgt, während der der Massenstrom (m) des Arbeitsmediums auf den definierten Normalwert {m, m2) abgesenkt wird, wobei vorzugsweise zumindest eine Betriebspause oder zumindest eine Lastpause in das Zeitfenster der Ruhepause (AtP) fällt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that between two successive dynamic energy input steps (E; E ^ E2) takes a defined rest period (AtP), during which the mass flow (m) of the working medium to the defined normal value {m , m2) is lowered, wherein preferably at least one break in operation or at least one load break falls within the time window of the rest period (AtP). 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhepause (AtP) mindestens 20 Sekunden, vorzugsweise mindestens 30 Sekunden beträgt.5. The method according to claim 4, characterized in that the rest period (AtP) is at least 20 seconds, preferably at least 30 seconds. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kurzzeitige Erhöhung des Massenstroms (m) des Arbeitsmediums während eines dynamischen Energieeintragsschrittes (E) in einer Stufen- oder Sprungfunktion durchgeführt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the short-term increase in the mass flow (m) of the working medium during a dynamic energy input step (E) is carried out in a step or step function. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschwingzeit (ts) der Sprungfunktion für die Erhöhung des Massenstroms (m) des Arbeitsmediums maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 8 Sekunden, besonders vorzugsweise maximal 5 Sekunden beträgt.7. The method according to claim 6, characterized in that the settling time (ts) of the step function for increasing the mass flow (m) of the working medium is a maximum of 10 seconds, preferably a maximum of 8 seconds, more preferably a maximum of 5 seconds. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb zumindest eines Energieeintragsschrittes (E) der Spitzenwert (mE) des Massenstroms (m) zumindest 5%, vorzugsweise zumindest 10% zumindest eines definierten Normalwertes {m, m2) beträgt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that within at least one energy input step (E) of the peak value (mE) of the mass flow (m) at least 5%, preferably at least 10% of at least one defined normal value {m, m2) , 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kurzzeitige Erhöhung des Massenstroms (m) während des dynamischen Energieeintragsschrittes (E) so bemessen wird, dass eine Differenz zwischen der Sättigungstemperatur und der Überhitzungstemperatur des Arbeitsmediums im Bereich des Eintrittes (8a) in den Expander (8) mindestens etwa 5° Celsius beträgt. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the short-term increase in the mass flow (m) during the dynamic energy input step (E) is dimensioned such that a difference between the saturation temperature and the superheating temperature of the working medium in the region of entry ( 8a) in the expander (8) is at least about 5 ° Celsius. For this 3 sheets of drawings
ATA50639/2016A 2016-07-18 2016-07-18 METHOD FOR OPERATING AN EXHAUST WARMER RECOVERY SYSTEM AT518884B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA50639/2016A AT518884B1 (en) 2016-07-18 2016-07-18 METHOD FOR OPERATING AN EXHAUST WARMER RECOVERY SYSTEM

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA50639/2016A AT518884B1 (en) 2016-07-18 2016-07-18 METHOD FOR OPERATING AN EXHAUST WARMER RECOVERY SYSTEM

Publications (2)

Publication Number Publication Date
AT518884A4 AT518884A4 (en) 2018-02-15
AT518884B1 true AT518884B1 (en) 2018-02-15

Family

ID=61166194

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ATA50639/2016A AT518884B1 (en) 2016-07-18 2016-07-18 METHOD FOR OPERATING AN EXHAUST WARMER RECOVERY SYSTEM

Country Status (1)

Country Link
AT (1) AT518884B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012204260A1 (en) * 2012-03-19 2013-09-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Heat engine for use as waste heat utilization system for converting hot vapor of working medium into kinetic energy in passenger car, has function module adjusting change of mass flow produced by pump based on change of flow cross-section

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012204260A1 (en) * 2012-03-19 2013-09-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Heat engine for use as waste heat utilization system for converting hot vapor of working medium into kinetic energy in passenger car, has function module adjusting change of mass flow produced by pump based on change of flow cross-section

Also Published As

Publication number Publication date
AT518884A4 (en) 2018-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2188499B1 (en) Method and device for converting thermal energy of a low temperature heat source into mechanical energy
DE68926220T2 (en) Process and device for generating steam power
EP2686526B1 (en) Method for operating a steam cycle process
DE102009050068A1 (en) Internal combustion engine has cooling circuit and Clausius-Rankine cycle for waste heat recovery, where Clausius-Rankine cycle is connected with cooling circuit in heat transmitting manner by heat exchanger device
EP2693001B1 (en) Method for regulating a heat recovery system in a motor vehicle
EP2669389B1 (en) Method and assembly for recovering data thermal energy in the heat treatment of cold rolled steel strips in a hood type annealing furnace
DE102010042458A1 (en) Method for operating a combined cycle power plant and for the implementation of the method prepared gas and steam turbine plant and corresponding control device
DE102008055545A1 (en) A method and apparatus for powering up a combined cycle power generation system
DE102015016783A1 (en) Device for recovering energy from waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle
AT518884B1 (en) METHOD FOR OPERATING AN EXHAUST WARMER RECOVERY SYSTEM
DE202012103912U1 (en) steam generator
DE102012211578B4 (en) Device and method for using waste heat of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, as well as a turbine for such a device
EP3232023B1 (en) Method and installation for energy conversion of pressure energy to electrical energy
DE102010063701A1 (en) Method and device for using waste heat of a heat engine
DE112010003987B4 (en) Method for operating a spark-ignited internal combustion engine
EP1462901A2 (en) Method and device for the control or regulation of a thermal load variation process in a fluid conveying non-deformable and/or thick wall component of a thermal system.
WO2008142078A2 (en) Method and device for oil circuit management in an internal combustion engine
EP3728800B1 (en) Power plant
DE2758278C2 (en) Method for improving the permissible load change rate of a once-through steam generator and device for carrying out this method
DE102011101665A1 (en) Heat-driven power generating unit for producing power from heat, has electrical intermediate storage unit connected with electric machine, and storage tank receiving portion of liquid phase of process fluid from process chamber
DE102016205267B4 (en) Device for energy recovery in an internal combustion engine with exhaust gas turbocharger as a heat source for a steam engine cycle and method for operating the device
DE102012204257A1 (en) Heat engine for motor car, has control device which switches pressure-reducing step of flow cross-section when pressure exceeds upper limit, and switches pressure increasing step when pressure falls below lower limit of tolerance band
EP2941557B1 (en) Method for operating an internal combustion engine
EP2669480B1 (en) Method for operating a solar energy system
DE102018116983A1 (en) Method and device for operating an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation system

Legal Events

Date Code Title Description
MM01 Lapse because of not paying annual fees

Effective date: 20230718