DE102014019684A1 - Arrangement for converting thermal energy from heat loss of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Abwärmerückgewinnung aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen die Verbrennungskraftmaschine (2) durchströmenden Kühlkreislauf (3), in dem ein Kühlmedium angetrieben von einer Pumpe (4) zirkuliert, sowie einen Arbeitskreislauf, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, das unter Verwendung von Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine (2) erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf eine Expansionsmaschine zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei in einem Abzweig (8) des Kühlkreislaufs (3) ein Kondensator (9) vorgesehen ist, der auch im Arbeitskreislauf angeordnet ist, wobei in einem Bypass des Kühlkreislaufs mindestens ein schaltbares oder steuerbares oder regelbares Zusatzventil (19, 21, 22) angeordnet ist, mit dem die Zufuhr von Kühlmedium zum Kondensator (9) und/oder die Abfuhr von Kühlmedium vom Kondensator (9) derart angepasst werden kann, dass eine Temperatur des Kühlmediums an einem Eingang des Kondensators (9) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs haltbar ist.The invention relates to an arrangement (1) for waste heat recovery from heat loss of an internal combustion engine (2) in a motor vehicle, comprising a cooling circuit (3) through which the internal combustion engine (2) flows, in which a cooling medium driven by a pump (4) circulates, and a working circuit in which circulates a working medium which is heatable and vaporizable using heat loss of the internal combustion engine (2), wherein an expansion machine for recovering mechanical energy from the heat of the working medium is provided in the working circuit, wherein in a branch (8) of the cooling circuit (3 ) a capacitor (9) is provided which is also arranged in the working circuit, wherein in a bypass of the cooling circuit at least one switchable or controllable or controllable additional valve (19, 21, 22) is arranged, with which the supply of cooling medium to the condenser (9 ) and / or the removal of cooling medium from the condenser (9) derar t can be adjusted so that a temperature of the cooling medium at an input of the capacitor (9) is stable within a predetermined range.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for converting thermal energy from waste heat of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved arrangement for the conversion of thermal energy from heat loss of an internal combustion engine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1.The object is achieved by an arrangement for converting thermal energy from heat loss of an internal combustion engine according to claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Abwärmerückgewinnung aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug beinhaltet einen die Verbrennungskraftmaschine durchströmenden Kühlkreislauf, in dem ein Kühlmedium angetrieben von einer Pumpe zirkuliert, sowie einen Arbeitskreislauf, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, das unter Verwendung von Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf eine Expansionsmaschine zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Wärme des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei in einem Abzweig des Kühlkreislaufs ein Kondensator vorgesehen ist, der auch im Arbeitskreislauf angeordnet ist.An inventive arrangement for waste heat recovery from heat loss of an internal combustion engine in a motor vehicle includes a combustion engine flowing through the cooling circuit in which circulates a cooling medium driven by a pump, and a working circuit in which circulates a working fluid that is heated and vaporizable using heat loss of the internal combustion engine , wherein in the working cycle an expansion machine for obtaining mechanical energy from the heat of the working medium is provided, wherein in a branch of the cooling circuit, a capacitor is provided, which is also arranged in the working cycle.
Der Arbeitskreislauf ist typischerweise als ein Dampfkreisprozesses, insbesondere als ein Clausius-Rankine-Kreisprozesses ausgebildet und beinhaltet üblicherweise eine Fördereinheit zur Verdichtung eines zumindest weitgehend flüssigen Arbeitsmediums, einen Wärmetauscher zur Verdampfung des Arbeitsmediums durch einen Wärmeübergang von einem Wärmemedium auf das Arbeitsmedium, eine Expansionsvorrichtung zur Expansion des Arbeitsmediums, wobei der Expansionsvorrichtung eine mechanische Energie entnehmbar ist, und einen Kondensator, also einen Wärmetauscher zur Abkühlung und/oder Kondensation des Arbeitsmediums. Die Fördereinheit, der Wärmetauscher, die Expansionsvorrichtung und der Kondensator sind in einem Kreislauf verschaltet. Erfindungsgemäß ist der Kondensator des Arbeitskreislaufs auch in einer Abzweigung des Kühlkreises angeordnet. Dies ermöglicht es Wärme zwischen dem Arbeitskreislauf und dem Kühlkreislauf auszutauschen. Damit kann das Arbeitsmedium im Kondensator durch Abgabe von Wärme an den Kühlkreis gekühlt oder sogar unterkühlt werden. Ebenso kann in einem Betriebszustand der Anordnung aber auch das Kühlmedium im Kühlkreis und damit ggf. die Brennkraftmaschine erwärmt werden. Ebenso kann in einem Betriebszustand der Anordnung vorgesehen sein, den Wärmetransfer umgekehrt zu betreiben.The working cycle is typically designed as a steam cycle process, in particular as a Rankine cycle process and usually includes a delivery unit for compressing an at least largely liquid working medium, a heat exchanger for evaporation of the working medium by a heat transfer from a heat medium to the working medium, an expansion device for expansion the working medium, wherein the expansion device is a mechanical energy can be removed, and a condenser, ie a heat exchanger for cooling and / or condensation of the working medium. The delivery unit, the heat exchanger, the expansion device and the condenser are connected in a circuit. According to the invention, the condenser of the working cycle is also arranged in a branch of the cooling circuit. This allows heat to be exchanged between the working cycle and the cooling circuit. Thus, the working medium in the condenser can be cooled or even supercooled by giving off heat to the cooling circuit. Likewise, in an operating state of the arrangement but also the cooling medium in the cooling circuit and thus possibly the internal combustion engine can be heated. Likewise, it may be provided in an operating state of the arrangement to operate the heat transfer in reverse.
Erfindungsgemäß ist in einem Bypass des Kühlkreislaufs mindestens ein schaltbares oder steuerbares oder regelbares Zusatzventil angeordnet, mittels dessen ein Teil des Kühlkreislaufs ganz oder teilweise so überbrückbar ist, dass eine Temperatur des Kühlmediums an einem Eingang des Kondensators innerhalb eines vorbestimmten Bereichs haltbar ist.According to the invention, at least one switchable or controllable or controllable additional valve is arranged in a bypass of the cooling circuit, by means of which a part of the cooling circuit can be completely or partially bridged so that a temperature of the cooling medium can be maintained at an input of the capacitor within a predetermined range.
Insbesondere kann mit dem Zusatzventil die Zufuhr von Kühlmedium zum Kondensator und/oder die Abfuhr von Kühlmedium vom Kondensator derart angepasst werden, dass die Temperatur des Kühlmediums an einem Eingang des Kondensators innerhalb eines vorbestimmten Bereichs haltbar ist.In particular, with the additional valve, the supply of cooling medium to the condenser and / or the removal of cooling medium from the condenser can be adjusted such that the temperature of the cooling medium at an input of the condenser is stable within a predetermined range.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass in jedem Betriebszustand eine möglichst niedrige Eintrittstemperatur am Eingang des Kondensators erreicht wird und gleichzeitig möglichst wenige Schwankungen der Temperatur und des Massenstroms durch den Kondensator vorkommen. Ebenso kann auch erreicht werden, dass in einigen Betriebszuständen der Kondensationsdruck einen bestimmten Mindestdruck nicht unterschreitet, ab dem kein zuverlässiger Betrieb einer Pumpe für das Arbeitsmedium im Dampfkreisprozess mehr möglich ist. Ebenso kann vermieden werden, dass die Verbrennungskraftmaschine mit unzulässig hohen oder tiefen oder schwankenden Temperaturen belastet wird.In this way it can be achieved that in each operating condition the lowest possible inlet temperature is achieved at the inlet of the condenser and at the same time as few fluctuations of the temperature and of the mass flow occur through the condenser. Likewise, it can also be achieved that in some operating states of the condensation pressure does not fall below a certain minimum pressure, from which no reliable operation of a pump for the working fluid in the steam cycle is more possible. Likewise, it can be avoided that the internal combustion engine is loaded with impermissibly high or low or fluctuating temperatures.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Bypass vorgesehen sein, der das Thermostatventil überbrückt und einen Ausgang des Kondensators und/oder des Kühlers mit einem Ausgang des Thermostatventils verbindet.In one embodiment of the invention, a bypass may be provided which bridges the thermostatic valve and an output of the Condenser and / or the radiator connects to an output of the thermostatic valve.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in dem Bypass ein steuer- oder regelbares erstes Zusatzventil angeordnet sein, über das die Abfuhr vom Kühlmittel aus dem Kondensator auch bei geschlossenem Thermostatventil erfolgen kann. Bevorzugt ist der Kondensator und/oder der Kühler dabei mit einem Pumpenzweig des Kühlkreislaufs verbindbar, in dem die Verbrennungskraftmaschine und gegebenenfalls die Pumpe liegen.In one embodiment of the invention, a controllable or controllable first additional valve can be arranged in the bypass, via which the removal of the coolant from the condenser can also take place when the thermostatic valve is closed. Preferably, the condenser and / or the cooler can be connected to a pump branch of the cooling circuit, in which the internal combustion engine and optionally the pump are located.
In einem Ausführungsbeispiel kann in einem Bypass, der den Ausgang der Pumpe mit dem Eingang des Kondensators verbindet, ein zweites Zusatzventil angeordnet sein, mittels dem ein steuer- oder regelbarer Anteil des Kühlmediums von einem Ausgang der Pumpe in den Abzweig vor den Eingang des Kondensators, insbesondere vor den Eingang der Zusatzpumpe, leitbar ist. Das zweite Zusatzventil kann so steuerbar sein, dass es öffnet, wenn bei geringem Wärmeeintrag in den Kühlkreislauf ein Massestrom über den Kühler einen festlegbaren Grenzwert unterschreitet. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das zweite Zusatzventil öffnet, wenn eine Temperatur am Kondensator eine Mindesttemperatur unterschreitet.In one embodiment, in a bypass which connects the output of the pump to the input of the capacitor, a second additional valve may be arranged, by means of which a controllable or controllable portion of the cooling medium from an output of the pump into the branch in front of the input of the capacitor, especially before the entrance of the auxiliary pump, is conductive. The second additional valve may be controllable so that it opens when a mass flow through the cooler falls below a definable limit value at low heat input into the cooling circuit. Alternatively or additionally, it can be provided that the second additional valve opens when a temperature at the condenser drops below a minimum temperature.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein drittes Zusatzventil so angeordnet sein, dass Kühlmedium von einem Abzweig vor einem Eingang des Kondensators in den Eingang des Kühlers leitbar ist.In one embodiment of the invention, a third additional valve may be arranged so that cooling medium can be conducted from a branch in front of an inlet of the condenser into the inlet of the cooler.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In einer Ausführungsform wird der Kondensator
Die Zusatzpumpe
Der Abzweig
Bei Verwendung der Zusatzpumpe
In der in
Die in
Die in
Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn bei geringem Wärmeeintrag in das Kühlsystem der Massestrom über den Kühler
Das gezeigte zweite Zusatzventil
Die in
Auf diese Weise kann der Kühler
Das dritte Zusatzventil
Das gezeigte dritte Zusatzventil
Die in
Die Position des Thermostatventils
Ebenso kann in allen Ausführungsbeispielen alternativ oder zusätzlich eine dem Kondensator
Die Zusatzventile
Die Zusatzpumpe
Die Regelung der Zusatzventile
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Anordnung zur AbwärmerückgewinnungArrangement for waste heat recovery
- 22
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 33
- KühlkreislaufCooling circuit
- 44
- Pumpepump
- 55
- Kühlercooler
- 66
- Thermostatventilthermostatic valve
- 77
- erster Bypassfirst bypass
- 88th
- Abzweigjunction
- 99
- Kondensatorcapacitor
- 1010
- Zusatzpumpeadditional pump
- 1111
- Drosselthrottle
- 1212
- erster Lüfterfirst fan
- 1313
- Kühlerzweigcooler branch
- 1414
- Abschnittsection
- 1919
- erstes Zusatzventilfirst additional valve
- 2020
- Pumpenzweigpump branch
- 2121
- zweites Zusatzventilsecond additional valve
- 2222
- drittes Zusatzventilthird additional valve
- RR
- Strömungsrichtungflow direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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