DE102015004495A1 - Apparatus for waste heat recovery and method for its operation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Arbeitskreislauf (2) mit einer Pumpe (3) zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einem ersten Verdampfer (4) und einem zweiten Verdampfer (5) zur Verdampfung des Arbeitsmediums und eine Expansionsmaschine (6) zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums. In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Ventil (7) vorgesehen, mittels dessen der erste Verdampfer (4) und der zweite Verdampfer (5) im Betrieb der Vorrichtung (1) zwischen mindestens einer Verschaltung in Serie und einer Parallelverschaltung umschaltbar sind. In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Verdampfer (4) und der zweite Verdampfer (5) einander parallel geschaltet und zwischen dem ersten Verdampfer (4) und der Expansionsmaschine (6) ist ein Rückschlagventil (9) angeordnet, so dass das Arbeitsmedium nur vom ersten Verdampfer (4) in Richtung der Expansionsmaschine (6) strömbar ist.The invention relates to a device (1) and a method for waste heat recovery in a motor vehicle, comprising a working circuit (2) with a pump (3) for compressing a working medium, a first evaporator (4) and a second evaporator (5) for evaporation of the Working medium and an expansion machine (6) for relaxing the vaporized working medium. In one embodiment of the invention, a valve (7) is provided, by means of which the first evaporator (4) and the second evaporator (5) during operation of the device (1) between at least one interconnection in series and a parallel connection can be switched. In a further embodiment, the first evaporator (4) and the second evaporator (5) are connected in parallel and between the first evaporator (4) and the expansion machine (6), a check valve (9) is arranged, so that the working medium only from the first Evaporator (4) in the direction of the expansion machine (6) can be flowed.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.The invention relates to a device for waste heat recovery in a motor vehicle and a method for operating the device.

Auf Dampfkreisprozessen, beispielsweise dem Rankine-Zyklus, basierende Abwärmerückgewinnungssysteme für Kraft- und Nutzfahrzeuge verfügen üblicherweise über vier Hauptkomponenten. Eine Pumpe, welche ein Arbeitsmedium verdichtet, einen Verdampfer, der das Arbeitsmedium verdampft und gegebenenfalls überhitzt, eine Expansionsmaschine, die das Arbeitsmedium expandiert, und einen Kondensator, der das Arbeitsmedium wieder kondensiert, um es erneut der Pumpe zuzuführen. Es ist bekannt, für die Verdampfung des Arbeitsmediums in solchen Abwärmerückgewinnungssystemen nicht nur das Abgas nach dem Turbolader und der Abgasnachbehandlung (Abgasnachbehandlungs-Verdampfer) zu nutzen, sondern in Fahrzeugen mit Abgasrückführung und entsprechender Kühlung den Abgasrückführungs-Kühler durch einen sogenannten Abgasrückführungs-Verdampfer zu ersetzen und so auch Abwärme aus der Abgasrückführung zu nutzen. Der Abgasnachbehandlungs-Verdampfer und der Abgasrückführungs-Verdampfer werden üblicherweise parallel verschaltet, können aber auch seriell angeordnet sein.Steam cycle processes, such as the Rankine cycle, for utility and commercial vehicle waste heat recovery systems typically have four major components. A pump that compresses a working fluid, an evaporator that vaporizes and optionally overheats the working fluid, an expansion machine that expands the working fluid, and a condenser that recombines the working fluid to re-supply it to the pump. It is known to use for the evaporation of the working fluid in such waste heat recovery systems, not only the exhaust after the turbocharger and the exhaust aftertreatment (exhaust aftertreatment evaporator), but in vehicles with exhaust gas recirculation and appropriate cooling to replace the exhaust gas recirculation cooler by a so-called exhaust gas recirculation evaporator and so also to use waste heat from the exhaust gas recirculation. The exhaust aftertreatment evaporator and the exhaust gas recirculation evaporator are usually connected in parallel, but may also be arranged in series.

Aus der DE 10 2011 112 843 A1 ist ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie und Druckluft aus Abgasen, Abwärme/Restwärme und Wärme bekannt, wobei eine Kombination von mehreren Wärmetauschern vorgesehen ist, die sowohl sequentiell als auch parallel geschaltet werden können, um die Restwärme als Prozesswärme, Heizungswärme etc. zusätzlich verwenden zu können.From the DE 10 2011 112 843 A1 a method for obtaining electrical energy and compressed air from exhaust gases, waste heat / residual heat and heat is known, wherein a combination of a plurality of heat exchangers is provided, which can be connected both sequentially and in parallel to additionally use the residual heat as process heat, heating heat, etc. can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug sowie ein verbessertes Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved device for waste heat recovery in a motor vehicle and an improved method for operating the device.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 7 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.The object is achieved by a device having the features of claim 1 or claim 7 and by a method having the features of claim 9.

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

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug umfasst einen Arbeitskreislauf mit einer Pumpe zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einem ersten Verdampfer und einem zweiten Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums und eine Expansionsmaschine zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Ventil vorgesehen, mittels dessen der erste Verdampfer und der zweite Verdampfer im Betrieb der Vorrichtung zwischen mindestens einer Verschaltung in Serie und einer Parallelverschaltung umschaltbar sind.A device according to the invention for waste heat recovery in a motor vehicle comprises a working circuit with a pump for compressing a working medium, a first evaporator and a second evaporator for evaporation of the working medium and an expansion machine for relaxing the evaporated working medium. According to one embodiment of the invention, a valve is provided, by means of which the first evaporator and the second evaporator during operation of the device between at least one circuit in series and a parallel connection can be switched.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren werden bei einem Kaltstart oder in einer Schwachlastphase, in der beispielsweise der zweite Verdampfer heißer ist als der erste Verdampfer, die Verdampfer mittels des Ventils in Serie verschaltet, um so mit im zweiten Verdampfer verdampftem Arbeitsmedium den ersten Verdampfer vorzuwärmen, wobei die Verdampfer in einem Normalbetrieb mittels des Ventils parallel verschaltet werden.In a method according to the invention in a cold start or in a low load phase in which, for example, the second evaporator is hotter than the first evaporator, the evaporator connected in series by means of the valve so as to preheat the first evaporator with working fluid evaporated in the second evaporator, wherein the Evaporators are connected in parallel in a normal operation by means of the valve.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Verdampfer in einem ersten Zweig des Arbeitskreislaufs und der zweite Verdampfer in einem zweiten Zweig des Arbeitskreislaufs angeordnet, die einander parallel geschaltet sind, wobei im ersten Zweig, beispielsweise zwischen dem ersten Verdampfer und der Expansionsmaschine, ein Rückschlagventil angeordnet ist, so dass das Arbeitsmedium nur vom ersten Verdampfer in Richtung der Expansionsmaschine, nicht jedoch umgekehrt strömbar ist. Alternativ kann das Rückschlagventil natürlich auch im zweiten Zweig angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann auch im ersten Zweig und im zweiten Zweig ein solches Rückschlagventil sitzen.In a further embodiment of the invention, the first evaporator in a first branch of the working cycle and the second evaporator in a second branch of the working circuit are arranged, which are connected in parallel, wherein in the first branch, for example between the first evaporator and the expansion machine, a check valve is arranged so that the working fluid only from the first evaporator in the direction of the expansion machine, but not reversed is flowable. Alternatively, the check valve can of course also be arranged in the second branch. In a further embodiment, such a check valve may also be located in the first branch and in the second branch.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine Rückwärtskondensation von einem in den anderen Verdampfer vermieden oder stark abgeschwächt. Weiterhin kann ein Verdampfer mithilfe des anderen Verdampfers schneller aufgewärmt oder vorgewärmt werden, wodurch die Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung schneller einsatzbereit ist.As a result of the configuration according to the invention, a backward condensation from one to the other evaporator is avoided or greatly attenuated. Furthermore, one evaporator can be warmed up or preheated faster with the help of the other evaporator, whereby the device for waste heat recovery is ready for use more quickly.

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

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung mit zwei Verdampfern und einem Ventil, 1 1 is a schematic view of a first embodiment of a waste heat recovery apparatus with two evaporators and a valve;

2 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung, wobei die zwei Verdampfer über das Ventil in Serie verschaltet sind, 2 a schematic view of the device for waste heat recovery, wherein the two evaporators are connected in series via the valve,

3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung, wobei die zwei Verdampfer über das Ventil parallel verschaltet sind, 3 a schematic view of the device for waste heat recovery, wherein the two evaporators are connected in parallel via the valve,

4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung mit zwei Verdampfern, einem Ventil und einem Bypass, 4 1 is a schematic view of a second embodiment of a waste heat recovery apparatus with two evaporators, a valve and a bypass,

5 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung mit zwei Verdampfern und einem Rückschlagventil, 5 a schematic view of a third embodiment of a device for waste heat recovery with two evaporators and a check valve,

6 eine schematische Ansicht eines Ventils zur Massenstromverteilung über zwei Verdampfer bei paralleler Verschaltung der Verdampfer, 6 a schematic view of a valve for mass flow distribution over two evaporators with parallel connection of the evaporator,

7 eine schematische Ansicht des Ventils bei serieller Verschaltung der Verdampfer in einer ersten Reihenfolge, und 7 a schematic view of the valve in serial connection of the evaporator in a first order, and

8 eine schematische Ansicht des Ventils bei serieller Verschaltung der Verdampfer in einer zweiten Reihenfolge. 8th a schematic view of the valve in serial connection of the evaporator in a second order.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bevorzugt weist die Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung einen in den 1–5 nicht dargestellten Kondensator auf, der in Stömungsrichtung nach der Expansionsmaschine 6 und vor der Pumpe 3 angeordnet ist. Das Arbeitsmedium wird in diesem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert, bevor es erneut der Pumpe 3 zugeführt wird.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals. Preferably, the device for waste heat recovery in the 1 - 5 not shown condenser, in the direction of flow after the expansion machine 6 and in front of the pump 3 is arranged. The working fluid is condensed back into the liquid phase in this condenser before it is re-pumped 3 is supplied.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung, die einen Arbeitskreislauf 2 umfasst, wobei Wärme mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise eines Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird. Dabei wird im Arbeitskreislauf 2 ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe 3 zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium in einem ersten Wärmetauscher oder ersten Verdampfer 4 und/oder in einem zweiten Wärmetauscher oder zweiten Verdampfer 5 Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine Expansionsmaschine 6 entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird, welche dann zum Vortrieb eines Fahrzeugs beiträgt oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Optional kann das Arbeitsmedium anschließend in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert werden, bevor es erneut der Pumpe 3 zugeführt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Verdampfer 4 als ein Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem nicht näher dargestellten Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, während der zweite Verdampfer 5 als ein Abgasrückführungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem nicht näher dargestellten Abgasrückführungssystem ausgebildet ist. 1 shows a schematic view of a first embodiment of a device 1 for waste heat recovery, which is a working cycle 2 wherein heat is converted into kinetic energy by means of a thermodynamic cycle, for example a Clausius Rankine Cycle or Organic Rankine Cycle. This is in the work cycle 2 a working medium by a pump 3 initially compressed to a higher pressure. Then the working medium in a first heat exchanger or first evaporator 4 and / or in a second heat exchanger or second evaporator 5 Heat is supplied to vaporize it. Subsequently, this high pressure hot steam is passed through an expansion machine 6 relaxed, wherein kinetic energy is emitted via a shaft, which then contributes to the propulsion of a vehicle or is converted into electrical energy. Optionally, the working medium can then be condensed back into the liquid phase in a condenser before being re-pumped 3 is supplied. In an exemplary embodiment, the first evaporator is 4 formed as an exhaust aftertreatment evaporator for recovering waste heat from an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine, not shown, while the second evaporator 5 is formed as an exhaust gas recirculation evaporator for recovering waste heat from an exhaust gas recirculation system, not shown.

Weiterhin ist ein Ventil 7 mit sechs Anschlüssen 7.1 bis 7.6 vorgesehen, mittels dessen der erste Verdampfer 4 und der zweite Verdampfer 5 in Serie oder parallel geschaltet werden können und mittels dessen eine Umschaltung von Serie auf parallel oder umgekehrt auch während des Betriebes möglich ist.Furthermore, a valve 7 with six connections 7.1 to 7.6 provided by means of which the first evaporator 4 and the second evaporator 5 can be connected in series or in parallel and by means of which a switch from series to parallel or vice versa is also possible during operation.

2 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung, wobei der erste Verdampfer 4 und der zweite Verdampfer 5 über das Ventil 7 in Serie verschaltet sind. In diesem Zustand sind der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.2, der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.5 sowie der Anschluss 7.6 mit dem Anschluss 7.4 des Ventils 7 verbunden. Das Arbeitsmedium strömt somit aus der Pumpe 3 über das Ventil 7 durch den zweiten Verdampfer 5, erneut über das Ventil 7 durch den ersten Verdampfer 4 und abermals über das Ventil 7 durch die Expansionsmaschine 6, bevor es zur Pumpe 3 zurückströmt. Das Ventil 7 kann auch so ausgebildet sein, dass eine serielle Verschaltung der Verdampfer 4, 5 in umgekehrter Reihenfolge möglich ist. In diesem Fall wären beispielsweise der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.6, der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.5 sowie der Anschluss 7.2 mit dem Anschluss 7.4 des Ventils 7 verbunden. Das Arbeitsmedium strömt somit aus der Pumpe 3 über das Ventil 7 durch den zweiten Verdampfer 5, erneut über das Ventil 7 durch den ersten Verdampfer 4 und abermals über das Ventil 7 durch die Expansionsmaschine 6, bevor es zur Pumpe 3 zurückströmt. Ebenso könnte beispielsweise der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.5, der Anschluss 7.6 mit dem Anschluss 7.2 sowie der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.4 des Ventils 7 verbunden sein, so dass beim Umschalten von der seriellen Verschaltung mit einer ersten Reihenfolge der Verdampfer 4, 5 auf eine andere serielle Verschaltung mit einer zweiten Reihenfolge der Verdampfer 4, 5 die Strömungsrichtung in den Verdampfern 4, 5 beibehalten wird. 2 shows a schematic view of the device 1 for waste heat recovery, the first evaporator 4 and the second evaporator 5 over the valve 7 are connected in series. In this state are the connection 7.1 with the connection 7.2 , the connection 7.3 with the connection 7.5 as well as the connection 7.6 with the connection 7.4 of the valve 7 connected. The working medium thus flows out of the pump 3 over the valve 7 through the second evaporator 5 , again over the valve 7 through the first evaporator 4 and again over the valve 7 through the expansion machine 6 before going to the pump 3 flowing back. The valve 7 can also be designed so that a serial connection of the evaporator 4 . 5 in reverse order is possible. In this case, for example, would be the connection 7.1 with the connection 7.6 , the connection 7.3 with the connection 7.5 as well as the connection 7.2 with the connection 7.4 of the valve 7 connected. The working medium thus flows out of the pump 3 over the valve 7 through the second evaporator 5 , again over the valve 7 through the first evaporator 4 and again over the valve 7 through the expansion machine 6 before going to the pump 3 flowing back. Likewise, for example, the connection 7.1 with the connection 7.5 , the connection 7.6 with the connection 7.2 as well as the connection 7.3 with the connection 7.4 of the valve 7 be connected so that when switching from the serial interconnection with a first order of the evaporator 4 . 5 to another serial connection with a second order of the evaporator 4 . 5 the flow direction in the evaporators 4 . 5 is maintained.

3 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung, wobei der erste Verdampfer 4 und der zweite Verdampfer 5 über das Ventil 7 parallel verschaltet sind. In diesem Zustand sind der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.2 und dem Anschluss 7.6 sowie der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.4 und dem Anschluss 7.5 des Ventils 7 verbunden. Das Arbeitsmedium strömt somit aus der Pumpe 3 über das Ventil 7, ein Massenstrom des Arbeitsmediums verteilt sich auf den ersten Verdampfer 4 und den zweiten Verdampfer 5, strömt von dort erneut über das Ventil 7, wo sich die Massenströme aus beiden Verdampfern 4, 5 vereinigen und schließlich durch die Expansionsmaschine 6 fließen, bevor das Arbeitsmedium zur Pumpe 3 zurückströmt. Das Ventil 7 kann ein oder mehrere Drosseln enthalten, um die Massenströme gezielt auf die Verdampfer 4, 5 zu verteilen. 3 shows a schematic view of the device 1 for waste heat recovery, the first evaporator 4 and the second evaporator 5 over the valve 7 are connected in parallel. In this state are the connection 7.1 with the connection 7.2 and the connection 7.6 as well as the connection 7.3 with the connection 7.4 and the connection 7.5 of the valve 7 connected. The working medium thus flows out of the pump 3 over the valve 7 , a mass flow of the working medium is distributed to the first evaporator 4 and the second evaporator 5 , flows from there again over the valve 7 where the mass flows from both evaporators 4 . 5 unite and finally through the expansion machine 6 flow before the working fluid to the pump 3 flowing back. The valve 7 can have one or more throttles included to target the mass flows to the evaporator 4 . 5 to distribute.

Die Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Nutzfahrzeug angeordnet.The device 1 for waste heat recovery is arranged in particular in a motor vehicle, for example in a commercial vehicle.

Bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs sind üblicherweise alle Komponenten, insbesondere auch der erste Verdampfer 4 und der zweite Verdampfer 5 noch kalt. Auch im Betrieb kann es dazu kommen, dass beispielsweise bei längeren Schwachlast-Phasen einer der Verdampfer 4, 5 oder auch beide Verdampfer 4, 5 auskühlen.In a cold start of the motor vehicle are usually all components, especially the first evaporator 4 and the second evaporator 5 still cold. Even during operation, it may happen that, for example, in longer periods of low load one of the evaporator 4 . 5 or both evaporators 4 . 5 cooling down.

Wird das Kraftfahrzeug nach dem Start oder nach einer Schwachlast-Phase in einen Volllastmodus versetzt, beispielsweise bei einer Bergfahrt mit hoher Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs, kann es vorkommen, dass die Verdampfer 4, 5 stark unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Beispielsweise könnte der im Abgasrückführungssystem liegende zweite Verdampfer 5 bereits heiß sein und das Arbeitsmedium im Arbeitskreislauf 2 verdampfen, während der im Abgasnachbehandlungssystem liegende erste Verdampfer 4 noch kalt ist. Tritt eine ungleiche Temperaturverteilung bei den Verdampfern 4, 5 auf, kann es beispielsweise bei Parallelverschaltung dazu kommen, dass das Arbeitsmedium im heißen zweiten Verdampfer 5 verdampft und anschließend nicht durch die Expansionsmaschine 6 läuft, sondern in den kalten ersten Verdampfer 4 kondensiert. Im Extremfall kann dies dazu führen, dass das gesamte Arbeitsmedium in den kalten ersten Verdampfer 4 transportiert wird, dort in flüssiger Form vorliegt, und der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung nicht mehr zur Verfügung steht.If the motor vehicle is put into a full-load mode after starting or after a low-load phase, for example when traveling uphill with a high total mass of the motor vehicle, it may happen that the evaporators 4 . 5 have very different temperatures. For example, could lie in the exhaust gas recirculation system second evaporator 5 be already hot and the working fluid in the work cycle 2 evaporate during the first evaporator located in the exhaust aftertreatment system 4 is still cold. Occurs an uneven temperature distribution in the evaporators 4 . 5 on, it can happen, for example, in parallel connection that the working fluid in the hot second evaporator 5 evaporated and then not through the expansion machine 6 runs, but in the cold first evaporator 4 condensed. In extreme cases, this can lead to the entire working fluid in the cold first evaporator 4 is transported there is in liquid form, and the device 1 is no longer available for waste heat recovery.

Mittels des Ventils 7 kann die in 3 gezeigte parallele Anordnung der Verdampfer 4, 5 vorübergehend in die in 2 gezeigte serielle Anordnung verschaltet werden, um mit dem Dampf, welcher aus dem heißen zweiten Verdampfer 5 kommt, den kalten ersten Verdampfer 4 vorzuwärmen und damit eine Kondensation des Arbeitsmediums in den kalten ersten Verdampfer 4 zu verhindern oder zu reduzieren.By means of the valve 7 can the in 3 shown parallel arrangement of the evaporator 4 . 5 temporarily in the 2 shown series arrangement are connected to the steam, which from the hot second evaporator 5 comes, the cold first evaporator 4 preheat and thus condensation of the working medium in the cold first evaporator 4 to prevent or reduce.

In bestimmten Betriebssituationen kann es vorkommen, dass der erste Verdampfer 4 heißer ist als der zweite Verdampfer 5. In diesem Fall, kann eine Umschaltung zu einer seriellen Verschaltung der Verdampfer 4, 5 in umgekehrter Reihenfolge vorgesehen sein, so dass mit dem Dampf, welcher aus dem heißen ersten Verdampfer 4 kommt, der kalte zweite Verdampfer 5 vorgewärmt und damit eine Kondensation des Arbeitsmediums in den kalten zweiten Verdampfer 5 verhindert oder reduziert wird.In certain operating situations, it may happen that the first evaporator 4 hotter than the second evaporator 5 , In this case, a switch to a serial interconnection of the evaporator 4 . 5 be provided in reverse order so that with the steam coming from the hot first evaporator 4 comes, the cold second evaporator 5 preheated and thus a condensation of the working medium in the cold second evaporator 5 prevented or reduced.

4 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung. Die Vorrichtung 1 entspricht der in den 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung 1, wobei zusätzlich ein Bypass 8 vorgesehen ist, mit dem die Expansionsmaschine 6 überbrückbar ist. Es ist bekannt, einen solchen Bypass 8 mittels eines Bypassventils situationsabhängig zu öffnen oder zu schließen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bypassventil in das Ventil 7 integriert. Hierfür ist ein weiterer Anschluss 7.7 am Ventil vorgesehen. Ebenso kann ein Bypassventil vorgesehen sein, das um die Funktionen des Ventils 7 erweitert ist. 4 shows a schematic view of a second embodiment of the device 1 for waste heat recovery. The device 1 corresponds to the in the 1 to 3 shown device 1 , where additionally a bypass 8th is provided, with which the expansion machine 6 can be bridged. It is known, such a bypass 8th to open or close depending on the situation by means of a bypass valve. In the illustrated embodiment, the bypass valve is in the valve 7 integrated. There is another connection for this 7.7 provided at the valve. Likewise, a bypass valve may be provided, which is about the functions of the valve 7 is extended.

In einer beispielhaften Ausgestaltungsform kann das Ventil 7 so ausgebildet sein, dass in einem Expanderbetrieb die Verdampfer 4, 5 parallel verschaltet sind, wenn der Bypass 8 geschlossen ist. Wenn der Bypass 8 offen ist, das heißt, wenn kein Expanderbetrieb vorliegt, sind die Verdampfer 4, 5 seriell verschaltet.In an exemplary embodiment, the valve 7 be designed so that in an expander operation, the evaporator 4 . 5 are connected in parallel when the bypass 8th closed is. When the bypass 8th is open, that is, when there is no expander operation, the evaporators 4 . 5 connected in series.

5 zeigt eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung, die einen Arbeitskreislauf 2 umfasst, wobei Wärme mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise eines Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird. Dabei wird im Arbeitskreislauf 2 ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe 3 zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium in einem ersten Wärmetauscher oder ersten Verdampfer 4 und/oder in einem zweiten Wärmetauscher oder zweiten Verdampfer 5 Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine Expansionsmaschine 6 entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird, welche dann zum Vortrieb des Fahrzeugs beiträgt oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Optional kann das Arbeitsmedium anschließend in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert werden, bevor es erneut der Pumpe 3 zugeführt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Verdampfer 4 als ein Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem nicht näher dargestellten Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, während der zweite Verdampfer 5 als ein Abgasrückführungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem nicht näher dargestellten Abgasrückführungssystem ausgebildet ist. 5 shows a schematic view of a third embodiment of the device 1 for waste heat recovery, which is a working cycle 2 wherein heat is converted into kinetic energy by means of a thermodynamic cycle, for example a Clausius Rankine Cycle or Organic Rankine Cycle. This is in the work cycle 2 a working medium by a pump 3 initially compressed to a higher pressure. Then the working medium in a first heat exchanger or first evaporator 4 and / or in a second heat exchanger or second evaporator 5 Heat is supplied to vaporize it. Subsequently, this high pressure hot steam is passed through an expansion machine 6 relaxed, wherein kinetic energy is emitted via a shaft, which then contributes to the propulsion of the vehicle or is converted into electrical energy. Optionally, the working medium can then be condensed back into the liquid phase in a condenser before being re-pumped 3 is supplied. In an exemplary embodiment, the first evaporator is 4 formed as an exhaust aftertreatment evaporator for recovering waste heat from an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine, not shown, while the second evaporator 5 is formed as an exhaust gas recirculation evaporator for recovering waste heat from an exhaust gas recirculation system, not shown.

Der erste Verdampfer 4 ist in einem ersten Zweig 2.1 des Arbeitskreislaufs 2 und der zweite Verdampfer 5 in einem zweiten Zweig 2.2 des Arbeitskreislaufs 2 angeordnet, die einander parallel geschaltet sind. Weiter ist im ersten Zweig 2.1 zwischen dem ersten Verdampfer 4 und der Expansionsmaschine 6 ein Rückschlagventil 9 vorgesehen, so dass das Arbeitsmedium nur vom ersten Verdampfer 4 in Richtung der Expansionsmaschine 6, nicht jedoch umgekehrt strömen kann. Der heißere zweite Verdampfer 5 wird aufgrund des Angebots an heißem Abgas zuerst durchströmt. Der erste Verdampfer 4 ist noch kalt und wird nicht durchströmt. Die Kondensation des Gases aus dem heißen zweiten Verdampfer 5 in den kalten ersten Verdampfer 4 wird durch das Rückschlagventil 9 verhindert. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist das Rückschlagventil 9 im zweiten Zweig 2.2 angeordnet. In einer weiteren nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist sowohl im ersten Zweig 2.1 als auch im zweiten Zweig 2.2 ein solches Rückschlagventil angeordnet.The first evaporator 4 is in a first branch 2.1 of the working cycle 2 and the second evaporator 5 in a second branch 2.2 of the working cycle 2 arranged, which are connected in parallel. Next is in the first branch 2.1 between the first evaporator 4 and the expansion machine 6 a check valve 9 provided, so that the working medium only from the first evaporator 4 in the direction of the expansion machine 6 , but not vice versa can flow. The hotter second evaporator 5 is flowed through first due to the supply of hot exhaust gas. The first evaporator 4 is still cold and is not flowed through. The condensation of the gas from the hot second evaporator 5 in the cold first evaporator 4 is through the check valve 9 prevented. In an alternative embodiment, not shown, the check valve 9 in the second branch 2.2 arranged. In another alternative embodiment not shown, both in the first branch 2.1 as well as in the second branch 2.2 arranged such a check valve.

6 zeigt eine schematische Ansicht einer möglichen Ausführungsform des in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 verwendeten Ventils 7. Das Ventil 7 umfasst zwei Drosseln 10, 11 sowie vier Dreiwege-Ventile 12, 13, 14, 15. Das Dreiwege-Ventil 12 ist zur flexiblen Verschaltung der Anschlüsse 7.1 und 7.2 mit dem Dreiwege-Ventil 14 angeordnet. Das Dreiwege-Ventil 13 ist zur flexiblen Verschaltung der Anschlüsse 7.3 und 7.4 mit dem Dreiwege-Ventil 15 angeordnet. Das Dreiwege-Ventil 14 ist zur flexiblen Verschaltung der Anschlüsse 7.4 und 7.5 mit dem Dreiwege-Ventil 12 angeordnet. Das Dreiwege-Ventil 15 ist zur flexiblen Verschaltung der Anschlüsse 7.1 und 7.6 mit dem Dreiwege-Ventil 13 angeordnet. Die Drossel 10 ist zur Drosselung des Massenstroms vom Anschluss 7.1 zum Dreiwege-Ventil 12 angeordnet. Die Drossel 11 ist zur Drosselung des Massenstroms vom Anschluss 7.1 zum Dreiwege-Ventil 15 angeordnet. 6 shows a schematic view of a possible embodiment of the in the embodiments of 1 to 3 used valve 7 , The valve 7 includes two throttles 10 . 11 as well as four three-way valves 12 . 13 . 14 . 15 , The three-way valve 12 is for flexible connection of the connections 7.1 and 7.2 with the three-way valve 14 arranged. The three-way valve 13 is for flexible connection of the connections 7.3 and 7.4 with the three-way valve 15 arranged. The three-way valve 14 is for flexible connection of the connections 7.4 and 7.5 with the three-way valve 12 arranged. The three-way valve 15 is for flexible connection of the connections 7.1 and 7.6 with the three-way valve 13 arranged. The throttle 10 is for throttling the mass flow of the connection 7.1 to the three-way valve 12 arranged. The throttle 11 is for throttling the mass flow of the connection 7.1 to the three-way valve 15 arranged.

In 6 sind die Verdampfer 4, 5 mittels des Ventils 7 parallel verschaltet. Das Dreiwege-Ventil 12 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.2 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 13 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.4 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 14 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.4 mit dem Anschluss 7.5 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 15 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.6 mit dem Anschluss 7.1 verbunden ist.In 6 are the evaporators 4 . 5 by means of the valve 7 connected in parallel. The three-way valve 12 is connected so that the connection 7.1 with the connection 7.2 connected is. The three-way valve 13 is connected so that the connection 7.3 with the connection 7.4 connected is. The three-way valve 14 is connected so that the connection 7.4 with the connection 7.5 connected is. The three-way valve 15 is connected so that the connection 7.6 with the connection 7.1 connected is.

7 zeigt eine schematische Ansicht des Ventils 7 bei serieller Verschaltung der Verdampfer 4, 5 in einer ersten Reihenfolge, wobei zuerst der zweite Verdampfer 5 und dann der erste Verdampfer 4 durchströmt wird. Das Dreiwege-Ventil 12 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.2 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 13 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.3 mit dem Dreiwege-Ventil 15 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 14 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.4 mit dem Anschluss 7.5 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 15 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.6 mit dem Dreiwege-Ventil 13 verbunden ist. 7 shows a schematic view of the valve 7 with serial connection of the evaporator 4 . 5 in a first order, with first the second evaporator 5 and then the first evaporator 4 is flowed through. The three-way valve 12 is connected so that the connection 7.1 with the connection 7.2 connected is. The three-way valve 13 is connected so that the connection 7.3 with the three-way valve 15 connected is. The three-way valve 14 is connected so that the connection 7.4 with the connection 7.5 connected is. The three-way valve 15 is connected so that the connection 7.6 with the three-way valve 13 connected is.

8 zeigt eine schematische Ansicht des Ventils 7 bei serieller Verschaltung der Verdampfer 4, 5, in einer zweiten Reihenfolge, wobei zuerst der erste Verdampfer 4 und dann der zweite Verdampfer 5 durchströmt wird. Das Dreiwege-Ventil 12 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.2 mit dem Dreiwege-Ventil 14 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 13 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.4 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 14 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.5 mit dem Dreiwege-Ventil 12 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 15 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.6 verbunden ist. 8th shows a schematic view of the valve 7 with serial connection of the evaporator 4 . 5 in a second order, taking first the first evaporator 4 and then the second evaporator 5 is flowed through. The three-way valve 12 is connected so that the connection 7.2 with the three-way valve 14 connected is. The three-way valve 13 is connected so that the connection 7.3 with the connection 7.4 connected is. The three-way valve 14 is connected so that the connection 7.5 with the three-way valve 12 connected is. The three-way valve 15 is connected so that the connection 7.1 with the connection 7.6 connected is.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Ventil 7 auch eine Mehrzahl von Vierwege-Ventilen umfassen.In an embodiment not shown, the valve 7 Also include a plurality of four-way valves.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtung zur AbwärmerückgewinnungApparatus for waste heat recovery
22
ArbeitskreislaufWorking circuit
2.12.1
erster Zweigfirst branch
2.22.2
zweiter Zweigsecond branch
33
Pumpepump
44
erster Verdampferfirst evaporator
55
zweiter Verdampfersecond evaporator
66
Expansionsmaschineexpander
77
VentilValve
7.1 bis 7.77.1 to 7.7
Anschlussconnection
88th
Bypassbypass
99
Rückschlagventilcheck valve
10, 1110, 11
Drosselthrottle
12 bis 1512 to 15
Dreiwege-VentilThree-way valve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011112843 A1 [0003] DE 102011112843 A1 [0003]

Claims (10)

Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Arbeitskreislauf (2) mit einer Pumpe (3) zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einem ersten Verdampfer (4) und einem zweiten Verdampfer (5) zur Verdampfung des Arbeitsmediums und einer Expansionsmaschine (6) zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (7) vorgesehen ist, mittels dessen der erste Verdampfer (4) und der zweite Verdampfer (5) im Betrieb der Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung zwischen mindestens einer Verschaltung in Serie und einer Parallelverschaltung umschaltbar sind.Contraption ( 1 ) for waste heat recovery in a motor vehicle, comprising a working cycle ( 2 ) with a pump ( 3 ) for compressing a working medium, a first evaporator ( 4 ) and a second evaporator ( 5 ) for the evaporation of the working medium and an expansion machine ( 6 ) for relaxing the vaporized working medium, characterized in that a valve ( 7 ) is provided, by means of which the first evaporator ( 4 ) and the second evaporator ( 5 ) during operation of the device ( 1 ) for waste heat recovery between at least one interconnection in series and a parallel connection can be switched. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (7) so ausgebildet ist, dass der erste Verdampfer (4) und der zweite Verdampfer (5) zwischen einer Verschaltung in Serie in einer ersten Reihenfolge der Verdampfer (4, 5) und einer Verschaltung in Serie in einer zweiten Reihenfolge der Verdampfer (4, 5) umschaltbar sind.Contraption ( 1 ) for waste heat recovery according to claim 1, characterized in that the valve ( 7 ) is designed so that the first evaporator ( 4 ) and the second evaporator ( 5 ) between a series connection in a first order of the evaporators ( 4 . 5 ) and a series connection in a second order of the evaporator ( 4 . 5 ) are switchable. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (8) zur Überbrückung der Expansionsmaschine (6) vorgesehen ist, wobei ein Bypassventil zum Schalten des Bypasses (8) in das Ventil (7) integriert ist.Contraption ( 1 ) for waste heat recovery according to one of claims 1 or 2, characterized in that a bypass ( 8th ) for bridging the expansion machine ( 6 ), wherein a bypass valve for switching the bypass ( 8th ) in the valve ( 7 ) is integrated. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (7) so ausgebildet ist, dass die Verdampfer (4, 5) parallel verschaltet sind, wenn der Bypass (8) geschlossen ist und dass die Verdampfer (4, 5) seriell verschaltet sind, wenn der Bypass (8) offen ist.Contraption ( 1 ) for waste heat recovery according to claim 3, characterized in that the valve ( 7 ) is designed so that the evaporator ( 4 . 5 ) are connected in parallel when the bypass ( 8th ) is closed and that the evaporator ( 4 . 5 ) are connected in series when the bypass ( 8th ) is open. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (7) ein oder mehrere Drosseln (10, 11) zur gezielten Verteilung von Massenströmen des Arbeitsmediums bei einer Parallelverschaltung enthält.Contraption ( 1 ) for waste heat recovery according to one of the preceding claims, characterized in that the valve ( 7 ) one or more throttles ( 10 . 11 ) for the targeted distribution of mass flows of the working medium in a parallel connection contains. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (7) eine Mehrzahl von Dreiwege-Ventilen (12, 13, 14, 15) umfasst.Contraption ( 1 ) for waste heat recovery according to one of the preceding claims, characterized in that the valve ( 7 ) a plurality of three-way valves ( 12 . 13 . 14 . 15 ). Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Arbeitskreislauf (2) mit einer Pumpe (3) zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einem ersten Verdampfer (4) und einem zweiten Verdampfer (5) zur Zuführung von Wärme in das Arbeitsmedium, um es zu verdampfen, und eine Expansionsmaschine (6) zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfer (4) in einem ersten Zweig (2.1) des Arbeitskreislaufs (2) und der zweite Verdampfer (5) in einem zweiten Zweig (2.2) des Arbeitskreislaufs (2) angeordnet sind, die einander parallel geschaltet sind, wobei im ersten Zweig (2.1) und/oder im zweiten Zweig (2.2) ein Rückschlagventil (9) angeordnet ist, so dass das Arbeitsmedium nur vom ersten Verdampfer (4) in Richtung der Expansionsmaschine (6) strömbar ist.Contraption ( 1 ) for waste heat recovery in a motor vehicle, comprising a working cycle ( 2 ) with a pump ( 3 ) for compressing a working medium, a first evaporator ( 4 ) and a second evaporator ( 5 ) for supplying heat into the working medium to evaporate it, and an expansion machine ( 6 ) for relaxing the vaporized working medium, characterized in that the first evaporator ( 4 ) in a first branch ( 2.1 ) of the working cycle ( 2 ) and the second evaporator ( 5 ) in a second branch ( 2.2 ) of the working cycle ( 2 ) are arranged, which are connected in parallel, wherein in the first branch ( 2.1 ) and / or in the second branch ( 2.2 ) a check valve ( 9 ) is arranged so that the working medium only from the first evaporator ( 4 ) in the direction of the expansion machine ( 6 ) is flowable. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfer (4) als ein Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist und dass der zweite Verdampfer (5) als ein Abgasrückführungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem Abgasrückführungssystem ausgebildet ist.Contraption ( 1 ) for waste heat recovery according to one of the preceding claims, characterized in that the first evaporator ( 4 ) is formed as an exhaust aftertreatment evaporator for recovering waste heat from an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine and that the second evaporator ( 5 ) is formed as an exhaust gas recirculation evaporator for recovering waste heat from an exhaust gas recirculation system. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart oder in einer Schwachlastphase die Verdampfer (4, 5) mittels des Ventils (7) in Serie verschaltet werden, um so mit im zweiten Verdampfer (5) verdampftem Arbeitsmedium den ersten Verdampfer (4) vorzuwärmen, wobei die Verdampfer (4, 5) in einem Normalbetrieb mittels des Ventils (7) parallel verschaltet werden.Method for operating a device ( 1 ) for waste heat recovery according to one of claims 1 to 6 and 8, characterized in that during a cold start or in a low load phase, the evaporator ( 4 . 5 ) by means of the valve ( 7 ) are connected in series, so as to be in the second evaporator ( 5 ) evaporated working medium the first evaporator ( 4 ), whereby the evaporators ( 4 . 5 ) in a normal operation by means of the valve ( 7 ) are connected in parallel. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebsfall, in dem der erste Verdampfer (4) heißer ist als der zweite Verdampfer (5), die Verdampfer (4, 5) mittels des Ventils (7) seriell in umgekehrter Reihenfolge verschaltet werden, um so mit im ersten Verdampfer (4) verdampftem Arbeitsmedium den zweiten Verdampfer (5) vorzuwärmen.A method according to claim 9, characterized in that in an operating case in which the first evaporator ( 4 ) is hotter than the second evaporator ( 5 ), the evaporators ( 4 . 5 ) by means of the valve ( 7 ) are connected in series in the reverse order so as to be compatible with the first evaporator ( 4 ) evaporated working medium the second evaporator ( 5 ) preheat.
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