废热利用装置，特别是机动车辆内燃机的废热利用装置的制作方法

本发明涉及一种废热利用装置，特别是用于机动车辆的内燃机的废热利用装置。

背景技术：

常规废热利用装置优选地分别根据兰金循环过程(rankinecycleprocess)或根据兰金-克劳修斯循环过程(rankine-clausiuscycleprocess)操作，常规废热利用装置通常包括废热利用循环，工作流体在所述废热利用循环中循环。在废热利用循环中，用于驱动工作流体的输送装置、用于蒸发工作流体的蒸发器、用于释放(entspannen)工作流体的膨胀机、以及用于冷凝工作流体的冷凝器在工作流体的流动方向上一个接一个地布置。

在此背景中，de102012020176a1公开一种包括废气系统的内燃机，所述废气系统具有两个废气导管。换热器布置在两个废气导管中的一个中。废气可借助于废气控制装置而分配到两个废气导管。

de102007033611a1涉及一种用于废气热量利用的布置，其包括蒸汽形成装置，其中容纳在废气中的热量可被传递到工作介质以用于进一步使用。所述布置包括：热量储存装置，其可由废气作用；和控制装置，其用于根据表示废气的可用热能的值控制部分废气流动通过热量储存装置和蒸汽形成布置。当与蒸汽形成所需的相比需要更多废气热量时，从内燃机喷射的部分废气流被引导到热量储存装置中。

de102010048918b4公开一种废气系统，其包括用于每个汽缸的两根废气管线。废气系统包括用于调节流动通过两根废气管线的废气体积的装置。

de102010055914a1描述一种用于分配车辆中的内燃机的废气流的装置，所述车辆包括废气系统，所述废气系统包括废气管线。废气后处理装置和/或热量回收装置布置在废气系统中。绕过废气后处理装置和/或热回收装置的旁通管线此外布置在废气系统中。

de102010055915a1涉及一种用于分配内燃机的废气流的方法，所述内燃机包括废气系统和下游的或整合的废气后处理装置。废气的至少一部分可被应用到旁通管线，所述旁通管线被布置成绕过废气后处理装置。

de102012204262a1涉及一种热机，其包括工作介质循环。可借助于废气旁通管线绕过的废气换热器设置在工作介质循环中。

本发明的目标是形成一种用于包括废热利用装置的内燃机的操作方法的改进的实施例，其使内燃机的操作效率提高。

这些目标借助于独立专利权利要求的主题解决。优选实施例是从属专利权利要求的主题。

技术实现要素：

因此，本发明的基本构思是一方面根据内燃机的一个或多个操作参数改变被引入废热利用装置的蒸发器中的废气的量，且另一方面任选地打开或关闭存在于废热利用装置中的膨胀机以进行机械做功。废气中包含的热量可以此方式最佳地使用以产生机械能，所述机械能根据需要进而可借助于发电机而被转换成电能或可直接耦合到内燃机的传动系作为驱动力。就本文所介绍的方法而言，本发明所必要的是根据所述操作参数计算当前可由废热利用装置提供的功率或能量，且分别响应于膨胀机或蒸发器的控制而加以考虑。以此方式，废热利用装置的效率与常规操作方法相比得以增大。

根据本发明的方法用于操作包括废热利用装置的内燃机。废热利用装置包括废热利用循环，工作流体在所述废热利用循环中循环且用于蒸发工作流体的蒸发器布置在所述废热利用循环中。膨胀机布置在废热利用循环中且位于蒸发器下游。所述膨胀机可在通过释放工作流体进行机械做功的活动状态与不进行机械做功的非活动状态之间切换。

蒸发器具有用于将废气引导出内燃机的废气管线，在内燃机的操作期间由所述内燃机产生的气体通过所述废气管线以流体分离方式被引导至工作流体。蒸发器中用于从废气吸收热量的工作流体由此与所述废气进行热相互作用。废热利用装置此外包括废气旁通管线，经由该废气旁通管线，废气可与废热利用循环流体分离地穿过蒸发器或绕过蒸发器而被引导出内燃机。

根据本发明的废热利用装置此外包括阀装置，所述阀装置可在蒸发器位置与旁通位置之间调节，在所述蒸发器位置中废气被引导穿过蒸发器且绕过废气旁通管线，在所述旁通位置中废气被引导穿过废气旁通管线且因此绕过蒸发器。阀装置可因此还被调节到中间位置中，在所述中间位置中废气被部分地引导通过废气旁通管线且部分地通过蒸发器。与阀装置和膨胀机配合的控制/调节装置此外被设置成用于控制阀装置和膨胀机，且用于能够以此方式分别在蒸发器位置与旁通位置或在活动与非活动状态之间调节。

根据本发明的方法，控制/调节装置根据内燃机的当前操作状态将阀装置在蒸发器位置与旁通位置之间调节。控制/调节装置此外根据内燃机的至少一个操作参数计算当前可由废热利用装置产生的功率和/或能量。控制/调节装置分别根据此计算的功率或能量使膨胀机在活动状态与非活动状态之间切换。

根据优选实施例，当内燃机被停止时，控制/调节装置将废热利用装置调节成第一状态。在第一状态下，阀装置在旁通位置中且膨胀机在非活动状态下。以此方式确保当内燃机被停止时膨胀机和阀装置在限定状态下。

根据优选的实施例，当内燃机启动时，控制/调节装置将废热利用装置从第一状态调节成第二状态。在第二状态下，控制/调节装置由此将阀装置调节成离开第一状态的旁通位置，而膨胀机保持在非活动状态下。当内燃机启动时，即使膨胀机在此状态下尚未启动且可能因此尚未进行任何机械做功，蒸发器也至少被加热。

特别优选地，控制/调节装置将废热利用装置从第二状态变换成第三状态，在所述第三状态下膨胀机从非活动状态切换成活动状态，其中所述变换或所述切换分别根据所计算的功率或能量而分别进行，当膨胀机被启动时废热利用装置可产生所述功率或能量。

根据另一个优选实施例，当废热利用装置待产生的额定功率增大时，控制/调节装置将阀装置朝向蒸发器位置调节。就此实施例而言，当废热利用装置待产生的额定功率减小时，控制/调节装置将阀朝向旁通位置调节。

根据另一个优选实施例，控制/调节装置将废热利用装置从第二状态变换成第三状态，在所述第三状态下，膨胀机从非活动状态切换成活动状态。由此，分别根据所计算的功率或能量(所述功率或能量是当膨胀机启动时可由废热利用装置在当前产生的)分别进行所述变换或所述切换。

根据另一个优选实施例，控制/调节装置在废热利用装置的第二和第三状态下分别根据所计算的功率或能量将阀装置在蒸发器位置与旁通位置之间调节。

控制/调节装置优选地分别根据所计算的功率或能量使废热利用装置在第二与第三状态之间切换。这意味着控制/调节装置分别根据所计算的功率或能量使膨胀机在活动与非活动状态之间来回切换。

第二状态与第三状态之间的调节优选地借助于控制/调节装置进行，因此膨胀机的切换也取决于废热利用装置的至少一个特征值。

此至少一个特征值可有利地为工作流体的温度，所述温度在蒸发器的输入端和/或输出端处测量。以此方式，可确保膨胀机仅当工作流体的温度和由此的压力已分别达到或超出膨胀机的操作所需的阈值时被启动。

根据另一个优选实施例，当内燃机被用户停止时，控制/调节装置将废热利用装置切换成第一状态。以此方式确保废热利用装置在内燃机停止之后处于明确限定的安全操作状态下。

根据另一优选实施例，当控制/调节装置检测到或曾经检测到废热利用装置的错误状态的存在时，控制/调节装置将废热利用装置从第二状态或第三状态调节成第一状态。以此方式，可排除废热利用装置，特别是膨胀机以及蒸发器基于所述错误状态而被损坏或甚至被破坏。

本发明还涉及一种用于机动车辆的内燃机。所述内燃机包括废热利用装置，所述废热利用装置包括废热利用循环，工作流体在所述废热利用循环中循环且用于蒸发工作流体的蒸发器布置在所述废热利用循环中。膨胀机布置在废热利用循环中且位于蒸发器下游，所述膨胀机可活动状态和非活动状态之间切换，在所述活动状态中所述膨胀机通过释放工作流体而进行机械做功，在所述非活动状态中膨胀机不进行任何机械做功。蒸发器具有用于将废气引导出内燃机的废气管线，在内燃机的操作期间由所述内燃机产生的气体通过所述废气管线以流体分离方式被引导至工作流体。为了从废气吸收热量，蒸发器中的工作流体由此与所述废气进行热相互作用。内燃机的废热利用装置包括废气旁通管线，废气可经由所述废气旁通管线绕过蒸发器而与废热利用循环热分离地被引导离开内燃机。此外，提供一种阀装置，所述阀装置可在蒸发器位置与旁通位置之间调节，在所述蒸发器位置中废气被引导穿过蒸发器且绕过废气旁通管线，优选地被完全引导穿过蒸发器且绕过废气旁通管线，在所述旁通位置中废气被引导穿过废气旁通管线并绕过蒸发器，优选地被完全引导穿过废气旁通管线并绕过蒸发器。内燃机或废气利用装置分别进一步包括控制/调节装置，所述控制/调节装置与阀装置和膨胀机配合且被配置/编程以实施上文介绍的方法。所述方法的上述优点因此也可适用于根据本发明的内燃机。

根据优选实施例，控制/调节装置至少在内燃机的操作期间执行上述方法。

本发明的其它重要特征和优点从从属权利要求中、从图示中且从基于图示的对应图描述中得出。

不言而喻，上文所提及的特征和下文将描述的特征不仅可以分别指定的组合使用，而且可以其它组合使用或单独使用，而不脱离本发明的范围。

本发明的优选示范性实施例在图式中说明，且将在以下描述中更详细地描述，由此相同的参考数字是指相同或类似或功能上相同的组件。

附图说明

示意性地，在每种情况下，

图1示出图示，其说明根据本发明的包括废热利用装置的内燃机的示意性配置，

图2示出图示，其说明根据本发明的方法的操作模式。

具体实施方式

图1说明根据本发明的包括废热利用装置1的内燃机7的实例。内燃机7包括废热利用循环2，工作流体3在所述废热利用循环2中循环。用于驱动工作流体3的输送装置4布置在废热利用循环2中。用于蒸发工作流体3的蒸发器5布置在废热利用循环2中且位于输送装置4下游。蒸发器5体现为废热交换器20，来自内燃机7的引导通过废热利用装置1的废气管线6的废气a可借助于所述废热交换器20而热耦合到工作流体3以用于热传递。

分别在蒸发器5或废气换热器20中，废气管线6与废热利用循环2以流体分离方式延伸，且热耦合到废热利用循环2以用于蒸发工作流体3。这允许从废气a到废热利用循环2的工作介质3的热传递。

废热利用装置1此外包括废气旁通管线8，来自内燃机7的废气a可经由所述废气旁通管线8被引导绕过蒸发器5，从而使得不会发生与工作流体3的热耦合。

膨胀机9布置在废热利用循环2中且位于蒸发器5下游。所述膨胀机可在通过释放工作流体3进行机械做功的活动状态与膨胀机9不进行机械做功的非活动状态之间切换。在实例情形中，废热利用装置1具有发电机14，膨胀机9驱动连接到所述发电机14。从废热利用装置1回收的电能以此方式可供用于各种用途。其可特别是借助于电机(其充当电动马达)耦合到内燃机7的驱动系(图中未示出)中。

用于冷凝工作流体3的冷凝器10布置在废热利用循环2中且位于膨胀机9下游。已经提及的输送装置4在冷凝器10下游跟着该冷凝器，从而使废热利用循环2闭合。

根据图1，废热利用装置1包括阀装置11，所述阀装置11包括可在蒸发器位置与旁通位置之间调节的可调节阀体13，在所述蒸发器位置中废气a被引导通过蒸发器5且不通过废气旁通管线8，在所述旁通位置中废气a被引导穿过废气旁通管线8且因此绕过蒸发器5。不言而喻，阀装置11原则上可被调节到旁通位置与蒸发器位置之间的无限数目的中间位置中，其中废气a的一部分被引导通过废气旁通管线8且废气的互补部分被引导通过蒸发器5。

此外，提供控制/调节装置15，其与阀装置11且与膨胀机9配合。这意味着控制/调节装置15控制阀装置11以在旁通位置与蒸发器位置之间调节，且可控制膨胀机9以用于在活动与非活动状态之间调节。

下文将借助于图2的状态图描述根据本发明的方法。在根据本发明的方法的执行过程中，控制/调节装置15根据内燃机7的一个或多个操作参数将阀装置11在蒸发器位置与旁通位置之间调节。例如，内燃机7的当前速度、当前作用于内燃机7的发动机载荷、用于发动机冷却的冷却系统的状态、以及可再充电电池的充电状态为这些操作参数中的一些，所述可再充电电池可充当用于驱动与内燃机7配合的电机的电能储存装置。

根据所述方法，控制/调节装置15根据这些操作参数计算当前可由废热利用装置1产生的功率和/或能量。控制/调节装置15由此分别根据此计算的功率或能量使膨胀机9在活动状态与非活动状态之间切换。

当内燃机7被停用因而停止时，也就无需废热利用装置1的操作。当内燃机7被停止时，控制/调节装置15因此将废热利用装置调节成第一状态z1，在所述第一状态z1中阀装置11在旁通位置中且膨胀机5在非活动状态下。废热利用装置1的此状态被标识为“安全操作状态”。

如果内燃机7启动时(通常由其中安装了内燃机7作为驱动系统的机动车辆的驾驶员来启动)，控制/调节装置15将废热利用装置1从第一状态z1变换成第二状态z2(参见图2中的箭头p12)。出于此目的，控制/调节装置15调节阀装置11离开旁通位置，而膨胀机5保持在非活动状态下。在极端情况下，阀装置11被直接调节到蒸发器位置中，在所述蒸发器位置中没有废气可流动通过废气旁通管线8。然而，调节到蒸发器位置与旁通位置之间的中间位置中也是可能的。废热利用装置1以此方式供应有来自废气a的热量，所述废气a从内燃机7喷射，且蒸发器被加热。

在废热利用装置1的第二状态z2下，控制/调节装置15根据已经提及的操作参数在旁通位置与蒸发器位置之间调节。当有待由废热利用装置1产生的额定功率增大时控制/调节装置15由此将阀装置11朝向蒸发器位置调节。引入蒸发器的热能以此方式增大。当有待由废热利用装置1产生的额定功率减小时控制/调节装置15相应地将阀装置11朝向旁通位置调节。如果废热利用装置1在第二状态z2下且如果内燃机7被停止，那么废热利用装置1从第二状态z2再次变换回到第一状态z1(参见图1中的箭头p21)。

控制/调节装置15将废热利用装置1从第二状态z2变换成第三状态z3(参见图2中的箭头p23)，在所述第三状态z3下膨胀机9从非活动状态切换成活动状态，且反之亦然(参见箭头32)。从第二状态z2到第三状态z3的以及从第三状态z3到第二状态z2分别的变换或切换特别地分别根据所计算的功率或能量而发生，所述功率或能量当前可由废热利用装置1产生。在废热利用装置1的第三状态z3下，控制/调节装置15与第二状态z2类似地调节阀装置11。

废热利用装置1借助于控制/调节装置15在第二状态z2与第三状态z3之间的切换、因此膨胀机9在活动状态与非活动状态之间的切换也可根据废热利用装置1的一个或多个特征值而发生。所述特征值可例如为在蒸发器5的输入端以及替代地或另外还有蒸发器5的输出端处测量的工作流体3的温度t。

布置在废热利用循环2中的蒸发器5的输出端处的温度传感器12在图1中以示范性方式提出。这种温度传感器12还可设置在废热利用循环2中的蒸发器的输入端处。

如果控制/调节装置15检测到废热利用装置1中错误状态的存在，那么控制/调节装置15还将废热利用装置1从第二或第三状态变换成第一状态(分别参见箭头31或p21)。