DE102012223024A1

DE102012223024A1 - Waste heat recovery unit for motor-vehicle drive with internal combustion engine, has motor-driven side and output side cooling circuit that is connected to thermodynamic circuit to assist condensation of working medium

Info

Publication number: DE102012223024A1
Application number: DE201210223024
Authority: DE
Inventors: Johannes GLÜCKLER; Roland Altvater; Bastian Volpert; Bernhard Sich
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-06-18

Abstract

The waste heat recovery unit (2) has a thermodynamic circuit (3) that provides a liquid working fluid in an evaporator (4) and performs evaporation of waste heat in an expansion machine (5) during operation of the internal combustion engine. The motor-driven side and output side cooling circuit (10) is connected to the thermodynamic circuit to assist the condensation of the working medium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungseinheit für einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a waste heat utilization unit for a vehicle drive with an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.

Bei einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs kann die Abwärme bzw. Verlustwärme von wärmeerzeugenden Aggregaten, wie beispielsweise eines Verbrennungsmotors, als eine zusätzliche Leistungsquelle für den Antrieb genutzt werden. Eine diesem Zweck dienende Abwärmenutzungseinheit oder Waste-Heat-Recovery-System kann nach dem physikalischen Prinzip des Clausius-Rankine-Prozesses bzw. des Organic-Rankine-Prozesses betrieben werden. Diese Prozesse beschreiben jeweils einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf, bei dem entweder Wasser oder ein Arbeitsmedium mit einer von der Verdampfungswärme von Wasser abweichenden Verdampfungswärme zyklisch verdampft und kondensiert wird. In a powertrain of a vehicle, the waste heat of waste heat generating units, such as an internal combustion engine, can be used as an additional power source for the drive. A waste heat utilization unit or waste heat recovery system serving this purpose can be operated according to the physical principle of the Rankine cycle or the Organic Rankine process. These processes each describe a closed thermodynamic cycle in which either water or a working medium is cyclically vaporized and condensed with a heat of vaporization deviating from the heat of vaporization of water.

In einen solchem Dampfkreislauf mit einer Expansionsmaschine wird mittels einer Speisepumpe eine Druckerhöhung des noch flüssigen Arbeitsmediums erzeugt und das unter Druck stehende Arbeitsmedium anschließend in einen Verdampfer gefördert, wo es mittels eines Wärmetauschers, der mit einer Wärmequelle in Verbindung steht, durch Wärmezufuhr verdampft wird. Dabei wird das Arbeitsmedium zunächst erhitzt, bis dessen Verdampfungstemperatur erreicht ist. Anschließend verdampft das Arbeitsmedium bei stetig steigendem Dampfanteil. Um einen möglichst trockenen Dampf für die nachfolgende Expansion in einer Expansionsmaschine, beispielsweise einer Turbine, einer Rotationskolbenmaschine oder einer Kolbenmaschine, die einen Kolbenhub in eine Rotationsbewegung umsetzt, zu erhalten, erfolgt durch weitere Wärmezufuhr eine Überhitzung des Dampfes. Der überhitzte Dampf wird danach in der Expansionsmaschine entspannt, wobei mechanische Arbeit verrichtet wird, die zum Antrieb einer Welle genutzt werden kann. Das expandierte Arbeitsmedium wird nachfolgend in einem Kondensator isobar verflüssigt, bevor es über einen Sammelbehälter erneut der Speisepumpe zugeführt wird. Üblicherweise ist der Kondensator mit einem im Fahrzeug vorhandenen Motorkühlsystem thermisch verbunden oder Bestandteil eines solchen Fahrzeugkühlsystems. In such a steam cycle with an expansion machine, a pressure increase of the still liquid working medium is produced by means of a feed pump and the pressurized working medium then conveyed into an evaporator, where it is vaporized by means of a heat exchanger, which communicates with a heat source, by supplying heat. The working medium is first heated until its evaporation temperature is reached. Subsequently, the working medium evaporates with steadily increasing vapor content. In order to obtain as dry a vapor as possible for the subsequent expansion in an expansion machine, for example a turbine, a rotary piston machine or a piston machine, which converts a piston stroke into a rotational movement, the steam is overheated by further supply of heat. The superheated steam is then expanded in the expansion machine, doing mechanical work that can be used to drive a shaft. The expanded working medium is subsequently liquefied isobarically in a condenser before it is fed again via a collecting container to the feed pump. Usually, the condenser is thermally connected to an engine cooling system in the vehicle or is part of such a vehicle cooling system.

Für den Wirkungsgrad des Kreisprozesses und damit den Abwärmenutzungsgrad maßgebend sind die Temperaturen des Dampfes und des Kondensats sowie die Drücke in den einzelnen Prozessphasen. Allerdings befindet sich das Kühlwasser des Motorkühlers im Fahrbetrieb die meiste Zeit auf einem relativ hohen Temperaturniveau. Daher ist der Kondensationsprozess des Arbeitsmediums häufig wenig effizient. Zudem kann, da das Arbeitsmedium der Abwärmenutzungseinheit das Motorkühlsystem zusätzlich thermisch belastet, für die Kühlung des Motorkühlsystems ein verstärkter Lüfterbetrieb erforderlich sein, wodurch sich letztlich der Kraftstoffverbrauch erhöht. For the efficiency of the cycle and thus the waste heat efficiency are decisive, the temperatures of the steam and the condensate and the pressures in the individual process phases. However, the cooling water of the engine cooler during driving most of the time is at a relatively high temperature level. Therefore, the condensation process of the working medium is often less efficient. In addition, since the working medium of the waste heat utilization unit additionally thermally loads the engine cooling system, increased fan operation may be required for cooling the engine cooling system, which ultimately increases fuel consumption.

Aus der DE 100 54 022 A1 ist ein Verfahren zum Umwandeln von Abwärme eines Verbrennungsmotors in kinetische Energie bekannt, bei dem ein Arbeitsmedium zunächst in einem Siedebehälter bei einem niedrigen Druck auf eine Siedetemperatur erwärmt, anschließend Dampf aus dem Siedebehälter einem Druckkessel zugeführt und in diesem auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt wird. Weiterhin wird flüssiges Arbeitsmedium aus dem Siedebehälter in den Druckkessel eingespritzt, wo es schlagartig verdampft, so dass der Druck im Druckkessel stark ansteigt. Der unter hohem Druck stehende heiße Dampf wird einer Expansionsmaschine zugeführt und in dieser in mechanische Energie umgewandelt. Anschließend wird der entspannte Dampf einem Kondensator zugeführt und darin wieder verflüssigt. Der Siedebehälter wird mit dem Kühlwasser eines Kühlsystems des Verbrennungsmotors und der Druckkessel mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors geheizt. Dadurch können sowohl das Kühlwasser als auch der Abgasstrom als Energielieferanten für die Energieumwandlung genutzt werden. From the DE 100 54 022 A1 a method for converting waste heat of an internal combustion engine into kinetic energy is known, in which a working fluid is first heated in a boiling container at a low pressure to a boiling temperature, then steam is supplied from the boiling tank to a pressure vessel and heated in this to a very high temperature. Furthermore, liquid working medium from the boiling container is injected into the pressure vessel, where it evaporates abruptly, so that the pressure in the pressure vessel rises sharply. The high pressure hot steam is fed to an expansion machine and converted into mechanical energy. Subsequently, the expanded steam is fed to a condenser and liquefied therein. The boiling vessel is heated with the cooling water of a cooling system of the internal combustion engine and the pressure vessel with the exhaust gas flow of the internal combustion engine. As a result, both the cooling water and the exhaust gas flow can be used as energy suppliers for the energy conversion.

Die DE 10 2006 036 122 A1 zeigt eine Abwärmenutzungseinheit, bei der ein Verbrennungsmotor von einem ersten herkömmlichen Kühlkreislauf gekühlt ist und zudem ein zweiter Kühlkreislauf vorgesehen ist, der mit dem ersten Kühlkreislauf zusammenwirkt. In dem zweiten Kreislauf wird ein Arbeitsmedium, das aus einer wässrigen Ammoniaklösung besteht, durch eine Pumpe unter Druck gesetzt und nimmt Wärme aus dem ersten Kreislauf auf, wodurch dieser gekühlt wird und in dem zweiten Kreislauf gasförmiges Ammoniak entsteht. Bei der Verdampfung des Ammoniaks wird zusätzlich dessen Verdampfungsenthalpie verbraucht, was die Wärmeaufnahme aus dem ersten Kreislauf noch erhöht. Weiterhin wird dem Arbeitsmedium über eine Abgasrückführungsvorrichtung des Verbrennungsmotors Wärme zugeführt, wodurch weiteres Ammoniak ausdampft. Das flüssige Wasser wird in einem Phasentrenner abgetrennt und einem Kühler zugeführt. Das Ammoniakgas wird in einer Expansionsmaschine entspannt, wobei es mechanische Arbeit verrichtet und anschließend ebenfalls dem Kühler zugeführt, wo es sich in dem zuvor abgeschiedenen Wasser erneut löst. Im Ergebnis wird durch die Mehrkomponentenlösung des Arbeitsmediums sowie durch den zweiten Kühlkreislauf die Kühlleistung des ersten Kühlkreislaufs bei gleichem Massenstrom verbessert. The DE 10 2006 036 122 A1 shows a waste heat recovery unit, in which an internal combustion engine is cooled by a first conventional cooling circuit and also a second cooling circuit is provided, which cooperates with the first cooling circuit. In the second cycle, a working medium consisting of an aqueous ammonia solution is pressurized by a pump and receives heat from the first circuit, thereby cooling it and generating gaseous ammonia in the second cycle. During the evaporation of the ammonia, its enthalpy of vaporization is additionally consumed, which further increases the heat absorption from the first cycle. Furthermore, heat is supplied to the working medium via an exhaust gas recirculation device of the internal combustion engine, whereby further ammonia evaporates. The liquid water is separated in a phase separator and fed to a cooler. The ammonia gas is expanded in an expansion machine, doing mechanical work and then also fed to the cooler, where it dissolves again in the previously separated water. As a result, the cooling performance of the first cooling circuit at the same mass flow is improved by the multi-component solution of the working medium and by the second cooling circuit.

Aus der DE 10 2009 028 153 A1 ist eine Abwärmenutzungseinheit mit einem Verdampfer und einer Expansionsmaschine bekannt, bei der ein Verbrennungsmotor einen Wasserkühler aufweist, der über eine Verbindungsleitung mit der Abwärmenutzungseinheit zusammenwirkt. In dem Verdampfer wird ein flüssiges Arbeitsmedium zum Betreiben der Expansionsmaschine verdampft, wobei sowohl dem Abgas des Verbrennungsmotors als auch dem Kühlwasser des Fahrzeugkühlers Wärme entzogen und dem Verdampfer zugeführt wird. From the DE 10 2009 028 153 A1 is a waste heat recovery unit with an evaporator and an expansion machine is known in which a Internal combustion engine has a water cooler, which cooperates via a connecting line with the waste heat utilization unit. In the evaporator, a liquid working medium for operating the expander is evaporated, wherein both the exhaust gas of the engine and the cooling water of the vehicle radiator heat extracted and fed to the evaporator.

Die EP 2 177 742 A1 beschreibt einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrgetriebe sowie einer Abwärmenutzungseinheit mit einem Verdampfer und einer Expansionsmaschine. Die Expansionsmaschine ist getriebeausgangsseitig in das Fahrgetriebe integriert. Das Fahrgetriebe weist einen Ölkühler auf, durch den ein Arbeitsmedium der Expansionsmaschine derart hindurch geleitet wird, dass es Wärme an den Getriebeölkühler abgibt, um nach seiner Entspannung in der Expansionsmaschine aus dem gasförmigen Zustand zu verflüssigen oder umgekehrt als Kondensat Wärme für eine nachfolgende Verdampfung im Verdampfer aufnimmt. The EP 2 177 742 A1 describes a powertrain of a vehicle having an internal combustion engine and a driving gear driven by the internal combustion engine and a waste heat utilization unit with an evaporator and an expansion machine. The expansion machine is integrated gearbox output side in the drive gear. The driving gear has an oil cooler, through which a working medium of the expansion machine is passed through such that it delivers heat to the transmission oil cooler to liquefy after its expansion in the expansion machine from the gaseous state or vice versa as condensate heat for subsequent evaporation in the evaporator receives.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abwärmenutzungseinheit für einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor zu schaffen, deren Effizienz im Vergleich zu bekannten Abwärmenutzungseinheiten verbessert ist. Against this background, the invention has the object to provide a waste heat utilization unit for a vehicle drive with an internal combustion engine, whose efficiency is improved compared to known waste heat utilization units.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. The solution of this problem arises from the features of the main claim, while advantageous embodiments and further developments of the invention are the dependent claims can be removed.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich bei einem Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer Abwärmenutzungseinheit eine zusätzliche thermische Belastung des Motorkühlwassers und/oder des Getriebeöls durch die notwendige Kühlung des Arbeitsmediums im thermodynamischen Kreislauf mit einem eigenen Kühlkreislauf der Abwärmenutzungseinheit vermeiden lässt. Dazu können Komponenten am Fahrzeug benutzt werden, die thermisch weniger belastet sind und die geeignet sind, das Arbeitsmittel ausreichend abzukühlen. Dieser Kühlkreislauf kann nicht nur genutzt werden, um dem Arbeitsmedium Wärme zu entziehen und dabei eine möglichst niedrige Temperatur des Kondensats für einen hohen Wirkungsgrad des Kreisprozesses zu erreichen. Ein solcher Kühlkreislauf erlaubt es auch, mit der bei der Kondensation des Arbeitsmediums anfallenden Restwärme solche Komponenten des Fahrzeugs zu erwärmen, bei denen eine zügige und fortlaufende Wärmezufuhr zu einer schnell erreichbaren und dauerhaft anhaltenden Betriebstemperatur führt, die deren Wirkungsgrad und/oder Langlebigkeit verbessert. The invention is based on the finding that in a vehicle drive with an internal combustion engine and a waste heat utilization unit, an additional thermal load of the engine cooling water and / or the transmission oil can be avoided by the necessary cooling of the working medium in the thermodynamic cycle with its own cooling circuit of the waste heat recovery unit. For this purpose, components can be used on the vehicle, which are less thermally stressed and which are suitable to sufficiently cool the working fluid. This cooling circuit can not only be used to extract heat from the working fluid while achieving the lowest possible temperature of the condensate for a high efficiency of the cycle. Such a cooling circuit also makes it possible to heat with the resulting in the condensation of the working fluid residual heat such components of the vehicle, in which a rapid and continuous heat supply leads to a quickly achievable and permanently sustained operating temperature, which improves their efficiency and / or longevity.

Demnach geht die Erfindung aus von einer Abwärmenutzungseinheit für einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor, in der in einem thermodynamischen Kreislauf ein flüssiges Arbeitsmedium in einem Verdampfer durch im Betrieb des Verbrennungsmotors anfallende Abwärme verdampft wird, in einer Expansionsmaschine mechanische Arbeit verrichtet und entspannt wird, und in einem Kondensator wieder verflüssigt wird. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass zur Kondensation oder zur Unterstützung der Kondensation des Arbeitsmediums mindestens ein motorabtriebseitiger und fahrgetriebeabtriebseitiger Kühlkreislauf ausgebildet sowie an den thermodynamischen Kreislauf angeschlossen ist. Accordingly, the invention is based on a waste heat utilization unit for a vehicle drive with an internal combustion engine in which a liquid working fluid is evaporated in a thermodynamic cycle in an evaporator resulting from the operation of the engine waste heat, performed in an expansion machine mechanical work and relaxed, and in a Condenser is re-liquefied. To achieve the object, the invention provides that for the condensation or to support the condensation of the working fluid at least one motor-driven side and fahrgetriebeabtriebseitiger cooling circuit is formed and connected to the thermodynamic cycle.

Die Bezeichnung Kühlkreislauf bezieht sich auf die Abkühlung eines Arbeitsmediums oder Kühlmittels mit Hilfe eines oder mehrerer Wärmetauscher. Der Wärmetauscher kann die aus dem Arbeitsmedium bzw. Kühlmittel aufgenommene Wärme an Komponenten abführen, die dadurch erwärmt werden, so dass der Kühlkreislauf auch als Heizkreislauf wirksam sein kann. The term cooling circuit refers to the cooling of a working medium or coolant by means of one or more heat exchangers. The heat exchanger can remove the heat absorbed from the working medium or coolant to components which are heated thereby, so that the cooling circuit can also be effective as a heating circuit.

Durch diese Anordnung wird erreicht, dass das Arbeitsmedium in einem thermodynamischen Kreislauf einer Abwärmenutzungseinheit effektiv gekühlt und verflüssigt werden kann, ohne ein im Fahrzeug vorhandenes Motorkühlsystem oder ein Fahrgetriebekühlsystem thermisch zu belasten und/oder einen Energie verbrauchenden Lüfter- bzw. Kühlbetrieb zu verursachen. Die Temperatur sowie der Druck im Kondensator kann im Vergleich zur relativ hohen Kühlertemperatur einer Motorkühlung oder einer Fahrgetriebekühlung sogar verringert werden, wodurch sich die resultierende mechanische Leistung der Expansionsmaschine erhöhen und besser stabilisieren lässt. By this arrangement it is achieved that the working fluid can be effectively cooled and liquefied in a thermodynamic cycle of a waste heat recovery unit, without thermally loading an in-vehicle engine cooling system or a transmission cooling system and / or causing an energy-consuming fan or cooling operation. The temperature as well as the pressure in the condenser can even be reduced compared to the relatively high radiator temperature of an engine cooling or a drive cooling, whereby the resulting mechanical performance of the expansion engine can be increased and stabilized better.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf als ein Achsgetriebekühlkreislauf ausgebildet ist, der einen Wärmetauscher aufweist, mittels welchem dem entspannten Arbeitsmedium Wärme entziehbar und von einem Achsgetriebe aufnehmbar ist. In a preferred embodiment of the invention can be provided that the cooling circuit is designed as a Achsgetriebekühlkreislauf having a heat exchanger, by means of which the relaxed working medium heat can be withdrawn and received by an axle drive.

Achsgetriebe, beispielsweise Hinterachsgetriebe von Nutzfahrzeugen, haben in der Regel keine Vorrichtung zur Betriebstemperaturkontrolle und sind nicht aktiv beheizbar. Ein Betrieb des Achsgetriebes mit einer definierten Temperatur ist daher nicht möglich. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen und geringen Lasten kann die Erwärmung eines Hinterachsgetriebes eines Nutzfahrzeugs durch den laufenden Fahrbetrieb jedoch einen relativ langen Zeitraum in Anspruch nehmen. Möglicherweise kann eine optimale Betriebstemperatur des Achsgetriebes durch die permanente Fahrtwindanströmung gar nicht erreicht werden. Der Wirkungsrad des Achsgetriebes kann so aufgrund hoher Schleppmomente bei niedrigen Temperaturen der Getriebeteile und des dort vorhandenen Schmiermittels über einen großen Zeitanteil im Betrieb oder sogar dauerhaft herabgesetzt und der Verschleiß erhöht sein. Achsgetriebe, such as rear axle of commercial vehicles, usually have no device for operating temperature control and are not actively heated. An operation of the axle with a defined temperature is therefore not possible. However, especially at low ambient temperatures and low loads, the heating of a rear axle of a commercial vehicle by the current driving operation can take a relatively long period of time. Possibly an optimal operating temperature of the axle drive can not be reached by the permanent airflow. The effectiveness of the Axle transmission can be so reduced due to high drag torques at low temperatures of the gear parts and the lubricant present there over a large proportion of time during operation or even permanently and the wear increased.

Durch eine Kopplung der Systeme Achsgetriebe und Abwärmenutzungseinheit des Fahrzeugs mittels eines Kühlkreislaufs kann das Achsgetriebe gezielt erwärmt und das Arbeitsmedium effizient gekühlt bzw. kondensiert werden. Der Kühlkreislauf der Abwärmenutzungseinheit wirkt demnach als ein Heizkreislauf für das Achsgetriebe. Das Achsgetriebe erreicht dadurch schnell und zuverlässig eine optimale Betriebstemperatur, wodurch sich dessen Wirkungsgrad verbessert. Damit wird die nicht mehr umwandelbare Restwärme im Kondensator genutzt, um die Effizienz des Antriebsstrangs zu erhöhen, indem das Achsgetriebe diese Wärme aufnimmt und sich dadurch dessen Wirkungsgrad im Betrieb durch geringere schmiermittelbedingte Schleppmomente erhöht. Gleichzeitig lässt sich eine vergleichsweise niedrige Temperatur des Kondensats bei einem relativ geringen Druck im Kondensator erreichen, welches den Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreislaufs der Abwärmenutzungseinheit erhöht. By coupling the systems axle drive and waste heat utilization unit of the vehicle by means of a cooling circuit, the axle drive can be specifically heated and the working fluid can be efficiently cooled or condensed. The cooling circuit of the waste heat recovery unit thus acts as a heating circuit for the axle drive. The axle gear achieved thereby quickly and reliably an optimum operating temperature, which improves its efficiency. Thus, the no longer convertible residual heat in the condenser is used to increase the efficiency of the powertrain by the axle gear absorbs this heat and thereby increases its efficiency during operation by lower lubricant-induced drag torques. At the same time, a comparatively low temperature of the condensate can be achieved at a relatively low pressure in the condenser, which increases the efficiency of the thermodynamic cycle of the waste heat utilization unit.

Der Kühlkreislauf kann als ein separater Kreislauf ausgebildet sein, wobei der Wärmetauscher des Kühlkreislaufs Wärme aus dem Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs der Abwärmenutzungseinheit aufnimmt und an das Achsgetriebe abgibt. In dem separaten Kühlkreislauf kann ein Kühlmittel mit einer geeigneten Wärmekapazität zur Wärmeübertragung eingesetzt werden, das mittels einer Umwälzpumpe in dem Kreislauf umfließt. Mittels einer Steuerung des Volumenstromes des Kühlmittels kann somit die Kondensatortemperatur reguliert werden. The cooling circuit may be formed as a separate circuit, wherein the heat exchanger of the cooling circuit receives heat from the condenser of the thermodynamic cycle of the waste heat utilization unit and outputs to the axle drive. In the separate cooling circuit, a coolant with a suitable heat capacity for heat transfer can be used, which flows around in the circuit by means of a circulation pump. By means of a control of the volume flow of the coolant, the condenser temperature can thus be regulated.

Alternativ dazu kann jedoch vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf in den thermodynamischen Kreislauf der Abwärmenutzungseinheit integriert ist und der Wärmetauscher selbst als Kondensator wirksam ist, wobei mittels des Wärmetauschers dem Arbeitsmedium Wärme entzogen und an das Achsgetriebe abgeführt wird. Dadurch ist ein vereinfachter ungeregelter Kühlkreislauf realisiert. Alternatively, however, it may be provided that the cooling circuit is integrated into the thermodynamic cycle of the waste heat utilization unit and the heat exchanger itself is effective as a condenser, wherein heat is removed from the working medium by means of the heat exchanger and removed to the axle drive. As a result, a simplified unregulated cooling circuit is realized.

Der Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs der Abwärmenutzungseinheit kann demnach durch den Wärmetauscher des Kühlkreislaufs ersetzt werden. Das Arbeitsmedium wird direkt zum Wärmetauscher transportiert, der die Kondensatorfunktion erfüllt. Dadurch kann der Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs entfallen, also ein Wärmetauscher eingespart werden, wodurch die notwenigen Herstellkosten und der notwendige Bauraum reduziert werden. Zudem können eine Umwälzpumpe und deren Antrieb im Kühlkreislauf entfallen, wodurch weitere Kosten- und Bauraumvorteile entstehen. The condenser of the thermodynamic cycle of the waste heat utilization unit can therefore be replaced by the heat exchanger of the cooling circuit. The working fluid is transported directly to the heat exchanger, which fulfills the capacitor function. This eliminates the need for the condenser of the thermodynamic cycle, so a heat exchanger can be saved, whereby the necessary manufacturing costs and the necessary space can be reduced. In addition, a circulation pump and its drive can be omitted in the cooling circuit, resulting in further cost and space advantages.

Zum Erwärmen des Achsgetriebes kann der Wärmetauscher des Kühlkreislaufs die von ihm aufgenommene Wärme an das Öl des Achsgetriebes abgeben. Über die Erwärmung des Achsgetriebeöls wird eine gleichmäßige Erwärmung der mit dem Öl in Kontakt stehenden Getriebeteile erreicht. For heating the axle drive, the heat exchanger of the cooling circuit can deliver the heat absorbed by it to the oil of the axle drive. By heating the axle transmission oil, a uniform heating of the gear parts in contact with the oil is achieved.

Es ist auch möglich, dass der Wärmetauscher des Kühlkreislaufs als ein Formteil ausgebildet ist, welches das Achsgetriebe und die betreffende Fahrzeugachse zumindest teilweise umschließt sowie einen Hohlraum bildet, durch den ein Kühlmittel oder das Arbeitsmedium durchleitbar ist. Vorzugsweise ist dieser Hohlraum zwischen der Innenseite des Formteils und der Außenfläche des Achsgetriebes und der betreffende Fahrzeugachse ausgebildet. It is also possible that the heat exchanger of the cooling circuit is formed as a molded part, which at least partially surrounds the axle gear and the relevant vehicle axle and forms a cavity through which a coolant or the working fluid can be passed. Preferably, this cavity is formed between the inside of the molded part and the outer surface of the transaxle and the relevant vehicle axle.

Ein solches Formteil kann als Option relativ einfach an ein bestehendes Achsgehäuse angepasst und montiert werden. Der derart integrierte Wärmetauscher kann zusätzlich an seiner Oberfläche mit Kühlrippen oder dergleichen versehen sein, um Wärme effektiver an die Umgebung abführen zu können. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, um die Erwärmung des Achsgetriebes zu begrenzen, sofern in einer vorgesehenen Haupteinsatzregion des Fahrzeugs überwiegend hohe Umgebungstemperaturen herrschen. Such a molded part can be adapted as an option relatively easy to an existing axle housing and mounted. The thus integrated heat exchanger may additionally be provided on its surface with cooling fins or the like in order to dissipate heat more effectively to the environment can. This may be useful, for example, to limit the heating of the transaxle, provided predominantly high ambient temperatures prevail in a planned main application region of the vehicle.

Es ist außerdem möglich, einen geeigneten Hohlraum direkt in einem Achsgehäuse auszubilden, so dass das Achsgetriebegehäuse und der Wärmetauscher ein einziges Bauteil bilden. Dadurch kann das Achsgetriebegehäuse im Falle des integrierten thermodynamischen Kreislaufs beim Durchfließen des Arbeitsmediums als Kondensator wirken. It is also possible to form a suitable cavity directly in an axle housing, so that the axle drive housing and the heat exchanger form a single component. As a result, the axle drive housing in the case of the integrated thermodynamic cycle when flowing through the working medium act as a capacitor.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf des Achsgetriebes zu einem vorhandenen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors parallel geschaltet ist, so dass wahlweise der Verbrennungsmotorkühlkreislauf oder der Achsgetriebekühlkreislauf zur Aufnahme von Wärme aus dem Arbeitsmedium schaltbar bzw. nutzbar ist. Furthermore, it can be provided that the cooling circuit of the axle drive is connected in parallel to an existing cooling circuit of the internal combustion engine, so that either the engine cooling circuit or the Achsgetriebekühlkreislauf for receiving heat from the working fluid can be switched or used.

Demnach kann bedarfsweise eine thermische Verbindung zwischen der Abwärmenutzungseinheit und einem Kühlsystem des Verbrennungsmotors hergestellt werden, um den Achsgetriebekühlkreislauf bzw. Achsgetriebeheizkreislauf zu entlasten. Dies kann sinnvoll sein, wenn die Wärmeaufnahmekapazität des Achsgetriebes ausgeschöpft und/oder die Wärmeabgabe an die Umgebung unzureichend ist, oder wenn die Achsgetriebeerwärmung begrenzt werden soll, oder wenn die Temperatur im Verbrennungsmotorkühlkreislauf gezielt erhöht werden soll. Accordingly, if necessary, a thermal connection between the waste heat utilization unit and a cooling system of the internal combustion engine can be made to relieve the Achsgetriebekühlkreislauf or Achsgetriebeheizkreislauf. This can be useful if the heat absorption capacity of the final drive is exhausted and / or the heat dissipation to the environment is insufficient, or if the Achsgetriebeerwärmung should be limited, or if the temperature in the Internal combustion engine cooling circuit should be increased specifically.

Es kann auch ein so genannter Außenkonturbauteil-Kühlkreislauf ausgebildet sein, bei dem ein nicht zum Antriebsstrang gehörendes Bauteil des Fahrzeugs, wie ein Luftleitblech oder ein Unterfahrschutz, als ein Kondensator wirksam ist, mittels welchem dem Arbeitsmedium unmittelbar oder mittelbar durch ein Kühlmittel Wärme entziehbar ist. It may also be formed a so-called outer contour component cooling circuit in which a not belonging to the drive train component of the vehicle, such as an air baffle or underride protection, as a capacitor is effective, by means of which the working fluid directly or indirectly by a coolant heat is withdrawn.

Demnach kann die Funktion der Wärmeabgabe des Arbeitsmediums auch in ein Außenkonturbauteil des Fahrzeugs integriert sein. Nutzfahrzeuge besitzen häufig an einem Führerhaus oder am Unterboden Luftleitbleche oder Unterfahrschutzbleche, die bei der Fahrt vom Fahrtwind überströmt werden und sich daher als zusätzlicher Kondensator eignen, der die Wärme aus dem Kühlmittel bzw. Arbeitsmedium aufnimmt und an die Umgebung abgibt. Accordingly, the function of the heat output of the working medium can also be integrated into an outer contour component of the vehicle. Commercial vehicles often have on a cab or on the underbody air baffles or underrun protection plates, which are overflowed while driving from the wind and are therefore suitable as an additional capacitor, which absorbs the heat from the coolant or working fluid and releases to the environment.

Die genannten Außenkonturbauteile können das Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreislaufs mittels entsprechend angeordnete Leitungen bzw. Kanäle direkt oder indirekt über ein Kühlmittel im Kühlkreislauf herunter kühlen. Hoch angebrachte Luftleitbleche können erhebliche Wärmemengen in für Passanten sicherer Höhe abführen. Zudem ist es möglich, solche Bleche als Sammelbehälter auszubilden, um einen Teil des flüssigen Arbeitsmediums zwischenzuspeichern und bis nahe an die Umgebungstemperatur abzukühlen. Insbesondere kann ein als Sammelbehälter ausgebildeter Unterfahrschutz ein erhebliches Flüssigkeitsvolumen bei einer niedrigen Temperatur des Kondensats speichern. Ein separater Sammelbehälter des thermodynamischen Kreislaufs kann dadurch Kosten und Bauraum einsparend entfallen. Die Kondensatorfunktion der Außenkonturbauteile bzw. Sammelbehälter kann gemäß einer Ausbildung eines Außenkonturkühlkreislaufs vor oder nach dem Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs wirksam sein. The said outer contour components can cool the working medium of the thermodynamic cycle by means of correspondingly arranged lines or channels directly or indirectly via a coolant in the cooling circuit. Highly mounted baffles can dissipate considerable amounts of heat in passers-by for safe height. In addition, it is possible to form such sheets as a collection container to temporarily store a portion of the liquid working medium and to cool to near ambient temperature. In particular, an underrun protection designed as a collecting container can store a considerable volume of liquid at a low temperature of the condensate. A separate collection of the thermodynamic cycle can thereby account for costs and space savings. The condenser function of the outer contour components or collecting container can be effective according to an embodiment of an outer contour cooling circuit before or after the condenser of the thermodynamic cycle.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann ein Einspritzkühlkreislauf ausgebildet sein, bei dem in dem thermodynamischen Kreislauf zwischen einer Ausgangsseite einer Speisepumpe und einer Ausgangsseite der Expansionsmaschine eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, an deren expansionsmaschinenseitigen Ende eine Einspritzdüse angeordnet ist, mittels der flüssiges und unter Druck stehendes Arbeitsmedium in dampfförmiges, entspanntes Arbeitsmedium einspritzbar sowie dem Kondensator zuführbar ist, um die Kühlleistung bedarfsweise zu erhöhen. According to another embodiment of the invention, an injection cooling circuit may be formed, in which in the thermodynamic cycle between an output side of a feed pump and an output side of the expansion machine, a connecting line is provided at the end of the expansion machine an injection nozzle is arranged by means of the liquid and pressurized working fluid can be injected into vaporous, relaxed working medium and fed to the condenser in order to increase the cooling capacity as required.

Diese Sprüheinspritzkondensation kann insbesondere bei einem temporär hohen Leistungsanfall der Abwärmenutzungseinheit zum Einsatz kommen, um den Kondensator thermisch zu entlasten. Dazu kann flüssiges Arbeitsmedium nach der Druckerhöhung durch die Speisepumpe über ein ansteuerbares Ventil abgezweigt und dem Kondensator zugeführt werden. Dies kann bedarfsweise impulsweise oder kontinuierlich über einen wählbaren Zeitraum erfolgen. Das abgezweigte Arbeitsmedium wird durch eine Einspritzdüse strömungstechnisch hinter der Expansionsmaschine dem Niederdruckdampf beigemischt. Bei dem Einspritzvorgang expandiert das Fluid und kühlt dabei ab. Dadurch wird ein Druckabfall am Ausgang der Expansionsmaschine erzeugt, der den Wirkungsgrad der Expansionsmaschine erhöht und die nachfolgende Kondensation des verbliebenen Dampfes im Kondensator erleichtert. Der Kondensator kann gegebenenfalls kleiner dimensioniert sein, wodurch zusätzlich Kosten und Bauraum eingespart werden können. This spray injection condensation can be used in particular in the case of a temporarily high power consumption of the waste heat utilization unit in order to thermally relieve the condenser. For this purpose, liquid working medium can be branched off after the pressure increase by the feed pump via a controllable valve and fed to the condenser. This can be done on a pulse-by-pulse basis or continuously over a selectable period of time. The branched working fluid is fluidly admixed by an injection nozzle behind the expansion machine to the low pressure steam. In the injection process, the fluid expands and cools down. This produces a pressure drop at the exit of the expander which increases the efficiency of the expander and facilitates subsequent condensation of the remaining vapor in the condenser. The capacitor can optionally be dimensioned smaller, which can be additionally cost and space savings.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass in dem Kühlkreislauf ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ist, der einen Radiator und einen Lüfter aufweist. Ein solcher Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher kann durch eine Luftanströmung mittels des Lüfters zusätzlich Wärme an die Umgebung abgeben. Dies kann beispielsweise bei hohen Umgebungstemperaturen oder in einem Arbeitsbetrieb einer Landmaschine bei niedrigen Geschwindigkeiten sinnvoll sein, wenn die Wärmeaufnahme durch Achsgetriebe, Motorkühlsystem, Luftleitbleche oder Unterfahrschutz zur Kondensation des Arbeitsmediums unzureichend ist. Die Radiator-Lüfter-Kombination kann in eine Zuflussleitung zum Achsgetriebewärmetauscher eingebaut sein. Durch eine Steuerung des Betriebs des Lüfters ist eine Regelung der Achsgetriebetemperatur möglich. Der Einbau einer solchen Radiator-Lüfter-Kombination in eine Rückflussleitung hinter dem Achsgetriebewärmetauscher kann sinnvoll sein, um die Temperatur im Kondensator weiter zu senken. Die Radiator-Lüfter-Kombination kann sowohl in einem separaten Kühlkreislauf als auch in einem in den thermodynamischen Kreislauf integrierten Kühlkreislauf angeordnet sein. In addition, it can be provided that in the cooling circuit, an additional heat exchanger is arranged, which has a radiator and a fan. Such an air-liquid heat exchanger can additionally emit heat to the environment by an air flow by means of the fan. This can be useful, for example, at high ambient temperatures or in a working mode of an agricultural machine at low speeds, if the heat absorption by axle, engine cooling system, baffles or underrun protection for condensation of the working medium is insufficient. The radiator-fan combination can be installed in an inflow line to the axle gearbox heat exchanger. By controlling the operation of the fan, it is possible to control the axle gear temperature. The installation of such a radiator-fan combination in a return line behind the axle drive heat exchanger may be useful to further reduce the temperature in the condenser. The radiator-fan combination can be arranged both in a separate cooling circuit and in an integrated in the thermodynamic cycle cooling circuit.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Zuführleitungen zur Zufuhr von Arbeitsmedium oder Kühlmittel zum Wärmetauscher thermisch isoliert sind. Finally, it can be provided that one or more supply lines for supplying working fluid or coolant to the heat exchanger are thermally insulated.

Grundsätzlich können die Leitungen des Kühlkreislaufs, wenn dies die baulichen Gegebenheiten erlauben, unisoliert verbaut sein. Dadurch geben die betreffenden Leitungen zusätzlich Wärme an die Umgebung ab, wodurch die Temperatur im Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs weiter abgesenkt werden kann, um den Wirkungsgrad der Abwärmenutzungseinheit noch weiter zu erhöhen. Möglich ist auch die Anordnung zusätzlicher Kühlrippen an den Leitungen für das Arbeitsmedium, eine gezielte Anströmung über Luftleitbleche oder eine Montage an einem solchen Einbauort, welcher direkt dem Fahrtwind ausgesetzt ist. Die Anordnung von Kühlrippen erscheint vor allem an derjenigen Leitung vorteilhaft, in der das Arbeitsmedium vom Achsgetriebe bzw. vom achsgetriebeseitigen Wärmetauscher zum Kondensator geleitet wird. Durch diese Maßnahmen ist eine weitere Verbesserung der Wärmeabgabe erreichbar. Basically, the lines of the cooling circuit, if allowed by the structural conditions, be installed uninsulated. As a result, the lines in question additionally heat to the environment, whereby the temperature in the condenser of the thermodynamic cycle can be further lowered in order to increase the efficiency of the waste heat recovery unit even further. It is also possible the arrangement of additional cooling fins on the lines for the working fluid, a targeted flow over baffles or mounting on such an installation, which directly to the Wind is exposed. The arrangement of cooling fins appears to be advantageous, above all, on that line in which the working medium is conducted from the axle drive or from the axle-gear-side heat exchanger to the condenser. Through these measures, a further improvement of the heat output can be achieved.

Umgekehrt kann es jedoch auch sinnvoll sein, die Zuführleitungen zur Zufuhr von Arbeitsmittel oder Kühlmittel zum Wärmetauscher thermisch zu isolieren, um möglichst viel Wärme an eine Komponente, beispielsweise an das Achsgetriebe, zu übertragen, um diese schnell nach der Inbetriebnahme auf eine optimale Betriebstemperatur zu bringen. Conversely, it may also be useful to thermally isolate the supply lines for the supply of working fluid or coolant to the heat exchanger in order to transfer as much heat to a component, for example to the axle drive in order to bring them quickly after commissioning to an optimum operating temperature ,

Der beschriebene Achsgetriebekühlkreislauf bzw. Achsgetriebeheizkreislauf kann die Kondensatorfunktion für sich alleine erfüllen und gleichzeitig die Restwärme im Kondensator sinnvoll nutzen. Grundsätzlich kann auch der genannte Außenkonturbauteil-Kreislauf die Kondensatorfunktion für sich alleine erfüllen, wobei die Wärme dann möglichst effektiv an die Umgebung abgegeben wird. Die weiteren Ausführungsformen können als Ergänzungen dazu für bestimmte Fahrzeugeinsatzzwecke und/oder Betriebszustände angesehen werden. Selbstverständlich sind auch sinnvolle Kombinationen der einzelnen Ausführungsformen möglich. The Achsgetriebekühlkreislauf or Achsgetriebeheizkreislauf described can fulfill the capacitor function alone and at the same time make good use of the residual heat in the condenser. In principle, the said outer contour component circuit can also fulfill the capacitor function on its own, the heat then being emitted to the environment as effectively as possible. The further embodiments may be considered as supplements thereto for certain vehicle applications and / or operating conditions. Of course, meaningful combinations of the individual embodiments are possible.

Die Erfindung betrifft auch einen Kraftfahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor, in dem eine wie beschrieben ausgebildete Abwärmenutzungseinheit integriert ist. The invention also relates to a motor vehicle drive with an internal combustion engine, in which a waste heat utilization unit designed as described is integrated.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit mehreren Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser zeigt To further illustrate the invention, the description is accompanied by a drawing with several embodiments. In this shows

1 ein Schema einer Abwärmenutzungseinheit, 1 a schematic of a waste heat recovery unit,

2 die Abwärmenutzungseinheit gemäß 1 mit einem daran angeschlossenen Achsgetriebekühlkreislauf, 2 the waste heat recovery unit according to 1 with a connected axle drive cooling circuit,

3 einen Wärmetauscher für einen Achsgetriebekühlkreislauf, 3 a heat exchanger for an axle transmission cooling circuit,

4 eine Abwärmenutzungseinheit mit einem darin integrierten Achsgetriebekühlkreislauf, 4 a waste heat utilization unit with an integrated axle cooling cooling circuit,

5 den Achsgetriebekühlkreislauf gemäß 2, mit einem zusätzlichen Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher, 5 the axle gear cooling circuit according to 2 , with an additional air-liquid heat exchanger,

6 die Abwärmenutzungseinheit gemäß 1 mit einem daran angeschlossenen Achsgetriebekühlkreislauf und einem daran angeschlossenen Verbrennungsmotorkühlkreislauf, 6 the waste heat recovery unit according to 1 with an axle transmission cooling circuit connected thereto and an internal combustion engine cooling circuit connected thereto,

7 eine Abwärmenutzungseinheit mit einem Einspritzkühlkreislauf, und 7 a waste heat recovery unit with an injection cooling circuit, and

8 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit Luftleitblechen und einem Unterfahrschutz für einen Außenkonturkühlkreislauf. 8th a schematic representation of a vehicle with baffles and an underrun protection for an outer contour cooling circuit.

Demnach umfasst die Abwärmenutzungseinheit 2 gemäß 1 eines Fahrzeugantriebs mit einem Verbrennungsmotor 1 (6) eine Speisepumpe 7, die durch einen Elektromotor 8 angetrieben und durch eine Steuerung 9 regelbar ist, einen als Verdampfer 4 ausgebildeten Wärmetauscher, der durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 beaufschlagbar ist (nicht dargestellt), eine beispielsweise als Dampfturbine ausgebildete Expansionsmaschine 5 und einen als Kondensator 6 ausgebildeten Wärmetauscher, die in einem thermodynamischen Kreislauf 3 angeordnet sind, in dem ein Arbeitsmedium zyklisch verdampft und verflüssigt wird. Accordingly, the waste heat utilization unit comprises 2 according to 1 a vehicle drive with an internal combustion engine 1 ( 6 ) a feed pump 7 by an electric motor 8th powered and by a controller 9 is controllable, one as an evaporator 4 trained heat exchanger, by the waste heat of the internal combustion engine 1 can be acted upon (not shown), designed for example as a steam turbine expansion machine 5 and one as a capacitor 6 trained heat exchangers operating in a thermodynamic cycle 3 are arranged, in which a working medium is cyclically evaporated and liquefied.

Das Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, durchläuft in dem thermodynamischen Kreislauf 3 in geeigneten Leitungen einen Kreisprozess, beispielsweise einen Clausius-Rankine-Kreis-prozess. Dabei wird das zunächst noch flüssige Arbeitsmediums mittels der Speisepumpe 7 unter einer adiabatischen Druckerhöhung in den Verdampfer 4 gefördert, wo es durch Zufuhr von Abwärme, im Wesentlichen aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1, beispielsweise über einen Abgasrückführungskühler und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (nicht dargestellt), verdampft wird. Bei der Verdampfung erhitzt sich das Arbeitsmedium zunächst bis seine Verdampfungstemperatur erreicht ist und verdampft anschließend bei stetig steigendem Dampfanteil. Unter weiterer Wärmezufuhr wird der Dampf überhitzt und dabei getrocknet. Der überhitzte Dampf wird danach in der Expansionsmaschine 5 entspannt und verrichtet dort mechanische Arbeit, die einem Verbraucher oder dem Antriebstrang als zusätzliche Antriebsleistung zuführbar ist. Schließlich wird das expandierte Arbeitsmedium in dem Kondensator 6 verflüssigt, bevor es über einen nicht dargestellten Sammelbehälter erneut der Speisepumpe 7 für den nächsten Umlauf zugeführt wird. The working medium, for example water, passes through the thermodynamic cycle 3 in suitable lines a cycle, for example, a Rankine Rank cycle process. The initially still liquid working medium by means of the feed pump 7 under an adiabatic pressure increase in the evaporator 4 promoted where it is by supply of waste heat, essentially from the exhaust gas flow of the internal combustion engine 1 , For example, via an exhaust gas recirculation cooler and an exhaust aftertreatment device (not shown), is evaporated. During evaporation, the working medium first heats up to its evaporation temperature and then evaporates with a steadily increasing vapor content. With further heat, the steam is overheated and dried. The superheated steam is then in the expansion machine 5 relaxes and performs there mechanical work that can be supplied to a consumer or the drive train as additional drive power. Finally, the expanded working medium in the condenser 6 liquefied before it again via a hopper, not shown, the feed pump 7 is supplied for the next round.

Gemäß 2 erfolgt die Verflüssigung des Arbeitsmediums im Kondensator 6 dadurch, dass es Wärme an einen Achsgetriebekühlkreislauf 10 abgibt. Der Achsgetriebekühlkreislauf 10 weist einen Wärmetauscher 11 auf, der mit einem Achsgetriebe 14 des Fahrzeugs, beispielsweise einem Hinterachsgetriebe, thermisch verbunden ist. In dem Achsgetriebekühlkreislauf 10 wälzt eine Pumpe 13, die durch einen regelbaren Elektromotor 12 angetrieben wird, ein Kühlmittel um. Das Kühlmittel wird durch den Kondensator 6 geführt und nimmt dort aus dem Arbeitsmedium Wärme auf. Das erwärmte Kühlmittel wird über eine Zuflussleitung c dem Wärmetauscher 11 zugeführt. Der Wärmetauscher 11 nimmt Wärme aus dem Kühlmittel auf und gibt diese an das Achsgetriebe 14 ab. Das durch das Achsgetriebe 14 wieder abgekühlte Kühlmittel fließt durch eine Rückflussleitung h zur Pumpe 13 zurück. Durch eine weitere Rückflussleitung f, die im Kondensator 6 endet, wird der als Heizkreislauf des Achsgetriebes 14 wirkende Kühlkreislauf 10 geschlossen. According to 2 the liquefaction of the working medium takes place in the condenser 6 in that it transfers heat to an axle transmission cooling circuit 10 emits. The axle gear cooling circuit 10 has a heat exchanger 11 on top of that, with a final drive 14 of the vehicle, for example a rear axle, is thermally connected. In the axle gear cooling circuit 10 rolls a pump 13 by a controllable electric motor 12 is driven, a coolant. The coolant is passing through the condenser 6 guided and takes there from the working medium heat. The heated coolant is via an inlet line c the heat exchanger 11 fed. The heat exchanger 11 absorbs heat from the coolant and gives it to the axle drive 14 from. That through the axle drive 14 again cooled coolant flows through a return line h to the pump 13 back. By another return line f, which in the condenser 6 ends, is used as the heating circuit of the final drive 14 acting cooling circuit 10 closed.

In einem kontinuierlichen Betrieb der Abwärmenutzungseinheit 2 kann das Achsgetriebe 14 permanent mit einer von der Temperatur und dem Volumenstrom des Arbeitsmediums im Kondensator sowie von Übertragungsverlusten abhängigen Heizleistung beaufschlagt werden. Um die Temperatur im Kondensator 6 zu regulieren, kann die Umwälzpumpe 13 mittels eines in 2 nicht dargestellten Steuergeräts steuerbar und damit auch der Kühlmittelfluss variierbar sein. In a continuous operation of the waste heat recovery unit 2 can the axle drive 14 permanently subjected to a dependent on the temperature and the flow rate of the working medium in the condenser and transmission losses dependent heating power. To the temperature in the condenser 6 can regulate the circulation pump 13 by means of an in 2 not shown control unit controllable and thus the coolant flow can be varied.

Der Wärmetauscher 11 kann wie in 2 angedeutet als ein zu dem Achsgetriebe 14 benachbart angeordneter Wärmetauscher in an sich bekannter Bauart ausgebildet sein, der die aus dem Kühlmittel aufgenommene Wärme an eine Getriebeölfüllung des Achsgetriebes 14 abgibt und damit direkt das Getriebeöl erwärmt. The heat exchanger 11 can be like in 2 indicated as a to the axle drive 14 adjacent arranged heat exchanger may be formed in known per se, which absorbs the heat absorbed from the coolant to a gear oil filling of the transaxle 14 gives off and thus directly heats the transmission oil.

3 zeigt alternativ dazu einen achsintegrierten Wärmetauscher 11’. Dieser ist als ein Formteil ausgebildet, welches das Achsgetriebe 14 vollständig und eine zugehörige Fahrzeugachse 15 zumindest teilweise umschließt. Das Formteil 14 bildet dabei einen das Achsgetriebe 14 sowie die Fahrzeugachse 15 einschließenden Hohlraum 33, durch den das Kühlmittel geleitet wird und dabei Wärme an das Achsgetriebegehäuse 34 sowie die Fahrzeugachse 15 abgibt. 3 alternatively shows an axis-integrated heat exchanger 11 ' , This is designed as a molded part, which is the axle drive 14 complete and an associated vehicle axle 15 at least partially encloses. The molding 14 forms one axle drive 14 as well as the vehicle axle 15 enclosing cavity 33 , through which the coolant is passed while heat to the axle gearbox 34 as well as the vehicle axle 15 emits.

4 zeigt eine Abwärmenutzungseinheit 2’ mit einem thermodynamischen Kreislauf 3’ und einem integrierten Achsgetriebekühlkreislauf 10’. Der Kondensator 6 sowie die Umwälzpumpe 13 und deren Antrieb 12 entfallen bei dieser Ausführungsform. Entsprechend reduziert sich der Kühlkreislauf auf eine Zuflussleitung c und eine Rückflussleitung h sowie den Wärmetauscher 11. Das Arbeitsmedium wird nach dem Austritt aus der Expansionsmaschine 5 als Niederdruckdampf über die Zuflussleitung c direkt zu dem Wärmetauscher 11 transportiert. Der Wärmetauscher 11 übernimmt die Funktion des bisherigen Kondensators 6. Der Rückfluss des Kondensats erfolgt über die Rückflussleitung h in einen nicht dargestellten Sammelbehälter, aus dem es in den thermodynamischen Kreislauf 3’ zurückgeführt wird. 4 shows a waste heat utilization unit 2 ' with a thermodynamic cycle 3 ' and an integrated axle transmission cooling circuit 10 ' , The capacitor 6 as well as the circulation pump 13 and their drive 12 omitted in this embodiment. Accordingly, the cooling circuit is reduced to an inflow line c and a return line h and the heat exchanger 11 , The working medium is discharged from the expansion machine 5 as low-pressure steam via the inlet line c directly to the heat exchanger 11 transported. The heat exchanger 11 takes over the function of the previous capacitor 6 , The reflux of the condensate takes place via the return line h into a collection container, not shown, from which it enters the thermodynamic cycle 3 ' is returned.

5 zeigt einen Achsgetriebekühlkreislauf 10 gemäß 2, bei dem in der Zuflussleitung c ein zusätzlicher Wärmetauscher 16/17, bestehend aus einem Radiator 16 und einem Lüfter 17, angeordnet ist. Dieser Wärmetauscher 16/17 erzeugt mittels des Lüfters 17 eine Luftanströmung des Radiators 16, welcher durch das Kühlmittel durchströmt ist. Dem Kühlmittel wird dadurch vor dem Durchströmen des Achsgetriebewärmetauschers 11 bereits Wärme entzogen, so dass das Achsgetriebe 14 weniger erwärmt wird. Mittels eines hier nicht dargestellten Steuergeräts für die Drehzahl des Lüfters 17 kann die Achsgetriebetemperatur geregelt werden. 5 shows a Achsgetriebekühlkreislauf 10 according to 2 in which in the supply line c, an additional heat exchanger 16 / 17 consisting of a radiator 16 and a fan 17 , is arranged. This heat exchanger 16 / 17 generated by means of the fan 17 an air flow of the radiator 16 , which is flowed through by the coolant. The coolant is thereby before flowing through the axle gear heat exchanger 11 already extracted heat, so that the axle drive 14 less heated. By means of a controller, not shown here for the speed of the fan 17 the axis gearbox temperature can be regulated.

6 zeigt die Abwärmenutzungseinheit 2 gemäß 1 mit einem Achsgetriebekühlkreislauf 10’’, der wahlweise zur Wärmeabgabe an einen Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 umschaltbar ist. Der Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 ist an einen in 6 schematisierten Fahrzeugantrieb angeschlossen. Demnach ist der Verbrennungsmotor 1 über eine Trenn- oder Anfahrkupplung 18 mit einem Fahrgetriebe 19 antriebsverbindbar. Der Fahrzeugantrieb weist zudem eine Retarderbremse 20 auf. Der Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 weist zwei Wärmetauscher 23 und 24 sowie einen Fahrzeugkühler 21 und einen dem Fahrzeugkühler 21 zugehörigen Lüfter 22 auf. 6 shows the waste heat recovery unit 2 according to 1 with a Achsgetriebekühlkreislauf 10 '' , which is optional for heat dissipation to a Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 is switchable. The engine cooling circuit 32 is at an in 6 schematized vehicle drive connected. Accordingly, the internal combustion engine 1 via a separating or starting clutch 18 with a driving gear 19 drivingly. The vehicle drive also has a retarder brake 20 on. The engine cooling circuit 32 has two heat exchangers 23 and 24 as well as a vehicle radiator 21 and a vehicle radiator 21 associated fan 22 on.

Die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 wird in das Kühlwasser des Verbrennungsmotorkühlkreislaufs 32 abgegeben und über eine erste Leitung i in eine zu dem Fahrzeugkühler 21 führende Rückflussleitung b geleitet. Abgekühltes Kühlwasser verlässt den Fahrzeugkühler 21 über eine Zuflussleitung a und gelangt über eine davon abzweigende zweite Leitung j in den Verbrennungsmotor 1. The waste heat of the internal combustion engine 1 gets into the cooling water of the engine cooling circuit 32 delivered and via a first line i in one to the vehicle radiator 21 leading return line b headed. Cooled cooling water leaves the vehicle radiator 21 via an inflow line a and passes via a branching off thereof second line j in the internal combustion engine 1 ,

Die Retarderbremse 20 ist über den ersten Wärmetauscher 23 kühlbar. Über die Rückflussleitung b wird das durch den Verbrennungsmotor 1 und den Retarder 20 erhitzte Kühlwasser dem Fahrzeugkühler 21 zugeführt, der die Wärme nach außen abstrahlt. Die abgestrahlte Wärme wird durch den Fahrtwind und bedarfsweise den Lüfter 22 an die Umgebung abgeführt. The retarder brake 20 is over the first heat exchanger 23 cooled. About the return line b is the by the internal combustion engine 1 and the retarder 20 heated cooling water to the vehicle radiator 21 fed, which radiates the heat to the outside. The radiated heat is through the wind and, if necessary, the fan 22 discharged to the environment.

Über den zweiten Wärmetauscher 24 ist der Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 mit dem Achsgetriebekühlkreislauf 10’’ verbunden oder verbindbar. Der Eingang des zweiten Wärmetauschers 24 ist über eine erste Verbindungsleitung d mit einem Ausgang eines 3/2-Wegeventils 25 verbunden. Eine zweite Verbindungsleitung e verbindet die Rückflussleitung h des Achsgetriebekühlkreislaufs 10’’ mit dem Ausgang dieses Wärmetauschers 24. Das Umschaltventil 25 schaltet wahlweise in einer ersten Schaltstellung die Zuflussleitung c des Achsgetriebekühlkreislaufs 10’’ auf den zweiten Wärmetauscher 24 des Verbrennungsmotorkühlkreislaufs 32, so dass dieser dem Kühlmittel des Achsgetriebekühlkreislaufs 10’’ und damit dem Arbeitsmedium Wärme entzieht und dem Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 zuführt. Die zusätzliche Wärmelast wird über den Kühler 21 und den Lüfter 22 abgeführt. Der Wärmetauscher 11 des Achsgetriebes 14 ist bei dieser Schaltstellung des Umschaltventils 25 strömungstechnisch abgekoppelt, um so ein Wärmemanagement des Achsgetriebes 14 zu ermöglichen. About the second heat exchanger 24 is the engine cooling circuit 32 with the axle gear cooling circuit 10 '' connected or connectable. The entrance of the second heat exchanger 24 is via a first connection line d with an output of a 3/2-way valve 25 connected. A second connection line e connects the return flow line h of the axle drive cooling circuit 10 '' with the output of this heat exchanger 24 , The changeover valve 25 selectively switches the inflow line c of the axle gear cooling circuit in a first switching position 10 '' on the second heat exchanger 24 of the engine cooling circuit 32 so that this the coolant of the axle gear cooling circuit 10 '' and thus deprives the working fluid heat and the engine cooling circuit 32 supplies. The additional heat load is over the cooler 21 and the fan 22 dissipated. The heat exchanger 11 of the axle drive 14 is at this switching position of the switching valve 25 Fluidic decoupled, so a thermal management of the final drive 14 to enable.

Wenn das Umschaltventil 25 in eine zweite Schaltstellung geschaltet ist, geht der Zufluss des Arbeitsmediums über die Zuflussleitung c und weiter über eine Zuflussleitung g zum Wärmetauscher 11 des Achsgetriebes 14. Die Wärmeabgabe erfolgt dann über den Achsgetriebekühlkreislaufs 10’’ wie bei dem Achsgetriebekühlkreislaufs 10 gemäß 2. When the switching valve 25 is switched to a second switching position, the inflow of the working medium via the inlet line c and further via an inflow line g to the heat exchanger 11 of the axle drive 14 , The heat is then released via the axle gear cooling circuit 10 '' as in the Achsgetriebekühlkreiss 10 according to 2 ,

Die 7 zeigt eine Abwärmenutzungseinheit 2’’, bei der im Vergleich zu der Abwärmenutzungseinheit 2 gemäß 1 zusätzlich ein Einspritzkühlkreislauf vorgesehen ist. Dieser umfasst eine Verbindungsleitung 26, die sich zwischen dem Ausgang der Speisepumpe 7 und dem Ausgang der Expansionsmaschine 5 erstreckt, und in der an ihrem expansionsmaschinenseitigen Ende eine Einspritzdüse 28 angeordnet ist. Der Durchlass bzw. der Volumenstrom pro Zeiteinheit durch diese Verbindungsleitung 26 ist mittels eines Ventils 27 steuerbar. The 7 shows a waste heat utilization unit 2 '' , when compared to the waste heat recovery unit 2 according to 1 In addition, an injection cooling circuit is provided. This includes a connection line 26 that is between the output of the feed pump 7 and the exit of the expansion machine 5 extends, and in the at its expansion machine side end of an injection nozzle 28 is arranged. The passage or the volume flow per unit time through this connection line 26 is by means of a valve 27 taxable.

Ein Teil des durch die Speisepumpe 7 unter Druck gesetzten und noch nicht durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 aufgeheizten flüssigen Arbeitsmediums wird demnach vor Erreichen des Verdampfers 4 dem Kondensator 6 bedarfsweise zugeführt. Das Arbeitsmedium kann kontinuierlich oder gepulst über die Einspritzdüse 28 in den Niederdruckdampf ausgangsseitig der Expansionsmaschine 5 in den thermodynamischen Kreislauf 3 eingespritzt werden, um den Dampfdruck zu verringern. Dies wirkt sich als eine zusätzliche Kühlleistung zur Entlastung des Kondensators 6 aus, insbesondere bei einem hohen Leistungsanfall der Abwärmenutzungseinheit 2’’. Part of the through the feed pump 7 put under pressure and not yet by the waste heat of the internal combustion engine 1 heated liquid working medium is therefore before reaching the evaporator 4 the capacitor 6 supplied as needed. The working medium can be continuous or pulsed via the injection nozzle 28 in the low-pressure steam on the output side of the expansion machine 5 in the thermodynamic cycle 3 be injected to reduce the vapor pressure. This acts as an additional cooling capacity to relieve the condenser 6 from, especially at a high power consumption of the waste heat recovery unit 2 '' ,

In 8 ist eine mögliche Wärmeabgabe einer Abwärmenutzungseinheit 2, 2’, 2’’ über eine Außenkontur eines Nutzfahrzeugs angedeutet. Diese wird vom Fahrtwind überströmt und eignet sich daher als Kondensator zur Abgabe der Wärme aus dem Arbeitsmedium oder dem Kühlmittel an die Fahrzeugumgebung. Als Außenkonturbauteile sind, wie 8 zeigt, Luftleitbleche 29, 30 oder Unterfahrschutzbleche 31 oder dergleichen besonders geeignet. Das Arbeitsmedium bzw. Kühlmittel kann vor oder nach der Durchleitung durch den Kondensator 6 über nicht dargestellte Leitungen an den Oberflächen oder in Hohlräume dieser Bleche 29, 30, 31 geführt werden, beispielsweise vor dem Kondensator 6 an einem auf einem Führerhausdach angebrachten Blech 29 oder nach dem Kondensator 6 an dem Unterfahrschutzblech 31. Insbesondere der Unterfahrschutz 31 eignet sich auch zur Ausbildung als Sammelbehälter für das Arbeitsmedium. In 8th is a possible heat output of a waste heat recovery unit 2 . 2 ' . 2 '' indicated over an outer contour of a commercial vehicle. This is overflowed by the wind and is therefore suitable as a condenser for delivering the heat from the working fluid or the coolant to the vehicle environment. As external contour components are how 8th shows, baffles 29 . 30 or underrun protection plates 31 or the like is particularly suitable. The working medium or coolant can before or after the passage through the condenser 6 via lines not shown on the surfaces or in cavities of these sheets 29 . 30 . 31 be performed, for example, in front of the capacitor 6 on a plate mounted on a cab roof 29 or after the condenser 6 on the underrun protection panel 31 , In particular, the underrun protection 31 is also suitable for training as a collection container for the working medium.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Verbrennungsmotor internal combustion engine
2, 2’, 2’’2, 2 ', 2' ': Abwärmenutzungseinheit Waste heat recovery unit
3, 3’3, 3 ': Thermodynamischer Kreislauf, Dampfkreislauf Thermodynamic cycle, steam cycle
44: Verdampfer Evaporator
55: Expansionsmaschine expander
66: Kondensator capacitor
77: Speisepumpe feed pump
88th: Elektromotor, Speisepumpenantrieb Electric motor, feed pump drive
99: Speisepumpensteuerung Feed pump control
10, 10’, 10’’10, 10 ', 10' ': Achsgetriebekühlkreislauf, Kühlkreislauf Axle gear cooling circuit, cooling circuit
11, 11’11, 11 ': Wärmetauscher, Kondensator im Kühlkreislauf Heat exchanger, condenser in the cooling circuit
1212: Elektromotor electric motor
1313: Umwälzpumpe im Kühlkreislauf Circulation pump in the cooling circuit
1414: Achsgetriebe transaxles
1515: Fahrzeughinterachse Vehicle rear axle
1616: Radiator im Kühlkreislauf Radiator in the cooling circuit
1717: Lüfter im Kühlkreislauf Fan in the cooling circuit
1818: Trenn- und Anfahrkupplung Separating and starting clutch
1919: Fahrgetriebe Travel gear
2020: Retarderbremse retarder
2121: Radiator, Kühler im Verbrennungsmotorkühlkreislauf Radiator, radiator in the engine cooling circuit
2222: Lüfter im Verbrennungsmotorkühlkreislauf Fan in the engine cooling circuit
2323: Wärmetauscher für Retarderbremse Heat exchanger for retarder brake
2424: Wärmetauscher für Arbeitsmedium im Motorkühlkreislauf Heat exchanger for working medium in the engine cooling circuit
2525: Umschaltventil Achskühlkreislauf-Motorkühlkreislauf Changeover valve Achskühlkreislauf engine cooling circuit
2626: Verbindungsleitung für Sprüheinspritzkondensation Connecting line for spray injection condensation
2727: Ventil für Sprüheinspritzkondensation Valve for spray injection condensation
2828: Einspritzdüse für Sprüheinspritzkondensation Injection nozzle for spray injection condensation
2929: Luftleitblech Air baffle
3030: Luftleitblech Air baffle
3131: Unterfahrschutz Underride protection
3232: Verbrennungsmotorkühlkreislauf Engine cooling circuit
3333: Hohlraum am Achsgetriebewärmetauscher Cavity at the axle gearbox heat exchanger
3434: Achsgetriebegehäuse transaxle housing
aa: Zuflussleitung Motorkühlkreislauf Inlet line engine cooling circuit
bb: Rückflussleitung Motorkühlkreislauf Return line engine cooling circuit
cc: Zuflussleitung Achsgetriebekühlkreislauf Inlet line Axle transmission cooling circuit
dd: Zuflussverbindung Dampfkreislauf-Motorkühlung Inlet connection Steam cycle engine cooling
e e: Rückflussverbindung Motorkühlung-Achskühlkreislauf Return connection engine cooling axle cooling circuit
ff: Rückflussleitung Achsgetriebekühlkreislauf-Kondensator Return line Axis transmission cooling circuit condenser
gG: Zuflussleitung Achsgetriebekühlkreislauf-Wärmetauscher Inlet line Axis transmission cooling circuit heat exchanger
hH: Rückflussleitung Achsgetriebekühlkreislauf Return line Axis transmission cooling circuit
ii: Erste Leitung First line
jj: Zweite Leitung Second line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10054022 A1 [0005]
DE 102006036122 A1 [0006]
DE 102009028153 A1 [0007]
EP 2177742 A1 [0008]

Claims

Waste heat utilization unit ( 2 . 2 ' . 2 '' ) for a vehicle drive with an internal combustion engine ( 1 ), in which in a thermodynamic cycle ( 3 . 3 ' ) a liquid working medium in an evaporator ( 4 ) by during operation of the internal combustion engine ( 1 ) waste heat is evaporated, in an expansion machine ( 5 ) mechanical work is performed and relaxed, and in a condenser ( 6 ) is liquefied again, characterized in that for the condensation or to support the condensation of the working fluid at least one motor-driven side and drive transmission-output-side cooling circuit ( 10 . 10 ' . 10 '' ) and to the thermodynamic cycle ( 3 . 3 ' ) connected.

Waste heat recovery unit according to claim 1, characterized in that the cooling circuit ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is designed as a Achsgetriebekühlkreislauf comprising a heat exchanger ( 11 . 11 ' ), by means of which the heat-dissipated working medium can be withdrawn and from an axle drive ( 14 ) is receivable.

Waste heat utilization unit according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling circuit ( 10 . 10 '' ) is formed as a separate circuit, and that the heat exchanger ( 11 . 11 ' ) of the cooling circuit ( 10 . 10 '' ) via a coolant or via the working medium heat from the condenser ( 6 ) of the thermodynamic cycle ( 3 ) and to the axle drive ( 14 ).

Waste heat utilization unit according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling circuit ( 10 ' ) in the thermodynamic cycle ( 3 ' ) and the heat exchanger ( 11 . 11 ' ) is itself effective as a capacitor, wherein via the heat exchanger ( 11 . 11 ' ) heat extractable from the working medium and to the axle drive ( 14 ) is dissipatable.

Waste heat utilization unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that by means of the heat exchanger ( 11 ) an oil filling of the axle drive ( 14 ) and subsequently the axle drive ( 14 ) is itself heatable.

Waste heat recovery unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heat exchanger ( 11 ' ) of the cooling circuit ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is formed as a molded part, which the axle drive ( 14 ) and the relevant vehicle axle ( 15 ) at least partially encloses and a cavity ( 33 ), through which a coolant or the working medium can be conducted.

Waste heat utilization unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the cooling circuit ( 10 '' ) of the axle drive ( 14 ) to an existing cooling circuit ( 32 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is connected in parallel, and that optionally the engine cooling circuit ( 32 ) or the axle gear cooling circuit ( 10 '' ) is usable for receiving heat from the working medium.

Waste heat utilization unit according to one of claims 1 to 7, characterized in that an outer contour cooling circuit is formed, in which an outer contour component of the vehicle, such as an air baffle ( 29 . 30 ) or an underrun protection ( 31 ), as a capacitor is effective, by means of which the working medium directly or indirectly by a coolant heat is withdrawn.

Waste heat utilization unit according to one of claims 1 to 8, characterized in that an injection cooling circuit is formed, in which in the thermodynamic cycle ( 3 ) between an output side of a feed pump ( 7 ) and an exit side of the expansion machine ( 5 ) a connection line ( 26 ) is arranged that at the expansion machine end of the connecting line ( 26 ) an injection nozzle ( 28 ) is arranged, by means of the liquid and pressurized working medium in vaporous, relaxed working medium injectable and the capacitor ( 6 ) can be fed to increase the cooling capacity, if necessary.

Waste heat utilization unit according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the cooling circuit ( 10 . 10 ' . 10 '' ) an additional heat exchanger comprising a radiator ( 16 ) and a fan ( 17 ), is arranged, by means of which the working medium or the coolant additionally heat can be withdrawn and dissipated to the environment.

Waste heat utilization unit according to one of claims 1 to 10, characterized in that one or more inflow lines (c, d, g) for supplying working medium or coolant to the heat exchanger ( 11 . 11 ' . 24 ) are thermally insulated.

Waste heat utilization unit according to one of claims 1 to 10, characterized in that one or more inflow lines (h, f) for supplying working medium or coolant to the condenser ( 6 ) Have cooling fins.

Motor vehicle drive with an internal combustion engine ( 1 ) and a waste heat utilization unit ( 2 . 2 ' . 2 '' ), the latter being designed according to the features of one of the preceding claims.