DE102006043139A1

DE102006043139A1 - Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102006043139A1
Application number: DE102006043139A
Authority: DE
Inventors: Tassilo Pflanz
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: DE102006043139B4

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1, 1', 1'', 10, 11, 12, 14, 16, 18) zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors (70) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, beschrieben, welche mindestens einen mit einem durch mindestens eine Abwärmequelle (71, 73, 74, 8, 8', 8'', 80) des Verbrennungsmotors (7, 7', 7'', 70) gebildeten oberen Temperaturniveau in Verbindung stehenden Thermowandler (5, 5', 5'', 50, 51, 52, 53, 55, 56) umfasst, zur Umwandlung zumindest eines Teils der von dem Verbrennungsmotor (7, 7', 7'', 70) freigesetzten Abwärme in mechanische oder elektrische Energie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs.
In modernen Verbrennungsmotoren für den Nutzfahrzeugbereich können Wirkungsgrade von 43%, in der Anwendung als Schiffsdieselantriebe sogar Wirkungsgrade bis zu 51% erreicht werden. Der Wirkungsgrad gibt hierbei die Nutzenergie, Drehmoment an einer Welle bei einer gegebenen Drehzahl, im Verhältnis zum aufgewendeten Energieinhalt des eingesetzten Kraftstoffs an. Die restlichen 49% bis 57% des Energieinhalts des Kraftstoffs werden im Wesentlichen als Wärmeenergie über das Abgas, den Kühlkreislauf und die Motoroberfläche abgegeben.
Bei näherer Betrachtung des Verbrennungsvorgangs kann der Wirkungsgrad auf die Nutzung einer hohen Verbrennungstemperatur mit einem oberen Temperaturniveau von etwa 800°C bis 1000°C gegenüber der Umgebungstemperatur zurückgeführt werden. Das Kühlwasser im Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors liegt demgegenüber mit etwa 85°C bis 110°C auf niedrigem Temperaturniveau und trägt zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs oder zum Betrieb von Nebenaggregaten nichts mehr bei.
In Motoren mit Abgasturboladern kann ein Teil der Enthalpie des Abgases über die Turboaufladung vom Motor zurück gewonnen werden. Darüber hinaus verbleibt aber noch ein erheblicher Anteil an Wärmeenergie im Abgas und wird ungenutzt an die Umgebung abgegeben.
Weitere Verluste ergeben sich durch Beschleunigen und Bremsen beim Fahrbetrieb. Fahrzeuge, die wie Busse im Stadtgebiet betrieben werden, können Kraftstoffanteile von etwa 25% durch Rückgewinnung der beim Bremsen freiwerdenden Energie mit Hilfe von Hybrid-Elektro-Antrieben einsparen.
Ein Hybrid-Elektro-Antrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor mit Generator, einer Leistungselektronik, einem Elektromotor und einem elektrischen Energiespeicher und ist dadurch sehr schwer. Insbesondere bei im Fernverkehr eingesetzten Kraftfahrzeugen, wie etwa Nutzfahrzeugen, ist diese Form der Energierückgewinnung nicht sinnvoll, da der benötigte Energiespeicher die meiste Zeit des Fahrens entweder leer, oder voll ist. Der mitgeführte Energiespeicher belastet nur den Verbrauch des Kraftfahrzeugs durch das Mitführen einer wenig benutzten Masse.
Darüber hinaus wird bei einem Nutzfahrzeug die Nutzbeladung im Verhältnis zur Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs durch den Energiespeicher verringert. Insgesamt führt ein Hybrid-Elektro-Antrieb bei einem Nutzfahrzeug im Fernverkehr zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs, da die Wirkkette einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad aufweist, als ein Verbrennungsmotor mit optimal angepasstem Getriebe.
Aus WO 02/36938 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung mechanischer Antriebsleistung aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Siedebehälter, einen Druckkessel und eine Wärmekraftmaschine, sowie Pumpen und einen Wärmetauscher als Kondensator. Der Druckkessel wird von den heißen Abgasen eines Verbrennungsmotors, oder von einem Brenner beheizt. Der Siedebehälter wird vom Kühlwasser des Verbrennungsmotors oder von den bereits zum Beheizen des Druckkessels genutzten, abgekühlten Abgasen beheizt. Das Verfahren sieht vor, ein unter Normalbedingungen flüssiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Wasser, in einem geschlossenen Kreislauf zunächst im Siedebehälter bis auf Siedetemperatur zu erwärmen. Der beim Sieden entstehende Dampf wird dem Siedebehälter entnommen, mittels eines Kompressors verdichtet und dem Druckkessel zugeführt. Parallel hierzu wird siedendes Wasser dem Siedebehälter entnommen und mittels einer Hochdruckpumpe in den Druckkessel eingespritzt. Der sich im Druckkessel bildende Dampf wird in einer Wärmekraftmaschine unter Gewinnung mechanischer Antriebsleistung entspannt. Das untere Temperaturniveau bildet der Kondensator. Das kondensierte Wasser wird anschließend wieder mittels einer Pumpe dem Siedebehälter zugeführt.
Ein Wesentlicher Nachteil des aus WO 02/36938 A1 bekannten Gegenstandes ist, dass zur Förderung des Arbeitsmediums aus dem Siedebehälter mit niederem Druck in den Druckkessel mit hohem Druck zwei Vorrichtungen benötigt werden, eine Pumpe für die flüssige Phase, ein Kompressor für die gasförmige Phase. Beim Fördern der flüssigen Phase bei Siedetemperatur ergibt sich das Problem spontaner Kavitation, da der Dampfdruck des siedenden Arbeitsmittels dem Druck im Siedebehälter entspricht. Dadurch kommt es bereits bei einem geringen Druckabfall während des Ansaugens zu Kavitation. Dies kann leicht zu einer Zerstörung der Pumpe führen. Beim Fördern der gasförmigen Phase ergibt sich das Problem eines hohen Druckverhältnisses von bis zu 18:1 zwischen dem Druck im Druckkessel und dem im Siedebehälter. Kontinuierlich arbeitende Kompressoren, wie beispielsweise Axial- oder Radialverdichter, müssen zur Beherrschung solch hoher Druckverhältnisse mehrstufig ausgebildet sein, da sie je nach Bauform je Stufe nur Druckverhältnisse von etwa 1,4:1 bis etwa 3,5:1 beherrschen. Dies ist teuer und unwirtschaftlich.
Aus WO 2004/057173 A1 sind ebenso ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung mechanischer Antriebsleistung aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen geschlossenen Niedertemperatur-Arbeitsmittelkreislauf mit einem Kondensator, einem Siedebehälter, und einem ersten Wärmetauscher, sowie einen geschlossenen Hochtemperatur-Arbeitsmittelkreislauf mit einem Kondensator, einem Siedebehälter und einem zweiten Wärmetauscher. Über die beiden Wärmetauscher wird die Abwärme des Abgasstrangs eines Verbrennungsmotors den beiden Arbeitsmittelkreisläufen zugeführt. Optional kann der Niedertemperatur-Arbeitsmittelkreislauf zusätzlich mit dem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden werden. Beide Kreisläufe sind mit einer Wärmekraftmaschine verbunden, zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Abwärme des Verbrennungsmotors.
Nachteilig hieran ist, dass die auf eine Welle arbeitende Wärmekraftmaschine mit beiden Arbeitsmittelkreisläufen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben wird. Hierdurch kommt es zu hohen Leistungsverlusten innerhalb der Wärmekraftmaschine.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu entwickeln, welche die Nutzung eines größtmöglichen Teils der Abwärme eines Verbrennungsmotors zur Gewinnung elektrischer und/oder mechanischer Energie mit überschaubaren Mitteln auf effektive Art und Weise ermöglicht Diese Aufgabe der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung insbesondere gelöst durch mindestens einen mit einem durch mindestens eine Abwärmequelle des Verbrennungsmotors gebildeten oberen Temperaturniveau in Verbindung stehenden Thermowandler, zur Umwandlung zumindest eines Teils der von dem Verbrennungsmotor freigesetzten Abwärme in mechanische oder elektrische Energie.
Der Begriff Thermowandler umfasst hierbei sowohl Wärmekraftmaschinen, wie beispielsweise kontinuierlich arbeitende Turbomaschinen, periodisch arbeitende Kolbenmaschinen, Heißluftmotoren, insbesondere Stirlingmotoren, als auch thermoelektrische Wandler, wie beispielsweise ein den Seebeck-Effekt nutzendes Thermoelement, und dergleichen. Der Thermowandler kann beispielsweise indirekt über einen Wärmetauscher, einen Arbeitsmittelkreis, eine Heatpipe oder dergleichen, oder direkt mit dem Abgasstrang verbunden sein.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, anstelle oder zusätzlich zu den beispielsweise aus dem Kraftwerksbereich bekannten, dort in Form von Dampfprozessen ablaufenden Verfahren, Konzepte und Anordnungen aus dem Bereich beispielsweise der Meereswärmenutzung und der Geothermie, mit denen auch bei niedrigen Temperaturunterschieden elektrischer Strom erzeugt werden kann, auf Kraftfahrzeuge zu übertragen und anzuwenden. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass je nach Temperaturniveau einer mit einem Thermowandler in Verbindung stehenden Abwärmequelle des Verbrennungsmotors der Thermowandler als Wärmekraftmaschine, thermoelektrischer Wandler, wie beispielsweise als Thermoelement, oder als Thermoionischer Generator, oder in sonst einer geeigneten Form ausgeführt ist. Dabei ist grundsätzlich denkbar, verschiedene, an bestimmte Temperaturdifferenzen angepasste Thermowandler in Reihe anzuordnen, beispielsweise durch Arbeitsmittelkreisläufe miteinander verbunden. Jeder der verwendeten Thermowandler steht dabei direkt oder indirekt, beispielsweise über einen vorgeschalteten Thermowandler oder einen Arbeitsmittelkreis, mit einer oder mehreren Abwärmequellen des Verbrennungsmotors in Verbindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abwärmequelle einen Abgasstrang und/oder einen Kühlmittelkreislauf und/oder einen Ladeluftkühler des Verbrennungsmotors.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Thermowandler eine von einem Arbeitsmittel kontinuierlich oder periodisch durchströmte Wärmekraftmaschine umfasst, wobei das Arbeitsmittel in einem einen ein unteres Temperaturniveau bildenden als Kondensator ausgeführten Wärmetauscher, einen das auf unterem Temperaturniveau flüssige Arbeitsmittel auf das Druckniveau des oberen Temperaturniveaus verdichtenden Arbeitsmittelverdichter, einen das obere Temperaturniveau bildenden, mit einer Abwärmequelle des Verbrennungsmotors, vorzugsweise mit einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors in Verbindung stehenden, beispielsweise als Verdampfer ausgeführten Wärmetauscher, sowie die Wärmekraftmaschine umfassenden, geschlossenen Arbeitsmittelkreislauf zirkuliert.
Dabei ist denkbar, dass der Arbeitsmittelkreislauf zwischen Arbeitsmittelverdichter und Wärmekraftmaschine anstelle oder zusätzlich zu einem mit einer Abwärmequelle des Verbrennungsmotors in Verbindung stehenden Wärmetauscher den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors umfasst, so dass das Arbeitsmittel bei seiner Zirkulation im Arbeitsmittelkreislauf im Verbrennungsmotor angeordnete Kühlmittelkanäle durchströmt. Dabei bildet der Verbrennungsmotor selbst einen Wärmetauscher, der mit einer Abwärmequelle des Verbrennungsmotors, nämlich der Abwärmequelle des Kühlmittels, in Verbindung steht. Hierdurch kann ein Wärmetauscher eingespart werden, da das Arbeitsmittel selbst direkt durch die Kühlmittelkanäle des Verbrennungsmotors strömt, um einen Teil der Abwärme des Verbrennungsmotors aufzunehmen.
Ebenso ist denkbar, dass der Arbeitsmittelkreislauf in Zirkulationsrichtung des Arbeitsmittels zwischen Arbeitsmittelverdichter und Wärmekraftmaschine mindestens zwei mit dem Abgasstrang des Verbrennungsmotors auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in Verbindung stehende Wärmetauscher umfasst, ein erster zum Vorheizen des Arbeitsmittels auf niederem Temperaturniveau mittels der bereits kühleren Abgase, und ein zweiter auf oberem Temperaturniveau mit noch heißen Abgasen, wobei einer der beiden Wärmetauscher als Verdampfer ausgeführt sein kann.
Des weiteren ist denkbar, dass der Arbeitsmittelkreislauf in Zirkulationsrichtung des Arbeitsmittels zwischen Arbeitsmittelverdichter und Wärmekraftmaschine mindestens einen ersten mit einem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors in Verbindung stehenden Wärmetauscher, sowie mindestens einen zweiten, mit dem Abgasstrang des Verbrennungsmotors in Verbindung stehenden Wärmetauscher umfasst, wobei einer der beiden Wärmetauscher als Verdampfer ausgeführt sein kann. Der mit dem Kühlmittelkreislauf in Verbindung stehende Wärmetauscher bildet dabei ein mittleres Temperaturniveau im Arbeitsmittelkreislauf, wohingegen der mit dem Abgasstrang in Verbindung stehende Wärmetauscher das obere Temperaturniveau bildet.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Arbeitsmittelkreislauf in Zirkulationsrichtung des Arbeitsmittels zwischen Arbeitsmittelverdichter und Wärmekraftmaschine mindestens einen mit einem Ladeluftkühler des Verbrennungsmotors in Verbindung stehenden Wärmetauscher umfasst, der als Verdampfer ausgeführt sein kann.
Welcher der bei den obigen Ausführungsformen enthaltenen Wärmetauscher als Verdampfer ausgeführt ist, hängt von der Wahl des im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierenden Arbeitsmittels ab. Durch geeignete Wahl des Arbeitsmittels und damit dessen Siedepunktes kann die Überhitzung des dampfförmigen Arbeitsmittels im Verdampfer so gewählt werden, dass bei gegebenem Entspannungsverhältnis der Wärmekraftmaschine keine Kondensation auftritt.
Eine besonders vorteilhafte, erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens zwei mit mindestens zwei Abwärmequellen unterschiedlichen Temperaturniveaus des Verbrennungsmotors in Verbindung stehende Thermowandler. Dabei ist denkbar, dass mindestens einer der beiden Thermowandler einen Arbeitsmittelkreislauf umfasst, wobei das jeweils untere Temperaturniveau der beiden Thermowandler durch die Umgebung gebildet wird. Ebenso ist denkbar, dass mindestens einer der beiden Thermowandler einen Arbeitsmittelkreislauf umfasst, wobei das untere Temperaturniveau mindestens eines ersten Thermowandlers das obere Temperaturniveau mindestens eines zweiten Thermowandlers bildet.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein Thermowandler einen thermoelektrischen Wandler. Sind mehr als ein Thermowandler bei einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, so kann ein Thermowandler als Thermoelement, und ein anderer als Wärmekraftmaschine ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1a) eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem als Turbomaschine ausgeführten Thermowandler,
1b) eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a) mit einem als Stirlingmotor ausgeführten Thermowandler,
1c) eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a) mit einem als thermoelektrischen Wandler ausgeführten Thermowandler,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3a) eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3b) eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche die vorherigen Ausführungsbeispiele aus den 1, 2 und 3 kombiniert,
5 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie
7 eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die unkontrolliert über die Oberfläche eines Verbrennungsmotors abgegebene Abwärme durch eine Isolierung zurückgehalten und in einen in einen Arbeitsmittelkreislauf integrierten Kühlmittelkreislauf eingespeist wird.
Die 1a) zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem Wärmetauscher 4, der als Verdampfer arbeitet und dabei Wärmeenergie aus der Abgasenthalpie eines Verbrennungsmotors 8 in einen Arbeitsmittelkreislauf 2 überträgt. Der Wärmetauscher ist hierzu mit einem Abgasstrang 9 des Verbrennungsmotors 7 verbunden. Ein im Abgasstrang 8 angeordneter Turbolader 9 ist vor dem Wärmetauscher 4 angeordnet. Über einen Thermowandler in Form einer als Turbomaschine 5 ausgeführten Wärmekraftmaschine wird dem im Arbeitsmittelkreislauf 2 zirkulierenden Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser, welches auf dem oberen Temperaturniveau dampfförmig vorliegt, wieder ein Teil seiner Energie entzogen und an einen Generator G zur Gewinnung elektrischer Energie abgegeben. Die Restwärme des entspannten Arbeitsmittels wird über ein als Kondensator arbeitendes Kühlernetz 6 abgeführt. Ein Arbeitsmittelverdichter 3, welcher in einem Wasserdampfkreisprozess auch als Speisewasserpumpe bezeichnet wird, führt der Hochdruckseite des Verdampfers 4 neues Arbeitsmittel zu. Der thermodynamische Kreisprozess beginnt von neuem.
Die Vorrichtung 1' in 1b) weist anstelle einer Turbomaschine 5 und eines Arbeitsmittelverdichters 3 einen als Stirlingmotor 5' ausgeführten Thermowandler auf. Der Stirlingmotor 5' ist mit einem Generator G zur Abgabe elektrischer Energie verbunden. Der Stirlingmotor 5' kann dabei mit seiner heißen Seite auch direkt mit dem Abgasstrang 8' des Verbrennungsmotors 7' verbunden sein. Ebenfalls ist denkbar, den Stirlingmotor 5' mittels einer Heatpipe mit dem Abgasstrang 8' zu verbinden. Die kalte Seite des Stirlingmotors 5' wird mit einem Arbeitsmittelkreislauf 2' gekühlt, in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert. Eine Arbeitsmittelpumpe 3' pumpt dabei ein flüssiges Arbeitsmittel durch den Arbeitsmittelkreislauf 2', wo es an der kalten Seite des Stirlingmotors 5' dessen Abwärme aufnimmt und über einen als Kühler 6' mit vorgeschaltetem Lüfter ausgeführten Wärmetauscher an die Umgebung abgibt.
Die Vorrichtung 1'' in 1c) weist anstelle einer Turbomaschine 5 und eines Arbeitsmittelverdichters 3 oder anstelle eines Stirlingmotors 5' einen als thermoelektrischen Wandler 5'' ausgeführten Thermowandler auf. Der thermoelektrischen Wandler 5'' ist als Thermoelement oder als Thermoionischer Generator ausgeführt. Der thermoelektrische Wandler 5'' wandelt die Abwärme des Abgasstrangs 8'' des Verbrennungsmotors 7'' direkt ohne bewegliche Teile in elektrische Energie um. Der thermoelektrische Wandler 5'' kann dabei wiederum mit seiner heißen Seite auch direkt mit dem Abgasstrang 8'' des Verbrennungsmotors 7'' verbunden sein. Ebenfalls ist denkbar, den thermoelektrischen Wandler 5'' mittels einer Heatpipe mit dem Abgasstrang 8'' zu verbinden. Die kalte Seite des thermoelektrischen Wandlers 5'' wird wiederum mittels eines Arbeitsmittelkreislaufs 2'' gekühlt. Eine Arbeitsmittelpumpe 3'' pumpt dabei ein flüssiges Arbeitsmittel durch den Arbeitsmittelkreislauf 2'', wo es an der kalten Seite des thermoelektrischen Wandlers 5'' dessen Abwärme aufnimmt und über einen als Kühler 6'' mit vorgeschaltetem Lüfter ausgeführten Wärmetauscher an die Umgebung abgibt.
Die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst wiederum einen Arbeitsmittelkreislauf 20 wie in 1 gezeigt, umfassend einen Thermowandler 50, einen Arbeitsmittelverdichter 30 und einen als Verdampfer 40 ausgeführten, mit dem Abgasstrang 80 des Verbrennungsmotors 70 verbundenen Wärmetauscher. Ein im Abgasstrang angeordneter Turbolader 90 ist vor dem Verdampfer 40 im Abgasstrang 80 angeordnet. Anstelle eines eigenen Kühlernetzes werden hierbei jedoch die im Kraftfahrzeug vorhandenen Komponenten der Motorkühlung verwendet. Ein als Kondensator 60 arbeitender Wärmetauscher gibt seine Abwärme an den Kühlmittelkreislauf 71 des Verbrennungsmotors 70 ab. Über das Kühlernetz 72 des Kühlmittelkreislaufs 71 wird, unterstützt vom Lüfter des Verbrennungsmotors 70, die Restwärme an die Umgebung abgegeben.
Bei der in 3a dargestellten Vorrichtung 11 wird im Gegensatz zu den 1 und 2 nicht die Abwärme des Abgasstrangs 8, 8', 8'', 80, sondern die Abwärme des Kühlmittelkreislaufs 71 zur Gewinnung mechanischer und/oder elektrischer Energie genutzt. Der in 3 dargestellte Arbeitsmittelkreislauf 21 kann dabei zusätzlich zu einem in den 1 und 2 dargestellten Arbeitsmittelkreislauf 2, 2', 2'', 20 in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein. In dem in 3 dargestellten Arbeitsmittelkreislauf 21 kann beispielsweise Ammoniak oder ein anderes, beispielsweise in Klimaanlagen verwendetes Kältemittel als Arbeitsmittel verwendet werden. Über einen als Verdampfer 41 ausgeführten Wärmetauscher nimmt das Arbeitsmittel Wärmeenergie aus dem Kühlkreislauf 71 des Verbrennungsmotors 70 auf und gibt anschließend einen Teil der aufgenommmenen Wärmeenergie an einen als Turbomaschine 51 ausgeführten Thermowandler ab. Die von der Turbomaschine 51 zur Verfügung gestellte mechanischer Energie wird einem Generator G zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt.
Die Restwärme im Arbeitsmittelkreislauf 21 nach der Turbine 51 kann zum Teil über einen Rekuperator 110 für eine erste Vorheizung des Arbeitsmittels nach der Arbeitsmittelpumpe 31 wieder eingekoppelt werden. Die Reihenfolge der Komponenten Ladeluftkühler 74 und Rekuperator 110 muß in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Temperaturniveau gewählt und kann daher auch vertauscht werden. Sofern der Ladeluftkühler 74 eine sehr niedrige Temperatur benötigt, ist er unmittelbar nach der Arbeitsmittelpumpe 31 vorzusehen. Oder aber, um ein möglichst großes Temperaturgefälle im Rekuperator 110 zu nutzen, wird er unmittelbar nach der der Arbeitsmittelpumpe 31 eingebaut. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird der Rekuperator 110 nur in 3a gezeigt. Er läßt sich aber in grundsätzlich allen Schaltungen der 1 bis 7 vorsehen.
Die nun verbleibende Restwärme des Arbeitsmittelkreislaufs 21 wird über ein als Kondensator arbeitendes, mit einem Lüfter versehenes Kühlernetz 61 an die Umgebung abgegeben. Eine Arbeitsmittelpumpe 31 führt dem Verdampfer 41 wieder abgekühltes Arbeitsmittel zu. Der Kühlkreislauf 71 des Verbrennungsmotors 70 wird von einer Wasserpumpe 75 angetrieben, die bei geeigneter Betriebsführung das geforderte Temperaturniveau des Kühlmittelkreislaufs 71 einhält. Der Einbau der zum Verbrennungsmotor 70 gehörenden Ladeluftkühler 73, 74 und des Rekuperators 110 ist optional. 3b) beschreibt die gleiche Anordnung der Komponenten, wie auch in 3a) dargestellt. Um aber auch Arbeitsmittel einsetzen zu können, die schon bei Drücken verdampfen, die kleiner sind als der Umgebungsdruck (< 1000 mbar), werden im Hoch- und Niederdruckteil des Arbeitsmittelkreises Vakuumpumpen 114 und Rückschlagventile 112 gegenüber dem Umgebungsdruck benötigt. Der Verdampfer 41 und der Kondensator mit Kühler 61' müssen dazu eigens konstruiert und ausgelegt sein. Auf diese Weise läßt sich z.B. auch Wasser schon bei Temperaturen, die deutlich kleiner sind als 100° C, verdampfen. Diese Konzepte sind aus der Technik der Meerwärmenutzung bekannt [„Renewable Energy from the Ocean, A Guide to OTEC" von William H. Avery und Chih Wu, New York Oxford OXFORD UNIERSITY PRESS 1994] und werden hier auf eine mobile Anwendung übertragen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden Vakuumpumpen 114 und Rückschlagventile 112 nur in 3b dargestellt. Die Komponenten lassen sich aber grundsätzlich in allen Schaltungen der 1, ausgenommen 1b) und 1c), bis 7 wieder vorsehen.
Die in den 1a) bis c), sowie 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen 1, 1', 1'' entsprechen dabei einem erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem ein Thermowandler 5, 5', 5'', 50, 51 mit einem durch eine Abwärmequelle 8, 8', 8'', 80, 71 des Verbrennungsmotors 7, 7', 7'', 70 gebildeten oberen Temperaturniveau in Verbindung steht, zur Umwandlung zumindest eines Teils der von dem Verbrennungsmotor 7, 7', 7'', 70 freigesetzten Abwärme in mechanische oder elektrische Energie. Die Abwärmequelle umfasst dabei bei den 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen 1, 1', 1'', 10 einen Abgasstrang 8, 8', 8'' des Verbrennungsmotors 7, 7', 7'', 70, wohingegen die Abwärmequelle bei der in 3a) und 3b) dargestellten Vorrichtung 11 einen Kühlmittelkreislauf 71 sowie wahlweise einen Ladeluftkühler 73, 74 des Verbrennungsmotors 70, eine Vakuumpumpe 114, ein Rückschlagventil 112, einen Rekuperator 110 etc. umfasst.
Die in 4 dargestellte Vorrichtung 12 zeigt eine Anordnung von zwei Arbeitsmittelkreisläufen 22, 23, die kaskadenartig für einen Wärmefluss miteinander verbunden sind. Dabei werden die in den 1 bis 3 dargestellten Konzepte kombiniert eingesetzt. Die Abwärme des Abgasstrangs 80 liegt wie durch die Temperaturangaben in 4 verdeutlicht, auf einem höheren Temperaturniveau, als die Abwärme des Kühlmittelkreislaufs 71. Um ein besonders hohes Temperaturniveau im Arbeitsmittelkreislauf 22 höherer Temperatur erreichen zu können, ist ein im Abgasstrang 80 angeordneter Turbolader 90 vor dem mit dem Abgasstrang 80 verbundenen, als Verdampfer 62 arbeitenden Wärmetauscher des Arbeitsmittelkreislaufs 22 angeordnet. Zunächst wird ein Teil der Abgasenthalpie über eine im Arbeitsmittelkreislauf 22 angeordnete Turbomaschine 52 zur Stromerzeugung verwendet. Die verbleibende Wärme kann bei geeigneter Auslegung über einen als Kondensator 62 ausgebildeten Wärmetauscher des Arbeitsmittelkreises 22 zur Überhitzung des Arbeitsmittels im Arbeitsmittelkreis 23 dienen. Im Arbeitsmittelkreis 23 erfolgt wieder eine Stromerzeugung mit einer Turbomaschine 53, ähnlich wie in 3a) und 3b) dargestellt, mit dem Unterschied, dass zusätzlich zu dem mit dem Kühlmittelkreislauf 71 verbundenen, als Verdampfer 43 arbeitender Wärmetauscher der Kondensator 62 des Arbeitsmittelkreislaufs 22 im Arbeitsmittelkreislauf 23 angeordnet ist, und dort das obere Temperaturniveau bildet. Beide Arbeitsmittelkreisläufe 22, 23 verfügen über Arbeitsmittelverdichter 32, 33, mit denen das nach den Kondensatoren 62, 63 jeweils flüssig vorliegende Arbeitsmittel wieder dem jeweiligen Verdampfer 42, 43 zugeführt wird. Darüber hinaus ist in 4 erkennbar, dass neben dem Kühlkreislauf 71 des Verbrennungsmotors 70 in Anlehnung an die Vorrichtung 11 aus 3 wiederum die Abwärme von Ladeluftkühlern 73, 74 dem Arbeitsmittelkreislauf 23 zugeführt werden kann.
5 zeigt eine Vorrichtung 14, bei der der Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors 70 Teil eines Arbeitsmittelkreislaufs 25 ist. Dies stellt eine erhebliche Vereinfachung dar, da auf einen Wärmetauscher zwischen Kühlmittelkreislauf und Arbeitsmittelkreislauf verzichtet werden kann. Darüber hinaus kann der Arbeitsmittelverdichter 35 die Aufgabe der Kühlmittelpumpe des Kühlmittelkreislaufs übernehmen, so dass auch auf die Kühlmittelpumpe verzichtet werden kann. Die Dichtungen des Kühlmittelkreislaufs müssen hierbei auf das im Arbeitsmittelkreis 25 zirkulierende Arbeitsmittel und das im Arbeitsmittelkreis 25 herrschende Druckniveau ausgelegt werden, damit kein Arbeitsmittel durch Leckagen in den Verbrennungsmotor 70 eindringen kann. Zwischen Arbeitsmittelverdichter 35 und dem als Turbomaschine 55 ausgeführten Thermowandler herrscht dabei vorzugsweise ein höherer Druck, als in einem normalen Kühlmittelkreislauf. Der Arbeitsmittelkreislauf 24 in 5 ist genauso ausgebildet, wie der Arbeitsmittelkreislauf 22 in 4, wobei das untere Temperaturniveau des Arbeitsmittelkreislaufs 24 durch einen mit dem Arbeitsmittelkreislauf 25 verbundenen, als Kondensator 64 ausgelegten Wärmetauscher gebildet wird. Auch hier dient der Kondensator 64 des Arbeitsmittelkreises 24 wieder einer Überhitzung des Arbeitsmittels im Arbeitsmittelkreis 25. Das untere Temperaturniveau des Arbeitsmittelkreises 25 wird durch einen als Kondensator 65 ausgelegten Wärmetauscher gebildet.
Die in 6 dargestellte, erfindungsgemäße Vorrichtung 16 zeigt eine weitere Reduzierung der benötigten Komponenten. Auch hier umfasst der Arbeitsmittelkreislauf 26 den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors 70. Das im Arbeitsmittelkreislauf 26 von dem Arbeitsmittelverdichter 36 angetrieben zirkulierende Arbeitsmittel wird beim Durchströmen der Kühlmittelkanäle im Verbrennungsmotor 70 vorgewärmt und vorzugsweise noch nicht verdampft. Das Verdampfen erfolgt vorzugsweise erst in einem mit dem Abgasstrang 80 des Verbrennungsmotors 70 verbundenen, als Verdampfer 46 ausgeführten Wärmetauscher. Im Verdampfer 46 wird das Arbeitsmittel überhitzt. Danach wird es einem als Turbomaschine 56 ausgeführten Thermowandler zugeführt, wo es unter Absenkung der Temperatur entspannt wird, um anschließend einem Kondensator 66 zugeführt zu werden. In Abhängigkeit vom verwendeten Arbeitsmittel kann es erforderlich sein, dass der als Kühlernetz ausgeführte Kondensator 66 einen Flüssigkeitsabscheider benötigt. Der Arbeitsmittelverdichter 36 führt anschließend das Arbeitsmittel wieder dem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors 70 zu und der thermodynamische Kreisprozess beginnt von neuem.
Die in 7 dargestellte Vorrichtung 18 zeigt schematisch, dass der Wärmeeintrag in den Arbeitsmittelkreislauf 28 durch eine Wärmeisolation 100 des Verbrennungsmotors 70 erhöht werden kann.
Handelt es sich bei einem als Wärmekraftmaschine ausgeführten Thermowandler um eine Turbomaschine, wie beispielsweise in den 1a), sowie 2 bis 7 dargestellt, so kann diese auch mehrstufig mit oder ohne Zwischenerhitzung zwischen aufeinander folgenden Stufen ausgeführt sein.
Insbesondere in Nutzfahrzeugen, vor allem bei solchen, die im Fernverkehr eingesetzt werden, können die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen besonders nutzbringend angewendet werden, da die Verbrennungsmotoren in solchen Fahrzeugen im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren in Personenkraftwagen, bei denen überwiegend ein Nieder- oder Teillastbetrieb mit entsprechend stark veränderlichen Abgastemperaturen und Wärmeeintrag in den Kühlkreislauf vorliegt, dauerhaft auf relativ gleich bleibend hohem Niveau unter hoher Last betrieben werden.
Wichtig ist hervorzuheben, dass als Arbeitsmittel für die oben beschriebenen Kreisläufe jedes geeignete Medium denkbar ist, das beim jeweils unteren Temperaturniveau flüssig, und zumindest beim jeweils oberen Temperaturniveau gasförmig ist. Ist ein gemeinsamer Kreislauf für die Nutzung der Abwärme des Kühlwassers und die Nutzung der Abwärme des Abgasstrangs vorgesehen, so liegt die Siedetemperatur des Arbeitsmittels vorzugsweise in einem Temperaturbereich, der bereits vor dem das obere Temperaturniveau bildenden Wärmetauscher überschritten wird. Zum Auffinden geeigneter Medien kann beispielsweise auf Schlüsseltechnologien, insbesondere auf Raumfahrttechnik zurückgegriffen werden. Dort werden zur Temperierung von Satelliten, Raumstationen und Raumfahrzeugen, für solarthermische Anwendungen, für nuklearthermische Generatoren, Radioisotopenbatterien und dergleichen so genannte Heatpipes eingesetzt, bei denen ein flüssiges Medium am zu kühlenden, heißen Ende verdampft, durch die molekulare Eigenbewegung unter einem dem Partialdruck entsprechenden Gesamtdruck in der Heatpipe ans andere, kalte Ende transportiert wird, dort kondensiert und durch Kapillarwirkung oder im Gravitationsfeld durch Schwerkraft wieder zurück zum heißen Ende transportiert wird. Je nach Temperaturniveau sind als Arbeitsmittel beispielsweise Helium, Stickstoff, Methanol, Ethanol, langkettigere Alkohole, Wasser, Quecksilber, Natrium, Lithium, Aluminium und dergleichen bekannt.
Ebenso ist bekannt, Lösungen oder Mischungen zu verwenden, beispielsweise kann eine Mischung aus Ammoniak und Wasser nach dem Kalina-Verfahren verwendet werden, wie es in „Energie aus Erdwärme" von Martin Kaltschmitt, Ernst Huenges und Helmut Wolf (Deutscher Verlag für Grundstoffchemie, Stuttgart 1999) beschrieben wird.
Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung und dem Betrieb von Kraftfahrzeugen, sowie der Herstellung von Kraftfahrzeugantrieben gewerblich anwendbar.

1, 1', 1'', 10, 11. 11', 12, 14, 16, 18: Vorrichtung
2, 2', 2'', 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28: Arbeitsmittelkreislauf
3, 30, 31, 32, 33, 35, 36: Arbeitsmittelverdichter
38: Arbeitsmittelpumpe
3', 3'': Kühlmittelpumpe
4, 40, 41, 42, 43, 46: Verdampfer
48: Dampfturbine oder Dampfmotor mit Generator
5, 5', 5'', 50, 51, 52, 53, 55, 56: Thermowandler/Turbine
6, 6', 6'', 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66: Kondensator
7, 7', 7'', 70: Verbrennungsmotor
71: Kühlmittelkreislauf
72: Kühlernetz
73, 74: Ladeluftkühler
75: Kühlmittelpumpe
8, 8', 8'', 80: Abgasstrang
9, 9', 9'', 90: Turbolader
100: Isolierung
G: Generator
110: Rekuperator
112: Rückschlagventil
114: Vakuumpumpe

Claims

Vorrichtung (1, 1', 1'', 10, 11, 11' 12, 14, 16, 18) zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors (70) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, gekennzeichnet durch mindestens einen mit einem durch mindestens eine Abwärmequelle (71, 73, 74, 8, 8', 8'', 80) des Verbrennungsmotors (7, 7'. 7'', 70) gebildeten oberen Temperaturniveau in Verbindung stehenden Thermowandler (5, 5', 5'', 50, 51, 52, 53, 55, 56), zur Umwandlung zumindest eines Teils der von dem Verbrennungsmotor (7, 7'. 7'', 70) freigesetzten Abwärme in mechanische oder elektrische Energie.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmequelle einen Abgasstrang und/oder einen Kühlmittelkreislauf und/oder einen Ladeluftkühler des Verbrennungsmotors (7, 7'. 7'', 70) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermowandler eine von einem Arbeitsmittel durchströmte Wärmekraftmaschine (5, 50, 51, 52, 53, 55, 56) umfasst, wobei das Arbeitsmittel in einem, ein unteres Temperaturniveau bildenden Kondensator (6, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66), einen das auf unterem Temperaturniveau flüssige Arbeitsmittel auf das Druckniveau des oberen Temperaturniveaus verdichtenden Arbeitsmittelverdichter (3, 30, 31, 32, 33, 35, 36) einen das obere Temperaturniveau bildenden, mit einer Abwärmequelle (8, 71, 73, 74, 80) des Verbrennungsmotors (7, 70) in Verbindung stehenden Wärmetauscher 4, 40, 41, 42, 43, 46), sowie die Wärmekraftmaschine (5, 50, 51, 52, 53, 55, 56) umfassenden, geschlossenen Arbeitsmittelkreislauf (2, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28) zirkuliert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (25, 26) zwischen Arbeitsmittelverdichter (35, 36) und Wärmekraftmaschine (55, 56) den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors (70) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (2, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28) zwischen Arbeitsmittelverdichter (3, 30, 31, 32, 33, 35, 36) und Wärmekraftmaschine (5, 50, 51, 52, 53, 55, 56) mindestens zwei mit dem Abgasstrang des Verbrennungsmotors (7, 70) auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in Verbindung stehende Wärmetauscher (4, 40, 41, 42, 43, 46) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (2, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28) zwischen Arbeitsmittelverdichter (3, 30, 31, 32, 33, 35, 36) und Wärmekraftmaschine (5, 50, 51, 52, 53, 55, 56) mindestens einen ersten mit einem Kühlmittelkreislauf (71) des Verbrennungsmotors (7, 70) in Verbindung stehenden Wärmetauscher (41, 43), sowie mindestens einen zweiten, mit dem Abgasstrang (8, 80) des Verbrennungsmotors (7, 70) in Verbindung stehenden Wärmetauscher (4, 40, 42, 46) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (2, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28) zwischen Arbeitsmittelverdichter (3, 30, 31, 32, 33, 35, 36) und Wärmekraftmaschine (5, 50, 51, 52, 53, 55, 56) mindestens einen mit einem Ladeluftkühler (73, 74) des Verbrennungsmotors (7, 7'. 7'', 70) in Verbindung stehenden Wärmetauscher umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei mit mindestens zwei Abwärmequellen (71, 73, 74, 8, 8', 8'', 80) unterschiedlichen Temperaturniveaus in Verbindung stehende Thermowandler (5, 5', 5'', 50, 51, 52, 53, 55, 56).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Thermowandler (5, 5', 5'', 50, 51) einen Arbeitsmittelkreislauf (2, 2', 2'', 20, 21) umfasst, wobei das jeweils untere Temperaturniveau der beiden Thermowandler (5, 5', 5'', 50, 51) durch die Umgebung gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Thermowandler einen Arbeitsmittelkreislauf (22, 23) umfasst, wobei das untere Temperaturniveau (62) mindestens eines ersten Thermowandlers (52) das obere Temperaturniveau mindestens eines zweiten Thermowandlers (53) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Thermowandler einen thermoelektrischen Wandler (5'') umfasst.