DE102006043139B4 - Apparatus for obtaining mechanical or electrical energy from the waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle - Google Patents

Apparatus for obtaining mechanical or electrical energy from the waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle Download PDF

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Abstract

Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer Vorrichtung (1, 1', 1'', 10, 11, 12, 14, 16, 18) zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors (70) des Kraftfahrzeugs, umfassend 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, wobei 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, und 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, wobei der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs mit einer Wärmeisolation (100) versehen ist.Motor vehicle, in particular utility vehicle, with a device (1, 1 ', 1' ', 10, 11, 12, 14, 16, 18) for recovering energy from the waste heat of an internal combustion engine (70) of the motor vehicle, comprising at least one with a by at least one waste heat source (71, 73, 74, 8, 8 ', 8' ', 80) of the internal combustion engine (7, 7', 7 '', 70) formed in the upper temperature level associated thermoelectric converter (5, 5 ', 5 '', 50, 51, 52, 53, 55, 56) for converting at least part of the waste heat released by the internal combustion engine (7, 7 ', 7' ', 70) into mechanical or electrical energy, the thermal transducer having one of a working fluid flowed through heat engine (5, 50, 51, 52, 53, 55, 56), wherein the working fluid in a lower temperature level forming capacitor (6, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66), a the working fluid, which is liquid at a lower temperature level, is compressed to the pressure level of the upper temperature level, working medium compressor (3, 30, 31, 3 2, 33, 35, 36) has an upper temperature level forming, with a waste heat source (8, 71, 73, 74, 80) of the internal combustion engine (7, 70) in communication heat exchanger (4, 40, 41, 42, 43, 46), and the heat engine (5, 50, 51, 52, 53, 55, 56) comprising, closed working fluid circuit (2, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28) circulates, and the working medium circuit ( 2, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28) between working medium compressors (3, 30, 31, 32, 33, 35, 36) and heat engine (5, 50, 51, 52, 53, 55, 56) at least one first with a coolant circuit (71) of the internal combustion engine (7, 70) in communication heat exchanger (41, 43), and at least one second, with the exhaust line (8, 80) of the internal combustion engine (7, 70) in connection standing heat exchanger (4, 40, 42, 46), wherein the internal combustion engine of the motor vehicle with a heat insulation (100) is provided.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs.The present invention relates to a device for recovering energy from the waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle, in particular of a commercial vehicle.

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.In modern combustion engines for the commercial vehicle sector efficiencies of 43%, in the application as marine diesel engines even efficiencies of up to 51% can be achieved. In this case, the efficiency indicates the useful energy, torque on a shaft at a given speed, in relation to the energy content of the fuel used. The remaining 49% to 57% of the fuel's energy content is delivered essentially as heat energy via the exhaust gas, the cooling circuit and the engine surface.

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.Looking more closely at the combustion process, the efficiency can be attributed to the use of a high combustion temperature with an upper temperature level of about 800 ° C to 1000 ° C relative to the ambient temperature. The cooling water in the cooling circuit of the engine is in contrast with about 85 ° C to 110 ° C at a low temperature level and contributes to the propulsion of the motor vehicle or to the operation of ancillaries nothing more.

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.In engines with exhaust gas turbochargers, a part of the enthalpy of the exhaust gas can be recovered from the engine by turbocharging. In addition, however, remains a significant proportion of heat energy in the exhaust gas and is released unused to the environment.

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.Further losses result from acceleration and braking while driving. Vehicles that operate like urban buses can save about 25% of fuel by recovering the braking energy through hybrid electric drives.

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.A hybrid electric drive consists of an internal combustion engine with generator, power electronics, an electric motor and an electrical energy storage and is therefore very difficult. In particular, in motor vehicles used in long-distance traffic, such as commercial vehicles, this form of energy recovery is not useful, since the energy storage required most of the time driving is either empty, or full. The entrained energy storage charged only the consumption of the motor vehicle by carrying a little used mass.

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.In addition, the payload in relation to the total mass of the motor vehicle is reduced by the energy storage in a commercial vehicle. Overall, a hybrid electric drive leads in a commercial vehicle in long-haul traffic to an increase in fuel consumption, since the chain of action has a worse overall efficiency than a combustion engine with optimally adapted transmission.

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.Out WO 02/36938 A1 For example, a method and a device for obtaining mechanical drive power from the waste heat of an internal combustion engine are known. The device comprises a boiling container, a pressure vessel and a heat engine, and pumps and a heat exchanger as a condenser. The pressure vessel is heated by the hot exhaust gases of an internal combustion engine, or by a burner. The boiling container is heated by the cooling water of the internal combustion engine or by the cooled exhaust gases already used for heating the pressure vessel. The method provides, under normal conditions, a liquid working fluid, preferably water, in a closed circuit first in the boiling vessel to heat up to boiling temperature. The resulting steam boiling is removed from the boiling tank, compressed by a compressor and fed to the pressure vessel. In parallel, boiling water is removed from the boiling tank and injected by means of a high-pressure pump in the pressure vessel. The forming in the pressure vessel steam is relaxed in a heat engine to obtain mechanical drive power. The lower temperature level is the capacitor. The condensed water is then fed back to the boiling tank by means of a pump.

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.A major disadvantage of the WO 02/36938 A1 known article is that two devices are required to promote the working medium from the boiling vessel with low pressure in the pressure vessel at high pressure, a pump for the liquid phase, a compressor for the gaseous phase. When conveying the liquid phase at boiling temperature, the problem arises spontaneous cavitation, since the vapor pressure of the boiling working fluid corresponds to the pressure in the boiling vessel. As a result, cavitation occurs even at a low pressure drop during suction. This can easily lead to destruction of the pump. When conveying the gaseous phase there is the problem of a high pressure ratio of up to 18: 1 between the pressure in the pressure vessel and in the boiling vessel. Continuously operating compressors, such as axial or radial compressor, must be designed to control such high pressure ratios in multiple stages, since they depending on the design per stage only pressure ratios of about 1.4: 1 to about 3.5: 1 dominate. This is expensive and uneconomical.

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.Out WO 2004/057173 A1 are also a method and apparatus for obtaining mechanical drive power from the waste heat of an internal combustion engine known. The apparatus comprises a closed low-temperature working medium circuit with a condenser, a boiling container, and a first heat exchanger, as well as a closed high-temperature working medium circuit with a condenser, a boiling container and a second heat exchanger. About the two heat exchangers, the waste heat of the exhaust system of an internal combustion engine is supplied to the two working fluid circuits. Optionally, the low-temperature working fluid circuit can be additionally connected to the coolant circuit of the internal combustion engine. Both circuits are connected to a heat engine to recover mechanical energy from the waste heat of the engine.

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.The disadvantage of this is that the working on a shaft heat engine is operated with two working fluid circuits at different temperature levels. This leads to high power losses within the heat engine.

Durch EP 1 333 157 A1 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors bekannt, mit mindestens einem 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. Bei der Abwärmequelle handelt es sich um einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors. Bei den Thermowandlern handelt es sich jeweils um eine von einem Arbeitsmittel durchströmte Wärmekraftmaschine. Das Arbeitsmittel zirkuliert in einem geschlossenen Arbeitsmittelkreislauf. Der Arbeitsmittelkreislauf ist thermisch mit der Abwärmequelle gekoppelt, wohingegen das im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierende Arbeitsmittel stofflich von jeglichem durch den Verbrennungsmotor strömenden oder dort entstehenden Fluid, sei es Verbrennungsluft, Abgas, Kühlmittel oder Schmierstoff des Verbrennungsmotors, getrennt ist. Der Arbeitsmittelkreislauf umfasst einen ein unteres Temperaturniveau bildenden Kondensator, 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 in Verbindung stehenden Wärmetauscher, sowie die Wärmekraftmaschine. Die im Arbeitsmittelkreislauf stattfindenden thermodynamischen Zustandsänderungen werden im Clausius-Rankine-Kreisprozess beschrieben. Dabei sind zwei in unterschiedlichen, voneinander getrennten Arbeitsmittelkreisläufen angeordnete Thermowandler vorgesehen, deren obere Temperaturniveaus an unterschiedlichen Stellen des Abgasstrangs anliegen. Um die Funktionsweise eines im Abgasstrang vorgesehenen Katalysators zur Abgasreinigung nicht zu beeinträchtigen ist vorgesehen, das obere Temperaturniveau des durch einen ersten Clausius-Rankine-Kreisprozesses beschriebenen Thermowandlers sowohl strömungstechnisch als auch thermisch oberhalb einer zur Steuerung der Abgaszusammensetzung verwendeten Abgassonde und das obere Temperaturniveau des durch einen zweiten Clausius-Rankine-Kreisprozesses beschriebenen Thermowandlers sowohl strömungstechnisch als auch thermisch unterhalb der Abgassonde anzuordnen. Ferner weist das Arbeitsmittel des ersten Clausius-Rankine-Kreisprozesses einen höheren Siedepunkt auf, als das des zweiten. Darüber hinaus ist zumindest die Fördermenge des Arbeitsmittelverdichters des ersten Clausius-Rankine-Kreisprozesses variabel.By EP 1 333 157 A1 a device for recovering energy from the waste heat of an internal combustion engine is known, with at least one associated with a formed by at least one waste heat source of the engine upper temperature level thermoelectric converter for converting at least a portion of the liberated by the internal combustion engine waste heat into mechanical or electrical energy. The waste heat source is an exhaust gas line of the internal combustion engine. The thermal transducers are in each case a heat engine through which a working medium flows. The working fluid circulates in a closed working fluid circuit. The working fluid circuit is thermally coupled to the waste heat source, whereas the circulating in the working fluid working fluid material from any fluid flowing through the engine or there arising fluid, be it combustion air, exhaust gas, coolant or lubricant of the internal combustion engine is separated. The working fluid circuit comprises a condenser forming a lower temperature level, a working fluid compressor operating at a lower temperature level to the pressure level of the upper temperature level, a heat exchanger forming the upper temperature level associated with a waste heat source of the internal combustion engine, and the heat engine. The thermodynamic state changes taking place in the working medium cycle are described in the Clausius-Rankine cycle. In this case, two arranged in different, separate working fluid circuits thermal transducers are provided, abut the upper temperature levels at different points of the exhaust system. In order not to adversely affect the operation of a catalytic converter provided in the exhaust gas system, the upper temperature level of the thermal converter described by a first Rankine cycle is both fluidically and thermally above an exhaust gas probe used to control the exhaust gas composition and the upper temperature level of a second Rankine cycle cycle described thermoelectric converter both fluidically and thermally to arrange below the exhaust gas probe. Furthermore, the working means of the first Rankine cycle process has a higher boiling point than that of the second. In addition, at least the delivery rate of the working fluid compressor of the first Rankine cycle is variable.

Nachteilig hieran ist der beschränkte Wärmeeintrag in die Arbeitsmittelkreisläufe verbunden mit einem unbefriedigenden Gesamtwirkungsgrad.A disadvantage of this is the limited heat input into the working fluid circuits associated with an unsatisfactory overall efficiency.

Durch US 5,609,029 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors bekannt, mit mindestens einem 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. Bei den Thermowandlern handelt es sich jeweils um eine von einem Arbeitsmittel durchströmte Wärmekraftmaschine. Das Arbeitsmittel zirkuliert in einem geschlossenen Arbeitsmittelkreislauf. Der Arbeitsmittelkreislauf ist zumindest mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt, wobei es sich bei dem im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierenden Arbeitsmittel um das im Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors zirkulierende Kühlmittel handelt. In übertragenem Sinne handelt es sich damit bei der Abwärmequelle zumindest um den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors. Das Arbeitsmittel steht außerdem stofflich in Verbindung mit dem im Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors zirkulierenden Kühlmittel bzw. ist das Kühlmittel. Um dem als Arbeitsmittelkreislauf ausgebildeten Kühlkreislauf mittels einer Wärmekraftmaschine ausreichend Energie entziehen zu können, um einen Clausius-Rankine-Kreisprozess sinnvoll betreiben zu können sind Druck und Temperatur im Verbrennungsmotor gegenüber einem herkömmlichen Kühlmittelkreislauf auf 2 bar bis 5 bar und 100°C bis 160°C erhöht. Die Gewinnung mechanischer Energie aus dem Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors läuft dabei wie folgt ab:

  • – Entspannung und dabei gleichzeitige Verdampfung eines Teils des mittels einer Kühlmittelpumpe unter einen Druck von etwa 4 bis 8 bar gesetzten und durch den Verbrennungsmotor hindurchgeleiteten Kühlmittels auf einen wesentlich unter dem Druck des durch den Verbrennungsmotor hindurchgeleiteten Kühlmittels, so dass etwa 5% des Kühlmittels verdampfen;
  • – Beaufschlagung der verbleibenden 95% des Kühlmittels mittels der Kühlmittelpumpe mit einem Druck von 4 bis 8 bar und Umwälzung durch den Verbrennungsmotor;
  • – Überhitzung des durch den verdampften Teils des Kühlmittels gebildeten Kühlmitteldampf z. B. mittels eines am Abgasstrang oder am Ladeluftkühler angeordneten Wärmetauschers;
  • – nochmalige Entspannung des überhitzten Kühlmitteldampfes in einer Dampfturbine zur Gewinnung mechanischer und hieraus elektrischer Energie;
  • – Kondensation des unter einem Druck von 0,1 bar aus der Dampfturbine austretenden Kühlmitteldampfes in einem Kondensator;
  • – Beaufschlagung des in dem Kondensator kondensierten durch die Dampfturbine geführten Teils des Kühlmittels mit einem Druck von 4 bis 8 bar mittels einer Pumpe;
  • – Vorheizen des mittels der Pumpe unter Druck gesetzten durch die Dampfturbine geführten Teils des Kühlmittels;
  • – Rückführung des mit Druck beaufschlagten Kühlmittels in die Umwälzung durch den Verbrennungsmotor.
By US 5,609,029 a device for recovering energy from the waste heat of an internal combustion engine is known, with at least one associated with a formed by at least one waste heat source of the engine upper temperature level thermoelectric converter for converting at least a portion of the liberated by the internal combustion engine waste heat into mechanical or electrical energy. The thermal transducers are in each case a heat engine through which a working medium flows. The working fluid circulates in a closed working fluid circuit. The working medium circuit is thermally coupled at least to the coolant circuit, wherein the working medium circulating in the working fluid circuit is the coolant circulating in the coolant circuit of the internal combustion engine. In a figurative sense, the waste heat source is thus at least the coolant circuit of the internal combustion engine. The working fluid is also materially in connection with the circulating in the coolant circuit of the engine coolant or is the coolant. In order to be able to withdraw sufficient energy from the cooling circuit designed as a working medium circuit by means of a heat engine in order to be able to operate a Clausius-Rankine cycle sensibly, pressure and temperature in the internal combustion engine are 2 bar to 5 bar and 100 ° C. to 160 ° C. compared to a conventional coolant circuit elevated. The extraction mechanical energy from the coolant circuit of an internal combustion engine runs as follows:
  • - Relaxation and thereby simultaneous evaporation of a portion of the set by means of a coolant pump under a pressure of about 4 to 8 bar and passed through the internal combustion engine coolant to a substantially lower than the pressure of the passed through the internal combustion engine coolant, so that evaporate about 5% of the coolant;
  • - Applying the remaining 95% of the coolant by means of the coolant pump with a pressure of 4 to 8 bar and circulation by the internal combustion engine;
  • - Overheating of the coolant vapor formed by the vaporized portion of the coolant z. B. by means of a heat exchanger arranged on the exhaust line or on the intercooler;
  • - Another relaxation of the superheated refrigerant vapor in a steam turbine to obtain mechanical and electrical energy therefrom;
  • - Condensation of the emerging under a pressure of 0.1 bar from the steam turbine refrigerant vapor in a condenser;
  • - Actuation of condensed in the condenser passed through the steam turbine part of the coolant at a pressure of 4 to 8 bar by means of a pump;
  • - Preheating the pressurized set by the pump through the steam turbine part of the coolant;
  • - Return of the pressurized coolant in the circulation by the internal combustion engine.

Der den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors umfassende Arbeitsmittelkreislauf hat somit einen ein unteres Temperaturniveau bildenden Kondensator, zwei das auf unterem Temperaturniveau flüssige und auf oberem Temperaturniveau dampfförmige Arbeitsmittel in getrennten Strängen auf das Druckniveau einer ersten Abwärmequelle mittleren Temperaturniveaus verdichtenden Arbeitsmittelverdichter, eine Verdampfungskammer in der ein Teil des Arbeitsmittels unter Expansion auf mittlerem Temperaturniveau verdampft, wobei der verdampfte Teil des Arbeitsmittels einem das obere Temperaturniveau bildenden, mit einer zweiten Abwärmequelle des Verbrennungsmotors in Verbindung stehenden Wärmetauscher zugeführt wird und der verbleibende flüssige bzw. unverdampfte Teil des Arbeitsmittels mittels eines der beiden Arbeitsmittelverdichter wieder der Abwärmequelle mittleren Temperaturniveaus zugeführt wird, sowie die nur von dem auf mittlerem Temperaturniveau verdampften Teil des Arbeitsmittels durchströmte Wärmekraftmaschine. Diese Methode einer Entnehme mechanischer und/oder elektrischer Energie aus dem Kühlmittelkreislauf ist mit dem Nachteil einer deutlichen Minderung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors durch Erhöhung des durch den Kühlmittelkreislauf gebildeten unteren Temperaturniveaus des Verbrennungsmotors auf fast das Doppelte des sonst üblichen Werts verbunden. Die Methode geht einher mit einer schlechteren Gesamtenergiebilanz von dem Verbrennungsmotor entnehmbarer mechanischer Energie zu aufgewandter chemischer Energie bzw. Reaktionsenthalpie. Darüber hinaus ist es äußerst unwirtschaftlich zwei unabhängige Pumpen zu verwenden, um den Druck im flüssigen Kühlmittel ausgehend von zwei unterschiedlichen Druckniveaus auf ein einheitliches im Verbrennungsmotor herrschendes Druckniveau anzuheben.The refrigerant circuit of the engine comprehensive working fluid circuit thus has a lower temperature level forming condenser, two at the lower temperature level and at upper temperature level vapor working medium in separate strands to the pressure level of a first waste heat source medium temperature level compressing working fluid compressor, an evaporation chamber in the part of the working fluid evaporated under expansion to medium temperature level, wherein the evaporated part of the working fluid is supplied to the upper temperature level forming, with a second waste heat source of the internal combustion engine associated heat exchanger and the remaining liquid or non-evaporated part of the working fluid by means of one of the two working medium compressor again the waste heat source middle Temperature levels is supplied, as well as the only evaporated from the medium temperature level of the working fluid flowed through heat engine. This method of removing mechanical and / or electrical energy from the coolant circuit is associated with the disadvantage of a significant reduction in the efficiency of the internal combustion engine by increasing the lower temperature level of the internal combustion engine formed by the coolant circuit to almost twice the usual value. The method is accompanied by a poorer overall energy balance of the mechanical energy removable from the internal combustion engine to the applied chemical energy or reaction enthalpy. Moreover, it is extremely uneconomical to use two independent pumps to increase the pressure in the liquid coolant from two different pressure levels to a uniform pressure level prevailing in the engine.

Durch EP 1 522 685 A1 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors bekannt, mit mindestens einem 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 elektrische Energie. Bei dem Thermowandler handelt es sich um einen den Seebeck-Effekt nutzenden thermoelektrischen Generator bzw. Wandler. Bei der Abwärmequelle handelt es sich um einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors.By EP 1 522 685 A1 a device for recovering energy from the waste heat of an internal combustion engine is known, with at least one associated with a formed by at least one waste heat source of the engine upper temperature level thermoelectric converter for converting at least a portion of the liberated by the internal combustion engine waste heat into electrical energy. The thermoelectric converter is a thermoelectric generator or converter using the Seebeck effect. The waste heat source is an exhaust gas line of the internal combustion engine.

Nachteilig hieran ist der beschränkte Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung.A disadvantage of this is the limited overall efficiency of the device.

EP 1 3 26 009 A1 beschreibt ein Rankine-Zyklussystem für eine Brennkraftmaschine, enthaltend einen Verdampfer zum Erhitzen von Flüssigphasen-Arbeitsmedium durch Abwärme von einer Brennkraftmaschine, um ein Gasphasen-Arbeitsmedium zu erzeugen, einen Expander zum Umwandeln von Wärmeenergie des von dem Verdampfer ausgegebenen Gasphasen-Arbeitsmediums in mechanische Energie, einen Kondensator zum Kühlen des von dem Expander ausgegebenen Gasphasen-Arbeitsmediums, um das Gasphasen-Arbeitsmedium in das Flüssigphasen-Arbeitsmedium rückzuverwandeln, einen Tank zur Aufbewahrung des von dem Kondensator ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums, sowie Pumpen zum Zuführen des Flüssigphasen-Arbeitsmediums in dem Tank zu dem Verdampfer. Die Pumpen sind eine Niederdruckpumpe und eine Höherdruckpumpe, wobei die Niederdruckpumpe das Flüssigphasen-Arbeitsmedium in dem Tank durch ein Kühlmittel für die Brennkraftmaschine leitet, um hierdurch das Flüssigphasen-Arbeitsmedium zu erhitzen und einem Ausgabeventil zuzuführen, wobei ein Teil des von dem Ausgabeventil ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums durch die Höherdruckpumpe unter Druck gesetzt und dem Verdampfer zugeführt wird, wobei ein anderer Teil des von dem Ausgabeventil ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums, nach Abgabe seiner Wärme in ein Hilfsaggregat, zum Tank abgegeben wird. EP 1 3 26 009 A1 describes a Rankine cycle system for an internal combustion engine including an evaporator for heating liquid phase working fluid by waste heat from an internal combustion engine to produce a gas-phase working fluid, an expander for converting heat energy of the gas-phase working fluid discharged from the evaporator into mechanical energy; a condenser for cooling the gas-phase working medium discharged from the expander to revert the gas-phase working medium into the liquid-phase working medium, a tank for storing the liquid-phase working medium discharged from the condenser, and pumps for supplying the liquid-phase working medium in the tank the evaporator. The pumps are a low pressure pump and a high pressure pump, wherein the low pressure pump directs the liquid phase working fluid in the tank through an internal combustion engine coolant to thereby heat and supply the liquid phase working fluid to a discharge valve, a portion of the liquid phase fluid dispensed from the discharge valve. Working medium is pressurized by the high-pressure pump and fed to the evaporator, wherein another part of the dispensed from the dispensing valve Liquid phase working medium, after delivery of its heat in an auxiliary unit, is discharged to the tank.

US 4 334 409 B beschreibt eine Vorrichtung zur Verbrennungsmotor-Energierückgewinnung unter Ausnutzung mehrerer Abwärmequellen. US 4,334,409 B describes an apparatus for internal combustion engine energy recovery utilizing multiple waste heat sources.

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.The invention is therefore based on the object to remedy this situation. In particular, it is an object of the invention to develop a device which allows the use of the largest possible part of the waste heat of an internal combustion engine to obtain electrical and / or mechanical energy in a manageable manner in an effective manner. This object of the invention is achieved with the subject matter of the independent claim. Features of advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims. The object of the invention is achieved in a device of the type mentioned in particular by at least one associated with a formed by at least one waste heat source of the engine upper temperature level thermoelectric converter, for converting at least a portion of the liberated by the internal combustion engine waste heat into mechanical or electrical energy.

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.The term thermal transducer here includes both heat engines, such as continuously operating turbomachinery, periodically operating piston engines, hot air engines, in particular Stirling engines, as well as thermoelectric converter, such as a Seebeck effect thermocouple, and the like. The thermoelectric converter can be connected, for example, indirectly via a heat exchanger, a working fluid circuit, a heat pipe or the like, or directly to the exhaust gas system.

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.An essential aspect of the invention is, instead of or in addition to the known, for example, from the power plant area, there in the form of steam processes processes, concepts and arrangements from the field, for example, the use of marine heat and geothermal, with which even at low temperature differences electric current can be generated to transfer and apply to motor vehicles. This is achieved, for example, in that, depending on the temperature level of a waste heat source of the internal combustion engine associated with a thermal converter, the thermal transducer is designed as a heat engine, thermoelectric converter, for example as a thermocouple, or as a thermionic generator, or in any other suitable form. In principle, it is conceivable to arrange different thermoelectric transducers adapted to specific temperature differences in series, for example by means of working medium circuits. Each of the thermal transducers used is directly or indirectly, for example via an upstream thermo-converter or a working medium circuit, with one or more waste heat sources of the internal combustion engine in combination.

Die Abwärmequelle umfasst einen Abgasstrang und einen Kühlmittelkreislauf und vorzugsweise einen Ladeluftkühler des Verbrennungsmotors.The waste heat source comprises an exhaust gas line and a coolant circuit and preferably a charge air cooler of the internal combustion engine.

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.An advantageous embodiment of the invention provides that the thermal transducer comprises a continuously or periodically flowed through by a working heat engine, wherein the working fluid in a one forming a lower temperature level designed as a condenser heat exchanger, a liquid at the lower temperature level working fluid to the pressure level of the upper temperature level compacting working fluid compressor, the upper temperature level forming, with a waste heat source of the internal combustion engine, preferably with an exhaust line of the internal combustion engine in connection, for example, designed as an evaporator heat exchanger, and the heat engine comprising, closed working fluid circuit circulates.

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.It is conceivable that the working fluid circuit between the working medium compressor and heat engine instead of or in addition to a heat source associated with a heat source of the internal combustion engine heat exchanger includes the coolant circuit of the engine, so that the working fluid flows through its circulation in the working fluid circuit arranged in the engine coolant channels. In this case, the internal combustion engine itself forms a heat exchanger which communicates with a waste heat source of the internal combustion engine, namely the waste heat source of the coolant. In this way, a heat exchanger can be saved, since the working fluid itself flows directly through the coolant channels of the internal combustion engine to receive a portion of the waste heat of the internal combustion engine.

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.It is also conceivable that the working fluid circuit in the circulation direction of the working fluid between working medium compressor and heat engine comprises at least two associated with the exhaust system of the engine at different temperature levels heat exchanger, a first for preheating the working fluid at a low temperature level by means of the already cooler exhaust gases, and a second upper temperature level with still hot exhaust gases, wherein one of the two heat exchangers can be designed as an evaporator.

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. Furthermore, it is conceivable that the working fluid circuit comprises in the circulation direction of the working fluid between the working medium compressor and heat engine at least a first associated with a coolant circuit of the engine heat exchanger, and at least a second, associated with the exhaust line of the internal combustion engine heat exchanger, wherein one of the two heat exchangers can be designed as an evaporator. The associated with the coolant circuit heat exchanger forms an average temperature level in the working fluid circuit, whereas the heat exchanger associated with the exhaust line forms the upper temperature level.

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.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the working fluid circuit in the circulation direction of the working fluid between the working medium compressor and the heat engine comprises at least one associated with a charge air cooler of the internal combustion engine heat exchanger, which may be designed as an evaporator.

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.Which of the heat exchangers contained in the above embodiments is designed as an evaporator, depends on the choice of circulating in the working fluid circuit working fluid. By suitable choice of the working fluid and thus its boiling point, the overheating of the vaporous working fluid in the evaporator can be chosen so that no condensation occurs at a given expansion ratio of the heat engine.

Eine besonders vorteilhafte 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.A particularly advantageous device comprises at least two thermo-transducers connected to different temperature levels of the internal combustion engine with at least two waste heat sources. It is conceivable that at least one of the two thermal transducers comprises a working fluid circuit, wherein the respective lower temperature level of the two thermal transducers is formed by the environment. It is also conceivable that at least one of the two thermal transducers comprises a working medium circuit, wherein the lower temperature level of at least one first thermo-converter forms the upper temperature level of at least one second thermo-converter.

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.Preferably, at least one thermo-converter comprises a thermoelectric converter. If more than one thermal transducer is provided in a device according to the invention described above, then a thermoelectric converter can be designed as a thermocouple and another as a heat engine.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to exemplary embodiments. Show it:

1a) eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit einem als Turbomaschine ausgeführten Thermowandler, 1a) 1 is a schematic representation of a first embodiment of a device with a thermal converter designed as a turbomachine,

1b) eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a) mit einem als Stirlingmotor ausgeführten Thermowandler, 1b) a schematic representation of the device 1a) with a thermal converter designed as a Stirling engine,

1c) eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a) mit einem als thermoelektrischen Wandler ausgeführten Thermowandler, 1c) a schematic representation of the device 1a) with a thermoelectric converter designed as a thermoelectric converter,

2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, 2 a schematic representation of a second embodiment of a device,

3a eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, 3a a schematic representation of a third embodiment of a device,

3b eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, 3b a schematic representation of a fourth embodiment of a device,

4 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, welche die vorherigen Ausführungsbeispiele aus den 1, 2 und 3 kombiniert, 4 a schematic representation of a fifth embodiment of a device, which the previous embodiments of the 1 . 2 and 3 combined

5 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, 5 a schematic representation of a sixth embodiment of a device,

6 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, sowie 6 a schematic representation of a seventh embodiment of a device, and

7 eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels einer 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. 7 a schematic representation of an eighth embodiment of an apparatus in which the uncontrolled discharged via the surface of an internal combustion engine waste heat is retained by an insulation and fed into a integrated circuit in a working fluid coolant circuit.

Die 1a) zeigt eine 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.The 1a) shows a device 1 with a heat exchanger 4 , which works as an evaporator while heat energy from the exhaust enthalpy of an internal combustion engine 8th in a working fluid circuit 2 transfers. The heat exchanger is this with an exhaust system 9 of the internal combustion engine 7 connected. One in the exhaust system 8th arranged turbocharger 9 is in front of the heat exchanger 4 arranged. About a thermal transducer in the form of a turbomachine 5 running heat engine is the in the working fluid circuit 2 circulating working fluid, such as water, which is in vapor form at the upper temperature level, again withdrawn a portion of its energy and delivered to a generator G for obtaining electrical energy. The residual heat of the relaxed working fluid is via a condenser network working as a condenser 6 dissipated. One Work compressors 3 , which is also referred to as a feedwater pump in a steam cycle process, leads to the high pressure side of the evaporator 4 new work equipment too. The thermodynamic cycle begins again.

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.The device 1' in 1b) points instead of a turbo machine 5 and a power tool compressor 3 one as a Stirling engine 5 ' executed Thermowandler on. The Stirling engine 5 ' is connected to a generator G for the delivery of electrical energy. The Stirling engine 5 ' can with its hot side also directly with the exhaust system 8th' of the internal combustion engine 7 ' be connected. Also conceivable is the Stirling engine 5 ' by means of a heat pipe with the exhaust line 8th' connect to. The cold side of the Stirling engine 5 ' is with a working fluid circuit 2 ' cooled, in which a working fluid circulates. A working fluid pump 3 ' pumps a liquid working fluid through the working fluid circuit 2 ' where it is on the cold side of the Stirling engine 5 ' whose waste heat absorbs and as a cooler 6 ' with the upstream fan heat exchanger discharged to the environment.

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.The device 1'' in 1c) points instead of a turbo machine 5 and a power tool compressor 3 or instead of a Stirling engine 5 ' one as a thermoelectric converter 5 '' executed Thermowandler on. The thermoelectric converter 5 '' is designed as a thermocouple or as a thermionic generator. The thermoelectric converter 5 '' converts the waste heat of the exhaust line 8th'' of the internal combustion engine 7 '' directly without moving parts into electrical energy. The thermoelectric converter 5 '' can in turn with its hot side also directly to the exhaust system 8th'' of the internal combustion engine 7 '' be connected. It is also conceivable, the thermoelectric converter 5 '' by means of a heat pipe with the exhaust line 8th'' connect to. The cold side of the thermoelectric converter 5 '' is again by means of a working fluid circuit 2 '' cooled. A working fluid pump 3 '' pumps a liquid working fluid through the working fluid circuit 2 '' where it is on the cold side of the thermoelectric converter 5 '' whose waste heat absorbs and as a cooler 6 '' with the upstream fan heat exchanger discharged to the environment.

Die in 2 dargestellte 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.In the 2 illustrated device 10 again comprises a working fluid circuit 20 as in 1 shown comprising a thermal transducer 50 , a working fluid compressor 30 and one as an evaporator 40 executed, with the exhaust system 80 of the internal combustion engine 70 connected heat exchanger. An arranged in the exhaust line turbocharger 90 is in front of the evaporator 40 in the exhaust system 80 arranged. Instead of a separate radiator network, however, the components of the engine cooling system present in the motor vehicle are used here. One as a capacitor 60 Working heat exchanger gives its waste heat to the coolant circuit 71 of the internal combustion engine 70 from. About the radiator network 72 of the coolant circuit 71 is supported by the fan of the internal combustion engine 70 , the residual heat released to the environment.

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.At the in 3a illustrated device 11 is unlike the 1 and 2 not the waste heat of the exhaust system 8th . 8th' . 8th'' . 80 but the waste heat of the coolant circuit 71 used for the production of mechanical and / or electrical energy. The in 3 shown working fluid circuit 21 can do this in addition to one in the 1 and 2 shown working medium circuit 2 . 2 ' . 2 '' . 20 be arranged in a device according to the invention. In the in 3 shown working medium circuit 21 For example, ammonia or other refrigerant used in air conditioners, for example, may be used as the working fluid. About as an evaporator 41 running heat exchanger takes the working fluid heat energy from the cooling circuit 71 of the internal combustion engine 70 and then gives a part of the heat energy absorbed as a turbomachine 51 executed Thermowandler from. The from the turbo engine 51 Provided mechanical energy is supplied to a generator G for generating electrical energy.

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.The residual heat in the working fluid circuit 21 after the turbine 51 can partly via a recuperator 110 for a first preheating of the working fluid after the working fluid pump 31 be coupled again. The order of components intercooler 74 and recuperator 110 must be selected depending on their respective temperature level and therefore can be reversed. If the intercooler 74 If it requires a very low temperature, it is immediately after the working fluid pump 31 provided. Or, to the greatest possible temperature gradient in the recuperator 110 To use, he will immediately after the work fluid pump 31 built-in. For the sake of clarity, the recuperator 110 only in 3a shown. He can be but in principle all circuits of 1 to 7 provide.

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.The remaining residual heat of the working fluid circuit 21 is via a working as a condenser, provided with a fan cooling network 61 delivered to the environment. A working fluid pump 31 leads to the evaporator 41 again cooled work equipment too. The cooling circuit 71 of the internal combustion engine 70 is from a water pump 75 driven, the required temperature level of the coolant circuit with suitable operation management 71 comply. The installation of the internal combustion engine 70 belonging intercooler 73 . 74 and the recuperator 110 is 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. 3b) describes the same arrangement of components as well as in 3a) shown. However, in order to be able to use work equipment which evaporates even at pressures which are less than the ambient pressure (<1000 mbar), vacuum pumps are used in the high and low pressure parts of the working fluid circuit 114 and check valves 112 needed compared to the ambient pressure. The evaporator 41 and the condenser with radiator 61 ' must be specially designed and designed for this purpose. In this way, z. B. even at temperatures that are significantly less than 100 ° C, evaporate water. These concepts are known from the sea heat utilization technique ["Renewable Energy from the Ocean, A Guide to OTEC" by William H. Avery and Chih Wu, New York Oxford OXFORD UNIERSITY PRESS 1994] and are translated to a mobile application. For the sake of clarity, vacuum pumps 114 and check valves 112 only in 3b shown. The components can be basically used in all circuits of the 1 , except 1b) and 1c) , to 7 Provide again.

Die in den 1a) bis c), sowie 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen 1, 1', 1'' entsprechen dabei einem 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.The in the 1a) to c), as well 2 and 3 illustrated devices 1 . 1' . 1'' correspond to a structure in which a thermal transducer 5 . 5 ' . 5 '' . 50 . 51 with one by a waste heat source 8th . 8th' . 8th'' . 80 . 71 of the internal combustion engine 7 . 7 ' . 7 '' . 70 formed upper temperature level, for the conversion of at least a part of the internal combustion engine 7 . 7 ' . 7 '' . 70 released waste heat into mechanical or electrical energy. The waste heat source includes in the case of 1 and 2 illustrated devices 1 . 1' . 1'' . 10 an exhaust system 8th . 8th' . 8th'' of the internal combustion engine 7 . 7 ' . 7 '' . 70 , whereas the waste heat source at the in 3a) and 3b) illustrated device 11 a coolant circuit 71 and optionally a charge air cooler 73 . 74 of the internal combustion engine 70 , a vacuum pump 114 , a check valve 112 , a recuperator 110 etc. includes.

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.In the 4 illustrated device 12 shows an arrangement of two working fluid circuits 22 . 23 , which are connected in a cascade for a heat flow. Here are the in the 1 to 3 Used concepts combined used. The waste heat of the exhaust system 80 lies as indicated by the temperature data in 4 illustrates, at a higher temperature level, than the waste heat of the coolant circuit 71 , To a particularly high temperature level in the working fluid circuit 22 To achieve higher temperature is one in the exhaust system 80 arranged turbocharger 90 in front of the exhaust system 80 connected, as an evaporator 62 Working heat exchanger of the working fluid circuit 22 arranged. First, part of the exhaust gas enthalpy is via a in the working fluid circuit 22 arranged turbo machine 52 used for power generation. The remaining heat can, with a suitable design via a capacitor 62 trained heat exchanger of the working medium circuit 22 for overheating of the working fluid in the working medium circuit 23 serve. In the working medium circle 23 again is a power generation with a turbomachine 53 , similar to in 3a) and 3b) shown, with the difference that in addition to that with the coolant circuit 71 connected, as an evaporator 43 working heat exchanger of the condenser 62 of the working medium cycle 22 in the working medium circuit 23 is arranged, and there forms the upper temperature level. Both working fluid circuits 22 . 23 have working fluid compressors 32 . 33 with which after the capacitors 62 . 63 each liquid present working fluid again the respective evaporator 42 . 43 is supplied. In addition, in 4 recognizable that in addition to the cooling circuit 71 of the internal combustion engine 70 based on the device 11 out 3 again the waste heat from intercoolers 73 . 74 the working medium circuit 23 can be supplied.

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. 5 shows a device 14 in which the coolant circuit of the internal combustion engine 70 Part of a working medium cycle 25 is. This represents a considerable simplification, since it is possible to dispense with a heat exchanger between the coolant circuit and the working fluid circuit. In addition, the working fluid compressor 35 assume the task of the coolant pump of the coolant circuit, so that it can be dispensed with the coolant pump. The seals of the coolant circuit must in this case on the working medium circuit 25 circulating work equipment and that in the working medium circle 25 prevailing pressure level be designed so that no working fluid due to leaks in the internal combustion engine 70 can penetrate. Between working medium compressor 35 and as a turbomachine 55 executed thermal transducer preferably prevails a higher pressure than in a normal coolant circuit. The working fluid circuit 24 in 5 is designed as well as the working fluid circuit 22 in 4 , wherein the lower temperature level of the working medium circuit 24 by one with the working fluid circuit 25 connected, as a capacitor 64 designed heat exchanger is formed. Again, the capacitor is used 64 of the working medium circle 24 again an overheating of the working fluid in the working medium circle 25 , The lower temperature level of the working medium circuit 25 is by a capacitor 65 designed heat exchanger formed.

Die in 6 dargestellte 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.In the 6 illustrated device 16 shows a further reduction of the required components. Here, too, includes the working medium cycle 26 the coolant circuit of the internal combustion engine 70 , That in the working fluid circuit 26 from the working medium compressor 36 driven circulating working fluid is flowing through the coolant channels in the internal combustion engine 70 preheated and preferably not yet evaporated. The evaporation preferably takes place first in one with the exhaust gas line 80 of the internal combustion engine 70 connected, as an evaporator 46 executed heat exchanger. In the evaporator 46 the working fluid is overheated. Then it becomes one as a turbo engine 56 exported thermoelectric converter, where it is expanded while lowering the temperature, then a capacitor 66 to be fed. Depending on the working fluid used, it may be necessary for the condenser designed as a radiator network 66 a liquid separator needed. The working medium compressor 36 then leads the working fluid back to the coolant circuit of the engine 70 to and the thermodynamic cycle begins again.

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.In the 7 illustrated device 18 shows schematically that the heat input into the working fluid circuit 28 through a thermal insulation 100 of the internal combustion engine 70 can be increased.

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.If a thermal converter designed as a heat engine is a turbomachine, such as in the 1a) , such as 2 to 7 shown, it can also be performed in multiple stages with or without intermediate heating between successive stages.

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.In particular, in commercial vehicles, especially those used in long-distance travel, the devices described in this document can be used particularly beneficial, since the internal combustion engines in such vehicles in contrast to internal combustion engines in passenger cars, where predominantly a low or partial load operation with accordingly strongly variable exhaust gas temperatures and heat input into the cooling circuit is present, permanently operated at a relatively constant high level under high load.

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.It is important to emphasize that the working medium for the circuits described above, any suitable medium is conceivable that is liquid at the respective lower temperature level, and at least at the respective upper temperature level gaseous. If a common circuit for the use of the waste heat of the cooling water and the use of the waste heat of the exhaust line is provided, the boiling point of the working fluid is preferably in a temperature range that is exceeded before the upper temperature level forming heat exchanger. To find suitable media can be used, for example, key technologies, in particular space technology. There, so-called heat pipes are used for temperature control of satellites, space stations and spacecraft, solar thermal applications, nuclear thermal generators, radioisotope batteries and the like, in which a liquid medium evaporates at the hot end to be cooled by the molecular self-movement under a total pressure corresponding to the partial pressure transported in the heat pipe to the other, cold end, there condensed and transported by capillary action or in the gravitational field by gravity back to the hot end. Depending on the temperature level, helium, nitrogen, methanol, ethanol, long-chain alcohols, water, mercury, sodium, lithium, aluminum and the like are known as working fluids, for example.

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.It is also known to use solutions or mixtures, for example, a mixture of ammonia and water can be used according to the Kalina method, as described in "Energy from Geothermal" by Martin Kaltschmitt, Ernst Huenges and Helmut Wolf (Deutscher Verlag für Grundstoffchemie, Stuttgart 1999).

Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung und dem Betrieb von Kraftfahrzeugen, sowie der Herstellung von Kraftfahrzeugantrieben gewerblich anwendbar.The invention is particularly industrially applicable in the field of production and operation of motor vehicles, as well as the production of motor vehicle drives.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 1', 1'', 10, 11, 11', 12, 14, 16, 181, 1 ', 1' ', 10, 11, 11', 12, 14, 16, 18
Vorrichtungcontraption
2, 2', 2'', 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 282, 2 ', 2 ", 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28
ArbeitsmittelkreislaufWorking agent circuit
3, 30, 31, 32, 33, 35, 363, 30, 31, 32, 33, 35, 36
ArbeitsmittelverdichterWork compressors
3838
ArbeitsmittelpumpeWorking medium pump
3', 3''3 ', 3' '
KühlmittelpumpeCoolant pump
4, 40, 41, 42, 43, 464, 40, 41, 42, 43, 46
VerdampferEvaporator
4848
Dampfturbine oder Dampfmotor mit GeneratorSteam turbine or steam engine with generator
5, 5', 5'', 50, 51, 52, 53, 55, 565, 5 ', 5 ", 50, 51, 52, 53, 55, 56
Thermowandler/TurbineThermal transducer / Turbine
6, 6', 6'', 60, 61, 62, 63, 64, 65, 666, 6 ', 6 ", 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66
Kondensatorcapacitor
7, 7', 7'', 707, 7 ', 7 ", 70
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
7171
KühlmittelkreislaufCoolant circuit
7272
Kühlernetzradiator core
73, 7473, 74
LadeluftkühlerIntercooler
7575
KühlmittelpumpeCoolant pump
8, 8', 8'', 808, 8 ', 8 ", 80
Abgasstrangexhaust gas line
9, 9', 9'', 909, 9 ', 9 ", 90
Turboladerturbocharger
100100
Isolierunginsulation
GG
Generatorgenerator
110110
Rekuperatorrecuperator
112112
Rückschlagventilcheck valve
114114
Vakuumpumpevacuum pump

Claims (9)

Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer Vorrichtung (1, 1', 1'', 10, 11, 12, 14, 16, 18) zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors (70) des Kraftfahrzeugs, umfassend 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, wobei 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, und 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, wobei der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs mit einer Wärmeisolation (100) versehen ist.Motor vehicle, in particular commercial vehicle, with a device ( 1 . 1' . 1'' . 10 . 11 . 12 . 14 . 16 . 18 ) for recovering energy from the waste heat of an internal combustion engine ( 70 ) of the motor vehicle, comprising at least one with a by at least one waste heat source ( 71 . 73 . 74 . 8th . 8th' . 8th'' . 80 ) of the internal combustion engine ( 7 . 7 ' . 7 '' . 70 ) formed upper temperature level in associated thermo-transducer ( 5 . 5 ' . 5 '' . 50 . 51 . 52 . 53 . 55 . 56 ), for converting at least part of the engine ( 7 . 7 ' . 7 '' . 70 ) released waste heat into mechanical or electrical energy, wherein the thermal transducer a flowed through by a working fluid heat engine ( 5 . 50 . 51 . 52 . 53 . 55 . 56 ), wherein the working fluid in a capacitor forming a lower temperature level ( 6 . 60 . 61 . 62 . 63 . 64 . 65 . 66 ), a working fluid which is liquid at a lower temperature level and is compressed to the pressure level of the upper temperature level ( 3 . 30 . 31 . 32 . 33 . 35 . 36 ) forming an upper temperature level with a waste heat source ( 8th . 71 . 73 . 74 . 80 ) of the internal combustion engine ( 7 . 70 ) associated heat exchangers ( 4 . 40 . 41 . 42 . 43 . 46 ), as well as the heat engine ( 5 . 50 . 51 . 52 . 53 . 55 . 56 ) comprehensive, closed work equipment cycle ( 2 . 20 . 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 28 ), and the working medium circuit ( 2 . 20 . 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 28 ) between working medium compressor ( 3 . 30 . 31 . 32 . 33 . 35 . 36 ) and heat engine ( 5 . 50 . 51 . 52 . 53 . 55 . 56 ) at least a first with a coolant circuit ( 71 ) of the internal combustion engine ( 7 . 70 ) associated heat exchangers ( 41 . 43 ), and at least a second, with the exhaust gas line ( 8th . 80 ) of the internal combustion engine ( 7 . 70 ) associated heat exchangers ( 4 . 40 . 42 . 46 ), wherein the internal combustion engine of the motor vehicle with a heat insulation ( 100 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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.Apparatus according to claim 1, characterized in that the working medium circuit ( 2 . 20 . 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 28 ) between working medium compressor ( 3 . 30 . 31 . 32 . 33 . 35 . 36 ) and heat engine ( 5 . 50 . 51 . 52 . 53 . 55 . 56 ) at least one with a charge air cooler ( 73 . 74 ) of the internal combustion engine ( 7 . 7 ' . 7 '' . 70 ) in associated heat exchanger. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens eine zwischen Abwärmequelle und Thermowandler angeordnete Heatpipe.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized by at least one arranged between waste heat source and thermoelectric heat pipe. 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).Device according to one of the preceding claims, characterized by at least two with at least two waste heat sources ( 71 . 73 . 74 . 8th . 8th' . 8th'' . 80 ) different temperature levels related thermal transducers ( 5 . 5 ' . 5 '' . 50 . 51 . 52 . 53 . 55 . 56 ). Vorrichtung nach Anspruch 4, 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.Apparatus according to claim 4, characterized in that at least one of the two thermal transducers ( 5 . 5 ' . 5 '' . 50 . 51 ) a working medium circuit ( 2 . 2 ' . 2 '' . 20 . 21 ), wherein the respective lower temperature level of the two thermal transducers ( 5 . 5 ' . 5 '' . 50 . 51 ) is formed by the environment. Vorrichtung nach Anspruch 4, 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.Apparatus according to claim 4, characterized in that at least one of the two thermal transducers a working medium circuit ( 22 . 23 ), wherein the lower temperature level ( 62 ) at least one first thermal transducer ( 52 ) the upper temperature level of at least one second thermal transducer ( 53 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Thermowandler einen thermoelektrischen Wandler (5'') umfasst.Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that at least one thermo-converter a thermoelectric converter ( 5 '' ). Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Thermowandler als Turbomaschine ausgebildet ist.Device according to one or more of the preceding claims 1 to 7, characterized in that at least one thermo-converter is designed as a turbomachine. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine mehrstufig mit Zwischenerhitzung zwischen aufeinander folgenden Stufen ausgebildet ist.Apparatus according to claim 8, characterized in that the turbomachine is formed in multiple stages with intermediate heating between successive stages.
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