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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Energierückgewinnung, mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem Kühl-Kreislauf für ein Kühlmedium, das Wärme von der Verbrennungskraftmaschine abführen kann, und einem Arbeits-Kreislauf für ein Arbeitsmedium, das einem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine Wärme entziehen kann.
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Ein Problem bei Verbrennungskraftmaschinen ist, daß nur ein kleiner Teil des Energiegehalts des zugeführten Kraftstoffs in mechanische Energie umgesetzt wird. Bei einer Verbrennungskraftmaschine, wie sie in Kraftfahrzeugen verwendet wird, fällt vom Energiegehalt des zugeführten Kraftstoffs ein Verlust in der Größenordnung von 44 Prozent im Bereich des Abgassystems an (Wärmegehalt des Abgases und Strömungsenergie), und weitere rund 30 Prozent der zugeführten Energiemenge werden über das Kühlsystem an die Umgebung abgegeben. Für stationär betriebene Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Gaskraftwerke, ist es bekannt, einen Teil der Wärmeenergie des Abgases zurückzugewinnen. Dies stellt technisch grundsätzlich keine sehr große Herausforderung dar, da solche Verbrennungskraftmaschinen immer unter konstanten Bedingungen betrieben werden. Eine Energierückgewinnung bei Verbrennungskraftmaschinen, die für Kraftfahrzeuge verwendet werden, stellt dagegen eine sehr viel größere Herausforderung dar, da die Verbrennungskraftmaschine unter sich stark unterscheidenden und auch schnell ändernden Betriebszuständen betrieben wird.
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Die
DE 10 2005 061 214 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine, wobei einem Arbeitskreislauf mittels eines Wärmetauschers Wärmeenergie aus einem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine übertragen wird. Das erhitzte Kältemittel wird über eine Arbeitsmaschine geleitet, um mechanische Energie zu liefern. Der Arbeitskreislauf ist mit einem Klimaanlagenkreis verbunden. Die Durchströmung der jeweiligen Strömungszweige ist über Schaltventile einstellbar, wobei eine Steuerung eine optimale Wärmesammelmenge einstellt.
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Die
DE 10 2006 036 122 A1 zeigt einen Arbeitskreis, in dem ein Kältemittel zirkuliert, der Wärmeenergie aus dem Kühlmittel und dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine gewinnt und in einer Arbeitsmaschine in mechanische Energie umsetzt. Mittels eines Bypasses kann die Arbeitsmaschine umgangen werden.
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Die WO 2006/ 138 459 A2 zeigt einen Kältemittelkreis, der als Arbeitskreislauf eine Turbine antreibt, wobei als Wärmequelle sowohl ein Kühlkreislauf als auch ein Abgaswärmetauscher genutzt werden können. Die Durchströmung der einzelnen Wärmetauscher ist einstellbar.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Baugruppe der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sie einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Betriebszuständen hat.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Baugruppe der eingangs genannten Art die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, viele verschiedene Strömungswege und damit Kreisprozesse bei ein und derselben Baugruppe zur Verfügung zu stellen und in Abhängigkeit von den jeweiligen Umgebungs- und Betriebsbedingungen denjenigen Strömungsweg auszuwählen, der zu einem optimalen Gesamtwirkungsgrad führt. Auf diese Weise können bei so unterschiedlichen Betriebsbedingungen wie Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine nach einem Kaltstart im Winter einerseits und Vollastbetrieb im Sommer andererseits die Kreisläufe für das Kühlmedium und das Arbeitsmedium so gestaltet werden, daß die mittels des Kraftstoffs zugeführte Energiemenge optimal genutzt wird.
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Der Kühlkreislauf weist einen Kühler und einen Wärmeübertrager auf, mittels dem das Kühlmedium und das Arbeitsmedium in thermischer Verbindung stehen. Der Wärmeübertrager kann je nach den Einstellungen der Schaltventile dazu verwendet werden, das Kühlmedium bei einem Kaltstart aufzuwärmen oder das Arbeitsmedium zu kondensieren.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß das Schaltventil zwischen einem Zustand, in welchem das Kühlmedium durch den Kühler und den Wärmeübertrager strömt, und einem Zustand schaltbar ist, in dem das Kühlmedium nur durch den Wärmeübertrager strömt. Dies ermöglicht, den Kühler vom Kühl-Kreislauf abzukoppeln, so daß entweder bei niedrigen Temperaturen keine Wärme im Kühl-Kreislauf verloren geht oder die gesamte von der Verbrennungskraftmaschine abzuführende Wärme dem Arbeitsmedium zugeführt wird.
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Als Kühlmedium kann vorzugsweise Wasser verwendet werden, das mit den üblichen Zusätzen zum Korrosionsschutz, Frostschutz, etc. versehen ist.
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Der Arbeits-Kreislauf weist einen Wärmetauscher auf, eine Arbeitsmaschine, einen Kondensator und eine Pumpe. Der Wärmetauscher ist der Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet, so daß dem Arbeitsmedium Wärme vom Abgasstrom zugeführt werden kann. Die Arbeitsmaschine ist dafür vorgesehen, die Wärme des Arbeitsmediums in mechanische Energie umzusetzen. Hierfür können Kolbenmaschinen, Turbinen, etc. verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Arbeits-Kreislauf mehrere Schaltventile auf, mittels denen verschiedene der vorgenannten Bauteile des Arbeits-Kreislaufs umgangen werden können, beispielsweise der Kondensator oder die Arbeitsmaschine, oder andere Bauteile hinzugeschaltet werden können, beispielsweise der Wärmeübertrager. Dies ermöglicht, den Gesamtwirkungsgrad der Baugruppe in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine zu optimieren.
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Als Arbeitsmedium des Arbeits-Kreislaufs kann ein Kältemittel verwendet werden, wie es auch für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen oder für Kühl- und Gefrieranlagen verwendet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Arbeitsmaschine mit der Pumpe gekoppelt ist, insbesondere schaltbar mechanisch. Auf diese Weise kann die zum Antrieb der Pumpe erforderliche Leistung direkt von der Arbeitsmaschine abgegriffen werden.
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Vorzugsweise können der Kühler und der Kondensator zu einer Einheit zusammengefaßt sein, der ein Lüfter zugeordnet ist. Dies ermöglicht, diese Bauteile für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs zu verwenden.
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Bei der Verbrennungskraftmaschine kann es sich um einen Verbrennungsmotor wie einen Dieselmotor oder einen Benzinmotor eines Kraftfahrzeugs handeln oder um einen Gasmotor, eine heiße Brennstoffzelle, etc.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Baugruppe;
- - 2 die Baugruppe von 1 in einem ersten Betriebszustand;
- - 3 die Baugruppe von 1 in einem zweiten Betriebszustand;
- - 4 die Baugruppe von 1 in einem dritten Betriebszustand; und
- - 5 die Baugruppe von 1 in einem vierten Betriebszustand.
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In 1 ist schematisch eine Baugruppe dargestellt, die eine Verbrennungskraftmaschine 10 und mehrere Komponenten umfaßt, die zur Energierückgewinnung dienen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist insbesondere ein Diesel- oder Benzinmotor eines Kraftfahrzeugs.
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Es ist ein Kühl-Kreislauf vorgesehen, der hier schematisch mit dem Bezugszeichen 12 angedeutet ist und in welchem ein Kühlmedium zirkulieren kann, beispielsweise Wasser. Der Kühl-Kreislauf 12 dient dazu, Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 10 abzuführen. Zu diesem Zweck ist ein Kühler 14 vorgesehen, mittels dem Wärme vom Kühlmedium an die Umgebung abgegeben werden kann. Im Kühl-Kreislauf 12 ist ferner ein Schaltventil 16 angeordnet, welches den Strömungsweg für das Kühlmedium so umschalten kann, daß der Kühler 14 nicht durchströmt wird. Im Kühl-Kreislauf 12 ist weiterhin ein Wärmeübertrager 18 angeordnet, mittels dem das Kühlmedium thermisch mit einem Arbeitsmedium gekoppelt ist, das in einem schematisch angedeuteten Arbeits-Kreislauf 20 umlaufen kann.
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Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Komponenten des Kühl-Kreislaufs so angeordnet, daß das Kühlmedium ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine 10 durch das Schaltventil 16 und danach entweder durch den Kühler 14 und von dort zum Wärmeübertrager 18 oder direkt zum Wärmeübertrager 18 und dann von diesem zurück zur Verbrennungskraftmaschine strömt. Dem Kühler 14 kann ein schematisch gezeigter Lüfter 19 zugeordnet sein.
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Der Arbeits-Kreislauf enthält neben dem Wärmeübertrager 18 einen Wärmetauscher 22, mittels dem Wärme von einem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine zu einem im Arbeits-Kreislauf umlaufenden Arbeitsmedium übertragen werden kann. Der Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine 10 strömt in einer Abgasanlage 24 von der Verbrennungskraftmaschine weg durch den Wärmetauscher 22, wobei weitere Bauteile zur Abgasbehandlung vorgesehen sein können, beispielsweise ein hier angedeuteter Schalldämpfer 26.
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Der Arbeits-Kreislauf 20 weist weiterhin eine Arbeitsmaschine 28 auf, mittels der Wärmeenergie des Arbeitsmediums in mechanische Energie umgesetzt werden kann. Die Arbeitsmaschine 28 kann beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Gasturbine sein, die einen Generator 30 antreibt. Weiterhin weist der Arbeits-Kreislauf 20 eine Pumpe 32 auf, die das Kühlmedium im Arbeits-Kreislauf 20 umwälzen kann. Die Pumpe 32 kann entweder von einem schematisch gezeigten Antrieb 34 und/oder durch eine hier gestrichelt gezeigte Verbindung mit der Arbeitsmaschine 28 angetrieben werden. Die Verbindung zwischen der Arbeitsmaschine 28 und der Pumpe 32 ist optional und/oder schaltbar. Insbesondere kann eine mechanische Verbindung vorgesehen sein. Im Arbeits-Kreislauf 20 ist außerdem ein Kondensator 36 vorgesehen, der zum Kondensieren des Arbeitsmediums dient. Der Kondensator 36 ist hier dem Kühler 14 und damit auch dem Lüfter 19 zugeordnet, so daß eine kompakte Baueinheit geschaffen ist.
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Der Arbeits-Kreislauf 20 weist außerdem vier Schaltventile 41, 42, 43, 44 auf, mittels denen der Weg des Arbeitsmediums im Arbeits-Kreislauf 20 bestimmt werden kann. Das erste Schaltventil 41 ist stromabwärts des Wärmeübertragers 18 angeordnet und kann in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung das Arbeitsmedium entweder zum Wärmetauscher 22 oder zur Pumpe 32 leiten. Das zweite Schaltventil 42 ist stromabwärts des Wärmetauschers 22 angeordnet und kann in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung das Arbeitsmedium entweder zur Arbeitsmaschine 28 oder zur Pumpe 32 leiten. Das dritte Schaltventil 43 ist stromabwärts der Pumpe 32 angeordnet und kann in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung das Arbeitsmedium entweder zum Wärmeübertrager 18 oder zum Wärmetauscher 22 leiten. Das vierte Schaltventil 44 ist stromabwärts der Arbeitsmaschine 28 angeordnet und kann in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung das Arbeitsmedium entweder zum Kondensator 36 oder zum Wärmeübertrager 18 leiten.
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In 1 sind sämtliche Strömungsverbindungen im Kühl-Kreislauf und im Arbeits-Kreislauf mit durchgezogenen Linien dargestellt. Jede dieser Strömungsverbindungen kann durch ein Rohr, einen Schlauch oder eine Durchgangsöffnung in einem sonstigen Bauteil gebildet sein.
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In 2 ist die Baugruppe von 1 in einem ersten Betriebszustand gezeigt. Zur Verdeutlichung sind sämtliche Strömungsverbindungen, die in diesem Betriebszustand nicht notwendig sind, nicht dargestellt.
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Der in 2 gezeigte Betriebszustand ist der „Normalzustand“, der bei dem Großteil der vorkommenden Betriebszustände dazu verwendet werden kann, Wärmeenergie aus dem Abgasstrom zurückzugewinnen. Das Kühlmedium zirkuliert zwischen der Verbrennungskraftmaschine 10 und dem Kühler 14. Auf dem Rückweg vom Kühler 14 zur Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmt das Kühlmedium zwar auch den Wärmeübertrager 18. Dieser wird jedoch nicht vom Arbeitsmedium des Arbeits-Kreislaufs 20 durchströmt, so daß keine Wärmeübertragung stattfindet.
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Im Arbeits-Kreislauf 20 pumpt die Pumpe 32 das Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zum Wärmetauscher 22, wo es verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Vom Wärmetauscher 22 strömt das Arbeitsmedium zur Arbeitsmaschine 28, in der es entspannt wird. Die dabei freiwerdende Energie wird zum Generator 30 übertragen und dort in elektrische Energie umgesetzt. Von der Arbeitsmaschine 28 strömt das entspannte Arbeitsmedium zum Kondensator 36 und von dort wieder zur Pumpe 32. Die in der Arbeitsmaschine 28 erzeugte mechanische Leistung kann auch zum Antrieb der Pumpe 32 verwendet werden, entweder indirekt, wenn die Pumpe 32 elektrisch angetrieben wird mittels eines Teils der elektrischen Energie, die im Generator 30 erzeugt wird, oder im Falle einer mechanischen Kopplung auch unmittelbar.
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In 3 ist ein zweiter Betriebszustand gezeigt. Dieser unterscheidet sich vom ersten Betriebszustand dadurch, daß mittels des dritten und des ersten Schaltventils 43, 41 der Wärmeübertrager 18 in den Arbeits-Kreislauf 20 einbezogen wird. Auf diese Weise kann zum einen (neben der dem Abgasstrom entzogenen Wärme) auch zumindest ein Teil der Abwärme des Kühlmediums zum Erwärmen und Verdampfen des Arbeitsmediums verwendet werden. Im Falle eines Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine 10 kann die Wärmeübertragung auch in der entgegengesetzten Richtung erfolgen, also dem Kühlmedium Wärme vom Arbeitsmedium zugeführt werden. In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen kann mittels des Schaltventils 16 dafür gesorgt werden, daß der Kühler 14 entweder gar nicht oder nur von einem Teilstrom des Kühlmediums durchströmt wird. Im ersten Anwendungsfall, also wenn mittels des Wärmeübertragers 18 dem Kühlmedium Wärme entzogen wird, kann durch (teilweises) Abschalten des Kühlers 14 dafür gesorgt werden, daß am Wärmeübertrager 18 eine ausreichende Wärmemenge zur Verfügung steht. Im zweiten Anwendungsfall, also wenn dem Kühlmedium Wärme über den Wärmeübertrager 18 zugeführt wird, wird durch Ausschalten des Kühlers gewährleistet, daß dort keine Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
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In 4 ist ein dritter Betriebszustand gezeigt, der beispielsweise unmittelbar nach Start der Verbrennungskraftmaschine 10 vorliegt, wenn das Arbeitsmedium am Ausgang des Wärmetauschers 22 sich noch im flüssigen Zustand befindet. Dann wird das zweite Schaltventil 42 so umgeschaltet, daß das Arbeitsmedium nicht zur Arbeitsmaschine 28 strömt, sondern direkt zurück zur Pumpe 32 und von dort über das dritte Schaltventil zum Wärmeübertrager 18, damit es das Kühlmedium im Kühl-Kreislauf 12 erwärmt. Durch die gestrichelten Strömungsverbindungen im Kühl-Kreislauf 12 ist angedeutet, daß mittels des Schaltventils 16 der Anteil des durch den Kühler strömenden Kühlmediums variabel in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen gesteuert werden kann. Die gestrichelt gezeichneten Strömungsverbindungen im Arbeits-Kreislauf 20 symbolisieren, daß vom mit durchgestrichenen Linien gezeigten Zustand auf einen die Arbeitsmaschine 28 einbeziehenden Betriebszustand umgeschaltet werden kann, sobald dem Arbeitsmedium im Wärmetauscher 22 ausreichend Energie zugeführt wurde, so daß es im dampfförmigen Zustand vorliegt. Die gestrichelte Strömungsverbindung stromabwärts des dritten Schaltventils symbolisiert, daß in Abhängigkeit von den Betriebsparametern auch der Wärmeübertrager 18 aus dem Strömungskreislauf abgeschaltet werden kann.
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In 5 ist ein vierter Betriebszustand gezeigt, der kurz nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine 10 eingestellt werden kann, insbesondere wenn die Temperatur des Kühlmediums im Kühl-Kreislauf 12 noch sehr niedrig ist. In diesem Fall ist es wünschenswert, das Kühlmedium zu erwärmen, damit die Verbrennungskraftmaschine schnell auf ihre Betriebstemperatur kommt. Zu diesem Zweck wird das vierte Schaltventil 44 so angesteuert, daß das von der Arbeitsmaschine 28 kommende Arbeitsmedium nicht zum Kondensator 36 strömt, sondern direkt zum Wärmeübertrager 18. Der Wärmeübertrager 18 wirkt dann als Kondensator, so daß die beim Kondensieren des Arbeitsmediums freiwerdende Kondensationswärme dem Kühlmedium des Kühl-Kreislaufs 12 zugeführt werden kann. Vom Wärmeübertrager 18 strömt das Arbeitsmedium durch das entsprechend angesteuerte Schaltventil 41 zur Pumpe 32 und von dort weiter zum Wärmetauscher 22 und wieder zur Arbeitsmaschine 28. Der Kühler 14 ist dabei in an sich bekannter Weise kurzgeschlossen, so daß er nicht durchströmt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Kühl-Kreislauf
- 14
- Kühler
- 16
- Schaltventil
- 18
- Wärmeübertrager
- 19
- Lüfter
- 20
- Arbeits-Kreislauf
- 22
- Wärmetauscher
- 24
- Abgasanlage
- 26
- Schalldämpfer
- 28
- Arbeitsmaschine
- 30
- Generator
- 32
- Pumpe
- 34
- Antrieb
- 36
- Kondensator
- 41
- erstes Schaltventil
- 42
- zweites Schaltventil
- 43
- drittes Schaltventil
- 44
- viertes Schaltventil
