DE102009030105A1

DE102009030105A1 - Wärmerückgewinnungssystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009030105A1
Application number: DE102009030105A
Authority: DE
Inventors: Martin Hägele
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2010-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend - einen Verbrennungsmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und/oder von Nebenaggregaten desselben; - mit einem Wärmespeicher, der in einer zumindest mittelbaren wärmeübertragenden Verbindung mit dem Verbrennungsmotor steht und Abwärme des Verbrennungsmotors aufnimmt und speichert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher als mobiler Wärmespeicher ausgeführt ist, der im wärmeaufgeladenen Zustand wahlweise aus dem Kraftfahrzeug entfernbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Kraftfahrzeug, im Einzelnen mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.
Kraftfahrzeuge, die einen Verbrennungsmotor aufweisen, um das Kraftfahrzeug und/oder Nebenaggregate desselben anzutreiben, sind hinlänglich bekannt. Dem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff zugeführt, heutzutage in der Regel in die Zylinder des Verbrennungsmotors direkt eingespritzt, um durch Vermischung mit Luft und Zündung das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verbrennen und dabei die im Kraftstoff enthaltene Energie in Bewegungsenergie umzuwandeln. Bekanntlich wird nur ein kleiner Teil der Kraftstoffenergie tatsächlich in Bewegungsenergie umgewandelt. Der größte Teil der eingesetzten Energie wird als Wärme an die Umgebung abgegeben. Ferner sind Reibungsverluste und der Widerstand des Fahrtwindes zu berücksichtigen, sodass letztendlich nur etwa 20 Prozent der eingesetzten Energie tatsächlich in nutzbare Antriebsleistung umgewandelt wird.
Um die Energieausbeute zu optimieren und damit den Verbrauch des Verbrennungsmotors zu verringern, werden heutzutage immer komplexere Systeme im Kraftfahrzeug vorgesehen, welche die Wärmeenergie, insbesondere aus den Abgasen des Verbrennungsmotors, zurückgewinnen und in zusätzliche Antriebsleistung umwandeln, beispielsweise durch Turbolader zur Verdichtung der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft oder durch Turbocompoundsysteme mit einer Abgasnutzturbine, deren Antriebsleistung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Auch sind Maßnahmen bekannt, um die Abwärme des Verbrennungsmotors zum Aufheizen beispielsweise des Fahrgastraumes des Verbrennungsmotors zu nutzen. All diese Systeme sind jedoch mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden, führen aufgrund rotierender Bauteile zu zusätzlichen Reibungsverlusten und können doch nur einen vergleichsweise geringen Anteil der Abwärme nutzen.
Andere Systeme, um den Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs zu senken, sehen Energiespeicher vor, beispielsweise Federspeicher oder Schwungräder, welche im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs aufgeladen werden und deren gespeicherte Energie dann im Traktionsbetrieb des Kraftfahrzeugs zur Leistungsunterstützung des Verbrennungsmotors herangezogen werden kann.
Weitere Systeme verwenden eine elektrische Bremsenergierekuperation, das heißt im Schubbetrieb beziehungsweise Bremsbetrieb wird Bewegungsenergie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt und gespeichert, und diese gespeicherte elektrische Energie kann dann bei Bedarf zum elektromotorischen Antrieb des Kraftfahrzeugs beziehungsweise von Aggregaten desselben verwendet werden.
Auch ist es bekannt, Abwärme des Verbrennungsmotors zur Dampferzeugung zu verwenden, und diesen Dampf dann in einem Dampfmaschinenkreislauf zum Antrieb des Fahrzeugs zu nutzen.
Trotz spezifischer Vorteile aller einzelnen hier genannten Maßnahmen besteht der permanente Bedarf, die Energieausbeute des Kraftstoffs eines Kraftfahrzeugs zu verbessern, insbesondere um die Umwelt durch den Verkehr weniger zu belasten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Kraftfahrzeug oder dergleichen anzugeben, mit welchem die im Kraftstoff enthaltene, einem Verbrennungsmotor zugeführte Energie noch besser genutzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Wärmerückgewinnungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind besonders vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung lässt sich prinzipiell nicht nur bei Kraftfahrzeugen anwenden, sondern auch bei anderen durch einen Verbrennungsmotor angetriebene Maschinen, wie beispielsweise bei Flugzeugen, Schiffen und dergleichen. Bei Fahrzeugen kommen insbesondere Personenkraftwagen in Betracht, jedoch auch andere Fahrzeuge, wie beispielsweise Lastkraftwagen, Busse oder Schienenfahrzeuge.
Die Erfindung geht von einem Ansatz aus, der sozusagen über die Systemgrenzen des Kraftfahrzeugs hinausblickt. So wird nicht versucht, durch zusätzliche Maßnahmen die Wärmeenergie, die in der Abwärme des Verbrennungsmotors bisher ungenutzt enthalten ist, zum Antrieb des Fahrzeugs selbst oder von Aggregaten desselben rückzugewinnen, sondern die Wärme wird in einem mobilen Wärmespeicher gespeichert, mit welchem sie aus dem Fahrzeug heraus transportierbar ist, um dann an einem anderen Ort in einer anderen Einrichtung, insbesondere in einer stationären Einrichtung, wie einem Gebäude, insbesondere Wohnhaus oder dergleichen, zu nutzen.
Im Einzelnen weist das erfindungsgemäße Wärmerückgewinnungssystem einen Verbrennungsmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und/oder von Nebenaggregaten desselben auf; ferner einen Wärmespeicher, der in einer zumindest mittelbaren wärmeübertragenden Verbindung mit dem Verbrennungsmotor steht und Abwärme des Verbrennungsmotors aufnimmt und speichert. Erfindungsgemäß ist der Wärmespeicher als mobiler Wärmespeicher ausgeführt, der im wärmeaufgeladenen Zustand wahlweise aus dem Kraftfahrzeug entfernbar ist.
Beispielsweise kann der Wärmespeicher in oder an einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, welche die Abgase des Verbrennungsmotors führt, und eingerichtet sein, um Wärme aus dem Abgas des Verbrennungsmotors, insbesondere unmittelbar, aufzunehmen. Hierzu kann insbesondere ein Wärmetauscher und/oder Verdampfer im Abgasstrom des Verbrennungsmotors positioniert sein, insbesondere um ein Arbeitsmedium beziehungsweise Speichermedium des Wärmespeichers durch die im Abgas enthaltene Wärmeenergie zu erwärmen oder zu verdampfen.
Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform kann auch die Wärme eines Fahrzeugkühlkreislaufes zum Aufladen des Wärmespeichers verwendet werden. Hierzu steht der Wärmespeicher in mittelbarer oder unmittelbarer Verbindung mit dem Fahrzeugkühlkreislauf, insbesondere dem Kühlmedium, in der Regel Wasser oder ein Wassergemisch, um die im Kühlkreislauf enthaltene Wärme aufzunehmen und zu speichern.
Besonders vorteilhaft ist der Wärmespeicher als Adsorptionswärmespeicher ausgeführt, entweder als offener Adsorptionsspeicher oder als geschlossener Adsorptionsspeicher. Bei einem offenen Adsorptionsspeicher kommen sowohl feste als auch flüssige Adsorbentien in Betracht, wie auch bei geschlossenen Adsorptionsspeichern. Nur beispielsweise sei Zeolith, Silikagel, wässrige Salzlösungen, zum Beispiel Lithiumchlorid oder Calciumchlorid genannt.
Beim Aufladen des Speichers kann, durch Desorption, ein Adsorptiv aus einem Adsorbens ausgetrieben werden, und beim Entladen wird das Adsorptiv durch Adsorption an das Adsorbens wieder gebunden. Bei offenen Systemen bietet sich insbesondere Wasserdampf als Adsorptiv an, insbesondere gewonnen aus Umgebungsluft.
Beim Aufladen des Energiespeichers wird die Abwärme des Verbrennungsmotors als Desorptionswärme verwendet. Um den Wärmespeicher dann an einem anderen Ort außerhalb des Fahrzeugs wieder zu entladen, wird die freigesetzte Adsorptionswärme beispielsweise zur Aufheizung eines Gebäudes oder zur Aufheizung von Brauchwasser in einem Gebäude verwendet.
Während bei einem offenen Adsorptionsspeicher das Adsorbat bei der Desorption in die Umgebung entweicht, und bei der Adsorption Adsorbat aus der Umgebung in dem Adsorbens adsorbiert wird, weist ein geschlossener Adsorptionsspeicher, wie er gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, ein Adsorbat auf, das stets innerhalb des Wärmespeichers verbleibt, entweder in adsorbierter oder desorbierter Form.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung, die insbesondere in Verbindung mit einem Pkw zum Einsatz gelangt, ist eine Heizungsanlage zur Beheizung eines Gebäudes oder dergleichen vorgesehen, welche eine wärmeübertragende Schnittstelle zum Anschluss des Wärmespeichers aufweist, um die im Wärmespeicher gespeicherte Wärme zu entladen und zur Heizung des Gebäudes zu verwenden. Unter Heizung des Gebäudes ist dabei jegliche Verwendung der Wärme innerhalb des Gebäudes oder im Zusammenhang mit dem Gebäude zu verstehen, beispielsweise eine Brauchwasserheizung oder eine Raumheizung.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
In der 1 erkennt man schematisch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor 1, welcher über ein Getriebe 5 Antriebsleistung auf die Antriebsräder 6 des Fahrzeugs überträgt. Die heißen Abgase des Verbrennungsmotors 1 werden durch eine Abgasanlage 3 geleitet und an die Umgebung abgegeben. Die Abgasanlage 3 weist die übliche Bauart, in der Regel mit Schalldämpfer, Abgasnachbehandlungsmodulen, gegebenenfalls Abgasturbinen und dergleichen auf und braucht hier nicht weiter erläutert zu werden. Wesentlich ist, dass bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Abgasanlage 3 ein mobiler Wärmespeicher 2, insbesondere in Form eines Adsorptionswärmespeichers, angeordnet ist, welcher Wärme aus den Abgasen des Verbrennungsmotors 1 aufnimmt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Wärmespeicher 2, insbesondere eine berippte Oberfläche desselben, unmittelbar von den Abgasen umströmt. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wäre es auch möglich, die Wärme über ein Zwischenmedium, beispielsweise einen Ölkreislauf aus den Abgasen in den Wärmespeicher 2 zu übertragen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Verbrennungsmotor 1 mittels eines Fahrzeugkühlkreislaufes 4 gekühlt, siehe den hier exemplarisch dargestellten Kühler 4.1 sowie die Wasserpumpe 4.2. In dem Fahrzeugkühlkreislauf 4 ist ein weiterer Wärmespeicher 2 angeordnet, welcher Wärme aus dem Kühlmedium des Fahrzeugkühlkreislaufs 4, insbesondere Wasser, aufnimmt. Auch hier wird der weitere Wärmespeicher 2 unmittelbar von dem Kühlmedium des Fahrzeugkühlkreislaufes 4 umströmt, insbesondere wiederum eine berippte Oberfläche des Wärmespeichers 2. Es ist jedoch auch hier möglich, dass eine indirekte Wärmeübertragung vorgesehen ist, über ein entsprechendes Zwischenmedium, beispielsweise Wasser.
Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturniveaus im Fahrzeugkühlkreislauf 4 und in der Abgasanlage 3 können die beiden nebeneinander vorgesehenen Wärmespeicher 2 einmal als Hochtemperaturwärmespeicher und einmal als Niedertemperaturwärmespeicher ausgeführt und auf das Temperaturniveau angepasst sein. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwei identische Wärmespeicher 2 verwendet werden, oder ein einziger oder mehrere Wärmespeicher 2, der/die sowohl Wärme aus dem Fahrzeugkühlkreislauf 4 als auch aus der Abgasanlage 3 aufnehmen und speichern. Selbstverständlich ist es auch möglich, nur einen einzigen Wärmespeicher 2 in der Abgasanlage 3 oder dem Fahrzeugkühlkreislauf 4 vorzusehen, oder andere Wärmequellen innerhalb des Fahrzeugs können zur Aufladung des oder der Wärmespeicher verwendet werden.
Da die in den Wärmespeichern 2 gespeicherte Wärme als Nutzwärme außerhalb des Fahrzeugs verwendet wird, wie nachfolgend noch erläutert wird, kann die Energieausbeute des dem Verbrennungsmotor 1 zugeführten Kraftstoffs, siehe den exemplarisch dargestellten Tank 7 und die Frischluftleitung 8, optimiert werden.
Wie unten in der 1 dargestellt ist, kann der wenigstens eine Wärmespeicher 2, der im Fahrzeug mit Wärme aufgeladen wurde, an einer Heizungsanlage 10 eines Gebäudes 11 angeschlossen werden, die über eine Schnittstelle 14 verfügt, über welche die Wärme aus dem Wärmespeicher 2 in die Heizungsanlage 10 einbringbar ist und dort, beispielsweise für eine Brauchwasserheizung 12 oder den Heizkreislauf 13 einer Raumheizung 15 verwendet wird. Wenn der Wärmespeicher 2 dann leer oder teilweise leer ist, das heißt keine oder nur noch wenig Wärme gespeichert hat, kann er wieder aus der Heizungsanlage 10 entfernt werden und zur erneuten Aufheizung beziehungsweise Wärmespeicherung in dem oder einem anderen Fahrzeug eingesetzt werden.
Wenn ein Niedertemperaturwärmespeicher und ein Hochtemperaturwärmespeicher getrennt voneinander vorgesehen sind, so kann beispielsweise die Wärme aus dem Niedertemperaturwärmespeicher für die Raumheizung 15 genutzt werden und die Wärme aus dem Hochtemperaturwärmespeicher zur Aufheizung des Brauchwassers in der Brauchwasserheizung 12. Auch ist es möglich, Niedertemperaturwärmespeicher und Hochtemperaturwärmespeicher in Reihe geschaltet in der Heizungsanlage 10 vorzusehen, um die Wärme aus den Wärmespeichern 2 auf verschiedenen Temperaturniveaus in die Heizungsanlage 10 einzubringen. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform wird jedoch ein und dieselbe Schnittstelle sowohl zum Anschluss eines Hochtemperaturwärmespeichers als auch zum Anschluss eines Niedertemperaturspeichers verwendbar ausgeführt.

Claims

Wärmerückgewinnungssystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend 1.1 einen Verbrennungsmotor (1) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und/oder von Nebenaggregaten desselben; 1.2 mit einem Wärmespeicher (2), der in einer zumindest mittelbaren wärmeübertragenden Verbindung mit dem Verbrennungsmotor (1) steht und Abwärme des Verbrennungsmotors (1) aufnimmt und speichert; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 der Wärmespeicher (2) als mobiler Wärmespeicher ausgeführt ist, der im wärmeaufgeladenen Zustand wahlweise aus dem Kraftfahrzeug entfernbar ist.
Wärmerückgewinnungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (2) in oder an einer Abgasanlage (3) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, die Abgase des Verbrennungsmotors (1) führt, und Wärme aus dem Abgas des Verbrennungsmotors (1), insbesondere unmittelbar, aufnimmt.
Wärmerückgewinnungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (2) in wärmeübertragender Verbindung mit einem Fahrzeugkühlkreislauf (4) steht, mittels welchem der Verbrennungsmotor (1) und/oder andere Aggregate des Kraftfahrzeugs gekühlt werden, und Wärme aus einem im Fahrzeugkühlkreislauf zirkulierenden Kühlmedium, insbesondere Wasser oder ein Wassergemisch, aufnimmt, vorteilhaft unmittelbar aufnimmt.
Wärmerückgewinnungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (2) als Adsorptionswärmespeicher ausgeführt ist.
Wärmerückgewinnungssystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (2) als offener Adsorptionswärmespeicher ausgeführt ist, insbesondere mit Wasserdampf als Adsorptiv.
Wärmerückgewinnungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerückgewinnungssystem ferner eine Heizungsanlage (10) zur Beheizung eines Gebäudes (11) oder dergleichen umfasst, die außerhalb des Kraftfahrzeugs, insbesondere stationär, angeordnet ist, und die Heizungsanlage (10) eine wärmeübertragende Schnittstelle (14) zum Anschluss des Wärmespeichers (2) aufweist, um im Wärmespeicher (2) gespeicherte Wärme zu entladen und zur Heizung des Gebäudes (11) zu nutzen.
Wärmerückgewinnungssystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsanlage (10) eine Brauchwasserheizung (12) und/oder einen Heizkreislauf (13) zur Raumheizung aufweist, und eingerichtet ist, um Wärme aus dem Wärmespeicher (2) in das Brauchwasser und/oder den Heizkreislauf (13) der Raumheizung (15) einzubringen.