DE102010033659A1

DE102010033659A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010033659A1
Application number: DE201010033659
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ralf (FH) Nüßle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) eines Verbrennungsmotors (2), wobei der Abgasstrom (AG) primärseitig einem ersten Abgaswärmetauscher (3) zugeführt wird, dem sekundärseitig ein Arbeitsmedium (AM) zugeführt wird, das in einem dem ersten Abgaswärmetauscher (3) vorgeschalteten Verdichter (4) verdichtet und in einer dem ersten Abgaswärmetauscher (3) nachgeschalteten Turbine (5) entspannt wird. Erfindungsgemäß wird das Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess (JK) geführt, dem ein Clausius-Rankine-Kreisprozess (CK) nachgeschaltet ist, in welchem ein Arbeitsmittel (AT) in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 6.
Bekannte Techniken zur Energiegewinnung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors sind der Abgasturbolader und die Heizungsanlagen für Kraftfahrzeuge. Beim Abgasturbolader treibt der Abgasstrom eine Turbine an. Die Energie, die die Turbine liefert, nutzt ein Verdichter, um die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft zu verdichten. Die Verdichtung der Luft erhöht den Wirkungsgrad der Verbrennung und führt so zu einer Leistungssteigerung des Motors.
Alternativ ist dem Verbrennungsmotor ein Kreisprozess nachgeschaltet, bei dem der heiße Abgasstrom und zum Teil das Kühlmittel einer ersten Brennkraftmaschine als Wärmequelle zum Betrieb einer zweiten, nachgeschalteten Maschine im Kreisprozess verwendet wird. Bei dem Kreisprozess handelt es sich üblicherweise um einen so genannten Clausius-Rankine-Prozess, bei welchem ein flüssiges Medium Wärme aufnimmt, welches unter Wärmezufuhr überwiegend verdampft wird und anschließend in einer Expansionsmaschine unter Abgabe von mechanischer Energie an eine Abtriebswelle entspannt wird. Als Arbeitsmedium kommen hier organische Arbeitsstoffe, eine Mischung solcher organischer Arbeitsstoffe, Alkoholgemische oder Wasser-Alkoholgemische, Wasser mit bestimmten Additiven in Betracht.
Manche Arbeitsmittel für den nachgeschalteten Kreislauf, vor allem organische Arbeitsmittel, sind nicht für beliebig hohe Temperaturen geeignet, da sie z. B. instabil werden und chemisch zerfallen. Dies erlaubt den Einsatz dieser Arbeitsmittel nicht für entsprechende Temperaturen, wie sie z. B. bei der Nutzung von Abgaswärme auftreten. Kann das Abgas mit einer hohen Temperatur nicht genutzt werden, schlägt sich dies in einem entsprechend reduzierten Wirkungsgrad des nachgeschalteten Kreisprozesses nieder. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von Wasser in einem nachgeschalteten Rankine-Kreislauf. Reines Wasser hat den Nachteil, dass es bei Minustemperaturen gefriert und dem Wasser daher Zusatzstoffe beigefügt werden müssen, um dieses zu verhindern. Der Gehalt dieser Zusatzstoffe ist dann immer wieder zu überprüfen und entsprechend zu korrigieren, was zu einem entsprechend hohen Wartungsaufwand führt. Des Weiteren besteht das Problem, dass sich die Zusammensetzung des Wassers und der verwendeten Zusatzstoffe durch deren unterschiedlichen Eigenschaften (unterschiedliche Siedetemperaturen) unterschiedlich verflüchtigen und damit ändern, was insgesamt das Verhalten des Arbeitsmediums des nachgeschalteten Rankine-Kreislaufs beeinflussen kann. Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, dass das Volumen von Wasser bei der Verdampfung sehr stark ansteigt, was letztendlich zu sehr großen Volumenströmen und damit zu großen Strömungsquerschnitten und zu einem sehr großen Bauraumbedarf für den nachgeschalteten Rankine-Kreislauf mit Wasser als Arbeitsmittel bedeutet, was insbesondere bei der Verwendung in Fahrzeugen von Nachteil ist.
Des Weiteren sind die aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Abwärmerückgewinnungseinheiten zum Teil in ihrem Aufbau relativ komplex und aufwändig, was zu einem hohen Bauraumbedarf und einer hohen Komplexität verbunden mit hohen Kosten führt.
Aus der DE 199 60 762 A1 und der EP 1 408 224 A1 sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen ein Gasturbinenprozess mit einem Wärmetauscher, der die Abgaswärme als Energiequelle nutzt, dem Verbrennungsmotor nachgeschaltet ist. Der Wärmetauscher entzieht dem primärseitig zugeführten Abgasstrom des Verbrennungsmotors Energie in Form von Wärme, die dem sekundärseitig geführten Arbeitsmedium in einem offenen Gasturbinensystem zugeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom und zumindest teilweise aus dem Kühlmittel eines Verbrennungsmotors anzugeben, bei welchen die Energierückgewinnung bei möglichst kompaktem Bauraum der Vorrichtung gesteigert ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors wird der Abgasstrom primärseitig einem ersten Abgaswärmetauscher zugeführt, dem sekundärseitig ein Arbeitsmedium zugeführt wird, das in einem dem ersten Abgaswärmetauscher vorgeschalteten Verdichter verdichtet und in einer dem ersten Abgaswärmetauscher nachgeschalteten Turbine entspannt wird.
Erfindungsgemäß wird das Arbeitsmedium sekundärseitig in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess geführt, dem ein Clausius-Rankine-Kreisprozess nachgeschaltet ist, in dem ein insbesondere flüssiges Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist.
Die Erfindung verbessert die Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren, indem abgasseitig des Verbrennungsmotors vor einem Clausius-Rankine-Kreisprozess ein geschlossener Joule-Kreisprozess geschaltet ist, in welchem das Arbeitsmedium die Wärmeenergie aus dem Abgasstrom aufnimmt und diese an das flüssige Arbeitsmittel im Clausius-Rankine-Kreisprozess abgibt. Das Arbeitsmedium wird im Joule-Kreisprozess vom heißen Abgasstrom aufgeheizt und beschleunigt, so dass hohe Wärmeübertragungsleistungen ermöglicht sind. Dabei ersetzt der erste Abgaswärmetauscher die aus einem offenen Gasturbinen- oder Joule-Kreisprozess bekannte Brennkammer, in welcher üblicherweise dem verdichteten Arbeitsmedium Wärmeenergie zugeführt wird. Durch die Nachschaltung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses nach dem Joule-Kreisprozess ist sichergestellt, dass der Clausius-Rankine-Kreisprozess mit bekannten flüssigen organischen Kältemitteln als Arbeitsmittel beaufschlagt und betrieben werden kann, da die Umwandlung der hohen Abgastemperaturen und somit der Abwärme des Abgases durch den vorgeschalteten Joule-Kreisprozess und nicht über den Clausius-Rankine-Kreisprozess ausgeführt wird. Hierdurch ist die Gefahr deutlich reduziert bzw. verhindert, dass das Arbeitsmittel im Clausius-Rankine-Kreisprozess aufgrund der Beaufschlagung mit hohen Abgastemperaturen chemisch instabil wird und zerstört wird.
Eine auf diese Weise ausgeführte Energierückgewinnung bei einem Verbrennungsmotor weist gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und sind die Kosten aufgrund der kompakten und einfachen Bauweise der Vorrichtung zur Energierückgewinnung deutlich reduziert.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das Arbeitsmedium in einem einstufigen Joule-Kreisprozess geführt, wobei im Joule-Kreisprozess ein unteres Druckniveau auf einen Wert über dem Umgebungsdruck eingestellt oder gehalten wird. Dabei bezieht sich das untere Druckniveau gemäß der Erfindung auf das nach der Turbine und vor dem Verdichter eingestellte Druckniveau. Dadurch, dass das untere Druckniveau des Joule-Kreisprozesses über, insbesondere deutlich über dem Umgebungsdruck liegt, lassen sich relativ hohe Massenströme im Verhältnis zu entsprechenden Volumenströmen innerhalb des Kreisprozesses bewegen. Beispielsweise wird ein unteres Druckniveau von größer 2 bar, insbesondere im Bereich von größer 5 bar, bevorzugt von 8 bar bis 12 bar oder größer eingestellt. Hierdurch sind relativ kleine Bauräume, insbesondere Rohrleitungsquerschnitte, bei gleichzeitig hohem Massenstrom durch den Verbrennungsmotor und damit relativ hohe Leistungsdichten ermöglicht. Des Weiteren werden durch die Verwendung eines hohen unteren Druckniveaus im Joule-Kreisprozess relativ hohe Wärmeübertragungsleistungen in den Wärmeübertragern, wie dem ersten Abgaswärmetauscher und dem Kühler des nachgeschalteten Joule-Kreisprozesses ermöglicht, was zu einem entsprechend verringertem Bedarf an Wärmeübertragungsflächen und damit des notwendigen Bauraums des Kühlers und der Wärmetauscher führt.
Vorzugsweise wird das Arbeitsmedium in der Turbine auf das untere Druckniveau expandiert. Dies ermöglicht eine einfache Einstellung und Beibehaltung des unteren Druckniveaus auf einen hohen Wert, insbesondere auf einen Wert oberhalb des Umgebungsdrucks. Zudem ermöglicht dies einen hohen Massenstrom und -durchsatz des Arbeitsmediums durch die Komponenten des Joule-Kreisprozesses, insbesondere durch den ersten Abgaswärmetauscher und den ersten Kühler (auch Abwärmeübertrager genannt), den Verdichter und die Turbine bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf.
Zweckmäßigerweise wird das Arbeitsmedium im Verdichter auf ein oberes Druckniveau verdichtet.
Vorzugsweise wird als Arbeitsmedium des Joule-Kreisprozesses ein inertes, nicht brennbares Medium, insbesondere ein Gas, wie Helium, Kohlendioxid, oder ein nicht inertes Medium, insbesondere trockene Luft verwendet. Ein derartiges Medium ermöglicht eine hohe Verdichtung und weist eine hohe Wärmekapazität auf. Als Arbeitmittel des Clausius-Rankine-Kreisprozesses können herkömmliche flüssige, insbesondere organische und/oder anorganische, insbesondere kohlenwasserstoffhaltge Arbeitsmittel, Wasser, Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, weitere Flüssigkeiten und/oder Lösungen und/oder Gemische dieser, verwendet werden.
Die Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors umfasst eine Abgasleitung, die abgasseitig vom Verbrennungsmotor primärseitig in den ersten Abgaswärmetauscher mündet, dem sekundärseitig der Verdichter zur Verdichtung des den ersten Abgaswärmetauscher durchströmenden Arbeitsmediums vorgeschaltet und eine Turbine zur Entspannung des Arbeitsmediums nachgeschaltet ist. Erfindungsgemäß ist zwischen der Ausgangsseite der Turbine und der Eingangsseite des Verdichters ein erster Kühler derart angeordnet, dass abgasseitig vom Verbrennungsmotor ein aus dem ersten Abgaswärmetauscher, der Turbine, dem ersten Kühler und dem Verdichter gebildeter, geschlossener Joule-Kreisprozess nachgeschaltet ist, wobei der erste Kühler primärseitig im Joule-Kreisprozess und sekundärseitig in einem dem Joule-Kreisprozess nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess angeordnet ist. Durch eine gestufte Nachschaltung eines geschlossenen Joule-Kreisprozesses mit einem nachgeschalteten geschlossenen Clausius-Rankine-Kreisprozess abgasseitig des Verbrennungsmotors kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung zur Energierückgewinnung und des Gesamtaggregates (also Verbrennungsmotor und Vorrichtung zur Energierückgewinnung) erhöht werden.
Vorzugsweise ist der Joule-Kreisprozess als ein einstufiger Joule-Kreisprozess ausgeführt, wobei im Joule-Kreisprozess ein unteres Druckniveau auf einen Wert über dem Umgebungsdruck einstellbar ist. Durch die Einstellung eines hohen unteren Druckniveaus oberhalb des Umgebungsdrucks sind relativ hohe Wärmeübertragungsleistungen in den Wärmeübertragern des geschlossenen Joule-Kreisprozesses ermöglicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist abgasseitig des Verbrennungsmotors nach dem ersten Abgaswärmetauscher ein zweiter Abgaswärmetauscher primärseitig in der Abgasleitung und sekundärseitig in dem Clausius-Rankine-Kreisprozess angeordnet. Dies führt zu einer verbesserten Ausnutzung der Abwärme des Abgases des Verbrennungsmotors und somit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung und des Gesamtaggregats, insbesondere des gesamten Antriebsstrangs.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Clausius-Rankine-Kreisprozess mittels eines zweiten Kühlers mit einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors gekoppelt. Hierdurch wird die im Kühlkreislauf vorhandene Abwärme im Clausius-Rankine-Kreisprozess genutzt. Dabei kann auf den sonst üblichen Kühler verzichtet oder zumindest ein deutlich kleiner ausgelegter Kühler eingesetzt werden. Durch eine solche Kopplung wird ein besonders hoher Wirkungsgrad der Vorrichtung erzielt.
Vorzugsweise sind Verdichter und Turbine, insbesondere eine Gasturbine oder eine Gasströmungsmaschine, des geschlossenen Joule-Kreisprozesses sowie die Expansionsmaschine, insbesondere Dampfturbine oder Dampfströmungsmaschine des Clausius-Rankine-Kreisprozesses und ein gemeinsamer Generator auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Die Verdichter-Turbine-Expansionsmaschine-Generator-Anordnung ist bevorzugt hermetisch dicht nach außen ausgeführt, damit kein Arbeitsmedium nach außen an die Umgebung geführt wird. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass ein gemeinsamer Generator für die gesamte Vorrichtung, d. h. die Energierückgewinnungs- oder Abwärmenutzungsvorrichtung, benötigt wird. Zudem stellt die Anordnung eine einfache Konstruktion dar. Alternativ können die Komponenten der beiden Kreisprozesse voneinander getrennt auf separaten Wellen angeordnet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, wobei abgasseitig vom Verbrennungsmotor ein geschlossener Joule-Kreisprozess nachgeschaltet ist, dem ein geschlossener Clausius-Rankine-Kreisprozess nachgeschaltet ist,
2 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess und einem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess, der thermisch mit der Abgasleitung des Verbrennungsmotors gekoppelt ist,
3 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess und einem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess, der thermisch mit der Abgasleitung des Verbrennungsmotors und einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors gekoppelt ist,
4 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess und einem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess, wobei die Komponenten der beiden Kreisprozesse als eine Verdichter-Turbine-Expansionsmaschine-Generator-Anordnung auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind,
5 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess und einem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess mit vom Arbeitsmittel kühlbarem Generator,
6 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess und einem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess mit getrennten Wellen für die Komponenten des jeweiligen Kreisprozesses,
7 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess und einem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess mit im Joule-Kreisprozess integrierter Zusatzfeuerung, und
8 schematisch die alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mit einem abgasseitig vom Verbrennungsmotor nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess und einem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess mit integriertem Rekuperator.
Einander entsprechende Bezugszeichen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG eines Verbrennungsmotors 2. Bei dem Verbrennungsmotor 2 kann es sich um einen Diesel- oder Ottomotor oder eine andere Verbrennungsmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs handeln. 1 zeigt einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor.
Erfindungsgemäß ist abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 ein geschlossener Joule-Kreisprozess JK geschaltet, dem ein Clausius-Rankine-Kreisprozess CK nachgeschaltet ist.
Der Joule-Kreisprozess JK ist ein thermodynamischer Kreisprozess nach dem Physiker James Prescott Joule. Der Clausius-Rankine-Kreisprozess CK ist ein thermodynamischer Kreisprozess nach dem Physiker Rudolf Julius Emanuel Clausius und dem Ingenieur William John Macquorn Rankine.
Der geschlossene Joule-Kreisprozess JK umfasst einen ersten Abgaswärmetauscher 3, der primärseitig vom Abgasstrom AG durchströmt wird und sekundärseitig von einem Arbeitsmedium AM des Joule-Kreisprozesses JK durchströmt wird. Primärseitig mündet eine Abgasleitung L1 in den ersten Abgaswärmetauscher 3 und geht von diesem wieder ab.
Sekundärseitig ist dem ersten Abgaswärmetauscher 3 im Joule-Kreisprozess JK eingangsseitig ein Verdichter 4 vorgeschaltet. Ausgangsseitig ist dem Abgaswärmetauscher 3 im Joule-Kreisprozess JK eine Turbine 5 nachgeschaltet. Die Turbine 5 ist insbesondere als eine Gasturbine oder eine andere Strömungsmaschine ausgeführt.
Zwischen der Turbine 5 und dem Verdichter 4 ist im geschlossenen Joule-Kreisprozess JK ein erster Kühler 6, insbesondere ein Rückkühler oder Gaskühler angeordnet. Der Verdichter 4 und die Turbine 5 sind zusammen mit einem Generator 7 auf einer ersten Welle 8 angeordnet.
Die Erfindung besteht darin, dass dem Verbrennungsmotor 2 abgasseitig zuerst der geschlossene Joule-Kreisprozess JK, d. h. ein geschlossener Gasturbinenprozess, und dann, dem Joule-Kreisprozess JK nachgeschaltet, der Clausius-Rankine-Kreisprozess CK geschaltet ist.
In dem abgasseitig nachgeschalteten, geschlossenen Joule-Kreisprozess JK wird das untere Druckniveau des Arbeitsmediums AM deutlich über dem Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck eingestellt oder gehalten. Beispielsweise beträgt das untere Druckniveau des Arbeitsmediums zumindest 2 bar, insbesondere ist es größer als 5 bar, vorzugsweise 8 bar bis 10 bar oder größer.
Das innerhalb des geschlossenen Joule-Kreislaufs JK vorzugsweise verwendete Arbeitsmedium AM (auch Arbeitsgas genannt) ist ein inertes, nichtbrennbares Gas, welches bei z. B. Raumtemperatur gasförmig ist. Als Arbeitsmedium AM wird beispielsweise ein Gas wie Helium oder Kohlendioxid verwendet. Alternativ kann als nicht-inertes Gas z. B. trockene Luft verwendet werden. Diese Gase zeichnen sich dadurch aus, dass sie chemisch stabil sind und mit sehr hohen Abgastemperaturen beaufschlagt werden können, ohne dass sie zerfallen.
Der heiße Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 wird verwendet, um den nachgeschalteten Joule-Kreisprozess JK (speziell den geschlossenen Gasturbinenprozess) zu beheizen. Dies ist besonders vorteilhaft, da speziell die heißen Abgase aus energetischer und thermodynamischer Sicht über ein Temperaturniveau verfügen, das arbeitsfähig ist und damit zu einem relativ hohen Gesamtwirkungsgrad führen kann. Dies ist auch aus Sicht des Bauaufwandes mit geringerem Bauraumbedarf, geringeren Kosten, geringerem Gewicht vorteilhaft, da der Aufwand für den nachgeschalteten Joule-Kreisprozess JK zwar vorhanden ist, jedoch durch die Nutzung des hohen und damit thermodynamisch arbeitsfähigen Temperaturniveaus zu einem relativ hohen Wirkungsgradgewinn im Vergleich zur Nichtnutzung des Temperaturniveaus des Abgasstroms AG führt.
Dadurch, dass das untere Druckniveau des Joule-Kreisprozesses JK deutlich über dem Umgebungsdruck liegt, lassen sich relativ hohe Massenströme im Verhältnis zu den entsprechenden Volumenströmen innerhalb des Joule-Kreisprozesses JK bewegen, was zu relativ kleinen Bauräumen (z. B. Rohrleitungsquerschnitte) bei gleichzeitig hohem Massenstrom durch die Komponenten, d. h. durch die Turbine 5 und den Verdichter 4, und damit zu relativ hohen Leistungsdichten führt. Des Weiteren lassen sich durch die Verwendung eines hohen unteren Druckniveaus im Joule-Kreisprozess JK auch relativ hohe Wärmeübertragungsleistungen in den einzelnen Wärmeübertragern, wie dem ersten Abgaswärmetauscher 3 und dem Kühler 6, des nachgeschalteten Joule-Kreisprozesses JK realisieren.
Darüber hinaus besteht die Gefahr eines so genannten Einfrierens bei der Verwendung eines inerten Gases, wie Kohlendioxid oder Helium, oder eines nicht inerten Gases, wie z. B. trockene Luft, im Gegensatz zu Wasser nicht.
Der geschlossene Joule-Kreisprozess JK (Gasturbinenprozess) und der diesem nachgeschaltete Clausius-Rankine-Kreisprozess CK sind dabei so miteinander verschaltet, dass dies möglichst einfach und kompakt erfolgt und zum anderen eine Nutzung der Abwärme auf einem sehr breiten Spektrum des vorhandenen Temperaturniveaus ermöglicht, was zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs oder des Gesamtaggregates führt.
Im Detail erfolgt die Rückkühlung über den dem Joule-Kreisprozess JK nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK, der über den ersten Kühler 6 (Rückkühler/Vorwärmer) des Joule-Kreisprozesses JK mit diesem thermisch gekoppelt ist. Durch den Wärmeübergang vom Joule-Kreisprozess JK (Rückkühlung) zum Clausius-Rankine-Kreisprozess CK (Vorwärmung) wird ein im Clausius-Rankine-Kreisprozess CK geführtes Arbeitsmittel AT im ersten Kühler 6 verdampft oder verdampft und überhitzt. Der erste Kühler 6 ist hierzu als ein Rückkühler/Verdampfer ausgeführt, der primärseitig im Joule-Kreisprozess JK und sekundärseitig im Clausius-Rankine-Kreisprozess CK angeordnet ist. Das überhitzte oder verdampfte Arbeitsmittel AT wird dann im Clausius-Rankine-Kreisprozess CK einer Expansionsmaschine 9 (z. B. einer zweiten Turbine, insbesondere einer Dampfturbine) zugeführt, in welcher das Arbeitsmittel AT expandiert und dabei abgekühlt wird.
Die Expansionsmaschine 9 ist insbesondere als eine Dampfturbine oder eine andere Dampfexpansionsmaschine ausgeführt.
Das aus der Expansionsmaschine 9 austretende Arbeitsmittel AT wird in einem Kondensator 10 kondensiert und dann wieder in flüssiger Form einer Pumpe 11 (auch Speisepumpe genannt) und dem ersten Kühler 6 (hier Vorwärmer/Verdampfer/Überhitzer) zugeführt.
Das aus dem Kondensator 10 austretende, flüssige Arbeitsmittel AT wird vor dem Eintritt in den ersten Kühler 6 mittels der Pumpe 11 auf ein entsprechendes Druckniveau erhöht. Das verwendete Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK ist ein flüssiges, insbesondere organisches und/oder anorganisches, insbesondere kohlenwasserstoffhaltiges Arbeitsmittel, wie z. B. Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, weitere Flüssigkeiten und/oder Lösungen dieser. Das heißt, es wird kein Wasser verwendet, sondern beispielsweise ein einfriertaugliches kohlenwasserstoffhaltiges Arbeitsfluid, welches typischerweise bis ca. 400°C beständig ist.
Die in der Expansionsmaschine 9 frei werdende Energie wird über eine zweite Welle 12 einem zweiten Generator 13 zugeführt.
Die Pumpe 11 kann wie dargestellt motorbetrieben ausgeführt sein. Hierzu ist beispielsweise ein elektrischer Motor 14 vorgesehen, der die Pumpe 11 antreibt und der z. B. vom zweiten Generator 13 gespeist werden kann.
Hier nicht eingezeichnet sind weitere Wirkungsgrad steigernde Prozessführungen des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK, wie eine regenerative Vorwärmung oder eine Zwischenüberhitzung, da dies mit einem baulichen Mehraufwand verbunden wäre. Prinzipiell wären diese Maßnahmen aber auch hier anwendbar.
Durch die dargestellte Kopplung des geschlossenen Joule-Kreisprozesses JK und des nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK ist es möglich, die hohen Abgastemperaturen des Verbrennungsmotors 2 auszunutzen und damit einen sehr hohen Anteil der im Abgas enthaltenen Energie zurück zu gewinnen, ohne dass hierfür Wasser als Arbeitsmedium mit der Gefahr des Einfrierens verwendet wird. Des Weiteren kann für den dem geschlossenen Joule-Kreisprozess JK nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK ein Arbeitsmedium verwendet werden, welches keine Stabilität oder Beständigkeit gegenüber dem Temperaturniveau der Motorabgase aufweisen muss.
2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 mit dem abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess JK und dem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK, der thermisch mit der Abgasleitung L1 des Verbrennungsmotors 2 über einen zweiten Abgaswärmetauscher 15 gekoppelt ist.
Mittels des zweiten Abgaswärmetauschers 15 wird das mittels des ersten Abgaswärmetauschers 3 aufgrund der Wärmeübertragung an den Joule-Kreisprozess JK bereits abgekühlte Abgas des Verbrennungsmotors 2 zu einer weiteren Wärmeabgabe an den nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK genutzt und weiter abgekühlt. Das im Clausius-Rankine-Kreisprozess CK geführte Arbeitsmittel AT wird hierbei weiter überhitzt. Dies führt wiederum zu einer verbesserten Ausnutzung der Abwärme des Abgases des Verbrennungsmotors 2 und damit zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung bzw. des gesamten Antriebsstranges.
3 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 mit dem abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess JK und dem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK, der thermisch mit der Abgasleitung L1 des Verbrennungsmotors 2 über einen zweiten Abgaswärmetauscher 15 und thermisch mit einem Kühlkreislauf KK des Verbrennungsmotors 2 über einen zweiten Kühler 16 (Rückkühler/Vorwärmer) gekoppelt ist. Im Kühlkreislauf KK (gestrichelte Linie) des Verbrennungsmotors 2 ist nach dem zweiten Kühler 16 eine Kühlmittelpumpe 17 zur Förderung oder Umwälzung des Kühlmittels KM angeordnet.
Im Unterschied zur Vorrichtung nach 2 wird zusätzlich zu der bereits oben beschriebenen Nutzung der Abwärme des Abgases des Verbrennungsmotors 2 die im Kühlmittel KM, z. B. Kühlwasser, des Verbrennungsmotors 2 anfallende Abwärme genutzt. Hierbei wird das Kühlmittel KM des Verbrennungsmotors 2 dazu verwendet, das Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK nach dem Austritt aus dem Kondensator 10 und der Druckerhöhung durch die Pumpe 14 vorzuwärmen oder je nach Auslegung auch schon zu verdampfen.
Da die im Kühlmittel KM enthaltene Abwärme an das Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK übertragen wird, kann auf den sonst üblichen Kühler verzichtet oder wenn vorhanden, ein solcher deutlich kleiner ausgeführt werden, da die an die Umgebung abzuführende Restwärme der Vorrichtung 1 und somit der gesamten Abwärmenutzungsvorrichtung über den Kondensator 10 abgeführt wird. Diese Verschaltung der Abwärmenutzungsvorrichtung führt insgesamt zu einem sehr hohen Wirkungsgrad bei relativ geringem Mehraufwand.
4 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 mit dem abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess JK und dem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK, wobei die Komponenten der beiden Kreisprozesse JK, CK als eine Verdichter-Turbine-Expansionsmaschine-Generator-Anordnung, insbesondere Verdichter-Gasturbine-Dampfturbine-Generator-Anordnung auf einer gemeinsamen Welle 18 angeordnet sind.
Mit anderen Worten: Der Verdichter 4 und die Turbine 5 des geschlossenen Joule-Kreisprozesses JK sowie die Expansionsmaschine 9, z. B. Dampfturbine, des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK und ein gemeinsamer Generator 19 sind auf der gemeinsamen Welle 18 angeordnet.
Die komplette Antriebsanordnung aus Verdichter 4, Turbine 5, Expansionsmaschine 9 und gemeinsamen Generator 19 ist hierbei hermetisch dicht nach außen als eine erste Baueinheit 20 ausgeführt, damit kein Arbeitsmedium nach außen an die Umgebung gelangen kann (siehe Strich-Doppelpunkt-Strich-Linie).
Der gemeinsame Generator 19 ist am so genannten kältesten Ende der gemeinsamen Welle 18 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist der gemeinsame Generator 19 nach der Expansionsmaschine 9 auf der gemeinsamen Welle 18 angeordnet. Alternativ, insbesondere entsprechend der Auslegung der Vorrichtung 1, kann der gemeinsame Generator 19 auch auf der Seite des Verdichters 4 vor diesem auf der gemeinsamen Welle 18 angeordnet sein. Der Vorteil besteht darin, dass nur ein Generator für die gesamte Vorrichtung 1 erforderlich ist, wodurch ein einfacher Aufbau und Kostenreduzierungen ermöglicht sind. Bei dieser Konfiguration ist jedoch zu beachten, dass eine aufwändige Dichtung der beiden Medienkreisläufe (geschlossener Joule-Kreisprozess JK und Clausius-Rankine-Kreisprozess CK) zueinander innerhalb der ersten Baueinheit 20 (durch Strich-Doppelpunkt-Strich-Linie) erforderlich ist, um zu verhindern, dass sich das Arbeitsmedium AM und das Arbeitsmittel AT der beiden Kreisläufe JK bzw. CK mischen.
5 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 mit dem abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess JK und dem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK, wobei der gemeinsame Generator 19 vom Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK gekühlt wird.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 gemäß 4 wird der gemeinsame Generator 19 mit dem aus dem Kondensator 10 ausströmenden kühlen Arbeitsmittel AT beaufschlagt oder umströmt, um den gemeinsamen Generator 19 zu kühlen, so dass auf einen separaten Kühlkreislauf für den gemeinsamen Generator 19 verzichtet werden kann. Alternativ kann zur Kühlung des gemeinsamen Generators 19 das Arbeitsmittel AT erst nach dessen Druckerhöhung und somit hinter der Pumpe 14 entnommen und zur Beaufschlagung des gemeinsamen Generators 19 verwendet und anschließend vor dem zweiten Kühler 16 dem Clausius-Rankine-Kreisprozess CK wieder zugeführt werden.
Des Weiteren können weitere Aggregate des Antriebsstranges mit dem kondensierten Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK in nicht näher dargestellter Art und Weise abgekühlt bzw. das Arbeitsmittel AT vorgewärmt werden.
6 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 mit dem abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess JK und dem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK mit getrennten Wellen 8 und 12 für die Komponenten des jeweiligen Kreisprozesses JK bzw. CK.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 gemäß 5 sind der geschlossene Joule-Kreisprozess JK und der geschlossene Clausius-Rankine-Kreisprozess CK voneinander getrennt ausgebildet. Das heißt, jeder Kreisprozess JK und CK umfasst eine zugehörige Welle 8 bzw. 12 sowie einen zugehörigen Generator 7 bzw. 13.
Darüber hinaus sind im geschlossenen Joule-Kreisprozess JK der erste Generator 7, der Verdichter 4 und die Turbine 5 als eine zweite, hermetisch dicht ausgebildete Baueinheit 21 und im geschlossenen Clausius-Rankine-Kreisprozess CK die Expansionsmaschine 9 und der zweite Generator 13 als eine dritte, hermetisch dicht ausgebildete Baueinheit 22 ausgeführt (siehe Strich-Doppelpunkt-Strich-Linien). Beide Baueinheiten 21 und 22 weisen jeweils ein zugehöriges, nicht dargestelltes Gehäuse auf.
Der jeweilige Generator 7 oder 13 sitzt am „kältesten Ende” der zugehörigen Welle 8 bzw. 12. Die Ausführung in hermetischer Bauweise verhindert, dass das Arbeitsmedium AM bzw. das Arbeitsmittel AT nach außen in die Umgebung dringen können bzw. stellt sicher, dass der jeweilige Kreislauf JK oder CK dicht gehalten wird.
Nicht näher dargestellt, kann auch hier die Kühlung der Generatoren 7, 13 über das kondensierte, flüssige und abgekühlte Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreisprozesses CK erfolgen.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die in den Generatoren 7, 13 erzeugte elektrische Energie in einem elektrischen Speicher 23 zwischengespeichert und dann zur Antriebsunterstützung eines Schwungrades 24 des Verbrennungsmotors 2 mittels eines Elektromotors 25 verwendet.
Es sind auch andere elektrische Verschaltungen möglich, mittels welcher weitere Komponenten des Fahrzeugs elektrisch versorgt werden können.
7 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 mit dem abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess JK und dem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK mit einer integrierten Zusatzfeuerung. Hierzu ist im ersten Abgaswärmetauscher 3 ein Brenner 26 angeordnet, welcher einer Zusatzfeuerung dient.
Dies ermöglicht einen voneinander unabhängigen Betrieb von Verbrennungsmotor 2 und Vorrichtung 1, der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung. Aus diesem Grund ist im Kühlkreislauf KK des Verbrennungsmotors 2 ein dritter Kühler 27 integriert, da somit der Verbrennungsmotor 2 weitgehend unabhängig vom Zustand und/oder Betrieb der Vorrichtung 1 (Abwärmerückgewinnungsvorrichtung) betrieben werden kann. Des Weiteren ermöglicht die Zusatzfeuerung eine potentielle Erhöhung der Leistungsdichte der Vorrichtung 1.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit dieser Konfiguration besteht darin, dass die mittels der Vorrichtung 1 erzeugte Energie konstant gehalten werden kann.
Je nachdem, wie viel Abwärme im Verbrennungsmotor 2 anfällt, kann die Zusatzfeuerung, d. h. der Brenner 26, entsprechend gesteuert und/oder geregelt werden. Diese Betriebsweise bietet sich insbesondere dann an, wenn die erzeugte elektrische Energie in einem Speicher 23 zwischengespeichert wird. So kann in diesem Betriebszustand der elektrische Speicher 23 unabhängig von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 geladen werden bzw. auch dann ausreichend elektrische Energie erzeugt werden (z. B. für Klimatisierungszwecke), wenn der Verbrennungsmotor 2 in einem niederen Lastbereich läuft bzw. komplett aus ist (z. B. Standklimatisierung und elektrische Versorgung von Bussen).
Die in 7 dargestellte Zusatzfeuerung kann auch bei den nach 1 bis 6 und 8 gezeigten alternativen Ausführungsformen angewendet und in die Vorrichtung 1 integriert sein.
8 zeigt schematisch die alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG des Verbrennungsmotors 2 mit dem abgasseitig vom Verbrennungsmotor 2 nachgeschalteten geschlossenen Joule-Kreisprozess JK und dem diesem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK mit integriertem Rekuperator 28.
8 zeigt einen gegenüber den bisher dargestellten Ausführungen der Abwärmerückgewinnungsvorrichtungen nach 1 bis 7 geänderten Aufbau bzw. eine Änderung der Prozessführung des geschlossenen Joule-Kreisprozesses JK. Hier ist als ein weiterer Wärmeübertrager der Rekuperator 28 in den Joule-Kreisprozess JK integriert.
Primärseitig ist der Rekuperator 28 zwischen dem Austritt der Turbine 5 und dem Eintritt in den ersten Kühler 6 und sekundärseitig zwischen dem Austritt des Verdichters 4 und dem Eintritt des ersten Abgaswärmetauschers 3 angeordnet.
Diese Prozessführung mit dem im geschlossenen Joule-Kreisprozess JK integrierten Rekuperator 28 zur „inneren” Wärmeübertragung weist einen erhöhten Wirkungsgrad der Vorrichtung 1 und somit der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung und damit einen erhöhten Wirkungsgrad der gesamten Antriebseinheit auf.
Das expandierte, aus der Turbine 5 austretende Arbeitsmedium AM wird dem Rekuperator 28 zugeführt, in welchem die im Arbeitsmedium AM nach der Expansion noch enthaltene Restwärme an das durch den Verdichter 4 komprimierte Arbeitsmedium AM vor Eintritt in den ersten Abgaswärmetauscher 3 zumindest teilweise übertragen wird. Dadurch, dass das Druckniveau des Arbeitmediums AM auf dem unteren Druckniveau (also nach der Turbine und vor dem Verdichter) auf einen deutlich über dem Umgebungsdruck befindlichen Druckniveau eingestellt wird, lassen sich beim Rekuperator 28 hohe Wärmeübertragungsleistungen realisieren, was wiederum zu einer hohen Leistungsdichte bzw. einem niedrigen Bauraumbedarf der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung führt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Energierückgewinnung
2: Verbrennungsmotor
3: erster Abgaswärmetauscher
4: Verdichter
5: Turbine
6: erster Kühler
7: erster Generator
8: erste Welle
9: Expansionsmaschine
10: Kondensator
11: Pumpe
12: zweite Welle
13: zweiter Generator
14: Elektrischer Motor
15: zweiter Abgaswärmetauscher
16: zweiter Kühler
17: Kühlmittelpumpe
18: gemeinsame Welle
19: gemeinsamer Generator
20: erste Baueinheit
21: zweite Baueinheit
22: dritte Baueinheit
23: Speicher
24: Schwungrad
25: Elektromotor
26: Brenner
27: Dritter Kühler
28: Rekuperator
AG: Abgasstrom
AM: Arbeitsmedium
AT: Arbeitsmittel
CK: Clausius-Rankine-Kreisprozess
JK: Joule-Kreisprozess
KK: Kühlkreislauf
L1: Abgasleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19960762 A1 [0006]
EP 1408224 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) eines Verbrennungsmotors (2) in einem Fahrzeug, wobei der Abgasstrom (AG) primärseitig einem ersten Abgaswärmetauscher (3) zugeführt wird, dem sekundärseitig ein Arbeitsmedium (AM) zugeführt wird, das in einem dem ersten Abgaswärmetauscher (3) vorgeschalteten Verdichter (4) verdichtet und in einer dem ersten Abgaswärmetauscher (3) nachgeschalteten Turbine (5) entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess (JK) geführt wird, dem ein Clausius-Rankine-Kreisprozess (CK) nachgeschaltet ist, in welchem ein Arbeitsmittel (AT) in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) in einem einstufigen Joule-Kreisprozess (JK) geführt wird, wobei im Joule-Kreisprozess (JK) ein unteres Druckniveau auf einen Wert über dem Umgebungsdruck eingestellt oder gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) in der Turbine (5) auf das untere Druckniveau expandiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) im Verdichter (4) auf ein oberes Druckniveau verdichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium (AM) ein inertes, nicht brennbares Medium, insbesondere ein Gas, wie Helium, Kohlendioxid, oder ein nicht inertes Gas, wie getrocknete Luft, und als Arbeitsmittel (AT) ein organisches und/oder anorganisches, insbesondere kohlenwasserstoffhaltiges Fluid verwendet werden.
Vorrichtung (1) zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) eines Verbrennungsmotors (2) in einem Fahrzeug, wobei abgasseitig vom Verbrennungsmotor (2) eine Abgasleitung (L1) primärseitig in einen ersten Abgaswärmetauscher (3) mündet, dem sekundärseitig ein Verdichter (4) zur Verdichtung eines den ersten Abgaswärmetauscher (3) durchströmenden Arbeitsmediums (AM) vorgeschaltet und eine Turbine (5) zur Entspannung des Arbeitsmediums (AM) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ausgangsseite der Turbine (5) und der Eingangsseite des Verdichters (4) ein erster Kühler (6) derart angeordnet ist, dass abgasseitig vom Verbrennungsmotor (2) ein aus dem ersten Abgaswärmetauscher (3), der Turbine (5), dem ersten Kühler (6) und dem Verdichter (4) gebildeter geschlossener Joule-Kreisprozess (JK) nachgeschaltet ist, wobei der erste Kühler (6) primärseitig im Joule-Kreisprozess (JK) und sekundärseitig in einem dem Joule-Kreisprozess (JK) nachgeschalteten geschlossenen Clausius-Rankine-Kreisprozess (CK) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Joule-Kreisprozess (JK) als ein einstufiger Joule-Kreisprozess ausgeführt ist, wobei im Joule-Kreisprozess (JK) ein unteres Druckniveau auf einen Wert über dem Umgebungsdruck einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass abgasseitig des Verbrennungsmotors (2) nach dem ersten Abgaswärmetauscher (3) ein zweiter Abgaswärmetauscher (15) primärseitig in der Abgasleitung (L1) und sekundärseitig in dem Clausius-Rankine-Kreisprozess (CK) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Clausius-Rankine-Prozess (CK) mittels eines zweiten Kühlers (16) mit einem Kühlkreislauf (KK) des Verbrennungsmotors (2) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichter (4) und Turbine (5) des geschlossenen Joule-Kreisprozesses (JK) und Expansionsmaschine (9) des Clausis-Rankine-Kreisprozesses (CK) und ein gemeinsamer Generator (19) auf einer gemeinsamen Welle (18) angeordnet sind.