DE102010034229A1

DE102010034229A1 - Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen und ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010034229A1
Application number: DE201010034229
Authority: DE
Inventors: Christopher Bittl; Dipl.-Ing. Gärtner Jan; Dr.-Ing. Koch Thomas
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-07
Filing date: 2010-08-07
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen (2.1, 2.2), wobei eine erste Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2.1) mit einem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) und eine zweite Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2.2) mit einem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) ausgebildet ist, und einem Kühlmittelkreislauf (3), wobei in diesen Kreisläufen jeweils ein separates Arbeitsmittel zirkuliert. Erfindungsgemäß sind der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT), der Kühlmittelkreislauf (3) und der Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) mittels eines ersten Wärmetauschers (5.1) und eines zweiten Wärmetauschers (5.3) miteinander thermisch gekoppelt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Heutige Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent auf. Die Verluste werden überwiegend als Wärme an ein Kühlmittel und als Abgaswärme abgegeben.
Im Stand der Technik existieren verschiedene Verfahren und Vorrichtungen, mittels derer aus der Abgaswärme und/oder der Kühlmittelwärme elektrische und/oder mechanische Energie gewonnen wird.
Die DE 10 2008 005 040 A1 betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse und einer ersten Wärmerückgewinnungsvorrichtung, wobei in dem Gehäuse ein Gehäusekanal angeordnet ist, der im Betrieb mit einem ersten Arbeitsmedium durchströmbar ist, so dass ein Wärmeübergang von dem Gehäuse in das erste Arbeitsmedium realisierbar ist, und wobei die erste Wärmerückgewinnungsvorrichtung eine erste Expansionsvorrichtung, einen ersten Kondensator und eine erste Fördereinheit umfasst, wobei die erste Expansionsvorrichtung, der erste Kondensator, die erste Fördereinheit und der Gehäusekanal zu einem ersten Kreislauf verschaltet sind, in dem das erste Arbeitsmedium zirkulierbar ist. Es ist ein Wärmetauscher vorgesehen, in dem ein Wärmeübergang von einer der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Wärmequelle in das erste Arbeitsmedium und/oder in ein weiteres Arbeitsmedium realisierbar ist.
In der JP 2005 325746 A ist eine Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung beschrieben.
In der US 6 845 618 B2 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Kreisprozesses nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess beschrieben.
In der JP 2005 329843 A ist eine Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere energieeffizientere Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen, wobei eine erste Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit einem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf und eine zweite Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit einem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf ausgebildet ist, und einem Kühlmittelkreislauf, wobei in diesen Kreisläufen jeweils ein separates Arbeitsmittel zirkuliert, sind der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf, der Kühlmittelkreislauf und der Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf mittels eines ersten Wärmetauschers und eines zweiten Wärmetauschers miteinander thermisch gekoppelt.
Es sind somit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen mit getrennten Arbeitsmittelkreisläufen vorgesehen, in welchen jeweils ein separates Arbeitsmittel zirkuliert und die individuell an die jeweils vorherrschenden Einsatzbedingungen anpassbar sind. Insbesondere sind die Förderleistungen der Fördereinheiten, die Grade der Expansion des jeweiligen Arbeitsmittels in den Expansionsvorrichtungen sowie die Kühlleistungen der Kondensatoren für beide Wärmerückgewinnungsvorrichtungen unabhängig voneinander einstellbar. Darüber hinaus ist es möglich, beide Wärmerückgewinnungsvorrichtungen mit unterschiedlichen Arbeitsmitteln und unterschiedlichen Temperaturen zu betreiben und auf diese Weise Wärmeübergänge bei den jeweils vorherrschenden Temperaturverhältnissen zu verbessern.
Auf diese Weise ist beispielsweise das Arbeitsmittel des Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislaufs zur Kühlung und/oder Kondensierung des Arbeitsmittels des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs einsetzbar. Ein anderenfalls erforderliches zusätzliches Kühlmittel zur Kühlung des Arbeitsmittels des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs im Kondensator kann somit entfallen.
Daraus resultiert die Möglichkeit, eine in der Brennkraftmaschine erzeugte thermische Energie, die sonst als Verlustwärme an die Umgebung abgegeben worden wäre, in nutzbare mechanische und/oder elektrische Energie umzuwandeln.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind der Kühlmittelkreislauf mittels des ersten Wärmetauschers und der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf mittels des zweiten Wärmetauschers derart thermisch mit dem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf gekoppelt, dass jeweils Wärmeenergie aus dem Kühlmittelkreislauf und dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf ein- und/oder übertragbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung sind der Kühlmittelkreislauf mittels des ersten Wärmetauschers mit dem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf und der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf mittels des zweiten Wärmetauscher mit dem Kühlmittelkreislauf derart thermisch gekoppelt, dass Wärmeenergie aus dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf in den Kühlmittelkreislauf und eine daraus resultierende Gesamtwärmeenergie in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf ein- und/oder übertragbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kühlmittelkreislauf zumindest aus zwei Teilkreisläufen gebildet, welche beispielsweise separat steuer- und/oder regelbar und somit an wechselnde Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anpassbar sind.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst der Kühlmittelkreislauf zumindest einen Motorkühlmittelkreislauf, welcher die Brennkraftmaschine und/oder ein in der Brennkraftmaschine zirkulierendes Schmiermittel kühlt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kühlmittelkreislauf zumindest einen luftgekühlten Kühlmittelkühler, mittels dem überschüssige Wärmeenergie des Kühlmittelkreislaufs in eine Fahrzeugumgebung abführbar ist.
Besonders vorteilhafterweise ist im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf und im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf jeweils ein Prozessablauf durchführbar, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
Die jeweiligen Arbeitsmittel im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf, im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf und im Kühlmittelkreislauf sind vorteilhafterweise Medien mit unterschiedlichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften.
Beispielweise ist das Arbeitsmittel im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf eine organische Flüssigkeit, welche eine niedrigere Verdampfungstemperatur als das Arbeitsmittel im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf aufweist.
Dadurch ist es möglich, die Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf und die Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit dem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf an die jeweils vorherrschenden Betriebsbedingungen anzupassen und insbesondere Wärmeübergänge vom Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf auf den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf zu verbessern.
Beim Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen, wobei eine erste Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit einem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf und eine zweite Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit einem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf ausgebildet ist, und einem Kühlmittelkreislauf, wobei in diesen Kreisläufen jeweils ein separates Arbeitsmittel zirkuliert, werden der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf, der Kühlmittelkreislauf und der Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf mittels eines ersten Wärmetauschers und eines zweiten Wärmetauschers derart miteinander thermisch gekoppelt, dass Wärmeenergie jeweils aus dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf und dem Kühlmittelkreislauf in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf übertragen wird oder Wärmeenergie aus dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf in den Kühlmittelkreislauf und eine daraus resultierende Gesamtwärmeenergie in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf übertragen werden.
Das Verfahren ermöglicht durch Umsetzung der thermischen Energie des Abgases der Brennkraftmaschine im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf und des Kühlmittels der Brennkraftmaschine im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf eine Verringerung der thermischen Last für das Fahrzeugkühlsystem und somit eine Entlastung des Fahrzeugkühlsystems.
Mittels der beiden Wärmerückgewinnungsvorrichtungen wird nahezu die gesamte, im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallende Verlustwärmeenergie in den Wärmetauschern und daraus resultierend im jeweiligen Arbeitsmittelkreislauf genutzt.
Dadurch wird als Vorteil der Erfindung eine Wirkungsgradsteigerung der Wärmerückgewinnungsvorrichtungen erreicht. Durch die Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird im Weiteren der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht.
Das Verfahren kann besonders vorteilhafterweise bei jeder Brennkraftmaschine eingesetzt werden, um eine optimierte Abwärmenutzung zu realisieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsvariante einer Brennkraftmaschine mit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen und einem Kühlmittelkreislauf,
2 schematisch ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsvariante einer Brennkraftmaschine mit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen und einem Kühlmittelkreislauf,
3 schematisch ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsvariante einer Brennkraftmaschine mit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen und einem Kühlmittelkreislauf und
4 schematisch ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsvariante einer Brennkraftmaschine mit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen und einem Kühlmittelkreislauf.
Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsvariante einer Brennkraftmaschine 1 mit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen 2.1 und 2.2 und einem Kühlmittelkreislauf 3 dargestellt.
Die Brennkraftmaschine 1 ist beispielsweise als herkömmlicher Diesel- oder Ottomotor ausgebildet.
Im Kühlmittelkreislauf 3 der Brennkraftmaschine 1 zirkuliert ein herkömmliches Kühlmittel und führt überschüssige Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine 1 ab. Dazu umfasst der Kühlmittelkreislauf 3 eine Kühlmittelpumpe 4.1, die Brennkraftmaschine 1 mit nicht dargestellten Kühlmittelkanälen und einen Wärmetauscher 5.1.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1 umfasst zumindest einen Wärmetauscher 5.2, eine Fördereinheit 6.1, eine Expansionsvorrichtung 7.1 und einen weiteren Wärmetauscher 5.3, welcher als Kondensator ausgebildet ist. Die einzelnen Teile der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1 sind in einem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT verschaltet, wobei in diesem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AKHT ein nicht näher dargestelltes Arbeitsmittel führbar ist und ein in dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AKHT durchgeführter Prozessablauf dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
Im Prozessablauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder des Organic-Rankine-Kreisprozesses wird das flüssige Arbeitsmittel in einem Arbeitmittelstrom von der Fördereinheit 6.1 dem Wärmetauscher 5.2 zugeführt. Im Wärmetauscher 5.2 wird das flüssige Arbeitsmittel unter konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine 1 derart erwärmt, dass es verdampft.
Der Wärmetauscher 5.2 ist dabei beispielsweise als Abgaswärmetauscher oder als Abgasrückführungswärmetauscher ausgebildet, welcher in einer nicht dargestellten Abgasleitung einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist und vom Abgas durchströmbar ist. Der Wärmetauscher 5.2 kann eine Abgaswärme der Brennkraftmaschine 1 verwenden, um das flüssige Arbeitsmittel zu erwärmen und zu verdampfen.
Auf Grund der hohen Temperaturen des Abgases der Brennkraftmaschine 1 ist ein Arbeitsmittelkreislauf der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1 als so genannter Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AKHT ausgebildet.
Das unter hohem Druck stehende dampfförmige Arbeitsmittel wird der Expansionsvorrichtung 7.1 zugeführt und in einer adiabatischen oder zumindest nahezu adiabatischen Expansion zu einem dampfförmigen Arbeitsmittel mit Normaldruck entspannt. In der Expansionsvorrichtung 7.1, die z. B. als Turbine oder Kolbenexpansionsmaschine ausgeführt ist, wird dabei eine kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmittels in eine mechanische Energie umwandelt.
Beispielsweise kann die erzeugte mechanische Energie bei einer Kopplung der Expansionsvorrichtung 7.1 mit einem nicht dargestellten elektrischen Generator in eine elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann z. B. zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Elektromotors genutzt werden, der unterstützend zu der Brennkraftmaschine 1 wirkt.
Weiterhin kann die mittels der Expansionsvorrichtung 7.1 erzeugte mechanische Energie direkt über nicht näher dargestellte Anordnungen der Brennkraftmaschine 1 zur Unterstützung zugeführt werden.
Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmittel dem als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher 5.3 zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmittel mittels einer Kühlung annähernd isobar kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass der Fördereinheit 6.1 eingangsseitig das flüssige Arbeitsmittel zuführbar ist.
In der zweiten Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.2 sind der Wärmetauscher 5.1 des Kühlmittelkreislaufs 3, der Wärmetauscher 5.3 der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1, eine weitere Fördereinheit 6.2, eine weitere Expansionsvorrichtung 7.2 und ein Kondensator 8 in einem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT verschaltet, wobei in diesem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT ein Arbeitsmittel geführt wird und ein in dem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT durchgeführter Prozessablauf dem eines so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder des Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.2 arbeitet somit nach dem gleichen Prinzip wie die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1. Im Unterschied zur Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1 ist ein Arbeitsmittelkreislauf der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.2 als so genannter Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT ausgebildet. Dadurch kann vorteilhafterweise in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1 mit dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT anfallende Verlustwärme in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.2 mit dem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT verwendet und in mechanische Energie umgewandelt werden,
Im Prozessablauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder des Organic-Rankine-Kreisprozesses der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.2 wird das flüssige Arbeitsmittel in einem Arbeitmittelstrom von der Fördereinheit 6.2 dem Wärmetauscher 5.1 des Kühlmittelkreislaufs 3 zugeführt. Stromabwärts nach dem Wärmetauscher 5.1 des Kühlmittelkreislaufs 3 ist der Wärmetauscher 5.3 der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1 angeordnet und wird vom Arbeitsmittel durchströmt. In den Wärmetauschern 5.1 und 5.3 wird das flüssige Arbeitsmittel unter konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine 1 und der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.1 derart erwärmt, dass es verdampft.
Mit anderen Worten wird mittels des Wärmetauschers 5.1 Wärmeenergie vom Kühlmittelkreislauf 3 in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT übertragen und mittels des Wärmetauschers 5.3 wird das Arbeitsmittel des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT gekühlt und kondensiert und somit Wärmeenergie vom Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AKHT in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT übertragen.
In der Expansionsvorrichtung 7.2 der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.2, die z. B. als Turbine oder Kolbenexpansionsmaschine ausgeführt ist, wird eine Wärmeenergie des Arbeitsmittels durch Abkühlung in eine mechanische Energie umgewandelt, welche beispielsweise zu einem Antrieb eines nicht dargestellten elektrischen Generators genutzt werden kann.
Mit der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.2 ist somit die anfallende Verlustwärme des Kühlmittelkreislaufs 3 der Brennkraftmaschine 1 und die anfallende Restwärme des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT durch eine Verdampfungskühlung abführbar und umwandelbar.
Im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AKNE, im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT und im Kühlmittelkreislauf 3 zirkuliert jeweils ein separates Arbeitsmittel, wobei die jeweiligen Arbeitsmittel im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT, im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT und im Kühlmittelkreislauf 3 Medien mit unterschiedlichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften sein können.
Als Arbeitsmittel können herkömmliche organische und/oder anorganische Arbeitsmittel, wie z. B. Wasser, Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, weitere Flüssigkeiten und/oder Lösungen dieser verwendet werden.
Das Arbeitsmittel im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT ist typischerweise eine organische Flüssigkeit, welche eine niedrigere Verdampfungstemperatur als das Arbeitsmittel im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT aufweist.
Ein Arbeitsdruck des Arbeitsmittels im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AKHT ist vorteilhafterweise höher als ein Arbeitsdruck des Arbeitsmittels im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT.
In 2 ist schematisch ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsvariante einer Brennkraftmaschine 1 mit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen 2.1 und 2.2 und einem Kühlmittelkreislauf 3 dargestellt.
In dieser Ausführungsvariante sind der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT und der Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT nicht mittels des Wärmetauschers 5.3 direkt thermisch gekoppelt. Vielmehr sind sowohl der Wärmetauscher 5.3 des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs AKHT als auch der Wärmetauscher 5.1 des Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT in den Kühlmittelkreislauf 3 integriert.
Der Kühlmittelkreislauf 3 ist somit aus zwei Teilkreisläufen 3.1 und 3.2 gebildet. Der erste Teilkreislauf 3.1 ist als Motorkühlmittelkreislauf ausgebildet und umfasst die Kühlmittelpumpe 4.1, die Brennkraftmaschine 1 mit nicht dargestellten Kühlmittelkanälen und den Wärmetauscher 5.1.
Der zweite Teilkreislauf 3.2 umfasst eine weitere Kühlmittelpumpe 4.2, den Wärmetauscher 5.3 des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs AK_HT und den Wärmetauscher 5.1.
Die beiden Teilkreisläufe 3.1 und 3.2 sind mittels zweier Abzweigungen 9.1 und 9.2 miteinander verbunden. Die erste Abzweigung 9.1 ist stromabwärts nach dem Wärmetauscher 5.1 angeordnet und verteilt einen Kühlmittelstrom auf die Kühlmittelpumpen 4.1 und 4.2. Die zweite Abzweigung 9.2 ist stromaufwärts vor dem Wärmetauscher 5.1 angeordnet und vereint einen Kühlmittelteilstrom vom Wärmetauscher 5.3 mit einem Kühlmittelteilstrom von der Brennkraftmaschine 1.
Mittels der variabel einstellbaren Fördermengen der Kühlmittelpumpen 4.1 und 4.2 sind die Strömungsverhältnisse des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf 3 an die im Wärmetauscher 5.3 des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs AKHT und an die in der Brennkraftmaschine 1 abzuführende Verlustwärmemenge anpassbar.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird somit die überschüssige Wärmeenergie des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs AKHT mittels des Wärmetauschers 5.3 in den Kühlmittelkreislauf 3 übertragen. Im Kühlmittelkreislauf 3 wird die überschüssige Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine 1 abgeführt. Eine aus der überschüssigen Wärmeenergie des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs AKHT und der Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine 1 resultierende Gesamtwärmeenergie wird somit mittels des Wärmetauschers 5.1 in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT übertragen und dort erfolgt die bereits beschriebene Umwandlung in mechanische Energie.
In 3 ist schematisch ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsvariante einer Brennkraftmaschine 1 mit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen 2.1 und 2.2 und einem Kühlmittelkreislauf 3 dargestellt.
Der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT und der Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT sind in dieser Ausführungsvariante nicht direkt thermisch gekoppelt. Der Wärmetauscher 5.3 des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs AK_HT und der Wärmetauscher 5.1 des Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT sind in den Kühlmittelkreislauf 3 integriert.
Der Kühlmittelkreislauf 3 umfasst somit die Kühlmittelpumpe 4.1, die Brennkraftmaschine 1 mit nicht dargestellten Kühlmittelkanälen und die Wärmetauscher 5.3 und 5.1. Zusätzlich ist eine Bypassleitung 10 mittels zweier Abzweigungen 9.3 und 9.4 im Kühlmittelkreislauf 3 angeordnet. Die erste Abzweigung 9.3 ist stromabwärts nach der Brennkraftmaschine 1 und vor dem Wärmetauscher 5.3 angeordnet und verteilt einen Kühlmittelstrom in die Bypassleitung 10 und in den Wärmetauscher 5.3.
Die zweite Abzweigung 9.4 ist stromabwärts nach dem Wärmetauscher 5.1 und vor der Kühlmittelpumpe 4.1 angeordnet und vereint einen Kühlmittelteilstrom vom Wärmetauscher 5.1 mit einem Kühlmittelteilstrom aus der Bypassleitung 10.
In der Bypassleitung 10 ist ein herkömmlicher luftgekühlter Kühlmittelkühler 11 und stromaufwärts vor diesem ein Ventil 12 angeordnet. Mittels des Ventils 12 ist der Kühlmittelteilstrom durch die Bypassleitung 10 und daraus resultierend durch den Kühlmittelkühler 11 steuer- und/oder regelbar.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 kann somit zusätzlich zur bereits beschriebenen Übertragung von Wärmeenergie aus dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT in den Kühlmittelkreislauf 3 und der Übertragung der daraus im Kühlmittelkreislauf 3 resultierenden Gesamtwärmeenergie in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT eine überschüssige Wärmeenergie im Kühlmittelkreislauf 3 mittels des Kühlmittelkühlers 11 abgeführt werden. Als überschüssige Wärmeenergie im Kühlmittelkreislauf 3 wird die Wärmeenergie bezeichnet, welche nicht im vom Wärmetauscher 5.1 absorbiert wird. Beispielsweise kann bei entsprechenden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise einer längeren Volllastphase, die abzuführende Wärmeenergiemenge im Kühlmittelkreislauf 3 die vom Wärmetauscher 5.1 maximal absorbierbare Wärmemenge überschreiten. Diese überschüssige Wärmeenergie kann in der in 3 dargestellten Ausführungsform mittels des Kühlmittelkühlers 11 in die Umgebung abgegeben werden.
In 4 ist schematisch ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsvariante einer Brennkraftmaschine 1 mit zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen 2.1 und 2.2 und einem Kühlmittelkreislauf 3 dargestellt.
Der Kühlmittelkreislauf 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels des Wärmetauschers 5.1 mit dem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT und der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT ist mittels des Wärmetauschers 5.3 mit dem Kühlmittelkreislauf 3 derart thermisch gekoppelt, dass Wärmeenergie aus dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_HT in den Kühlmittelkreislauf 3 und eine daraus resultierende Gesamtwärmeenergie in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT übertragen werden.
Der Kühlmittelkreislauf 3 ist aus zwei Teilkreisläufen 3.1 und 3.2 gebildet, wobei innerhalb dieser Teilkreisläufe 3.1 und 3.2 ein Arbeitsmittel, beispielsweise ein herkömmliches Motorkühlmittel, zirkuliert.
Während der erste Teilkreislauf 3.1 die Kühlmittelpumpe 4.1, die Brennkraftmaschine 1 mit nicht dargestellten Kühlmittelkanälen und den Wärmetauscher 5.1 umfasst, ist der zweite Teilkreislauf 3.2 von einer weiteren Kühlmittelpumpe 4.2, dem Wärmetauscher 5.3 des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs AK_HT und dem Wärmetauscher 5.1 gebildet.
Mittels der Abzweigungen 9.1 und 9.2 sind die beiden Teilkreisläufe 3.1 und 3.2 miteinander verbunden, wobei die erste Abzweigung 9.1 stromabwärts nach dem Wärmetauscher 5.1 angeordnet ist und einen Kühlmittelstrom auf die Kühlmittelpumpen 4.1 und 4.2 aufteilt, während die zweite Abzweigung 9.2 stromaufwärts vor dem Wärmetauscher 5.1 angeordnet ist und den Kühlmittelteilstrom vom Wärmetauscher 5.3 mit dem Kühlmittelteilstrom von der Brennkraftmaschine 1 zu einem Kühlmittelstrom zusammenführt, welcher den Wärmetauscher 5.1 durchströmt.
Im Teilkreislauf 3.1 des Kühlmittelkreislaufs 3 ist eine Bypassleitung 10 mittels zweier Abzweigungen 9.3 und 9.4 angeordnet. Dabei ist die erste Abzweigung 9.3, in welcher die Bypassleitung 10 vom Teilkreislauf 3.1 abzweigt, stromabwärts nach der Brennkraftmaschine 1 und vor der Abzweigung 9.2 angeordnet und verteilt einen Kühlmittelstrom in die Bypassleitung 10 und in den Wärmetauscher 5.1.
Die zweite Abzweigung 9.4 ist stromabwärts nach dem Wärmetauscher 5.1 und vor der Abzweigung 9.1 angeordnet und vereint einen Kühlmittelteilstrom vom Wärmetauscher 5.1 mit einem Kühlmittelteilstrom aus der Bypassleitung 10.
In der Bypassleitung 10 ist ein weiterer Wärmetauscher 5.4 und stromaufwärts vor diesem ein Ventil 12 angeordnet. Der Kühlmittelteilstrom durch die Bypassleitung 10 und daraus resultierend durch den Wärmetauscher 5.4 kann mittels des Ventils 12 gesteuert und/oder geregelt werden. Der Wärmetauscher 5.4 ist mittels eines weiteren Kühlmittelkreislaufs 13 mit einem herkömmlichen luftgekühlten Kühlmittelkühler 11 gekoppelt.
Somit können im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mittels der variabel einstellbaren Fördermengen der Kühlmittelpumpen 4.1 und 4.2 die Kühlmittelteilströme im Kühlmittelkreislauf 3 und in den jeweiligen Teilkreisläufen 3.1 und 3.2 an die im Wärmetauscher 5.3 des Hochtemperaturarbeitsmittelkreislaufs AK_HT und in der Brennkraftmaschine 1 abzuführende Verlustwärmemenge angepasst werden. Darüber hinaus kann überschüssige Wärmeenergie im Kühlmittelkreislauf 3, welche nicht mittels des Wärmetauschers 5.1 in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT eingespeist werden kann, mittels des Kühlmittelkühlers 11 in die Umgebung der Brennkraftmaschine 1 und/oder des nicht dargestellten Fahrzeugs, in welchem die Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist, abgeführt werden.
Mittels des weiteren Kühlmittelkreislaufs 13 und dem mit diesem gekoppelten luftgekühlten Kühlmittelkühler 11 kann die überschüssige Wärmeenergie im Kühlmittelkreislauf 3, welche nicht mittels des Wärmetauschers 5.1 in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf AK_NT eingespeist werden kann, besonders effektiv in die Fahrzeugumgebung abgeführt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Wärmetauscher 5.4 als im Innenraum des Fahrzeugs angeordneter Wärmetauscher einer herkömmlichen Heizvorrichtung des Fahrzeugs ausgeformt, wodurch in gewinnbringender Weise die überschüssige Wärmeenergie im Kühlmittelkreislauf 3 zur Heizung des Fahrzeuginnenraums verwendbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2.1, 2.2: Wärmerückgewinnungsvorrichtung
3: Kühlmittelkreislauf
3.1, 3.2: Teilkreislauf
4.1, 4.2: Kühlmittelpumpe
5.1 bis 5.4: Wärmetauscher
6.1, 6.2: Fördereinheit
7.1, 7.2: Expansionsvorrichtung
8: Kondensator
9.1 bis 9.4: Abzweigung
10: Bypassleitung
11: Kühlmittelkühler
12: Ventil
13: Kühlmittelkreislauf
AK_HT: Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf
AK_NT: Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008005040 A1 [0004]
JP 2005325746 A [0005]
US 6845618 B2 [0006]
JP 2005329843 A [0007]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen (2.1, 2.2), wobei eine erste Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2.1) mit einem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) und eine zweite Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2.2) mit einem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) ausgebildet ist, und einem Kühlmittelkreislauf (3), wobei in diesen Kreisläufen jeweils ein separates Arbeitsmittel zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT), der Kühlmittelkreislauf (3) und der Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) mittels eines ersten Wärmetauschers (5.1) und eines zweiten Wärmetauschers (5.3) miteinander thermisch gekoppelt sind.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3) mittels des ersten Wärmetauschers (5.1) und der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) mittels des zweiten Wärmetauschers (5.3) derart thermisch mit dem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) gekoppelt sind, dass jeweils Wärmeenergie aus dem Kühlmittelkreislauf (3) und dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) eintragbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3) mittels des ersten Wärmetauschers (5.1) mit dem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) und der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) mittels des zweiten Wärmetauschers (5.3) mit dem Kühlmittelkreislauf (3) derart thermisch gekoppelt sind, dass Wärmeenergie aus dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) in den Kühlmittelkreislauf (3) und eine daraus resultierende Gesamtwärmeenergie in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) eintragbar sind.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3) zumindest aus zwei Teilkreisläufen (3.1, 3.2) gebildet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3) zumindest einen Motorkühlmittelkreislauf umfasst.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3) zumindest einen luftgekühlten Kühlmittelkühler (11) umfasst.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) und im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) jeweils ein Prozessablauf durchführbar ist, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Arbeitsmittel im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT), im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) und im Kühlmittelkreislauf (3) Medien mit unterschiedlichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften sind.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) eine organische Flüssigkeit ist, welche eine niedrigere Verdampfungstemperatur als das Arbeitsmittel im Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) mit zumindest zwei Wärmerückgewinnungsvorrichtungen (2.1, 2.2), wobei eine erste Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2.1) mit einem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) und eine zweite Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2.2) mit einem Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) ausgebildet ist, und einem Kühlmittelkreislauf (3), wobei in diesen Kreisläufen jeweils ein separates Arbeitsmittel zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT), der Kühlmittelkreislauf (3) und der Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) mittels eines ersten Wärmetauschers (5.1) und eines zweiten Wärmetauschers (5.3) derart miteinander thermisch gekoppelt werden, dass Wärmeenergie jeweils aus dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) und dem Kühlmittelkreislauf (3) in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) übertragen wird oder Wärmeenergie aus dem Hochtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_HT) in den Kühlmittelkreislauf (3) und eine daraus resultierende Gesamtwärmeenergie in den Niedrigtemperaturarbeitsmittelkreislauf (AK_NT) übertragen wird.