DE102010049916A1

DE102010049916A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010049916A1
Application number: DE102010049916A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ralf (FH) Nüßle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom (AG) einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Fahrzeug mit einer Absorptionskältemaschine (14). Erfindungsgemäß wird der Abgasstrom (AG) zumindest einem Abgaswärmetauscher (4) einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) zugeführt und anschließend der Abgasstrom (AG) und/oder ein Abwärmestrom der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) der Absorptionskältemaschine (14) zugeführt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom (AG) einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Fahrzeug mit einer Absorptionskältemaschine (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 8.
Moderne Verbrennungsmotoren weisen Wirkungsgrade im Bereich von 30% bis 40% auf. Daraus resultierend wird ein großer Teil der dem Verbrennungsmotor zugeführten chemischen Energie in Form von Abwärme vorzugsweise über ein Kühlmittel und eine Abgaswärme an eine Fahrzeugumgebung abgegeben.
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 verbessert eine Zylinderfüllung des Verbrennungsmotors und führt so zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors.
Alternativ ist dem Verbrennungsmotor ein Kreisprozess nachgeschaltet, bei dem der heiße Abgasstrom und zum Teil das Kühlmittel einer 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. Hierbei ist auch ein Joule-Prozess, insbesondere ein geschlossener Joule-Prozess, denkbar, bei welchem ein Gas über einen Verdichter auf ein entsprechend hohes Druckniveau befördert wird und einem Abgaswärmetauscher des Verbrennungsmotors zugeführt wird, wobei eine Abgaswärme an das im Joule-Kreislauf befindliche Arbeitsgas übertragen wird. Dieses verdichtete und erhitzte Arbeitsgas wird dann unter Freisetzung von mechanischer Arbeit in einer Expansionsmaschine entspannt und in einem Kühler rückgekühlt, bevor es wiederum dem Verdichter zugeführt wird.
Zum Betrieb von Fahrzeugklimaanlagen wird im Stand der Technik die erforderliche Kälteleistung durch Kompressoren erzeugt. Es finden vorwiegend Kompressorklimaanlagen Verwendung, die vom Fahrzeugantrieb, insbesondere von Verbrennungsmotoren oder von Hybridantrieben, zusätzlich angetrieben werden müssen und hierdurch in nachteiliger Weise zu einer Verbrauchserhöhung führen. Die mechanische Energie des Fahrzeugantriebs, insbesondere des Verbrennungsmotors, wird hierbei für den Betrieb des Kompressors genutzt, wodurch im Betrieb der Kompressorklimaanlage der Fahrzeugantrieb die hierfür erforderliche Leistung zusätzlich abgeben muss. Aufgrund der geringen Energieeffizienz von Verbrennungsmotoren und von Klimakompressoren entsteht ein signifikanter Mehrverbrauch.
Aus der DE 10 2008 041 363 A1 ist eine Fahrzeugklimaanlage eines eine Brennkraftmaschine aufweisenden Kraftfahrzeugs bekannt, wobei die Fahrzeugklimaanlage eine die Brennkraftmaschinen-Abwärme und/oder Abgasabwärme der Brennkraftmaschine nutzende Resorptionsklimaanlage ist.
Aus der US 7 650 761 B2 ist eine Kältemaschine bekannt, welche Abwärme eines Verbrennungsmotors in einem Clausius-Rankine-Prozess nutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte, insbesondere effizientere Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes, insbesondere effizienteres Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim Verfahren zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einer Absorptionskältemaschine wird der Abgasstrom zumindest einem Abgaswärmetauscher einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung zugeführt wird und anschließend der Abgasstrom und/oder ein Abwärmestrom der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung der Absorptionskältemaschine zugeführt.
Die Erfindung verbessert die Abwärmenutzung aus dem Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschinen, indem abgasseitig der Verbrennungskraftmaschine eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung und eine Absorptionskältemaschine geschaltet sind. Dadurch wird die im Abgasstrom enthaltene thermische Energie zum einen in der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung genutzt und zum anderen in der Absorptionskältemaschine. Insbesondere weist der den Abgaswärmetauscher der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung verlassende Abgasstrom eine solche thermische Energie auf, welche vorteilhafterweise den Betrieb der Absorptionskältemaschine ermöglicht. Ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit auf dieser Weise ausgeführter Abwärmenutzung weist gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und die Kosten sind aufgrund der kompakten Bauweise deutlich reduziert.
In der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung wird ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess geführt, der aus dem Abgaswärmetauscher, einer Turbine, einem zwischen der Turbine und einem Verdichter angeordneten Kühler und dem Verdichter gebildet ist. Vorteilhafterweise nimmt das Arbeitsmedium des geschlossenen Joule-Kreisprozesses eine Teilmenge der thermischen Energie des Abgasstroms auf, wobei es aufgeheizt und beschleunigt wird, so dass hohe Wärmeübertragungsleistungen ermöglicht sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dem geschlossenen Joule-Kreisprozess ein Clausius-Rankine-Kreisprozess derart nachgeschaltet, dass der Joule-Kreisprozess und der Clausius-Rankine-Kreisprozess mittels des Kühlers thermisch gekoppelt sind und das Arbeitsmedium des Joule-Kreisprozesses gekühlt 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 und zerstört wird.
Mittels der Turbine der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung wird aus zumindest einer Teilmenge der thermischen Energie des Abgasstroms mechanische Energie erzeugt. Somit wird die bei herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen ungenutzte thermische Energie des Abgasstroms einer Verwendung zugeführt.
Mittels einer Teilmenge der verbleibenden thermischen Energie des Abgasstroms wird die Absorptionskältemaschine betrieben. Der Abgasstrom enthält vorteilhafterweise auch nach dem Durchströmen der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung eine Menge an thermischer Energie, welche zum Betrieb der Absorptionskältemaschine ausreicht und vorliegend genutzt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird einem in der Absorptionskältemaschine geführten Kältemittel Wärmeenergie eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Dadurch wird die Wärmeenergie des Kühlmittels, welche in herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen mittels eines Kühlmittelkühlers an eine Fahrzeugumgebung abgegeben wird, effizient genutzt.
Mittels der Absorptionskältemaschine werden vorteilhafterweise ein Fahrzeuginnenraum, ein Frachtraum, ein Stromspeicher und/oder eine Steuereinheit gekühlt oder klimatisiert. Somit ist die Nutzung einer herkömmlichen Kompressorklimaanlage, welche vom Fahrzeugantrieb, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, angetrieben wird, vermieden. Daraus resultierend ist ein Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs reduziert.
Bei der Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einer Absorptionskältemaschine ist erfindungsgemäß eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung thermisch mit einer Abgasleitung gekoppelt ist und eine Absorptionskältemaschine thermisch mit einer Abgasleitung und/oder einem Abwärmestrom der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung gekoppelt.
Ein Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine und die Absorptionskältemaschine sind thermisch gekoppelt. Dadurch ist vorteilhafterweise die thermische Energie des Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine in der Absorptionskältemaschine nutzbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei abgasseitig von der Verbrennungskraftmaschine ein geschlossener Joule-Kreisprozess und eine Absorptionskältemaschine nachgeschaltet sind,
2 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, die Teil einer seriellen Hybridantriebsvorrichtung ist, wobei abgasseitig von der Verbrennungskraftmaschine ein geschlossener Joule-Kreisprozess und eine Absorptionskältemaschine nachgeschaltet sind,
3 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, die Teil einer seriellen Hybridantriebsvorrichtung ist, wobei abgasseitig von der Verbrennungskraftmaschine ein geschlossener Joule-Kreisprozess nachgeschaltet ist und eine Absorptionskältemaschine thermisch mit dem geschlossenen Joule-Kreisprozess gekoppelt ist,
4 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, die Teil einer seriellen Hybridantriebsvorrichtung ist, wobei abgasseitig von der Verbrennungskraftmaschine ein geschlossener Joule-Kreisprozess und eine Absorptionskältemaschine nachgeschaltet sind und ein Clausius-Rankine-Kreisprozess thermisch mit dem geschlossenen Joule-Kreisprozess gekoppelt ist und
5 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei abgasseitig von der Verbrennungskraftmaschine ein geschlossener Joule-Kreisprozess und eine Absorptionskältemaschine nachgeschaltet sind und ein Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine thermisch mit der Absorptionskältemaschine gekoppelt ist.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Abwärmenutzung aus dem Abgasstrom AG einer Verbrennungskraftmaschine 2. Bei der Verbrennungskraftmaschine 2 kann es sich um einen herkömmlichen Diesel- oder Ottomotor oder eine andere Verbrennungsmaschine z. B. eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs handeln. 1 zeigt einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor.
Abgasseitig von der Verbrennungskraftmaschine 2 ist eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 nachgeschaltet. Die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 ist vorzugsweise als ein geschlossener Joule-Kreisprozess JK ausgebildet.
Der Joule-Kreisprozess JK ist ein thermodynamischer Kreisprozess nach dem Physiker James Prescott Joule. Der geschlossene Joule-Kreisprozess JK umfasst einen Abgaswärmetauscher 4, der primärseitig vom Abgasstrom AG durchströmt wird und sekundärseitig von einem Arbeitsmedium AM des Joule-Kreisprozesses JK durchströmt wird.
Primärseitig mündet eine Abgasleitung 5 in den Abgaswärmetauscher 4 und geht von diesem wieder ab.
Sekundärseitig ist dem Abgaswärmetauscher 4 im Joule-Kreisprozess JK eingangsseitig ein Verdichter 6 vorgeschaltet. Ausgangsseitig ist dem Abgaswärmetauscher 4 im Joule-Kreisprozess JK eine Turbine 7 nachgeschaltet. Zwischen der Turbine 7 und dem Verdichter 6 ist im geschlossenen Joule-Kreisprozess JK ein Kühler 8, insbesondere ein Rückkühler oder Gaskühler angeordnet. Der Verdichter 6 und die Turbine 7 sind auf einer gemeinsamen Welle 9 angeordnet.
Anstelle der Turbine 7 kann auch eine andere Strömungsmaschine eingesetzt werden. Der Kühler 8 kann direkt von Luft durchströmt und somit gekühlt werden oder an einen entsprechenden Kühlkreislauf angeschlossen sein.
Der heiße Abgasstrom AG des Verbrennungskraftmaschine 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.
An der Welle 9 ist eine Kupplung 10 angeordnet, mittels derer die Welle 9 und daraus resultierend die Turbine 7 mit einem Zahnrad 11 mechanisch trennbar gekoppelt werden können. Das Zahnrad 11 steht mit einem Schwungrad 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 in Eingriff.
Erfindungsgemäß ist in der Abgasleitung 5 stromabwärts des Abgaswärmetauschers 4 eine Trenneinheit 13 einer Absorptionskältemaschine 14 angeordnet. Die Trenneinheit 13 der Absorptionskältemaschine 14 wird vom Abgasstrom AG durchströmt.
Die Absorptionskältemaschine 14 umfasst einen Kühlmittelkreislauf 15 mit darin geführtem Kühlmittel K1 und einen Kältemittelkreislauf 16 mit darin geführtem Kältemittel K2.
Das Kühlmittel K1 wird mittels einer in dem Kühlmittelkreislauf 15 angeordneten Kühlmittelpumpe 17 gefördert, nimmt mittels des Wärmetauschers 18 Verlustwärme eines zu kühlenden Bereichs oder Gegenstands auf und gibt diese in einem Verdampfer 19 an das in dem Kältemittelkreislauf 16 befindliche Kältemittel K2 ab.
Zu einem Volumenausgleich, welcher aufgrund von Volumenänderungen des Kühlmittels K1 bei verschiedenen Temperaturen notwendig ist, ist ein Ausgleichsbehälter 20 in dem Kühlmittelkreislauf 15 angeordnet.
Um den Grad der Kühlung im Wärmetauscher 18 zu steuern, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise ein Drei-Wege-Ventil 21 vorgesehen, mittels welchem einzelne Abschnitte des Kühlmittelkreislaufes 15 voneinander und insbesondere vom Verdampfer 19 trennbar sind.
Im Kältemittelkreislauf 16 zirkuliert zumindest bereichsweise eine Kältemittellösung K2 + L, die aus einem Kältemittel K2, vorzugsweise Ammoniak oder Wasser und einem Lösungsmittel L, vorzugsweise Wasser oder Lithiumbromid, gebildet ist.
Zur Realisierung des Funktionsprinzips der Absorptionskältemaschine 14 umfasst der Kältemittelkreislauf 16 eine Kältemittelpumpe 22, bei der es sich insbesondere um eine Hochdruckpumpe handelt, mittels welcher der Trenneinheit 13 die Kühlmittellösung K2 + L zuführbar ist.
Die Trenneinheit 13 ist mit der Abgasleitung 5 gekoppelt oder beispielweise in diese integriert und wird vom heißen Abgasstrom AG durchströmt und erwärmt.
Anhand einer der Kältemittellösung K2 + L in der Trenneinheit 13 zugeführten thermischen Energie des Abgasstroms AG ist das Kältemittel K2, beispielsweise Ammoniak, aufgrund einer niedrigen Siedetemperatur aus der Kältemittellösung K2 + L verdampfbar und somit von dem Lösungsmittel L, welches auch nach der Erwärmung in der Trenneinheit 13 in einem flüssigen Aggregatzustand vorliegt, trennbar.
Anschließend ist das Kältemittel K2 über eine erste Versorgungsleitung 23 einem Kondensator 24, welcher bevorzugt ein luftgekühlter Kondensator ist, zuführbar, in welchem sich das Kältemittel K2 unter Wärmeabgabe abkühlt und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführbar ist.
Weiterhin umfasst der Kältemittelkreislauf 16 den in Strömungsrichtung nach dem Kondensator 24 angeordneten Verdampfer 19, in welchem unter Wärmeaufnahme eine Expansion und Verdampfung des Kältemittels K2 stattfindet.
Die gewünschte Kühlwirkung der Absorptionskältemaschine 14 wird somit mittels des Verdampfers 19 erreicht. Aus diesem Grund sind der Kühlmittelkreislauf 15 und der Kältemittelkreislauf 16 mittels des Verdampfers 19 derart thermisch gekoppelt, dass das Kältemittel K2 die Wärme des Kühlmittels K1 aufnimmt.
In Strömungsrichtung nach dem Verdampfer 19 ist ein Absorber 25 angeordnet, welchem das Kältemittel K2 zuführbar ist. Zwischen der Trenneinheit 13 und dem Absorber 25 ist eine zweite Versorgungsleitung 26 angeordnet, mittels welcher dem Absorber 25 das in der Trenneinheit 13 aus der Kältemittellösung K2 + L getrennte Lösungsmittel L zuführbar ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vor dem Absorber 25 zusätzlich ein Mantelrohr 27 angeordnet, mittels welchem insbesondere das Lösungsmittel L schon vor dem Eintritt in den Absorber 25 abkühlbar ist. Das abgekühlte Lösungsmittel L und das Kältemittel K2 sind gemeinsam dem Absorber 25 zuführbar.
Das kalte Lösungsmittel L hat das Bestreben, das Kältemittel K2 bis zur Sättigung aufzunehmen, so dass nach dem Absorber 25 wieder die Kältemittellösung K2 + L vorliegt, welche der Trenneinheit 13 mittels der Kältemittelpumpe 22 zuführbar ist.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird mittels der Turbine 7 der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 aus zumindest einer Teilmenge der thermischen Energie des Abgasstroms AG der Verbrennungskraftmaschine 2 mechanische Energie erzeugt. Die erzeugte mechanische Energie wird mittels der Kupplung 10 und des Zahnrads 11 auf das Schwungrad 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 übertragen und steht dort beispielsweise für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung.
Nach dem Austritt aus dem Abgaswärmetauscher 4 wird der Abgasstrom AG innerhalb der Abgasleitung 5 der Trenneinheit 13 zugeführt. Beim Eintritt in die Trenneinheit 13 der Absorptionskältemaschine 14 weist der den Abgaswärmetauscher 4 der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 verlassende Abgasstrom AG insbesondere eine solche thermische Energie auf, welche den Betrieb der Absorptionskältemaschine 14 ermöglicht.
Mittels der Absorptionskältemaschine 14 wird der Umgebung des Wärmetauschers 18 thermische Energie entzogen. Daraus resultiert eine Temperaturverringerung oder Abkühlung dieser Umgebung. Mittels des Wärmetauschers 18 sind somit ein nicht dargestellter Fahrzeuginnenraum, ein Frachtraum des Fahrzeugs, ein Stromspeicher und/oder eine Steuereinheit kühl- oder klimatisierbar.
2 zeigt einen zur 1 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass die Verbrennungskraftmaschine 2 Teil einer herkömmlichen seriellen Hybridantriebsvorrichtung ist, welche zumindest die Verbrennungskraftmaschine 2 und einen mit dieser gekoppelten Generator 28 umfasst.
An Stelle des Wärmetauschers 18 der Absorptionskältemaschine 14 ist ein Stromspeicher 29 im Kühlmittelkreislauf 15 angeordnet. Dieser Stromspeicher 29 ist elektrisch mit dem Generator 28 gekoppelt und von diesem mit elektrischer Energie beaufschlagbar.
Beim Stromspeicher 29 handelt es sich beispielsweise um eine Hochvoltbatterie, welche beispielsweise als Fahrzeugbatterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb vorgesehen ist.
Eine solche Fahrzeugbatterie ist in nicht näher dargestellter Art und Weise aus mehreren elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen gebildet, welche als Zellverbund vorzugsweise in einem kühlbaren oder vom Kühlmittel K1 durchströmten Batteriegehäuse angeordnet sind.
Da der Stromspeicher 29 während des Betriebs, insbesondere bei einem Lade- und/oder Entladevorgang, große Verlustwärmemengen erzeugt, ist der Stromspeicher 29 thermisch mit dem Kühlmittelkreislauf 15 gekoppelt.
Ein solcher Stromspeicher 29 kann beispielsweise auch ein Kondensator sein.
Nicht näher dargestellt kann mittels der Absorptionskältemaschine 14 eine Steuereinheit eines Hybridfahrzeugs gekühlt werden. Innerhalb einer solchen Steuereinheit erzeugt insbesondere eine so genannte Leistungselektronik eine große Abwärmemenge. Um eine zuverlässige Funktion der Steuereinheit zu ermöglichen, gilt es, diese Abwärmemenge abzuführen. Dies ist mittels der Absorptionskältemaschine 14 ohne zusätzlichen Energieaufwand ermöglicht, da die zum Betrieb der Absorptionskältemaschine 14 benötigte thermische Energie vorteilhafterweise aus dem vorhandenen Abgasstrom AG entnommen wird.
3 zeigt einen zur 2 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass die Trenneinheit 13 der Absorptionskältemaschine 14 mit dem Kühler 8 der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 thermisch gekoppelt ist. Somit wird die zum Betrieb der Absorptionskältemaschine 14 benötigte thermische Energie aus dem Joule-Kreisprozess JK der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 entnommen, wobei vorteilhafterweise gleichzeitig das Arbeitsmedium AM der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 gekühlt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Trenneinheit 13 der Absorptionskältemaschine 14 und der Kühler 8 der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 als integrierte Baueinheit ausgebildet.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad des der Verbrennungskraftmaschine 2 nachgeschalteten geschlossenen Joule-Prozesses JK umsetzen zu können, ist eine Rückkühlung des Arbeitsmediums AM des Joule-Prozesses JK erforderlich, was sich besonders vorteilhaft dadurch realisieren lässt, dass die Rückkühlung des Arbeitsmediums AM wie in 3 dargestellt über die Beheizung der Trenneinheit 13 der Absorptionskältemaschine 14 erfolgt.
4 zeigt einen zur 2 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass dem geschlossenen Joule-Kreisprozess JK der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 ein Clausius-Rankine-Kreisprozess CK nachgeschaltet ist.
Im Detail erfolgt die Rückkühlung des Arbeitsmediums AM des Joule-Kreisprozesses JK in dieser Ausführungsvariante über den dem Joule-Kreisprozess JK nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreisprozess CK. Der Clausius-Rankine-Kreisprozess CK und der Joule-Kreisprozesses JK sind mittels des Kühlers 8 thermisch gekoppelt. 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 Kühler 8 verdampft oder zumindest verdampft und überhitzt. Der Kühler 8 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 30 zugeführt, in welcher das Arbeitsmittel AT expandiert und dabei abgekühlt wird.
Die Expansionsmaschine 30 ist insbesondere als eine Dampfturbine oder eine andere Dampfexpansionsmaschine ausgeführt und mittels einer weiteren Kupplung 31 trennbar mit einem Zahnrad 32 gekoppelt, welches mit dem Schwungrad 12 der Brennkraftmaschine 2 in Eingriff steht. Somit ist die mittels der Expansionsmaschine 30 erzeugte mechanische Energie zum Fahrzeugantrieb nutzbar.
Das aus der Expansionsmaschine 30 austretende Arbeitsmittel AT wird in einem Kondensator 33 kondensiert und dann wieder in flüssiger Form mittels einer Speisepumpe 34 dem Kühler 8 zugeführt.
Das aus dem Kondensator 33 austretende, flüssige Arbeitsmittel AT wird vor dem. Eintritt in den Kühler 8 mittels der Speisepumpe 34 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 30 erzeugte mechanische Energie wird mittels der Kupplung 31 und des Zahnrades 32 dem Schwungrad 12 der Brennkraftmaschine 2 zugeführt.
Die Speisepumpe 34 kann wie dargestellt motorbetrieben ausgeführt sein. Hierzu ist beispielsweise ein elektrischer Motor 35 vorgesehen, der die Speisepumpe 34 antreibt.
Der geschlossene Joule-Kreisprozess JK und der diesem nachgeschaltete Clausius-Rankine-Kreisprozess CK sind so miteinander verschaltet, dass dies möglichst einfach und kompakt erfolgt und eine Nutzung der thermischen Energie des Abgasstroms AG auf einem sehr breiten Spektrum des vorhandenen Temperaturniveaus ermöglicht, was zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs oder des Gesamtaggregates führt.
5 zeigt einen zur 1 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass in 5 zusätzlich ein Kühlkreislauf KK (gestrichelte Linie) mit einer Pumpe 36, z. B. einer Kühlmittelpumpe, der Verbrennungskraftmaschine 2 dargestellt ist. Weiterhin umfasst der Kühlkreislauf KK zumindest einen herkömmlichen Fahrzeugkühler 37 und ein weiteres Drei-Wege-Ventil 38.
Ein Kältemittelvorwärmer 39, welcher primärseitig von der Kältemittellösung K2 + L und sekundärseitig vom im Kühlkreislauf KK geführten Kühlmittel KM durchströmt wird, koppelt den Kühlkreislauf KK thermisch mit der Absorptionskältemaschine 14. Der Kältemittelvorwärmer 39 ist im Kältemittelkreislauf 16 zwischen Trenneinheit 13 und Absorber 25 angeordnet.
Mittels des im Kühlkreislauf KK geführten Kühlmittels KM wird die Kältemittellösung K2 + L des Kältemittelkreislaufs 16 vor dem Eintritt in die Trenneinheit 13 vorgewärmt.
Somit wird die im Kühlmittel KM der Verbrennungskraftmaschine 2 anfallende thermische Energie zur Vorwärmung der Kältemittellösung K2 + L im Kältemittelkreislauf 16 der Absorptionskältemaschine 14 verwendet, bevor die Kältemittellösung K2 + L der Trenneinheit 13 zugeführt wird.
Mittels des Drei-Wege-Ventils 38 ist zumindest ein Teilstrom des erwärmten Kühlmittels KM des Kühlkreislaufes KK der Verbrennungskraftmaschine 2 abzweigbar und dem Kältemittelvorwärmer 39 zuführbar.
Die Eintrittstemperatur des Abgasstroms AG, mit welchem die Trenneinheit 13 beheizt wird, liegt über der Austrittstemperatur des Kühlmittels KM aus der Verbrennungskraftmaschine 2. Durch die Nutzung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 2, welche im Kühlmittel KM der Verbrennungskraftmaschine 2 transportiert wird, lassen sich besonderes hohe Kälteleistungen mit der Absorptionskältemaschine 14 erzielen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
4: Abgaswärmetauscher
5: Abgasleitung
6: Verdichter
7: Turbine
8: Kühler
9: Welle
10: Kupplung
11: Zahnrad
12: Schwungrad
13: Trenneinheit
14: Absorptionskältemaschine
15: Kühlmittelkreislauf
16: Kältemittelkreislauf
17: Kühlmittelpumpe
18: Wärmetauscher
19: Verdampfer
20: Ausgleichsbehälter
21: Drei-Wege-Ventil
22: Kältemittelpumpe
23: erste Versorgungsleitung
24: Kondensator
25: Absorber
26: zweite Versorgungsleitung
27: Mantelrohr
28: Generator
29: Stromspeicher
30: Expansionsmaschine
31: Kupplung
32: Zahnrad
33: Kondensator
34: Speisepumpe
35: elektrischer Motor
36: Pumpe
37: Fahrzeugkühler
38: Drei-Wege-Ventil
39: Kältemittelvorwärmer
AT: Arbeitsmittel
AM: Arbeitsmedium
AG: Abgasstrom
CK: Clausius-Rankine-Kreisprozess
JK: Joule-Kreisprozess
K1: Kühlmittel
K2: Kältemittel
L: Lösungsmittel
K2 + L: Kältemittellösung
KK: Kühlkreislauf
KM: Kühlmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008041363 A1 [0006]
US 7650761 B2 [0007]

Claims

Verfahren zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom (AG) einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Fahrzeug mit einer Absorptionskältemaschine (14), dadurch gekennzeichnet, dass – der Abgasstrom (AG) zumindest einem Abgaswärmetauscher (4) einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) zugeführt wird und anschließend – der Abgasstrom (AG) und/oder ein Abwärmestrom der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) der Absorptionskältemaschine (14) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) ein Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess (JK) geführt wird, der aus dem Abgaswärmetauscher (4), einer Turbine (7), einem zwischen der Turbine (7) und einem Verdichter (6) angeordneten Kühler (8) und dem Verdichter (6) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem geschlossenen Joule-Kreisprozess (JK) ein Clausius-Rankine-Kreisprozess (CK) derart nachgeschaltet ist, dass der Joule-Kreisprozess (JK) und der Clausius-Rankine-Kreisprozess (CK) mittels des Kühlers (8) thermisch gekoppelt sind und das Arbeitsmedium (AM) des Joule-Kreisprozesses gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Turbine (7) der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) aus zumindest einer Teilmenge der thermischen Energie des Abgasstroms (AG) mechanische Energie erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Teilmenge der verbleibenden thermischen Energie des Abgasstroms (AG) die Absorptionskältemaschine (14) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass einem in der Absorptionskältemaschine (14) geführten Kältemittel (K2) Wärmeenergie eines Kühlmittels (KM) der Verbrennungskraftmaschine (2) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Absorptionskältemaschine (14) ein Fahrzeuginnenraum, ein Frachtraum, ein Stromspeicher (29) und/oder eine Steuereinheit gekühlt oder klimatisiert wird.
Vorrichtung (1) zur Abwärmenutzung aus einem Abgasstrom (AG) einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Fahrzeug mit einer Absorptionskältemaschine (14), dadurch gekennzeichnet, dass – eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) thermisch mit einer Abgasleitung (5) gekoppelt ist und – eine Absorptionskältemaschine (14) thermisch mit einer Abgasleitung (5) und/oder einem Abwärmestrom der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) gekoppelt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf (KK) der Verbrennungskraftmaschine (2) und die Absorptionskältemaschine (14) thermisch gekoppelt sind.