DE102011109384A1 - Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2) mit einer Fördereinheit (4), zumindest einer Wärmetauscheranordnung (3), einer Expansionsvorrichtung (5) und einem Kondensator (6). Erfindungsgemäß ist im oder am Kondensator (6) ein Phasenübergangsmaterial (10) angeordnet oder eingebracht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung 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 6.
  • Moderne Brennkraftmaschinen 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 Energierückgewinnung 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 oder einen Joule-Kreisprozess, 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.
  • 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.
  • Eine Elektromaschine in Form einer herkömmlichen Lichtmaschine oder eines Generators ist an jeder herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine vorhanden, um elektrische Energie für eine Regelung oder Steuerung der Verbrennungskraftmaschine und/oder anderer elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug bereitzustellen.
  • 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.
  • Die DE 10 2009 041 550 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmenutzungsvorrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei die Wärmenutzungsvorrichtung ein Arbeitsfluid aufweist, das nach erfolgter Expansion in einer Expansionsmaschine der Wärmenutzungsvorrichtung durch einen Kondensator der Wärmenutzungsvorrichtung verflüssigt wird. Durch Öffnen eines Zuströmquerschnittes eines Arbeitsfluides der Abwärmenutzungsvorrichtung auf eine Expansionsmaschine der Wärmenutzungsvorrichtung ist es möglich, durch ein sofortiges Ansteigen eines Niederdruckes des Arbeitsfluids im Bereich des Kondensators und einer damit einhergehenden sofortigen Erhöhung der Kondensationstemperatur des Arbeitsfluides im Bereich des Kondensators einen Wärmeübergangsstrom von dem Arbeitsfluid auf die Kondensatorumgebung zu erhöhen und somit die vollständige Verflüssigung des Arbeitsfluides im Kondensator sicherzustellen.
  • Die DE 10 2008 027 171 A1 beschreibt eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, mit einem Latentwärmematerialkreislauf, in welchem ein Latentwärmespeicher, eine Latentwärmematerialpumpe, ein, einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine ausgesetzter, Verflüssiger sowie ein, mit einer Expansionsmaschine gekoppelter Verfestiger vorgesehen sind, wobei die Expansionsmaschine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbunden ist; mit einem, mit dem Verfestiger des Latentwärmematerialkreislaufs gekoppelter Wasserdampfkreislauf, in welchem ein erster Kondensator, eine Pumpe und eine Einspritzvorrichtung zum Beaufschlagen des Verfestigers mit Wasser vorgesehen sind; mit einem Wärmepumpenkreislauf, der über den ersten Kondensator mit dem Wasserdampfkreislauf und über einen zweiten Kondensator mit dem Latentwärmespeicher des Latentwärmematerialkreislaufs gekoppelt ist.
  • Die DE 10 2005 058 198 A1 beschreibt eine Vorrichtung, um eine Verbrennungskraftmaschine, welche neben mindestens einer elektrischen Maschine und Mitteln zur Speicherung elektrischer Energie Bestandteil eines Hybridantriebssystems ist, im Sinne einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Hybridantriebssystems in allen Betriebspunkten maximal zu entlasten. Dabei werden in Abhängigkeit der in der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine enthaltenen thermischen Energie die Nebenaggregate und/oder zusätzlich die Verbrennungskraftmaschine und/oder eine generatorisch betriebene, elektrische Maschine mittels einer thermodynamischen Expansionsmaschine und/oder mittels einer motorisch betriebenen, elektrischen Maschine angetrieben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere energieeffizientere Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine 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 6 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei der Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit einer Fördereinheit, zumindest einem Wärmetauscher, einer Expansionsvorrichtung und einem Kondensator ist im oder am Kondensator ein Phasenübergangsmaterial angeordnet oder eingebracht. Dadurch kann bei Lastspitzen der Brennkraftmaschine, aus denen Lastspitzen in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung und daraus resultierend im Kondensator auftreten, im Kondensator anfallende Abwärme abgeführt und/oder zwischengespeichert werden, wodurch die Effizienz des Kondensators gesteigert ist.
  • Bei der Verwendung einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung in einer Brennkraftmaschine ist unter anderem eine Auslegung oder Dimensionierung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung vereinfacht, die im Wesentlichen durch die limitierte Fähigkeit der Wärmerückgewinnungsvorrichtung, eine im Kondensator anfallende Abwärme abzuführen, bestimmt wird. Diese Einschränkungen treten insbesondere bei Lastspitzen der Brennkraftmaschine und/oder in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich, in welchem eine Fahrtwindkühlung eingeschränkt ist und/oder bei hohen Außentemperaturen und somit verringerter Kühlung des Kondensators auf und haben Einfluss auf die Auslegung oder Dimensionierung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung. Um in jedem Fall die im Kondensator einer Abwärmerückgewinnungseinrichtung anfallende Abwärme an die Umgebung abführen zu können, muss der Kondensator bzw. die entsprechende Kühlfläche so ausgeführt sein, dass auch in einem Extremfall (hohe Außentemperatur, geringe Geschwindigkeit der am Kondensator ankommenden Kühlluft usw.) ausreichend Arbeitsmedium zurückkondensiert werden kann, um eine Überhitzung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung zu vermeiden. Dies führt herkömmlicherweise zu einem überdimensionierten Kondensator und/oder einer überdimensionierten Wärmerückgewinnungsvorrichtung.
  • Durch die vorliegende Erfindung können temporäre Lastspitzen der Brennkraftmaschine und daraus resultierende erhöhte Abwärmemengen im Kondensator aus selbigem abgeführt und im Phasenübergangsmaterial zwischengespeichert werden. Somit kann eine Dimensionierung des Kondensators und/oder der Wärmerückgewinnungsvorrichtung in vorteilhafter Weise angepasst werden.
  • Somit kann zweckmäßigerweise mittels der Wärmerückgewinnungsvorrichtung nahezu die gesamte, im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallende Verlustwärmeenergie genutzt werden.
  • 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.
  • Dadurch wird als Vorteil der Erfindung eine Wirkungsgradsteigerung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung erreicht. Durch die Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird im Weiteren der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht.
  • Eine auf diese Weise ausgeführte Energierückgewinnung bei einer Brennkraftmaschine weist gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und die Kosten sind aufgrund der kompakten und einfachen Bauweise der Wärmerückgewinnungsvorrichtung signifikant reduziert.
  • Beim Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung wird erfindungsgemäß bei einem im oder am Kondensator angeordneten Phasenübergangsmaterial ab einer vorgebbaren Temperaturschwelle ein Aggregatzustand unter Aufnahme und Zwischenspeicherung von Abwärme aus dem Kondensator gewechselt. Dadurch kann vorteilhafterweise im Kondensator anfallende Abwärme abgeführt und/oder zwischengespeichert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Wärmerückgewinnungsvorrichtung, welche mit einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine thermisch gekoppelt ist,
  • 2 schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Wärmerückgewinnungsvorrichtung, welche mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine thermisch gekoppelt ist und
  • 3 schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Wärmerückgewinnungsvorrichtung, welche mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine thermisch gekoppelt ist, wobei ein Kondensator thermisch mit einem Kältekreislauf einer Fahrzeugklimaanlage gekoppelt ist.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 1 mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2, welche mit einer Abgasanlage 7 der Brennkraftmaschine 1 thermisch gekoppelt ist, dargestellt.
  • Die Brennkraftmaschine 1 ist als herkömmlicher Diesel- oder Ottomotor ausgebildet und thermisch mit einer Wärmetauscheranordnung 3 gekoppelt.
  • In der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 sind eine Fördereinheit 4, die Wärmetauscheranordnung 3, eine Expansionsvorrichtung 5 und ein Kondensator 6 in einem Arbeitsmittelkreislauf AK verschaltet, wobei in diesem Arbeitsmittelkreislauf AK ein Arbeitsmittel geführt wird und ein in dem Arbeitsmittelkreislauf AK durchgeführter Prozessablauf dem eines so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
  • 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.
  • Im Prozessablauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses wird das flüssige Arbeitsmittel in einem Arbeitmittelstrom AS von der Fördereinheit 4 der Wärmetauscheranordnung 3 zugeführt. In der Wärmetauscheranordnung 3 wird das flüssige Arbeitsmittel unter nahezu konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine 1 derart erwärmt, dass es verdampft.
  • Die Wärmetauscheranordnung 3 kann dabei beispielsweise wie in 1 dargestellt als Abgaswärmetauscher in einer Abgasanlage 7, Ladeluftwärmetauscher, Abgasrückführungswärmetauscher und/oder Kühlmittelwärmetauscher eine Abgaswärme und/oder eine Wärme eines Kühlmittels der Brennkraftmaschine 1 verwenden, um das flüssige Arbeitsmittel der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 zu erwärmen und zu verdampfen.
  • Das unter hohem Druck stehende dampfförmige Arbeitsmittel wird der Expansionsvorrichtung 5 zugeführt und wird in einer adiabatischen Expansion zu einem dampfförmigen Arbeitsmittel mit Normaldruck entspannt. In der Expansionsvorrichtung 5, die z. B. als Scrollexpander, 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 5 mit einem elektrischen Generator 8 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 5 erzeugte mechanische Energie direkt über nicht näher dargestellte Anordnungen der Brennkraftmaschine 1 zur Unterstützung zugeführt werden.
  • Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmittel dem Kondensator 6 zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmittel mittels einer Kühlung nahezu isobar kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass der Fördereinheit 4 eingangsseitig das flüssige Arbeitsmittel zuführbar ist.
  • Mit der Energierückgewinnungsvorrichtung 2 ist somit, insbesondere gemäß dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, anfallende Verlustwärme des Abgasstromes der Brennkraftmaschine 1 durch eine Verdampfungskühlung abführbar und umwandelbar.
  • Da jedoch Abgastemperatur und Abgasdurchsatz in der Abgasanlage 7 je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 variieren, z. B. von geringer Last bis Volllast, muss die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 für einen weiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 ausgelegt und optimiert sein.
  • Dabei wird die Auslegung und/oder Optimierung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 im Wesentlichen durch die limitierte Fähigkeit der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2, eine im Kondensator 6 anfallende Abwärme abzuführen, bestimmt. Diese Einschränkungen treten insbesondere bei Lastspitzen der Brennkraftmaschine 1 und/oder in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich, in welchem eine Fahrtwindkühlung des Kondensators 6 eingeschränkt ist und/oder bei hohen Außentemperaturen und somit verringerter Kühlung des Kondensators 6 auf und haben Einfluss auf die Auslegung oder Dimensionierung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2. Um in jedem Fall die im Kondensator 6 einer Abwärmerückgewinnungseinrichtung anfallende Abwärme an die Umgebung abführen zu können, muss üblicherweise der Kondensator 6 oder dessen entsprechende Kühlfläche so ausgeführt sein, dass auch in einem Extremfall, beispielsweise hohe Außentemperatur, geringe Geschwindigkeit der am Kondensator ankommenden Kühlluft, Volllast der Brennkraftmaschine 1, ausreichend Arbeitsmittel zurückkondensiert werden kann, um eine Überhitzung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 zu vermeiden. Dies führt herkömmlicherweise zu einem überdimensionierten Kondensator 6 und/oder einer überdimensionierten Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2.
  • Um einen kompakten und leistungsfähigen Kondensator 6 zu ermöglichen, wird im oder am Kondensator 6 ein Phasenübergangsmaterial 10 angeordnet oder eingebracht. Phasenübergangsmaterialien 10 sind Materialien, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität, d. h. ohne den Phasenumwandlungseffekt, aufnehmen und speichern können. Mit anderen Worten kann ein Phasenübergangsmaterial 10 bedingt durch den Phasenumwandlungseffekt bei einem geringen eigenen Volumen eine große Wärmemenge aufnehmen und speichern.
  • Als Phasenübergangsmaterial 10 werden dabei bevorzugt Materialien mit Schmelztemperaturen zwischen 40 und 70 Grad Celsius und mit hoher Schmelzwärme, beispielsweise Paraffine, Fettsäuren und/oder Salzhydrate, verwendet.
  • Als Phasenübergangsmaterial 10 kann so genanntes Eicosan mit der Summenformel C20H42, welches eine Phasenumwandlungstemperatur von 36,6 Grad Celsius aufweist, verwendet werden.
  • Als alternatives Phasenübergangsmaterial 10 kann herkömmliches Rohparaffin, welches eine Phasenumwandlungstemperatur von 34,3 Grad Celsius aufweist, verwendet werden.
  • Als weiteres alternatives Phasenübergangsmaterial 10 kann so genannte Laurinsäure mit der Summenformel C12H24O2, welche eine Phasenumwandlungstemperatur von 44 Grad Celsius aufweist, verwendet werden.
  • Als weiteres alternatives Phasenübergangsmaterial 10 kann herkömmliche Mytrinsäure, welche eine Phasenumwandlungstemperatur von 54 Grad Celsius aufweist, verwendet werden.
  • Als weiteres alternatives Phasenübergangsmaterial 10 kann das Salzhydrat mit der Summenformel Na2S2O3·5H2O, welche eine Phasenumwandlungstemperatur von 48 Grad Celsius aufweist, verwendet werden.
  • Als bevorzugtes Phasenübergangsmaterial 10 wird so genanntes Glaubersalz, Natrumsulfat-Dekahydrat mit der Summenformel Na2SO4·10H2O, welches eine Phasenumwandlungstemperatur von 32 Grad Celsius aufweist, verwendet.
  • Alternativ kann generell jedes Phasenübergangsmaterial eingesetzt werden, welches eine vergleichbar niedrige bzw. möglichst geringe Phasenumwandlungstemperatur hat.
  • Im Betrieb der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 nimmt das Phasenübergangsmaterial 10 bei einer bestimmungsgemäßen Abfuhr der Abwärme aus dem Kondensator 6 einen ersten Aggregatzustand an, beispielsweise eines festen Aggregatzustand. Dabei versteht man unter einer bestimmungsgemäßen Abfuhr der Abwärme aus dem Kondensator 6, dass ausreichende Menge an Arbeitsmittel im Kondensator 6 zurückkondensiert, also verflüssigt werden kann, um eine Überhitzung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 zu vermeiden. Dabei liegt eine Schmelztemperatur des Phasenübergangsmaterials 10 oberhalb der überwiegend im Kondensator 6 herrschenden Umgebungstemperatur oder der am Kondensator 6 anliegenden Temperatur.
  • Steigt die anliegende Temperatur im Kondensator 6 und kann daraus resultierend nicht mehr genug Abwärme vom Kondensator 6 an die Umgebung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 abgegeben werden, nimmt das Phasenübergangsmaterial 10 einen zweiten Aggregatzustand an und beginnt beispielsweise zu schmelzen.
  • Dabei behält das Phasenübergangsmaterial 10 solange seine Schmelztemperatur bei, bis das Phasenübergangsmaterial 10 vollständig geschmolzen ist. Dadurch ist im Kondensator 6 in Abhängigkeit der Menge an Phasenübergangsmaterial über einen relativ langen Zeitraum eine Wärmesenke vorhanden, mittels derer das Arbeitsmittel kondensiert werden kann. Dabei ist der Zeitraum derart bemessen, dass eine ausreichende Menge an Arbeitsmittel kondensiert, so dass die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 auch bei Lastspitzen der Brennkraftmaschine 1 ohne größere Leistungseinschränkungen oder die Gefahr der Überhitzung für einen vorgebaren Zeitraum betrieben werden kann. Dabei ist der vorgebare Zeitraum von der Art und der Menge des Phasenübergangsmaterials 10 im Kondensator 6 abhängig.
  • Nach Beendigung der Lastspitze, wenn wieder eine bestimmungsgemäße Abfuhr der Abwärme aus dem Kondensator 6 ermöglicht ist und das Phasenübergangsmaterial 10 abkühlt, findet ein Übergang des Phasenübergangsmaterials, d. h. eine neuerliche Phasenumwandlung, vom zweiten Aggregatzustand in den ersten Aggregatzustand statt.
  • In 2 ist schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 1 mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2, welche mit einem herkömmlichen Kühlmittelkreislauf 9 der Brennkraftmaschine 1 thermisch gekoppelt ist, dargestellt.
  • Dabei ist der Kühlmittelkreislauf 9 der Brennkraftmaschine 1 als herkömmlicher Kühlmittelkreislauf mit zumindest einem Kühlmittelkühler 11 und einer Kühlmittelpumpe 12 ausgebildet.
  • Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 ist mittels der Wärmetauscheranordnung 3 mit dem Kühlmittelkreislauf 9 thermisch gekoppelt und führt thermische Energie aus dem Kühlmittel der Brennkraftmaschine 1 ab. Somit wird die Abwärme des Kühlmittels der Brennkraftmaschine 1 in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 genutzt.
  • 3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 1 mit einer auf dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses basierenden Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2, welche mit einem herkömmlichen Kühlmittelkreislauf 9 der Brennkraftmaschine 1 thermisch gekoppelt ist, wobei ein Kondensator 6 thermisch mit einem Kältekreislauf 13 einer Fahrzeugklimaanlage gekoppelt ist.
  • Dabei ist der Kältekreislauf 13 der Brennkraftmaschine 1 als herkömmlicher Kältekreislauf einer Fahrzeugklimaanlage mit zumindest einem Klimakondensator 14, einem Kompressor 15, einem als Innenraumwärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 16 und einer Mehrzahl von Ventilen 17 und/oder als ein z. B. als Drossel oder Expansionsventil ausgeführter Durchflussbegrenzer 18 ausgebildet. Im Kältekreislauf 13 zirkuliert ein Kältemittel KM.
  • Der Kältekreislauf 13 ist thermisch derart mit dem Kondensator 6 gekoppelt, dass das Kältemittel KM mittels des Ventils 17 gesteuert und/oder geregelt durch den Kondensator 6 leitbar ist.
  • Im Betrieb der Warmerückgewinnungsvorrichtung 2, beispielsweise im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 1, d. h. wenn eine kleine Last an Brennkraftmaschine 1 und Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 anliegt, kann Kältemittel KM durch den Kondensator 6 geleitet werden, während der Kompressor 15 hauptsächlich in effizienter Weise im Schubbetrieb betrieben wird, wodurch der Kondensator 6 und das darin angeordnete Phasenübergangsmaterial 10 gekühlt werden und die Phasenumwandlung des Phasenübergangsmaterials 10 im Kondensator 6 vom zweiten Aggregatzustand in den ersten Aggregatzustand ermöglicht oder unterstützt wird.
  • Durch den Betrieb des Kompressors 15 in der Schubphase erfolgt dessen Betrieb besonders energieeffizient.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Wärmerückgewinnungsvorrichtung
    3
    Wärmetauscheranordnung
    4
    Fördereinheit
    5
    Expansionsvorrichtung
    6
    Kondensator
    7
    Abgasanlage
    8
    Generator
    9
    Kühlmittelkreislauf
    10
    Phasenübergangsmaterial
    11
    Kühlmittelkühler
    12
    Kühlmittelpumpe
    13
    Kältekreislauf
    14
    Klimakondensator
    15
    Kompressor
    16
    Verdampfer
    17
    Ventil
    18
    Durchflussbegrenzer
    AK
    Arbeitsmittelkreislauf
    AS
    Arbeitmittelstrom
    KM
    Kältemittel
  • 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 102009041550 A1 [0008]
    • DE 102008027171 A1 [0009]
    • DE 102005058198 A1 [0010]

Claims (6)

  1. Brennkraftmaschine (1) mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2) mit einer Fördereinheit (4), zumindest einer Wärmetauscheranordnung (3), einer Expansionsvorrichtung (5) und einem Kondensator (6), dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Kondensator (6) ein Phasenübergangsmaterial (10) angeordnet oder eingebracht ist.
  2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenübergangsmaterial (10) Paraffine, Fettsäuren und/oder Salzhydrate verwendbar sind.
  3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) der Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2) thermisch mit einer Abgasanlage (7) der Brennkraftmaschine (1) gekoppelt ist.
  4. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) der Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2) thermisch mit einem Kühlkreislauf (9) der Brennkraftmaschine (1) gekoppelt ist.
  5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (6) thermisch mit einem Kältekreislauf (13) einer Fahrzeugklimaanlage gekoppelt ist.
  6. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, dass bei einem im oder am Kondensator (6) angeordneten Phasenübergangsmaterial (10) ab einer vorgebbaren Temperaturschwelle ein Aggregatzustand unter Aufnahme von Abwärme aus dem Kondensator (6) und Zwischenspeicherung innerhalb des Phasenübergangsmaterials (10) gewechselt wird.
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DE102019208650A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Volkswagen Aktiengesellschaft Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer ersten Kreisprozessvorrichtung und einer zweiten Kreisprozessvorrichtung

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