DE102011111125A1 - Drive device for motor vehicles, has internal combustion engine, steam power engine and cooling circuit for cooling internal combustion engine, where coolant is guided in cooling circuit over heat exchanger of steam power engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor und einer Dampfkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Antriebsvorrichtung.The invention relates to a drive device with an internal combustion engine and a steam engine and a method for operating such a drive device.
Eine gattungsgemäßes Antriebsvorrichtung ist aus der
Die für das Verdampfen und Überhitzen des Arbeitsmittels erforderliche Wärme wird bei der Antriebsvorrichtung gemäß der
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die aus der
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. Für eine konkretisierte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird zudem ein erfindungsgemäßes Verfahren für deren Betrieb angegeben, das Gegenstand der Patentansprüche 7 und 8 ist.This object is achieved by a drive device according to independent claim 1. Advantageous embodiments of the drive device according to the invention are the subject of the dependent claims and will become apparent from the following description of the invention. For a more concrete embodiment of an internal combustion engine according to the invention also an inventive method for their operation is specified, which is the subject of claims 7 and 8.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei einer Kopplung eines Verbrennungsmotors mit einer Dampfkraftmaschine, wie dies von der gattungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß der
Eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung, die einen Verbrennungsmotor und eine Dampfkraftmaschine aufweist, ist demnach erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf zur Kühlung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, wobei der Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors über einen Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine führbar ist. Eine solche erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Antriebsvorrichtung ist deutlich flexibler nutzbar als die in der
Da das Temperaturniveau eines Kühlmittels des Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors in der Regel auf relativ niedrige Werte (in der Regel zwischen 90° und 110°C) begrenzt ist, ist vorzugsweise vorgesehen, die Dampfkraftmaschine mit einem Arbeitsmittel zu betreiben, das eine Verdampfungstemperatur von ≤ 90°C und vorzugsweise ≤ 80°C aufweist. Hierzu kann insbesondere ein organisches Arbeitsmittel im Rahmen eines sogenannten Organic-Rankine-Cycles (ORC) der Dampfkraftmaschine zum Einsatz kommen.Since the temperature level of a coolant of the cooling circuit of the internal combustion engine is usually limited to relatively low values (usually between 90 ° and 110 ° C), it is preferably provided to operate the steam engine with a working fluid having an evaporation temperature of ≤ 90 ° C and preferably ≤ 80 ° C. For this purpose, in particular an organic working fluid can be used in the context of a so-called Organic Rankine cycle (ORC) of the steam engine.
Weiterhin kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das Arbeitsmittel eine Verdampfungstemperatur von ≥ 40°C und vorzugsweise ≥ 45°C aufweist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Einsatz der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug bei (nahezu) sämtlichen Witterungsverhältnissen erfolgen kann. Eine zu geringe Verdampfungstemperatur könnte nämlich einen Betrieb der Dampfkraftmaschine dadurch zeitweise verhindern, dass bei hohen Außentemperaturen das Arbeitsmittel im gesamten Kreislauf der Dampfkraftmaschine im gasförmigen Zustand vorliegt, was eine Förderung durch eine Speisepumpe der Dampfkraftmaschine verhindern kann.Furthermore, it can preferably be provided that the working medium has an evaporation temperature of ≥ 40 ° C and preferably ≥ 45 ° C. It can thus be ensured that the use of the drive device according to the invention in a motor vehicle can take place in (almost) all weather conditions. In fact, a too low evaporation temperature could temporarily prevent operation of the steam engine, that at high outside temperatures the working fluid in the entire cycle of the steam engine is in the gaseous state, which can prevent promotion by a feed pump of the steam engine.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist vorgesehen, in den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors einen weiteren Wärmetauscher zu integrieren, wobei ein aus dem Verbrennungsmotor abgeführtes Abgas über den Wärmetauscher des Kühlkreislaufs geführt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass zunächst Wärmeenergie von dem Abgas auf das Kühlmittel übertragen wird und die so erhöhte Wärmeenergie des Kühlmittels die mechanische Leistungsfähigkeit der Dampfkraftmaschine erhöht. Im Ergebnis kann sowohl die Abwärme aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors als auch die Abwärme aus der Kühlung des Verbrennungsmotors dazu genutzt werden, in der Dampfkraftmaschine mechanische Energie zu erzeugen. Bei konventionellen Antriebsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge, die lediglich einen Verbrennungsmotor umfassen, würde die Abwärme sowohl des Abgasstroms als auch des Kühlmittelkreislaufs ungenutzt in die Atmosphäre abgeführt. Und gegenüber der gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß der
Bei dieser vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung können noch weitere Vorteile realisiert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, die über den Wärmetauscher des Kühlreislaufes von dem Abgasstrom auf das Kühlmittel übertragene Wärmeenergie temporär, insbesondere in einem Kaltlaufbetrieb der Brennkraftmaschine, d. h. wenn diese noch nicht ihren Betriebstemperaturbereich erreicht hat, nicht der Dampfkraftmaschine zuzuführen, sondern durch eine Umgehung des Wärmetauschers der Dampfkraftmaschine und ein direktes Rückführen des Kühlmittels zu dem Verbrennungsmotor ein schnelleres Aufwärmen des Verbrennungsmotors bis zum Erreichen des Betriebstemperaturbereichs zu bewirken, womit im Ergebnis die Dauer des Kaltlaufbetriebs verkürzt wird. Dies kann positive Auswirkungen auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors sowie dessen Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen haben.In this advantageous embodiment of a drive device according to the invention still further advantages can be realized. In particular, it may be provided that the heat energy transferred from the exhaust gas flow to the coolant via the heat exchanger of the cooling circuit is temporarily, in particular in a cold running operation of the internal combustion engine, d. H. if it has not yet reached its operating temperature range, not to supply the steam engine, but by bypassing the heat exchanger of the steam engine and a direct return of the coolant to the internal combustion engine to effect a faster warming up of the internal combustion engine until reaching the operating temperature range, thus resulting in the duration of Cold running operation is shortened. This can have positive effects on the operating behavior of the internal combustion engine as well as its fuel consumption and exhaust emissions.
Eine hierfür geeignete Antriebsvorrichtung kann eine (erste) Regeleinrichtung aufweisen, mittels der das Kühlmittel des Kühlkreislaufes entweder über den Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine oder – unter Umgehung des Wärmetauschers der Dampfkraftmaschine – zu dem Verbrennungsmotor zurück führbar ist. Eine solche Regeleinrichtung kann beispielsweise in Form eines 3/2-Wegeventils ausgebildet sein. Dieses kann temperaturgesteuert (beispielsweise über ein Thermostat) sein.A drive device suitable for this purpose can have a (first) control device, by means of which the coolant of the cooling circuit can be returned to the internal combustion engine either via the heat exchanger of the steam engine or bypassing the heat exchanger of the steam engine. Such a control device may be formed, for example in the form of a 3/2-way valve. This can be temperature-controlled (for example via a thermostat).
In den Kühlkreislauf der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung kann weiterhin noch ein Kühler integriert sein, in dem die Temperatur des Kühlmittels gesenkt wird, beispielsweise durch eine Kühlung durch die Umgebungsluft. Eine solche erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann dann zudem eine (zweite) Regeleinrichtung umfassen, die derart in den Kühlkreislauf integriert ist, dass das Kühlmittel, nachdem es über den Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine geführt wurde, mittels der (zweiten) Regeleinrichtung entweder über den Kühler oder unter Umgebung des Kühlers zu dem Verbrennungsmotor zurück führbar ist.In the cooling circuit of the drive device according to the invention may still be integrated a cooler in which the temperature of the coolant is lowered, for example by cooling by the ambient air. Such a drive device according to the invention can then also comprise a (second) control device which is integrated in the cooling circuit such that the coolant, after it has been passed through the heat exchanger of the steam engine, by means of the (second) control device either via the radiator or under environment of Radiator to the internal combustion engine is feasible.
Diese Ausgestaltung ermöglicht folgenden vorteilhaften Betrieb der Antriebsvorrichtung:
Bei einer Temperatur des Kühlmittels, die im Bereich der ersten Regeleinrichtung unter einer (ersten) Grenztemperatur (diese Grenztemperatur kann das Erreichen des Betriebstemperaturbereichs des Verbrennungsmotors definieren und auch als Temperaturbereich definiert sein) liegt, wird dieses über den Wärmetauscher des Kühlkreislaufs und dann direkt zu dem Verbrennungsmotor zurück geführt; d. h. es findet eine Umgehung des Wärmetauschers der Dampfkraftmaschine und des Kühlers des Kühlkreislaufs statt. Dadurch kann die bereits erwähnte schnelle Aufwärmung des Verbrennungsmotors bis zum Erreichen des Betriebstemperaturbereichs erreicht werden.This embodiment enables the following advantageous operation of the drive device:
At a temperature of the coolant, which in the region of the first control device is below a (first) limit temperature (this limit temperature can define reaching the operating temperature range of the internal combustion engine and also defined as a temperature range), this is the heat exchanger of the cooling circuit and then directly to the Internal combustion engine led back; ie there is a bypass of the heat exchanger of the steam engine and the radiator of the cooling circuit instead. As a result, the already mentioned rapid warm-up of the internal combustion engine can be achieved until reaching the operating temperature range.
Sobald die Temperatur des Kühlmittels die erste Grenztemperatur erreicht hat, kann vorgesehen sein, das Kühlmittel zusätzlich über den Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine zu führen, um mittels der Dampfkraftmaschine mechanische Energie durch Umwandlung der in dem Kühlmittel enthaltenen Wärmeenergie zu erzeugen. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Kühlmittel bei einer Temperatur, die im Bereich der ersten Regeleinrichtung über der ersten Grenztemperatur und in dem Bereich der zweiten Regeleinrichtung unter einer zweiten Grenztemperatur (diese kann zu der ersten Grenztemperatur identisch und/als Temperaturbereich definiert sein) liegt, unter Umgehung des Kühlers zu dem Verbrennungsmotor zurückgeführt wird. In diesem Betriebszustand ist somit vorgesehen, die für den dauerhaften Betrieb des Verbrennungsmotors erforderliche Kühlung des Kühlmittels ausschließlich in dem Wärmetauscher erfolgen zu lassen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Verbrennungsmotor der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung mit einer niedrigen bis mittleren Last betrieben wird.Once the temperature of the coolant has reached the first limit temperature, it may be provided to additionally guide the coolant via the heat exchanger of the steam engine to generate mechanical energy by means of the steam engine by converting the thermal energy contained in the coolant. It may be provided that the coolant is at a temperature which is in the region of the first control device above the first limit temperature and in the region of the second control device below a second limit temperature (this may be identical to the first limit temperature and / be defined as the temperature range), is returned to the internal combustion engine bypassing the radiator. In this operating state, it is thus provided that the cooling of the coolant required for the permanent operation of the internal combustion engine can be carried out exclusively in the heat exchanger. This is possible in particular when the internal combustion engine of the drive device according to the invention is operated with a low to medium load.
Liegt dagegen die Temperatur des Kühlmittels im Bereich der zweiten Regeleinrichtung über der zweiten Grenztemperatur, so kann vorgesehen sein, zusätzlich noch den Kühler in den Kühlkreislauf zu integrieren, um eine ausreichende Absenkung der Temperatur des Kühlmittels sicherzustellen, wodurch eine Beschädigung des Verbrennungsmotors ausgeschlossen werden kann. Dies kann insbesondere erforderlich sein, wenn der Verbrennungsmotor mit hohen Lasten betrieben wird.On the other hand, if the temperature of the coolant in the region of the second control device is above the second limit temperature, it may be provided to additionally integrate the cooler into the cooling circuit in order to ensure a sufficient lowering of the temperature of the coolant, whereby damage to the internal combustion engine can be ruled out. This may be necessary, in particular, when the internal combustion engine is operated at high loads.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawings. In the drawings shows:
In den
Die Antriebsvorrichtung umfasst einen Verbrennungsmotor
In bekannter Weise sind in ein Gehäuse des Verbrennungsmotors
In den Kühlkreislauf ist weiterhin ein Wärmetauscher
In einem ersten Betriebszustand der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperatur des Kühlmittels unterhalb einer Grenztemperatur liegt, die als unterer Grenzwert einen Betriebstemperaturbereich des Verbrennungsmotors definiert ist, wird die von dem Abgas auf das Kühlmittel übertragene Wärmeenergie dazu benutzt sein, das Kühlmittel möglichst schnell bis zum Erreichen des Betriebstemperaturbereichs zu erwärmen. Dadurch kann das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors
In a first operating state of the drive device according to the invention, which is characterized in that the temperature of the coolant is below a limit temperature, which is defined as the lower limit of an operating temperature range of the internal combustion engine, the heat energy transferred from the exhaust gas to the coolant will be used to cool the coolant to heat as quickly as possible to reach the operating temperature range. As a result, the operating behavior of the
Sobald der Verbrennungsmotor
Das überhitzte, dampfförmige Arbeitsmittel wird dann in einer Turbine
In dem in der
Steigt dagegen durch eine erhöhte Last des Verbrennungsmotors die erforderliche Kühlleistung des Kühlkreislaufs über das hinaus, was von dem Verdampfer der Dampfkraftmaschine geleistet wird, kann durch ein Umstellen einer zweiten Regeleinrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 1212
- Zylindercylinder
- 1414
- Kurbelwellecrankshaft
- 1616
- Kühler des KühlkreislaufsCooler of the cooling circuit
- 1818
- Wärmetauscher der KühlkreislaufsHeat exchanger of the cooling circuit
- 2020
- erste Regeleinrichtungfirst control device
- 2222
- Wärmetauscher der DampfkraftmaschineHeat exchanger of the steam engine
- 2424
- DampfkraftmaschineSteam engine
- 2626
- Turbineturbine
- 2828
- (Niedertemperatur-)Kühler der Dampfkraftmaschine(Low temperature) radiator of the steam engine
- 3030
- Ausgleichsbehältersurge tank
- 3232
- Speisepumpefeed pump
- 3434
- zweite Regeleinrichtungsecond control device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102009024772 A1 [0002, 0002, 0002, 0003, 0004, 0006, 0007, 0010] DE 102009024772 A1 [0002, 0002, 0002, 0003, 0004, 0006, 0007, 0010]
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