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Die Erfindung betrifft eine Kreislaufanordnung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kreislaufanordnung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
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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.
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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.
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Zu einer Wirkungsgraderhöhung ist dem Verbrennungsmotor ein Kreisprozess nachgeschaltet, bei dem der heiße Abgasstrom und zum Teil das Kühlmittel des Verbrennungsmotors als Wärmequelle zum Betrieb einer nachgeschalteten Maschine im Kreisprozess verwendet wird. Bei dem Kreisprozess handelt es sich üblicherweise um einen so genannten Clausius-Rankine-Prozess oder einen Organic-Clauslus-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 oder Wasser mit bestimmten Additiven in Betracht.
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Die
JP 621 94 931 A beschreibt einen Dampfantrieb mit einer Dampfturbine, welche einen Generator antreibt, wobei zur Dampferzeugung eine Abgaswärme genutzt wird.
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Die
DE 28 26 396 A1 beschreibt einen als Clausius-Rankine-Kreisprozess ausgebildeten Abwärmenutzungskreislauf für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei mittels eines Dampfmotors Nebenaggregate der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden und Abgaswärme und/oder Kühlmittelwärme zur Dampferzeugung verwendet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kreislaufanordnung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug und einen verbessertes Verfahren zum Betrieb einer solchen Kreislaufanordnung anzugeben.
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Hinsichtlich der Kreislaufanordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Kreislaufanordnung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kreislaufanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei der Kreislaufanordnung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Abwärmenutzungskreislauf ist erfindungsgemäß der Abwärmenutzungskreislauf als Dampfkreislauf ausgebildet und im Abwärmenutzungskreislauf ist eine Mehrzahl von Expansionsvorrichtungen angeordnet. Somit können herkömmlicherweise mittels eines Riementriebs oder auf andere Weise mechanisch von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene Nebenaggregate von den Expansionsvorrichtungen angetrieben werden.
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Eine auf diese Weise ausgeführte Energierückgewinnung bei einer Verbrennungskraftmaschine weist gegenüber herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und die Kosten sind aufgrund der kompakten und einfachen Bauweise der Vorrichtung zur Energierückgewinnung deutlich reduziert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine, wobei dies zu einer verbesserten Ausnutzung der Abwärme des Abgasstroms der Verbrennungskraftmaschine und somit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung und des Gesamtaggregats, insbesondere des gesamten Antriebsstrangs führt.
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Besonders vorteilhafterweise ist ein elektrischer Antrieb eines herkömmlichen Kühlmittelverdichters im Abwärmenutzungskreislauf und ein daraus resultierender Verbrauch an elektrischer Energie vermieden.
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Beim Verfahren zum Betrieb einer Kreislaufanordnung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Abwärmenutzungskreislauf wird erfindungsgemäß im Abwärmenutzungskreislauf eine Mehrzahl von Expansionsvorrichtungen vom Arbeitsmedium durchströmt, wobei diese Expansionsvorrichtungen seriell und/oder parallel verschaltet sind.
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Dadurch kann eine mechanische Energie, welche herkömmlicherweise zum Antrieb der Nebenaggregate von der Verbrennungskraftmaschine aufzubringen ist, durch thermische Energie des Abgases und/oder des Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine substituiert werden, so dass ein Kraftstoffverbrauch und ein daraus resultierender Schadstoffausstoß der Verbrennungskraftmaschine signifikant reduziert sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Kreislaufanordnung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Abwärmenutzungskreislauf.
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kreislaufanordnung 1 zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom AS einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Abwärmenutzungskreislauf AK. Bei der Verbrennungskraftmaschine 1 kann es sich um einen herkömmlichen Diesel- oder Ottomotor oder eine andere Verbrennungsmaschine, z. B. eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs, handeln.
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Im Abwärmenutzungskreislauf AK zirkuliert ein Arbeitsmedium AM. Der Abwärmenutzungskreislauf AK umfasst eine Mehrzahl von Expansionsvorrichtungen 2, einen Wärmetauscher 3, einen Ausgleichsbehälter 4 und einen Kondensator 5.
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Der Abwärmenutzungskreislauf AK ist als Dampfkreislauf ausgebildet, so dass das Arbeitsmedium AM bevorzugt als Wasser oder ein Wassergemisch ausgebildet ist.
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Im Prozessablauf des Dampfkreislaufs wird das flüssige Arbeitsmedium AM in einem Arbeitsmediumstrom dem Wärmetauscher 3, beispielsweise durch die Schwerkraft bewirkt, zugeführt. Im Wärmetauscher 3 wird das flüssige Arbeitsmedium AM unter Nutzung der Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine derart erwärmt, dass es verdampft und überhitzt oder zumindest verdampft.
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Der Wärmetauscher 3 kann dabei beispielsweise als Abgaswärmetauscher, Abgasrückführungswärmetauscher und/oder Kühlmittelwärmetauscher eine Abgaswärme und/oder eine Wärme eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine verwenden, um das flüssige Arbeitsmedium AM zu erwärmen und zu verdampfen.
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Das unter einem über dem Umgebungsdruck liegende, Druck stehende, überhitzte oder verdampfte Arbeitsmedium AM wird den Expansionsvorrichtungen 2 zugeführt und expandiert und dabei abgekühlt. In den Expansionsvorrichtungen 2 wird dabei die potentielle und kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmediums AM in mechanische Energie des Expanders umgewandelt.
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Beispielsweise kann die erzeugte mechanische Energie bei einer Kopplung der Expansionsvorrichtung 2 mit einem elektrischen Generator 6 in eine elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann z. B. zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Elektromotors genutzt werden, der unterstützend zur Verbrennungskraftmaschine wirkt. Der elektrische Generator 6 kann elektrisch mit einem herkömmlichen elektrischen Energiespeicher 7, beispielweise einem Akkumulator, einer Fahrzeugbatterie, einer Lithium-Ionen-Batterie oder einem so genannten Supercap, verbunden sein und diese im Betrieb der Expansionsvorrichtung 2 aufladen.
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Weiterhin kann die mittels der Expansionsvorrichtung 2 erzeugte mechanische Energie direkt über nicht näher dargestellte Anordnungen der Verbrennungskraftmaschine zur Unterstützung zugeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante treibt jede Expansionsvorrichtung 2 ein separates Nebenaggregat der Verbrennungskraftmaschine an. Ein solches Nebenaggregat kann beispielsweise ein Kühlmittelkompressor 8 einer Fahrzeugklimaanlage sein.
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Die Expansionsvorrichtung 2 ist bevorzugt als Dampfturbine ausgebildet, welche in Expansionsrichtung von dem im Abwärmenutzungskreislauf AK zirkulierenden Arbeitsmedium AM durchströmbar ist. Anstelle der Dampfturbine kann auch eine andere Expansionsmaschine, z. B. eine Kolbenexpansionsmaschine oder eine Scrollarbeitsmaschine, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist die Expansionsvorrichtung 2 als eine Dampfturbine oder eine andere Dampfexpansionsmaschine ausgeführt.
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Die Expansionsvorrichtungen 2 sind im Abwärmenutzungskreislauf AK seriell und/oder parallel verschaltet.
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Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmedium AM dem Kondensator 5 zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmedium AM mittels einer Kühlung kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass dem Wärmetauscher 3 eingangsseitig das flüssige Arbeitsmedium AM zuführbar ist. Der Kondensator 5 kann beispielweise als ein herkömmlicher Fahrzeugkühler ausgebildet sein und seine Abwärme an eine Fahrzeugumgebung übertragen. Alternativ kann der Kondensator 5 als sogenannter Rückkühler ausgebildet sein und seine Abwärme an eine weitere, nicht dargestellte Energierückgewinnungsvorrichtung übertragen. Besonders bevorzug ist der Kondensator 5 als so genannter Unterbodenkühler ausgebildet, welcher an oder in einem Unterboden des Fahrzeugs vom Fahrtwind durchströmbar angeordnet ist.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist ein Bypass vorgesehen, der die Einlassleitung des Kondensators 5 mit der Auslassleitung des Kondensators 5 verbindet. Diese Bypassleitung ist über ein Ventil oder vergleichbares aktivierbar. Bevorzugt ist das Ventil in der Bypassleitung angeordnet. Es sind Betriebszustände möglich, in denen der Kondensator 5 nicht benötigt wird, weil z. B. das Arbeitsmedium nach passieren der Expansionsvorrichtungen 2 bereits kondensiert ist. Mit der alternativen Ausführungsform kann in einem solchen Betriebszustand der Kondensator 5 bypassiert werden.
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Weiterhin ist im Abwärmenutzungskreislauf AK der Ausgleichsbehälter 4 angeordnet.
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Zur Anordnung des Ausgleichsbehälters 4 im Abwärmenutzungskreislauf AK zweigt eine Totleitung 9 zwischen Kondensator 5 und Wärmetauscher 3 aus dem Abwärmenutzungskreislauf AK ab. Somit zweigt die Totleitung 9 in einem Niederdruckbereich des Abwärmenutzungskreislaufs AK von selbigem ab, d. h. in diesem Bereich herrscht bevorzugt Umgebungsdruck und das Arbeitsmedium AM liegt im flüssigen Aggregatzustand vor.
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Der Ausgleichsbehälter 4 ist endseitig derart an der Totleitung 9 angeordnet, dass der Ausgleichsbehälter 4 den höchsten Punkt des Abwärmenutzungskreislaufs AK bildet.
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Dadurch wird das Arbeitsmedium AM während des Betriebs des Abwarmenutzungskreislaufs AK automatisch und regelmäßig oder permanent entlüftet. Herkömmlicherweise reduziert oder verringert die im Arbeitsmedium AM des Abwärmenutzungskreislaufs AK vorhandene Restluft einen Wärmeübergang im Wärmetauscher 3 des Abwärmenutzungskreislaufs AK. Dies ist durch die kontinuierliche Entlüftung auf einfache und autarke Weise sicher vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kreislaufanordnung
- 2
- Expansionsvorrichtung
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- Ausgleichsbehälter
- 5
- Kondensator
- 6
- Generator
- 7
- Energiespeicher
- 8
- Kühlmittelkompressor
- 9
- Totleitung
- AS
- Abwärmestram
- AK
- Abwärmenutzungskreislauf
- AM
- Arbeitsmedium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 62194931 A [0005]
- DE 2826396 A1 [0006]
