DE102012006345A1 - Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf und Arbeitsmedium hierzu - Google Patents

Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf und Arbeitsmedium hierzu Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom (AS) einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf (AK). Erfindungsgemäß zirkuliert innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufs (AK) ein Arbeitsmedium (AM), welches aus einem Gemisch von Wasser, Ethanol und zumindest einem Silikonöl gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Arbeitsmedium hierzu nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
  • 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 US 2006 010 872 A1 beschreibt ein organisches Clausius-Rankine-Kreisprozess-Arbeitsmedium, welches vorzugsweise Wasser, Silikone, aliphatische Kohlenwasserstoffe, gesättigte Kohlenwasserstoffe, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe, Alkene, Fluorkohlenwasserstoffe, Hydrofluorether, Perfluorether, Alkohole, Ketone, fluorierte Ketone, fluorierte Alkohole, Ester und/oder Phosphorsäureester enthält.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug anzugeben.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei der Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf zirkuliert innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufs erfindungsgemäß ein Arbeitsmedium, welches aus einem Gemisch von Wasser, Ethanol und zumindest einem Silikonöl gebildet ist.
  • Herkömmlicherweise wird in einem Arbeitsmedium-Kreislauf Wasser als Arbeitsmedium verwendet. Um ein Einfrieren des Arbeitsmediums bei niedrigen Temperaturen zu verhindern, wird dem Wasser Ethanol in einem derartigen Mischungsverhältnis zugesetzt, dass ein Gefrierpunkt des Wasser-Ethanolgemischs unterhalb der auftretenden Umgebungstemperaturen des Fahrzeugs liegt. Ein solches Gemisch weist eine niedrige Viskosität auf, so dass eine mangelnde Schmierwirkung an den Komponenten des Arbeitsmedium-Kreislaufs, insbesondere an Fördereinheit und Expansionsvorrichtung, auftritt. Daraus resultiert ein erhöhter Verschleiß, eine vergrößerte Ausfallwahrscheinlichkeit und/oder eine verringerte Lebensdauer dieser Komponenten.
  • Bei einer Zumischung herkömmlichen Mineralöls, beispielweise Motoröl, zum Wasser-Ethanolgemisch zur Erhöhung der Viskosität und der daraus resultierenden Schmierwirkung tritt im Wärmetauscher aufgrund der dort anliegenden Temperaturen eine Verkokung des Mineralöls auf. Eine solche Verkokung vermindert eine Verdampfungsleistung des Wärmetauschers.
  • Durch die erfindungsgemäße Beimischung zumindest eines Silikonöls zum Wasser-Ethanolgemisch werden die Viskosität und die daraus resultierende Schmierwirkung des Arbeitsmediums signifikant erhöht. Besonders vorteilhafterweise zersetzt sich ein solches Silikonöl oberhalb der im Wärmetauscher anliegenden Temperaturen, so dass eine Verkokung oder eine andersartige Zersetzung des Silikonöls sicher vermieden ist.
  • Damit ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Arbeitsmedium vor einem Einfrieren und der Wärmetauscher im Arbeitsmedium-Kreislauf vor Verkokung geschützt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann auf einen in Flussrichtung des Arbeitsmediums vor dem Wärmetauscher angeordneten Ölabscheider verzichtet werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt:
  • 1 schematisch eine herkömmliche Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf.
  • 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom AS einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf AK. Im Arbeitsmedium-Kreislauf AK wird ein Arbeitsmedium AM geführt, wobei ein in dem Arbeitsmedium-Kreislauf AK durchgeführter Prozessablauf dem eines sogenannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
  • Dieser Arbeitsmedium-Kreislauf AK umfasst eine Fördereinheit 2, einen Wärmetauscher 3, die Expansionsvorrichtung 4 und einen Kondensator 5.
  • Im Prozessablauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses wird das flüssige Arbeitsmedium AM in einem Arbeitsmediumstrom von der Fördereinheit 2 dem Wärmetauscher 3 zugeführt. Im Wärmetauscher 3 wird das flüssige Arbeitsmedium AM unter konstantem oder nahezu konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine derart erwärmt, dass es verdampft und überhitzt oder zumindest verdampft.
  • Die Fördereinheit 2 ist bevorzugt als herkömmliche Speisepumpe ausgebildet und beispielsweise motorbetrieben ausgeführt. Hierzu ist beispielsweise ein nicht dargestellter elektrischer Motor vorgesehen, der die Speisepumpe antreibt.
  • 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.
  • Das unter hohem Druck stehende, überhitzte oder verdampfte Arbeitsmedium AM wird der Expansionsvorrichtung 4 zugeführt und in einer adiabatischen oder nahezu adiabatischen Expansion zu einem dampfförmigen Arbeitsmedium AM mit Normaldruck expandiert und dabei abgekühlt. In der Expansionsvorrichtung 4 wird dabei eine kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmedium AM in eine mechanische Energie umgewandelt.
  • Beispielsweise kann die erzeugte mechanische Energie bei einer Kopplung der Expansionsvorrichtung 4 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, beispielweise einem Akkumulator, einer Fahrzeugbatterie, einer Lithium-Ionen-Batterie oder einem Supercap, verbunden sein und diese im Betrieb der Expansionsvorrichtung 4 aufladen.
  • Weiterhin kann die mittels der Expansionsvorrichtung 4 erzeugte mechanische Energie direkt über nicht näher dargestellte Anordnungen der Verbrennungskraftmaschine zur Unterstützung zugeführt werden.
  • Die Expansionsvorrichtung 4 kann beispielweise als Scrollarbeitsmaschine ausgebildet sein, welche in Expansionsrichtung von dem im Arbeitsmedium-Kreislauf AK zirkulierenden Arbeitsmedium AM durchströmbar ist. Anstelle der Scrollarbeitsmaschine kann auch eine andere Expansionsmaschine, z. B. eine Kolbenexpansionsmaschine oder Turbine, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist die Expansionsvorrichtung 4 als eine Dampfturbine oder eine andere Dampfexpansionsmaschine ausgeführt.
  • Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmedium AM dem Kondensator 5 zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmedium AM mittels einer Kühlung isobar oder nahezu isobar kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass der Fördereinheit 2 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.
  • Innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufs AK zirkuliert das Arbeitsmedium AM. Das verwendete Arbeitsmedium AM des Arbeitsmedium-Kreislaufs AK ist aus einem flüssigen Gemisch von Wasser, Ethanol und zumindest einem Silikonöl gebildet.
  • Um ein Einfrieren des Arbeitsmediums AM bei niedrigen Temperaturen zu verhindern, wird dem Wasser Ethanol in einem derartigen Mischungsverhältnis zugesetzt, dass ein Gefrierpunkt des Wasser-Ethanolgemischs unterhalb der auftretenden Umgebungstemperaturen des Fahrzeugs liegt. Typischerweise ist dabei der Ethanolanteil am Gemisch des Arbeitsmediums AM kleiner oder gleich 50 Prozent, bevorzugt keiner oder gleich 30 Prozent. Ein solches Gemisch weist eine niedrige Viskosität auf, so dass eine mangelnde Schmierwirkung an den Komponenten des Arbeitsmedium-Kreislaufs AK, insbesondere an Fördereinheit 2 und Expansionsvorrichtung 4, auftritt.
  • Durch die erfindungsgemäße Beimischung zumindest eines Silikonöls zum Wasser-Ethanolgemisch werden die Viskosität und die daraus resultierende Schmierwirkung des Arbeitsmediums AM signifikant erhöht. Dabei ist ein Anteil des oder der Silikonöle am Gemisch des Arbeitsmediums AM kleiner oder gleich 50 Prozent, bevorzugt keiner oder gleich 30 Prozent.
  • Silikonöle, auch als Diorganopolysiloxane oder polymerisierte Siloxane mit organischen Seitenketten bezeichnet, stammen aus der Gruppe der Silikone und sind synthetische siliziumbasierte Öle, welche, im Gegensatz zu Mineralölen oder Pflanzenölen, keine organischen, also kohlenstoffbasierten, sondern siloxanbasierte Ketten-Moleküle als Grundstruktur besitzen. Diese sind durch eine periodisch alternierende Anordnung von Silicium- und Sauerstoffatomen gekennzeichnet. An freien Außenelektronen des Siliziums hängen sogenannte Restmoleküle, welche zumeist organische Restmoleküle sind, aber auch Halogene sein können. Somit haben Silikonöle sowohl einen organischen wie auch einen anorganischen Anteil.
  • Silikonöle sind eine klare, farblose, ungiftige, neutrale, geruchslose, chemisch inerte, in einem weiten Spektrum temperaturstabile, hydrophobe Flüssigkeit. Dabei ist insbesondere eine Temperaturstabilität bis 300 Grad Celsius ermöglicht. Des Weiteren sind Silikonöle hervorragende elektrische Isolatoren und weisen eine niedrige Oberflächenspannung auf. Besonders vorteilhafterweise verharzen und verkoken Silikonöle nicht.
  • Besonders vorteilhafterweise zersetzt sich ein solches Silikonöl oberhalb der im Wärmetauscher 3 anliegenden Temperaturen, so dass eine Verkokung oder eine andersartige Zersetzung des Silikonöls im Wärmetauscher 3 und im gesamten Arbeitsmedium-Kreislauf AK sicher vermieden ist. Eine solche Verkokung vermindert üblicherweise eine Verdampfungsleistung des Wärmetauschers 3 oder erfordert einen separaten vorgeschalteten Ölabscheider.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Fördereinheit
    3
    Wärmetauscher
    4
    Expansionsvorrichtung
    5
    Kondensator
    6
    Generator
    AM
    Arbeitsmedium
    AK
    Arbeitsmedium-Kreislauf
    AS
    Abwärmestrom
  • 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
    • US 2006010872 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Vorrichtung (1) zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom (AS) einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf (AK), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufs (AK) ein Arbeitsmedium (AM) zirkuliert, welches aus einem Gemisch von Wasser, Ethanol und zumindest einem Silikonöl gebildet ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des oder der Silikonöle am Gemisch des Arbeitsmediums (AM) kleiner oder gleich 50 Prozent ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des oder der Silikonöle am Gemisch des Arbeitsmediums (AM) kleiner oder gleich 30 Prozent ist.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des Ethanols am Gemisch des Arbeitsmediums (AM) kleiner oder gleich 50 Prozent ist.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufs (AK) ein Clausius-Rankine-Kreisprozess abläuft.
  6. Arbeitsmedium (AM) für einen Arbeitsmedium-Kreislauf (AK) einer Vorrichtung (1) zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom (AS) einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) als ein Gemisch von Wasser, Ethanol und zumindest einem Silikonöl gebildet ist.
  7. Arbeitsmedium (AM) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des oder der Silikonöle am Gemisch des Arbeitsmediums (AM) kleiner oder gleich 50 Prozent ist.
  8. Arbeitsmedium (AM) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des oder der Silikonöle am Gemisch des Arbeitsmediums (AM) kleiner oder gleich 30 Prozent ist.
  9. Arbeitsmedium (AM) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des Ethanols am Gemisch des Arbeitsmediums (AM) kleiner oder gleich 50 Prozent ist.
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