DE102012209808A1

DE102012209808A1 - Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012209808A1
Application number: DE201210209808
Authority: DE
Inventors: Tilmann Abbe Horst; Markus Moser; Carsten Schwarz; Bernhard Zuck; Wolfram Enke; Marco SEIFERT; Juergen Ringler; Christian Schreiber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-12-12

Abstract

Es wird ein Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen, mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine (13), einer Vorrichtung (25) zur Wandlung wenigstens eines Teils der thermischen Energie in elektrische Energie durch Übertragung thermischer Energie auf ein zur Beaufschlagung einer Expansionseinrichtung (4) vorgesehenes Arbeitsmedium, und mit einer Hauptpumpe (11) zur Kühlmittelförderung in einem Kühlmittelkreislauf (10), der stromabwärts von der Hauptpumpe (11) zur Kühlung der Brennkraftmaschine (13) ausgebildet ist und stromabwärts der Brennkraftmaschine (13) eine mittels Umgebungsluft kühlbare Kühleinrichtung (22) aufweist, wobei das Antriebssystem zur Aufteilung des Fluidmassenstroms im Kühlmittelkreislauf stromabwärts von der Kühleinrichtung (22) in einen zu einem Ansaugbereich der Hauptpumpe (11) in einer ersten Leitung (12) geführten ersten Teilmassenstrom und in einen zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehenen und zu einer stromaufwärts von der Kühleinrichtung (22) angeordneten Mischstelle (20), in einer zweiten Leitung (14) geführten zweiten Teilmassenstrom ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Teil der von Verbrennungskraftmaschinen gewandelten Energie wird als Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben und geht somit ungenutzt verloren. Um den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu steigern, ist es daher bekannt geworden, zumindest einen Teil der abgegebenen Wärmeenergie zu nutzen. So ist es beispielsweise bekannt geworden, den Clausius-Rankine-Kreisprozess auszunutzen, um nutzbare Energie aus der Abgasabwärme einer Brennkraftmaschine zu gewinnen. Dazu ist ein Kreisprozess mit einem Arbeitsmedium vorgesehen, welches in einem ersten Schritt mittels der Abgaswärme erwärmt wird, in einem zweiten Schritt Arbeit verrichtet, indem es beispielsweise eine Expansionseinrichtung antreibt, die ihrerseits zum Beispiel einen Generator antreibt, und in einem dritten Schritt wieder mittels eines Kühlmittels abgekühlt wird, bevor es erneut mit Abgas in thermischen Eingriff gebracht wird und denselben Kreislauf abermals durchläuft. Dabei hängt der Wirkungsgrad des Clausius-Rankine-Kreisprozesses im Wesentlichen von der Temperaturspreizung zwischen Verdampfungstemperatur und Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums ab. Bei gegebener Verdampfungstemperatur ist daher eine möglichst geringe Kondensationstemperatur anzustreben. Diese kann generell durch die Positionierung des Kondensators beeinfluss werden.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 003 906 A1 ist ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bekannt geworden, welches einen Kühlmittelkreislauf und ein System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses aufweist. Das System zur Nutzung von Abwärme weist einen Kreislauf für ein Arbeitsmedium auf, mit einem mit einer Abgasleitung zum Durchfluss von Abgas des Verbrennungsmotors in Verbindung stehenden Verdampfer, mit welchem flüssiges Arbeitsmedium verdampft wird, und einem Kondensator, mit dem gasförmiges Arbeitsmedium infolge von Kühlung mittels des Kühlmittels kondensiert wird. Das Kühlmittel entstammt dabei demselben Kühlmittelkreislauf, der auch zur Kühlung des Motors eingesetzt wird.
Da sich der zur Kühlung vorgesehene Wärmetauscher im Fahrzeugfrontbereich befindet, während sich das Abgassystem im Unterboden befindet, müssen die Kühlmittelleitungen entsprechend lang ausgebildet werden, weil sie den Fahrzeugfrontbereich mit dem Abgassystem im Fahrzeugboden fluidisch verbinden müssen. Daher benötigen sie entsprechend viel Bauraum und sind zudem auch schwer. Das zusätzliche Gewicht der langen Kühlmittelleitungen am Fahrzeug führt wiederum zu einem höheren Kraftstoffverbrauch, was der Effizienzsteigerung der Brennkraftmaschine entgegensteht. Bei dem bekannten Antriebssystem strömt das Kühlmittel zuerst durch den Motor und dann durch den Kondensator des Abwärmenutzungssystems. Da außerdem das gesamte Kühlmittel sowohl durch die Motorkühlung als auch durch den Kondensator strömt, müssen die Kühlmittelleitungen einen ausreichend großen Querschnitt aufweisen, damit die für die Motorkühlung maximal benötigte Durchflussmenge durchgesetzt werden kann. Der Kühlmittelkreislauf wird dabei von einer Pumpe angetrieben, die in Abhängigkeit der vom Motor benötigen Kühlmittelleistung gesteuert wird. Somit hängt auch die den Kondensator durchsetzende Kühlmittelmenge vom Kühlungsbedarf am Motor ab. Somit kann beispielsweise in Betriebsphasen, in welchen der Motor wenig Kühlmittel benötigt, nicht das gesamte Potential des Abwärmenutzungssystems ausgeschöpft werden.
Aus der Druckschrift DE 10 2009 028 467 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine bekannt geworden, welche einen Kühlmittelkreislauf und einen Fluidkreislauf für ein Arbeitsmedium aufweist. Das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf wird von einer Pumpe angetrieben und durchfließt zunächst einen Kondensator, in welchem eine thermische Wechselwirkung zwischen dem Kühlmittel und dem Arbeitsmedium stattfindet. Das Arbeitsmedium durchläuft dabei wiederum einen Kreisprozess, bestehend aus Verdampfen mittels Erhitzung, Verrichten von Arbeit mittels einer Turbine, und anschließendem Kondensieren mittels Abkühlen in dem Kondensator. Der Kühlmittelkreislauf verzweigt sich in einem stromabwärts vom Kondensator liegenden Bereich in eine zu der Brennkraftmaschine führende Leitung und in eine Bypassleitung, die sich mit der anderen Leitung, in einem stromabwärts von der Brennkraftmaschine liegenden Bereich wiedervereinigt. Die die Bypassleitung durchströmende Kühlmittelmenge ist dabei mittels eines Ventils steuerbar.
Auch aus der Druckschrift WO 2011/149409 A1 ist ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses bekannt geworden, welches ebenfalls einen Kühlmittelkreislauf und einen Fluidkreislauf für ein Arbeitsmedium aufweist. Das Arbeitsmedium durchläuft dabei wiederum einen Kreislauf, bestehend aus Verdampfen, Verrichten von Arbeit, und Kondensieren infolge von Abkühlen in einem Kondensator, in welchem eine thermische Wechselwirkung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmittel stattfindet. Die Arbeit wird vom Arbeitsmedium mittels einer Turbine verrichtet. Dabei sind im Kreislauf des Arbeitsmediums eine Bypassleitung zur Überbrückung der Turbine und ein Ventil vorgesehen, mit welcher das Verhältnis zwischen einem die Turbine und einem die Bypassleitung durchströmendem Teilmassenstrom regelbar ist. Der Kühlmittelkreislauf wird wiederum von einer Pumpe angetrieben und verzweigt sich stromabwärts von der Pumpe in eine erste Leitung, die zu der Brennkraftmaschine führt, und eine zum Kondensator führende zweite Leitung. Während die Kühlung des Motors in einem Bereich der ersten Leitung stattfindet, wird die Kühlung von Arbeitsmittel in einem Bereich der zweiten Leitung – dem Kondensator – vorgenommen. Somit muss nicht sämtliches Kühlmittel, welches den Kondensator durchfließen soll, auch die Kühlleitung für die Brennkraftmaschine durchsetzen können, und umgekehrt. Die Kühlleitungen dieses Antriebssystems können damit mit etwas kleinerem Durchmesser ausgelegt werden. Trotzdem wird das Potential dieses Abwärmenutzungssystems nicht optimal ausgeschöpft, weil die den Kondensator durchsetzende Kühlmittelmenge von der Aktivität der in Abhängigkeit von der vom Motor benötigten Kühlleistung betriebenen Hauptpumpe abhängig ist.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Antriebssystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit einem auf Basis des Clausius-Rankine-Kreisprozesses arbeitenden Abwärmenutzungssystem, welches bei unterschiedlichen Motorkühlleistungen eine höhere Effizienz aufweist als die bekannten, auf Basis des Clausius-Rankine-Kreisprozesses arbeitende, Abwärmenutzungssysteme, und welches einen Kühlmittelkreislauf aufweist, der ein geringes Gewicht aufweist und wenig Bauraum benötigt.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung sieht ein Antriebssystem für ein Fahrzeug vor, mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine, einer Vorrichtung zur Wandlung wenigstens eines Teils der thermischen Energie in elektrische Energie durch Übertragung thermischer Energie auf ein zur Beaufschlagung einer Expansionseinrichtung vorgesehenes Arbeitsmedium, und mit einer Hauptpumpe zur Kühlmittelförderung in einem Kühlmittelkreislauf, der stromabwärts von der Hauptpumpe zur Kühlung der Brennkraftmaschine ausgebildet ist und stromabwärts der Brennkraftmaschine eine mittels Umgebungsluft kühlbare Kühleinrichtung aufweist, wobei das Antriebssystem zur Aufteilung des Fluidmassenstroms im Kühlmittelkreislauf stromabwärts von der Kühleinrichtung in einen zu einem Ansaugbereich der Hauptpumpe in einer ersten Leitung geführten ersten Teilmassenstrom und in einen zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehenen und zu einer stromaufwärts von der Kühleinrichtung angeordneten Mischstelle, in einer zweiten Leitung geführten zweiten Teilmassenstrom ausgebildet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem wird die Brennkraftmaschine stets von dem gesamten, von der Hauptpumpe geförderten Kühlmittelmassenstrom durchflossen. Dabei erfährt das Kühlmittel über die Brennkraftmaschine eine Temperaturerhöhung durch den Eintrag von Wärme aus der Brennkraftmaschine.
Ein zur Kühlung des Arbeitsmediums aus dem System zur Nutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine vorgesehener zweiter Teilmassenstrom tritt in die zweite Leitung ein, nachdem das Kühlmittel die Kühleinrichtung durchströmt hat und demgemäß auf ein niedriges Temperaturniveau gebracht worden ist. Das zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehene Kühlmittel tritt also immer zuerst durch die Kühleinrichtung hindurch und wird durch diese gekühlt, bevor es in die zweite Leitung eintritt, in der es Wärme aus dem Arbeitsmedium aufnehmen kann, um diese Wärme über die Kühleinrichtung an die Umgebung abzugeben und/oder an die Brennkraftmaschine. Der zweite Teilmassenstrom tritt nach dem Durchströmen eines im Bereich der zweiten Leitung angeordneten Kondensators, in dem das Kühlmittel Wärme vom Arbeitsmedium aufnimmt, wieder in den Kühlmittelmassenstrom ein und vermischt sich dort mit dem Kühlmittelmassenstrom, der aus der Brennkraftmaschine ausgetreten ist.
Das Arbeitsmedium besitzt einen eigenen, vom Kühlmittelkreislauf getrennten Kreislauf und durchläuft während eines Durchgangs seines Kreislaufs unterschiedliche Temperaturen. An zwei Stellen findet eine gezielte thermische Wechselwirkung zwischen dem Arbeitsmedium und einem äußeren Medium statt. Zum einen wird thermische Energie, die von der Brennkraftmaschine abgegeben wurde, auf das Arbeitsmedium übertragen. Das erwärmte Arbeitsmedium beaufschlägt dann die Expansionseinrichtung und verrichtet damit mechanische Arbeit. Hierzu ist beispielsweise ein infolge der Gasbeaufschlagung verschiebbarer Kolben vorgesehen. Die auf die Expansionseinrichtung übertragene kinetische Energie wird anschließend in elektrische Energie umgewandelt, die gespeichert werden kann und für eine spätere Anwendung nutzbar ist. Zum andern wird, nachdem das Arbeitsmedium Arbeit verrichtet hat, thermische Energie vom Arbeitsmedium an das Kühlmittel abgegeben, und zwar im Bereich der zweiten Leitung des Kühlmittelkreislaufs. Anschließend kann das abgekühlte Arbeitsmedium seinen Kreislauf erneut durchlaufen und zunächst wieder von der Brennkraftmaschine abgegebene thermische Energie aufnehmen. Das Zusammenwirken des Kühlmittelkreislaufs und des Kreislauf des Arbeitsmediums erlauben somit eine Energiegewinnung nach dem Clausius-Rankine-Prozess.
Zum Fördern des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf ist zumindest eine Hauptpumpe vorgesehen. Diese saugt Kühlmittel an und pumpt dieses zunächst in einen ersten Bereich des Kühlmittelkreislaufs zur Kühlung der Brennkraftmaschine. Der Kühlmittelmassenstrom – der in der ersten Leitung strömende erste Teilmassenstrom –, der zur Kühlung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, wird anschließend an der Mischstelle mit dem zweiten Teilmassenstrom zusammengeführt, der dem Bereich der zweiten Leitung des Kühlmittelkreislaufs, der zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehen ist, entstammt.
Stromabwärts von der Kühleinrichtung verzweigt sich der Kühlmittelkreislauf in die erste Leitung, die zum Ansaugbereich der Hauptpumpe führt, und in die zweite Leitung, die zum zweiten Bereich, der zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehen ist, führt. Der erste Bereich des Kühlmittelkreislaufs, der zur Kühlung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, und der zweite Bereich, der zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehen ist, werden dabei von dem Kühlmittel nicht seriell, das heißt also der Reihe nach, durchlaufen, da der erste und der zweite Bereich in unterschiedlichen Leitungen des Kühlmittelkreislaufs liegen, sondern ein erster Teilmassenstrom des Kühlmittels fließt durch die erste Leitung und ein zweiter Teilmassenstrom durch die zweite Leitung. Daher muss nicht das gesamte Kühlmittel, welches den ersten Bereich zur Kühlung des Motors durchströmt, auch den zweiten Bereich, welcher zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehen ist, durchströmen. Somit kann die Kühlmittelleitung in dem zweiten Bereich kleiner ausgelegt werden, weil ihr Durchmesser nicht den maximal notwendigen Kühlmitteldurchsatz zur Kühlung der Brennkraftmaschine erlauben muss. Die Kühlmittelleitungen können daher auch mit kleinem Durchmesser und entsprechend leicht ausgelegt werden, und sie beanspruchen wenig Bauraum. Zudem erlaubt das Kühlsystem größere Freiheiten hinsichtlich des geometrischen Aufbaus.
Dadurch, dass sich der Kühlmittelkreislauf stromabwärts von der Kühleinrichtung verzweigt, weist das in die zweite Leitung eintretende und somit das dem zweiten Bereich zur Kühlung des Arbeitsmediums zuströmende Kühlmittel eine niedrige Temperatur auf, da es unmittelbar vor dem Eintritt in die zweite Leitung durch Umgebungsluft abgekühlt worden ist. Damit ist das Temperaturgefälle zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmittel im zweiten Bereich unabhängig davon, wieviel Kühlleistung die Brennkraftmaschine benötigt, groß. Auf diese Weise lässt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad der Energierückgewinnung erzielen.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebssystems weist die zweite Leitung des Kühlmittelkreislaufs eine Zusatzpumpe auf, mit der der Eintritt von Kühlmittel in die zweite Leitung steuerbar oder regelbar ist. Mittels der Zusatzpumpe kann unabhängig davon, wie stark die Hauptpumpe arbeitet oder ob diese überhaupt aktiviert ist, Kühlmittel durch die zweite Leitung und insbesondere durch den zweiten Bereich, der zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehen ist, gepumpt werden. Es lässt sich also beispielsweise auch dann, wenn nur sehr wenig Kühlmittel zur Kühlung des Motors benötigt wird, also beispielsweise während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, und die Hauptpumpe kaum oder gar nicht aktiviert ist, mittels der Zusatzpumpe Kühlmittel durch die zweite Leitung pumpen, so dass eine möglichst effiziente Energierückgewinnung mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses stattfinden kann. Stromabwärts vom zweiten Bereich der zweiten Leitung strömt das Kühlmittel über die Mischstelle wieder der Kühleinrichtung zu.
Die Zusatzpumpe kann kleiner als die Hauptpumpe ausgelegt werden, da sie lediglich den Druckunterschied eines Teils des Kühlmittelstroms über der Kühleinrichtung überwinden muss, während die Hauptpumpe zusätzlich den Strömungswiderstand, der im Bereich zur Kühlung des Verbrennungsmotors vorliegt, bewältigen muss Zudem herrscht nach dem Ausströmen aus dem Motorblock generell ein geringerer Druck und die Hauptpumpe baut im System insgesamt einen Vordruck auf, da sie für sehr hohe maximale Volumenströme ausgelegt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Leitung ein Rückschlagventil auf, mit dem der Rückfluss von Kühlmittel von der Mischstelle in die zweite Leitung sperrbar ist. Somit kann kein Kühlmittel von der Mischstelle her in die zweite Leitung und über diese in den Bereich des Kondensators gelangen und auf diese Weise die Kühlung in der Kühleinrichtung unterlaufen.
Die zweite Leitung besitzt einen in der Kondensationseinrichtung angeordneten Abschnitt, der zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Arbeitsmedium vorgesehen ist. In der Kondensationseinrichtung findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmittel statt. Dabei wird Wärme vom Arbeitsmedium auf das Kühlmittel übertragen, so dass das Arbeitsmedium an thermischer Energie verliert. In den Bereich der Kondensationseinrichtung zuströmendes, gasförmiges Arbeitsmedium kondensiert infolge der Wärmeabgabe an das Kühlmittel und fließt in der Kondensationsleitung als flüssiges Arbeitsmedium weiter. Das Arbeitsmedium ist dann wiederum thermisch aufnahmefähig für die von der Brennkraftmaschine abgegebene Wärmeenergie und kann einen neuen Arbeitskreislauf beginnen.
Die Kondensationseinrichtung ist vorzugsweise bezüglich der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums stromabwärts von der Expansionseinrichtung angeordnet, so dass das Arbeitsmedium die Kondensationseinrichtung durchläuft, nachdem es Arbeit an der Expansionseinrichtung verrichtet hat.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Antriebssystem außerdem einen vom Arbeitsmedium durchströmbaren und mit einer Abgasleitung zum Durchfluss von Abgas der Brennkraftmaschine thermisch gekoppelten Verdampfer auf. Dieser ist insbesondere zur Verdampfung von flüssigem Arbeitsmedium durch Wärmeeintrag aus dem Abgas der Brennkraftmaschine ausgebildet.
Der Verdampfer ist im Kreislauf des Arbeitsmediums bezüglich der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums stromaufwärts von der Expansionseinrichtung angeordnet. Das verdampfte Arbeitsmedium strömt somit vom Verdampfer zu der Expansionseinrichtung, verrichtet an diesem mechanische Arbeit, die dazu genutzt wird, um elektrische Energie zu erzeugen, und strömt anschließend zum Beispiel zum Kondensator, wo es abgekühlt wird und folglich kondensiert. Anschließend wird es wiederum dem Verdampfer zugeführt. Hierzu ist in dem Kreislauf des Arbeitsmediums vorzugsweise eine dem Verdampfer vorgeschaltete Speisepumpe vorgesehen. Das Durchströmen des Kreislaufs durch das Arbeitsmedium folgt somit einem Kreisprozess, bei dem das Arbeitsmedium erwärmt und verdampft wird, worauf es Arbeit an der Expansionseinrichtung verrichtet, und bei dem anschließend wiederum gekühlt wird und dadurch kondensiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist die Expansionseinrichtung mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppelt. Das Arbeitsmedium wird infolge der Beaufschlagung der Expansionseinrichtung entspannt und strömt daraufhin, noch immer gasförmig, teilweise verflüssigt oder vollständig verflüssigt weiter, beispielsweise zu einem Kondensator.
Der Kühlmittelkreislauf weist zudem bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Bypassleitung auf, die einen in Strömungsrichtung nach der Mischstelle liegenden Abschnitt und einen in Strömungsrichtung nach der Kühleinrichtung liegenden Abschnitt miteinander fluidisch verbindet. Vorzugsweise gelangt Kühlmittel durch die Bypassleitung dabei in einen Bereich des Kühlmittelkreislaufs, in welchem Kühlmittel durch die Hauptpumpe wieder gefördert wird. Damit ist es beispielsweise während einer Warmlaufphase möglich, den Kühlmittelkreis so zu steuern, dass Wärme vom Abgas in das Kühlmittel eingetragen wird und somit der Warmlaufvorgang der Brennkraftmaschine abgekürzt wird. Es kommt damit zu weniger für die Warmlaufphase typischem Verschleiß in der Brennkraftmaschine infolge von Reibung und der Kraftstoffverbrauch während der Warmlaufphase wird verringert.
Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, dass im Kühlmittelkreislauf auch ein Temperaturregler angeordnet ist, mit dem ein durch die Kühleinrichtung strömender Kühlmittelmassenstrom regelbar ist. Auf diese Weise kann die Temperatur des Kühlmittels gezielt beeinflusst werden. So kann beispielsweise in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine dafür gesorgt werden, dass nur wenig oder gar kein Kühlmittelmassenstrom durch die Kühleinrichtung strömt und folglich viel Kühlmittel durch die Bypassleitung fließt. In einer späteren Betriebsphase, wenn die Brennkraftmaschine hingegen beispielsweise viel Kühlleistung benötigt, kann dafür gesorgt werden, dass ein größerer Massenstrom an Kühlmittel durch die Kühleinrichtung fließt. Als Temperaturregler lässt sich beispielsweise ein Thermostat einsetzen.
Die Bypassleitung kann der Mischstelle nachgeordnet sein, so dass über die Bypassleitung ein Massenstrom an Kühlmittel mit höherer Temperatur – aufgrund des Eintrags von Wärme durch den Kondensator – oder ein Massenstrom mit niedrigerer Temperatur gefördert werden kann, wenn die Bypassleitung vor der Mischstelle angeordnet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
1 eine schematische Darstellung eines zu einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems zugehörigen Fluidkreislaufs für ein Arbeitsmedium; und
2 eine schematische Darstellung eines zu einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems zugehörigen Kühlmittelkreislaufs.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines zu einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems zugehörigen Fluidkreislaufs für ein Arbeitsmedium 1. Das Antriebssystem ist zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs mit einem in 2 ersichtlichen Verbrennungsmotor 13 vorgesehen, der mechanische und thermische Energie frei setzt.
Um den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 13 zu steigern, wird ein Teil der freigesetzten thermischen Energie zurückgewonnen, indem der Clausius-Rankine-Kreisprozess zunutze gemacht wird. Das Antriebssystem weist hierzu insbesondere eine Vorrichtung 25 zur Wandlung eines Teils der thermischen Energie in elektrische Energie durch Übertragung thermischer Energie auf ein zur Beaufschlagung einer Expansionseinrichtung 4 vorgesehenes Arbeitsmedium auf.
Zum Antreiben des in 1 dargestellten und zur Durchströmung von Arbeitsmedium vorgesehenen Fluidkreislaufs 1 ist eine Pumpe 2 vorgesehen. Das Arbeitsmedium durchläuft den Fluidkreislauf 1 dabei teilweise in flüssigem und teilweise in gasförmigem Aggregatszustand. Im Bereich der Pumpe 2 weist das Arbeitsmedium den flüssigen Aggregatszustand auf.
Das von der Pumpe 2 geförderte Arbeitsmedium wird zunächst einem Verdampfer 3 zugeführt, in welchem es mit von dem Verbrennungsmotor 13 abgegebenem, warmer Abgas in thermischen Kontakt gebracht wird. Um den thermischen Kontakt zwischen dem Arbeitsmedium und dem Abgas herzustellen, wird der Verdampfer 3 von einer Abgasleitung 5 durchsetzt, welche zumindest teilweise direkt benachbart zu einer den Verdampfer 3 ebenfalls durchsetzenden Fluidleitung für das Arbeitsmedium verläuft. Infolge der Wärmeübertragung vom Abgas auf das Arbeitsmedium im Verdampfer 3 verdampft das Arbeitsmedium und strömt in gasförmigen Aggregatszustand weiter.
Das Arbeitsmedium wird daraufhin der Vorrichtung 25 zur Wandlung von thermischer in elektrischer Energie zugeführt. Diese weist bei der dargestellten Ausführungsform eine Expansionseinrichtung 4 und einen elektrischen Generator 6 auf. Das gasförmige Arbeitsmedium trifft zunächst auf die Expansionseinrichtung 4. Diese wird von dem Arbeitsmedium beaufschlagt und überträgt seine kinetische Energie auf den elektrischen Generator 6. Im elektrischen Generator 6 wird elektrische Energie erzeugt, welche sich in einer nicht näher dargestellten Fahrzeugbatterie in später nutzbarer Form speichern lässt. Diese kann anschließend beispielsweise einem Bordnetz des Fahrzeugs zugeführt werden. Ein Teil der von dem Verbrennungsmotor 13 abgegebenen thermischen Energie wird auf diese Weise zurückgewonnen.
Das Arbeitsmedium verlässt die Expansionseinrichtung 4, nachdem es infolge der verrichteten Arbeit einen Teil seiner Wärmeenergie verloren hat, in der Regel teilweise immer noch in gasförmigen, teilweise bereits wieder in flüssigem Aggregatszustand und wird zu einem Kondensator 7 weitergeleitet. Im Kondensator 7 wird das Arbeitsmedium mit einem Kühlmittel in thermischen Kontakt gebracht. Der Kondensator 7 weist hierzu einen Abschnitt einer zu dem in 2 näher dargestellten Kühlmittelkreislauf zugehörigen Kühlmittelleitung 8 auf, der benachbart zu einem Abschnitt der Fluidleitung für das Arbeitsmedium verläuft. Um eine effektive thermische Wechselwirkung zwischen Arbeitsmedium und Kühlmittel zu gewährleisten wird das Kühlmittel zudem in einem dem Kondensator 7 vorgeschalten Abschnitt des Kühlmittelkreislaufs von einer Zusatzpumpe 9 gefördert. Im Kondensator 7 kommt es dann zu einer thermischen Wärmeübertragung vom Arbeitsmedium auf das Kühlmittel, so dass das Arbeitsmedium infolge der Kühlung vollständig kondensiert. Anschließend wird das flüssige Arbeitsmedium, stromabwärts vom Kondensator 7 erneut von der Pumpe 2 angesaugt und durchläuft den vorstehend beschriebenen Arbeitskreislauf von Neuem.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines in einem Bereich mit dem Fluidkreislauf für das Arbeitsmedium 1 in thermischer Wechselwirkung stehenden Kühlmittelkreislaufs 10, der den Abschnitt der Kühlmittelleitung 8 im Kondensator 7 aufweist. Der Kühlmittelkreislauf wird von einer Hauptpumpe 11 angetrieben und erfüllt sowohl die Funktion der Kühlung des Verbrennungsmotors 13 als auch die Funktion der Kühlung des Arbeitsmediums. Stromabwärts von der Hauptpumpe 11 strömt das Kühlmittel in einer ersten Leitung 12, die zu dem Verbrennungsmotor 13 führt, und in eine zweite Leitung 14, die unter anderem zu dem Kondensator 7 führt. Die erste Leitung 12 weist einen Bereich 15 auf, der zur Kühlung des Verbrennungsmotors 13 vorgesehen ist. Die zweite Leitung 14 weist einen Bereich 16, nämlich den Abschnitt der Kühlmittelleitung 8 auf, der zur Kühlung von Arbeitsmedium vorgesehen ist.
Die zweite Leitung 14 weist zudem ein Rückschlagventil 17 auf, mit dem der unerwünschte Eintritt von Kühlmittel von der Mischstelle 20 aus in die zweite Leitung 14 zurück verhindert werden kann. Auf diese Weise kann also der Fall verhindert werden, dass aus der Brennkraftmaschine stammendes erwärmtes Kühlmittel über die Mischstelle 20 in falscher Richtung in die zweite Leitung 14 eintritt.
An der Mischstelle 20 kann sich der aus der zweiten Leitung 14 stammende zweite Teilmassenstrom mit dem von der Brennkraftmaschine 13 erwärmten ersten Teilmassenstrom vermischen.
Das über die Kühlmittelleitung 21 einer Kühleinrichtung 22, die durch Umgebungsluft gekühlt wird, zugeführte Kühlmittel gelangt nach dem Durchtritt der Kühleinrichtung 22 an einen Verzweigungspunkt 26, an dem ein erster Teilmassenstrom wieder in Richtung zu der Hauptpumpe 11 gefördert wird und ein zweiter Teilmassenstrom in die zweite Leitung 14 eintritt. Das Verhältnis des ersten Teilmassenstroms zum zweiten Teilmassenstrom kann mittels der Zusatzpumpe 9 beeinflusst werden. So ist es beispielsweise möglich, den durch die Zusatzpumpe 9 geförderten zweiten Teilmassenstrom auf weitgehend Null einzustellen, was dann sinnvoll ist, wenn die Brennkraftmaschine 13 unter Volllast betrieben wird und einen maximal möglichen Kühlmittelstrom zur effizienten Kühlung benötigt.
Wenn über die Zusatzpumpe 9 Kühlmittel in die zweite Leitung 14 befördert wird, erreicht das Kühlmittel zunächst einen elektrischen Generator 18, der mit der in 1 gezeigten Expansionseinrichtung 4 gekoppelt ist und aus der von der Expansionseinrichtung 4 übertragenen kinetischen Energie elektrische Energie erzeugt, welche anschließend einer nicht näher dargestellten Fahrzeugbatterie zugeführt wird. Somit wird mit dem Kühlmittel zunächst der elektrische Generator 18 und/oder eine nicht näher dargestellte zugeordnete Leistungselektronik gekühlt.
Das Kühlmittel wird als nächstes dem Kondensator 7 zugeführt, in welchem es dem erwärmten Arbeitsmedium Wärmeenergie entzieht und es auf diese Weise ebenfalls kühlt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist zudem ein zweiter Installationsort 19 eines elektrischen Generators vorgesehen, dem optional das aus dem Kondensator 7 austretende Kühlmittel als nächstes zugeführt wird.
Das Kühlmittel, welches die erste Leitung 12 durchfließt, und dasjenige, welches die zweite Leitung 14 durchfließt, werden anschließend an einer Mischstelle 20 wieder zusammengeführt und gemeinsam weitergeleitet. Stromabwärts von der Mischstelle 20 verzweigt sich der Kühlmittelkreislauf 10 bei der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems abermals. Zum einen führt eine Leitung 21 zu der Kühleinrichtung 22, an der das Kühlmittel in thermischen Kontakt mit der Außenluft gebracht und durch diese abgekühlt wird. Der Kühler 22 ist bei dem nicht näher dargestellten Fahrzeug im Frontbereich, beim Kühlergrill angeordnet. Zum andern führt eine Bypassleitung 23 von der Verzweigungsstelle zu einem Bereich, der dem Kühler 22 nachgeschaltet ist. Durch die Bypassleitung 23 kann somit, wenn kein oder wenig Bedarf zur Kühlung des Kühlmittels selbst besteht, Kühlmittel wieder direkt in den Ansaugbereich der Pumpe 11 geführt werden.
In der Leitung 21 kann direkt vor der Kühleinrichtung 22 ein nicht näher dargestelltes Schaltventil mit Schaltstellungen – offen und zu – zum Sperren des Kühlmittelflusses eingefügt werden, womit sich die Warmlaufphase weiter verkürzen lässt: Wird das Ventil so geschaltet, dass kein Durchfluss zugelassen wird, die Hauptpumpe 11 nicht betrieben und das Thermostat 24 so geschaltet, dass der Durchfluss von Leitung 23 zur Hauptpumpe 11 gesperrt ist, kann der Kühlmittelstrom mittels der Zusatzpumpe 9 so gefördert werden, dass der Abgaswärmeeintrag zum Aufwärmen des Kühlmittels genutzt wird und die Kühleinrichtung 22 umgangen wird. Die Strömungsfolge ist dann von der Zusatzpumpe 9 zur Mischstelle 20, zum Motor 13, zur Pumpe 11, zum Thermostat 24, zur Abzweigung 26, zur Leitung 14, zur Zusatzpumpe 9. Da es sich bei den Pumpen im Allgemeinen um Strömungspumpen handelt, ist es nämlich möglich, die Hauptpumpe 11 in umgekehrter Richtung zu durchströmen.
Zum Einstellen der Verhältnisse des der Leitung 21 und dem Kühler 22 zugeführten Kühlmittel, und dem durch die Bypassleitung 23 geleiteten Kühlmittel ist der bereits erwähnte Thermostat 24 vorgesehen, der in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur des Kühlmittels regelt, wie viel Kühlmittel durch die Leitung 21 und die Bypassleitung 23 weitergeleitet wird. Das Kühlmittel wird anschließend wieder von der Hauptpumpe 11 angesaugt und durchläuft den Kühlmittelkreislauf 10 von Neuem.
Das Kühlmittel nimmt dabei Wärme im Verbrennungsmotor 13 auf – angedeutet durch den Pfeil P1 –, nimmt Wärme vom elektrischen Generator 18 oder 19 sowie im Kondensator 7 vom Abgas auf – angedeutet durch die Pfeile P2, P3, P4, und gibt im Kühler 22 Wärme an die Umgebungsluft ab – angedeutet durch den Pfeil P5.
Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass sowohl die Kühlung des Verbrennungsmotors 13, als auch die Kühlung des Arbeitsmediums im Kondensator 7 und des elektrischen Generators 18 oder 19 mittels eines einzigen Kühlmittelkreislaufs 10 gewährleistet ist. Damit kann Bauraum gespart werden. Zugleich sind der Bereich 15 des Kühlmittelkreislaufs 10 zur Kühlung des Verbrennungsmotors 13 und des Bereichs 16 zur Kühlung von Arbeitsmedium im Kondensator 7 in parallel verlaufenden erste und zweite Leitungen 12, 14 vorgesehen, wobei der Anteil an Kühlmittel, der die zweite Leitung 14 durchströmt, mittels der Zusatzpumpe 9 regelbar ist. Somit kann die Wärmerückgewinnung mittels des Kreislaufs 1 des Arbeitsmediums auch bei unterschiedlichem Kühlbedarf des Verbrennungsmotors 13 optimal ausgenutzt werden.
Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Fluidkreislauf für ein Arbeitsmedium
2: Pumpe
3: Verdampfer
4: Expansionseinrichtung
5: Abgasleitung
6: Generator
7: Kondensator
8: Kühlmittelleitung
9: Zusatzpumpe
10: Kühlmittelkreislauf
11: Hauptpumpe
12: erste Leitung
13: Verbrennungsmotor
21: Kühlmittelleitung
22: Kühler
23: Bypassleitung
24: Thermostat
25: Vorrichtung zur Wandlung von Energie
26: Verzweigungspunkt
14: zweite Leitung
15: Bereich zur Kühlung des Verbrennungsmotors
16: Bereich zur Kühlung von Arbeitsmedium
17: Rückschlag
18: elektrischer Generator
19: zweiter Installationsort
20: Mischstelle
P1: Pfeil
P2: Pfeil
P3: Pfeil
P4: Pfeil
P5: Pfeil

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 102010003906 A1 [0003]
DE 102009028467 A1 [0005]
WO 2011/149409 A1 [0006]

Claims

Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine (13), einer Vorrichtung (25) zur Wandlung wenigstens eines Teils der thermischen Energie in elektrische Energie durch Übertragung thermischer Energie auf ein zur Beaufschlagung einer Expansionseinrichtung (4) vorgesehenes Arbeitsmedium, und mit einer Hauptpumpe (11) zur Kühlmittelförderung in einem Kühlmittelkreislauf (10), der stromabwärts von der Hauptpumpe (11) zur Kühlung der Brennkraftmaschine (13) ausgebildet ist und stromabwärts der Brennkraftmaschine (13) eine mittels Umgebungsluft kühlbare Kühleinrichtung (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem zur Aufteilung des Fluidmassenstroms im Kühlmittelkreislauf stromabwärts von der Kühleinrichtung (22) in einen zu einem Ansaugbereich der Hauptpumpe (11) in einer ersten Leitung (12) geführten ersten Teilmassenstrom und in einen zur Kühlung des Arbeitsmediums vorgesehenen und zu einer stromaufwärts von der Kühleinrichtung (22) angeordneten Mischstelle (20), in einer zweiten Leitung (14) geführten zweiten Teilmassenstrom ausgebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Bereich der zweiten Leitung (14) angeordnete Zusatzpumpe (9), mit der der Eintritt von Kühlmittel in die zweite Leitung (14) steuerbar oder regelbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (14) ein Rückschlagventil (17) aufweist, mit dem der Rückfluss von Kühlmittel von der Mischstelle (20) in die zweite Leitung (14) sperrbar ist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (14) einen in einer Kondensationseinrichtung (7) angeordneten Abschnitt aufweist, der zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Arbeitsmedium vorgesehen ist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit einer Abgasleitung (5) zum Durchfluss von Abgas der Brennkraftmaschine (13) thermisch gekoppelten Verdampfer (3), der zur Verdampfung von flüssigem Arbeitsmedium durch Eintrag von Wärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine (13) ausgebildet ist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (4) mit einem Generator (6) zur Bereitstellung von elektrischer Energie gekoppelt ist.
Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (14) zur Kühlung des Generators (6) und/oder einer Leistungselektronik ausgebildet ist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (10) eine Bypassleitung (23) aufweist, die einen in Strömungsrichtung nach der Mischstelle (20) liegenden Abschnitt und einen in Strömungsrichtung nach der Kühleinrichtung (22) liegenden Abschnitt des Kühlmittelkreislaufs (10) miteinander fluidisch verbindet.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (10) eine Bypassleitung (23) aufweist, die einen in Strömungsrichtung vor der Mischstelle (20) liegenden Abschnitt und einen in Strömungsrichtung nach der Kühleinrichtung (22) liegenden Abschnitt des Kühlmittelkreislaufs (10) miteinander fluidisch verbindet.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Kühlmittelkreislauf (10) angeordneten Temperaturregler (24), mit dem ein durch die Kühleinrichtung (22) strömender Kühlmittelmassenstrom regelbar ist.