DE102012209811A1

DE102012209811A1 - Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012209811A1
Application number: DE201210209811
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 einen von Kühlmittel durchströmbaren ersten Bereich (15) zur Kühlung der Brennkraftmaschine (13) und einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Bereich (16) zur Kühlung des Arbeitsmediums aufweist, wobei sich der Kühlmittelkreislauf (10) stromabwärts der Hauptpumpe (11) in eine erste (12) und eine zweite Leitung (14) verzweigt, und die erste Leitung (12) den ersten Bereich (15) und die zweite Leitung (14) den zweiten Bereich (16) aufweist, und der Kühlmittelkreislauf (10) ein Stellorgan (17) aufweist, mit dem der Eintritt von Kühlmittel in wenigstens eine der beiden Leitungen (12, 14) steuerbar oder regelbar 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 arbeitenden Abwärmenutzungssysteme, und welches einen Kühlmittelkreislauf aufweist, der 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 mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine vor. Das erfindungsgemäße Antriebssystem umfasst eine 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 eine Hauptpumpe zur Kühlmittelförderung in einem Kühlmittelkreislauf, der einen von Kühlmittel durchströmbaren ersten Bereich zur Kühlung der Brennkraftmaschine und einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Bereich zur Kühlung des Arbeitsmediums aufweist. Der Kühlmittelkreislauf verzweigt sich außerdem stromabwärts der Hauptpumpe in eine erste und eine zweite Leitung, wobei die erste Leitung den ersten Bereich und die zweite Leitung den zweiten Bereich aufweist, und der Kühlmittelkreislauf weist ein Stellorgan auf, mit dem der Eintritt von Kühlmittel in wenigstens eine der beiden Leitungen steuerbar oder regelbar ist.
Das Arbeitsmedium besitzt dabei 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 treibt dann die Expansionseinrichtung an und verrichtet damit mechanische Arbeit. 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 zweiten Bereich 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.
Zur Führung des Kühlmittels im Kreislauf ist zumindest eine Hauptpumpe vorgesehen. Diese saugt Kühlmittel an und pumpt es in die stromabwärts weisende Leitung. Diese verzweigt sich in die erste Leitung, die den ersten Bereich zur Kühlung der Brennkraftmaschine aufweist, und in die zweite Leitung, die den zweiten Bereich zur Kühlung des Arbeitsmediums aufweist.
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 während eines Umlaufs nicht seriell, das heißt also der Reihe nach, durchlaufen, da der erste und der zweite Bereich in unterschiedlichen Leitungen des Kühlmittelkreislaufs liegen, sondern ein Teil des Kühlmittels fließt durch die erste und ein Teil durch die zweite Leitung. Je nach Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist es auch möglich, dass zeitweise das gesamte Kühlmittel nur durch die erste oder nur durch die zweite Leitung strömt. Hierfür verzweigt sich der Kühlmittelkreislauf stromabwärts der Hauptpumpe des Kühlmittelkreislaufs. Daher muss nicht das gesamte Kühlmittel sowohl den ersten Bereich, d. h. die Brennkraftmaschine, als auch den zweiten Bereich, in welchem es das Arbeitsmedium kühlt, durchlaufen. Somit kann die Kühlmittelleitung in dem zweiten Bereich auf einen geringeren Massenstrom hin 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 leichter ausgelegt werden, und sie beanspruchen wenig Bauraum. Zudem erlaubt das Kühlsystem größere Freiheiten hinsichtlich des geometrischen Aufbaus.
Mit dem Stellorgan ist der Durchsatz an Kühlmittel durch die erste und/oder die zweite Leitung steuerbar oder regelbar. Das Stellorgan kann dabei eine Einrichtung sein, mit dem das Verhältnis der Teilmassenströme durch die erste und die zweite Leitung in Stufen oder stufenlos, d. h. kontinuierlich veränderbar ist. Die Erfindung sieht außerdem Ausführungsformen des Stellorgans vor, bei denen das Verhältnis zwischen den Teilmassenströmen mit kontinuierlicher Verstellgeschwindigkeit oder in Stufen verstellt werden kann. Als Stellorgan kann beispielsweise ein Ventil wie etwa ein Schaltventil eingesetzt werden.
Das Stellorgan ist beispielsweise in einem Bereich der ersten oder zweiten Leitung angeordnet, der der Verzweigung des Kühlmittelkreislaufs nachgeschaltet ist. Es lässt sich somit, beispielsweise in Abhängigkeit davon, wie viel Kühlmittel zur Kühlung der Brennkraftmaschine benötigt wird, einstellen, wie viel Kühlmittel die erste oder die zweite Leitung und somit den ersten oder den zweiten Bereich durchfließen soll und damit zur Kühlung des Arbeitsmediums verwendet wird. Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, bei denen sowohl in der ersten als auch in der zweiten Leitung ein Stellorgan vorgesehen ist.
Dadurch kann dem Kühlleistungsbedarf der Brennkraftmaschine entsprechend eingestellt werden, wie viel Kühlmittel durch die erste Leitung fließt und damit zur Kühlung der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Somit lässt sich einerseits, wenn eine vermehrte Kühlung der Brennkraftmaschine erforderlich ist, diesem Vorgang den Vorrang gegenüber der Nutzung von Abwärme geben und damit die Betriebssicherheit des Antriebssystems erhöhen. Andererseits lässt sich die Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine über einen erweiterten Kennfeldbereich optimal einsetzen, da die Temperatur in dem zweiten Bereich, wo das Arbeitsmedium vom Kühlmittel gekühlt wird, beeinflusst werden kann, indem die Kühlmittelmenge, die die zweite Leitung und damit den zweiten Bereich durchfließt, einstellbar ist.
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 gepumpt werden. Es lässt sich also beispielsweise auch dann, wenn nur sehr wenig Kühlmittel zur Kühlung des Motors benötigt wird, und die Hauptpumpe wenig Kühlmittelmassenstrom fördert 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.
Die Zusatzpumpe kann kleiner als die Hauptpumpe ausgelegt werden. Da das Kühlmittel in den Bereichen des Kühlmittelkreislaufs, die dem ersten Bereich zur Kühlung der Brennkraftmaschine und dem zweiten Bereich zur Kühlung des Arbeitsmediums, in Strömungsrichtung des Kühlmittels nachgeschaltet sind, wärmer ist als in den stromaufwärts liegenden Bereichen, muss die Zusatzpumpe nur geringe Druckunterschiede überwinden, um Kühlmittel durch die zweite Leitung zu pumpen. 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.
Der zweite Bereich des Kühlmittelkreislaufs wird vorzugsweise von einer in einer Kondensationseinrichtung angeordneten Leitungsanordnung gebildet und ist zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Arbeitsmedium vorgesehen. 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 und kann einen neuen Arbeitskreislauf beginnen.
Die Kondensationseinrichtung ist stromabwärts 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 stromaufwärts der Expansionseinrichtung angeordnet und verrichtet an dieser mechanische Arbeit, die dazu genutzt wird, um elektrische Energie zu erzeugen, und strömt anschließend zum Kondensator, wo es abgekühlt wird und folglich kondensiert. Anschließend wird es wiederum dem Verdampfer zugeführt. Hierzu kann in dem Kreislauf des Arbeitsmediums eine dem Verdampfer vorgeschaltete Speisepumpe vorgesehen sein.
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 gasförmig oder teilweise verflüssigt zum Kondensator weiter.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Leitung im Kühlmittelkreislauf auch zur Kühlung des Generators und einer Leistungselektronik ausgebildet. Dabei ist der Bereich, der zur Kühlung des Generators vorgesehen ist, gegenüber dem Bereich, der zur Kühlung des Kondensators vorgesehen ist – je nach Ausführungsform – entweder vor- oder nachgeschaltet. Die zusätzlichen Bereiche in der zweiten Leitung ermöglichen somit auch die Kühlung des Generators bzw. der Generatoren und/oder der Leistungselektronik, mittels ein- und derselben zweiten Leitung desselben Kühlmittelkreislaufs. Ein weiterer Kühlmittelkreislauf oder eine zusätzliche Kühlmittelleitung ist daher nicht notwendig.
Auf diese Weise ist eine weitere Ersparnis an Kühlmittelleitungen und somit auch an Gewicht und an Bauraum am Kühlmittelsystem ermöglicht.
Die Erfindung sieht weiterhin die Möglichkeit vor, dass die zweite Leitung einen Teilzweig als Bypassleitung aufweist, durch welchen ein Kühlmittelmassenstrom fließen kann, der nicht am Generator vorbeigeführt wird. Zusätzlich lässt sich auch ein Stellorgan vorsehen, mit welchem das Verhältnis zwischen dem den Generator kühlenden Kühlmittelmassenstrom und dem die Bypassleitung durchströmenden Massenstrom steuern oder regeln lässt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlmittelkreislauf einen mittels Umgebungsluft kühlbaren Wärmetauscher auf. Somit kann einerseits von der Brennkraftmaschine direkt an das Kühlmittel abgegebene Wärme, und auch überschüssige Wärme des Arbeitsmediums, welche nicht zur Energierückgewinnung genutzt werden konnte, vom Arbeitsmedium zunächst an das Kühlmittel abgegeben werden und vom Kühlmittel schließlich an die Umgebungsluft abgegeben werden. Das Kühlmittel wird somit ebenfalls gekühlt und ist wiederum bereitgestellt, um Wärme der Brennkraftmaschine und/oder dem Arbeitsmediums aufnehmen zu können.
Der Wärmetauscher ist vorzugsweise in einem Bereich des Kühlmittelkreislaufs angeordnet, der stromabwärts von der Stelle liegt, an dem die erste und die zweite Leitung wieder zusammengeführt werden, so dass sowohl Kühlmittel, welches Wärme von der Brennkraftmaschine aufgenommen hat, als auch solches, welches vom Arbeitsmedium Wärme aufgenommen hat, zum Wärmetauscher geführt werden kann und dort eine Kühlung erfährt.
Der Kühlmittelkreislauf weist zudem bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Bypassleitung auf, die einen in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher liegenden Abschnitt und einen in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher liegenden Abschnitt miteinander fluidisch verbindet. Dadurch wird der Wärmetauscher umgangen. Damit ist es während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, möglich, für eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels zu sorgen, weil dieses in der zweiten Leitung Wärmeenergie vom Arbeitsmedium aufnimmt und so schnell erwärmt wieder der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann. Es kommt damit zu weniger für die Warmlaufphase typischem Verschleiß der Brennkraftmaschine infolge von Reibung und einer Verringerung des Verbrauchs während der Warmlaufphase.
Schließlich ist im Kühlmittelkreislauf vorzugsweise auch ein Temperaturregler angeordnet, 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 eine größere Menge an Kühlmittel durch die Kühleinrichtung fließt. Als Temperaturregler lässt sich beispielsweise ein Thermostat einsetzen.
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 gehörigen 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 kann bei der dargestellten Ausführungsform den Fluidkreislauf 1 in flüssigem und/oder teilweise gasförmigem Aggregatszustand durchlaufen. Im Bereich der Pumpe 2 weist das Arbeitsmedium den flüssigen Aggregatszustand auf, im Bereich der Turbine liegt das Arbeitsmedium im überhitzten gasförmigen Zustand vor.
Das von der Pumpe 2 geförderte Arbeitsmedium wird zunächst einem Verdampfer 3 zugeführt, in welchem es mit von dem Verbrennungsmotor 13 abgegebenem 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 im 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 und/oder eine Leistungselektronik auf. Das gasförmige Arbeitsmedium treibt die Expansionseinrichtung 4 an, die den elektrischen Generator 6 antreibt. Der elektrische Generator 6 stellt elektrische Energie bereit, die beispielsweise in einer nicht näher dargestellten Batterie gespeichert und/oder in einem ebenfalls nicht näher dargestellten Elektromotor zu mechanischer Antriebsleistung zum direkten Antrieb des Fahrzeugs gewandelt werden kann. Ein Teil der von dem Verbrennungsmotor 13 abgegebenen thermischen Energie wird auf diese Weise zurückgewonnen.
Das Arbeitsmedium verlässt die Expansionseinrichtung 4 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 vorgeschalteten Abschnitt des Kühlmittelkreislaufs von einer Zusatzpumpe 9 angetrieben. Im Kondensator 7 kommt es dann zu einer thermischen Wärmeübertragung vom Arbeitsmedium auf das Kühlmittel, so dass das Arbeitsmedium infolge der Kühlung mindestens vollständig kondensiert und anschließend vorzugsweise unterkühlt wird. 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 verzweigt sich der Kühlmittelkreislauf in eine erste 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 Regelventil 17 auf, mit dem der Eintritt von Kühlmittel in die zweite Leitung 14 steuerbar ist. Mit dem Regelventil 17 lässt sich also einstellen, wie viel Kühlmittel in die zweite Leitung 14 fließen soll. Dieser Anteil wird beispielsweise in einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 13 hoch gehalten, so dass eine möglichst effiziente Übertragung von Wärmeenergie vom Arbeitsmedium auf das Kühlmittel im Kondensator 7 und damit eine rasche Erwärmung des Verbrennungsmotors 7 stattfindet. Sobald der Verbrennungsmotor 13 eine stärkere Kühlung benötigt, kann der in die zweite Leitung 14 fließende Anteil an Kühlmittel entsprechend reduziert werden, um eine möglichst effektive Motorkühlung zu gewährleisten, die gegenüber der Energierückgewinnung vorrangig ist.
Stromabwärts vom Regelventil 17 weist die zweite Leitung 14 außerdem die bereits in 1 gezeigte Zusatzpumpe 9 auf. Mit dieser lässt sich das Kühlmittel nochmals antreiben, bevor es mit dem Arbeitsmedium in thermische Wechselwirkung gebracht wird. Das Kühlmittel erreicht bei der dargestellten Ausführungsform 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 Batterie zugeführt wird. Somit wird mit dem Kühlmittel zunächst der elektrische Generator 18 und/oder die 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 möglicher Installationsort 19 eines elektrischen Generators 18 vorgesehen, an dem Abwärme des Generators 18 in das aus dem Kondensator 7 austretende Kühlmittel 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 einem Wärmetauscher oder Kühler 22, an welchem 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 angeordnet. Zum andern führt eine Bypassleitung von der Verzweigungsstelle zu einem Bereich, der dem Kühler 22 nachgeschaltet ist. Durch die Bypassleitung kann somit, wenn kein oder wenig Bedarf zur Kühlung des Kühlmittels selbst besteht, Kühlmittel wieder direkt in den Ansaugbereich der Pumpe 11 geführt werden.
Zum Einstellen der Verhältnisses des der Leitung 21 und dem Kühler 22 zugeführten Kühlmittels und dem durch die Bypassleitung 23 geleiteten Kühlmittel ist ein Thermostat 24 vorgesehen, der in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur des Kühlmittels regelt, wie viel Kühlmittel aus der Leitung 21 und der 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 am ersten Installationsort oder dem zweiten Installationsort 19 sowie im Kondensator 7 vom Arbeitsmittel 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 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 Kühlmittelleitungen 12, 14 vorgesehen, wobei der Anteil an Kühlmittel, der die zweite Leitung 14 durchströmt, mittels des Regelventils 17 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
14: zweite Leitung
15: Bereich zur Kühlung des Verbrennungsmotors
16: Bereich zur Kühlung von Arbeitsmedium
17: Regelventil
18: elektrischer Generator
19: Installationsort
20: Mischstelle
21: Kühlmittelleitung
22: Kühler
23: Bypassleitung
24: Thermostat
25: Vorrichtung zur Wandlung von Energie
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 sich stromabwärts der Hauptpumpe (11) in eine erste (12) und eine zweite Leitung (14) verzweigt, wobei die erste Leitung (12) einen von Kühlmittel durchströmbaren ersten Bereich (15) zur Kühlung der Brennkraftmaschine (13) und die zweite Leitung (14) einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Bereich (16) zur Kühlung des Arbeitsmediums aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (10) ein Stellorgan (17) aufweist, mit dem der Eintritt von Kühlmittel in wenigstens eine der beiden Leitungen (12, 14) steuerbar oder regelbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (14) des Kühlmittelkreislaufs (10) eine Zusatzpumpe (9) aufweist, mit der der Eintritt von Kühlmittel in die zweite Leitung (14) steuerbar oder regelbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (16) des Kühlmittelkreislaufs (10) von einem in einer Kondensationseinrichtung (7) angeordneten Leitungsanordnung gebildet ist und 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 vorzugsweise 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 mittels Umgebungsluft kühlbare Kühleinrichtung (22) aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (10) eine Bypassleitung (23) aufweist, die einen in Strömungsrichtung vor der Kühleinrichtung (22) liegenden Abschnitt und einen in Strömungsrichtung nach der Kühleinrichtung (22) liegenden Abschnitt des Kühlmittelkreislaufs (10) miteinander fluidisch verbindet.
Antriebssystem nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen im Kühlmittelkreislauf (10) angeordneten Temperaturregler (24), mit dem ein durch die Kühleinrichtung (22) strömender Kühlmittelmassenstrom regelbar ist.