-
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungseinheit für einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Bei einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs kann die Abwärme bzw. Verlustwärme von wärmeerzeugenden Aggregaten, wie beispielsweise eines Verbrennungsmotors, als eine zusätzliche Leistungsquelle für den Antrieb genutzt werden. Eine diesem Zweck dienende Abwärmenutzungseinheit oder Waste-Heat-Recovery-System kann nach dem physikalischen Prinzip des Clausius-Rankine-Prozesses bzw. des Organic-Rankine-Prozesses betrieben werden. Diese Prozesse beschreiben jeweils einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf, bei dem entweder Wasser oder ein Arbeitsmedium mit einer von der Verdampfungswärme von Wasser abweichenden Verdampfungswärme zyklisch verdampft und kondensiert wird.
-
In einen solchem Dampfkreislauf mit einer Expansionsmaschine wird mittels einer Speisepumpe eine Druckerhöhung des noch flüssigen Arbeitsmediums erzeugt und das unter Druck stehende Arbeitsmedium anschließend in einen Verdampfer gefördert, wo es mittels eines Wärmetauschers, der mit einer Wärmequelle in Verbindung steht, durch Wärmezufuhr verdampft wird. Dabei wird das Arbeitsmedium zunächst erhitzt, bis dessen Verdampfungstemperatur erreicht ist. Anschließend verdampft das Arbeitsmedium bei stetig steigendem Dampfanteil. Um einen möglichst trockenen Dampf für die nachfolgende Expansion in einer Expansionsmaschine, beispielsweise einer Turbine, einer Rotationskolbenmaschine oder einer Kolbenmaschine, die einen Kolbenhub in eine Rotationsbewegung umsetzt, zu erhalten, erfolgt durch weitere Wärmezufuhr eine Überhitzung des Dampfes. Der überhitzte Dampf wird danach in der Expansionsmaschine entspannt, wobei mechanische Arbeit verrichtet wird, die zum Antrieb einer Welle genutzt werden kann. Das expandierte Arbeitsmedium wird nachfolgend in einem Kondensator isobar verflüssigt, bevor es über einen Sammelbehälter erneut der Speisepumpe zugeführt wird. Üblicherweise ist der Kondensator mit einem im Fahrzeug vorhandenen Motorkühlsystem thermisch verbunden oder Bestandteil eines solchen Fahrzeugkühlsystems.
-
Für den Wirkungsgrad des Kreisprozesses und damit den Abwärmenutzungsgrad maßgebend sind die Temperaturen des Dampfes und des Kondensats sowie die Drücke in den einzelnen Prozessphasen. Allerdings befindet sich das Kühlwasser des Motorkühlers im Fahrbetrieb die meiste Zeit auf einem relativ hohen Temperaturniveau. Daher ist der Kondensationsprozess des Arbeitsmediums häufig wenig effizient. Zudem kann, da das Arbeitsmedium der Abwärmenutzungseinheit das Motorkühlsystem zusätzlich thermisch belastet, für die Kühlung des Motorkühlsystems ein verstärkter Lüfterbetrieb erforderlich sein, wodurch sich letztlich der Kraftstoffverbrauch erhöht.
-
Aus der
DE 100 54 022 A1 ist ein Verfahren zum Umwandeln von Abwärme eines Verbrennungsmotors in kinetische Energie bekannt, bei dem ein Arbeitsmedium zunächst in einem Siedebehälter bei einem niedrigen Druck auf eine Siedetemperatur erwärmt, anschließend Dampf aus dem Siedebehälter einem Druckkessel zugeführt und in diesem auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt wird. Weiterhin wird flüssiges Arbeitsmedium aus dem Siedebehälter in den Druckkessel eingespritzt, wo es schlagartig verdampft, so dass der Druck im Druckkessel stark ansteigt. Der unter hohem Druck stehende heiße Dampf wird einer Expansionsmaschine zugeführt und in dieser in mechanische Energie umgewandelt. Anschließend wird der entspannte Dampf einem Kondensator zugeführt und darin wieder verflüssigt. Der Siedebehälter wird mit dem Kühlwasser eines Kühlsystems des Verbrennungsmotors und der Druckkessel mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors geheizt. Dadurch können sowohl das Kühlwasser als auch der Abgasstrom als Energielieferanten für die Energieumwandlung genutzt werden.
-
Die
DE 10 2006 036 122 A1 zeigt eine Abwärmenutzungseinheit, bei der ein Verbrennungsmotor von einem ersten herkömmlichen Kühlkreislauf gekühlt ist und zudem ein zweiter Kühlkreislauf vorgesehen ist, der mit dem ersten Kühlkreislauf zusammenwirkt. In dem zweiten Kreislauf wird ein Arbeitsmedium, das aus einer wässrigen Ammoniaklösung besteht, durch eine Pumpe unter Druck gesetzt und nimmt Wärme aus dem ersten Kreislauf auf, wodurch dieser gekühlt wird und in dem zweiten Kreislauf gasförmiges Ammoniak entsteht. Bei der Verdampfung des Ammoniaks wird zusätzlich dessen Verdampfungsenthalpie verbraucht, was die Wärmeaufnahme aus dem ersten Kreislauf noch erhöht. Weiterhin wird dem Arbeitsmedium über eine Abgasrückführungsvorrichtung des Verbrennungsmotors Wärme zugeführt, wodurch weiteres Ammoniak ausdampft. Das flüssige Wasser wird in einem Phasentrenner abgetrennt und einem Kühler zugeführt. Das Ammoniakgas wird in einer Expansionsmaschine entspannt, wobei es mechanische Arbeit verrichtet und anschließend ebenfalls dem Kühler zugeführt, wo es sich in dem zuvor abgeschiedenen Wasser erneut löst. Im Ergebnis wird durch die Mehrkomponentenlösung des Arbeitsmediums sowie durch den zweiten Kühlkreislauf die Kühlleistung des ersten Kühlkreislaufs bei gleichem Massenstrom verbessert.
-
Aus der
DE 10 2009 028 153 A1 ist eine Abwärmenutzungseinheit mit einem Verdampfer und einer Expansionsmaschine bekannt, bei der ein Verbrennungsmotor einen Wasserkühler aufweist, der über eine Verbindungsleitung mit der Abwärmenutzungseinheit zusammenwirkt. In dem Verdampfer wird ein flüssiges Arbeitsmedium zum Betreiben der Expansionsmaschine verdampft, wobei sowohl dem Abgas des Verbrennungsmotors als auch dem Kühlwasser des Fahrzeugkühlers Wärme entzogen und dem Verdampfer zugeführt wird.
-
Die
EP 2 177 742 A1 beschreibt einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrgetriebe sowie einer Abwärmenutzungseinheit mit einem Verdampfer und einer Expansionsmaschine. Die Expansionsmaschine ist getriebeausgangsseitig in das Fahrgetriebe integriert. Das Fahrgetriebe weist einen Ölkühler auf, durch den ein Arbeitsmedium der Expansionsmaschine derart hindurch geleitet wird, dass es Wärme an den Getriebeölkühler abgibt, um nach seiner Entspannung in der Expansionsmaschine aus dem gasförmigen Zustand zu verflüssigen oder umgekehrt als Kondensat Wärme für eine nachfolgende Verdampfung im Verdampfer aufnimmt.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abwärmenutzungseinheit für einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor zu schaffen, deren Effizienz im Vergleich zu bekannten Abwärmenutzungseinheiten verbessert ist.
-
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
-
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich bei einem Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer Abwärmenutzungseinheit eine zusätzliche thermische Belastung des Motorkühlwassers und/oder des Getriebeöls durch die notwendige Kühlung des Arbeitsmediums im thermodynamischen Kreislauf mit einem eigenen Kühlkreislauf der Abwärmenutzungseinheit vermeiden lässt. Dazu können Komponenten am Fahrzeug benutzt werden, die thermisch weniger belastet sind und die geeignet sind, das Arbeitsmittel ausreichend abzukühlen. Dieser Kühlkreislauf kann nicht nur genutzt werden, um dem Arbeitsmedium Wärme zu entziehen und dabei eine möglichst niedrige Temperatur des Kondensats für einen hohen Wirkungsgrad des Kreisprozesses zu erreichen. Ein solcher Kühlkreislauf erlaubt es auch, mit der bei der Kondensation des Arbeitsmediums anfallenden Restwärme solche Komponenten des Fahrzeugs zu erwärmen, bei denen eine zügige und fortlaufende Wärmezufuhr zu einer schnell erreichbaren und dauerhaft anhaltenden Betriebstemperatur führt, die deren Wirkungsgrad und/oder Langlebigkeit verbessert.
-
Demnach geht die Erfindung aus von einer Abwärmenutzungseinheit für einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor, in der in einem thermodynamischen Kreislauf ein flüssiges Arbeitsmedium in einem Verdampfer durch im Betrieb des Verbrennungsmotors anfallende Abwärme verdampft wird, in einer Expansionsmaschine mechanische Arbeit verrichtet und entspannt wird, und in einem Kondensator wieder verflüssigt wird. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass zur Kondensation oder zur Unterstützung der Kondensation des Arbeitsmediums mindestens ein motorabtriebseitiger und fahrgetriebeabtriebseitiger Kühlkreislauf ausgebildet sowie an den thermodynamischen Kreislauf angeschlossen ist.
-
Die Bezeichnung Kühlkreislauf bezieht sich auf die Abkühlung eines Arbeitsmediums oder Kühlmittels mit Hilfe eines oder mehrerer Wärmetauscher. Der Wärmetauscher kann die aus dem Arbeitsmedium bzw. Kühlmittel aufgenommene Wärme an Komponenten abführen, die dadurch erwärmt werden, so dass der Kühlkreislauf auch als Heizkreislauf wirksam sein kann.
-
Durch diese Anordnung wird erreicht, dass das Arbeitsmedium in einem thermodynamischen Kreislauf einer Abwärmenutzungseinheit effektiv gekühlt und verflüssigt werden kann, ohne ein im Fahrzeug vorhandenes Motorkühlsystem oder ein Fahrgetriebekühlsystem thermisch zu belasten und/oder einen Energie verbrauchenden Lüfter- bzw. Kühlbetrieb zu verursachen. Die Temperatur sowie der Druck im Kondensator kann im Vergleich zur relativ hohen Kühlertemperatur einer Motorkühlung oder einer Fahrgetriebekühlung sogar verringert werden, wodurch sich die resultierende mechanische Leistung der Expansionsmaschine erhöhen und besser stabilisieren lässt.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf als ein Achsgetriebekühlkreislauf ausgebildet ist, der einen Wärmetauscher aufweist, mittels welchem dem entspannten Arbeitsmedium Wärme entziehbar und von einem Achsgetriebe aufnehmbar ist.
-
Achsgetriebe, beispielsweise Hinterachsgetriebe von Nutzfahrzeugen, haben in der Regel keine Vorrichtung zur Betriebstemperaturkontrolle und sind nicht aktiv beheizbar. Ein Betrieb des Achsgetriebes mit einer definierten Temperatur ist daher nicht möglich. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen und geringen Lasten kann die Erwärmung eines Hinterachsgetriebes eines Nutzfahrzeugs durch den laufenden Fahrbetrieb jedoch einen relativ langen Zeitraum in Anspruch nehmen. Möglicherweise kann eine optimale Betriebstemperatur des Achsgetriebes durch die permanente Fahrtwindanströmung gar nicht erreicht werden. Der Wirkungsrad des Achsgetriebes kann so aufgrund hoher Schleppmomente bei niedrigen Temperaturen der Getriebeteile und des dort vorhandenen Schmiermittels über einen großen Zeitanteil im Betrieb oder sogar dauerhaft herabgesetzt und der Verschleiß erhöht sein.
-
Durch eine Kopplung der Systeme Achsgetriebe und Abwärmenutzungseinheit des Fahrzeugs mittels eines Kühlkreislaufs kann das Achsgetriebe gezielt erwärmt und das Arbeitsmedium effizient gekühlt bzw. kondensiert werden. Der Kühlkreislauf der Abwärmenutzungseinheit wirkt demnach als ein Heizkreislauf für das Achsgetriebe. Das Achsgetriebe erreicht dadurch schnell und zuverlässig eine optimale Betriebstemperatur, wodurch sich dessen Wirkungsgrad verbessert. Damit wird die nicht mehr umwandelbare Restwärme im Kondensator genutzt, um die Effizienz des Antriebsstrangs zu erhöhen, indem das Achsgetriebe diese Wärme aufnimmt und sich dadurch dessen Wirkungsgrad im Betrieb durch geringere schmiermittelbedingte Schleppmomente erhöht. Gleichzeitig lässt sich eine vergleichsweise niedrige Temperatur des Kondensats bei einem relativ geringen Druck im Kondensator erreichen, welches den Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreislaufs der Abwärmenutzungseinheit erhöht.
-
Der Kühlkreislauf kann als ein separater Kreislauf ausgebildet sein, wobei der Wärmetauscher des Kühlkreislaufs Wärme aus dem Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs der Abwärmenutzungseinheit aufnimmt und an das Achsgetriebe abgibt. In dem separaten Kühlkreislauf kann ein Kühlmittel mit einer geeigneten Wärmekapazität zur Wärmeübertragung eingesetzt werden, das mittels einer Umwälzpumpe in dem Kreislauf umfließt. Mittels einer Steuerung des Volumenstromes des Kühlmittels kann somit die Kondensatortemperatur reguliert werden.
-
Alternativ dazu kann jedoch vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf in den thermodynamischen Kreislauf der Abwärmenutzungseinheit integriert ist und der Wärmetauscher selbst als Kondensator wirksam ist, wobei mittels des Wärmetauschers dem Arbeitsmedium Wärme entzogen und an das Achsgetriebe abgeführt wird. Dadurch ist ein vereinfachter ungeregelter Kühlkreislauf realisiert.
-
Der Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs der Abwärmenutzungseinheit kann demnach durch den Wärmetauscher des Kühlkreislaufs ersetzt werden. Das Arbeitsmedium wird direkt zum Wärmetauscher transportiert, der die Kondensatorfunktion erfüllt. Dadurch kann der Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs entfallen, also ein Wärmetauscher eingespart werden, wodurch die notwenigen Herstellkosten und der notwendige Bauraum reduziert werden. Zudem können eine Umwälzpumpe und deren Antrieb im Kühlkreislauf entfallen, wodurch weitere Kosten- und Bauraumvorteile entstehen.
-
Zum Erwärmen des Achsgetriebes kann der Wärmetauscher des Kühlkreislaufs die von ihm aufgenommene Wärme an das Öl des Achsgetriebes abgeben. Über die Erwärmung des Achsgetriebeöls wird eine gleichmäßige Erwärmung der mit dem Öl in Kontakt stehenden Getriebeteile erreicht.
-
Es ist auch möglich, dass der Wärmetauscher des Kühlkreislaufs als ein Formteil ausgebildet ist, welches das Achsgetriebe und die betreffende Fahrzeugachse zumindest teilweise umschließt sowie einen Hohlraum bildet, durch den ein Kühlmittel oder das Arbeitsmedium durchleitbar ist. Vorzugsweise ist dieser Hohlraum zwischen der Innenseite des Formteils und der Außenfläche des Achsgetriebes und der betreffende Fahrzeugachse ausgebildet.
-
Ein solches Formteil kann als Option relativ einfach an ein bestehendes Achsgehäuse angepasst und montiert werden. Der derart integrierte Wärmetauscher kann zusätzlich an seiner Oberfläche mit Kühlrippen oder dergleichen versehen sein, um Wärme effektiver an die Umgebung abführen zu können. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, um die Erwärmung des Achsgetriebes zu begrenzen, sofern in einer vorgesehenen Haupteinsatzregion des Fahrzeugs überwiegend hohe Umgebungstemperaturen herrschen.
-
Es ist außerdem möglich, einen geeigneten Hohlraum direkt in einem Achsgehäuse auszubilden, so dass das Achsgetriebegehäuse und der Wärmetauscher ein einziges Bauteil bilden. Dadurch kann das Achsgetriebegehäuse im Falle des integrierten thermodynamischen Kreislaufs beim Durchfließen des Arbeitsmediums als Kondensator wirken.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf des Achsgetriebes zu einem vorhandenen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors parallel geschaltet ist, so dass wahlweise der Verbrennungsmotorkühlkreislauf oder der Achsgetriebekühlkreislauf zur Aufnahme von Wärme aus dem Arbeitsmedium schaltbar bzw. nutzbar ist.
-
Demnach kann bedarfsweise eine thermische Verbindung zwischen der Abwärmenutzungseinheit und einem Kühlsystem des Verbrennungsmotors hergestellt werden, um den Achsgetriebekühlkreislauf bzw. Achsgetriebeheizkreislauf zu entlasten. Dies kann sinnvoll sein, wenn die Wärmeaufnahmekapazität des Achsgetriebes ausgeschöpft und/oder die Wärmeabgabe an die Umgebung unzureichend ist, oder wenn die Achsgetriebeerwärmung begrenzt werden soll, oder wenn die Temperatur im Verbrennungsmotorkühlkreislauf gezielt erhöht werden soll.
-
Es kann auch ein so genannter Außenkonturbauteil-Kühlkreislauf ausgebildet sein, bei dem ein nicht zum Antriebsstrang gehörendes Bauteil des Fahrzeugs, wie ein Luftleitblech oder ein Unterfahrschutz, als ein Kondensator wirksam ist, mittels welchem dem Arbeitsmedium unmittelbar oder mittelbar durch ein Kühlmittel Wärme entziehbar ist.
-
Demnach kann die Funktion der Wärmeabgabe des Arbeitsmediums auch in ein Außenkonturbauteil des Fahrzeugs integriert sein. Nutzfahrzeuge besitzen häufig an einem Führerhaus oder am Unterboden Luftleitbleche oder Unterfahrschutzbleche, die bei der Fahrt vom Fahrtwind überströmt werden und sich daher als zusätzlicher Kondensator eignen, der die Wärme aus dem Kühlmittel bzw. Arbeitsmedium aufnimmt und an die Umgebung abgibt.
-
Die genannten Außenkonturbauteile können das Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreislaufs mittels entsprechend angeordnete Leitungen bzw. Kanäle direkt oder indirekt über ein Kühlmittel im Kühlkreislauf herunter kühlen. Hoch angebrachte Luftleitbleche können erhebliche Wärmemengen in für Passanten sicherer Höhe abführen. Zudem ist es möglich, solche Bleche als Sammelbehälter auszubilden, um einen Teil des flüssigen Arbeitsmediums zwischenzuspeichern und bis nahe an die Umgebungstemperatur abzukühlen. Insbesondere kann ein als Sammelbehälter ausgebildeter Unterfahrschutz ein erhebliches Flüssigkeitsvolumen bei einer niedrigen Temperatur des Kondensats speichern. Ein separater Sammelbehälter des thermodynamischen Kreislaufs kann dadurch Kosten und Bauraum einsparend entfallen. Die Kondensatorfunktion der Außenkonturbauteile bzw. Sammelbehälter kann gemäß einer Ausbildung eines Außenkonturkühlkreislaufs vor oder nach dem Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs wirksam sein.
-
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann ein Einspritzkühlkreislauf ausgebildet sein, bei dem in dem thermodynamischen Kreislauf zwischen einer Ausgangsseite einer Speisepumpe und einer Ausgangsseite der Expansionsmaschine eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, an deren expansionsmaschinenseitigen Ende eine Einspritzdüse angeordnet ist, mittels der flüssiges und unter Druck stehendes Arbeitsmedium in dampfförmiges, entspanntes Arbeitsmedium einspritzbar sowie dem Kondensator zuführbar ist, um die Kühlleistung bedarfsweise zu erhöhen.
-
Diese Sprüheinspritzkondensation kann insbesondere bei einem temporär hohen Leistungsanfall der Abwärmenutzungseinheit zum Einsatz kommen, um den Kondensator thermisch zu entlasten. Dazu kann flüssiges Arbeitsmedium nach der Druckerhöhung durch die Speisepumpe über ein ansteuerbares Ventil abgezweigt und dem Kondensator zugeführt werden. Dies kann bedarfsweise impulsweise oder kontinuierlich über einen wählbaren Zeitraum erfolgen. Das abgezweigte Arbeitsmedium wird durch eine Einspritzdüse strömungstechnisch hinter der Expansionsmaschine dem Niederdruckdampf beigemischt. Bei dem Einspritzvorgang expandiert das Fluid und kühlt dabei ab. Dadurch wird ein Druckabfall am Ausgang der Expansionsmaschine erzeugt, der den Wirkungsgrad der Expansionsmaschine erhöht und die nachfolgende Kondensation des verbliebenen Dampfes im Kondensator erleichtert. Der Kondensator kann gegebenenfalls kleiner dimensioniert sein, wodurch zusätzlich Kosten und Bauraum eingespart werden können.
-
Außerdem kann vorgesehen sein, dass in dem Kühlkreislauf ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ist, der einen Radiator und einen Lüfter aufweist. Ein solcher Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher kann durch eine Luftanströmung mittels des Lüfters zusätzlich Wärme an die Umgebung abgeben. Dies kann beispielsweise bei hohen Umgebungstemperaturen oder in einem Arbeitsbetrieb einer Landmaschine bei niedrigen Geschwindigkeiten sinnvoll sein, wenn die Wärmeaufnahme durch Achsgetriebe, Motorkühlsystem, Luftleitbleche oder Unterfahrschutz zur Kondensation des Arbeitsmediums unzureichend ist. Die Radiator-Lüfter-Kombination kann in eine Zuflussleitung zum Achsgetriebewärmetauscher eingebaut sein. Durch eine Steuerung des Betriebs des Lüfters ist eine Regelung der Achsgetriebetemperatur möglich. Der Einbau einer solchen Radiator-Lüfter-Kombination in eine Rückflussleitung hinter dem Achsgetriebewärmetauscher kann sinnvoll sein, um die Temperatur im Kondensator weiter zu senken. Die Radiator-Lüfter-Kombination kann sowohl in einem separaten Kühlkreislauf als auch in einem in den thermodynamischen Kreislauf integrierten Kühlkreislauf angeordnet sein.
-
Schließlich kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Zuführleitungen zur Zufuhr von Arbeitsmedium oder Kühlmittel zum Wärmetauscher thermisch isoliert sind.
-
Grundsätzlich können die Leitungen des Kühlkreislaufs, wenn dies die baulichen Gegebenheiten erlauben, unisoliert verbaut sein. Dadurch geben die betreffenden Leitungen zusätzlich Wärme an die Umgebung ab, wodurch die Temperatur im Kondensator des thermodynamischen Kreislaufs weiter abgesenkt werden kann, um den Wirkungsgrad der Abwärmenutzungseinheit noch weiter zu erhöhen. Möglich ist auch die Anordnung zusätzlicher Kühlrippen an den Leitungen für das Arbeitsmedium, eine gezielte Anströmung über Luftleitbleche oder eine Montage an einem solchen Einbauort, welcher direkt dem Fahrtwind ausgesetzt ist. Die Anordnung von Kühlrippen erscheint vor allem an derjenigen Leitung vorteilhaft, in der das Arbeitsmedium vom Achsgetriebe bzw. vom achsgetriebeseitigen Wärmetauscher zum Kondensator geleitet wird. Durch diese Maßnahmen ist eine weitere Verbesserung der Wärmeabgabe erreichbar.
-
Umgekehrt kann es jedoch auch sinnvoll sein, die Zuführleitungen zur Zufuhr von Arbeitsmittel oder Kühlmittel zum Wärmetauscher thermisch zu isolieren, um möglichst viel Wärme an eine Komponente, beispielsweise an das Achsgetriebe, zu übertragen, um diese schnell nach der Inbetriebnahme auf eine optimale Betriebstemperatur zu bringen.
-
Der beschriebene Achsgetriebekühlkreislauf bzw. Achsgetriebeheizkreislauf kann die Kondensatorfunktion für sich alleine erfüllen und gleichzeitig die Restwärme im Kondensator sinnvoll nutzen. Grundsätzlich kann auch der genannte Außenkonturbauteil-Kreislauf die Kondensatorfunktion für sich alleine erfüllen, wobei die Wärme dann möglichst effektiv an die Umgebung abgegeben wird. Die weiteren Ausführungsformen können als Ergänzungen dazu für bestimmte Fahrzeugeinsatzzwecke und/oder Betriebszustände angesehen werden. Selbstverständlich sind auch sinnvolle Kombinationen der einzelnen Ausführungsformen möglich.
-
Die Erfindung betrifft auch einen Kraftfahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor, in dem eine wie beschrieben ausgebildete Abwärmenutzungseinheit integriert ist.
-
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit mehreren Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser zeigt
-
1 ein Schema einer Abwärmenutzungseinheit,
-
2 die Abwärmenutzungseinheit gemäß 1 mit einem daran angeschlossenen Achsgetriebekühlkreislauf,
-
3 einen Wärmetauscher für einen Achsgetriebekühlkreislauf,
-
4 eine Abwärmenutzungseinheit mit einem darin integrierten Achsgetriebekühlkreislauf,
-
5 den Achsgetriebekühlkreislauf gemäß 2, mit einem zusätzlichen Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher,
-
6 die Abwärmenutzungseinheit gemäß 1 mit einem daran angeschlossenen Achsgetriebekühlkreislauf und einem daran angeschlossenen Verbrennungsmotorkühlkreislauf,
-
7 eine Abwärmenutzungseinheit mit einem Einspritzkühlkreislauf, und
-
8 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit Luftleitblechen und einem Unterfahrschutz für einen Außenkonturkühlkreislauf.
-
Demnach umfasst die Abwärmenutzungseinheit 2 gemäß 1 eines Fahrzeugantriebs mit einem Verbrennungsmotor 1 (6) eine Speisepumpe 7, die durch einen Elektromotor 8 angetrieben und durch eine Steuerung 9 regelbar ist, einen als Verdampfer 4 ausgebildeten Wärmetauscher, der durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 beaufschlagbar ist (nicht dargestellt), eine beispielsweise als Dampfturbine ausgebildete Expansionsmaschine 5 und einen als Kondensator 6 ausgebildeten Wärmetauscher, die in einem thermodynamischen Kreislauf 3 angeordnet sind, in dem ein Arbeitsmedium zyklisch verdampft und verflüssigt wird.
-
Das Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, durchläuft in dem thermodynamischen Kreislauf 3 in geeigneten Leitungen einen Kreisprozess, beispielsweise einen Clausius-Rankine-Kreis-prozess. Dabei wird das zunächst noch flüssige Arbeitsmediums mittels der Speisepumpe 7 unter einer adiabatischen Druckerhöhung in den Verdampfer 4 gefördert, wo es durch Zufuhr von Abwärme, im Wesentlichen aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1, beispielsweise über einen Abgasrückführungskühler und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (nicht dargestellt), verdampft wird. Bei der Verdampfung erhitzt sich das Arbeitsmedium zunächst bis seine Verdampfungstemperatur erreicht ist und verdampft anschließend bei stetig steigendem Dampfanteil. Unter weiterer Wärmezufuhr wird der Dampf überhitzt und dabei getrocknet. Der überhitzte Dampf wird danach in der Expansionsmaschine 5 entspannt und verrichtet dort mechanische Arbeit, die einem Verbraucher oder dem Antriebstrang als zusätzliche Antriebsleistung zuführbar ist. Schließlich wird das expandierte Arbeitsmedium in dem Kondensator 6 verflüssigt, bevor es über einen nicht dargestellten Sammelbehälter erneut der Speisepumpe 7 für den nächsten Umlauf zugeführt wird.
-
Gemäß 2 erfolgt die Verflüssigung des Arbeitsmediums im Kondensator 6 dadurch, dass es Wärme an einen Achsgetriebekühlkreislauf 10 abgibt. Der Achsgetriebekühlkreislauf 10 weist einen Wärmetauscher 11 auf, der mit einem Achsgetriebe 14 des Fahrzeugs, beispielsweise einem Hinterachsgetriebe, thermisch verbunden ist. In dem Achsgetriebekühlkreislauf 10 wälzt eine Pumpe 13, die durch einen regelbaren Elektromotor 12 angetrieben wird, ein Kühlmittel um. Das Kühlmittel wird durch den Kondensator 6 geführt und nimmt dort aus dem Arbeitsmedium Wärme auf. Das erwärmte Kühlmittel wird über eine Zuflussleitung c dem Wärmetauscher 11 zugeführt. Der Wärmetauscher 11 nimmt Wärme aus dem Kühlmittel auf und gibt diese an das Achsgetriebe 14 ab. Das durch das Achsgetriebe 14 wieder abgekühlte Kühlmittel fließt durch eine Rückflussleitung h zur Pumpe 13 zurück. Durch eine weitere Rückflussleitung f, die im Kondensator 6 endet, wird der als Heizkreislauf des Achsgetriebes 14 wirkende Kühlkreislauf 10 geschlossen.
-
In einem kontinuierlichen Betrieb der Abwärmenutzungseinheit 2 kann das Achsgetriebe 14 permanent mit einer von der Temperatur und dem Volumenstrom des Arbeitsmediums im Kondensator sowie von Übertragungsverlusten abhängigen Heizleistung beaufschlagt werden. Um die Temperatur im Kondensator 6 zu regulieren, kann die Umwälzpumpe 13 mittels eines in 2 nicht dargestellten Steuergeräts steuerbar und damit auch der Kühlmittelfluss variierbar sein.
-
Der Wärmetauscher 11 kann wie in 2 angedeutet als ein zu dem Achsgetriebe 14 benachbart angeordneter Wärmetauscher in an sich bekannter Bauart ausgebildet sein, der die aus dem Kühlmittel aufgenommene Wärme an eine Getriebeölfüllung des Achsgetriebes 14 abgibt und damit direkt das Getriebeöl erwärmt.
-
3 zeigt alternativ dazu einen achsintegrierten Wärmetauscher 11’. Dieser ist als ein Formteil ausgebildet, welches das Achsgetriebe 14 vollständig und eine zugehörige Fahrzeugachse 15 zumindest teilweise umschließt. Das Formteil 14 bildet dabei einen das Achsgetriebe 14 sowie die Fahrzeugachse 15 einschließenden Hohlraum 33, durch den das Kühlmittel geleitet wird und dabei Wärme an das Achsgetriebegehäuse 34 sowie die Fahrzeugachse 15 abgibt.
-
4 zeigt eine Abwärmenutzungseinheit 2’ mit einem thermodynamischen Kreislauf 3’ und einem integrierten Achsgetriebekühlkreislauf 10’. Der Kondensator 6 sowie die Umwälzpumpe 13 und deren Antrieb 12 entfallen bei dieser Ausführungsform. Entsprechend reduziert sich der Kühlkreislauf auf eine Zuflussleitung c und eine Rückflussleitung h sowie den Wärmetauscher 11. Das Arbeitsmedium wird nach dem Austritt aus der Expansionsmaschine 5 als Niederdruckdampf über die Zuflussleitung c direkt zu dem Wärmetauscher 11 transportiert. Der Wärmetauscher 11 übernimmt die Funktion des bisherigen Kondensators 6. Der Rückfluss des Kondensats erfolgt über die Rückflussleitung h in einen nicht dargestellten Sammelbehälter, aus dem es in den thermodynamischen Kreislauf 3’ zurückgeführt wird.
-
5 zeigt einen Achsgetriebekühlkreislauf 10 gemäß 2, bei dem in der Zuflussleitung c ein zusätzlicher Wärmetauscher 16/17, bestehend aus einem Radiator 16 und einem Lüfter 17, angeordnet ist. Dieser Wärmetauscher 16/17 erzeugt mittels des Lüfters 17 eine Luftanströmung des Radiators 16, welcher durch das Kühlmittel durchströmt ist. Dem Kühlmittel wird dadurch vor dem Durchströmen des Achsgetriebewärmetauschers 11 bereits Wärme entzogen, so dass das Achsgetriebe 14 weniger erwärmt wird. Mittels eines hier nicht dargestellten Steuergeräts für die Drehzahl des Lüfters 17 kann die Achsgetriebetemperatur geregelt werden.
-
6 zeigt die Abwärmenutzungseinheit 2 gemäß 1 mit einem Achsgetriebekühlkreislauf 10’’, der wahlweise zur Wärmeabgabe an einen Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 umschaltbar ist. Der Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 ist an einen in 6 schematisierten Fahrzeugantrieb angeschlossen. Demnach ist der Verbrennungsmotor 1 über eine Trenn- oder Anfahrkupplung 18 mit einem Fahrgetriebe 19 antriebsverbindbar. Der Fahrzeugantrieb weist zudem eine Retarderbremse 20 auf. Der Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 weist zwei Wärmetauscher 23 und 24 sowie einen Fahrzeugkühler 21 und einen dem Fahrzeugkühler 21 zugehörigen Lüfter 22 auf.
-
Die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 wird in das Kühlwasser des Verbrennungsmotorkühlkreislaufs 32 abgegeben und über eine erste Leitung i in eine zu dem Fahrzeugkühler 21 führende Rückflussleitung b geleitet. Abgekühltes Kühlwasser verlässt den Fahrzeugkühler 21 über eine Zuflussleitung a und gelangt über eine davon abzweigende zweite Leitung j in den Verbrennungsmotor 1.
-
Die Retarderbremse 20 ist über den ersten Wärmetauscher 23 kühlbar. Über die Rückflussleitung b wird das durch den Verbrennungsmotor 1 und den Retarder 20 erhitzte Kühlwasser dem Fahrzeugkühler 21 zugeführt, der die Wärme nach außen abstrahlt. Die abgestrahlte Wärme wird durch den Fahrtwind und bedarfsweise den Lüfter 22 an die Umgebung abgeführt.
-
Über den zweiten Wärmetauscher 24 ist der Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 mit dem Achsgetriebekühlkreislauf 10’’ verbunden oder verbindbar. Der Eingang des zweiten Wärmetauschers 24 ist über eine erste Verbindungsleitung d mit einem Ausgang eines 3/2-Wegeventils 25 verbunden. Eine zweite Verbindungsleitung e verbindet die Rückflussleitung h des Achsgetriebekühlkreislaufs 10’’ mit dem Ausgang dieses Wärmetauschers 24. Das Umschaltventil 25 schaltet wahlweise in einer ersten Schaltstellung die Zuflussleitung c des Achsgetriebekühlkreislaufs 10’’ auf den zweiten Wärmetauscher 24 des Verbrennungsmotorkühlkreislaufs 32, so dass dieser dem Kühlmittel des Achsgetriebekühlkreislaufs 10’’ und damit dem Arbeitsmedium Wärme entzieht und dem Verbrennungsmotorkühlkreislauf 32 zuführt. Die zusätzliche Wärmelast wird über den Kühler 21 und den Lüfter 22 abgeführt. Der Wärmetauscher 11 des Achsgetriebes 14 ist bei dieser Schaltstellung des Umschaltventils 25 strömungstechnisch abgekoppelt, um so ein Wärmemanagement des Achsgetriebes 14 zu ermöglichen.
-
Wenn das Umschaltventil 25 in eine zweite Schaltstellung geschaltet ist, geht der Zufluss des Arbeitsmediums über die Zuflussleitung c und weiter über eine Zuflussleitung g zum Wärmetauscher 11 des Achsgetriebes 14. Die Wärmeabgabe erfolgt dann über den Achsgetriebekühlkreislaufs 10’’ wie bei dem Achsgetriebekühlkreislaufs 10 gemäß 2.
-
Die 7 zeigt eine Abwärmenutzungseinheit 2’’, bei der im Vergleich zu der Abwärmenutzungseinheit 2 gemäß 1 zusätzlich ein Einspritzkühlkreislauf vorgesehen ist. Dieser umfasst eine Verbindungsleitung 26, die sich zwischen dem Ausgang der Speisepumpe 7 und dem Ausgang der Expansionsmaschine 5 erstreckt, und in der an ihrem expansionsmaschinenseitigen Ende eine Einspritzdüse 28 angeordnet ist. Der Durchlass bzw. der Volumenstrom pro Zeiteinheit durch diese Verbindungsleitung 26 ist mittels eines Ventils 27 steuerbar.
-
Ein Teil des durch die Speisepumpe 7 unter Druck gesetzten und noch nicht durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 aufgeheizten flüssigen Arbeitsmediums wird demnach vor Erreichen des Verdampfers 4 dem Kondensator 6 bedarfsweise zugeführt. Das Arbeitsmedium kann kontinuierlich oder gepulst über die Einspritzdüse 28 in den Niederdruckdampf ausgangsseitig der Expansionsmaschine 5 in den thermodynamischen Kreislauf 3 eingespritzt werden, um den Dampfdruck zu verringern. Dies wirkt sich als eine zusätzliche Kühlleistung zur Entlastung des Kondensators 6 aus, insbesondere bei einem hohen Leistungsanfall der Abwärmenutzungseinheit 2’’.
-
In 8 ist eine mögliche Wärmeabgabe einer Abwärmenutzungseinheit 2, 2’, 2’’ über eine Außenkontur eines Nutzfahrzeugs angedeutet. Diese wird vom Fahrtwind überströmt und eignet sich daher als Kondensator zur Abgabe der Wärme aus dem Arbeitsmedium oder dem Kühlmittel an die Fahrzeugumgebung. Als Außenkonturbauteile sind, wie 8 zeigt, Luftleitbleche 29, 30 oder Unterfahrschutzbleche 31 oder dergleichen besonders geeignet. Das Arbeitsmedium bzw. Kühlmittel kann vor oder nach der Durchleitung durch den Kondensator 6 über nicht dargestellte Leitungen an den Oberflächen oder in Hohlräume dieser Bleche 29, 30, 31 geführt werden, beispielsweise vor dem Kondensator 6 an einem auf einem Führerhausdach angebrachten Blech 29 oder nach dem Kondensator 6 an dem Unterfahrschutzblech 31. Insbesondere der Unterfahrschutz 31 eignet sich auch zur Ausbildung als Sammelbehälter für das Arbeitsmedium.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verbrennungsmotor
- 2, 2’, 2’’
- Abwärmenutzungseinheit
- 3, 3’
- Thermodynamischer Kreislauf, Dampfkreislauf
- 4
- Verdampfer
- 5
- Expansionsmaschine
- 6
- Kondensator
- 7
- Speisepumpe
- 8
- Elektromotor, Speisepumpenantrieb
- 9
- Speisepumpensteuerung
- 10, 10’, 10’’
- Achsgetriebekühlkreislauf, Kühlkreislauf
- 11, 11’
- Wärmetauscher, Kondensator im Kühlkreislauf
- 12
- Elektromotor
- 13
- Umwälzpumpe im Kühlkreislauf
- 14
- Achsgetriebe
- 15
- Fahrzeughinterachse
- 16
- Radiator im Kühlkreislauf
- 17
- Lüfter im Kühlkreislauf
- 18
- Trenn- und Anfahrkupplung
- 19
- Fahrgetriebe
- 20
- Retarderbremse
- 21
- Radiator, Kühler im Verbrennungsmotorkühlkreislauf
- 22
- Lüfter im Verbrennungsmotorkühlkreislauf
- 23
- Wärmetauscher für Retarderbremse
- 24
- Wärmetauscher für Arbeitsmedium im Motorkühlkreislauf
- 25
- Umschaltventil Achskühlkreislauf-Motorkühlkreislauf
- 26
- Verbindungsleitung für Sprüheinspritzkondensation
- 27
- Ventil für Sprüheinspritzkondensation
- 28
- Einspritzdüse für Sprüheinspritzkondensation
- 29
- Luftleitblech
- 30
- Luftleitblech
- 31
- Unterfahrschutz
- 32
- Verbrennungsmotorkühlkreislauf
- 33
- Hohlraum am Achsgetriebewärmetauscher
- 34
- Achsgetriebegehäuse
- a
- Zuflussleitung Motorkühlkreislauf
- b
- Rückflussleitung Motorkühlkreislauf
- c
- Zuflussleitung Achsgetriebekühlkreislauf
- d
- Zuflussverbindung Dampfkreislauf-Motorkühlung
- e
- Rückflussverbindung Motorkühlung-Achskühlkreislauf
- f
- Rückflussleitung Achsgetriebekühlkreislauf-Kondensator
- g
- Zuflussleitung Achsgetriebekühlkreislauf-Wärmetauscher
- h
- Rückflussleitung Achsgetriebekühlkreislauf
- i
- Erste Leitung
- j
- Zweite Leitung
-
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 10054022 A1 [0005]
- DE 102006036122 A1 [0006]
- DE 102009028153 A1 [0007]
- EP 2177742 A1 [0008]
