DE102013021364A1

DE102013021364A1 - Waste heat recovery arrangement of a motor vehicle and method for using waste heat in a waste heat recovery arrangement

Info

Publication number: DE102013021364A1
Application number: DE102013021364.9A
Authority: DE
Inventors: Jan Gärtner; Andreas Hartmann; Thomas Koch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine (4) in einem Arbeitsmediumkreislauf (3) einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1.2), dadurch gekennzeichnet, dass – in einem Kühlmittelkreislauf (2) der Verbrennungskraftmaschine (4) ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine (4) eine Fördereinrichtung (5.1) und dieser nachgeschaltet zumindest ein erster Wärmetauscher (6) angeordnet sind, der einen in einer Abwärmeleitung (8) geführten Abwärmestrom (AS) kühlt und die Wärme des Abgasstroms (AS) auf ein Kühlmittel (KM) des Kühlmittelkreislaufes (2) überträgt, und dass – im Kühlmittelkreislauf (2) dem ersten Wärmetauscher (6) ein zweiter Wärmetauscher (7) nachgeschaltet ist, der die Wärme des Kühlmittels (KM) auf ein Arbeitsmedium (AF) in dem Arbeitsmediumkreislauf (3) überträgt, so dass das Arbeitsmedium (AF) im Arbeitsmediumkreislauf (3) zumindest teilweise verdampft, und dass – der Arbeitsmediumkreislauf (3) als ein Dampfkraftprozess ausgebildet ist, der zumindest ausgangsseitig des zweiten Wärmetauschers (7) einen Expander (9) und diesem nachgeschaltet einen luftgekühlten Kondensator (10) aufweist.The invention relates to a waste heat utilization arrangement (1 to 1 ') for utilizing waste heat of an internal combustion engine (4) in a working medium circuit (3) of a waste heat recovery device (1.2), characterized in that - in a coolant circuit (2) of the internal combustion engine (4) Internal combustion engine (4) a conveyor (5.1) and downstream of at least a first heat exchanger (6) are arranged which cools a waste heat in a line (8) waste heat stream (AS) and the heat of the exhaust stream (AS) to a coolant (KM) the coolant circuit (2) transmits, and that - in the coolant circuit (2) the first heat exchanger (6) a second heat exchanger (7) is connected downstream, the heat of the coolant (KM) to a working fluid (AF) in the working medium circuit (3) transfers, so that the working medium (AF) in the working medium circuit (3) at least partially evaporated, and that - the Arbeitsmedi Circulation (3) is designed as a steam power process, the at least the output side of the second heat exchanger (7) has an expander (9) and this downstream of an air-cooled condenser (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung eines Kraftfahrzeuges zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges in einer Abwärmenutzungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 10.The invention relates to a waste heat utilization arrangement of a motor vehicle for the use of waste heat of an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for using waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle in a waste heat recovery assembly having the features of the preamble of claim 10.

Aus der DE 10 2008 064 015 A1 ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung der Abwärme von einem Verbrennungsmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, durch eine Motorkühlung abgeführte Abwärme durch Kopplung eines Kühlflüssigkeitskreislaufes einer Abgasrückführungseinrichtung mit der Motorkühlung bekannt. Da der Kühlflüssigkeitskreislauf über einen Kühlflüssigkeitswärmetauscher mit einer Wärmekraftmaschine verbunden ist, können durch diese Konstruktionsweise die Abgasrückführungseinrichtung und die Verbrennungskraftmaschine als Abwärmequellen genutzt werden.From the DE 10 2008 064 015 A1 is a waste heat utilization device for using the waste heat from an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, by a motor cooling dissipated waste heat by coupling a coolant circuit of an exhaust gas recirculation device with the engine cooling known. Since the coolant circuit is connected via a coolant fluid heat exchanger with a heat engine, the exhaust gas recirculation device and the internal combustion engine can be used as waste heat sources by this construction.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Abwärmenutzungsanordnung mit einer verbesserten Nutzung der Abwärme von einem Verbrennungsmotor sowie ein verbessertes Verfahren zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einer Abwärmenutzungsanordnung anzugeben.The invention is based on the object to provide a waste heat recovery assembly with an improved use of waste heat from an internal combustion engine and an improved method for using waste heat of an internal combustion engine in a waste heat recovery arrangement.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Abwärmenutzungsanordnung erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.The object is achieved with regard to the waste heat recovery arrangement according to the invention by the features of claim 1. With regard to the method, the object is achieved by the features of claim 10.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung sieht eine Abwärmenutzungsanordnung eines Kraftfahrzeuges zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einem Arbeitsmediumkreislauf einer Abwärmenutzungsvorrichtung vor, bei welcher

– in einem Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine eine Fördereinrichtung und dieser nachgeschaltet zumindest ein erster Wärmetauscher angeordnet sind, der einen in einer Abwärmeleitung geführten Abwärmestrom kühlt und die Wärme des Abwärmestroms auf ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes überträgt, und dass
– im Kühlmittelkreislauf dem ersten Wärmetauscher ein zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der die Wärme des Kühlmittels auf ein Arbeitsmedium in dem Arbeitsmediumkreislauf überträgt, so dass das Arbeitsmedium im Arbeitsmediumkreislauf zumindest teilweise verdampft, und dass
– der Arbeitsmediumkreislauf als ein Dampfkraftprozess ausgebildet ist, der zumindest ausgangsseitig des zweiten Wärmetauschers einen Expander zur Erzeugung mechanischer Energie und diesem nachgeschaltet einen kühlmittel- und/oder luftgekühlten Kondensator aufweist.

The invention provides a waste heat utilization arrangement of a motor vehicle for utilizing waste heat of an internal combustion engine in a working medium circuit of a waste heat utilization device, in which

- In a coolant circuit of the internal combustion engine on the output side of the internal combustion engine, a conveyor and this downstream at least a first heat exchanger are arranged, which cools a run in a waste heat pipe waste heat and transfers the heat of the waste heat to a coolant of the coolant circuit, and that
- In the coolant circuit, the first heat exchanger, a second heat exchanger is connected downstream, which transfers the heat of the coolant to a working fluid in the working fluid circuit, so that the working fluid in the working fluid circuit at least partially evaporated, and that
- The working medium circuit is designed as a steam power process, which has at least the output side of the second heat exchanger an expander for generating mechanical energy and this downstream of a coolant and / or air-cooled condenser.

Dabei umfasst der Begriff Kraftfahrzeug hier jedes angetriebene Fortbewegungsmittel, also auch ein Schiff oder ein Flugzeug.Here, the term motor vehicle here includes any powered means of transportation, including a ship or an aircraft.

Die Erfindung beruht auf der allgemeinen Idee einer Kopplung von Motorkühlung und Abwärmenutzungsvorrichtung, wobei im Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung mindestens zwei Druckniveaus einstellbar sind, so dass der Druck in der Verbrennungskraftmaschine nicht gesteigert werden muss, wie beim Stand der Technik.The invention is based on the general idea of a coupling of engine cooling and waste heat utilization device, wherein at least two pressure levels are adjustable in the coolant circuit of the engine cooling, so that the pressure in the internal combustion engine does not need to be increased, as in the prior art.

Die Abwärmenutzungsvorrichtung weist als Dampfkraftprozess einen Rankine-Kreislauf nach Art eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses auf, in dem das Arbeitsmedium zirkuliert, umfassend eine Fördereinrichtung zum Antreiben des Arbeitsmediums, den stromab der Fördereinrichtung angeordneten zweiten Wärmetauscher, der als Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums ausgebildet ist, den stromab des Verdampfers angeordneten Expander zum Entspannen des Arbeitsmediums unter Erzeugung mechanischer Energie und den stromab des Expanders angeordneten Kondensator zum Kühlen des Arbeitsmediums.The waste heat utilization device has as a steam power process a Rankine cycle in the manner of a Rankine cycle in which circulates the working medium, comprising a conveyor for driving the working medium, the second heat exchanger arranged downstream of the conveyor, which is designed as an evaporator for evaporating the working medium , the expander arranged downstream of the evaporator for releasing the working medium to generate mechanical energy and the condenser arranged downstream of the expander for cooling the working medium.

Durch Nutzung der Motorkühlung können sowohl Kühlmittelwärme des Kühlmittelkreislaufs als auch Abgaswärme der Verbrennungskraftmaschine durch indirekte Wärmeübertragung als Wärmequellen für den Dampfkraftprozess der Abwärmenutzungsvorrichtung gemeinsam genutzt werden. Durch die indirekte Wärmezufuhr auf das Arbeitsmedium im Dampfkraftprozess und somit auf ein Arbeitsmedium mit hoher Wärmekapazität wird ein stabiles System im Dampfkraftprozess erreicht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein herkömmlicher Fahrzeugkühler, der üblicherweise an der Fahrzeugfront angeordnet ist, entfallen kann. Die Erfindung sieht anstelle des herkömmlichen Fahrzeugkühlers als Wärmesenke im Dampfkraftprozess den luftgekühlten Kondensator vor, der im frei gewordenen Bauraum an der Fahrzeugfront angeordnet werden kann. Der luftgekühlte Kondensator ermöglicht, dass ein im Arbeitsmediumkreislauf herrschender Arbeitsdruck, insbesondere ein Niederdruck weiter reduziert werden kann, so dass ein hinreichend großes Druckverhältnis in der Expansionsvorrichtung, dem Expander, ermöglicht ist und der Prozesswirkungsgrad des Dampfkraftprozesses steigt.By utilizing the engine cooling, both coolant heat of the coolant circuit and exhaust heat of the internal combustion engine can be shared by indirect heat transfer as heat sources for the steam power process of the waste heat utilization device. The indirect heat supply to the working medium in the steam power process and thus to a working medium with high heat capacity, a stable system is achieved in the steam power process. Another advantage of the invention is that a conventional vehicle radiator, which is usually arranged on the vehicle front, can be omitted. The invention provides, instead of the conventional vehicle radiator as a heat sink in the steam power process before the air-cooled condenser, which can be arranged in the vacant space at the front of the vehicle. The air-cooled condenser makes it possible to further reduce a working pressure prevailing in the working medium circuit, in particular a low pressure, so that a sufficiently large pressure ratio is enabled in the expansion device, the expander, and the process efficiency of the steam power process increases.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, ausgangsseitig des zweiten Wärmetauschers im Kühlmittelkreislauf ein Drosselelement, insbesondere ein Steuerventil oder eine Steuerklappe, angeordnet ist. Hierdurch ist der Kühlmittel-Massenstrom nach Durchströmung des zweiten Wärmetauschers, des Verdampfers, auf einen gewünschten Druck der Verbrennungskraftmaschine reduzierbar, insbesondere drosselbar. A development of the invention provides, on the output side of the second heat exchanger in the coolant circuit, a throttle element, in particular a control valve or a control flap, is arranged. As a result, the coolant mass flow after flowing through the second heat exchanger, the evaporator, can be reduced to a desired pressure of the internal combustion engine, in particular throttled.

In einer weiteren Ausführungsform geht von der Abwärmeleitung vor dem ersten Wärmetauscher eine Abwärme-Bypassleitung ab, die den ersten Wärmetauscher umgeht. Ortsbezogene Bezeichnungen wie „vor” oder „nach” sind im Folgenden in Bezug auf die Strömungsrichtung des entsprechend relevanten Fluids oder Kreislaufs zu verstehen. Eine solche abwärmeseitige Bypassierung des ersten Wärmetauschers ermöglicht es, die Wärmeübertragung der Abwärme auf das Kühlmittel zu steuern, insbesondere zu begrenzen, um beispielsweise ein Verdampfen des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf zu verhindern. Der über die Abwärme-Bypassleitung geleitete Abwärmeteilstrom kann über weitere Abwärmenutzungsanordnungen genutzt werden.In a further embodiment, a waste heat bypass line, which bypasses the first heat exchanger, starts from the waste heat conduit upstream of the first heat exchanger. Location-related terms such as "before" or "after" are to be understood below with reference to the flow direction of the corresponding fluid or circuit. Such waste-heat bypassing of the first heat exchanger makes it possible to control the heat transfer of the waste heat to the coolant, in particular to limit, for example, to prevent evaporation of the coolant in the coolant circuit. The waste heat substream conducted via the waste heat bypass line can be utilized via further waste heat utilization arrangements.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass im Kühlmittelkreislauf vor dem zweiten Wärmetauscher eine, diesen umgehende Kühlmittel-Bypassleitung abgeht, die nach dem zweiten Wärmetauscher wieder in den Kühlmittelkreislauf mündet. Durch die direkte Nutzung eines Teils der auf das Kühlmittel indirekt übertragenen Abwärme des Abwärmestroms zum Erwärmen des Kühlmittels nach einem Kaltstart kann eine Vorwärmung der Verbrennungskraftmaschine erzielt werden, so dass eine Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine schneller erreicht werden kann. Hierdurch können ein konventioneller Kurzschlussbetrieb und dafür erforderliche Komponenten entfallen. Somit wird, falls das Abgas beispielsweise nach einem Kaltstart noch nicht die maximale Temperatur erreicht hat oder der für die Verbrennungskraftmaschine benötigte Kühlmittelstrom größer ist, der Kühlmittelstrom durch den zweiten Wärmetauscher sowohl hinsichtlich der Menge als auch der Arbeitstemperatur mittels der Kühlmittel-Bypassleitung entsprechend gesteuert, wodurch der Wirkungsgrad des zweiten Wärmetauschers und daraus resultierend des Dampfkraftprozesses optimiert werden kann.A further exemplary embodiment provides that in the coolant circuit upstream of the second heat exchanger, a coolant bypass line which bypasses it and which, after the second heat exchanger, opens again into the coolant circuit. By the direct use of a portion of the indirectly transferred to the coolant waste heat of the waste heat stream for heating the coolant after a cold start, a preheating of the internal combustion engine can be achieved, so that an operating temperature of the internal combustion engine can be reached faster. As a result, a conventional short-circuit operation and required components can be omitted. Thus, if, for example, the exhaust gas has not yet reached the maximum temperature after a cold start or the coolant flow required for the internal combustion engine is greater, the coolant flow through the second heat exchanger is appropriately controlled by both the amount and the operating temperature by means of the coolant bypass line the efficiency of the second heat exchanger and the resulting steam power process can be optimized.

In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Wärmequellen jeweils mittels eines zugehörigen ersten Wärmetauschers mit dem Kühlmittelkreislauf wärmetechnisch gekoppelt und fluidisch voneinander getrennt, wobei als Wärmequellen Abgase eines Verbrennungsmotors oder der Verbrennungskraftmaschine, Ladeluft eines Ladeluftkühlers, Abgase einer Abgasrückführung, Motorölwärme, Getriebeölwärme und/oder Abwärme einer anderen Wärmequelle dem jeweils zugehörigen ersten Wärmetauscher zuführbar sind. Hierdurch erfolgt eine höhere Wärmeübertragung der Abwärme der mehreren Wärmequellen auf das Kühlmittel, wodurch hohe Wärmeübertragungsleistungen ermöglicht sind und der Rekuperationsgrad des Dampfkraftprozesses gesteigert werden kann sowie ein Kühlsystem entlastet werden kann.In one possible embodiment of the invention, a plurality of heat sources are thermally coupled by means of an associated first heat exchanger with the coolant circuit and fluidly separated from each other, wherein as heat sources exhaust gases of an internal combustion engine or the internal combustion engine, charge air of a charge air cooler, exhaust gases of an exhaust gas recirculation, engine oil heat, transmission oil heat and / or waste heat another heat source the respective associated first heat exchanger can be fed. This results in a higher heat transfer of the waste heat of the plurality of heat sources to the coolant, whereby high heat transfer capacities are made possible and the recuperation of the steam power process can be increased and a cooling system can be relieved.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Kühlmittelkreislauf und der Arbeitsmediumkreislauf mittels des zweiten Wärmetauschers wärmegekoppelt und fluidisch voneinander getrennt sind. Hierdurch ist eine indirekte Wärmezufuhr der Abwärme mindestens zweier oder mehrerer Wärmequellen, beispielsweise Abwärme im Kühlmittel und im Abgas eines Verbrennungsmotors, auf das Arbeitsmedium mit hoher Wärmekapazität des Dampfkraftprozesses möglich, so dass die Leistung der Expansionsvorrichtung erhöht und somit ein Wirkungsgrad des Dampfkraftprozesses gesteigert werden können.A further embodiment provides that the coolant circuit and the working medium circuit are heat-coupled by means of the second heat exchanger and fluidly separated from each other. As a result, an indirect heat supply of the waste heat at least two or more heat sources, such as waste heat in the coolant and the exhaust gas of an internal combustion engine, on the working medium with high heat capacity of the steam power process is possible, so that the performance of the expansion device increases and thus efficiency of the steam power process can be increased.

Gemäß einer Weiterbildung ist der zweite Wärmetauscher als ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums des Arbeitsmediumkreislaufs ausgebildet. Durch die Erhitzung des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf bei der Durchströmung des Verbrennungsmotors selbst und zusätzlich mittels der Abwärme des Verbrennungsmotors kann der zweite Wärmetauscher als ein Verdampfer ausgebildet sein. Dabei verdampft das Arbeitsmedium des Dampfkraftprozesses zumindest teilweise und weist somit eine hohe Wärmekapazität auf, die in der Expansionsvorrichtung bei einem hinreichend großen Druckverhältnis abgegeben und in mechanisch nutzbare Arbeit, insbesondere für einen Antrieb oder über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann.According to a development, the second heat exchanger is designed as an evaporator for evaporating the working medium of the working medium circuit. By heating the coolant in the coolant circuit in the flow through the engine itself and additionally by means of the waste heat of the engine, the second heat exchanger may be formed as an evaporator. In this case, the working medium of the steam power process at least partially evaporated and thus has a high heat capacity, which can be delivered in the expansion device at a sufficiently large pressure ratio and converted into mechanically usable work, in particular for a drive or a generator into electrical energy.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Dampfkraftprozess ein Clausius-Rankine-Kreisprozess, ein Joule-Kreisprozess, ein Stirling-Kreisprozess oder ein Carnot-Kreisprozess. Hierdurch kann ein Teil der Abwärme des Kühlmittels und der Wärmequellen mittels der Expansionsvorrichtung in mechanisch nutzbare Energie umgewandelt werden. Diese aus Abwärme gewonnene, nutzbare mechanische Energie kann in Form von mechanischer Arbeit einem Antrieb zugeführt oder über einen Generator in elektrische Energie gewandelt werden, die wiederum über einen Elektromotor in den Antrieb eingespeist werden kann oder optional in einem elektrischen Energiespeicher zwischengespeichert und aus diesem elektrischen Energiespeicher entnehmbar, anderweitig im Fahrzeug genutzt werden kann.According to one embodiment of the invention, the steam power process is a Rankine cycle, a Joule cycle, a Stirling cycle or a Carnot cycle. In this way, a part of the waste heat of the coolant and the heat sources can be converted by means of the expansion device into mechanically usable energy. These recovered from waste heat, usable mechanical energy can be supplied in the form of mechanical work to a drive or converted by a generator into electrical energy, which in turn can be fed via an electric motor in the drive or optionally cached in an electrical energy storage and from this electrical energy storage Removable, can be used elsewhere in the vehicle.

Ein weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs und/oder das Arbeitsmedium des Arbeitsmediumkreislaufs zumindest eine Flüssigkeit aus folgender Gruppe aufweist:

– Öl, insbesondere ein Thermoöl, Silikonöl,
– Wasser,
– Alkohole, insbesondere Methanol, Ethanol oder dergleichen, und/oder
– Polyole, insbesondere Glykol, Glyzerin oder dergleichen. Mit anderen Worten: Sowohl das Arbeitsmedium als auch das Kühlmittel können eine lipophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel ein Öl, ein Ölgemisch oder dergleichen, oder eine hydrophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, Mischung aus Wasser und Additive zur Gefrierpunktserniedrigung, Alkohole, z. B. Methanol, Ethanol, Polyole, oder andere ein-/mehrwertige Alkohole aufweisen.

A further embodiment provides that the coolant of the coolant circuit and / or the working medium of the working medium circuit comprises at least one fluid from the following group:

- oil, in particular a thermal oil, silicone oil,
- Water,
Alcohols, in particular methanol, ethanol or the like, and / or
- Polyols, in particular glycol, glycerol or the like. In other words, both the working medium and the refrigerant may include a lipophilic liquid such as an oil, an oil mixture or the like or a hydrophilic liquid such as water, mixture of water and freezing-point depressants, alcohols, e.g. As methanol, ethanol, polyols, or other monohydric or polyhydric alcohols.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeugs einer Verbrennungskraftmaschine in einer Abwärmenutzungsanordnung ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine in einem Kühlmittelkreislauf der Druck eines Kühlmittels mittels einer ersten Fördereinrichtung auf einen Wert erhöht, der sicherstellt, dass nach einer Übertragung einer Abwärme der Verbrennungskraftmaschine und/oder aus zumindest einer weiteren Wärmequelle auf ein Kühlmittel mittels eines ersten Wärmetauschers das Kühlmittel in einer flüssigen Phase verbleibt, wobei ausgangsseitig eines zweiten Wärmetauschers im Kühlmittelkreislauf ein Druck des Kühlmittels auf ein Druckniveau der Verbrennungskraftmaschine gedrosselt wird, und eine aus der indirekten Wärmeübertragung resultierende thermische Energie des Kühlmediums auf ein Arbeitsmedium in einem als Dampfkraftprozess ausgebildeten Arbeitsmediumkreislauf übertragen wird, so dass das Arbeitsmedium im Arbeitsmediumkreislauf verdampft und anschließend in einem Expander unter Erzeugung mechanischer Energie entspannt und in einem nachgeschalteten kühlmittel- und/oder luftgekühlten Kondensator gekühlt wird.According to the invention, in a method for utilizing waste heat of a motor vehicle of an internal combustion engine in a waste heat utilization arrangement on the output side of the internal combustion engine in a coolant circuit, the pressure of a coolant increases by means of a first conveyor to a value which ensures that after a transmission of waste heat of the internal combustion engine and / or at least one further heat source to a coolant by means of a first heat exchanger, the coolant remains in a liquid phase, wherein the output side of a second heat exchanger in the coolant circuit, a pressure of the coolant is throttled to a pressure level of the internal combustion engine, and a resulting from the indirect heat transfer thermal energy of the cooling medium a working medium is transferred in a trained as a steam power process working medium circuit, so that the working fluid in Arbeitsmediumkreisla Evaporates and then expanded in an expander to generate mechanical energy and cooled in a downstream coolant and / or air-cooled condenser.

Ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit auf dieser Weise ausgeführter Abwärmenutzung weist gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und die Kosten sind aufgrund der kompakten Bauweise deutlich reduziert.An internal combustion engine with waste heat recovery performed in this manner has higher efficiency than conventional internal combustion engines. In addition, fuel savings are achieved and the costs are significantly reduced due to the compact design.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch eine Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf mit zwei Druckniveaus und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler Abwärme-Bypassierung und luftgekühltem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf, und 1 schematically an embodiment of a waste heat recovery assembly with thermally indirect coupling of coolant circuit with two pressure levels and working medium circuit with optional waste heat bypass and air-cooled condenser in the working medium circuit, and

2 schematisch eine alternative Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf mit zwei Druckniveaus und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler Abwärme- und Kühlmittel-Bypassierung und luftgekühltem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf. 2 schematically an alternative embodiment of a waste heat recovery assembly with thermally indirect coupling of coolant circuit with two pressure levels and working medium circuit with optional waste heat and coolant bypass and air-cooled condenser in the working medium circuit.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung 1 mit wärmetechnisch indirekter Kopplung eines von einem Kühlmittel KM durchströmbaren Kühlmittelkreislaufs 2 mit einem Arbeitsmediumkreislauf 3, der von einem Arbeitsmedium AF durchströmt wird. Der Kühlmittelkreislauf 2 ist dabei Teil einer Motorkühlung 1.1 und der Arbeitsmediumkreislauf 3 ist Teil einer Abwärmenutzungsvorrichtung 1.2. Die Motorkühlung 1.1 und die Abwärmenutzungsvorrichtung 1.2 bilden die Abwärmenutzungsanordnung 1. 1 shows schematically an embodiment of a waste heat recovery assembly 1 with thermally-indirect coupling of a coolant KM flowed through by a coolant 2 with a working medium circuit 3 , which is flowed through by a working medium AF. The coolant circuit 2 is part of a motor cooling system 1.1 and the working medium circuit 3 is part of a waste heat recovery device 1.2 , The engine cooling 1.1 and the waste heat utilization device 1.2 make up the waste heat utilization arrangement 1 ,

Die Abwärmenutzungsanordnung 1 dient der Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine 4, insbesondere eines Verbrennungsmotors, z. B. eines Diesel- oder Ottomotors eines Kraftfahrzeugs, in der Abwärmenutzungsvorrichtung 1.2.The waste heat utilization arrangement 1 serves the use of waste heat of an internal combustion engine 4 , in particular an internal combustion engine, for. As a diesel or gasoline engine of a motor vehicle, in the waste heat recovery device 1.2 ,

Im Kühlmittelkreislauf 2 sind eingangsseitig des Verbrennungskraftmaschine 4 eine Fördereinrichtung 5, insbesondere eine elektrische Pumpe, wie eine Kühlmittelpumpe, und ausgangsseitig des Verbrennungskraftmaschine 4 eine weitere Fördereinrichtung 5.1, ein erster Wärmetauscher 6 und diesem nachgeschaltet ein zweiter Wärmetauscher 7 angeordnet.In the coolant circuit 2 are the input side of the internal combustion engine 4 a conveyor 5 , in particular an electric pump, such as a coolant pump, and the output side of the internal combustion engine 4 another conveyor 5.1 , a first heat exchanger 6 and this downstream of a second heat exchanger 7 arranged.

Vom Verbrennungskraftmaschine 4 geht darüber hinaus eine Abwärmeleitung 8 ab, durch welche ein Abgasstrom AS des Verbrennungskraftmaschine 4 strömt. Der erste Wärmetauscher 6 ist mit dem Abgasstrom AS des Verbrennungskraftmaschine 4 beaufschlagbar. Hierzu ist der erste Wärmetauscher 6 in die Abwärmeleitung 8 fluidisch geschaltet und wird primärseitig vom heißen Abgasstrom AS mit einem Temperaturbereich von 300°C bis 900°C durchströmt.From the internal combustion engine 4 goes beyond a waste heat pipe 8th from, through which an exhaust stream AS of the internal combustion engine 4 flows. The first heat exchanger 6 is with the exhaust stream AS of the internal combustion engine 4 acted upon. For this purpose, the first heat exchanger 6 in the waste heat pipe 8th switched fluidly and the primary side of the hot exhaust gas flow AS with a temperature range of 300 ° C to 900 ° C flows through.

Sekundärseitig ist der erste Wärmetauscher 6 in dem Kühlmittelkreislauf 2 fluidisch geschaltet und wird von dem in der Verbrennungskraftmaschine 4 erwärmten Kühlmittel KM mit einer Kühlmitteltemperatur in einem Temperaturbereich von 90°C bis 115°C durchströmt.Secondary side is the first heat exchanger 6 in the coolant circuit 2 switched fluidly and is of the in the internal combustion engine 4 heated coolant KM with a coolant temperature in a temperature range of 90 ° C to 115 ° C flows through.

Die Abwärmeleitung 8 und der Kühlmittelkreislauf 2 sind im ersten Wärmetauscher 6 in nicht näher dargestellter Art und Weise fluidisch voneinander getrennt geführt, aber über Wandungen indirekt wärmegekoppelt, so dass das Kühlmittel KM weiter erwärmt oder erhitzt wird.The waste heat pipe 8th and the coolant circuit 2 are in the first heat exchanger 6 fluidly separated from each other in a manner not shown, but indirectly via walls heat coupled, so that the coolant KM is further heated or heated.

Der Kühlmittelkreislauf 2 wird derart gesteuert, dass die Temperatur des Abgasstroms AS am Ausgang des ersten Wärmetauschers 6 auf eine Abgastemperatur in einem Bereich zwischen 95°C bis 180°C gesenkt und die Temperatur des Kühlmittels KM am Ausgang des ersten Wärmetauschers 6 auf eine Kühlmitteltemperatur in einem Temperaturbereich von 140°C bis 150°C gesteigert wird. Insbesondere werden die jeweiligen Ströme – der Abgasstrom AS und der Strom des Kühlmittels KM im Kühlmittelkreislauf 2 – so gesteuert, dass das Kühlmittel KM in einem flüssigen Zustand bleibt und nicht verdampft.The coolant circuit 2 is controlled such that the temperature of the exhaust gas stream AS at the outlet of the first heat exchanger 6 lowered to an exhaust gas temperature in a range between 95 ° C to 180 ° C and the temperature of the coolant KM at the output of the first heat exchanger 6 is increased to a coolant temperature in a temperature range of 140 ° C to 150 ° C. In particular, the respective flows - the exhaust gas flow AS and the flow of the coolant KM in the coolant circuit 2 - Controlled so that the coolant KM remains in a liquid state and does not evaporate.

Das aufgeheizte Kühlmittel KM wird anschließend im Kühlmittelkreislauf 2 dem zweiten Wärmetauscher 7 primärseitig mit einer Temperatur in einem Bereich von 140°C bis 150°C zugeführt. Sekundärseitig wird der zweite Wärmetauscher 7 von dem Arbeitsmedium AF durchströmt, das am Eingang des zweiten Wärmetauschers 7 eine Temperatur in einem Bereich von 60°C aufweist. Beim Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 7 wird die Wärme des aufgewärmten Kühlmittels KM durch indirekte Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium AF übertragen, so dass das Arbeitsmedium AF zumindest teilweise oder vollständig verdampft und am Ausgang des zweiten Wärmetauschers 7 eine Temperatur in einem Bereich von 140°C bis 150°C aufweist. Der zweite Wärmetauscher 7 ist hierzu als ein Verdampfer ausgeführt. Anschließend wird das auf eine Temperatur von ungefähr 85°C abgekühlte Kühlmittel KM über die Fördereinrichtung 5, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, wieder der Verbrennungskraftmaschine 4 zu dessen Kühlung zugeführt.The heated coolant KM is then in the coolant circuit 2 the second heat exchanger 7 fed on the primary side with a temperature in a range of 140 ° C to 150 ° C. Secondary side is the second heat exchanger 7 flows through the working medium AF, which at the entrance of the second heat exchanger 7 has a temperature in a range of 60 ° C. When flowing through the second heat exchanger 7 the heat of the warmed coolant KM is transferred by indirect heat transfer to the working medium AF, so that the working medium AF at least partially or completely evaporated and at the outlet of the second heat exchanger 7 a temperature in a range of 140 ° C to 150 ° C. The second heat exchanger 7 is designed for this purpose as an evaporator. Subsequently, the cooled to a temperature of about 85 ° C coolant KM through the conveyor 5 , in particular a coolant pump, again the internal combustion engine 4 fed to its cooling.

Im weiteren Verlauf des Arbeitsmediumkreislaufs 3 wird das Arbeitsmedium AF nach dem zweiten Wärmetauscher 7 einem Expander 9 zugeführt, wobei die Wärme/Wärmekapazität des verdampften Arbeitsmediums AF in dem Expander 9 in mechanische Arbeit eines nicht näher dargestellten Antriebs oder über einen Generator in elektrische Energie gewandelt wird. Das Arbeitsmedium AF weist ausgangsseitig des Expanders 9 noch eine Temperatur in einem Bereich von 60°C bis 80°C auf und wird im Arbeitsmediumkreislauf 3 anschließend einem Kondensator 10 zugeführt, der luftgekühlt ist. Am Ausgang des Kondensators 10 weist das Arbeitsmedium AF eine Temperatur von ca. 60°C auf und wird als gekühltes Arbeitsmedium AF über eine weitere Fördereinrichtung 11, insbesondere eine Pumpe, wieder dem zweiten Wärmetauscher 7 und somit dem Verdampfer zugeführt.In the further course of the working medium circuit 3 the working medium AF is after the second heat exchanger 7 an expander 9 supplied, wherein the heat / heat capacity of the evaporated working medium AF in the expander 9 is converted into mechanical work of a drive, not shown, or via a generator into electrical energy. The working medium AF has the output side of the expander 9 still a temperature in a range of 60 ° C to 80 ° C and is in the working medium circuit 3 then a capacitor 10 fed, which is air-cooled. At the output of the capacitor 10 The working medium AF has a temperature of about 60 ° C. and is used as a cooled working medium AF via a further conveying device 11 , in particular a pump, again the second heat exchanger 7 and thus supplied to the evaporator.

Somit bildet im Kühlmittelkreislauf 2 der erste Wärmetauscher 6 eine Wärmequelle und der zweite Wärmetauscher 7 eine Wärmesenke. Im Arbeitsmediumkreislauf 3 bildet der zweite Wärmetauscher 7 eine Wärmequelle und der Kondensator 10, der luftgekühlt ist, eine Wärmesenke.Thus forms in the coolant circuit 2 the first heat exchanger 6 a heat source and the second heat exchanger 7 a heat sink. In the working medium circuit 3 forms the second heat exchanger 7 a heat source and the condenser 10 which is air-cooled, a heat sink.

Der erste Wärmetauscher 6, der für eine indirekte Wärmeübertragung fluidisch getrennt sowohl in die Abwärmeleitung 8 als auch in den Kühlmittelkreislauf 2 geschaltet ist, wird nach dem Gleichstromprinzip durchströmt. Das heißt, der Abgasstrom AS und das Kühlmittel KM durchströmen voneinander getrennt den ersten Wärmetauscher 6 mit gleicher Strömungsrichtung.The first heat exchanger 6 , which is fluidly separated for indirect heat transfer both in the waste heat pipe 8th as well as in the coolant circuit 2 is switched, flows through the DC principle. That is, the exhaust gas flow AS and the coolant KM separately flow through the first heat exchanger 6 with the same flow direction.

Der zweite Wärmetauscher 7, insbesondere ein Verdampfer, der für eine indirekte Wärmeübertragung fluidisch getrennt sowohl in den Kühlmittelkreislauf 2 als auch in den Arbeitsmediumkreislauf 3 geschaltet ist, wird nach dem Gegenstromprinzip durchströmt. Das heißt, das Kühlmittel KM und das Arbeitsmedium AF durchströmen voneinander getrennt den zweiten Wärmetauscher 7 entgegenkommend und somit mit entgegengesetzter Strömungsrichtung.The second heat exchanger 7 , in particular an evaporator, which is fluidically separated for indirect heat transfer both in the coolant circuit 2 as well as in the working medium cycle 3 is switched, flows through the countercurrent principle. That is, the coolant KM and the working medium AF separately flow through the second heat exchanger 7 oncoming and thus with opposite flow direction.

Der Arbeitsmediumkreislauf 3 ist ein Dampfkraftprozess der Abwärmenutzungsvorrichtung 1.2 und ist als ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ausgebildet. Alternativ kann der Dampfkraftprozess ein Joule-Kreisprozess, ein Stirling-Kreisprozess oder ein Carnot-Kreisprozess sein.The working medium circuit 3 is a steam power process of the waste heat utilization device 1.2 and is designed as a Rankine cycle. Alternatively, the steam power process may be a Joule cycle, a Stirling cycle, or a Carnot cycle.

Um den Druck des Kühlmittels KM in der Verbrennungskraftmaschine 4 nicht steigern zu müssen, sieht die Erfindung vor, dass ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine 4 die weitere Fördereinrichtung 5.1 und ausgangsseitig des Verdampfers (zweiter Wärmetauscher 7) ein Drosselelement 14 angeordnet sind.To the pressure of the coolant KM in the internal combustion engine 4 not having to increase, the invention provides that the output side of the internal combustion engine 4 the further conveyor 5.1 and the output side of the evaporator (second heat exchanger 7 ) a throttle element 14 are arranged.

Dabei wird der Kühlmittelkreislauf 2 derart eingestellt und gesteuert, dass mindestens zwei Druckniveaus – eines ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine 4 und somit stromab dieser und das andere eingangsseitig der Verbrennungskraftmaschine 4 und somit ausgangsseitig des zweiten Wärmetauschers 7 – eingestellt sind. So wird der Druck des Kühlmittels KM ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine 4 mittels der weiteren Fördereinrichtung 5.1, z. B. einer Kühlmittelpumpe, auf ein Druckniveau angehoben, das sicherstellt, dass – auch nach einem Wärmeeintrag der Abgaswärme in das Kühlmittel KM – das Kühlmittel KM in der flüssigen Phase verbleibt und nicht verdampft. Nach Durchströmung des Verdampfers (zweiter Wärmetauscher 7) wird dann der Druck des Kühlmittels KM durch entsprechende Steuerung des Massenstroms und/oder der Temperatur des Kühlmittels KM mittels eines Drosselelements 14, z. B. einer Drosselklappe oder eines Steuerventils, gesenkt oder gedrosselt auf ein Druckniveau, das in etwa dem Druckniveau im Motorblock der Verbrennungskraftmaschine 4 entspricht.This is the coolant circuit 2 set and controlled such that at least two pressure levels - one output side of the internal combustion engine 4 and thus downstream of this and the other input side of the internal combustion engine 4 and thus the output side of the second heat exchanger 7 - are set. Thus, the pressure of the coolant KM on the output side of the internal combustion engine 4 by means of the further conveyor 5.1 , z. B. a coolant pump, raised to a pressure level, which ensures that - even after a heat input of the exhaust heat in the coolant KM - the coolant KM remains in the liquid phase and does not evaporate. After flowing through the evaporator (second heat exchanger 7 ) is then the pressure of the coolant KM by appropriate control of the mass flow and / or the temperature of the coolant KM by means of a throttle element 14 , z. As a throttle valve or a control valve, lowered or throttled to a pressure level, which is approximately the pressure level in the engine block of the internal combustion engine 4 equivalent.

Durch die indirekte Wärmeübertragung der Abwärme des Kühlmittels KM und des Abgasstroms AS auf das Arbeitsmedium AF des Dampfkraftprozesses und somit die gemeinsame Nutzung der Abwärme großer Wärmequellen im Kraftfahrzeug und Einspeisung dieser in den Dampfkraftprozess kann dessen Leistung erhöht werden und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden. Durch die indirekte Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium AF mit hoher Wärmekapazität wird ein stabiles Systemverhalten erzielt.By the indirect heat transfer of the waste heat of the coolant KM and the exhaust stream AS to the working medium AF of the steam power process and thus the common use of waste heat from large heat sources in the motor vehicle and feeding them into the steam power process, its performance can be increased and the overall efficiency can be improved. By the indirect heat transfer to the working medium AF with high heat capacity a stable system behavior is achieved.

Sowohl das Kühlmittel KM des Kühlmittelkreislaufs 2 als auch das Arbeitsmedium AF des Arbeitsmediumkreislaufs 3 kann zumindest eine Flüssigkeit aus folgender Gruppe aufweisen:

– Öl, insbesondere ein Thermoöl, Silikonöl,
– Wasser,
– Alkohole, insbesondere Methanol, Ethanol oder dergleichen, und/oder
– Polyole, insbesondere Glykol, Glyzerin oder dergleichen.

Both the coolant KM of the coolant circuit 2 as well as the working medium AF of the working medium circuit 3 can have at least one liquid from the following group:

- oil, in particular a thermal oil, silicone oil,
- Water,
Alcohols, in particular methanol, ethanol or the like, and / or
- Polyols, in particular glycol, glycerol or the like.

Es kann eine lipophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel ein Öl, ein Ölgemisch oder dergleichen insbesondere für den Kühlmittelkreislauf 2 verwendet werden, wohingegen für den Arbeitsmediumkreislauf 3 eine hydrophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser sowie Alkohole, verwendet wird.It may be a lipophilic liquid, such as an oil, an oil mixture, or the like, especially for the refrigerant cycle 2 used, whereas for the working medium circuit 3 a hydrophilic liquid, such as water and alcohols, is used.

Optional kann die Abwärmenutzungsanordnung 1 eine Abwärme-Bypassierung aufweisen. Hierzu geht ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine 4 von der Abwärmeleitung 8 eine Abwärme-Bypassleitung 12 ab, so dass ein Abgasteilstrom A-TS abgezweigt und unter Umgehung des ersten Wärmetauschers 6 ausgangsseitig des Wärmetauschers 6 wieder der Abwärmeleitung 8 zugeführt wird. Dabei ist der Abgasteilstrom A-TS mittels eines Steuerelements 12.1, z. B. eine Abgasklappe oder ein Bypassventil, einstellbar und steuerbar. Diese abwärmeseitige Bypassierung des ersten Wärmetauschers 6 ermöglicht es, die Wärmeübertragung der Abwärme des Abgasstroms AS auf das Kühlmittel KM zu steuern, insbesondere zu begrenzen, um beispielsweise ein Verdampfen des Kühlmittels KM im Kühlmittelkreislauf 2 zu verhindern. Der über die Abwärme-Bypassleitung 12 geleitete Abgasteilstrom A-TS und/oder der ausgangsseitig des ersten Wärmetauschers 6 strömende Abgasstrom AS können bzw. kann für weitere Abwärmenutzungsanordnungen verwendet und diesen zugeführt werden.Optionally, the waste heat recovery assembly 1 have a waste heat bypassing. For this purpose, the output side of the internal combustion engine 4 from the waste heat pipe 8th a waste heat bypass line 12 from, so that a partial exhaust stream A-TS branched off and bypassing the first heat exchanger 6 on the output side of the heat exchanger 6 again the waste heat pipe 8th is supplied. In this case, the partial exhaust gas flow A-TS by means of a control element 12.1 , z. As an exhaust valve or a bypass valve, adjustable and controllable. This waste-heat bypassing of the first heat exchanger 6 makes it possible to control the heat transfer of the waste heat of the exhaust stream AS to the coolant KM, in particular to limit, for example, evaporation of the coolant KM in the coolant circuit 2 to prevent. The over the waste heat bypass line 12 guided exhaust partial stream A-TS and / or the output side of the first heat exchanger 6 flowing exhaust gas flow AS can be used for further waste heat utilization arrangements and supplied thereto.

2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung 1', die im Wesentlichen der Abwärmenutzungsanordnung 1 gemäß 1 entspricht. Zusätzlich zur abwärmeseitigen Bypassierung (Abwärme-Bypassleitung 12) umfasst die in 2 dargestellte Abwärmenutzungsanordnung 1' eine Kühlmittel-Bypassierung. Zur Kühlmittel-Bypassierung geht eingangsseitig des zweiten Wärmetauschers 7 und somit vor dem Verdampfer vom Kühlmittelkreislauf 2 eine Kühlmittel-Bypassleitung 13 ab, so dass ein Kühlmittelteilstrom KM-TS abgezweigt und unter Umgehung des Verdampfers ausgangsseitig des Verdampfers wieder dem Kühlmittelkreislauf 2 zugeführt wird. Der Kühlmittelteilstrom KM-TS ist dabei mittels eines Steuerelements 13.1, z. B. ein Bypassventil oder eine Klappe, einstellbar und steuerbar. 2 schematically shows an alternative embodiment of a waste heat recovery assembly 1' , which are essentially the waste heat utilization arrangement 1 according to 1 equivalent. In addition to waste heat bypassing (waste heat bypass line 12 ) includes the in 2 illustrated waste heat recovery arrangement 1' a coolant bypass. For coolant bypassing is the input side of the second heat exchanger 7 and thus before the evaporator from the coolant circuit 2 a coolant bypass line 13 from, so that a coolant partial flow KM-TS branched off and bypassing the evaporator on the output side of the evaporator back to the coolant circuit 2 is supplied. The coolant partial flow KM-TS is by means of a control element 13.1 , z. B. a bypass valve or a flap, adjustable and controllable.

Alternativ kann in nicht näher dargestellter Art und Weise die Abwärme-Bypassleitung 12 entfallen und nur eine Kühlmittel-Bypassleitung 13 vorgesehen sein.Alternatively, in a manner not shown, the waste heat bypass line 12 omitted and only one coolant bypass line 13 be provided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 bis 1'1 to 1 ': AbwärmenutzungsanordnungWaste heat recovery arrangement
1.11.1: Motorkühlungengine cooling
1.21.2: AbwärmenutzungsvorrichtungWaste heat recovery device
22: KühlmittelkreislaufCoolant circuit
33: ArbeitsmediumkreislaufWorking medium circuit
44: VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
5, 5.15, 5.1: FördereinrichtungConveyor
66: erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
77: zweiter Wärmetauschersecond heat exchanger
88th: Abwärmeleitungheat conduction
99: Expanderexpander
1010: Kondensatorcapacitor
1111: FördereinrichtungConveyor
1212: Abwärme-BypassleitungWaste heat bypass line
12.112.1: Steuerelementcontrol
1313: Kühlmittel-BypassleitungCoolant bypass line
13.113.1: Steuerelementcontrol
1414: Drosselelementthrottle element
ASAS: Abgasstromexhaust gas flow
A-TSA-TS: Abgas-TeilstromExhaust gas partial flow
AFAF: Arbeitsmediumworking medium
KMKM: Kühlmittelcoolant
KM-TSKM-TS: Kühlmittel-TeilstromCoolant partial flow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008064015 A1 [0002]

Claims

Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) of a motor vehicle for the use of waste heat of an internal combustion engine ( 4 ) in a working medium circuit ( 3 ) a waste heat utilization device ( 1.2 ), characterized in that - in a coolant circuit ( 2 ) of the internal combustion engine ( 4 ) on the output side of the internal combustion engine ( 4 ) a conveyor ( 5.1 ) and this downstream at least a first heat exchanger ( 6 ), one in a waste heat pipe ( 8th ) guided exhaust gas flow (AS) and the heat of the exhaust gas flow (AS) to a coolant (KM) of the coolant circuit ( 2 ), and that - in the coolant circuit ( 2 ) the first heat exchanger ( 6 ) a second heat exchanger ( 7 ) downstream of the heat of the coolant (KM) to a working medium (AF) in the working medium circuit ( 3 ), so that the working medium (AF) in the working medium circuit ( 3 ) at least partially evaporated, and that - the working medium circuit ( 3 ) is formed as a steam power process, the at least the output side of the second heat exchanger ( 7 ) an expander ( 9 ) for generating mechanical energy and this downstream of a coolant and / or air-cooled condenser ( 10 ) having.

Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to claim 1, characterized in that on the output side of the second heat exchanger ( 7 ) in the coolant circuit ( 2 ) a throttle element ( 14 ) is arranged.

Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to claim 1 or 2, characterized in that of the waste heat pipe ( 8th ) in front of the first heat exchanger ( 6 ) a waste heat bypass line ( 12 ) leaving the first heat exchanger ( 6 ) bypasses.

Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the coolant circuit ( 2 ) in front of the second heat exchanger ( 7 ) a coolant bypass line ( 13 ), which after the second heat exchanger ( 7 ) in the coolant circuit ( 2 ) opens.

Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant circuit ( 2 ) and the working medium circuit ( 3 ) by means of the second heat exchanger ( 7 ) are heat coupled and fluidly separated from each other.

Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second heat exchanger ( 7 ) as an evaporator for evaporating the working medium (AF) of the working medium circuit ( 3 ) is trained.

Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that the steam power process of the waste heat utilization device ( 1.2 ) is a Rankine cycle, a Joule cycle, a Stirling cycle, or a Carnot cycle.

Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant (KM) of the coolant circuit ( 2 ) and / or the working medium (AF) of the working medium circuit ( 3 ) comprises at least one liquid from the following group: - oil, in particular a thermal oil, silicone oil, - water, - alcohols, in particular methanol, ethanol or the like, and / or - polyols, in particular glycol, glycerol or the like.

Method for using waste heat of an internal combustion engine ( 4 ) of a motor vehicle in waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) with an engine cooling ( 1.1 ) and a waste heat utilization device ( 1.2 ), the output side of the internal combustion engine ( 4 ) in a coolant circuit ( 2 ) the pressure of a coolant (KM) by means of a conveyor ( 5.1 ) is increased to a value that ensures that after a transfer of waste heat of the internal combustion engine ( 4 ) and / or from at least one further heat source to a coolant (KM) by means of a first heat exchanger ( 6 ) the coolant (KM) remains in a liquid phase, the output side of a second heat exchanger ( 7 ) in the coolant circuit ( 2 ) a pressure of the coolant (KM) to a pressure level of the internal combustion engine ( 4 ) is throttled, and wherein the thermal energy of the coolant (KM) by means of the second heat exchanger ( 7 ) on a working medium (AF) in a working medium cycle designed as a steam power process ( 3 ) is transferred, so that the working medium (AF) in the working medium circuit ( 3 ) at least partially evaporated and then in an expander ( 9 ) are relaxed to produce mechanical energy and in a downstream coolant and / or air-cooled condenser ( 10 ) is cooled.