DE102013021365A1

DE102013021365A1 - Abwärmenutzungsanordnung sowie Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeuges in einer Abwärmenutzungsanordnung

Info

Publication number: DE102013021365A1
Application number: DE102013021365.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Franke; 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 1IV) eines Kraftfahrzeuges zur Nutzung von Abwärme in einem Arbeitsmediumkreislauf (3) einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1.2), dadurch gekennzeichnet, dass – in einem Kühlmittelkreislauf (2) der Verbrennungskraftmaschine (4) ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine (4) zumindest ein erster Wärmetauscher (6) angeordnet ist, der einen in einer Abwärmeleitung (8) geführten Abwärmestrom (AS) kühlt und die thermische Energie des Abwärmestroms (AS) auf ein Kühlmittel (KM) des Kühlmittelkreislaufes (2) überträgt, und dass – im Kühlmittelkreislauf (2) dem erster Wärmetauscher (6) ein zweiter Wärmetauscher (7) nachgeschaltet ist, der die thermische Energie 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 Thermische Energietauschers (7) einen Expander (9) und diesem nachgeschaltet einen luftgekühlten Kondensator (10) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung eines Kraftfahrzeuges zur Nutzung von Abwärme mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeuges in einer Abwärmenutzungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 10.
Aus der DE 10 2008 064 015 A1 ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung der Abwärme von einer Verbrennungskraftmaschine, 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Abwärmenutzungsanordnung sowie ein Verfahren mit einer verbesserten Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine in der Abwärmenutzungsanordnung anzugeben.
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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung sieht eine Abwärmenutzungsanordnung zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeuges in einem Arbeitsmediumkreislauf einer Abwärmenutzungsvorrichtung vor, wobei

– in einem Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine stromab der Verbrennungskraftmaschine zumindest ein erster Wärmetauscher angeordnet ist, der einen in einer Abwärmeleitung geführten Abwärmestrom der Verbrennungskraftmaschine und/oder zumindest einer weiteren Wärmequelle kühlt und die thermische Energie des Abwärmestroms auf ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes überträgt, und
– im Kühlmittelkreislauf dem erster Wärmetauscher ein zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der die thermische Energie des Kühlmittels auf ein Arbeitsmedium in einem Arbeitsmediumkreislauf überträgt, so dass das Arbeitsmedium im Arbeitsmediumkreislauf zumindest teilweise verdampft, wobei
– der Arbeitsmediumkreislauf als ein Dampfkraftprozess ausgebildet ist, der zumindest ausgangsseitig des zweiten Wärmetauschers einen Expander und diesem nachgeschaltet einen luftgekühlten Kondensator aufweist.

Die Erfindung beruht auf der allgemeinen Idee einer Kopplung von Motorkühlung und Abwärmenutzungsvorrichtung. 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.
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 Wärmeübertragung 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.
Dabei umfasst der Begriff Kraftfahrzeug hier jedes angetriebene Fortbewegungsmittel, also auch ein Schiff oder ein Flugzeug.
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 ermöglicht ist und der Prozesswirkungsgrad des Dampfkraftprozesses steigt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass von der Abwärmeleitung vor dem ersten Wärmetauscher eine Abwärme-Bypassleitung abgeht, die den ersten Wärmetauscher umgeht. Dabei sind ortsbezogene Bezeichnungen wie „vor” oder „nach” 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.
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.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Wärmequellen jeweils mittels eines zugehörigen ersten Wärmetauschers mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt und fluidisch voneinander getrennt, wobei als Wärmequellen Abgase der Verbrennungskraftmaschine, Ladeluft eines Ladeluftkühlers, Abgase einer Abgasrückführung 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.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Kühlmittelkreislauf die mehreren ersten Wärmetauschern der weiteren Wärmequellen zueinander parallel und parallel zur Verbrennungskraftmaschine geschaltet sind, wobei ausgangsseitige Ableitungen in eine Sammelableitung münden, die in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem ersten Wärmetauscher der Verbrennungskraftmaschine in den Kühlmittelkreislauf mündet. Eine derartige separate Durchströmung des ersten Wärmetauschers einer jeden, weiteren Wärmequelle ist bedarfsgerecht steuerbar. Hierzu umfasst jeder Parallelzweig einer weiteren Wärmequelle zumindest eine zugehörige Fördereinrichtung, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, die bedarfsgerecht gesteuert werden kann.
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 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.
Gemäß einer Weiterbildung ist der zweite Wärmetauscher als ein Verdampfer ausgebildet. Durch die Erhitzung des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf bei der Durchströmung der Verbrennungskraftmaschine selbst und zusätzlich mittels der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine kann der zweite Wärmetauscher als ein Verdampfer ausgebildet sein. Dabei verdampft das Arbeitsmedium des Dampfkraftprozesses zumindest teilweise und weist eine hohe Wärmekapazität auf, die in dem Expander 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.
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 des Expanders in mechanisch nutzbare Energie umgewandelt werden. Diese aus Abwärme gewonnene, nutzbare mechanische Energie kann in Form von mechanischer Energie 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.
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, ein 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 sein.

Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einer Abwärmenutzungsanordnung die Abwärme aus der Verbrennungskraftmaschine und/oder aus zumindest einer weiteren Wärmequelle auf ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf indirekt übertragen und eine daraus resultierende Wärme des Kühlmittels auf ein Arbeitsmedium in einem als Dampfkraftprozess ausgebildeten Arbeitsmediumkreislauf indirekt übertragen, so dass das Arbeitsmedium im Arbeitsmediumkreislauf verdampft und anschließend in einem Expander unter Erzeugung mechanischer Energie entspannt und in einem nachgeschalteten luftgekühlten Kondensator gekühlt wird.
Ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine mit auf dieser Weise ausgeführter Abwärmenutzung weist gegenüber einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und die Kosten sind aufgrund der kompakten Bauweise deutlich reduziert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler Abwärme-Bypassierung und luftgekühltem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf,
2 schematisch eine alternative Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler Kühlmittel-Bypassierung und luftgekühltem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf,
3 schematisch ein Übersichtsbild einer Abwärmenutzungsanordnung mit mehreren Wärmequellen,
4 schematisch ein Temperatur-Weg-Diagramm,
5 schematisch eine Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit mehreren Wärmequellen im Kühlmittelkreislauf und indirekter thermischer Kopplung von Kühlmittelkreislauf und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler Abwärme-Bypassierung und luftgekühltem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf, und
6 schematisch eine alternative Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit mehreren Wärmequellen im Kühlmittelkreislauf und mit indirekter thermischer Kopplung von Kühlmittelkreislauf und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler Abwärme- und Kühlmittel-Bypassierung und luftgekühltem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung 1 mit indirekter thermischer 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.
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 2.
Hierzu sind im Kühlmittelkreislauf 2 eingangsseitig der Verbrennungskraftmaschine 4, eine Fördereinrichtung 5, insbesondere eine elektrische Pumpe, wie eine Kühlmittelpumpe, und ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine 4 ein erster Wärmetauscher 6 und diesem nachgeschaltet ein zweiter Wärmetauscher 7 angeordnet.
Von der Verbrennungskraftmaschine 4 geht darüber hinaus eine Abwärmeleitung 8 ab, durch welche ein heißer Abgasstrom AS der Verbrennungskraftmaschine 4 strömt. Der erste Wärmetauscher 6 ist mit dem Abgasstrom AS der Verbrennungskraftmaschine 4 beaufschlagbar. Hierzu ist der erste Wärmetauscher 6 in die Abwärmeleitung 8 fluidisch geschaltet und wird primärseitig vom heißen Abgasstrom AS mit einer Abgastemperatur in einem Temperaturbereich von 300°C bis 900°C durchströmt.
Sekundärseitig ist der erste Wärmetauscher 6 in den Kühlmittelkreislauf 2 fluidisch geschaltet und wird dem warmen Kühlmittel KM mit einer Kühlmitteltemperatur in einem Temperaturbereich von 90°C bis 115°C durchströmt.
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 die thermische Energie des heißen Abgasstroms AS auf das Kühlmittel KM indirekt übertragen wird. Dabei wird der Kühlmittelkreislauf 2 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.
Das aufgeheizte Kühlmittel KM wird anschließend im Kühlmittelkreislauf 2 dem zweiten Wärmetauscher 7 primärseitig mit einer Kühlmitteltemperatur in einem Temperaturbereich 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 thermische Energie des aufgeheizten 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.
Im weiteren Verlauf des Arbeitsmediumkreislaufs 3 wird das Arbeitsmedium AF nach dem zweiten Wärmetauscher 7 einem Expander 9 oder einer Expansionsvorrichtung zugeführt, wobei die thermische Energie des verdampften Arbeitsmediums AF in der Expansionsvorrichtung 9 in mechanische Arbeit eines nicht näher dargestellten Antriebs oder über einen Generator in elektrische Energie gewandelt wird. Das Arbeitsmedium AF weist ausgangsseitig der Expansionsvorrichtung 9 noch eine Temperatur in einem Bereich von 60°C bis 80°C auf und wird im Arbeitsmediumkreislauf 3 anschließend zur Kühlung 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 zweite Fördereinrichtung 11 wieder dem zweiten Wärmetauscher 7 und somit dem Verdampfer zugeführt.
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.
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.
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.
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.
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.
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, ein Silikonöl,
– Wasser,
– Alkohole, insbesondere Methanol, Ethanol oder dergleichen, und/oder
– Polyole, insbesondere Glykol, Glyzerin oder dergleichen.

Es kann eine lipophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel ein Öl, ein Ölgemisch oder dergleichen insbesondere als Kühlmittel KM für den Kühlmittelkreislauf 2 verwendet werden, wohingegen als Arbeitsmedium AF für den Arbeitsmediumkreislauf 3 eine hydrophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser sowie Alkohole, verwendet wird.
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 Abwärmeteilstrom A-TS und/oder der ausgangsseitig des ersten Wärmetauschers 6 strömende Abgasstrom AS können bzw. kann für weitere Abwärmenutzungsanordnungen verwendet und diesen zugeführt werden.
2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung 1', die im Wesentlichen der Abwärmenutzungsanordnung 1 gemäß 1 entspricht. Anstelle der abwärmeseitigen Bypassierung (Abwärme-Bypassleitung 12 entfällt) 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.
Alternativ kann in nicht näher dargestellter Art und Weise eine Abwärmenutzungsanordnung sowohl die Abwärme-Bypassleitung als auch die Kühlmittel-Bypassleitung umfassen.
3 zeigt schematisch ein Übersichtsbild einer weiteren Abwärmenutzungsanordnung 1'' mit mehreren Wärmequellen WQ1 bis WQ4. Als Wärmequellen WQ1 bis WQ4 dienen beispielsweise Abgase einer weiteren Verbrennungskraftmaschine, Ladeluft eines Ladeluftkühlers, Abgase einer Abgasrückführung, Motor- oder Getriebeölwärme und/oder Abwärme einer anderen Wärmequelle.
Die Wärmequellen WQ1 bis WQ4 sind jeweils mittels eines zugehörigen ersten Wärmetauschers 6(WQ1) bis 6(WQ4) in den Kühlmittelkreislauf 2 und eine Abgangsleitung 14 der betreffenden Wärmequelle WQ1 bis WQ4 geschaltet und dort wärmetechnisch gekoppelt, aber fluidisch voneinander getrennt. Hierdurch erfolgt eine höhere Wärmeübertragung, indem die Abwärme der mehreren Wärmequellen WQ1 bis WQ4 auf das Kühlmittel KM im Kühlmittelkreislauf 2 übertragen wird, wodurch hohe Wärmeübertragungsleistungen ermöglicht sind und der Rekuperationsgrad des Dampfkraftprozesses weiter gesteigert werden kann.
Die Wärmequellen WQ1 bis WQ4 und die zugehörigen ersten Wärmetauscher 6(WQ1) bis 6(WQ4) sind parallel zueinander in den Kühlmittelkreislauf 2 geschaltet. Hierzu gehen Zuleitungen 15 vom Kühlmittelkreislauf 2 parallel ab und münden in dem jeweiligen ersten Wärmetauscher 6(WQ1) bis 6(WQ4). Ausgangsseitig des jeweiligen ersten Wärmetauschers 6(WQ1) bis 6(WQ4) münden Ableitungen 16 wieder in den Kühlmittelkreislauf 2. Dabei ist in den Ableitungen 16 jeweils ein Steuerelement 16.1, z. B. ein Ventil oder eine Klappe, zur Steuerung und Einstellung des Kühlmittel-Abzweigstroms der betreffenden Wärmequelle WQ1 bis WQ4 angeordnet.
4 zeigt schematisch ein Kühlmitteltemperatur-Weg-Diagramm, welches den Verlauf einer aus der Nutzung mehrerer Wärmequellen WQ1 bis WQ4 resultierenden höheren Summen-Kühlmitteltemperatur T(KM) vor dem zweiten Wärmetauscher 7 darstellt.
5 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung 1 mit mehreren Wärmequellen WQ1 bis WQ3 im Kühlmittelkreislauf 2 und wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf 2 und Arbeitsmediumkreislauf 3 mit optionaler Abwärme-Bypassierung (wie unter 1 beschrieben) und luftgekühltem Kondensator 10 im Arbeitsmediumkreislauf 3.
Im Unterschied zur 3 geht vom Kühlmittelkreislauf 2 vor der Fördereinrichtung 5 der Verbrennungskraftmaschine 4 eine Sammelzuleitung 17 ab. Von der Sammelzuleitung 17 gehen dann Zuleitungen 18 gegebenenfalls über eine Fördereinrichtung 5(WQ1) bis 5(WQ3) zu den ersten Wärmetauschern 6(WQ1) bis 6(WQ3) ab. Ausgangsseitig dieser ersten Wärmetauscher 6(WQ1) bis 6(WQ3) münden ausgangsseitige Ableitungen 19 in eine Sammelableitung 20, die nach der Verbrennungskraftmaschine 4 und vor dem ersten Wärmetauscher 6 wieder in den Kühlmittelkreislauf 2 mündet. Die mehreren ersten Wärmetauscher 6(WQ1) bis 6(WQ3) der weiteren Wärmequellen WQ1 bis WQ3 sind im Kühlmittelkreislauf 2 somit zueinander parallel und parallel zur Verbrennungskraftmaschine 4 geschaltet.
Eine derartige separate Durchströmung der ersten Wärmetauscher 6(WQ1) bis 6(WQ3) einer jeden, weiteren Wärmequelle WQ1 bis WQ3 ist bedarfsgerecht mittels der zugehörigen Fördereinrichtung 5(WQ1) bis 5(WQ3), z. B. eine Kühlmittelpumpe, steuerbar.
6 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung 1IV mit mehreren Wärmequellen WQ1 bis WQ3 im Kühlmittelkreislauf 2 und mit wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf 2 und Arbeitsmediumkreislauf 3 mit optionaler Abwärme- und Kühlmittel-Bypassierung (wie oben zu den 1 und 2 beschrieben) und mit luftgekühltem Kondensator 10 im Arbeitsmediumkreislauf 3.
Bezugszeichenliste

1 bis 1^IV: Abwärmenutzungsanordnung
1.1: Motorkühlung
1.2: Abwärmenutzungsvorrichtung
2: Kühlmittelkreislauf
3: Arbeitsmediumkreislauf
4: Verbrennungskraftmaschine
5, 5(WQ1) bis 5(WQ4): Fördereinrichtung
6, 6(WQ1) bis 6(WQ4): erster Wärmetauscher
7: zweiter Wärmetauscher
8: Abwärmeleitung
9: Expander
10: Kondensator
11: Fördereinrichtung
12: Abwärme-Bypassleitung
12.1: Steuerelement
13: Kühlmittel-Bypassleitung
13.1: Steuerelement
14: Abgangsleitung
15: Zuleitungen
16: Ableitungen
16.1: Steuerelement
17: Sammelzuleitung
18: Zuleitungen
19: Ableitungen
20: Sammelableitung
AS: Abgasstrom
A-TS: Abgas-Teilstrom
AF: Arbeitsmedium
KM: Kühlmittel
KM-TS: Kühlmittel-Teilstrom
T(KM): Summen-Kühlmitteltemperatur
WQ1 bis WQ4: Wärmequelle
S: Weg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008064015 A1 [0002]

Claims

Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) eines Kraftfahrzeuges zur Nutzung von Abwärme in einem Arbeitsmediumkreislauf (3) einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1.2), dadurch gekennzeichnet, dass – in einem Kühlmittelkreislauf (2) einer Verbrennungskraftmaschine (4) ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine (4) zumindest ein erster Wärmetauscher (6) angeordnet ist, der einen in einer Abwärmeleitung (8) geführten Abwärmestrom (AS) kühlt und die thermische Energie des Abwärmestroms (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 thermische Energie 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.
Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Abwärmeleitung (8) vor dem ersten Wärmetauscher (6) eine Abwärme-Bypassleitung (12) abgeht, die den ersten Wärmetauscher (6) umgeht.
Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV ⁾ nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelkreislauf (2) vor dem zweiten Wärmetauscher (7) eine diesen umgehende Kühlmittel-Bypassleitung (13) abgeht, die nach dem zweiten Wärmetauscher (7) in den Kühlmittelkreislauf (2) mündet.
Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmequellen (WQ1 bis WQ4) jeweils mittels eines zugehörigen ersten Wärmetauschers (6(WQ1) bis 6(WQ4)) mit dem Kühlmittelkreislauf (2) thermisch gekoppelt und fluidisch voneinander getrennt sind, wobei als Wärmequellen (6(WQ1) bis 6(WQ4)) Abgase eines Verbrennungsmotors, Ladeluft eines Ladeluftkühlers, Abgase einer Abgasrückführung und/oder Abwärme einer anderen Wärmequelle dem jeweils zugehörigen ersten Wärmetauscher (6(WQ1) bis 6(WQ4)) zuführbar sind.
Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelkreislauf (2) die mehreren ersten Wärmetauscher (6(WQ1) bis 6(WQ4)) der weiteren Wärmequellen (WA1 bis WQ4) zueinander parallel und parallel zur Verbrennungskraftmaschine (4) geschaltet sind, wobei stromab der mehreren ersten Wärmetauscher (6(WQ1) bis 6(WQ4)) der weiteren Wärmequellen (WA1 bis WQ4) Ableitungen (19) in eine Sammelableitung (20) münden, die vor dem ersten Wärmetauscher (6) in den Kühlmittelkreislauf (2) mündet.
Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (2) und der Arbeitsmediumkreislauf (3) mittels des zweiten Wärmetauschers (7) thermisch gekoppelt und fluidisch voneinander getrennt sind.
Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (7) als ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums (AF) des Arbeitsmediumkreislaufs (3) ausgebildet ist.
Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkraftprozess der Abwärmenutzungsvorrichtung (1.2) ein Clausius-Rankine-Kreisprozess, ein Joule-Kreisprozess, ein Stirling-Kreisprozess oder ein Carnot-Kreisprozess ist.
Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (KM) des Kühlmittelkreislaufs (2) und/oder das Arbeitsmedium (AF) des Arbeitsmediumkreislaufs (3) zumindest eine Flüssigkeit aus folgender Gruppe aufweist: – ein Thermoöl, ein Silikonöl oder ein sonstiges Öl, – Wasser, – Methanol, Ethanol oder sonstigen Alkohol, und/oder – Glykol, Glyzerin oder sonstiges Polyol.
Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeugs in einer Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1IV) mit einer Motorkühlung (1.1) und einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1.2), wobei Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine (4) und/oder aus zumindest einer weiteren Wärmequelle (WQ1 bis WQ4) auf ein Kühlmittel (KM) in einem Kühlmittelkreislauf (2) übertragen wird und eine daraus resultierende thermische Energie auf ein Arbeitsmedium (AF) in einem als Dampfkraftprozess ausgebildeten Arbeitsmediumkreislauf (3) übertragen wird, so dass das Arbeitsmedium (AF) im Arbeitsmediumkreislauf (3) zumindest teilweise verdampft und anschließend in einem Expander (9) unter Erzeugung mechanischer Energie entspannt und in einem nachgeschalteten luftgekühlten Kondensator (10) gekühlt wird.