DE102013021366A1 - Waste heat utilization arrangement of motor vehicle for utilization of waste heat of internal combustion engine in working medium circuit of waste heat utilization device, has heat exchanger arranged in coolant circuit of combustion engine - Google Patents

Waste heat utilization arrangement of motor vehicle for utilization of waste heat of internal combustion engine in working medium circuit of waste heat utilization device, has heat exchanger arranged in coolant circuit of combustion engine Download PDF

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Andreas Hartmann
Thomas Koch
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Abstract

The waste heat utilization arrangement (1) has a heat exchanger (6), which is arranged in a coolant circuit (2) of the internal combustion engine (4). The heat exchanger cools the exhaust gas stream (AS) guided in a waste heat pipe (8) and transmits the thermal energy of the exhaust gas stream to a coolant (KM) of the coolant circuit. Another heat exchanger (7) is downstream the former heat exchanger to transmit the thermal energy of the coolant to a working medium (AF) in the working medium circuit (3). An independent claim is included for a method for utilizing the waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle in a waste heat utilization arrangement.

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 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.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 verbesserte Abwärmenutzungsanordnung sowie ein Verfahren mit einer verbesserten Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine in der Abwärmenutzungsanordnung anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved waste heat recovery arrangement and a method with an improved use of waste heat of an internal combustion engine in the waste heat recovery assembly.

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 zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine 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 Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine und/oder zumindest einer weiteren Wärmequelle kühlt und die Wärme des Abgasstroms auf ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes überträgt, wobei das Kühlmittel ein Thermoöl ist, und
  • – im Kühlmittelkreislauf dem ersten Wärmetauscher ein zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der die Wärme 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. Alternaiv oder ergänzend kann der Kondensator auch durch ein Kühlmittel gekühlt werden.
The invention provides a waste heat utilization arrangement for utilizing waste heat of an internal combustion engine in a working medium circuit of a waste heat utilization device, wherein
  • - In a coolant circuit of the internal combustion engine downstream of the internal combustion engine, at least a first heat exchanger is arranged, which cools a guided in a waste heat pipe exhaust stream of the internal combustion engine and / or at least one further heat source and transfers the heat of the exhaust stream to a coolant of the coolant circuit, wherein the coolant is a thermal oil is and
  • - 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 a working fluid circuit, so that the working fluid in the working fluid circuit at least partially evaporated, wherein
  • - The working medium circuit is designed as a steam power process, which has an expander and downstream of this an air-cooled condenser at least on the output side of the second heat exchanger. Alternatively or additionally, the condenser can also be cooled by a coolant.

Die Erfindung beruht auf der allgemeinen Idee einer Kopplung von Motorkühlung und Abwärmenutzungsvorrichtung und der Verwendung eines Thermoöls im Primär-, d. h. im Kühlmittelkreislauf, anstelle eines Wasser-Glykol-Gemisches. Dabei wird das Thermoöl sowohl zum Kühlen der Verbrennungskraftmaschine als auch zum Heizen des Sekundär-, d. h. des Arbeitsmediumkreislaufs, genutzt. Das Thermoöl zeichnet sich durch eine sehr gute Wärmebeständigkeit, sehr gute Wärmeübertragung und niedrige Viskosität aus. Dadurch muss der Druck im Kühlmittelkreislauf nicht angehoben werden. Durch die indirekte Beheizung des zweiten Wärmetauschers, insbesondere des Verdampfers, ist ein sicherer, konstanter und stabiler Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung ermöglicht.The invention is based on the general idea of a coupling of engine cooling and waste heat recovery device and the use of a thermal oil in the primary, d. H. in the coolant circuit, instead of a water-glycol mixture. The thermal oil is used both for cooling the internal combustion engine and for heating the secondary, d. H. of the working medium circuit used. The thermal oil is characterized by a very good heat resistance, very good heat transfer and low viscosity. As a result, the pressure in the coolant circuit does not have to be raised. By the indirect heating of the second heat exchanger, in particular of the evaporator, a safe, constant and stable operation of the waste heat utilization arrangement is made possible.

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.

Im Folgenden sind ortsbezogene Bezeichnungen wie „vor” oder „nach” in Bezug auf die Strömungsrichtung des entsprechend relevanten Fluids oder Kreislaufs zu verstehen. Unter dem Begriff „Kraftfahrzeug” wird nachfolgend jedes angetriebene Fortbewegungsmittel subsumiert, also auch ein Schiff oder ein Flugzeug.In the following, location-related designations such as "before" or "after" in relation to the flow direction of the corresponding fluid or circuit to understand. The term "motor vehicle" below every powered means of transportation is subsumed, including a ship or an aircraft.

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 der Abwärme über ein Thermoöl 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 transfer of the waste heat via a thermal oil to the working medium in the steam power process and thus to a working medium with high heat capacity, a stable system in the steam power process is achieved. Another advantage of the invention is that a conventional vehicle radiator, usually on the vehicle front is arranged, 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, dass das Thermoöl mittels des ersten Wärmetauschers auf eine Heiztemperatur aufheizbar ist, bei welcher das Thermoöl im flüssigen Zustand verbleibt. Hierdurch ist ein Niederdruckbetrieb ermöglicht, wodurch die Anordnung einen einfachen Aufbau aufweist.A development of the invention provides that the thermal oil can be heated by means of the first heat exchanger to a heating temperature at which the thermal oil remains in the liquid state. As a result, a low-pressure operation is possible, whereby the arrangement has a simple structure.

In einer möglichen Ausführungsform ist das Thermoöl ein synthetisches Öl auf Basis synthetisch hergestellter Kohlenwasserstoffe oder ein organisches Öl. Das Thermoöl ist mittels des ersten Wärmetauschers auf eine Heiztemperatur in einem Bereich von 140°C bis 150°C aufheizbar. Durch Verwendung eines organischen Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf ist eine hohe Wärmeübertragung auch bei niedrigen Druck- und Temperaturwerten und bei gleichzeitig hinreichend großem Druckverhältnis im Expander ermöglicht.In one possible embodiment, the thermal oil is a synthetic oil based on synthetically produced hydrocarbons or an organic oil. The thermal oil is heatable by means of the first heat exchanger to a heating temperature in a range of 140 ° C to 150 ° C. By using an organic working fluid in the working medium circuit, a high heat transfer is possible even at low pressure and temperature values and at the same time sufficiently high pressure ratio in the expander.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass von der Abwärmeleitung vor dem ersten Wärmetauscher eine Abwärme-Bypassleitung abgeht, die den ersten Wärmetauscher umgeht. 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.A further development of the invention provides that a waste heat bypass line, which bypasses the first heat exchanger, passes from the waste heat conduit upstream of the first heat exchanger. 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 Abgasstroms 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 exhaust 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 der Verbrennungskraftmaschine, Ladeluft eines Ladeluftkühlers, Abgase einer Abgasrückführung, Motoröl, Getriebeöl 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 the internal combustion engine, charge air of an intercooler, exhaust gases of an exhaust gas recirculation, engine oil, transmission oil and / or waste heat of 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 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. In this way, an indirect heat supply of the waste heat of at least two or more heat sources to 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 an efficiency of the steam power process can be increased.

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 im Abgas 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.According to a development, the second heat exchanger is designed as an evaporator. By heating the coolant in the coolant circuit in the flow through the internal combustion engine itself and additionally by means of the waste heat in the exhaust gas of the internal combustion 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 has a high heat capacity, which can be delivered in the expander at a sufficiently high pressure ratio and converted into mechanical work, especially 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 des Expanders in mechanisch nutzbare Arbeit 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. hereby For example, part of the waste heat from the coolant and the heat sources can be converted into mechanical work by means of the expander. 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 Arbeitsmedium des Arbeitsmediumkreislaufs zumindest eine Flüssigkeit aus folgender Gruppe aufweist:

  • – Öl, insbesondere ein Silikonöl,
  • – Wasser,
  • – Alkohole, insbesondere Methanol, Ethanol oder dergleichen, und/oder
  • – Polyole, insbesondere Glykol, Glyzerin oder dergleichen. Das Arbeitsmedium ist bevorzugt ein organisches Arbeitsmittel mit einem deutlich niedrigeren Siedepunkt als Wasser. Dabei kann das Arbeitsmedium eine lipophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel ein Silikonöl, ein Ölgemisch oder dergleichen, oder eine hydrophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel eine Mischung aus Wasser und Additive zur Gefrierpunktserniedrigung, Alkohole, z. B. Methanol, Ethanol, Polyole, oder andere ein-/mehrwertige Alkohole sein.
A further embodiment provides that the working medium of the working medium circuit comprises at least one liquid from the following group:
  • - oil, especially a silicone oil,
  • - Water,
  • Alcohols, in particular methanol, ethanol or the like, and / or
  • - Polyols, in particular glycol, glycerol or the like. The working medium is preferably an organic working fluid with a significantly lower boiling point than water. In this case, the working medium, a lipophilic liquid, such as a silicone oil, an oil mixture or the like, or a hydrophilic liquid, such as a mixture of water and additives for freezing point depression, alcohols, eg. As methanol, ethanol, polyols, or other monohydric or polyhydric alcohols.

Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einer Abwärmenutzungsanordnung in einem Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine die Abwärme aus der Verbrennungskraftmaschine und/oder aus zumindest einer weiteren Wärmequelle auf ein Kühlmittel, das ein Thermoöl ist, 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 entspannt und in einem nachgeschalteten luftgekühlten Kondensator gekühlt wird.According to the invention, in a method for utilizing waste heat of an internal combustion engine in a waste heat utilization arrangement in a coolant circuit of the internal combustion engine, the waste heat from the internal combustion engine and / or from at least one further heat source to a coolant, which is a thermal oil, indirectly transferred and a resulting heat of the coolant transferred indirectly to a working fluid in a designed as a steam power process working fluid circuit, so that the working fluid is evaporated in the working fluid circuit and then expanded in an expander and cooled in a downstream air-cooled condenser.

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.A vehicle having an internal combustion engine with waste heat recovery performed in this manner has higher efficiency than a conventional internal combustion engine. In addition, fuel savings are achieved and the costs are significantly reduced due to the compact design.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch eine Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf 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 and working fluid 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 und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler 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 and working fluid circuit with optional 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 ,

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.These are in the coolant circuit 2 on 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 a first heat exchanger 6 and this downstream of a second heat exchanger 7 arranged.

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.From the internal combustion engine 4 goes beyond a waste heat pipe 8th from, through which a hot exhaust gas flow 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 an exhaust gas temperature in a temperature range of 300 ° C to 900 ° C flows through.

Sekundärseitig ist der erste Wärmetauscher 6 in den 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 die Wärme des heißen Abgasstroms AS auf das Kühlmittel KM indirekt übertragen wird, 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 in a manner not shown fluidly separated from each other, but heat-coupled indirectly via walls, so that the heat of the hot exhaust gas flow AS is indirectly transferred to the coolant KM, so that the coolant KM is further heated or heated.

Zur Erzielung eines sicheren und stabilen Prozesses in der Abwärmenutzungsanordnung 1 wird anstelle eines Wasser-Glykol-Gemisches als Kühlmittel KM ein Thermoöl verwendet. Das Thermoöl ist insbesondere ein synthetisches Öl auf Basis synthetisch hergestellter Kohlenwasserstoffe oder ein organisches Öl.To achieve a safe and stable process in the waste heat recovery assembly 1 a thermal oil is used instead of a water-glycol mixture as coolant KM. The thermal oil is in particular a synthetic oil based on synthetically produced hydrocarbons or an organic oil.

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 und somit das Thermoöl in einem flüssigen Zustand bleibt. Mit anderen Worten: Das Thermoöl weist eine hohe Wärmebeständigkeit auf, so dass es die thermische Energie des Abgasstroms AS aufnimmt ohne dabei zu verdampfen.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 and thus the thermal oil remains in a liquid state. In other words, the thermal oil has a high heat resistance, so that it absorbs the thermal energy of the exhaust gas flow AS without evaporating.

Das aufgeheizte Kühlmittel KM, d. h. das Thermoöl, 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 Wärme 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.The heated coolant KM, ie the thermal oil, is then in the coolant circuit 2 the second heat exchanger 7 fed on the primary side with a coolant temperature in a temperature 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 heated 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 output 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 oder einer Expansionsvorrichtung zugeführt, wobei die Wärme/Wärmekapazität 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.In the further course of the working medium circuit 3 the working medium AF is after the second heat exchanger 7 an expander 9 or an expansion device, wherein the heat / heat capacity of the evaporated working medium AF in the expansion device 9 is converted into mechanical work of a drive, not shown, or via a generator into electrical energy. The working medium AF has on the output side of the expansion device 9 still a temperature in a range of 60 ° C to 80 ° C and is in the working medium circuit 3 then for cooling a condenser 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 second conveying device 11 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.

Durch die indirekte Wärmeübertragung der Wärme des Kühlmittels KM und der Abwärme 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.Due to the indirect heat transfer of the heat of the coolant KM and the waste heat of 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.

Das Arbeitsmedium AF des Arbeitsmediumkreislaufs 3 kann zumindest eine Flüssigkeit aus folgender Gruppe aufweisen:

  • – Öl, insbesondere ein Silikonöl,
  • – Wasser,
  • – Alkohole, insbesondere Methanol, Ethanol oder dergleichen, und/oder
  • – Polyole, insbesondere Glykol, Glyzerin oder dergleichen.
The working medium AF of the working medium circuit 3 can have at least one liquid from the following group:
  • - oil, especially a silicone oil,
  • - Water,
  • Alcohols, in particular methanol, ethanol or the like, and / or
  • - Polyols, in particular glycol, glycerol or the like.

Das Arbeitsmedium AF ist bevorzugt ein organisches Medium, welches einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser aufweist. Es kann als Arbeitsmedium AF für den Arbeitsmediumkreislauf 3 eine hydrophile Flüssigkeit, wie zum Beispiel Polyole oder Alkohole, verwendet werden.The working medium AF is preferably an organic medium which has a lower boiling point than water. It can be used as the working medium AF for the working medium circuit 3 a hydrophilic liquid such as polyols or alcohols may be 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.

Die Idee als Kühlmittel KM der Verbrennungskraftmaschine 4 eines Kraftfahrzeugs ein Thermoöl einzusetzen, dass sowohl der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 4 als auch der Aufheizung des Arbeitsmediums AF des Dampfkraftprozesses mittels indirekter Wärmeübertragung dient, ist aufgrund der Wärmebeständigkeit des Thermoöls auch bei hohen Temperaturen ein stabiles und sicheres Systemverhalten. Durch die indirekte Wärmeübertragung sowohl der Abwärme des Abgasstroms AS als auch der Wärme der Verbrennungskraftmaschine 4 auf das Kühlmittel KM und damit das Thermoöl ist darüber hinaus ein erhöhter Wärmeeintrag in den Arbeitsmediumkreislauf 3 und somit eine höhere Leistung und somit gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad möglich.The idea as coolant KM of the internal combustion engine 4 a motor vehicle to use a thermal oil that both the cooling of the internal combustion engine 4 as well as the heating of the working medium AF of the steam power process by means of indirect heat transfer is due to the heat resistance of the thermal oil, even at high temperatures, a stable and safe system behavior. By the indirect heat transfer of both the waste heat of the exhaust stream AS and the heat of the internal combustion engine 4 On the coolant KM and thus the thermal oil is also an increased heat input into the working fluid circuit 3 and thus a higher power and thus simultaneously high efficiency possible.

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
55
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
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] DE 102008064015 A1 [0002]

Claims (10)

Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') eines Kraftfahrzeuges 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) zumindest ein erster Wärmetauscher (6) angeordnet ist, der einen in einer Abwärmeleitung (8) geführten Abgasstrom (AS) der Verbrennungskraftmaschine (4) kühlt und thermische Energie des Abgasstroms (AS) auf ein Kühlmittel (KM) des Kühlmittelkreislaufes (2) überträgt, wobei das Kühlmittel (KM) ein Thermoöl ist, und dass – im Kühlmittelkreislauf (2) dem ersten Wärmetauscher (6) ein zweiter Wärmetauscher (7) nachgeschaltet ist, der 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) zur Erzeugung mechanischer Energie und diesem nachgeschaltet einen luftgekühlten Kondensator (10) aufweist.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 ) at least one first heat exchanger ( 6 ), one in a waste heat pipe ( 8th ) guided exhaust gas flow (AS) of the internal combustion engine ( 4 ) cools and thermal energy of the exhaust gas stream (AS) to a coolant (KM) of the coolant circuit ( 2 ), wherein the coolant (KM) is a thermal oil, and that - in the coolant circuit ( 2 ) the first heat exchanger ( 6 ) a second heat exchanger ( 7 ), the thermal energy of the coolant (KM) on 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 an air-cooled condenser ( 10 ) having. Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoöl mittels des ersten Wärmetauschers (6) auf eine Heiztemperatur aufheizbar ist, bei welcher das Thermoöl im flüssigen Zustand verbleibt.Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to claim 1, characterized in that the thermal oil by means of the first heat exchanger ( 6 ) is heated to a heating temperature at which the thermal oil remains in the liquid state. Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoöl mittels des ersten Wärmetauschers (6) auf eine Heiztemperatur in einem Bereich von 140°C bis 150°C aufheizbar ist.Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to claim 2, characterized in that the thermal oil by means of the first heat exchanger ( 6 ) is heatable to a heating temperature in a range of 140 ° C to 150 ° C. Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoöl ein synthetisches Öl auf Basis synthetischer hergestellter Kohlenwasserstoffe oder ein organisches Öl ist.Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal oil is a synthetic oil based on synthetic hydrocarbons or an organic oil. Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Abwärmeleitung (8) vor dem ersten Wärmetauscher (6) eine Abwärme-Bypassleitung (12) abgeht, die den ersten Wärmetauscher (6) umgeht.Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to one of the preceding claims, 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. Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.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. Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (2) und der Arbeitsmediumkreislauf (3) mittels des zweiten Wärmetauschers (7) wärmegekoppelt und fluidisch voneinander getrennt sind.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. Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') 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.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. Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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.Waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that the working medium (AF) of the working medium circuit ( 3 ) at least one liquid from the following group: - a thermal oil, a silicone oil or another oil, - water, - methanol, ethanol or other alcohol, and / or - glycol, glycerol or other polyol. Verfahren zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeuges in einer Abwärmenutzungsanordnung (1 bis 1') mit einer Motorkühlung (1.1) und einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1.2), wobei Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (4) und/oder aus zumindest einer sonstigen Wärmequelle in einem Kühlmittelkreislauf (2) auf ein Kühlmittel (KM), das ein Thermoöl ist, indirekt übertragen wird und eine daraus resultierende thermische Energie des Kühlmittels (KM) auf ein Arbeitsmedium (AF) in einem als Dampfkraftprozess ausgebildeten Arbeitsmediumkreislauf (3) indirekt 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.Method for using waste heat of an internal combustion engine ( 4 ) of a motor vehicle in a waste heat utilization arrangement ( 1 to 1' ) with an engine cooling ( 1.1 ) and a waste heat utilization device ( 1.2 ), wherein waste heat of the internal combustion engine ( 4 ) and / or from at least one other heat source in a coolant circuit ( 2 ) is indirectly transferred to a coolant (KM), which is a thermal oil, and a resulting thermal energy of the coolant (KM) to a working medium (AF) in a working medium circuit (FIG. 3 ) is transferred indirectly, so that the working medium (AF) in the working medium circuit ( 3 ) at least partially evaporated and then in an expander ( 9 ) to generate mechanical energy and in a downstream air-cooled condenser ( 10 ) is cooled.
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DE102008064015A1 (en) 2008-12-19 2010-07-01 Daimler Ag Waste heat recovery device for utilization of waste heat of internal combustion engine of motor vehicle, has working fluid circuit connected with coolant heat exchanger, and coolant circuit fluid coupled with engine cooling circuit

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