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Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine in einer Abwärmenutzungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 9.
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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.
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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.
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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 9 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung sieht eine Abwärmenutzungsanordnung eines Kraftfahrzeuges 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 einen ersten Kühlmittel-Teilstrom des Kühlmittelkreislaufes überträgt, und
- – vor dem ersten Wärmetauscher von dem Kühlmittelkreislauf eine Abzweigleitung für einen zweiten Kühlmittel-Teilstrom abgeht und nach einem Kühlmittelkühler zur Kühlung des zweiten Kühlmittel-Teilstroms vor der Verbrennungskraftmaschine wieder in den Kühlmittelkreislauf mündet, und
- – im Kühlmittelkreislauf dem ersten Wärmetauscher ein zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der die Wärme des ersten Kühlmittel-Teilstroms 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.
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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.
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In einer möglichen Ausführungsform ist an einem Abzweigpunkt für die Abzweigleitung ein Steuerelement, insbesondere ein Steuerventil, ein Regelventil oder eine Steuerklappe, angeordnet.
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Die Erfindung beruht auf der allgemeinen Idee einer Kopplung von Motorkühlung und Abwärmenutzungsvorrichtung und der Verwendung von zwei Wärmesenken, mindestens einer Wärmesenke im Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung und einer im Arbeitsmediumkreislauf der Abwärmenutzungsvorrichtung. Mit anderen Worten: Nicht die gesamte Kühlmittelwärme, sondern nur die Wärme eines ersten Kühlmittel-Teilstroms ist in den Dampfkraftprozess der Abwärmenutzungsvorrichtung übertragbar, da der Kondensator limitierend ist. Der andere, zweite Kühlmittel-Teilstrom ist herkömmlich über einen Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher (auch Kühlmittelkühler genannt) führbar, wobei die beiden Kühlmittel-Teilströme flexibel einstellbar sind. Hierdurch ist es möglich, dass beispielsweise bis zu einer maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit der gesamte, aus der Verbrennungskraftmaschine strömende Kühlmittelstrom zur Nutzung dessen Wärme für den Dampfkraftprozess dem zweiten Wärmetauscher zuführbar ist. Hingegen bei Erreichen oder Überschreiten der maximalen Geschwindigkeit ist nur ein Kühlmittel-Teilstrom zur Nutzung dessen Wärme für den Dampfkraftprozess dem zweiten Wärmetauscher zuführbar, da anderenfalls der Kondensator des Dampfkraftprozesses zu viel Wärme kondensieren müsste. Der andere, zweite Kühlmittel-Teilstrom ist dem Kühlmittelkühler zur herkömmlichen Kühlung zuführbar.
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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.
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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 beispielsweise über ein Thermoöl als Kühlmittel auf das Arbeitsmedium im Dampfkraftprozess und somit auf ein Arbeitsmedium mit hoher Wärmekapazität wird ein stabiles System im Dampfkraftprozess erreicht. Die Erfindung sieht zusätzlich zum herkömmlichen Fahrzeugkühler als Wärmesenke im Dampfkraftprozess den luftgekühlten Kondensator vor. 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.
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Für eine optimale Wärmeübertragung ist der erste Wärmetauscher vom Abgasstrom und vom ersten Kühlmittel-Teilstrom nach dem Gleichstromprinzip durchstrombar, wohingegen der zweite Wärmetauscher vom ersten Kühlmittel-Teilstrom und vom Arbeitsmedium nach dem Gegenstromprinzip durchströmbar ist. Durch Durchströmen des zweiten Wärmetauschers im Gegenstromprinzip ist nahezu die gesamte Wärme des ersten Kühlmittel-Teilstroms auf das Arbeitsmedium übertragbar, so dass ein hoher Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsanordnung erzielt werden kann.
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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.
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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.
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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 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.
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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.
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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.
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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 Arbeit 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.
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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. 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.
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Im Primärkreislauf, d. h. im Kühlmittelkreislauf, wird bevorzugt ein Thermoöl anstelle eines Wasser-Glykol-Gemisches verwendet. Dabei wird das Thermoöl sowohl zum Kühlen der Verbrennungskraftmaschine als auch zum Heizen des Sekundärkreislaufs, 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. In einer möglichen Ausführungsform ist das Thermoöl ein synthetisches Öl auf Basis synthetisch hergestellter Kohlenwasserstoffe oder ein organisches Öl. 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.
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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 einen ersten Kühlmittel-Teilstrom indirekt übertragen und eine daraus resultierende Wärme des ersten Kühlmittel-Teilstroms 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. Darüber hinaus wird im Kühlmittelkreislauf ausgangsseitig der Verbrennungskraftmaschine ein zweiter Kühlmittel-Teilstrom abgezweigt und gekühlt. Dabei wird der vor dem ersten Wärmetauscher abgezweigte zweite Kühlmittel-Teilstrom in herkömmlicher Art und Weise luftgekühlt. Hierdurch weist die Abwärmenutzungsanordnung zumindest zwei Wärmesenken – eine in der Motorkühlung und somit im Kühlmittelkreislauf und eine in der Abwärmenutzungsvorrichtung und somit im Dampfkraftprozess – auf.
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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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit zwei Wärmesenken und wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler Abwärme-Bypassierung und luftgekühltem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf, und
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2 schematisch eine alternative Ausführungsform einer Abwärmenutzungsanordnung mit zwei Wärmesenken und mit wärmetechnisch indirekter Kopplung von Kühlmittelkreislauf und Arbeitsmediumkreislauf mit optionaler Abwärme- und Kühlmittel-Bypassierung und luftgekühltem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Sekundärseitig ist der erste Wärmetauscher 6 in den Kühlmittelkreislauf 2 fluidisch geschaltet und wird von einem in der Verbrennungskraftmaschine 4 erwärmten, ersten Kühlmittel-Teilstrom KM-TS1 mit einer Kühlmitteltemperatur in einem Temperaturbereich von 90°C bis 115°C durchströmt.
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Vor dem zweiten Wärmetauscher 7 geht in einem Abzweigpunkt A eine Abzweigleitung 14 ab, in welcher ein Kühlmittelkühler 15 angeordnet ist. Die Abzweigleitung 14 mündet vor der Fördereinrichtung 5 und somit vor der Verbrennungskraftmaschine 4 wieder in den Kühlmittelkreislauf 2. Mittels der Abzweigleitung 14 ist ein zweiter Kühlmittel-Teilstrom KM-TS2 vom aus der Verbrennungskraftmaschine 4 austretenden warmen Kühlmittel-Gesamtstrom abzweigbar und mittels des Kühlmittelkühlers 15 herkömmlich kühlbar. Hierzu ist der Kühlmittelkühler 15 als ein Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher ausgebildet, so dass der zweite Kühlmittel-Teilstrom KM-TS2 luftgekühlt dem Kühlmittelkreislauf 2 wieder zuführbar ist.
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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.
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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.
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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 ersten Kühlmittel-Teilstroms KM-TS1 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 erste Kühlmittel-Teilstrom KM-TS1 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.
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Der aufgeheizte erste Kühlmittel-Teilstrom KM-TS1, 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 ersten Kühlmittel-Teilstroms KM-TS1 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 der auf eine Temperatur von ungefähr 85°C abgekühlte erste Kühlmittel-Teilstrom KM-TS1 zusammen mit dem mittels des Kühlmittelkühlers 15 auf ungefähr 85°C gekühlte zweite Kühlmittel-Teilstrom KM-TS2 über die Fördereinrichtung 5, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, wieder der Verbrennungskraftmaschine 4 zur Kühlung zugeführt.
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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.
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Somit bilden im Kühlmittelkreislauf 2 der erste Wärmetauscher 6 eine Wärmequelle und der zweite Wärmetauscher 7 sowie der Kühlmittelkühler 15 jeweils eine Wärmesenke. Im Arbeitsmediumkreislauf 3 bildet der zweite Wärmetauscher 7 eine Wärmequelle und der Kondensator 10, der luftgekühlt ist, eine Wärmesenke.
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Zur Steuerung der beiden Kühlmittel-Teilströme KM-TS1, KM-TS2 ist am Abzweigpunkt A ein Steuerelement 14.1, insbesondere ein Steuer- oder Regelventil, eine Steuerklappe, angeordnet. Hierdurch ist der über die Abzweigleitung 14 abzweigbare zweite Kühlmittel-Teilstrom KM-TS2 flexibel einstellbar. So kann zum einem der gesamte aus der Verbrennungskraftmaschine 4 austretende warme Kühlmittelstrom dem Kühlmittelkreislauf 2 und dem Dampfkraftprozess des Arbeitsmediumkreislauf 3 zugeführt werden. In diesem Fall wird kein zweiter Kühlmittel-Teilstrom KM-TS2 am Abzweigpunkt A abgezweigt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein vorgegebener Geschwindigkeitswert für eine maximale Geschwindigkeit des Fahrzeugs unterschritten ist, so dass beinahe die gesamte Wärme des gesamten Kühlmittelstroms auf das Arbeitsmedium AF im Dampfkraftprozess übertragbar ist. Bei hohen Geschwindigkeiten, insbesondere bei Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit, kann mittels des Steuerelements 14.1 ein zweiter Kühlmittel-Teilstrom KM-TS2 abgezweigt werden, so dass der Betrieb des Kondensators 10 und somit der Wärmesenke im Dampfkraftprozess optimiert ist.
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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 der erste Kühlmittel-Teilstrom KM-TS1 durchströmen voneinander getrennt den ersten Wärmetauscher 6 mit gleicher Strömungsrichtung.
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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, der erste Kühlmittel-Teilstrom KM-TS1 und das Arbeitsmedium AF durchströmen voneinander getrennt den zweiten Wärmetauscher 7 entgegenkommend und somit mit entgegengesetzter Strömungsrichtung.
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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.
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Durch die indirekte Wärmeübertragung der Wärme des ersten Kühlmittel-Teilstroms KM-TS1 oder des gesamten Kühlmittelstroms 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.
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Das Kühlmittel KM des Kühlmittelkreislaufs 2 und/oder 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.
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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.
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Das Kühlmittel KM ist bevorzugt ein Thermoöl.
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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 den ersten Kühlmittel-Teilstrom KM-TS1 zu steuern, insbesondere zu begrenzen, um beispielsweise ein Verdampfen des ersten Kühlmittel-Teilstroms KM-TS1 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.
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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 dritter Kühlmittelteilstrom KM-TS3 abgezweigt und unter Umgehung des Verdampfers ausgangsseitig des Verdampfers wieder dem Kühlmittelkreislauf 2 zugeführt wird. Der dritte Kühlmittelteilstrom KM-TS3 ist dabei mittels eines Steuerelements 13.1, z. B. ein Bypassventil oder eine Klappe, einstellbar und steuerbar.
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Alternativ kann in nicht näher dargestellter Art und Weise die Abwärme-Bypassleitung 12 entfallen und nur eine Kühlmittel-Bypassleitung 13 vorgesehen sein.
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Die Idee als Kühlmittel KM der Verbrennungskraftmaschine 4 eines Kraftfahrzeugs ein Thermoöl einzusetzen, das sowohl der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 4 als auch der Aufheizung des Arbeitsmediums AF des Dampfkraftprozesses mittels indirekter Wärmeübertragung dient, ermöglicht 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.
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Bezugszeichenliste
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- 1 bis 1'
- Abwärmenutzungsanordnung
- 1.1
- Motorkühlung
- 1.2
- Abwärmenutzungsvorrichtung
- 2
- Kühlmittelkreislauf
- 3
- Arbeitsmediumkreislauf
- 4
- Verbrennungskraftmaschine
- 5
- Fördereinrichtung
- 6
- 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
- Abzweigleitung
- 14.1
- Steuerelement
- 15
- Kühlmittelkühler
- A
- Abzweigpunkt
- AS
- Abgasstrom
- A-TS
- Abgas-Teilstrom
- AF
- Arbeitsmedium
- KM
- Kühlmittel
- KM-TS1
- erster Kühlmittel-Teilstrom
- KM-TS2
- zweiter Kühlmittel-Teilstrom
- KM-TS3
- dritter Kühlmittel-Teilstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008064015 A1 [0002]
