DE102013112382A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme eines Verbrennungsmotors sowie Fahrzeug - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme eines Verbrennungsmotors sowie Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung einer Abwärme (11) eines Verbrennungsmotors (10) sowie eine Vorrichtung (15) zur Nutzung einer Abwärme (11) eines Verbrennungsmotors (10), aufweisend zumindest ein Kreislaufwärmerohr (20). Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, zumindest aufweisend einen Verbrennungsmotor (10) und eine Vorrichtung (15) zur Nutzung einer Abwärme (11) des Verbrennungsmotors (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung einer Abwärme eines Verbrennungsmotors, eine Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme eines Verbrennungsmotors sowie ein Fahrzeug.
  • Verbrennungsmotoren stellen eine wichtige Komponente in vielen Geräten und Maschinen der modernen Technik dar. Insbesondere werden Verbrennungsmotoren verwendet, um Fahrzeuge anzutreiben. Dabei ist es ständiges Bestreben, die Effizienz derartiger Verbrennungsmotoren zu steigern. Eine mögliche Art, die Effizienz zu steigern, ist dabei beispielsweise die Nutzung einer Abwärme des Verbrennungsmotors. Diese entsteht bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor und stellt ungenutzt einen Energieverlust dar, der sich negativ auf die Effizienz und den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors auswirkt.
  • Es ist dabei bekannt, die Abwärme beispielsweise über einen Wärmetauscher einem Abnehmer zuzuführen, diese Wärmeenergie so zu nutzen und somit die Effizienz des Verbrennungsmotors zu steigern. Derartige Abnehmer können dabei beispielsweise eine Heizung eines Innenraums eines Fahrzeugs, eine Motorölheizung oder andere Wärme aufnehmende Abnehmer darstellen. Dabei ist ferner bekannt, zum Wärmetransport ein Wärmerohr (Heat Pipe) zu verwenden. Derartige Wärmerohre haben dabei insbesondere den Vorteil, dass in ihnen der Wärmetransport ohne externe Antriebseinheiten, wie beispielsweise Pumpen, erfolgt. Dabei können derartige Wärmerohre als einfache Rohre oder als ein Kreislaufwärmerohr (Loop Heat Pipe) ausgebildet sein, wobei in Ersteren ein Wärmeübertragungsmedium in flüssigen und dampfförmigen Zustand in einem einzigen Rohr, in Letzterem ein geschlossener Rohrkreislauf vorgesehen ist, wobei das Wärmeübertragungsmedium in verschiedenen Abschnitten des Kreislaufwärmerohres flüssig bzw. dampfförmig vorliegt. Die Abwärme eines Verbrennungsmotors ist dabei abhängig von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors. So ist beispielsweise nach einem Start des Verbrennungsmotors die Abwärme geringer als in einem späteren Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor unter hoher Last betrieben wird. Bei Wärmerohren, insbesondere auch bei Kreislaufwärmerohren, kann und muss dies berücksichtigt werden, da diese Wärmetransportvorrichtungen ohne äußeren Antrieb funktionieren. Somit transportieren sie zu jeder Zeit die ihnen zugetragene Abwärme, unabhängig davon, welche Menge an Abwärme zur Verfügung steht und/oder ob diese vom Abnehmer benötigt wird. So ist beispielsweise aus der JP 2007 085 195 ein Verbrennungsmotor bekannt, dessen Abwärme durch ein Kreislaufwärmerohr über einen zusätzlichen Wärmetauscher einem Dampfkreislauf zugeführt werden kann. Dabei ist vorgesehen, den Transport der Wärme über Ventile derart zu steuern, dass er erst dann gestartet wird, wenn der Verbrennungsmotor bzw. die Abwärme des Verbrennungsmotors eine Temperaturschwelle überschreitet. Die Abwärme des Verbrennungsmotors in einem Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor diese Temperaturschwelle noch nicht überschreitet, wird nicht transportiert und geht somit verloren. Eine effektive und umfassende Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors ist dadurch nicht möglich. In anderen Vorrichtungen zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungsmotoren durch Wärmerohre kann es vorgesehen sein, dass die Abwärme durch das Wärmerohr, insbesondere durch das Kreislaufwärmerohr, zur Aufheizung von Komponenten des Verbrennungsmotors verwendet wird. Nach Abschluss der Aufheizung wird der Wärmetransport unterbrochen. Somit kann ab diesem Zeitpunkt ebenfalls eine Effizienzsteigerung beim Betrieb des Verbrennungsmotors nicht mehr erreicht werden.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend genannten Nachteile von Verfahren und Vorrichtungen zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors sowie von Fahrzeugen zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors sowie eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors und ein Fahrzeug bereitzustellen, durch die eine Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors verbessert und eine möglichst umfassende Steigerung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors erreicht werden kann.
  • Die voranstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist dabei durch folgende Schritte gekennzeichnet:
    • a) Überwachung eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors,
    • b) Erkennen eines ersten Betriebszustandes des Verbrennungsmotors,
    • c) Zuführen der Abwärme durch ein Kreislaufwärmerohr an einen ersten Abnehmer während des ersten Betriebszustands des Verbrennungsmotors,
    • d) Erkennen einer Änderung des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors vom ersten in einen zweiten Betriebszustand,
    • e) Umschalten des Transports der Abwärme vom ersten zu einem zweiten Abnehmer und
    • f) Zuführen der Abwärme durch das Kreislaufwärmerohr an den zweiten Abnehmer während des zweiten Betriebszustands des Verbrennungsmotors.
  • Ein Verbrennungsmotor produziert als Verlust Abwärme. Diese Abwärme kann für verschiedene Betriebszustände des Verbrennungsmotors unterschiedlich sein. So produziert beispielsweise ein Verbrennungsmotor in einer Kaltstartphase weniger Abwärme als in einem späteren Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor unter hoher Last betrieben wird. Auch kann es von Vorteil sein, während verschiedener Betriebszustände unterschiedlichen Abnehmern Abwärme des Verbrennungsmotors zuzuführen. So kann beispielsweise am Anfang des Betriebs des Verbrennungsmotors die Abwärme verwendet werden, um Komponenten des Verbrennungsmotors aufzuheizen. Während eines späteren Betriebszustands des Verbrennungsmotors, in dem die Motorkomponenten ihre Betriebstemperatur erreicht haben, ist eine derartige Aufheizung nicht mehr nötig. Gemäß dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors in diesem Fall zu beenden. Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors ist im Gegensatz dazu vorgesehen, einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors zu überwachen und zu erkennen. Dabei können das Überwachen und das Erkennen des Betriebszustands über eine aktive Messung durch Sensoren vorgenommen werden oder auch passiv, beispielsweise durch eine Rückkopplung der aufgenommenen Wärmemenge mit zumindest einem Abnehmer, dem ein Kreislaufwärmerohr diese Abwärme zuführt. Während eines ersten Betriebszustands des Verbrennungsmotors wird die Abwärme durch das Kreislaufwärmerohr an einen ersten Abnehmer zugeführt. Ändert sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors von einem ersten in einen zweiten Betriebszustand, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass dies erkannt wird und der Transport der Abwärme von einem ersten zu einem zweiten Abnehmer umgeschaltet wird. Dabei kann die Änderung eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors beispielsweise der Übergang von einer Kaltstartphase in eine Lastphase des Verbrennungsmotors sein. Ebenfalls möglich ist, dass die Änderung eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors auch bedeutet, dass der erste Abnehmer nicht mehr zur Aufnahme von Abwärme zur Verfügung steht und deshalb ein Umschalten des Transports der Abwärme vom ersten zum zweiten Abnehmer vorgenommen wird. Gemäß einem letzten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist dann vorgesehen, die Abwärme durch das Kreislaufwärmerohr an den zweiten Abnehmer während des zweiten Betriebszustands des Verbrennungsmotors zuzuführen. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es somit möglich, die Abwärme eines Verbrennungsmotors während mehrerer Betriebszustände des Verbrennungsmotors zu nutzen. Eine Abschaltung einer Nutzung oder eine erst im Verlauf des Betriebs vorgenommene Zuschaltung der Nutzung der Abwärme wird dadurch vermieden. Die Abwärme eines Verbrennungsmotors kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren insbesondere über den gesamten Betrieb des Verbrennungsmotors erfolgen. Eine Steigerung der Effizienz beim Betrieb des Verbrennungsmotors kann somit vorteilhafterweise während der gesamten Betriebsdauer des Verbrennungsmotors erreicht werden. Dies ermöglicht darüber hinaus ferner, den Verbrennungsmotor mit einem höheren Wirkungsgrad zu betreiben, was zum einen einen Kostenvorteil darstellt und zum anderen durch Einsparung von Energie auch umweltschonend ist.
  • Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Überwachung in Schritt a) kontinuierlich durchgeführt wird. Dies stellt eine besonders effiziente Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, da dadurch eine besonders schnelle und bedarfsgerechte Umschaltung im Schritt e) des Verfahrens vorgenommen werden kann, da im Schritt d) eine Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors vom ersten in den zweiten Betriebszustand besonders zeitnah erkannt wird. Dabei kann kontinuierlich im Sinne der Erfindung beispielsweise ein ständiges Überwachen oder aber auch eine Überwachung, die in kurzen Abständen, insbesondere sekündlich, durchgeführt wird, bedeuten. Eine weitere Effizienzsteigerung beim Betrieb des Verbrennungsmotors kann dadurch erreicht werden.
  • Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gekennzeichnet sein, dass die Überwachung in Schritt a) und/oder das Erkennen der Änderung in Schritt b) und/oder das Umschalten des Transports in Schritt e) durch ein Leitungselement, insbesondere ein Rückschlagventil, des Kreislaufwärmerohres durchgeführt wird. Dies stellt eine besonders einfache Überwachung dar, da das Leitungselement insbesondere ein passives Element, das heißt ein Element ohne aktive Regelung und/oder Steuerung, darstellt. Durch das Kreislaufwärmerohr wird die Abwärme vom Verbrennungsmotor zum ersten Abnehmer transportiert. Der Betriebszustand, in dem sich der Verbrennungsmotor befindet, kann die Menge der Abwärme sowie den dafür günstigsten Abnehmer beeinflussen. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors durch die Abwärme des Verbrennungsmotors ein Motoröl des Verbrennungsmotors aufzuheizen. Ist dieses Motoröl auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt, kann dies insbesondere auch bedeuten, dass die Kaltstartphase als Betriebszustand des Verbrennungsmotors abgeschlossen ist. Ein Wärmetransport durch das Kreislaufwärmerohr in das Motoröl ist in diesem Fall nicht mehr möglich. Der Dampfdruck im Kreislaufwärmerohr steigt dadurch an, wodurch das Leitungselement, das insbesondere als Rückschlagventil ausgebildet sein kann, derart automatisch betätigt wird, dass ein Umschalten des Transports der Abwärme zu einem zweiten Abnehmer erfolgen kann. Auf diese Art und Weise kann eine besonders einfache Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden. Auf zusätzliche Sensoren und aktive Schaltelemente kann durch die Verwendung eines Leitungselements, das die Überwachung in Schritt a) und/oder das Erkennen der Änderung in Schritt b) und/oder das Umschalten des Transports in Schritt e) durchführt, verzichtet werden.
  • Auch kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass die Abwärme einem Abgasstrom und/oder einer Abgasrückführung entnommen wird. Dies stellt eine besonders effektive Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors dar, da die Abwärme im Abgas sonst an die Umgebung abgegeben wird und damit einen unmittelbaren Verlust darstellt. Durch die Nutzung der Abwärme eines Abgasstroms und/oder einer Abgasrückführung kann somit die Effizienz beim Betrieb eines Verbrennungsmotors besonders gut gesteigert werden.
  • Auch kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gekennzeichnet sein, dass ein Kaltstart des Verbrennungsmotors als erster Betriebszustand und/oder ein Lastbetrieb, insbesondere ein Hochlastbetrieb, als zweiter Betriebszustand des Verbrennungsmotors erkannt wird. Ein Kaltstart des Verbrennungsmotors und ein Lastbetrieb des Verbrennungsmotors stellen dabei deutlich unterschiedliche Betriebszustände des Verbrennungsmotors dar. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass zum einen die Menge an Abwärme in diesen beiden Betriebszuständen deutlich unterschiedlich ist und zum anderen während dieser Betriebszustände auch unterschiedliche Abnehmer für eine Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors am günstigsten sind. So ist beispielsweise bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors von Vorteil, wenn Komponenten des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf deren Betriebstemperatur erwärmt werden. Dies kann insbesondere dadurch vorgenommen werden, dass diese Komponenten als erste Abnehmer durch das Kreislaufwärmerohr mit Wärmeenergie aus der Abwärme des Verbrennungsmotors versorgt werden. Bei einem Lastbetrieb, insbesondere einem Hochlastbetrieb, als zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors ist eine derartige Nutzung der Abwärme für die Aufwärmung von Motorkomponenten nicht mehr nötig. Die Abwärme kann in diesem Fall anderen zweiten Abnehmern, wie beispielsweise einer Innenraumheizung eines Fahrzeugs oder einem Dampfkreislauf zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie zugeführt werden. Somit ist es möglich, während beider Betriebszustände die Abwärme des Verbrennungsmotors durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zu nutzen und somit zu jeder Zeit die Effizienz beim Betrieb des Verbrennungsmotors zu steigern.
  • Auch kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass als ersten Abnehmer die Abwärme einer Motorheizung, einer Ladeluftheizung, einer Motorölheizung, einer Kühlwasserheizung, einer Getriebeölheizung, einer Differentialölheizung, einer Innerraumheizung eines Fahrzeugs und einer Klimaanlage eines Fahrzeugs zugeführt wird. Selbstverständlich können neben den aufgezählten ersten Abnehmern auch andere erste Abnehmer vorgesehen sein. Insbesondere können natürlich auch Abnehmer, die hier als erste Abnehmer genannt werden, als zweite Abnehmer verwendet werden. Eine besonders breite Anwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann so sichergestellt werden.
  • Besonders bevorzugt kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgestaltet sein, dass die Abwärme als zweitem Abnehmer einem Expander zugeführt wird. In einem Expander wird ein, insbesondere dampfförmiges, Arbeitsfluid des Kreislaufwärmerohres entspannt und dadurch dessen Druck vermindert. Insbesondere kühlt das Arbeitsfluid dadurch auch ab. Im Expander wird somit Druck- und Wärmeenergie, die durch das Kreislaufwärmerohr transportiert wird, in mechanische Energie, insbesondere in Rotationsenergie, umgewandelt. Durch diese direkte Umwandlung der im Kreislaufwärmerohr transportierten Abwärmeenergie des Verbrennungsmotors in mechanische Energie ist eine besonders breite Anwendungsmöglichkeit der Nutzung dieser Energie ermöglicht. Die mechanische Energie kann dabei beispielsweise direkt zum Antreiben einer Vorrichtung oder, durch den Anschluss eines Generators an den Expander, zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Insbesondere ist durch die direkte Anordnung des Expanders im Kreislaufwärmerohr das Kreislaufwärmerohr selbst als Dampfkreislauf, insbesondere als Rankine-Kreislauf, betreibbar. Ein zusätzlicher Wärmetauscher, der benötigt würde, um einen externen Dampfkreislauf, insbesondere einen externen Rankine-Kreislauf, zu betreiben, kann dadurch eingespart werden. Eine besonders verlustarme Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors in einem Dampfkreislauf kann dadurch erreicht werden.
  • Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass während des Schritts f) der Druck im Kreislaufwärmerohr erhöht wird. Dies ist beispielsweise durch ein externes Druckreservoir oder durch eine Pumpe ermöglicht. Durch die Erhöhung eines Drucks im Kreislaufwärmerohr ist es möglich, die Effizienz der Abwärmenutzung nochmals zu steigern. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein Expander als zweiter Abnehmer verwendet wird, da ein größerer Druckabfall am Expander eine Erzeugung von mehr mechanischer Energie ermöglicht.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme eines Verbrennungsmotors, aufweisend zumindest ein Kreislaufwärmerohr. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme zum Erkennen von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, zum Zuführen der Abwärme über das Kreislaufwärmerohr zu einem ersten Abnehmer während eines ersten Betriebszustands des Verbrennungsmotors, zum Umschalten der Zuführung der Abwärme von einem ersten zu einem zweiten Abnehmer bei einer Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors und zum Zuführen der Abwärme über das Kreislaufwärmerohr zum zweiten Abnehmer während eines zweiten Betriebszustands des Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
  • Die Abwärme eines Verbrennungsmotors kann unterschiedlich sein bei verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors. So kann beispielsweise die Abwärme bei einem Betriebszustand direkt nach dem Start eines Verbrennungsmotors geringer sein als in einem Betriebszustand, bei dem der Verbrennungsmotor unter Last betrieben wird. Auch die Abnehmer, die idealerweise durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Abwärme des Verbrennungsmotors versorgt werden, können sich in den verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors unterscheiden. So ist es beispielsweise von Vorteil, wenn bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors Komponenten des Verbrennungsmotors Abwärme zugeführt wird, um diese auf deren Betriebstemperatur aufzuheizen. Eine derartige Aufheizung ist in einem späteren Betriebszustand, bei dem der Verbrennungsmotor unter Last betrieben wird, nicht mehr nötig. In diesem späteren zweiten Betriebszustand kann daher die Abwärme anderen Abnehmern, wie beispielsweise einer Heizung eines Innenraums eines Fahrzeugs oder einem Dampfkreislauf zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie, zugeführt werden. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist genau diese Umschaltung der Abnehmer, denen durch das Kreislaufwärmerohr die Abwärme des Verbrennungsmotors zugeführt wird, abhängig von den Betriebszuständen des Verbrennungsmotors möglich. Die Abwärme des Verbrennungsmotors kann dadurch während verschiedener Betriebszustände des Verbrennungsmotors verschiedenen Abnehmern zugeführt werden. Eine Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors ist so über den gesamten Betrieb des Verbrennungsmotors möglich. Eine Abschaltung der Nutzung nach Ende eines Betriebszustands und/oder ein erstmaliges Zuschalten der Nutzung der Abwärme bei einem späteren Betriebszustand, wie es gemäß dem Stand der Technik bekannt ist, kann somit vermieden werden. Dadurch kann ein Verbrennungsmotor, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors aufweist, mit höherer Effizienz und damit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden. Dies stellt einen Kostenvorteil und durch den geringeren Energieverbrauch des Verbrennungsmotors auch eine Schonung der Umwelt dar.
  • Besonders bevorzugt kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Nutzung einer Abwärme eines Verbrennungsmotors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme eines Verbrennungsmotors, die zur Ausführung eines derartigen Verfahrens ausgebildet ist.
  • Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass der zweite Abnehmer ein Expander ist und dass eine Kühlung des Kreislaufwärmerohres durch ein Motorkühlwasser erfolgt. Im Expander wird ein, insbesondere dampfförmiges, Arbeitsfluid des Kreislaufwärmerohres entspannt und abgekühlt. Durch den Expander wird somit die Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Arbeit, insbesondere in Rotationsarbeit umgesetzt. Eine direkte Nutzung dieser mechanischen Arbeit oder, bei Anschluss eines Generators an eine Welle des Expanders, die Nutzung elektrischer Energie ist somit ermöglicht. Nach dem Expander kann das Arbeitsmedium des Kreislaufwärmerohres immer noch dampfförmig vorliegen. Durch eine Kühlung des Kreislaufwärmerohres und dadurch des Arbeitsmediums des Kreislaufwärmerohres durch ein Motorkühlwasser kondensiert das Arbeitsmedium und kann im Anschluss daran durch die Abwärme des Verbrennungsmotors wieder verdampfen. Durch die Nutzung des Motorkühlwassers zum Kondensieren des Arbeitsmediums ist keine zusätzliche Kühlvorrichtung für das Kreislaufwärmerohr nötig. Auf diese Art und Weise kann das Kreislaufwärmerohr besonders einfach als Dampfkreislauf, insbesondere als Rankine-Kreislauf, betrieben werden. Dies stellt, insbesondere bei einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors bei einer hohen Last des Verbrennungsmotors, eine besonders effiziente Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors dar.
  • Auch kann in einer Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass eine Vorrichtung zur Druckveränderung vorgesehen ist, welche zum Erhöhen des Drucks im Kreislaufwärmerohr während des Zuführens der Wärme zum zweiten Abnehmer ausgebildet ist. Eine derartige Vorrichtung zur Druckveränderung kann beispielsweise ein externes Druckreservoir oder eine elektrische Pumpe sein. Insbesondere wenn der zweite Abnehmer ein Expander ist, kann diese Erhöhung des Drucks des Arbeitsfluids im Kreislaufwärmerohr zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Abwärmenutzung führen. Eine besonders gute Nutzung der Abwärme und damit eine besonders effiziente Steigerung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors, dessen Abwärme durch die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterverwendet wird, kann dadurch ermöglicht werden.
  • Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß eines dritten Aspekts ist ein Fahrzeug, zumindest aufweisend einen Verbrennungsmotor und eine Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme des Verbrennungsmotors. Dabei ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme des Verbrennungsmotors erläutert worden sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
  • 1 eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einen Verbrennungsmotor in einem ersten Betriebszustand,
  • 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung und den Verbrennungsmotor im ersten Betriebszustand zu einem späteren Zeitpunkt und
  • 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung und den Verbrennungsmotor in einem zweiten Betriebszustand.
  • Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1, 2 und 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 gezeigt, der sich in einem ersten Betriebszustand 12 befindet. Dieser Betriebszustand 12 kann dabei insbesondere ein Kaltstart des Motors sein. Die Abwärme 11 des Verbrennungsmotors 10 wird dabei insbesondere über den Abgasstrom 14 transportiert. Ferner ist eine Vorrichtung 15 zur Nutzung einer Abwärme 11 des Verbrennungsmotors 10 gezeigt. Diese Vorrichtung 15 weist dabei insbesondere einen Verdampfer 26 auf, der am Abgasstrom 14 angeordnet ist. In diesem Verdampfer 26 wird das Arbeitsmedium des Kreislaufwärmerohres 20 (Loop Heat Pipe) verdampft. Das Kreislaufwärmerohr 20 wird dabei vom Arbeitsmedium im Uhrzeigersinn durchflossen. Nach dem Verdampfer 26 liegt das Arbeitsmedium dampfförmig vor, in Figuren durch eine gestrichelte Linie 30 dargestellt. Das Kreislaufwärmerohr 20 ist dabei derart ausgestaltet, dass es Abwärme während des ersten Betriebszustands 12 des Verbrennungsmotors 10 ersten Abnehmern 21 zuführt. Diese stellen in der dargestellten Ausgestaltungsform einen Wärmetauscher 21.1 für das Motoröl des Verbrennungsmotors 10 und einen Wärmetauscher 21.2 für eine Motorkühlung, insbesondere für das Kühlwasser des Verbrennungsmotors 10, dar. Im dargestellten Zustand wird das dampfförmige Medium 30 dem Wärmetauscher 21.1 für das Motoröl zugeführt. In diesem kondensiert das Arbeitsmedium des Kreislaufwärmerohres 20 und liegt im Folgenden als flüssiges Medium 31 vor. Die Restwärme, die nicht im Wärmetauscher 21.1 an das Motoröl abgegeben worden ist, wird im Wärmetauscher 21.2 an das Kühlwasser der Motorkühlung abgegeben. Selbstverständlich ist auch nur ein erster Abnehmer 21 oder eine größere Anzahl von ersten Abnehmern 21 denkbar. Nach dem Wärmetauscher 21.2 für die Motorkühlung fließt das flüssige Medium 31 wieder zurück zum Verdampfer 26, wo es wieder verdampft. Das Zirkulieren des Arbeitsmediums im Kreislaufwärmerohr 20 erfolgt dabei insbesondere allein durch die Eigenschaften des Arbeitsmediums bzw. durch Gravitation, ohne dass eine zusätzliche Umwälzung durch ein externes Bauteil, beispielsweise durch eine Pumpe, erforderlich ist. Im Kreislaufwärmerohr 20 ist ferner ein Leitungselement 23 dargestellt, das als erstes Rückschlagventil 23.1 ausgebildet ist. Während des ersten Betriebszustands 12 des Verbrennungsmotors 10 ist der Druck im Kreislaufwärmerohr 20 noch gering. Das erste Rückschlagventil 23.1 bleibt dadurch geöffnet. Der Teil 32 des Kreislaufwärmerohres bleibt unbenutzt, wodurch der zweite Abnehmer 22, der in der dargestellten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 15 als Expander 22.1 ausgebildet ist, wird nicht durchflossen und somit nicht mit Abwärme 11 versorgt. Auch das zweite Rückschlagventil 24, dass insbesondere mit dem ersten Rückschlagventil 23.1 gekoppelt ist, bleibt geöffnet, wodurch ein ebenfalls unbenutzter Teil 32 des Kreislaufwärmerohres 20, in dem insbesondere eine Pumpe 25.1 angeordnet ist, nicht durchflossen ist.
  • 2 zeigt die in 1 beschriebene Vorrichtung 15 zur Nutzung der Abwärme 11 des Verbrennungsmotors 10, wobei sich der Verbrennungsmotor 10 immer noch im ersten Betriebszustand 12 befindet. Jedoch ist im Unterschied zu 1 ein späterer Zeitpunkt während des ersten Betriebszustands 12 des Verbrennungsmotors 10 gezeigt. Das Motoröl des Verbrennungsmotors 10 hat seine Betriebstemperatur erreicht, wodurch im Wärmetauscher 21.1 dem Arbeitsfluid des Kreislaufwärmerohres 20 keine Wärmeenergie mehr entzogen wird. Das Arbeitsmedium liegt somit auch nach dem Wärmetauscher 21.1 als dampfförmiges Arbeitsmedium 30 vor. Im abgebildeten Zustand wird somit insbesondere im Wärmetauscher 21.2 das Kühlwasser der Motorkühlung des Verbrennungsmotors 10 erwärmt. Da es sich beim ersten Betriebszustand 12 des Verbrennungsmotors 10 um einen Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 handelt, ist dieser nach einer durchgeführten Erwärmung des Kühlwassers der Motorkühlung im Wärmetauscher 21.2 beendet.
  • Dies ist in 3 gezeigt. Hier befindet sich der Verbrennungsmotor 10 in einem zweiten Betriebszustand 13, der beispielsweise ein Betrieb des Verbrennungsmotors 10 unter einer hohen Last darstellen kann. In den Wärmetauschern 21.1, 21.2 wird dem Arbeitsfluid des Kreislaufwärmerohres 20 keine Wärme mehr entzogen, da sowohl das Motoröl als auch das Kühlwasser seine Arbeitstemperatur erreicht haben. Dadurch wird der Druck des Arbeitsmediums im Kreislaufwärmerohr 20 erhöht. Wenn dieser Druck eine vorbestimmte Höhe erreicht, schließt sich das erste Rückschlagventil 23.1. Das erste Rückschlagventil 23.1 dient somit insbesondere auch zur Überwachung der Betriebszustände 12, 13 des Verbrennungsmotors 10 und zum Umschalten des Transports der Abwärme 11 zwischen dem ersten Abnehmer 21 und dem zweiten Abnehmer 22. Insbesondere wird nach dem Umschalten des ersten Rückschlagventils 23.1 das dampfförmige Arbeitsmedium 30 dem zweiten Abnehmer 22 zugeführt, der als Expander 22.1 ausgebildet ist. In diesem Expander 22.1 wird das dampfförmige Arbeitsmedium 30 entspannt und teilweise abgekühlt. Dadurch wird der Expander 22.1 in Rotation versetzt, wobei diese Rotationsenergie direkt verwendet und/oder zum Betreiben eines Generators zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden kann. Das dampfförmige Arbeitsmedium 30 wird im Anschluss daran im Wärmetauscher 21.2 durch das Kühlwasser des Verbrennungsmotors 10 kondensiert. Auf diese Art und Weise ist es möglich, dass Kreislaufwärmerohr 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 15 direkt als Dampfkreislauf, insbesondere als Rankine-Kreislauf, zu betreiben. Eine besonders effektive Nutzung der Abwärme 11 des Verbrennungsmotors 10 in dessen zweiten Betriebszustand 13 ist dadurch möglich, da ein zusätzlicher Wärmetauscher zur Anbindung eines externen Dampfkreislaufs, der immer mit Verlusten verbunden ist, nicht nötig ist. Gekoppelt an das erste Rückschlagventil 23.1 ist ein zweites Rückschlagventil 24 vorgesehen, das bei einem Umschalten des ersten Rückschlagventils 23.1 ebenfalls ein Umschalten vornimmt. Das flüssige Arbeitsmedium 31 wird durch das zweite Rückschlagventil 24 einer Vorrichtung 25 zur Druckveränderung zugeführt, die im abgebildeten Ausgestaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 15 als elektrische Pumpe 25.1 ausgebildet ist. Durch diese Pumpe 25.1 wird der Druck des Arbeitsmediums im Kreislaufwärmerohr 20 erhöht, wodurch der Wirkungsgrad des Expanders 22.1 nochmals gesteigert werden kann. Auf diese Art ist es möglich, dass Kreislaufwärmerohr 20 noch effektiver als Dampfkreislauf, insbesondere als Rankine-Kreislauf, zu betreiben.
  • Insgesamt ist durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 15 zur Nutzung der Abwärme 11 eines Verbrennungsmotors 10 ermöglicht, die Abwärme 11 des Verbrennungsmotors 10 in verschiedenen Betriebszuständen 12, 13 des Verbrennungsmotors 10 zu nutzen und diese Abwärme 11 verschiedenen Abnehmern 21, 22 zuzuführen. Eine besonders effiziente Nutzung der Abwärme 11 und damit eine besonders wirkungsvolle Steigerung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors 10, insbesondere während des gesamten Betriebs des Verbrennungsmotors, kann dadurch erreicht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    11
    Abwärme
    12
    erster Betriebszustand
    13
    zweiter Betriebszustand
    14
    Abgasstrom
    15
    Vorrichtung zur Nutzung einer Abwärme eines Verbrennungsmotors
    20
    Kreislaufwärmerohr (Loop Heat Pipe)
    21
    erster Abnehmer
    21.1
    Wärmetauscher Motoröl
    21.2
    Wärmetauscher Motorkühlung
    22
    zweiter Abnehmer
    22.1
    Expander
    23
    Leitungselement
    23.1
    erstes Rückschlagventil
    24
    zweites Rückschlagventil
    25
    Vorrichtung zur Druckveränderung
    25.1
    Pumpe
    26
    Verdampfer
    30
    Kreislaufwärmerohr mit dampfförmigem Medium (gestrichelte Linie)
    31
    Kreislaufwärmerohr mit flüssigem Medium (durchgezogene Linie)
    32
    unbenutzter Teil des Kreislaufwärmerohres (gepunktete Linie)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2007085195 [0003]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Nutzung einer Abwärme (11) eines Verbrennungsmotors (10), gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Überwachung eines Betriebszustandes (12, 13) des Verbrennungsmotors (10), b) Erkennen eines ersten Betriebszustandes (12) des Verbrennungsmotors (10), c) Zuführen der Abwärme (11) durch ein Kreislaufwärmerohr (20) an einen ersten Abnehmer (21) während des ersten Betriebszustands (12) des Verbrennungsmotors (10), d) Erkennen einer Änderung des Betriebszustandes (12, 13) des Verbrennungsmotors (10) vom ersten (12) in einen zweiten Betriebszustand (13), e) Umschalten des Transports der Abwärme (11) vom ersten (21) zu einem zweiten Abnehmer (22) und f) Zuführen der Abwärme (11) durch das Kreislaufwärmerohr (20) an den zweiten Abnehmer (22) während des zweiten Betriebszustands (13) des Verbrennungsmotors (10).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung in Schritt a) kontinuierlich durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung in Schritt a) und/oder das Erkennen der Änderung in Schritt d) und/oder das Umschalten des Transports in Schritt e) durch ein Leitungselement (23), insbesondere ein Rückschlagventil (23.1), des Kreislaufwärmerohres (20) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme (11) einem Abgasstrom (14) und/oder einer Abgasrückführung entnommen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kaltstart des Verbrennungsmotors (10) als erster Betriebszustand (12) und/oder ein Lastbetrieb, insbesondere ein Hochlastbetrieb, als zweiter Betriebszustand (13) des Verbrennungsmotors (10) erkannt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstem Abnehmer (21) die Abwärme (11) einer Motorheizung, einer Ladeluftheizung, einer Motorölheizung (21.1), einer Kühlwasserheizung (21.2), einer Getriebeölheizung, einer Differentialölheizung, einer Innenraumheizung eines Fahrzeugs oder einer Klimaanlage eines Fahrzeugs zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme (11) als zweitem Abnehmer (22) einem Expander (21.1) zugeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts f) der Druck im Kreislaufwärmerohr (20) erhöht wird.
  9. Vorrichtung (15) zur Nutzung einer Abwärme (11) eines Verbrennungsmotors (10), aufweisend zumindest ein Kreislaufwärmerohr (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (15) zur Nutzung einer Abwärme (11) zum Erkennen von Betriebszuständen (12, 13) des Verbrennungsmotors (10), zum Zuführen der Abwärme (11) über das Kreislaufwärmerohr (20) zu einem ersten Abnehmer (21) während eines ersten Betriebszustandes (12) des Verbrennungsmotors (10), zum Umschalten der Zuführung der Abwärme (11) vom ersten (21) zu einem zweiten Abnehmer (22) bei einer Änderung des Betriebszustandes (12, 13) des Verbrennungsmotors (10) und zum Zuführen der Abwärme (11) über das Kreislaufwärmrohr (20) zum zweiten Abnehmer (22) während eines zweiten Betriebszustandes (13) des Verbrennungsmotors (10) ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung (15) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (15) zur Ausführung eines Verfahrens gemäß eines der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung (15) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abnehmer (22) ein Expander (22.1) ist und dass eine Kühlung des Kreislaufwärmerohres (20) durch ein Motorkühlwasser (21.2) erfolgt.
  12. Vorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (25) zur Druckveränderung vorgesehen ist, welche zum Erhöhen des Drucks im Kreislaufwärmrohr (20) während des Zuführens der Wärme zum zweiten Abnehmer (22) ausgebildet ist.
  13. Fahrzeug, zumindest aufweisend einen Verbrennungsmotor (10) und eine Vorrichtung (15) zur Nutzung einer Abwärme (11) des Verbrennungsmotors (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (15) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 ausgebildet ist.
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