DE102014212019A1 - Kühl- und Energierückgewinnungsystem - Google Patents

Kühl- und Energierückgewinnungsystem Download PDF

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Abstract

Es wird ein Kühl- und Energierückgewinnungssystem vorgestellt, aufweisend zumindest einen ersten Kreislauf zur Kühlung eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, zumindest einen Organic-Rankine-Kreislauf zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine und zur Durchströmung mit zumindest einem ersten Wärmetauschermedium, wobei der Organic-Rankine-Kreislauf einen Kondensator und einen Verdampfer sowie eine Kältepumpe enthält.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühl- und Energierückgewinnungssystem mit einem Organic-Rankine-Kreislauf zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine und einem Wärmetauscher zum Antrieb einer Expansionsmaschine.
  • Stand der Technik
  • Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge liefern neben der genutzten Antriebsleistung noch Abwärme, die meist ungenutzt an die Umgebung abgeführt wird. Die Abwärme ist zumeist im Kühlmittel enthalten, welches den Motor kühlt. Ferner ist Abwärme im Abgas enthalten, das zumeist ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird.
  • Aus der EP 1441121 ist ein Dampfkompressions-Arbeitsmittelkreislaufsystem mit einem Arbeitsmittelkreis und einem Rankine-Kreis bekannt. Der Rankine-Kreis weist einen Kompressor, eine Gas-Flüssigkeits-Separiereinrichtung, eine Dekompressionsvorrichtung und einen Verdampfer auf.
  • Aus der DE 10 2007 057 164 ist ein System bekannt, in dem durch eine parallel Schaltung von Fahrzeugkühler und Verdampfer zwei parallel liegende über einen Wärmetauscher verbundenen Kreisläufen geschaffen werden.
  • 1 zeigt ein bekanntes System mit einem Rankine-Kreislauf 9 und einem Kühl-Kreislauf 10 zur Kühlung eines Verbrennungsmotors 2. Der Rankine-Kreislauf 9 weist eine Kälte- oder Speisepumpe 8, einen Verdampfer 11 und eine Expansionsmaschine 6 sowie einen Kondensator 4 auf.
  • Das Arbeitsmittel kondensiert in dem Kondensator 4 und wird mittels der Kältepumpe 8 durch den Rankine-Kreislauf 9 gepumpt. Das Arbeitsmittel wird in einem Verdampfer 11 verdampft. Das dampfförmige Arbeitsmittel strömt durch eine Expansionsmaschine 6 und verrichtet Arbeit in der Expansionsmaschine 6. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 6 strömt das Arbeitsmittel wieder zurück zum Kondensator 4 und wird in dem Kondensator 4 von der dampfförmigen Phase in die flüssige Phase überführt. Im Kühlkreislauf 10 des Verbrennungsmotors 2 durchströmt Kühlmittel den Verdampfer 11, einen Abgaskühler 5 sowie einen Kühlmittelkühler 3.
  • Insbesondere kommt es aufgrund des unterschiedlichen Temperaturprofils zwischen Rankine-Kreislauf 9 und Kühl-Kreislauf 10 zu Wirkungsgradverlusten.
  • Ferner führt in der Warmlaufphase des Motors die Wärmeentnahme aus dem Kühlmittel des Kühl-Kreislaufs 10 zu einem verzögerten Motorwarmlauf und damit zu einem höheren Kraftstoffverbrauch.
  • Ein Organic-Rankine-Kreislauf (ORC) verwendet organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur. Mögliche Wärmetauschermedien sind die bekannten Medien R 134a, CO2, sowie anderer halogenierte Kohlenwasserstoffe.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein verbessertes System zur Verfügung zu stellen, das insbesondere einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht. Insbesondere sollen die Nachteile in der Motorwarmlaufphase beseitigt bzw. verbessert werden.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Kühl und Energierückgewinnungssystem, aufweisend zumindest einen ersten Kreislauf zur Kühlung eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, zumindest einen Organic-Rankine-Kreislauf zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine und zur Durchströmung mit zumindest einem ersten Wärmetauschermedium, wobei der Organic-Rankine-Kreislauf einen Kondensator und einen Verdampfer sowie eine Kältepumpe enthält, wobei der Kondensator und Verdampfer im Organic-Rankine-Kreislauf von einem zweiten Medium durchströmt sind, das als Kühlmittel in einem Kühlkreislauf für einen Verbrennungsmotor und einen Kühlmittelkühler dient.
  • Durch die Integration des Energierückgewinnungssystems in den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors wird Energie mit besonders hoher Effizienz zurück gewonnen.
  • Es sich von Vorteil, dass der Kühlkreislauf ein 2/3-Wegeventil aufweist. Dadurch lässt sich die Temperaturverteilung in den beiden Kreisläufen optimal einstellen.
  • Die spezielle Aufteilung des Kühlsystems in einen heißen und einen kalten Teil erlaubt es die Restwärme des ORC-Systems wieder ein den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors und dann an die Umgebung abgeben zu können.
  • in einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das 2/3-Wegeventil eingangsseitig vor dem Verdampfer angebracht, wodurch eine Aufteilung der Ströme des Kühlmittels auf Verdampfer und Kühlmittelkühler erfolgt.
  • Es ist von Vorteil, dass eine Pumpe eingangsseitig von dem Kondensator angebracht ist, um überflüssige Wärme aus dem ORC-System nach außen ableiten zu können.
  • Es ist von Vorteil dass der Kühlkreislauf vollständig vom Organic-Rankine-Kreislauf entkoppelbar ist. Dadurch kann im Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors in der Anlaufphase Temperatur aufgebaut werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das 2/3-Wegeventil ausgangsseitig nach dem Verdampfer angebracht ist.
  • Vorteilhafterweise ist ein zweiteiliger Verdampfer für Abwärme aus Verbrennungsmotors und des Abgases eingebaut.
  • Es ist weiterhin von Vorteil, dass ein Thermostatventil einen Bypass des Kühlkreislaufs kontrolliert. Dadurch wird verhindert, dass die Temperatur im Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors unter eine vorgegebene optimale Temperatur absinkt.
  • Um einen optimalen Austausch Energie herbeizuführen ist der Verdampfer entlang der Schwerkraft eingebaut und das ersten Wärmetauschermedium des Organic-Rankine-Kreislaufs strömt von unten nach oben, während das zweite Medium des Kühlkreislaufs von oben nach unten fließt.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung werden in der nachstehenden Figuren und er Beschreibung der Ausführungsformen diskutiert.
  • 1 zeigt einen Organic Rankine Kreislauf im Stand der Technik
  • 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems
  • 4 zeigt ein Detail eines zweistufigen Verdampfer
  • 5 zeigt einen Einbau Schema für die Bauteile des Systems
  • 6 zeigt einen Schnitt durch die Bauteile des ORC Systems
  • 1 zeigt ein Kühl- und Energierückgewinnungssystem 1, dass in den Kühlkreislauf 10 eines Verbrennungsmotors 2 integriert ist. Der Kühlkreislauf 10 verbindet den Verbrennungsmotor 2 mit dem Kühlmittelkühler 3 der über den Luftstrom des Ventilator nach außen abgekühlt wird. Der Kühlmittelkühler 3 ist wiederum mit dem Verbrennungsmotor 2 über ein Thermostatventil 12 verbunden. Im Kühlmittelkreislauf 10 befindet sich ein 3/2-Wegeventil 7 von dem aus ein zusätzlicher Kühlstrang 15 zu einem Verdampfer 11 führt. Eine weitere zusätzliche Verbindungen 16 stellt über eine elektrische Wasserpumpe 13 einen Durchfluss durch einen Kondensator 4 her. Innerhalb des Kühlkreislaufs 10 ist der Organic-Rankine-Kreislauf angeordnet. Eine Speisepumpe 8 speist das Medium des ORC in einen Verdampfer 11 ein. Der Verdampfer 11 ist mit einer Expansionsmaschine 6 verbunden und diese ausgangsseitig mit dem Kondensator 4. Der Ausgang des Kondensator 4 ist wiederum mit der Speisepumpe 8 verbunden.
  • Die Ausführungsform nach 2 sieht eine parallele Anordnung von Verdampfer 11 und Kühlmittelkühler 3 vor. Die Aufteilung der Volumenströme durch den Verdampfer 11 und den Kühlmittelkühler 3 erfolgt durch das 3/2-Wegeventil 7. Bei kleinerer Motorlast des Verbrennungsmotors, also geringer thermischer Verlustenergie des Motors, kann die gesamte Wärmeleistung vom ORC-System aufgenommen werden. Das 3/2-Wegeventil 7 steuert dabei die beiden Seiten des Kühl- und Energierückgewinnungssystems. Auf der rechten Seite befindet sich der heiße Bereich. Der gesamte Durchfluss von Verbrennungsmotor 2 geht durch den Verdampfer 11 ohne dass ein Kühlmittelfluss zum Kühlmittelkühler stattfindet. Auf der kalten Seite, links in der Figur angedeutet, befindet sich die elektrische Wasserpumpe 13, die eine Zirkulation zwischen Kondensator 4 und dem Kühlmittelkühler 3 betreibt, um die im ORC-System befindliche Restwärme in die Umgebung abzugeben. Damit ist das Kühlsystem 10 in zwei unterschiedliche Teilbereiche, in einen heißen und einen kalten Bereich geteilt. Bei sehr hoher thermischer Verlustleistung des Motors wird ein Teil des Volumenstroms und damit der Wärmeenergie direkt über den Kühlmittelkühler 3 geschickt und nur ein geringer Teil über den Verdampfer 11 des ORC-Systems.
  • Im Falle einer Fehlfunktion im ORC System wird das 3/2-Wegeventil geschlossen und der Kühlmittelfluss wird nur noch entlang des Kühlmittelkühlers 3 geführt.
  • Durch die parallele Anordnung kann das ORC-System durch entsprechende Stellung des Wegeventil 7 vollständig abgestellt werden so das kein Durchfluss durch den Verdampfer erfolgt und das Motorkühlsystem sich wie ein Kühlsystem in einem konventionellen Motor verhält.
  • Durch die parallele Anordnung der beiden Kühlelemente, des Kühlmittelkühlers 3 und des Verdampfers 11, ist eine sorgfältige Steuerung des Systems notwendig. Da beide Kühlelemente Energie und damit Wärme aus dem System entnehmen, ist zur Temperaturregelung des Kühlmittels im Kühlkreislauf 10 eine effiziente Regelung des ORC-Systems notwendig. Eine Möglichkeit ist es, ein Modell für den Wärmeübergangskoeffizienten am Verdampfer 11 in Abhängigkeit des Gesamtsystems für die Regelung heranzuziehen.
  • In 3 wird eine alternative Ausführungsform dargestellt, in der die Regelung einfacher darzustellen ist. Der Verdampfer 11 ist dabei direkt im Kühlkreislauf 10 angeordnet und nicht über eine zusätzliche Verbindung in den Kühlkreislauf geschaltet. Die zusätzliche Verbindung 15 ist wie in der ersten Ausführungsform mit dem Wegeventil 7 verbunden. In dieser Ausführungsform sind der Verdampfer 11 und der Kühlmittelkühler 3 in Serie angeordnet. Die zusätzliche Verbindung 15 bildet einen zusätzlichen bei Pfad parallel zum Kühlmittelkühler. Die Aufteilung des Volumenstroms des Kühlmittel zwischen Bypass, der Verbindung 15, und Kühlmittelkühler 3 erfolgt über das Wegeventil 7. Durch den Verdampfer 11 fließt immer der gesamte Massenstrom des Kühlmittels des Verbrennungsmotors und damit auch die gesamte Wärmeenergie. Die Temperaturregelung erfolgt über das Wegeventil 7, wodurch mithilfe des Bypass, der zusätzlichen Verbindung 15, verhindert wird, dass das Kühlmittel durch Verdampfer 11 und Kühlmittelkühler 3 zu stark abgekühlt wird. Der Verdampfer 11 lässt sich schaltungstechnisch nicht aus dem System des Kühlkreislaufes 10 herausnehmen und muss für gegebenen Druckabfall größer ausgelegt werden, da größere Volumenströme über ihn laufen.
  • In 4 ist ein Ausschnitt dargestellt der einen zweistufigen Verdampfer darstellt. Zusätzlich zum Verdampfer 11, der im Kühlkreislauf 10 des Verbrennungsmotors 2 angeordnet ist, wird ein zusätzlicher Verdampfer 17 eingesetzt, der sich im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 2 befindet. Der zweistufige Verdampfer kann als ein Bauteil oder als zwei getrennte Bauteile ausgeführt sein. Die Verdampferversion nach 4 ersetzt in den beiden Ausführungsformen nach 2 und 3 jeweils den Verdampfer 11.
  • In 5 sind die Bauteile des ORC Systems dargestellt. Die Expansionsmaschine 6 ist dabei mit einem Abnehmer 18 verbunden. Die Speisepumpe 8 steht in Verbindung mit einem Tank 19. der Verdampfer 11 weist dabei auf seiner Unterseite einen Eingang EORC für den ORC Kreislauf auf sowie einen Ausgang AK für den Kühlkreislauf auf seiner oberen Seite befindet sich der Ausgang AORC für den ORC Kreislauf sowie der Eingang EK für den Kühlmittelkreislauf. Der dargestellte Tank 19 ist in diesem Beispiel aufrecht dargestellt, es ist aber aus baulichen Gründen möglich, den Tank auch waagerecht zu verbauen.
  • In 6 ist das ORC-System schematisch im Schnitt nochmals dargestellt, wobei die unterschiedlichen Niveaus gekennzeichnet sind. Um eine optimale Lösung zu erlangen ist es sinnvoll das Verhältnis der unterschiedlichen Niveaus geeignet zu wählen.
  • Das Niveau Z1 bezeichnet den Ein- und Ausgang der Saugpumpe 8. Das Niveau Z2 beschreibt den Eingang des ORC-Mediums im Verdampfer. Das Niveau Z1 soll dabei mindestens auf demselben Niveau wie Z2 oder besser noch unterhalb dieses Niveaus liegen, um Kavitationen am Pumpeneingang zu vermeiden. Das Niveau Z3 beschreibt den ORC-Medien-Ausgang am Verdampfer. Dieses Niveau muss oberhalb des Niveaus Z2 liegen, was bedeutet, dass der Verdampfer aufrecht eingebaut werden muss. Das Niveau Z4 bezeichnet einen Ausgang der Expansionsmaschine 6. Niveau Z5 beschreibt den Eingang des ORC-Mediums in den Kondensator. Sowohl Z4 als auch Z5 müssen oberhalb des Niveaus Z3 angeordnet sein, um einen möglichst nur gasförmiges Medium zur Expansionsmaschine zu bringen . Das Niveau Z6 beschreibt den Ausgang des ORC-Mediums im Kondensator 4. Dieses Niveau sollte unterhalb Z5 liegen um sicherzustellen, dass flüssiges ORC-Medium von der Expansionsmaschine zum Kondensator fließt und nicht umgekehrt. Das Niveau Z7 beschreibt den Eingang des Tanks, Z8 den Ausgang des Tanks. Z7 muss unterhalb Z6 liegen, damit das Medium mittels Schwerkraft in den Tank zurückfließt. Niveau Z8 muss unterhalb Z7 liegen um den Tank zu befüllen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kühl- und Energierückgewinnungssystem
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Kühlmittelkühler
    4
    Kondensator
    5
    Abgaskühler
    6
    Expansionsmaschine
    7
    3/2-Wegeventil
    8
    Kälte- oder Speisepumpe
    9
    Organic Rankine-Kreislauf
    10
    Kühlkreislauf
    11
    Verdampfer
    12
    Thermostatventil
    13
    Wasserpumpe
    14
    Bypass
    15, 16
    zusätzliche Verbindungen
    17
    zusätzlicher Verdampfer
    18
    Abnehmer
    19
    Tank
    EORC, AORC
    Eingang, Ausgang ORC Kreislauf
    EK, AK,
    Eingang Ausgang Kühlkreislauf
  • 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
    • EP 1441121 [0003]
    • DE 102007057164 [0004]

Claims (9)

  1. Kühl und Energierückgewinnungssystem, aufweisend zumindest einen ersten Kreislauf (10) zur Kühlung eines Verbrennungsmotors (2) für ein Kraftfahrzeug, zumindest einen Organic-Rankine-Kreislauf (9) zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine (6) und zur Durchströmung mit zumindest einem ersten Wärmetauschermedium, wobei der Organic-Rankine-Kreislauf (9) einen Kondensator (4) und einen Verdampfer (11) sowie eine Kältepumpe (8) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensator (4) und Verdampfer (11) im Organic-Rankine-Kreislauf (9) von einem zweiten Medium durchströmt sind, das als Kühlmittel in einem Kühlkreislauf (10) für einen Verbrennungsmotor (2) und einen Kühlmittelkühler (3) dient.
  2. Kühl und Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (10) ein 2/3-Wegeventil (7) aufweist.
  3. Kühl und Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das 2/3-Wegeventil (7) eingangsseitig vor dem Verdampfer (11) angebracht ist.
  4. Kühl und Energierückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (13) eingangseitig von dem Kondensotor (4) angebracht ist.
  5. Kühl und Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (10) vollständig vom Organic-Rankine-Kreislauf (9) entkoppelbar ist.
  6. Kühl und Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das 2/3-Wegeventil (7) ausgangsseitig nach dem Verdampfer (11) angebracht ist.
  7. Kühl und Energierückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiteiliger Verdampfer (11, 17) für Abwärme aus Verbrennungsmotors und des Abgases eingebaut ist.
  8. Kühl und Energierückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Thermostatventil (12) einen Bypass (14) des Kühlkreislaufs (10) kontrolliert.
  9. Kühl und Energierückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (11) entlang der Schwerkraft eingebaut ist und das ersten Wärmetauschermedium des Organic-Rankine-Kreislaufs (9) von unten nach oben strömt, während das zweite Medium des Kühlkreislaufs (19) von oben nach unten fließt.
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