DE102018213733A1

DE102018213733A1 - Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem

Info

Publication number: DE102018213733A1
Application number: DE102018213733.1A
Authority: DE
Inventors: Alan Agurto Goya; Oscar Garcia Afonso
Original assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Current assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2019-02-28
Also published as: GB2565818A; GB201713612D0; GB2565818B

Abstract

Ein Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem umfasst: einen ersten Wärmetauscher, der so ausgebildet ist, dass er Wärmeenergie aus dem aus der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Abgas in ein Arbeitsfluid überträgt; einen Speicher, der so ausgebildet ist, dass er Arbeitsfluid speichert, das er aus dem ersten Wärmetauscher und dem Speicher erhalten hat; und einen zweiten Wärmetauscher, der so ausgebildet ist, dass er Wärmeenergie aus dem Arbeitsfluid in mechanische Arbeit umwandelt; wobei mindestens einer von Speicher, erstem Wärmetauscher und zweitem Wärmetauscher eine Thermobatterie umfasst, die so angeordnet ist, dass sie Wärmeenergie mit dem Arbeitsfluid und/oder dem Abgas austauscht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Abwärmerückgewinnungs- und - speichersystem (waste heat recovery and storage system, WHRS-System) und insbesondere, nicht jedoch ausschließlich, auf ein WHRS-System für eine Verbrennungskraftmaschine (internal combustion engine, ICE) eines Fahrzeugs. Aspekte der Erfindung beziehen sich auf ein WHRS-System, auf ein Regelsystem für den Betrieb des WHRS-Systems und auf ein Fahrzeug, das das WHRS-System einschließt.
STAND DER TECHNIK
Bekanntlich wandeln Verbrennungskraftmaschinen nur etwa ein Drittel der von einem verbrannten Kraftstoff freigesetzten Energie in mechanische Arbeit um, wobei der Großteil der verbleibenden Energie als Abwärme an die Umwelt verloren geht, insbesondere durch aus der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßene Abgase.
Für die Rückgewinnung der in den Abgasen enthaltenen Wärmeenergie sind verschiedene Abwärmerückgewinnungssysteme bekannt. Solche Systeme werden in der Regel stromaufwärts von Katalysatoren innerhalb einer Fahrzeugabgasanlage angeordnet und umfassen z.B. abgasbetriebene Turbolader. Allerdings ist die Menge an Wärmeenergie, die durch ein Abwärmerückgewinnungssystem vor einem Katalysator zurückgewonnen werden kann, begrenzt, da die Abgase für einen effektiven Betrieb des Katalysators ausreichend warm bleiben müssen. Dementsprechend bestehen Möglichkeiten zur weiteren Wärmeenergierückgewinnung stromabwärts des Katalysators.
In dieser Hinsicht haben Rankine-Kreisprozess-Motoren im Labor die Fähigkeit bewiesen, Wärmeenergie aus Abgasen stromabwärts eines Katalysators bei Dauerbelastung des Motors zurückzugewinnen.
Bekannte Rankine-Kreisprozess-Motoren nutzen einen Wärmetauscher, um Wärmeenergie aus Abgasen auf ein Arbeitsfluid wie Ethanol zu übertragen, um das Arbeitsfluid zu verdampfen. Das gasförmige Arbeitsfluid durchläuft dann einen Expander, z.B. eine Turbine, um einen elektrischen Generator anzutreiben, wobei die daraus entstandene elektrische Energie in einer Fahrzeugbatterie gespeichert wird. Das Arbeitsfluid gelangt dann in einen Verflüssiger, der mit einem Kühlkörper, z.B. einem Motorkühlmittelkreislauf, verbunden ist, um das Arbeitsfluid in einen flüssigen Zustand zu versetzen, bevor es in den Wärmetauscher zurückkehrt.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen können die Rankine-Kreisprozess-Motoren jedoch nicht effektiv arbeiten. Dazu gehört das Fahren im Stadtverkehr, das sich durch eine niedrige Fahrgeschwindigkeit mit häufigen Motorlastwechseln auszeichnet, was zu einer entsprechend intermittierenden Zufuhr von Wärmeenergie durch die Abgase führt. Insbesondere bei geringer Motorlast sind die Abgase gegebenenfalls nicht ausreichend warm, damit das Arbeitsfluid im Wärmetauscher verdampfen kann.
Zur Bewältigung der Probleme im Zusammenhang mit kurzlebigen Lasten kann das Arbeitsfluid in einer Weise gepumpt werden, die mit der Abgasbelastung variiert. Dadurch wird das dazugehörige Regelsystem sehr kompliziert, um der kurzlebigen Charakteristik des Abgasstroms Rechnung zu tragen. Darüber hinaus müssen die Bauteile des Rankine-Kreisprozess-Motors so ausgelegt sein, dass sie höhere Fluid-Betriebstemperaturen und eine höhere elektrische Leistung im Generator ermöglichen; sie sind daher relativ schwer und teuer.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass in solchen Systemen nicht die gesamte dem Abgas entzogene Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wenn die Motorlast hoch ist, zum Beispiel in Beschleunigungsphasen. Dies zieht eine erhebliche Wärmeabfuhr am Verflüssiger nach sich, da das expandierte Arbeitsfluid auf einer erhöhten Temperatur verbleibt, wodurch ein Teil der zurückgewonnenen Energie verschwendet wird und die Anforderungen an den Kühlmittelkreislauf steigen.
Bei einem anderen Ansatz kann ein Gasspeicher zwischen dem Wärmetauscher und der Turbine angeordnet werden, der als Speicher dient, indem in Zeiten hoher Motorlast erzeugtes überschüssiges gasförmiges Arbeitsfluid gespeichert wird. Das gespeicherte Gas kann anschließend zum Antrieb der Turbine freigesetzt werden, sobald die Motorlast niedrig ist. Dieser Ansatz mildert das Problem der übermäßigen Wärmeabfuhr am Verflüssiger bei hoher Last und ermöglicht auch den Weiterbetrieb des Generators bei niedriger Last. Dies ermöglicht einen gleichmäßigeren Betrieb des Rankine-Kreisprozess-Motors, senkt daher die kurzlebige Belastung der Bauteile des Rankine-Kreisprozess-Motors und ermöglicht den Betrieb in einem optimalen Bereich über längere Zeiträume.
Das Fassungsvermögen des Speichertanks, das durch Fahrzeuggerätebau-Beschränkungen begrenzt ist, begrenzt jedoch den Zeitraum, über den er die Turbine antreiben kann. Außerdem kühlt sich das im Vorratstank enthaltene Gas im Verlauf der Zeit durch Wärmeleitung an die Umgebung ab, wodurch die zur Rückgewinnung durch Turbine und Generator zur Verfügung stehende Energie reduziert wird. Dementsprechend können solche Ansätze nur kurzzeitige oder hochfrequente kurzlebige Lasten abschwächen.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um zumindest einige der oben genannten Probleme abzuschwächen oder zu überwinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abwärmerückgewinnungs- und - speichersystem für eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem umfasst: einen ersten Wärmetauscher, der so ausgebildet ist, dass er Wärmeenergie aus dem von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Abgas auf ein Arbeitsfluid überträgt; einen Speicher, der so ausgebildet ist, dass er das vom ersten Wärmetauscher empfangene Arbeitsfluid speichert: eine Wärmekraftmaschine, die so ausgebildet ist, dass sie die im Arbeitsfluid enthaltene Wärmeenergie, die den ersten Wärmetauscher und den Speicher verlässt, in mechanische Arbeit umwandelt; und einen zweiten Wärmetauscher, der so ausgebildet ist, dass er Wärmeenergie von dem Arbeitsfluid auf einen Kühlkörper überträgt. Mindestens einer von Speicher, erstem Wärmetauscher und zweitem Wärmetauscher umfasst eine Thermobatterie, die so angeordnet ist, dass sie Wärmeenergie mit dem Arbeitsfluid und/oder dem Abgas austauscht.
Vorteilhafterweise bietet der Speicher eine schnell freisetzende Energiespeicherung, die zur Deckung des kurzzeitigen Energiebedarfs genutzt werden kann, während die Thermobatterien eine längerfristige Energiespeicherung bieten, die eine langsame Energiefreisetzung während langer Perioden von Leerlauf oder Inaktivität ermöglicht. Auf diese Weise kann die Thermobatterie den längerfristigen Energiebedarf decken und die Wärmeenergie kann aus der Thermobatterie in den Speicher übertragen werden, um die Versorgung mit nutzbarer, schnell freisetzbarer Energie aufrechtzuerhalten. Das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem mindert dadurch die Probleme, die sich aus den kurzlebigen Abgastemperaturen bei intermittierendem Fahrbetrieb ergeben, durch eine Kombination kurz- und langfristiger Energiespeichervorrichtungen.
Gegebenenfalls umfasst das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem ferner eine oder mehrere Kammern, die die Wärmebatterie zumindest teilweise enthalten, während sie die Wärmebatterie vom Arbeitsfluid und/oder den Abgasen flüssig isolieren.
In einer Ausführungsform enthält die Thermobatterie ein Phasenwechselmaterial, das in der Lage ist, Wärmeenergie zu speichern, indem es von einer ersten Phase in eine zweite Phase übergeht, und die Wärmeenergie freisetzt, indem es von der zweiten Phase in die erste Phase übergeht.
Zusätzlich kann die erste Phase des Phasenwechselmaterials eine Festphase sein.
In einer Ausführungsform hat das Phasenwechselmaterial eine Latentwärme, die größer ist als die Latentwärme des Arbeitsfluids.
Gegebenenfalls besteht das Phasenwechselmaterial aus mindestens einem von: Lithiumnitrid, Kaliumnitrat, oder Natriumnitrat.
Wahlweise enthält die Thermobatterie mindestens eines von empfindlichem Heizmaterial oder thermochemischem Material.
In einer Ausführungsform besteht der erste Wärmetauscher aus einem Siedegefäß.
Gegebenenfalls besteht das Arbeitsfluid aus organischem Material. Beispielsweise kann das Arbeitsfluid Ethanol enthalten.
In einer Ausführungsform ist der Speicher in der Lage, das Arbeitsfluid im flüssigen Zustand zu speichern.
Gegebenenfalls ist der Speicher in der Lage, das Arbeitsfluid im verdampften Zustand zu speichern.
In einer Ausführungsform ist der Speicher als ein Druckabfall-Speicher betreibbar, und ein in dem flüssigen Zustand gespeichertes Arbeitsfluid kann in den verdampften Zustand verdampft werden. Gegebenenfalls ist der Druckabfall-Speicher so ausgebildet, dass er in Abhängigkeit von einer Druckabsenkung am Speicher mindestens einen Teil des gespeicherten Arbeitsfluids verdampft.
Gegebenenfalls umfasst der zweite Wärmetauscher einen Verflüssiger, in welchem Fall der zweite Wärmetauscher beispielsweise einen Sammelbehälter zum Auffangen von verflüssigtem Arbeitsfluid enthalten kann.
Gegebenenfalls umfasst der Kühlkörper mindestens eines der Folgenden: ein Motorkühlmittelsystem, ein Ansaugluftheizsystem, ein Kabinenheizsystem.
Das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem umfasst ein erstes Ventil, das betätigbar ist, um den Durchfluss des Arbeitsfluids in den Speicher zu steuern.
Optional umfasst das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem ein zweites Ventil, das betätigbar ist, um Arbeitsfluid aus dem Speicher freizusetzen.
In einer Ausführungsform umfasst das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem eine erste Überströmleitung, die so ausgebildet ist, dass Arbeitsfluid den Speicher umgehen kann. In solchen Ausführungsformen umfasst das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem gegebenenfalls ein drittes Ventil, das steuerbar ist, um den Fluss von Arbeitsfluid durch die erste Überströmleitung einzustellen.
In einer Ausführungsform umfasst das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem eine zweite Überströmleitung, die so ausgebildet ist, dass das Arbeitsfluid die Wärmekraftmaschine umgehen kann, wobei das Abwärmerückgewinnungs- und - speichersystem ein viertes Ventil umfassen kann, das steuerbar ist, um den Fluss des Arbeitsfluids durch die zweite Überströmleitung einzustellen.
Das erste Ventil kann beispielsweise das dritte Ventil und das zweite Ventil kann beispielsweise das vierte Ventil umfassen.
Gegebenenfalls besteht das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem aus einer flussaufwärts des ersten Wärmetauschers angeordneten Druckaufladeeinrichtung, wobei die Druckaufladeeinrichtung so ausgebildet ist, dass sie einen Fluss des Arbeitsfluids in den ersten Wärmetauscher steuert. Die Druckaufladung kann z.B. aus einer Pumpe bestehen.
Gegebenenfalls verfügt das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem ferner über einen Regler zur Regelung einer Massendurchflussmenge des Arbeitsfluids.
Gegebenenfalls besteht die Wärmekraftmaschine aus einer Turbine.
Gegebenenfalls besteht das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem aus einem Generator, der so ausgebildet ist, dass er die von der Wärmekraftmaschine erzeugte mechanische Arbeit in elektrische Energie umwandelt.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Regelsystem vorgesehen, das für die Steuerung des in einem früheren Aspekt der Erfindung beschriebenen Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystems ausgebildet ist.
Gegebenenfalls ist das Regelsystem für den Betrieb des Abwärmerückgewinnungs- und - speichersystems ausgebildet, um: Wärmeenergie aus den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine im ersten Wärmetauscher zu gewinnen, Wärmeenergie im Speicher und/oder in der Thermobatterie zu speichern und Wärmeenergie aus dem Speicher und/oder der Thermobatterie in mechanische Arbeit an der Wärmekraftmaschine umzuwandeln.
Gegebenenfalls kann das Regelsystem so ausgebildet sein, dass es die aus den Abgasen verfügbare Wärmeenergie als dynamisch oder stationär charakterisiert.
In einer Ausführungsform kann das Regelsystem so ausgebildet sein, dass es einen Bedarf an mechanischer Arbeit an der Wärmekraftmaschine bestimmt.
Gegebenenfalls kann das Regelsystem so ausgebildet sein, dass es bestimmt, ob der Bedarf an mechanischer Arbeit die im Speicher gespeicherte Wärmeenergie und/oder Druckenergie übersteigt.
In einer Ausführungsform kann das Regelsystem so ausgebildet sein, dass festgestellt wird, ob der Speicher voll ist. Gegebenenfalls kann das Regelsystem so ausgebildet sein, dass es den Speicher umgeht, wenn der Speicher voll ist. In einer weiteren Alternative kann das Regelsystem so ausgebildet sein, dass zusätzliches Arbeitsfluid im Speicher gespeichert wird, wenn der Speicher nicht voll ist und kein Bedarf an mechanischer Arbeit besteht.
In einer Ausführungsform kann das Regelsystem so ausgebildet sein, dass es Arbeitsfluid aus dem Speicher freisetzt, wenn die aus den Abgasen verfügbare Wärmeenergie dynamisch ist und der Bedarf an mechanischer Arbeit die im Speicher gespeicherte Wärmeenergie und/oder Druckenergie übersteigt.
In einer Ausführungsform kann das Regelsystem so ausgebildet sein, dass es das Arbeitsfluid vom ersten Wärmetauscher zur Wärmekraftmaschine leitet, wenn die aus den Abgasen verfügbare Wärmeenergie stationär ist und der Bedarf an mechanischer Arbeit die im Speicher gespeicherte Wärmeenergie und/oder Druckenergie übersteigt.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, das das in einem früheren Aspekt der Erfindung beschriebene Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem oder das in einem anderen Aspekt der Erfindung beschriebene Regelsystem umfasst.
Innerhalb des Umfangs dieser Anmeldung wird ausdrücklich beabsichtigt, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorhergehenden Absätzen, in den Ansprüchen und/oder in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen dargelegt sind, und insbesondere deren individuellen Merkmale, unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination berücksichtigt werden können. Dies bedeutet, dass alle Ausführungsformen und/oder Merkmale einer beliebigen Ausführungsform auf beliebige Weise und/oder Kombination kombiniert werden können, sofern diese Merkmale nicht unvereinbar sind. Der Antragsteller behält sich das Recht vor, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu ändern oder einen neuen Patentanspruch entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu verändern, damit er von einem beliebigen Merkmal eines beliebigen anderen Anspruchs abhängt und/oder in diesen eingebunden wird, obwohl er auf diese Art und Weise zuvor nicht beansprucht wurde.
Figurenliste
Eine oder mehrere erfindungsgemäße Ausführungsformen werden nun lediglich beispielhalber unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 schematisch ein Fahrzeug mit einem der vorliegenden Erfindung entsprechenden WHRS-System darstellt,
2 schematisch das WHRS-System von 1 darstellt,
3a und 3b Zeitdiagramme sind, die die Abgasleistung bzw. die Fahrzeuggeschwindigkeit darstellen,
4 ein Diagramm ist, das die am Ausgang des WHRS-Systems von 1 benötigte Leistung im Vergleich zu der von einem Speicher des WHRS-Systems verfügbaren Leistung darstellt, und
5 ein Logikdiagramm ist, das die Betriebsarten des WHRS-Systems von 1 darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abwärmerückgewinnungs- und - speichersystem für eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Abwärme, die in den aus der Verbrennungskraftmaschine austretenden Abgasen enthalten ist, wird zurückgewonnen, und ein Teil dieser rückgewonnenen Energie wird in einer Kombination aus Kurzzeit-Energiespeichereinrichtung mit schneller Freisetzung und Langzeit-Energiespeichereinrichtung mit langsamer Freisetzung gespeichert.
Die Kurzzeit-Energiespeichereinrichtung umfasst einen Speicher zum Speichern von unter Druck stehendem Dampf, der verwendet werden kann, um einen Rankine-Kreisprozess-Motor anzutreiben, um Wärmeenergie aus dem von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Abgas zurückzugewinnen. Der Speicher liefert somit schnell freisetzende Energie, die zur Deckung des kurzzeitigen Bedarfs im Rankine-Kreisprozess-Motor genutzt werden kann.
Die langfristige Energiespeicherung erfolgt durch Thermobatterien, wie z.B. Phasenwechselmaterialien (phase change materials, PCM), die die Wärmeenergie durch lange Leerlaufzeiten oder Inaktivität nach Art einer langsamen Freisetzung speichern, um den längerfristigen Energiebedarf zu decken. Beispielsweise kann Wärmeenergie aus der Langzeit-Energiespeichereinrichtung auf die Kurzzeit-Energiespeichereinrichtung übertragen werden, um die Versorgung mit unter Druck stehendem Dampf aufrechtzuerhalten.
1 zeigt ein Hybridfahrzeug 1 als Kontext für die Erfindung, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, dass die Ausführungsformen der Erfindung auf jeden Fahrzeugtyp anwendbar sind und tatsächlich auch für den Einsatz in anderen Umgebungen angepasst werden können.
In 1 zeigen gestrichelte Linien die Kommunikationswege zwischen den Fahrzeugsystemen und Richtungspfeile die Wiederverwendung von Abgasenergie durch die einzelnen Systeme im Fahrzeug 1.
Das Fahrzeug 1 besteht aus einer Verbrennungskraftmaschine 2 (internal combustion engine, ICE) und einem Elektromotor 4 (EM), die jeweils Vortriebsleistung für das Fahrzeug 1 liefern können. Der Elektromotor 4 kann durch eine Batterie 6, durch einen (nicht abgebildeten) Umrichter, unter der Steuerung einer elektronischen Steuereinheit (electronic control unit, ECU) 8 angetrieben werden. Auf diese Weise kann der Elektromotor 4 neben der, oder separat von der, Verbrennungskraftmaschine 2 Vortriebsleistung für das Fahrzeug 1 liefern. Beispielsweise können die Verbrennungskraftmaschine 2 und der Elektromotor 4 in einem parallelen Hybrid-Antriebsstrang angeordnet werden, der eine gleichzeitige oder getrennte Kraftübertragung von der Verbrennungskraftmaschine 2 und dem Elektromotor 4 auf die Straßenräder des Fahrzeugs 1 ermöglicht.
Das Fahrzeug 1 enthält ferner eine Abgasanlage 10, die die Abgase aus den Brennkammern der Verbrennungskraftmaschine 2 in die Atmosphäre leitet. Die Abgasanlage enthält einen Katalysator 12, der Schadstoffe in den Abgasen in unschädlichere Stoffe umwandelt.
Im Beispiel in 1 ist dem Katalysator 12 ein WHRS-System 100 nachgeschaltet. Das WHRS-System 100 arbeitet unter der Regelung der elektronischen Steuereinheit 8 (ECU), um den Abgasen beim Durchtritt durch das System Wärmeenergie zu entziehen und diese in elektrische Energie umzuwandeln, die in der Batterie 6 gespeichert oder direkt zum Antrieb des Elektromotors 4 verwendet werden kann. In der in 1 dargestellten nachgeschalteten Position werden die Abgase nach dem Verlassen des WHRS-Systems 100 nicht mehr verwendet und können so auf eine Mindesttemperatur reduziert werden, was wiederum die Energierückgewinnung maximiert.
In diesem Fall wird der elektrische Leistungsbedarf am WHRS-System 100 durch eine Energiemanagementstrategie bestimmt, welche von der elektronischen Steuereinheit 8 betrieben wird und welche die Beiträge der Vortriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 2 und des Elektromotors 4 optimiert, um den Schubbedarf bei minimalem Kraftstoffverbrauch zu decken. Bei anderen Varianten kann der Leistungsbedarf von der Leistungsaufnahme anderer elektrischer Systeme des Fahrzeugs 1 abhängen.
2 zeigt eine Ausführungsform des WHRS-Systems 100 in größerer Detailtiefe. Das WHRS-System 100 enthält eine erste Wärmetauscheinrichtung in Form eines Wärmetauschers 102, der so ausgebildet ist, dass er Wärmeenergie aus den Abgasen des Abgassystems 10 auf ein Arbeitsfluid innerhalb des WHRS-Systems 100, wie z.B. Ethanol, überträgt, um das Arbeitsfluid zu verdampfen.
Ferner enthält das WHRS-System 100 eine Wärmekraftmaschine in Form einer Turbine 104, die aus dem Wärmetauscher 102 empfangenes verdampftes Arbeitsfluid zum Antrieb eines elektrischen Generators 106 ausdehnt. In anderen Ausführungsformen kann die Wärmekraftmaschine verschiedene Formen annehmen, einschließlich der eines Hubkolbenmotors, und sie kann eine mechanische Vorrichtung wie ein Schwungrad oder ein Getriebe im Gegensatz zum elektrischen Generator 106 antreiben.
Eine zweite Wärmetauscheinrichtung in Form eines Verflüssigers 108 ist stromabwärts der Turbine 104 angeordnet, um das Arbeitsfluid zu kondensieren, bevor es in den Wärmetauscher 102 zurückkehrt. Der Verflüssiger 108 besteht aus einem Sammelbehälter für verflüssigtes Arbeitsfluid und ist mit einem Kühlkörper in Form eines Kühlmittelkreislaufs 200 verbunden, an den Wärmeenergie aus dem Arbeitsfluid übertragen wird.
In dieser Ausführungsform entspricht der Kühlmittelkreislauf 200 einem Fahrzeug-Kühlmittelkreislauf, der auch der Verbrennungskraftmaschine 2 Kühlflüssigkeit zuführt. Der Kühlmittelkreislauf 200 lässt eine Kühlflüssigkeit durch die Verbrennungskraftmaschine 2 des Fahrzeugs 1, einen Kühler 202, beispielsweise einen konventionellen Kühler, eine Kühlmittelpumpe 204 und durch den Verflüssiger 108 des WHRS-Systems 100 zirkulieren.
Eine Druckaufladungseinrichtung in Form einer Pumpe 110 ist vorgesehen, um das Arbeitsfluid unter Druck zu setzen und eine Zirkulationsströmung innerhalb des WHRS-Systems 100 zu erzeugen.
Der fachmännische Leser wird erkennen, dass die bisher beschriebenen Bauteile des WHRS-Systems 100 den Grundelementen eines organischen Rankine-Kreisprozess-Motors entsprechen, bei dem der Wärmetauscher 102 als Wärmequelle und der Verflüssiger 108 als Kühlkörper dient.
Ferner enthält das WHRS-System 100 dieser Ausführungsform jedoch vorteilhafterweise weitere Energiespeicherkomponenten, um die oben beschriebenen Probleme im Zusammenhang mit kurzlebigen Motorlasten, die z.B. während des Stadtverkehrs auftreten, zu mindern.
Konkret beinhaltet das WHRS-System 100 einen Speicher in Form eines Dampfspeichers 112, der in der Lage ist, verdampftes Arbeitsfluid unter Druck zu speichern. Zusätzlich werden Thermobatterien in Form von Phasenwechselmaterial in dieser Ausführungsform bereitgestellt, die an verschiedenen Stellen innerhalb des WHRS-Systems 100 zum Speichern von Wärmeenergie eingebaut sind.
In 2 ist der Dampfspeicher 112 im Prinzip einer „Druckabfall“-Variante des Dampfspeichers gleichwertig. Der Dampfspeicher 112 besteht somit aus einer Einlassleitung, einer Austrittsleitung und einem Vorratstank.
Im Betrieb wird der Vorratstank zunächst mit einem Volumen an Arbeitsfluid im flüssigen Zustand gefüllt, das unter Druck gehalten wird. Anschließend wird der Dampfspeicher 112 mit einem druckbeaufschlagten verdampften Arbeitsfluidstrom aus dem Wärmetauscher 102 versorgt, der über die Einlassleitung in einen unteren Abschnitt des Vorratstanks eingeleitet wird, um sich mit dem gespeicherten flüssigen Arbeitsfluid zu vermischen. Die Temperatur des Gemisches steigt bis zum Siedepunkt an, an dem der Dampfspeicher 112 in einen „geladenen Zustand“ übergeht. Im „geladenen Zustand“ hält der Vorratstank ein Flüssigkeit-Dampf-Gleichgewicht, das ein Volumen des Arbeitsfluids im flüssigen Zustand und ein vergleichsweise kleines Volumen des Arbeitsfluids im verdampften oder gasförmigen Zustand enthält.
Das verdampfte Arbeitsfluid enthält Wärme und potenzielle Energie, die zur nachgeschalteten Abgabe bereit steht. Das Arbeitsfluid kann aus dem Dampfspeicher 112 über die Austrittsleitung angesaugt werden, typischerweise unter der Steuerung eines Ventils, wie unten näher beschrieben. Der Innendruck des Vorratstanks sinkt beim Austritt des Arbeitsfluids, wodurch die Sättigungstemperatur des restlichen Arbeitsfluids gesenkt wird. Dadurch verdampft ein Teil des gespeicherten flüssigen Arbeitsfluids. Auf diese Weise werden ein Flüssigkeitsvolumen und ein Dampfvolumen des Arbeitsfluids gleichzeitig im Vorratstank gehalten und das verdampfte Volumen kann durch das Flüssigkeitsvolumen oder durch zusätzliches gasförmiges Arbeitsfluid aus dem Wärmetauscher 102 nachgefüllt werden.
Dementsprechend bietet der Vorratstank eine nachfüllbare Versorgung mit potenzieller Energie, die von der Turbine 104 in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Das Nachfüllen des verdampften Arbeitsfluids setzt sich jedoch nur fort, wenn der Druck und/oder die Temperatur des Arbeitsfluids im Dampfspeicher 112 die Sättigungsgrenzen erreicht oder überschreitet.
Nach dem Stand der Technik sind Rankine-Kreisprozess-Motoren auf die Zufuhr von gasförmigem Arbeitsfluid aus dem Wärmetauscher angewiesen, um die an die Umgebung abgegebene Wärmeenergie zu ersetzen und den Druck und die Temperatur des Arbeitsfluids aufrechtzuerhalten. Da der Dampfspeicher 112 zudem in Zeiten geringer Motorlast eingesetzt wird, wenn wenig oder kein gasförmiges Arbeitsfluid aus dem Wärmetauscher 102 aufgenommen wird, kann darüber hinaus der Dampfspeicher 112 folglich nur einen kurzzeitigen Energiebedarf des WHRS-Systems 100 decken.
In dieser Ausführungsform haben die Erfinder die Energiespeicherprobleme gemindert und die Fähigkeit des WHRS-Systems 100 durch die thermische Kopplung von Phasenwechselmaterialien mit dem Dampfspeicher 112 erweitert, um als Thermobatterie zu wirken und längerfristige Energiespeicher bereitzustellen. Dadurch werden die Probleme bei kurzlebigen Abgastemperaturen, die durch intermittierende Fahrzyklen entstehen, durch eine Kombination von kurz- und langfristigen Energiespeichereinrichtungen abgeschwächt.
In anderen Ausführungsformen können alternative Formen der Thermobatterie verwendet werden, einschließlich eines empfänglichen Wärmematerials oder eines thermochemischen Materials. Die Eignung der einzelnen Materialien für die betrieblichen Anforderungen des WHRS-Systems 100 wird jeweils berücksichtigt. Diese Alternativen werden später näher betrachtet.
Phasenwechselmaterialien gewinnen und speichern Wärmeenergie hauptsächlich dann, wenn sie die Phase wechseln. Die durch den Phasenwechsel des Materials gewonnene Wärmeenergie wird als Latentwärme bezeichnet. Die Latentwärme wird freigesetzt, wenn das Phasenwechselmaterial den umgekehrten Phasenwechsel durchläuft. Dies kann ein Fest-Flüssig-Phasenwechsel oder ein Flüssig-Dampf-Phasenwechsel sein.
In dieser Ausführungsform muss das Phasenwechselmaterial während des gesamten Betriebs des WHRS-Systems 100 einem Fest-Flüssig-Phasenwechsel unterzogen werden, so dass die Schmelztemperatur des ausgewählten Phasenwechselmaterials über dem Siedepunkt des Arbeitsfluids, jedoch innerhalb des Temperaturbereichs des Abgases liegen sollte. Eine solche Eigenschaft bedeutet, dass das Phasenwechselmaterial bei seinem Erstarren ein verdampftes Volumen an Arbeitsfluid im Dampfspeicher 112 aufrechterhalten kann.
Es wird ein geeignetes Phasenwechselmaterial gewählt, das in der Lage ist, genügend Latentwärme zu speichern, um ein bestimmtes Volumen an verdampftem Arbeitsfluid im Dampfspeicher 112 für eine gewünschte Dauer, z.B. für einen Zeitraum von acht Stunden, aufrechtzuerhalten. Eine solche Anforderung kann festgelegt werden, um sicherzustellen, dass das Phasenwechselmaterial genügend Wärmeenergie in einem Fahrzeug 1 speichert, das beispielsweise morgens zur Arbeit und abends nach Hause gefahren wird.
In diesem Fall sollte die latente Wärme des Phasenwechselmaterials entsprechend groß sein, um die Masse des Phasenwechselmaterials zu minimieren, die benötigt wird, um ausreichend Energie zu akkumulieren, damit verdampftes Arbeitsfluid über einen definierten Zeitraum gehalten wird. Vorzugsweise übersteigt die Latentwärme des Phasenwechselmaterials die Latentwärme des Arbeitsfluids.
Bei der Auswahl eines geeigneten Phasenwechselmaterial sind jedoch viele weitere Faktoren zu berücksichtigen, darunter die Wärmeleitfähigkeit im festen Zustand, die thermischen Speicherverluste und die spezifische Wärmekapazität im flüssigen Zustand.
Das für die einzelne Anwendung am besten geeignete Phasenwechselmaterial variiert je nach den spezifischen Betriebsanforderungen des WHRS-System 100 erheblich. Beispielsweise bieten Phasenwechselmaterialien auf Salz-, Paraffin- und Metallbasis unterschiedliche Vorteile. Ein metallisches Phasenwechselmaterial hat tendenziell eine geringere latente Schmelzwärme, reagiert aber oft dynamisch auf Temperaturänderungen. Ein Phasenwechselmaterial mit einer hohen latenten Schmelzwärme erlaubt unter Umständen mehr Energieakkumulation, weist jedoch typischerweise eine langsamere, weniger reaktionsfähige Energiefreisetzung auf.
In Anbetracht der oben genannten Anforderungen sind Kaliumnitrat, Natriumnitrat und Lithiumnitrid geeignete Phasenwechselmaterialien; jedoch sind auch viele andere Materialien potenzielle Kandidaten.
Das Phasenwechselmaterial befindet sich in einer oder mehreren Phasenwechselmaterialkammern 114, die eine Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsfluid und dem Phasenwechselmaterial ermöglichen, während das Phasenwechselmaterial flüssig vom Arbeitsfluid isoliert ist. Dementsprechend können die Phasenwechselmaterialkammern 114 mit einer Außenwand des Dampfspeichers 112 in Kontakt stehen oder im Inneren des Dampfspeichers 112 abgestützt sein.
Phasenwechselmaterialien weisen in der Regel eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf und benötigen relativ dünne Materialschichten, um eine effektive Wärmeübertragung zu gewährleisten. Die eine oder mehreren Phasenwechselmaterialkammern 114, in denen das Phasenwechselmaterial untergebracht ist, müssen für diese Eigenschaften ausgelegt sein.
Konkret hängt das Volumen der Phasenwechselmaterialkammern 114 von der Menge an Phasenwechselmaterial ab, die benötigt wird, um die gewünschte Wärmemenge zu halten; sie variiert je nach Energiedichte des Phasenwechselmaterials. Die Form der Phasenwechselmaterialkammern 114 hingegen hängt von der Fähigkeit des Phasenwechselmaterials ab, eine effektive Wärmeübertragung zu erzielen. So maximieren beispielsweise lange und dünne Phasenwechselmaterialkammern 114 mit minimaler Wandstärke das Verhältnis von Fläche zu Volumen und damit die Wärmeübertragungsrate.
Die Phasenwechselmaterialkammern 114 sind thermisch mit dem Dampfspeicher 112 gekoppelt, so dass sich der Dampfspeicher 112 beim „Laden“ mit Hochtemperatur-Arbeitsfluid füllt, das sich mit dem gespeicherten Volumen von Arbeitsfluid vermischt und Wärme mit dem Phasenwechselmaterial austauscht. Das Phasenwechselmaterial erfährt einen Fest-Flüssig-Phasenwechsel, indem es Wärmeenergie gewinnt, die es zum Schmelzen bringt und dabei Wärmeenergie aus dem Arbeitsfluid aufnimmt.
Wird die Wärmezufuhr aus den Abgasen vermindert oder abgestellt, z.B. während Leerlauf- oder Übergangszeiten, gibt das Phasenwechselmaterial die Wärmeenergie beim Erstarren an das Arbeitsfluid im Vorratstank zurück. Die Wärmeübertragung kann das Arbeitsfluid auf seiner Sättigungstemperatur halten, während die als Latentwärme gespeicherte Energie dafür sorgt, dass das Phasenwechselmaterial zwischen Leerlauf-/Ruhephasen Wärme an das Arbeitsfluid übertragen kann.
Die Kopplung von Phasenwechselmaterial an den Dampfspeicher 112 hat verschiedene Vorteile. So senkt das Phasenwechselmaterial beispielsweise thermomechanische Spannungen durch Spitzen in der Kurzzeittemperatur der Abgase. Darüber hinaus ist die volumenspezifische Speicherkapazität des Phasenwechselmaterials typischerweise größer als 200 kWh/m³; dies erlaubt die Verwendung kleinerer Vorratstanks und hilft, den Arbeitsdruck des Dampfspeichers 112 zu senken. Dadurch kann der Dampfspeicher 112 den ganzen Tag über zumindest teilweise mit Arbeitsfluid gefüllt bleiben und das Arbeitsfluid bei erhöhten Temperaturen gehalten werden. Damit steht der Turbine 104 eine zuverlässige Energiequelle zur Nutzung zur Verfügung.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform nutzt ferner die Wärmespeicherkapazität von Phasenwechselmaterialien durch thermisches Koppeln eines Phasenwechselmaterials mit dem Wärmetauscher 102. Bei dieser Anwendung sorgt das Phasenwechselmaterial für die Temperaturdämpfung im Wärmetauscher und erhöht so die Nachhaltigkeit der Wärmequelle.
Das Phasenwechselmaterial kann ähnlich wie der Dampfspeicher 112 mit dem Wärmetauscher 102 thermisch gekoppelt sein. Beispielsweise können eine oder mehrere Phasenwechselmaterialkammern 116, die ein Phasenwechselmaterial enthalten, auf oder innerhalb des Wärmetauschers 102 gestützt werden. Die Phasenwechselmaterialkammern 116 können auch lang und dünn sein, um die Wärmeübertragung zu maximieren und gleichzeitig das Phasenwechselmaterial vom Arbeitsfluid und den Abgasen flüssig zu isolieren. Dadurch ist das Phasenwechselmaterial im Wärmetauscher 102 in der Lage, beim Durchströmen der Abgase durch den Wärmetauscher Wärmeenergie zu absorbieren und diese dann z.B. bei geringer Abgasbelastung zur Erwärmung des Arbeitsfluids freizusetzen.
Das mit dem Wärmetauscher 102 gekoppelte Phasenwechselmaterial sollte eine hohe latente Schmelzwärme aufweisen, wie das mit dem Dampfspeicher 112 gekoppelte Phasenwechselmaterial, so dass der Phasenwechselprozess eine signifikante Energiemenge akkumuliert, wenn das Phasenwechselmaterial von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht.
Wie beim Phasenwechselmaterial, das mit dem Dampfspeicher 112 gekoppelt ist, sollte die Schmelztemperatur des mit dem Wärmetauscher 102 gekoppelten Phasenwechselmaterials über dem Siedepunkt des Arbeitsfluids liegen. Der Schmelzpunkt des mit dem Wärmetauscher 102 gekoppelten Phasenwechselmaterial sollte ebenfalls innerhalb des Temperaturbereichs des Abgases liegen, der typischerweise zwischen 200 °C und 700 °C liegt. Tatsächlich können Abgastemperaturprofile für den Aufbau des Rankine-Systems und zur Auswahl eines geeigneten Phasenwechselmaterial verwendet werden, da der Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials vorzugsweise nahe der erwarteten Abgastemperatur liegt.
Angesichts der leicht abweichenden Anforderungen darf das am Wärmetauscher 102 eingesetzte Phasenwechselmaterial nicht mit dem am Dampfspeicher 112 gleich sein, so dass das jeweils verwendete Phasenwechselmaterial für die Spitzen und Temperaturschwankungen optimiert ist, denen es im Betrieb ausgesetzt ist. Alternativ kann zur Vereinfachung das gleiche Phasenwechselmaterial im gesamten WHRS-System 100 verwendet werden.
Die 3a und 3b belegen die Vorteile, die sich durch das Einbinden von Phasenwechselmaterial in den Wärmetauscher 102 realisieren lassen. 3a zeigt die Abgasleistung auf der y-Achse und die Zeit auf der x-Achse. In diesem Zusammenhang stellt „Abgasleistung“ den Anteil des Wärmeenergieverlustes aus der Abgasanlage an die Umwelt in einem Fahrzeug ohne Abwärmerückgewinnungssystem dar. 3b ist eine Darstellung von Fahrzeuggeschwindigkeit auf der y-Achse gegen Zeit auf der x-Achse. 3a und 3b zeigen in Gegenüberstellung die Veränderung der Abgasleistung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit während eines gefahrenen Arbeitszyklus.
Für die Schwankungen bei den Abgastemperaturen ist die Abgasleistung maßgeblich. Die in 3a dargestellten hochfrequenten Schwankungen der Abgasleistung sind daher ein Indiz für sehr kurzlebige Abgastemperaturen und Spitzentemperaturen, die überhöht und oft kurzlebig sind, wie die eingekreisten Bereiche 302 zeigen. In Systemen nach dem Stand der Technik müssen die Bauteile des Rankine-Kreisprozess-Motors so ausgelegt sein, dass sie den Spitzentemperaturen standhalten, was zu erhöhten Kosten und Entwurfsineffizienzen führt.
In der vorliegenden Ausführungsform können jedoch Spitzentemperaturen von den Phasenwechselmaterialkammern 116 innerhalb des Wärmetauschers 102 absorbiert werden, so dass das Arbeitsfluid den Wärmetauscher 102 bei moderateren und stabileren Temperaturen verlassen kann. Diese Fähigkeit ist in 3a durch eine Linie 304 konstanter Abgasleistung angezeigt; sie stellt die Fähigkeit des Phasenwechselmaterials dar, das Arbeitsfluid über lange Zeiträume auf moderate Temperaturen zu erwärmen.
Auf diese Weise kann das Phasenwechselmaterial in den Phasenwechselmaterialkammern 116 in Zeiträumen mit hohen Motorlasten Wärmeenergie speichern und in Übergangszeiten, d.h. bei niedrigen Abgastemperaturen, an das Arbeitsfluid abgeben. Die dem Arbeitsfluid zugeführte Wärme ist somit nachhaltiger und es besteht ein größeres Potenzial für eine gleichmäßige Energieerzeugung an der Turbine 104. Auch die Komplexität des WHRS-Systems 100 wird reduziert und die Bauteile können dank der verbesserten Temperaturregelung auf optimale Effizienz ausgelegt werden. Dies ermöglicht eine bessere Energienutzung und bietet die Möglichkeit, Bauteile zu verkleinern.
Da das Phasenwechselmaterial beispielsweise die Bauteile des WHRS-Systems 100 vor den Extremen der Abgastemperatur schützt, können diese Bauteile für die moderateren Temperaturen der Linie 304, welche eine konstante Abgasleistung darstellt, ausgelegt werden. Dies reduziert die Kosten, das Gewicht und die Größe der relevanten Bauteile und verbessert den Wirkungsgrad des Fahrzeugs 1 weiter.
Obwohl nicht in der in 2 gezeigten Ausführungsform enthalten, ist es auch möglich, Phasenwechselmaterial an den Verflüssiger 108 anzuschließen, um Wärmeenergie aus dem Arbeitsfluid zu absorbieren und ihre Rückkehr in den flüssigen Zustand zu unterstützen. Dies kann sinnvoll sein, wenn beispielsweise die Temperatur der Kühlflüssigkeit im Kühlmittelkreislauf 200 vorübergehend erhöht ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Anbringen von Phasenwechselmaterial am Verflüssiger 108 den Austritt von flüssigem Arbeitsfluid bei einer konstanteren Temperatur ermöglichen, als dies normalerweise möglich ist. Ebenso kann die Ableitung der Wärmeenergie in den Kühlkreislauf 200 stabilisiert werden.
Das in 2 dargestellte WHRS-System umfasst auch verschiedene Überströmrouten, die eine Reihe von Betriebsarten ermöglichen. Eine erste Überströmeinrichtung in Form eines ersten Überströmkanals 118 sorgt für eine Überströmroute um den Dampfspeicher 112, und eine zweite Überströmeinrichtung in Form eines zweiten Überströmkanals 120 für eine Überströmroute um die Turbine 104.
Die Anordnung beinhaltet auch einen Satz von Ventilen, die es dem Arbeitsfluid ermöglichen, das WHRS-System 100 zu umfließen.
Ein erstes Ventil 122 in Form eines Dreiwegeventils befindet sich stromaufwärts des Dampfspeichers 112 an der Verbindungsstelle zwischen dem ersten Überströmkanal 118 und dem Dampfspeicher 112. Das erste Ventil 122 steuert den Durchfluss des Arbeitsfluids vom Wärmetauscher 102 in den Dampfspeicher 112 und/oder durch den ersten Überströmkanal 118.
Ein zweites Ventil 124 in Form eines Vierwegeventils befindet sich stromabwärts des Dampfspeichers 112 an der Verbindungsstelle zwischen dem ersten Überströmkanal 118, dem zweiten Überströmkanal 120, dem Dampfspeicher 112 und der Turbine 104. Das zweite Ventil 124 steuert die Abgabe des verdampften Arbeitsfluids aus dem Dampfspeicher 112 und/oder dem ersten Überströmkanal 118, um das Arbeitsfluid zur Turbine 104 und/oder dem zweiten Überströmkanal 120 zu leiten.
Das erste und zweite Ventil 122, 124 werden von der elektronischen Steuereinheit 8 gesteuert und können in Abhängigkeit von Rückkopplungsmessungen verschiedener (nicht abgebildeter) Sensoren betrieben werden. Zu den Sensoren gehören beispielsweise Druck-, Temperatur- und volumetrische Durchflussmengensensoren, mit denen die Eigenschaften des Arbeitsfluids und/oder der Abgase an verschiedenen Stellen im Kreislauf gemessen werden. Die gemessenen Parameter dienen der Information der elektronischen Steuereinheit 8, die als Reaktion darauf den Systembetrieb steuert. Die elektronische Steuereinheit 8 (ECU) kann das erste und zweite Ventil 122, 124, die Pumpe 110, den Verflüssiger 108 und den Wärmetauscher 102 der Abgaslast und dem momentanen Leistungsbedarf entsprechend steuern.
Ebenfalls vorgesehen ist eine Überströmroute um den (in 2 nicht dargestellten) Wärmetauscher 102 herum, die es dem Abgas ermöglicht, das gesamte WHRS-System zu umgehen. Der Abgasstrom durch diese Überströmroute wird selektiv durch ein (in 2 nicht dargestelltes) Ventil gesteuert, welches ebenfalls von der elektronischen Steuereinheit 8 gesteuert wird. In bestimmten Betriebszuständen des WHRS-System kann es vorteilhaft sein, das gesamte WHRS-System zu umgehen und damit das Abgas von einem Punkt stromaufwärts des Wärmetauschers 102 direkt zu einem Punkt stromabwärts des Wärmetauschers 102 strömen zu lassen, wie im Folgenden beschrieben ist.
Der Durchfluss des Arbeitsfluids während des Betriebs des WHRS-Systems 100 wird im Folgenden detailliert beschrieben.
Im Betrieb wird das Arbeitsfluid in kondensierter Form im Sammelbehälter des Verflüssigers 108 gesammelt. Das Arbeitsfluid wird durch die Wirkung der Pumpe 110 unter der Steuerung der elektronischen Steuereinheit 8 aus dem Sammelbehälter angesaugt, die die Fördermenge beispielsweise an die Motorlast anpassen kann.
Das Arbeitsfluid strömt im druckbeaufschlagten Zustand stromabwärts der Pumpe 110 in den Wärmetauscher 102. Das Arbeitsfluid durchströmt den Wärmetauscher 102 und tauscht Wärme mit einem Gegenstrom des von der Verbrennungskraftmaschine 2 kommenden Abgases aus. Die Abgase haben bereits den einen oder die mehreren Katalysatoren 12 durchströmt und so kann am Wärmetauscher 102 möglichst viel Wärme gewonnen werden.
Der Wärmetauscher 102 verdampft das Arbeitsfluid, indem er es auf Temperaturen erwärmt, die auf bzw. über der dem Druck des Arbeitsfluids entsprechenden Sättigungstemperatur liegen. Die elektronische Steuereinheit 8 (ECU) steuert die Pumpe, um die Massendurchflussmenge des Arbeitsfluids zu regeln und die Wärmeübertragung am Wärmetauscher 102 zu maximieren.
Während des normalen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 2 verlässt das Arbeitsfluid den Wärmetauscher 102 im verdampften Zustand und fließt stromabwärts. An dieser Stelle des Zyklus wird der Strom des verdampften Arbeitsfluids zwischen dem ersten Überströmkanal 118 und dem Dampfspeicher 112 in Abhängigkeit vom Zustand des verdampften Fluids und dem Leistungsbedarf an der Turbine 104 aufgeteilt. Der Kontrollprozess, der die relative Verteilung regelt, wird später in Bezug auf 4 näher besch rieben.
Anschließend wird der Turbine 104 aus dem ersten Überströmkanal, dem Dampfspeicher 112 oder beidem verdampftes Arbeitsfluid zugeführt. An der Turbine 104 wird das Arbeitsfluid ausgedehnt, um Arbeit am elektrischen Generator 106 zu leisten, was wiederum elektrische Energie erzeugt. Die elektrische Energie wird entsprechend dem Ladezustand der Batterie 6 und dem Leistungsbedarf des Übertragungssystems übertragen.
Das Arbeitsfluid kühlt sich bei der Expansion in der Turbine 104 stark ab; sein Druck kann unter den atmosphärischen Druck fallen. Stromabwärts der Turbine 104 bleibt das Arbeitsfluid jedoch in einem weitgehend gasförmigen oder verdampften Zustand.
Das expandierte Arbeitsfluid fließt weiter zum Verflüssiger 108, der mit dem Kühlkörper, in dieser Ausführungsform mit dem Kühlmittelkreislauf 200, verbunden ist. Das Arbeitsfluid durchströmt den Verflüssiger 108 und verliert Wärmeenergie, so dass es zu einer Flüssigkeit kondensiert und sich im Sammelbehälter ansammelt, um in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren.
In 4 ist die Dampfleistung „Ps“ auf der y-Achse im Verhältnis zum Leistungsbedarf „Pd“ auf der x-Achse dargestellt. Die Dampfleistung stellt jene Menge an Wärme- und Druckenergie dar, die vom Dampfspeicher 112 auf die Turbine 104 übertragen werden kann. Der Leistungsbedarf ist die erforderliche elektrische Leistungsabgabe am Stromgenerator 106, die z.B. aus einem elektrischen Leistungsbedarf der Batterie 6 und/oder des Elektromotors 4 bestehen kann.
Generell kann Arbeitsfluid aus dem Dampfspeicher 112 freigesetzt werden, um die Turbine 104 anzutreiben, wenn die aktuellen Fahrbedingungen zu einer sehr kurzlebigen Abgasleistung führen. Bei anhaltend hoher Motorlast, z.B. bei Autobahnfahrten, kann hingegen das Arbeitsfluid den Dampfspeicher 112 umgehen und direkt in die Turbine 104 gespeist werden.
Anhand von 4 werden nun sechs Bereiche der Grafik beschrieben, die den jeweiligen möglichen Steuerungsszenarien entsprechen, um verschiedene Betriebsarten zu identifizieren, in denen das WHRS-System 100 betrieben werden kann.
Kein Leistungsbedarf, Dampfspeicher vollständig geladen, 401
Der erste Bereich mit der Bezeichnung 401 in 4 bezieht sich auf ein Szenario, in dem der Leistungsbedarf null ist, vielleicht weil die Verbrennungskraftmaschine 2 als alleiniger Lieferant von Vortriebsleistung wirkt oder das Fahrzeug 1 ausrollt/im Leerlauf läuft und der elektrische Zusatzbedarf von einem Hauptgenerator des Fahrzeugs 1 erfüllt werden kann. Der Dampfspeicher 112 ist ebenfalls vollständig geladen, d.h. sein Vorratsraum ist mit einem maximalen Volumen des Arbeitsfluids gefüllt, welches unter Druck bei oder über der Sättigungstemperatur gespeichert wird. Dementsprechend steht ein sofort verfügbarer Vorrat an verdampftem Arbeitsfluid zur Verfügung, der Wärme- und Druckenergie enthält.
Unter diesen Bedingungen kann das WHRS-System 100 aktiv oder inaktiv sein. Im Ruhezustand erzeugt die Pumpe 110 keinen Durchfluss und der Kreislauf ist statisch. Wenn die elektronische Steuereinheit 8 jedoch aktiv ist, kann sie die Pumpe 110 betreiben, um den Durchfluss des Arbeitsfluids zu erzeugen. Um die Zirkulation zu ermöglichen, betätigt die elektronische Steuereinheit 8 auch das erste Ventil 122, um das Arbeitsfluid durch den ersten Überströmkanal 118 zu leiten, und das zweite Ventil 124, um das Arbeitsfluid aus dem ersten Überströmkanal 118 in den zweiten Überströmkanal 120 und zurück zur Pumpe 110 zu leiten.
Dadurch durchströmt das Arbeitsfluid den Kreislauf und umgeht die Turbine 104 und den Dampfspeicher 112. Die Pumpe 110 kann so gesteuert werden, dass der Durchfluss des Arbeitsfluids minimiert und die Temperatur des Arbeitsfluids beim Verlassen des Wärmetauschers 102 maximiert wird. Dies ermöglicht einen schnelleren Druckaufbau, sobald der Leistungsbedarf zurückkehrt, und bereitet das WHRS-System 100 auf eine maximale Leistungsabgabe vor. Das Phasenwechselmaterial ermöglicht es dem WHRS-System 100, diesen Zustand aufrechtzuerhalten, wenn die Wärmezufuhr aus dem Abgas vorübergehend unterbrochen ist, indem die Wärme auf das gespeicherte Volumen des Arbeitsfluids übertragen und die Sättigungstemperatur beibehalten wird.
Alternativ kann unter diesen Bedingungen die Überströmroute um den Wärmetauscher 102 herum (die Überströmroute ist in keiner der Figuren dargestellt) so ausgebildet sein, dass das Abgas das WHRS-System vollständig umgehen kann. Das Umgehen des Wärmetauschers 102 kann z.B. zur Regelung des Gegendrucks in der Abgasanlage 10 oder zum Schutz von Bauteilen des WHRS-Systems in Zeiten sinnvoll sein, in denen die Abgastemperatur flussaufwärts des Wärmetauschers 102 sehr hoch ist. Die Überströmroute um den Wärmetauscher 102 bietet neben der Steuerung der Pumpe 110 auch eine zusätzliche Möglichkeit, die Temperatur des Arbeitsfluids im WHRS-System zu regeln, indem das Umgehen des WHRS-Systems durch das Abgas dahingehend wirkt, dass die Wärmeübertragung in den Wärmetauscher 102 und damit die Temperatur des aus dem Wärmetauscher 102 austretenden Arbeitsfluids gesenkt wird.
Kein Leistungsbedarf, Dampfspeicher nicht vollständig geladen, 402
In diesem durch den Bereich 402 der Grafik dargestellten Szenario ist der Leistungsbedarf wie in Szenario 1 null, der Dampfspeicher 112 ist jedoch nicht vollständig geladen, d.h. nicht im „geladenen Zustand“. Die elektronische Steuereinheit 8 betätigt das erste Ventil 122, um den Fluidstrom vom Wärmetauscher 102 zum Dampfspeicher 112 zu leiten, und das zweite Ventil 124 wird betätigt, um den Auslass des Dampfspeichers 112 wirksam abzudichten. Die anschließende Zufuhr von Arbeitsfluid lädt den Dampfspeicher 112.
Leistungsbedarf übersteigt Dampfleistung, 403
Dieses dem Bereich 403 in 4 entsprechende Szenario kann beim kurzlebigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 auftreten, beispielsweise beim Umschalten von niedriger Motorlast auf hohe Motorlast mit erschöpften Energiereserven in der Batterie 6. Der Zustand des Speichers ist unwichtig, da alle Ressourcen auf die Deckung des Energiebedarfs ausgerichtet sein müssen.
In diesem Szenario wird das erste Ventil 122 so eingestellt, dass der Strom vom Wärmetauscher 102 durch den ersten Überströmkanal 118 geleitet wird, während das zweite Ventil 124 zur Versorgung der Turbine 104 mit verdampftem Arbeitsfluid aus dem ersten Überströmkanal 118 und dem Dampfspeicher 112 betätigt wird, bis die Ladung aufgebraucht ist. Auf diese Weise wird das gesamte in verdampfter Form verfügbare Arbeitsfluid der Turbine 104 zur elektrischen Energieerzeugung zugeführt.
Der elektrische Generator 106 kann die elektrische Energie direkt an den Elektromotor 4 weiterleiten, um Vortriebsleistung zu liefern und den Schubbedarf so weit wie möglich zu decken.
Leistungsbedarf ist geringer als Dampfleistung, Dampfspeicher nicht vollständig geladen, 404
Während der kurzlebigen Belastung, die durch einen Bereich der Grafik mit der Bezeichnung 404 in 4 dargestellt ist, kann die elektronische Steuereinheit 8 beispielsweise das zweite Ventil 124 so betätigen, dass der Dampfspeicher 112 die Turbine 104 in Abhängigkeit von der verlangten Leistung mit verdampftem Arbeitsfluid versorgt. Überschüssiges Arbeitsfluid aus dem Dampfspeicher 112 kann durch den zweiten Überströmkanal 120 geleitet werden, um bei Bedarf die Turbine 104 zu umgehen. Währenddessen kann das erste Ventil 122 so betrieben werden, dass das aus dem Wärmetauscher 102 austretende Arbeitsfluid wieder in den Einlass des Dampfspeichers 112 geleitet wird, um das gespeicherte Volumen wieder aufzufüllen.
Bei Dauerbelastung des Motors kann jedoch das erste Ventil 122 betätigt werden, um den Durchfluss zwischen dem ersten Überströmkanal 118 und dem Dampfspeicher 112 zu verteilen. Das zweite Ventil 124 kann indes zur Versorgung der Turbine 104 aus dem ersten Überströmkanal 118 betrieben werden und gleichzeitig den Auslass des Dampfspeichers 112 abdichten. Dieser stellt die Ladung des Dampfspeichers 112 wieder her und versorgt die Turbine 104 direkt aus dem Wärmetauscher 102 mit verdampftem Arbeitsfluid.
Leistungsbedarf ist geringer als Dampfleistung, Dampfspeicher vollständig geladen, 405
Als Reaktion auf die oben definierten Bedingungen, die sich auf den Bereich 405 von 4 beziehen, kann die elektronische Steuereinheit 8 das zweite Ventil 124 betätigen, um Arbeitsfluid aus dem Dampfspeicher 112 in die Turbine 104 abzugeben und so den Leistungsbedarf zu decken. Das zweite Ventil 124 kann zweckgerecht eingestellt werden, damit überschüssiges Arbeitsfluid in den zweiten Überströmkanal 120 gelangen kann. Das erste Ventil 122 kann betätigt werden, um Arbeitsfluid vom Wärmetauscher 102 zurück in den Dampfspeicher 112 zu leiten, so dass der Dampfspeicher 112 wieder mit Arbeitsfluid gefüllt werden kann.
Leistungsbedarf entspricht der Dampfleistung, Dampfspeicher vollständig geladen, 406
In diesem Idealfall, der sich auf Punkt 406 von 4 bezieht, kann die Verbrennungskraftmaschine 2 mit vernachlässigbarer Wärmezufuhr aus dem Abgas im Leerlauf sein. Der Dampfspeicher 112 ist jedoch vollständig geladen und die elektronische Steuereinheit 8 kann das zweite Ventil 124 betätigen, um die Turbine 104 mit verdampftem Arbeitsfluid aus dem Dampfspeicher 112 zu versorgen und so den Leistungsbedarf zu decken. Das erste Ventil 122 kann betätigt werden, um das Arbeitsfluid zum Einlass des Dampfspeichers 112 zurückzuführen.
Die verschiedenen oben beschriebenen Szenarien veranschaulichen, wie durch den Einsatz der verschiedenen Überströmkanäle und Ventile zur Verbesserung der Steuerung der Leistungsbereitstellung ausreichend Leistung über eine Bandbreite von Motorbetriebslasten verfügbar gemacht werden kann.
5 zeigt ein Logikdiagramm 500, in welchem eine beispielhafte erfindungsgemäße Steuerungsstrategie grafisch zusammengefasst ist.
Die Strategie beginnt mit dem Bestimmen 501, ob sich die Verbrennungskraftmaschine 2 in einem Kaltstartzustand befindet, in dem die Verbrennungskraftmaschine nach einer Zeit der Betriebsunterbrechung, in welcher der Motor auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist, kürzlich gestartet wurde. Ist dies der Fall, bestimmt 502 die Strategie, ob der Dampfspeicher 112 leer ist oder nicht. Wird festgestellt, dass der Dampfspeicher 112 leer ist, charakterisiert 503 die Strategie den Wärmeenergiefluss aus dem Abgas als dynamischen oder stationären Zustand. Ein dynamischer Energiefluss wird als ein Abgasstrom definiert, der in Durchfluss und/oder Temperatur außerhalb der Grenzwerte variiert. Dynamische Strömungen entstehen tendenziell in Zeiten kurzlebiger Motorlasten, wie z.B. im Stadtverkehr. Liegen die Schwankungen der Abgaseigenschaften dagegen innerhalb der Grenzwerte, wird sie als stationär bezeichnet. Die Strategie charakterisiert 503 auch den Wärmeenergiefluss, wenn die Strategie feststellt 501, dass sich die Verbrennungskraftmaschine 2 nicht im Kaltstartzustand befindet. Wenn der Durchfluss als dynamisch eingestuft wird, kann das WHRS-System möglicherweise nicht zuverlässig Energie vom Wärmetauscher 102 zur Turbine 104 liefern, um den Leistungsbedarf Pd zu decken. Daher kann in diesem Zustand die Überlegung geprüft werden, ob der Dampfspeicher 112 Energie zur Deckung des Leistungsbedarfs liefern kann und ob Dampf an den Speicher 112 abgegeben werden soll oder nicht.
Die Strategie prüft dann, ob der Leistungsbedarf Pd gleich null ist. Wenn der Wärmeenergiefluss als stationär, d.h. nicht dynamisch eingestuft wird, prüft die Strategie entweder: 505, ob der Leistungsbedarf die Dampfleistung Ps übersteigt, wenn der Leistungsbedarf ungleich null ist, oder 507, wenn der Dampfspeicher 112 voll ist, falls der Leistungsbedarf null ist. Wenn der Wärmeenergiefluss als dynamisch eingestuft wird, wird von der Strategie entweder 506 geprüft, ob der Dampfspeicher 112 leer ist, wenn der Leistungsbedarf ungleich null ist, oder prüft 507, ob der Dampfspeicher 112 voll ist, wenn der Leistungsbedarf null ist. Die Strategie prüft 507 auch, ob der Dampfspeicher 112 voll ist, wenn der Dampfspeicher 112 nicht leer ist und der Leistungsbedarf ungleich null ist.
Die Strategie endet mit dem Festlegen von fünf unterschiedlichen Steueraktionen, die auf der Grundlage der vorhergehenden Schritte durchzuführen sind, einschließlich: Leiten des Arbeitsfluids vom Wärmetauscher 102 direkt zur Turbine 104, Speichern des Arbeitsfluids im Speicher 112, Umgehen des Speichers 112, Freisetzen des Arbeitsfluids aus dem Speicher 112 zur Turbine 104, und Freisetzen des Arbeitsfluids aus dem Speicher 112 zum Verflüssiger 108, um die Aufwärmzeit des Motors der Beschreibung unten entsprechend zu reduzieren. Einige zusätzliche Bedingungen sind im Diagramm 500 angegeben, um zu definieren, welche Steuerungsmaßnahme in der Endstufe gewählt wird.
Jede der oben beschriebenen Steuerungsstrategien, bezogen auf 4, kann durch das Logikdiagramm 500 in 5 nachvollzogen werden. Da solche Diagramme dem Fachmann problemlos verständlich sind, soll Szenario 1 durch die in 5 dargestellten logischen Schritte 500 als Arbeitsbeispiel nachvollzogen werden, um unnötige Details zu vermeiden.
Steuerungsszenario 1, bei dem sich die Verbrennungskraftmaschine 2 entweder nicht im Kaltstartzustand befindet, oder aber sich im Kaltstartzustand befindet, bei dem der Speicher 112 leer ist, und kein Leistungsbedarf besteht und der Dampfspeicher 112 vollständig geladen ist, beginnt mit der Feststellung in Schritt 503, dass die Abgaslast konstant und somit keine dynamische Last ist. Anschließend wird in Schritt 504 bestimmt, dass seitens des WHRS-Systems 100 kein Leistungsbedarf besteht; anschließend wird in Schritt 507 der Dampfspeicher 112 als voll und im geladenen Zustand bestimmt. Infolgedessen steuert die elektronische Steuereinheit 8 das Ventil, das den Abgasstrom durch die Überströmroute um den Wärmetauscher 102 herumsteuert (wobei das Ventil und die Überströmroute in keiner der Figuren dargestellt sind), so dass die Abgase das WHRS-System vollständig umgehen können. Alternativ wird der Wärmetauscher 102 möglicherweise nicht umgangen und die elektronische Steuereinheit 8 betreibt möglicherweise die Pumpe 110, um einen Durchfluss des Arbeitsfluids zu erzeugen. Um die Zirkulation zu ermöglichen, betätigt die elektronische Steuereinheit 8 auch das erste Ventil 122, um das Arbeitsfluid durch den ersten Überströmkanal 118 zu leiten, und das zweite Ventil 124, um das Arbeitsfluid aus dem ersten Überströmkanal 118 in den zweiten Überströmkanal 120 und zurück zur Pumpe 110 zu leiten. Dadurch durchströmt das Arbeitsfluid den Kreislauf und umgeht die Turbine 104 und den Dampfspeicher 112. Die Pumpe 110 kann so gesteuert werden, dass der Durchfluss des Arbeitsfluids minimiert und die Temperatur des Arbeitsfluids beim Verlassen des Wärmetauschers 102 maximiert wird.
Um die Vorteile der bisher in Erwägung gezogenen und oben beschriebenen Ausführungsform zusammenzufassen, können Rankine-Kreisprozess-Motoren im Stand der Technik zwar einen Dampfspeicher enthalten; ihnen fehlen jedoch die von den Phasenwechselmaterialkammern 114, 116 zur Verfügung gestellten langfristigen Energiespeicherfähigkeiten. Die Erfinder haben festgestellt, dass Teillastbetriebsbedingungen ohne die Phasenwechselmaterialkammern 114, 116 eine unzureichende Versorgung mit Wärmeenergie für den Betrieb eines Rankine-Kreisprozess-Motors einschließlich eines Speichers darstellen. Die Unterbrechungen in der Wärmeversorgung führen dazu, dass das gespeicherte Volumen des Arbeitsfluids schnell Wärme an die Umgebung verliert und somit verflüssigt. Dadurch wird die Versorgung der Turbine mit verdampftem Arbeitsfluid mangelhaft geregelt und ist oft unbrauchbar. Dies reduziert den Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs. Eine effektive Lösung für dieses Problem bietet der Einsatz von Thermobatterien über Phasenwechselmaterialkammern 114, 116 in dem Dampfspeicher 112 und dem Wärmetauscher 102, wie beschrieben.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen und den damit verbundenen Steuerungsstrategien können die in 2 dargestellten Vorrichtungen auch in einer alternativen Betriebsart eingesetzt werden, um den Wirkungsgrad des Fahrzeugs unmittelbar nach einem Kaltstart zu verbessern.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Verbrennungskraftmaschine 2 bei Nichtgebrauch schnell Wärme an die Umgebung abgibt und so innerhalb kurzer Zeit nach Einstellung des Betriebs auf Umgebungstemperatur abkühlt, was einen Kaltstart bei der nächsten Zündung zur Folge hat. Unter Kaltstartbedingungen muss Motoröl, das die Kolbenräume der Verbrennungskraftmaschine 2 schmiert, eine Warmlaufphase durchlaufen, um seine normale Betriebstemperatur zu erreichen; davor ist das Öl relativ kalt und damit zähflüssiger, was zu erhöhten Reibungsverlusten in der Verbrennungskraftmaschine 2 während der Warmlaufphase führt.
Unter diesen Bedingungen profitiert die Verbrennungskraftmaschine 2 vom Anschluss des Kühlmittelkreislaufs 200 an das WHRS-System 100, da die Wärmeenergie aus dem Abgas über das WHRS-System 100 und den Kühlmittelkreislauf 200 an die Verbrennungskraftmaschine 2 zurückgeführt wird.
Im Normalbetrieb wird das WHRS-System 100 jedoch zur Maximierung der Energierückgewinnung aus dem von der Verbrennungskraftmaschine 2 ausgestoßenen Abgas betrieben; dies bedeutet, dass die an den Kühlmittelkreislauf 200 am Verflüssiger 108 abgegebene Wärmeenergie minimiert wird. Daher ist der Beitrag des WHRS-Systems 100 zur Erwärmung der Verbrennungskraftmaschine 2 in der Regel minimal.
Da die Verbesserung des Fahrzeugwirkungsgrades durch Verkürzung der Aufwärmzeit in der Regel größer ist als die durch Energierückgewinnung und -speicherung erzielte, wird das WHRS-System 100 in der Ausführungsform einer Erfindung entgegen der üblichen Vorgehensweise während der Aufwärmzeit betrieben, um die Wärmeenergie zu maximieren, die dem Verflüssiger 108 und anschließend der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführt wird.
Um dies zu erreichen, wird die Turbine 104 während der Aufwärmzeit durch Betätigung des zweiten Ventils 124 umgangen, so dass die Abgase den Weg des geringsten Widerstandes durch den zweiten Überströmkanal 120 nehmen. Das bedeutet, dass das aus dem Wärmetauscher 102 oder dem Dampfspeicher 112 austretende warme Arbeitsfluid direkt zum Verflüssiger 108 strömt und somit die Menge an Wärmeenergie maximiert, die innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 200 auf die Kühlflüssigkeit übertragen wird, bevor sie die Verbrennungskraftmaschine 2 erreicht. Dies wiederum erhöht die Temperatur der durch die Verbrennungskraftmaschine 2 strömenden Kühlflüssigkeit und beschleunigt deren Erwärmung.
Anders ausgedrückt ermöglicht diese Betriebsart den Einsatz des WHRS-Systems 100, um die aus der Verbrennungskraftmaschine 2 austretende Wärmeenergie durch die Abgase über den Verflüssiger 108 und den Kühlmittelkreislauf 200 wieder in die Verbrennungskraftmaschine 2 zurückzuführen.
Die Kapazität des WHRS-Systems 100, die Erwärmung der Verbrennungskraftmaschine 2 zu beschleunigen, wird durch die Fähigkeit des Phasenwechselmaterials im WHRS-System 100 zur Speicherung von Wärmeenergie über lange Zeiträume erhöht. Unter Kaltstartbedingungen kann das Phasenwechselmaterial zusätzlich zur Abgasrückgewinnung sofort Wärme an das Arbeitsfluid im WHRS-System 100 abgeben und so die Temperatur des Arbeitsfluids, das den Verflüssiger 108 erreicht, erhöhen.
Beispielsweise kann Phasenwechselmaterial das im Dampfspeicher 112 gespeicherte Arbeitsfluid erwärmen oder dem durch den Wärmetauscher 102 strömenden Arbeitsfluid zusätzliche Wärme zuführen.
Der Einsatz von Phasenwechselmaterial innerhalb des WHRS-Systems 100 ermöglicht demnach eine weitere Verkürzung der Aufwärmzeit der Verbrennungskraftmaschine 2.
Andere an den Verflüssiger 108 angeschlossene temperaturabhängige Fahrzeugsysteme können ebenfalls als Kühlkörper wirken und durch den Betrieb des WHRS-Systems 100, wie oben beschrieben, als Wärmequelle aus einer beschleunigten Erwärmung Nutzen ziehen. Zu solchen Fahrzeugsystemen können beispielsweise Kabinenheizungen oder Klimaanlagen, Ansaugluftheizungen, Getriebesysteme und Katalysatoren zählen.
Wie bereits erwähnt, wird Phasenwechselmaterial zwar in der oben beschriebenen Ausführungsform als Wärmebatterie verwendet, in anderen Ausführungsformen können jedoch alternative Formen der Wärmebatterie verwendet werden.
Beispielsweise kann ein empfängliches Heizmaterial anstelle von, oder zusätzlich zum, Phasenwechselmaterial als Thermobatterie verwendet werden. Empfängliche Wärmematerialien speichern Wärme bei steigender Temperatur und geben beim Abkühlen Wärme ab. Empfängliche Wärmematerialien haben in der Regel eine geringere Energiedichte, weisen jedoch ein dynamischeres Ansprechverhalten bei gleitender Austrittstemperatur auf. Um als effektive Wärmebatterie eingesetzt zu werden, kann ein geeignetes empfängliches Wärmematerial eine große Wärmekapazität besitzen und relativ geringe Wärmeverluste erzeugen. Genauer gesagt, kann ein geeignetes empfängliches Wärmematerial eine Wärmekapazität von mehr als 40 kWh/m³ besitzen. Dementsprechend können sich insbesondere bestimmte keramische Werkstoffe im WHRS-System 100 als wirksam erweisen.
In einer anderen Alternative kann ein thermochemisches Material als Thermobatterie verwendet werden. Thermochemische Materialien zerfallen bei Wärmeeinwirkung in einzelne Bestandteile. Diese einzelnen Bestandteile können dann getrennt gelagert werden, um zu verhindern, dass sie die Mischung erneut bilden, bis Wärme benötigt wird; zum betreffenden Zeitpunkt werden die Bestandteile wieder zusammengeführt, um die Mischung erneut zu bilden und die gespeicherte Wärme abzugeben.
Thermochemische Materialien weisen sehr hohe Wärmespeicherkapazitäten und geringe Wärmeverluste auf, stellen jedoch Probleme bei der Wärmeübertragung dar, da sie Wärme mit unterschiedlichen Temperaturen innerhalb unterschiedlicher Zeiträume liefern. Ein geeignetes thermochemisches Material kann eine Wärmekapazität von mehr als 200 kWh/m³ besitzen. Geeignete thermochemische Materialien können Metallhydride und Kieselgel sein.
An den obigen Beispielen können viele Abwandlungen vorgenommen werden, ohne von dem in den beiliegenden Ansprüchen definierten Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Bauteile des WHRS-Systems, soweit als sinnvoll betrachtet, zweckgerecht abgewandelt, neu angeordnet oder entfernt werden können. So kann beispielsweise ein Regenerator sinnvoll in das WHRS-System eingebunden werden, um Wärme zwischen dem expandierten Arbeitsfluid und dem druckbeaufschlagten Fluid auszutauschen. Ebenso können die Leitungen zwischen den Bauteilen sinnvoll abgewandelt werden, um eine stärker abgestimmte Steuerung des Arbeitsfluids zu ermöglichen. Andere bekannte Ergänzungen/Anpassungen zu einem Rankine-Zyklus-Motor können in geeigneter Weise in das WHRS-System eingebunden werden, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abwärmerückgewinnungs- und - speichersystem Folgendes umfasst: einen ersten Wärmetauscher, der so ausgebildet ist, dass er Wärmeenergie aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine auf ein Arbeitsfluid überträgt, einen Speicher, der so ausgebildet ist, dass er das vom ersten Wärmetauscher aufgenommene Arbeitsfluid speichert, eine Wärmekraftmaschine, die so ausgebildet ist, dass sie die in dem aus dem ersten Wärmetauscher und dem Speicher austretenden Arbeitsfluid enthaltene Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandelt, und einen zweiten Wärmetauscher, der so ausgebildet ist, dass er Wärmeenergie vom Arbeitsfluid auf einen Kühlkörper überträgt, wobei mindestens einer von Speicher, erstem Wärmetauscher und zweitem Wärmetauscher eine Thermobatterie umfasst, die so angeordnet ist, dass sie Wärmeenergie mit dem Arbeitsfluid und/oder dem Abgas austauscht.
Abwärmerückgewinnungs- und Speichersystem nach Anspruch 1, wobei die Thermobatterie ein Phasenwechselmaterial enthält, das Wärmeenergie speichern kann, indem es von einer ersten Phase in eine zweite Phase übergeht, und die Wärmeenergie freisetzt, indem es von der zweiten Phase in die erste Phase übergeht, oder ein empfängliches Wärmematerial oder ein thermochemisches Material enthält.
Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speicher als Druckabfallspeicher betreibbar ist und das in flüssigem Zustand gespeicherte Arbeitsfluid in einen verdampften Zustand verdampft werden kann.
Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein erstes Ventil, das betätigbar ist, um den Fluss des Arbeitsfluids in den Speicher zu steuern, wobei das erste Ventil gegebenenfalls steuerbar ist, um den Fluss des Arbeitsfluids durch eine erste Überströmleitung einzustellen, die so ausgebildet ist, dass das Arbeitsfluid den Speicher umgehen kann.
Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein zweites Ventil, das betätigbar ist, um Arbeitsfluid aus dem Speicher freizusetzen, wobei das zweite Ventil gegebenenfalls steuerbar ist, um den Fluss des Arbeitsfluids durch eine zweite Überströmleitung einzustellen, die so ausgebildet ist, dass Arbeitsfluid die Wärmekraftmaschine umgehen kann.
Regelsystem, das so ausgebildet ist, dass es das Abwärmerückgewinnungs- und - speichersystem eines vorhergehenden Anspruchs betreibt, um: den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine im ersten Wärmetauscher Wärmeenergie zu entziehen, Wärmeenergie im Speicher und/oder in der Wärmebatterie zu speichern und Wärmeenergie aus dem Speicher und/oder der Thermobatterie in mechanische Arbeit an der Wärmekraftmaschine umzuwandeln.
Regelsystem nach Anspruch 6, ausgebildet, um: die aus den Abgasen verfügbare Wärmeenergie als dynamisch oder stationär zu charakterisieren, einen Bedarf an mechanischer Arbeit an der Wärmekraftmaschine zu bestimmen, zu bestimmen, ob der Bedarf an mechanischer Arbeit die im Speicher gespeicherte Wärme- und/oder Druckenergie übersteigt, zu bestimmen, ob der Speicher voll ist, und den Speicher zu umgehen, wenn der Speicher voll ist.
Regelsystem gemäß Anspruch 7, ausgebildet, um: zusätzliches Arbeitsfluid im Speicher zu speichern, wenn der Speicher nicht voll ist und kein Bedarf an mechanischer Arbeit besteht, Arbeitsfluid aus dem Speicher abzugeben, wenn die aus den Abgasen verfügbare Wärmeenergie dynamisch ist und der Bedarf an mechanischer Arbeit die im Speicher gespeicherte Wärmeenergie und/oder Druckenergie übersteigt, und Arbeitsfluid vom ersten Wärmetauscher zur Wärmekraftmaschine zu leiten, wenn die aus den Abgasen verfügbare Wärmeenergie stationär ist und der Bedarf an mechanischer Arbeit die im Speicher gespeicherte Wärmeenergie und/oder Druckenergie übersteigt.
Fahrzeug, umfassend das Abwärmerückgewinnungs- und -speichersystem eines der Ansprüche 1 bis 5 oder das Regelsystem eines der Ansprüche 6 bis 8.