DE112015004627T5

DE112015004627T5 - Vorrichtung zur rückgewinnung von abwärme

Info

Publication number: DE112015004627T5
Application number: DE112015004627.5T
Authority: DE
Inventors: Shinji Nakamura; Yasuaki Kanou
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2017-10-05
Also published as: JP6495608B2; US20170306804A1; CN107110066B; CN107110066A; WO2016056611A1; US10378391B2; JP2016075263A

Abstract

[Aufgabe] Bereitgestellt wird eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme mit einer verbesserten Wärmeeffizienz eines Rankine-Zyklus bereitgestellt. [Konfiguration] In einer Vorrichtung 1 zur Rückgewinnung von Abwärme mit einem Rankine-Zyklus 30, in dem Arbeitsfluid zirkuliert, und einem Kühlkreislauf, in dem Kühlwasser eines Motors 2 zirkuliert, ist Abwärme des Motors 2 eine Wärmequelle einer Heizeinrichtung 31 des Rankine-Zyklus 30. Eine Verdichtungseinrichtung 33 des Rankine-Zyklus 30 ist dazu konfiguriert, Wärme zwischen dem Arbeitsfluid und Kühlwasser eines dritten Kühlwasserkreislaufs 6 auszutauschen, der dazu konfiguriert ist, Kühlwasser zirkulieren zu lassen, das einen Kühler 9 durchlaufen hat, ohne den Motor 2 zu durchlaufen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme mit einem Rankine-Zyklus, der eine Kältemittelpumpe, die dazu konfiguriert ist, ein Arbeitsfluid zirkulieren zu lassen, eine Heizeinrichtung, die dazu konfiguriert ist, mithilfe von Abwärme eines Motors eines Fahrzeugs ein Arbeitsfluid zu erwärmen, das von der Kältemittelpumpe zugeführt wird, eine Expansionseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, das von der Heizeinrichtung erwärmte und verdampfte Arbeitsfluid zu expandieren, um einen Ausgang zu erzeugen, und eine Rankine-Verdichtungseinrichtung aufweist, die dazu konfiguriert ist, das von der Expansionseinrichtung expandierte Arbeitsfluid zu verdichten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme mit einem Rankine-Zyklus, wie sie in Patentschrift 1 offenbart ist, war als typische Technik bekannt. Die Fahrzeugabwärmevorrichtung mit dem Rankine-Zyklus ist dazu konfiguriert, Wärme zwischen Verbrennungsgas, das von einem Motor abgegeben wird, und Arbeitsfluid, das in dem Rankine-Zyklus in zirkuliert, in einem Dampfgenerator auszutauschen und dadurch Motorabwärme rückzugewinnen. Eine Expansionseinrichtung ist dazu konfiguriert, das heiße Hochdruckarbeitsfluid, das von dem Dampfgenerator erwärmt wird, zum Erzeugen eines Ausgangs zu expandieren. Ein Wärmetauscher ist dazu konfiguriert, Wärme zwischen dem durch die Expansionseinrichtung expandierten Arbeitsfluid und Motorkühlwasser auszutauschen, das in einem Motorkühlwasserkreislauf zirkuliert, und dadurch das Arbeitsfluid zu verdichten.
Allerdings verwendet die in Patentschrift 1 offenbarte Fahrzeugabwärmenutzungsvorrichtung zur Motorkühlung verwendetes Motorkühlwasser, um das Arbeitsfluid zu verdichten. Daher kann das Arbeitsfluid im Wärmetauscher nicht ausreichend verdichtet werden. Aus diesem Grund liegt das Problem vor, dass der Rankine-Zyklus aufgrund des hohen Verdichtungsdrucks nicht ausreichend betrieben werden kann.
In einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme mit einem Rankine-Zyklus, wie sie in 2 von Patentschrift 2 dargestellt ist, wird dagegen Kühlwasser auf einer Stromaufwärtsseite eines Kühlers als eine Wärmequelle eines Dampfgenerators verwendet, um das oben beschriebene Problem zu lösen. Eine als ein Wärmetauscher dienende Verdichtungseinrichtung ist dazu konfiguriert, Wärme zwischen Arbeitsfluid und Kühlwasser auf einer Stromabwärtsseite des Kühlers auszutauschen, der dazu konfiguriert ist, Kühlwasser eines Verbrennungsmotors zu kühlen. Wie oben beschrieben, wird bei der Verdichtungseinrichtung aus Patentschrift 2 Wärme zwischen Niedrigtemperaturkühlwasser, das vom Kühler gekühlt wurde, und dem Arbeitsfluid ausgetauscht. Dies senkt den Verdichtungsdruck und bewirkt eine hohe Wärmeeffizienz eines Wärmemotors. Somit offenbart Patentschrift 2 die Wirkung des Bereitstellens einer umfangreichen Abwärmeregeneration.
LISTE DER PATENTDOKUMENTE
PATENTLITERATUR

Patentschrift 1: JP-A-2005-42618
Patentschrift 2: JP-A-2013-160076

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Bei der Verdichtungseinrichtung der Abwärmenutzungsvorrichtung aus Patentschrift 2 wird jedoch Wärme zwischen Kühlwasser niedriger Temperatur, das vom Kühler gekühlt wurde, und dem Arbeitsfluid ausgetauscht. Daher ist der Verdichtungsdruck niedriger als in dem Fall, dass das Arbeitsfluid mithilfe des Motorkühlwassers verdichtet wird, das zur Motorkühlung verwendet wurde, wie bei dem Wärmetauscher von Patentschrift 1. Dies bewirkt eine hohe Wärmeeffizienz des Wärmemotors. Allerdings ist das gesamte Kühlwasser, das in den Kühler strömt, das zur Motorkühlung verwendete Kühlwasser, das Abwärme des Motors absorbiert hat. Aus diesem Grund liegt nach wie vor das Problem vor, dass der Verdichtungsdruck des Arbeitsfluids nicht ausreichend gesenkt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde getätigt, um diese Probleme zu lösen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Wärme zwischen Kühlwasser niedrigerer Temperatur und Arbeitsfluid ausgetauscht. Mit dieser Konfiguration kann eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme mit einer verbesserten Wärmeeffizienz eines Rankine-Zyklus bereitgestellt werden.
LÖSUNGEN FÜR DIE PROBLEME
Eine Erfindung zum Erfüllen der oben aufgeführten Aufgabe nach Anspruch 1 ist eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme, die Folgendes beinhaltet: einen Rankine-Zyklus mit einem Arbeitsfluidkreislauf, der derart konfiguriert ist, dass eine Heizeinrichtung, die dazu konfiguriert ist, Arbeitsfluid zu erwärmen und verdampfen zu lassen, eine Expansionseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Heizeinrichtung durchlaufen hat, zu expandieren, um Strom zu erzeugen, eine Verdichtungseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Expansionseinrichtung durchlaufen hat, zu verdichten, und eine Arbeitsfluidpumpe, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Verdichtungseinrichtung durchlaufen hat, der Heizeinrichtung zuzuführen, nacheinander angeordnet sind; einen ersten Kühlwasserkreislauf, der dazu konfiguriert ist, Kühlwasser über einen Verbrennungsmotor und einen Kühler zirkulieren zu lassen; einen zweiten Kühlwasserkreislauf, der dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser über den Verbrennungsmotor und eine erste Verzweigung, die sich zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler verzweigt, zirkulieren zu lassen; und einen dritten Kühlwasserkreislauf, der dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser über den Kühler und einen zweiten Verzweigungsweg, der sich zwischen dem ersten Verzweigungsweg und dem Kühler verzweigt, zirkulieren zu lassen. Eine Wärmequelle der Heizeinrichtung ist Abwärme des Verbrennungsmotors, und die Verdichtungseinrichtung ist ein Wärmetauscher, der dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen dem Arbeitsfluid und dem Kühlwasser des dritten Kühlwasserkreislaufs auszutauschen.
Außerdem ist eine Erfindung nach Anspruch 2 die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 1. Eine erste Wasserpumpe, die dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser zirkulieren zu lassen, ist zwischen dem Verbrennungsmotor und dem ersten Verzweigungsweg vorgesehen, eine zweite Wasserpumpe, die dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser zirkulieren zu lassen, ist am zweiten Verzweigungsweg vorgesehen, und eine Öffnungsgradeinstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen jeweiligen Durchflussöffnungsgrad des ersten und zweiten Kühlwasserkreislaufs basierend auf einer Kühlwassertemperatur nach dem Durchlaufen des Verbrennungsmotors einzustellen, ist an einem Verzweigungspunkt des ersten Verzweigungswegs vorgesehen.
Außerdem ist eine Erfindung nach Anspruch 3 die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Rückschlagventil, das dazu konfiguriert ist, einen Rückfluss des Kühlwassers zum Kühler zu verhindern, zwischen dem ersten Verzweigungsweg und dem zweiten Verzweigungsweg auf einer Stromabwärtsseite des Kühlers im ersten Kühlwasserkreislauf vorgesehen ist.
Außerdem ist eine Erfindung nach Anspruch 4 die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die Folgendes beinhaltet: eine Abwärmezustandserkennungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Abwärmezustand des Verbrennungsmotors zu erkennen; und eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, den Antrieb der zweiten Wasserpumpe und den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe zu steuern. Wenn der von der Abwärmezustandserkennungseinheit erkannte Abwärmezustand des Verbrennungsmotors einen ersten vorgegebenen Wert übersteigt, treibt die Steuereinheit die zweite Wasserpumpe und die Arbeitsfluidpumpe an.
Außerdem ist eine Erfindung nach Anspruch 5 die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 4, die eine Rankine-Ausgangsberechnungseinheit beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, einen Ausgang des Rankine-Zyklus zu berechnen, und wenn der von der Rankine-Ausgangsberechnungseinheit berechnete Rankine-Ausgang ein negativer Wert ist, wird der Antrieb der zweiten Wasserpumpe und der Arbeitsfluidpumpe angehalten.
Außerdem ist eine Erfindung nach Anspruch 6 die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Heizeinrichtung ein Wärmetauscher ist, der dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen dem Arbeitsfluid und dem Kühlwasser des zweiten Kühlwasserkreislaufs auszutauschen.
Außerdem ist eine Erfindung nach Anspruch 7 die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 6, die Folgendes beinhaltet: eine Kühlwassertemperaturerkennungseinheit, die dazu konfiguriert ist, die Kühlwassertemperatur nach dem Durchlaufen des Verbrennungsmotors zu erkennen; und eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, den Antrieb der zweiten Wasserpumpe und den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe zu steuern. Wenn die von der Kühlwassertemperaturerkennungseinheit erkannte Kühlwassertemperatur eine erste vorgegebene Temperatur übersteigt, treibt die Steuereinheit die zweite Wasserpumpe und die Arbeitsfluidpumpe an.
Außerdem ist eine Erfindung nach Anspruch 8 die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 7. Die Steuereinheit beinhaltet eine Rankine-Ausgangsberechnungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Ausgang des Rankine-Zyklus zu berechnen, und wenn die von der Kühlwassertemperaturerkennungseinheit erkannte Kühlwassertemperatur gleich oder kleiner als die erste vorgegebene Temperatur ist oder der von der Rankine-Ausgangsberechnungseinheit berechnete Rankine-Ausgang ein negativer Wert ist, die Steuereinheit den Antrieb der zweiten Wasserpumpe und der Arbeitsfluidpumpe anhält.
Außerdem ist eine Erfindung nach Anspruch 9 die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 7 oder 8, wobei die erste vorgegebene Temperatur höher als eine minimale Kühlwassertemperatur eingestellt ist, um ein Unterkühlen des Verbrennungsmotors zu verhindern, und niedriger als die Kühlwassertemperatur nach dem Durchlaufen des Verbrennungsmotors eingestellt ist, wenn der Durchflussöffnungsgrad des ersten Kühlwasserkreislaufs durch die Öffnungsgradeinstellungseinheit von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand umgeschaltet wird.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß Anspruch 1 sind ein Rankine-Zyklus mit einem Arbeitsfluidkreislauf, der derart konfiguriert ist, dass eine Heizeinrichtung, die dazu konfiguriert ist, Arbeitsfluid zu erwärmen und verdampfen zu lassen, eine Expansionseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Heizeinrichtung durchlaufen hat, zu expandieren, um Energie zu erzeugen, eine Verdichtungseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Expansionseinrichtung durchlaufen hat, zu verdichten, und eine Arbeitsfluidpumpe, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Verdichtungseinrichtung durchlaufen hat, der Heizeinrichtung zuzuführen, nacheinander angeordnet sind; ein erster Kühlwasserkreislauf, der dazu konfiguriert ist, Kühlwasser über einen Verbrennungsmotor und einen Kühler zirkulieren zu lassen; ein zweiter Kühlwasserkreislauf, der dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser über den Verbrennungsmotor und eine erste Verzweigung, die sich zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler verzweigt, zirkulieren zu lassen; und ein dritter Kühlwasserkreislauf vorgesehen, der dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser über den Kühler und einen zweiten Verzweigungsweg, der sich zwischen dem ersten Verzweigungsweg und dem Kühler verzweigt, zirkulieren zu lassen. Eine Wärmequelle der Heizeinrichtung ist Abwärme des Verbrennungsmotors, und die Verdichtungseinrichtung ist ein Wärmetauscher, der dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen dem Arbeitsfluid und dem Kühlwasser des dritten Kühlwasserkreislaufs auszutauschen. Mithilfe der Verdichtungseinrichtung kann daher Wärme zwischen dem Arbeitsfluid, das im Rankine-Zyklus strömt, und dem Kühlwasser ausgetauscht werden, das den Kühler durchlaufen hat, ohne den Verbrennungsmotor zu durchlaufen. Somit kann die Wirkung einer ausreichenden Verdichtung des Arbeitsfluids zum Senken des Verdichtungsdrucks des Arbeitsfluid bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann die Wirkung der Verbesserung der Wärmeeffizienz des Rankine-Zyklus durch eine einfache Struktur bereitgestellt werden, die lediglich einen existierenden Kühler nutzt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Konfigurationsdarstellung einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein Ablaufdiagramm der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme der ersten Ausführungsform.
3 ist eine Konfigurationsdarstellung einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme einer zweiten Ausführungsform.
4 ist ein Ablaufdiagramm der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme der zweiten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Konfigurationsdarstellung einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme 1 der ersten Ausführungsform beinhaltet einen Motor 2 als einen Verbrennungsmotor, der an einem Fahrzeug angebracht ist, einen Kühlwasserkreislauf 3, der dazu konfiguriert ist, den Motor 2 zu kühlen, und einen Rankine-Zyklus 30, der dazu konfiguriert ist, Abwärme des Motors 2 in elektrischen Strom oder Drehantriebskraft umzuwandeln, um den Motor beim Rückgewinnen der Abwärme zu unterstützen.
Der Kühlwasserkreislauf 3 beinhaltet den Motor 2, eine erste Wasserpumpe 7, ein Thermostat 8 und einen Kühler 9, die nacheinander an einem Zirkulationsweg 3A von Kühlwasser angeordnet sind, der durch den Motor 2 verläuft; und einen ersten Verzweigungsweg 11 und einen zweiten Verzweigungsweg 12, die in der Mitte des Zirkulationswegs 3A angeordnet sind. Der erste Verzweigungsweg 11 zweigt an einem Verzweigungspunkt 13, an dem das Thermostat 8 angeordnet ist, von dem Zirkulationsweg 3A ab. Dann vereinigt sich der erste Verzweigungsweg 11 an einem Verzweigungspunkt 14 zwischen dem Motor 2 und dem Kühler 9 erneut mit dem Zirkulationsweg 3A. Der zweite Verzweigungsweg 12 zweigt an einem Verzweigungspunkt 15 zwischen dem Verzweigungspunkt 13 und dem Kühler 9 von dem Zirkulationsweg 3A ab. Dann vereinigt sich der zweite Verzweigungsweg 12 an einem Verzweigungspunkt 16 zwischen dem Verzweigungspunkt 14 und dem Kühler 9 erneut mit dem Zirkulationsweg 3A. Der Kühlwasserkreislauf 3 beinhaltet einen ersten Kühlwasserkreislauf 4, einen zweiten Kühlwasserkreislauf 5 und einen dritten Kühlwasserkreislauf 6.
Der erste Kühlwasserkreislauf 4 gehört zum Zirkulationsweg 3A. Der Motor 2, die erste Wasserpumpe 7, das Thermostat 8 und der Kühler 9 sind nacheinander im Zirkulationsweg 3A des Kühlwassers angeordnet, das den Motor 2 durchläuft. Das Kühlwasser, das den Motor 2 durchlaufen hat, wird von der ersten Wasserpumpe 7 mit Druck zugeführt. Das von der ersten Wasserpumpe 7 mit Druck zugeführte Kühlwasser strömt durch das Thermostat 8, das dazu konfiguriert ist, die Menge an Kühlwasser, die in den Kühler 9 strömt, gemäß der Temperatur des Kühlwassers anzupassen. Das Kühlwasser, das durch das Thermostat 8 geströmt ist, strömt durch den Kühler 9. Das Kühlwasser, das durch den Kühler 9 geströmt ist, wird erneut dem Motor 2 zugeführt und kühlt dadurch den Motor.
Die erste Wasserpumpe 7 ist dazu konfiguriert, das Kühlwasser mit Druck zuzuführen, so dass das Kühlwasser im ersten Kühlwasserkreislauf 4 zirkuliert. Die erste Wasserpumpe 7 wird von dem Motor 2 angetrieben. Es sei angemerkt, dass die erste Wasserpumpe 7 von anderen Antriebseinheiten wie etwa einem Elektromotor angetrieben werden kann. Darüber hinaus ist der Kühler 9 ein Wärmetauscher, der dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen Fahrtluft, die durch das Fahren des Fahrzeugs erzeugt wird, oder Luft, die von einem nicht dargestellten Gebläse gesendet wird, und Kühlwasser auszutauschen, das in dem ersten Kühlwasserkreislauf 4 zirkuliert.
Der zweite Kühlwasserkreislauf 5 gehört zu einem Zirkulationsweg 5A von Kühlwasser, das den Motor 2 durchläuft. Der Zirkulationsweg 5A beinhaltet einen Abschnitt des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 und des ersten Verzweigungswegs 11. Der Motor 2, die erste Wasserpumpe 7 und das Thermostat 8 sind nacheinander am Zirkulationsweg 5A angeordnet. Das Kühlwasser, das den Motor 2 durchlaufen hat, wird von der ersten Wasserpumpe 7 mit Druck zugeführt. Das von der ersten Wasserpumpe 7 mit Druck zugeführte Kühlwasser strömt stattdessen über das Thermostat 8 durch den ersten Verzweigungsweg 11 in den Kühler 9, und wird dann erneut dem Motor 2 zugeführt.
Somit passt das Thermostat 8 auf Grundlage der Temperatur des Kühlwassers, das den Motor 2 durchlaufen hat, an, wobei das Kühlwasser derart von der ersten Wasserpumpe 7 mit Druck zugeführt wird, dass das Kühlwasser in den Kühler 9 oder den ersten Verzweigungsweg 11 strömt. Das Thermostat 8 ist eine Öffnungsgradeinstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, den jeweiligen Durchflussöffnungsgrad des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 und des zweiten Kühlwasserkreislaufs 5 auf Grundlage der Temperatur des Kühlwassers nach dem Durchlaufen des Motors 2 anzupassen. Beispielsweise wird nach dem Start des Motors 2 oder in einem Betriebszustand des Motors 2 mit niedriger Last die Temperatur des Kühlwassers, das in den Motor 2 strömt, derart angepasst, dass sie nicht extrem niedrig ist, so dass die Menge an Kühlwasser, die im zweiten Kühlwasserkreislauf 5 zirkuliert, zunimmt, und die Menge an Kühlwasser, die in dem ersten Kühlwasserkreislauf 4 zirkuliert, abnimmt. Als Ergebnis nimmt die Menge an Kühlwasser zu, die in den ersten Verzweigungsweg 11 strömt. Entsprechend nimmt die Menge an Kühlwasser ab, die in den Kühler 9 strömt.
In einem Betriebszustand des Motors 2 mit hoher Last dagegen wird eine Anpassung vorgenommen, um den Motor 2 ausreichend zu kühlen, so dass die Menge an Kühlwasser, das im zweiten Kühlwasserkreislauf 5 zirkuliert, abnimmt, und die Menge an Kühlwasser, die im ersten Kühlwasserkreislauf 4 zirkuliert, zunimmt. Als Ergebnis nimmt die Menge an Kühlwasser ab, die in den ersten Verzweigungsweg 11 strömt. Entsprechend nimmt die Menge an Kühlwasser zu, die in den Kühler 9 strömt.
Der dritte Kühlwasserkreislauf 6 gehört zu einem Zirkulationsweg 6A von Kühlwasser. Der Zirkulationsweg 6A beinhaltet einen Abschnitt des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 und des zweiten Verzweigungswegs 12. Der Zirkulationsweg 6A beinhaltet eine zweite Wasserpumpe 10, die am zweiten Verzweigungsweg 12 angeordnet ist, und den Kühler 9, der im ersten Kühlwasserkreislauf 4 angeordnet ist. Kühlwasser, das mit Druck von der zweiten Wasserpumpe 10 zugeführt wird, strömt durch den Kühler 9 und wird dann erneut der zweiten Pumpe 10 zugeführt. Der Kühler 9 im ersten Kühlwasserkreislauf 4 dient zugleich als der Kühler 9 im dritten Kühlwasserkreislauf 6. Die zweite Wasserpumpe 10 ist dazu konfiguriert, das Kühlwasser mit Druck zuzuführen, so dass das Kühlwasser im dritten Kühlwasserkreislauf 6 zirkuliert. In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Wasserpumpe 10 von einem Elektromotor angetrieben.
Wenn also das Kühlwasser im ersten Kühlwasserkreislauf 4 durch den Antrieb der ersten Pumpe 7 zirkuliert und im dritten Kühlwasserkreislauf 6 durch den Antrieb der zweiten Wasserpumpe 10 zirkuliert, vereinigen sich das Kühlwasser, das mit Druck von der ersten Pumpe 7 zugeführt wird, um im ersten Kühlwasserkreislauf 4 zu zirkulieren, und das Kühlwasser, das mit Druck von der zweiten Wasserpumpe 10 zugeführt wird, um im dritten Kühlwasserkreislauf 6 zu zirkulieren, am Verzweigungspunkt 15 unmittelbar vor dem Kühler 9. Nach dem Durchlaufen des Kühler 9 verzweigt sich das vereinigte Kühlwasser am Verzweigungspunkt 16 in Kühlwasser, das zum zweiten Verzweigungsweg 12 strömt, und Kühlwasser, das zum Motor 2 des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 strömt.
Beim Start des Motors 2 oder im Betriebszustand des Motors 2 mit niedriger Last beispielsweise, wenn kein Kühlwasser im ersten Kühlwasserkreislauf 4 zirkuliert, durchläuft nur das Kühlwasser, das mit Druck von der zweiten Wasserpumpe 10 zugeführt wird, um im dritten Kühlwasserkreislauf zu zirkulieren, den Kühler 9. Das Kühlwasser, das den Kühler 9 durchlaufen hat, wird, anstatt am Verzweigungspunkt 16 zum Motor 2 zu strömen, erneut der zweiten Wasserpumpe 10 zugeführt und zirkuliert dann im dritten Kühlwasserkreislauf.
In der ersten Ausführungsform ist die erste Pumpe 7 zwischen dem Motor 2 und dem Verzweigungspunkt 13 angeordnet, an dem das Thermostat 8 angeordnet ist. Die erste Pumpe 7 führt dem Thermostat 8 Kühlwasser mit Druck zu, nachdem das Kühlwasser den Motor 2 durchlaufen hat. Es sei angemerkt, dass die erste Pumpe 7 zwischen dem Motor 2 und dem Verzweigungspunkt 14 des ersten Verzweigungswegs 11 angeordnet sein kann, derart, dass das Kühlwasser dem Motor 2 mit Druck zugeführt wird, bevor das Kühlwasser den Motor 2 durchläuft. In diesem Fall sind der Motor 2, das Thermostat 8, der Kühler 9 und die erste Pumpe 7 nacheinander im Zirkulationsweg 3A des Kühlwassers angeordnet, das den Motor 2 durchläuft. Das heißt, die erste Wasserpumpe 7 kann zwischen dem Motor 2 und dem ersten Verzweigungsweg 11 angeordnet sein.
Das Thermostat 8 ist am Verzweigungspunkt 13 des ersten Verzweigungswegs 11 angeordnet, der vom Zirkulationsweg 3A abzweigt. Es sei angemerkt, dass das Thermostat 8 an dem Verzweigungspunkt 14 angeordnet sein kann, an dem sich der erste Verzweigungsweg 11 mit dem Zirkulationsweg 3A vereinigt. In diesem Fall sind der Motor 2, die erste Wasserpumpe 7, der Kühler 9 und das Thermostat 8 nacheinander im Zirkulationsweg 3A des Kühlwassers angeordnet, das den Motor 2 durchläuft. Das Thermostat 8 nimmt eine Anpassung auf Grundlage der Temperatur von Kühlwasser vor, das den ersten Verzweigungsweg 11 durchläuft, nachdem es den Motor 2 durchlaufen hat, wodurch Kühlwasser, das den Kühler 9 durchlaufen hat, oder Kühlwasser, das den ersten Verzweigungsweg 11 durchlaufen hat, an den Motor 2 zurückgeführt wird, ohne den Kühler zu durchlaufen. In diesem Fall ist das Thermostat 8 eine Öffnungsgradeinstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, den jeweiligen Durchflussöffnungsgrad des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 und des zweiten Kühlwasserkreislaufs 5 auf Grundlage der Temperatur des Kühlwassers anzupassen, das nach dem Durchlaufen des Motors 2 den ersten Verzweigungsweg 11 durchläuft.
Ein Rückschlagventil 17 ist zwischen dem Verzweigungspunkt 14 und dem Verzweigungspunkt 16 am Zirkulationsweg 3A des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 angeordnet. Das Rückschlagventil 17 ist zwischen dem Verzweigungspunkt 14 und dem Verzweigungspunkt 16 am Zirkulationsweg 3A angeordnet. Dies verhindert, dass Kühlwasser, das im zweiten Kühlwasserkreislauf 5 zirkuliert, zurück zum Kühler 9 und zum zweiten Verzweigungsweg 12 strömt.
Als Nächstes wird der Rankine-Zyklus 30 beschrieben. Der Rankine-Zyklus 30 beinhaltet einen Zirkulationsweg 30A, in dem Arbeitsfluid zirkuliert. Eine Heizeinrichtung 31, die dazu konfiguriert ist, Arbeitsfluid zu erwärmen und verdampfen zu lassen, eine Expansionseinrichtung 32, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Heizeinrichtung 31 durchlaufen hat, zu expandieren, um Energie zu erzeugen, eine Verdichtungseinrichtung 33, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Expansionseinrichtung 32 durchlaufen hat, zu verdichten, und eine Arbeitsfluidpumpe 34, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Verdichtungseinrichtung 33 durchlaufen hat, der Heizeinrichtung 31 zuzuführen, sind nacheinander a Zirkulationsweg 30A angeordnet. Die Arbeitsfluidpumpe 34 ist dazu konfiguriert, das Arbeitsfluid mit Druck zuzuführen, so dass das Arbeitsfluid im Zirkulationsweg 30A zirkuliert. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Arbeitsfluidpumpe 34 von einem Elektromotor angetrieben. Darüber hinaus beinhaltet der Rankine-Zyklus 30 einen nicht dargestellten elektrischen Generator und eine nicht dargestellte Batterie. Der elektrische Generator ist dazu konfiguriert, den von der Expansionseinrichtung 32 erzeugte Energie in elektrischen Strom umzuwandeln, wodurch der elektrische Strom erzeugt wird. Der vom elektrischen Generator erzeugte Strom wird in der Batterie gespeichert. Wie oben beschrieben wird ein System gebildet, das dazu konfiguriert ist, Abwärme des Motors 2 als elektrischen Strom rückzugewinnen. In der ersten Ausführungsform wird ein System gebildet, das konfiguriert ist, um Abwärme des Motors 2 als elektrischen Strom rückzugewinnnen. Es sei angemerkt, dass ein solches System ein System sein kann, das dazu konfiguriert ist, anstelle des Rückgewinnens von Abwärme als elektrischen Strom dem Motor 2 die von der Expansionseinrichtung 32 erzeugte Energie direkt bereitzustellen, um den Motor 2 zu unterstützen.
Die Heizeinrichtung 31 ist am ersten Verzweigungsweg 11 im zweiten Kühlwasserkreislauf 5 angeordnet. Somit ist die Heizeinrichtung 31 ein Wärmetauscher, der dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen dem Arbeitsfluid des Rankine-Zyklus 30 und dem Kühlwasser, das den ersten Verzweigungsweg 11 des zweiten Kühlwasserkreislaufs durchläuft, auszutauschen. Das heißt, bei der Heizeinrichtung 31 wird Wärme zwischen dem Kühlwasser mit hoher Temperatur, das unmittelbar nach dem Absorbieren von Abwärme des Motors 2 beim Durchlaufen des Motors 2 nicht den Kühler 9 durchläuft, und dem Arbeitsfluid des Rankine-Zyklus 30 ausgetauscht. Somit kann das Arbeitsfluid ausreichend erwärmt und verdampft werden.
Darüber hinaus ist die Verdichtungseinrichtung 33 am zweiten Verzweigungsweg 12 des dritten Kühlwasserkreislaufs 6 stromaufwärts der zweiten Wasserpumpe 10 angeordnet. Somit ist die Verdichtungseinrichtung 33 ein Wärmetauscher, der dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen dem Arbeitsfluid des Rankine-Zyklus 30 und dem Kühlwasser, das den zweiten Verzweigungsweg 12 des dritten Kühlwasserkreislaufs durchläuft, auszutauschen. Das heißt, bei der Verdichtungseinrichtung 33 wird Wärme zwischen dem Kühlwasser mit niedriger Temperatur, das den Kühler 9 durchlaufen hat, ohne den Motor 2 zu durchlaufen, und dem Arbeitsfluid des Rankine-Zyklus 30 ausgetauscht. Somit kann der Verdichtungsdruck des Arbeitsfluids durch ausreichende Verdichtung des Arbeitsfluids gesenkt werden. Daher lässt sich die Wärmeeffizienz des Rankine-Zyklus 30 durch eine einfache Struktur verbessern, die lediglich einen existierenden Kühler benutzt. Die zweite Wasserpumpe 10 des dritten Kühlwasserkreislaufs 6 ist stromabwärts der Verdichtungseinrichtung 33 angeordnet. Es sei angemerkt, dass die zweite Wasserpumpe 10 stromaufwärts der Verdichtungseinrichtung 33 angeordnet sein kann.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 die Betriebssteuerung der Vorrichtung 1 zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme der ersten Ausführungsform beschrieben. Ein Wassertemperatursensor 41 ist stromaufwärts der Heizeinrichtung 31 des zweiten Verzweigungswegs 12 angeordnet. Der Wassertemperatursensor 41 ist eine Kühlwassertemperaturerkennungseinheit, die dazu konfiguriert ist, die Temperatur des Kühlwassers zu erfassen, bevor das Kühlwasser in die Heizeinrichtung 31 strömt und nachdem das Kühlwasser den Motor 2 durchlaufen hat. Eine Steuereinrichtung 40 als eine Steuereinheit, die mit dem Wassertemperatursensor 41 verbunden ist, ist dazu konfiguriert, den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe 34 und der zweiten Wasserpumpe 10 zu steuern.
Beim Start des Motors 2 oder im Betriebszustand des Motors 2 mit niedriger Last erreicht die vom Wassertemperatursensor 41 erfasste Kühlwassertemperatur eine vorgegebene Temperatur A (z. B. 80°C) nicht, die zum Aufrechterhalten einer geeigneten Temperatur zum Verhindern einer Unterkühlung des Motors 2 benötigt wird. Aus diesem Grund zirkuliert Kühlwasser nur im zweiten Kühlwasserkreislauf 5 (S001). Wenn in diesem Zustand die Arbeitsfluidpumpe 34 und die zweite Wasserpumpe 10 betätigt werden, um den Rankine-Zyklus 30 zu aktivieren, nimmt die Temperatur des Kühlwassers, das im zweiten Kühlwasserkreislauf 4 zirkuliert, aufgrund von Wärmeaustausch in der Heizeinrichtung 31 ab und erreicht daher nicht die vorgegebene Temperatur A. Daher wird der Rankine-Zyklus 30 nicht aktiviert.
Wenn sich der Motor 2 erwärmt, übersteigt die Kühlwassertemperatur die vorgegebene Temperatur A. Dann erfasst der Wassertemperatursensor 41 als die Temperatur des Kühlwassers, das durch die Aktivierung des Rankine-Zyklus 30 in dem zweiten Kühlwasserkreislauf 5 zirkuliert, eine Temperatur in einer Höhe, derart, dass die Kühlwassertemperatur nicht durch den Wärmeaustausch in der Heizeinrichtung 31 unter die vorgegebene Temperatur A abfällt, wie etwa eine vorgegebene Temperatur B, die um 5°C höher als die vorgegebene Temperatur A eingestellt ist (S002). Anschließend treibt die Steuereinrichtung 40 die Arbeitsfluidpumpe 34 und die zweite Wasserpumpe 10 an, um den Rankine-Zyklus 30 zu aktivieren (S003). In diesem Zustand zirkuliert das Kühlwasser im zweiten Kühlwasserkreislauf 5 und dritten Kühlwasserkreislauf 6 (S004), zirkuliert jedoch nicht im ersten Kühlwasserkreislauf 4. In der Heizeinrichtung 31 des Rankine-Zyklus 30 wird daher Wärme von dem Kühlwasser hoher Temperatur zurückgewonnen, das den Motor 2 durchlaufen hat. Dann wird das Arbeitsfluid in der Verdichtungseinrichtung 33 des Rankine-Zyklus 30 durch den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlwasser niedriger Temperatur, das den Kühler 9 durchlaufen hat, ohne den Motor 2 zu durchlaufen, und dem Arbeitsfluid des Rankine-Zyklus 30 ausreichend verdichtet, weshalb der Verdichtungsdruck des Arbeitsfluids gesenkt werden kann. Dadurch kann die Wärmeeffizienz des Rankine-Zyklus 30 verbessert werden.
Wenn die vom Wassertemperatursensor 41 erfasste Kühlwassertemperatur einen Wert gleich oder niedriger als die vorgegebene Temperatur B erreicht (S005), hält die Steuereinrichtung 40 den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe 34 und der zweiten Wasserpumpe 10 an (S006) wodurch der Rankine-Zyklus 30 deaktiviert wird. Der Grund dafür ist, dass der Motor 2 nicht auf einer geeigneten Temperatur gehalten werden kann, selbst wenn von der Vorrichtung 1 zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme Abwärme rückgewonnen werden könnte.
Die Steuereinrichtung 40 beinhaltet eine Rankine-Ausgangsberechnungseinheit 42, die dazu konfiguriert ist, den Ausgang des Rankine-Zyklus 30 zu berechnen, eine Expansionseinrichtungsausgangsberechnungseinheit 43, die dazu konfiguriert ist, den Rankine-Ausgang zu berechnen, und eine Rankine-Eingangsberechnungseinheit 44, die dazu konfiguriert ist, einen Rankine-Eingang zu berechnen, der für die Aktivierung des Rankine-Zyklus 30 erforderlich ist. Während der Rankine-Zyklus 30 aktiv ist, werden ein Expansionseinrichtungsausgang, der von dem Rankine-Zyklus 30 rückgewonnen wird, und der für die Aktivität des Rankine-Zyklus 30 benötigte Eingang, wie etwa die Antriebsleistung für die Arbeitsfluidpumpe 34 und die Antriebsleistung für die zweite Wasserpumpe 10, beispielsweise ständig überwacht. Wenn der Rankine-Ausgang als ein Wert, der durch Subtrahieren des Rankine-Eingangs vom Expansionseinrichtungsausgang erlangt wird, ein negativer Wert ist (S007), hält die Steuereinrichtung 40 den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe 34 und der zweiten Wasserpumpe 10 an (S008). Es sei angemerkt, dass der Rankine-Ausgang nicht auf den obenstehenden beschränkt ist. Beispielsweise kann der Rankine-Ausgang z. B. aus dem hochdruckseitigen Druck des Rankine-Zyklus 30, dem niederdruckseitigen Druck des Rankine-Zyklus 30 oder der Durchflussrate des Arbeitsfluids erlangt werden.
Wenn der Motor 2 in einen Betriebszustand mit hoher Last gebracht wird, übersteigt die Temperatur des Kühlwassers, das den Motor 2 durchlaufen hat, die vorgegebene Temperatur B. Wenn beispielsweise die Kühlwassertemperatur eine vorgegebene Temperatur C erreicht, die um 10°C höher als die vorgegebene Temperatur A eingestellt ist (S009), passt ein Thermostat 8 den Durchflussöffnungsgrad des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 und den Durchflussöffnungsgrad des zweiten Kühlwasserkreislaufs 5 derart an, dass das Kühlwasser zum Kühler 9 strömt, um den Motor 2 auf einer geeigneten Temperatur zu halten. In diesem Zustand zirkuliert Kühlwasser in jedem von dem ersten Kühlwasserkreislauf 4, dem zweiten Kühlwasserkreislauf 5 und dem dritten Kühlwasserkreislauf 6 (S010). Daher vereinigen sich das Kühlwasser, das im ersten Kühlwasserkreislauf 4 zirkuliert, und das Kühlwasser, das im dritten Kühlkreislauf 6 zirkuliert, an einem Verzweigungspunkt 15 und strömen dann in den Kühler 9.
Das Kühlwasser, das den Kühler 9 durchlaufen hat, zirkuliert derart, dass sich das Kühlwasser an einem Verzweigungspunkt 16, in Kühlwasser, das zu einem zweiten Verzweigungsweg 12 strömt, und Kühlwasser, das zum Motor 2 des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 strömt, verzweigt. Daher tauschen in dem Kühler 9 Fahrtluft, die durch die Fahrt des Fahrzeugs erzeugt wird, und von einem nicht dargestellten Gebläse Wärme jeweils mit dem Kühlwasser, das in dem ersten Kühlwasserkreislauf 4 nach dem Durchlaufen des Motors 2 zirkuliert, und dem Kühlwasser des dritten Kühlwasserkreislaufs 6 aus, das in der Verdichtungseinrichtung 33 des Rankine-Zyklus 30 Wärme mit dem Arbeitsfluid ausgetauscht hat.
Wenn sich der Betriebszustand des Motors 2 mit hoher Last fortsetzt, übersteigt die Temperatur des Kühlwassers, das den Motor 2 durchlaufen hat, die vorgegebene Temperatur C weiter. Daher passt das Thermostat 8 den Durchflussöffnungsgrad des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 und den Durchflussöffnungsgrad des zweiten Kühlwasserkreislaufs 5 so an, dass mehr Kühlwasser zum Kühler als zum ersten Verzweigungsweg 11 strömt, um eine geeignete Temperatur des Motors 2 beizubehalten. In diesem Zustand nimmt die Temperatur des Kühlwassers, das in den Kühler 9 strömt, zu. Daher nimmt auch die Temperatur des Kühlwassers zu, das in dem dritten Kühlwasserkreislauf 6 zirkuliert, um die Verdichtungseinrichtung 33 zu durchlaufen. Als Ergebnis kann das Arbeitsfluid in der Verdichtungseinrichtung 33 nicht ausreichend verdichtet werden. Daher existiert keine Differenz zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Rankine-Zyklus 30, was zu einem negativen Wert des Rankine-Ausgangs führt.
Auch wenn also die Kühlwassertemperatur die vorgegebene Temperatur C nach dem Durchlaufen des Motors übersteigt, überwacht die Steuereinrichtung 40 während der Aktivität des Rankine-Zyklus 30 ständig einen Expansionseinrichtungsausgang, der von dem Rankine-Zyklus 30 rückgewonnen wird, und den für die Aktivität des Rankine-Zyklus 30 benötigten Eingang, wie etwa die Antriebsleistung für die Arbeitsfluidpumpe 34 und die Antriebsleistung für die zweite Wasserpumpe 10. Wenn der Rankine-Ausgang als ein Wert, der durch Subtrahieren des Rankine-Eingangs vom Expansionseinrichtungsausgang erlangt wird, ein negativer Wert ist (S007), hält die Steuereinrichtung 40 den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe 34 und der zweiten Wasserpumpe 10 an (S008).
Als Nächstes wird eine Vorrichtung 50 zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Vorrichtung 50 zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme der zweiten Ausführungsform beinhaltet wie in der ersten Ausführungsform einen Motor 2 als einen Verbrennungsmotor, der an einem Fahrzeug angebracht ist, einen Kühlwasserkreislauf 3, der dazu konfiguriert ist, den Motor 2 zu kühlen, und einen Rankine-Zyklus, der dazu konfiguriert ist, Abwärme des Motors 2 in elektrischen Strom oder Drehantriebskraft umzuwandeln, um den Motor 2 beim Rückgewinnen der Abwärme zu unterstützen. Es sei angemerkt, dass sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform darin unterscheidet, dass im Kühlwasserkreislauf 3 keine Heizeinrichtung 31 des Rankine-Zyklus angeordnet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform wird auf die Beschreibung einer mit der ersten Ausführungsform gemeinsamen Konfiguration durch Verweis auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verzichtet. In der Beschreibung werden zudem dieselben Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform verwendet.
Ein Rankine-Zyklus 60 beinhaltet einen Zirkulationsweg 60A, in dem Arbeitsfluid zirkuliert. Eine Heizeinrichtung 61, die dazu konfiguriert ist, Arbeitsfluid zu erwärmen und verdampfen zu lassen, eine Expansionseinrichtung 32, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Heizeinrichtung 61 durchlaufen hat, zu expandieren, um Energie zu erzeugen, eine Verdichtungseinrichtung 33, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Expansionseinrichtung 32 durchlaufen hat, zu verdichten, und eine Arbeitsfluidpumpe 34, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Verdichtungseinrichtung 33 durchlaufen hat, der Heizeinrichtung 61 zuzuführen, sind nacheinander a Zirkulationsweg 60A angeordnet. Die Arbeitsfluidpumpe 34 ist dazu konfiguriert, das Arbeitsfluid mit Druck zuzuführen, so dass das Arbeitsfluid im Zirkulationsweg 60A zirkuliert. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Arbeitsfluidpumpe 34 von einem Elektromotor angetrieben. Darüber hinaus beinhaltet der Rankine-Zyklus 60 einen nicht dargestellten elektrischen Generator und eine nicht dargestellte Batterie. Der elektrische Generator ist dazu konfiguriert, den von der Expansionseinrichtung 32 erzeugte Energie in elektrischen Strom umzuwandeln, wodurch der elektrische Strom erzeugt wird. Der vom elektrischen Generator erzeugte Strom wird in der Batterie gespeichert. Wie oben beschrieben wird ein System gebildet, das dazu konfiguriert ist, Abwärme des Motors 2 als elektrischen Strom rückzugewinnen. In der zweiten Ausführungsform wird ein System gebildet, das konfiguriert ist, um Abwärme des Motors 2 als elektrischen Strom rückzugewinnnen. Es sei angemerkt, dass ein solches System ein System sein kann, das dazu konfiguriert ist, anstelle des Rückgewinnens von Abwärme als elektrischen Strom dem Motor 2 die von der Expansionseinrichtung 32 erzeugte Energie direkt bereitzustellen, um den Motor 2 zu unterstützen.
Die Heizeinrichtung 61 ist ein Wärmetauscher, der mit einem Abgasrohr 51 des Motors 2 in Kontakt steht. Die Heizeinrichtung 61 ist dazu konfiguriert, vom Motor 2 abgegebenes Abgas als eine Wärmequelle zum Erwärmen und Verdampfen des Arbeitsfluids des Rankine-Zyklus 60 zu verwenden. Außerdem ist das Abgasrohr 51 mit einem Abgastemperaturerfassungssensor 52 als Abgastemperaturerfassungseinheit versehen, die dazu konfiguriert ist, die Temperatur von Abgas zu erfassen, das durch das Abgasrohr strömt. Es sei angemerkt, dass es sich bei der Heizeinrichtung 61 um einen Wärmetauscher handeln kann, der dazu konfiguriert ist, über Fluid wie etwa Wasser Wärme mit dem Abgasrohr 51 des Motors 2 auszutauschen.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 3 und 4 die Betriebssteuerung der Vorrichtung 50 zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme der zweiten Ausführungsform beschrieben. Der Abgastemperaturerfassungssensor 52 ist mit einer als eine Steuereinheit dienenden Steuereinrichtung 40 verbunden. Die Steuereinrichtung 40 ist dazu konfiguriert, den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe 34 und einer zweiten Wasserpumpe 10 zu steuern.
Wenn der Motor 2 angelassen wird, zirkuliert Kühlwasser in einem zweiten Kühlwasserkreislauf 5. Wenn die von dem Abgastemperaturerfassungssensor 52 erfasste Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur D, die eine ausreichende Temperatur zum Rückgewinnen von Wärme im Rankine-Zyklus 60 ist, erreicht (S011), treibt darüber hinaus die Steuereinrichtung 40 die Arbeitsfluidpumpe 34 und die zweite Wasserpumpe 10 an, um den Rankine-Zyklus 60 zu aktivieren (S012). Entsprechend zirkuliert Kühlwasser in einem dritten Kühlwasserkreislauf 6 (S013).
Beim Start des Motors 2 oder im Betriebszustand des Motors 2 mit niedriger Last erreicht die Temperatur des Kühlwassers nicht eine vorgegebene Temperatur A (z. B. 80°C) die benötigt wird, um den Motor 2 auf einer geeigneten Temperatur zu halten. Daher strömt kein Kühlwasser zu einem Kühler 9. Daher zirkuliert in einem ersten Kühlwasserkreislauf 4 kein Kühlwasser. Somit zirkuliert Kühlwasser im zweiten Kühlwasserkreislauf 5 und dritten Kühlwasserkreislauf 6, zirkuliert jedoch nicht im ersten Kühlwasserkreislauf 4. Das Arbeitsfluid wird in der Verdichtungseinrichtung 33 des Rankine-Zyklus 60 durch den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlwasser niedriger Temperatur, das den Kühler 9 durchlaufen hat, ohne den Motor 2 zu durchlaufen, und dem Arbeitsfluid des Rankine-Zyklus 60 ausreichend verdichtet, weshalb der Verdichtungsdruck des Arbeitsfluids gesenkt werden kann. Dadurch kann die Wärmeeffizienz des Rankine-Zyklus 60 verbessert werden.
Die Steuereinrichtung 40 beinhaltet eine Rankine-Ausgangsberechnungseinheit 42, die dazu konfiguriert ist, den Ausgang des Rankine-Zyklus 60 zu berechnen, eine Expansionseinrichtungsausgangsberechnungseinheit 43, die dazu konfiguriert ist, den Rankine-Ausgang zu berechnen, und eine Rankine-Eingangsberechnungseinheit 44, die dazu konfiguriert ist, einen Rankine-Eingang zu berechnen, der für die Aktivierung des Rankine-Zyklus 60 erforderlich ist. Während der Rankine-Zyklus 60 aktiv ist, werden ein Expansionseinrichtungsausgang, der von dem Rankine-Zyklus 60 rückgewonnen wird, und der für die Aktivität des Rankine-Zyklus 60 benötigte Eingang, wie etwa die Antriebsleistung für die Arbeitsfluidpumpe 34 und die Antriebsleistung für die zweite Wasserpumpe 10, beispielsweise ständig überwacht. Wenn der Rankine-Ausgang als ein Wert, der durch Subtrahieren des Rankine-Eingangs vom Expansionseinrichtungsausgang erlangt wird, ein negativer Wert ist (S014), hält die Steuereinrichtung 40 den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe 34 und der zweiten Wasserpumpe 10 an (S015). Es sei angemerkt, dass der Rankine-Ausgang nicht auf den obenstehenden beschränkt ist. Beispielsweise kann der Rankine-Ausgang z. B. aus dem hochdruckseitigen Druck des Rankine-Zyklus 60, dem niederdruckseitigen Druck des Rankine-Zyklus 60 oder der Durchflussrate des Arbeitsfluids erlangt werden.
Wenn der Motor 2 in einen Betriebszustand mit hoher Last gebracht wird, übersteigt die Temperatur des Kühlwassers, das den Motor 2 durchlaufen hat, die vorgegebene Temperatur A. Wenn beispielsweise die Kühlwassertemperatur eine vorgegebene Temperatur C erreicht, die um 10°C höher als die vorgegebene Temperatur A eingestellt ist, passt ein Thermostat 8 den Durchflussöffnungsgrad des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 und den Durchflussöffnungsgrad des zweiten Kühlwasserkreislaufs 5 derart an, dass das Kühlwasser zum Kühler strömt, um den Motor auf einer geeigneten Temperatur zu halten. In diesem Zustand zirkuliert Kühlwasser in jedem von dem ersten Kühlwasserkreislauf 4, dem zweiten Kühlwasserkreislauf 5 und dem dritten Kühlwasserkreislauf 6. Daher vereinigen sich das Kühlwasser, das im ersten Kühlwasserkreislauf 4 zirkuliert, und das Kühlwasser, das im dritten Kühlkreislauf 6 zirkuliert, an einem Verzweigungspunkt 15 und strömen dann in den Kühler 9.
Das Kühlwasser, das den Kühler 9 durchlaufen hat, zirkuliert derart, dass sich das Kühlwasser an einem Verzweigungspunkt 16, in Kühlwasser, das zu einem zweiten Verzweigungsweg 12 strömt, und Kühlwasser, das zum Motor 2 des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 strömt, verzweigt. Daher tauschen in dem Kühler 9 Fahrtluft, die durch die Fahrt des Fahrzeugs erzeugt wird, und von einem nicht dargestellten Gebläse Wärme jeweils mit dem Kühlwasser, das in dem ersten Kühlwasserkreislauf 4 nach dem Durchlaufen des Motors 2 zirkuliert, und dem Kühlwasser des dritten Kühlwasserkreislaufs 6 aus, das in der Verdichtungseinrichtung 33 des Rankine-Zyklus 60 Wärme mit dem Arbeitsfluid ausgetauscht hat.
Wenn sich der Betriebszustand des Motors 2 mit hoher Last fortsetzt, übersteigt die Temperatur des Kühlwassers, das den Motor 2 durchlaufen hat, die vorgegebene Temperatur C weiter. Daher passt das Thermostat 8 den Durchflussöffnungsgrad des ersten Kühlwasserkreislaufs 4 und den Durchflussöffnungsgrad des zweiten Kühlwasserkreislaufs 5 so an, dass mehr Kühlwasser zum Kühler als zum ersten Verzweigungsweg 11 strömt, um eine geeignete Temperatur des Motors 2 beizubehalten. In diesem Zustand nimmt die Temperatur des Kühlwassers, das im Kühler 9 Wärme austauscht, zu. Daher nimmt auch die Temperatur des Kühlwassers zu, das in dem dritten Kühlwasserkreislauf 6 zirkuliert, um die Verdichtungseinrichtung 33 zu durchlaufen. Als Ergebnis kann das Arbeitsfluid in der Verdichtungseinrichtung 33 nicht ausreichend verdichtet werden. Daher existiert keine Differenz zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Rankine-Zyklus 60, was zu einem negativen Wert des Rankine-Ausgangs führt.
Auch wenn also die Kühlwassertemperatur die vorgegebene Temperatur C nach dem Durchlaufen des Motors übersteigt, überwacht die Steuereinrichtung 40 während der Aktivität des Rankine-Zyklus 60 ständig einen Rankine-Ausgang, der von dem Rankine-Zyklus 60 rückgewonnen wird, und den für die Aktivität des Rankine-Zyklus 60 benötigten Eingang, wie etwa die Antriebsleistung für die Arbeitsfluidpumpe 34 und die Antriebsleistung für die zweite Wasserpumpe 10. Wenn der Rankine-Ausgang ein negativer Wert ist (S014), hält die Steuereinrichtung 40 den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe 34 und der zweiten Wasserpumpe 10 an (S015).
In der ersten und zweiten Ausführungsform ist der Motor 2 ein Motor für ein Fahrzeug. Es sei angemerkt, dass die vorliegenden Ausführungsformen nicht zwingend auf den Fahrzeugmotor beschränkt sind. Die vorliegenden Ausführungsformen können auf einen stationären Motor angewandt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Rückgewinnung von Fahrzeugabwärme
2: Motor
3: Rankine-Zyklus
4: erster Kühlwasserkreislauf
5: zweiter Kühlwasserkreislauf
6: dritter Kühlwasserkreislauf
7: erste Pumpe
8: Thermostat
9: Kühler
10: zweite Pumpe
11: erste Verzweigung
12: zweite Verzweigung
31: Heizeinrichtung
32: Expansionseinrichtung
33: Verdichtungseinrichtung
34: Arbeitsfluidpumpe
40: Steuereinrichtung
41: Wassertemperatursensor
42: Rankine-Ausgangsberechnungseinheit

Claims

Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme, umfassend: einen Rankine-Zyklus mit einem Arbeitsfluidkreislauf, der derart konfiguriert ist, dass eine Heizeinrichtung, die dazu konfiguriert ist, Arbeitsfluid zu erwärmen und verdampfen zu lassen, eine Expansionseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Heizeinrichtung durchlaufen hat, zu expandieren, um Energie zu erzeugen, eine Verdichtungseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Expansionseinrichtung durchlaufen hat, zu verdichten, und eine Arbeitsfluidpumpe, die dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid, das die Verdichtungseinrichtung durchlaufen hat, der Heizeinrichtung zuzuführen, nacheinander angeordnet sind; einen ersten Kühlwasserkreislauf, der dazu konfiguriert ist, Kühlwasser über einen Verbrennungsmotor und einen Kühler zirkulieren zu lassen; einen zweiten Kühlwasserkreislauf, der dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser über den Verbrennungsmotor und eine erste Verzweigung, die sich zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler verzweigt, zirkulieren zu lassen; und einen dritten Kühlwasserkreislauf, der dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser über den Kühler und eine zweite Verzweigung, die sich zwischen dem ersten Verzweigungsweg und dem Kühler verzweigt, zirkulieren zu lassen, wobei eine Wärmequelle der Heizeinrichtung Abwärme des Verbrennungsmotors ist, und die Verdichtungseinrichtung ein Wärmetauscher ist, der dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen dem Arbeitsfluid und dem Kühlwasser des dritten Kühlwasserkreislaufs auszutauschen.
Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 1, wobei eine erste Wasserpumpe, die dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser zirkulieren zu lassen, zwischen dem Verbrennungsmotor und dem ersten Verzweigungsweg vorgesehen ist, eine zweite Wasserpumpe, die dazu konfiguriert ist, das Kühlwasser zirkulieren zu lassen, am zweiten Verzweigungsweg vorgesehen ist, und eine Öffnungsgradeinstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen jeweiligen Durchflussöffnungsgrad des ersten und zweiten Kühlwasserkreislaufs basierend auf einer Kühlwassertemperatur nach dem Durchlaufen des Verbrennungsmotors einzustellen, an einem Verzweigungspunkt des ersten Verzweigungswegs vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Rückschlagventil, das dazu konfiguriert ist, einen Rückfluss des Kühlwassers zum Kühler zu verhindern, zwischen dem ersten Verzweigungsweg und dem zweiten Verzweigungsweg auf einer Stromabwärtsseite des Kühlers im ersten Kühlwasserkreislauf vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: eine Abwärmezustandserkennungseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Abwärmezustand des Verbrennungsmotors zu erkennen; und eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, den Antrieb der zweiten Wasserpumpe und den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe zu steuern, wobei wenn der von der Abwärmezustandserkennungseinheit erkannte Abwärmezustand des Verbrennungsmotors einen ersten vorgegebenen Wert übersteigt, die Steuereinheit die zweite Wasserpumpe und die Arbeitsfluidpumpe antreibt.
Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit eine Rankine-Ausgangsberechnungseinheit beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, einen Ausgang des Rankine-Zyklus zu berechnen, und wenn der von der Rankine-Ausgangsberechnungseinheit berechnete Rankine-Ausgang ein negativer Wert ist, die Steuereinheit den Antrieb der zweiten Wasserpumpe und der Arbeitsfluidpumpe anhält.
Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Heizeinrichtung ein Wärmetauscher ist, der dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen dem Arbeitsfluid und dem Kühlwasser des zweiten Kühlwasserkreislaufs auszutauschen.
Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine Kühlwassertemperaturerkennungseinheit, die dazu konfiguriert ist, die Kühlwassertemperatur nach dem Durchlaufen des Verbrennungsmotors zu erkennen; und eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, den Antrieb der zweiten Wasserpumpe und den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe zu steuern, wobei wenn die von der Kühlwassertemperaturerkennungseinheit erkannte Kühlwassertemperatur eine erste vorgegebene Temperatur übersteigt, die Steuereinheit die zweite Wasserpumpe und die Arbeitsfluidpumpe antreibt.
Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit eine Rankine-Ausgangsberechnungseinheit beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, einen Ausgang des Rankine-Zyklus zu berechnen, und wenn die von der Kühlwassertemperaturerkennungseinheit erkannte Kühlwassertemperature gleich oder kleiner als die erste vorgegebene Temperatur ist oder der von der Rankine-Ausgangsberechnungseinheit berechnete Rankine-Ausgang ein negativer Wert ist, die Steuereinheit den Antrieb der zweiten Wasserpumpe und der Arbeitsfluidpumpe anhält.
Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme nach Anspruch 7 oder 8, wobei die erste vorgegebene Temperatur höher als eine minimale Kühlwassertemperatur eingestellt ist, um ein Überkühlen des Verbrennungsmotors zu verhindern, und niedriger als die Kühlwassertemperatur nach dem Durchlaufen des Verbrennungsmotors eingestellt ist, wenn der Durchflussöffnungsgrad des ersten Kühlwasserkreislaufs durch die Öffnungsgradeinstellungseinheit von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand umgeschaltet wird.