-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmerückgewinnungssystem, ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Systems und ein Fahrzeug mit einem solchen Wärmerückgewinnungssystem.
-
HINTERGRUND
-
Fahrzeughersteller sind heute bestrebt, die Motoreffizienz zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Dies ist vor allem ein Thema für Hersteller von schweren Fahrzeugen, wie zum Beispiel LKWs und Bussen. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Motoreffizienz und des Kraftstoffverbrauchs ist die Wärmerückgewinnung. In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren wird ein Großteil der Energie aus dem Kraftstoff nicht in nützliche Arbeit umgesetzt, sondern als Wärme über die Auspuffrohre und das Motorkühlsystem abgeführt. Durch den Einsatz eines Wärmerückgewinnungssystems kann die Wärme stattdessen zur Erwärmung verschiedener Fahrzeugkomponenten oder zur Erzeugung von Elektrizität oder mechanischer Arbeit genutzt werden. Diese mechanische Arbeit kann zum Beispiel auf den Antriebsstrang übertragen und so zum Vortrieb des Fahrzeugs genutzt werden.
-
Ein Wärmerückgewinnungssystem (WRG-System) umfasst üblicherweise mindestens einen Wärmetauscher, der Wärme zwischen einer Wärmequelle, wie zum Beispiel Abgasen, und einem Arbeitsfluid überträgt. Die Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsfluid und der Wärmequelle ist ein Energieaustausch, der zu einer Änderung der Temperatur sowohl des Arbeitsfluids als auch der Wärmequelle führt. Ein Wärmerückgewinnungssystem kann zum Beispiel auf einem Rankine-Kreislauf oder einem organischen Rankine-Kreislauf für die Wärmerückgewinnung bei niedrigen Temperaturen basieren. Solche Systeme umfassen üblicherweise ein Arbeitsfluid, eine Pumpe zum Umwälzen des Arbeitsfluids in einem Kreislauf, mindestens einen Verdampfer (Wärmetauscher), eine Expansionsvorrichtung (Expander), einen Kondensator und ein Ausdehnungsgefäß zur Aufnahme überschüssigen Arbeitsfluids. Das Arbeitsfluid in einem solchen Wärmerückgewinnungssystem befindet sich zweckmäßigerweise zunächst in einem flüssigen Zustand. Die Pumpe setzt das Arbeitsfluid unter Druck, das durch den Verdampfer gepumpt wird. Im Verdampfer wird das Arbeitsfluid durch Wärmeaustausch mit einer durch den Verdampfer geführten Wärmequelle, zum Beispiel Abgasen, erwärmt. Dadurch wird das Arbeitsfluid zum Verdampfen gebracht. Der entstehende Dampf wird anschließend in der Expansionsvorrichtung, zum Beispiel einer Turbine, entspannt. Mittels der Expansionsvorrichtung kann dabei die gewonnene Wärme in mechanische Arbeit oder elektrische Energie umgewandelt werden. Der Dampf wird anschließend im Kondensator abgekühlt, so dass das Arbeitsfluid wieder in seinen ursprünglichen flüssigen Zustand gebracht wird. Der Kondensator ist daher üblicherweise an ein Kühlsystem angeschlossen, das Teil des Motorkühlsystems oder ein separates Kühlsystem sein kann. Nach der Rückkondensation in den flüssigen Zustand kann das Arbeitsfluid in dem Ausdehnungsgefäß aufgenommen werden. Das im Ausdehnungsgefäß aufgenommene Arbeitsfluid ist somit bereit für die weitere Förderung durch den WRG-Kreislauf.
-
Es ist wichtig, dass das Arbeitsfluid nach auf der Niederdruckseite des WRG-Kreislaufs, d. h. zwischen dem Kondensator und dem Pumpeneingang, unterkühlt ist, d. h. auf eine Temperatur unterhalb des Siedepunkts bei dem in der Niederdruckseite des WRG-Kreislaufs herrschenden Drucks gekühlt wird. Der Siedepunkt kann auch als Sättigungstemperatur oder Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids bezeichnet werden. Wird das Arbeitsfluid nicht ausreichend unterkühlt, kann es bei vorrübergehenden Temperaturerhöhungen oder Druckabfällen zu unerwünschtem Sieden oder Flashing der Flüssigkeit kommen. Dies kann zum Beispiel zu Kavitation in der Arbeitsfluidpumpe führen, was eine Beschädigung der Pumpenkomponenten zur Folge haben kann. Um solche Probleme zu vermeiden, muss das in die Pumpe eintretende Arbeitsfluid ausreichend unterkühlt sein, d. h. unter Bedingungen gehalten werden, die ausreichend von der Sättigung entfernt sind.
-
DE 10 2009 050 068 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkreislauf und einem Clausius-Rankine-Kreislauf zur Wärmerückgewinnung. Im Clausius-Rankine-Kreislauf ist ein Ausgleichbehälter vorgesehen, um Volumen- und/oder Druckschwankungen auszugleichen. In einer Ausführungsform umfasst der Ausgleichbehälter eine Primärkammer und eine Sekundärkammer, die durch eine Membran getrennt sind. Die Primärkammer steht in Verbindung mit dem Clausius-Rankine-Kreislauf und die Sekundärkammer steht in Verbindung mit einem Druckregler. Dadurch ist es möglich, einen Kondensationsdruck und damit eine Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids des Clausius-Rankine-Kreislaufs zu steuern oder zu regeln.
-
Es besteht weiterhin ein Bedarf an verbesserten Mitteln zur Steuerung eines Wärmerückgewinnungssystems.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Reihe von Schwächen in den Wärmerückgewinnungssystemen des Standes der Technik identifiziert. Ausdehnungsgefäße mit einer Membran oder Blase, die in der Lage sind, aktiv druckgeregelt zu werden, sind komplex in der Konstruktion, erfordern eine Quelle für Druckfluid, wie zum Beispiel Druckluft (die nicht in allen Fahrzeugen ohne weiteres verfügbar ist), und, was am wichtigsten ist, sind anfällig für vorzeitigen Ausfall. Ein potenzieller Faktor für den vorzeitigen Ausfall des Ausdehnungsgefäßes ist die ständige mechanische Beanspruchung des Membran- oder Blasenmaterials durch die Ausdehnung und Kontraktion des Ausdehnungsgefäßvolumens. Ein weiterer potenzieller Faktor ist die oft schlechte Kompatibilität zwischen dem Material der Membran/Blase, das oft aus Gummi oder einem synthetischen Elastomer besteht, und dem Arbeitsfluid, das oft ein organisches Lösungsmittel ist.
-
Es wäre vorteilhaft, ein Wärmerückgewinnungssystem zu realisieren, das zumindest einige der oben genannten Mängel überwindet oder zumindest abmildert. Insbesondere wäre es wünschenswert, ein Wärmerückgewinnungssystem bereitzustellen, das eine verbesserte Langlebigkeit aufweist, insbesondere im Hinblick auf den Behälter zur Speicherung des Arbeitsfluids.
-
Um einem oder mehreren dieser Anliegen besser gerecht zu werden, wird ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei das Wärmerückgewinnungssystem die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmale aufweist.
-
Das Wärmerückgewinnungssystem umfasst:
- - eine Arbeitsfluidpumpe;
- - einen Verdampfer;
- - einen Expander;
- - einen Kondensator;
- - eine Pumpenauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von der Arbeitsfluidpumpe zu dem Verdampfer leitet;
- - eine Verdampferauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von dem Verdampfer zu dem Expander leitet;
- - eine Expanderauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von dem Expander zu dem Kondensator leitet;
- - eine Kondensatorauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von dem Kondensator zur Arbeitsfluidpumpe leitet;
- - einen Sammelbehälter mit einem Behältereinlass und einem Behälterauslass;
- - eine Behältereinlassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von einer ersten Verbindungsstelle in der Kondensatorauslassleitung zu dem Behältereinlass leitet; und
- - eine Behälterauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von dem Behälterauslass zu einer zweiten Verbindungsstelle in der Kondensatorauslassleitung leitet, wobei die zweite Verbindungsstelle zwischen der ersten Verbindungsstelle und der Arbeitsfluidpumpe angeordnet ist.
-
Der Sammelbehälter hat ein im Wesentlichen konstantes Innenvolumen oder ein konstantes Innenvolumen und ist mit einer Heizvorrichtung ausgestattet, die dazu eingerichtet ist, mit einem Motorkühlsystem fluidisch verbunden zu sein, und wobei die Heizvorrichtung so angeordnet ist, dass sie eine Wärmeübertragung von einem Kühlmittelfluid in der Heizvorrichtung zu einem Arbeitsfluid in dem Sammelbehälter begünstigt.
-
Durch die Verwendung eines Sammelbehälters mit konstantem oder während des Betriebs im Wesentlichen konstantem Innenvolumen muss sich das Volumen des Sammelbehälters nicht mehr zusammenziehen und ausdehnen, um das WRG-System zu regulieren, und der Sammelbehälter kann daher aus robusten, relativ unelastischen Materialien bestehen, die einen längeren Kontakt mit dem Arbeitsfluid vertragen. Der Sammelbehälter kann zum Beispiel aus Metall, wie zum Beispiel Edelstahl, bestehen. Da der Sammelbehälter mit einer Heizvorrichtung ausgestattet ist, die Kühlmittelfluid aus dem Kühlsystem als Heizmedium verwendet, kann das im Sammelbehälter enthaltene Arbeitsfluid mithilfe der Heizvorrichtung verdampft werden. Die Verdampfung des Arbeitsfluids führt zu einem Druckanstieg im Sammelbehälter und seiner Umgebung, auch im Kondensator. Dieser Anstieg des Kondensationsdrucks führt zu einem entsprechenden Anstieg der Kondensationstemperatur und bedeutet, dass der von dem Kondensator erreichte Grad der Unterkühlung durch die Heizvorrichtung gesteuert werden kann. Zu beachten ist, dass die in dem Kühlmittelfluid enthaltene Wärme sonst im Kühler verloren gehen würde, so dass die vorliegende Erfindung effektiv, andernfalls verloren gehende Wärme nutzt, um das WRG-System zu steuern.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein integriertes System für ein Fahrzeug gemäß den beigefügten Ansprüchen bereitgestellt. Das integrierte System umfasst ein Wärmerückgewinnungssystem und ein Motorkühlsystem.
-
Das Wärmerückgewinnungssystem für das integrierte System umfasst:
- - eine Arbeitsfluidpumpe;
- - einen Verdampfer;
- - einen Expander;
- - einen Kondensator;
- - eine Pumpenauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von der Arbeitsfluidpumpe zu dem Verdampfer leitet;
- - eine Verdampferauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von dem Verdampfer zu dem Expander leitet;
- - eine Expanderauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von dem Expander zu dem Kondensator leitet;
- - eine Kondensatorauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von dem Kondensator zur Arbeitsfluidpumpe leitet;
- - einen Sammelbehälter mit einem Behältereinlass und einem Behälterauslass;
- - eine Behältereinlassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von einer ersten Verbindungsstelle in der Kondensatorauslassleitung zu dem Behältereinlass leitet; und
- - eine Behälterauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Arbeitsfluid von dem Behälterauslass zu einer zweiten Verbindungsstelle in der Kondensatorauslassleitung leitet, wobei die zweite Verbindungsstelle zwischen der ersten Verbindungsstelle und der Arbeitsfluidpumpe angeordnet ist.
-
Das Motorkühlsystem für das integrierte System umfasst:
- - einen Kühler;
- - eine Motorauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie aus einem Motor austretendes Kühlmittelfluid sammelt; und
- - eine Kühlerauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung zu dem Kühler leitet.
-
In dem integrierten System ist der Sammelbehälter mit einer Heizvorrichtung ausgestattet, die einen Heizvorrichtungseinlass aufweist, der über eine Heizvorrichtungszufuhrleitung in Fluidverbindung mit der Motorauslassleitung steht. Die Heizvorrichtungszufuhrleitung ist so angeordnet, dass sie Kühlmittelfluid von der Motorauslassleitung zu dem Heizvorrichtungseinlass leitet. Die Heizvorrichtung ist so angeordnet, dass sie eine Wärmeübertragung von dem Kühlmittelfluid in der Heizvorrichtung auf das Arbeitsfluid in dem Sammelbehälter begünstigt.
-
Die Temperatur des Kühlmittelfluids in der Motorauslassleitung ist relativ konstant und heiß genug, um für eine Verdampfung des Arbeitsfluids in dem Sammelbehälter zu sorgen, wenn es durch die Heizvorrichtung geleitet wird. Solch ein integriertes System erlaubt daher ohne weiteres die Regelung der Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids im Kondensator.
-
Eine Heizvorrichtungsrücklaufleitung kann angeordnet sein, um Kühlmittelfluid von einem Heizvorrichtungsauslass zu der Motorauslassleitung oder der Kühlerauslassleitung zu leiten. Die Heizvorrichtungsrücklaufleitung kann eine Verbindungsstelle mit der Motorauslassleitung an einem Punkt bilden, der sich in Strömungsrichtung näher zur Kühlerauslassleitung als eine Verbindungsstelle der Heizvorrichtungszufuhrleitung mit der Motorauslassleitung befindet.
-
Ein Rekuperator kann angeordnet sein, um eine Wärmeübertragung von Kühlmittelfluid in der Heizvorrichtungsrücklaufleitung zu Arbeitsfluid in der Pumpenauslassleitung zu begünstigen. Dies ermöglicht die Rückgewinnung von Wärme, die sonst in dem Kühler verloren ginge, und erhöht somit den Gesamtwirkungsgrad des WRG-Systems.
-
Eine Heizvorrichtungs-Bypass-Leitung kann so angeordnet sein, dass sie Kühlmittelfluid von der Heizvorrichtungszufuhrleitung zu der Heizvorrichtungsrücklaufleitung leitet, wobei die Heizvorrichtungs-Bypass-Leitung an einem Punkt zwischen der Heizvorrichtung und dem Rekuperator eine Verbindung mit der Heizvorrichtungsrücklaufleitung bildet. In einem solchen Fall kann ein Heizvorrichtungs-Bypass-Ventil an einer Verbindungsstelle der Heizvorrichtungs-Bypass-Leitung und der Heizvorrichtungszufuhrleitung angeordnet sein, wobei das Heizvorrichtungs-Bypass-Ventil so angeordnet ist, dass es einen Strom von Kühlmittelfluid von der Heizvorrichtungszufuhrleitung zu der Heizvorrichtungs-Bypass-Leitung steuerbar umleitet. Eine solche Anordnung ermöglicht es, Kühlmittelfluid auch dann durch den Rekuperator zu leiten, wenn ein Kühlfluidstrom durch die Heizvorrichtung nicht erwünscht ist. Dadurch wird der Anteil der Abwärme des Motors, der in nützliche Arbeit im WRG-System umgewandelt werden kann, weiter erhöht.
-
Ein Heizvorrichtungszufuhrventil kann an einer Verbindungsstelle der Heizvorrichtungszufuhrleitung und der Motorauslassleitung angeordnet sein, wobei das Heizvorrichtungszufuhrventil so angeordnet ist, dass es einen Strom von Kühlmittelfluid von der Motorauslassleitung zu der Heizvorrichtungszufuhrleitung steuerbar umleitet. Auf diese Weise kann der Strom des Kühlmittelfluids, das durch die Heizvorrichtung fließt, leicht gesteuert werden, ohne den Kühlmittelfluidstrom zu anderen Komponenten im Kühlkreislauf, wie zum Beispiel dem Motor und/oder dem Kondensator, zu verändern. Dadurch wird die Gesamtregelung des WRG erleichtert.
-
In der Heizvorrichtungszufuhrleitung oder der Heizvorrichtungsrücklaufleitung kann eine Heizvorrichtungszulaufpumpe angeordnet sein, wobei die Heizvorrichtungszulaufpumpe so angeordnet ist, dass sie einen Strom von Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung in die Heizvorrichtungszufuhrleitung steuerbar leitet. Dadurch kann der Strom von Kühlmittelfluid durch die Heizvorrichtung unabhängig von der Kühlmittelpumpe gesteuert werden und ermöglicht einen Strom von Kühlmittelfluid in der Heizvorrichtung, auch wenn die Kühlmittelpumpe kein Kühlmittelfluid im Hauptkühlkreislauf umwälzt.
-
Ein Rekuperator kann so angeordnet sein, dass er eine Wärmeübertragung von dem Kühlmittelfluid in der Motorauslassleitung zum Arbeitsfluid in der Pumpenauslassleitung begünstigt. Dadurch kann ein Strom von Kühlmittelfluid durch den Rekuperator geleitet werden, unabhängig von einem Kühlmittelfluidstrom durch die Heizvorrichtung. Dadurch wird der Anteil der Abwärme des Motors, der im WRG-System in nützliche Arbeit umgewandelt werden kann, weiter erhöht.
-
Eine Rekuperatorzufuhrleitung kann so angeordnet sein, dass sie Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung zum Rekuperator leitet. In diesem Fall kann eine Rekuperatorrücklaufleitung so angeordnet sein, dass sie Kühlmittelfluid vom Rekuperator zu der Motorauslassleitung oder zur Kühlerrücklaufleitung leitet. Die Rekuperatorzufuhrleitung kann so angeordnet sein, dass sie sich mit der Motorauslassleitung an einem Punkt stromabwärts der Verbindung mit der Heizvorrichtungsrücklaufleitung verbindet, d.h. in Strömungsrichtung näher zur Kühlerrücklaufleitung als zur Heizvorrichtungsrücklaufleitung. Die Rekuperatorrücklaufleitung kann so angeordnet sein, dass sie sich mit der Motorauslassleitung an einem Punkt stromabwärts der Verbindung mit der Rekuperatorzufuhrleitung Rücklaufleitung verbindet. Eine Rekuperatorförderpumpe kann in der Rekuperatorzufuhrleitung oder der Rekuperatorrücklaufleitung angeordnet sein, wobei die Rekuperatorförderpumpe so angeordnet ist, dass sie einen Strom von Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung steuerbar zur Rekuperatorzufuhrleitung leitet. Eine solche Anordnung ermöglicht es, einen Strom von Kühlmittelfluid durch den Rekuperator zu leiten, unabhängig von einem Kühlmittelfluidstrom durch die Heizvorrichtung oder den Hauptkühlkreislauf. Dies ermöglicht zum Beispiel einen Kühlmittelfluidstrom durch den Rekuperator, auch wenn die Kühlmittelpumpe kein Kühlmittel im Hauptkühlkreislauf umwälzt.
-
In der Behältereinlassleitung kann ein erstes steuerbares Durchflussregulierungsmittel angeordnet sein und in der Behälterauslassleitung kann ein zweites steuerbares Durchflussregulierungsmittel angeordnet sein. Mit diesen Durchflussregulierungsmitteln kann der Sammelbehälter isoliert werden. So kann zum Beispiel beim Abschalten des WRG-Systems das WRG-System so gesteuert werden, um sicherzustellen, dass sich verdampftes Arbeitsfluid nur im Sammelbehälter befindet und der Rest des Systems mit flüssigem Arbeitsfluid gefüllt ist. Sobald ein solcher Zustand erreicht ist, kann der Sammelbehälter durch Schließen der ersten und zweiten Durchflussregulierungsmittel isoliert werden, und die Arbeitsfluidpumpe kann dann abgeschaltet werden, um die Zirkulation des Arbeitsfluids im WRG-System zu stoppen. Bei weiterer Abkühlung des Arbeitsfluids kondensiert das verdampfte Arbeitsfluid und es entsteht ein Unterdruck im Sammelbehälter. Der Sammelbehälter kann jedoch leicht so ausgelegt werden, dass er solchen niedrigen Drücken standhält. Andere Komponenten des WRG-Systems, die schwieriger gegen Unterdruck abzudichten sind, wie zum Beispiel der Expander, sind daher vor solchen Bedingungen geschützt.
-
Ein drittes steuerbares Durchflussregulierungsmittel kann in der Kondensatorauslassleitung zwischen der ersten Verbindungsstelle und der zweiten Verbindungsstelle angeordnet sein. Dadurch kann der Strom von Arbeitsfluid wahlweise über den Sammelbehälter oder direkt durch die Kondensatorauslassleitung geleitet werden.
-
Der Sammelbehälter kann so angeordnet sein, dass er gasförmiges Arbeitsfluid von flüssigem Arbeitsfluid trennt. Der Sammelbehälter kann so angeordnet sein, dass er flüssiges Arbeitsfluid zu dem Behälterauslass leitet. Eine solche Anordnung stellt sicher, dass das zur Arbeitsfluidpumpe geleitete Arbeitsfluid immer in flüssiger Form vorliegt und verhindert eine Beschädigung der Pumpe, zum Beispiel durch Kavitation.
-
In dem Sammelbehälter kann ein Trocknungsmedium enthalten sein. Dies ermöglicht die Entfernung von Feuchtigkeit aus dem Arbeitsfluid und gewährleistet ein vorhersehbares und zuverlässiges Verhalten des Arbeitsfluids.
-
Das Wärmerückgewinnungssystem des integrierten Systems kann ein unterkühlerfreies System sein. Die Möglichkeit, den Kondensationsdruck über die Heizvorrichtung zu regeln, macht einen Unterkühler überflüssig.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines hierin beschriebenen integrierten Systems bereitgestellt, wobei das Verfahren gemäß den beigefügten Ansprüchen ist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Erhöhens eines Kondensationsdrucks in dem Kondensator durch steuerbares Leiten eines Stroms von Kühlmittelfluid von der Motorauslassleitung durch die Heizvorrichtung. Durch das Leiten eines Stroms von Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung durch die Heizvorrichtung wird das in dem Sammelbehälter enthaltene Arbeitsfluid verdampft und der Kondensationsdruck erhöht. Dies führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Kondensationstemperatur und ermöglicht die Regelung der Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids, ohne auf die Verwendung von Arbeitsfluidbehältern mit einem variablen, regelbaren Volumen zurückgreifen zu müssen, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Abschalten eines hierin beschriebenen integrierten Systems bereitgestellt, wobei das Verfahren gemäß den beigefügten Ansprüchen ist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Isolierens, während einer Abschaltphase des Wärmerückgewinnungssystems, des Sammelbehälters durch Schließen des ersten steuerbaren Durchflussregulierungsmittels und des zweiten steuerbaren Durchflussregulierungsmittels, so dass das in einem Rest des Wärmerückgewinnungssystems enthaltene Arbeitsfluid eine Temperatur unterhalb einer Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids bei Umgebungsdruck aufweist. Dies ermöglicht es, dass die beim Abschalten des WRG-Systems erzeugten Unterdrücke im Sammelbehälter konzentriert werden können, wo solche Drücke leicht aufgenommen werden können. Somit müssen WRG-Systemkomponenten, die viel schwieriger zu konstruieren sind, um Unterdrücken standzuhalten, wie zum Beispiel der Expander, daher solchen Drücken nicht standhalten.
-
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Wärmerückgewinnungssystem oder einem integrierten System, wie hier beschrieben, bereitgestellt.
-
Weitere Gegenstände, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
-
Figurenliste
-
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer weiteren Gegenstände und Vorteile sollte die nachstehende ausführliche Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Gegenstände in den verschiedenen Abbildungen bezeichnen und in denen:
- 1 ein Fahrzeug gemäß der Erfindung schematisch darstellt;
- 2 schematisch ein WRG-System und integriertes System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 3 schematisch ein WRG-System und integriertes System gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 4 schematisch ein WRG-System und integriertes System gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 5 ein Flussdiagramm ist, das schematisch ein Verfahren zur Steuerung des erfindungsgemäßen WRG-Systems darstellt; und
- 6 ein Flussdiagramm ist, das schematisch ein Verfahren zum Abschalten des WRG-Systems gemäß der Erfindung darstellt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein einen Sammelbehälter umfassendes Wärmerückgewinnungssystem so gesteuert werden kann, dass eine geeignete Unterkühlung im Kondensator erreicht wird, indem der Sammelbehälter mit einer Heizvorrichtung ausgestattet wird und die Heizvorrichtung dazu verwendet wird, Arbeitsfluid im Sammelbehälter zu verdampfen und so den Kondensationsdruck am Kondensator zu steuern. Die Heizvorrichtung arbeitet mit heißem Kühlmittelfluid von dem Motorkühlsystem als Heizmedium.
-
Das Wärmerückgewinnungssystem kann auf einem Rankine-Kreislauf oder einem organischen Rankine-Kreislauf basieren. Das Wärmerückgewinnungssystem umfasst eine Arbeitsfluidpumpe, einen Verdampfer, einen Expander, einen Kondensator und einen Sammelbehälter mit einer Heizvorrichtung. Das Arbeitsfluid wird komprimiert und als Flüssigkeit durch die Pumpe zu dem Verdampfer gepumpt. In dem Verdampfer wird die Arbeitsflüssigkeit durch Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle, die den Verdampfer durchströmt, erhitzt und verdampft. Das Arbeitsfluid, nun in der Gasphase, fließt zu dem Expander, wo es sich ausdehnen kann und dabei mechanische Arbeit verrichtet. Der expandierte Dampf wird dann durch den Kondensator wieder zu Flüssigkeit abgekühlt. In dieser Anmeldung wird der Begriff „stromabwärts“, wie er auf das WRG-System angewendet wird, als die übliche Strömungsrichtung des Arbeitsfluids im WRG-Kreislauf von der Arbeitsfluidpumpe über den Verdampfer, den Expander und den Kondensator zu dem Sammelbehälter definiert.
-
Je nach Qualität der zu nutzenden Wärmequelle(n) kann eine Vielzahl von Arbeitsfluiden für die Verwendung im Wärmerückgewinnungssystem gewählt werden. Das Arbeitsfluid kann Wasser oder eine organische Flüssigkeit wie zum Beispiel Ethanol oder R-245fa sein.
-
Die Arbeitsfluidpumpe des Wärmerückgewinnungssystems kann von jedem in der Technik bekannten Typ sein und kann zum Beispiel geeigneterweise elektrisch oder mechanisch angetrieben sein.
-
In dem Verdampfer wird das Arbeitsfluid durch Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle erhitzt und verdampft. Der Verdampfer kann von jedem in der Technik bekannten Typ sein, zum Beispiel ein Plattenwärmetauscher. Die Wärmequelle kann jede verfügbare Wärmequelle in einem Fahrzeug sein, wie zum Beispiel die Fahrzeugabgase, heißes Öl aus einem Retarder oder heiße Flüssigkeiten aus dem Fahrzeugkühlsystem. Das Wärmerückgewinnungssystem kann eine Reihe von Verdampfern haben, jeder für eine separate Wärmequelle.
-
Das Arbeitsfluid wird im Verdampfer verdampft, und daher sollte das am Expander ankommende Arbeitsfluid in gasförmiger Form sein. Im Arbeitsfluidkreislauf kann ein mit einem Ventil ausgestatteter Kanal zur Umgehung des Expanders vorgesehen werden, um nicht verdampftes Fluid an dem Expander vorbeizuleiten, ohne den Expander zu passieren. Dies kann zum Beispiel beim Start und bei der ersten Inbetriebnahme des Fahrzeugs sinnvoll sein, oder wenn keine mechanische Arbeit von dem WRG-System benötigt wird.
-
Der Expander kann von jedem in der Technik bekannten Typ sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Turbinen-, Schrauben-, Scroll- oder Kolbenexpander. Die im Expander erzeugte mechanische Arbeit kann einem Generator zur Stromerzeugung zugeführt werden oder auf den Antriebsstrang des Fahrzeugs, zum Beispiel die Kurbelwelle, übertragen werden, zum Beispiel über eine Kupplung oder einen Freilauf.
-
Der Kondensator kann von jedem in der Technik bekannten Typ sein. Der Kondensator kondensiert das Arbeitsfluid zurück in die flüssige Phase. Er kann an einen Kühlkreislauf angeschlossen sein, der zum Beispiel das Standard-Motorkühlsystem sein kann, oder mit einem speziellen Kühlsystem ausgestattet sein. Die Kühlleistung des Kondensators kann reguliert werden, um sicherzustellen, dass ein angemessener Grad von Unterkühlung bei einer vorteilhaften Temperatur erreicht wird. Dies kann durch die Regelung der Temperatur eines Kühlmittelfluids, das durch den Kondensator fließt, oder durch die Regelung des Durchflusses des Kühlmittelfluids durch den Kondensator erfolgen. Der Kondensator ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, unter allen Bedingungen, wie zum Beispiel bei Volllastbedingungen, eine ausreichende Kühlung bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung stellt ein weiteres Mittel zur Regulierung der Unterkühlung zur Verfügung, indem der Druck auf der Niederdruckseite des Wärmerückgewinnungssystems durch Erwärmung des in dem Sammelbehälter enthaltenen Arbeitsfluids reguliert wird.
-
Das kondensierte Arbeitsfluid wird in einem Sammelbehälter aufgefangen. Der Sammelbehälter hat ein festes Innenvolumen, d. h. er besitzt keine Membran, die das Innenvolumen des Behälters variieren kann, wie es bei Lösungen nach dem Stand der Technik bekannt ist. Da das Volumen des Sammelbehälters nicht variieren muss, kann er aus festen und stabilen Materialien hergestellt werden, zum Beispiel aus Metallen wie Edelstahl. Dadurch wird die Lebensdauer des Behälters im Vergleich zu Behältern mit zum Beispiel Gummiblasen oder Membranen deutlich erhöht.
-
Der Sammelbehälter kann dazu eingerichtet sein, wie es in der Technik allgemein bekannt ist, eine Phasentrennung des Arbeitsfluids in eine Dampfphase und eine flüssige Phase durch Schwerkraft zu begünstigen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass sich der Sammelbehälterauslass am Boden des Behälters befindet (so wie er bei der Montage in dem Fahrzeug ausgerichtet ist). Dadurch wird sichergestellt, dass das Arbeitsfluid in der Dampfphase im Sammelbehälter eingeschlossen ist und nicht durch das WRG-System, zum Beispiel zur Pumpe, gefördert wird. Die Sammelbehältereinlässe können sich hoch oben im Sammelbehälter befinden (so wie er bei der Montage in dem Fahrzeug ausgerichtet ist). Das in den Behälter eintretende flüssige Arbeitsfluid fällt somit auf den Boden des Behälters und das verdampfte Arbeitsfluid bildet eine Dampfsäule oberhalb des gesammelten flüssigen Arbeitsfluids. Der Sammelbehälter kann ein Trocknungsmittel enthalten, um Wasser, das in das Wärmerückgewinnungssystem eintritt, zu entfernen. Der Sammelbehälter kann außerdem einen Filter enthalten, der so angeordnet ist, dass er die Zirkulation von Feststoffen oder Partikeln im WRG-System verhindert.
-
Der Einlass und der Auslass des Sammelbehälters sind mit der Auslassleitung des Kondensators verbunden, d. h. mit der Leitung, die Arbeitsfluid zwischen dem Kondensator und der Arbeitsfluidpumpe leitet. Der Behältereinlass ist mit einer Sammlereinlassleitung und der Behälterauslass mit einer stromabwärts der Sammlereinlassleitung angeordneten Sammlerauslassleitung verbunden. In der Sammlereinlassleitung und Sammlerauslassleitung können Durchflussregulierungsmittel, wie zum Beispiel steuerbare Absperrventile, angeordnet sein. Dadurch kann der Sammelbehälter bei Bedarf isoliert werden. So kann zum Beispiel beim Abschalten des WRG-Systems das System so gesteuert werden, dass nur der Sammelbehälter mit Unterdruck beaufschlagt wird und der Rest der Anlage mit flüssigem Arbeitsfluid gefüllt ist und somit nicht mit Unterdruck beaufschlagt wird. Dies begünstigt die Auslegung und Konstruktion des WRG-Systems, da es bedeutet, dass nur die Dichtungen des Sammlers so ausgelegt werden müssen, dass sie dem Unterdruck standhalten, und dass andere Dichtungen im System nur gegen Leckagen nach au-ßen aufgrund erhöhter Drücke schützen müssen.
-
In dem Abschnitt der Kondensatorauslassleitung zwischen der Verbindung mit der Sammlereinlassleitung und der Verbindung mit der Sammlerauslassleitung kann ein Durchflussregulierungsmittel, wie zum Beispiel ein steuerbares Absperrventil, angeordnet sein. Dadurch kann ein Strom von Arbeitsfluid je nach Wunsch in den Sammelbehälter geleitet oder der Sammelbehälter umgangen werden.
-
Während des normalen Betriebs des Wärmerückgewinnungssystems enthält der Sammelbehälter üblicherweise ein Volumen an flüssigem Arbeitsfluid und kann beispielsweise normalerweise etwa zur Hälfte mit flüssigem Arbeitsfluid gefüllt sein. Dies liegt daran, dass das zum Füllen des Kreislaufs erforderliche Volumen an Arbeitsfluid bei niedrigeren Temperaturen größer ist als bei höheren Temperaturen, und das Volumen an Arbeitsfluid sollte so dimensioniert sein, dass es den Kreislauf immer füllen kann. Der Sammelbehälter nimmt jedoch das überschüssige Arbeitsfluid auf und verhindert so eine Überfüllung des Systems.
-
Die vorliegende Erfindung nutzt die Verdampfung des im Sammelbehälter enthaltenen Arbeitsfluids, um die Unterkühlung des Arbeitsfluids aus dem Kondensator zu steuern. Durch die Verdampfung des Arbeitsfluids im Sammelbehälter wird der Druck und/oder das Volumen, das im Sammelbehälter durch das verdampfte Arbeitsfluid eingenommen wird, erhöht. Unter der Annahme, dass der Sammelbehälter ein konstantes Volumen hat, wird diese Volumenzunahme der Dampfphase durch Absenken des Flüssigkeitsspiegels im Sammelbehälter kompensiert, wodurch Arbeitsfluid in den Kondensator gepresst wird, was zu einer stärkeren Unterkühlung des Arbeitsfluids im Kondensator führt. Dieser Effekt kann zum Beispiel in Situationen genutzt werden, in denen der Kondensator nicht in der Lage ist, eine ausreichende Kühlleistung zur Unterkühlung des Arbeitsfluids bereitzustellen. Umgekehrt sollte, wenn der Kondensator eine zu starke Unterkühlung liefert, der im Sammelbehälter herrschende Druck gesenkt werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass ein Strom gekühlten Arbeitsfluids von dem Kondensator durch den Sammelbehälter geleitet wird, um die Temperatur im Sammelbehälter zu senken.
-
Um eine Verdampfung des im Sammelbehälter enthaltenen Arbeitsfluids zu gewährleisten, ist der Sammelbehälter mit einer Heizvorrichtung ausgestattet. Das Heizmedium, das durch die Heizvorrichtung fließt, sorgt für eine Wärmeübertragung auf das im Sammelbehälter enthaltene Arbeitsfluid und wirkt so auf die Verdampfung des Arbeitsfluids im Sammelbehälter und die Erhöhung des Kondensationsdrucks. Der Sammelbehälter kann somit einem Gehäuserohrbündelwärmetauscher ähneln, wobei der Sammelbehälter dem Gehäuse und die Heizvorrichtung dem Rohr entspricht.
-
Bei der vorliegenden Erfindung ist das Heizmedium, das durch die Heizvorrichtung fließt, ein Kühlmittelfluid, das aus der Motorauslassleitung im Motorkühlsystem umgeleitet wird. Kühlmittelfluid, das aus dieser Leitung umgeleitet wird, hat typischerweise eine relativ konstante Temperatur und ist in der Regel ausreichend heiß, um die Verdampfung des Arbeitsfluids in dem Sammelbehälter zu gewährleisten. Beispielsweise hat das aus dem Motor austretende Kühlmittelfluid typischerweise eine Temperatur von ca. 95 °C, und der Siedepunkt von Ethanol, das ein häufig verwendetes Arbeitsfluid in organischen Rankine-Systemen ist, liegt bei atmosphärischem Druck bei ca. 78 °C. Die Motorauslassleitung kann ein relativ großes Volumen haben und somit als Reservoir für heißes Kühlmittelfluid dienen, aus dem Kühlmittelströme abgezogen und zurückgeführt werden können, ohne die Fluiddynamik des Kühlsystems negativ zu beeinflussen.
-
Das Motorkühlsystem kann zweckmäßigerweise eine Kühlmittelpumpe, die so angeordnet ist, dass sie ein Kühlmittelfluid umwälzt, eine Motorauslassleitung, die so angeordnet ist, dass sie heißes, aus dem Motor austretendes Kühlmittelfluid auffängt, einen Kühler, der so angeordnet ist, dass er das Kühlmittelfluid kühlt, und eine oder mehrere Ventileinheiten zur Steuerung des Flusses des Kühlmittelfluids durch das Kühlsystem umfassen. Der Begriff „stromabwärts“, wie er auf das Motorkühlsystem angewendet wird, ist definiert als die typische Strömungsrichtung des Kühlmittelfluids im Motorkühlkreislauf von der Kühlmittelpumpe über den Motor, die Motorauslassleitung und die Kühlerrücklaufleitung zum Kühler. Eine Heizvorrichtungszulauf- und - rücklaufleitung leitet Kühlmittelfluid zu und von der Heizvorrichtung. Wenn der Kondensator ebenfalls vom Motorkühlsystem gekühlt wird, kann er zum Beispiel über einen eigenen Kondensator-Speisekreislauf gekühlt werden, der vom Hauptkühlkreislauf abzweigt und von einem oder mehreren Ventilen oder Pumpen gesteuert wird. Dieser Kondensator-Speisekreislauf kann vorzugsweise mit kaltem Kühlmittelfluid versorgt werden, zum Beispiel mit Kühlmittelfluid, das den Kühler verlässt und den Motor noch nicht durchlaufen hat.
-
Das WRG-System kann einen Rekuperator umfassen, der die Wärme des Kühlmittelfluids, das die Heizvorrichtung verlässt, zum Vorwärmen der Arbeitsflüssigkeit vor dem Eintritt in den Verdampfer nutzt. Dadurch wird der Wärmeverlust im Kondensator reduziert und die allgemeine Umwandlung von Abwärme des Motors in nützliche mechanische Arbeit verbessert. Der Rekuperator kann jede Art von bekanntem Rekuperator sein, wie zum Beispiel ein Gegenstrom-Wärmetauscher, der Röhren oder Platten verwendet. Der Rekuperator kann in Reihe mit der Heizvorrichtung angeordnet sein, so dass das durch den Rekuperator fließende Kühlmittelfluid notwendigerweise zuvor die Heizvorrichtung passiert hat. Der Rekuperator und die Heizvorrichtung können jedoch auch so angeordnet sein, dass heißes Kühlmittelfluid immer durch den Rekuperator fließt, unabhängig davon, ob es zuvor durch die Heizvorrichtung geflossen ist oder nicht. Dies kann erreicht werden, indem das Motorkühlsystem mit einer Heizvorrichtungs-Bypass-Anordnung (Leitung und Ventil) versehen wird, die eine Umgehung der Heizvorrichtung ermöglicht. Alternativ kann dies durch getrennte Heizvorrichtungs- und Rekuperator-Zufuhrschleifen (Vorlauf- und Rücklaufleitung) erreicht werden, die von der Motorauslassleitung zur Heizvorrichtung bzw. Rekuperator führen. Diese Zufuhrschleifen können mit speziellen Pumpen (Heizvorrichtungszufuhrpumpe und/oder Rekuperatorzufuhrpumpe) ausgestattet sein, so dass ein Kühlmittelfluidstrom durch die Zufuhrschleife möglich ist, auch wenn die Kühlmittelpumpe nicht pumpt.
-
Das Wärmerückgewinnungssystem und/oder Motorkühlsystem können alternativ dazu ausgestaltet sein oder weitere, in der Technik bekannte Komponenten umfassen. Beispielsweise können das WRG-System und/oder Motorkühlsystem Sensoren, wie Temperatur- und Drucksensoren, umfassen. Das WRG-System und/oder Motorkühlsystem können weitere Ventile umfassen. Das WRG-System kann weitere Kondensatoren umfassen, um das Arbeitsfluid in mehreren Stufen zu kühlen, oder weitere Expander, um das Arbeitsfluid in mehreren Stufen zu expandieren. Die vorliegende Erfindung führt jedoch zu einem geringeren Bedarf an einem speziellen Unterkühler im Wärmerückgewinnungssystem, so dass eine solche Komponente nicht erforderlich sein kann.
-
Das Wärmerückgewinnungssystem und/oder Motorkühlsystem können zweckmäßigerweise über eine Steuereinheit gesteuert werden. Die Steuereinheit kann zweckmäßigerweise an das Wärmerückgewinnungssystem und/oder das Kühlsystem angeschlossen werden. Die Steuereinheit kann zweckmäßigerweise mit dem Verdampfer, dem Expander und der Pumpe des Wärmerückgewinnungssystems verbunden sein. Die Steuereinheit kann zweckmäßigerweise mit der Kühlmittelpumpe und allen weiteren Mitteln zur Regelung des Kühlsystems, wie zum Beispiel weiteren Pumpen oder Regelventilen, verbunden sein. Die Steuereinheit kann zweckmäßigerweise mit allen Ventilen verbunden sein, die den Strom der Wärmequelle durch den Verdampfer steuern. Die Steuereinheit kann das Motorsteuergerät sein oder aus mehreren verschiedenen Steuergeräten bestehen. An die Steuereinheit kann ein Computer angeschlossen sein.
-
Die Temperatur des den Kondensator verlassenden Arbeitsfluids kann direkt gemessen oder virtuell bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Temperatur und der Durchfluss des in den Kondensator eintretenden Dampfes bekannt sind und die Kühleigenschaften des Kondensators bekannt sind, kann die Temperatur des den Kondensator verlassenden Arbeitsfluids leicht bestimmt werden.
-
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen und die Zeichnungen näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die hier beschriebenen und/oder in den Zeichnungen gezeigten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der beigefügten Ansprüche variiert werden. Darüber hinaus sind die Zeichnungen nicht als maßstabsgetreu anzusehen, da einige Merkmale übertrieben dargestellt sein können, um bestimmte Merkmale deutlicher zu veranschaulichen.
-
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Fahrzeugs 1 mit einem Verbrennungsmotor 3 und einem mit dem Verbrennungsmotor 3 verbundenen Wärmerückgewinnungssystem 9. Das Fahrzeug umfasst ferner ein Kühlsystem 71, das dem Verbrennungsmotor 3 zugeordnet und mit dem Wärmerückgewinnungssystem 9 verbunden ist. Das Fahrzeug kann ferner ein Getriebe 5 umfassen, das mit den Antriebsrädern 7 des Fahrzeugs 1 verbunden ist. Bei dem Fahrzeug 1 kann es sich um ein schweres Fahrzeug handeln, zum Beispiel um einen LKW, wie hier dargestellt, oder um einen Bus. Das Fahrzeug kann alternativ auch ein PKW sein. Ferner kann das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug sein, das zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor 3 eine elektrische Maschine (nicht dargestellt) umfasst. Das Fahrzeug kann alternativ auch ein Wasserfahrzeug sein, zum Beispiel ein Schiff.
-
2 zeigt schematisch ein integriertes System, das ein Wärmerückgewinnungssystem 9 und ein Kühlsystem 71 in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor 3 eines Fahrzeugs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
-
Das Wärmerückgewinnungssystem 9 besteht aus einer Arbeitsfluidpumpe 11, einem Verdampfer 13, einem Expander 15, hier als Turbine dargestellt, einem Kondensator 17 und einem Sammelbehälter 27 für Arbeitsfluid. Die Pumpenauslassleitung 19 verbindet die Pumpe 11 mit dem Verdampfer 13. Die Verdampferauslassleitung 21 verbindet den Verdampfer 13 mit dem Expander 15. Die Expanderauslassleitung 23 verbindet den Expander 15 mit dem Kondensator 17. Die Kondensatorauslassleitung 25 verbindet den Kondensator mit der Arbeitsfluidpumpe 11 und schließt somit den Arbeitsfluidkreislauf. Der Sammelbehälter hat einen Einlass 29, der über die Sammlereinlassleitung 33 mit der Kondensatorauslassleitung 25 verbunden ist, und einen Auslass 31, der über die Sammlerauslassleitung 37 mit der Kondensatorauslassleitung 25 verbunden ist. Die Verbindungsstelle 39 der Sammlerauslassleitung 37 mit der Kondensatorauslassleitung 25 ist stromabwärts der Verbindungsstelle 35 der Sammlereinlassleitung 37 mit der Kondensatorauslassleitung 25 angeordnet. In der Sammlereinlassleitung 33 und der Sammlerauslassleitung 37 sind Durchflussregulierungsmittel 57 bzw. 59 angeordnet. Ein weiteres Durchflussregulierungsmittel 61 ist in der Kondensatorauslassleitung 25 zwischen den Verbindungsstellen 35 und 39 angeordnet.
-
Der Verdampfer 13 ist für den Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid und einer dem Verbrennungsmotor zugeordneten Wärmequelle (nicht dargestellt) angeordnet. Der Kondensator 17 des Wärmerückgewinnungssystems 9 ist mit dem Motorkühlsystem 71 verbunden. Hier ist das Kondensatorkühlsystem als dedizierter Kondensatorkühlkreislauf dargestellt, der die Kondensatoreinlassleitung 107 und die Kondensatorrücklaufleitung 105 umfasst, aber alternative Anordnungen sind möglich. Alternativ kann das Kondensatorkühlsystem auch ein von dem Motorkühlsystem 71 völlig getrenntes Kühlsystem sein.
-
Im Routinebetrieb wird das Arbeitsfluid im Wärmerückgewinnungssystem durch die Arbeitsfluidpumpe 11 von Niederdruck auf Hochdruck gepumpt und gelangt in den Verdampfer 13. Dabei wird das Arbeitsfluid durch die mit dem Verdampfer 13 verbundene Wärmequelle (nicht dargestellt) erwärmt und das Arbeitsfluid verdampft. Der Arbeitsfluiddampf wird dann im Expander 15 entspannt, wodurch mechanische Arbeit erzeugt und die Temperatur und der Druck des Dampfes gesenkt werden. Die mechanische Arbeit kann zum Beispiel, wie dargestellt, auf das Getriebe 5 des Fahrzeugs übertragen werden und somit zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Der Arbeitsfluiddampf gelangt anschließend in den Kondensator 17, wo eine Kondensation durch Wärmeaustausch zwischen dem Dampf und dem Kühlmittelfluid des Kühlsystems 71 das Arbeitsfluid wieder in den flüssigen Ausgangszustand bringt. Das Arbeitsfluid wird dann über den Behältereinlass 29 zu dem Sammelbehälter 27 transportiert oder direkt zur Arbeitsfluidpumpe 11 befördert, je nach Status der Durchflussregulierungsmittel 57, 59 und 61. Im Sammelbehälter 27 kann sich das flüssige Arbeitsfluid von dem Arbeitsfluiddampf trennen, und das im Sammelbehälter befindliche flüssige Arbeitsfluid wird so in einer Form gelagert, die für die weitere Förderung durch den WRG-Kreislauf bereit ist. Insgesamt liefert die Wärmequelle (zum Beispiel Abgas) die Energie, die in das Wärmerückgewinnungssystem 9 eintritt, und die Energie verlässt das Wärmerückgewinnungssystem 9 als mechanische Arbeit über den Expander 15 und als Wärme über das Kühlsystem 71.
-
Unter bestimmten Umständen ist der Kondensator 17 nicht in der Lage, eine ausreichende Kühlleistung bereitzustellen, um das den Kondensator verlassende Arbeitsfluid ausreichend zu unterkühlen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem sie die Verdampfung des im Sammelbehälter 27 befindlichen Arbeitsfluids ermöglicht und damit den Kondensationsdruck und die Kondensationstemperatur am Ausgang des Kondensators 17 erhöht.
-
Zu diesem Zweck ist der Sammelbehälter 27 mit einer Heizvorrichtung 41 ausgestattet, und die Heizvorrichtung 41 wird durch einen Strom eines heißen Kühlmittelfluids von dem Motorkühlsystem 71 erwärmt.
-
Das Motorkühlsystem 71 umfasst eine Kühlmittelpumpe 95, die so angeordnet ist, dass sie ein Kühlmittelfluid durch das Kühlsystem zirkulieren lässt, eine Motorauslassleitung 74, die so angeordnet ist, dass sie heißes Kühlmittelfluid, das den Verbrennungsmotor 3 durchlaufen hat, auffängt, einen Kühler 73, der so angeordnet ist, dass er das Kühlmittelfluid, das den Verbrennungsmotor 3 durchlaufen hat, kühlt, und eine Kühlerrücklaufleitung 75, um das Kühlmittelfluid von der Motorauslassleitung 74 zum Kühler 73 zu leiten. Die Kühlmittelpumpe 95 kann mechanisch durch den Verbrennungsmotor 3 angetrieben werden, sie kann aber auch elektrisch angetrieben oder zumindest steuerbar sein. Das Motorkühlsystem 71 umfasst ferner eine Kühlerbypassleitung 101, eine erste Ventileinheit 97 und eine zweite Ventileinheit 99.
-
Die erste Ventileinheit 97 ist in geeigneter Weise angeordnet, den Durchfluss von Kühlmittelfluid durch den Kühler 73 bzw. die Bypassleitung 101 zu steuern. Die zweite Ventileinheit 99 ist in geeigneter Weise angeordnet, den Strom von Kühlmittelfluid zu steuern, der durch den Kondensator 17 des Wärmerückgewinnungssystems 9 fließt.
-
Um die Heizvorrichtung 41 mit heißem Kühlmittelfluid zu versorgen, ist eine Heizvorrichtungszufuhrleitung 49 so angeordnet, dass sie Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung 74 zu einem Einlass 43 der Heizvorrichtung 41 leitet. Eine Heizvorrichtungsrücklaufleitung 77 ist so angeordnet, dass sie Arbeitsfluid, das durch die Heizvorrichtung 41 geflossen ist, zurück zur Kühlerrücklaufleitung 75 leitet. Ein Heizvorrichtungszufuhrventil 85 ist so angeordnet, dass es den Kühlmittelfluidstrom von der Motorauslassleitung 74 zur Heizvorrichtungszufuhrleitung 49 wie gewünscht steuerbar umleitet. Wird das Kühlmittelfluid durch die Heizvorrichtung 41 umgeleitet, wird das im Sammelbehälter 27 enthaltene Arbeitsfluid verdampft und der Kondensationsdruck am Ausgang des Kondensators 17 wird erhöht. Dies führt zu einer höheren Kondensationstemperatur und einem geringeren Bedarf an Kühlleistung im Kondensator 17, um eine Unterkühlung zu erreichen, so dass eine ausreichende Unterkühlung durch den Kondensator gewährleistet ist.
-
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. In dieser Ausführungsform wird die Heizvorrichtungsrücklaufleitung 77 über einen Rekuperator 55 geführt, der in der Pumpenauslassleitung 19 angeordnet ist, um das Arbeitsfluid vor dem Eintritt in den Verdampfer 13 vorzuwärmen. Nach dem Durchgang durch den Rekuperator 55 wird das Arbeitsfluid wie zuvor zur Kühlerrücklaufleitung 75 weitergeleitet. Diese Ausführungsform ermöglicht die Rückgewinnung von Wärme aus dem Kühlmittelfluid, das die Heizvorrichtung 41 durchläuft, und erhöht somit die mögliche Leistung des Wärmerückgewinnungssystems.
-
Ein weiteres Merkmal dieser Ausführungsform ist die Möglichkeit, Kühlmittelfluid zwischen der Heizvorrichtungszufuhrleitung 49 und der Heizvorrichtungsrücklaufleitung 77 zu leiten, ohne die Heizvorrichtung 41 zu passieren. Dies wird durch die Anordnung einer Heizvorrichtungs-Bypass-Leitung 79 zwischen der Heizvorrichtungszufuhrleitung 49 und der Heizvorrichtungsrücklaufleitung 77 erreicht. Ein steuerbares Heizvorrichtungs-Bypass-Ventil 83 lenkt den Kühlmittelfluidstrom durch die Heizvorrichtung 41 oder die Bypass-Leitung 79. Eine solche Anordnung ermöglicht den Durchfluss von Kühlmittelfluid durch den Rekuperator 55, ohne dass es zuvor die Heizvorrichtung 41 durchlaufen haben muss.
-
Weiterhin ist in dieser Ausführungsform zu erkennen, dass anstelle eines Heizvorrichtungszufuhrventils, das den Strom zur Heizvorrichtungseinlassleitung 49 leitet, eine Heizvorrichtungszufuhrpumpe 87 verwendet wird. Die Verwendung einer eigenen Pumpe zur Bereitstellung eines Kühlmittelfluidstroms durch die Heizvorrichtung 41 und/oder den Rekuperator 55 ermöglicht einen Kühlmittelstrom durch die Heizvorrichtung und/oder den Rekuperator, auch wenn die Kühlmittelpumpe 95 ausgeschaltet ist.
-
In 4 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Heizvorrichtung 41 und der Rekuperator 55 in getrennten Zufuhrschleifen angeordnet. Die Heizvorrichtung 41 ist in einer Heizvorrichtungszufuhrschleife angeordnet, die eine Heizvorrichtungszulaufleitung 49, eine Heizvorrichtung 41 und eine Heizvorrichtungsrücklaufleitung 77 umfasst. Die Heizvorrichtungszufuhrschleife saugt Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung 74 an und führt das Kühlmittel nach Durchlaufen der Heizvorrichtung 41 wieder in die Motorauslassleitung 74 zurück. In der Heizvorrichtungsrücklaufleitung 77 ist eine Heizvorrichtungsförderpumpe 87 angeordnet, um den Kühlmittelfluidstrom durch die Heizvorrichtung 41 auch dann antreiben zu können, wenn im Hauptkühlmittelkreislauf kein Kühlmittel zirkuliert. Der Rekuperator 55 ist in einer Rekuperatorzufuhrschleife angeordnet, die eine Rekuperatorzufuhrleitung 89, einen Rekuperator 55 und eine Rekuperatorrücklaufleitung 91 umfasst. Die Rekuperatorzufuhrschleife saugt Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung 74 an und führt das Kühlmittel nach Durchlaufen des Rekuperators 55 in die Kühlerrücklaufleitung 75 zurück. In der Rekuperatorzufuhrleitung 93 ist eine Rekuperatorzufuhrpumpe 93 angeordnet, um den Kühlmittelfluidstrom durch den Rekuperator 55 auch dann antreiben zu können, wenn im Hauptkühlmittelkreislauf kein Kühlmittel zirkuliert. Durch die Anordnung der Heizvorrichtung 41 und des Rekuperators 55 jeweils in einem separaten Kreislauf mit einer eigenen Pumpe kann jede dieser Komponenten unabhängig voneinander und vom Hauptkühlkreislauf gesteuert werden.
-
5 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Steuerung eines Wärmerückgewinnungssystems gemäß der Erfindung zeigt. Schritt s601 bezeichnet den Start des Verfahrens. In Schritt s603 wird das Wärmerückgewinnungssystem routinemäßig betrieben, wie hier beschrieben, d. h. es wird kein Arbeitsfluid über die Heizvorrichtung 41 geleitet. Schritt s605 bezeichnet eine Entscheidung: Sorgt der Kondensator für eine ausreichende Unterkühlung des Arbeitsfluids? Dies kann zum Beispiel mit Hilfe von Druck- und/oder Temperatursensoren, die sich im Wärmerückgewinnungssystem befinden, oder durch Bestimmung der Kühlleistung des Kondensators ermittelt werden. Wenn die Antwort JA ist, kehrt das Verfahren zu Schritt s603 zurück. Wenn die Antwort NEIN ist, fährt das Verfahren mit Schritt s607 fort. In Schritt s607 wird der Kondensationsdruck im Kondensator durch steuerbares Leiten eines Stroms von Kühlmittelfluid aus der Motorauslassleitung 74 durch die Heizvorrichtung 41 erhöht. Dies hat den Effekt, dass die Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids erhöht wird und der Kondensator eine ausreichende Unterkühlung gewährleisten kann. Schritt s609 kennzeichnet das Ende des Verfahrens.
-
Umgekehrt sollte, wenn der Kondensator 17 eine zu starke Unterkühlung bewirkt, die im Sammelbehälter 27 herrschende Temperatur gesenkt werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass ein Strom gekühlten Arbeitsfluids von dem Kondensator 17 durch den Sammelbehälter 27 geleitet wird, um die Temperatur im Sammelbehälter 27 zu senken.
-
6 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zum Abschalten eines erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystems zeigt. Das Verfahren wird während einer Abschaltphase des Wärmerückgewinnungssystems durchgeführt, um sicherzustellen, dass gasförmiges Arbeitsfluid im Sammelbehälter 27 isoliert ist und der Rest des Systems mit flüssigem Arbeitsfluid gefüllt ist. Flüssigkeit sammelt sich in den kühleren Teilen des WRG-Systems und Dampf sammelt sich in den heißeren Teilen. Um verdampftes Arbeitsfluid im Sammelbehälter 27 zu konzentrieren, sollte daher Arbeitsfluid umgewälzt und der Sammelbehälter 27 aufgeheizt werden, bis er der heißeste Teil des WRG-Systems ist. Schritt s701 kennzeichnet den Beginn des Verfahrens. In Schritt s703 wird Arbeitsfluid über die Heizvorrichtung 41 durch das Wärmerückgewinnungssystem zirkuliert, um den Sammelbehälter 27 zu erwärmen. Schritt s705 bezeichnet eine Entscheidung: Verbleibt verdampftes Arbeitsfluid im Hauptwärmerückgewinnungskreislauf, d. h. in allen Wärmerückgewinnungskomponenten mit Ausnahme des Sammelbehälters? Wenn die Antwort JA ist, kehrt das Verfahren zu Schritt s703 zurück. Wenn die Antwort NEIN ist, fährt das Verfahren mit Schritt s707 fort. In Schritt s707 wird der Sammelbehälter durch Schließen des ersten steuerbaren Durchflussregulierungsmittels 57 und des zweiten steuerbaren Durchflussregulierungsmittels 59 isoliert, so dass das im Hauptwärmerückgewinnungskreislauf enthaltene Arbeitsfluid eine Temperatur unterhalb einer Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids bei Umgebungsdruck hat, d. h. flüssig ist. Das nun im Sammelbehälter isolierte Arbeitsfluid wird allmählich abkühlen, was zur Erzeugung von Unterdruck im Sammelbehälter führt. Der Sammelbehälter kann jedoch problemlos mit Dichtungen versehen werden, die solchen niedrigen Drücken standhalten. Andere WRG-Komponenten sind wesentlich schwieriger gegen Unterdruck abzudichten, insbesondere der Expander, so dass durch die Begrenzung des Auftretens solcher Drücke auf den Sammelbehälter die Konstruktion und der Aufbau des WRG-Systems vereinfacht werden. In Schritt s709 wird die Arbeitsfluidpumpe abgeschaltet. Der Schritt s711 bezeichnet das Ende des Verfahrens.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009050068 A1 [0005]
