EP3159506B1 - Funktionssynergien bei der integration von orc-systemen in verbrennungskraftmotoren - Google Patents

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EP3159506B1
EP3159506B1 EP15190780.5A EP15190780A EP3159506B1 EP 3159506 B1 EP3159506 B1 EP 3159506B1 EP 15190780 A EP15190780 A EP 15190780A EP 3159506 B1 EP3159506 B1 EP 3159506B1
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EP
European Patent Office
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branch
combustion engine
coolant circuit
cooling fluid
condenser
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Richard Aumann
Nicolas Restrepo
Andreas Schuster
Andreas Sichert
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Orcan Energy AG
Original Assignee
Orcan Energy AG
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Publication date
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Priority to US15/767,930 priority patent/US10577984B2/en
Priority to PCT/EP2016/073846 priority patent/WO2017067790A1/de
Priority to BR112018007922-7A priority patent/BR112018007922B1/pt
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    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/04—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven

Definitions

  • a force-generating process such as the Organic Rankine Cycle (ORC)
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • both the direct integration of the generated energy and mechanical power into the system e.g. can the expansion machine of the ORC system to support the combustion engine
  • their provision for ancillary units is often advantageous, as conversion losses occur when converting mechanical energy into electrical energy.
  • the savings in motors for drive or generators for output also save costs and the compactness can be increased, which are both critical factors for the integration of a force-generating process in the aforementioned environment.
  • the expansion machine can also drive a generator, whereby the electrical energy generated thereby can be used to drive one or more components in the vicinity of the internal combustion engine.
  • the object of the invention is to provide synergies in the use of waste heat from internal combustion engines.
  • the drive system comprises an internal combustion engine and a cooling device for dissipating waste heat from the internal combustion engine, the cooling device comprising: a cooler for transferring heat to an ambient medium, in particular wherein the cooler is an air cooler and the ambient medium is air; and a thermodynamic cycle device, in particular an ORC device, with a working medium, an evaporator for evaporating the working medium by transferring waste heat from the internal combustion engine to the working medium, an expansion device for generating mechanical energy and a condenser for condensing the working medium expanded in the expansion device; wherein the cooling device furthermore comprises a condenser cooling fluid circuit for removing heat from the condenser of the thermodynamic cycle device via the cooler.
  • This embodiment of the drive system according to the invention enables the engine cooler to be used for heat dissipation from the condenser of the thermodynamic cycle device, in particular for heat dissipation from the ORC condenser.
  • the cooling fluid can in particular be or comprise water, preferably with a proportion of antifreeze.
  • the cooling device further comprises an internal combustion engine cooling fluid circuit, a first branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit leading through the evaporator for transferring heat to the working medium. In this way, the heat in the engine's cooling circuit can be introduced into the thermodynamic cycle.
  • the internal combustion engine cooling fluid circuit comprises in the flow direction of a cooling fluid upstream of the evaporator a first branch into a second branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit to bypass the evaporator and a merging of the second branch with the first branch after the evaporator, the second branch having a first valve, preferably a controlled valve.
  • the outlet temperature of the engine cooling fluid (in particular engine cooling water) is set via the valve to a higher value than in normal operation according to the prior art. The increase in temperature results in a higher performance of the thermodynamic cycle.
  • the internal combustion engine cooling fluid circuit can comprise a third branch in the flow direction of the cooling fluid downstream of the evaporator into a fourth branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit, the fourth branch being designed to guide cooling fluid through the radiator and back into the first branch.
  • the third branch preferably comprises a third valve, in particular a three-way valve, wherein in combination with the previous development a merging of the fourth branch into the third branch is provided.
  • the cooler can have an input collector, an output collector, and ducts lying therebetween, each of which has opposite regions of the input collector and the output collector connect with each other, wherein an input of the condenser cooling fluid circuit in the input collector and an input of the third and fourth branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit in the input collector are spaced apart, in particular are arranged at respective end regions of the input collector, and an output of the condenser cooling fluid circuit from the output collector and an output of the third or fourth branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit from the output collector are spaced apart from one another, in particular are arranged at respective end regions of the output collector, the input and output of the condenser cooling fluid circuit and the internal combustion engine cooling fluid circuit in opposite regions of the input collector or the output collector are arranged.
  • mechanical energy generated by the expansion device can be used via a respective electrical, mechanical or hydraulic coupling to (a) drive a fan of the condenser and / or a fan of the cooler; and / or (b) driving a circulation pump in the internal combustion engine cooling fluid circuit and / or a feed pump of the thermodynamic cycle device and / or a circulation pump in the condenser cooling fluid circuit and / or a water pump and / or a hydraulic pump and / or an oil pump; and / or (c) driving an alternator and / or a starter of the drive system; and / or (d) driving a refrigeration compressor of an air conditioning system; and or (e) coupling the mechanical energy generated by the expansion device into a drive train of the internal combustion engine, in particular directly onto a drive shaft.
  • a respective electrical, mechanical or hydraulic coupling to (a) drive a fan of the condenser and / or a fan of the cooler; and / or (b) driving a circulation pump in the internal combustion engine cooling fluid circuit
  • the energy gained in the drive device includes the large increase in efficiency of the motor in the range of several percent, cost savings and space savings through fewer components compared to ORC systems that use exhaust gas heat.
  • the cooler In the first embodiment of the invention, it is disadvantageous that the cooler generally cannot guarantee the heat dissipation of the ORC when the engine is at maximum load, which, however, is remedied or at least mitigated in the further embodiments.
  • the system 100 has no emergency running capability in the event of an ORC failure or insufficient heat dissipation. If the ORC process 30 is at the limit of its heat absorption or is not in operation, the water circuit 50 heats up and the engine 10 overheats or is regulated down by an engine controller.
  • a coupling of heat from the exhaust gas of the engine 10 via an exhaust gas heat exchanger 15 into the internal combustion engine cooling fluid circuit 50 is provided.
  • the internal combustion engine cooling fluid circuit 50 contains a second branch 82 in the flow direction of the cooling fluid upstream of the evaporator 31 into a third branch 53 of the internal combustion engine cooling fluid circuit 50, the third branch 53 being designed to carry cooling fluid through the radiator 20 and back into the first branch 51 to lead, the second branch 82 a second valve 72, for example a three-way valve 72 comprises. If the heat transfer capacity of the cooler 20 is not sufficient, water can be fed directly to the second valve 72 Cooler 20 are performed.
  • the existing radiator area is thus divided into a high temperature area (engine cooling water, MKW) and a low temperature area (return to the ORC condenser).
  • MKW engine cooling water
  • ORC condenser return to the ORC condenser
  • the mass flow in the branch 82 or 83 is divided by means of the valve 72 or 73. Depending on the temperature or another characteristic value, this leads a partial flow of the MKW to the cooler 20.
  • the temperature limit depends on whether the variant with valve 72 or 73 is present. For example, when a maximum cooling water temperature is reached, the valve 72 would switch the flow in the direction of the cooler 20 and bypass the ORC. If the required cooling is not achieved, the valve 73 directs the cooling water in the direction of the cooler 20.
  • a further branch is provided in front of the radiator 20 compared to the third embodiment 300 in order to guide hot cooling fluid via a heat sink 110 in order to use some of the heat for other purposes, for example for heating purposes.
  • the mode of operation of the division of the mass flows in the third and fourth embodiment is described below in connection with Fig. 5 described.
  • the adaptation of the proportions of the hot or cold cooler surface takes place automatically in this connection depending on the mass flows which are passed through the 3-way valve 72 or 73 to the cooler.
  • the underlying operating principle is that the pressure difference between the flow and return is the same. If a first mass or volume flow into the cooler is increased at a first connection, this would result in a greater pressure loss in the first step in the cooler channels through which this first volume flow flows.
  • the available heat transfer surface of the cooler 20 is advantageously used in the best possible way. Compared to the (previously described) mixing of the temperatures of two partial flows, significantly lower temperatures can be achieved on the cold side. This has advantages when operating an ORC but also for all other applications where two temperature levels are to be cooled back via a circuit, as is e.g. is the case with stationary engines for cooling the engine cooling water and the charge air.
  • the proposed interconnection allows heat to be dissipated to the environment with the greatest possible temperature difference, which leads to a reduction in the auxiliary energy requirement, and the lower temperature volume flow is cooled to lower temperatures than if the two volume flows are mixed.
  • the device can also be provided in a cooler by connecting any number of coolers by means of pipelines.
  • This amount of heat can be transferred with a flow temperature of the hot water of 84 ° C and a return temperature of 65 ° C, which means a return temperature of 5 K lower. This goes hand in hand with an increase in the performance of the ORC or an improvement in heat transfer in other components (intercooler, etc.).

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, das einen Verbrennungsmotor und eine Kühlvorrichtung zum Abführen von Abwärme des Verbrennungsmotors umfasst, wobei die Kühlvorrichtung umfasst: einen Kühler zum Übertragen von Wärme auf ein Umgebungsmedium, insbesondere wobei der Kühler ein Luftkühler und das Umgebungsmedium Luft ist; und eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC-Vorrichtung, mit einem Arbeitsmedium, einem Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums durch Übertragen von Abwärme des Verbrennungsmotors auf das Arbeitsmedium, einer Expansionsvorrichtung zur Erzeugung von mechanischer Energie und einem Kondensator zum Kondensieren des in der Expansionsvorrichtung expandierten Arbeitsmediums. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Abführen von Abwärme eines Verbrennungsmotors mit einer Kühlvorrichtung.
    • Stand der Technik
  • Eine wirtschaftliche Lösung zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren mit großem Potenzial, insbesondere in LKWs, ist die Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mit einem thermischen Kreisprozess (z.B. mit einem Organic-Rankine-Cycle-System, ORC-System). Einige der Anforderungen bzw. gegebene Bedingungen hierbei sind niedrige zusätzliche Kosten, geringer zur Verfügung stehender Bauraum, wenig Eingriff und Einflussnahme auf das weitere System. Es ist daher sinnvoll bzw. notwendig Synergien mit bereits vorhandenen Komponenten auszunutzen.
  • Wird ein krafterzeugender Prozess, wie z.B. der Organic Rankine Cycle (ORC), im Umfeld eines Verbrennungsmotors betrieben, ist weiterhin sowohl die direkte Einbindung der erzeugten Energie als mechanische Leistung in das System (z.B. kann die Expansionsmaschine des ORC-Systems den Verbrennungsmotor unterstützend antreiben), als auch deren Bereitstellung für Nebenaggregate oft vorteilhaft, da es bei der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie zu Umwandlungsverlusten kommt. Zudem entfallen durch die eingesparten Motoren für Antrieb bzw. Generatoren für Abtrieb ebenfalls Kosten und die Kompaktheit kann gesteigert werden, was beides kritische Faktoren für die Integration eines krafterzeugenden Prozesses in das genannte Umfeld sind. Zudem kann die Expansionsmaschine auch einen Generator antreiben, wobei die dadurch erzeugte elektrische Energie zum Antreiben einer oder mehrerer Komponenten im Umfeld des Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann. In diesem Zusammenhang ist auch die Hybridisierung zu nennen, also die direkte oder indirekte Verwendung der erzeugten elektrischen Energie im Antriebsstrang des Verbrennungsmotors. Beispielsweise können in einem LKW ein oder mehrere mit der erzeugten elektrischen Energie versorgte Elektromotoren zum Antreiben ein oder mehrerer Antriebswellen vorgesehen sein.
  • Das Dokument US 2015/276284 A1 offenbart eine Kühleinrichtung für einen Kondensator eines Systems für einen thermodynamischen Kreisprozess in einer Anordnung mit einer Brennkraftmaschine.
  • Das Dokument US 2013/312418 A1 offenbart ein System zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie in einem Fahrzeug.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Synergien bei der Nutzung von Abwärme von Verbrennungsmotoren bereit zu stellen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebssystem nach Anspruch 1.
  • Das erfindungsgemäße Antriebssystem umfasst einen Verbrennungsmotor und eine Kühlvorrichtung zum Abführen von Abwärme des Verbrennungsmotors, wobei die Kühlvorrichtung umfasst: einen Kühler zum Übertragen von Wärme auf ein Umgebungsmedium, insbesondere wobei der Kühler ein Luftkühler und das Umgebungsmedium Luft ist; und eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC-Vorrichtung, mit einem Arbeitsmedium, einem Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums durch Übertragen von Abwärme des Verbrennungsmotors auf das Arbeitsmedium, einer Expansionsvorrichtung zur Erzeugung von mechanischer Energie und einem Kondensator zum Kondensieren des in der Expansionsvorrichtung expandierten Arbeitsmediums; wobei die Kühlvorrichtung weiterhin einen Kondensator-Kühlfluidkreislauf zum Abführen von Wärme aus dem Kondensator der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung über den Kühler umfasst. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems ermöglicht die Mitbenutzung des Motorkühlers für die Wärmeabfuhr aus dem Kondensator der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere für die Wärmeabfuhr aus dem ORC-Kondensator. Das Kühlfluid kann insbesondere Wasser sein oder umfassen, vorzugsweise mit einem Anteil von Frostschutzmittel.
  • Die Kühlvorrichtung umfasst weiterhin einen Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf, wobei ein erster Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs durch den Verdampfer zum Übertragen von Wärme auf das Arbeitsmedium führt. Auf diese Weise kann die Wärme im Kühlkreislauf des Motors in den thermodynamischen Kreisprozess eingebracht werden.
  • Der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf umfasst in Strömungsrichtung eines Kühlfluids vor dem Verdampfer eine erste Abzweigung in einen zweiten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs zur Umgehung des Verdampfers und eine Zusammenführung des zweiten Zweigs mit dem ersten Zweig nach dem Verdampfer, wobei der zweite Zweig ein erstes Ventil, vorzugsweise ein gesteuertes Ventil, aufweist. In dieser Ausführung wird die Austrittstemperatur des Motorkühlfluids (insbesondere Motorkühlwasser) über das Ventil auf einen höheren Wert als im üblichen Betrieb nach dem Stand der Technik eingestellt. Durch die Temperaturerhöhung ergibt sich eine höhere Leistung des thermodynamischen Kreisprozesses.
  • Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Verdampfer eine zweite Abzweigung in einen dritten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs umfasst, und wobei der dritte Zweig dazu ausgebildet ist, Kühlfluid durch den Kühler und zurück in den ersten Zweig zu führen, wobei die zweite Abzweigung vorzugweise ein zweites Ventil, insbesondere ein Dreiwegeventil, umfasst. Auf diese Weise wird eine Notlauffähigkeit des Antriebssystems bereitgestellt. Eine solche Notlauffähigkeit kann bei Überhöhung der Temperatur des Verbrennungsmotors durch Ausfall des thermodynamischen Kreisprozesses oder aufgrund unzureichender Wärmeaufnahme durch den thermodynamischen Kreisprozess erforderlich sein. Wenn die Wärmeübertragungskapazität des Kühlers nicht ausreicht und/oder wenn keine oder eine ungenügende Auskühlung des Motorkühlfluids im Verdampfer stattfindet, dann kann über das zweite Ventil Motorkühlfluid direkt zum Kühler geführt werden. Es erhöht sich dadurch die Temperatur des dem Kühler zugeführten Motorkühlfluids, die logarithmische Temperaturdifferenz steigt und es wird mehr Wärme übertragen.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung kann der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf in Strömungsrichtung des Kühlfluids nach dem Verdampfer eine dritte Abzweigung in einen vierten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs umfassen, wobei der vierte Zweig dazu ausgebildet ist, Kühlfluid durch den Kühler und zurück in den ersten Zweig zu führen, wobei die dritte Abzweigung vorzugweise ein drittes Ventil, insbesondere ein Dreiwegeventil, umfasst, wobei in Kombination mit der vorhergehenden Weiterbildung eine Zusammenführung des vierten Zweigs in den dritten Zweig vorgesehen ist. Diese Vorteile dieser Weiterbildung sind analog zu denjenigen der vorherigen Weiterbildung, es wird lediglich nach dem Verdampfer abgezweigt, so dass eine moderatere Wärmeauskopplung als vor dem Verdampfer möglich ist. Bei der Kombination beider Weiterbildungen können auch beide Ventile gleichzeitig geöffnet werden.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Kühler eine Zusammenführung des dritten bzw. vierten Zweigs mit dem Kondensator-Kühlfluidkreislauf umfasst. Auf diese Weise wird eine einfache Verschaltung des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs mit dem Kondensator-Kühlfluidkreislauf bereitgestellt. Nachteilig ist jedoch dabei, dass der Kondensator der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ebenso mit relativ heißem Motorkühlfluid durchströmt wird, was sich negativ auf die Leistung der Expansionsvorrichtung auswirkt.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung kann der Kühler einen Eingangssammler, einen Ausgangssammler, und dazwischen liegende Kanäle aufweisen, welche jeweils gegenüber liegende Bereiche des Eingangssammlers und des Ausgangssammler miteinander verbinden, wobei ein Eingang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler und ein Eingang des dritten bzw. vierten Zweigs des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Eingangssammlers angeordnet sind, und wobei ein Ausgang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs aus dem Ausgangssammler und ein Ausgang des dritten bzw. vierten Zweigs des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs aus dem Ausgangssammler voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Ausgangssammlers angeordnet sind, wobei der Eingang und Ausgang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs sowie des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs an jeweils gegenüberliegenden Bereichen des Eingangssammlers bzw. des Ausgangssammlers angeordnet sind.
  • Auf diese Weise wird eine Aufteilung der vorhandenen Kühlerfläche in einen Hochtemperaturbereich (Kühlfluid des Verbrennungsmotors) und einen Niedertemperaturbereich (Kühlfluid für den Kondensator der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung) ermöglicht. Somit kann dem Kondensator eine möglichst niedrige Temperatur zur Verfügung gestellt werden und die Abfuhr der überschüssigen Wärme des Kühlfluids des Verbrennungsmotors auf hohem Temperaturniveau geschehen, was sich positiv auf die Wärmeabfuhr über den Kühler an die Umgebung auswirkt. Die Aufteilung der Massenströme in Teilmassenströme zu den Anschlüssen des Eingangssammlers und somit auch durch die Kühlerfläche erfolgt dabei vorzugsweise über das zweite und/oder dritte Ventil. Das Anpassen der Anteile der heißen bzw. kalten Kühlerfläche erfolgt bei dieser Verschaltung selbstständig in Abhängigkeit der Teilmassenströme.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Kühlvorrichtung weiterhin wenigstens einen Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme in Abgas des Verbrennungsmotors auf den Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf umfasst. Somit kann die Wärme im Abgas des Verbrennungsmotors genutzt werden. Zudem kann die schalldämpfende Eigenschaft eines Abgaswärmeübertragers genutzt werden, um den eigentlichen Schalldämpfer zu verkleinern bzw. komplett zu ersetzen. Weitere Wärmequellen, die dabei genutzt werden können, sind die Ladeluft und/oder das Öl des Verbrennungsmotors.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung umfasst das Antriebssystem weiterhin einen Generator, mit dem durch die Expansionsvorrichtung erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Die erzeugte elektrische Energie kann zum Betreiben von elektrischen Komponenten im Antriebssystem verwendet werden oder in ein elektrisches Stromnetz eingespeist werden.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass durch die Expansionsvorrichtung erzeugte mechanische Energie über eine jeweilige elektrische, mechanische oder hydraulische Kopplung einsetzbar ist zum (a) Antreiben eines Lüfters des Kondensators und/oder eines Lüfters des Kühlers; und/oder (b) Antreiben einer Umwälzpumpe im Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs und/oder einer Speisepumpe der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung und/oder einer Umwälzpumpe im Kondensator-Kühlfluidkreislauf und/oder einer Wasserpumpe und/oder einer Hydraulikpumpe und/oder einer Ölpumpe; und/oder (c) Antreiben einer Lichtmaschine und/oder eines Anlassers des Antriebssystems; und/oder (d) Antreiben eines Kältekompressors einer Klimaanlage; und oder (e) Einkoppeln der durch die Expansionsvorrichtung erzeugten mechanischen Energie in einen Antriebsstrang des Verbrennungsmotors, insbesondere direkt auf eine Antriebswelle. Auf diese Weise werden weitere Synergien im Antriebssystem bereitgestellt.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung ist ein Teilstrom des verdampften Arbeitsmediums mittels einer weiteren Expansionsmaschine zum Antreiben eines Lüfters des Kondensators und/oder eines Lüfters des Kühlers einsetzbar. Dadurch werden Umwandlungsverluste minimiert.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass Wärme aus kondensiertem Arbeitsmedium und/oder aus dem Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf zum Zuführen in eine Heizvorrichtung auskoppelbar ist. Somit kann zum Beispiel ein Fahrgastraum oder ein Fahrerhaus beheizt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Nutzung von Abgaswärme der Motor aus dem Stillstand schneller erwärmt wird und somit schneller in einem effizienten und schadstoffarmen Betriebspunkt läuft.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Anspruch 11.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zum Abführen von Abwärme eines Verbrennungsmotors mit einer Kühlvorrichtung, wobei die Kühlvorrichtung einen Kühler, eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC-Vorrichtung, mit einem Arbeitsmedium, einem Verdampfer, einer Expansionsvorrichtung und einem Kondensator sowie einen Kondensator-Kühlfluidkreislauf umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Übertragen von Wärme auf ein Umgebungsmedium mit dem Kühler, wobei insbesondere der Kühler ein Luftkühler und das Umgebungsmedium Luft ist; Verdampfen des Arbeitsmediums mit dem Verdampfer durch Übertragen von Abwärme des Verbrennungsmotors auf das Arbeitsmedium; Erzeugen von mechanischer Energie mit der Expansionsvorrichtung; und Kondensieren des in der Expansionsvorrichtung expandierten Arbeitsmediums mit dem Kondensator; und das Verfahren ist gekennzeichnet durch Abführen von Wärme aus dem Kondensator der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung über den Kühler.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Weiterbildungen entsprechen - wenn nicht anders angegeben - jenen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die folgenden weiteren Schritte ausgeführt: Führen eines ersten Zweigs eines Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs durch den Verdampfer zum Übertragen von Wärme auf das Arbeitsmedium; und erstes Abzweigen eines Kühlfluids im Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf in Strömungsrichtung vor dem Verdampfer in einen zweiten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs zum Umgehen des Verdampfers und Zusammenführen des zweiten Zweigs mit dem ersten Zweig nach dem Verdampfer.
  • Eine Weiterbildung besteht darin, dass die folgenden weiteren Schritte ausgeführt werden: zweites Abzweigen des Kühlfluids in Strömungsrichtung vor dem Verdampfer in einen dritten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs, wobei der dritte Zweig Kühlfluid durch den Kühler und zurück in den ersten Zweig führt; und/oder drittes Abzweigen des Kühlfluids in Strömungsrichtung nach dem Verdampfer in einen vierten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs, wobei der vierte Zweig Kühlfluid durch den Kühler und zurück in den ersten Zweig führt; wobei der Kühler einen Eingangssammler, einen Ausgangssammler, und dazwischen liegende Kanäle aufweist, welche jeweils gegenüber liegende Bereiche des Eingangssammlers und des Ausgangssammler miteinander verbinden, und wobei ein Eingang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler und ein Eingang des dritten bzw. vierten Zweigs des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Eingangssammlers angeordnet sind, und wobei ein Ausgang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs aus dem Ausgangssammler und ein Ausgang des dritten bzw. vierten Zweigs des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs aus dem Ausgangssammler voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Ausgangssammlers angeordnet sind, wobei der Eingang und Ausgang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs sowie des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs an jeweils gegenüberliegenden Bereichen des Eingangssammlers bzw. des Ausgangssammlers angeordnet sind.
  • Die Erfindung stellt weiterhin eine Kühleinrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben der Kühleinrichtung bereit.
  • Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung umfasst: einen ersten Kühlfluidkreislauf, einen zweiten Kühlfluidkreislauf und einen Kühler mit einem Eingangssammler, einem Ausgangssammler, und dazwischen liegenden Kanälen, welche jeweils gegenüber liegende Bereiche des Eingangssammlers und des Ausgangssammler miteinander verbinden, wobei ein Eingang des ersten Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler und ein Eingang des zweiten Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Eingangssammlers angeordnet sind, und wobei ein Ausgang des ersten Kühlfluidkreislaufs aus dem Ausgangssammler und ein Ausgang des zweiten Kühlfluidkreislaufs aus dem Ausgangssammler voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Ausgangssammlers angeordnet sind, wobei der Eingang und Ausgang des ersten Kühlfluidkreislaufs sowie des zweiten Kühlfluidkreislaufs an jeweils gegenüberliegenden Bereichen des Eingangssammlers bzw. des Ausgangssammlers angeordnet sind. Vorzugsweise ist im ersten Kühlfluidkreislauf ein steuerbares Ventil und/oder im zweiten Kühlfluidkreislauf ein steuerbares Ventil vorgesehen. Der Kühler kann Wärme aus dem ersten und zweiten Kühlfluidkreislauf vorzugsweise auf ein Kühlmedium übertragen, wobei das Kühlmedium beispielsweise Wasser oder Luft umfassen kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung umfasst das Durchführen der folgenden Schritte: Führen eines ersten Kühlfluids im ersten Kühlfluidkreislauf in den Eingang des ersten Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler des Kühlers; Führen eines zweiten Kühlfluids im zweiten Kühlfluidkreislauf in den Eingang des zweiten Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler des Kühlers; Führen des ersten Kühlfluids aus dem Ausgang des ersten Kühlfluidkreislaufs aus dem Kühler; und Führen des zweiten Kühlfluids aus dem Ausgang des ersten Kühlfluidkreislaufs aus dem Kühler. Insbesondere haben das erste und das zweite Kühlfluid die gleiche Zusammensetzung.
  • Auf diese Weise wird eine Aufteilung der vorhandenen Kühlerfläche in einen Hochtemperaturbereich (Kühlfluid des ersten Kühlfluidkreislaufs) und einen Niedertemperaturbereich (Kühlfluid des zweiten Kühlfluidkreislaufs) ermöglicht. Die Aufteilung der Massenströme in Teilmassenströme zu den Anschlüssen des Eingangssammlers (also die jeweiligen Eingänge des ersten und zweiten Kühlfluidkreislaufs) und somit auch die Aufteilung der (Teil-) Massenströme durch die Kühlerfläche erfolgt dabei vorzugsweise über ein oder mehrere Ventile im ersten und/oder zweiten Kühlfluidkreislauf. Das Anpassen der Anteile der heißen bzw. kalten Kühlerfläche erfolgt selbstständig in Abhängigkeit der Teilmassenströme.
  • Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht geeignet miteinander kombiniert werden.
  • Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
    • Zeichnungen
    • Fig. 1
    zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
    Fig. 2
    zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
    Fig. 3
    zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
    Fig. 4
    zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
    Fig. 5
    illustriert die Variabilität der Kühlerflächen.
    Fig. 6
    ist eine beispielhafte Darstellung der Abkühlung von gemischtem Kühlwasser in einem T-Q-Diagramm.
    Fig. 7
    ist eine beispielhafte Darstellung der Abkühlung von getrenntem Kühlwasser in einem T-Q-Diagramm.
    Fig. 8
    illustriert verschiedene weitere Synergien im erfindungsgemäßen Antriebssystem.
    Ausführungsformen
  • Eine Möglichkeit, bei der Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung - wie etwa einem ORC-System - Synergien mit bereits vorhandenen Komponenten von Verbrennungsmotoren auszunutzen, ist die Mitbenutzung des Motorkühlers für die Wärmeabfuhr aus dem ORC-Kondensator. So kann in Betriebszuständen mit moderater Last, wie z.B. bei Geradeausfahrt und moderaten Außentemperaturen, die gesamte Wärme des Motors durch das ORC-System geleitet werden und im Kühler an die Umgebung abgegeben werden. Der Betrieb mit moderater Last besitzt bei den meisten LKW den größten Zeitanteil des Betriebs.
  • Das ORC-System wird so ausgelegt, dass es im Nennbetrieb (Geradeausfahrt, Außentemperatur gleich der Nenntemperatur / der Auslegungstemperatur) die gesamte Wärme des Verbrennungsmotors aufnehmen kann. Umgekehrt bedeutet dies jedoch, dass es in den Maximallastpunkten (Bergauf, hohe Außentemperaturen) nicht die gesamte Wärme aufnehmen kann. Da die aus dem ORC ausgekoppelte Wärme von niedrigerer Temperatur als das Motorkühlwasser ist, verschlechtert sich die Wärmeabfuhr aufgrund der sinkenden Temperaturdifferenz zur Umgebung ΔTlog: Q ˙ = UA ⋅ Δ T log
    Figure imgb0001
  • Dabei ist die logarithmische Temperaturdifferenz definiert als Δ T log = Δ T 1 − Δ T 2 ln Δ T 1 / Δ T 2
    Figure imgb0002
     wobei die Temperaturdifferenzen der Medien (Kühlfluid und Luft) vor dem Wärmeaustausch (ΔT1) und nach dem Wärmeaustausch (ΔT2) gebildet werden.
  • Sinkt die logarithmische Temperaturdifferenz, so steigt bei gleicher Wärmemenge die benötigte Fläche, was jedoch in der Regel im Fahrzeug aus Gründen des Bauraums nicht umgesetzt werden kann. Das Problem wird verschärft, wenn weitere Wärmequellen eingebunden werden, z.B. Wärme eines Kühlers einer Abgasrückführung (AGR-Kühler) oder aber die Wärme eines ORC-Systems, welches Abgaswärme nutzt.
  • Für eine einfache und schnelle Umsetzung der Integration eines ORCs in ein Fahrzeug gilt es, den konstruktiven Eingriff zu minimieren und die Einflussnahme auf den Motor zu begrenzen und gleichzeitig eine hohe Effizienz des ORC-Prozesses zu gewährleisten.
  • Hinsichtlich der Vorteile der Abwärmenutzung aus dem Kühlwasser des Verbrennungsmotors mit einer ORC-Vorrichtung und Einsetzen der mit dem ORC-System gewonnenen Energie in der Antriebsvorrichtung sind die große Effizienzsteigerung des Motors im Bereich von mehreren Prozent, Kosteneinsparung und Bauraumeinsparung durch weniger Komponenten im Vergleich zu ORC-Systemen, die Abgaswärme nutzen, zu nennen. Nachteilig ist zunächst in der ersten Ausführungsform der Erfindung, dass der Kühler bei Maximallast des Motors die Wärmeabfuhr des ORCs im Allgemeinen nicht gewährleisten kann, was jedoch in den weiteren Ausführungsformen behoben oder zumindest abgemildert wird.
  • In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen wird lediglich beispielhaft Wasser als Kühlfluid eingesetzt (Kühlwasser). Weiterhin ist der Kühler lediglich beispielhaft als Luftkühler vorgesehen, wobei also Abwärme auf Luft übertragen wird. Erfindungsgemäß kann jedoch auch ein anderes Medium (wie etwa Wasser) die im Kühler abgeführte Wärme aufnehmen.
  • Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
  • Das erfindungsgemäße Antriebssystem 100 umfasst in dieser Ausführungsform einen Verbrennungsmotor 10 und eine Kühlvorrichtung zum Abführen von Abwärme des Verbrennungsmotors, wobei die Kühlvorrichtung umfasst: einen Luftkühler 20 zum Übertragen von Wärme auf Luft; und eine ORC-Vorrichtung 30 mit einem Arbeitsmedium, einem Verdampfer 31 zum Verdampfen des Arbeitsmediums durch Übertragen von Abwärme des Verbrennungsmotors 10 auf das Arbeitsmedium, einer Expansionsvorrichtung 32 zur Erzeugung von mechanischer Energie (die hier beispielhaft über einen Generator G in elektrische Energie gewandelt wird) und einem Kondensator 33 zum Kondensieren des in der Expansionsvorrichtung 32 expandierten Arbeitsmediums; wobei die Kühlvorrichtung weiterhin einen Kondensator-Kühlfluidkreislauf 40 zum Abführen von Wärme aus dem Kondensator 33 der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung über den Kühler 20 umfasst. Die Kühlvorrichtung umfasst weiterhin einen Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf 50, wobei ein erster Zweig 51 des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs 50 durch den Verdampfer 31 zum Übertragen von Wärme auf das Arbeitsmedium führt. Der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf weist in Strömungsrichtung des Kühlwassers vor dem Verdampfer eine erste Abzweigung 81 in einen zweiten Zweig 52 des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs 50 zur Umgehung des Verdampfers 31 und eine Zusammenführung 91 des zweiten Zweigs 52 mit dem ersten Zweig 51 nach dem Verdampfer 31 umfasst, wobei der zweite Zweig 52 ein gesteuertes Ventil 71, beispielsweise mit einem Thermostaten, aufweist.
  • Hierbei handelt es sich um eine grundlegende Verschaltung, und sie ermöglicht die Nutzung der Energie aus dem Motorkühlwasser. In einem Beispiel wird die Austrittstemperatur des Motorkühlwassers (MKW) über das gesteuerte Ventil (insbesondere Thermostatventil) 71 auf etwa 110 °C gefahren. Standardmäßig ist die MKW-Austrittstemperatur niedriger, im Bereich von 80 °C. Durch die Erhöhung ergibt sich eine höhere Leistung des ORC-Prozesses. In einer alternativen Ausgestaltung, kann statt des Generators G die Einkopplung der Energie auch direkt (mechanisch oder hydraulisch) geschehen, wie bei allen folgenden Verschaltungen auch.
  • Hierbei ergibt sich beim Betrieb folgendes Problem: Das System 100 besitzt keine Notlauffähigkeit bei ORC-Ausfall oder nicht ausreichende Wärmeabfuhr. Wenn der ORC-Prozess 30 an der Grenze seiner Wärmeaufnahme ist oder nicht in Betrieb ist, heizt sich der Wasserkreis 50 auf und der Motor 10 überhitzt bzw. wird von einer Motorsteuerung herunter geregelt.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hier die gleichen Komponenten wie in Fig. 1. Im Folgenden werden nur die zusätzlichen Komponenten beschrieben.
  • Gegenüber der ersten Ausführungsform ist in der zweiten Ausführungsform des Antriebssystems 200 noch eine Einkopplung von Wärme aus dem Abgas des Motors 10 über einen Abgas-Wärmeübertrager 15 in den Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf 50 vorgesehen. Der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf 50 enthält in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Verdampfer 31 eine zweite Abzweigung 82 in einen dritten Zweig 53 des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs 50, wobei der dritte Zweig 53 dazu ausgebildet ist, Kühlfluid durch den Kühler 20 und zurück in den ersten Zweig 51 zu führen, wobei die zweite Abzweigung 82 ein zweites Ventil 72, beispielsweise ein Dreiwegeventil 72, umfasst. Wenn die Wärmeübertragungskapazität des Kühlers 20 nicht ausreicht, kann über das zweite Ventil 72 Wasser direkt zum Kühler 20 geführt werden. Der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf 50 weist in Strömungsrichtung des Kühlfluids nach dem Verdampfer 31 eine dritte Abzweigung 83 in einen vierten Zweig 54 des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs 50 auf, wobei der vierte Zweig 54 Kühlwasser durch den Kühler 20 und zurück in den ersten Zweig 51 führt, wobei die dritte Abzweigung 83 ein drittes Ventil 73, insbesondere ein Dreiwegeventil 73, aufweist, wobei eine Zusammenführung 94 des vierten Zweigs 54 in den dritten Zweig 53 vorgesehen ist. Der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf 50 umfasst in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Kühler 20 eine Zusammenführung 95 des dritten bzw. vierten Zweigs 53, 54 mit dem Kondensator-Kühlfluidkreislauf 40 umfasst.
  • Eine Notlauffähigkeit ist über die 3-Wege-Ventile 72 bzw. 73 gegeben. Beim Betrieb des ORCs sinkt (aufgrund der Zusammenführung 95 des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf 50 und des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs 40) die mittlere Temperatur am Eintritt des Kühlers 20, was sich negativ auf die Wärmeübertragungskapazität auswirkt, die von der logarithmischen Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeaufnehmenden und dem Wärmeabführendem Medium bestimmt wird. Wenn die Wärmeübertragungskapazität des Kühlers 20 nicht ausreicht und / oder wenn keine oder eine ungenügende Auskühlung des Motorkühlwassers im Verdampfer 31 stattfindet, dann wird über eines der beiden Ventile 72 oder 73 oder auch durch die Betätigung beider Ventile Motokühlwasser direkt zum Kühler 20 geführt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des dem Kühler 20 zugeführten Wassers, die logarithmische Temperaturdifferenz steigt und es wird mehr Wärme übertragen. Nachteilig ist jedoch, dass der ORC ebenso mit relativ heißem Wasser durchströmt wird, was sich negativ auf die elektrische Leistung auswirkt.
  • Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hier die gleichen Komponenten wie in Fig. 1 und 2. Im Folgenden werden nur die zusätzlichen Komponenten beschrieben.
  • Gemäß der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems 300 hat der Kühler 20 einen Eingangssammler 21, einen Ausgangssammler 25, und weist dazwischen liegende Kanäle auf, welche jeweils gegenüber liegende Bereiche des Eingangssammlers 21 und des Ausgangssammler 25 miteinander verbinden, wobei ein Eingang 22 des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs 40 in den Eingangssammler 21 und ein Eingang 23 des dritten Zweigs 53 des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs 50 in den Eingangssammler 21 an jeweiligen Endbereichen des Eingangssammlers 21 angeordnet sind, und wobei ein Ausgang 26 des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs 40 aus dem Ausgangssammler 25 und ein Ausgang 27 des dritten Zweigs 53 des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs 50 aus dem Ausgangssammler 25 an jeweiligen Endbereichen des Ausgangssammlers 25 angeordnet sind, wobei der Eingang 22, 23 und Ausgang 26, 27 des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs 40 sowie des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs 50 an jeweils gegenüberliegenden Bereichen des Eingangssammlers 21 bzw. des Ausgangssammlers 25 angeordnet sind.
  • Somit erfolgt eine Aufteilung der vorhandenen Kühlerfläche in einen Hochtemperaturbereich (Motorkühlwasser, MKW) und einen Niedertemperaturbereich (Rücklauf zum ORC-Kondensator). In Abhängigkeit des Betriebspunktes kann ein Teil des MKW-Massenstromes durch den ORC 30 geleitet werden und ein Teil direkt gegen Luft gekühlt werden, wie für die zweite Ausführungsform beschrieben wurde. Dadurch gelingt es, die beiden Massenströme zu trennen, und dann kann auf diese Weise dem ORC-Kondensator eine möglichst niedrige Temperatur zur Verfügung gestellt werden und die Abfuhr der überschüssigen Wärme kann auf hohem Temperaturniveau geschehen, was sich positiv auf die Leistung eines Kühlers und auch positiv auf den Hilfsenergiebedarf zur Abfuhr der Wärme an die Umgebung auswirkt.
  • Die dritte Ausführungsform stellt eine Lösung zur Verfügung, um auf möglichst einfache Weise eine Aufteilung der beiden Teilströme auf die Fläche des Kühlers zu realisieren und diese Aufteilung je nach Betriebszustand vorteilhaft einzustellen. Die Anforderungen lauten hierbei, dass die meiste Wärme durch den ORC geleitet wird, um die größtmögliche Effizienzsteigerung des Gesamtsystems zu erzielen. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, die niedrigste Temperatur zur Kühlung des Kondensators zu verwenden um eine höhere Effizienz des ORC Prozesses zu gewährleisten. Zudem müssen geeignete Rücklauftemperaturen für den Motor eingehalten werden. Dies wäre zwar durch baulich bzw. hydraulisch getrennte Kühler zu realisieren, allerdings sind dann die für die jeweiligen Massenströme zur Verfügung stehenden Flächen fest, was jedoch nicht zu unterschiedlichen Lastpunkten passt.
  • Die Aufteilung des Massenstromes in der Abzweigung 82 bzw. 83 erfolgt mittels des Ventils 72 bzw. 73. Dieses leitet in Abhängigkeit der Temperatur oder eines anderen Kennwerts einen Teilstrom des MKW zum Kühler 20. Dabei ist die Temperaturgrenze abhängig davon, ob die Variante mit Ventil 72 oder 73 vorliegt. Beispielsweise würde das Ventil 72 bei Erreichen einer maximalen Kühlwassertemperatur den Durchfluss in Richtung Kühler 20 schalten und den ORC umgehen. Das Ventil 73 leitet bei Nicht-Erreichen einer geforderten Abkühlung das Kühlwasser in Richtung Kühler 20.
  • Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hier die gleichen Komponenten wie in Fig. 1 bis 3. Im Folgenden werden nur die zusätzlichen Komponenten beschrieben.
  • Gemäß der vierten Ausführungsform 400 des erfindungsgemäßen Antriebssystems wird gegenüber der dritten Ausführungsform 300 noch eine weitere Abzweigung vor dem Kühler 20 bereitgestellt, um heißes Kühlfluid über eine Wärmesenke 110 zu führen, um einen Teil der Wärme anderweitig, beispielsweise für Heizzwecke zu nutzen.
  • Die Funktionsweise der Aufteilung der Massenströme in der dritten und vierten Ausführungsform wird nachfolgend in Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben. Das Anpassen der Anteile der heißen bzw. kalten Kühlerfläche erfolgt bei dieser Verschaltung selbstständig in Abhängigkeit der Massenströme, welche durch das 3-Wege-Ventil 72 bzw. 73 zum Kühler geleitet werden. Je größer der Massenstrom ṁ H des heißen MKW bzw. ṁ K des kalten Kondensatorkreises umso größer der jeweilige Anteil an der Kühlerfläche. Das zugrunde liegende Wirkprinzip ist, dass sich zwischen Vor- und Rücklauf eine gleiche Druckdifferenz einstellt. Wenn nun an einem ersten Anschluss ein erster Massen- bzw. Volumenstrom in den Kühler erhöht wird, dann hätte dies im ersten Schritt einen größeren Druckverlust in den von diesem ersten Volumenstrom durchströmten Kanälen des Kühlers zur Folge. Da jedoch die Kanäle über den Sammler verbunden sind, herrscht über alle Kanäle der gleiche Druckverlust, so dass sich der Volumenstrom durch die vom zweiten Massenstrom durchströmten Kanäle erhöht. Bleibt jedoch der zweite Massenstrom konstant, dann muss sich die Anzahl der Kanäle reduzieren, so dass dem größeren ersten Massenstrom mehr Fläche zur Verfügung steht und sich die Druckverluste entsprechend angleichen.
  • Durch die Trennung von Temperaturniveaus wird vorteilhaft die zur Verfügung stehende Wärmeübertragerfläche des Kühlers 20 bestmöglich genutzt. Im Vergleich zur (zuvor beschriebenen) Vermischung der Temperaturen zweier Teilströme können wesentlich geringere Temperaturen auf der kalten Seite erreicht werden. Dies hat Vorteile beim Betrieb eines ORCs aber auch für alle anderen Anwendungen wo zwei Temperaturniveaus über einen Kreislauf zurückgekühlt werden sollen, wie es z.B. bei Stationärmotoren für die Kühlung des Motorkühlwassers und der Ladeluft der Fall ist. Durch die vorgeschlagene Verschaltung kann Wärme bei größtmöglicher Temperaturdifferenz an die Umgebung abgeführt werden, was zu einer Reduktion des Hilfsenergiebedarfs führt, und der niedriger temperierte Volumenstrom wird auf geringere Temperaturen gekühlt als bei einer Vermischung beider Volumenströme. Die Vorrichtung kann wie dargestellt in einem Kühler aber auch durch die Verbindung einer beliebigen Zahl von Kühlern mittels Rohrleitungen bereitgestellt werden.
  • Die Figuren 6 und 7 erläutern die Funktionsweise und Vorteilhaftigkeit der Verschaltung gemäß der dritten und vierten Ausführungsform im Vergleich zur zweiten Ausführungsform in T-Q-Diagrammen (T: Temperatur; Q: Wärmestrom).
  • Fig. 6 zeigt beispielhaft die Abkühlung des Wassermassenstroms von 90 °C, wobei die heißere der beiden Wärmequellen eine Temperatur von 115 °C ermöglicht. Es wird eine Rückkühltemperatur des Wassers von 70 °C erreicht.
  • Bei der Verwendung von zwei Temperaturstufen, wie in Fig. 7 illustriert, tritt der erste Massenstrom mit 115 °C in den Kühler ein und wird in diesem Beispiel auf 88 °C herunter gekühlt, wobei diese Temperatur sich einstellt, wenn 20 % des gesamten durch den Kühler strömenden Massenstroms auf hohem Temperaturniveau vorliegt. Wie oben beschrieben, teilen sich die Flächen entsprechend des Massenstroms auf, und somit stehen für die Wärmeübertragung des ersten, heißen Massenstroms 20 % der Fläche zur Verfügung. Berechnet man nun die Wärmeströme, so werden jedoch über diese Fläche 27 % der gesamten Wärmemenge übertragen. Die restlichen 73 % der Wärmemenge werden dann über die restlichen 80 % der Fläche übertragen, was nun bei geringeren Temperaturen der Fall möglich ist. So kann diese Wärmemenge mit einer Vorlauftemperatur des Heißwassers von 84 °C und einer Rücklauftemperatur von 65 °C übertragen werden, was eine um 5 K geringere Rücklauftemperatur bedeutet. Dies geht mit Leistungssteigerung des ORCs oder Verbesserung der Wärmeübertragung in anderen Komponenten (Ladeluftkühler etc.) einher.
  • Es ist hier bemerkt, dass die beschriebenen Temperatur- und Leistungswerte nur beispielhaft zu sehen sind, durch eine Optimierung und Anpassung von Temperaturgrenzen kann noch weiteres Potenzial gehoben werden. Eine Optimierung berücksichtigt neben der Temperatur auch den Einfluss des Massenstroms auf die Wärmeübertragungskapazität / Leistung eines Wärmeübertragers.
  • Das Antriebssystem lässt sich in Hinblick auf weitere Synergien weiterentwickeln, die im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben werden, und wobei jede davon einzeln oder kombiniert eingesetzt werden kann. Die durch die Expansionsvorrichtung erzeugte mechanische Energie kann über eine jeweilige elektrische, mechanische oder hydraulische Kopplung einsetzbar sein zum (a) Antreiben eines Lüfters des Kondensators 30 und/oder eines Lüfters des Kühlers; und/oder (b) Antreiben einer Umwälzpumpe 101 im Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs und/oder einer Speisepumpe 102 der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung und/oder einer Umwälzpumpe 103 im Kondensator-Kühlfluidkreislauf und/oder einer Wasserpumpe und/oder einer Hydraulikpumpe und/oder einer Ölpumpe; und/oder (c) Antreiben einer Lichtmaschine 105 und/oder eines Anlassers des Antriebssystems; und/oder (d) Antreiben eines Kältekompressors 106 einer Klimaanlage. Ein Teilstrom des verdampften Arbeitsmediums kann zum Antreiben eines Lüfters des Kondensators und/oder eines Lüfters 107 des Kühlers einsetzbar. Dadurch werden Umwandlungsverluste minimiert. Weiterhin kann Wärme aus kondensiertem Arbeitsmedium und/oder aus dem Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf zum Zuführen in eine Heizvorrichtung ausgekoppelt werden.
  • Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Claims (12)

  1. Antriebssystem, umfassend:
    einen Verbrennungsmotor (10); und
    eine Kühlvorrichtung zum Abführen von Abwärme des Verbrennungsmotors;
    wobei die Kühlvorrichtung umfasst:
    einen Kühler (20) zum Übertragen von Wärme auf ein Umgebungsmedium, wobei insbesondere der Kühler ein Luftkühler und das Umgebungsmedium Luft ist; und
    eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung (30), insbesondere eine ORC-Vorrichtung, mit einem Arbeitsmedium, einem Verdampfer (31) zum Verdampfen des Arbeitsmediums durch Übertragen von Abwärme des Verbrennungsmotors (10) auf das Arbeitsmedium, einer Expansionsvorrichtung (32) zur Erzeugung von mechanischer Energie und einem Kondensator (33) zum Kondensieren des in der Expansionsvorrichtung (32) expandierten Arbeitsmediums;
    wobei die Kühlvorrichtung einen Kondensator-Kühlfluidkreislauf (40) zum Abführen von Wärme aus dem Kondensator (33) der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung (30) über den Kühler (20) umfasst; und
    wobei die Kühlvorrichtung weiterhin einen Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf (50) umfasst, wobei ein erster Zweig (51) des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs durch den Verdampfer (31) zum Übertragen von Wärme auf das Arbeitsmedium führt;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf in Strömungsrichtung eines Kühlfluids vor dem Verdampfer eine erste Abzweigung (81) in einen zweiten Zweig (52) des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs (50) zur Umgehung des Verdampfers (31) und eine Zusammenführung (91) des zweiten Zweigs (52) mit dem ersten Zweig (51) nach dem Verdampfer (31) umfasst, wobei der zweite Zweig (52) ein erstes Ventil (71), vorzugsweise ein gesteuertes Ventil, aufweist.
  2. Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf (50) in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Verdampfer (31) eine zweite Abzweigung (82) in einen dritten Zweig (53) des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs (50) umfasst, und wobei der dritte Zweig (53) dazu ausgebildet ist, Kühlfluid durch den Kühler (20) und zurück in den ersten Zweig (51) zu führen, wobei die zweite Abzweigung (82) vorzugweise ein zweites Ventil (72), insbesondere ein Dreiwegeventil, umfasst.
  3. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf (50) in Strömungsrichtung des Kühlfluids nach dem Verdampfer (31) eine dritte Abzweigung (83) in einen vierten Zweig (54) des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs (50) umfasst, und wobei der vierte Zweig (54) dazu ausgebildet ist, Kühlfluid durch den Kühler (20) und zurück in den ersten Zweig (51) zu führen, wobei die dritte Abzweigung (83) vorzugweise ein drittes Ventil (73), insbesondere ein Dreiwegeventil, umfasst, wobei in Kombination mit Anspruch 4 eine Zusammenführung (94) des vierten Zweigs (54) in den dritten Zweig (53) vorgesehen ist.
  4. Antriebssystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf (50) in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Kühler (20) eine Zusammenführung (95) des dritten (53) bzw. vierten Zweigs (54) mit dem Kondensator-Kühlfluidkreislauf (50) umfasst.
  5. Antriebssystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Kühler (20) einen Eingangssammler (21), einen Ausgangssammler (25), und dazwischen liegende Kanäle aufweist, welche jeweils gegenüber liegende Bereiche des Eingangssammlers (21) und des Ausgangssammlers (25) miteinander verbinden, und wobei ein Eingang (22) des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs (40) in den Eingangssammler (21) und ein Eingang (23) des dritten (53) bzw. vierten Zweigs (54) des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs (50) in den Eingangssammler (21) voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Eingangssammlers angeordnet sind, und wobei ein Ausgang (26) des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs (40) aus dem Ausgangssammler (25) und ein Ausgang (27) des dritten (53) bzw. vierten Zweigs (54) des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs (50) aus dem Ausgangssammler (25) voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Ausgangssammlers angeordnet sind, wobei der Eingang (22, 23) und Ausgang (26, 27) des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs (40) sowie des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs (50) an jeweils gegenüberliegenden Bereichen des Eingangssammlers (21) bzw. des Ausgangssammlers (25) angeordnet sind.
  6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kühlvorrichtung weiterhin wenigstens einen Wärmeübertrager (15) zum Übertragen von Wärme in Abgas des Verbrennungsmotors auf den Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf umfasst.
  7. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin einen Generator (G) umfassend, mit dem durch die Expansionsvorrichtung (32) erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist.
  8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei durch die Expansionsvorrichtung (32) erzeugte mechanische Energie über eine jeweilige elektrische, mechanische oder hydraulische Kopplung einsetzbar ist zum
    (a) Antreiben eines Lüfters des Kondensators (30) und/oder eines Lüfters des Kühlers; und/oder
    (b) Antreiben einer Umwälzpumpe (101) im Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs und/oder einer Speisepumpe (102) der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung und/oder einer Umwälzpumpe (103) im Kondensator-Kühlfluidkreislauf und/oder einer Wasserpumpe und/oder einer Hydraulikpumpe und/oder einer Ölpumpe; und/oder
    (c) Antreiben einer Lichtmaschine (105) und/oder eines Anlassers des Antriebssystems; und/oder
    (d) Antreiben eines Kältekompressors (106) einer Klimaanlage; und/oder
    (e) Einkoppeln der durch die Expansionsvorrichtung erzeugten mechanischen Energie in einen Antriebsstrang des Verbrennungsmotors, insbesondere direkt auf eine Antriebswelle.
  9. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Teilstrom des verdampften Arbeitsmediums zum Antreiben eines Lüfters des Kondensators und/oder eines Lüfters (107) des Kühlers und/oder eines Kältekompressors einsetzbar ist.
  10. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Wärme aus kondensiertem Arbeitsmedium und/oder aus dem Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf zum Zuführen in eine Heizvorrichtung auskoppelbar ist.
  11. Verfahren zum Abführen von Abwärme eines Verbrennungsmotors mit einer Kühlvorrichtung, wobei die Kühlvorrichtung einen Kühler, eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC-Vorrichtung, mit einem Arbeitsmedium, einem Verdampfer, einer Expansionsvorrichtung und einem Kondensator sowie einen Kondensator-Kühlfluidkreislauf umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    Übertragen von Wärme auf ein Umgebungsmedium mit dem Kühler, wobei insbesondere der Kühler ein Luftkühler und das Umgebungsmedium Luft ist;
    Verdampfen des Arbeitsmediums mit dem Verdampfer durch Übertragen von Abwärme des Verbrennungsmotors auf das Arbeitsmedium;
    Erzeugen von mechanischer Energie mit der Expansionsvorrichtung;
    Kondensieren des in der Expansionsvorrichtung expandierten Arbeitsmediums mit dem Kondensator;
    Abführen von Wärme aus dem Kondensator der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung über den Kühler; und
    Führen eines ersten Zweigs eines Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs durch den Verdampfer zum Übertragen von Wärme auf das Arbeitsmedium;
    gekennzeichnet durch
    erstes Abzweigen eines Kühlfluids im Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislauf in Strömungsrichtung vor dem Verdampfer in einen zweiten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs zum Umgehen des Verdampfers und Zusammenführen des zweiten Zweigs mit dem ersten Zweig nach dem Verdampfer.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, mit den weiteren Schritten:
    zweites Abzweigen des Kühlfluids in Strömungsrichtung vor dem Verdampfer in einen dritten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs, wobei der dritte Zweig Kühlfluid durch den Kühler und zurück in den ersten Zweig führt; und/oder
    drittes Abzweigen des Kühlfluids in Strömungsrichtung nach dem Verdampfer in einen vierten Zweig des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs, wobei der vierte Zweig Kühlfluid durch den Kühler und zurück in den ersten Zweig führt;
    wobei der Kühler einen Eingangssammler, einen Ausgangssammler, und dazwischen liegende Kanäle aufweist, welche jeweils gegenüber liegende Bereiche des Eingangssammlers und des Ausgangssammler miteinander verbinden, und wobei ein Eingang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler und ein Eingang des dritten bzw. vierten Zweigs des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs in den Eingangssammler voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Eingangssammlers angeordnet sind, und wobei ein Ausgang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs aus dem Ausgangssammler und ein Ausgang des dritten bzw. vierten Zweigs des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs aus dem Ausgangssammler voneinander beabstandet sind, insbesondere an jeweiligen Endbereichen des Ausgangssammlers angeordnet sind, wobei der Eingang und Ausgang des Kondensator-Kühlfluidkreislaufs sowie des Verbrennungsmotor-Kühlfluidkreislaufs an jeweils gegenüberliegenden Bereichen des Eingangssammlers bzw. des Ausgangssammlers angeordnet sind.
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