EP3159506B1 - Functional synergies in the integration of orc systems in combustion engines - 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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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
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.The invention relates to a drive system which 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 cyclic process 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. The invention also relates to a corresponding method for dissipating waste heat from an internal combustion engine with a cooling device.
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.An economical solution for increasing the efficiency of internal combustion engines with great potential, especially in trucks, is to use waste heat from the internal combustion engine with a thermal cycle (e.g. with an organic Rankine cycle system, ORC system). Some of the requirements or given conditions here are low additional costs, less space available, little intervention and influence on the further system. It is therefore sensible or necessary to use synergies with existing components.
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.If a force-generating process, such as the Organic Rankine Cycle (ORC), is operated in the vicinity of an internal combustion engine, 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), as well as their provision for ancillary units is often advantageous, as conversion losses occur when converting mechanical energy into electrical energy. In addition, 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. In addition, 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. Hybridization should also be mentioned in this context, i.e. the direct or indirect use of the electrical energy generated in the drive train of the internal combustion engine. For example, one or more electric motors supplied with the generated electrical energy can be provided in a truck for driving one or more drive shafts.
Das Dokument
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Aufgabe der Erfindung ist es, Synergien bei der Nutzung von Abwärme von Verbrennungsmotoren bereit zu stellen.The object of the invention is to provide synergies in the use of waste heat from internal combustion engines.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebssystem nach Anspruch 1.The object is achieved by a drive system according to claim 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.The drive system according to the invention 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.
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.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.
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.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. In this embodiment, 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.
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.A further development is that the internal combustion engine cooling fluid circuit comprises a second branch in the flow direction of the cooling fluid upstream of the evaporator into a third branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit, and the third branch is designed to supply cooling fluid through the radiator and back into the first branch lead, the second branch preferably comprising a second valve, in particular a three-way valve. In this way, an emergency running capability of the drive system is provided. Such emergency running capability can occur if the temperature of the internal combustion engine is too high due to failure of the thermodynamic cycle or due to insufficient heat absorption by the thermodynamic cycle. If the heat transfer capacity of the cooler is insufficient and / or if no or insufficient cooling of the engine cooling fluid takes place in the evaporator, then engine cooling fluid can be fed directly to the cooler via the second valve. This increases the temperature of the engine cooling fluid supplied to the radiator, the logarithmic temperature difference increases and more heat is transferred.
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.According to another development, 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. wherein 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. These advantages of this development are analogous to those of the previous development, it is only branched off after the evaporator, so that a more moderate heat extraction is possible than before the evaporator. When combining the two developments, both valves can also be opened at the same time.
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.Another development is that the internal combustion engine cooling fluid circuit comprises a merging of the third or fourth branch with the condenser cooling fluid circuit upstream of the radiator in the direction of flow of the cooling fluid. In this way, a simple interconnection of the internal combustion engine cooling fluid circuit with the condenser cooling fluid circuit is provided. However, it is disadvantageous that the condenser of the thermodynamic cycle device is also flowed through with relatively hot engine cooling fluid, which has a negative effect on the performance of the expansion device.
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.According to another development, 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.
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.In this way, a division of the existing cooler surface into a high temperature area (cooling fluid of the internal combustion engine) and a low temperature area (cooling fluid for the condenser of the thermodynamic cycle device) is made possible. As a result, the condenser can be provided with the lowest possible temperature and the excess heat of the cooling fluid of the internal combustion engine can be dissipated at a high temperature level, which has a positive effect on the dissipation of heat to the environment via the cooler. The division of the mass flows into partial mass flows to the connections of the input collector and thus also through the cooler surface is preferably carried out via the second and / or third valve. The adaptation of the proportions of the hot or cold cooler surface takes place automatically in this connection depending on the partial mass flows.
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.Another development is that the cooling device further comprises at least one heat exchanger for transferring heat in the exhaust gas of the internal combustion engine to the internal combustion engine cooling fluid circuit. This means that the heat in the exhaust gas from the internal combustion engine can be used. In addition, the sound-absorbing property of an exhaust gas heat exchanger can be used to reduce the size of the actual silencer or to replace it completely. Other heat sources that can be used are the charge air and / or the oil of the internal combustion engine.
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.According to another development, the drive system furthermore comprises a generator with which mechanical energy generated by the expansion device can be converted into electrical energy. The generated electrical energy can be used to operate electrical components in the drive system or it can be fed into an electrical power grid.
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.Another development is that 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. In this way, further synergies are made available in the drive system.
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.According to another development, a partial flow of the evaporated working medium can be used by means of a further expansion machine to drive a fan of the condenser and / or a fan of the cooler. This minimizes conversion losses.
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.Another development consists in the fact that heat can be extracted from the condensed working medium and / or from the internal combustion engine cooling fluid circuit for feeding into a heating device. Thus, for example, a passenger compartment or a driver's cab can be heated. Another advantage is that when exhaust heat is used, the engine is heated up faster from standstill and thus runs faster in an efficient and low-emission operating point.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Anspruch 11.The object on which the invention is based is further achieved by a method according to the invention according to claim 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.The method according to the invention is suitable for dissipating waste heat from an internal combustion engine with a cooling device, wherein the cooling device comprises a cooler, a thermodynamic cycle device, in particular an ORC device, with a working medium, an evaporator, an expansion device and a condenser, and a condenser cooling fluid circuit, and wherein the method comprises the following steps: transferring heat to an ambient medium with the cooler, wherein in particular the cooler is an air cooler and the ambient medium is air; Evaporation of the working medium with the evaporator by transferring waste heat from the internal combustion engine to the working medium; Generating mechanical energy with the expansion device; and condensing the working medium expanded in the expansion device with the condenser; and the method is characterized by removing heat from the condenser of the thermodynamic cycle device via the cooler.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Weiterbildungen entsprechen - wenn nicht anders angegeben - jenen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Unless otherwise stated, the advantages of the method according to the invention and its developments correspond to those of the device according to the invention.
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.According to the method according to the invention, the following further steps are carried out: leading a first branch of an internal combustion engine cooling fluid circuit through the evaporator for transferring heat to the working medium; and first branching off of a cooling fluid in the internal combustion engine cooling fluid circuit in the flow direction upstream of the evaporator into a second branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit to bypass the evaporator and merging the second branch with the first branch after the evaporator.
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.In a further development, the following further steps are carried out: second branching off of the cooling fluid in the flow direction upstream of the evaporator into a third branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit, the third branch leading cooling fluid through the radiator and back into the first branch; and / or third branching of the cooling fluid in the flow direction after the evaporator into a fourth branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit, the fourth branch leading cooling fluid through the radiator and back into the first branch; wherein the cooler has an input header, an output header, and channels lying therebetween, which respectively connect opposite regions of the input header and the output header to one another, and wherein an input of the condenser cooling fluid circuit into the input header and an input of the third and fourth branches of the internal combustion engine, respectively -Cooling fluid circuit in the input header are spaced from each other, in particular are arranged at respective end regions of the input header, and wherein an outlet of the condenser cooling fluid circuit from the output header and an output of the third or fourth branch of the internal combustion engine cooling fluid circuit from the output header are spaced apart, in particular are arranged at the respective end areas of the output header, the inlet and outlet of the condenser cooling fluid circuit and the internal combustion engine cooling fluid circuit at opposite areas of the input header or of the output collector are arranged.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Kühleinrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben der Kühleinrichtung bereit.The invention also provides a cooling device and a corresponding method for operating the cooling device.
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.The cooling device according to the invention comprises: a first cooling fluid circuit, a second cooling fluid circuit and a cooler with an input collector, an output collector, and ducts lying therebetween which connect opposite regions of the input collector and the output collector with one another, an input of the first cooling fluid circuit into the input collector and an inlet of the second cooling fluid circuit into the inlet collector are spaced apart from one another, in particular are arranged at respective end regions of the inlet collector, and wherein an outlet of the first cooling fluid circuit from the outlet collector and an outlet of the second cooling fluid circuit from the outlet collector are spaced apart from one another, in particular at respective end regions of the outlet collector are arranged, the input and output of the first cooling fluid circuit and the second cooling fluid circuit at each opposite areas of the input collector and the output collector are arranged. A controllable valve is preferably provided in the first cooling fluid circuit and / or a controllable valve is provided in the second cooling fluid circuit. The cooler can transfer heat from the first and second cooling fluid circuits, preferably to a cooling medium, wherein the cooling medium can comprise, for example, water or air.
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.The method according to the invention for operating the cooling device according to the invention comprises performing the following steps: feeding a first cooling fluid in the first cooling fluid circuit into the inlet of the first cooling fluid circuit in the inlet header of the cooler; Feeding a second cooling fluid in the second cooling fluid circuit into the inlet of the second cooling fluid circuit in the inlet header of the cooler; Leading the first cooling fluid from the outlet of the first cooling fluid circuit from the cooler; and guiding the second cooling fluid from the outlet of the first cooling fluid circuit from the cooler. In particular, the first and second cooling fluids have the same composition.
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.In this way, the existing cooler surface can be divided into a high temperature area (cooling fluid of the first cooling fluid circuit) and a low temperature area (cooling fluid of the second cooling fluid circuit). The division of the mass flows into partial mass flows to the connections of the input collector (i.e. the respective inlets of the first and second cooling fluid circuit) and thus also the division of the (partial) mass flows through the cooler surface is preferably carried out via one or more valves in the first and / or second Cooling fluid circuit. The adaptation of the proportions of the hot or cold cooler surface takes place automatically depending on the partial mass flows.
Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht geeignet miteinander kombiniert werden.The developments mentioned can be used individually or, as claimed, can be combined with one another in a suitable manner.
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.Further features and exemplary embodiments as well as advantages of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings. It should be understood that the embodiments do not fall within the scope of the present Exhaust invention. It is further understood that some or all of the features described below can also be combined with one another in other ways.
- Fig. 1Fig. 1
- zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.shows a first embodiment of the drive system according to the invention.
- Fig. 2Fig. 2
- zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.shows a second embodiment of the drive system according to the invention.
- Fig. 3Fig. 3
- zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.shows a third embodiment of the drive system according to the invention.
- Fig. 4Fig. 4
- zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems.shows a fourth embodiment of the drive system according to the invention.
- Fig. 5Fig. 5
- illustriert die Variabilität der Kühlerflächen.illustrates the variability of the cooler surfaces.
- Fig. 6Fig. 6
- ist eine beispielhafte Darstellung der Abkühlung von gemischtem Kühlwasser in einem T-Q-Diagramm.is an exemplary representation of the cooling of mixed cooling water in a T-Q diagram.
- Fig. 7Fig. 7
- ist eine beispielhafte Darstellung der Abkühlung von getrenntem Kühlwasser in einem T-Q-Diagramm.is an exemplary representation of the cooling of separate cooling water in a T-Q diagram.
- Fig. 8Fig. 8
- illustriert verschiedene weitere Synergien im erfindungsgemäßen Antriebssystem.illustrates various further synergies in the drive system according to the invention.
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.One possibility, when using waste heat from an internal combustion engine by means of a thermodynamic cyclic process device - such as an ORC system - to exploit synergies with existing components of internal combustion engines, is to use the engine cooler for heat dissipation from the ORC condenser. In operating states with moderate load, such as driving straight ahead and moderate outside temperatures, the entire heat of the engine can be conducted through the ORC system and released into the environment in the cooler become. Operation with a moderate load accounts for the majority of the time in most trucks.
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:
Dabei ist die logarithmische Temperaturdifferenz definiert als
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.If the logarithmic temperature difference decreases, the required area increases with the same amount of heat, which, however, can usually not be implemented in the vehicle for reasons of installation space. The problem is exacerbated when other heat sources are included, e.g. Heat from an exhaust gas recirculation cooler (EGR cooler) or the heat from an ORC system that uses exhaust gas heat.
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.For a simple and fast implementation of the integration of an ORC in a vehicle, it is important to minimize the structural intervention and to limit the influence on the engine and at the same time to ensure a high efficiency of the ORC process.
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.Regarding the advantages of using waste heat from the cooling water of the internal combustion engine with an ORC device and using the with the ORC system 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. 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.
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.In the embodiments described below, water is used as the cooling fluid (cooling water) only by way of example. Furthermore, the cooler is only provided as an air cooler by way of example, with waste heat being transferred to air. According to the invention, however, another medium (such as water, for example) can also absorb the heat dissipated in the cooler.
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.In this embodiment, the
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.This is a basic interconnection and enables the use of energy from the engine cooling water. In one example, the outlet temperature of the engine cooling water (MKW) is increased to approximately 110 ° C. via the controlled valve (in particular thermostatic valve) 71. By default, the MKW outlet temperature is lower, in the range of 80 ° C. The increase results in a higher performance of the ORC process. In an alternative embodiment, instead of the generator G, the energy can also be coupled in directly (mechanically or hydraulically), as is the case with all of the following interconnections.
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.The following problem arises during operation: The
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.Compared to the first embodiment, in the second embodiment of the
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.Emergency operation is possible via the 3-
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.According to the third embodiment of the
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.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). Depending on the operating point, part of the MKW mass flow can be passed through the
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.The third embodiment provides a solution for realizing a division of the two partial flows over the surface of the cooler in the simplest possible way and for setting this division advantageously depending on the operating state. The requirements here are that most of the heat is conducted through the ORC in order to achieve the greatest possible increase in the efficiency of the overall system. Furthermore, it is particularly advantageous to use the lowest temperature for cooling the capacitor in order to ensure a higher efficiency of the ORC process. In addition, suitable return temperatures for the motor must be maintained. Although this could be achieved by structurally or hydraulically separate coolers, they are, however then the areas available for the respective mass flows are fixed, which does not, however, match different load points.
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.The mass flow in the
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.According to the
Die Funktionsweise der Aufteilung der Massenströme in der dritten und vierten Ausführungsform wird nachfolgend in Zusammenhang mit
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.By separating temperature levels, 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. As shown, the device can also be provided in a cooler by connecting any number of coolers by means of pipelines.
Die
Bei der Verwendung von zwei Temperaturstufen, wie in
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.It should be noted here that the temperature and power values described are only to be seen as examples; further potential can be raised by optimizing and adapting temperature limits. In addition to the temperature, an optimization also takes into account the influence of the mass flow on the heat transfer capacity / performance of a heat exchanger.
Das Antriebssystem lässt sich in Hinblick auf weitere Synergien weiterentwickeln, die im Zusammenhang mit
Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.The illustrated embodiments are exemplary only, and the full scope of the present invention is defined by the claims.
Claims (12)
- Drive system, comprising:a combustion engine (10); anda cooling device for discharging heat from the combustion engine;wherein the cooling device comprises:a radiator (20) for transferring heat to a surrounding medium, wherein in particular the radiator is an air cooler and the surrounding medium is air; anda thermodynamic cycle device (30), in particular an ORC device, having a working medium, an evaporator (31) for evaporating the working medium by transferring waste heat of the combustion engine (10) to the working medium, an expansion device (32) for generating mechanical energy, and a condenser (33) for condensing the working medium expanded in the expansion device (32);wherein the cooling device comprises a condenser coolant circuit (40) for discharging heat from the condenser (33) of the thermodynamic cycle device (30) via the radiator (20); andwherein the cooling device further comprises a combustion engine coolant circuit (50), wherein a first branch (51) of the combustion engine coolant circuit passes through the evaporator (31) for transferring heat to the working fluid;characterized in thatthe combustion engine coolant circuit in the flow direction of a cooling fluid upstream of the evaporator comprises a first branch-off (81) into a second branch (52) of the combustion engine coolant circuit (50) for bypassing the evaporator (31) and a merging (91) of the second branch (52) with the first branch (51) downstream of the evaporator (31), the second branch (52) comprising a first valve (71), preferably a controlled valve.
- Drive system according to claim 1, wherein the combustion engine coolant circuit (50) in the flow direction of the cooling fluid upstream of the evaporator (31) comprises a second branch-off (82) into a third branch (53) of the combustion engine coolant circuit (50), and wherein the third branch (53) is configured to move cooling fluid through the radiator (20) and back into the first branch (51), wherein the second branch-off (82) preferably comprises a second valve (72), in particular a three-way valve.
- Drive system according to any one of claims 1 to 2, wherein the combustion engine coolant circuit (50) comprises, in the flow direction of the cooling fluid downstream of the evaporator (31), a third branch-off (83) into a fourth branch (54) of the combustion engine coolant circuit (50), and wherein the fourth branch (54) is configured to move cooling fluid through the radiator (20) and back into the first branch (51), wherein the third branch-off (83) preferably comprises a third valve (73), in particular a three-way valve, wherein in combination with claim 4, a merging (94) of the fourth branch (54) into the third branch (53) is provided.
- Drive system of claim 2 or 3, wherein the combustion engine coolant circuit (50) in the flow direction of the cooling fluid upstream the radiator comprises a merging (95) of the third (53) and/or fourth branch (54) with the condenser coolant circuit (50).
- Drive system of claim 2 or 3, wherein the radiator (20) has an inlet collector (21), an outlet collector (25), and intermediate channels interconnecting respective opposite portions of the inlet collector (21) and the outlet collector (25), and wherein an inlet (22) of the condenser cooling fluid circuit (40) into the inlet collector (21) and an inlet (23) of the third (53) and/or fourth branch (54) of the combustion engine coolant circuit (50) into the inlet collector (21) are spaced from each other, in particular arranged at respective end portions of the inlet collector, and wherein an outlet (26) of the condenser coolant circuit (40) from the outlet collector (25) and an outlet (27) of the third (53) and/or fourth branch (54) of the combustion engine coolant circuit (50) from the outlet collector (25) are spaced from each other, in particular arranged at respective end portions of the outlet collector, wherein the inlet (22, 23) and outlet (26, 27) of the condenser coolant circuit (40) and the combustion engine coolant circuit (50) are each arranged at respective opposite areas of the inlet collector (21) and the outlet collector (25).
- Drive system according to any one of claims 1 to 5, wherein the cooling device further comprises at least one heat exchanger (15) for transferring heat in exhaust gas of the combustion engine to the combustion engine coolant circuit.
- Drive system according to any one of claims 1 to 6, further comprising a generator (G), by means of which the mechanical energy generated by the expansion device (32) is convertible into electrical energy.
- Drive system according to any one of claims 1 to 7, wherein mechanical energy generated by the expansion device (32) can be used via a respective electrical, mechanical or hydraulic coupling for(a) driving a fan of the condenser (30) and / or a fan of the radiator; and / or(b) driving a circulation pump (101) in the combustion engine coolant circuit and / or a feed pump (102) of the thermodynamic cycle device and / or a circulation pump (103) in the condenser coolant circuit and / or a water pump and / or a hydraulic pump and / or an oil pump; and or(c) driving a generator (105) and / or a starter of the drive system; and / or(d) driving a refrigeration compressor (106) of an air conditioner; and / or(e) coupling the mechanical energy generated by the expansion device in a drive train of the combustion engine, in particular directly to a drive shaft.
- Drive system according to any one of claims 1 to 8, wherein a partial flow of the vaporized working medium is usable to drive a fan of the condenser and / or a fan (107) of the radiator and / or a refrigeration compressor.
- Drive system according to any one of claims 1 to 9, wherein heat from condensed working medium and / or from the combustion engine coolant circuit can be coupled out for feeding into a heating device.
- Method for discharging heat from a combustion engine by means of a cooling device, wherein the cooling device comprises a radiator, a thermodynamic cycle device, in particular an ORC device, with a working medium, an evaporator, an expansion device and a condenser and a condenser coolant circuit, and wherein the method comprises the following steps:transferring heat to a surrounding medium with the radiator, wherein in particular the radiator is an air cooler and the surrounding medium is air;vaporizing the working medium with the evaporator by transferring heat from the combustion engine to the working medium;generating mechanical energy by means of the expansion device;condensing the working medium expanded in the expansion device by means of the condenser;discharging heat from the condenser of the thermodynamic cycle device via the radiator; andpassing a first branch of a combustion engine coolant circuit through the evaporator to transfer heat to the working fluid;characterized byfirst branching-off of a cooling fluid in the combustion engine coolant circuit in the flow direction upstream the evaporator into a second branch of the combustion engine coolant circuit for bypassing the evaporator and merging the second branch with the first branch downstream the evaporator.
- Method of claim 11, further comprising the steps of:second branching-off of the cooling fluid upstream of the evaporator into a third branch of the combustion engine coolant circuit, the third branch passing cooling fluid through the radiator and back into the first branch; and / orthird branching-off of the cooling fluid downstream of the evaporator into a fourth branch of the combustion engine coolant circuit, the fourth branch passing cooling fluid through the radiator and back into the first branch;wherein the radiator has an inlet collector, an outlet collector, and intermediate channels interconnecting respective opposite portions of the inlet collector and the outlet collector, and wherein an inlet of the condenser cooling fluid cycle into the inlet collector and an inlet of the third and/or fourth branches of the combustion engine coolant circuit into the inlet collector are spaced from each other, in particular are arranged at respective end portions of the inlet collector, and wherein an outlet of the condenser coolant circuit from the outlet collector and an outlet of the third and/or fourth branch of the combustion engine coolant circuit from the outlet collector, respectively, are spaced from each other, in particular arranged at respective end portions of the outlet collector, wherein the inlet and outlet of the condenser coolant circuit and of the combustion engine coolant circuit are arranged at respective opposite portions of the inlet and the outlet collector.
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