WO2011128360A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2011128360A1
WO2011128360A1 PCT/EP2011/055777 EP2011055777W WO2011128360A1 WO 2011128360 A1 WO2011128360 A1 WO 2011128360A1 EP 2011055777 W EP2011055777 W EP 2011055777W WO 2011128360 A1 WO2011128360 A1 WO 2011128360A1
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WO
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coolant
internal combustion
combustion engine
heat exchanger
condenser
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PCT/EP2011/055777
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Lutz
Original Assignee
Behr Gmbh & Co. Kg
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Publication date
Application filed by Behr Gmbh & Co. Kg filed Critical Behr Gmbh & Co. Kg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2260/00—Recuperating heat from exhaust gases of combustion engines and heat from cooling circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a system for utilizing waste heat of the internal combustion engine mitteis the Clausius-Rankine «cycle according to the preamble of claim 1 and a method for operating an internal combustion engine with a system according to the preamble of claim. 8
  • Internal combustion engines are used in various technical applications for the conversion of thermal energy into mechanical energy.
  • motor vehicles especially in trucks
  • internal combustion engines are used to move the motor vehicle.
  • the efficiency of internal combustion engines can be increased by the use of systems for using waste heat of the internal combustion engine by means of the Clausius-Rankine cycle.
  • the system converts waste heat from the internal combustion engine into mechanical energy.
  • the system comprises a circuit with lines with a working medium, eg. B, water, a working fluid pump for pumping the working fluid, an evaporator for evaporating the liquid working medium, an expansion machine, a condenser for liquefying the vaporous working medium and a collecting and expansion tank for the liquid working medium.
  • a coolant circuit of the internal combustion engine is generally used to cool the condenser.
  • the condenser is thus designed as a condenser heat exchanger and integrated into the coolant circuit.
  • the coolant circuit has coolant lines through which coolant flows.
  • the condenser heat exchanger is integrated in the flow direction of the coolant after the internal combustion engine, so that the coolant after passing through the internal combustion engine, wherein the coolant is heated in the internal combustion engine, is conducted into the condenser transformer.
  • the coolant is cooled in a coolant heat exchanger and then re-introduced into the engine.
  • a 3/2-way valve is installed so that the coolant can be passed from the 3/2-way valve either through thedestoff Anlagenübertra- and / or by a bypass coolant line.
  • the bypassdemittei technisch passes the coolant past the coolant heat exchanger directly into the internal combustion engine.
  • the refrigerant conducted into the condenser heat exchanger has a relatively high temperature because the refrigerant has first been heated in the engine and then directly supplied to the condenser heat exchanger.
  • the object of the present invention is to provide an internal combustion engine and a method for operating an internal combustion engine with a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Rankine cycle process, in which the Rankine cycle process has a high efficiency having a simple structure of the internal combustion engine.
  • an internal combustion engine having a system for utilizing waste heat of the internal combustion engine
  • Mitteis the Clausius-Rankine cycle comprising a coolant circuit with at least one coolant flowed through coolant line for cooling the engine and a coolant heat exchanger for cooling the coolant, a circuit with lines with a working medium.
  • an A beitsmediumpumpe for conveying the working fluid, at least one evaporator for vaporizing the liquid working medium, an expansion machine, a condenser for liquefying the vaporous working medium, wherein the condenser is integrated as a condenser heat exchanger in the coolant circuit of the internal combustion engine for liquefaction the working medium by means of a heat transfer from the working fluid to the coolant, preferably a collecting and expansion tank for the liquid working medium, wherein the condenser heat exchanger is integrated into themémittei- circuit in the flow direction of themémitteis, in particular immediately after the coolant heat exchanger.
  • the condenser heat exchanger heat is transferred from the working medium of the system to the coolant of the coolant circuit, thereby converting the working fluid from a vapor to a liquid state, ie, condensing it.
  • the temperature of the coolant after passing through and cooling in the coolant heat exchanger is lowest,
  • the efficiency or the efficiency of the system is essentially determined by the pressure difference across the expansion machine This pressure difference is in turn determined by the pressure at the outlet of the condenser and this in turn by the temperature of the working medium after the exit to the condenser or, at the condenser heat exchanger, through the use of coolant, which is introduced immediately after passing through the coolant heat exchanger in the condenser or the condenser heat exchanger, can thus the working fluid in the con
  • An immediate arrangement of the Kondensatorwörmeübertragers in the flow direction of the coolant after the coolant heat exchanger preferably means that in the coolant lines between the coolant heat exchanger and the condenser heat exchanger, no components are present, soft a change, eg. B. by more than 0.5 * 0, 1 ° C, 2 C C, 3 ° C, 5 ° C or 10 ° C, in particular an increase, condition to a greater extent the temperature of the coolant.
  • z i- see the coolant heat exchanger and the condenser heat transfer
  • the internal combustion engine is not integrated because the internal combustion engine heats up the coolant.
  • the condenser heat exchanger is integrated into the coolant circuit in the flow direction of the coolant, in particular directly, in front of the internal combustion engine,
  • the cooling medium circuit has a bypass coolant line for diverting the coolant around the cooling medium heat exchanger and / or the cooling medium circuit has only one coolant heat exchanger,
  • the quantity of coolant which can be conducted through the coolant heat exchanger and the bypass coolant line can be controlled and / or regulated.
  • control element can be actuated by means of a temperature sensor and a control and / or regulating device, and preferably the control element is integrated in the cooling medium circuit in the flow direction of the coolant between the condenser and the internal combustion engine.
  • the temperature sensor is preferably arranged in the coolant line from the control element to the internal combustion engine and thus detects the temperature of the coolant, which is introduced in the internal combustion engine.
  • the bypassdemittei founded removes the coolant line from the engine to the coolant radiator coolant and then passes this again the Kühfstofftechnisch from the controller to the engine, so can be controlled by the controller and / or regulated, which amount of coolant after exiting the Internal combustion engine flows into the coolant radiator and thus also in the condenser heat exchanger and that amount of coolant, which flows through the bypass coolant line, after the control member is again fed directly to the engine and thus not cooled.
  • the temperature of the coolant supplied to the engine can be controlled and / or regulated.
  • a coolant circulation pump for conveying the coolant is integrated into the coolant circuit.
  • the at least one evaporator is expediently designed as an evaporator heat exchanger and / or evaporator exhaust heat exchanger through which exhaust gas from the combustion engine and working medium of the system flow for the heat conduction of heat from the exhaust gas to the working medium. Heat from the exhaust gas is thus transferred from the exhaust gas to the working medium, so that the working medium evaporates.
  • Method according to the invention for operating an internal combustion engine with a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Rankine cycle, in particular an internal combustion engine described in this patent application, comprising the steps of: directing the cooling center! by a coolant circuit of the internal combustion engine, heating the coolant in an internal combustion engine, cooling the coolant in a coolant heat exchanger, passing coolant!
  • a condenser heat exchanger as a condenser, so that heat is transferred from the working fluid to the coolant and condenses the working fluid in the condenser, wherein the coolant is passed after passing through the coolant heat exchanger, in particular exclusively, in the condenser heat exchanger and preferably no or only a small temperature change of the coolant occurs.
  • a slight temperature change of the coolant means that the temperature changes only less than 10 ° C, 7 ° C, 5 ° C, 3 ° C, 2 ° C or 1 ° C.
  • the coolant in particular exclusively, after passing through the condenser heat exchanger in the internal combustion engine and / or in the coolant heat exchanger passed and thereby preferably no or only a small change in temperature of the coolant occurs.
  • a small temperature change of the coolant means that the temperature changes only less than 10 ° C, 7 ° C, 5 ° C, 3 ° C, 2 ° C or 1,
  • control member is controlled and / or regulated by a control member as a function of the temperature of the coolant, which amount of the coolant of the coolant passed through the condenser heat exchanger is conducted through the internal combustion engine and / or the coolant heat exchanger,
  • the expansion machine is a turbine or a reciprocating piston engine.
  • the system also comprises a superheater in addition to an evaporator and the superheater is arranged in a flow direction of the working medium after the evaporator.
  • the evaporator and the superheater are a component.
  • the system comprises a recuperator, by means of which heat can be transferred from the working medium after flowing through the expansion machine to the working medium in front of the evaporator.
  • the system thus converts the waste heat of the internal combustion engine into mechanical energy, thereby advantageously increasing the efficiency of the internal combustion engine.
  • the system comprises a plurality of evaporators.
  • the system comprises a generator.
  • the generator is drivable by the expansion machine, so that the system can thus provide electrical energy or electricity.
  • the working medium of the system is water as a pure substance, R245fa, ethanol (pure substance or mixture of ethanol with water), methanol (pure substance or mixture of methanol and water), long-chain alcohols C5 to C10, long-chain hydrocarbons C5 (penalcohol).
  • tan) to C8 octane
  • pyridine pure substance or mixture of pyridine with water
  • methylpyridine pure substance or mixture of methylpyridine with water
  • trifluoroethanol pure substance or mixture of trifluoroethanol with water
  • hexafluorobenzene at least one silicone oil, silicone oils , a water / ammonia solution and / or a water-ammonia mixture used.
  • FIG. 1 shows a highly simplified representation of an internal combustion engine with a system for utilizing waste heat
  • Fig 1 is designed as Hubkclbenverbrennungsmotor 2 trained internal combustion engine 1, which has a system 3 for the use of waste heat of the internal combustion engine 1 by means of Clausius-Rankine-Kreisprczesses.
  • the internal combustion engine 1 has a charge air compressor 24, the charge air compressor 24 sucks fresh air 32 through a fresh air line 23 and compresses the fresh air 32 in a charge air line 27 and a built-in charge air 27 charge air cooler 28 cools the charge air before being supplied to the internal combustion engine 1, by the heat to cooling air 9 is discharged.
  • Exhaust gas from the engine 1 is discharged through an exhaust pipe 33 and cooled in an exhaust gas turbine 25, an exhaust aftertreatment unit 31 and an evaporator 15 designed as Verdampferabgas139übertrager 16 then passed to the exhaust gas 26 into the environment.
  • the exhaust gas turbine 25 driven by the exhaust gas 26 drives the charge air compressor 24.
  • part of the exhaust gas 26 emitted by the internal combustion engine 1 is supplied through an exhaust gas recirculation line 29 with an exhaust valve 30 to the charge air line 27 and previously passed through an evaporator exhaust gas recirculation heat exchanger 17.
  • the exhaust gas 26 discharged from the engine 1 through the exhaust pipe 33 is not passed through the evaporator exhaust gas recirculation heat exchanger 17.
  • Coolant flows through a coolant circuit 4 with cooling transmission lines 5 and serves to cool the internal combustion engine 1.
  • a coolant heat exchanger 7 is integrated in the coolant circuit 4.
  • the heat absorbed by the coolant on the internal combustion engine 1 is emitted in the coolant heat exchanger 7 to the ambient air as cooling air 9.
  • a coolant circulation pump 10 integrated into the coolant circuit 4 conveys the coolant in the coolant lines 5.
  • a fan 8 for this purpose conveys the cooling air 9 to the coolant heat exchanger 7 and to the charge air cooler 28.
  • the system 3 has lines 13 with a working mechanism.
  • an expansion machine 18, a condenser 19 as a condenser heat exchanger 20, a collecting and equalizing tank 21 and a working medium pump 14 and two evaporators 15 are integrated.
  • the two evaporators 15 are the evaporator exhaust gas heat exchanger 16 in which the working medium of Waste heat of the guided through the exhaust pipe 33 is vaporized and the Verdampferabgas- manni heat exchanger 17 in which the working fluid is evaporated from the guided through the exhaust gas recirculation line 29 exhaust gas.
  • a 3/2-way valve 22 in the lines 13 of the system 3 can be controlled and / or regulated, which amount of working medium through the evaporator exhaust gas transformer 16 and the VerdampferabgasschreibSciencetownbergerter 17 is passed.
  • a working medium pump 14 the liquid working medium from the collecting and expansion tank 21 is sucked and raised to a higher pressure level in the circuit, pumped into the evaporator 15 and then evaporates the liquid working fluid in the evaporators 16 and then makes in the expansion machine 13th mechanical work by the gaseous working medium, in particular water, expands and subsequently has a low pressure.
  • the gaseous working fluid is liquefied and then fed back to the collecting and expansion tank 15.
  • the mechanical energy that has been rushed by the expansion machine 13 can be used, for example, directly to move a truck, not shown, or be converted into electrical energy with a generator, not shown.
  • a bypass coolant line 6 removes coolant from the internal combustion engine 1 to the coolant heat exchanger 7 at the coolant line 5 and conducts this to the 3/2-way valve 12.
  • the 3/2-way valve 12 can recirculate this coolant removed from the coolant line 5 described above the coolant line 5 are supplied, which leads from the 3/2-way valve 12 to the internal combustion engine 1.
  • the coolant circulation pump 10 is also integrated. The more coolant is taken from the bypass coolant line 6 of the cow intake pipe 5 between the engine 1 and the coolant heat exchanger 7, the less coolant is passed through theharistoff Anlagenüzustrager 7 and the more the temperature rises in the coolant and vice versa.
  • An unillustrated temperature sensor in the coolant circuit 4 detects the temperature of the coolant and controls and / or regulates this according to a predetermined desired value.
  • This temperature sensor is preferably installed in the coolant line 5 of the control member 11 to the engine 1, Suitably, this temperature sensor, not shown, part of the 3/2-Wegeventiis 12.
  • the target value for the temperature of the coolant, which in the coolant line 5 the Combustion engine 1 is supplied, for example, in a range between see 85 ° C and 95 ° C.
  • the internal combustion engine 1 is used, for example, in a truck and has a very low operating temperature at the start of the internal combustion engine 1, the majority of the coolant flowing out through the coolant line 5 from the internal combustion engine 1 will pass through the 3/2-way valve 12 passed through the bypass coolant line 6 and thus not cooled in theissermittei Vietnameseü- exchanger 7 and then immediately returned to the engine 1, so that only a small volume flow flows through the coolant heat exchanger 7 and is strongly cooled.
  • the condensing heat exchanger 20 can be cooled to a relatively low temperature even at a higher volume flow through the coolant heat exchanger 7 and thus also the condenser heat exchanger 20 in the condenser heat exchanger 20, because the condenser heat exchanger 20 is directly from themémittei Vietnameseschreibertrager 7 derived cooled Kühimittei is supplied.
  • the coolant circuit 4 has twomémittei Vietnameseschreiber 7.
  • the internal combustion engine 1 is cooled substantially with the first coolant radiator.
  • coolant is withdrawn as a partial flow in an additional circuit and then fed to the seconddemitteikorschreiber.
  • the Condenser heat exchanger 20 After passing through the seconddemitteikorschreibtrager the coolant, in particular immediately thereafter, the Condenser heat exchanger 20 supplied,
  • the first coolant radiator can be arranged in the flow direction of the coolant in front of the condenser heat exchanger 20 according to the embodiment in Fig.
  • the coolant supplied to the second coolant heat exchanger is derived directly from the first coolant element cooler or from the internal combustion engine 1, for example in the flow direction of the coolant.
  • the coolant supplied to the condenser heat exchanger 20 has a very low temperature level, because the condenser heat exchanger 20 is arranged in the flow direction of the coolant immediately after the coolant heat exchanger 7. As a result, the useful power of the system 3 for converting waste heat of the internal combustion engine 1 into mechanical energy can be substantially increased with little technical effort.

Abstract

Bei einem Verbrennungsmotor (1) mit einem System (3) zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors (1) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend einen Kühlmittelkreislauf (4) mit wenigstens einer von Kühlmittel durchströmten Kühlmittelleitung (5) zur Kühlung des Verbrennungsmotors (1) und einen Kühlmittelwärmeübertrager (7) zur Kühlung des Kühlmittels, einen Kreislauf mit Leitungen (13) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, zur Bildung des Systems (.3), eine Arbeitsmediumpumpe (14) zum Fördern des Arbeitsmediums, wenigstens einen Verdampfer (15) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine (18), einen Kondensator (19) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, wobei der Kondensator (19) als Kondensatorwärmeübertrager (20) in den Kühlmittelkreislauf (4) des Verbrennungsmotors (1) integriert ist zur Verflüssigung des Arbeitsmediums mittels einer Wärmeübertragung von dem Arbeitsmedium auf das Kühlmittel, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (21) für das flüssige Arbeitsmedium, soll der Clausius-Rankine-Kreisprozesses einen hohen Wirkungsgrad bei einem einfachen Aufbau des Verbrennungsmotors (1) aufweisen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kondensatorwärmeübertrager (20) in den Kühlmittelkreislauf (4) in Strömungsrichtung des Kühlmittels, insbesondere unmittelbar, nach dem Kühlmittelwärmeübertrager (7) integriert ist.

Description

Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mitteis des Clausius-Rankine« Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem System gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8.
Verbrennungsmotoren werden in verschiedenen technischen Anwendungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie eingesetzt, In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Lastkraftwagen, werden Verbrennungsmotoren eingesetzt, um das Kraftfahrzeug fortzubewegen. Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren kann durch den Einsatz von Systemen zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine- Kreisprozesses erhöht werden. Das System wandelt dabei Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie um. Das System umfasst einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, z. B, Wasser, eine Arbeitsmediumpumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmedium, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums und einen Auffang- u d Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium. Durch den Einsatz derartiger Systeme in einem Verbrennungsmotor kann bei einem Verbrennungsmotor mit einem derartigen System als Bestandteil des Verbrennungsmotors der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht werden,
Bei einem Einsatz eines Verbrennungsmotors mit diesem System in einem Kraftfahrzeug, d. h, bei einer mobilen Anwendung des Verbrennungsmotors, wird zur Kühlung des Kondensators im Allgemeinen ein Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors genutzt. Der Kondensator ist somit als Kondensatorwärmeübertrager ausgebildet und in den Kühlmittelkreislauf integriert, Der Kühlmittelkreislauf weist von Kühlmittel durchströmte Kühlmittelleitungen auf. Der Kondensatorwärmeübertrager ist dabei in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Verbrennungsmotors integriert, so dass das Kühlmittel nach dem Durchströmen durch den Verbrennungsmotors, wobei das Kühlmittel in dem Verbrennungsmotor erwärmt wird, in den Kondensatorwftrmeü- bertrager geleitet wird. Erst nach dem Durchströmen des Kondensatorwär- meübertragers wird das Kühlmittel in einem Kühlmittelwärmeübertrager abgekühlt und anschließend wieder in den Verbrennungsmotor eingeleitet. In der Kühimittellettung von dem Kondensatorwärmeübertrager zu dem Kühlmittelwärmeübertrager ist ein 3/2-Wegeventil eingebaut, so dass von dem 3/2-Wegeventil das Kühlmittel entweder durch den Kühlmittelwärmeübertra- ger und/oder durch eine Bypass-Kühlmittelleitung geleitet werden kann. Die Bypass-Kühlmitteileitung leitet das Kühlmittel an dem Kühlmittelwärmeübertrager vorbei unmittelbar in den Verbrennungsmotor. Das in den Kondensatorwärmeübertrager geleitete Kühlmittel weist eine relativ hohe Temperatur auf, weil das Kühlmittel zuerst in dem Verbrennungsmotor erwärmt worden ist und anschließend unmittelbar dem Kondensatorwärmeübertrager zugeführt wird. Das Kühlmittel wird nach dem Ausleiten aus dem Kondensator- Wärmeübertrager im Kühimittelwärmeübertrager abgekühlt, Der Wirkungsgrad des Systems zur Umwandlung von Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie ist jedoch umso größer, je niedriger die Temperatur des Arbeitsmediums unmittelbar nach dem Ausieiten des Kondensatorwärmeübertrager ist. Damit weist ein derart ausgebildetes System in nachteiliger Weise einen geringen Wirkungsgrad auf,
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses zur Verfügung zu stellen, bei dem der Clausius-Rankine-Kreisprozesses einen hohen Wirkungsgrad bei einem einfachen Aufbau des Verbrennungsmotors aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verbrennungsmotor mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mitteis des Clausius- Rankine-Kreisprozesses, umfassend einen Kühlmittelkreislauf mit wenigstens einer von Kühlmittel durchströmten Kühlmittelleitung zur Kühlung des Verbrennungsmotors und einen Kühimittelwärmeübertrager zur Kühlung des Kühlmittels, einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium. insbesondere Wasser, zur Bildung des Systems, eine A beitsmediumpumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, wenigstens einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, wobei der Kondensator als Kondensatorwärmeübertrager in den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors integriert ist zur Verflüssigung des Arbeitsmediums mittels einer Wärmeübertragung von dem Arbeitsmedium auf das Kühlmittel, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei der Kondensatorwärmeübertrager in den Kühlmittei- kreislauf in Strömungsrichtung des Kühlmitteis, insbesondere unmittelbar, nach dem Kühimittelwärmeübertrager integriert ist. Im Kondensatorwärmeübertrager wird von dem Arbeitsmedium des Systems auf das Kühlmittel des KühlmittelKreislaufes Wärme übertragen und dadurch das Arbeitsmedium von einem dampfförmigen in einen flüssigen Aggregat- zustand überführt, d. h. kondensiert. Innerhalb des Kühlmittelkreislaufes ist die Temperatur des Kühlmittels nach dem Durchleiten und Abkühlen in dem Kühlmittelwärmeübertrager am niedrigsten, Durch die Anordnung des Kondensatorwärmeübertrages in dem Kühlmittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Kühlmittelwärmeübertrager kann somit dem Kon- densatorwärmeübertrager Kühlmittel auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau zur Verfügung gestellt werden, Die Nutzleistung bzw, der Wirkungsgrad des Systems wird im Wesentlichen durch den Druckunterschied an der Expansionsmaschine bestimmt Diese Druckdifferenz wird wiederum vom Druck am Austritt des Kondensators bestimmt und diese wiederum von der Temperatur des Arbeitsmediums nach dem Austritt an dem Kondensator bzw, am Kondensatorwärmeübertrager, Durch die Nutzung von Kühlmittel, welches unmittelbar nach dem Durchleiten durch den Kühlmittelwärmeübertrager in den Kondensator bzw. dem Kondensatorwärmeübertrager eingeleitet wird, kann somit das Arbeitsmedium im Kondensatorwärmeübertrager besonders stark abgekühlt und damit eine besonders große Nutzleistung bzw. ein besonders hoher Wirkungsgrad des Systems erreicht werden.
Eine unmittelbare Anordnung des Kondensatorwörmeübertragers in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Kühlmittelwärmeübertrager bedeu- tet vorzugsweise, dass in den Kühlmittelleitungen zwischen dem Kühlmittelwärmeübertrager und dem Kondensatorwärmeübertrager keine Komponenten vorhanden sind, weiche eine Veränderung, z. B. um mehr als 0,5*0, 1°C, 2CC, 3°C, 5°C oder 10°C, insbesondere eine Erhöhung, in einem größeren Umfang der Temperatur des Kühlmittels bedingen. Insbesondere ist z i- sehen dem Kühlmittelwärmeübertrager und dem Kondensatorwärmeübertra- ger nicht der Verbrennungsmotor integriert, weil der Verbrennungsmotor das Kühlmittel stark erwärmt.
Insbesondere ist der Kondensatorwärmeübertrager in den Kühlmittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kühlmittels, insbesondere unmittelbar, vor dem Verbrennungsmotor integriert,
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Kühimittelkreisiauf eine Bypass- Kühlmittelleitung auf zur Umleitung des Kühlmitteis um den Kühlmlttelwär- meübertrager und/oder der Kühimittelkreisiauf weist nur einen Kühlmittelwärmeübertrager auf,
In einer ergänzenden Ausführungsform ist mittels eines in den Kühimittelkreisiauf integrierten Steuerorganes, insbesondere eines 3/2-Wegeventiis, die durch den Kühimittelwärmeübertrager und die Bypass-Kühlmitteüeitung leitbare Menge an Kühlmittel steuerbar und/oder regelbar.
Vorzugsweise ist mittels eines Temperatursensors und einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung das Steuerorgan betätigbar und vorzugsweise ist das Steuerorgan in den Kühimittelkreisiauf in Strömungsrichtung des Kühlmittels zwischen dem Kondensator und dem Verbrennungsmotor integriert, Der Temperatursensor ist vorzugsweise in der Kühlmittelleitung von dem Steuerorgan zu dem Verbrennungsmotor angeordnet und erfasst somit die Temperatur des Kühlmittels, welche in dem Verbrennungsmotor eingeleitet wird. Die Bypass-Kühlmitteileitung entnimmt der Kühlmittelleitung von dem Verbrennungsmotor zu dem Kühlmittelkühler Kühlmittel und leitet dieses anschließend wieder der Kühfmittelleitung von dem Steuerorgan zu dem Verbrennungsmotor zu, Damit kann von dem Steuerorgan gesteuert und/oder geregelt werden, welche Menge an Kühlmittel nach dem Austritt aus dem Verbrennungsmotor in den Kühlmittelkühler und damit auch in den Kondensatorwärmeübertrager einströmt und diejenige Menge an Kühlmittel, welche durch die Bypass-Kühlmittelleitung strömt, wird nach dem Steuerorgan wieder unmittelbar dem Verbrennungsmotor zugeführt und damit nicht gekühlt. Somit kann die Temperatur des Kühlmittels, welche dem Verbrennungsmotor zugeführt gesteuert und/oder geregelt werden.
In einer Variante ist in den K hlmittelkreislauf eine Kühlmittelumwälzpumpe zum Fördern des Kühlmittels integriert.
Zweckmäßig ist der wenigstens eine Verdampfer als ein von Abgas des Ver- brennungsmotors und Arbeitsmedium des Systems durchströmter Verdamp- ferabgaewärmeübertrager und/oder Verdampferabgaerückfühiwärmeübert- rager ausgebildet zur Wärmeleitung von Wärme von dem Abgas zu dem Arbeitemedium. Von dem Verdampfer wird somit Wärme vom Abgas auf das Arbeitsmedium übertragen, so dass das Arbeitsmedium verdampft.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbrennungsmotors, mit den Schritten: Leiten von Kühlmitte! durch einen Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors, Erwärmen des Kühlmittels in einem Verbrennungsmotors, Kühlen des Kühlmittels in einem Kühlmittelwärmeübertrager, Leiten von Kühlmitte! des Kühlmittelkreislaufes und eines Arbeitsmediums des Systems durch einen Kondensatorwärmeübertrager als Kondensator, so dass Wärme von dem Arbeitsmedium zu dem Kühlmittel übertragen wird und das Arbeitsmedium in dem Kondensator kondensiert, wobei das Kühlmittel nach dem Durchleiten durch den Kühlmittelwärmeübertrager, insbesondere ausschließlich, in den Kondensatorwärmeübertrager geleitet wird und dabei vorzugsweise keine oder nur einer geringe Temperaturänderung des Kühlmit- tels auftritt. Eine geringe Temperaturänderung des Kühlmittels bedeutet, dass die Temperatur sich nur weniger als 10°C, 7°C, 5°C, 3°C, 2°C oder 1 °C ändert.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Kühlmittel, insbesondere aus- schließlich, nach dem Durchleiten durch den Kondensatorwärmeübertrager in den Verbrennungsmotor und/oder in den Kühlmittelwärmeübertrager geleitet und dabei vorzugsweise keine oder nur einer geringe Temperaturänderung des Kühlmittels auftritt. Eine geringe Temperaturänderung des Kühlmittels bedeutet, dass die Temperatur sich nur weniger als 10°C, 7°C, 5°C, 3°C, 2°C oder 1 ändert,
Insbesondere wird von einem Steuerorgan in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels gesteuert und/oder geregelt, welche Menge des Kühlmittels des durch den Kondensatorwärmeübertrager geleiteten Kühlmittels durch den Verbrennungsmotor und/oder den Kühlmittelwärmeübertrager geleitet wird,
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Expansionsmaschine eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System neben einem Verdampfer auch einen Überhitzer und der Überhitzer ist in einer Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem Verdampfer angeordnet. Vorzugsweise sind der Verdampfer und der Überhitzer ein Bauteil.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System einen Rekuperator, mittels dem Wärme aus dem Arbeitsmedium nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine an das Arbeitsmedium vor dem Verdampfer übertragbar ist. in einer weiteren Ausgestaltung ist von dem System als Bestandteil des Verbrennungsmotors die Ab örme des Abgashauptstromes des Verbrennungsmotors und/oder die Abwärme der Abgasrückführung und/oder die Abwärme der komprimierten Ladeluft und/oder die Wärme eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors nutzbar. Von dem System wird somit die Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie umgewandelt und dadurch der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors in vorteilhafter Weise erhöht. Vorzugsweise umfasst das System mehrere Verdampfer.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System einen Generator. Der Generator ist von der Expansionsmaschine antreibbar, so dass das System damit elektrische Energie oder elektrischen Strom zur Verfügung stellen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird als Arbeitsmedium des Systems Wasser als Reinstoff, R245fa, Ethanol (Reinstoff oder Gemisch von Ethanol mit Wasser), Methanol (Reinstoff oder Gemisch von Methanol und Wasser) län- gerkettige Alkohole C5 bis C10, längerkettige Kohlenwasserstoffe C5 (Pen- tan) bis C8 (Oktan), Pyridin (Reinstoff oder Gemisch von Pyridin mit Wasser), Methylpyridin (Reinstoff oder Gemisch von Methylpyridin mit Wasser), Trifluorethanol (Reinstoff oder Gemisch von Trifluorethanol mit Wasser), He- xafiuorbenzol, wenigstens ein Silikonöl, Silikonöle, eine Wasser/Ammoniaklösung und/oder ein Wasser-Ammoniak-Gemisch eingesetzt.
Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, Es zeigt: eine stark vereinfachte Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem System zur Nutzung von Abwärme
des Verbrennungsmotors, In Fig, 1 ist als Hubkclbenverbrennungsmotor 2 ausgebildeter Verbrennungsmotor 1 dargestellt, der ein System 3 zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors 1 mittels des Clausius-Rankine-Kreisprczesses aufweist. Der Verbrennungsmotor 1 weist einen Ladeluftverdichter 24 auf, Der Ladeluftverdichter 24 saugt Frischluft 32 durch eine Frischluftleitung 23 an und verdichtet die Frischluft 32 in eine Ladeluftleitung 27 und ein in die Ladeluftleitung 27 eingebauter Ladeluftkühler 28 kühlt die Ladeluft vor der Zuführung zu dem Verbrennungsmotor 1 ab, indem die Wärme an Kühlluft 9 abgegebenen wird. Durch eine Abgasleitung 33 wird Abgas vom Verbrennungsmotor 1 abgleitet und in eine Abgasturbine 25, eine Abgasnachbehandlungseinheit 31 und einen als Verdampferabgaswärmeübertrager 16 ausgebildeten Verdampfer 15 abgekühlt an anschließend das Abgas 26 in die Umgebung geleitet. Die von dem Abgas 26 angetriebene Abgasturbine 25 treibt den Ladeiuftverdichter 24 an. Außerdem wird ein Teil des von dem Verbrennungsmotor 1 abgegebenen Abgases 26 durch eine Abgasrückführ- leitung 29 mit einem Abgasventil 30 der Ladeluftleitung 27 zugeführt und vorher durch einen Verdampferabgasrückfühavärmeübertrager 17 geleitet. Das durch die Abgasleitung 33 aus dem Verbrennungsmotor 1 abgeleitete Abgas 26 wird nicht durch den Verdampferabgasrückführwärmeübertrager 17 geleitet.
Ein Kühimittelkreislauf 4 mit Kühlmitteileitungen 5 wird von Kühlmittel durchströmt und dient zur Kühlung des Verbrennungsmotors 1. Hierzu ist in den Kühimittelkreislauf 4 ein Kühlmittelwärmeübertrager 7 integriert. Die von dem Kühlmittel am Verbrennungsmotor 1 aufgenommene Wärme wird in dem Kühlmittelwärmeübertrager 7 an die Umgebungsluft als Kühlluft 9 abgegebenen. Eine in den Kühimittelkreislauf 4 integrierte Kühlmittelumwälzpumpe 10 fördert das Kühlmittel in den Kühlmittelleitungen 5, Ein Gebläse 8 fördert hierzu die Kühlluft 9 zu dem Kühlmittelwärmeübertrager 7 und zu dem Lade- luftkühier 28, Das System 3 weist Leitungen 13 mit einem Arbeitsmeclium auf. In den Kreislauf mit dem Arbeitsmedium sind eine Expansionsmaschine 18, ein Kondensator 19 als Kondensatorwärmeübertrager 20, ein Auffang- und Ausgleichsbehälter 21 sowie eine Arbeitsmediumpumpe 14 und zwei Verdamp- fer 15 integriert, Die beiden Verdampfer 15 sind dabei der Verdampferabgaswärmeübertrager 16 in dem das Arbeitsmedium von Abwärme des durch die Abgasleitung 33 geleiteten verdampft wird und der Verdampferabgas- rückfüh Wärmeübertrager 17 in dem das Arbeitsmedium von dem durch die Abgasrückführleitung 29 geleiteten Abgases verdampft wird. Mittels eines 3/2-Wegenventils 22 in den Leitungen 13 des Systems 3 kann gesteuert und/oder geregelt werden, welche Menge an Arbeitsmedium durch den Verdampferabgaswörmeübertrager 16 und den Verdampferabgasrückführwär- meübertrager 17 geleitet wird. Von einer Arbeitsmediumpumpe 14 wird das flüssige Arbeitsmedium aus dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 21 ange- saugt und auf ein höheres Druckniveau in dem Kreislauf angehoben, in die Verdampfer 15 gepumpt und anschließend verdampft das flüssige Arbeitsmedium in den Verdampfern 16 und leistet anschließend in der Expansionsmaschine 13 mechanische Arbeit, indem das gasförmige Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, expandiert und darauffolgend einen geringen Druck aufweist. In dem Kondensator 19 als Kondensatorwärmeübertrager 20 wird das gasförmige Arbeitsmedium verflüssigt und anschließend wieder dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 zugeführt. Die von der Expansionsmaschine 13 zur Verfügung gesteilte mechanische Energie kann beispielsweise direkt zur Fortbewegung eines nicht dargestellten Lastkraftwagens genutzt werden oder mit einem nicht dargestellten Generator in elektrische Energie umgewandelt werden.
Das aus dem Kühimitteiwärmeübertrager 7 ausgeleitete Kühlmittel wird unmittelbar, d, h. mit im Wesentlichen keiner Temperaturänderung, dem Kon- densatorwärmeübertrager 20 durch die Kühlmittelieitung 5 zugeführt. Zur Abkühlung des Arbeitsmediums in dem Kondensato?wärmeübertrager 20 wird ausschließlich Kühlmittel verwendet, welches nach dem Durchleiten durch den Kühlmittelwärmeübertrager 7 im Kühlmittelwärmeübertrager 7 gekühlt worden ist. Damit kann dem Kondensatorwärmeübertrager 20 Kühlmit- tel auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau zur Verfügung gestellt werden und somit eine hohe Nutzleistung des Systems 3 als Waste-Heat Reco- very-System 3 erreicht werden. Mit einem als 3/2-Wegeventil 12 ausgebildeten Steuerorgan 1 wird die Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf 4 gesteuert und/oder geregelt. Eine Bypass-Kühimittelteitung 6 ent- nimmt an der Kühlmittelleitung 5 von dem Verbrennungsmotor 1 zu dem Kühlmittelwärmeübertrager 7 Kühlmittel und leitet dieses zu dem 3/2-Wegeventil 12. Am 3/ -Wegeventil 12 kann dieses von der oben beschriebenen Kühlmittelleitung 5 entnommene Kühlmittel wieder der Kühlmittelleitung 5 zugeführt werden, welche von dem 3/2-Wegeventil 12 zu dem Verbrennungsmotor 1 führt. In diese Kühlmittelleitung S von dem 3/2-Wegeventil 12 zu dem Verbrennungsmotor 1 ist außerdem auch die Kühlmittelumwälzpumpe 10 integriert. Je mehr Kühlmittel von der Bypass- Kühlmittelieitung 6 der Kuhimittelleitung 5 zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Kühlmittelwärmeübertrager 7 entnommen wird, desto weniger Kühlmittel wird durch den Kühlmittelwärmeübeitrager 7 geleitet und desto mehr steigt die Temperatur in dem Kühlmittel an und umgekehrt. Ein nicht dargestellter Temperatursensor in dem Kühimittelkreislauf 4 erfasst die Temperatur des Kühlmittels und steuert und/oder regelt diese entsprechend einem vorgegebenen Sollwert. Dieser nicht dargestellte Temperatursensor ist dabei vorzugsweise in der Kühlmittelleitung 5 von dem Steuerorgan 11 zu dem Verbrennungsmotor 1 eingebaut, Zweckmäßig ist dieser nicht dargestellte Temperatursensor Bestandteil des 3/2-Wegeventiis 12. Der Sollwert für die Temperatur des Kühlmittels, welche in der Kühlmittelleitung 5 dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird , liegt beispielsweise in einem Bereich zwi- sehen 85°C und 95°C. Wird der Verbrennungsmotor 1 beispielsweise in einem Lastkraftwagen eingesetzt und weist beim Start des Verbrennungsmotors 1 der Verbrennungsmotor 1 eine noch sehr niedrige Betriebstemperatur auf, wird von dem 3/2- Wegeventil 12 der überwiegende Anteil des durch die Kühlmiitelleitung 5 ausströmenden Kühlmittels aus dem Verbrennungsmotor 1 durch die By- pass-Kühlmittelieitung 6 geleitet und damit nicht in dem Kühlmitteiwärmeü- bertrager 7 gekühlt und anschließend somit sofort wieder dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt, Damit strömt nur ein kleiner Volumenstrom durch den Kühlmittelwärmeübertrager 7 und wird dabei stark abgekühlt. Dieses stark abgekühlte Kühlmittel kann somit in dem Kondensatoavärmeübertrager 20 das Arbeitsmedium des Systems 3 besonders stark abkühlen, Nach dem Ansteigen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors wird ein höherer Anteil des aus dem Verbrennungsmotor 1 ausgeleiteten Kühlmittels durch den Kühlmitteiwärmeübertrager 7 geleitet und dadurch das Kühlmittel in dem Kühlmittelwärmeübertrager 7 weniger stark abgekühit, Trotzdem kann dem Kondensatorwärmeübertrager 20 auch bei einem höheren von durch den Kühlmittelwärmeübertrager 7 und auch damit dem Kondensatorwärmeübert- rager 20 geleiteten Volumenstromes am Kühlmittel im Kondensatorwärmeübertrager 20 das Arbeitsmedium auf eine relativ niedrige Temperatur abgekühlt werden, weil dem Kondensatorwärmeübertrager 20 unmittelbar aus dem Kühlmitteiwärmeübertrager 7 abgeleitetes gekühltes Kühimittei zugeführt wird. in einem zweiten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotors 1 weist der Kühlmittelkreislauf 4 zwei Kühlmitteiwärmeübertrager 7 auf. In einem ersten Hauptkreis des Kühlmittelkreislaufes 4 wird im Wesentlichen mit dem ersten Kühlmittelkühler der Verbrennungsmotor 1 gekühlt. Aus dem Hauptkreislauf wird in einem Zusatzkreislauf Kühlmittel ais Teilstrom entnommen und anschließend dem zweiten Kühlmitteiwärmeübertrager zugeführt. Nach dem Durchleiten durch den zweiten Kühlmitteiwärmeübertrager wird das Kühlmittel, insbesondere unmittelbar anschließend, dem Kondensatorwärmeübertrager 20 zugeführt, Der erste Kühlmittelkühler kann dabei in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Kondensatorwärmeübertrager 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 , aber auch nach dem Kondensatorwärmeübertrager 20 angeordnet sein, Um ein ausreichend nied- riges Temperaturniveau des Kühlmittels in dem Kondensatorwärmeübertrager 20 zur Verfügung zu haben, wird das Kühlmittel an dem zweiten Kühlmittelwörmeübertrager zusätzlich abgekühlt, Das dem zweiten Kühlmittelwärmeübertrager zugeführte Kühlmittel wird dabei beispielsweise in Strömungsrichtung des Kühlmittels unmittelbar aus dem ersten Kühimitteikühler oder aus dem Verbrennungsmotor 1 abgeleitet.
Ingesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 1 wesentliche Vorteile verbunden. Das dem Kondensatorwärmeübertrager 20 zugeführte Kühlmittel weist ein sehr niedriges Temperaturniveau auf, weil der Kondensatorwärmeübertrager 20 in Strömungsrichtung des Kühlmitteis unmittelbar nach dem Kühlmittelwärmeübertrager 7 angeordnet ist. Dadurch kann die Nutzleistung des Systems 3 zur Umwandlung von Abwärme des Verbrennungsmotors 1 in mechanische Energie wesentlich erhöht werden mit einem geringen technischen Aufwand.
Bezugszelchenllste
1 Verbrennungsmotor
Hubkolbenverbrennungsmotor
3 System
4 Kühlmittelkreislauf
5 Kühlmittelleitung
6 Bypass-Kühlmittelleitung
7 Kühlmittelwärmeübertrager
8 Gebläse
9 Kühlluft
10 Kühlmittelumwälzpumpe
11 Steuerorgan
1232-Wegenventil in Kühlmittelkreislauf
13 Leitung
14 Arbeitsmediumpumpe
15 Verdampfer
16 Verdampferabgaswärmeübertrager
17 Verdampferabgasrückführwärmeübertrager
18 Expansionsmaschine
19 Kondensator
20 Kondeneatorwärmeübertrager
21 Auffang- und Ausgleichsbehälter
223/2-Wegeventil in System
23 Frischluftleitung
24 Ladeluftverdichter
25 Abgasturbine
26 Abgas Ladeluftleitung
Ladeiuftkühler
Abgasrückführleitung
Abgasventil
Abgasnachbehandlungseinheit Frischluft
Abgasleitung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verbrennungsmotor (1) mit einem System (3) zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors (1) mittels des Clausius-Rankine- Kreisprozesses, umfassend
- einen Kühlmittelkreislauf (4) mit wenigstens einer von Kühlmittel durchströmten Kühlmittelleitung (5) zur Kühlung des Verbrennungsmotors (1) und einen Kühlmittelwärmeübertrager (7) zur Kühlung des Kühlmittels,
- einen Kreislauf mit Leitungen (13) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, zur Bildung des Systems (3),
- eine Arbeitsmediumpumpe (14) zum Fördern des Arbeitsme- diums,
- wenigstens einen Verdampfer (15) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums,
- eine Expansionsmaschine (18),
- einen Kondensator (19) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, wobei der Kondensator (19) als Kondensatorwärmeübertrager (20) in den Kühlmittelkreislauf (4) des Verbrennungsmotors (1) integriert ist zur Verflüssigung des Arbeitsmediums mittels einer Wärmeübertragung von dem Arbeitsmedium auf das Kühlmittel,
vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (21) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorwärmeübertrager (20) in den Kühlmittelkreislauf (4) in Strömungsrichtung des Kühlmittels, insbesondere unmittelbar, nach dem Kühlmittelwärmeübertrager (7) integriert ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorwärmeübertrager (20) in den Kühlmittelkreislauf (4) in Strömungsrichtung des Kühlmittels, insbesondere unmittelbar, vor dem Verbrennungsmotor (1) integriert ist,
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmlttelkreielauf (4) eine Bypass-Kühlmittelleitung (6) aufweist zur Umleitung des Kühlmittels um den Kühlmittelwärmeübertrager (7) und/oder der Kühlmittelkreislauf (4) nur einen Kühlmlttelwärmeübert- rager (7) aufweist,
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines in den Kühlmittelkreislauf (4) integrierten Steuerorganes (11), insbesondere eines 3/2-Wegeventils (12), die durch den Kühlmittelwärmeübertrager (7) und die Bypass-Kühlmittelleitung (6) leitbare Menge an Kühlmittel steuerbar und/oder regelbar ist,
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Temperatursensors und einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung das Steuerorgan (1 ) betätigbar ist und vorzugsweise das Steuerorgan (11) in den Kühlmittelkreisiauf (4) in Strömungsrichtung des Kühlmitteis zwischen dem Kondensator (19) und dem Verbrennungsmotor (1) integriert ist.
6. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlmittelkreisiauf (4) eine Kühlmittelumwälzpumpe (10) zum Fördern des Kühlmittels integriert ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Verdampfer (15) als ein von Abgas des Verbrennungsmotors (1) und Arbeitsmedium des Systems (3) durchströmter Verdampferabgaswär- meübertrager (16) und/oder Verdampferabgasrückfühiwärmeübertra- ger ( 7) ausgebildet ist zur Wärmeleitung von Wärme von dem Abgas zu dem Arbeitsmedium.
8. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) mit einem System (3) zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors (1) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, insbesondere eines Verbrennungsmotors (1) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
Leiten von Kühlmittel durch einen Kühlmittelkreislauf (4) des Verbrennungsmotors (1),
- Erwärmen des Kühlmittels in dem Verbrennungsmotor (1),
- Kühlen des Kühlmittels in einem Kühlmittelwärmeübertrager (7),
- Leiten von Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes (4) und eines Arbeitsmediums des Systems (3) durch einen Kondensatorwärmeübertrager (20) als Kondensator (19), so dass Wärme von dem Arbeitsmedium zu dem Kühlmittel übertragen wird und das Arbeitsmedium in dem Kondensator (19) kondensiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel nach dem Durchleiten durch den Kühlmittelwärmeübertrager (7), insbesondere ausschließlich, in den Kondensatorwärmeübertrager (20) geleitet wird und dabei vorzugsweise keine oder nur einer geringe Temperaturänderung des Kühlmitteis auftritt,
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel, insbesondere ausschließlich, nach dem Durchleiten durch den Kondensatorwärmeübertrager (20) in den Verbrennungsmotor (1) und/oder in den Kühlmittelwärmeübertrager (7) geleitet wird und dabei vorzugsweise keine oder nur einer geringe Temperaturänderung des
Kühlmittels auftritt.
10. erfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Steuerorgan (11) in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühl- mittels gesteuert und/oder geregelt wird, welche Menge des Kühlmittels des durch den Kondensatorwärmeübertrager (20) geleiteten Kühlmittels durch den Verbrennungsmotor (1) und/oder den Kühlmittelwärmeübertrager (7) geleitet wird.
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