WO2012055555A2 - Internal combustion engine - Google Patents

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WO2012055555A2
WO2012055555A2 PCT/EP2011/005411 EP2011005411W WO2012055555A2 WO 2012055555 A2 WO2012055555 A2 WO 2012055555A2 EP 2011005411 W EP2011005411 W EP 2011005411W WO 2012055555 A2 WO2012055555 A2 WO 2012055555A2
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WO
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internal combustion
combustion engine
rankine cycle
steam jet
heat
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PCT/EP2011/005411
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German (de)
French (fr)
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WO2012055555A3 (en
Inventor
Andreas Franke
Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Dominik Mall
Original Assignee
Daimler Ag
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Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
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    • 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
    • F01K15/00—Adaptations of plants for special use
    • F01K15/02—Adaptations of plants for special use for driving vehicles, e.g. locomotives
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a motor vehicle equipped with such an internal combustion engine.
  • the reason for this is, for example, the dimensioning of the vehicle radiator and an at least to be reached condensation temperature in a condenser of the waste heat recovery device.
  • a waste heat recovery device which has a cooling circuit with a compressor, a Rankine cycle Rankine with a
  • the Condenser and a control unit that controls an operation of the cooling circuit and the Rankine cycle Clausius.
  • the control unit carries a
  • control unit performs an intermittent control of the Rankine cycle in which it is operated intermittently according to the operating state of the compressor, so that the mechanical energy recovered by the expansion unit is greater than a driving power of the compressor.
  • From DE 10 2008 039 908 A1 discloses a device for cooling a vehicle battery is known, which is flowed through by a coolant, wherein a coolant pump conveys the coolant within a coolant circuit and the coolant circuit is thermally coupled via a heat exchanger with a refrigerant circuit of a chiller.
  • the chiller is designed as adsorption chiller, whereby the vehicle battery is to be kept in a temperature window.
  • the present invention deals with the problem for an internal combustion engine of the generic type an improved or at least an alternative
  • the internal combustion engine is characterized in that an adsorption refrigeration device, an absorption refrigeration device or a
  • Steam jet refrigeration device is provided, which is involved in the Clausius-Rankine cycle. In one embodiment, it supports or replaces it
  • Adsorption refrigeration device absorption refrigeration device or
  • the adsorption refrigeration device is
  • Steam jet cooling device is connected via an exhaust gas condenser with the exhaust pipe heat transferring and thereby dissipates heat of condensation of a Rankine capacitor on the exhaust stream.
  • the Rankine capacitor is cooled via the cooling circuit of the internal combustion engine. This is completely or partially relieved by the solution according to the invention of the waste heat of the Rankine cycle.
  • the exhaust gas condenser is disposed in the exhaust pipe downstream of the heat exchanger / evaporator.
  • the evaporator removes heat from the exhaust gas. As a result, the exhaust gas after the evaporator is at low
  • Steam jet cooling device provided, which is operated via a branched off after the pump and before the heat exchanger device partial flow.
  • Disconnecting the partial flow upstream of the evaporator has the advantage that the exhaust gas condenser does not have to dissipate additional heat supplied in the evaporator from the partial flow. If the condensation power in the exhaust gas condenser also has to condense the vapor of a partial flow discharged after the evaporator, the exhaust gas condenser must therefore be designed to be significantly larger and more powerful. In addition, part of the power is robbed by the branched off after the evaporator steam the Rankine cycle. In one embodiment, in the Rankine cycle, a
  • the Clausius-Rankine cycle is a
  • two pumps are provided in the Rankine cycle, the one between the condenser and a steam jet pump
  • Steam jet pump of the steam jet refrigeration device and the evaporator is arranged. Usually, only one pump is provided in a Rankine cycle between the condenser and the evaporator, which conveys the working medium to the evaporator and raises it from a lower pressure level to an upper pressure level.
  • the second Rankine pump raises the pressure level of the working fluid from a medium pressure level upper pressure level and promotes the cool, at a high pressure level working medium in the direction of the evaporator on.
  • a suction jet of the steam jet pump is guided so that heat is removed from the condenser.
  • the steam jet cooling device has a collector, which is arranged downstream of the steam jet pump and upstream of the condenser, and preferably also upstream of a valve.
  • the valve is designed as an expansion valve.
  • the expansion valve is therefore on the one hand fluidly connected to the collector and on the other hand fluidly connected to the capacitor.
  • the expansion valve serves in particular the purpose of relaxing the working fluid prior to entering the condenser and diluting it, for example, in order to increase the power of the refrigeration device.
  • the expansion valve can also be designed in particular as a throttle valve, which causes a corresponding pressure reduction within the refrigeration device.
  • the collector has a level detection.
  • the fill level detection serves in particular the purpose of checking which quantity or which volume of the working medium is stored in the collector in order to determine, for example, the current mass distribution in the Rankine cycle.
  • the collector and / or at least one such conveyor and / or the expansion valve is / are controllable.
  • the respective controllable design now serves in particular the purpose of controlling the storage and the release of the working medium in or from the collector.
  • inlets and outlets of the controllable components of the waste heat utilization device can be controlled.
  • the corresponding storage or release of the working medium can be effected by a change in the power of the at least one conveyor.
  • any combination of the said possibilities realizes the storage of the working medium in the collector as well as the release of the working medium stored in the collector.
  • a control device is then expediently provided, which controls the respective controllable components of the waste heat utilization device, in particular dere dependent on thermodynamic state variables of the waste heat recovery device or the working medium, both in the Rankine cycle and in the refrigeration device controls.
  • the steam jet cooling device is arranged in the Clausius-Rankine cycle parallel to the expander also provided there. As a result, the steam jet cooling device forms a secondary circuit, which supports the function of the Rankine cycle without disturbing it more than necessary.
  • the adsorption refrigeration device (6 ') has at least one adsorber, which is coupled in an heat-transferring manner via an evaporator to the condenser, which is likewise integrated into the Rankine cycle, and via an exhaust gas condenser (3) arranged in the exhaust gas line.
  • the at least one adsorber is integrated in the Clausius-Rankine cycle or in the cooling circuit of the internal combustion engine. This has the advantage that the adsorber is connected to the cooling circuit of an internal combustion engine such that heat can be supplied from the cooling circuit in order to desorb the working medium in the adsorber.
  • the working medium in the Rankine cycle is water, water / ethanol, ethanol, R123, Novec, or R152at. These media have proven themselves in terms of the highest possible efficiency of the Rankine circle in the given vehicle conditions.
  • the present invention is based on the general idea to provide in a known per se internal combustion engine in a motor vehicle, designed as a Clausius-Rankine cycle waste heat recovery device, via a
  • Heat exchanger heat of an exhaust pipe, an exhaust gas recirculation and / or a cooling circuit of the internal combustion engine can be fed and uses this heat energy.
  • a refrigeration device for example an adsorption refrigeration device, an absorption refrigeration device or a steam jet refrigeration device is provided, which is integrated into the Clausius-Rankine cycle and which supports cooling of a condenser in the Rankine cycle.
  • Refrigeration device and simultaneous removal of waste heat via the exhaust a conventional vehicle radiator may be smaller dimensions under certain circumstances or possibly even completely eliminated.
  • an appropriately designed refrigeration device such as an adsorption refrigeration device, an absorption refrigeration device or a
  • Waste heat recovery device equipped engine significantly improve their efficiency and thus one with such
  • the solution according to the invention supports the refrigeration device, that is, for example, the adsorption refrigeration, the
  • the corresponding integrated in the Clausius-Rankine cycle refrigeration device is additionally in the cooling circuit of
  • Fig. 2 is a representation as in Fig. 1, but with one in series with a
  • FIG. 3 shows an internal combustion engine according to the invention with an adsorption refrigerating device arranged in a Clausius Rankine cycle
  • an internal combustion engine 1 according to the invention of a motor vehicle has a, designed as a separate Clausius-Rankine cycle 2,
  • the Rankine working medium may be e.g. Water, water / ethanol, ethanol, R123, Novec, or R152a.
  • Waste heat utilization device 2 essentially consists of a pump 5, a heat exchanger 4, an expansion unit 9, for example a scroll or a reciprocating piston expander and a refrigeration device 6, and a condenser 7.
  • the waste heat utilization device as in Fig. 1 to 3 shown, heat transfer connected to an exhaust pipe 8 of the internal combustion engine 1.
  • the expansion unit 9 converts the waste heat recovery device 2 over the
  • Heat exchanger 4 supplied thermal energy into kinetic energy.
  • expansion unit 9 can be connected in a force-transmitting manner to a generator 10, so that the kinetic energy generated in
  • the refrigeration device 6 can be used as a steam jet cooling device 6 "(cf., FIGS. 1 and 2), as
  • Adsorption refrigeration device 6 "(see Fig. 3) or as absorption refrigeration device be educated. According to the invention, the refrigeration device 6 integrated into the Rankine cycle 2, regardless of its embodiment, now supports the cooling of the condenser 7 in the Rankine cycle 2 and thereby increases the temperature
  • Rankine cycle 2 with a pump 5, a heat exchanger 4 designed as an evaporator, an expander 9 and a condenser 7.
  • the pump 5 supplies the working medium of the Rankine cycle 2 to the evaporator 4.
  • the working medium is typically raised from a lower pressure level to an upper pressure level.
  • the working medium is evaporated by the supply of heat and possibly superheated.
  • heat is supplied to the evaporator 4 via a line 8 of a heat carrier.
  • the line 8 is an exhaust pipe, which supplies the heat of the exhaust gases of an internal combustion engine 1 to the evaporator 4. Additionally or alternatively, it can also be provided to supply the heat from the exhaust gas to an exhaust gas recirculation or heat from a cooling water circuit or the like.
  • the heated, vaporized at upper pressure level working medium is supplied to the expander 9, where it is expanded while releasing mechanical energy to a lower pressure level.
  • the relaxed working medium is then fed to the condenser 7, where it condenses with the release of heat.
  • the now again liquid at a low pressure level working medium leaves the condenser 7 and is then fed back to the pump 5.
  • the capacitor 7 is supported or replaced by a refrigerating device 6.
  • a refrigerating device 6 trained refrigeration device 6 is provided with a steam jet pump 17, a heat exchanger 3, a valve 18 and the heat-receiving side of the capacitor 7 of the Rankine circle 2.
  • the capacitor 7 is part of the refrigeration device 6.
  • the refrigeration device 6 takes in Fig. 1 So the heat of condensation of the Rankine cycle 2 on.
  • the refrigeration device 6 can also support the capacitor 7.
  • a heat-absorbing heat exchanger of the refrigeration device 6 is provided, the heat-absorbing side between the expansion valve 18 and steam jet cooling pump 17 before or after the condenser 7 in the steam jet cooling device 6 "is arranged and its heat-supplying side between expander 9 capacitor or is integrated between the condenser 7 and pump 5 in the Rankine cycle 2.
  • the condenser 7 of the Rankine cycle 2 can be cooled by a separate refrigerant circuit or by a refrigeration cycle, eg, the refrigerant cycle of the internal combustion engine 1.
  • the refrigeration device 6 is supplied as shown in FIG. 1, a partial flow of the Rankine working medium. In FIG. 1, it branches off after the pump 5 and a second pump 5 ' and before the evaporator 4. The branched-off partial flow of the Rankine working medium is fed to the steam jet pump 17 of the steam jet cooling device 6 " .
  • the steam jet refrigeration device 6 " is a conventional cold steam process in which the mechanical compressor of a compression refrigeration machine by a
  • Steam jet compressor 17 is replaced.
  • the steam jet cooling device 6 " is operated as a closed circuit 6, in which the driving medium and suction medium consist of the same fluid, namely the Rankine working medium in our case
  • the motive steam is accelerated by a Laval nozzle to flow velocities above the speed of sound
  • the resulting negative pressure (evaporation pressure) the suction steam is drawn from the condenser 7 and entrained by the propellant jet, whereby the usable cooling capacity is formed in the mixing chamber of the steam jet compressor 17, propellant and suction steam mix to form a shock wave to a vapor mixture From supersonic to subsonic, thereby increasing the pressure in the vapor mixture, a further increase to an intermediate pressure takes place in the diffuser of the steam jet compressor 17 of the refrigeration device 6.
  • heat of condensation is dissipated via the exhaust gas stream by the adsorption cooling device 6 ', absorption cooling device or Steam jet cooling device 6 "trained refrigeration device 6 is connected via the condenser 3 with the exhaust pipe 8 heat transferring
  • the hot steam located at a medium pressure is supplied to the exhaust gas heat exchanger 3, where it gives off condensation heat to the exhaust gas of the internal combustion engine 1 and condenses.
  • the exhaust gas condenser is in the
  • Exhaust pipe 8 is arranged behind the heat exchanger 4.
  • the now cool, located on a medium pressure working fluid of the refrigeration circuit 6 is divided into a partial flow, which is returned to themaschinedampfer Wegung between the pump 5 and the pump 5 ' in the Rankine cycle 2 and a refrigerant circuit, the on a Expansion valve 8 is relaxed to a lower pressure level, wherein it continues to cool.
  • This cool at lower pressure level located refrigerant circuit stream is then fed to the condenser 7 as a cooling medium, where it cools the working medium of the Rankine cycle 2 and condensed while being heated itself.
  • This heated cooling medium of the refrigeration device 6 is sucked in by the negative pressure of the steam jet pump 17 and mixed as suction steam in the steam steel pump 17 with the branched stream of the Rankine cycle 2 supplied as motive steam in the manner already described.
  • Waste heat recovery device 2 in particular by changes in a
  • the refrigeration device 6 may be equipped with a collector, not shown.
  • the collector is preferably arranged either downstream of the capacitor 7.
  • the collector is disposed downstream of the steam jet pump 17 and upstream of the condenser 7.
  • a designed as a throttle valve expansion valve 18 is disposed between the condenser 7 and the collector.
  • the collector may include a level sensor for level detection and be controllable and / or regulated.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment to FIG. 1. The only difference is the arrangement of the deflection of the partial flow, which is led away from the Rankine cycle 2 to the steam jet pump 17.
  • this partial flow between the pump 5 ' and evaporator 4 is taken from the Rankine cycle 2, so that in Fig. 1, a standing under an upper pressure cool and liquid Rankine medium of the steam jet pump 17 is supplied as a driving current.
  • FIG. 3 shows an internal combustion engine 1 with a refrigeration device 6 arranged in a Rankine cycle 2.
  • the Rankine cycle 2 has a pump 5, a heat exchanger 4 designed as an evaporator, an expander 9 and a condenser 7.
  • the Rankine condenser 7 is heat-transmittingly connected to a refrigerating device 6 designed as an adsorption refrigerating device 6 ' .
  • the Adsorbtions tanninlte Anlagen 6 ' has an evaporator 14, at least one adsorber 16, 16 ' and an exhaust gas condenser 3.
  • the Rankine condenser 7 and the evaporator 14 are formed as a single heat exchanger whose heat-emitting side through the condenser 7 and its
  • the Rankine condenser 7 may be regarded as part of the Rankine cycle 2 and as part of the adsorption refrigeration machine 6 ' .
  • the vaporous on a lower pressure level working fluid of the Rankine cycle 2 is supplied to the condenser 7, where it is cooled by the working medium of the evaporator 14 and condensed.
  • the evaporator 14 ' takes that
  • Working medium of the refrigeration device 6 the heat of the Rankine working medium and evaporated.
  • the heated vaporous working medium of the refrigeration device is adsorbed by the adsorber 16.
  • As a working medium of the refrigerant circuit fluids such. Water, alcohols and ammonia in question.
  • the refrigerant in the evaporator 14 ' is heated, evaporated and thereby cools the
  • Capacitor 7 and thus dissipates the heat supplied.
  • the vaporized refrigerant is now adsorbed by the sorbent in the adsorber 16, 16 'with the release of heat to the sorbent.
  • Suitable sorbents are, for example, zeolites or silica or activated carbon. Since the refrigerant collects in the adsorber 16, 16 ' , there is a desorption necessary. For desorption of the refrigerant, a corresponding heat input is required.
  • the refrigeration device 6 respectively the adsorption refrigeration device 6 'in a cooling circuit 1 1 of
  • Adsorption refrigeration machine 6 ' connected.
  • each of the adsorbers 16, 16 " is connected to the cooling circuit 11 of an internal combustion engine 1 such that heat from the cooling circuit 11 can be fed to desorb the working fluid in the adsorber 16, 16 " .
  • Cooling circuit condenses under release of residual heat to the exhaust gas.
  • the condensed working medium of the refrigerant circuit can be returned to the evaporator 14. Thereafter, the temperature in the sorbent - and thus the pressure is lowered again and the adsorber 16 lbs.16 ' can be refilled.
  • two adsorbers 16 and 16 ' are provided, which are operated alternately. This means that when adsorber 16 is filled, the adsorber 16 'is discharged at the same time and vice versa. Thus, a continuous operation of the Adsorbtions tanninlte Anlagen 6 'can be ensured.

Abstract

The invention relates to an internal combustion engine (1) of a motor vehicle, comprising a waste heat recovery device designed as a Clausius-Rankine cycle (2) and which can be supplied via a heat exchanger (4) with heat from an exhaust gas pipe (8), an exhaust gas recirculation system and/or a cooling circuit (11) of the internal combustion engine (1). It is an essential feature of the invention that an adsorption cooler (6'), an absorption cooler or a steam jet cooler (6") is provided, which is incorporated into the Clausius-Rankine cycle (2) and which supports or replaces cooling of a condenser (7) in the Clausius-Rankine cycle (2). Due to the improved condensation performance of the Clausius-Rankine cycle, said cycle can convert large quantities of heat into kinetic or electrical power even with high load. An improvement in the overall efficiency can thus be achieved. The cooling module can thus also be relieved of load by the waste heat of the Rankine cycle.

Description

Daimler AG  Daimler AG
B ren n kraftm asch i ne Renewing power
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einer derartigen Brennkraftmaschine ausgestattetes Kraftfahrzeug. The present invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a motor vehicle equipped with such an internal combustion engine.
Verbrennungsmotorisch angetriebene Kraftfahrzeuge stellen immer noch die Internal combustion engine driven vehicles still provide the
überwiegende Mehrheit bei Kraftfahrzeugen und sind auch zumindest mittelfristig gesehen nur schwer durch andere Antriebskonzepte zu ersetzen, weshalb versucht wird, den Wirkungsgrad und insbesondere auch eine Schadstoffemission derartig The vast majority of motor vehicles and are also difficult to replace, at least in the medium term by other drive concepts, which is why it tries, the efficiency and in particular a pollutant emissions in such a way
verbrennungsmotorisch angetriebener Kraftfahrzeuge weiter zu reduzieren. Eine continue to reduce internal combustion engine driven vehicles. A
Möglichkeit hierzu bieten moderne Abwärmenutzungsvorrichtungen, die mit einem sogenannten Clausius-Rankine-Kreislauf arbeiten, welche insbesondere die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Wärmeenergie durch den Clausius-Rankine-Prozess in elektrische Energie umwandeln. Da jedoch auch der Clausius-Rankine-Prozess zum Betrieb eines in diesen eingebundenen Kondensators eine Kühlleistung erfordert, die üblicherweise über den herkömmlichen Kühlkreislauf des Kraftfahrzeuges oder einen separaten Kühler bereitgestellt werden muss, ist die Leistungsfähigkeit bzw. Possibility for this offer modern waste heat recovery devices that work with a so-called Clausius-Rankine cycle, which in particular convert the heat energy contained in the exhaust gas of the internal combustion engine through the Clausius-Rankine process into electrical energy. However, since the Clausius-Rankine process for operating a built-in this condenser requires a cooling capacity that must be provided usually via the conventional cooling circuit of the motor vehicle or a separate cooler, the performance or
Ersetzbarkeit derartiger Abwärmenutzungsvorrichtungen in höherlastigen Substitutability of such waste heat recovery devices in higher-load
Betriebszuständen eingeschränkt. Grund hierfür ist beispielsweise die Dimensionierung des Fahrzeugkühlers sowie eine mindestens zu erreichende Kondensationstemperatur in einem Kondensator der Abwärmenutzungsvorrichtung. Operating conditions restricted. The reason for this is, for example, the dimensioning of the vehicle radiator and an at least to be reached condensation temperature in a condenser of the waste heat recovery device.
Aus der DE 10 2007 009 003 A1 ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung bekannt, die einen Kühlkreislauf mit einem Kompressor, einem Clausius-Rankine-Kreislauf mit einem From DE 10 2007 009 003 A1 discloses a waste heat recovery device is known, which has a cooling circuit with a compressor, a Rankine cycle Rankine with a
Kondensator sowie eine Steuereinheit umfasst, die einen Betrieb des Kühlkreislaufes und des Clausius-Rankine-Kreislauf steuert. Die Steuereinheit führt eine Condenser and a control unit that controls an operation of the cooling circuit and the Rankine cycle Clausius. The control unit carries a
Dauerbetriebssteuerung des Clausius-Rankine-Kreislaufes durch, in welche dieser unabhängig von einem Betriebszustand des Kompressors fortlaufend betrieben wird, sofern eine Last des Kühlkreises niedriger als eine vorbestimmte Last ist. Im Gegensatz hierzu führt die Steuereinheit eine intermittierende Steuerung des Clausius-Rankine- Kreislaufs durch, in welcher dieser entsprechend dem Betriebszustand des Kompressors intermittierend betrieben wird, so dass die durch die Expansionseinheit zurückgewonnene mechanische Energie größer als eine Antriebsenergie des Kompressors ist. Continuous operation of the Clausius-Rankine cycle through, in which this regardless of an operating condition of the compressor is continuously operated, as long as a load of the cooling circuit is lower than a predetermined load. In contrast, the control unit performs an intermittent control of the Rankine cycle in which it is operated intermittently according to the operating state of the compressor, so that the mechanical energy recovered by the expansion unit is greater than a driving power of the compressor.
Aus der DE 10 2008 041 363 A1 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugklimaanlage bekannt, wobei die Klimaanlage eine die Brennkraftmaschinenabwärme und/oder Abgaswärme der Brennkraftmaschine nutzende Resorptionsklimaanlage ist. From DE 10 2008 041 363 A1 a generic internal combustion engine for a motor vehicle with a vehicle air conditioning system is known, wherein the air conditioning system is a Resorptionsklimaanlage using the engine waste heat and / or exhaust heat of the internal combustion engine.
Aus der DE 10 2008 039 908 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie bekannt, die von einem Kühlmittel durchströmbar ist, wobei eine Kühlmittelpumpe das Kühlmittel innerhalb eines Kühlmittelkreislaufs fördert und der Kühlmittelkreislauf über einen Wärmetauscher mit einem Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine thermisch gekoppelt ist. Die Kältemaschine ist dabei als Adsorptionskältemaschine ausgebildete, wodurch die Fahrzeugbatterie in einem Temperaturfenster gehalten werden soll. From DE 10 2008 039 908 A1 discloses a device for cooling a vehicle battery is known, which is flowed through by a coolant, wherein a coolant pump conveys the coolant within a coolant circuit and the coolant circuit is thermally coupled via a heat exchanger with a refrigerant circuit of a chiller. The chiller is designed as adsorption chiller, whereby the vehicle battery is to be kept in a temperature window.
Weitere Brennkraftmaschinen mit einem angeschlossenen Clausius-Rankine-Kreislauf sind beispielsweise aus der US 7,650,761 B2 sowie aus der JP 2006-046763 A bekannt. Further internal combustion engines with a connected Rankine cycle are known, for example, from US Pat. No. 7,650,761 B2 and JP 2006-046763 A.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative The present invention deals with the problem for an internal combustion engine of the generic type an improved or at least an alternative
Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Specify embodiment, which is characterized in particular by a high efficiency.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist die Brennkraftmaschine dadurch gekennzeichnet, dass eine Adsorptionskälteeinrichtung, eine Absorptionskälteeinrichtung oder eine According to the invention, the internal combustion engine is characterized in that an adsorption refrigeration device, an absorption refrigeration device or a
Dampfstrahlkälteeinrichtung vorgesehen ist, die in den Clausius-Rankine-Kreislauf eingebunden ist. In einer Ausführungsform unterstützt oder ersetzt diese Steam jet refrigeration device is provided, which is involved in the Clausius-Rankine cycle. In one embodiment, it supports or replaces it
Adsorptionskälteeinrichtung, Absorptionskälteeinrichtung oder Adsorption refrigeration device, absorption refrigeration device or
Dampfstrahlkälteeinrichtung eine Kühlung eines Kondensators im Clausius-Rankine- Kreislauf. Die Kälteeinrichtung verbessert die Kühlung des Kondensators. Durch die verbesserte Kondensationsleistung des Clausius-Rankine-Kreislaufs kann dieser auch bei hoher Last große Wärmemengen in kinetische bzw. elektrische Energie umwandeln. Hierdurch lässt sich eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Steam jet refrigeration device, a cooling of a condenser in the Clausius Rankine Circulation. The refrigeration device improves the cooling of the condenser. Due to the improved condensation performance of the Rankine cycle, it can convert large amounts of heat into kinetic or electrical energy even at high loads. This makes it possible to improve the overall efficiency of the
Brennkraftmaschine erreichen. Achieve internal combustion engine.
In einer Ausführungsform ist die Adsorptionskälteeinrichtung, die In one embodiment, the adsorption refrigeration device is
Absorptionskälteeinrichtung oder die Dampfstrahlkälteeinrichtung mit der Abgasleitung der Brennkraftmaschine Wärme übertragend verbunden und führt dadurch Absorption cooling device or the steam jet cooling device connected to the exhaust pipe of the engine heat transfer and thereby leads
Kondensationswärme über den Abgasstrom ab. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Adsorptionskälteeinrichtung, die Absorptionskälteeinrichtung oder die Condensation heat over the exhaust stream from. In particular, it is provided that the adsorption refrigeration device, the absorption refrigeration device or the
Dampfstrahlkälteeinrichtung über einen Abgaskondensator mit der Abgasleitung Wärme übertragend verbunden ist und dadurch Kondensationswärme eines Rankine- Kondensators über den Abgasstrom abführt. Üblicherweise wird der Rankine- Kondensator über den Kühlkreis der Brennkraftmaschine gekühlt. Diese wird durch die erfindungsgemäße Lösung ganz oder teilweise von der Abwärme des Rankine-Kreislaufs entlastet. Steam jet cooling device is connected via an exhaust gas condenser with the exhaust pipe heat transferring and thereby dissipates heat of condensation of a Rankine capacitor on the exhaust stream. Usually, the Rankine capacitor is cooled via the cooling circuit of the internal combustion engine. This is completely or partially relieved by the solution according to the invention of the waste heat of the Rankine cycle.
In einer Ausführungsform ist der Abgaskondensator in der Abgasleitung stromab des Wärmetauschers/Verdampfers angeordnet. Der Verdampfer entnimmt dem Abgas Wärme. Dadurch befindet sich das Abgas nach dem Verdampfer auf niedrigem In one embodiment, the exhaust gas condenser is disposed in the exhaust pipe downstream of the heat exchanger / evaporator. The evaporator removes heat from the exhaust gas. As a result, the exhaust gas after the evaporator is at low
Temperaturniveau und ist in der Lage die Kondensationswärme aufzunehmen. Weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass die Wärme über das Abgas endgültig freigesetzt wird und so keine anderen Kühlkreisläufe belastet. Temperature level and is able to absorb the heat of condensation. Another advantage is the fact that the heat is finally released via the exhaust gas and thus no other cooling circuits loaded.
In einer Ausführungsform ist im Clausius-Rankine-Kreislauf eine In one embodiment, in the Rankine cycle, a
Dampfstrahlkälteeinrichtung vorgesehen, die über einen nach der Pumpe und vor der Wärmetauschereinrichtung abgezweigten Teilstrom betrieben ist. Steam jet cooling device provided, which is operated via a branched off after the pump and before the heat exchanger device partial flow.
Den Teilstrom vor dem Verdampfer abzuzweigen hat den Vorteil, dass der Abgaskondensator nicht auch noch zusätzliche im Verdampfer zugeführte Wärme aus dem Teilstrom abführen muss. Wenn die Kondensationsleistung im Abgaskondensator auch noch den Dampf eines nachdem Verdampfer abgeführten Teilstroms kondensieren muss, muss der Abgaskondensator damit deutlich größer und leistungsstärker ausgelegt sein. Außerdem wird durch den nach dem Verdampfer abgezweigten Dampf dem Rankine-Kreislauf ein Teil der Leistung geraubt. In einer Ausführungsform ist im Clausius-Rankine-Kreislauf eine Disconnecting the partial flow upstream of the evaporator has the advantage that the exhaust gas condenser does not have to dissipate additional heat supplied in the evaporator from the partial flow. If the condensation power in the exhaust gas condenser also has to condense the vapor of a partial flow discharged after the evaporator, the exhaust gas condenser must therefore be designed to be significantly larger and more powerful. In addition, part of the power is robbed by the branched off after the evaporator steam the Rankine cycle. In one embodiment, in the Rankine cycle, a
Dampfstrahlkälteeinrichtung vorgesehen, die über einen nach dem Verdampfer und vor der Expansionsmaschine abgezweigten Teilstrom betrieben ist. Trotz der vorab angeführten Nachteile kann es aus einbautechnischen oder konstruktiven Gründen sinnvoll sein, den Teilstrom erst nach dem Verdampfer abzuzweigen. In diesem Fall ist das zugeführteTreibstrahl-Medium dampfförmig. Vorteilhafterweise können damit günstige Temperaturniveaus in der Kälteeinrichtung ausgebildet werden. Auch mit dieser Anordnung ist die Erfindung mit den damit verbundenen Vorteilen darstellbar. Steam jet cooling device provided, which is operated via a branched off after the evaporator and the expansion machine partial flow. Despite the above-mentioned disadvantages, it can be useful for structural or design reasons to divert the partial flow only after the evaporator. In this case, the supplied propulsion medium is vaporous. Advantageously, thus favorable temperature levels can be formed in the refrigeration device. Even with this arrangement, the invention with the associated advantages can be displayed.
In einer alternativen Ausführungsform ist im Clausius-Rankine-Kreislauf eine In an alternative embodiment, the Clausius-Rankine cycle is a
Dampfstrahlkälteeinrichtung vorgesehen, die über einen aus dem Verdampfer Steam jet refrigeration device provided via an out of the evaporator
abgezweigten Teilstrom betrieben ist. Auch mit dieser Anordnung ist die Erfindung mit den damit verbundenen Vorteilen darstellbar. branched partial flow is operated. Even with this arrangement, the invention with the associated advantages can be displayed.
In einer Ausführungsform sind im Clausius-Rankine-Kreislauf zwei Pumpen vorgesehen, wobei die eine zwischen dem Kondensator und einer Dampfstrahlpumpe der In one embodiment, two pumps are provided in the Rankine cycle, the one between the condenser and a steam jet pump
Dampfstrahlkälteeinrichtung angeordnet ist, und die andere zwischen der Steam jet refrigeration device is arranged, and the other between the
Dampfstrahlpumpe der Dampfstrahlkälteeinrichtung und dem Verdampfer angeordnet ist. Üblicherweise ist in einem Rankine-Kreis zwischen Kondensator und Verdampfer nur eine Pumpe vorgesehen, die das Arbeitsmedium zum Verdampfer fördert und von einem unteren Druckniveau auf ein oberes Druckniveau anhebt. In der Steam jet pump of the steam jet refrigeration device and the evaporator is arranged. Usually, only one pump is provided in a Rankine cycle between the condenser and the evaporator, which conveys the working medium to the evaporator and raises it from a lower pressure level to an upper pressure level. In the
Dampfstrahlkälteeinrichtung treten darüber hinaus aber noch 2 weitere Druckniveaus auf, ein Unterdruck (Verdampfungsdruck), der sich nach der Lavaldüse ausbildet und diesem nachgeordnet ein Mitteldruck, der sich im Diffusor der Dampfstrahlpumpe einstellt. Damit sich das Rankine-Arbeitsmedium nicht über den abgezweigten Teilstrom langsam in Kältekreis ansammelt, muss die entnommene Teilstrommenge dem Rankine-Kreis wieder zugeführt werden. Daher ist vorgesehen, dass eine erste Rankine-Pumpe das  Steam jet refrigeration device occur beyond but two more pressure levels, a negative pressure (evaporation pressure), which forms after the Laval nozzle and this downstream a mean pressure, which is established in the diffuser of the steam jet pump. To prevent the Rankine working fluid from slowly accumulating in the refrigeration circuit via the diverted partial flow, the extracted partial flow must be returned to the Rankine circuit. Therefore, it is envisaged that a first Rankine pump the
Arbeitsmedium im Rankine-Kreis von einem unteren Niveau auf ein mittleres Niveau anhebt. Diesem unter mittlerem Druck stehende Medium im Rankine-Kreis wird nun mit einem ebenfalls unter einem mittleren Druck stehender Teilstrom des den Raising working fluid in the Rankine circle from a lower level to a medium level. This medium under medium pressure in the Rankine circle is now with a likewise under a medium pressure partial flow of the
Abgaskondensator verlassenden Kältemediums zusammengeführt und strömt Merged exhaust gas refrigerant leaving refrigerant and flows
anschließend einer zweiten Pumpe des Rankine-Kreises zu. Die zweite Rankine-Pumpe hebt das Druckniveau des Arbeitsmediums von einem mittleren Druckniveau auf ein oberes Druckniveau an und fördert das kühle, auf einem hohen Druckniveau befindliche Arbeitsmedium in Richtung Verdampfer weiter. then to a second pump of the Rankine cycle. The second Rankine pump raises the pressure level of the working fluid from a medium pressure level upper pressure level and promotes the cool, at a high pressure level working medium in the direction of the evaporator on.
In einer Ausführungsform ist ein Saugstrahl der Dampfstrahlpumpe derart geführt, dass damit Wärme aus dem Kondensator abgeführt wird. Damit ist es möglich die In one embodiment, a suction jet of the steam jet pump is guided so that heat is removed from the condenser. This makes it possible the
Kondensationswärme über die Dampfstrahlkältemaschine abzuführen. Remove heat of condensation via the steam jet chiller.
In einer Ausführungsform weist die Dampfstrahlkälteeinrichtung einen Sammler auf, der stromab der Dampfstrahlpumpe und stromauf dem Kondensator und bevorzugt auch stromauf einem Ventil angeordnet ist. Bevorzugt ist das Ventil als Expansionsventil ausgebildet. Das Expansionsventil ist also einerseits fluidisch mit dem Sammler und andererseits fluidisch mit dem Kondensator verbunden. Das Expansionsventil dient dabei insbesondere dem Zweck, das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Kondensator zu entspannen und beispielsweise zu Verdünnen, um eine Leistung der Kälteeinrichtung zu erhöhen. Das Expansionsventil kann zudem insbesondere als ein Drosselventil ausgebildet sein, der einen entsprechenden Druckabbau innerhalb der Kälteeinrichtung bewirkt. In one embodiment, the steam jet cooling device has a collector, which is arranged downstream of the steam jet pump and upstream of the condenser, and preferably also upstream of a valve. Preferably, the valve is designed as an expansion valve. The expansion valve is therefore on the one hand fluidly connected to the collector and on the other hand fluidly connected to the capacitor. The expansion valve serves in particular the purpose of relaxing the working fluid prior to entering the condenser and diluting it, for example, in order to increase the power of the refrigeration device. The expansion valve can also be designed in particular as a throttle valve, which causes a corresponding pressure reduction within the refrigeration device.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform weist der Sammler eine Füllstanderfassung auf. Die Füllstanderfassung dient dabei insbesondere dem Zweck, zu Überprüfen, welche Menge bzw. welches Volumen des Arbeitsmediums im Sammler gespeichert ist, um beispielsweise die aktuelle Massenverteilung im Rankine-Kreis zu ermitteln. According to a further embodiment, the collector has a level detection. The fill level detection serves in particular the purpose of checking which quantity or which volume of the working medium is stored in the collector in order to determine, for example, the current mass distribution in the Rankine cycle.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist/sind der Sammler und/oder zumindest eine solche Fördereinrichtung und/oder das Expansionsventil steuerbar. Die jeweilige steuerbare Ausgestaltung dient nun insbesondere dem Zweck, die Speicherung sowie die Freisetzung des Arbeitsmediums im bzw. vom Sammler zu steuern. Hierzu können beispielsweise Ein- und Auslässe der steuerbaren Bestandteile der Abwärmenutzungsvorrichtung steuerbar sein. Weiter kann die entsprechende Speicherung bzw. Freigabe des Arbeitsmediums durch eine Änderung der Leistung der zumindest einen Fördereinrichtung erfolgen. Zu dem ist es möglich, eine derartige Steuerung durch ein öffnen und Schließen des Expansionsventils zu realisieren. Auch sind Ausführungsformen vorstellbar, bei denen eine beliebige Kombination aus den besagten Möglichkeiten die Speicherung des Arbeitsmediums im Sammler sowie die Freigabe des im Sammler gespeicherten Arbeitsmediums realisiert. Zweckmäßig ist dann eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche die jeweiligen steuerbaren Bestandteile der Abwärmenutzungsvorrichtung, insbeson- dere abhängig von thermodynamischen Zustandsgrößen der Abwärmenutzungsvorrichtung bzw. des Arbeitsmediums, sowohl im Rankine-Kreis als auch in der Kälteeinrichtung, steuert. According to a preferred embodiment, the collector and / or at least one such conveyor and / or the expansion valve is / are controllable. The respective controllable design now serves in particular the purpose of controlling the storage and the release of the working medium in or from the collector. For this purpose, for example, inlets and outlets of the controllable components of the waste heat utilization device can be controlled. Furthermore, the corresponding storage or release of the working medium can be effected by a change in the power of the at least one conveyor. In addition, it is possible to realize such control by opening and closing the expansion valve. Embodiments are also conceivable in which any combination of the said possibilities realizes the storage of the working medium in the collector as well as the release of the working medium stored in the collector. A control device is then expediently provided, which controls the respective controllable components of the waste heat utilization device, in particular dere dependent on thermodynamic state variables of the waste heat recovery device or the working medium, both in the Rankine cycle and in the refrigeration device controls.
In einer Ausführungsform ist die Dampfstrahlkälteeinrichtung im Clausius-Rankine- Kreislauf parallel zu dem ebenfalls dort vorgesehenen Expander angeordnet. Dadurch bildet die Dampfstrahlkälteeinrichtung einen Nebenkreis, der die Funktion des Rankine- Kreises unterstützt, ohne diesen mehr als nötig zu stören. In one embodiment, the steam jet cooling device is arranged in the Clausius-Rankine cycle parallel to the expander also provided there. As a result, the steam jet cooling device forms a secondary circuit, which supports the function of the Rankine cycle without disturbing it more than necessary.
In einer Ausführungsform weist die Adsorptionskälteeinrichtung (6') zumindest einen Adsorber aufweist, der einerseits über einen Verdampfer mit dem ebenfalls in den Clausius-Rankine-Kreislauf eingebundenen Kondensator und andererseits über einen in der Abgasleitung angeordneten Abgas-Kondensator (3) wärmeübertragend gekoppelt ist. In one embodiment, the adsorption refrigeration device (6 ') has at least one adsorber, which is coupled in an heat-transferring manner via an evaporator to the condenser, which is likewise integrated into the Rankine cycle, and via an exhaust gas condenser (3) arranged in the exhaust gas line.
In einer Ausführungsform ist der zumindest eine Adsorber in den Clausius-Rankine- Kreislauf oder in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden. Das hat den Vorteil, dass der Adsorber mit dem Kühlkreis einer Brennkraftmaschine derart verbunden ist, dass Wärme aus dem Kühlkreis zuführbar ist, um das Arbeitsmedium im Adsorber zu desorbieren. In one embodiment, the at least one adsorber is integrated in the Clausius-Rankine cycle or in the cooling circuit of the internal combustion engine. This has the advantage that the adsorber is connected to the cooling circuit of an internal combustion engine such that heat can be supplied from the cooling circuit in order to desorb the working medium in the adsorber.
In einer Ausführungsform ist das Arbeitsmedium im Clausius-Rankine-Kreislauf Wasser, Wasser/Ethanol, Ethanol, R123, Novec, oder R152at. Diese Medien haben sich im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Rankine-Kreises bei den gegeben Fahrzeugbedingungen bewährt. In one embodiment, the working medium in the Rankine cycle is water, water / ethanol, ethanol, R123, Novec, or R152at. These media have proven themselves in terms of the highest possible efficiency of the Rankine circle in the given vehicle conditions.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer an sich bekannten Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, eine als Clausius-Rankine- Kreislauf ausgebildete Abwärmenutzungsvorrichtung vorzusehen, der über einen The present invention is based on the general idea to provide in a known per se internal combustion engine in a motor vehicle, designed as a Clausius-Rankine cycle waste heat recovery device, via a
Wärmetauscher Wärme einer Abgasleitung, einer Abgasrückführung und/oder eines Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine zuführbar ist und diese Wärmeenergie nutzt. Zusätzlich ist eine Kälteeinrichtung, beispielsweise eine Adsorptionskälteeinrichtung, eine Absorptionskälteeinrichtung oder eine Dampfstrahlkälteeinrichtung vorgesehen, die in den Clausius-Rankine-Kreislauf integriert ist und die eine Kühlung eines Kondensators im Clausius-Rankine-Kreislauf unterstützt. Durch den Einsatz einer derartigen Ad- bzw. Absorptions- oder Dampfstrahlkälteeinrichtung in Verbindung mit dem Clausius-Rankine- Prozess lässt sich die durch diese Kälteeinrichtungen erzeugte Kälteleistung zum Heat exchanger heat of an exhaust pipe, an exhaust gas recirculation and / or a cooling circuit of the internal combustion engine can be fed and uses this heat energy. In addition, a refrigeration device, for example an adsorption refrigeration device, an absorption refrigeration device or a steam jet refrigeration device is provided, which is integrated into the Clausius-Rankine cycle and which supports cooling of a condenser in the Rankine cycle. Through the use of such an adsorption or absorption or steam jet cooling device in conjunction with the Clausius Rankine Process can be the cooling power generated by these refrigeration equipment to
Absenken der Kondensationstemperatur im Kondensator des Clausius-Rankine- Kreislaufs nutzen und dadurch die Systemleistung insgesamt erhöhen. Hieraus wiederum resultiert ein erhöhter Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Darüber hinaus wird die aus dem Clausius-Rankine-Kreislauf abzuführende Restwärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, was es ermöglicht, diese Abwärme wieder über das Abgas abzuführen. Hierdurch lässt sich auch das Kühlmodul von der Abwärme des Rankine- Kreislaufs entlasten. Der Clausius-Rankine-Kreislauf zur Abwärmenutzung ist somit vom eigentlichen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine getrennt, wobei bei einer Verwendung der Wärmeenergie von Kühlwasser aus einem Kühlkreislauf zum Betreiben der Use lowering of the condensation temperature in the condenser of the Rankine cycle and thereby increase overall system performance. This in turn results in an increased overall efficiency of the internal combustion engine. In addition, the dissipated from the Clausius Rankine cycle residual heat is brought to a higher temperature level, which makes it possible to dissipate this waste heat again via the exhaust gas. This also relieves the cooling module of the waste heat of the Rankine cycle. The Clausius Rankine cycle for waste heat recovery is thus separated from the actual cooling circuit of the internal combustion engine, wherein when using the heat energy of cooling water from a cooling circuit for operating the
Kälteeinrichtung und gleichzeitige Abfuhr der Abwärme über das Abgas sich ein herkömmlicher Fahrzeugkühler unter Umständen kleiner dimensionieren lässt oder gegebenenfalls sogar komplett entfällt. Durch eine derartige erfindungsgemäße Refrigeration device and simultaneous removal of waste heat via the exhaust, a conventional vehicle radiator may be smaller dimensions under certain circumstances or possibly even completely eliminated. By such invention
Integration einer entsprechend ausgebildeten Kälteeinrichtung, beispielsweise einer Adsorptionskälteeinrichtung, einer Absorptionskälteeinrichtung oder einer Integration of an appropriately designed refrigeration device, such as an adsorption refrigeration device, an absorption refrigeration device or a
Dampfstrahlkälteeinrichtung, ist es somit möglich, die mit einer derartigen Steam jet refrigeration device, it is thus possible with such a
Abwärmenutzungsvorrichtung ausgestattete Brennkraftmaschine hinsichtlich ihres Wirkungsgrad deutlich zu verbessern und dadurch ein mit einer derartigen Waste heat recovery device equipped engine significantly improve their efficiency and thus one with such
Brennkraftmaschine ausgestattetes Kraftfahrzeug hinsichtlich seines Emissionsverhaltens deutlich zu verbessern. Internal combustion engine equipped motor vehicle with regard to its emission behavior to improve significantly.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, unterstützt die Kälteeinrichtung, das heißt beispielsweise die Adsorptionskälteeinrichtung, die In an advantageous embodiment of the solution according to the invention, supports the refrigeration device, that is, for example, the adsorption refrigeration, the
Absorptionskälteeinrichtung oder die Dampfstrahlkälteeinrichtung eine Kühlung der Brennkraftmaschine. Zu diesem Zweck ist die entsprechende in den Clausius-Rankine- Kreislauf eingebundene Kälteeinrichtung zusätzlich in dem Kühlkreislauf der Absorption cooling device or the steam jet cooling device, a cooling of the internal combustion engine. For this purpose, the corresponding integrated in the Clausius-Rankine cycle refrigeration device is additionally in the cooling circuit of
Brennkraftmaschine eingebunden bzw. wärmeübertragend mit diesem verbunden, so dass die erfindungsgemäße Kälteeinrichtung nicht nur zur Unterstützung des im Clausius- Rankine-Kreislauf eingebundenen Kondensators herangezogen wird, sondern zusätzlich auch die Kühlung der Brennkraftmaschine unterstützt. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nochmals verbessert werden. Internal combustion engine integrated or heat transfer connected to this, so that the refrigeration device according to the invention is not only used to support the integrated in Clausius Rankine cycle capacitor, but also supports the cooling of the internal combustion engine. As a result, the efficiency of the internal combustion engine can be further improved.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch, Show, in each case schematically,
Fig. 1 einen Clausius-Rankine-Kreislauf mit eingebundene Dampfstrahlkälteeinrichtung für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, 1 shows a Clausius Rankine cycle with integrated steam jet cooling device for an internal combustion engine according to the invention,
Fig. 2 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch mit bei einer in Reihe zu einem Fig. 2 is a representation as in Fig. 1, but with one in series with a
Mischkondensator geschalteten Dampfstrahlkälteeinrichtung,  Mixed condenser switched steam jet refrigeration device,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer in einem Clausius- Rankine-Kreislauf angeordneten Adsorptionskälteeinrichtung, 3 shows an internal combustion engine according to the invention with an adsorption refrigerating device arranged in a Clausius Rankine cycle,
Entsprechend den Fig. 1 bis 3, weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs eine, als separater Clausius-Rankine-Kreislauf 2 ausgebildete, According to FIGS. 1 to 3, an internal combustion engine 1 according to the invention of a motor vehicle has a, designed as a separate Clausius-Rankine cycle 2,
Abwärmenutzungsvorrichtung auf. Das Rankine-Arbeitsmedium kann dabei z.B. Wasser, Wasser/Ethanol, Ethanol, R123, Novec, oder R152a sein. Die Waste heat recovery device on. The Rankine working medium may be e.g. Water, water / ethanol, ethanol, R123, Novec, or R152a. The
Abwärmenutzungsvorrichtung 2 besteht im Wesentlichen aus einer Pumpe 5, einem Wärmetauscher 4, einer Expansionseinheit 9, beispielsweise einem Scroll- oder einem Hubkolbenexpander und einer Kälteeinrichtung 6, sowie einem Kondensator 7. Über den Wärmetauscher 4 ist die Abwärmenutzungsvorrichtung, wie in Fig. 1 bis 3 dargestellt, wärmeübertragend mit einer Abgasleitung 8 der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Die Expansionseinheit 9 wandelt die der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 über den Waste heat utilization device 2 essentially consists of a pump 5, a heat exchanger 4, an expansion unit 9, for example a scroll or a reciprocating piston expander and a refrigeration device 6, and a condenser 7. About the heat exchanger 4 is the waste heat utilization device, as in Fig. 1 to 3 shown, heat transfer connected to an exhaust pipe 8 of the internal combustion engine 1. The expansion unit 9 converts the waste heat recovery device 2 over the
Wärmetauscher 4 zugeführte thermische Energie in kinetische Energie um. Die Heat exchanger 4 supplied thermal energy into kinetic energy. The
Expansionseinheit 9 kann beispielsweise, wie in Fig. 3 dargestellt, mit einem Generator 10 kraftübertragend verbunden sein, so dass die erzeugte kinetische Energie im For example, as shown in FIG. 3, expansion unit 9 can be connected in a force-transmitting manner to a generator 10, so that the kinetic energy generated in
Generator 10 in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Kälteeinrichtung 6 kann dabei als Dampfstrahlkälteeinrichtung 6" (vgl. Fig. 1 und 2), als Generator 10 can be converted into electrical energy. The refrigeration device 6 can be used as a steam jet cooling device 6 "(cf., FIGS. 1 and 2), as
Adsorptionskälteeinrichtung 6" (vgl. Fig. 3) oder als Absorptionskälteeinrichtung ausgebildet sein. Erfindungsgemäß unterstützt nun die in den Clausius-Rankine-Kreislauf 2 eingebundene Kälteeinrichtung 6, unabhängig von ihrer Ausführungsform, die Kühlung des Kondensators 7 im Clausius-Rankine-Kreislauf 2 und erhöht dadurch die Adsorption refrigeration device 6 "(see Fig. 3) or as absorption refrigeration device be educated. According to the invention, the refrigeration device 6 integrated into the Rankine cycle 2, regardless of its embodiment, now supports the cooling of the condenser 7 in the Rankine cycle 2 and thereby increases the temperature
Leistungsfähigkeit desselben. Efficiency of the same.
Fig. 1 zeigt einen Rankine-Kreislauf 2 mit einer Pumpe 5, einem als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher 4, einem Expander 9 und einem Kondensator 7. 1 shows a Rankine cycle 2 with a pump 5, a heat exchanger 4 designed as an evaporator, an expander 9 and a condenser 7.
Die Pumpe 5 führt das Arbeitsmedium des Rankine-Kreises 2 dem Verdampfer 4 zu. Dabei wird das Arbeitsmedium typischerweise von einem unteren Druckniveau auf ein oberes Druckniveau angehoben. The pump 5 supplies the working medium of the Rankine cycle 2 to the evaporator 4. The working medium is typically raised from a lower pressure level to an upper pressure level.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind zwei hintereinander angeordnete Pumpen 5 und 5' vorgesehen, wobei die Pumpe 5 das Arbeitsmedium von einem unteren Druckniveau auf ein mittleres Druckniveau anhebt und die Pumpe 5'das Arbeitsmedium von einem mittleren Druckniveau auf ein oberes Druckniveau anhebt. In the embodiment shown in Fig. 1, two pumps 5 and 5 'are provided, the pump 5 lifting the working fluid from a lower pressure level to a medium pressure level and the pump 5 ' lifting the working fluid from an intermediate pressure level to an upper pressure level ,
Im Verdampfer 4 wird das Arbeitsmedium durch Zufuhr von Wärme verdampft und ggf. überhitzt. Dazu wird dem Verdampfer 4 über eine Leitung 8 Wärme eines Wärmeträgers zugeführt. In Fig. 1 , 2 und 3 ist die Leitung 8 eine Abgasleitung, welche die Wärme der Abgase einer Brennkraftmaschine 1 dem Verdampfer 4 zuführt. Ergänzend oder alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, die Wärme aus dem Abgas einer Abgasrückführung oder Wärme aus einem Kühlwasserkreis oder dergleichen zuzuführen. In the evaporator 4, the working medium is evaporated by the supply of heat and possibly superheated. For this purpose, heat is supplied to the evaporator 4 via a line 8 of a heat carrier. In Fig. 1, 2 and 3, the line 8 is an exhaust pipe, which supplies the heat of the exhaust gases of an internal combustion engine 1 to the evaporator 4. Additionally or alternatively, it can also be provided to supply the heat from the exhaust gas to an exhaust gas recirculation or heat from a cooling water circuit or the like.
Nach dem Verdampfer 4 wird das erhitzte, verdampfte auf oberem Druckniveau befindliche Arbeitsmedium dem Expander 9 zugeführt, wo es unter Abgabe mechanischer Energie auf ein unteres Druckniveau entspannt wird. Das entspannte Arbeitsmedium wird anschließend dem Kondensator 7 zugeführt, wo es unter Abgabe von Wärme kondensiert. Das nun wieder flüssige auf niedrigem Druckniveau befindliche Arbeitsmedium verlässt den Kondensator 7 und wird anschließend wieder der Pumpe 5 zugeführt. After the evaporator 4, the heated, vaporized at upper pressure level working medium is supplied to the expander 9, where it is expanded while releasing mechanical energy to a lower pressure level. The relaxed working medium is then fed to the condenser 7, where it condenses with the release of heat. The now again liquid at a low pressure level working medium leaves the condenser 7 and is then fed back to the pump 5.
Erfindungsgemäß wird der Kondensator 7 durch eine Kälteeinrichtung 6 unterstützt oder ersetzt. Dazu ist in Fig. 1 eine als Dampfstrahlkälteeinrichtung 6" ausgebildete Kälteeinrichtung 6 vorgesehen, mit einer Dampfstrahlpumpe 17, einem Wärmetauscher 3, einem Ventil 18 und der wärmeaufnehmenden Seite des Kondensators 7 des Rankine-Kreises 2. In Fig. 1 ist der Kondensator 7 Teil der Kälteeinrichtung 6. Die Kälteeinrichtung 6 nimmt in Fig. 1 also die Kondensationswärme des Rankine-Kreises 2 auf. According to the invention, the capacitor 7 is supported or replaced by a refrigerating device 6. For this purpose, in Fig. 1 as a steam jet cooling device 6 " trained refrigeration device 6 is provided with a steam jet pump 17, a heat exchanger 3, a valve 18 and the heat-receiving side of the capacitor 7 of the Rankine circle 2. In Fig. 1, the capacitor 7 is part of the refrigeration device 6. The refrigeration device 6 takes in Fig. 1 So the heat of condensation of the Rankine cycle 2 on.
Alternativ kann die Kälteeinrichtung 6 auch den Kondensator 7 unterstützen. Dazu ist dann zusätzlich zum Kondensator 7 des Rankine-Kreises 2 ein wärmeaufnehmender Wärmetauscher der Kälteeinrichtung 6 vorgesehen, dessen wärmeaufnehmende Seite zwischen Expansionsventil 18 und Dampfstrahlkältepumpe 17 vor oder nach Kondensator 7 in der Dampfstrahlkälteeinrichtung 6" angeordnet ist und dessen wärmezuführende Seite zwischen Expander 9 Kondensator 7 oder zwischen Kondensator 7 und Pumpe 5 in den Rankine-Kreis 2 integriert ist. In diesem Fall kann der Kondensator 7 des Rankine- Kreis 2 durch einen separaten Kältekreis oder durch einen Kühlkreis, z.B. den Kühlkreis der Brennkraftmaschine 1 , gekühlt werden. Alternatively, the refrigeration device 6 can also support the capacitor 7. For this purpose, in addition to the condenser 7 of the Rankine cycle 2, a heat-absorbing heat exchanger of the refrigeration device 6 is provided, the heat-absorbing side between the expansion valve 18 and steam jet cooling pump 17 before or after the condenser 7 in the steam jet cooling device 6 "is arranged and its heat-supplying side between expander 9 capacitor or is integrated between the condenser 7 and pump 5 in the Rankine cycle 2. In this case, the condenser 7 of the Rankine cycle 2 can be cooled by a separate refrigerant circuit or by a refrigeration cycle, eg, the refrigerant cycle of the internal combustion engine 1.
Der Kälteeinrichtung 6 wird gemäß Fig. 1 ein Teilstrom des Rankine-Arbeitsmediums zugeführt. In Fig.1 zweigt dieser nach der Pumpe 5 und einer zweiten Pumpe 5' und vor dem Verdampfer 4 ab. Der abgezweigte Teilstrom des Rankine-Arbeitsmediums wird der Dampfstrahlpumpe 17 der Dampfstrahlkälteeinrichtung 6"zugeführt. The refrigeration device 6 is supplied as shown in FIG. 1, a partial flow of the Rankine working medium. In FIG. 1, it branches off after the pump 5 and a second pump 5 ' and before the evaporator 4. The branched-off partial flow of the Rankine working medium is fed to the steam jet pump 17 of the steam jet cooling device 6 " .
Die Dampfstrahlkälteeinrichtung 6" ist ein konventioneller Kaltdampfprozess, bei welchem der mechanische Verdichter einer Kompressionskältemaschine durch einen The steam jet refrigeration device 6 " is a conventional cold steam process in which the mechanical compressor of a compression refrigeration machine by a
Dampfstrahlverdichter 17 ersetzt ist. Die Dampfstrahlkälteeinrichtung 6" wird als geschlossener Kreislauf 6 betrieben, bei welchem Treibmedium und Saugmedium aus demselben Fluid, nämlich in unserem Fall dem Rankine-Arbeitsmedium, bestehen. Im Dampfstrahlverdichter 17 wird der Treibdampf durch eine Lavaldüse auf Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Durch den dabei entstehenden Unterdruck (Verdampfungsdruck) wird der Saugdampf aus dem Kondensator 7 gezogen und durch den Treibstrahl mitgerissen, wodurch die nutzbare Kälteleistung entsteht. Im Mischraum des Dampfstrahlverdichters 17 vermischen sich Treib- und Saugdampf unter Ausbildung einer Schockwelle zu einem Dampfgemisch. Die Schockwelle bildet sich beim Übergang von Überschall zu Unterschall aus, wodurch der Druck im Dampfgemisch ansteigt. Ein weiterer Anstieg auf einen Mitteldruck findet im Diffusor des Dampfstrahlverdichters 17 der Kälteeinrichtung 6 statt. Steam jet compressor 17 is replaced. The steam jet cooling device 6 " is operated as a closed circuit 6, in which the driving medium and suction medium consist of the same fluid, namely the Rankine working medium in our case In the steam jet compressor 17, the motive steam is accelerated by a Laval nozzle to flow velocities above the speed of sound The resulting negative pressure (evaporation pressure), the suction steam is drawn from the condenser 7 and entrained by the propellant jet, whereby the usable cooling capacity is formed in the mixing chamber of the steam jet compressor 17, propellant and suction steam mix to form a shock wave to a vapor mixture From supersonic to subsonic, thereby increasing the pressure in the vapor mixture, a further increase to an intermediate pressure takes place in the diffuser of the steam jet compressor 17 of the refrigeration device 6.
Generell wird gemäß den Fig. 1 bis 3 Kondensationswärme über den Abgasstrom abgeführt, indem die als Adsorptionskälteeinrichtung 6', Absorptionskälteeinrichtung oder Dampfstrahlkälteeinrichtung 6" ausgebildete Kälteeinrichtung 6 über den Kondensator 3 mit der Abgasleitung 8 Wärme übertragend verbunden ist. In diesem dem Generally, according to FIGS. 1 to 3, heat of condensation is dissipated via the exhaust gas stream by the adsorption cooling device 6 ', absorption cooling device or Steam jet cooling device 6 "trained refrigeration device 6 is connected via the condenser 3 with the exhaust pipe 8 heat transferring
Dampfstrahlverdichter (Fig. 1 und 2) bzw. Adsorber 16, 16'(Fig. 3) nachgeschalteten Abgas-Wärmetauscher 3 wird das Arbeitsmedium unter Abgabe von Wärme Steam jet compressor (Fig. 1 and 2) and adsorber 16, 16 ' (Fig. 3) downstream exhaust gas heat exchanger 3 is the working fluid with the release of heat
rückkondensiert. Dazu wird der auf einem mittleren Druck befindliche heiße Dampf dem Abgas-Wärmetauscher 3 zugeführt, wo er Kondensationswärme an das Abgas der Brennkraftmaschine 1 abgibt und kondensiert. Der Abgaskondensator ist in der recondensed. For this purpose, the hot steam located at a medium pressure is supplied to the exhaust gas heat exchanger 3, where it gives off condensation heat to the exhaust gas of the internal combustion engine 1 and condenses. The exhaust gas condenser is in the
Abgasleitung 8 hinter dem Wärmetauscher 4 angeordnet. Exhaust pipe 8 is arranged behind the heat exchanger 4.
Nach dem Abgaswärmetauscher 3 wird das nunmehr kühle, auf einem mittleren Druck befindliche Arbeitsmedium des Kältekreises 6 aufgeteilt in einen Teilstrom, der zur Treibdampferzeugung zwischen der Pumpe 5 und der Pumpe 5' in den Rankine-Kreis 2 zurückgeführt wird und einen Kältekreisstrom, der über ein Expansionsventil 8 auf ein unteres Druckniveau entspannt wird, wobei er sich weiter abkühlt. Dieser kühle auf unterem Druckniveau befindliche Kältekreisstrom wird anschließend dem Kondensator 7 als Kühlmedium zugeführt, wo er das Arbeitsmedium des Rankine-Kreises 2 abkühlt und kondensiert und dabei selbst erhitzt wird. Dieses erwärmte Kühlmedium der Kälteeinrichtung 6 wird von dem Unterdruck der Dampfstrahlpumpe 17 angesaugt und als Saugdampf in der Dampfstahlpumpe 17 mit dem als Treibdampf zugeführten abgezweigten Teilstrom des Rankine-Kreises 2 in bereits beschriebener Weise vermischt. After the exhaust gas heat exchanger 3, the now cool, located on a medium pressure working fluid of the refrigeration circuit 6 is divided into a partial flow, which is returned to the Treibdampferzeugung between the pump 5 and the pump 5 ' in the Rankine cycle 2 and a refrigerant circuit, the on a Expansion valve 8 is relaxed to a lower pressure level, wherein it continues to cool. This cool at lower pressure level located refrigerant circuit stream is then fed to the condenser 7 as a cooling medium, where it cools the working medium of the Rankine cycle 2 and condensed while being heated itself. This heated cooling medium of the refrigeration device 6 is sucked in by the negative pressure of the steam jet pump 17 and mixed as suction steam in the steam steel pump 17 with the branched stream of the Rankine cycle 2 supplied as motive steam in the manner already described.
Um eine Schwankung einer Massenverteilung des Arbeitsmediums innerhalb der To a fluctuation of a mass distribution of the working medium within the
Abwärmenutzungsvorrichtung 2, die insbesondere durch Änderungen eines Waste heat recovery device 2, in particular by changes in a
Wärmeeintrags der Wärme auf den Rankine-Verdampfer 4 verursacht sein kann, auszugleichen, kann die Kälteeinrichtung 6 mit einem nicht dargestellten Sammler ausgestattet sein. Der Sammler ist dabei bevorzugt entweder stromab des Kondensators 7 angeordnet. Alternativ ist der Sammler stromab der Dampfstrahlpumpe 17 und stromauf des Kondensators 7 angeordnet. Typischerweise ist ein als Drosselventil ausgebildetes Expansionsventil 18 zwischen dem Kondensators 7 und dem Sammler angeordnet. Der Sammler kann einen Füllstandssensor zur Füllstandserfassung aufweisen und steuerbar und/oder regelbar sein. Heat input of the heat on the Rankine evaporator 4 may be caused to compensate, the refrigeration device 6 may be equipped with a collector, not shown. The collector is preferably arranged either downstream of the capacitor 7. Alternatively, the collector is disposed downstream of the steam jet pump 17 and upstream of the condenser 7. Typically, a designed as a throttle valve expansion valve 18 is disposed between the condenser 7 and the collector. The collector may include a level sensor for level detection and be controllable and / or regulated.
Die Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform zu Fig. 1. Einziger Unterschied ist die Anordnung der Abzeigung des Teilstroms, welcher vom Rankine-Kreis 2 zur Dampfstrahlpumpe 17 abgeführt wird. In Fig. 1 wird dieser Teilstrom zwischen Pumpe 5' und Verdampfer 4 dem Rankine-Kreis 2 entnommen, so dass in Fig. 1 ein unter einem oberen Druck stehendes kühles und flüssiges Rankine-Medium der Dampftrahlpumpe17 als Treibstrom zugeführt wird. FIG. 2 shows an alternative embodiment to FIG. 1. The only difference is the arrangement of the deflection of the partial flow, which is led away from the Rankine cycle 2 to the steam jet pump 17. In Fig. 1, this partial flow between the pump 5 ' and evaporator 4 is taken from the Rankine cycle 2, so that in Fig. 1, a standing under an upper pressure cool and liquid Rankine medium of the steam jet pump 17 is supplied as a driving current.
In Fig. 2 wird hingegen der Teilstrom zwischen dem Verdampfer 4 und dem Expander 9 aus dem Rankine-Kreis 2 entnommen und der Dampfstrahlpumpe 17 als Treibstrom zugeführt. Das zugeführte Medium ist daher heiß dampfförmig und befindet sich auf einem oberen Druckniveau. In Fig. 2, however, the partial flow between the evaporator 4 and the expander 9 is removed from the Rankine cycle 2 and fed to the steam jet pump 17 as a drive current. The supplied medium is therefore hot vaporous and is at an upper pressure level.
Fig. 3 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einer in einem Clausius-Rankine-Kreislauf 2 angeordneten Kälteeinrichtung 6. Der Clausius-Rankine-Kreislauf 2 weist eine Pumpe 5, einen als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher 4, einen Expander 9 und einen Kondensator 7 auf. In der Fig. 3 ist der Rankine-Kondensator 7 wärmeübertragend mit einer als Adsorbtionskälteeinrichtung 6'ausgebildeten Kälteeinrichtung 6 verbunden. Die Adsorbtionskälteeinrichtung 6' weist einen Verdampfer 14, mindestens einen Adsorber 16, 16'und einen Abgaskondensator 3 auf. In einer Ausführungsform sind der Rankine- Kondensator 7 und der Verdampfer 14 als ein einziger Wärmetaucher ausgebildet, dessen wärmeabgebende Seite durch den Kondensator 7 und dessen FIG. 3 shows an internal combustion engine 1 with a refrigeration device 6 arranged in a Rankine cycle 2. The Rankine cycle 2 has a pump 5, a heat exchanger 4 designed as an evaporator, an expander 9 and a condenser 7. In FIG. 3, the Rankine condenser 7 is heat-transmittingly connected to a refrigerating device 6 designed as an adsorption refrigerating device 6 ' . The Adsorbtionskälteeinrichtung 6 ' has an evaporator 14, at least one adsorber 16, 16 ' and an exhaust gas condenser 3. In one embodiment, the Rankine condenser 7 and the evaporator 14 are formed as a single heat exchanger whose heat-emitting side through the condenser 7 and its
wärmeaufnehmende Seite durch den Verdampfer 14 gebildet werden. In diesem Fall kann der Rankine-Kondensator 7 wie in Fig. 3 dargestellt als Teil des Rankine-Kreises 2 und als Teil der Adsorbtionskältemaschine 6'aufgefasst werden. heat receiving side are formed by the evaporator 14. In this case, as shown in FIG. 3, the Rankine condenser 7 may be regarded as part of the Rankine cycle 2 and as part of the adsorption refrigeration machine 6 ' .
Das dampfförmige auf einem unteren Druckniveau befindliche Arbeitsmedium des Rankine-Kreises 2 wird dem Kondensator 7 zugeführt, wo es vom Arbeitsmedium des Verdampfers 14 gekühlt wird und kondensiert. Im Verdampfer 14' nimmt das The vaporous on a lower pressure level working fluid of the Rankine cycle 2 is supplied to the condenser 7, where it is cooled by the working medium of the evaporator 14 and condensed. In the evaporator 14 ' takes that
Arbeitsmedium der Kälteeinrichtung 6 die Wärme des Rankine-Arbeitsmediums auf und verdampft. Das erwärmte dampfförmige Arbeitsmedium der Kälteeinrichtung wird vom Adsorber 16 adsorbiert. Als Arbeitmedium des Kältekreises kommen Fluide wie z.B. Wasser, Alkohole und Ammoniak in Frage. Working medium of the refrigeration device 6, the heat of the Rankine working medium and evaporated. The heated vaporous working medium of the refrigeration device is adsorbed by the adsorber 16. As a working medium of the refrigerant circuit fluids such. Water, alcohols and ammonia in question.
Das Kältemittel im Verdampfer 14' wird erhitzt, verdampft und kühlt dadurch den The refrigerant in the evaporator 14 'is heated, evaporated and thereby cools the
Kondensator 7 und führt die zugeführte Wärme somit ab. Das verdampfte Kältemittel wird nun vom Sorbent im Adsorber 16, 16'unter Abgabe von Wärme an das Sorbent adsorbiert. Geeignete Sorbtionsmittel sind beispielsweise Zeolithe oder Kieselerden oder Aktivkohle. Da sich das Kältemittel im Adsorber 16, 16' sammelt, ist eine Desorption notwendig. Zur Desorption des Kältemittels ist ein entsprechender Wärmeeintrag erforderlich. Capacitor 7 and thus dissipates the heat supplied. The vaporized refrigerant is now adsorbed by the sorbent in the adsorber 16, 16 'with the release of heat to the sorbent. Suitable sorbents are, for example, zeolites or silica or activated carbon. Since the refrigerant collects in the adsorber 16, 16 ' , there is a desorption necessary. For desorption of the refrigerant, a corresponding heat input is required.
Dazu kann in einer Ausführungsform, wie in Fig. 3 dargestellt, die Kälteeinrichtung 6, respektive die Adsorptionskälteeinrichtung 6' in einen Kühlkreislauf 1 1 der For this purpose, in one embodiment, as shown in Fig. 3, the refrigeration device 6, respectively the adsorption refrigeration device 6 'in a cooling circuit 1 1 of
Brennkraftmaschine 1 eingebunden sein. In Fig. 3 weist der Kühlkreis einen Kühler 12 auf und ist mit der Brennkraftmaschine 1 und den Adsorbern 16 und 16'der Internal combustion engine 1 to be involved. In Fig. 3, the cooling circuit on a radiator 12 and is with the internal combustion engine 1 and the adsorbers 16 and 16 ' of
Adsorbtionskältemaschine 6'verbunden. Somit ist jeder der Adsorber 16, 16" mit dem Kühlkreis 11 einer Brennkraftmaschine 1 derart verbunden ist, dass Wärme aus dem Kühlkreis 11 zuführbar ist, um das Arbeitsmedium im Adsorber 16, 16" zu desorbieren. Adsorption refrigeration machine 6 ' connected. Thus, each of the adsorbers 16, 16 "is connected to the cooling circuit 11 of an internal combustion engine 1 such that heat from the cooling circuit 11 can be fed to desorb the working fluid in the adsorber 16, 16 " .
Führt man dem Adsorber 16, 16', beispielsweise über den Kühlkreis 11 der If one leads the adsorber 16, 16 ' , for example via the cooling circuit 11 of
Brennkraftmaschine 1 , Wärme zu, so findet eine Desorption statt, d. h. das Kältemittel verlässt im dampf- oder gasförmigen Aggregatzustand das Sorbtionsmittel und kondensiert anschließend im Kondensator 3, der die Kondensationswärme an das Abgas der Abgasleitung 8 abführt. Im Abgaskondensator 3 wird das Arbeitsmedium des Internal combustion engine 1, heat to, so there is a desorption, d. H. The refrigerant leaves the sorbent in the vapor or gaseous state of matter and then condenses in the condenser 3, which dissipates the heat of condensation to the exhaust gas of the exhaust pipe 8. In the exhaust gas condenser 3, the working medium of
Kältekreises unter Abgabe der Restwärme an das Abgas kondensiert. Cooling circuit condenses under release of residual heat to the exhaust gas.
Das kondensierte Arbeitmedium des Kältekreises kann wieder dem Verdampfer 14 zugeführt werden. Danach wird die Temperatur im Sorbent -und damit auch der Druck wieder abgesenkt und der Adsorber 16 bzw16'kann erneut gefüllt werden. The condensed working medium of the refrigerant circuit can be returned to the evaporator 14. Thereafter, the temperature in the sorbent - and thus the pressure is lowered again and the adsorber 16 bzw.16 ' can be refilled.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Adsorber 16 und 16 'vorgesehen, die abwechselnd betrieben werden. Dies bedeutet, dass, wenn Adsorber 16 befüllt wird, der Adsorber 16 'zur gleichen Zeit entladen wird und ungekehrt. Damit kann ein ständiger Betrieb der Adsorbtionskälteeinrichtung 6'sichergestellt werden. In a preferred embodiment, two adsorbers 16 and 16 'are provided, which are operated alternately. This means that when adsorber 16 is filled, the adsorber 16 'is discharged at the same time and vice versa. Thus, a continuous operation of the Adsorbtionskälteeinrichtung 6 'can be ensured.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 lässt sich insbesondere deren With the internal combustion engine 1 according to the invention can be particularly their
Wirkungsgrad durch eine verbesserte Abwärmenutzung deutlich steigern, da durch die Anordnung der Kälteeinrichtung 6 die Kondensationsleistung des Kondensators 7 deutlich gesteigert werden kann. Insgesamt wirkt sich dies auch positiv auf einen Significantly increase efficiency through improved use of waste heat, since the condensation performance of the capacitor 7 can be significantly increased by the arrangement of the refrigeration device 6. Overall, this also has a positive effect on one
Kraftstoffverbrauch bzw. ein Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine 1 aus. Fuel consumption and emission behavior of the internal combustion engine 1 from.
Grundsätzlich ist auch eine Abwärmenutzungsvorrichtung denkbar, bei der die die Dampfstrahlkälteeinrichtung 6" im Clausius-Rankine-Kreislauf 2 in Reihe zu dem dort vorgesehenen Expander 9 zwischen Expander 9 und Pumpe 5 angeordnet ist. In principle, a waste heat utilization device is also conceivable in which the steam jet cooling device 6 "in the Rankine cycle 2 is arranged in series with the expander 9 provided there between the expander 9 and the pump 5.

Claims

Daimler AG Patentansprüche Daimler AG claims
1. Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs, mit einer als Clausius-Rankine- Kreislauf (2) ausgebildeten Abwärmenutzungsvorrichtung, der über einen Verdampfer (4) Wärme einer Abgasleitung (8), einer Abgasrückführung und/oder eines Kühlkreislaufs (11) der Brennkraftmaschine (1) zuführbar ist, 1. Internal combustion engine (1) of a motor vehicle, with a Clausius Rankine cycle (2) formed waste heat recovery device via an evaporator (4) heat an exhaust pipe (8), an exhaust gas recirculation and / or a cooling circuit (11) of the internal combustion engine ( 1) can be fed,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
eine Adsorptionskälteeinrichtung (6'), eine Absorptionskälteeinrichtung oder eine Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") vorgesehen ist, die in den Clausius-Rankine- Kreislauf (2) eingebunden ist.  an adsorption refrigeration device (6 '), an absorption refrigeration device or a steam jet refrigeration device (6 ") is provided, which is integrated in the Clausius-Rankine cycle (2).
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , 2. Internal combustion engine according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
eine Adsorptionskälteeinrichtung (6'), eine Absorptionskälteeinrichtung oder eine Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") vorgesehen ist, die eine Kühlung eines  an adsorption cooling device (6 '), an absorption cooling device or a steam jet cooling device (6 ") is provided, which is a cooling of a
Kondensators (7) im Clausius-Rankine-Kreislauf (2) unterstützt oder ersetzt.  Capacitor (7) in the Rankine cycle (2) supported or replaced.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, 3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Adsorptionskälteeinrichtung (6'), die Absorptionskälteeinrichtung oder die Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") mit der Abgasleitung (8) Wärme übertragend verbunden ist und dadurch Kondensationswärme über den Abgasstrom abführt.  the adsorption refrigeration device (6 '), the absorption refrigeration device or the steam jet refrigeration device (6 ") is connected in a heat-transferring manner to the exhaust gas line (8) and thereby dissipates heat of condensation via the exhaust gas flow.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskondensator (3) in der Abgasleitung (8) stromab des Verdampfers (4) angeordnet ist. characterized in that the exhaust gas condenser (3) is arranged in the exhaust gas line (8) downstream of the evaporator (4).
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
im Clausius-Rankine-Kreislauf eine Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") vorgesehen ist, die über einen nach der Pumpe (5, 5') und vor dem Verdampfer (4) oder nach dem Verdampfer (4) und vor der Expansionsmaschine (9) abgezweigten Teilstrom betrieben ist. in the Rankine cycle a steam jet cooling device (6 " ) is provided, which via a after the pump (5, 5 ' ) and before the evaporator (4) or after the evaporator (4) and before the expansion machine (9) diverted partial flow is operated.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
im Clausius-Rankine-Kreislauf eine Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") vorgesehen ist, die über einen aus dem Verdampfer (4) abgezweigten Teilstrom betrieben ist. in the Rankine cycle a steam jet cooling device (6 " ) is provided, which is operated via a diverted from the evaporator (4) partial flow.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, 7. Internal combustion engine according to claim 5 or 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
im Clausius-Rankine-Kreislauf zwei Pumpen (5, 5) vorgesehen sind,  two pumps (5, 5) are provided in the Clausius-Rankine cycle,
- wobei die eine zwischen dem Kondensator (7) und einer Dampfstrahlpumpe (17) der Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") angeordnet ist, und - Wherein one between the condenser (7) and a steam jet pump (17) of the steam jet cooling device (6 " ) is arranged, and
- die andere zwischen der Dampfstrahlpumpe (17) der Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") und dem Verdampfer (4) angeordnet ist. - The other between the steam jet pump (17) of the steam jet cooling device (6 " ) and the evaporator (4) is arranged.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
über den Saugstrahl der Dampfstrahlpumpe (17) Wärme aus dem Kondensator (7) abgeführt wird.  Heat is removed from the condenser (7) via the suction jet of the steam jet pump (17).
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 9. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") im Clausius-Rankine-Kreislauf (2) parallel zu dem ebenfalls dort vorgesehenen Expander (9) angeordnet ist. the steam jet cooling device (6 ") is arranged in the Clausius-Rankine cycle (2) parallel to the expander (9) also provided there.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 10. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Dampfstrahlkälteeinrichtung (6") einen Sammler aufweist, der stromab der Dampfstrahlpumpe (17) und stromauf dem Kondensator (7) und einem Ventil (18) angeordnet ist.  the steam jet cooling device (6 ") has a collector which is arranged downstream of the steam jet pump (17) and upstream of the condenser (7) and a valve (18).
1 1. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 1 1. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 10,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
dass der Sammler einen Füllstandssensor aufweist.  that the collector has a level sensor.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , 12. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 11,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
dass der Sammler (20) steuerbar ist.  that the collector (20) is controllable.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 13. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Adsorptionskälteeinrichtung (6') zumindest einen Adsorber (16,16') aufweist, der einerseits über einen Verdampfer (14') mit dem ebenfalls in den Clausius-Rankine- Kreislauf (2) eingebundenen Kondensator (7) und andererseits über einen in der Abgasleitung (8) angeordneten Abgaskondensator (3) wärmeübertragend gekoppelt ist.  the Adsorptionskälteeinrichtung (6 ') at least one adsorber (16,16'), on the one hand via an evaporator (14 ') with the also in the Rankine Rankine circuit (2) integrated capacitor (7) and on the other hand via a in the Exhaust pipe (8) arranged exhaust gas condenser (3) is coupled heat transfer.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 13, 14. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4 or 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Adsorber (16,16') in den  characterized in that the at least one adsorber (16,16 ') in the
Clausius-Rankine-Kreislauf (2) oder in den Kühlkreislauf (1 1 ) der  Clausius Rankine cycle (2) or in the cooling circuit (1 1) of
Brennkraftmaschine (1 ) eingebunden ist.  Internal combustion engine (1) is integrated.
15. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 15. Internal combustion engine according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
im Clausius-Rankine-Kreislauf (2) das Arbeitsmedium Wasser, Wasser/Ethanol, Ethanol, R123, Novec, oder R152a ist.  in the Rankine cycle (2) the working medium is water, water / ethanol, ethanol, R123, Novec, or R152a.
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