WO2017178537A1 - Vorrichtung und verfahren zur energierückgewinnung - Google Patents

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WO2017178537A1
WO2017178537A1 PCT/EP2017/058805 EP2017058805W WO2017178537A1 WO 2017178537 A1 WO2017178537 A1 WO 2017178537A1 EP 2017058805 W EP2017058805 W EP 2017058805W WO 2017178537 A1 WO2017178537 A1 WO 2017178537A1
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WO
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latent heat
coolant
waste heat
cooling circuit
condenser
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PCT/EP2017/058805
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French (fr)
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Michael Bucher
Herbert Clemens
Michael HÖTGER
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Mahle International Gmbh
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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
    • 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
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein

Definitions

  • the present invention relates to a device for energy recovery in a motor vehicle with an integrated in a cooling circuit
  • the invention also relates to a method for waste heat utilization of an internal combustion engine with such a device.
  • a generic device for energy recovery in a motor vehicle with an integrated into a cooling circuit internal combustion engine wherein in this cooling circuit additionally a coolant pump and a radiator are arranged.
  • a waste heat recovery system comprising an evaporator, an expander, for example a turbine, a condenser and a pump.
  • the present invention now deals with the problem, for a
  • the present invention is based on the general idea, for the first time to integrate a latent heat storage for the ideal operation of a waste heat recovery system directly into a main branch or indirectly into a secondary branch of a cooling circuit of an internal combustion engine and not as previously in a cycle of waste heat recovery.
  • Systems WHR system
  • the inventive device for energy recovery in a motor vehicle has the aforementioned Cooling circuit, in which the internal combustion engine is integrated, wherein in the cooling circuit, a first coolant pump and a (coolant) radiator are arranged. Also, the device comprises the aforementioned
  • Waste heat recovery system with an evaporator, an expander, a
  • the cooling circuit now exclusively has a main branch or additionally a secondary branch, wherein the condenser of the waste heat recovery system is integrated into the main branch or into the secondary branch and wherein, upstream of the condenser in the main branch or in the secondary branch of the cooling circuit, the aforementioned latent heat accumulator is also arranged according to the invention. It is the
  • Latent heat storage preferably designed such that it on reaching a predefined temperature of the coolant coming from the radiator
  • Coolant deprives energy until the latent heat storage tank is full. In this way, in addition, the temperature of the coolant is limited, so that the
  • Capacitor in the waste heat recovery system can be operated in an ideal temperature range for the expander. If the coolant temperature drops again, for example due to a lower load on the internal combustion engine or improved cooling in the radiator, the latent heat accumulator can emit energy again in order to heat the coolant and also bring the working medium of the waste heat utilization system into the designed ideal range for the condenser , With the inventively arranged in a main branch or a secondary branch of the cooling circuit latent heat storage, it is thus possible not only to keep the waste heat utilization system (WHR system) in an optimal temperature range, but also the coolant temperature of the internal combustion engine, whereby the inventive device compared to from the Prior art devices has a significantly higher functionality. Is the latent heat storage in a secondary branch of the cooling circuit
  • Coolant pump is flowed through with coolant or not. Theoretically, of course, would also be a valve for switching on or off the
  • Latent heat storage must be routed. Thus, advantageously only the required amount of coolant can always be tapped and fed to the latent heat storage.
  • the latent heat storage has salt hydrate or a mixture of salt hydrates as storage medium.
  • salt hydrates in particular higher and also precisely adjustable phase change temperatures are possible, for which purpose, for example, Glauber salts or sodium acetates are used.
  • the phase change temperature optimally matched to the condenser or the expander of the waste heat recovery system (Waste Heat Recovery System) and thereby optimize.
  • the phase change temperature optimally matched to the condenser or the expander of the waste heat recovery system (Waste Heat Recovery System) and thereby optimize.
  • gas hydrates, water, paraffins, salt water eutectics and / or sugar alcohols can be used or combined with such salt hydrates.
  • the latent heat storage device operates on the principle of adsorption and has, for example, adsorption materials such as zeolite, which specifically store heat and again can give. So absorption fluids are conceivable, such a
  • a working medium in the waste heat recovery system ethanol, acetone,
  • Ethanol represents an alcohol
  • cyclopentane is a belonging to the substance group of Cydoalkane colorless liquid whose melting temperature is -94 ° C.
  • the latent heat accumulator is arranged downstream of the radiator in the cooling circuit.
  • the latent heat storage between the condenser and the radiator is arranged, thereby enabling a particularly optimized
  • the latent heat storage usually has a storage capacity of 0.5 to 10 kWh, the storage capacity is usually designed for the amount of energy to be stored.
  • the present invention is further based on the general idea to provide a method for waste heat utilization of an internal combustion engine, in which the device described above is used.
  • latent heat storage device removes this energy when a predefined temperature T of the coolant is exceeded, stores this energy and at the same time limits the temperature of the coolant to the temperature T, as a result of which the capacitor can be operated in a temperature range which is ideal for the expander with high efficiency.
  • the latent heat storage heat energy to the coolant and heats it up thereby also
  • the capacitor can be kept in an optimal temperature range and thereby the waste heat recovery system can be operated in an ideal temperature range with high efficiency.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for energy recovery in a motor vehicle with a cooling circuit with only one main branch
  • FIG. 2 shows an inventive device for energy recovery in a motor vehicle with a cooling circuit with a main and a side branch
  • 3 is a view as in Fig. 2, but with differently arranged second cooling medium pump
  • Fig. 4 is a representation as in Fig. 1, but with an additional
  • Fig. 5 is a representation as in Fig. 4, but with a turn-off
  • Fig. 6 shows the structure of a latent heat storage.
  • a working medium eg. For storing ethanol, acetone, acetone / methanol mixtures or cyclopentane, which in the
  • Waste heat recovery system 7 and a circuit 13 thereof circulates.
  • the cooling circuit 3 comprises only one main branch 15, whereas according to FIGS. 2 and 3 it comprises a main branch 15 and additionally a secondary branch 16.
  • the condenser 10 of the waste heat utilization system 7 is now integrated in the cooling circuit 3, that is to say heat transfer associated with this.
  • the capacitor 10 of the waste heat recovery system 7 according to FIGS. 1 and 4 and 5 in the main branch 15 of the cooling circuit 3 and according to FIGS. 2 and 3 is integrated into the secondary branch 16.
  • a latent heat storage 14 is arranged, which is for storing from the cooling circuit
  • Waste heat recovery system 7 resulting energy is formed.
  • Latent heat storage 14 has, for example, salt hydrate or a mixture of salt hydrates, but may also include gas hydrates, water, salt water eutectics, paraffins and / or sugar alcohols or a mixture of these elements.
  • the latent heat storage 14 also has a storage capacity of 0.5 to about 10 kWh, which is based on the needs of the device 1 and
  • the latent heat accumulator 14 is arranged downstream of the radiator 6 in the cooling circuit 3 and at the same time upstream of the first coolant pump 5.
  • the latent heat accumulator 14 is also a direct arrangement of the latent heat accumulator 14 between the condenser 10 and the coolant pump 5 conceivable ,
  • the latent heat accumulator 14 is arranged downstream of the radiator 6 in the side branch 16 and at the same time upstream of the second coolant pump 5 '.
  • the latent heat store 14 is arranged downstream of the cooler 6 and downstream of the second coolant pump 5 'in the side branch 16.
  • the device 1 functions as follows:
  • Coolant energy stores them and also limits the temperature of the coolant to the temperature T, so that the capacitor 10 can be operated in an ideal for the expander 9 temperature range in which the waste heat utilization system 7 has a high efficiency. If the temperature of the coolant in the cooling circuit 3 drops below the predefined temperature T, then the latent heat accumulator 14 releases energy to the coolant, heats the latter and thus also keeps the condenser 10 in a temperature range which is ideal for the expander 9.
  • the waste heat utilization system 7 can preferably be operated with ethanol with or without lubricating oil as the working medium, in which case the predefined temperature T is between 70 ° C ⁇ T ⁇ 90 ° C. Alternatively, it is also conceivable that the Waste heat recovery system with acetone, acetone / methanol mixtures or
  • Temperature T is between 40 ° C ⁇ T ⁇ 60 ° C.
  • the heat energy stored in the latent heat accumulator 14, if present, can also be used to heat the coolant during a cold start of the internal combustion engine 4 and thereby contribute to reducing pollutant emissions.
  • Waste heat utilization system 7 possible, but also with respect to the
  • Waste heat utilization system 7 is arranged. This makes it possible, in particular, to significantly improve the starting process for the waste heat utilization system 7 (WHR system) through the heat accumulators 14 and 17. This is especially for cold start cycles, which often occur in motor vehicles 2, crucial.
  • the heat storage 14, 17 have stored latent heat from a previous operation.
  • the latent heat accumulator 14 heats the cooling water of the internal combustion engine 4 in the cooling circuit 3 and about the waste heat recovery circuit 7 in the capacitor 10 to about 60 - 80 ° C, while the latent heat accumulator 17 heats the working fluid before the expander 9 to about 200 ° C.
  • the cold start phase can be significantly shortened and thus the emission loads and fuel consumption can be significantly reduced.
  • the additional latent heat storage 17 operates at a different temperature level. It can be directly in the working medium circuit 13 (see Fig. 4) or switchable by a valve device (18) in parallel operation (see Fig. 5) run.
  • the latent heat accumulator 14, 17 can have the following components according to FIG. 6: a housing 19, heat exchanger tubes 20, a metal fiber or metal foam matrix 21, which is arranged in the housing 19, wherein the heat exchanger tubes 20 are embedded in the metal fiber or metal foam matrix 21 and thereby guarantee a very good heat transfer.
  • the metal fiber or metal foam matrix 21 is filled with a salt hydrate.
  • the porosity of the metal fiber or metal foam matrix 21 is up to 80% and / or may in particular consist of an aluminum material.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug (2) mit - einer in einen Kühlkreislauf (3) eingebundenen Brennkraftmaschine (4), wobei in dem Kühlkreislauf (3) eine erste Kühlmittelpumpe (5) und ein Kühler (6) angeordnet sind, - einem Abwärmenutzungssystem (7) mit einem Verdampfer (8), einem Expander (9), einem Kondensator (10) und einer Pumpe (11). Erfindungswesentlich ist dabei, - dass der Kühlkreislauf (3) ausschließlich einen Hauptzweig (15) oder einen Hauptzweig (15) und einen Nebenzweig (16) aufweist, wobei der Kondensator (10) des Abwärmenutzungssystems (7) in den Hauptzweig (15) oder in den Nebenzweig (16) eingebunden ist, - dass in dem Kühlkreislauf (3) stromauf des Kondensators (10) ein Latentwärmespeicher (14) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Energierückgewinnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug mit einer in einem Kühlkreislauf eingebundenen
Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorrichtung.
Aus der DE 10 2012 222 082 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug mit einer in einen Kühlkreislauf eingebundenen Brennkraftmaschine bekannt, wobei in diesem Kühlkreislauf zusätzlich eine Kühlmittelpumpe und ein Kühler angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein Abwärmenutzungssystem mit einem Verdampfer, einem Expander, bspw. einer Turbine, einem Kondensator und einer Pumpe.
Aus der DE 10 2010 042 401 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei in einem
Leitungskreis, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, eine Speisepumpe, ein Wärmeübertrager, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Im Leitungskreis ist weiterhin ein Dampfspeicher zur Speicherung des dampfförmigen Arbeitsmediums angeordnet.
Aus der DE 10 2014 002 678 A1 ist eine Vorrichtung zur Speicherung von Energie in Lauge zum Zwecke der Qualifizierung von regenerativer Energie, insbesondere aus Windkraft oder Photovoltaikanlagen, für die bedarfsgerechte Versorgung von Abnehmern bekannt. Um möglichst viel Abwärme bei Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen nutzen zu können, werden so genannte Latentwärmespeicher eingesetzt, die in einen so genannten Waste Heat Recovery-Kreislauf (Abwärmenutzungskreislauf) integriert werden. Diese Latentwärmespeicher speichern dabei überschüssige Energie, die meistens von den heißen Verbrennungsabgasen der Brennkraftmaschine abgegeben wird. Bei geringerer Energieausbeute, das heißt bei geringerer Last der Brennkraftmaschine, wird nun die in dem Latentwärmespeicher gespeicherte Energie abgegeben, um den Expander im Abwärmenutzungskreislauf möglichst lange im idealen Zustand betreiben zu können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, für eine
Vorrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere eine erhöhte Funktionalität aufweist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals einen Latentwärmespeicher zum idealen Betrieb eines Abwärmenutzungssystems (Waste Heat Recovery System) direkt in einen Hauptzweig oder indirekt in einen Nebenzweig eines Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine zu integrieren und nicht wie bisher in einen Kreislauf des Waste Heat Recovery-Systems (WHR- Systems), so dass mit dem Latentwärmespeicher auch das Kühlmittel für die Brennkraftmaschine temperiert werden kann, was insbesondere bei einem
Kaltstart der Brennkraftmaschine noch im Latentwärmespeicher vorhandener Energie zu einer schnelleren Aufheizung der Brennkraftmaschine und dadurch zu einer geringeren Schadstoffemission führt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug besitzt dabei den zuvor erwähnten Kühlkreislauf, in welchen die Brennkraftmaschine eingebunden ist, wobei in dem Kühlkreislauf eine erste Kühlmittelpumpe und ein (Kühlmittel-)Kühler angeordnet sind. Ebenfalls umfasst die Vorrichtung das zuvor erwähnte
Abwärmenutzungssystem mit einem Verdampfer, einem Expander, einem
Kondensator und einer Pumpe. Erfindungsgemäß weist nun der Kühlkreislauf ausschließlich einen Hauptzweig oder zusätzlich noch einen Nebenzweig auf, wobei der Kondensator des Abwärmenutzungssystems in den Hauptzweig oder in den Nebenzweig eingebunden ist und wobei stromauf des Kondensators im Hauptzweig oder in Nebenzweig des Kühlkreislaufs zudem erfindungsgemäß der zuvor erwähnte Latentwärmespeicher angeordnet ist. Dabei ist der
Latentwärmespeicher vorzugsweise derart ausgeführt, dass er bei Erreichen einer vordefinierten Temperatur des Kühlmittels, dem vom Kühler kommenden
Kühlmittel Energie entzieht, bis der Latentwärmespeicher voll ist. Hierdurch wird zusätzlich auch die Temperatur des Kühlmittels begrenzt, so dass der
Kondensator im Abwärmenutzungssystem in einem für den Expander idealen Temperaturbereich betrieben werden kann. Sinkt die Kühlmitteltemperatur wieder ab, bspw. durch eine geringere Last an der Brennkraftmaschine oder eine verbesserte Kühlung im Kühler, kann der Latentwärmespeicher Energie wieder abgeben, um das Kühlmittel aufzuheizen und darüber auch das Arbeitsmedium des Abwärmenutzungssystems in den ausgelegten idealen Bereich für den Kondensator zu bringen. Mit dem erfindungsgemäß in einem Hauptzweig oder einem Nebenzweig des Kühlkreislaufs angeordneten Latentwärmespeicher ist es somit möglich, nicht nur das Abwärmenutzungssystem (WHR-System) in einem optimalen Temperaturbereich zu halten, sondern ebenso die Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen eine deutlich höhere Funktionalität aufweist. Ist der Latentwärmespeicher in einem Nebenzweig des Kühlkreislaufs
angeordnet, so besteht die Möglichkeit, diesen bedarfsgerecht zuzuschalten oder abzuschalten, indem der Nebenzweig über beispielsweise eine zweite
Kühlmittelpumpe mit Kühlmittel durchströmt wird oder nicht. Rein theoretisch würde selbstverständlich auch ein Ventil zum Zu- oder Abschalten des
Nebenzweigs ausreichen. Bei der Ausführungsform mit Nebenzweig wird nur ein Teilstrom des Kühlmittels abgezweigt. Die Nebenstromvariante bietet dabei Vorteile, da nicht der komplette Kühlmittelstrom immer über den
Latentwärmespeicher geleitet werden muss. So kann vorteilhaft nur immer die benötigte Menge an Kühlmittel abgezapft und zum Latentwärmespeicher geführt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Latentwärmespeicher Salzhydrat oder eine Mischung aus Salzhydraten als Speichermedium auf. Mittels derartiger Salzhydrate sind insbesondere höhere und auch genau einstellbare Phasenwechseltemperaturen möglich, wobei hierzu bspw. Glaubersalze oder Natriumacetate verwendet werden. Durch eine
Mischung der einzelnen Salzhydrate ist es insbesondere möglich, die
Temperatur, bei welcher der Latentwärmespeicher Wärme speichert bzw. abgibt, das heißt die Phasenwechseltemperatur, optimal auf den Kondensator bzw. den Expander des Abwärmenutzungsystem (Waste Heat Recovery System) abzustimmen und dadurch zu optimieren. Selbstverständlich können anstelle von Salzhydraten und deren Mischungen auch Gashydrate, Wasser, Paraffine, Salz- Wasser-Eutektika und/oder Zuckeralkohole verwendet oder aber mit derartigen Salzhydraten kombiniert werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung arbeitet der Latentwärmespeicher nach dem Adsorptionsprinzip und weist beispielsweise Adsorptionsmaterialien wie Zeolith auf, die gezielt Wärme speichern und wieder abgeben können. So sind auch Absorptionsfluide denkbar, die solch eine
Wirkungsweise aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist ein Arbeitsmedium im Abwärmenutzungssystem Ethanol, Aceton,
Aceton/Methanolmischungen oder Cyclopentan jeweils mit oder ohne
zusätzlichem Schmierölanteil auf. Ethanol stellt dabei einen Alkohol dar, während Cyclopentan eine zur Stoffgruppe der Cydoalkane gehörende farblose Flüssigkeit ist, deren Schmelztemperatur bei -94°C liegt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Latentwärmespeicher stromab des Kühlers im Kühlkreislauf angeordnet. In diesem Fall ist somit der Latentwärmespeicher zwischen dem Kondensator und dem Kühler angeordnet und ermöglicht dadurch eine besonders optimierte
Temperierung des Kühlmittels und darüber auch des Arbeitsmediums im
Abwärmenutzungssystem. Der Latentwärmespeicher besitzt dabei üblicherweise eine Speicherkapazität von 0,5 bis 10 kWh, wobei die Speicherkapazität üblicherweise auf die zu speichernde Energiemenge ausgelegt ist.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei welchem die zuvor beschriebene Vorrichtung zum Einsatz kommt. Der
Latentwärmespeicher entzieht dabei bei Überschreiten einer vordefinierten Temperatur T des Kühlmittels diesem Energie, speichert diese Energie und begrenzt zugleich die Temperatur des Kühlmittels auf die Temperatur T, wodurch der Kondensator in einem für den Expander idealen Temperaturbereich mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Bei Unterschreiten der
vordefinierten Temperatur T des Kühlmittels gibt der Latentwärmespeicher Wärmeenergie an das Kühlmittel ab und heizt dieses auf, wodurch auch dadurch der Kondensator in einem optimalen Temperaturbereich gehalten und dadurch das Abwärmenutzungssystem in einem idealen Temperaturbereich mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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.
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.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf mit ausschließlich einem Hauptzweig,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf mit einem Haupt- und einem Nebenzweig, Fig. 3 eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch bei anders angeordneter zweiter Kühl mittel pumpe,
Fig. 4 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch mit einem zusätzlichen
Latentwärmespeicher im Kreislauf des Abwärmenutzungssystems
Fig. 5 eine Darstellung wie in Fig. 4, jedoch mit einem abschaltbaren
Latentwärmespeicher im Kreislauf des Abwärmenutzungssystems
Fig. 6 den Aufbau eines Latentwärmespeichers.
Entsprechend den Fig. 1 bis 5 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug 2 eine in einen Kühlkreislauf 3 eingebundene Brennkraftmaschine 4 auf, wobei in dem Kühlkreislauf 3 eine erste Kühlmittelpumpe 5 und ein (Kühlmittel-)Kühler 6 angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein Abwärmenutzungssystem 7, auch Waste Heat Recovery- System (WHR) genannt, welches einen Verdampfer 8, einen Expander 9, bspw. eine Turbine, einen Kondensator 10 sowie eine Pumpe 1 1 umfasst. Ebenfalls in dem Abwärmenutzungssystem 7 vorgesehen sein kann ein Tank 12, zur
Speicherung eine Arbeitsmediums, bspw. zur Speicherung von Ethanol, Aceton, Aceton/Methanolmischungen oder Cyclopentan, welches in dem
Abwärmenutzungssystem 7 bzw. einem Kreislauf 13 desselben zirkuliert.
Fluidisch sind dabei der Kühlkreislauf 3 und der Arbeitsmediumkreislauf 13 voneinander getrennt.
Gemäß der Fig. 1 umfasst dabei der Kühlkreislauf 3 nur einen Hauptzweig 15, wogegen er gemäß den Fig. 2 und 3 einen Hauptzweig 15 und zusätzlich einen Nebenzweig 16 umfasst. Erfindungsgemäß ist nun der Kondensator 10 des Abwärmenutzungssystems 7 in dem Kühlkreislauf 3 eingebunden, das heißt wärmeübertragend mit diesem verbunden. Dabei ist der Kondensator 10 des Abwärmenutzungssystems 7 gemäß den Fig. 1 sowie 4 und 5 in den Hauptzweig 15 des Kühlkreislaufs 3 und gemäß den Fig. 2 und 3 in den Nebenzweig 16 eingebunden.
Besonders bei den gemäß den Fig. 2 und 3 gezeigten Varianten, bei welchen der Latentwärmespeicher 14 im Nebenzweig 16 des Kühlkreislaufs 3 angeordnet ist, besteht die Möglichkeit, diesen bedarfsgerecht zuzuschalten oder abzuschalten, indem der Nebenzweig 16 über beispielsweise eine zweite Kühlmittelpumpe 5' mit Kühlmittel durchströmt wird oder nicht. Rein theoretisch würde selbstverständlich auch ein Ventil am Abzweig des Nebenzweigs 16 aus dem Hauptzweig 15 zum Zu- oder Abschalten des Nebenzweigs 16 ausreichen. Bei der Ausführungsform mit Nebenzweig 16 wird nur ein Teilstrom des Kühlmittels abgezweigt. Die
Nebenstromvariante bietet dabei Vorteile, da nicht der komplette Kühlmittelstrom immer über den Latentwärmespeicher 14 geleitet werden muss. So kann vorteilhaft nur immer die benötigte Menge an Kühlmittel abgezapft und zum Latentwärmespeicher 14 geführt werden. Durch die geringere Strömungsmenge kann die zweite Kühlmittelpumpe 5' vergleichsweise klein bauen.
Stromauf des Kondensators 10 ist dabei im Kühlkreislauf 3 (Hauptzweig 15 in den Fig. 1 , 4 und 5 und Nebenzweig 16 in den Fig. 2 und 3) ein Latentwärmespeicher 14 angeordnet, der zur Speicherung von aus dem Kühlkreis der
Brennkraftmaschine 4 bzw. aus dem Kondensator 10 des
Abwärmenutzungssystems 7 resultierender Energie ausgebildet ist. Der
Latentwärmespeicher 14 besitzt dabei bspw. Salzhydrat oder eine Mischung aus Salzhydraten, kann aber auch Gashydrate, Wasser, Salz-Wasser-Eutektika, Paraffine und/oder Zuckeralkohole oder eine Mischung aus diesen Elementen beinhalten. Der Latentwärmespeicher 14 besitzt darüber hinaus eine Speicherkapazität von 0,5 bis ca. 10 kWh, welche auf die Bedürfnisse der Vorrichtung 1 und
insbesondere des Abwärmenutzungssystems 7 ausgerichtet ist. Wie der Fig. 1 dabei zu entnehmen ist, ist der Latentwärmespeicher 14 stromab des Kühlers 6 im Kühlkreislauf 3 angeordnet und zugleich stromauf der ersten Kühlmittelpumpe 5. Rein theoretisch ist aber auch eine direkte Anordnung des Latentwärmespeichers 14 zwischen dem Kondensator 10 und der Kühlmittelpumpe 5 denkbar.
Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist der Latentwärmespeicher 14 stromab des Kühlers 6 im Nebenzweig 16 und zugleich stromauf der zweiten Kühlmittelpumpe 5' angeordnet. Gemäß der Fig. 3 ist der Latentwärmespeicher 14 stromab des Kühlers 6 und stromab der zweiten Kühlmittelpumpe 5' im Nebenzweig 16 angeordnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 funktioniert dabei wie folgt:
Überschreitet bspw. eine Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf 3 eine
vordefinierte Temperatur T, so entzieht der Latentwärmespeicher 14 dem
Kühlmittel Energie, speichert diese und begrenzt zudem die Temperatur des Kühlmittels auf die Temperatur T, so dass der Kondensator 10 in einem für den Expander 9 idealen Temperaturbereich betrieben werden kann, in welchem das Abwärmenutzungssystem 7 einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Unterschreitet die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf 3 die vordefinierte Temperatur T, so gibt der Latentwärmespeicher 14 Energie an das Kühlmittel ab, heizt dieses auf und hält dadurch ebenfalls den Kondensator 10 in einem für den Expander 9 idealen Temperaturbereich. Das Abwärmenutzungssystem 7 kann dabei vorzugsweise mit Ethanol mit oder ohne Schmierölanteil als Arbeitsmedium betrieben werden, wobei in diesem Fall die vordefinierte Temperatur T zwischen 70°C < T < 90°C liegt. Alternativ ist auch denkbar, dass das Abwärmenutzungssystem mit Aceton, Aceton/Methanolmischungen oder
Cyclopentan jeweils mit oder ohne zusätzlichem Schmierölanteil als
Arbeitsmedium betrieben wird, wobei in diesen Fällen die vordefinierte
Temperatur T zwischen 40°C < T < 60°C liegt. Die in dem Latentwärmespeicher 14 gespeicherte Wärmeenergie kann selbstverständlich - sofern vorhanden - auch bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 4 zum Aufheizen des Kühlmittels verwendet werden und dadurch dazu beitragen, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Mit dem erfindungsgemäß im Kühlkreislauf 3 angeordneten
Latentwärmespeicher 14 ist somit nicht nur ein optimaler Betrieb des
Abwärmenutzungssystems 7 möglich, sondern auch ein bezüglich der
Schadstoffemissionen reduzierter Betrieb der Brennkraftmaschine 4.
Betrachtet man die Figuren 4 und 5, so kann man erkennen, dass bei der dort gezeigten Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug 2 ein zusätzlicher Latentwärmespeicher 17 im Arbeitsmediumkreislauf 13 des
Abwärmenutzungssystems 7 angeordnet ist. Dies ermöglicht es vor allem, durch die Wärmespeicher 14 und 17 den Startvorgang für das Abwärmenutzungssystem 7 (WHR System) deutlich zu verbessern. Dies ist vor allem für Kaltstartzyklen, die bei Kraftfahrzeugen 2 oft auftreten, entscheidend. Die Wärmespeicher 14, 17 haben Latentwärme aus einem vorangegangenen Betrieb gespeichert. Dabei heizt der Latentwärmespeicher 14 das Kühlwasser der Brennkraftmaschine 4 im Kühlkreislauf 3 und darüber den Abwärmenutzungskreis 7 im Kondensator 10 auf ca. 60 - 80 °C auf, während der Latentwärmespeicher 17 das Arbeitsmedium vor dem Expander 9 auf ca. 200°C aufheizt. Hierdurch können insbesondere die Kaltstartphase deutlich verkürzt und dadruch die Emissionsbelastungen und ein Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden.
Der zusätzliche Latentwärmespeicher 17 arbeitet dabei auf einem anderen Temperaturniveau. Er kann direkt im Arbeitsmediumkreislauf 13 (vgl. Fig. 4) oder zuschaltbar durch eine Ventileinrichtung (18) im parallelen Betrieb (vgl. Fig. 5) laufen.
Der Latentwärmespeicher 14, 17 kann dabei entsprechend der Fig. 6 folgende Bauteile aufweisen: Ein Gehäuse 19, Wärmeübertragerrohre 20, Eine Metallfaseroder Metallschaummatrix 21 , die in dem Gehäuse 19 angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragerrohre 20 in die Metallfaser- oder Metallschaummatrix 21 eingebettet sind und dadurch einen sehr guten Wärmeübergang garantieren. Die Metallfaser- oder Metallschaummatrix 21 ist mit einem Salzhydrat gefüllt. Die Porosität der Metallfaser- oder Metallschaummatrix 21 beträgt bis zu 80% und/oder kann insbesondere aus einem Aluwerkstoff bestehen.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung (1 ) zur Energierückgewinnung in einem Kraftfahrzeug (2) mit
einer in einen Kühlkreislauf (3) eingebundenen Brennkraftmaschine (4), wobei in dem Kühlkreislauf (3) eine erste Kühlmittelpumpe (5) und ein Kühler (6) angeordnet sind,
einem Abwärmenutzungssystem (7) mit einem Verdampfer (8), einem Expander (9), einem Kondensator (10) und einer Pumpe (1 1 ),
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Kühlkreislauf (3) ausschließlich einen Hauptzweig (15) oder einen Hauptzweig (15) und einen Nebenzweig (16) aufweist, wobei der
Kondensator (10) des Abwärmenutzungssystems (7) in den Hauptzweig (15) oder in den Nebenzweig (16) eingebunden ist,
- dass in dem Kühlkreislauf (3) stromauf des Kondensators (10) ein
Latentwärmespeicher (14) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , zweite Alternative,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Nebenzweig (16) eine zweite Kühlmittelpumpe (5') angeordnet ist, über welche ein Kühlmittelstrom durch den Latentwärmespeicher (14) steuerbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, - dass der Latentwarnnespeicher (14) Salzhydrat oder eine Mischung aus Salzhydraten als Speichermedium aufweist, oder
- dass der Latentwarnnespeicher (14) nach dem Adsorptionsprinzip arbeitet, und/oder
- dass ein Arbeitsmedium im Abwärmenutzungssystem (7) Ethanol, Aceton, Aceton/Methanolmischungen oder Cyclopentan jeweils mit oder ohne zusätzlichem Schmierölanteil aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Latentwärmespeicher (14) eine Speicherkapazität von 0,5 bis 10 kWh aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Latentwärmespeicher (14) stromab des Kühlers (6) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Latentwärmespeicher (14) stromab der ersten Kühlmittelpumpe (5) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Latentwärmespeicher (14) stromauf der ersten Kühlmittelpumpe (5) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Latentwarnnespeicher (17) im Arbeitsmediumkreislauf (13) des Abwärmenutzungssystems (7) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Latentwärmespeicher (14, 17) folgende Bauteile aufweist, ein
Gehäuse (19), Wärmeübertragerrohre (20) und eine Metallfaser- oder
Metallschaummatrix (21 ), die in dem Gehäuse (19) angeordnet ist und in die die Wärmeübertragerrohre (20) eingebettet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Metallfaser- oder Metallschaummatrix (21 ) mit einem Salzhydrat gefüllt ist, und/oder
- dass die Porosität der Metallfaser- oder Metallschaummatrix (21 ) bis zu 80% beträgt, und/oder
- dass die Metallfaser- oder Metallschaummatrix (21 ) aus einem Aluwerkstoff besteht.
1 1 . Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) mit einer
Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem
- der Latentwärmespeicher (14) bei Überschreiten einer vordefinierten
Temperatur T des Kühlmittels diesem Energie entzieht und speichert und die Temperatur des Kühlmittels auf die Temperatur T begrenzt, so dass der Kondensator (10) in einem für den Expander (9) idealen Temperaturbereich betrieben werden kann,
- der Latentwärmespeicher (14) bei Unterschreiten der vordefinierten
Temperatur T des Kühlmittels Energie an das Kühlmittel abgibt, dieses aufheizt und dadurch den Kondensator (10) in einem für den Expander (9) idealen Temperaturbereich hält.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abwärmenutzungssystem (7) mit Ethanol mit oder ohne
Schmierölanteil als Arbeitsmedium betrieben wird und die vordefinierte
Temperatur T zwischen 70°C < T < 90°C liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abwärmenutzungssystem (7) mit Cyclopentan mit oder ohne
Schmierölanteil als Arbeitsmedium betrieben wird und die vordefinierte
Temperatur T zwischen 40°C < T < 60°C liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abwärmenutzungssystem (7) mit Aceton mit oder ohne
Schmierölanteil als Arbeitsmedium betrieben wird und die vordefinierte
Temperatur T zwischen 40°C < T < 60°C liegt.
15. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abwärmenutzungssystem (7) mit Aceton / Methanolmischung mit oder ohne Schmierölanteil als Arbeitsmedium betrieben wird und die vordefinierte Temperatur T zwischen 40°C < T < 60°C liegt.
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