DE102014011763A1

DE102014011763A1 - Anordnung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102014011763A1
Application number: DE201410011763
Authority: DE
Inventors: Christopher Bittl; Jan Gärtner; Andreas Hartmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Gewinnung mechanischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Arbeitskreislauf (3) für ein Arbeitsmedium vorgesehen ist, das unter Verwendung der Verlustwärme erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf (3) eine Expansionsmaschine (8) zur Erzeugung mechanischer Energie aus dem Wärmeinhalt des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei der Arbeitskreislauf (3) durch einen der Expansionsmaschine (8) in Strömungsrichtung (S) des Arbeitsmediums vorgelagerten Zwischenkreiswärmetauscher (12) verläuft, der über einen Zwischenkreis (10), in dem ein Wärmeträgermedium zirkuliert, mit einem Krümmerwärmetauscher verbunden ist, der mit einem Abgaskrümmer (5) der Verbrennungskraftmaschine (2) thermisch verbunden oder in diesen integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die EP 1 925 806 A2 offenbart ein System mit zumindest einem ersten Kreislauf zur Kühlung eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Abgaswärmetauscher zur Verbrennungsmotorabwärmenutzung, mit zumindest einem Organic-Rankine-Kreislauf zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine und zur Durchströmung mit zumindest einem ersten Wärmetauschermedium, wobei der Organic-Rankine-Kreislauf neben einer Vorwärmetauscherstufe zum Vorwärmen und/oder Verdampfen zumindest eine zweite Wärmetauscherstufe zum Verdampfen und/oder Überhitzen des ersten Wärmetauschermediums aufweist, wobei die Vorwärmetauscherstufe und die zweite Wärmetauscherstufe von einem zweiten Medium, insbesondere einem Kühlmittel, durchströmt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Anordnung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ist ein Arbeitskreislauf für ein Arbeitsmedium vorgesehen, das unter Verwendung der Verlustwärme erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf eine Expansionsmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie aus dem Wärmeinhalt des Arbeitsmediums vorgesehen ist. Dabei ist der Wärmeinhalt des Arbeitsmediums, auch Enthalpie genannt, ein Maß für die im Arbeitsmedium gespeicherte Energie. Die Enthalpie H setzt sich zusammen aus der inneren Energie U und dem Produkt p·V. Dieses Produkt repräsentiert die Energie, die als Arbeit erforderlich war, um das Arbeitsmedium auf seinen aktuellen Druck und sein aktuelles Volumen zu bringen. Erfindungsgemäß verläuft der Arbeitskreislauf durch einen der Expansionsmaschine in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vorgelagerten Zwischenkreiswärmetauscher, der über einen Zwischenkreis, in dem ein Wärmeträgermedium zirkuliert, mit einem Krümmerwärmetauscher verbunden ist, der mit einem Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine thermisch verbunden oder in diesen integriert ist.
Auf diese Weise werden der Abgaskrümmer und die darin geführten Abgase der Verbrennungskraftmaschine gekühlt, so dass auf eine sonst erforderliche Volllastanfettung zum Schutz von Bauteilen, beispielsweise eines im Abgasstrom liegenden Abgasturboladers verzichtet werden kann. Zudem wird die aus dem Abgaskrümmer abgeführte Wärme in der Expansionsmaschine genutzt, beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie im Rahmen einer thermischen Rekuperation, so dass sich ein Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung mit der Verbrennungskraftmaschine verbessert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 1 zur Abwärmerückgewinnung (Waste Heat Recovery), insbesondere Abgaswärmerückgewinnung (Exhaust Heat Recovery), aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine 2, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Die Anordnung 1 weist einen Arbeitskreislauf 3 auf, in dem ein Arbeitsmedium, angetrieben von einer Pumpe 4, zirkuliert.
Die Verbrennungskraftmaschine 2 gibt Abgase A über einen Abgaskrümmer 5 ab, von dem aus die Abgase in einer Ausgestaltung an einen Abgasturbolader 6 oder einen Doppellader (nicht dargestellt) weitergeleitet werden. Danach werden sie in der dargestellten Ausführungsform durch einen Abgaswärmetauscher 7 geleitet. In diesem Bereich weisen die Abgase A beispielsweise eine Temperatur von 300°C bis 900°C auf.
Es ist weiter ein Zwischenkreis 10 vorgesehen, in dem, bevorzugt angetrieben von einer Zwischenkreispumpe 11, ein Wärmeträgermedium, beispielsweise ein Thermoöl, zirkuliert. Der Zwischenkreis 10 ist durch einen im Abgaskrümmer 5 integrierten oder mit diesem thermisch leitend verbundenen Krümmerwärmetauscher (nicht separat dargestellt) und anschließend durch einen Zwischenkreiswärmetauscher 12 geführt, der dem Wärmeaustausch mit dem Arbeitskreislauf 3 dient. Eine Temperatur des Wärmeträgermediums beträgt beispielsweise in Strömungsrichtung hinter dem Zwischenkreiswärmetauscher 12 etwa 85°C und in Strömungsrichtung hinter dem im Abgaskrümmer 5 integrierten Krümmerwärmetauscher etwa 180°C bis 250°C. Die Zwischenkreispumpe 11 kann an beliebiger Stelle im Zwischenkreis 10 vorgesehen sein. Wegen der niedrigeren Temperatur und der dadurch erzielbaren geringeren Beanspruchung der Zwischenkreispumpe 11 ist sie jedoch bevorzugt in Strömungsrichtung hinter dem Zwischenkreiswärmetauscher 12 und vor dem im Abgaskrümmer 5 integrierten Krümmerwärmetauscher angeordnet.
Der Arbeitskreislauf 3 verläuft in Strömungsrichtung S des Arbeitsmediums nach der Pumpe 4 durch den Zwischenkreiswärmetauscher 12. Das Arbeitsmedium wird dort erwärmt und zumindest teilweise verdampft. Die Temperatur des Arbeitsmediums beträgt beispielsweise vor dem Zwischenkreiswärmetauscher 12 etwa 80°C bis 100°C und nach dem Zwischenkreiswärmetauscher 12 etwa 140°C bis 160°C. Anschließend durchströmt das Arbeitsmedium den Abgaswärmetauscher 7, so dass es durch die Abgaswärme erwärmt und zumindest teilweise verdampft wird. Beispielsweise liegt die Temperatur des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf 3 hinter dem Abgaswärmetauscher 7 bei etwa 160°C bis 180°C. Der Arbeitskreislauf 3 verläuft anschließend durch eine Expansionsmaschine 8, in der das Arbeitsmedium expandiert und ein Teil des Wärmeinhalts des Arbeitsmediums in mechanische Energie gewandelt wird. In einer Ausführungsform wird die erzeugte mechanische Energie anschließend mittels eines Generators (nicht dargestellt) in elektrische Energie umgewandelt.
Alternativ oder ergänzend dazu kann die erzeugte mechanische Energie ganz oder teilweise direkt genutzt werden, um einen Fahrzeugantrieb zu darzustellen oder zu unterstützen, ein Nebenagregat des Fahrzeugs anzutreiben oder eine Nebenabtriebswelle des Fahrzeugs anzutreiben, mit der beispielsweise Fremdaggregate, wie eine Betonmischmaschine oder dergleichen, über das Fahrzeug betrieben werden können.
Durch die Expansion kühlt das Arbeitsmedium ab, beispielsweise auf etwa 100°C bis 130°C, und wird anschließend durch einen Kondensator 9 geleitet, der bevorzugt als Kühlmittelwärmetauscher ausgebildet ist und in einem nicht dargestellten, herkömmlichen Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine 2 liegt, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, dessen Temperatur niedriger als die des in den Kondensator 9 einströmenden Arbeitsmediums ist. Das Arbeitsmedium wird somit im Kondensator 9 abgekühlt, beispielsweise auf 80°C bis 100°C, bevor es wieder die Pumpe 4 erreicht.
Die in 1 gezeigte Anordnung 1 ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Enthalpie des Wärmeträgermediums des Zwischenkreises 10 und Abgasenthalpie im Rahmen einer thermischen Rekuperation. Der Zwischenkreis 10 bewirkt eine indirekte thermische Kopplung zwischen Abgaskrümmer 5 und dem Arbeitskreislauf 3. Wärmeschwankungen und Wärmespitzen am Abgaskrümmer 5 können abgepuffert und der Wärmeeintrag aus dem Zwischenkreis kann, insbesondere über eine Steuerung und/oder Regelung der Pumpe 11 des Zwischenkreises 10, beeinflusst werden. Das Abführen von Wärme aus dem Krümmerwärmetauscher im/am Abgaskrümmer 5 kühlt den Abgaskrümmer 5, so dass beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 auf eine sonst gebräuchliche Volllastanfettung verzichtet werden kann. Zudem wird über den Zwischenkreiswärmetauscher 12 gleichzeitig ein höherer Anteil der Abgaswärme in den Arbeitskreislauf 3 eingespeist, so dass dieser mehr mechanische Leistung abgeben kann und somit der Wirkungsgrad des Gesamtsystems aus Verbrennungskraftmaschine 2 und der Anordnung 1 verbessert wird. Das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel, beispielsweise beinhaltend Wasser, ist ein Medium mit relativ hoher Wärmekapazität. Über den Kondensator 9 wird der Kühlmittelkreislauf als Wärmesenke für den Arbeitskreislauf 3 verwendet, der dadurch, beispielsweise nach einem Kaltstart, schneller seine angestrebte Betriebstemperatur erreicht. Durch die mittels der Anordnung 1 bewirkte indirekte Wärmezufuhr auf das Kühlmittel wird ein stabiles Systemverhalten erreicht.
Die Expansionsmaschine 8 kann beispielsweise als eine Scrollmaschine, als Kolbenmaschine oder als Turbine ausgebildet sein. Der im Arbeitskreislauf 3 durchgeführte Prozess kann dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entsprechen. Als Organic-Rankine-Kreisprozess wird ein Clausius-Rankine-Kreisprozesses verstanden, bei dem das Arbeitemedium ganz oder teilweise als organische Flüssigkeit ausgebildet ist.
Die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums im Clausius-Rankine Kreislauf beginnen mit der adiabaten, isentropen Druckerhöhung durch die Pumpe 4, die das Kondensat in einen Verdampfer fördert, hier Abgaswärmetauscher 7 und/oder Zwischenkreiswärmetauscher 12, in dem eine isobare Wärmezufuhr erfolgt, wobei das Arbeitsmedium zunächst bis zum Verdampfungspunkt erwärmt wird, dann isotherm verdampft anschließend typischerweise noch eine Überhitzung erfährt, gefolgt von einer adiabaten, isentropen Expansion des Dampfes in der Expansionsmaschine 8 und einer anschließenden isobaren Kondensation des Dampfes im Kondensator 9 durch Kühlung, typischerweise mittels eines Kühlwasserkreislaufes.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Zwischenkreiswärmetauscher 12 dem Abgaswärmetauscher 7 in Strömungsrichtung S des Arbeitsmediums nachgelagert sein.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Arbeitskreislauf
4: Pumpe
5: Abgaskrümmer
6: Abgasturbolader
7: Abgaswärmetauscher
8: Expansionsmaschine
9: Kondensator
10: Zwischenkreis
11: Zwischenkreispumpe
12: Zwischenkreiswärmetauscher
A: Abgas
S: Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1925806 A2 [0002]

Claims

Anordnung (1) zur Gewinnung mechanischer Energie aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Arbeitskreislauf (3) für ein Arbeitsmedium vorgesehen ist, das unter Verwendung der Verlustwärme erwärmbar und verdampfbar ist, wobei im Arbeitskreislauf (3) eine Expansionsmaschine (8) zur Erzeugung mechanischer Energie aus dem Wärmeinhalt des Arbeitsmediums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislauf (3) durch einen der Expansionsmaschine (8) in Strömungsrichtung (S) des Arbeitsmediums vorgelagerten Zwischenkreiswärmetauscher (12) verläuft, der über einen Zwischenkreis (10), in dem ein Wärmeträgermedium zirkuliert, mit einem Krümmerwärmetauscher verbunden ist, der mit einem Abgaskrümmer (5) der Verbrennungskraftmaschine (2) thermisch verbunden oder in diesen integriert ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislauf (3) durch einen dem Zwischenkreiswärmetauscher (12) in Strömungsrichtung (S) des Arbeitsmediums vorgelagerten oder nachgelagerten Abgaswärmetauscher (7) verläuft, der in einem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine (2) dem Abgaskrümmer (5) nachgelagert ist.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislauf (3) durch einen der Expansionsmaschine (8) in Strömungsrichtung (S) des Arbeitsmediums nachgelagerten Kondensator (9) verläuft, der in einem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine (2) liegt, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, dessen Temperatur niedriger als die des in den Kondensator (9) einströmenden Arbeitsmediums ist.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgermedium im Zwischenkreis (10) ein Thermoöl vorgesehen ist.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom zwischen dem Abgaskrümmer (5) und dem Abgaswärmetauscher (7) ein Abgasturbolader (6) angeordnet ist.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (8) als eine Scrollmaschine ausgebildet ist.