WO2007014942A2 - Antriebseinrichtung - Google Patents

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WO2007014942A2
WO2007014942A2 PCT/EP2006/064868 EP2006064868W WO2007014942A2 WO 2007014942 A2 WO2007014942 A2 WO 2007014942A2 EP 2006064868 W EP2006064868 W EP 2006064868W WO 2007014942 A2 WO2007014942 A2 WO 2007014942A2
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working fluid
circuit
internal combustion
combustion engine
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Michael Hoetger
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Amovis Gmbh
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Publication date
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a drive system for motor vehicles, comprising a waste heat generating internal combustion engine and a circuit for discharging at least a portion of this waste heat with a working fluid which is depressurable in an expansion machine.
  • the invention further relates to a working fluid for use in such a drive system and its use.
  • Such a drive system is, for example, an internal combustion engine, such as a
  • Diesel or gasoline engine in a passenger or truck The internal combustion engine burns fuel in a cylinder. The resulting heat of combustion is converted into work. The work acts on the drive shaft, with which the vehicle is driven.
  • the working fluid is usually water in known cooling circuits.
  • the working fluid comprises a plurality of components, of which at least one component is convertible by absorbing heat from the internal combustion engine and / or other heat sources within the drive system in the gas phase, and means for separating the liquid portion of the working fluid before the relaxation are provided in the expansion machine.
  • the internal combustion engine can be cooled by a first cooling circuit and it can be provided a second circuit, wherein the first cooling circuit of the second circuit can be cooled.
  • the means for separating the liquid portion of the working fluid may be formed by a phase separator.
  • Such a second cycle can be integrated into existing drive systems without much effort.
  • the waste heat of the first cooling circuit is used, so that it can be made more compact and has an increased cooling capacity.
  • the enthalpy of vaporization required in the evaporation of one component is absorbed.
  • the cooling capacity can be significantly increased at the same mass flow.
  • Part of the waste heat is converted into usable energy. If the
  • Propulsion engine drives the drive shaft of the internal combustion engine, the drive system has a total of higher power and higher efficiency.
  • the internal combustion engine can then operate in a higher efficiency working environment and requires less cooling power.
  • the expansion machine may also drive a generator for power generation.
  • the expansion machine can be connected via a coupling with the drive shaft and is operated independently of the internal combustion engine.
  • an additional burner is preferably provided as a heat source for operating the expansion machine independently of the internal combustion engine.
  • Working fluid is reached after expansion a lower minimum temperature.
  • the second circuit can operate at a higher mean thermodynamic temperature via the heat exchanger cooled by the airstream.
  • the solution is also a good antifreeze.
  • heat sources may be provided, which are arranged by the second circuit in the order of their temperature within the circuit, starting with the lowest temperature. These heat sources can be used without burdening the first cooling circuit. This makes efficient use of the waste heat possible.
  • the internal combustion engine is provided with an exhaust gas recirculation, the waste heat applied to the second circuit.
  • exhaust gas recirculation in which the emissions are reduced, stands with the exhaust gas
  • the internal combustion engine may further be provided with a turbocharger whose charge air cooling and / or waste heat impinges on the circuit. It can the
  • a plate heat exchanger For the heat transfer from the first cooling circuit to the second circuit, a plate heat exchanger may be provided.
  • the second circuit preferably comprises a pump with which the working fluid can be conveyed at an elevated pressure level.
  • the second circuit comprises a multi-stage air cooler.
  • the working fluid in a particular embodiment of the invention comprises a liquid carrier medium and at least one medium having a lower boiling point dissolved in the carrier medium.
  • This medium may also be a gaseous medium.
  • the carrier medium is selected so that all other media are easily solvable therein.
  • the nature and proportion of the media dissolved in the carrier medium are adapted to the pressure and temperature conditions present in the heat sources, so that at these ratios the largest possible proportion of at least one medium is vaporisable.
  • a homogeneous working medium is formed, which forms gaseous components with increasing heat absorption, which can be separated in a phase separator.
  • additional enthalpy of vaporization is absorbed.
  • a particularly effective cooling is achieved.
  • the carrier medium is water and one of the media dissolved in the water is ammonia. Both components are polar, easy to dissolve and have a high enthalpy of vaporization. Accordingly, for example, ethanol, methanol, acetic acid or CO 2 can be used. But it is also possible to use non-polar components, such as a solution of gasoline in oil.
  • Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a water-cooled internal combustion engine and with exhaust gas recirculation and turbocharger.
  • an embodiment of the invention is illustrated schematically with reference to a supercharged diesel engine for passenger cars. It is understood that the invention is also suitable for any other internal combustion engine and in addition to cars and trucks, trains, agricultural machinery or the like can be driven.
  • the diesel engine is generally designated 10.
  • the diesel engine 10 drives a drive shaft 12.
  • the operation of a diesel engine is common technique and therefore need not be explained in more detail.
  • the diesel engine 10 operates in a typical power range of 100 kW. It generates waste heat in the range of 250 kW. The resulting waste heat is released on the one hand via a first cooling system 14 and 16 to cooling water.
  • hot exhaust gas is generated, of which a partial flow to prevent emission via an exhaust gas recirculation 18 is supplied to the engine again. This is represented by a dashed line 20.
  • the components described so far are known components of a diesel engine drive system.
  • the cooling circuit 14 or 16 is now cooled by another circuit.
  • a multi-component solution is pumped as working fluid with a pump 28 at an elevated pressure level of about 15 bar.
  • the working fluid in the present case consists of a carrier substance, namely water, in which a gas, namely ammonia, is dissolved.
  • the mass ratio water: ammonia is 65:35.
  • the aqueous ammonia solution first decreases from that operated at about 90 ° C
  • Cooling circuit of the engine heat via a plate heat exchanger 32 on.
  • the first cooling circuit of the internal combustion engine 10 is cooled.
  • the approximately 90 ° C hot cooling water 14 is cooled to about 83 ° C.
  • the working fluid heats up to approximately 90 ° C during this heat transfer. As a result, a part of the dissolved ammonia gas is evaporated.
  • the heat absorption of the working fluid is so large due to the partial evaporation of the ammonia from the working fluid that can be transferred with small volume flows, the entire accumulating waste heat of the cooling system in the working fluid.
  • the heat of the exhaust gas of the exhaust gas recirculation 18 is supplied to the working fluid.
  • the heat transfer is in the range of 17 kW.
  • the temperature of the recirculated exhaust gas drops considerably, so that the peak temperature of combustion in the engine and thus the nitrogen oxide emissions are reduced by this measure.
  • the mean temperature of the working fluid is then about 110 ° C.
  • a third heat exchanger one of the part of the exhaust gas heat is now transferred to the working fluid, which brings about the desired end temperature of the working fluid.
  • the temperature of the working fluid then reaches 150 ° C and much of the ammonia originally dissolved in the water is evaporated.
  • a phase separator 34 the liquid phase of the working fluid, essentially water, then separated from the gas phase - mainly ammonia.
  • the liquid water is easily brought at 150 ° to a lower pressure level of about 2 bar and directly to a e.g. air cooled cooler supplied.
  • the gas under a pressure of 15 bar is fed to an expansion machine 38, e.g. one
  • Rotary piston machine, piston machine, screw machine or a turbine supplied and there relaxed to a pressure of 2 bar.
  • the thereby released, usable work is in the range of up to 10 kW and the shaft 12 can be supplied.
  • the cold working fluid is then also supplied to the radiator. There, it dissolves in the hot carrier medium, which may heat up the solution.
  • the cooled working fluid is returned to the circuit via the pump 28.
  • the cooler can also be timely be performed because the operations "mixing" and "cooling" of the working fluid have different requirements for component design.
  • a mixing section can be arranged below the cooler in order to achieve the best possible mixing of the working fluid streams and to then supply them as well as possible to the cooler 36.
  • the cooling power to be applied by the cooling system 36 is similar in spite of the heat absorption from the exhaust gas compared to a conventional drive system operating without the second circuit.
  • Type and proportion of the respective heat sources are adjusted.
  • the aim is to allow the best possible heat transfer and a high absorption of enthalpy of vaporization. As a result, all components can be made compact.
  • the drive power is increased.
  • the efficiency of the entire drive is also increased. This reduces the total required performance of the
  • thermodynamic mean temperature of the chilled by the airstream cooler is about 110 ° C and is thus higher than in ordinary cooling circuits at about 90 ° C. This leads to a reduction of the required cooling surface. This allows the
  • the highest temperature is about 150 ° C lower than that of known single-component systems such as e.g. Water is the case. These must work at about 500 ° C to achieve sufficient efficiency. Due to the lower lower temperature of up to 10 ° C, the minimum temperature of the
  • a single-fluid system working with water for example, has the lowest temperature of 100 ° C at 1 bar. This lower lowest temperature achieves good thermal efficiency.

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Abstract

Ein Antriebssystem für Kraftfahrzeuge enthaltend einen Abwärme erzeugenden Verbrennungsmotor (10) und einen Kreislauf zum Abführen zumindest eines Teils dieser Abwärme mit einem Arbeitsf luid, welches in einer Expansionsmaschine (38) entspannbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsf luid mehrere Komponenten umfasst, von denen zumindest eine Komponente durch Aufnahme von Wärme aus dem Verbrennungsmotor und/oder weiteren Wärmequellen innerhalb des Antriebssystems in die Gasphase überführbar ist, und Mittel (34) zum Abtrennen des flüssigen Anteils des Arbeitsf luids vor der Entspannung in der Expansionsmaschine vorgesehen sind. Der Verbrennungsmotor kann von einem ersten Kühlkreislauf gekühlt sein. Es kann weiterhin ein zweiter Kreislauf vorgesehen sein, wobei der erste Kühlkreislauf von dem zweiten Kreislauf kühlbar ist.

Description

Patentanmeldung
Amovis GmbH, Voltastrasse 5, D-13355 Berlin
Antriebseinrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen Abwärme erzeugenden Verbrennungsmotor und einen Kreislauf zum Abführen zumindest eines Teils dieser Abwärme mit einem Arbeitsfluid, welches in einer Expansionsmaschine entspannbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Arbeitsfluid zur Verwendung in einem solchen Antriebssystem und dessen Verwendung.
Ein solches Antriebssystem ist zum Beispiel ein Motor mit interner Verbrennung, wie ein
Diesel- oder Ottomotor in einem Personen- oder Lastkraftwagen. Der Verbrennungsmotor verbrennt Kraftstoff in einem Zylinder. Dabei wird die entstehende Verbrennungswärme in Arbeit umgewandelt. Die Arbeit wirkt auf die Antriebswelle, mit der das Fahrzeug angetrieben wird. Das Arbeitsfluid ist bei bekannten Kühlkreisläufen üblicherweise Wasser.
Aufgrund der thermodynamischen Gesetze ist es praktisch nicht möglich, die gesamte anfallende Verbrennungswärme zu nutzen. Es entsteht daher eine große Menge Abwärme, die an die Umwelt abgeführt wird. Ein Teil der Abwärme wird direkt mit dem heißen Abgas in die Umgebung abgegeben. Ein weiterer Teil wird über einen
Kühlkreislauf abgeleitet.
Stand der Technik Bei Motoren mit hoher Leistung fallt eine entsprechend große Menge an Wärme an, die abgeführt werden muss. Es ist ein Entwicklungsziel, kompakte Kühler mit hoher Kühlleistung zu entwickeln. Üblicherweise werden Luftkühler zur Kühlung des Kühlmittels verwendet, die den Fahrtwind ausnutzen. Wenn diese Kühlung nicht ausreicht, wird ggf. ein Ventilator zugeschaltet. Problematisch dabei ist es, dass der Ventilator seinerseits einen Anteil der Motorenergie braucht. Die Deckung dieses Energiebedarfs führt unter Umständen zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur des Antriebssystems.
Es hat in der Vergangenheit Versuche gegeben, die Abwärme aus thermodynamischen Prozessen zu nutzen.
Aus der DE 100 54 022 Al ist eine Kühlung bekannt, bei der Heißdampf eines Arbeitsmediums mittels einer Entspannungseinrichtung in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Um den unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen rechnung zu tragen, wird ein Siedebehälter vorgesehen, in dem ein Wärmeübergang bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck erfolgt und ein Druckkessel, in den das flüssige Arbeitsmedium aus dem Siedebehälter bei hoher Temperatur und hohem Druck eingespritzt wird. Das Arbeitsmedium verdampft in dem Druckbehälter. Bei diesem
System werden zwei Behälter verwendet und es entsteht eine große Menge an
Wasserdampf, so dass die Anordnung sehr voluminös wird.
Es ist weiterhin bekannt, heißes Abgas als Wärmequelle in einem zusätzlichen Kreisprozess mit einem Expander und einem Kondensator zu nutzen. Dabei wird die in dem Kondensator anfallende Wärme zusätzlich zu der in dem Verbrennungsmotor anfallenden Wärme dem bereits vorhandenen Kühlsystem zugeführt. Das Kühlsystem wird dadurch zusätzlich belastet. Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinrichtung der oben angegebenen Art mit einer Kühleinrichtung zu schaffen, die eine verbesserte Kühlleistung aufweist und kompakter ausgestaltet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Arbeitsfluid mehrere Komponenten umfasst, von denen zumindest eine Komponente durch Aufnahme von Wärme aus dem Verbrennungsmotor und/oder weiteren Wärmequellen innerhalb des Antriebssystems in die Gasphase überführbar ist, und Mittel zum Abtrennen des flüssigen Anteils des Arbeitsfluids vor der Entspannung in der Expansionsmaschine vorgesehen sind. Dabei kann der Verbrennungsmotor von einem ersten Kühlkreislauf gekühlt sein und es kann ein zweiter Kreislauf vorgesehen sein, wobei der erste Kühlkreislauf von dem zweiten Kreislauf kühlbar ist. Die Mittel zum Abtrennen des flüssigen Anteils des Arbeitsfluids können von einem Phasentrenner gebildet sein.
Ein solcher, zweiter Kreislauf kann ohne großen Aufwand in bestehende Antriebssysteme integriert werden. Dabei wird die Abwärme des ersten Kühlkreislaufs genutzt, so dass dieser kompakter gestaltet werden kann und eine erhöhte Kühlleistung hat. Zusätzlich zur Wärme, die bei der Temperaturerhöhung des Arbeitsfluids aufgenommen wird, wird die bei der Verdampfung der einen Komponente erforderliche Verdampfungsenthalpie aufgenommen. Dadurch kann die Kühlleistung bei gleichem Massenstrom wesentlich erhöht werden.
Ein Teil der Abwärme wird in nutzbare Energie umgewandelt. Wenn die
Expansionsmaschine die Antriebswelle des Verbrennungsmotors antreibt, hat das Antriebssystem insgesamt eine höhere Leistung und einen höheren Wirkungsgrad. Der Verbrennungsmotor kann dann in einem Arbeitsbereich mit höherem Wirkungsgrad arbeiten und braucht weniger Kühlleistung.
Alternativ kann die Expansionsmaschine auch einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Bei einer solchen Verwendung als Hilfsaggregat kann die Expansionsmaschine über eine Kupplung mit der Antriebswelle verbunden sein und ist unabhängig vom Verbrennungsmotor betreibbar. In diesem Fall ist vorzugsweise ein zusätzlicher Brenner als Wärmequelle vorgesehen zum Betrieb der Expansionsmaschine unabhängig vom Verbrennungsmotor.
Durch die Verwendung einer Komponente mit niedrigerem Siedepunkt in dem
Arbeitsfluid wird nach der Expansion eine geringere Minimaltemperatur erreicht. Dagegen kann der zweite Kreislauf über die vom Fahrtwind gekühlten Wärmetauscher bei einer höheren mittleren thermodynamischen Temperatur arbeiten.
Durch die bessere Wärmeaufnahme kann bei Verwendung einer Ladeluftkühlung die maximale Temperatur der Verbrennung gesenkt werden. Dies führt zu einer Verringerung der Stickoxid (NOx)-Emissionen.
Da die Komponente mit niedrigerem Siedepunkt im allgemeinen auch einen niedrigeren Gefrierpunkt hat, ist die Lösung weiterhin auch ein guter Frostschutz.
Zusätzlich zu dem ersten Kühlkreislauf können weitere Wärmequellen vorgesehen sein, welche von dem zweiten Kreislauf in der Reihenfolge ihrer Temperatur innerhalb des Kreislaufs, beginnend mit der niedrigsten Temperatur, angeordnet sind. Diese Wärmequellen können genutzt werden, ohne den ersten Kühlkreislauf zu belasten. Damit ist eine effiziente Nutzung der Abwärme möglich.
Vorzugsweise ist der Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung versehen, deren Abwärme den zweiten Kreislauf beaufschlagt. Neben den bekannten Vorteilen einer Abgasrückführung, bei der die Emissionen verringert werden, steht mit dem Abgas eine
Wärmequelle mit hoher Temperatur für den zweiten Kreislauf zur Verfügung. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des zweiten Kreislaufs.
Der Verbrennungsmotor kann weiterhin mit einem Turbolader versehen sein, dessen Ladeluftkühlung und/oder Abwärme den Kreislauf beaufschlagt. Dabei kann der
Massenstrom des zweiten Kreislaufs vor der Kühlung mit dem ersten Kühlkreislauf durch die Niedertemperaturseite der Ladeluftkühlung des Turboladers geleitet werden. Nach der Wärmeaufnahme aus dem ersten Kühlkreislauf kann weiterhin Wärme auf der Hochtemperaturseite der Ladeluftkühlung des Turboladers aufgenommen werden.
Für den Wärmeübergang von dem ersten Kühlkreislauf auf den zweiten Kreislauf kann ein Plattenwärmetauscher vorgesehen sein. Der zweite Kreislauf umfasst vorzugsweise eine Pumpe, mit der das Arbeitsfluid auf einem erhöhten Druckniveau förderbar ist.
Vorzugsweise umfasst der zweite Kreislauf einen mehrstufigen Luftkühler.
Das Arbeitsfluid umfasst in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ein flüssiges Trägermedium und wenigstens ein in dem Trägermedium gelöstes Medium mit niedrigerem Siedepunkt. Dieses Medium kann auch ein gasförmiges Medium sein.
Vorzugsweise ist das Trägermedium so ausgewählt, das alle übrigen Medien darin gut lösbar sind. Dabei sind Art und Anteil der in dem Trägermedium gelösten Medien an die in den Wärmequellen vorliegenden Druck- und Temperaturverhältnisse angepasst, so dass bei diesen Verhältnissen ein möglichst großer Anteil zumindest eines Mediums verdampfbar ist. Auf diese Weise wird ein homogenes Arbeitsmedium gebildet, das mit steigender Wärmeaufnahme gasförmige Komponenten bildet, die in einem Phasentrenner abgetrennt werden können. Bei der Verdampfung dieser gasförmigen Komponenten wird zusätzliche Verdampfungsenthalpie aufgenommen. Dadurch wird eine besonders effektive Kühlung erreicht. Durch die Auswahl der Komponenten derart, dass ein möglichst großer Anteil einer Komponente verdampft wird, wird besonders viel
Verdampfungsenthalpie aufgenommen und damit der Wärmeübergang optimiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Trägermedium Wasser und eines der in dem Wasser gelösten Medien Ammoniak. Beide Komponenten sind polar, gut ineinander lösbar und haben eine hohe Verdampfungsenthalpie. Entsprechend kann auch z.B. Ethanol, Methanol, Essigsäure oder CO2 verwendet werden. Es ist aber auch möglich unpolare Komponenten, etwa eine Lösung von Benzin in Öl zu verwenden.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein
Ausführungsbeispiel ist anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Figur ist eine schematische Darstellung eines wassergekühlten Verbrennungsmotors und mit Abgasrückführung und Turbolader.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung schematisch anhand eines aufgeladenen Dieselmotors für Personenkraftwagen erläutert. Es versteht sich, dass die Erfindung auch für jeden anderen Verbrennungsmotor geeignet ist und neben Kraftwagen auch Lastkraftwagen, Züge, Landmaschinen oder dergleichen angetrieben werden können.
Der Dieselmotor ist allgemein mit 10 bezeichnet. Der Dieselmotor 10 treibt eine Antriebswelle 12 an. Die Funktionsweise eines Dieselmotors ist übliche Technik und braucht daher nicht näher erläutert werden. Der Dieselmotor 10 arbeitet in einem typischen Leistungsbereich von 100 kW. Er erzeugt Abwärme im Bereich von 250 kW. Die entstehende Abwärme wird einerseits über ein erstes Kühlsystem 14 bzw. 16 an Kühlwasser abgegeben. Andererseits wird heißes Abgas erzeugt, wovon ein Teilstrom zur Vermeidung von Emissionsbildung über eine Abgasrückführung 18 dem Motor erneut zugeführt wird. Dies ist durch eine gestrichelte Linie 20 repräsentiert.
Die soweit beschriebenen Komponenten sind bekannte Komponenten eines Dieselmotor- Antriebssystems. Im Gegensatz zu herkömmlichen Antriebssystemen wird nun der Kühlkreislauf 14 bzw. 16 von einem weiteren Kreislauf gekühlt. In diesem Kreislauf wird eine Mehrkomponentenlösung als Arbeitsfluid mit einer Pumpe 28 auf einem erhöhten Druckniveau von etwa 15 bar umgepumpt. Das Arbeitsfluid besteht im vorliegenden Fall aus einer Trägersubstanz, nämlich Wasser, in die ein Gas, nämlich Ammoniak gelöst ist. Das Massenverhältnis Wasser: Ammoniak beträgt 65:35.
Die wässrige Ammoniaklösung nimmt zunächst von dem mit etwa 90°C betriebenen
Kühlkreislauf des Motors Wärme über einen Plattenwärmetauscher 32 auf. In diesem Plattenwärmetauscher wird der erste Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 10 gekühlt. Das ca.90°C heiße Kühlwasser 14 wird dabei auf etwa 83°C gekühlt. Das Arbeitsfluid erwärmt sich bei diesem Wärmeübergang auf annähernd 90°C. Dadurch wird ein Teil des gelösten Ammoniak-Gases verdampft. Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluids ist infolge des teilweisen Verdampfens des Ammoniaks aus dem Arbeitsfluid derart groß, das mit kleinen Volumenströmen die gesamte anfallende Abwärme des Kühlsystems in das Arbeitsfluid übertragen werden kann.
Bei einem zweiten Wärmeübergang wird dem Arbeitsfluid die Wärme des Abgases der Abgasrückführung 18 zugeführt. Der Wärmeübergang liegt im Bereich von 17 kW. Die Temperatur des rückgeführten Abgases sinkt dabei erheblich, so daß auch durch diese Maßnahme die Spitzentemperatur der Verbrennung im Verbrennungsmotor und damit die Stickoxid-Emissionen gesenkt werden. Die mittlere Temperatur des Arbeitsfluids liegt dann bei etwa 110°C.
In einem dritten Wärmetauscher wird nun ein der Teil der Abgaswärme auf das Arbeitsfluid übertragen, der die gewünschte Endtemperatur des Arbeitsfluids herbeiführt. Die Temperatur des Arbeitsfluids erreicht dann 150 °C und ein Großteil des ursprünglich im Wasser gelösten Ammoniaks ist ausgedampft.
In einem Phasentrenner 34 wird anschließend die flüssige Phase des Arbeitsfluids, im wesentlichen Wasser, von der Gasphase - überwiegend Ammoniak - getrennt. Das flüssige Wasser wird problemlos mit 150° auf ein niedrigeres Druckniveau von etwa 2 bar gebracht und direkt einem z.B. luftgekühlen Kühler zugeführt. Das unter einem Druck von 15 bar stehende Gas wird einer Expansionsmaschine 38, z.B. einer
Rotationskolbenmaschine, Kolbenmaschine, Schraubenmaschine oder einer Turbine zugeführt und dort auf einen Druck von 2 bar entspannt. Die dabei frei werdende, nutzbare Arbeit liegt im Bereich von bis zu 10 kW und kann der Welle 12 zugeführt werden. Bei der Entspannung wird nicht nur das Druckniveau, sondern auch die Temperatur dieser Komponente des Arbeitsfluids gesenkt. Das kalte Arbeitsfluid wird dann ebenfalls dem Kühler zugeführt. Dort löst es sich in dem heißen Trägermedium, wobei u.U. Lösungswärme frei wird. Von dem Kühler aus wird das gekühlte Arbeitsfluid über die Pumpe 28 wieder dem Kreislauf zugeführt wird. Der Kühler kann auch zeiteilig ausgeführt werden, da die Vorgänge „Mischen" bzw. „Kühlen" des Arbeitsfluids unterschiedliche Anforderungen an die Bauteilauslegung stellen. So kann z.B. eine Mischstrecke unterhalb des Kühlers angeordnet sein um eine möglichst gute Mischung der Arbeitsfluidströme zu erreichen und um sie dann möglichst gut vermischt dem Kühler 36 zuzuführen.
Die von dem Kühlsystem 36 aufzubringende Kühlleistung ist trotz der Wärmeaufnahme aus dem Abgas gegenüber einem konventionellen Antriebssystem, das ohne den zweiten Kreislauf arbeitet, ähnlich.
Die hier beispielhaft genannten Werte für die Leistung des Verbrennungsmotors und die Wärmeübergänge können selbstverständlich an die verschiedenen Anwendungsfälle angepasst werden. So können weitere Wärmequellen, wie etwa eine Ölkühlung, eine Ladeluftkühlung oder dergleichen, in den zweiten Kreislauf integriert werden. Es können auch Lösungen mit anderen und/oder weiteren Komponenten verwendet werden, die in
Art und Anteil an die jeweiligen Wärmequellen angepasst sind. Ziel ist es dabei, einen möglichst guten Wärmeübergang und eine hohe Aufnahme an Verdampfungsenthalpie zu ermöglichen. Dadurch können alle Komponenten kompakt ausgebildet werden. Die Antriebsleistung wird erhöht. Der Wirkungsgrad des gesamten Antriebs wird ebenfalls erhöht. Dadurch reduziert sich bei gleicher benötigter Gesamtleistung der
Schadstoffausstoß.
Die thermodynamisch mittlere Temperatur des vom Fahrtwind gekühlten Kühlers liegt bei etwa 110°C und ist damit höher, als bei gewöhnlichen Kühlkreisläufen mit etwa 90°C. Dies führt zu einer Verringerung der erforderlichen Kühlfläche. Dadurch kann die
Baugröße des Kühlers reduziert werden. Durch die Verwendung einer Komponente mit niedrigen Siedepunkt (Ammoniak) ist die höchste Temperatur mit etwa 150°C niedriger, als dies bei bekannten Einstoff- Systemen wie z.B. Wasser der Fall ist. Diese müssen bei etwa 500°C arbeiten, um einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erreichen. Durch die niedrigere untere Temperatur von bis zu 10°C ist die minimale Temperatur des
Kreisprozesses erheblich niedriger als bei einem Einstoff System. Zum Vergleich: Ein mit Wasser arbeitendes Einstoff- System hat beispielsweise eine niedrigste Temperatur von 100°C bei 1 bar. Durch diese geringere unterste Temperatur wird ein guter thermischer Wirkungsgrad erreicht.
Antriebssysteme, bei denen nicht ausreichend Wärmequellen zum Verdampfen des gesamten Anteils des Arbeitsfluids zur Verfügung stehen, können mit einer Bypass-
Leitung versehen werden. Diese führt einen entsprechenden Anteil an Arbeitsfluid unmittelbar nach dem Plattenwärmetauscher zurück zu dem Kühler.

Claims

Patentansprüche
1. Antriebssystem für Kraftfahrzeuge enthaltend einen Abwärme erzeugenden Verbrennungsmotor und einen Kreislauf zum Abführen zumindest eines Teils dieser Abwärme mit einem Arbeitsfluid, welches in einer Expansionsmaschine entspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) das Arbeitsfluid mehrere Komponenten umfasst, von denen zumindest eine Komponente durch Aufnahme von Wärme aus dem Verbrennungsmotor und/oder weiteren Wärmequellen innerhalb des Antriebssystems in die
Gasphase überführbar ist, und
(b) Mittel zum Abtrennen des flüssigen Anteils des Arbeitsfluids vor der Entspannung in der Expansionsmaschine vorgesehen sind.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor von einem ersten Kühlkreislauf gekühlt ist und zweiter Kreislauf vorgesehen ist, wobei der erste Kühlkreislauf von dem zweiten Kreislauf kühlbar ist.
3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abtrennen des flüssigen Anteils des Arbeitsfluids von einem Phasentrenner gebildet sind.
4. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine die Antriebswelle des Verbrennungsmotors antreibt.
5. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem ersten Kühlkreislauf weitere Wärmequellen vorgesehen sind, welche von dem zweiten Kreislauf in der Reihenfolge ihrer Temperatur innerhalb des Kreislaufs, beginnend mit der niedrigsten Temperatur, angeordnet sind.
6. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung versehen ist, deren Abwärme den Kreislauf beaufschlagt.
7. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit einem Turbolader versehen ist, dessen Ladeluftkühlung und/oder Abwärme den Kreislauf beaufschlagt.
8. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine über eine Kupplung mit der Antriebswelle verbunden ist und unabhängig vom Verbrennungsmotor betreibbar ist.
9. Antriebssystem nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Brenner als Wärmequelle zum Betrieb der Expansionsmaschine unabhängig vom Verbrennungsmotor.
10. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch einen Plattenwärmetauscher für den Wärmeübergang von dem ersten Kühlkreislauf auf den zweiten Kreislauf.
11. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf eine Pumpe umfasst, mit der das Arbeitsfluid auf einem erhöhten Druckniveau förderbar ist.
12. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf einen mehrstufigen Luftkühler umfasst.
13. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid ein flüssiges Trägermedium und wenigstens ein in dem Trägermedium gelöstes Medium mit niedrigerem Siedepunkt umfasst.
14. Antriebssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet dass das Trägermedium so ausgewählt ist, daß alle übrigen Medien darin gut lösbar sind.
15. Antriebssystem nach Anspruch 14, soweit er auf Anspruch 5 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Art und Anteil der in dem Trägermedium gelösten Medien an die in den Wärmequellen vorliegenden Druck- und Temperaturverhältnisse angepasst sind, so daß bei diesen Verhältnissen ein möglichst großer Anteil zumindest eines Mediums verdampfbar ist.
16. Antriebssystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet dass das Trägermedium Wasser ist.
17. Antriebssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eines der in dem Wasser gelösten Medien Ammoniak ist.
18. Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid Öl oder ein anderes Schmiermittel enthält.
19. Antriebssystem nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Abscheider für Öl oder das andere Schmiermittel, der in dem Kreislauf hinter dem Expander angeordnet ist und Mittel zum Zuführen des Öls oder Schmiermittels vor dem Expander.
20. Arbeitsfluid zur Verwendung in einem Antriebssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Mehrstoffsystem aus einem Trägermedium und wenigstens einem in dem Trägermedium gelösten Medium gebildet ist, dessen Art und Anteil an die in den Wärmequellen vorliegenden Druck und Temperaturverhältnisse angepasst sind, so dass bei diesen Verhältnissen ein möglichst großer Anteil zumindest eines gelösten Mediums verdampfbar ist.
21. Arbeitsfluid nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium Wasser ist.
22. Arbeitsfluid nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wasser gelöste Medium Ammoniak ist.
23. Verwendung eines Arbeitsfluids nach einem der Ansprüche 20 bis 22 in einer
Antriebsmaschine.
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