DE102010047520A1

DE102010047520A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010047520A1
Application number: DE102010047520A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ralf (FH) Nüßle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2012-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Fahrzeug, wobei in einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) ein Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreislauf (JK) geführt wird. Erfindungsgemäß wird ein Druckniveau des Arbeitsmediums (AM) im Joule-Kreislauf (JK) variiert. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Fahrzeug, wobei in einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) ein Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreislauf (JK) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 3.
Moderne Verbrennungsmotoren weisen Wirkungsgrade im Bereich von 30% bis 40% auf. Daraus resultierend wird ein großer Teil der dem Verbrennungsmotor zugeführten chemischen Energie in Form von Abwärme vorzugsweise über ein Kühlmittel und eine Abgaswärme an eine Fahrzeugumgebung abgegeben.
Bekannte Techniken zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors sind der Abgasturbolader und die Heizungsanlagen für Kraftfahrzeuge. Beim Abgasturbolader treibt der Abgasstrom eine Turbine an. Die Energie, die die Turbine liefert, nutzt ein Verdichter, um die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft zu verdichten. Die Verdichtung der Luft verbessert eine Zylinderfüllung des Verbrennungsmotors und führt so zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors.
Alternativ ist dem Verbrennungsmotor ein Kreisprozess nachgeschaltet, bei dem der heiße Abgasstrom und zum Teil das Kühlmittel des Verbrennungsmotors als Wärmequelle zum Betrieb einer zweiten, nachgeschalteten Maschine im Kreisprozess verwendet wird. Bei dem Kreisprozess handelt es sich üblicherweise um einen so genannten Clausius-Rankine-Prozess, bei welchem ein flüssiges Medium Wärme aufnimmt, welches unter Wärmezufuhr überwiegend verdampft wird und anschließend in einer Expansionsmaschine unter Abgabe von mechanischer Energie an eine Abtriebswelle entspannt wird. Als Arbeitsmedium kommen hier organische Arbeitsstoffe, eine Mischung solcher organischer Arbeitsstoffe, Alkoholgemische oder Wasser-Alkoholgemische, Wasser mit bestimmten Additiven in Betracht. Hierbei ist auch ein Joule-Prozess, insbesondere ein geschlossener Joule-Prozess, denkbar, bei welchem ein Gas über einen Verdichter auf ein entsprechend hohes Druckniveau befördert wird und einem Abgaswärmetauscher des Verbrennungsmotors zugeführt wird, wobei eine Abgaswärme an das im Joule-Kreislauf befindliche Arbeitsgas übertragen wird. Dieses verdichtete und erhitzte Arbeitsgas wird dann unter Freisetzung von mechanischer Arbeit in einer Expansionsmaschine entspannt und in einem Kühler rückgekühlt, bevor es wiederum dem Verdichter zugeführt wird.
Des Weiteren sind die aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Abwärmerückgewinnungseinheiten zum Teil in ihrem Aufbau relativ komplex und aufwändig, was zu einem hohen Bauraumbedarf und einer hohen Komplexität verbunden mit hohen Kosten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein steuer- oder regelbares Verfahren und eine steuer- oder regelbare Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, bei welchen die Energierückgewinnung bei möglichst kompaktem Bauraum der Vorrichtung gesteigert ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine wird in einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Joule-Kreislauf geführt. Erfindungsgemäß wird ein Druckniveau des Arbeitsmediums im Joule-Kreislauf variiert. Dadurch wird eine Leistungsabgabe der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung gesteuert und/oder geregelt und auf einfache Weise an einen Leistungsbedarf der Energieverbraucher in einem Fahrzeug und/oder die im Abgasstrom verfügbare Abwärmemenge angepasst.
Eine auf diese Weise ausgeführte Energierückgewinnung bei einer Verbrennungskraftmaschine weist gegenüber herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem werden Treibstoffeinsparungen erzielt und die Kosten sind aufgrund der kompakten und einfachen Bauweise der Vorrichtung zur Energierückgewinnung deutlich reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Zuführung komprimierter Druckluft aus einem Druckluftverdichter zum Arbeitsmedium im Joule-Kreislauf mittels zumindest eines Ventils gesteuert und/oder geregelt. Die Verwendung eines herkömmlichen Druckluftverdichters, welcher in Fahrzeugen mit einer herkömmlichen Druckluftbremsanlage, beispielsweise Nutzfahrzeugen, vorhanden ist, ermöglicht eine besonders kostengünstige und einfache Leistungsregelung der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung. Der aus der Leistungsregelung der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung resultierende Bauraumbedarf und das zusätzliche Gewicht sind vorteilhafterweise verringert.
Bei der Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug ist in einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Joule-Kreislauf geführt. Erfindungsgemäß mündet eine Druckluftleitung, welche mittels zumindest eines Ventils gesteuert und/oder geregelt mit komprimierter Druckluft aus dem Druckluftverdichter beaufschlagbar ist, stromaufwärts eines Verdichters in den Joule-Kreislauf oder der Joule-Kreislauf ist mit einem Behälter gekoppelt, welcher mit Unterdruck aus einem Ansaugbereich der Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbar ist. Dadurch ist eine Leistungsabgabe der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung steuer- und/oder regelbar und ein besonders hoher Wirkungsgrad der Vorrichtung ermöglicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind ein Druck- und/oder ein Temperatursensor im Joule-Kreislauf angeordnet und diese Sensoren sind elektrisch mit einer Steuereinheit gekoppelt, welche das Ventil an Hand der Sensorsignale steuert und/oder regelt. Somit ist vorteilhafterweise eine exakte Regelung des Druckniveaus des Arbeitsmittels im Joule-Kreislauf anhand der Sensorsignale ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist Druckluft aus dem Joule-Kreislauf in einen Druckluftspeicher und/oder eine Fahrzeugumgebung abführbar. Die Abführung überschüssiger Druckluft aus dem Joule-Kreislauf entlastet zweckmäßigerweise den Druckluftverdichter. Die Abführung überschüssiger Druckluft aus dem Joule-Kreislauf in die Fahrzeugumgebung ermöglicht das Ablassen großer Druckluftmengen innerhalb kurzer Zeit und verhindert eine Überlastung des Druckluftspeichers und eine daraus resultierende Zerstörung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dem geschlossenen Joule-Kreislauf ein Clausius-Rankine-Kreislauf nachgeschaltet. Vorteilhafterweise ist das Arbeitsmittel des Joule-Kreislaufs mittels des Clausius-Rankine-Kreislaufs rückkühlbar und der Wirkungsgrad des Gesamtaggregates (also der Verbrennungskraftmaschine und der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung) kann erhöht werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist im Abgasstrom abgasseitig der Verbrennungskraftmaschine nach einem ersten Abgaswärmetauscher, welcher dem Joule-Kreislauf zugeordnet ist, ein zweiter Abgaswärmetauscher primärseitig in der Abgasleitung und sekundärseitig im Clausius-Rankine-Kreislauf angeordnet. Dies führt zu einer verbesserten Ausnutzung der Abwärme des Abgasstroms der Verbrennungskraftmaschine und somit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung und des Gesamtaggregats, insbesondere des gesamten Antriebsstrangs.
Eine Elektromaschine ist bevorzugt im Kraftfluss zwischen einer im Clausius-Rankine-Kreislauf angeordneten Expansionsmaschine und einer Schwungscheibe der Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Somit ist die Elektromaschine derart in die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung und die Verbrennungskraftmaschine integriert, dass ein hoher Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung bei gleichzeitig minimiertem Bauraum, Gewicht und Kosten ermöglicht ist.
Im Behälter ist vorzugsweise eine druckdichte Membran angeordnet, welche den Behälter in zwei Abschnitte unterteilt, wobei der erste Abschnitt mit dem Unterdruck aus dem Ansaugbereich der Verbrennungskraftmaschine und der zweite Abschnitt mit dem Arbeitsmedium des Joule-Kreislaufs beaufschlagbar ist. Somit kann sich die Membran durch das Einwirken des Unterdrucks verformen, wodurch ein Volumen des Joule-Kreislaufs vergrößert und daraus resultierend ein Druckniveau im Joule-Kreislauf reduziert ist.
Die Membran im Behälter ist mit der Federkraft einer Druckfeder beaufschlagbar. Diese Federkraft wirkt der Verformung der Membran entgegen. Dadurch kann eine Verformung vorteilhafterweise verzögert werden.
Dem ersten Abschnitt des Behälters ist bevorzugt ein Ventil zugeordnet. Mittels des Ventils ist der Unterdruck im ersten Abschnitt zweckmäßigerweise regulierbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Leistungsabgabe einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung regelbar ist,
2 schematisch eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung aus einem Joule-Kreislauf und einem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreislauf gebildet ist und deren Leistungsabgabe regelbar ist,
3 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung aus einem Joule-Kreislauf und einem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreislauf gebildet ist und deren Leistungsabgabe regelbar ist,
4 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Leistungsabgabe einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung regelbar ist,
5 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung aus einem Joule-Kreislauf und einem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreislauf gebildet ist und deren Leistungsabgabe regelbar ist,
6 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung aus einem Joule-Kreislauf und einem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreislauf gebildet ist und deren Leistungsabgabe regelbar ist,
7 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung aus einem Joule-Kreislauf und einem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreislauf gebildet ist und deren Leistungsabgabe regelbar ist und
8 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Leistungsabgabe einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung mittels eines Behälters mit einer gasdichten Membran regelbar ist.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom AG einer Verbrennungskraftmaschine 2. Bei der Verbrennungskraftmaschine 2 kann es sich um einen herkömmlichen Diesel- oder Ottomotor oder eine andere Verbrennungsmaschine, z. B. eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs, handeln. 1 zeigt einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor.
Abgasseitig von der Verbrennungskraftmaschine 2 ist eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 nachgeschaltet. Die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 ist vorzugsweise als ein geschlossener Joule-Kreislauf JK ausgebildet, in welchem ein Arbeitsmedium AM zirkuliert. Das Arbeitsmedium AM ist vorzugsweise getrocknete oder trockene Luft.
Der Joule-Kreislauf JK ist ein thermodynamischer Kreisprozess nach dem Physiker James Prescott Joule. Der geschlossene Joule-Kreislauf JK umfasst einen Abgaswärmetauscher 4, der primärseitig vom Abgasstrom AG durchströmt wird und sekundärseitig von einem Arbeitsmedium AM des Joule-Kreislaufs JK durchströmt wird.
Primärseitig mündet eine Abgasleitung 5 in den Abgaswärmetauscher 4 und geht von diesem wieder ab.
Sekundärseitig ist dem Abgaswärmetauscher 4 im Joule-Kreislauf JK eingangsseitig ein Verdichter 6 vorgeschaltet. Ausgangsseitig ist dem Abgaswärmetauscher 4 im Joule-Kreislauf JK eine Turbine 7 nachgeschaltet. Zwischen der Turbine 7 und dem Verdichter 6 ist im geschlossenen Joule-Kreislauf JK ein Kühler 8, insbesondere ein Rückkühler oder Gaskühler angeordnet. Der Verdichter 6 und die Turbine 7 sind auf einer gemeinsamen Welle 9 angeordnet.
Anstelle der Turbine 7 kann auch eine andere Expansionsmaschine, z. B. eine Kolbenexpansionsmaschine, eingesetzt werden.
Der heiße Abgasstrom AG der Verbrennungskraftmaschine 2 wird verwendet, um den nachgeschalteten Joule-Kreislauf JK (speziell den geschlossenen Gasturbinenprozess) zu beheizen. Dies ist besonders vorteilhaft, da speziell die heißen Abgase aus energetischer und thermodynamischer Sicht über ein Temperaturniveau verfügen, das arbeitsfähig ist und damit zu einem relativ hohen Gesamtwirkungsgrad führen kann. Dies ist auch aus Sicht des Bauaufwandes mit geringerem Bauraumbedarf, geringeren Kosten, geringerem Gewicht vorteilhaft, da der Aufwand für den nachgeschalteten Joule-Kreislauf JK zwar vorhanden ist, jedoch durch die Nutzung des hohen und damit thermodynamisch arbeitsfähigen Temperaturniveaus zu einem relativ hohen Wirkungsgradgewinn im Vergleich zur Nichtnutzung des Temperaturniveaus des Abgasstroms AG führt.
Ein unteres Druckniveau des Arbeitsmediums AM im geschlossenen Joule-Kreislauf JK wird deutlich über dem Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck eingestellt oder gehalten. Dadurch lassen sich relativ hohe Massenströme im Verhältnis zu den entsprechenden Volumenströmen innerhalb des Joule-Kreislaufs JK bewegen, was zu relativ kleinen Bauräumen (z. B. Rohrleitungsquerschnitte) bei gleichzeitig hohem Massenstrom durch die Komponenten, d. h. durch die Turbine 7 und den Verdichter 6, und damit zu relativ hohen Leistungsdichten führt. Des Weiteren lassen sich durch die Verwendung eines hohen unteren Druckniveaus im Joule-Kreislauf JK auch relativ hohe Wärmeübertragungsleistungen in den einzelnen Wärmeübertragern, wie dem Abgaswärmetauscher 4 und dem Kühler 8, des Joule-Kreislaufs JK realisieren.
An der Welle 9 ist eine Kupplung 10 angeordnet, mittels derer die Welle 9 und daraus resultierend die Turbine 7 mit einem Zahnrad 11 mechanisch trennbar gekoppelt werden können. Das Zahnrad 11 steht mit einer Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 in Eingriff. Die Kupplung 10 kann insbesondere für den Start des Joule-Kreislaufs JK herangezogen werden, da der Joule-Kreislauf JK nicht eigenstartfähig ist. Ist also im Joule Kreislauf JK ein ausreichendes Temperaturniveau durch die Erwärmung des Arbeitsmediums AM durch den Abgasstrom AG der Verbrennungskraftmaschine 2 erreicht, wird die Kupplung 10 geschlossen, d. h. eine mechanische Verbindung hergestellt. So wird die Welle 9 mit dem darauf angeordneten Verdichter 6 und der ebenfalls darauf angeordneten Turbine 7 von der Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 angetrieben und somit der Joule-Kreislauf JK in Gang gebracht.
Stromaufwärts des Verdichters 6 mündet eine Druckluftleitung 13 in einem Abschnitt 14, in welchem das untere Druckniveau anliegt, in den Joule-Kreislauf JK. Mittels der Druckluftleitung 13 ist komprimierte Druckluft aus einem Druckluftverdichter 15 in den Joule-Kreislauf JK einleitbar. Die Druckluftmenge ist mittels eines Ventils 16, welches in der Druckluftleitung 13 angeordnet ist, steuer- und/oder regelbar.
Der Druckluftverdichter 15 ist vorzugsweise Teil einer herkömmlichen Druckluftversorgungsanordnung 17, welche zumindest den Druckluftverdichter 15 und einen Druckluftspeicher 18 umfasst. Die Druckluftversorgungsanordnung 17 ist beispielsweise Teil einer herkömmlichen Druckluftbremsanlage eines nicht dargestellten Nutzfahrzeugs.
Zur Einstellung der Zu- oder Abführung der Druckluft in oder aus dem Joule-Kreislauf JK ist das Ventil 16 als herkömmliches Dreiwegeventil ausgebildet. Weiterhin ist am Druckluftspeicher 18 ein Ablassventil 19 angeordnet, mittels dem Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 in die Fahrzeugumgebung abführbar ist.
Im Joule-Kreislauf JK sind im Abschnitt 14 ein Temperatursensor 20 und ein Drucksensor 21 angeordnet. Der Temperatursensor 20 und der Drucksensor 21 sind elektrisch mit einer Steuereinheit 22 gekoppelt. Die Steuereinheit 22 ist weiterhin mit dem Ventil 16 und dem Ablassventil 19 elektrisch gekoppelt.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 werden im Abgaswärmetauscher 4 primärseitig, d. h. auf der Wärme abgebenden Seite, die sehr heißen Motorabgase, d. h. der Abgasstrom AG, der Verbrennungskraftmaschine 2 geführt. Sekundärseitig, d. h. auf der Wärme aufnehmenden Seite, des Abgaswärmetauschers 4 strömt das hoch verdichtete Arbeitsmedium AM des nachgeschalteten Joule-Kreislaufs JK.
Das Arbeitsmedium AM wird hierbei durch den Verdichter 6 auf ein oberes Druckniveau angehoben. Im Abgaswärmetauscher 4 wird die Wärmeenergie des heißen Abgasstroms AG auf das verdichtete Arbeitsmedium AM übertragen. Das verdichtete und stark erwärmte Arbeitsmedium AM wird der Turbine 7, einer Expansionsmaschine, zugeführt und dort expandiert und an der Welle 9 der Turbine 7 wird mechanische Energie freigesetzt. Die an der Welle 9 der Turbine 7 freiwerdende mechanische Energie dient zum einen dem Antrieb des Verdichters 6 und zum anderen dem Antrieb des Zahnrads 11, welches der Antriebsunterstützung der Verbrennungskraftmaschine 2 dient.
Nach der Expansion des Arbeitsmediums AM in der Turbine 7 wird das Arbeitsmedium AM in dem Kühler 8 (Rückkühler) rückgekühlt und wiederum dem Verdichter 6 zugeführt. Der Kühler 8 kann hierbei direkt von Luft durchströmt und somit gekühlt werden oder an einen entsprechenden Kühlkreislauf angeschlossen sein.
Im Verdichter 6 wird das Arbeitsmedium AM vom unteren auf das obere Druckniveau verdichtet und dann dem Abgaswärmetauscher 4 erneut zugeführt, in welchem das Arbeitsmedium AM die Wärmeenergie des heißen Abgasstroms AG aufnimmt.
Das Arbeitsmedium AM wird in der Turbine 7 auf ein unteres Druckniveau expandiert, welches deutlich über dem Umgebungsdruck liegt. Dies ermöglicht einen hohen Massendurchsatz des Arbeitsmediums AM durch die Vorrichtung 1 bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf. Des Weiteren führt die hohe Gasdichte innerhalb der Wärmeübertrager (Abgaswärmetauscher 4 und Kühler 8) zu hohen Wärmeübertragungsleistungen, was zu geringem Bauraum der einzelnen Wärmeübertrager führt.
Die an der Welle 9 der Turbine 7 abgegebene mechanische Energie variiert in Abhängigkeit des Druckniveaus des Arbeitsmediums AM im Joule-Kreislaufs JK. Wird beispielweise ein unteres Druckniveau im Joule-Kreislaufs JK erhöht, erhöht sich das obere Druckniveau, welches durch die Verdichtung des Arbeitsmediums AM im Verdichter 6 erzeugt wird, ebenfalls. Dadurch ist im Arbeitsmedium AM eine höhere Energiemenge enthalten, welche in der Turbine 7 freigesetzt wird. Umgekehrt sinkt die abgegebene Energiemenge bzw. Leistung, wenn das Druckniveau und damit die Menge des Arbeitsmediums AM im Joule-Kreislauf JK verringert wird.
Um das untere Druckniveau zu variieren, kann mittels der Druckluftleitung 13 komprimierte Druckluft aus der Druckluftversorgungsanordnung 17 in den Joule-Kreislauf JK eingeleitet werden. Die Druckluftmenge oder ein Druckniveau der Druckluft ist mittels des Ventils 16 einstellbar. Weiterhin kann mittels des Ventils 16 Druckluft aus dem Joule-Kreislauf JK abgeleitet werden, wodurch das Druckniveau im Joule-Kreislauf JK und daraus resultierend die Leistungsabgabe absinkt. Überschüssige Druckluft aus dem Joule-Kreislauf JK wird mittels der Rückführleitung 23 in den Druckluftspeicher 18 geleitet und dort gespeichert. Um eine Überlastung des Druckluftspeichers 18 zu verhindern, ist das Ablassventil 19 am Druckluftspeicher 18 angeordnet und leitet überschüssige Druckluft in die Fahrzeugumgebung.
Das Ventil 16 und das Ablassventil 19 werden von der Steuereinheit 22 in Abhängigkeit der Signale von Temperatursensor 20 und Drucksensor 21 und in Abhängigkeit der Leistungsanforderung an den Joule-Kreislauf JK geregelt.
Mit anderen Worten wird im Ausführungsbeispiel nach 1 der Joule-Kreislauf JK im Abschnitt 14 mit Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 mittels des Ventils 16 beaufschlagt. Das Ventil 16 gibt eine Verbindung zwischen Druckluftspeicher 18 und Joule-Kreislauf JK frei und verschließt diese nach Erreichen eines gewünschten Solldrucks im Joule-Kreislauf JK. Ob der Solldruck im Joule-Kreislauf JK erreicht ist, wird mittels des Drucksensors 21 detektiert. Über das geometrisch vorgegebene Volumen des Joule-Kreislaufs JK und die Signale des Drucksensors 21 und des Temperatursensors 20 kann die im Joule-Kreislauf JK zirkulierende Menge des Arbeitsmediums AM in der Steuereinheit 22 berechnet werden und somit unter Einbeziehung weiterer Parameter, beispielsweise einer eingespritzten Kraftstoffmenge der Verbrennungskraftmaschine 2, einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2, einer Umgebungstemperatur, einer Abgastemperatur, eine Leistungsberechung oder eine Leistungsvorhersage des Joule-Kreislaufs JK oder der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 getroffen werden. Anhand dieser Leistungsvorhersage oder Leistungsberechnung erfolgt mittels der in der Steuereinheit 22 hinterlegten Software die Ermittlung des gewünschten Solldrucks im Joule-Kreislauf JK und die daraus resultierende Ansteuerung des Ventils 16 und die Leistungsregelung des Joule-Kreislaufs JK bzw. der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3.
Um einen möglichst hohen Anteil an Abwärme aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 zurückgewinnen zu können, ist eine möglichst dauerhafte oder lang andauernde maximale Bedruckung des Joule-Kreislaufs JK anzustreben. Es kann jedoch auch eine Betriebssituation auftreten, beispielsweise eine längere Bergabfahrt eines Fahrzeugs, bei welcher nur eine minimale bzw. keine Last von der Verbrennungskraftmaschine 2 abgefordert wird. In diesem Fall wird in die Verbrennungskraftmaschine 2 nur noch sehr wenig oder kein Kraftstoff eingespritzt, d. h. es wird wenig Abwärme durch den Abgasstrom AG in den Abgaswärmetauscher 4 eingetragen. Die im Abgaswärmetauscher 4 vorhandene Wärmekapazität führt dazu, dass noch ausreichend Restwärme im Abgaswärmetauscher 4 vorhanden ist, um den Betrieb des Joule-Kreislaufs JK aufrecht erhalten zu können. Da von der Verbrennungskraftmaschine 2 aber keine Leistung abgefordert wird, würde die Turbine 7 die Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 weiterhin antreiben, was jedoch zu diesem Zeitpunkt unerwünscht ist. So kann in diesem Fall die Kupplung 10 zwischen Turbine 7 und Zahnrad 11 geöffnet und damit die mechanische Verbindung zwischen der Turbine 7 und der Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 getrennt werden, jedoch würde die Turbine 7 ohne Last hohe Drehzahlen erreichen und dabei beschädigt oder zerstört werden. Entsprechend wird dann das Ventil 16 so eingestellt, das der Weg zwischen dem Joule-Kreislauf JK und dem Druckluftspeicher 18 wieder freigegeben wird, wenn im Druckluftspeicher 18 ein niedrigerer Druck herrscht, als im Joule-Kreislauf JK. Sollte im Druckluftspeicher 18 ein ähnlich hoher Druck herrschen wie im Joule-Kreislauf JK, ist es notwendig, das Ablassventil 19 zu öffnen, so dass der Druck im Druckluftspeicher 18 und somit auch der Druck im Joule-Kreislauf JK entsprechend reduziert wird. Durch die Absenkung des Druckes im Joule-Kreislauf JK wird die Leistungsabgabe des Joule-Kreislaufs JK reduziert. Die Rückführung der Druckluft aus dem Joule-Kreislauf JK in den Druckluftspeicher 18 entlastet vorteilhafterweise den Druckluftverdichter 15 und steigert die Effizienz der Vorrichtung 1, da der Druckluftverdichter 15 nicht angetrieben werden muss, um im Druckluftspeicher 18 das entsprechende Druckniveau bereitzustellen.
2 zeigt einen zur 1 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass die Rückführleitung 23 entfernt wurde und die überschüssige Druckluft aus dem Joule-Kreislauf JK mittels des Ventils 16 direkt in die Fahrzeugumgebung abgeführt wird.
Die auch in dieser Ausführungsform vorhandenen Sensoren 20 und 21 und die Steuereinheit 22 sowie die zugehörigen elektrischen Verbindungen sind in 2 und den weiteren folgenden Figuren zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Darstellung nicht dargestellt.
Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 erfolgt die Rückkühlung des Arbeitsmediums AM des Joule-Kreisprozesses JK im Kühler 8 mittels eines dem Joule-Kreislauf JK nachgeschalteten Clausius-Rankine-Kreislaufs CK. Der Clausius-Rankine-Kreislauf CK und der Joule-Kreislauf JK sind mittels des Kühlers 8 thermisch gekoppelt. Durch den Wärmeübergang vom Joule-Kreislauf JK (Rückkühlung) zum Clausius-Rankine-Kreislauf CK (Verdampfung) wird ein im Clausius-Rankine-Kreislauf CK geführtes Arbeitsmittel AT im Kühler 8 verdampft und überhitzt oder zumindest verdampft. Der Kühler 8 ist hierzu als ein Rückkühler/Verdampfer ausgeführt, der primärseitig im Joule-Kreislauf JK und sekundärseitig im Clausius-Rankine-Kreislauf CK angeordnet ist. Das überhitzte oder verdampfte Arbeitsmittel AT wird dann im Clausius-Rankine-Kreislauf CK einer Expansionsmaschine 24 zugeführt, in welcher das Arbeitsmittel AT expandiert und dabei abgekühlt wird.
Die Expansionsmaschine 24 ist insbesondere als eine Dampfturbine oder eine andere Dampfexpansionsmaschine ausgeführt und mittels einer Kupplung 25 trennbar mit einer Elektromaschine 26 gekoppelt. Die Elektromaschine 26 ist mittels einer weiteren Kupplung 27 mit einem Zahnrad 28 gekoppelt, welches mit der Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 in Eingriff steht. Die Elektromaschine 26 ist damit im Kraftfluss zwischen der im Clausius-Rankine-Kreislauf angeordneten Expansionsmaschine 24 und der Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 angeordnet. Somit ist die mittels der Expansionsmaschine 24 erzeugte mechanische Energie zum Fahrzeugantrieb und zur Erzeugung elektrischer Energie mittels der Elektromaschine 26 nutzbar.
Die Elektromaschine 26 ist elektrisch mit einem herkömmlichen elektrischen Energiespeicher 29, beispielweise einem Akkumulator, einer Fahrzeugbatterie, einer Lithium-Ionen-Batterie oder einem Supercap, verbunden.
Das aus der Expansionsmaschine 24 austretende Arbeitsmittel AT wird in einem Kondensator 30 kondensiert und dann wieder in flüssiger Form mittels einer Speisepumpe 31 dem Kühler 8 zugeführt.
Das aus dem Kondensator 30 austretende, flüssige Arbeitsmittel AT wird vor dem Eintritt in den Kühler 8 mittels der Speisepumpe 31 auf ein entsprechendes Druckniveau erhöht. Das verwendete Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreislaufs CK ist ein flüssiges, insbesondere organisches und/oder anorganisches, insbesondere kohlenwasserstoffhaltiges Arbeitsmittel, wie z. B. Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, weitere Flüssigkeiten und/oder Lösungen dieser. Das heißt, es muss nicht zwingend Wasser oder ein Wassergemisch verwendet werden, sondern beispielsweise ein einfriertaugliches kohlenwasserstoffhaltiges Arbeitsfluid, welches typischerweise bis ca. 400°C beständig ist.
Die in der Expansionsmaschine 24 erzeugte mechanische Energie wird mittels der Elektromaschine 26 in elektrische Energie umgewandelt und/oder der Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführt.
Die Speisepumpe 31 kann, wie dargestellt, motorbetrieben ausgeführt sein. Hierzu ist beispielsweise ein elektrischer Motor 32 vorgesehen, der die Speisepumpe 31 antreibt.
Der geschlossene Joule-Kreisprozess JK und der diesem nachgeschaltete Clausius-Rankine-Kreisprozess CK sind so miteinander verschaltet, dass dies möglichst einfach und kompakt erfolgt und eine Nutzung der thermischen Energie des Abgasstroms AG auf einem sehr breiten Spektrum des vorhandenen Temperaturniveaus ermöglicht, was zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs oder des Gesamtaggregates führt.
Alle Kupplungen 10, 25 und 27 sind als herkömmliche, schaltbare Kupplungen ausgebildet.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird mittels der Turbine 7 im Joule-Kreislauf JK der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 aus zumindest einer Teilmenge der thermischen Energie des Abgasstroms AG der Verbrennungskraftmaschine 2 mechanische Energie erzeugt. Die erzeugte mechanische Energie wird mittels der Kupplung 10 und des Zahnrads 11 auf die Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 übertragen und steht dort für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung. Die mittels der Expansionsmaschine 24 im Clausius-Rankine-Kreislauf CK erzeugte mechanische Energie wird mittels der Elektromaschine 26 in elektrische Energie umgewandelt. Überschüssige, von der Expansionsmaschine 24 erzeugte mechanische Energie, welche nicht mittels der Elektromaschine 26 in elektrische Energie umgewandelt wird, wird mittels der Kupplung 27 und des Zahnrads 28 auf die Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 übertragen und steht dort für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung.
3 zeigt einen zur 2 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass mittels der Rückführleitung 23 die überschüssige Druckluft aus dem Joule-Kreislauf JK mittels des Ventils 16 in den Druckluftspeicher 18 eingespeist wird.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform für die Vorrichtung 1 gemäß 1 mit einem Zusatzverdichter 33 zur weiteren Verdichtung der Druckluft. Das heißt, die bereits in der Druckluftversorgungsanordnung 17 erzeugte Druckluft wird über einen weiteren, kleinen und nur selten betriebenen Zusatzverdichter 33, insbesondere einen Kompressor, auf ein höheres Druckniveau angehoben. Das Ventil 16 kann als Rückschlagventil ausgebildet sein, um den Joule-Kreislauf JK auf ein entsprechend hohes Druckniveau einzustellen oder zu halten. Hierdurch können beispielsweise eventuell auftretende Leckageverluste im Joule-Kreislauf JK ausgeglichen werden.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 hebt der Zusatzverdichter 33 das im Druckluftspeicher 18 ohnehin schon vorhandene Druckniveau, von beispielsweise 8 bis 10 bar, weiter an, so dass mit relativ wenig Energieaufwand zum Antrieb des Zusatzverdichters 33 eine weitere Erhöhung des Druckniveaus innerhalb des Joule-Kreislaufs JK und damit eine weitere Steigerung der Leistungsdichte und -abgabe der Abwarmerückgewinnungsvorrichtung 3 erreicht wird. Der Zusatzverdichter 33 ist hierbei so ausgeführt, dass es sich um einen herkömmlichen Verdichter handelt, der ein hohes Druckverhältnis bei wenig Fördervolumen umsetzen kann, so dass innerhalb des Joule-Kreislaufs JK ein möglichst hohes Druckniveau erreicht wird. Zwischen Ventil 16 und Druckluftspeicher 18 ist die Rückführleitung 23 angeordnet, so dass aus dem Joule-Kreislauf JK abzuführende Druckluft wieder dem Druckluftspeicher 18 zugeführt werden kann, wenn die Leistungsabgabe des Joule-Kreislaufs JK reduziert werden soll. Dies ist in der vorliegenden Ausführungsvariante besonders vorteilhaft, da das Druckniveau des Joule-Kreislaufs JK immer über dem Druckniveau des Druckluftspeichers 18 liegt.
5 zeigt einen zur 4 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass die Rückkühlung des Arbeitsmediums AM des Joule-Kreislaufs JK im Clausius-Rankine-Kreislauf CK erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Expansionsmaschine 24 des Clausius-Rankine-Kreislaufs CK direkt mit der Elektromaschine 26 gekoppelt. Somit besteht keine mechanische Verbindung zwischen Elektromaschine 26 und Verbrennungskraftmaschine 2.
6 zeigt einen zur 4 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass der Clausius-Rankine-Kreislauf CK thermisch direkt mit der Abgasleitung 5 gekoppelt ist. Diese Kopplung erfolgt mittels eines zusätzlichen Abgaswärmetauschers 34, welcher zwischen dem Kühler 8 und der Expansionsmaschine 24 im Clausius-Rankine-Kreislauf CK angeordnet ist. Der Abgaswärmetauscher 34 wird primärseitig vom Abgasstrom AG der Verbrennungskraftmaschine 2 und sekundärseitig vom Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreislaufs CK durchströmt.
Die Turbine 7 des Joule-Kreislaufs JK ist direkt mit einem Generator 37 gekoppelt. Somit besteht keine mechanische Verbindung zwischen Turbine 7 und Verbrennungskraftmaschine 2.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 erfolgt die Rückkühlung des Arbeitsmediums AM des Joule-Kreislaufs JK im Kühler 8. Dadurch wird das Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreislaufs CK vorwärmt oder verdampft. Anschließend durchströmt das vorgewärmte Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreislaufs CK den Abgaswärmetauscher 34. Im Abgaswärmetauscher 34 wird das Arbeitsmittel AT vollständig verdampft oder überhitzt.
Dadurch ist die Effizienz der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 vorteilhafterweise weiter gesteigert.
Mit dieser Ausführungsform ist insbesondere unterschiedliches Regelungsverhalten der Leistungsregelung der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 darstellbar. Durch die Reduzierung des Druckniveaus im Joule-Kreislauf JK wird weniger Wärmeleistung im Kühler 8 vom Joule-Kreislauf JK an den Clausius-Rankine-Kreislauf CK übertragen. Dies führt dazu, dass weniger Abwärme des Abgasstroms AG innerhalb des Abgaswärmetauschers 4 an den Joule-Kreislauf JK übertragen wird. Daraus resultierend kann mehr Abwärme im Abgaswärmetauscher 34 vom Abgasstrom AG an den Clausius-Rankine-Kreislauf CK übertragen werden. Durch dieses Regelungsverhalten der beiden Prozesse ergeben sich zahlreiche Freiheitsgrade in der Prozessgestaltung oder in der Betriebsweise, was insbesondere beim Anfahren oder Aufwärmen der beiden Prozesse von Vorteil ist.
Ein weiterer Unterschied zu den bisherigen Ausführungsformen besteht darin, dass als Ventil 16 ein herkömmliches Zwei-Wege-Ventil zur Druckluftzufuhr vom Zusatzverdichter 33 zum Joule-Kreislauf JK eingesetzt wird. Eine Druckverringerung im Joule-Kreislauf JK erfolgt mittels einer Leitung 35, welche den Joule-Kreislauf JK mit dem Druckluftspeicher 18 verbindet und in der ein weiteres Zwei-Wege-Ventil 36 angeordnet ist.
7 zeigt einen zur 3 sehr ähnlichen Aufbau der Vorrichtung 1, jedoch mit dem Unterschied, dass die Expansionsmaschine 24 mittels der Kupplung 25 und des Zahnrads 28 ohne Zwischenschaltung einer Elektromaschine 26 mit der Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 gekoppelt ist.
In 8 ist eine Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 dargestellt, mittels derer eine Feinregulierung des Druckniveaus in Joule-Kreislauf JK und Clausius-Rankine-Kreislauf CK ermöglicht ist. Eine Leistungsregelung in einer Größenordnung wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist nicht möglich, da die Größe der Behälter 38 und damit die Maximal- und Minimalwerte für die Druckänderung in Joule-Kreislauf JK und Clausius-Rankine-Kreislauf CK eng begrenzt sind.
Die Ausführungsvariante nach 8 kann alleinstehend oder aber in Verbindung mit einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten zur Leistungsregelung der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 verwendet werden. Joule-Kreislauf JK und Clausius-Rankine-Kreislauf CK sind, wie in 7 beschrieben, mechanisch mit der Schwungscheibe 12 der Verbrennungskraftmaschine 2 gekoppelt und unterstützen beide die Verbrennungskraftmaschine 2 beim Antrieb.
In der Vorrichtung 1 sind zwei Behälter 38 angeordnet, wobei ein Behälter 38 dem Joule-Kreislauf JK und der andere Behälter 38 dem Clausius-Rankine-Kreislauf CK zugeordnet ist.
Im Behälter 38 ist eine druckdichte Membran 39 angeordnet, welche den Behälter 38 in zwei Abschnitte 40 und 41 unterteilt. Dabei ist der erste Abschnitt 40 mittels einer Luftansaugleitung 42 mit dem Unterdruck aus einem Ansaugbereich der Verbrennungskraftmaschine 2 beaufschlagbar. Der zweite Abschnitt 41 des Behälters 38 ist mittels einer Zuführleitung 43 mit dem Arbeitsmedium AM des Joule-Kreislaufs JK oder dem Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreislaufs CK beaufschlagbar. Dabei verbindet die Zuführleitung 43 den zweiten Abschnitt 41 des Behälters 38 vorzugsweise mit dem Kühler 8 des Joule-Kreislaufs JK oder mit dem Kondensator 30 des Clausius-Rankine-Kreislaufs CK.
Das Volumen des zweiten Abschnitts 41 der Behälter 38 ist jeweils mit dem Medium des entsprechenden Kreislaufs befüllt und steht direkt mit dem jeweiligen Kreislauf in Verbindung. Das Volumen des ersten Abschnitts 40 der Behälter 38 steht mit der Luftansaugleitung 42 der Verbrennungskraftmaschine 2 in Verbindung. Wird die Verbrennungskraftmaschine 2 betrieben und Luft zur Verbrennung von der Verbrennungskraftmaschine 2 angesaugt, entsteht in der Luftansaugleitung 42 ein Unterdruck. Dieser Unterdruck führt in den Behältern 38 dazu, dass sich die Membran 39 so verformt, dass sich das Volumen von Joule-Kreislauf JK und Clausius-Rankine-Kreislaufs CK vergrößert und so der Druck in beiden Kreisläufen absinkt. Die Verformung der Membran 39 kann durch eine im Behälter angeordnete Druckfeder 44 bis zu einem bestimmten Wert des Unterdrucks unterdrückt oder vermindert werden. Dadurch ist eine veränderte Kennlinie darstellbar und die Druckveränderung ist beeinflussbar.
Zusätzlich ist an beiden Behältern 38 noch ein Ventil 45 angeordnet, welches jeweils mit den ersten Abschnitten 40 der Behälter 38 in Wirkverbindung steht. Durch eine Öffnung des Ventils 45 kann der im ersten Abschnitt 40 einwirkende Unterdruck eingestellt oder abgelassen werden.
Vorteilhafterweise kann außer der Leistungsregelung im Clausius-Rankine-Kreislauf CK ein Kondensatordruck im Kondensator 30 verändert werden. Dies ist insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen von Bedeutung. Um eine maximale Ausbeute an Energie aus dem Clausius-Rankine-Kreislauf CK zu erhalten, ist es notwendig, den Kondensatordruck (von Umgebungsluft gekühlt) möglichst weit abzusenken, um das Arbeitsmittel AT des Clausius-Rankine-Kreislaufs CK im dampfförmigen Aggregatszustand zu halten und auf einen möglichst niedrigen Druck expandieren zu können. Da aber die Auskondensierbarkeit des Arbeitsmittels AT ermöglicht werden muss, und die Umgebungstemperatur nicht beeinflussbar ist, kann dies nur über die Einstellung oder Regelung des Kondensatordrucks sichergestellt werden. Dies bedeutet, dass der Kondensatordruck an die Umgebungstemperatur angepasst wird und so der Kondensatordruck optimal an die herrschende Umgebungstemperatur angepasst werden kann.
Nicht dargestellt kann als ein weiterer Parameter zur Leistungsregelung des Joule-Kreislaufs JK und/oder der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 in der Steuereinheit 22 ein Signal eines herkömmlichen Satellitennavigationssystems verwendet werden. Dabei handelt es sich insbesondere um Signale, die eine geodätische Höhe des Straßenverlaufs wiedergeben. So kann beispielweise vor einem Anstieg (und daraus resultierend der bevorstehenden hohen Anforderung an Antriebsleistung) das Druckniveau im Joule-Kreislaufs JK erhöht werden, so dass ein maximale Leistungsausbeute aus der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 3 ermöglicht ist und die Verbrennungskraftmaschine 2 maximal unterstützt oder entlastet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
4: Abgaswärmetauscher
5: Abgasleitung
6: Verdichter
7: Turbine
8: Kühler
9: Welle
10: Kupplung
11: Zahnrad
12: Schwungscheibe
13: Druckluftleitung
14: Abschnitt
15: Druckluftverdichter
16: Ventil
17: Druckluftversorgungsanordnung
18: Druckluftspeicher
19: Ablassventil
20: Temperatursensor
21: Drucksensor
22: Steuereinheit
23: Rückführleitung
24: Expansionsmaschine
25: Kupplung
26: Elektromaschine
27: Kupplung
28: Zahnrad
29: Energiespeicher
30: Kondensator
31: Speisepumpe
32: Motor
33: Zusatzverdichter
34: Abgaswärmetauscher
35: Leitung
36: Zwei-Wege-Ventil
37: Generator
38: Behälter
39: Membran
40: erster Abschnitt
41: zweiter Abschnitt
42: Luftansaugleitung
43: Zuführleitung
44: Druckfeder
45: Ventil
AT: Arbeitsmittel
AM: Arbeitsmedium
AG: Abgasstrom
CK: Clausius-Rankine-Kreislauf
JK: Joule-Kreislauf

Claims

Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Fahrzeug, wobei in einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) ein Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreislauf (JK) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckniveau des Arbeitsmediums (AM) im Joule-Kreislauf (JK) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung komprimierter Druckluft aus einem Druckluftverdichter (15) zum Arbeitsmedium (AM) im Joule-Kreislauf (JK) mittels zumindest eines Ventils (16) gesteuert und/oder geregelt wird.
Vorrichtung (1) zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom (AG) einer Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Fahrzeug, wobei in einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (3) ein Arbeitsmedium (AM) in einem geschlossenen Joule-Kreislauf (JK) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass entweder eine Druckluftleitung (13), welche mittels zumindest eines Ventils (16) gesteuert und/oder geregelt mit komprimierter Druckluft aus dem Druckluftverdichter (15) beaufschlagbar ist, stromaufwärts eines Verdichters (6) in den Joule-Kreislauf (JK) mündet oder der Joule-Kreislauf (JK) mit einem Behälter (38) gekoppelt ist, welcher mit Unterdruck aus einem Ansaugbereich der Verbrennungskraftmaschine (2) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck- und/oder ein Temperatursensor (21, 20) im Joule-Kreislauf (JK) angeordnet sind und diese Sensoren (21, 20) elektrisch mit einer Steuereinheit (22) gekoppelt sind, welche das Ventil (16) an Hand der Sensorsignale steuert und/oder regelt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Druckluft aus dem Joule-Kreislauf (JK) in einen Druckluftspeicher (18) und/oder eine Fahrzeugumgebung abführbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem geschlossenen Joule-Kreislauf (JK) ein Clausius-Rankine-Kreislauf (CK) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom (AG) abgasseitig der Verbrennungskraftmaschine (2) nach dem ersten Abgaswärmetauscher (4), welcher dem Joule-Kreislauf (JK) zugeordnet ist, ein zweiter Abgaswärmetauscher (34) primärseitig in der Abgasleitung (5) und sekundärseitig im Clausius-Rankine-Kreisprozess Clausius-Rankine-Kreislauf (CK) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter (38) eine druckdichte Membran (39) angeordnet ist, welche den Behälter (38) in zwei Abschnitte (40, 41) unterteilt, wobei der erste Abschnitt (40) mit dem Unterdruck aus dem Ansaugbereich der Verbrennungskraftmaschine (2) und der zweite Abschnitt (41) mit dem Arbeitsmedium (AM) des Joule-Kreislaufs (JK) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (39) im Behälter (38) mit der Federkraft einer Druckfeder (44) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Abschnitt (40) des Behälters (38) ein Ventil (45) zugeordnet ist.