-
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor und einer Dampfkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Antriebsvorrichtung.
-
Eine gattungsgemäßes Antriebsvorrichtung ist aus der
DE 10 2009 024 772 A1 bekannt. Diese umfasst einen Hubkolben-Verbrennungsmotor, der für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, sowie eine nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess arbeitende Dampfkraftmaschine, in der ein Arbeitsmittel in einem Kreislauf gefördert wird. Dabei wird das Arbeitsmittel in jedem Kreislaufzyklus in einem Verdampfer verdampft, dann durch externe Wärmezufuhr überhitzt, der überhitzte Dampf in einer Expansionsvorrichtung, wie beispielsweise einer Turbine, expandiert und schließlich in einem Kondensator wieder verflüssigt wird. Über eine Speisepumpe wird das verflüssigte Arbeitsmittel dann wieder dem Verdampfer zugeführt. Bei der Expansion des überhitzten Dampfs in der Expansionsvorrichtung wird mechanische Energie erzeugt, die bei der Antriebsvorrichtung gemäß der
DE 10 2009 024 772 A1 einen Generator antreibt, über den elektrische Energie für das Bordnetz des Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Diese elektrische Energie wird bei konventionellen Fahrzeugen von dem Verbrennungsmotor selbst erzeugt, der somit bei der Antriebsvorrichtung gemäß der
DE 10 2009 024 772 A1 von der Dampfkraftmaschine entlastet wird und dadurch einen geringen Kraftstoffverbrauch aufweisen kann.
-
Die für das Verdampfen und Überhitzen des Arbeitsmittels erforderliche Wärme wird bei der Antriebsvorrichtung gemäß der
DE 10 2009 024 772 A1 aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors gewonnen. Bei Kraftfahrzeugen mit konventionellen Antrieben geht diese Wärmeenergie durch das Abführen des Abgases in die Atmosphäre verloren. Durch die Kopplung des Verbrennungsmotors mit der Dampfkraftmaschine kann somit der Gesamtwirkungsgrad der gattungsgemäßen Antriebsvorrichtung verbessert werden.
-
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die aus der
DE 10 2009 024 772 A1 bekannte Antriebsvorrichtung weiter zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. Für eine konkretisierte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird zudem ein erfindungsgemäßes Verfahren für deren Betrieb angegeben, das Gegenstand der Patentansprüche 7 und 8 ist.
-
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei einer Kopplung eines Verbrennungsmotors mit einer Dampfkraftmaschine, wie dies von der gattungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß der
DE 10 2009 024 772 A1 bekannt ist, den Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine, über den dem Dampfkreisprozess Wärme zugeführt wird, in einen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors zu integrieren. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen, die im Folgenden noch anhand der konkretisierten Ausführungsformen näher erläutert werden.
-
Eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung, die einen Verbrennungsmotor und eine Dampfkraftmaschine aufweist, ist demnach erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf zur Kühlung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, wobei der Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors über einen Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine führbar ist. Eine solche erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Antriebsvorrichtung ist deutlich flexibler nutzbar als die in der
DE 10 2009 024 772 A1 beschriebene Antriebsvorrichtung.
-
Da das Temperaturniveau eines Kühlmittels des Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors in der Regel auf relativ niedrige Werte (in der Regel zwischen 90° und 110°C) begrenzt ist, ist vorzugsweise vorgesehen, die Dampfkraftmaschine mit einem Arbeitsmittel zu betreiben, das eine Verdampfungstemperatur von ≤ 90°C und vorzugsweise ≤ 80°C aufweist. Hierzu kann insbesondere ein organisches Arbeitsmittel im Rahmen eines sogenannten Organic-Rankine-Cycles (ORC) der Dampfkraftmaschine zum Einsatz kommen.
-
Weiterhin kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das Arbeitsmittel eine Verdampfungstemperatur von ≥ 40°C und vorzugsweise ≥ 45°C aufweist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Einsatz der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug bei (nahezu) sämtlichen Witterungsverhältnissen erfolgen kann. Eine zu geringe Verdampfungstemperatur könnte nämlich einen Betrieb der Dampfkraftmaschine dadurch zeitweise verhindern, dass bei hohen Außentemperaturen das Arbeitsmittel im gesamten Kreislauf der Dampfkraftmaschine im gasförmigen Zustand vorliegt, was eine Förderung durch eine Speisepumpe der Dampfkraftmaschine verhindern kann.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist vorgesehen, in den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors einen weiteren Wärmetauscher zu integrieren, wobei ein aus dem Verbrennungsmotor abgeführtes Abgas über den Wärmetauscher des Kühlkreislaufs geführt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass zunächst Wärmeenergie von dem Abgas auf das Kühlmittel übertragen wird und die so erhöhte Wärmeenergie des Kühlmittels die mechanische Leistungsfähigkeit der Dampfkraftmaschine erhöht. Im Ergebnis kann sowohl die Abwärme aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors als auch die Abwärme aus der Kühlung des Verbrennungsmotors dazu genutzt werden, in der Dampfkraftmaschine mechanische Energie zu erzeugen. Bei konventionellen Antriebsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge, die lediglich einen Verbrennungsmotor umfassen, würde die Abwärme sowohl des Abgasstroms als auch des Kühlmittelkreislaufs ungenutzt in die Atmosphäre abgeführt. Und gegenüber der gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß der
DE 10 2009 024 772 A1 wird nicht nur die Abwärme des Abgasstroms, sondern zusätzlich auch diejenige der Kühlung des Verbrennungsmotors (teilweise) genutzt.
-
Bei dieser vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung können noch weitere Vorteile realisiert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, die über den Wärmetauscher des Kühlreislaufes von dem Abgasstrom auf das Kühlmittel übertragene Wärmeenergie temporär, insbesondere in einem Kaltlaufbetrieb der Brennkraftmaschine, d. h. wenn diese noch nicht ihren Betriebstemperaturbereich erreicht hat, nicht der Dampfkraftmaschine zuzuführen, sondern durch eine Umgehung des Wärmetauschers der Dampfkraftmaschine und ein direktes Rückführen des Kühlmittels zu dem Verbrennungsmotor ein schnelleres Aufwärmen des Verbrennungsmotors bis zum Erreichen des Betriebstemperaturbereichs zu bewirken, womit im Ergebnis die Dauer des Kaltlaufbetriebs verkürzt wird. Dies kann positive Auswirkungen auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors sowie dessen Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen haben.
-
Eine hierfür geeignete Antriebsvorrichtung kann eine (erste) Regeleinrichtung aufweisen, mittels der das Kühlmittel des Kühlkreislaufes entweder über den Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine oder – unter Umgehung des Wärmetauschers der Dampfkraftmaschine – zu dem Verbrennungsmotor zurück führbar ist. Eine solche Regeleinrichtung kann beispielsweise in Form eines 3/2-Wegeventils ausgebildet sein. Dieses kann temperaturgesteuert (beispielsweise über ein Thermostat) sein.
-
In den Kühlkreislauf der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung kann weiterhin noch ein Kühler integriert sein, in dem die Temperatur des Kühlmittels gesenkt wird, beispielsweise durch eine Kühlung durch die Umgebungsluft. Eine solche erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann dann zudem eine (zweite) Regeleinrichtung umfassen, die derart in den Kühlkreislauf integriert ist, dass das Kühlmittel, nachdem es über den Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine geführt wurde, mittels der (zweiten) Regeleinrichtung entweder über den Kühler oder unter Umgebung des Kühlers zu dem Verbrennungsmotor zurück führbar ist.
-
Diese Ausgestaltung ermöglicht folgenden vorteilhaften Betrieb der Antriebsvorrichtung:
Bei einer Temperatur des Kühlmittels, die im Bereich der ersten Regeleinrichtung unter einer (ersten) Grenztemperatur (diese Grenztemperatur kann das Erreichen des Betriebstemperaturbereichs des Verbrennungsmotors definieren und auch als Temperaturbereich definiert sein) liegt, wird dieses über den Wärmetauscher des Kühlkreislaufs und dann direkt zu dem Verbrennungsmotor zurück geführt; d. h. es findet eine Umgehung des Wärmetauschers der Dampfkraftmaschine und des Kühlers des Kühlkreislaufs statt. Dadurch kann die bereits erwähnte schnelle Aufwärmung des Verbrennungsmotors bis zum Erreichen des Betriebstemperaturbereichs erreicht werden.
-
Sobald die Temperatur des Kühlmittels die erste Grenztemperatur erreicht hat, kann vorgesehen sein, das Kühlmittel zusätzlich über den Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine zu führen, um mittels der Dampfkraftmaschine mechanische Energie durch Umwandlung der in dem Kühlmittel enthaltenen Wärmeenergie zu erzeugen. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Kühlmittel bei einer Temperatur, die im Bereich der ersten Regeleinrichtung über der ersten Grenztemperatur und in dem Bereich der zweiten Regeleinrichtung unter einer zweiten Grenztemperatur (diese kann zu der ersten Grenztemperatur identisch und/als Temperaturbereich definiert sein) liegt, unter Umgehung des Kühlers zu dem Verbrennungsmotor zurückgeführt wird. In diesem Betriebszustand ist somit vorgesehen, die für den dauerhaften Betrieb des Verbrennungsmotors erforderliche Kühlung des Kühlmittels ausschließlich in dem Wärmetauscher erfolgen zu lassen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Verbrennungsmotor der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung mit einer niedrigen bis mittleren Last betrieben wird.
-
Liegt dagegen die Temperatur des Kühlmittels im Bereich der zweiten Regeleinrichtung über der zweiten Grenztemperatur, so kann vorgesehen sein, zusätzlich noch den Kühler in den Kühlkreislauf zu integrieren, um eine ausreichende Absenkung der Temperatur des Kühlmittels sicherzustellen, wodurch eine Beschädigung des Verbrennungsmotors ausgeschlossen werden kann. Dies kann insbesondere erforderlich sein, wenn der Verbrennungsmotor mit hohen Lasten betrieben wird.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
-
1: eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung in einer schematischen Darstellung in einem ersten Betriebszustand;
-
2: die Antriebsvorrichtung gemäß 1 in einem zweiten Betriebszustand;
-
3: die Antriebsvorrichtung gemäß 1 und 2 in einem dritten Betriebszustand; und
-
4: ein Schaubild zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Dampfkraftmaschine der Antriebsvorrichtung gemäß den 1 bis 3.
-
In den 1 bis 3 ist eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung in drei verschiedenen Betriebszuständen dargestellt.
-
Die Antriebsvorrichtung umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der als Hubkolben-Verbrennungsmotor beispielhaft mit vier Zylindern 12 dargestellt ist. In den Zylindern 12 werden (nicht dargestellte) Kolben zyklisch zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt bewegt, wobei diese Bewegung über jeweils einen Pleuel (nicht dargestellt) auf eine Kurbelwelle 14 überfragen wird. Der Aufbau und die Funktionsweise derartiger (Hubkolben-)Verbrennungsmotoren 10 sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Der Verbrennungsmotor kann dabei insbesondere nach dem Otto- oder dem Diesel-Prinzip arbeiten und für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
-
In bekannter Weise sind in ein Gehäuse des Verbrennungsmotors 10 Kühlkanäle (nicht dargestellt) integriert, durch die ein Kühlmittel gefördert wird, um Abwärme, die bei der Verbrennung von Kraftstoff in Brennkammern der Zylinder 12 erzeugt wird, abzuführen. Dadurch soll ein Überhitzen des Verbrennungsmotors 10 vermieden werden. Das Kühlmittel wird hierbei in einem Kühlkreislauf gefördert, in den – wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist – ein Kühler 16 für das Kühlmittel integriert ist. In diesem Kühler 16 wird das Kühlmittel bei Bedarf gekühlt. Dies kann bei einer Verwendung der dargestellten Antriebsvorrichtung für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs insbesondere durch einen Wärmetausch mit der Umgebungsluft erfolgen.
-
In den Kühlkreislauf ist weiterhin ein Wärmetauscher 18 integriert, über den zudem die aus den Zylindern 12 nach der Verbrennung austretenden Abgase geleitet werden. Diese Abgase weisen regelmäßig sehr hohe Temperaturen auf, wodurch die Übertragung von einer relativ großen Wärmeenergiemenge auf das Kühlmittel des Kühlkreislaufs erreicht werden kann. Dadurch sollen insbesondere folgende zwei Vorteile realisiert werden:
In einem ersten Betriebszustand der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperatur des Kühlmittels unterhalb einer Grenztemperatur liegt, die als unterer Grenzwert einen Betriebstemperaturbereich des Verbrennungsmotors definiert ist, wird die von dem Abgas auf das Kühlmittel übertragene Wärmeenergie dazu benutzt sein, das Kühlmittel möglichst schnell bis zum Erreichen des Betriebstemperaturbereichs zu erwärmen. Dadurch kann das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors 10 in dem Kaltlaufbetrieb (d. h. bis zum Erreichen des Betriebstemperaturbereichs) positiv beeinflusst werden. Hierzu wird eine erste Regeleinrichtung 20, die als über ein Thermostat gesteuertes, stufenlos verstellbares 3/2-Wegeventil ausgebildet und direkt hinter dem Wärmetauscher 18 in den Kühlkreislauf integriert ist, so geschaltet, dass das (zumindest zu einem Großteil) Kühlmittel direkt (d. h. unter Umgehung des Kühlers 16 sowie eines erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmetauschers 22 einer Dampfkraftmaschine 24) zu dem Verbrennungsmotor 10 zurück geführt. Dieser Kreislauf des Kühlmittels ist in der 1 anhand der mit größerer Strichstärke dargestellten Pfeile verdeutlicht.
-
Sobald der Verbrennungsmotor 10 seinen Betriebstemperaturbereich erreicht hat, was durch das Erreichen und ggf. Überschreiten der von dem Thermostat der ersten Regeleinrichtung 20 gemessenen Grenztemperatur definiert wird, schaltet das 3/2-Wegeventil um, so dass das von dem Wärmetauscher 18 des Kühlkreislaufs kommende, durch die Abwärme des Abgases aufgewärmte Kühlmittel nunmehr über den Wärmetauscher 22 der Dampfkraftmaschine 24 geführt wird. Dieser Wärmetauscher 22 ist Teil eines Verdampfers der Dampfkraftmaschine 24, durch den ein in einem Kreislauf geführtes Arbeitsmittel verdampft und anschließend überhitzt wird (vgl. Zustandsänderung 2 → 3 in dem Diagramm gemäß der 4).
-
Das überhitzte, dampfförmige Arbeitsmittel wird dann in einer Turbine 26 entspannt (Zustandsänderung 3 → 4 in 4), wodurch mechanische Energie erzeugt wird. Diese mechanische Energie kann dann beispielsweise dazu eingesetzt werden, einen Generator (nicht dargestellt) anzutreiben, um elektrische Energie zu erzeugen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die mechanische Energie direkt für den Antrieb des Kraftfahrzeugs (zur Unterstützung des Verbrennungsmotors) oder einzelner Funktionskomponenten (z. B. Klimakompressor, etc.) einzusetzen. Die entsprechende Expansion des Arbeitsmittels ist in dem Diagramm der 4 als Zustandsänderung 3 → 4 dargestellt. Daraufhin wird das entspannte, jedoch noch weitgehend gasförmig vorliegende Arbeitsmittel durch einen (Niedertemperatur-)Kühler 28 geführt, wo dieses abgekühlt wird und dadurch kondensiert (Zustandsänderung 4 → 1 in 4). Alternativ besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, den (Niedertemperatur-)Kühler 28 in den Kühler 16 des Kühlkreislaufes zu integrieren bzw. die Kühlung des Arbeitsmittels in dem Kühler 16 des Kühlkreislaufs erfolgen zu lassen. Über einen Ausgleichsbehälter 30 wird das verflüssigte Arbeitsmittel dann wieder zu dem Verdampfer transportiert, wobei die hierfür notwendige Leistung von einer über einen Elektromotor angetriebenen Speisepumpe 32 bereit gestellt wird (Zustandsänderung 1 → 2 in 4). Der Dampfkreisprozess beginnt daraufhin von Neuem.
-
In dem in der 2 dargestellten zweiten Betriebszustand der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wird das Kühlmittel, nachdem dieses in dem Wärmetauscher 22 der Dampfkraftmaschine 24 abgekühlt wurde, direkt zu dem Verbrennungsmotor 10 zurückgeführt. Dies ist dann möglich, wenn das Kühlmittel nach dem Durchströmen des Verdampfers einer Dampfkraftmaschine 24 bereits eine so niedrige Temperatur aufweist, dass eine ausreichende Kühlung des Verbrennungsmotor 10 erfolgen kann. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der Verbrennungsmotor 10 mit einer geringen bis mittleren Last betrieben wird und daher nur eine entsprechend geringe Abwärme erzeugt. Der entsprechende Kühlmittelkreislauf ist in der 2 wiederum mittels größerer Strichstärke der jeweiligen Pfeile verdeutlicht.
-
Steigt dagegen durch eine erhöhte Last des Verbrennungsmotors die erforderliche Kühlleistung des Kühlkreislaufs über das hinaus, was von dem Verdampfer der Dampfkraftmaschine geleistet wird, kann durch ein Umstellen einer zweiten Regeleinrichtung 34, die ebenfalls ein über ein Thermostat gesteuertes, stufenlos verstellbares 3/2-Wegeventil umfasst, das Kühlmittel, nachdem es den Wärmetauscher 22 der Dampfkraftmaschine 24 durchströmt hat, noch über den Kühler 16 des Kühlkreislaufs geführt werden, wodurch das Kühlmittel auf das erforderliche geringe Temperaturniveau gekühlt werden kann. Der entsprechende Kühlmittelkreislauf ist in der diesen dritten Betriebszustand der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung darstellenden 3 wiederum mittels größerer Strichstärke der jeweiligen Pfeile verdeutlicht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinder
- 14
- Kurbelwelle
- 16
- Kühler des Kühlkreislaufs
- 18
- Wärmetauscher der Kühlkreislaufs
- 20
- erste Regeleinrichtung
- 22
- Wärmetauscher der Dampfkraftmaschine
- 24
- Dampfkraftmaschine
- 26
- Turbine
- 28
- (Niedertemperatur-)Kühler der Dampfkraftmaschine
- 30
- Ausgleichsbehälter
- 32
- Speisepumpe
- 34
- zweite Regeleinrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009024772 A1 [0002, 0002, 0002, 0003, 0004, 0006, 0007, 0010]