Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem thermische Energie des Abgasstromes zusätzlich genutzt wird, sowie eine Brennkraftmaschine mit Anlagenteilen zur Anwendung des Verfahrens.

In einer Brennkraftmaschine wird nur ein relativ geringer Anteil der im eingesetzten Brennstoff chemisch gebundenen Energie in mechanische Leistung umgesetzt, während ein vergleichsweise großer Anteil über die Abgaswärmeströme und die Kühlwasserwärmeströme der Brennkraftmaschine ungenutzt in die Umgebung abgegeben werden. Soweit Brennkraftmaschinen für den Einsatz in Fahrzeugen betrachtet werden, ist der Anteil der für den Fahrzeugantrieb genutzten mechanischen Energie im Verhältnis zur eingesetzten chemisch gebundenen Energie des Brennstoffes nochmals geringer, wenn auch die Strahlungswärme- Verluste, die Motorreibungsverluste und die Getriebeverluste vergleichsweise gering sind.

Mit der zunehmenden Verknappung und Verteuerung fossiler Brennstoffe wird die Steigerung des Gesamtwirkungsgrades von Brennkraftmaschinen unter Ein- beziehung der Nutzung der Abgasenergie immer wichtiger.

In der Veröffentlichung "Möglichkeiten der Abwärmenutzung bei Kraftfahrzeugen", Michael Hoetger, Jörg Collisi; 11. Tagung "Der Arbeitsprozeß des Verbrennungsmotors" 20/21. September 2007, ist beschrieben, wie die Abgaswärme ei- ner Brennkraftmaschine mittels eines geschlossenen Kaiinaprozesses genutzt werden kann, wobei in einem Abgas-Dampf-Wärmeübertrager, der im Abgas- sträng hinter der Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, das Gas des 2- Stoff-Gemisches des Kaiinaprozesses überhitzt wird und die Gasenergie in einem Expander in mechnische Energie umgesetzt wird.

Die hiermit beschriebene Anlage nutzt die verfügbare Abgaswärme mittels einer komplexen Mechanik. Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nutzung der Abgasenergie einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine zusätzliche Nutzung der Abgaswärme mit vereinfachten Mit- teln zulassen.

Die Lösung hierfür besteht in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine unter Nutzung von thermischer Abgasenergie, bei welchem Wärme aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine auf die Lösung einer Absorptionskäl- temaschine unter Austreiben des Kältemittels aus dem Lösungsmittel übertragen wird. Eine Absorptionskältemaschine ist eine Kältemaschine, bei der im Gegensatz zur Kompressionskältemaschine die Verdichtung durch eine temperaturbe- einflusste Lösung des Kältemittels erfolgt. Man bezeichnet dies auch als thermischen Verdichter. Das Kältemittel wird in einem Lösungsmittelkreislauf bei gerin- ger Temperatur in einem zweiten Stoff absorbiert und bei höheren Temperaturen desorbiert. Bei dem Prozess wird die Temperaturabhängigkeit der physikalischen Löslichkeit zweier Stoffe genutzt. Voraussetzung für den Prozess ist, dass die beiden Stoffe in dem verwendeten Temperaturintervall in jedem Verhältnis ineinander löslich sind. In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß die Wärme zum Austreiben des Kältemittels aus dem Lösungsmittel dem Abgas vor dem Eintritt in Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung entzogen wird .

Um auf einem hohen Temperaturniveau arbeiten zu können, soll dem Abgasstrom die Wärme zum Austreiben des Kältemittels vor den Einrichtungen zur Ab- gasnachbehandlung, insbesondere vor der Turbine eines Abgasturboladers entzogen werden, d.h. der Austreiber bzw. der Separator der Absorptionskältemaschine muß sehr motornah, beispielsweise im Abgaskrümmer integriert angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, daß bei Vollast eine Kühlung des Abgasstromes und somit ein Bauteilschutz der Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung (Katalysatoren) und gegebenenfalls der Turbine des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine erfolgt. Allerdings ist im Falle der Beschleunigung aus Teillast oder in ähnlichen Betriebszuständen, bei niedriger Last, im Leerlauf und bei Schubbe- trieb ein Wärmeentzug aus dem Abgas nicht zulässig, damit der Antrieb und die Beschleunigung des Abgasturboladers nicht beeinträchtigt wird. Das heißt, der Durchfluß der Lösung durch den Austreiber muß phasenweise unterbrochen werden. Entsprechende Steuerungsmittel sind im Lösungskreislauf der Absorptionskältemaschine vorzusehen. Hierdurch bleibt in Bedarfsfall ausreichend Ener- gie für den Antrieb des Abgasturboladers und damit für den ungestörten Betrieb der Brennkraftmaschine verfügbar.

Um die ordnungsgemäß Funktion der Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung (Katalysatoren) sicherzustellen, kann allgemein vorgesehen werden, daß dem Abgasstrom nur bei einer Abgastemperatur von über 800 ⁰ C Wärme entzogen und auf die Lösung der Absorptionskältemaschine übertragen wird, während der Absorptionskälteprozess unterhalb dieser Abgastemperatur ausgesetzt bzw. unterbrochen wird. Bei höheren Abgastemperaturen setzt durch den Wärmeentzug aus dem Abgas der bereits angesprochene Bauteilschutz für die Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung und gegebenenfalls für die Turbine des Abgasturboladers ein.

Bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung kann in günstiger Verfahrensführung zusätzlich Abgaswärme in einem Wärmetauscher in der Abgasrück- führung, der dem Austreiber im Lösungskreislauf vorgeschaltet ist, ergänzend zur Vorwärmung der Lösung genutzt werden.

Nach einer weiteren besonderen Verfahrensführung ist vorgesehen, daß dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine zusätzlich Wärme in einem weiteren Wär- metauscher hinter den Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung und gegebenenfalls hinter der Turbine eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine entzogen und dem Lösungskreislauf zur Vorwärmung der Lösung zugeführt wird. Die beiden letztgenannten Verfahrensergänzungen können jeweils einzeln oder beide gemeinsam in Kombination zur Vorwärmung der Lösung vor der Phasentrennung im motornahen Austreiber zur Anwendung kommen.

Wenn nach einer bevorzugten Ausführung eine Lösung verwendet wird, aus dem verschiedene Kältemittel bei verschiedenen Temperaturen austreibbar sind, können die genannten weiteren Wärmetauscher auch als weitere Austreiber für die verschiendenen Kältemittel verwendet werden.

Andererseits können durch geeignete Steuerungsmittel und Bypassleitungen auch in Abhängigkeit von der Abgastemperatur jeweils einzelne der Austreiber wahlweise beaufschlagt oder umgangen werden. Hiermit kann auch bei einer Lösung mit nur einem Kältemittel der Betrieb der Kältemaschine in einem weiteren Temperaturbereich des Abgases der Brennkraftmaschine sichergestellt wer- den, in dem bei Änderung der Abgastemperatur hinter der Brennkraftmaschine der Ort der Phasentrennung bezogen auf den Abgasstrang der Brennkraftmaschine verändert wird.

Dem oder den Austreibern ist im Kältemittelzweig der Absorptionskältemaschine ein Kondensator nachgeschaltet, der z.B. mit Kühlluft fremdgekühlt sein kann. Zur Kühlung des Kondensators kann auch das Kühlwasser der Brennkraftmaschine verwendet werden. Im Anschluß daran folgt eine Drossel und ein Verdampfer, in dem das Kältemittel wieder Wärme aufnimmt. In bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, den Verdampfer der Absorptionskältemaschine im Luftansaugstrang der Brennkraftmaschine als zusätzlichen Ladeluftkühler zu integrieren. Nach dem Verdampfer werden in einem Absorber der Kältemittelzweig und der Lösungskreislauf unter Lösung des Kältemittels im Lösungsmittel wieder zusammengeführt.

Die Lösungspumpe des Absorptionsprozesses kann elektrisch angetrieben werden oder mechanisch direkt von der Brennkraftmaschine. Die Erfindung, die zuvor unter den Gesichtspunkten der Verfahrensführung beschrieben worden ist, schließt eine Brennkraftmaschine mit Mitteln zur Nutzung von thermischer Abgasenergie ein, bei der in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine ein primärer Austreiber eingesetzt ist, der Teil einer Absorptionskältemaschine ist, die eine vor dem Austreiber liegende Lösungspumpe, einen dem Austreiber nachge- ordneten Kondensator, eine dem Kondensator nachgeordnete Drossel und einen dieser nachgeordneten Verdampfer umfaßt, von dem aus das Kältemittel schließlich zum Absorber gelangt, in dem der Kältemittelzweig in den Lösungskreislauf zurückgeführt wird.

Besondere Ausgestaltungen dieser Brennkraftmaschine mit Absorptionskältemaschine, die insbesondere in der Anordnung von verschiedenen Wärmetauschern in den Leitungssträngen der Brennkraftmaschine sowie im Lösungsmittelkreislauf der Kältemaschine liegen, sind in Unteransprüchen beschrieben, auf die hier Be- zug genommen wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit integrierter Absorptionskältemaschinenanlage sind in den Zeichnung dargestellt.

Figur 1 zeigt ein Anlagenschema im Grundaufbau mit einem vor den Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung ein vor der Turbine eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine angeordnetem Austreiber der integrierten Absorptionskältemaschine.

Figur 2 zeigt ein Anlagenschema ähnlich Figur 1 mit drei im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Austreibern der integrierten Absorptionskältemaschine und zusätzlichen Steuerungsmitteln.

In Figur 1 ist ein Anlagenschema dargestellt, das eine vierzylindrige Brennkraftmaschine 11 mit einem Luftansaugstrang 12 und einem Abgasstrang 13 erkennen läßt. Es handelt sich um eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader 14, dessen Verdichter 15 im Luftansaugstrang 12 der Brenn- kraftmaschine 11 liegt und dessen Turbine 16 im Abgasstrang 13 der Brennkraftmaschine liegt. Verdichter 15 und Turbine 16 des Abgasturbolader 14 sind über eine Welle 18 mechanisch miteinander gekoppelt.

Es ist weiterhin eine darin integrierte Absorptionskältemaschine 21 dargestellt, deren Arbeitsmedium eine Lösung (2-Stoff-Gemisch) ist und die einen Lösungsmittelkreis 30 und einen Kältemittelzweig 25 umfaßt. Der Lösungsmittelkreislauf 30 einer Lösungspumpe 22 über einen tertiären Wärmetauscher 26, der im Abgasstrang 13 der Brennkraftmaschine 11 hinter der Turbine 16 des Abgasturbo- laders 14 liegt, über einen sekundären Wärmetauscher 27, der im Abgasrück- führstrang 20 vom Abgasstrang 13 zum Luftansaugstrang 12 liegt, zu einem Austreiber/Separator 28 , der vom Abgasstrang 13 durchströmt wird und in dem Kältemittel, das in einem Kältemittelzweig weitergeführt wird, aus dem Lösungsmittel ausgetrieben wird, welches in einem Lösungsmittelkreislauf 30 weitergeführt wird. Während der Austreiber 28 notwendiger Bestandteil der Absorptionskälteanlage ist, sind der sekundäre Wärmetauscher 27 und der tertiäre Wärmetauscher 26 als Ergänzungsmöglichkeiten zu verstehen, die einzeln oder in Kombination zur Anwendung kommen können.

An den Austreiber 28 schließt sich im Lösungsmittelkreislauf 25 ein Kondensator 23 an, auf den eine Drossel 31 folgt. Das kondensierte Kältemittel wird in einem Verdampfer 24 verdampft, der im Abgasstrang 12 der Brennkraftmaschine 11 liegt und die Funktion eines weiteren Ladeluftkühlers hinter dem ersten Ladeluftkühler 17 hat. Das wieder verdampfte Kältemittel fließt schließlich dem Absorber 29 zu, wo der Kältemittelzweig 25 wieder mit dem Lösungsmittelkreislauf 30 vereinigt wird. Der Abschnitt des Lösungsmittelkreislaufes 30 zwischen dem Austreiber 28 und dem Absorber 29 enthält ebenfalls eine Drossel 32. Auf den Absorber 29 folgt im Lösungsmittelkreislauf 30 die bereits genannte Lösungspumpe 22.

In Figur 2 ist ein Anlagenschema dargestellt, das dem in Figur 1 dargestellten weitgehend entspricht und alle dort gezeigten Baugruppen und Komponenten umfaßt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, so daß auf die vorangehende Beschreibung Bezug genommen werden kann. Zusätzlich zum Austreiber 28 im Bereich des Abgassammlers der Brennkraftmaschine 11 ist ein weiterer Austreiber 27', der anstelle eines reinen Wärmetauschers im Abgasrückführstrang 20 vom Abgasstrang 13 zum Luftansaugstrang 12 liegt, vorgesehen. Dieser ist im Lösungskreislauf über eine Leitung 34 mit dem Eingang des Au- streibers 28 und über einen Bypass 35 unter Umgehung des Austreibers 28 mit dem Lösungskreislauf 25 verbindbar. Das Umsteuern zwischen diesen beiden Führungen (34, 35) erfolgt mittels eines 2/2-Wegeventils 36. Der Austreiber 27' ist weiterhin bezüglich der Kältemittelphase über eine Stichleitung 37 mit dem Kältemittelzweig 30 verbunden, wobei in der Stichleitung ein Sperrventil 38 angeordnet ist. Dieses kann geschlossen werden, wenn der Austreiber 27' nur als Wärmetauscher in Vorwärmfunktion für die Lösung dient.

Der Austreiber 27' ist für eine Kältemittelphase vorgesehen, die auf geringerem Temperaturniveau ausgast, als die Kältemittelphase, die im Austreiber 28 ausgasen soll, oder für den alleinigen Betrieb in einem Abgastemperaturbereich der Brennkraftmaschine, bei dem das Temperaturniveau im Austreiber 28 zu hoch ist. Eine Rücklaufleitung 44 vom Austreiber 28 zum Lösungskreis 30 ist mittels eines Sperrventils 45 absperrbar.

In weiterer Ergänzung zum Austreiber 27' im Abgasrückführstrang 20 der Brennkraftmaschine 11 ist ein weiterer Austreiber 26', der anstelle eines reinen Wärmetauschers im Abgasstrang 13 hinter den Einrichtungen 19 Abgasnachbehandlung liegt, vorgesehen. Dieser ist im Lösungskreislauf über eine Leitung 39 mit dem Eingang des Austreibers 27' und über einen Bypass 40 unter Umgehung der Austreiber 27', 28 mit dem Lösungskreislauf 25 verbindbar. Das Umsteuern zwischen diesen beiden Führungen (39, 40) erfolgt mittels eines 2/2-Wegeventils 41. Der Austreiber 26' ist weiterhin bezüglich der Kältemittelphase über eine Stichleitung 42 mit dem Kältemittelzweig 30 verbunden, wobei in der Stichleitung ein Sperrventil 43 angeordnet ist. Dieses kann geschlossen werden, wenn der Austreiber 26' nur als Wärmetauscher in Vorwärmfunktion für die Lösung dient.

Der Austreiber 26' ist für eine Kältemittelphase vorgesehen, die auf geringem Temperaturniveau ausgast, als die Kältemittelphase, die im Austreiber 27' ausgasen soll, oder für den alleinigen Betrieb in einem Abgastemperaturbereich der Brennkraftmaschine, bei dem das Temperaturniveau in den Austreibern 28 und 27' zu hoch ist.

Der Betrieb mit drei Austreibern gleichzeitig bedingt eine Lösung, die drei bei ver- schiedenen Temperaturen ausgasende Kältemittel aufweist.

Bezugszeichenliste

11 Brennkraftmaschine

12 Luftansaugstrang

13 Abgasstrang

14 Abgasturbolader

15 Verdichter

16 Turbine

17 Ladeluftkühler

18 Welle

19 Katalysator 0 Abgasrückführleitung 1 Absorptionskältemaschine 2 Lösungspumpe 3 Kondensator 4 Verdampfer 5 Lösungskreislauf 6 Austreiber/ Wärmetauscher tertiär 7 Austreiber/ Wärmetauscher sekundär 8 Austreiber 9 Absorber 0 Kältemittelzweig 1 Drossel 2 Drossel 3 Sperrventil 4 Leitung 5 Bypass 6 Wegeventil 7 Stichleitung Sperrventil

Leitung

Bypass

Wegeventil

Stichleitung

Sperrventil

Leitung

Sperrventil