DE102006044004B3

DE102006044004B3 - Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006044004B3
Application number: DE102006044004A
Authority: DE
Inventors: Thomas Grossner; Christoph Klesse; Christian Taudt; Lorand De Ouvenou
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: EP2004443A1; US20090200865A1; CN101472756A; WO2008034709A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug 1, in der eine Mikroturbine 30; 60; 80 an energieführende Systeme des Kraftfahrzeugs 1, wie beispielsweise das Hochdruck-Einspritzsystem 20, das Hydrauliksystem 70 oder das Druckluftsystem 50, angeschlossen wird, um an die Umgebung abzugebende Energie zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug.
Moderne Kraftfahrzeuge sind mit einem oder einer Mehrzahl von Subsystemen ausgestattet, die den Betrieb des Kraftfahrzeugs sicherstellen, Energie speichern sowie Energie an andere Vorrichtungen des Kraftfahrzeugs weiterleiten. Zu diesen Subsystemen zählt beispielsweise ein Common-Rail-Einspritzsystem, das die Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine gewährleistet, ein Druckluftsystem, das die Versorgung einer Bremse des Kraftfahrzeugs und anderer Vorrichtungen sicherstellt, und ein Hydrauliksystem, mit dem beispielsweise Hubvorrichtungen eines Kraftfahrzeugs bewegbar sind. Die obigen Systeme geben häufig gespeicherte Energie an ihre Umgebung ab, beispielsweise in Form von Wärme oder durch Druckabbau an Drosselstellen, um eine Überbelastung und Beschädigung des jeweiligen Systems zu verhindern.
Diese Energieabgabe oder die systemspezifische Verlustleistung wird im Folgenden am Beispiel des Common-Rail-Systems erläutert. Diese Verlustleistungen werden vor allem durch die Entspannung des auf hohen Druck gebrachten Kraftstoffs verursacht. Sie treten an allen Drosselstellen im Common-Rail-System auf. So verursachen beispielsweise Schalt- und Dauerleckage an den Injektoren des Common-Rail-Systems Drosselverluste. Weitere Drosselverluste treten am Druckregelventil PCV (Pressure Control Valve) auf. Das Common-Rail-System weist zudem einen Rücklauf zum Kraftstofftank auf, über den komprimierter Kraftstoff aus dem Common-Rail-System in den Tank zurückgeführt wird. Die in den Rücklauf zum Tank eingetragene Energie kann trotz eines geschlossenen Regelkreises mit Volumensteuerventil VCV (Volumen Control Valve) sowie Schalt- und Dauerleckage behafteten Injektoren bei einem Systemdruck von 2000 bar bis zu 4 kW betragen.
Durch die Entspannung des Kraftstoffs im Rücklauf bei Umgebungstemperatur wird Wärme freigesetzt, wodurch hohe Kraftstofftemperaturen erreicht werden. Pro 1000 bar Druckentspannung auf Umgebungsdruckniveau wird der Kraftstoff an der Drosselstelle im Common-Rail-System um ca. 40 bis 50 K erwärmt. Für einen Systemdruck im Common-Rail-System von 2000 bar und eine maximale Kraftstoffzulauftemperatur von 80°C bedeutet dies an der Drosselstelle im Rücklauf eine Kraftstofftemperatur von 160 bis 180°C. Die Kraftstoffeigenschaften beginnen sich ab ca. 135°C zu verändern, im Speziellen bei US-Diesel-Kraftstoffen, und können zu einem zusätzlichen Verschleiß bei Kraftstoff führenden Komponenten beitragen.
Um den oben beschriebenen Energieeintrag in den Kraftstoff oder allgemein Drosselverluste zu minimieren, wird bei modernen Common-Rail-Systemen zum einen eine bedarfsgerechte Förderung der Pumpe angestrebt. Diese ist mit Hilfe eines VCV-geschlossenen-Regelkreises für den Raildruck realisierbar. Zum anderen werden leckagereduzierte bis leckagefreie Injektoren eingesetzt. Des Weiteren wird mit Hilfe zusätzlicher Kühler versucht, den Kraftstoff innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs zu halten.
Wie oben am Beispiel des Common-Rail-Systems erläutert worden ist, versucht man bisher die auftretenden Verlustleistungen durch Anpassung des jeweiligen Systems zu minimieren. Da dies nur begrenzt möglich ist, wird immer noch relativ viel Energie an die Umgebung abgegeben, die daher nicht mehr im Kraftfahrzeug nutzbar ist.
DE 79 08 054 U1 beschreibt ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zum Umwandeln der Fahrzeugschwingungen in elektrische Energie. Zu diesem Zweck wird die pendelnd angeordnete Fahrzeugachse mit einem Schwingungswandler verbunden, der die mechanische Energie der Fahrzeugachse in elektrische Energie umwandelt. Dieser Schwingungswandler arbeitet mit Hilfe einer hydraulischen Einrichtung, so dass die durch die Schwingung der Fahrzeugachse erzeugte Strömung einer Hydraulikflüssigkeit mit Hilfe eines Hydraulikmotors und eines Generators in elektrische Energie umwandelbar ist.
DE 699 26 736 T2 beschreibt ein Mikroturbinenstromerzeugungssystem. Dieses umfasst einen elektrischen Generator und eine Turbine, die durch eine einzelne Welle gedreht werden kann. Heiße, sich ausdehnende Gase, die durch die Verbrennung entstehen, werden durch die Turbine ausgedehnt und die resultierende Turbinenkraft, die von der Turbine erzeugt wird, wird zum Antrieb des elektrischen Generators genutzt. Derartige Mikroturbinen werden als unabhängige Stromversorgung, als Not-Sicherheitsstromversorgung oder in Hybrid-Kraftfahrzeugen eingesetzt, um eingeständig elektrische Energie zu erzeugen.
Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der auftretende Verlustleistungen im Kraftfahrzeug nutzbar sind.
Das obige Problem wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Des Weiteren löst das obige Problem ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruch 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, der begleitenden Zeichnung und den anhängenden Ansprüchen hervor.
Die obige erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens eine Mikroturbine mit einer Steuerung, während die mindestens eine Mikroturbine derart mit einem energieführenden System, vorzugsweise ein Hochdruck-Einspritzsystem und/oder ein Hydrauliksystem und/oder ein Druckluftsystem des Kraftfahrzeugs, verbindbar ist, dass die mindestens eine Mikroturbine durch das energieführende System antreibbar ist, um elektrische Energie für Systeme des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Um die gespeicherte Energie von energiespeichernden und/oder energieführenden Systemen im Kraftfahrzeug im Vergleich zum Stand der Technik besser nutzen zu können und um Verlustleistungen dieser Systeme nicht an die Umgebung abgeben zu müssen, setzt die vorliegende Erfindung mindestens eine Mikroturbine ein. Diese Mikroturbinen sind beispielsweise auf Chipgröße miniaturisierte Generatoren, die Energie einer strömenden Flüssigkeit in eine Drehbewegung und dann in elektrische Energie umwandeln. Das Konzept der Mirkoturbinen ist in dem Artikel „Die Liliput-Maschinen" (Technology Review, Dezember 2004, Seite 58 bis 61) beschrieben. Basierend auf der Miniaturisierung bekannter Turbinen- und Generatortechnologien ist es möglich, eine Mikroturbine in bestehende energiespeichernde und energieweiterleitende Systeme von Kraftfahrzeugen zu integrieren. Zu diesen energiespeichernden und energieweiterleitenden Systemen gehören ein Common-Rail-Einspritzsystem, ein Druckluftsystem, ein Hydrauliksystem, ein Kühlsystem oder ein Abgassystem, um Beispiele aus der Kraftfahrzeugtechnik zu nennen. All diese Systeme verfügen über Drosselstellen, Überlast ventile und/oder Bereiche mit einem schnellströmenden Medium, an denen Verlustleistungen entstehen oder Systemenergie zu Antriebszwecken einer Mikroturbine nutzbar ist. Die Drosselstellen zeichnen sich dadurch aus, dass hier relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten des jeweiligen Mediums im System entstehen, die nun mit Hilfe mindestens einer Mikroturbine in elektrische Energie umwandelbar sind.
Bei einer ausreichenden Leistungsfähigkeit einer oder einer Mehrzahl von Mikroturbinen besteht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin, die bekannte Lichtmaschine durch eine oder eine Mehrzahl von Mikroturbinen zu ersetzen. Es ist des Weiteren bevorzugt, die durch die mindestens eine Mikroturbine erzeugte elektrische Energie an einen Akkumulator weiterzuleiten und dort zu speichern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine Mikroturbine über eine Steuerung zu- und abschaltbar, so dass es zu einer Entlastung des Hochdruck-Einspritzsystems und/oder des Hydrauliksystems und/oder des Druckluftsystems führt, wobei die abführbare Energie durch die mindestens eine zugeschaltete Mikroturbine nutzbar ist. Oder aber das Hochdruck-Einspritzsystem und/oder das Hydrauliksystem und/oder das Druckluftsystem sind durch Abschalten der Mikroturbine entlastbar.
Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, das die folgenden Merkmale aufweist: mindestens eine Mikroturbine mit der elektrische Energie erzeugbar ist, ein Subsystem mit dem Energie auf andere Komponenten des Kraftfahrzeugs übertragbar und mit dem die Mikroturbine verbindbar ist, so dass die Mikroturbine durch das Subsystem antreibbar ist, und ein Akkumulator, in dem die durch die Mikroturbine erzeugte elektrische Energie speicherbar ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die vorliegende Erfindung dient der Erzeugung elektrischer Energie im Kraftfahrzeug 1 mit Hilfe von mindestens einer Mikroturbine 30, 60, 80. Mikroturbinen 30, 60, 80 arbeiten nach dem bekannten Generatorprinzip, dem Gasturbinenprinzip oder ähnlich bekannter Verbrennungsmotoren. Diese Mikroturbinen 30, 60, 80 weisen ungefähr eine Größe eines Mikrochips auf, so dass sich ihre Abmessungen im Millimeterbereich bewegen. Aufgrund der geringen geometrischen Abmessungen sind sie mit geringem Aufwand in bereits existierende Systeme, beispielsweise im Kraftfahrzeug, integrierbar. In diesen Systemen nutzen sie Energie oder Verlustenergie der Systeme, um diese in elektrische Energie umzuwandeln. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Mikroturbinen selbst Energie durch Verbrennung von Kraftstoff erzeugen.
Die Mikroturbinen 30, 60, 80 lassen sich in alle energieführenden oder -speichernden Systeme integrieren. Im Kraftfahrzeug 1 sind dies beispielsweise ein Common-Rail-Einspritzsystem 20, ein Druckluftsystem 50, ein Hydrauliksystem 70, ein Kühlsystem, ein Abgassystem und andere. Diese Systeme 20, 50, 70 speichern und/oder führen Energie beispielsweise in Form eines komprimierten und/oder schnellströmenden Mediums oder in Form von Wärme. Dieses komprimierte Medium, beispielsweise Luft, Kraftstoff oder Hydraulikflüssigkeit, wird temporär entspannt, um das System 20, 50, 70 vor Überlastung zu schützen. Durch diese Entspannung des Mediums, die auch aus anderen Gründen erfolgen kann, wird Energie ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Diese Verlustleistung der Systeme 20, 50, 70 wird basierend auf unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Antrieb mindestens einer Mikroturbine 30, 60, 80 genutzt und dadurch minimiert. Die Mikroturbine 30, 60, 80 wandelt die sonst an die Umgebung abgegebene Verlustenergie in elektrische Energie um, die in einem Akkumulator 40 speicherbar ist. Auf dieser Grundlage ist es denkbar, die Lichtmaschine im Kraftfahrzeug 1 einzusparen und die erforderliche elektrische Energie mit Hilfe mindestens einer Mikroturbine 30, 60, 80 zu erzeugen. Diese technische Lösung reduziert einerseits die Kosten für das Kraftfahrzeug und andererseits das Gewicht des Kraftfahrzeugs 1, was wiederum einen positiven Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch desselben hat.
Die Erfindung wird im Weiteren am Beispiel des Common-Rail-Einspritzsystems 20 erläutert. Es wurde bereits oben erwähnt, dass sich der Kraftstoff im Rücklauf zum Tank vom Systemdruck des Common-Rail-Einspritzsystems auf den Druck im Rücklauf entspannt. Auf diese Weise entstehen hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Kraftstoffs im Rücklauf, die bisher in energetischer Hinsicht ungenutzt blieben. Integriert man eine nach dem Generatorprinzip arbeitende Mikroturbine 30 in den Rücklauf, wird diese durch den in den Tank strömenden Kraftstoff angetrieben. Diese Bewegung wird durch die Mikroturbine 30 in elektrische Energie umgewandelt, die in einem Akkumulator 40 speicherbar ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Mikroturbine 30 mit einer Steuerung überwacht. Diese Steuerung schaltet die Mikroturbine 30 zu und ab und leitet die durch die Mikroturbine 30 generierte elektrische Energie an den Akkumulator 40 oder an andere Komponenten im Kraftfahrzeug 1 weiter. Mit Hilfe dieser apparativen Ausgestaltung wird die durch die Druckentspannung freigesetzte Energie im Common-Rail-System nicht in Wärme umgesetzt, sondern zum Antrieb der Mikroturbine 30 genutzt.
Die Wirkungsweise dieser Mikroturbine 30 ist somit wie bei einem Wasserkraftwerk. Durch die Druckentspannung des Kraftstoffs entstehen in einem engen Querschnitt hohe Strömungsge schwindigkeiten desselben. Die Strömungsenergie treibt dann die Mikroturbine 30 an, die zur Stromerzeugung genutzt wird. Auf dieser Grundlage ist es denkbar, dass die Mikroturbine 30 bei ausreichender Leistungsfähigkeit die Lichtmaschine im Kraftfahrzeug 1 ersetzt.
Aufgrund der bereits oben genannten Dimensionen der Mikroturbine 30 kann diese direkt an der Abdrosselstelle des Druckventils PCV eingebaut werden. Es ist ebenfalls denkbar, die Mikroturbine 30 an jeder beliebigen Abdrosselstelle zu platzieren. An dieser Abdrosselstelle muss lediglich eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des Mediums des Systems vorliegen, um die Mikroturbine 30 anzutreiben. Dies ist aber bei Entspannung eines unter hohem Druck stehenden Mediums auf Umgebungsdruck immer der Fall. Daher ist es ebenfalls denkbar, eine Mikroturbine 60 in Verbindung mit einem Druckluftsystem und/oder eine Mikroturbine 80 in Verbindung mit einem Hydrauliksystem 70 im Kraftfahrzeug 1 einzusetzen.
Zur Erzeugung der elektrischen Energie im Kraftfahrzeug sind daher eine oder eine Mehrzahl von Mikroturbinen 30, 60, 80 installierbar. Neben diesen durch die Systeme 20, 50, 70 angetriebenen Mikroturbinen 30, 60, 80 ist es ebenfalls denkbar, Mikroturbinen einzusetzen, die selbst Kraftstoff verbrennen und ähnlich einer Gasturbine oder einer Brennkraftmaschine arbeiten. Derartige Mikroturbinen beanspruchen wenig Platz, weisen ein geringes Gewicht im Vergleich zu einem Akkumulator auf und könnten die Lichtmaschine und/oder den Akkumulator ersetzen oder zumindest zu einer Verkleinerung des Akkumulators 40 führen.
Die Mikroturbinen 30, 60, 80 werden bevorzugt mit Hilfe der bereits oben genannten Steuerung angesteuert, überwacht und/oder zu- und abgeschaltet. Daher ist es gemäß einer Alternative möglich, mindestens eine der Mikroturbinen 30, 60, 80 permanent durch eins der Systeme 20, 50, 70 anzutreiben. Es ist ebenfalls bevorzugt, mindestens eine der Mikroturbinen 30, 60, 80 temporär zu- und abzuschalten, so dass die entsprechende Mikroturbine 30, 60, 80 auch nur temporär durch das entsprechende System 20, 50, 70 angetrieben wird. Wird beispielsweise gezielt Energie aus dem Hochdruck-Einspritzsystem 20 und/oder dem Hydrauliksystem 70 und/oder dem Druckluftsystem 50 abgeführt, um das jeweilige System 20, 50, 70 zu entlasten, kann die entsprechende Mikroturbine gezielt zugeschaltet werden, um die zur Entlastung des Systems abzugebende Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Es ist mit der obigen Anordnung ebenfalls denkbar, eine permanent durch ein System 20, 50, 70 angetriebene Mikroturbine 30, 60, 80 temporär abzuschalten, um auf diese Weise die Belastung des Systems 20, 50, 70 durch die Mikroturbine 30, 60, 80 zu reduzieren.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug (1), die die folgenden Merkmale aufweist: a. mindestens eine Mikroturbine (30; 60; 80) mit einer Steuerung, während b. die mindestens eine Mikroturbine (30; 60; 80) derart mit einem Hochdruck-Einspritzsystem (20) und/oder einem Hydrauliksystem (70) und/oder einem Druckluftsystem (50) des Kraftfahrzeugs (1) verbindbar ist, dass c. die mindestens eine Mikroturbine (30; 60; 80) bei Entlastung des Hochdruck-Einspritzsystems (20) und/oder des Hydrauliksystems (70) und/oder des Druckluftsystems (50) durch das selbige antreibbar ist, um elektrische Energie für Systeme des Kraftfahrzeugs (1) bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die einen Akkumulator (40) aufweist, in dem die durch die Mikroturbine (30; 60; 80) erzeugte elektrische Energie speicherbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit deren Steuerung die Mikroturbine (30; 60; 80) zu- und abschaltbar ist, so dass die zur Entlastung des Hochdruck-Einspritzsystems (20) und/oder des Hydrauliksystems (70) und/oder des Druckluftsystems (50) abführbare Energie durch die Mikroturbine (30, 60, 80) nutzbar ist und/oder das Hochdruck-Einspritzsystem (20) und/oder das Hydrauliksystem (70) und/oder das Druckluftsystem (50) durch Abschalten der Mikroturbine entlastbar sind.
Kraftfahrzeug (1), das die folgenden Merkmale aufweist: a. mindestens eine Mikroturbine (30; 60; 80), mit der elektrische Energie erzeugbar ist, b. ein energieführendes System (20; 50; 70), mit dem Energie auf andere Komponenten des Kraftfahrzeugs (1) übertragbar und mit dem die Mikroturbine (30; 60; 80) verbindbar ist, so dass die Mikroturbine bei Entlastung des Hochdruck-Einspritzsystems (20) und/oder des Hydrauliksystems (70) und/oder des Druckluftsystems (50) durch das selbige antreibbar ist, und c. einen Akkumulator (40), in dem die durch die Mikroturbine erzeugte elektrische Energie speicherbar ist.
Kraftfahrzeug (1) gemäß Anspruch 4, das keine Lichtmaschine umfasst.
Kraftfahrzeug (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, dessen mindestens eine Mikroturbine (30; 60; 80) durch Kraftstoff antreibbar ist.
Kraftfahrzeug (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, dessen energieführendes System ein Hochdruck-Einspritzsystem (20) und/oder ein Hydrauliksystem (70) und/oder ein Druckluftsystem (50) des Kraftfahrzeugs (1) ist.
Kraftfahrzeug (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, dessen mindestens eine Mikroturbine (30; 60; 80) an das Hochdruck-Einspritzsystem (20) und/oder das Hydrauliksystem (70) und/oder das Druckluftsystem (50) derart ankoppelbar ist, dass zur Entlastung des Systems (20; 50; 70) abgegebene Energie durch die Mikroturbine (30; 60; 80) in elektrische Energie umwandelbar ist.