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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem geschlossenen Fluidkreislauf
zum Wandeln von der thermischer Energie in mechanische Energie.
Der Fluidkreislauf umfasst einen Kühler zum Kühlen
eines Arbeitsfluids, eine Pumpeinrichtung zum Fördern des
Arbeitsfluids zu einem mit der thermischen Energie beaufschlagbaren
Wärmetauscher und eine stromabwärts des Wärmetauschers
angeordnete Expansionseinrichtung zum Entspannen des Arbeitsfluids.
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Mit
zunehmender Verteuerung von Kraftstoffen werden weitere Aufwendungen
zur Kraftstoffeinsparung auch an Verbrennungskraftmaschinen als sinnvoll
erachtet. Bei der Verbrennungskraftmaschine strömt ein
hoher Wärmeanteil mit dem Abgas über das Auspuffsystem
in ungenutzter Weise in die Umgebung. Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist
daher durch Umsetzung von Wärmeenergie der Verbrennungskraftmaschine
in eine nutzbare Energieform möglich.
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Bei
einem Fahrzeug mit aufgeladenem Dieselmotor sind stromabwärts
der Turbine des Abgasturboladers im Volllastbereich des Motors Abgastemperaturen
häufig über 500°C vorhanden, während
bei einem Fahrzeug mit Ottomotor Abgastemperaturen merklich über
900°C im Bereich der Nennleistung zu finden sind. Es ist
daher bekannt, in einem Nachschaltprozesse, die Abgaswärme
für eine Dampferzeugung in einem geschlossenen Fluidkreislauf
zu verwenden. In dem Fluidkreislauf kann als Expansionseinrichtung
eine Turbine zum Einsatz kommen, in welcher der erzeugte Dampf für
die Energieumwandlung in mechanische Arbeit der Turbine genutzt
wird.
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Die
DE 10 2007 057 164
A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor
und einem geschlossener Fluidkreislauf. In dem Fluidkreislauf wird
Abwärme des Verbrennungsmotors auf ein organisches Arbeitsfluid übertragen.
Die Abwärme des Verbrennungsmotors wird hierbei in einem
Rankine-Kreisprozess in mechanische Energie gewandelt. Hierbei umfasst
der geschlossene Fluidkreislauf einen Kondensator zum Verflüssigen
des organischen Arbeitsfluids und eine Speisepumpe zum Fördern
des verflüssigten Arbeitsfluids zu zwei hintereinander
geschalteten Wärmetauschern. Der erste Wärmetauscher
dient zum Verdampfen des Arbeitsfluids und nutzt Abwärme
aus einem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors, der
zweite Wärmetauscher dient einem Überhitzen des
Arbeitsfluids und nutzt Abwärme des Abgases des Verbrennungsmotors.
An einem Spiralexpander erfolgt ein Entspannen des überhitzten
Arbeitsfluids und hierbei das Umwandeln der Energie des Arbeitsfluids
in mechanische Energie.
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Die
WO 2007/014942 A2 beschreibt
eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei welchem Abwärme
der Verbrennungskraftmaschine in einem Rankine-Kreisprozess zum
Gewinnen von mechanischer Energie genutzt wird. Als Arbeitsfluid
kommt eine Wasser-Ammoniak-Lösung zum Einsatz, welche beim
Betreiben des Fluidkreislaufs an einer Eintrittsseite einer zum
Entspannen des Arbeitsfluids dienenden Turbine einen Eintrittsdruck
von 15 bar aufweist. An der Turbine wird die verdampfte und überhitzte
Wasser-Ammoniak-Lösung auf 2 bar entspannt und anschließend
in einem Kühler gekühlt, von wo aus sie mit einer
Pumpe wieder auf das erhöhte Druckniveau von 15 bar gebracht
wird.
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Die
DE 10 2006 040 857
A1 beschreibt ein Antriebssystem eines Schiffs, wobei Abwärme
eines Dieselmotors des Schiffs in einem geschlossenen Wasser-Dampfkreislauf
an einer Turbine zum Umsetzen in mechanische Energie genutzt wird.
Die mechanische Energie wird in dem Rankine-Kreisprozess in elektrische
Energie umgewandelt und elektrischen Verbrauchern zugeführt.
Da die Turbine des Wasser-Dampfkreislaufs auf einen Druck von 10
bar ausgelegt ist, wird ein Eintrittsdruck an der Turbine auf Werte
zwischen 6 bar und 9,5 bar geregelt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeug der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei welchem der geschlossene Fluidkreislauf besonders
effizient betreibbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen
angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Fahrzeug mit einem geschlossenen
Fluidkreislauf zum Wandeln von thermischer Energie in mechanische
Energie, bei welchem der Fluidkreislauf einen Kühler zum Kühlen
eines Arbeitsfluids, eine Pumpeinrichtung zum Fördern des
Arbeitsfluids zu einem mit der thermischen Energie beaufschlagbaren
Wärmetauscher und eine stromabwärts des Wärmetauschers
angeordnete Expansionseinrichtung zum Entspannen des Arbeitsfluids
umfasst, ist die Pumpeinrichtung in Fahrzeughochrichtung tiefer
angeordnet als der Kühler des Fluidkreislaufs. Aufgrund
der Gravitationswirkung auf das in dem Kühler sich abkühlende
Fluid ist so das Fluid besonders leicht, mit geringem Energieaufwand
und somit effizient von dem Kühler zu der Pumpeinrichtung
förderbar. Dadurch ist der Fluidkreislauf besonders effizient
betreibbar.
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Als
vorteilhaft hat es sich hierbei gezeigt, wenn die Pumpeinrichtung
in der Fahrzeughochrichtung an einem tiefsten Punkt des Fluidkreislaufs
angeordnet ist. Dadurch ist das Ansammeln von kondensiertem Fluid,
beispielsweise von Wasser, an dem tiefsten Punkt des Fluidkreislaufs
unter Verzicht auf einen Einsatz von weiteren Fördereinrichtungen erreichbar.
Um Ansammlungen des Fluids auf dem Weg von dem Kühler zu
dem tiefsten Punkt des Fluidkreislaufs zu vermeiden, sind den Kühler
mit der Pumpeinrichtung verbindende Verbindungsleitungen insbesondere
so gestaltet, dass sie ein Gefälle und/oder eine Beschichtung
aufweisen, welches eine unerwünschte lokale Ansammlung
des Fluids verhindert. Bevorzugt sind auch Fluidleitungen im Bereich des
Kühlers selber so gestaltet, dass eine unerwünschte
lokale Ansammlung des Fluids vermieden ist. Bei einer Anordnung
der Pumpeinrichtung in einem Bodenbereich des Fahrzeugs sind besonders einfach
ausreichende Gefällestrecken der Verbindungsleitungen vorzusehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kühler in
einem Dachbereich des Fahrzeugs angeordnet. Ist zugleich die Pumpeinrichtung
im Bodenbereich des Fahrzeugs angeordnet, so ist das durch die Gravitation
bewirkte Zuführen des Fluids von dem Kühler zu
der Pumpeinrichtung besonders einfach und effizient realisierbar.
Bevorzugt ist der Kühler hierbei in die Karosserie integriert,
so dass für den Kühler ein vergleichsweise großer
Bauraum bereitstellbar ist und der Kühler gleichzeitig
besonders kompakt gestaltet werden kann. Insbesondere bei einer
Fahrzeugkarosserie aus einer Aluminiumlegierung ist das Integrieren
des Kühlers in die Fahrzeugkarosserie vorteilhaft realisierbar.
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Besonders
wenig störend sind die den Kühler mit der Pumpeinrichtung
verbindenden Verbindungsleitungen unterzubringen, wenn sie an Fahrzeugsäulen,
etwa A-Säulen und/oder B-Säulen und/oder C-Säulen
oder dergleichen, angeordnet sind. Bevorzugt sind jedoch die Verbindungsleitungen
platzsparend in die Fahrzeugsäulen integriert. Über
wenigstens eine Fahrzeugsäule ist so das gekühlte
Arbeitsfluid einem Sammelraum zuführbar, aus welchem die
Pumpeinrichtung das Arbeitsfluid zu dem Wärmetauscher fördert.
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Bevorzugt
bildet eine Außenwand des Kühlers eine Außenwand
des Fahrzeugs. Dadurch ist eine Kühlwirkung durch Fahrtluft
realisierbar. Diese Kühlwirkung der Fahrtluft kann unterstützt
werden durch ein profiliertes Ausbilden der Außenwand des Kühlers.
Die Oberflächenstruktur des Kühlers weist aufgrund
hoher Wärmeübergangszahlen einen großen
Wärmeübergangsflächenwert auf.
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Um
einen besonders guten Wärmeentzug aus dem Arbeitsfluid
mittels der Außenluft zu realisieren, kann der Kühler
wenigstens zwei von Außenluft überströmbare
in Fahrzeughochrichtung übereinander angeordnete Kühlereinheiten
umfassen. Durch derartige, insbesondere schichtartig übereinander angeordnete
Kühlereinheiten ist eine besonders große von Außenluft überströmbare
Fläche des Kühlers bereitgestellt. Der Kühler
kann so in seiner Spezifikation besonders gut an die geforderte
abzuführende Wärme in den jeweiligen kritischen
Betriebspunkten des Fluidkreislaufs angepasst werden. Zwischen zwei
schichtartig angeordneten Kühlereinheiten kann die Außenluft
hindurchströmen und so Wärme aus dem Arbeitsfluid
abführen.
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Die
Kühlwirkung des Kühlers ist weiter steigerbar,
wenn der Kühler eine von einem Kühlmedium eines
Kühlkreislaufs durchströmbare Rohrleitung aufweist.
Als Kühlmedium kann hierbei insbesondere eine Kühlflüssigkeit
zum Einsatz kommen. Es können insbesondere die Außenluft
und das flüssige Kühlmedium gemeinsam zum Kühlen
des Arbeitsfluids beitragen. Hierbei kann der Kühler als
Plattenkondensator mit wenigstens zwei plattenförmigen
Kühlereinheiten ausgebildet sein, wobei an den Außenwandungen
der Platten die Luft das Arbeitsfluid kühlt und im Inneren
die Wärmeabfuhr durch das Kühlmedium des Kühlkreislaufs
bewirkt wird. Alternativ kann lediglich das die Rohrleitung durchströmende
Kühlmedium für das Kühlen des Arbeitsfluids
sorgen.
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Um
eine unerwünschte Wärmeabgabe des Kühlers
an einen Fahrgastraum zu verhindern, kann eine dem Fahrgastraum
zugewandte Oberfläche des Kühlers eine thermische
Isolierung aufweisen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können
hierbei Mittel zum Verringern einer thermischen Isolationswirkung
der Isolierung vorgesehen sein. So kann das Abgeben von Wärme
aus dem Arbeitsfluid gezielt zum Heizen des Fahrgastraums eingesetzt
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Expansionseinrichtung des
Fluidkreislaufs mit einem Generator zum Umsetzen der mechanischen
Energie in elektrische Energie gekoppelt. Wenn die Expansionseinrichtung
eine Turbine, insbesondere eine Varioturbine, umfasst, so kann der
Generator auf einer Welle der Turbine angeordnet sein und so besonders
kompakt und bauraumsparend eine hohe Drehzahl des Rotors des Generators
bewirken. Im Gegensatz zu einem über eine Kolbenmaschine
angetriebenen Generator kann durch Verzicht auf ein Zwischengetriebe
so ein sehr hoher Volumengewinn als auch ein sehr hoher Gewichtsgewinn
erreicht werden, was für die Leichtbaubestrebungen bei
der Fahrzeugherstellung vorteilhaft ist.
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Bevorzugt
ist die Expansionseinrichtung in dem Dachbereich des Fahrzeugs angeordnet,
so dass bei Anordnung des Kühlers ebenfalls in dem Dachbereich
eine große räumliche Nähe von Expansionseinrichtung
und Kühler erreichbar ist.
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Die
von dem Wärmetauscher zu der Expansionseinrichtung führenden
Zuleitungen sind bevorzugt thermisch isoliert, um ein möglichst
verlustarmes Nutzen der auf das Arbeitsfluid übertragenen Wärme
zu erreichen.
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Eine
besonders hohe Temperatur des Arbeitsfluids ist erreichbar, wenn
der Wärmetauscher des Fluidkreislaufs mit Abwärme
eines Abgases beaufschlagbar ist. Eine hohe Effizienz des Fluidkreislaufs
ist des Weiteren erreichbar, wenn der Wärmetauscher einen
Verdampfer umfasst, welchem ein Überhitzer zum Überhitzen
des verdampften Arbeitsfluids nachgeschaltet ist.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Fahrzeug eine Strömungsmaschine,
insbesondere einen Abgasturbolader mit einer Turbine, insbesondere
mit einer Varioturbine, aufweist. Dadurch ist die Energie des Abgases
nicht nur zum Erhitzen des Arbeitsfluids nutzbar, sondern auch zum Generieren
von mittels der Strömungsmaschine, insbesondere des Abgasturboladers,
verdichteter Zuluft.
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Weist
das Fahrzeug eine Verbrennungskraftmaschine als Einrichtung zum
Erzeugen von Antriebsenergie auf, so ist die Turbine in einem Abgasstrang der
Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Ergänzend, bevorzugt
jedoch alternativ kann das Fahrzeug einen Brenner aufweisen, in
welchem lediglich die chemische Energie eines Brennstoffs in thermische Energie
umgesetzt wird. Der Brenner dient hierbei nicht zum Generieren von
mechanischer Energie zum Antreiben des Fahrzeugs, sondern lediglich
zum Bereitstellen von Abgas, welches die Turbine antreibt. Da in
dem Brenner keine Umwandlung der thermischen Energie in mechanische
Arbeit erfolgt, ist bei gleichem Brennstoffeinsatz eine größere
Menge an thermischer Energie für den Fluidkreislauf bereitstellbar.
Je nach Anwendungsfall können jedoch auch sowohl der Brenner
als auch die Verbrennungskraftmaschine in dem Fahrzeug zum Einsatz
kommen.
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Wenn
das Fahrzeug mit dem Brenner ausgestattet ist, ist bevorzugt eine
Regelungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher ein stationäres,
insbesondere auf ein stöchiometrisches Verbrennen des Brennstoffs
ausgelegtes Durchströmtwerden des Brenners einstellbar
ist. Wird der Brenner, insbesondere bei konstantem Druck, stationär
durchströmt, so liegen besonders vorteilhafte Bedingungen
vor, die Rohemissionen des Brenners auf einem sehr niedrigen Niveau
zu halten. Besonders geringe Rohemissionen sind hierbei erreichbar,
wenn das Durchströmtwerden des Brenners so eingestellt
ist, dass der Brennstoff stöchiometrisch verbrennt.
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Falls
erforderlich, kann dem Brenner eine Abgasbehandlungseinheit, insbesondere
ein Drei-Wege-Katalysator, nachgeschaltet sein. Der Drei-Wege-Katalysator
ist insbesondere dann vorteilhaft zum Verringern der Emissionen
des Brenners, wenn der Brennstoff stöchiometrisch verbrennt. Durch
die vorliegend beschriebenen Maßnahmen ist ohnehin ein
besonders emissionsarmes Verbrennen des Brennstoffs erreichbar.
Jedoch selbst beim Vorsehen der Abgasbehandlungseinheit kann diese
besonders einfach, betriebssicher und somit kostengünstig
ausgebildet sein.
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Wenn,
wie in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung, ein zum Bevorraten des Brennstoffs ausgebildetes Behältnis
als Gastank ausgebildet ist, also ein Gas als Brennstoff eingesetzt wird,
so sind bereits brennstoffseitig besonders gute Voraussetzungen
gegeben, niedrige Rohemissionen zu erreichen. Dies gilt insbesondere,
wenn als Brennstoff Wasserstoffgas zum Einsatz kommt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in
einem Zuluftstrang des Brenners ein Luftvorwärmer zum Erwärmen
von dem Brenner zuführbarer Zuluft vorgesehen. Dadurch
ist ein besonders geringer Verbrauch des Brenners realisierbar,
da der Brenner zum Bereitstellen einer gegebenen Menge an thermischer
Energie einer geringeren Menge an Brennstoff bedarf als dies ohne
das Vorsehen des Luftvorwärmers der Fall wäre.
Dadurch ist der thermodynamische Wirkungsgrad der Fluidkreislaufs
weiter verbesserbar. Bevorzugt dient das Abgas des Brenners zum
Beaufschlagen des Luftvorwärmers mit thermischer Energie.
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Um
die mechanische Energie der Turbine der Strömungsmaschine,
insbesondere des Abgasturboladers zu nutzen, ist gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Welle der Turbine
mit einem Generator gekoppelt. Durch die hohen möglichen
Drehzahlen der Turbine der Strömungsmaschine ist der Generator
besonders effizient betreibbar und bauraumsparend realisierbar,
insbesondere wenn der Generator auf der Welle der hochdrehenden
Turbine angeordnet ist.
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Als
weiter vorteilhaft hat sich es sich gezeigt, wenn eine Umgehungsleitung
der Turbine der Strömungsmaschine, insbesondere des Abgasturboladers,
vorgesehen ist, mittels welcher eine mit der Expansionseinrichtung
des geschlossenen Fluidkreislaufs gekoppelte weitere Turbine mit
umgeleitetem Abgas beaufschlagbar ist. Bevorzugt ist diese weitere
Turbine auf der Welle angeordnet, welche durch die Expansionseinrichtung
des geschlossenen Fluidkreislaufs angetrieben wird. Insbesondere
wenn diese Welle mit dem Generator gekoppelt ist, kann das umgeleitete
Abgas durch Beaufschlagen der weiteren Turbine zusätzlich
zum Antreiben des Rotors des Generators eingesetzt werden.
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Durch
die Umgehungsleitung der Turbine werden Abblaseströme zur
Leistungsbegrenzung geleitet, etwa wenn eine Turbobremsfunktion
zum Einsatz kommt. Dann ist nämlich die Schluckfähigkeit der
Turbine des Abgasturboladers gezielt verringert. Es kann auch mehr
als eine Turbine mit dem umgeleiteten Abgas beaufschlagbar sein,
so dass je nach zur Verfügung stehendem Abblasestrom unterschiedliche
oder auch stufenweise durchströmbare Anordnungen der weiteren
Turbinen vorgesehen sein können.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Wärmetauscher
in einem Motorraum des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Motorraum des
Fahrzeugs kann hierbei zum Unterbringen der Verbrennungskraftmaschine
und/oder des Brenners ausgebildet sein. Durch das Anordnen des Wärmetauschers
im Motorraum steht das Abgas der Verbrennungskraftmaschine bzw.
des Brenners in großer räumlicher Nähe
und somit in besonders heißem Zustand zum Beaufschlagen
des Arbeitsfluids mit thermischer Energie zur Verfügung.
Insbesondere beim Vorsehen des Brenners zum Generieren von heißem Abgas
steht in dem den Brenner aufnehmenden Motorraum des Fahrzeugs ausreichend
Bauraum zum Anordnen des Wärmetauschers zur Verfügung.
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Ein
besonders emissionsarmes Fahrzeug ist bereitgestellt, wenn das Fahrzeug
wenigstens einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs aufweist. Bevorzugt
ist ein solcher Elektromotor, etwa in Form eines Radnabenmotors,
als alleiniger Antriebsaggregatetyp im Fahrzeug vorgesehen.
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Zur
Verbesserung der Dynamik des Fahrzeugs können selbstverständlich
mehrere Radnabenmotoren vorgesehen sein. Das Fahrzeug kann auch
als Hybridfahrzeug ausgebildet sein und den elektrischen Antriebsmotor
zusätzlich zu der Verbrennungskraftmaschine oder zusätzlich
zu dem Brenner aufweisen. Insbesondere der Brenner kann vorteilhaft
zum Vergrößern einer Reichweite des Fahrzeugs
zum Einsatz kommen, also lediglich bedarfsweise betrieben werden.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Energiespeicher
des Fahrzeugs einen Anschluss zum Anschließen einer externen
Ladestromquelle aufweist. Wenn also ein fahrzeuginternes Generieren
von elektrischer Energie, etwa aufgrund eines Schadens, nicht möglich
ist und so fahrzeugintern keine elektrische Energie in den Energiespeicher
einspeisbar ist, kann für diesen Notfall der Energiespeicher über
die externe Ladestromquelle mit elektrischer Energie beaufschlagt
werden, welche dann zumindest für einen Notfahrbetrieb
des Fahrzeugs zur Verfügung steht.
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Weiter
vorteilhaft ist es, wenn die Expansionseinrichtung einen effektiven
Querschnitt aufweist, welcher mit einem Eintrittsdruck des Arbeitsfluids
von weniger als 5 bar korreliert. Der effektive Querschnitt ist
hierbei ein Kennwert der Expansionseinrichtung, welcher die Durchströmbarkeit
der Expansionseinrichtung durch das Arbeitsfluid beschreibt. Die
tatsächliche Durchströmbarkeit der Expansionseinrichtung
kann im Falle einer Turbine als Expansionseinrichtung von einem
Durchmesser im Übertrittsbereich des strömenden
Mediums auf die Turbinenschaufeln bestimmt sein und/oder von den
Abmessungen eines Leitgitters und/oder von Strömungsquerschnitten
in den Radkanälen zwischen den Turbinenschaufeln. Ist die
Expansionseinrichtung als Kolbenmaschine, als Schraubenmaschine
oder als Spiralexpander ausgebildet, so beschreibt auch hier der
effektive Querschnitt die Durchströmbarkeit der Expansionseinrichtung
in analoger Weise.
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Je
größer der effektive Querschnitt der Expansionseinrichtung
ist, desto geringer ist der Eintrittsdruck an der Expansionseinrichtung,
welcher sich bei einem gegebenem Massenstrom des Arbeitsfluids durch
die Expansionseinrichtung einstellt.
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Aufgrund
des Abwärmeangebots der Verbrennungskraftmaschine und/oder
des Brenners, welches bei dem Fahrzeug naturgemäß begrenzt
ist, ist in dem geschlossenen Fluidkreislauf in der Regel lediglich
ein vergleichsweise geringer Massenstrom des Arbeitsfluids thermodynamisch
sinnvoll verwertbar.
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Um
nun bei diesem gegebenen, geringen Massenstrom des Arbeitsfluids
einen hohen Eintrittsdruck von mehr als 5 bar, beispielsweise eines
Eintrittsdruck von 20 bis 40 bar, zu erhalten ist es aus dem Stand
der Technik bekannt, einen sehr geringen effektiven Querschnitt
der Expansionseinrichtung vorzusehen. Ein solcher geringer effektiver
Querschnitt bringt jedoch sehr hohe Strömungsverluste mit
sich, welche zu einem sehr geringen Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung
führen. Die von der Kreisprozessberechnung als vorteilhaft
erscheinenden hohen Eintrittsdrücke von deutlich mehr als
5 bar, insbesondere von 20 bis 40 bar, des Arbeitsfluids an der
Expansionseinrichtung gehen also mit so extrem geringen effektiven
Querschnitten der Expansionseinrichtung einher, dass diese aufgrund
von Strömungsverlusten keinen zufriedenstellenden Wirkungsgrad
der Expansionseinrichtung ermöglichen.
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Demgegenüber
ist bei der vorliegend beschriebenen Expansionseinrichtung, bei
welcher der dem Arbeitsfluid zur Verfügung stehende effektive Querschnitt
mit einem Eintrittsdruck des Arbeitsfluids von weniger als 5 bar
korreliert, ein hoher Wirkungsgrad erreichbar, da ein entsprechend
vergrößerter Strömungsquerschnitt von
vergleichsweise geringen Strömungsverlusten begleitet ist.
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Sofern
das Abgas der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Brenners als
Wärmequelle für den geschlossenen Fluidkreislauf
dient, kann eingangsseitig der Expansionseinrichtung das Arbeitsfluid
mit einer vergleichsweise hohen Temperatur vorliegen, bei der Nutzung
der Abwärme der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
beispielsweise mit einer Temperatur von rund 300°C. Bei
einer solchen Temperatur des Arbeitsfluids und einem Massenstrom
von beispielsweise 0,02 kg/s des Arbeitsfluids erlaubt es ein Eintrittsdruck
des Arbeitsfluids eingangsseitig der Expansionseinrichtung von weniger
als 5 bar, einen effektiven Querschnitt der Expansionseinrichtung
vorzusehen, welcher mit einem verbesserten Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung
einhergeht.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der effektive Querschnitt mit einem Eintrittsdruck
des Arbeitsfluids von weniger als 2 bar bis weniger als 1 bar, insbesondere
von weniger als 2 bar bis 0,8 bar korreliert. Bei einem derartig
geringen Eintrittsdruck des Arbeitsfluids ist ein besonders zufriedenstellender Wirkungsgrad
der Expansionseinrichtung erreichbar, da ein vergleichsweise großer
effektiver Querschnitt der Expansionseinrichtung vorgesehen werden kann.
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Dies
gilt insbesondere, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung die Expansionseinrichtung dazu ausgelegt
ist, das Arbeitsfluid auf einen Austrittsdruck zu entspannen, welcher
geringer ist als der atmosphärische Druck. Wenn also das
Arbeitsfluid in dem geschlossenen Fluidkreislauf weitgehend einen
Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks aufweist, sind
Wirkungsgrade der Expansionseinrichtung von mehr als 50%, insbesondere
Wirkungsgrade von mehr als 60%, bei besonders günstiger
Auslegung sogar von über 70% erreichbar.
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Bei
den oben beispielhaften Werten des Massenstroms des Arbeitsfluids
von 0,02 kg/s, einer Eintrittstemperatur des Arbeitsfluids an der
Expansionseinrichtung von 300°C bzw. 573 K und einem Eintrittsdruck
des Arbeitsfluids von 1 bar ergibt sich ein Durchsatzparameter ϕ mit ϕ = m√TP–1 von ϕ = 0,478 kg·s–1·K1/2·bar–1,wobei
m = Massenstrom des Arbeitsfluids in [kg/s], T = Temperatur des
Arbeitsfluids in [K] und P = Eintrittsdruck des Arbeitsfluids in
[bar] gilt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher die Expansionseinrichtung,
insbesondere die Turbine, durch einen Durchsatzparameter ϕ charakterisiert,
welcher größer ist als 0,01 kg·s–1·K1/2·bar–1, insbesondere durch einen Durchsatzparameter
von 0,2 bis 1 kg·s–1·K1/2·bar–1.
Ein derartiger, vergleichsweise großer Durchsatzparameter ϕ erlaubt
ein wirkungsgradoptimiertes geometrisches Auslegen der Expansionseinrichtung,
insbesondere der Turbine.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Expansionseinrichtung zum mehrstufigen Entspannen des Arbeitsfluids
ausgelegt. Beispielsweise kann als Expansionseinrichtung eine mehrstufige
Turbine zum Einsatz kommen, beispielsweise in Form von zwei seriell
durchströmbaren Radialturbinen, welche an einer gemeinsamen
Welle festgelegt sind. Eine derartige Expansionseinrichtung ist über
einen breiten Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine und/oder
des Brenners und einem damit einhergehenden breiten Temperaturprofil des
Abgases der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Brenners einsetzbar.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich hierbei gezeigt, wenn der Fluidkreislauf
wenigstens einen Zwischenüberhitzer aufweist, mittels welchem
das an einer ersten Entspannungsstufe der Expansionseinrichtung
entspannte Arbeitsfluid vor einem Beaufschlagen einer zweiten Entspannungsstufe
der Expansionseinrichtung überhitzbar ist. Eine solche
Zwischenüberhitzung erhöht den Wirkungsgrad der
Expansionseinrichtung weiter.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Fluidkreislauf mit einer weiteren Pumpeinrichtung gekoppelt, mittels
welcher stromabwärts der Expansionseinrichtung, insbesondere
im Bereich des Kühlers, ein geringerer Druck als der atmosphärische
Druck einstellbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es
zum Aufrechterhalten eines Unterdrucks stromabwärts der
Expansionseinrichtung auch bei weitgehend druckdichter Auslegung
des Fluidkreislaufs zu Leckagen kommen kann. Solche Leckageverluste
sind durch ein Inbetriebnehmen der weiteren Pumpeinrichtung kompensierbar. Die
weitere Pumpeinrichtung kann insbesondere dann in Betrieb genommen
werden, wenn der Druck stromabwärts der Expansionseinrichtung,
insbesondere der Druck im Bereich des Kühlers, einen Soll-Unterdruck überschreitet.
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Schließlich
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn mittels der weiteren Pumpeinrichtung
ein Druck von weniger als 0,25 bar, insbesondere ein Druck von weniger
0,05 bar, einstellbar ist. Bei einem derartigen Auslegungsdruck,
insbesondere des Kühlers, ist in dem Fluidkreislauf der
Rankine-Kreisprozess mit einem besonders guten Wirkungsgrad zu durchlaufen.
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Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder
in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen
sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen
gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen
versehen sind. Dabei zeigen:
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1 schematisch
Komponenten eines Nutzfahrzeugs mit Verbrennungsmotor und mit einem
geschlossenen Fluidkreislauf, mittels welchem in einem Rankine-Kreisprozess
Abwärme des Abgases in elektrische Energie wandelbar ist;
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2 das
Nutzfahrzeug in einer Außenansicht, wobei die Anordnung
der Komponenten in dem Nutzfahrzeug gemäß 1 schematisch
veranschaulicht ist;
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3 schematisch
Komponenten eines Personenkraftwagens mit einem Brenner zum Antreiben einer
Gasturbine, deren Abgaswärme in einem geschlossenen Rankine-Kreisprozess
zum Erzeugen elektrischer Energie genutzt wird, und
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4 den
Personenkraftwagen in einer Außenansicht, wobei die Anordnung
der Komponenten in dem Personenkraftwagen gemäß 3 schematisch
veranschaulicht ist.
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Von
einem Fahrzeug 10, bei welchem es sich in 1 und 2 um
ein Nutzfahrzeug handelt, ist in 1 ein aufgeladener
Verbrennungsmotor 12 gezeigt. Aus Zylindern 14 ausströmendes
Abgas wird über einen Abgasstrang 16 einem Abgasturbolader 18 zugeführt.
Eine Varioturbine 20 des Abgasturboladers 18 ist über
eine Welle 22 mit einem Verdichter 24 gekoppelt,
mittels welchem der Verbrennungsmotor 12 mit verdichteter
Zuluft beaufschlagt wird. Stromabwärts der Varioturbine 20 ist
in dem Abgasstrang 16 schematisch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 gezeigt.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 kann einen oder
mehrere Katalysatoren und/oder einen Partikelfilter umfassen.
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Thermische
Energie des den Abgasstrang 16 durchströmenden
Abgases wird in einem Wasser-Dampfkreislauf 28 in elektrische
Energie umgesetzt. Hierfür ist in dem Abgasstrang 16 stromabwärts
der Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 ein Wärmetauscher 30 angeordnet,
welcher vorliegenden einen Verdampfer 32 und einen stromabwärts des
Verdampfers 32 angeordneten Überhitzer 34 umfasst.
Ein Arbeitsfluid, beispielsweise Wasser, durchströmt den
Wärmetauscher 30 im Gegenstrom zu dem den Abgasstrang 16 durchströmenden
Abgas.
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Das
verdampfte und überhitzte Arbeitsfluid strömt
in dem Wasser-Dampfkreislauf 28 einer Dampfturbine 36 zu.
Beim Entspannen des überhitzten Wasserdampfs an der Dampfturbine 36 wird
mechanische Energie gewonnen. Vorliegend ist die Dampfturbine 36 als
zweistufige Expansionseinrichtung ausgebildet, welche eine erste
Radialturbine 38 und eine stromabwärts der ersten
Radialturbine 38 angeordnete zweite Radialturbine 40 umfasst.
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Auf
einer den Radialturbinen 38, 40 gemeinsamen Welle 42 ist
ein Generator 44 angeordnet. Mittels des Generators 44 wird
die mechanische Energie der Dampfturbine 36 in elektrische
Energie gewandelt. Über eine Steuereinrichtung 45 wird
die elektrische Energie einem Energiespeicher 46 und/oder
direkt einem Verbraucher 48 zugeführt.
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Der
entspannte Dampf strömt in dem geschlossenen Wasser-Dampfkreislauf 28 einem
Kondensator 50 zu, in welchem der Dampf unter Wärmeabgabe
zu flüssigem Wasser kondensiert. Das kondensierte Wasser
wird mittels einer Speisepumpe 52 auf einen Eintrittsdruck
von lediglich 1 bar bis 2 bar absolut komprimiert und dem Verdampfer 32 zugeführt.
Vorliegend wird mittels der Dampfturbine 36 der überhitzte
Dampf auf einen Druck expandiert, welcher geringer ist als der Umgebungsdruck
und beispielsweise 0,1 bar betragen kann. Dadurch sind die Abmessungen
der Radialturbinen 38, 40 in ihrer Größe
so gestaltbar, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad der Dampfturbine 36 erreichbar
ist. Zum Aufrechterhalten des Unterdrucks in dem Kondensator 50 ist
eine Vakuumpumpe 54 vorgesehen.
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Zum
Ansteuern der Varioturbine 20 und der Speisepumpe 52 ist
vorliegend eine Regelungseinrichtung 56 vorgesehen. In
dieser Regelungseinrichtung 56 werden Informationen über
die Drücke in dem Abgasstrang 16 stromabwärts
des Verbrennungsmotors 12, der Zuluft stromaufwärts
des Verbrennungsmotors 12 und über den Betriebszustand des
Verbrennungsmotors 12 verarbeitet.
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An
weiteren, dem Verbrennungsmotor 12 zugeordneten Komponenten
des Fahrzeugs 10 sind in 1 ein dem
Verdichter 24 vorgeschalteter Luftmassenstrommesser 58,
ein dem Verdichter 24 nachgeschalteter Ladeluftkühler 60 sowie
ein in einer Abgasrückführleitung 62 angeordneter
Abgasrückführungskühler 64 dargestellt.
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2 zeigt
das als Nutzfahrzeug ausgebildete Fahrzeug 10 in dessen
Dachbereich 66 der Kondensator 50 integriert ist.
Der Kondensator 50 ist hierbei so in die Karosserie des
Fahrzeugs 10 integriert, dass eine Außenwand des
Kondensators 50 eine Außenwand des Fahrzeugs 10 bildet.
Der Kondensator 50 ist durch den Kondensator 50 überströmende
Außenluft kühlbar und als Plattenkondensator ausgebildet.
Die Außenluft kann zwischen den schichtartig übereinander
angeordneten Platten des Kondensators 50 hindurchströmen.
Des Weiteren durchzieht den Kondensator 50 eine Rohrleitung 68,
welche von einem Kühlmittel durchströmt wird.
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Ebenfalls
im Dachbereich 66 jedoch in Fahrtrichtung hinter dem Kondensator 50 sind
die Dampfturbine 36 und der Generator 44 angeordnet. Über Fahrzeugsäulen 70 beispielsweise über
die A-Säulen und/oder die B-Säulen des Fahrzeugs 10 wird
das verflüssigte Arbeitsfluid der in einem Bodenbereich 72 des
Fahrzeugs 10 angeordneten Speisepumpe 52 zugeführt.
Das verflüssigte Arbeitsmedium fließt hierbei
aufgrund der Gravitation einem Sammelraum der Speisepumpe 52 zu.
Lokale Flüssigkeitsansammlungen sind aufgrund eines ausreichenden
Gefälles der in die Fahrzeugsäulen 70 integrierten
Verbindungsleitungen, welche von dem Kondensator 50 zu
dem Sammelraum der Speisepumpe 52 führen, vermieden.
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Der
Verbrennungsmotor 12 und dessen Abgasstrang 16 mit
dem Wärmetauscher 30 des Wasser-Dampfkreislaufs 28 ist
in Fahrzeughochrichtung im Wesentlichen unterhalb der Fahrerkabine 74 angeordnet.
Teilbereiche zumindest des Abgasstrangs 16 erstrecken sich
in Fahrzeuglängsrichtung auch in einen hinter der Fahrerkabine 74 angeordneten
Bereich des Fahrzeugs 10.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform des Fahrzeugs 10 ist
dieses als Personenkraftwagen ausgebildet, wobei Komponenten des
Personenkraftwagens in 3 schematisch gezeigt sind.
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Anstelle
des Verbrennungsmotors 12 (vgl. 1) weist
das Fahrzeug 10 der in 3 gezeigten Ausführungsform
einen Brenner 76 auf. Dem Brenner 76 wird in einem
Gastank 78 bevorrateter Brennstoff, beispielsweise Wasserstoffgas,
zugeführt. Die Brennstoffzufuhr wird über ein
Ventil 80 in einer Zuleitung zu dem Brenner 76 geregelt,
wobei das Ventil 80 über eine Regelungseinrichtung 82 ansteuerbar ist.
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In
einen Abgasstrang 16 des Brenners 76 ist analog
zu der in 1 gezeigten Ausführungsform die
Varioturbine 20 des Abgasturboladers 18 eingebunden. Über
den Verdichter 24 des Abgasturboladers 18 ist
der Brenner 76 mit verdichteter Zuluft beaufschlagbar.
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Der
Wasser-Dampfkreislauf 28 des Personenkraftwagens entspricht
im Wesentlichen der mit Bezug auf 1 beschriebenen
Ausführungsform des Fahrzeugs 10, jedoch ist zwischen
der ersten Radialturbine 38 und der zweiten Radialturbine 40, die
gemäß 3 als Varioturbine ausgebildet
ist, ein Zwischenüberhitzer 84 angeordnet. Dadurch
ist mittels der zweistufigen Dampfturbine 36 besonders
viel Energie beim zweimaligen Expandieren des Wasserdampfs zu gewinnen.
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Auch
der Wasser-Dampfkreislauf 28 des Personenkraftwagens wird
weitgehend in einem Druckbereich unterhalb des atmosphärischen
Drucks betrieben, wobei der an der Dampfturbine 36 herrschende
Eintrittsdruck 1 bar bis 2 bar absolut beträgt und auf
einen unter dem atmosphärischen Druck liegenden Druck entspannt
wird.
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Der
Wärmetauscher 30 des Wasser-Dampfkreislaufs 28 umfasst
bei dem Personenkraftwagen zusätzlich einen Luftvorwärmer 86,
mittels welchem die dem Brenner 76 zugeführte,
mittels des Verdichters 24 verdichtete Zuluft vorgewärmt
wird. Der Wärmetauscher 30 ist also als Dreistrom-Kombinationswärmetauscher
ausgebildet, in welchen der Verdampfer 32, der Überhitzer 34 und
der Luftvorwärmer 86 integriert sind. Durch das
Vorwärmen der Zuluft mittels des Luftvorwärmers 86 ist
eine Entlastung des Brenners 76 gegeben, welche sich in
einem besonders geringen Brennstoffverbrauch bemerkbar macht.
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An
dem Energiespeicher 46, welchem die mittels des Generators 44 in
dem Rankine-Kreisprozess des Wasser-Dampfkreislaufs 28 gewonnene elektrische
Energie zugeführt wird, ist ein Anschluss 88 zum
Anschließen einer vorliegend nicht gezeigten externen Ladestromquelle
vorgesehen.
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Als
Verbraucher sind bei dem Personenkraftwagen unter anderem vier Radnabenmotoren
vorgesehen, wobei lediglich ein solcher Elektromotor 90, welcher
zum Antreiben des Fahrzeugs 10 dient, exemplarisch gezeigt
ist.
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Eine
weitere Regelungseinrichtung 92 dient vorliegend dem Ansteuern
der als Varioturbine ausgebildeten zweiten Radialturbine 40 und
einem Regeln der Drehzahl der Speisepumpe 52 je nach dem Wärmeangebot,
welches infolge des Betreibens des Brenners 76 in dem Abgasstrang 16 für
den Wasser-Dampfkreislauf 28 zur Verfügung steht.
Die Regelungseinrichtungen 82, 92 sind vorliegend
zum Austauschen von Informationen untereinander ausgebildet. In
alternativen Ausführungsformen kann eine einzige, gemeinsame
Regelungseinrichtung vorgesehen sein.
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Auf
der Welle 22 des Abgasturboladers 18 ist ein weiterer
Generator 94 angeordnet. Auch die mittels dieses Generators 94 generierte
elektrische Energie ist über die Steuereinrichtung 45 dem
Energiespeicher 46 und/oder dem Elektromotor 90 zuführbar.
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4 zeig
das als Personenkraftwagen ausgebildete Fahrzeug 10 in
einer Außenansicht. Hierbei ist veranschaulicht, dass die
Speisepumpe 52 im Bodenbereich 72 des Fahrzeugs 10 angeordnet
ist. Über die Fahrzeugsäulen 70 wird
das mittels des Kondensators 50 verflüssigte Arbeitsfluid
dem Sammelraum der Speisepumpe 52 zugeführt. Der
im Dachbereich 66 des Personenkraftwagens angeordnete Kondensator 50 ist
in die Karosserie des Fahrzeugs 10 integriert.
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Die
als Gasturbine ausgebildete Turbine 20 des Abgasturboladers 18 ist
ebenso wie der zugehörige Generator 94 in einem
Motorraum 96 des Personenkraftwagens angeordnet. In dem
Personenkraftwagen der Ausführungsform des Fahrzeugs 10 gemäß 4 ist
also ein mobiles Gasturbinen-Dampfturbinen-Kombinationskraftwerk
mit den jeweils zugeordneten Generatoren 94, 44 realisiert.
Bei diesem Kombinationskraftwerk sind in dem isobar durchströmten
Brenner 76 sehr einfach beherrschbare Bedingungen vorhanden,
um eine besonders schadstoffarme Verbrennung zu erreichen.
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Zusammen
mit den hoch drehenden Strömungsmaschinen, nämlich
dem Abgasturbolader 18 und der Dampfturbine 36,
welche mit den jeweiligen Generatoren 94, 44 gekoppelt
sind, und dem Wärmetauscher 30 ergeben sich unter
Ausnutzung der jeweiligen lokalen Bereiche des Fahrzeugs 10 sehr vorteilhaften
Bedingungen für einen Antrieb des Fahrzeugs 10 mit
geringen Emissionen, geringem Verbrauch und geringen Kosten. Hierbei
ist zudem ein geringes Gesamtgewicht des Fahrzeugs 10 realisierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007057164
A1 [0004]
- - WO 2007/014942 A2 [0005]
- - DE 102006040857 A1 [0006]