DE102012004600A1

DE102012004600A1 - Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012004600A1
Application number: DE102012004600A
Authority: DE
Inventors: Frank Volodymyr; Manuel Jung; Christoph Junker; Eugen Krebs; Alexander Kropp; Thomas Streule
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-12
Also published as: US20150075163A1; JP2015510081A; WO2013131642A1; JP6275656B2; US9567941B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug,
– mit einem Abwärmenutzungskreis (3), in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert,
– mit einer im Abwärmenutzungskreis (3) angeordneten Fördereinrichtung (5) zum Antreiben des Arbeitsmittels,
– mit einem im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Fördereinrichtung (5) angeordneten Verdampfer (6) zum Verdampfen des Arbeitsmittels,
– mit einer im Abwärmenutzungskreis (3) stromab des Verdampfers (6) angeordneten Expansionsmaschine (7) zum Entspannen des Arbeitsmittels,
– mit einem im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Expansionsmaschine (7) angeordneten Kondensator (8) zum Kondensieren des Arbeitsmittels,
– mit einem elektrischen Generator (13), der mit einer Nebenabtriebswelle (4) einer Brennkraftmaschine (2) des Kraftfahrzeugs direkt oder indirekt antriebsverbunden ist,
– wobei die Expansionsmaschine (7) zur Energierückführung direkt mit der Nebenabtriebswelle (4) der Brennkraftmaschine (2) antriebsverbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Abwärmenutzungsvorrichtung sowie ein Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Abwärmenutzungsvorrichtung.
Eine herkömmliche Abwärmenutzungseinrichtung, die vorzugsweise nach dem Rankine-Kreisprozess bzw. nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess arbeitet, umfasst üblicherweise einen Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreis sind in der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels hintereinander eine Fördereinrichtung zum Antreiben des Arbeitsmittels, ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine Expansionsmaschine zum Entspannen des Arbeitsmittels, und ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmittels angeordnet.
Die DE 24 00 760 beschreibt ein Kraftfahrzeug, welches alternativ oder simultan von einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor angetrieben werden kann.
Die US 4,405,029 offenbart ein Hybridfahrzeug, welches eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor umfasst. Der Elektromotor kann mittels einer Abwärmenutzungseinrichtung betrieben werden. Der Elektromotor kann dabei sowohl zum Antreiben eines Getriebes als auch zum Aufladen einer Batterie eingesetzt werden. Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie wiederum kann bei Bedarf zum Antreiben des Elektromotors verwendet werden.
Die EP 1 249 585 A1 offenbart einen Wärmetauscher einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine. Der Wärmetauscher kann als Abwärmenutzungsvorrichtung ausgebildet sein, die in einem Kraftfahrzeug angebracht ist. Die Abwärmenutzungsvorrichtung wiederum umfasst einen Verdampfer, der Dampf mit einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck erzeugt, wobei als Wärmequelle Abwärme, beispielsweise ein Abgas einer Brennkraftmaschine, verwendet wird. Mittels einer Expansionsmaschine wird durch Expansion des Hochdruck-Dampfes eine Drehwelle angetrieben, und mittels eines Kondensators wird der Dampf wieder kondensiert. Mittels der Expansionsvorrichtung kann über eine mechanische Kopplung sowohl eine Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine als auch ein elektrischer Generator angetrieben werden, der beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, elektrisch aufladen kann.
Die EP 1 326 017 A1 beschreibt ein Rankine-Kreislauf-System zum Nutzen einer Abwärme eines Abgases eines Hybridfahrzeugs. Das System umfasst eine Brennkraftmaschine als Antriebsquelle für das Kraftfahrzeug und einen Elektro-Generator-Motor. Ein Ausgabe-Drehmoment des Systems wird einem Getriebe zugeführt und dafür verwendet, eine zusätzliche Antriebskraft für einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs bereitzustellen oder eine aufladbare Batterie elektrisch aufzuladen. Während einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs wird Wärmeenergie des Abgases durch das Systems verwertet und während eines Abbremsens des Kraftfahrzeugs wird die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs umgewandelt, um eine regenerative elektrische Leistung für den Elektro-Generator-Motor bereitzustellen, so dass der Kraftstoffverbrauch in der Brennkraftmaschine reduziert werden kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Abwärmenutzungsvorrichtung und für ein eine solche Abwärmenutzungsvorrichtung verwendendes Kraftfahrzeug bereitzustellen. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Betriebsverfahren für ein solches Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsvorrichtung umfasst einen Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert. Die Abwärmenutzungsvorrichtung umfasst eine im Abwärmenutzungskreis angeordnete Fördereinrichtung zum Antreiben des Arbeitsmittels und einen im Abwärmenutzungskreis stromab der Fördereinrichtung angeordneten Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels. Des Weiteren umfasst die Abwärmenutzungsvorrichtung eine im Abwärmenutzungskreis stromab des Verdampfers angeordnete Expansionsmaschine zum Entspannen des Arbeitsmittels und einen stromab der Expansionsmaschine im Abwärmenutzungskreis angeordneten Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmittels.
Die Expansionsmaschine ist nun zur Energierückführung direkt mit einer Nebenabtriebswelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. Auf diese Weise kann eine Ausgangs-Antriebsleistung der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs unterstützt werden. Zudem ist durch die Bereitstellung eines elektrischen Generators, der mit der Nebenabtriebswelle direkt oder indirekt antriebsverbunden ist, neben der bereits genannten Energierückführung auf direktem Wege zusätzlich auch die Erzeugung von elektrischer Energie möglich. Die derart erzeugte elektrische Energie kann insbesondere zum Antreiben eines Elektromotors verwendet werden, mittels welchem wiederum eine Hauptabtriebswelle der Brennkraftmaschine unterstützend angetrieben werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch vorstellbar, dass die erzeugte elektrische Energie in einem geeigneten Energiespeicher, beispielsweise einer aufladbaren Batterie, zwischengespeichert wird. Mittels der in einer solchen Batterie zwischengespeicherten elektrischen Energie kann dann ein auf einer Hauptabtriebswelle der Brennkraftmaschine angeordneter Elektromotor angetrieben werden, oder, wenn der elektrische Generator als sog. Generator-Motor ausgebildet ist, der elektrische Generator zum Betrieb als Elektromotor mittels der in dem Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie angetrieben werden, um ebenfalls über die Nebenabtriebswelle die Antriebsleistung der Brennkraftmaschine zu unterstützen. Mittels einer wie oben beschrieben erfindungsgemäß ausgebildeten Abwärmenutzungsvorrichtung lässt sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine signifikant erhöhen.
In einer Ausführungsform kann die Expansionsmaschine einen Rotor und ein drehfest mit dem Rotor verbundenes und durch die beim Entspannen des Arbeitsmittels freiwerdende Energie antreibbares Turbinenrad aufweisen, wobei die Nebenabtriebswelle der Brennkraftmaschine der Rotor der Expansionsmaschine ist. Unter ”direkter Antriebsverbindung” ist also erfindungsgemäß zu verstehen, dass die Expansionsmaschine direkt auf der Nebenabtriebswelle der Brennkraftmaschine angeordnet ist, so dass die Nebenabtriebswelle gleichzeitig als Rotor der Expansionsmaschine fungiert. Auf diese Weise ist ein gleichermaßen platzsparender wie technisch einfacher und damit kostengünstiger Aufbau der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsvorrrichtung möglich.
In einer weiterbildenden Ausführungsform kann der elektrische Generator auf der Nebenabtriebswelle angeordnet sein. Dann sind Expansionsmaschine und elektrischer Generator beide auf der Nebenabtriebswelle der Brennkraftmaschine platziert, wodurch sich der Platzbedarf für die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsvorrichtung weiter reduzieren lässt.
Alternativ kann aber auch daran gedacht sein, den elektrischen Generator auf einer mit der Nebenabtriebswelle in Wirkverbindung stehenden separaten Generatorwelle anzuordnen. Auf diese Weise lässt dich der elektrische Generator räumlich beabstandet von der Expansionsmaschine anordnen, wenn dies beispielsweise aus technischen Gründen erforderlich sein sollte.
Vorzugsweise ist die Nebenabtriebswelle dann mittels eines Radtriebes, insbesondere eines Riementriebes oder Kettentriebes oder Zahnradtriebes, mit der Generatorwelle in antriebsverbunden. Auf diese Weise lässt sich ein Drehmoment der Nebenabtriebswelle auf technisch einfache Weise und zudem platzsparend auf die räumlich beabstandet von der Nebenabtriebswelle angeordnete Generatorwelle des elektrischen Generators übertragen. Der Radtrieb kann auch eine Getriebeeinheit umfassen, mittels derer ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis zwischen einer Generatorwelle des elektrischen Generators und der Abtriebswelle realisiert werden kann. Auch diese Ausführungsform ermöglicht eine gleichermaßen flexible wie kompakte Bauweise der Abwärmenutzungsvorrichtung.
In einer besonders kompakten und damit platzsparenden Ausführungsform kann die Nebenabtriebswelle koaxial durch die Expansionsmaschine hindurchgeführt sein, derart, dass der elektrische Generator bzw. der Radtrieb auf einer der Brennkraftmaschine abgewandten Seite der Expansionsmaschine angeordnet ist. Alternativ kann die Nebenabtriebswelle auch koaxial durch den elektrischen Generator bzw. den Radtrieb durchgeführt sein, so dass der elektrische Generator bzw. der Radtrieb auf einer der Brennkraftmaschine zugewandten Seite der Expansionsmaschine auf der Nebenabtriebswelle angeordnet ist.
Um die von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie zur Leistungssteigerung dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs wieder zuführen zu können, kann die Abwärmenutzungsvorrichtung ferner einen Elektromotor umfassen, welcher durch den elektrischen Generator antreibbar ist. Hierzu kann der Elektromotors mit einer Hauptabtriebswelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden sein.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiterbildenden Ausführungsform der elektrische Generator selbst als sog. Generator-Motor ausgebildet sein, so dass er in einem Schubbetriebszustand des Kraftfahrzeugs als elektrischer Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie wirken und in einem Antriebsbetriebszustand des Kraftfahrzeugs als Elektromotor zum Antreiben der Nebenabtriebswelle des Kraftfahrzeugs wirken kann. in dem Antriebsbetriebszustand kann also in der Art eines sog. ”Boosters” dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zusätzliche Antriebsleistung über die Hauptabtriebswelle (mittels eines separaten Elektromotors) oder über die Nebenabtriebswelle (mittels des als Generator-Motors ausgebildeten elektrischen Generators) zur Verfügung gestellt werden. Die zum Betrieb des Elektromotors bzw. Generator-Motors notwendige Energie kann dabei einem geeigneten elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer aufladbaren Batterie, entnommen werden. Die Aufladung dieses elektrischen Energiespeichers kann dann mittels des elektrischen Generators erfolgen, beispielsweise wenn sich das Kraftfahrzeug in einem Schubbetriebszustand befindet. In einem solchen Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug nicht beschleunigt oder sogar abgebremst, so dass die von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie von dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs nicht benötigt wird und stattdessen in dem elektrischen Energiespeicher zur späteren Verwendung zwischengespeichert werden kann.
Des Weiteren kann in einer weiterbildenden Ausführungsform der elektrische Generator derart ausgebildet sein, dass er umschaltbar ist zum wahlweisen Aufladen des elektrischen Energiespeichers, insbesondere der Batterie, oder zum Antreiben der Hauptabtriebswelle. Auf diese Weise kann die durch den elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie energetisch effizient weiterverwendet werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die eine Hauptabtriebswelle und eine Nebenantriebswelle aufweist, und mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines derart ausgebildeten Kraftfahrzeugs.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsvorrichtung,
2 in grobschematischer Darstellung eine erste Variante des Ausführungsbeispiels gemäß der 1,
3 in grobschematischer Darstellung eine zweite Variante des Ausführungsbeispiels gemäß der 1,
4 in grobschematischer Darstellung eine dritte Variante des Ausführungsbeispiels gemäß der 1.
In der Darstellung der 1 ist eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsvorrichtung mit 1 bezeichnet. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 kann Teil eines Kraftfahrzeugs sein, welches in der 1 global mit 25 bezeichnet ist und auch eine Brennkraftmaschine 2 mit einer Nebenabtriebswelle 4 umfasst. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 kann zusammen mit der Brennkraftmaschine 2 in dem Kraftfahrzeug angeordnet sein (in der 1 nicht gezeigt). Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 umfasst einen Abwärmenutzungskreis 3, in welchem ein Arbeitsmedium oder ein Arbeitsmittel zirkuliert. Der Abwärmenutzungskreis 3 kann insbesondere als Rankine-Kreisprozess bzw. als Clausius-Rankine-Kreisprozess ausgelegt sein.
Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 umfasst ferner eine Fördereinrichtung 5, einen Verdampfer 6, eine Expansionsmaschine 7 und einen Kondensator 8, die stromab der Förderrichtung 5 des Arbeitsmediums bzw. Arbeitsmittels in dem Abwärmenutzungskreis 3 hintereinander angeordnet sind. Die Fördereinrichtung 5 dient zum Fördern des Arbeitsmediums bzw. Arbeitsmittels gegen einen Hochdruck. Zweckmäßig kann die Fördereinrichtung 5 als volumetrische Pumpe ausgestaltet und hierzu mit einem Antriebsmotor 9 gekoppelt sein. Der Verdampfer 6 ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab der Fördereinrichtung 5 angeordnet und dient zum Verdampfen des Arbeitsmediums bzw. Arbeitsmittels, wozu der Verdampfer 6 Abwärme der Brennkraftmaschine 2 nutzt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Verdampfer 6 dazu wärmeübertragend mit einer Abgasanlage 10 der Brennkraftmaschine 2 gekoppelt, wobei ein entsprechender Wärmestrom durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 11 angedeutet ist. Die Brennkraftmaschine 2 kann außerdem eine Frischluftanlage 12 aufweisen.
Die Expansionsmaschine 7 ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab des Verdampfers 6 angeordnet und dient zum Expandieren des Arbeitsmediums bzw. Arbeitsmittels auf einen Niederdruckpunkt. Dabei kann die Expansionsmaschine 7 beispielsweise als Turbine mit einem Rotor und einem mit dem Rotor drehfest verbundenen Turbinenrad ausgebildet sein. Beispielhaft könnte man ebenso einen Kolbenexpander anführen. Dem Turbinenrad entspricht in diesem Falle die Kurbelwelle des Kolbenexpanders. Der Kondensator 8 ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab der Expansionsmaschine 7 angeordnet und dient zum Kondensieren des Arbeitsmediums bzw. Arbeitsmittels. Hierzu wird dem Arbeitsmedium bzw. dem Arbeitsmittel Wärme entzogen, was mit einem Pfeil mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet ist. Die Expansionsmaschine 7 ist zum Zwecke der Energierückführung direkt mit der Nebenabtriebswelle 4 der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. Dies bedeutet insbesondere, dass die Nebenabtriebswelle 4 gleichzeitig als ein Rotor der Expansionsmaschine 7 fungiert. Mittels der Expansionsmaschine 7 wird hierfür dem Arbeitsmedium bzw. Arbeitsmittel Energie entzogen, und zwar in Form mechanischer Arbeit, mittels derer die Nebenabtriebswelle 4 der Brennkraftmaschine 2 angetrieben wird.
Zudem weist die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 auch einen elektrischen Generator 13 auf, welcher ebenfalls mit der Nebenabtriebswelle 4 antriebsverbunden ist, und zwar auf direkte oder indirekte Weise. In der 1 ist eine indirekte Antriebsverbindung gezeigt, die beispielsweise in Form eines Radtriebes 14 realisiert sein kann, mittels welchem die Nebenabtriebswelle 4 der Brennkraftmaschine 1 mit einer Generatorwelle 16 des elektrischen Generators 13 zur Leistungsübertragung in Wirkverbindung stehen kann. Der Radtrieb 14 kann dabei als Riementrieb, Kettentriebes oder/und Zahnradtrieb ausgebildet sein. Grundsätzlich kann im Sinne einer indirekten Antriebsübertragung jedoch jedes Bauelement gemeint sein, welches sich zur Übertragung einer Antriebsleistung von der Nebenabtriebswelle 4 zu einer von dieser beabstandet angeordneten, also separaten Generatorwelle 16 eignet. Dazu zählt insbesondere auch eine herkömmliche Getriebeeinheit.
Gemäß der in der 2 grobschematisch dargestellten direkten Antriebsverbindung ist der elektrische Generator 13 direkt auf der Nebenabtriebswelle 4 der Brennkraftmaschine 2 angeordnet, d. h. die Nebenabtriebswelle 4 fungiert gleichzeitig als Rotor des elektrischen Generators 13. In der in der 2 gezeigten Variante ist die Nebenabtriebswelle 4 dabei koaxial durch den elektrischen Generator 13 durchgeführt, so dass der elektrische Generator 13 auf einer der Brennkraftmaschine 2 zugewandten Seite der Expansionsmaschine 7 auf der Nebenabtriebswelle 4 angeordnet ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 kann die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 nun ferner einen Elektromotor 18 umfassen, welcher mit einer Hauptabtriebswelle 17 der Brennkraftmaschine 2 in Antriebsverbindung steht. Dazu kann ein relativ zu einem Stator des Elektromotors 18 drehbarer Rotor des Elektromotors 18 drehfest mit einer Hauptabtriebswelle 17 der Brennkraftmaschine 2 verbunden sein. Der Elektromotor 18 kann dabei durch von dem elektrischen Generator 13 erzeugte elektrische Energie angetrieben werden und somit für die Hauptabtriebswelle 17 der Brennkraftmaschine 2 eine zusätzliche Antriebsleistung bereitstellen. Die Übertragung der elektrischen Energie von dem elektrischen Generator 13 zu dem Elektromotor 18 kann mittels geeigneter elektrischer Übertragungsmittel 19 erfolgen, beispielsweise in Form von herkömmlichen elektrischen Leitungen. Eine durch den Elektromotor 18 erzeugte zusätzliche Antriebsleistung kann über die Hauptabtriebswelle 17 direkt in einen Antriebsstrang 20 des Kraftfahrzeugs eingeleitet werden (vgl. 2).
Ferner kann der elektrische Generator 13 wie in der 1 gezeigt zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 21, insbesondere einer aufladbaren Batterie, verwendet werden. Vorzugsweise erfolgt ein derartiges Aufladen des elektrischen Energiespeichers 21 mittels von dem elektrischen Generator 13 erzeugter elektrischer Energie genau dann, wenn von dem durch die Brennkraftmaschine 2 angetriebenen Kraftfahrzeug kein Drehmoment angefordert wird, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug nicht beschleunigt oder sogar abgebremst werden soll. Ein solcher Betriebszustand des Kraftfahrzeugs wird üblicherweise auch als Schubbetriebszustand bezeichnet. In diesem Fall ist es nicht erforderlich bzw. erwünscht, dass mittels des Elektromotors 18 der Hauptabtriebswelle 17 und somit dem Antriebsstrang 20 ein unterstützendes Drehmoment zugeführt wird. Dann bietet es sich an, die durch den elektrischen Generator 13 erzeugte elektrische Energie in dem elektrischen Energiespeicher 21 zur späteren Verwendung zwischenzuspeichern.
Die in dem elektrischen Energiespeicher 21 gespeicherte elektrische Energie kann dabei im Bedarfsfall auf verschiedenste Art und Weise wiederverwendet werden, beispielweise um verschiedene Fahrzeug-Komponenten, insbesondere verschiedene elektrische Verbraucher, des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen, aber auch um den Elektromotor 18 anzutreiben, wenn dem Hauptabtriebswelle 17 ein zusätzliches Drehmoment zugeführt werden soll. In diesem Fall kann die in dem elektrischen Energiespeicher 21 gespeicherte elektrische Energie durch geeignete elektrische Übertragungsmittel 22, beispielsweise durch herkömmliche elektrische Übertragungsleitungen, von dem elektrischen Energiespeicher 21 zu dem Elektromotor 18 übertragen werden.
In einer vorteilhaften Variante kann zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 2 der elektrische Generator 13 als sog. Generator-Motor ausgebildet sein und somit bedarfsweise selbst als Elektromotor betrieben werden, so dass eine Antriebsleistung des als Elektromotor betriebenen elektrischen Generators 13 über die Nebenabtriebswelle 4 in den Triebstrang 20 des Kraftfahrzeugs eingeleitet wird. Der Generator-Motor kann dabei mittels in dem elektrischen Energiespeicher 21 gespeicherter elektrischer Energie angetrieben werden. Eine derartige leistungssteigernde Verwendung des Generator-Motors wird auch als ”Booster”-Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 bezeichnet.
In einer weiteren Variante kann der elektrische Generator 13 auch derart ausgebildet sein, dass er umschaltbar ist zum wahlweisen Aufladen des elektrischen Energiespeichers 21 oder zum Antreiben der Hauptabtriebswelle 17 der Brennkraftmaschine 2 (mittels des Elektromotors 18). Ein Aufladen des elektrischen Energiespeichers 21 bietet sich dabei, wie bereits erwähnt, gerade dann an, wenn sich das Kraftfahrzeug in dem Schubbetriebszustand befindet.
Zur Steuerung des elektrischen Generators 13 (einschließlich eines Umschaltens der Betriebszustände) oder/und des Elektromotors 18 kann in der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 eine geeignete Steuerungsvorrichtung (in den Figuren nicht gezeigt) bereitgestellt sein.
In einer in den 3 und 4 gezeigten und besonders platzsparenden Variante der direkten Antriebsverbindung zwischen elektrischem Generator 13 und Nebenabtriebswelle 4 kann nun die Nebenabtriebswelle 4 koaxial durch die Expansionsmaschine 7 durchgeführt sein, so dass der elektrische Generator 13 (3) bzw. der Radtrieb 14 (4) auf einer der Brennkraftmaschine 2 abgewandten Seite der Expansionsmaschine 7 angeordnet ist.
Die in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 bis 4 beschriebene Brennkraftmaschine 2 kann nun erfindungsgemäß im Rahmen eines Betriebsverfahren für das Kraftfahrzeug 25 verwendet werden, welches neben der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsvorrichtung 1 wie in der 1 gezeigt ferner eine Brennkraftmaschine 2 mit einer Nebenabtriebswelle 4 aufweist. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren kann das Kraftfahrzeug 25 dabei in verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden.
So wird erfindungsgemäß während eines Schubbetriebszustands des Kraftfahrzeugs 25 Abtriebsenergie der Expansionsmaschine 7 und Abtriebsenergie der Nebenabtriebswelle 4 mittels des elektrischen Generators 13 in elektrische Energie umgewandelt.
Demgegenüber wird während eines Antriebsbetriebszustands des Kraftfahrzeugs 25 Abtriebsenergie der Expansionsmaschine 7 über die Nebenabtriebswelle 4 in den Triebstrang 20 des Kraftfahrzeugs 25 eingeleitet. In einer speziellen Variante des Antriebs betriebszustands, dem sog. ”Booster-Betriebszustand”, wird in dem Antriebsbetriebszustand zur Leistungssteigerung der elektrische Generator 13 als Elektromotor betrieben und eine Abtriebsenergie des Elektromotors 13 über die Nebenabtriebswelle 4 in den Triebstrang 20 des Kraftfahrzeugs 2 eingeleitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2400760 [0003]
US 4405029 [0004]
EP 1249585 A1 [0005]
EP 1326017 A1 [0006]

Claims

Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, – mit einem Abwärmenutzungskreis (3), in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert, – mit einer im Abwärmenutzungskreis (3) angeordneten Fördereinrichtung (5) zum Antreiben des Arbeitsmittels, – mit einem im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Fördereinrichtung (5) angeordneten Verdampfer (6) zum Verdampfen des Arbeitsmittels, – mit einer im Abwärmenutzungskreis (3) stromab des Verdampfers (6) angeordneten Expansionsmaschine (7) zum Entspannen des Arbeitsmittels, – mit einem im Abwärmenutzungskreis (3) stromab der Expansionsmaschine (7) angeordneten Kondensator (8) zum Kondensieren des Arbeitsmittels, – mit einem elektrischen Generator (13), der mit einer Nebenabtriebswelle (4) einer Brennkraftmaschine (2) des Kraftfahrzeugs direkt oder indirekt antriebsverbunden ist, – wobei die Expansionsmaschine (7) zur Energierückführung direkt mit der Nebenabtriebswelle (4) der Brennkraftmaschine (2) antriebsverbunden ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenabtriebswelle (4) der Brennkraftmaschine (2) ein Rotor der Expansionsmaschine (7) ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator (13) auf der Nebenabtriebswelle (4) angeordnet ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator (13) auf einer mit der Nebenabtriebswelle in Wirkverbindung (4) stehenden separaten Generatorwelle (16) angeordnet ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenabtriebswelle (4) mittels eines Radtriebes (14), insbesondere eines Riementriebes oder Kettentriebes oder Zahnradtriebes, mit der Generatorwelle (16) antriebsverbunden ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Nebenabtriebswelle (4) koaxial durch die Expansionsmaschine (7) durchgeführt ist, derart, dass der elektrische Generator (13) bzw. der Radtrieb (14) auf einer der Brennkraftmaschine (2) abgewandten Seite der Expansionsmaschine (7) angeordnet ist, oder – die Nebenabtriebswelle (4) koaxial durch den elektrischen Generator (13) bzw. den Radtrieb (14) durchgeführt ist, so dass der elektrische Generator (13) auf einer der Brennkraftmaschine (2) zugewandten Seite der Expansionsmaschine (7) auf der Nebenabtriebswelle (4) angeordnet ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abwärmenutzungsvorrichtung (1) einen Elektromotor (18) umfasst, welcher durch den elektrischen Generator (13) antreibbar ist, – der Elektromotors (18) mit einer Hauptabtriebswelle (17) der Brennkraftmaschine (2) antriebsverbunden ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator (13) als Generator-Motor ausgebildet ist, derart, dass er in einem Schubbetriebszustand des Kraftfahrzeugs als elektrischer Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie wirkt und in einem Antriebsbetriebszustand des Kraftfahrzeugs als Elektromotor zum Antreiben der Nebenabtriebswelle (4) des Kraftfahrzeugs wirkt.
Kraftfahrzeug, – mit einer Brennkraftmaschine (2), die eine Hauptabtriebswelle (17) und eine Nebenantriebswelle (4) aufweist, – mit einer Abwärmenutzungsvorrrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, welches eine Brennkraftmaschine (2) und eine Abwärmenutzungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, – gemäß welchem während eines Schubbetriebszustands des Kraftfahrzeugs Abtriebsenergie der Expansionsmaschine (7) und Abtriebsenergie der Nebenabtriebswelle (4) mittels des elektrischen Generators (13) in elektrische Energie umgewandelt wird, – gemäß welchem während eines Antriebsbetriebszustands des Kraftfahrzeugs Abtriebsenergie der Expansionsmaschine (7) über die Nebenabtriebswelle (4) in den Triebstrang (20) des Kraftfahrzeugs eingeleitet wird, – gemäß welchem in dem Antriebsbetriebszustand zur Leistungssteigerung der elektrische Generator (13) als Elektromotor betrieben wird und eine Abtriebsenergie des Elektromotors über die Nebenabtriebswelle (4) in den Triebstrang (20) des Kraftfahrzeugs eingeleitet wird.