DE102010038314A1

DE102010038314A1 - Antriebssystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010038314A1
Application number: DE102010038314A
Authority: DE
Inventors: Juergen Ringler; Dr. Seifert Marco; Wolfgang Strobl; Prof. Dr. Freymann Raymond; Dr. Eder Andreas; Dr. Linde Matthias; Dr. Liebl Johannes
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-01-26
Also published as: JP5826268B2; WO2012010253A1; US20130133321A1; EP2596224A1; JP2013535608A

Abstract

Es wird ein Antriebssystem (1) vorgeschlagen für ein Fahrzeug, mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine (5) und einer Vorrichtung zur Wandlung der thermischen Energie, wobei die Vorrichtung (3) zur direkten Wandlung der thermischen Energie in elektrische Energie und zur Übertragung thermischer Energie auf ein zur Beaufschlagung einer Expansionseinrichtung (11) vorgesehenes Arbeitsmedium ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine und einer Vorrichtung zur Wandlung der thermischen Energie, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen weisen einen Wirkungsgrad auf, der trotz vielfacher Anstrengungen und sukzessiven Verbesserungen, wie beispielsweise voll variablen Ventilsteuerungen, Verbrennung mit Luftüberschuss und dergleichen im Bereich von maximal 40% liegt, so dass im Umkehrschluss ein Großteil der im Kraftstoff gebundenen Energie als Abwärme an die Umgebung verloren geht. Ein großer Teil davon wird über das Abgas dissipiert.
Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wurden bereits Zusatzapplikationen am Fahrzeug vorgeschlagen, mit denen die im Abgas vorhandene Restenergie genutzt werden kann, um beispielsweise in elektrische Energie gewandelt das Bordspannungsnetz des Fahrzeugs zu unterstützen oder in mechanische Energie gewandelt zum Antrieb des Fahrzeugs in den Triebstrang eingekoppelt zu werden.
Ein Vertreter der zuerst genannten Gattung der Zusatzapplikationen ist der thermoelektrische Generator, mit dem aus der im Abgas vorhandenen thermischen Energie, beispielsweise nach dem Seebeck-Effekt, elektrische Energie gewonnen werden kann, die dann nicht mehr generatorisch unter zusätzlichem Verbrauch von Kraftstoff erzeugt werden muss.
Eine andere Zusatzapplikation wird in der auf die Anmelderin zurückgehenden EP 1573194 B1 beschrieben, die eine Wärmekraftmaschine offenbart, die über einen Niedertemperaturkreislauf und einen Hochtemperaturkreislauf mit jeweils nachgeschalteter Entspannungseinrichtung unter Zuhilfenahme der Abwärme der Brennkraftmaschine mechanische Arbeit generiert.
Mit beiden Zusatzapplikationen kann der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems bereits gesteigert werden, trotzdem besitzt das Antriebssystem Potenzial für weitere Verbesserungen, die bislang noch nicht erschlossen worden sind.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, das bekannte Antriebssystem unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung seiner Gesamteffizienz weiterzubilden.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung sieht ein Antriebssystem für ein Fahrzeug vor, mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine und einer Vorrichtung zur Wandlung der thermischen Energie, wobei die Vorrichtung zur direkten Wandlung der thermischen Energie in elektrische Energie und zur Übertragung thermischer Energie auf ein zur Beaufschlagung einer Expansionseinrichtung vorgesehenes Arbeitsmedium ausgebildet ist.
Es heißt dies mit anderen Worten, dass die zur Nutzung der von der Brennkraftmaschine über den Abgasstrom dissipierten thermischen Energie vorgesehene Vorrichtung sowohl zur direkten Wandlung der thermischen Energie in elektrische Energie als auch zur Übertragung von thermischer Energie auf ein Arbeitsmedium ausgebildet ist, mit dem wiederum eine Expansionseinrichtung beaufschlagt werden kann, so dass mit der Vorrichtung die thermische Energie sowohl in elektrische Energie als auch in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
Damit kann in vorteilhafter Weise die im Abgasstrom der Brennkraftmaschine vorhandene Wärme dazu genutzt werden, sowohl elektrischen Strom zu erzeugen, der beispielsweise das Bordspannungsnetz des Fahrzeugs unterstützt, als auch mechanische Energie bereitzustellen, die beispielsweise zum Antrieb des Fahrzeugs in den Triebstrang eingekoppelt werden kann oder zum Antrieb eines mechanisch betätigten Bauteils am Fahrzeug genutzt werden kann.
Damit steigt der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems an und es wird zusätzlich der Vorteil einer Funktionsintegration erreicht, da ein zum Verdampfen des Arbeitsmediums erforderlicher Verdampfer damit gleichzeitig als Kühler für ein Bauteil verwendet wird, mittels dem die thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Bei dem Bauteil zur Wandlung der thermischen Energie in elektrische Energie kann es sich um einen thermoelektrischen Generator handeln, der mittels der thermischen Energie beheizte Flächen, und mittels des Arbeitsmediums gekühlte Flächen besitzt derart, dass das Arbeitsmedium infolge der Wärmebeaufschlagung einen dampfförmigen Zustand einnimmt.
Hierdurch wird die bereits vorstehend erläuterte Funktionsintegration erreicht, die es ermöglicht, ansonsten als eigenständige diskrete Einheiten notwendige Bauteile, wie beispielsweise den Verdampfer und den Kühler, gemeinsam mit nur einem Bauteil darzustellen.
Das nach dem Durchtritt durch die nach der Erfindung vorgesehene Vorrichtung dampfförmige Arbeitsmedium kann dann eine Expansionseinrichtung beaufschlagen, wobei es sich bei der Expansionseinrichtung beispielsweise um eine Kolbenmaschine handeln kann, mit der ein mechanisch angetriebenes Bauteil am Fahrzeug beaufschlagt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Kondensationseinrichtung zur Kondensation von dampfförmigem Arbeitsmedium nach dessen Durchtritt durch eine Expansionseinrichtung besitzt. Das dann flüssige Arbeitsmedium wird mittels einer das Arbeitsmedium im Kreislauf führenden Pumpeneinrichtung wieder der Vorrichtung zugeführt, die es dann wieder unter Ausnutzung der im Abgas vorhandenen Restenergie in den dampfförmigen Zustand überführt.
Nach einer Ausführungsform kann es sich bei der Vorrichtung um einen Wärmetauscher handeln, der vom Abgas der Brennkraftmaschine beheizte erste Flächen und vom Arbeitsmedium gekühlte zweite Flächen mit dazwischen angeordneten thermoelektrischen Schenkelpaaren aufweist und jeweils mindestens einen Einlass – für Arbeitsmedium im flüssigen Zustand – und Auslass – für Arbeitsmedium im dampfförmigen Zustand – besitzt und jeweils mindestens einen Einlass und Auslass für das Abgas der Brennkraftmaschine aufweist, welches in den Einlass eintritt, dort die erste Fläche mit der heißen Seite der Schenkelpaare beaufschlagt und mit niedrigerer Temperatur am Auslass wieder ausgetragen wird.
Das Arbeitsmedium wird zur Kühlung der zweiten Fläche benutzt und nimmt dort thermische Energie aus dem heißen Abgas weitgehend isotherm auf und tritt als dampfförmige Phase aus der Vorrichtung aus, um der vorstehend bereits genannten Expansionseinrichtung zugeführt zu werden. Auf diese Weise kann die im Abgas vorhandene Wärme zur Erzeugung elektrischer und mechanischer Energie kombinatorisch genutzt werden, wodurch insgesamt der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Antriebssystems verglichen mit bekannten Antriebssystemen deutlich gesteigert wird.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Nutzung der im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen thermischen Energie zur Umwandlung in elektrische und mechanische Energie mittels eines thermoelektrischen Generators und eines Dampf-Rankine-Prozesses, wobei die zur Verdampfung des im Dampfkreisprozess geführten Arbeitsmediums erforderliche Wärmeaufnahme weitgehend isotherm stattfindet und die Wärme der kalten Seite des vom Abgas erwärmten thermoelektrischen Generators entzogen wird.
Die vom Abgas der Brennkraftmaschine auf das Arbeitsmedium übertragene Wärme durchläuft bei der weitgehend isothermen Wärmeaufnahme durch das Arbeitsmedium ein großes Temperaturgefälle. Durch das Temperaturgefälle bei der Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium ereignet sich ein Verlust an Exergie.
Durch Anbringen von thermoelektrischem Material an der heißen und kalten Seite des Wärmeübertragers lässt sich dieser Exergieverlust teilweise verhindern, in der Art, dass das durch die weitgehend isotherme Wärmeaufnahme entstehende Temperaturgefälle zwischen Abgas und Arbeitsmedium - also zwischen heißer und kalter Seite des Wärmeübertragers – zum Antrieb der thermoelektrischen Schenkelpaare genutzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer im erfindungsgemäßen Antriebssystem vorgesehenen Vorrichtung für die Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie und die Wärmebeaufschlagung eines Arbeitsmediums;
2 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems nach der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Diagramm mit der übertragenen Wärmemenge auf der x-Achse zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
1 der Zeichnung zeigt eine Vorrichtung 1, die einen wesentlichen Bestandteil des erfindungsgemäßen Antriebssystems 2 zeigt, welches in einer schematischen Darstellung in 2 der Zeichnung gezeigt ist.
Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung handelt es sich um einen Wärmetauscher 3, der einen Einlass 4 für das heiße Abgas aus der in 2 der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschine 5 aufweist. An der dem Einlass 4 gegenüberliegenden Stirnfläche besitzt der Wärmetauscher 3 einen, bei der gewählten perspektivischen Darstellung nicht näher ersichtlichen, Auslass 6 für das im Wärmetauscher 3 gekühlte Abgas.
Der aus der Brennkraftmaschine 5 stammende Abgasmassenstrom 7 tritt über den Einlass 4 in den Wärmetauscher 3 ein. Der heiße Abgasmassenstrom 7 heizt im Wärmetauscher 3 angeordnete erste Flächen 8 auf, die der heißen Seite des von thermoelektrischen Schenkelpaaren gebildeten thermoelektrischen Generators 10 entsprechen. Die nicht näher dargestellten thermoelektrischen Schenkelpaare sind zwischen den jeweiligen heißen ersten Flächen 8 und jeweiligen gekühlten zweiten Flächen 9 angeordnet.
Die Kühlung der jeweiligen zweiten Flächen 9 erfolgt dabei über ein Arbeitsmedium der in 2 der Zeichnung dargestellten Expansionseinrichtung 11 in der Form beispielsweise einer Kolbenmaschine.
Das Arbeitsmedium tritt als flüssiger Massenstrom 12 an einem aufgrund der perspektivischen Darstellung nicht näher ersichtlichen Einlass 12 in den Wärmetauscher 3 ein, kühlt dort die jeweiligen zweiten Flächen 9, nimmt vom heißen Abgasmassenstrom 7 in einem weitgehend isotherm ablaufenden Prozess der Wärmeübertragung Wärme auf, wird verdampft und tritt an einem Auslass 14 als dampfförmiger Massenstrom aus dem Wärmetauscher 3 wieder aus.
2 der Zeichnung zeigt die Brennkraftmaschine 5, von der ausgehend der heiße Abgasmassenstrom 7 in den Wärmetauscher 3 eintritt. Das dampfförmige Arbeitsmedium verlässt den Wärmetauscher 3 und wird über eine schematisch dargestellte Fluidleitung 16 der Expansionseinrichtung 11 zugeführt, dort unter Druckverlust entspannt und in durch einen Pfeil 17 symbolisch dargestellte mechanische Energie konvertiert. Diese kann beispielsweise zum Antrieb eines mechanisch betätigten Bauteils des nicht näher dargestellten Fahrzeugs verwendet werden oder in den Triebstrang des Fahrzeugs eingekoppelt werden.
Das Arbeitsmedium wird nach dem Verlassen der Expansionseinrichtung 11 über eine Fluidleitung 18 einem Kondensator 19 zugeführt und dort unter Abfuhr von Wärme – wie dies durch den Pfeil 26 dargestellt ist – in die flüssige Phase konvertiert. Über eine Fluidleitung 20 kann eine Pumpeneinrichtung 21 das flüssige Arbeitsmedium ansaugen und über eine weitere Fluidleitung 22 wieder dem Wärmetauscher 3 zuführen und auf diese Weise das Arbeitsmedium im Kreis führen, wie dies durch den Pfeil 23 dargestellt ist.
3 der Zeichnung zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung.
Der heiße Abgasmassenstrom 7 tritt mit einer durch das Bezugszeichen 24 dargestellten hohen Temperatur von beispielsweise 520° Celsius in den Wärmetauscher 3 ein, heizt dort die heiße Seite des thermoelektrischen Generators 10 auf – dieser kann beispielsweise durch eine Beschichtung von Flächen des für die Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium erforderlichen Wärmetauschers 3 mit thermoelektrischem Material bereitgestellt werden – und gibt auf seinem Weg zum Auslass 6 des Wärmetauschers 3 Wärme ab. Schließlich verlässt das Abgas den Wärmetauscher 3 mit einer durch das Bezugszeichen 25 dargestellten Temperatur von etwa 200°Celsius.
Diese Wärme wird weitgehend isotherm auf ein Arbeitsmedium übertragen, die Wärmeübertragung findet an der durch das Arbeitsmedium gekühlten kalten Fläche 9 des Wärmetauschers 3 statt und das Arbeitsmedium wird hier unter Überdruck verdampft.
Das dampfförmige Arbeitsmedium treibt die in 2 der Zeichnung dargestellte Expansionseinrichtung 11 an und wird hierbei abgekühlt. Das erfindungsgemäße Antriebssystem ermöglicht die kombinatorische Nutzung der im Abgas vorhandenen Restenergie zur Bereitstellung von elektrischer Energie im Rahmen eines thermoelektrischen Prozesses und zur Bereitstellung von mechanischer Energie im Rahmen eines Dampf-Rankine-Prozesses.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem ermöglicht es somit, die im Abgas der Brennkraftmaschine vorhandene Restenergie zur Bereitstellung elektrischer Energie und mechanischer Energie in einem gekoppelten Prozess zu nutzen. Die überwiegend isotherme Wärmeaufnahme beim Verdampfen des Arbeitsmediums dient gleichzeitig als sehr effiziente Kühlung für die kalte Seite des thermoelektrischen Generators, so dass die im Abgas verfügbare Abwärme fast vollständig zur Umwandlung in Nutzenergie genutzt werden kann und die Menge an mit dem Abgas in die Umwelt dissipierter Energie deutlich verringert werden kann.
Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Antriebssystem
3: Wärmetauscher
4: Einlass
5: Brennkraftmaschine
6: Auslass
7: Abgasmassenstrom
8: erste Fläche
9: zweite Fläche
10: thermoelektrischer Generator
11: Expansionseinrichtung
12: Einlass
13: flüssiger Massenstrom Arbeitsmedium
14: Auslass
15: dampfförmiger Massenstrom Arbeitsmedium
16: Fluidleitung
17: mechanische Energie
18: Fluidleitung
19: Kondensator
20: Fluidleitung
21: Pumpe
22: Fluidleitung
23: Pfeil
24: Temperatur am Abgaseinlass
25: Temperatur am Abgasauslaß
26: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1573194 B1 [0005]

Claims

Antriebssystem (2) für ein Fahrzeug, mit einer mechanische und thermische Energie frei setzenden Brennkraftmaschine (5) und einer Vorrichtung (1, 3) zur Wandlung der thermischen Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) zur direkten Wandlung der thermischen Energie in elektrische Energie und zur Übertragung thermischer Energie auf ein zur Beaufschlagung einer Expansionseinrichtung (11) vorgesehenes Arbeitsmedium ausgebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) einen thermoelektrischen Generator (10) aufweist mit mittels der thermischen Energie beheizten Flächen (8) und mittels des Arbeitsmediums gekühlten Flächen (9) derart, dass das Arbeitsmedium infolge der Wärmebeaufschlagung einen dampfförmigen Zustand einnimmt.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von dampfförmigem Arbeitsmedium zur Abgabe mechanischer Energie beaufschlagte Expansionseinrichtung (11).
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kondensationseinrichtung (19) zur Kondensation von dampfförmigem Arbeitsmedium nach dessen Durchtritt durch eine Expansionseinrichtung (11).
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine das Arbeitsmedium im Kreislauf führende Pumpeneinrichtung (21).
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) von Abgas der Brennkraftmaschine (5) beheizte erste Flächen (8) und vom Arbeitsmedium gekühlte zweite Flächen (9) mit dazwischen angeordneten thermoelektrischen Schenkelpaaren aufweist und jeweils mindestens einen Einlass (12) und Auslass (14) für Arbeitsmedium besitzt und jeweils mindestens einen Einlass (4) und Auslass (6) für Abgas aufweist.
Verfahren zur Nutzung der im Abgas einer Brennkraftmaschine (5) enthaltenen thermischen Energie zur Umwandlung in elektrische und mechanische Energie mittels eines thermoelektrischen Generators (10) und eines Dampf-Rankine-Prozesses, wobei die zur Verdampfung des im Dampfkreisprozess geführten Arbeitsmediums erforderliche Wärmeaufnahme weitgehend isotherm stattfindet und die Wärme der kalten Seite des vom Abgas erwärmten thermoelektrischen Generators (10) entzogen wird.