CN102200073A - 汽车的驱动单元 - Google Patents

Abstract

描述一种汽车驱动单元，其具有：与输出轴耦联的内燃机（1）；和废热利用系统（5），利用废热利用系统借助热驱动的能量变换器（4、13、21）将至少一部分从内燃机（1）和/或从后置于内燃机（1）的排气系统（10）排出的废热变换成至少部分地可输送给至少一个汽车辅助负载和/或电器网络的电能。所述技术方案的特征在于，除了废热利用系统（5）外，还设置有另一热源（2），通过该热源可给热驱动的能量变换器（4、13、21）供应以热量。

Description

汽车的驱动单元

技术领域

本发明涉及汽车的驱动单元，所述驱动单元具有废热利用系统和与输出轴耦联的内燃机，利用废热利用系统借助热驱动的能量变换器将至少一部分从内燃机和/或从后置于内燃机的排气系统排出的废热变换成至少部分地可输送给至少一个汽车辅助负载和/或电器网络（Bordnetz）的电能。

背景技术

特别是对于车辆（mobil）内燃机例如汽车内燃机来说，为了能够实现节省燃油，目前的现有技术中特别是（vornehmlich）有两种技术方案。混合方案（Hybridkonzepte）由于在城市交通和郊区交通（Verteilerverkehrer）中出现的制动和加速过程而特别适宜在此采用，除了使用不同的混合动力方案外，还已知有热回收系统，其利用内燃机的废热，以便提供附加的驱动能量。这种废热利用系统尤其适合于在长途交通运输（Fernverkehrer）中工作的车辆的车辆内燃机。

由于用于回收在现代内燃机中产生的损耗热量的已知方法需要大量组件，为了利用这些热量，花费了很大的附加的设备成本。但由于这些设备需要占用空间，以车辆中附加组件的整合为基础的废热利用系统日益达到了其极限。

特别是对于长途载货车来说，除了车辆的经济运行外，还必须保证驾驶员能够在法律规定的停车间歇内恢复过来。为了确保驾驶员相应地舒服，要确保在内燃机被切断的情况下驾驶室能得到充分的供暖，在夏天能用空调，还能被供电。所需要的取暖热量通常由停车采暖装置来提供，由有待一起输送的蓄冷盘管（Kältespeicher）获得冷气（Kälte），蓄冷盘管此前已在车辆工作中通过空调设备而加载（aufladen），且借助于在行驶期间充电的电池来实现供电。

为了即使在发动机被切断情况下也能保证在停车间歇期间给驾驶员供暖、供冷和供电，提出了很多种辅助系统，如小型附加柴油发动机、燃料电池或带有作为辅助能量单元的热电偶发电器（Thermogenerator）的停车采暖装置。这种系统附加地与所需要的辅助机组（Nebenaggregate）如泵、热交换器、变换器或阀一起装入到车辆中。最后，一旦内燃机被切断，却还要保证一定的舒适功能，如供暖、使用空调和/或供电，就需要辅助动力装置（APU）。由于这些辅助动力装置通常需要并非不起眼的安装空间，故这些辅助动力装置在目前并未按照标准来建造。

相关地由DE 10 2006 043 139 A1已知一种用于由汽车内燃机废热回收机械能或电能的装置。所述技术方案公开了至少一个与内燃机废热源连接的热变换系统，所述废热源提供处于相当低的温度水平的热量，这种热变换系统将至少一部分由内燃机释放的废热变换成机械能或电能。所述技术方案的主要构思在于，替代于特别是用于已知的蒸汽回路过程的已知的废热利用系统，还可利用在相当低的温度水平上被提供的热量。因此在这种情况下，为了产生电流，除了热电的变换器例如热元件或者设计成热离子（thermoionisch）发电机的热变换器外，还利用热动力的循环过程，其中工作介质在温度较低时容易蒸发。作为工作介质，除了利用了相应的防冻机构的水外，还可以使用所有在车辆空调设备和车辆冷却设备中使用的已知的致冷剂。

另外，例如由DE 10 2007 004 765 A1已知一种用于给静止状态下的汽车调节温度的方法。按照所述方法，将所谓的余下温度调节单元与主动的温度调节单元特别是停车采暖装置相组合，所述余下温度调节单元提供在车辆行驶期间产生的热量和/或冷气。相关地，所述技术方案的特征在于，设置有一种控制装置，借此在发动机停机之后根据意愿对车辆内部空间进行温度调节，并自动地且按照需要地借助于余下温度调节单元以及主动的温度调节单元来提供为此所需要的热量和/或冷气。

发明内容

基于所述现有技术，本发明的目的在于，介绍一种特别是用于车辆应用如汽车驱动的驱动单元，其不仅具有废热利用系统，而且还能以有利的方式给辅助负载供应以电能和/或机械功，而不必为此需要附加的安装空间。在这里，驱动单元以及工作方法的实现方式为，各个组件优选既可用于由发动机损耗热回收功，又可用于在车辆停车间歇期间辅助地供应能量。由于使用了有待介绍的驱动单元，在相应设计的车辆中所使用的全部组件的数量得到了减少。

前述目的通过根据权利要求1的驱动单元得以实现。本发明的有利的实施方式是从属权利要求的内容，且在下面的说明中将部分地对照附图予以详述。

汽车的驱动单元具有：与驱动轴耦连的内燃机；和废热利用系统，通过这种废热利用系统，至少一部分由内燃机和/或由后置于内燃机的排气系统排出的废热通过带有发电机的热驱动的能量变换器被变换成电能，根据本发明，对这种驱动单元予以如下改进，即除了废热利用系统外，还设置有另一热源，通过该热源可给热驱动的能量变换器供应以热量。

因而对按照本发明设计的驱动单元来说，除了用于废热利用的连接有发电机的优选被设计成热动力的热回收装置的第一装置外，还设置有另一热源。该另一热源在此提供热量，由这种热量又能发电。连接有发电机的热回收装置因而既能在汽车行驶运行中使用，又能在在停车间歇期间即在内燃机切断情况下用作辅助能量源。本发明的驱动单元因而既具有用于内燃机废热利用的系统，又具有用于优选在内燃机静止时间期间给车辆供应以辅助能量的设备。这里重要的是，利用按照本发明设置的第二热源可给热驱动的能量变换器提供热量，第二热源还与废热利用系统连接。

热驱动的能量变换器因而可以有选择地由发动机废热或者由第二热源或者共同地由两个热源被供应以热量。通过这种措施可以考虑，带有发电机的热驱动的能量变换器既给在汽车行驶运行期间所需要的机组又给在车辆停车间歇期间所需要的辅助负载和电器网络提供电能或机械功。

在本发明的一种特殊的实施方式中，热驱动的能量变换器具有至少一个蒸汽式膨胀机，蒸汽式膨胀机机械地耦联有用于将机械功变换成电能的发电机。蒸汽式膨胀机优选是活塞式发动机。替代地可以考虑，蒸汽式膨胀机是单级或多级的汽轮机，汽轮机又机械地与用于产生电能的发电机耦联。

还可以考虑，对用于实现蒸汽循环过程所需要的组件的基本结构予以如下简化：作为能量变换器的组成部分，使用带有整合的直线发电机的自由活塞发动机。由于如此地将蒸汽式膨胀机和发电机整合在一个结构单元中，故整体上所需要的结构空间得到了减小。

本发明的一种特殊的实施方式规定，其它组件如蒸发器和/或冷凝器汇总在均高度整合的构件中，在所述蒸发器中，在废热利用回路中循环的工作介质至少部分地蒸发，在所述冷凝器中，工作介质至少部分地液化。

在本发明的驱动单元的另一种适当的设计方案中，热驱动的能量变换器因此具有至少一个蒸发器，在蒸发器中，通过来自内燃机和/或来自后置于内燃机的排气系统和/或来自车辆冷却系统和/或来自第二热源的废热，将工作介质至少部分地蒸发。在这种情况下，废气所流过的热交换器、蒸发器和至少一个其它的热源，按照优选的设计方式被构造成高度整合的构件。

本发明的驱动单元的另一种适当的设计方案规定，热驱动的能量变换器具有至少一个蒸发器，由于输送内燃机废热和/或由第二热源所产生的热量，蒸发器将工作介质至少部分地蒸发。在这种情况下，蒸发器优选共同地与蒸汽式膨胀机被设计成一个高度整合的构件，蒸汽态的工作介质在所述蒸汽式膨胀机中至少部分地减压。

在本发明的驱动单元的另一种特殊的实施方式中，热驱动的能量变换器具有至少一个冷凝器，在冷凝器中，减压的工作介质至少部分地冷凝即液化。以此方式将冷凝器共同地与带有发电机的蒸汽式膨胀机设计成一个高度整合的构件。

替代于或补充于前述热驱动的能量变换器，本发明的一种特殊改进方案规定，能量变换器具有热电的发电机，特别是利用热电效应的发电机。

另外可以考虑，设置有吸附或吸收式制冷设备，其由废热利用系统和/或另一热源供应以热量，以便以此方式将冷气作为所希望的有效能量提供给车辆内部空间。对于相应的吸附或吸收式制冷过程，在下面将不予详述，因为这些过程通常是公知的。相关地重要的是，对于这些过程作为驱动能量所需要的热量，按照本发明由废热利用系统或能量变换器和/或另一热源来提供。

本发明的一种特殊的实施方式规定，另一热源具有油燃烧器，优选为使用相应车辆所需要的燃油燃烧的燃烧器。不言而喻，相关地可以考虑，根据相应车辆的类型或所使用的燃油，也可使用气体燃烧器，其优选是表面式燃烧器或所谓的混合式燃烧器或者是吸收式燃烧器。

在按照本发明设计的驱动单元的一种非常合适的设计方式中，设置有控制单元，利用该控制单元可使得另一源按如下方式工作：至少在内燃机脱离运行时或者一旦内燃机脱离运行，可由该另一热源给能量变换器供应以热量。相关地也可考虑，在汽车内部设置有蓄热盘管和/或蓄冷盘管，在车辆运行期间积蓄的热量和/或冷气蓄存在所述盘管中，且在内燃机切断之后供应于相应的辅助负载。作为补充，根据一种特殊的改进可以考虑，还至少在某些时段由蓄热盘管给带有发电机的热驱动的能量变换器供应以产生电流所需要的热量。

根据本发明的另一实施方式，规定可用另一热源给汽车乘客车厢或驾驶室供应以热量。作为替代或补充，当然也可以由另一热源给吸收式或吸附式制冷机供应以热量。

特别是对于重型商用车辆以及长途客车来说，在长久行驶期间，利用内燃机的废热或损耗热是一种有利于车辆经济而生态地运行的有益方案。对于这种车辆，始终都要注意，无论在车辆行驶中，还是在车辆静止时，特别是还在车辆内燃机同时静止时，必须考虑取暖、使用空调和供电。当今还应考虑到，在进行城市旅行而在市中心停留时，通常不允许内燃机运行，或者至少在车辆静止时间期间内不允许内燃机运行，因为设有相应的环保区。出于这个原因，特别是对于长途客车来说，将来日益需要辅助能量供应系统，这种辅助能量供应系统在内燃机静止期间可靠地分别给车辆供应以所需要形式的能量。

附图说明

下面在不限制通用的发明构思的情况下，对照附图详细介绍本发明。图中示出：

图1示出利用膨胀机的蒸汽过程，在该蒸汽过程中有两个热源提供产生蒸汽所需要的热量；

图2示出一种驱动单元，其带有热交换器和其它热源和斯蒂林发动机（Stirlingmaschine）和/或另一热电偶发电器；

图3示出高度整合的构件，其中燃烧器直接整合到第一蒸汽产生器中；以及

图4示出一种具有膨胀机的废热利用系统，该膨胀机带有整合的发电机。

具体实施方式

按照图1所示的设备配置线路图，一方面，发动机废热形式的内燃机1的废热，另一方面，来自燃烧器6形式的另一热源2的热量，可传递至具有蒸汽回路3的废热利用系统5，且可通过膨胀机4得以利用。具有蒸汽回路3的废热利用系统5因而能有选择地或者补充地被两个热源1、2供应以热量。在所示实施例中，热量的用途是，在至少一个蒸发器中将工作介质蒸发，将在这种情况下产生的蒸汽输送给用于减压的膨胀机4，最后借助与膨胀机4机械耦联的发电机7产生电能。

第一热源由内燃机1和后置的废气热交换器8构成，在该废气热交换器中，废气中含有的热量至少部分地传递至废热利用系统5的工作介质，并以此方式实现工作介质的蒸发。在这里，废气热交换器8布置在排气系统10的区域中，使得离开废气涡轮机9的废气流入到热交换器8中。经过适当设计，也可以考虑替代地或补充地利用发动机冷却回路11的热量、增压空气冷却器的热量、使得废气在至少部分地返回到增压空气中之前冷却的另一排气热量回收器的热量、和/或废气后处理机构的废热，用于图1中所示的废气热量利用。

图1中所示的另一热源2是燃烧器6，其被供应以种类与车辆相同的燃油，在本例中被供应以柴油。燃烧器6后置有蒸发器12，一方面把离开燃烧器6的燃烧废气，另一方面把液态工作介质输送给该蒸发器。液态工作介质在蒸发器12中蒸发，最后被输送给用于减压的膨胀单元4。燃烧器6的燃烧腔室以及蒸发器12在此以有利的方式整合到一个共同的结构单元中。作为用于产生燃烧废气的燃烧器6，可以有选择地使用带有开放式（offen）火焰的燃烧器，其例如也用于停车采暖装置（Standheizung），或者也可以使用吸收式燃烧器。

图1中所示的设备配置方案的主要特征在于，用于产生蒸汽进而用于产生电能所需要的热量可以有选择地或者补充地由废气热量得到，或者特别是在内燃机切断情况下由借助于燃烧器6产生的燃烧气体得到。因此采用所述技术方案，在所有工况下，即无论在负载要求部分显著变化地行驶运行时，还是在车辆暂停且内燃机1通常熄火时，都确保给车辆供应以热量和电流。

图2示出本发明的另一种设备设计方案。在这种情况下也有两个热源可供使用，这些热源分别单独地或者共同地给用于产生电能的单元供应以所需要的热量。与图1中所示的技术方案不同的是，代替使得工作介质减压的膨胀机而设置有用于产生电能的单元13，该单元为了产生电流而利用热侧14与冷侧15之间的温度差。图2中所示的用于产生电流的单元13是斯蒂林发动机，其输出轴也与发电机7机械地耦联。也可以考虑将电流产生单元设计成热电的发电机，其利用热侧14与冷侧15之间的温度差，同时利用热电效应。

无论使用两个前述电流产生单元13中的哪一个，都在冷侧15设置有冷却回路，以便排出损耗热量。为了在冷侧15排出损耗热量，使用传热器、冷却剂泵以及空气冷却的传热器，其也称为散热器风扇系统。

图3示出按照本发明设计的车辆驱动单元，该驱动单元具有废热利用系统5，从中排出的热量既在电能产生单元中使用，又用于给车辆提供有效热量。首先，一个主要的特征在于，仅设置有一个蒸发器12，可以将来自废气的热量和/或来自燃烧器6形式的用于使得工作介质蒸发的另一热源2的热量，有选择地或者共同地输入到所述蒸发器中。燃烧器在此以有利的方式整合到蒸发器12中。

另外，在根据图3的设备配置中，沿着流向在冷凝器16（这里为换热器）之后设置有另一传热器17，利用该传热器，可以在工作介质在车辆散热器18中再次处于所需要的初始温度之前，将在再次液化的工作介质中含有的余热至少部分地作为有效热量传递至形式为车辆供暖装置和/或吸附或吸收式制冷设备的冷却源24。考虑到每次所需要的温度水平，原则上也可以设想使得冷凝器16以及供暖传热器17相对于图3中所示的变型方案以相反的顺序被工作介质穿流。

此外如由图3可见，再次处于初始状态的工作介质在穿流车辆散热器18之后分别至少部分地被引导经过冷凝器16的冷侧、发动机散热器19，以及接下来经过蒸发器12和/或增压空气散热器20。同样，工作介质可以补充地或者替代地被引导经过废气热交换器，发动机废气在导入到发动机进气（Motorzuluft）中之前在该废气热交换器中被冷却。在任何情况下，工作介质在前述热传递中都至少部分地吸收热量，并以此方式将热量输送给蒸汽循环过程。根据需要，借助于相应的调节阀对工作介质的体积流量进行调节。

另外，代替一个合适的散热器网（Kühlernetz），通过热交换器来排出发动机热量。以此方式可以将发动机冷却水的热量用于给有待蒸发的工作介质预先加热。余下的散热器网相应地设计尺寸较大，以便将所产生的不能再利用的余热排放到周围环境中。

最后，图4示出另一种可以考虑的本发明的设备配置方案，其能进一步减少所需部件的数量。对于所示技术方案来说，重要的是，膨胀机21与整合的发电机7即蒸汽式直线发电机一起使用。蒸汽式直线发电机的优点特别是在于，工作介质直到湿蒸汽区域中都能减压。以此方式将第一冷凝器级整合到用于使得蒸汽膨胀和利用发电机产生电能的单元中。因而相比于没有第一冷凝器级的系统，沿着工作介质的流向置于蒸汽式直线发电机21之后的冷凝器16可以在膨胀单元的区域中小而紧凑地设计。

附图标记列表

1 内燃机

2 另一热源

3 蒸汽回路

4 膨胀单元

5 废热利用系统

6 燃烧器

7 发电机

8 废气热交换器

9 废气涡轮机

10 排气系统

11 发动机冷却回路

12 蒸发器

13 利用温度差产生电能的单元

14 热侧

15 冷侧

16 冷凝器/换热器

17 供暖传热器

18 空气冷却的传热器/风扇-冷却系统

19 发动机冷却传热器

20 增压空气散热器

21 带有整合的冷凝器的蒸汽式直线发电机

22 冷却剂泵

23 工作介质泵、工作介质压缩器

24 冷却源

25 调节阀。

Claims (15)

1.汽车的驱动单元，具有：与输出轴耦联的内燃机（1）；和废热利用系统（5），利用废热利用系统借助热驱动的能量变换器（4、13、21）将至少一部分从内燃机（1）和/或从后置于内燃机（1）的排气系统（10）排出的废热变换成至少部分地可输送给至少一个汽车辅助负载和/或电器网络的电能，

其特征在于，除了废热利用系统（5）外，还设置有另一热源（2），通过该热源可给热驱动的能量变换器（4、13、21）供应以热量。

2.如权利要求1所述的驱动单元，其特征在于，废热从对运行中的内燃机进行冷却的冷却系统排出。

3.如权利要求1或2所述的驱动单元，其特征在于，热驱动的能量变换器具有至少一个蒸汽式膨胀机（4），蒸汽式膨胀机机械地耦联有用于将机械功变换成电能的发电机（7）。

4.如权利要求1至3中任一项所述的驱动单元，其特征在于，热驱动的能量变换器具有汽轮机（4），所述汽轮机机械地耦联有发电机（7）。

5.如权利要求1至3中任一项所述的驱动单元，其特征在于，热驱动的能量变换器具有活塞式发动机（4），所述活塞式发动机机械地耦联有发电机（7）。

6.如权利要求1至5中任一项所述的驱动单元，其特征在于，热驱动的能量变换器具有自由活塞发动机（4），所述自由活塞发动机整合有直线发电机（7）。

7.如权利要求1至6中任一项所述的驱动单元，其特征在于，设置有至少一个蒸发器（8、12），在所述蒸发器中，通过来自内燃机（1）和/或来自后置于内燃机（1）的排气系统（10）的废热，将工作介质至少部分地蒸发，蒸发器（8、12）与蒸汽式膨胀机（4）被设计成一个整合的构件，蒸汽态的工作介质在所述蒸汽式膨胀机中至少部分地减压。

8.如权利要求3所述的驱动单元，其特征在于，设置有用于使得至少部分为蒸汽态的工作介质液化的冷凝器（16），所述冷凝器与发电机（7）一起被设计成一个整合的构件。

9.如权利要求1至8中任一项所述的驱动单元，其特征在于，为了进行热量传递，设置有一个整合的构件，该构件具有被废气穿流的废气热交换器（8）、蒸发器和另一热源（6），工作介质在所述蒸发器中至少部分地蒸发。

10.如权利要求1至9中任一项所述的驱动单元，其特征在于，热驱动的能量变换器具有热电的发电机（13），特别是利用热电效应的发电机。

11.如权利要求1至10中任一项所述的驱动单元，其特征在于，热驱动的能量变换器具有斯蒂林发动机（13）。

12.如权利要求1至11中任一项所述的驱动单元，其特征在于，设置有至少一个利用废热的吸收式和/或吸附式制冷设备。

13.如权利要求1至12中任一项所述的驱动单元，其特征在于，热驱动的能量变换器至少在内燃机（1）脱离运行时可被所述另一热源（2）供应以热量。

14.如权利要求1至13中任一项所述的驱动单元，其特征在于，可利用所述另一热源（2）给汽车的采暖系统供应以热量。

15.如权利要求1至14中任一项所述的驱动单元，其特征在于，可利用所述另一热源（2）给汽车的吸收式和/或吸附式制冷设备供应以热量；所述另一热源（2）具有油燃烧器或气体燃烧器（6）。

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