CN104214006A - 带有可联接的余热利用装置的机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车，其带有：内燃机(20)；传动系(21)，用以使所述内燃机(20)与所述机动车的至少一个驱动轮相联接；辅助设备(1)；余热利用装置(10)，所述余热利用装置具有与所述内燃机(20)热耦合的、用于加热工质的吸热器(11)和通过被加热的工质被驱动的做功机械(12)；和离合装置(2、31-33、41-43)，用以确保所述做功机械(12)与所述传动系(21)和/或所述辅助设备(1)的联接。

Description

带有可联接的余热利用装置的机动车
技术领域
本发明涉及一种带有余热利用装置的机动车，所述余热利用装置能够可选地与机动车的传动系和/或辅助设备联接，本发明还涉及一种用于运行这种机动车的方法和用于实施这种方法的计算机程序产品。
背景技术
当工质通过机动车的内燃机的余热被加热并被在做功机械中膨胀时，这样可以使所述余热通过与机动车的传动系机械式联接的做功机械转化为驱动功率——这尤其在机动车的稳定运行状态中是有利的。另一方面，与机动车的发电机机械联接的做功机械产生电功率，所述电功率能够被更加灵活地应用、尤其能够被暂存——这相应地尤其在机动车的非稳定运行状态中是有利的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，对机动车的运行进行改进。
所述技术问题是通过一种机动车解决的，所述机动车带有内燃机、传动系，用以使所述内燃机与所述机动车的至少一个驱动轮相联接、辅助设备、余热利用装置，所述余热利用装置具有与所述内燃机热耦合的、用于加热工质的吸热器和通过被加热的工质被驱动的做功机械，并带有离合装置，用以确保所述做功机械与所述传动系和/或所述辅助设备的联接。本发明还提供了一种用于运行相应的机动车的方法和一种用于实施相应方法的计算机程序产品。
根据本发明的一个方面，机动车、尤其轿车具有内燃机、尤其是汽油发动机和柴油机以及传动系，用于使内燃机通过机械方式(尤其可选地)与机动车的一个或多个驱动轮进行联接。传动系尤其可以具有内燃机的曲轴、自动离合装置、换挡离合装置和/或变速装置。
根据本发明的一个方面，所述机动车具有带有吸热器的余热利用装置，所述吸热器为了对余热利用装置的工质进行加热而与内燃机在热力学上尤其持续地或可选地相联接。所述吸热器尤其可以与内燃机的废气管道热耦合，或者说为此被设计用于与从内燃机流经废气管道的废气进行换热。在一种实施方式中，所述吸热器可以被设计用于工质压力的部分蒸发或完全蒸发。为此，所述工质可以是处于沸点或露点的流体，所述工质在通过从内燃机流经废气管道的废气被加热时部分或完全蒸发。
所述余热利用装置在吸热器的下游具有做功机械，所述做功机械尤其持续地或可选地通过加热的流体被驱动或者说可被驱动。所述做功机械尤其可以是被设计用于释放工质的透平机和/或螺旋膨胀机和/或活塞机械。尤其当所述吸热器被设计用于蒸发工质压力时，所述透平机可以是蒸汽轮机。
在一种实施方式中，所述余热利用装置具有用于冷却工质的散热器，所述散热器被布置在做功机械的下游。所述散热器尤其可以与机动车的空调设备和/或内燃机的进气口热耦合，和/或为此被设计用于与机动车外部环境进行换热。在一种实施方式中，所述散热器可以设计用于工质压力的冷凝。为此，所述工质可以是处于沸点或露点的工质，所述工质在通过散热器被冷却时部分或完全冷凝。
附加地或可选地，所述余热利用装置可以具有动力机械，用以尤其持续地或可选地供给工质，所述动力机械被布置在吸热器的上游。所述动力机械能够具有或尤其可以是用于提高工质压力的泵。在一种实施方式中，所述泵可以是进料泵，所述进料泵可以与内燃机机械联接和/或具有电驱动装置，所述电驱动装置通过机动车的蓄能装置被供电或者说可被供电。
在一种实施方式中，所述余热利用装置可以被设计用于实施朗肯循环、尤其是克劳修斯-朗肯循环、尤其是有机朗肯循环(“Organic Rankine Cycle”ORC)，或者尤其可选地实施这种工作循环。
根据本发明的一个方面，所述机动车具有离合装置，用于使所述做功机械可选地与传动系联接。在一种实施方式中，所述离合装置被设计用于使做功机械与传动系机械可选地联接或与传动系机械脱耦。相应地，在根据本发明的一个方面的方法中，所述做功机械尤其通过控制装置的开关装置可选地与传动系机械联接或与传动系机械脱耦，所述开关装置与离合装置信号通信连接，并且被设计用于基于机动车的运行状态使做功机械与传动系可选地联接。
在本发明的实施方式中，通过做功机械与传动系的可选的机械联接或者机械脱耦，所述余热利用装置的做功机械可以有利地以较高的效率将驱动功率调制到传动系上，并且这样降低了由内燃机产生的驱动功率，和/或提高了可供使用的总体驱动功率。在实施方式中，可以通过这种方式降低燃油消耗和/或提高车辆性能。
机械联接尤其可以在稳定的运行状态中是有利的。相应地，在改进方式中，所述做功机械尤其通过控制装置或开关装置在机动车的稳定运行状态中与传动系联接，而在非稳定运行状态中与传动系脱耦。所述稳定运行状态尤其是指这样的运行状态，内燃机在该运行状态下具有至少大体上恒定的转速，和/或输出至少大体上恒定的扭矩；相应地，所述非稳定运行状态尤其是指这样的运行状态，内燃机在该运行状态下具有尤其至少5％的可变转速，和/或输出尤其至少10％的可变扭矩。在实施方式中，由此可以降低燃油消耗和/或提高车辆性能。
附加地或可选地，在一种改进方式中，所述做功机械尤其通过控制装置或开关装置在机动车的加速状态下与传动系联接，而在减速状态下与传动系脱耦。所述加速状态尤其是指这样的运行状态，机动车的行驶速度在该运行状态下提高；相应地，所述减速状态尤其是指这样的运行状态，机动车的运行速度在该运行状态下降低。在实施方式中，由此还可以降低燃油消耗和/或提高车辆性能。
附加地或可选地，在一种改进方式中，所述做功机械尤其通过控制装置或开关装置在机动车的暖机状态下与传动系联接，而在暖机后的运行状态下与传动系脱耦。所述暖机状态尤其是指这样的运行状态，机动车的内燃机温度在该运行状态下被提高到运行温度；相应地，所述暖机后的运行状态尤其是指这样的运行状态，内燃机在该运行状态下具有所述运行温度。在实施方式中，由此也可以降低燃油消耗和/或提高车辆性能：尤其有利的是，在进行暖机的同时，余热利用装置的动力机械停止工作，并且所述动力机械在此与传动系脱耦。
在本发明的一种实施方式中，所述做功机械可以持续地与机动车的辅助设备、尤其是发电机联接，所述发电机在改进方式中被设计用于为机动车的蓄能装置充电和/或用于为一个或多个耗电装置、尤其是电驱动装置、电加热装置或类似装置供电，或者说为其充电或供电。在一种实施方式中，当所述做功机械(也)与传动系机械联接时，就实现了功率分流，在实施方式中，当做功机械与传动系脱耦时只驱动辅助设备。通过这种方式，尤其可以在非稳定运行状态下、减速和/或暖机状态下将由内燃机排放的热量通过余热利用装置只应用到辅助设备、尤其是发电机中。这可以节约能源，尤其可以具有比向传动系的机械转化更高的效率。
同样的，在本发明的实施方式中，所述做功机械还可以可选地与辅助设备机械联接，尤其在非稳定运行状态下、在减速状态和/或暖机状态下与辅助设备联接，而在稳定运行状态下和/或加速状态下脱耦，以便将源自内燃机的热量通过余热利用装置只被应用到传动系中。相对于做功机械与传动系的可选的机械联接，附加地或可选地，还可以设置所述做功机械与辅助设备的可选的机械联接。在实施方式中，辅助设备或传动系与做功机械的持续的机械连接可以更容易、更可靠和/或更经济。辅助设备以及传动系与做功机械的可选的机械联接可以提高灵活性，并且在实施方式中这样进一步降低燃油消耗，并/或进一步提高车辆性能。
在实施方式中，所述离合装置具有牵引装置、与牵引装置作用连接的用于进行传动系的机械脱耦的传动系片、与牵引装置作用连接的用于进行辅助设备的机械脱耦的辅助设备片、以及与牵引装置作用连接的用于进行做功机械的机械脱耦的做功机械片。在实施方式中，通过牵引装置可以有利地补偿波动和/或公差。
所述牵引装置可以是带有一个或多个尤其呈楔形的纵向加强筋的加强筋皮带、尤其可以是楔形皮带或所谓的多楔带，所述加强筋皮带与传动系片、辅助设备片和做功机械片摩擦接合地作用连接。同时，所述牵引装置可以是带有多个尤其呈楔形的横向加强筋的加强筋皮带，所述加强筋皮带与传动系片、辅助设备片和做功机械片形状配合地作用连接。所述牵引装置还可以具有、尤其是链条、牵引履带或类似装置。在实施方式中，通过这种机械牵引装置可以实现更高的机械效率。
在实施方式中，为了实现所述做功机械与传动系的可选的联接，所述离合装置尤其具有电动、气动和/或液压的可控的离合器，用以使传动系片与传动系可选地联接，在改进方式中，所述传动系片由控制装置的开关装置控制或操作。所述离合器可以尤其可选地与传动系和传动系片分离，或与传动系和传动系片机械地、尤其摩擦接合和/或形状配合地联接。
在实施方式中，附加地或可选地，为了实现所述做功机械与辅助设备的可选的联接，所述离合装置尤其具有电动、气动和/或液压的可控的离合器，用以使辅助设备片与辅助设备可选地联接，在改进方式中，所述辅助设备片由控制装置的开关装置控制或操作。所述离合器可以尤其可选地与辅助设备的驱动轴和辅助设备片分离，或与辅助设备的驱动轴和辅助设备片机械地、尤其摩擦接合和/或形状配合地联接。
在实施方式中，附加地或可选地，为了实现所述做功机械与传动系和/或辅助设备的可选的连接，所述离合装置尤其具有电动、气动和/或液压的可控的离合器，用以使做功机械片与做功机械可选地连接，在改进方式中，所述做功机械片由控制装置的开关装置控制或操作。所述离合器可以尤其可选地与做功机械的驱动轴和做功机械片分离，或与做功机械的驱动轴和做功机械机械地、尤其摩擦接合和/或形状配合地连接。
通过这种方式，所述传动系片、辅助设备片或做功机械片可以有利地与牵引装置保持作用连接。所述机械联接尤其是指机械的、尤其摩擦接合和/或形状配合的连接，所述连接被设计用于传递在一个或两个旋转方向上的扭矩。在改进方式中，所述做功机械片可以通过单向离合器(Freilauf)与做功机械机械联接，从而使得即使做功机械被机械联接的情况下，传动系的较高转速也不能或仅非常有限地反作用于做功机械上。在实施方式中，可以通过这种方式优化余热利用装置或余热利用装置的运行。
在实施方式中，所述离合装置尤其被设计用于使做功机械与传动系的曲轴可选地机械联接，这在改进方式中是通过所述牵引装置和可控的离合器实现的，所述可控的离合器位于与牵引装置作用连接的传动系片与内燃机的曲轴之间，由此，所述可控的离合器还同时是内燃机和传动系的部件，或者说构成了内燃机与传动系之间的连接段。
在本发明的意义上，控制装置或开关装置可以按照硬件技术和/或软件技术来设计，尤其可以具有优选与存储系统和/或总线系统进行数据及信号通信连接的(尤其)数字处理器、尤其微处理器(CPU)和/或一个或多个程序或程序模块。所述CPU为此可以被设计用于，处理作为存储在存储系统中的程序而被置入的指令、检测来自数据总线的输入信号和/或向数据总线发送输出信号。存储系统可以具有一个或多个、尤其不同的存储介质、尤其具有光学的、磁性的、固体的和/或其他不易失的介质。所述程序可以被这样完成，即用于实现或者说实施在此所描述的方法，从而使CPU能够实施这种方法的步骤，并且由此尤其可以控制所述离合装置。在实施方式中，所述控制装置还可以被设计用于，对内燃机和/或余热利用装置、尤其余热利用装置的工质流进行控制、尤其调节。相应地，在实施方式中，所述控制装置或开关装置具有、尤其是机动车的电机控制装置。
附图说明
由从属权利要求和以下对优选实施方式的描述给出了本发明的其他有利的改进方式。在附图中部分示出：
图1为根据本发明实施方式的机动车的部件；和
图2为根据本发明的实施方式用于运行图1的机动车的方法。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施方式的机动车的部件，该机动车具有内燃机20，所述内燃机在图1中由曲轴21、两个转动曲轴的、在气缸23中工作的活塞22、空气-燃料输入管道24(在此，空气和燃料也可以单独地输入燃烧室中)以及废气管道25表示。所述曲轴21同时也被表示为机动车的传动系的部件，用以使内燃机21与机动车的两个驱动轮以已知的方式联接(未示出)。
所述机动车还具有以发电机1形式的辅助设备，所述发电机被设计用于，对机动车的蓄能装置、例如车载电池进行充电，和/或为机动车的耗电装置进行供电(未示出)。
所述机动车还具有余热利用装置10，用以实施朗肯循环过程。所述余热利用装置10具有吸热器11，所述吸热器与内燃机20的废气管道25热耦合，并且将从气缸23流经废气管道25的废气所带有的热量传递给工质，所述工质由此被加热，并且蒸发。在此，所述热量输送是通过活门系统或/和阀系统可开关地被控制。
通过蒸汽或者说被加热的工质使形式为膨胀机12的做功机械被驱动，所述蒸汽被在所述做功机械中膨胀。在所述膨胀机12下游布置有用于冷却蒸汽的散热器13，工质在所述散热器13中冷凝。在所述散热器13的下游和吸热器11的上游布置有形式为泵14的动力机械，用以沿图1所示箭头所表明的流动方向输送工质，所述泵提高了工质压力。
所述机动车还具有离合装置，用以使膨胀机12与曲轴21可选地联接。附加地或可选地，所述离合装置还可以被设计用于将膨胀机12与发电机1可选地联接。为了进行紧凑的图示而将所述不同的实施方式共同示出在图1中。
所述离合装置具有形式为多楔带2的牵引装置，利用所述牵引装置使做功机械片41、传动系片42以及辅助设备片43摩擦接合地作用连接。
在实施方式中，所述离合装置具有可控的离合器31，用以使传动系片42与曲轴21可选地联接。
可选地，所述离合装置能够具有可控的离合器33，用以使辅助设备片43与发电机1可选地联接。同样的，在未示出的变形方式中，所述发电机1还可以持续地或者说无离合地与辅助设备片43联接，而为了更紧凑的图示共同示出在图1中的离合器33则不被考虑在这种变形方式中。
附加地或可选地，所述离合装置可以具有可控的离合器31，用以使做功机械片41与透平机12可选地联接。同样的，在未示出的变形方式中，所述透平机12还可以持续地或者说无离合地与做功机械片41联接，而为了更紧凑的图示共同示出在图1中的离合器31则不被考虑在这种变形方式中。在所述膨胀机12与做功机械片41之间布置有单向离合器(未示出)，考虑到做功机械片与传动系片41；42的传动比，当膨胀机12的驱动转速大于曲轴21的转速时，所述单向离合器被锁定，或者说透平机12与做功机械片41持续地或者说无离合地联接，否则所述单向离合器被打开，或者说透平机12与做功机械片41分开。这也被称为透平机12与做功机械片41的无离合或持续联接。
在另一种未示出的变形方式中，所述曲轴21也与传动系片42持续地或者说无离合地联接，为了更紧凑的图示而共同示出在图1中的离合器32则不被考虑在这种变形方式中。在此情况下，优选设有图1所示的离合器31和/或离合器33。
通过可控的离合器31、32和/或33中的一个或多个，所述膨胀机12可以与曲轴21和/或发电机1可选地机械联接或与之脱耦。
为此，所述机动车还具有形式为电机控制装置3的控制装置，所述电机控制装置带有形式为相应设计的电机控制装置3的部件或程序的开关装置。如在图1中通过虚线箭头所示，所述电机控制装置3与离合器31、32和/或33的电磁的、电机驱动的、液压驱动的或气动的执行器(在图1中利用被涂实的矩形表示)形成信号通信连接。
所述电机控制装置3及其开关装置被设计用于实施根据本发明的用于机动车运行的方法，所述方法接下来将结合图2进一步详细阐述。
在步骤S10中检测所述机动车的运行状态，尤其是检测所述机动车或其内燃机20是处于稳定运行状态或加速状态，还是处于非稳定运行状、减速状态或暖机状态。
当通过步骤S10测得，所述机动车或其内燃机20处于稳定运行状态或加速状态(S10：“Y”)，则所述方法或者说电机控制装置3继续进行步骤S20，在该步骤中，透平机12与曲轴21机械联接。
为此，在仅设有离合器32的实施方式中，所述离合器32在步骤S20中被接通。在附加地或可选地还设置有离合器31的变形方式中，所述离合器31在步骤S20中被接通。在附加地或可选地还设置有离合器33的变形方式中，所述离合器33可以在实施方式中在步骤S20中被断开，用以抑制向发电机1的功率分流。在可选的实施方式中，所述离合器33在步骤S20中被接通，用以使透平机12的发出功率向曲轴21和发电机1分流。
如果通过步骤S10测得，所述机动车或其内燃机20处于非稳定运行状态、减速状态或暖机状态(S10：“N”)，则所述方法或者说电机控制装置3继续运行步骤S30，在该步骤中，透平机12与曲轴21脱耦。
为此，在仅设有离合器32的实施方式中，所述离合器32在步骤S30中断开。在附加地或可选地设有离合器31的变形方式中，所述离合器31在步骤S30中被断开。在附加地或可选地设有离合器33的变形方式中，所述离合器33可以在实施方式中在步骤S30中被断开，用以使发电机1与透平机12也脱耦。在可选的实施方式中，所述离合器33可以在步骤S30中被接通，用以使透平机12的输出功率被导向发电机1。
经过步骤S20或S30之后，所述方法或者说电机控制装置3返回到步骤S10。
尽管在上述描述中仅阐述了示例性示出的实施方式，然而要说明的是，还可以存在大量的变形方式。如前所述，尤其多种不同的实施方式为紧凑的图示而在图1中共同示出，其中，在一种实施方式中可以省去或不考虑离合器31、33，在另一种实施方式中可以省去或不考虑离合器31或33，用以使膨胀机12与曲轴21可选地联接或与之脱耦。此外要说明的是，示例性示出的实施方式仅被视为范例，不应以任何方式对保护范围、应用性和结构构成限制。然而本领域技术人员可以通过上述描述得到启示，从而实现至少一种示例性的实施方式，其中，在不脱离由权利要求和等效技术特征组合得到的保护范围的情况下，尤其可以在所述部件的功能和布置方面进行多种变化。
附图标记清单
1           发电机
2           多楔带
3           电机控制装置
10          余热利用装置
11          吸热器
12          膨胀机
13          散热器
14          进料泵
20          内燃机
21          曲轴
22          活塞
23          气缸
24          空气-燃料输入管道
25          废气管道
31、32、33  离合器
41          做功机械片
42          传动系片
43          辅助设备片

Claims (12)

1.一种机动车，具有：
内燃机(20)，
传动系(21)，用以使所述内燃机(20)与所述机动车的至少一个驱动轮相联接，
辅助设备(1)，
余热利用装置(10)，所述余热利用装置具有与所述内燃机(20)热耦合的、用于加热工质的吸热器(11)和通过所述被加热的工质被驱动的做功机械(12)，
和离合装置(2、31-33、41-43)，用以可选地将所述做功机械(12)与所述传动系(21)和/或所述辅助设备(1)相联接。
2.根据权利要求1所述的机动车，其中，所述余热利用装置(10)具有用于冷却所述工质的散热器(13)和/或用于输送所述工质的动力机械(14)，所述散热器被布置在所述做功机械(12)的下游，所述动力机械被布置在所述吸热器(11)的上游。
3.根据权利要求1或2所述的机动车，其中，所述做功机械具有用于使所述工质膨胀的膨胀机(12)，所述动力机械具有用于提高所述工质压力的泵(14)，所述吸热器(11)与所述内燃机(20)的废气管道(25)热耦合和/或被设计用于蒸发所述工质，所述散热器(13)被设计用于冷凝所述工质，和/或所述余热利用装置(10)被设计用于实施朗肯循环。
4.根据上述权利要求中任一项所述的机动车，其中，所述离合装置具有牵引装置(2)、与所述牵引装置作用连接的传动系片(42)、辅助设备片(43)和做功机械片(41)，并具有
可控的离合器(32)，用以使所述传动系片(42)与所述传动系(21)可选地联接，
可控的离合器(33)，用以使所述辅助设备片(43)与所述辅助设备(1)可选地联接，和/或
可控的离合器(34)，用以使所述做功机械片(41)与所述做功机械(12)可选地联接。
5.根据上述权利要求中任一项所述的机动车，其中，所述牵引装置具有带有至少一个纵向加强筋的加强筋皮带(2)，并且与所述传动系片(42)、辅助设备片(43)和做功机械片(41)摩擦接合地作用连接。
6.根据上述权利要求中任一项所述的机动车，其中，所述做功机械片(41)通过单向离合器与做功机械(12)相联接。
7.根据上述权利要求中任一项所述的机动车，其中，所述传动系具有曲轴(21)，并且其中，所述离合装置(2、31-33、41-43)被设计用于可选地将所述做功机械(12)与所述曲轴(21)相联接。
8.根据上述权利要求中任一项所述的机动车，其中，所述辅助设备具有发电机(1)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的机动车，所述机动车带有控制装置(3)，所述控制装置与所述离合装置(2、31-33、41-43)信号通信地连接，并且具有开关装置，用以使所述做功机械(12)基于所述机动车的运行状态与所述传动系(21)和/或辅助设备(1)可选地联接。
10.一种用于运行根据上述权利要求中任一项所述的机动车的方法，其中，所述做功机械(12)可选地与传动系(21)和/或与辅助设备(1)相联接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述做功机械(12)在稳定运行状态和/或加速状态下与所述传动系(21)相联接(S20)，和/或在非稳定运行状态、减速状态和/或暖机状态下与所述传动系(21)脱耦(S30)。
12.一种带有程序编码的计算机程序产品，所述程序编码被存储在计算机可读的介质中，用以实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。
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