DE102006003815A1

DE102006003815A1 - Assistenzantrieb für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006003815A1
Application number: DE102006003815A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. med. Teichert; Elmar Grandy; Axel Ahnert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Assistenzantrieb für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem ersten Wärmetauscher (7, 8), der durch Abwärme der Brennkraftmaschine (1) eine Arbeitsflüssigkeit erhitzt sowie mit einer ersten Expansionsmaschine (10), die von der von dem ersten Wärmetauscher (7, 8) erhitzten Arbeitsflüssigkeit angetrieben wird. Es wird vorgeschlagen, dass als Expansionsmaschine (10) eine Rotationsmaschine mit zwei Drehkolben verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Assistenzantrieb für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Von der Firma Bayerische Motorenwerke AG (BMW) ist unter der Bezeichnung Turbosteamer ein Assistenzantrieb für eine Brennkraftmaschine entwickelt worden, der die in dem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Abgaswärme ausnutzt. Hierzu ist im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ein Wärmetauscher angeordnet, der Wasser auf bis zu 550°C bei einem Druck von bis zu 40 bar erhitzt. Das auf diese Weise erhitzte Wasser dient als Antriebsmedium für eine Expansionsmaschine (Dampfmaschine), die die Brennkraftmaschine unterstützt. Nach der Energieabgabe in der Expansionsmaschine wird der dann noch rund 150°C heiße Dampf in einem weiteren Wärmetauscher (Kondensator) zu Wasser kondensiert und von einer Hochdruckpumpe erneut zu dem Wärmetauscher im Abgastrakt der Brennkraftmaschine gefördert. Der Kondensator ist hierbei in einem zweiten Dampfkreislauf angeordnet, in dem auch die Abwärme der Motorkühlflüssigkeit ausgenutzt wird. In diesem zweiten Dampfkreislauf strömt Ethanol mit einem Siedepunkt von ungefähr 78°C, wobei das Ethanol durch die Restwärme des Hochtemperaturkreislaufs und zusätzlich durch das Motorkühlwasser auf über 100°C erwärmt wird. Bei dieser Temperatur und mit einem Druck von ungefähr 3 bar wird das Ethanol dann in einen hinteren Teil des Abgaswärmetauschers gepumpt, wo es mit dessen Restwärme auf ungefähr 150°C erhitzt wird. Damit wird dann schließlich ein Niederdruckteil der Expansionsmaschine angetrieben.
Nachteilig an diesem bekannten Assistenzantrieb ist das unbefriedigende Betriebsverhalten der Expansionsmaschine, die die Brennkraftmaschine unterstützt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten des vorstehend beschriebenen bekannten Assistenzantriebs zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Assistenzantrieb gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, als Expansionsmaschine eine Rotationskraftmaschine zu verwenden, deren Aufbau und Funktionsweise im Wesentlichen in der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 014 109 U1 beschrieben ist. Der Inhalt dieser Gebrauchsmusterschrift ist deshalb der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise der Expansionsmaschine in vollem Umfang zuzurechnen.
Die Expansionsmaschine weist also vorzugsweise eine Abtriebswelle und eine rotationssymmetrische Kammer auf, welche die Abtriebswelle ringförmig umgibt, wobei in der Kammer zwei Kolben auf einer ringförmigen Bahn um die Abtriebswelle unabhängig voneinander drehbar sind. Zwischen den Stirnseiten der beiden Kolben befindet sich hierbei jeweils ein Expansionsraum, wobei die von dem Wärmetauscher erhitzte Arbeitsflüssigkeit (z.B. Wasser, Ethanol, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff) in die Expansionsräume eingeleitet wird, um den in Drehrichtung vorne befindlichen Kolben während einer Expansionsphase anzutreiben, wobei der in Drehrichtung hinten liegende Kolben verriegelt ist und deshalb nicht ausweichen kann. Die Expansionsmaschine weist deshalb einen ersten Freilauf jeweils zwischen dem Kolben und der Abtriebswelle auf, wobei der erste Freilauf die Kolben in einer Drehrichtung starr mit der Abtriebswelle verkoppelt und die Kolben in der entgegengesetzten Drehrichtung von der Abtriebswelle entkoppelt. Der erste Freilauf sorgt also dafür, dass die Kolben in der Expansionsmaschine die Abtriebswelle in Drehrichtung mitnehmen und dadurch ein Drehmoment auf die Abtriebswelle übertragen.
Weiterhin weist die Expansionsmaschine einen zweiten Freilauf jeweils zwischen den Kolben und der Kammer auf, wobei der zweite Freilauf die Kolben in einer Drehrichtung starr mit der Kammer verkoppelt und die Kolben in der entgegengesetzten Drehrichtung von der Kammer entkoppelt. Der zweite Freilauf sorgt also dafür, dass die jeweils in Drehrichtung hinten liegenden Kolben bei einer Expansionsphase nicht ausweichen können, sondern an der feststehenden Kammerwand fixiert werden.
In einer Variante der Erfindung weisen die Brennkraftmaschine und die Expansionsmaschine eine gemeinsame Abtriebswelle oder zumindest starr gekoppelte Abtriebswellen auf.
In einer anderen Variante der Erfindung wirken die Brennkraftmaschine und die zusätzliche Expansionsmaschine dagegen auf getrennte Abtriebswellen, wobei die zusätzliche Abtriebswelle der Expansionsmaschine beispielsweise einen elektrischen Generator antreiben kann. In dieser Variante besteht die Möglichkeit, dass der Generator direkt oder über eine zwischengeschaltete Batterie einen Elektromotor speist, der dieselbe Abtriebswelle antreibt wie die Brennkraftmaschine.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Assistenzantrieb einen Hochtemperaturkreislauf und einen Niedertemperaturkreislauf auf, die beide eine oder mehrere Expansionsmaschinen antreiben.
In dem Hochtemperaturkreislauf ist hierbei ein Wärmetauscher angeordnet, der die Arbeitsflüssigkeit durch Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine erhitzt, während in dem Niedertemperaturkreislauf ein weiterer Wärmetauscher angeordnet ist, der dieselbe oder eine andere Arbeitsflüssigkeit durch Abwärme eines Kühlmittels der Brennkraftmaschine erhitzt.
Der erste Freilauf zwischen den Kolben und der Abtriebswelle weist vorzugsweise eine Sperrklinke auf, die innen an dem jeweiligen Kolben angebracht ist und von einer Feder nach innen gegen die Abtriebswelle gedrückt wird, wobei die Abtriebswelle entsprechende Rastaufnahmen aufweist. Die Sperrklinke führt also dazu, dass die Kolben bei einer Bewegung auf ihrer ringförmigen Bahn in der Kammer die Abtriebswelle mitnehmen und dadurch ein Drehmoment auf die Abtriebswelle übertragen.
Der zweite Freilauf weist vorzugsweise ebenfalls eine Sperrklinke auf, die innen an der feststehenden Kammerwand angebracht ist und von einer Feder nach innen gegen die Kolben gedrückt wird, wobei die Kolben entsprechende Rastaufnahmen aufweisen. Der zweite Freilauf sorgt also dafür, dass der in Drehrichtung hintenstehende Kolben bei einer Expansionsphase in einer Brennkammer in Drehrichtung fixiert wird und deshalb nicht ausweicht.
Weiterhin kann die Brennkraftmaschine selbst ebenfalls einen Aufbau gemäß der bereits eingangs erwähnten Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 014 109 U1 aufweisen, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf diese Gebrauchsmusterschrift verwiesen wird, deren Inhalt auch hinsichtlich des Aufbaus der Brennkraftmaschine der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist.
Bei der Brennkraftmaschine kann es sich jedoch auch um einen normalen Hubkolbenmotor handeln, insbesondere um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Assistenzantrieb umfasst, sondern auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Assistenzantrieb.
Schließlich umfasst die Erfindung auch die neuartige Verwendung eines solchen Assistenzantriebs in einem Kraftfahrzeug. Ferner umfasst die Erfindung auch die Verwendung einer Expansionsmaschine gemäß der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 014 109 in dem eingangs beschriebenen Assistenzantrieb gemäß dem Stand der Technik.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Assistenzantriebs für eine Rotationsbrennkraftmaschine, wobei die unterstützenden Expansionsmaschinen ebenfalls als Rotationsmaschinen ausgebildet sind,

2 eine Weiterbildung des Assistenzantriebs aus 1 mit einem zusätzlichen Elektromotor,

3 eine Abwandlung des Assistenzantriebs aus 1, bei dem anstelle der Rotationsbrennkraftmaschine ein herkömmlicher Hubkolbenmotor vorgesehen ist,

4 eine Abwandlung des Assistenzantriebs aus 2, bei dem anstelle der Rotationsbrennkraftmaschine ein Hubkolbenmotor vorgesehen ist,

5 eine schematisierte Darstellung einer anderen Variante eines erfindungsgemäßen Assistenzantriebs, bei dem die unterstützenden Expansionsmaschinen eine separate Abtriebswelle antreiben sowie

6 eine Abwandlung des Assistenzantriebs aus 5, wobei anstelle des Hubkolbenmotors eine Rotationsbrennkraftmaschine vorgesehen ist.

Der in 1 dargestellte Assistenzantrieb weist eine Rotationsbrennkraftmaschine 1 auf, wobei der Aufbau und die Funktionsweise der Rotationsbrennkraftmaschine in der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 014 109 U1 beschrieben ist, so dass der Inhalt dieser Gebrauchsmusterschrift der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise der Rotationsbrennkraftmaschine in vollem Umfang zuzurechnen ist.

Die Rotationsbrennkraftmaschine 1 weist eine Abtriebswelle 2 auf, die beispielsweise ein Kraftfahrzeug antreiben kann.

Weiterhin weist die Rotationsbrennkraftmaschine 1 einen Kühlkreislauf 3 auf, in dem Kühlwasser von einer Kühlwasserpumpe 4 durch die Rotationsbrennkraftmaschine 1 und einen Kühler 5 gepumpt wird.

Ferner weist die Rotationsbrennkraftmaschine 1 einen Abgastrakt 6 auf, in dem zwei Hochtemperatur-Wärmetauscher 7, 8 angeordnet sind, wobei die Funktion der beiden Hochtemperatur-Wärmetauscher 7, 8 noch detailliert beschrieben wird.

Die Abtriebswelle 2 der Rotationsbrennkraftmaschine 1 wird zusätzlich von zwei Expansionsmaschinen 9, 10 angetrieben, wobei die Expansionsmaschine 10 in einem Hochtemperatur-Kreislauf 11 angeordnet ist, während die Expansionsmaschine 9 in einem Niedertemperatur-Kreislauf 12 angeordnet ist.

In dem Hochtemperatur-Kreislauf 11 sind neben der Expansionsmaschine 10 und den beiden Hochtemperatur-Wärmetauschern 7, 8 steuerbare Ventile 13, 14, ein Wärmetauscher 15, ein Vorratsbehälter 16 für die Flüssigkeit in dem Hochtemperatur-Kreislauf 11 sowie eine Pumpe 17 angeordnet. Die in dem Hochtemperatur-Kreislauf 11 zirkulierende Flüssigkeit wird in den beiden Hochtemperatur-Wärmetauschern 7, 8 durch die in dem Abgas der Rotationsbrennkraftmaschine 1 enthaltene Abwärme erhitzt und treibt anschließend die Expansionsmaschine 10 an.

Der Niedertemperatur-Kreislauf 12 enthält dagegen neben der Expansionsmaschine 9 einen Kühler 18, der von einem Propeller mit Kühlluft versorgt werden kann, einen Vorratsbehälter 19, eine Pumpe 20, den Kühler 5, den Wärmetauscher 15 und schließlich Ventile 21, 22. Die in dem Niedertemperatur-Kreislauf 12 zirkulierende Arbeitsflüssigkeit wird in dem Kühler 5 von der Abwärme der Rotationsbrennkraftmaschine 1 erwärmt und anschließend in dem Wärmetauscher 15 von der Restwärme der in dem Hochtemperatur-Kreislauf 11 zirkulierenden Flüssigkeit weiter erhitzt. Anschließend treibt die in dem Niedertemperatur-Kreislauf 12 zirkulierende Arbeitsflüssigkeit die Expansionsmaschine 9 an. Daraufhin wird die Arbeitsflüssigkeit in dem Kühler 18 wieder abgekühlt und dann von der Pumpe 20 erneut durch den Niederdruck-Kreislauf 12 gefördert.

Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Assistenzantriebs stimmt nahezu vollständig mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht jedoch darin, dass die Abtriebswelle 2 zusätzlich von einem Elektromotor 23 angetrieben wird.

Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Assistenzantriebs stimmt wiederum weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass anstelle der Rotationsbrennkraftmaschine 1 ein Hubkolbenmotor 24 vorgesehen ist.

Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Assistenzantriebs stimmt wiederum weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu 2 verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit besteht hierbei wiederum darin, dass anstelle der Rotationsbrennkraftmaschine 1 wiederum ein Hubkolbenmotor 24 vorgesehen ist.

5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, das teilweise mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die beiden Expansionsmaschinen 9, 10 eine zusätzliche Abtriebswelle 25 antreiben, die von der Abtriebswelle 2 des Hubkolbenmotors 24 getrennt ist.

Die Abtriebswelle 25 treibt hierbei einen elektrischen Generator 26 an, der den Elektromotor 23 direkt oder über eine zwischengeschaltete Batterie speist.

Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt nahezu vollständig mit dem vorstehend beschriebenen und in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu 5 verwiesen wird. Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht lediglich darin, dass anstelle des Hubkolbenmotors 24 eine Rotationsbrennkraftmaschine 1 vorgesehen ist, um die Abtriebswelle 2 anzutreiben.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

1: Rotationsbrennkraftmaschine
2: Abtriebswelle
3: Kühlkreislauf
4: Kühlwasserpumpe
5: Kühler
6: Abgastrakt
7: Hochtemperatur-Wärmetauscher
8: Hochtemperatur-Wärmetauscher
9: Expansionsmaschine
10: Expansionsmaschine
11: Hochtemperatur-Kreislauf
12: Niedertemperatur-Kreislauf
13: Ventil
14: Ventil
15: Wärmetauscher
16: Vorratsbehälter
17: Pumpe
18: Kühler
19: Vorratsbehälter
21: Ventil
22: Ventil
23: Elektromotor
24: Hubkolbenmotor
25: Abtriebswelle
26: Generator

Claims

Assistenzantrieb für eine Brennkraftmaschine (1, 24) mit a) einem ersten Wärmetauscher (7, 8), der durch Abwärme der Brennkraftmaschine (1, 24) eine Arbeitsflüssigkeit erhitzt, b) einer ersten Expansionsmaschine (10), die von der von dem ersten Wärmetauscher (7, 8) erhitzten Arbeitsflüssigkeit angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Expansionsmaschine (10) folgende Merkmale aufweist: c) eine Abtriebswelle (2, 25), d) eine rotationssymmetrische Kammer, welche die Abtriebswelle (2, 25) ringförmig umgibt, e) zwei Kolben, die in der Kammer auf einer ringförmigen Bahn unabhängig voneinander drehbar sind, f) zwei Expansionsräume, die sich in der Kammer jeweils zwischen den Stirnseiten der beiden Kolben befinden, wobei die erhitzte Arbeitsflüssigkeit in die Expansionsräume eingeleitet wird, g) einen ersten Freilauf jeweils zwischen den Kolben und der Abtriebswelle (2, 25), wobei der erste Freilauf die Kolben in einer Drehrichtung starr mit der Abtriebswelle (2, 25) verkoppelt und die Kolben in der entgegen gesetzten Drehrichtung von der Abtriebswelle (2, 25) entkoppelt, h) einen zweiten Freilauf jeweils zwischen den Kolben und der Kammer, wobei der zweite Freilauf die Kolben in einer Drehrichtung starr mit der Kammer verkoppelt und die Kolben in der entgegen gesetzten Drehrichtung von der Kammer entkoppelt.
Assistenzantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1, 24) und die Expansionsmaschine (9, 10) eine gemeinsame Abtriebswelle (2) aufweisen.
Assistenzantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1, 24) und die Expansionsmaschine (9, 10) getrennte Abtriebswellen (2, 25) aufweisen.
Assistenzantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (9, 10) mit ihrer Abtriebswelle einen elektrischen Generator (26) antreibt.
Assistenzantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (26) direkt oder über eine zwischengeschaltete Batterie einen Elektromotor (23) speist, der dieselbe Abtriebswelle (2) antreibt wie die Brennkraftmaschine (1, 24).
Assistenzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) einen Hochtemperaturkreislauf (11) und einen Niedertemperaturkreislauf (12), b) wobei der erste Wärmetauscher (7, 8) in dem Hochtemperaturkreislauf (11) angeordnet ist und die Arbeitsflüssigkeit durch Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine (1, 24) erhitzt, c) während in dem Niedertemperaturkreislauf (12) ein zweiter Wärmetauscher (5) und eine zweite Expansionsmaschine (9) angeordnet sind, d) wobei der zweite Wärmetauscher (5) eine Arbeitsflüssigkeit durch Abwärme eines Kühlmittels der Brennkraftmaschine (1, 24) erhitzt.
Assistenzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Freilauf eine Sperrklinke aufweist, die innen an dem Kolben angebracht ist und von einer Feder nach innen gegen die Abtriebswelle (2, 25) gedrückt wird, wobei die Abtriebswelle (2, 25) entsprechende Rastaufnahmen aufweist.
Assistenzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Freilauf eine Sperrklinke aufweist, die innen an der Kammer angebracht ist und von einer Feder nach innen gegen die Kolben gedrückt wird, wobei die Kolben entsprechende Rastaufnahmen aufweisen.
Assistenzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1, 24) folgende Merkmale aufweist: a) eine Abtriebswelle, b) eine rotationssymmetrische Kammer, welche die Abtriebswelle ringförmig umgibt, c) zwei Kolben, die in der Kammer auf einer ringförmigen Bahn unabhängig voneinander drehbar sind, d) zwei Expansionsräume, die sich in der Kammer jeweils zwischen den Stirnseiten der beiden Kolben befinden, wobei die erhitzte Arbeitsflüssigkeit in die Expansionsräume eingeleitet wird, e) einen ersten Freilauf jeweils zwischen den Kolben und der Abtriebswelle, wobei der erste Freilauf die Kolben in einer Drehrichtung starr mit der Abtriebswelle verkoppelt und die Kolben in der entgegen gesetzten Drehrichtung von der Abtriebswelle entkoppelt, f) einen zweiten Freilauf jeweils zwischen den Kolben und der Kammer, wobei der zweite Freilauf die Kolben in einer Drehrichtung starr mit der Kammer verkoppelt und die Kolben in der entgegen gesetzten Drehrichtung von der Kammer entkoppelt.
Assistenzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (24) ein Hubkolbenmotor, insbesondere ein Ottomotor oder ein Dieselmotor, mit innerer Verbrennung ist.
Kraftfahrzeug mit einem Assistenzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung eines Assistenzantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Kraftfahrzeug.