DE102006018446A1

DE102006018446A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie aus Abgasen und Abwärme in mobilen und stationären Anlagen

Info

Publication number: DE102006018446A1
Application number: DE102006018446A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Reents
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-16
Filing date: 2006-04-16
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-04-17
Also published as: DE102006018446B4

Abstract

Nur ein Drittel der Primärenergie wird der Endenergie zugeführt. So liegt der Wirkungsgrad von Ottomotoren bei ca. 33% und der von Dieselmotoren bei 40%. In Wirklichkeit liegt der Nutzenergieanteil bei Kraftfahrzeugen weitaus niedriger, denn Aggregate wie Sicherheitseinrichtungen, Klimaanlagen, Beleuchtungssysteme, Fahrerassistenzsystem müssen zusätzlich versorgt werden. Die Technologie der Hybridmotoren wird die Anforderung an die elektrische Leistungsabgabe weiter erhöhen. Alle diese Systeme liegen derzeit im Nutzenergiestrang des Motors. Sie werden durch Zahnriemen, Kettenantriebe, Stirnräder u.a. betrieben. Die vorliegende Erfindung nutzt dagegen die Abgasenergie zur Umwandlung in den elektrischen Strom. Diese Energie wird derzeit ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Theoretisch ließen sich nach dem Carnot-Gesetz ca. bis zu 50% der Abgasenergie nutzen. Die Abgase haben nach dem Verbrennungsprozess bei einem Ottomotor eine Temperatur von ca. 1000°C. Der Katalysator benötigt derzeit eine Arbeitstemperatur von 300°C. Damit steht eine bisher ungenutzte Energie mit einer Temperaturspanne von 700°C zur Umwandlung in elektrischen Strom zur Verfügung. Ausgeführt wird die Erfindung durch geschlossene Expansionskammern, die von den heißen Abgasen umspült werden. Durch die hohe Temperatur dehnt sich das Medium in den Expansionskammern aus und zieht sich wieder bei Temperaturabfall zusammen. Die Temperaturdifferenz kann erhöht werden, indem zusätzlich eine Kühlung (Luft ...

Description

Nur ein Drittel der Primärenergie wird der Endenergie zugeführt. So liegt der Wirkungsgrad von Ottomotoren bei ca. 33%, der von Dieselmotoren im Bereich von 40%.
Die aus Verbrauchersicht nicht genutzte Energie wird überwiegend in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben.
Bezogen auf das Gesamtsystem-Automobil liegt der Wirkungsgrad noch weitaus geringer:
Otto- und Dieselmotoren benötigen Kühlwasserpumpen, Nockenwellen zur Ventilführung müssen angesteuert werden, Zündkerzen oder Glühkerzen werden benötigt, Energie zur Zündung und zum Glühen muß bereitgestellt werden.
Darüber hinaus werden Lichtmaschinen benötigt, die wiederum die elektronischen Steuer- und Regelungssysteme des Automobils mit Energie versorgen. Die Sicherheits- und Komfortbedürfnisse erfordern Systeme wie das Automatische Bremssystem, die Klimaanlagen, Beleuchtungssysteme, Radios und Navigationssysteme, Fahrerassistenzsysteme und vieles andere mehr.
All diese Systeme benötigen elektrische Energie. Der Bedarf an elektrischer Energie wird zunehmen, denn ein Ende der wachsenden Anforderungen an die Sicherheit und den Komfort ist für die Zukunft derzeit nicht absehbar.
Berücksichtigt man auch die oben beschriebenen Funktionen in der Energiebilanz, dann werden weniger als 20% der Primärenergie dem eigentlichen Antrieb des Fahrzeuges zugeführt.
Auch die Umstellung auf Hybridantriebe und Brennstoffzellen/Wasserstoffantriebe wird diese Energiebilanz nicht wesentlich verbessern. Es ist sogar zu erwarten, daß die Energiebilanz verschlechtert wird: Hybridantriebe erhöhen das Fahrzeuggewicht durch die Antriebe selbst und die zusätzlich benötigten Speicherkapazitäten, Brennstoffzellen sind zusätzliche Energieumwandlungsglieder in der Energieumwandlungskette. Auch sie arbeiten nicht mit einem 100% Wirkungsgrad.
Ein Schlüssel für die Verbesserung der Energiebilanz liegt in der Nutzung der in den Abgasen, der Abwärme enthaltenen Energie.
Derzeit wird jedoch lediglich beim Automobil die Strömungsenergie des Abgases genutzt zum Betrieb von urboladern.
Die Strömungsenergie der Abgase ist jedoch gering im Vergleich zur Wärmeenergie der Abgase.
Daraus folgt: Die Nutzung der Wärmenenergie der Abgase/der Abwärme ist ein großes Feld zur Verbesserung der Energieeffizienz.
Das in dieser Patentschrift vorgestellte Energieumwandlungssystem nutzt die verbliebenen Energieinhalte der Abgase/Abwärme. Das System ist damit nicht nur einsetzbar im mobilen Bereich des Verkehrs (PKW, LKW, Busse, Bahnen, Schifffahrt, Flugzeuge), sondern auch in stationären Anlagen (Prozeßenergie, Kraftwerke, Haustechnik, Abfallenergie im Produktionsbereich, stationäre Klimaanlagen u.a.).
Bedenkt man, daß bei derzeit ca. 50 Millionen zugelassenen Kraftfahrzeugen in der Bundesrepublik Deutschland und einer Anschlußleistung der Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen von durchschnittlich 1,5 KW pro Fahrzeug, die im Kraftfahrzeug installierte Kapazität ebenso groß ist wie die installierte Leistung aller Kraftwerke (ca. 80 GigaWatt), dann wird die Bedeutung der Erfindung allein im Kraftfahrzeugbereich deutlich.
Aufgabenstellung der Erfindung ist es, aus Abgasen/Abwärme elektrischen Strom zu erzeugen. Dabei muß das Energieumwandlungssystem u.a. folgenden Anforderungen gerecht werden

– hohe Wirtschaftlichkeit
– Entlastung unserer Umwelt durch höhere Energieeffizienz
– kompakte Bauform, insbesondere bei mobilen Geräten
– integrierbar in vorhandene Systeme
– wartungsarm
– servicefreundlich
– einfach in der Anwendung
– hohe Betriebszeiten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem geschlossenen System ein freischwingender Kolben zwischen zwei Expansionskammern hin- und hergeschoben wird. Der Kolben ist als Teilelement eines Elektrogenerators ausgeführt. Dieses Teilelement kann eigenerregt oder fremderregt sein.
An die gegenüberliegenden Expansionskammern wird das Abgas/die Abwärme wechselseitig herangeführt. Durch den wechselseitigen Aufheiz- und Abkühlungsprozeß gerät der Kolben in Schwingungen und erzeugt damit in einem Induktionsfeld elektrische Energie.
Wird der Kolben als Teil eines Elektrogenerators fremderregt, so kann durch den Grad der Fremderregung die Leistung geregelt werden. Diese Regelung ist damit alternativ und zusätzlich zur Frequenz der zugeführten Abgasströmungen möglich.
Durch die Regelungssysteme kann der Bedarf den nachfolgenden Verbrauchern angepaßt werden. So kann z.B. bei zu hoher Leistungsabgabe die Fremderregung reduziert werden oder alternativ die Frequenz der zugeführten Abgasströmungen.
Die Regelung der Frequenz der Abgasströmungen ist gegeben durch die Verwendung von Ventilen, die in Form rotierender Scheiben mit Öffnungen im Abgasstrom oder in Form von Schiebern mit translatorischer Bewegung realisiert sind. Diese Ventile können entweder vom Abgasstrom angetrieben werden oder durch den Einsatz elektromechanischer Komponenten.
Es ist auch vorgesehen, die Takte eines Mehrzylindermotors zur Steuerung des Abgasstromes zu benutzen. Bei einem Viertaktmotor wird ein Zylinder Gemisch ansaugen, der andere Zylinder wird das Gemisch verdichten, ein anderer Zylinder wird nach der Zündung heruntergedrückt-Arbeitstakt, im folgenden Takt wird das verbrannte Gemisch ausgestoßen.
Der Temperaturbereich dieser Gase liegt im Bereich von 900 bis 1000 Grad Celsius. Damit resultiert bei einem Vierzylindermotor eine Aufheizphase von einem Viertel eines Zeitzyklus und eine Abkühlungsphase von drei Vierteln eines Zeitzyklus.
Das Energieumwandlungssytem ist diesem Motor nachgeschaltet.
Das Energieumwandlungssystem wird entweder gasgekühlt, z.B. durch die vorbeiströmende Luft oder flüssigkeitsgekühlt z.B. durch Wasser.
Je höher der Unterschied zwischen der Aufheiztemperatur und der Abkühltemperatur ist, desto höher ist der Carnot Wirkungsgrad.
Darüber hinaus kann das System zur Erhöhung des Wirkungsgrades mit speziellen Gasen gefüllt werden z.B. Helium oder Wasserstoff Die Füllung mit Helium wird den Wirkungsgrad um den Faktor 1,5 erhöhen, wie Praxisversuche gezeigt haben. Eine weitere Wirkungsgraderhöhung ist möglich durch die Schaffung von Überdruck in der geschlossenen Kammer.
Da lediglich die Anschlüsse des Elektrogenerators nach außen geführt werden, ist das Abdichten des Gesamtsystems ein zu lösendes Problem.
Weiterhin ist der Raum der elektrischen Energieerzeugung getrennt von den Expansionsräumen. Dies erfolgt durch Kompressionsringe.
Bei kleinen Leistungen, hoher Fertigungspräzision und Dauerbetrieb kann auf diese Kompressionsringe gegebenenfalls verzichtet werden; denn der Kolben bewegt sich im Gasstrom z.B. Luft.
Bei Systemen, die mit hoher Leistung in hohen Temperaturbereichen arbeiten, kann es sinnvoll sein, den Kolben durch mitschwingende Isolationskammern vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Die Leistung des Elektrogenerators wird beeinflußt durch den Temperaturverlauf.
Weiterhin ist vorgesehen, daß zur Erhöhung des Innendrucks Ventile angebracht werden, die diesen erhöhten Innendruck sicherstellen. Bei kleinen Leistungen kann auf diese Ventile gegebenenfalls verzichtet werden.
Je weniger Bauteile das Energieumwandlungssystem umfaßt, desto weniger anfällig wird es sein.
Technischer Stand
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Verhalten von Gasen bei Änderung des Volumens, der Temperatur, des Druckes und der Eigenschaften von Gasen.
Robert Stirling meldete bereits 1816 als erster eine Heißluftmaschine als Patent an Mit dem Titel „Entwicklung zur Einsparung des Energieverbrauchs, speziell für den Antrieb von Bewegungs-Maschinen nach einem völlig neuen Prinzip".
Seit mehr als 2000 Jahren ist bekannt, daß sich erwärmende Luft ausdehnt und erkaltende Luft zusammenzieht.
1857 formulierte Clausius erste Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Volumen, die später von Joule präzisiert wurden.
Das von Stirling bevorzugte Prinzip war das Beta-Prinzip. Er benutzte einen Kolben, der durch ein Schwungrad nach der Expansionsphase wieder nach oben getrieben wurde. Die Maschinen waren sehr groß und unförmig. Durch die Erhöhung des Innendrucks auf 10-15 bar, ließen sich jedoch bereits Motorleistungen von 37 PS erreichen.
Während die Stirling-Motoren mit einem geschlossenen Kreislauf arbeiteten, basierten die Heißluftmotoren von Ericsson auf einem offenen Kreislauf d.h. kalte Luft wurde angezogen, in einem Druckkessel erwärmt. Durch die Zunahme des Drucks wurde ein Arbeitskolben bewegt, und die heiße Luft wurde durch ein weiteres Ventil wieder ausgeblasen.
Sowohl die Stirling Motoren als auch die Ericsson Motoren bedurften eines hohen mechanischen Aufwandes.
Im Gegensatz zu den Stirling Maschinen, die nahezu lautlos arbeiten, waren die Ericsson Maschinen relativ laut durch das Ein- und Ausströmen der Luft und die klappernden Ventile.
Heute werden Stirling Maschinen zum Kühlen eingesetzt.
Die Fa. Philips erreichte Tiefenrekorde von –261 Grad Celsius. Das Unternehmen entwickelte eine Stirling Maschine mit Rhombusgetriebe. Der Vorteil dieser Bauart, war, dass die Maschinen nahezu vibrationsfrei arbeiteten. Philips entwickelte das System weiter bis zu einem 300 PS Motor. Durch den Einsatz von Helium statt komprimierter Luft konnte die Leistung um 150% gesteigert werden.
Die ersten Freikolbenmaschinen wurden nach 1960 von Prof. Beale von der Universität Athens in Ohio/USA entwickelt.
Freikolbenmaschinen sind relativ einfach im Aufbau, sie sind nach außen leicht abzudichten und bei hinreichender Wärmezufuhr selbststartend. Sie sind leise und extrem langlebig im Betrieb. Die Probleme liegen in der Dimensionierung und in der Fertigung mit kleinen Toleranzen.
Die Kombination einer Heißluftmaschine mit einem freischwingenden Kolben, bei der der Kolben als Teil eins Elektrogenerators mit einer Eigenerregung oder Fremderregung ausgeführt wird, ist bislang nicht realisiert.
Darüber hinaus ist die Kombination einer derartigen Heißluftmaschine mit dem Abgasstrom einer Wärme-, Kraft- und Arbeitsmaschine nicht realisiert worden.
Hier liegt aber ein wesentlicher Vorteil eines derartigen Energieumwandlungssystems.
Die Abgase von Ottomotoren liegen im Bereich von 900 bis 1000 Grad Celsius. Selbst eine Temperaturdifferenz von 50 Grad Celsius würde bei einer Abgastemperatur von 900 Grad Celsius einen Carnot Wirkungsgrad von 9,44% ergeben: (900 – 50)/900 = 9,44%.
Das wäre bei den vorhandenen Massenmotoren ein Vielfaches dessen, was die Lichtmaschinen heute im Durchschnitts-PKW liefern.
Es würde hinreichend Energie aus dem Abgasstrom gewonnen werden können, zum Betrieb des elektromechanischen Ventilantriebes, der elektromechanischen Federung, der Kühlwasseraggregate, der Klimananlagen, der Fahrerassistenzsysteme, der Beleuchtungs-, Sicherheits- und Komfortsysteme.
Auf Nockenwellen, Stirnräder, Zahnriemen, Gleit- und Spannrollen und vieles andere Mehr könnte verzichtet werden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist das Energieumwandlungssystem als Kernelement dargestellt. Man erkennt die Expansionskammern (1). Diese werden von den Abgasen, der Abwärme wechselseitig umströmt. Die Expansionskammern können kugelförmig oder zylinderförmig ausgeprägt sein. Sie können mit Wärmetauscherrippen ausgestattet sein oder mit glatten Flächen.
Wichtig ist, daß sie in kurzer Zeit Wärme aufnehmen und in kurzer Zeit wieder Wärme abgeben können. Schwingfrequenzen von 5000 pro Minute wurden in der Praxis erreicht.
(2) zeigt die Kühlrippen des Expansionsraumes. Diese werden durch den freischwingenden Kolben (3) erst aktiviert, wenn die Expansionsphase beendet ist. Kombiniert man das Umwandlungssystem direkt mit den einzelnen Zylinderöffnungen eines Vier-Zylindermotors, dann beträgt die Anströmphase=Erhitzungsphase ein Viertel eines Zyklus und die Abkühlungsphase drei Viertel eines Zyklus.
Der freischwingende Kolben (3) kann entweder als eigenerregtes Element eines Elektrogenerators ausgeführt sein oder als fremderregtes Element.
Durch die Fremderregung ist die Leistung des Systems unabhängig von der Schwingungsfrequenz des Kolbens steuer- und regelbar.
(4) zeigt die Führungszylinder des freischwingenden Kolbens. Diese sichern zum einen den Kompressionsdruck in den jeweiligen Kammern, gleichzeitig stellen sie ein sauberes Gleiten des freischwingenden Kolbens sicher.
Darüber hinaus dienen sie der Wärmeisolation des Raumes des Elektrogenerators zu den Expansionskammern.
Dauerversuche werden zeigen, ob bei hoher Fertigungspräzision auf diese Kompressionsringe verzichtet werden kann. Denn je geringer der Luftspalt ist, desto höher ist die Leistung des Generators.
(5) zeigen die Ventile zum Befüllen des Systems mit Luft, komprimierter Luft oder einem speziellen Gas wie z.B. Helium oder Wasserstoff. Diese Gase haben ein besseres Expansionsverhalten.
Komprimierte Luft und Gase können den Wirkungsgrad des Generators erhöhen. Darüber hinaus verhindert das Ventil ein Platzen des Motors.
Dauerversuche werden zeigen, ob gegebenenfalls ein Ventil ausreicht, oder beim Betrieb mit nicht komprimierter Luft auf das Ventil verzichtet werden kann.
(6) zeigen die Kühlrippen des Elektrogenerators. Neben einer Luft oder Gaskühlung kann eine Flüssigkeitskühlung oder Wasserkühlung alternativ zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann die Wasserkühlung des vorgelagerten Motors mitgenutzt werden.
(7) zeigen die Wicklungen des Elektrogenerators. Im Falle der Fremderregung enthalten sie zwei Wicklungssysteme. Im Falle der Nutzung des Lineargeneratorprinzips mehrere Wicklungspaare. Bei sehr großen Maschinen wird die Nutzung des Lineargeneratorprinzips unumgänglich sein.
(8) zeigen die mechanischen Begreinzungen der Linearbewegung des Kolbens. Diese können gegebenenfalls mit Dämpferelementen kombiniert werden.
Sie stellen darüber hinaus sicher, daß bei längeren Ruhezeiten in nicht horizontaler Lage der Kolben nicht durchrutscht. Dauerversuche werden zeigen, ob auf diese Begrenzungen im Bereich kleiner Leistungen verzichtet werden kann.
2 zeigt die Anbindung des Energieumwandlungssystems (21) an den vorgelagerten Motor (22). In dieser Variante nutzt man die Takte des Verbrennungsmotors (Ansaugen, Verdichten, Arbeitstakt, Abgase ausblasen) zur Steuerung des Energieumwandlungssystems.
Sollten die Drehzahlen des vorgelagerten Motors zu hoch werden, so kann durch Ventile in Form rotierender Scheiben oder Schieber mit translatorischer Bewegung die Schwingungsfrequenz des Energieumwandlungssystems variiert werden.
Die Expansionskammern des Energieumwandlungssystems können im Nebenstrom oder im Hauptstrom des Abgasstranges der vorgelagerten Maschine liegen. (23 und 24) zeigen die Kolben der vorgelagerten Maschine.
In einer weiteren Variante können zwei Energieumwandlungssysteme kombiniert werden und im Gegentakt arbeiten bei Vierzylindermotoren. Eine mehrfache Kombination ist möglich bei Mehrzylindermotoren (6, 8 oder 12 Zylinder-Motoren.)
3 zeigt das Energieumwandlungssystem (31), das von einem geteilten Abgasstrang angeströmt wird. Der gemeinsame Abgaskanal (32) im Haupt- oder Nebenstrom wird geteilt.
Durch eine Steuerungseinheit, realisiert durch eine rotierende Scheibe mit Öffnungen oder durch einen Schieber mit translatorischer Bewegung wird entweder die linke Kammer (35) des Energieumwandlungssystems angeströmt oder die rechte (36).
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sowohl die Anströmphase als auch die Abkühlphase individuell geregelt werden kann.
Abgasturbolader haben gezeigt, daß hohe Temperaturen im Abgasstrom auch im Dauerbetrieb beherrschbar sind.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform beschränkt, sondern ist im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims

Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie aus Abgasen und Abwärme, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ausnutzung des Effektes der Ausdehnung von Gasen bei steigenden Temperaturen und des Zusammenziehens von Gasen bei fallenden Temperaturen sowie der Änderung der Drücke bei zwei gegenüberliegenden Ausdehnungskammern, einem freischwingenden Kolben, ausgeführt als Teil eines Elektrogenerators, sowohl eigenerregt als auch fremderregbar und den dazugehörigen Wicklungen, in einem geschlossenen System elektrische Energie erzeugt werden kann.
Verfahren mit dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kühlsysteme (Gase/Luft und/oder Flüssigkeiten/Wasser), der Abkühlungsprozeß der Gase nach dem Arbeitstakt beschleunigt wird, und damit ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung spezieller Gase wie z.B. Helium oder Wasserstoff der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht wird.
Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erhöhung des Gasdruckes der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht wird.
Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wechselseitige Energiezufuhr zu den gegenüberliegenden Ausdehnungskammern durch Ventile, ausgeführt in Form rotierender Scheiben oder Schieber mit translatorischer Bewegung, gesteuert und geregelt werden kann.
Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zum Anspruch 5 die Takte einer vorgelagerten, mehrzylindrigen Kraft-, Wärme und Arbeitsmaschine zum differenzierten Ansteuern der einzelnen Ausdehnungskammern ausgenutzt wird.
Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung/Regelung der Ventile elektromechanisch erfolgt oder unter Ausnutzung der Strömungsenergie der anströmenden Abgase/Abwärme.
Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtsystem als Energie-umwandlungssystem vollständig in die Abgas-, Abwärmeanlage der vorgelagerten Kraft-, Wärme- und Arbeitsmaschine integriert ist.
Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch mechanische, elektromechanische und/oder elektrische/elektronische Regelungssysteme wie z.B. die Fremderregung der Wirkungsgrad des neuen Energieumwandlungssystems optimiert werden kann, und eine Anpassung an den Bedarf der nachfolgenden Verbraucher vorgenommen werden kann.