DE102006043518A1

DE102006043518A1 - Autarke Energieerzeugungseinheit für ein von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102006043518A1
Application number: DE200610043518
Authority: DE
Inventors: Stephan Bartosch; Jürgen Berger
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2008031466A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine autarke Energieerzeugungseinheit für ein Fahrzeug, das von einer Verbrennungkraftmaschine angetrieben wird, umfassend;
- eine Dampfprozesseinheit mit einem Dampferzeuger, in welchem einem Betriebsmittel über einen Wärmetauscher bei einer ersten Temperatur Wärme zugeführt wrid, so dass das Betriebsmittel verdampft;
- mit einem Expander, in dem das verdampfte Betriebsmittel mechanische Energie erzeugt;
- mit einem Kondendator, dem das vom Expander kommende Betriebsmittel zugeführt wird, und in welchem das Betriebsmittel auf einer zweiten Temperatur, welche niedriger ist als die erste Temperatur, kondensiert;
- Mittel zur Zurückführung des kondensierten Betriebsmittels zum Dampferzeuger,
- mit einer Vorrichtung zum wahlweisen Zuleiten des Abgastroms aus der Verbrennungskraftmaschine und eines erhitzten Gases aus einer separaten Brennereinheit zum Wärmetauscher im Dampferzeuger.

Description

Die Erfindung betrifft eine autarke Energieerzeugungseinheit für ein mit einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für ein mit einem Dieselmotor angetriebenes Schienenfahrzeug.
Fahrzeuge, wie Kraftfahrzeuge und Schienenfahrzeuge, weisen neben dem Hauptantrieb für die Traktion noch eine Vielzahl von Nebenantrieben auf. Für den Fall, dass als Hauptantriebsmaschine zum Vortrieb eine Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, besteht eine Schwierigkeit darin, die üblicherweise elektrisch betriebenen Nebenverbraucher, wie Lüfter, Stellantriebe und Servomotoren etc., mit Energie zu versorgen.
Ein erster Ansatz, bei dem ein elektrischer Generator über ein Getriebe von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, ist deshalb nachteilig, da die für den Traktionsbetrieb verwendete Antriebsmaschine üblicherweise drehzahlvariabel ist und der Traktionsbetrieb im Allgemeinen nicht den zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegenden Leistungsanforderungen der Nebenverbraucher entsprechen wird.
Daher wurde vorgeschlagen, dass zum Antrieb eines elektrischen Generators ein hydrostatischer Kreislauf verwendet wird, welcher mittels einer wenigstens mittelbar von der Antriebsmaschine angetriebenen Hydrostatikpumpe mit Druck beaufschlagt wird. Über hydrostatische Speicher kann dann ein Hydrostatikmotor betrieben werden, welcher wiederum zum Antrieb eines elektrischen Generators zur Bordnetzversorgung dient.
Nachteilig an diesem Ansatz ist jedoch, dass die verwendeten hydrostatischen Antriebe geräuschintensiv sind und großbauende und entsprechend schwere Einheiten darstellen. Darüber hinaus setzt, abgesehen von einer gewissen Pufferung in einem Druckmittelspeicher für das Arbeitsmedium, der Betrieb des Hydrostatikmotors zum Antrieb des elektrischen Generators den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine voraus. Diese kann demnach auch bei einem stehenden Fahrzeug, bei dem Nebenverbraucher wie Lüfter und dergleichen weiterhin in Betrieb sind, nicht abgeschaltet werden. Dies ist nachteilig bezüglich der Schall- und Schadstoffemission sowie im Hinblick auf die Energieeffizienz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine autarke Energieerzeugungseinheit für ein mit einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, anzugeben, welche es erlaubt, unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine mechanische Energie zu erzeugen, die mittels eines Generators in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Darüber hinaus soll die autarke Energieerzeugungseinheit thermische Energie erzeugen können und damit als eine vom Betrieb der Verbrennungskraftmaschine unabhängige Wärmequelle dienen. Ferner ist die autarke Energieerzeugungseinheit so zu gestalten, dass beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ein Teil der in Form von Abwärme in den Verbrennungsgasen freigesetzte Verlustleistung zurückgewonnen wird.
Zur Lösung der Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass ein Dampfkreisprozess, der mit der Abgaswärme der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, mit einer separaten Brennereinheit kombiniert werden kann, welche unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine die nötige Energie für den Betrieb des Kreisprozesses erzeugt und somit eine autarke, Abgaswärme rückgewinnende Energieerzeugungseinheit entsteht, welche im Fahrzeug thermische und mechanische Energie erzeugt, wobei letztere zum Antrieb eines Generators verwendet werden kann.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Dampfkreisprozess, welcher zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine dient. Hierzu wird ein Betriebsmittel in einem Dampferzeuger verdampft, indem Abgaswärme über einen Wärmetauscher dem Betriebsmittel zugeführt wird. Das in der Folge gasförmige Betriebsmittel wird sodann einem Expander zugeführt, in welchem das Betriebsmittel mechanische Arbeit verrichtet, welche beispielsweise an einen elektrischen Generator zur Stromerzeugung übertragen werden kann. Das den Expander verlassende Betriebsmittel wird dann in einem Kondensator auf einer Temperatur, welche niedriger ist als jene im Dampferzeuger, verflüssigt und über einen Tank und eine Pumpe für das Betriebsmittel wiederum dem Dampferzeuger zugeführt.
Erfindungsgemäß wird zusätzlich zur Verwendung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine zur Erhitzung des Wärmetauschers im Dampferzeuger ein separater Brenner verwendet. Dies führt zu dem Vorteil, dass dem Dampferzeuger Wärme auch dann zugeführt werden kann, wenn die Verbrennungskraftmaschine nicht in Betrieb ist. Dieser Fall tritt beispielsweise bei Stillstandszeiten auf, wie sie für Schienenfahrzeuge während Haltezeiten in Bahnhöfen auftreten. Hierbei kann die nicht für die Traktion verwendete Verbrennungskraftmaschine vollständig abgeschaltet bzw. im Leerlaufbetrieb betrieben werden und gleichzeitig die für die Aufrechterhaltung der Energieversorgung für Nebenverbraucher, wie einer Fahrgastzellenheizung oder einer Lüftereinheit, notwendige Energie dosiert und unabhängig durch die separate Brennereinheit erzeugt werden. Auch vor dem Start des Fahrzeugs besteht mit der erfindungsgemäßen, autarken Energieerzeugungseinheit nicht unmittelbar die Notwendigkeit, die Verbrennungskraftmaschine lediglich mit dem Ziel zu starten, thermische Energie etwa für die Fahrgastzelle zu erzeugen. Darüber hinaus kann neben der Funktion als Standheizung zur Innenraumtemperierung die autarke Energieerzeugungseinheit zur Vorwärmung der Verbrennungskraftmaschine dienen, welche dann mit einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad anlaufen kann. Hierbei ist die dem separaten Brenner in der Dampfprozesseinheit zugeführte Energiemenge deutlich geringer im Vergleich zum Verbrauch der für den Traktionsbetrieb ausgelegten Verbrennungskraftmaschine. Dies führt zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs sowie zu einer Reduktion von Schadstoffemissionen sowie einer Abnahme der Geräuschbelästigung durch das Fahrzeug.
In einer Weitergestaltung der Erfindung wird die Brennerleistung an den thermischen Wärmeeintrag durch das Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine angepasst. Üblicherweise wird das System so dimensioniert, dass bei einer Verbrennungskraftmaschine ab einem bestimmten Auslastungsgrad der separate Brenner vollständig abgeschaltet wird. Darüber hinaus kann bei einer Verringerung der Nachfrage auf der Abnehmerseite durch eine Reduktion der zusätzlich durch den separaten Brenner in den Dampferzeuger eingespeisten Energie eine entsprechende Anpassung vorgenommen werden.
Als separater Brenner wird bevorzugt ein Kraftstoffbrenner verwendet, welcher mit dem Kraftstoff der Verbrennungskraftmaschine als Brennstoff versorgt wird. Für dieselbetriebene Schienenfahrzeuge wird entsprechend ein Dieselbrenner verwendet. Alternativ kann jedoch jede andere separat betreibbare Wärmequelle, beispielsweise ein Gasbrenner, verwendet werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weitergestaltung der Erfindung wird die von der autarken Energieerzeugungseinheit erzeugte thermische Energie zur Regeneration eines Partikelfilters, der der Reinigung des Abgasstroms dient, verwendet. Derartige Partikelfilter, insbesondere für dieselbetriebene Verbrennungskraftmaschinen, bedürfen einer regelmäßigen Reinigung, welche durch ein Aufheizen über die Regenerationstemperatur und ein Ausglühen der auf dem Filter angelagerten Rußpartikel bewirkt wird.
Mit der autarken Energieerzeugungseinheit umfassend eine Dampfprozesseinheit mit einem separaten Brenner ist es möglich, im Falle eines Bedarfs für die Filterregeneration den Brenner zur Aufheizung des Partikelfilters auf die Regenerationstemperatur zu verwenden. Bevorzugt wird diese Reinigung bei einer hierfür geeigneten Fahrsituation durchgeführt, d.h. einer solchen, bei der eine starke Brennerleistung zur Aufheizung des Wärmetauschers im Dampferzeuger nachgefragt wird. Darüber hinaus stellt der Abbrand auf dem Partikelfilter eine zusätzliche Wärmequelle dar. Entsprechend ist der Partikelfilter bezüglich der Abgasstromrichtung stromaufwärts zum Dampferzeuger angeordnet, wobei diese Abfolge auch im Hinblick auf ein Verrußen des Wärmetauschers gewählt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Diese zeigen im Einzelnen folgendes:
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen autarken Energieerzeugungseinheit, umfassend eine Dampfprozesseinheit mit einem Dampferzeuger, welchem sowohl Abgase einer Verbrennungskraftmaschine sowie Brennergase eines separaten Brenners zugeführt werden können.
2 zeigt die Anordnung eines Partikelfilters zwischen einer Antriebsmaschine und dem Dampferzeuger der Dampfprozesseinheit und eine zusätzliche Bypasszuleitung.
In 1 ist eine Dampfprozesseinheit 1 dargestellt, welche mittels eines rechtläufigen Kreisprozesses mechanische Energie erzeugt, die, wie dargestellt, vorteilhafterweise zum Antrieb eines elektrischen Generators 7 verwendet wird, welcher wiederum Nebenverbraucher im Fahrzeug beschickt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Kreisprozess ein Clausius-Rankine-Prozess verwendet. Hierzu wird ein Betriebsmittel in einem Dampferzeuger 2, der Teil einer Dampfprozesseinheit 1 ist, verdampft. Die Wärmezufuhr erfolgt hierbei über zwei Wärmequellen, welche je nach Betriebssituation gleichzeitig oder separat zur Aufheizung und Verdampfung des Betriebsmittels im Dampferzeuger 2 verwendet werden können. Eine erste Wärmequelle stellt der Abgasstrom 4 dar, der dem Wärmetauscher 3 aus der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Eine weitere Wärmequelle ist eine separate Brennereinheit 5, welche vorteilhafterweise als Kraftstoffbrenneinheit ausgebildet ist.
Durch das verdampfte Betriebsmittel wird nachfolgend ein Expander 6 angetrieben. Als Expander 6 wird eine Expansionsmaschine, bevorzugt in Kolbenexpanderbauweise, verwendet, bei welchem der Kolbenhub über eine Taumelscheibe in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird. In 1 ist hierzu mit P_mech das Umsetzen in eine rotative mechanische Leistung dargestellt, durch die wiederum ein elektrischer Generator 7 zur Bordnetzversorgung angetrieben werden kann.
Nachfolgend zum Expander 6 wird das Betriebsmittel in einem Kondensator 8 verflüssigt, welcher wiederum in der dargestellten Ausgestaltung durch den Kühlmittelkreis 9 des Fahrzeugs gekühlt wird.
Nach dem Expander 6 liegt das Betriebsmittel wiederum flüssig vor und kann in einem Tank 10 bevorratet werden. Mit Hilfe einer Förderpumpe 11 wird es dann wiederum zum Wärmetauscher 3 im Dampferzeuger 2 zurückgeführt. Für höhere Leistungsanforderungen kommt als Expander 6 ein Kurbelwellenmotor und für eine Leistung über 500 kW eine Dampfturbine in Betracht.
Durch die in 1 dargestellte Dampfprozesseinheit 1 ist es möglich, einen Anteil der Energie in der Abwärme des Abgasstroms von der Verbrennungskraftmaschine zurückzugewinnen und in mechanische Arbeit umzusetzen. Erfindungsgemäß wird als separate Wärmequelle eine Brennereinheit 5 zur Beheizung des Dampferzeugers 2 verwendet, welche unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine und damit insbesondere im Stillstand oder unter Leerlaufbedingungen so angesteuert werden kann, dass die Energieanforderung zur Beschickung von Nebenverbrauchern des Fahrzeugs gedeckt wird. Ein wesentlicher Vorteil besteht somit darin, dass für den Fall, dass lediglich Nebenverbraucher zu betreiben sind, die Hauptantriebsmaschine in Form der Verbrennungskraftmaschine stillstehen kann. Hieraus folgt eine Verringerung des Fahrzeugantriebsgeräusches sowie des Kraftstoffverbrauchs und damit verbunden eine Reduktion von Schadstoffemissionen.
Neben der mechanischen Leistungsabgabe der Dampfprozesseinheit 1 kann auch die Abwärme aus dem Dampferzeuger 2 für eine Vielzahl von Temperierungsanwendungen im Fahrzeug verwendet werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer separaten Brennereinheit besteht wiederum keine Notwendigkeit, nur zur Bedienung von Temperierungsanforderungen auf die Verbrennungskraftmaschine zurückzugreifen. Allerdings entfällt unter Volllastbedingungen beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine die Notwendigkeit, über eine zusätzliche, separate Energiequelle den Dampfprozess zu betreiben, so dass für diesen Fall die separate Brennereinheit 5 nicht aktiv wird. Für alle Zwischenbereiche, bei denen lediglich eine Minder- oder Teillast für die Verbrennungskraftmaschine vorliegt, kann die Ausgangsleistung der separaten Brennereinheit 5 entsprechend angepasst bzw. moduliert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, dass Fluktuationen im Wärmeeintrag sowohl durch den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine sowie der separaten Brennereinheit 5 aufgrund der konstruktiv bedingten Trägheit in der Dampfprozesseinheit 1 zu keinen wesentlichen Schwankungen der mechanischen Abgabeleistung am Expander 6 führt, so dass ein konstanter Betrieb, etwa eines elektrischen Generators 7, zur Bordnetzversorgung gesichert ist.
Eine vorteilhafte Weitergestaltung der Erfindung ist in 2 dargestellt. Gezeigt wird die separate Brennereinheit 5 und der Dampferzeuger 2 mit dem darin vorgesehenen Wärmetauscher 3 sowie ein Partikelfilter 13, durch den der von der Verbrennungskraftmaschine 12 kommende Abgasstrom geleitet wird, bevor er in den Dampferzeuger 2 eintritt. Insbesondere bei der Verwendung eines Dieselmotors als Verbrennungskraftmaschine 12 treten im Abgasstrom Rußpartikel auf, welche durch einen Partikelfilter zurückgehalten werden sollen. Derartige Filter bedürfen einer regelmäßigen Reinigung, welche durch ein Aufheizen über die Regenerationstemperatur bewirkt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann für dieses thermische Aufheizen die in der erfindungsgemäßen Dampfprozesseinheit 1 vorgesehene separate Brennereinheit 5 verwendet werden. Eine solche Partikelfilterreinigung wird vorteilhaft dann ausgeführt, wenn der Filter einer Reinigung bedarf und die Brennervolllast zur Beheizung des Wärmetauschers 3 im Dampferzeuger 2 nachgefragt wird.
In der in 2 dargestellten Ausgestaltung besteht über die Ventileinheit 14 und die Bypassleitung 15 eine Möglichkeit den Abgasstrom am Dampferzeuger 2 vorbeizuleiten. Dieser Betriebsfall wird dann eintreten, wenn dem Dampfkreisprozess keine weitere Energie zugeführt werden soll, das heißt vor allem dann, wenn keine Leistungsnachfrage besteht oder wenn der Kühlkreislauf des Fahrzeugs zur Kühlung des Kondensators anderenfalls unnötig oder übermäßig belastet würde.
Für die Verwendung bei Schienenfahrzeugen, welche mit einem Dieselmotor als Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, hat sich folgende Ausgestaltung des Dampfprozesses bzw. der Dampfprozesseinheit 1 als geeignet gewiesen: Als maximaler Systemdruck für das Betriebsmittel wird ein Druck von 60 bar verwendet. Hierbei herrscht im Kondensator ein Druck von ungefähr 1 bar. Bei der im Dampferzeuger 2 anliegenden ersten Temperatur wird eine maximale Überhitzungstemperatur von 440 °C nicht überschritten. Entsprechend dieser Betriebsdaten wird ein geeignetes Betriebsmedium für den Dampfkreisprozess gewählt.

Claims

Autarke Energieerzeugungseinheit für ein Fahrzeug, das von einer Verbrennungskraftmaschine (12) angetrieben wird, umfassend; 1.1 eine Dampfprozesseinheit (1) mit einem Dampferzeuger (2), in welchem einem Betriebsmittel über einen Wärmetauscher (3) bei einer ersten Temperatur Wärme zugeführt wird, so dass das Betriebsmittel verdampft; 1.2 mit einem Expander (6), in dem das verdampfte Betriebsmittel mechanische Energie erzeugt; 1.3 mit einem Kondensator (8), dem das vom Expander (6) kommende Betriebsmittel zugeführt wird, und in welchem das Betriebsmittel auf einer zweiten Temperatur, welche niedriger ist als die erste Temperatur, kondensiert; 1.4 Mittel zur Zurückführung des kondensierten Betriebsmittels zum Dampferzeuger (2), 1.5 mit einer Vorrichtung zum wahlweisen Zuleiten des Abgasstroms (4) aus der Verbrennungskraftmaschine und eines erhitzten Gases aus einer separaten Brennereinheit (5) zum Wärmetauscher (3) im Dampferzeuger (2).
Autarke Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Brennereinheit (5) beim Stillstand oder dem Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine (12) zum Antrieb der Dampfprozesseinheit (1) verwendet wird und diese ab einer bestimmten Lastschwelle der Verbrennungskraftmaschine (12) abgeschaltet wird.
Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Brennereinheit (5) zusätzlich zur Reinigung eines Partikelfilters (13) im Abgasstrom (4) der Verbrennungskraftmaschine (12) verwendet wird.
Autarke Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (13) stromaufwärts zum Dampferzeuger (2) angeordnet ist.
Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbarer Bypass (15) für den Abgasstrom und/oder den Brennergasstrom zur wahlweisen Umgehung des Dampferzeugers (2) vorgesehen ist.
Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (6) einen elektrischen Generator (7) antreibt.
Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme aus dem Dampferzeuger (2) zum Betrieb einer Standheizung für das Fahrzeug und/oder zum Erwärmen der Verbrennungskraftmaschine (12) vor dem Start verwendet wird.
Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Expander (6) eine Kolbenexpandermaschine verwendet wird.
Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator zur Kühlung wenigstens mittelbar mit dem Kühlmittelkreis (9) des Fahrzeugs verbunden ist.