DE102007026889A1 - Hybridantrieb mit Abgasenergienutzung und Verfahren hierzu - Google Patents

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Manfred Schmitt
Lutz Rauchfuss
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb (1) für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennkraftmaschine (2) und mindestens einer elektrischen Maschine (3), wobei die Brennkraftmaschine (2) eine Abgasanlage aufweist, deren Wärmeenergie oder ein Teil davon einem Dampf-/Fluidkreislauf (6) zur Dampferzeugung zugeführt wird, wobei der Dampf eine Expansionsmaschine (7) antreibt, die einen elektrischen Generator (10) antreibrt, dessen erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Energiespeicher (14) und/oder der elektrischen Maschine (3) zugeführt wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrindantriebs für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, wobei der Hybrindantrieb mit mindestens einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine ausgerüstet ist und thermische Energie oder ein Teil davon des Abgases der Brennkraftmaschine einem Dampf-/Fluidkreislauf zur Dampferzeugung zugeführt wird, wobei mit dem Dampf eine Expansionsmaschine angetrieben wird, die einen elektrischen Generator antreibt, dessen erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Energiespeicher und/oder der elektrischen Maschine zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb nach Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren hierzu.
  • Stand der Technik
  • Hybridantriebe, insbesondere für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit Brennkraftmaschinen und elektrischen Maschinen sind bekannt. Um die in den Abgasen der Brennkraftmaschine enthaltene Restenergie zu nutzen, die in bestehenden Konzepten noch ungenutzt mit dem Abgas über die Abgasanlage ins Freie transportiert wird und verloren geht, sind derzeit im Wesentlichen zwei Konzepte bekannt. Bei einem Konzept wird im Wege der Kraft-/Wärme-Kopplung Wasser erhitzt, das eine Expansionsmaschine antreibt, die mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Hieran ist nachteilig, dass die aus der Abgasenergie gewonnene Energie dem Motor permanent zugeführt wird, was nicht immer notwendig ist. Überdies geht die Abgasenergie beim Bremsen und im Stillstand des Fahrzeugs verloren. Bei einem anderen Konzept wird die Abgasenergie mittels eines Wärmetauschers in Wasserdampf umgewandelt, der einen elektrischen Generator über eine Expansionsmaschine antreibt. Diese elektrische Energie wird verwendet, um eine elektrische Maschine anzutreiben, die mit einem Getriebe des Fahrzeugs gekoppelt ist. Hieran ist nachteilig, dass der Elektromotor auf das Vorhandensein von Abgasenergie und damit auf den Betrieb der Brennkraftmaschine angewiesen ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasenergienutzung in Hybridfahrzeugen bereitzustellen, die die genannten Nachteile vermeidet.
  • Hierzu wird ein Hybridantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, mit mindestens einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine, wobei die Brennkraftmaschine eine Abgasanlage aufweist, deren Wärmeenergie, oder ein Teil davon, einem Dampf-/Fluidkreislauf zur Dampferzeugung zugeführt wird, wobei der Dampf eine Expansionsmaschine antreibt, die einen elektrischen Generator antreibt, dessen erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Energiespeicher und/oder der elektrischen Maschine zugeführt wird. Anders als bei den oben zum Stand der Technik beschriebenen Ausführungsformen wird elektrische Energie erzeugt, die aber einem elektrischen Energiespeicher und/oder der elektrischen Maschine zugeführt wird. Hiermit ist ein Betrieb des Fahrzeugs über die Brennkraftmaschine und/oder über die elektrische Maschine möglich, wobei in der elektrischen Maschine nicht benötigte Energie dem elektrischen Energiespeicher zugeführt wird, damit sie dort auf Abruf zur Verwendung in der elektrischen Maschine bereitsteht. Die elektrische Maschine kann folglich auch dann verwendet werden, wenn keine oder nur wenig Abgasenergie zur Erzeugung von elektrischer Energie im elektrischen Generator bereitsteht, wobei die Brennkraftmaschine beispielsweise stillsteht oder nur im Teillastbetrieb oder gar nur im Leerlauf arbeitet. Es ist hierbei vorgesehen, dass nicht notwendig die gesamte Wärmeenergie, die in der Abgasanlage zur Verfügung steht, den Dampf-/Fluidkreislauf zugeführt wird; vielmehr ist auch eine nur teilweise Zuführung von Wärmeenergie zum Dampf-/Fluidkreislauf möglich.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher erhält. Fordert die elektrische Maschine zum Betrieb des Fahrzeugs beispielsweise mehr elektrische Energie an, als der elektrische Generator zur Zeit bereitstellen kann, bezieht die elektrische Maschine elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher. Die elektrische Energie kann demzufolge, insbesondere in variablen Verhältnissen, der elektrischen Maschine einerseits aus dem elektrischen Generator, andererseits aber aus dem elektrischen Energiespeicher zugeführt werden. Je nach Betriebszustand des Fahrzeugs und insbesondere der Brennkraftmaschine, von deren Lastzustand die nutzbare Energie des Abgases abhängig ist, kann demzufolge der elektrischen Maschine die Energie entweder vollständig vom elektrischen Generator, vollständig aus dem elektrischen Energiespeicher oder in einem variablen Verhältnis aus beiden Quellen zugeführt werden. Hierdurch ist ein dauernder oder auch ein zeitweiliger Einsatz der elektrischen Maschine möglich, was insbesondere zur Überwindung von Drehmomentspitzen sinnvoll sein kann, beispielsweise im Anfahrbetrieb, bei steiler Bergfahrt oder im Zugbetrieb. Eine zwingende Festlegung auf ausschließlich eine Antriebsart, nämlich durch die Brennkraftmaschine oder die elektrische Maschine, wird auf diese Weise ebenfalls vorteilhaft verhindert.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Maschine mit einer Abtriebswelle des Fahrzeugs direkt oder über ein (insbesondere regelbares) Kurbelgetriebe gekoppelt. In dieser Ausführungsform kann die elektrische Maschine, insbesondere bei Koppelung über ein regelbares Koppelgetriebe, zur Momentübertragung der Abtriebswelle angekoppelt werden. Die Abtriebswelle ist hierbei insbesondere diejenige, die auch als Abtriebswelle der Brennkraftmaschine dient, die also letztlich die erzeugte Bewegungsenergie zum Antrieb des Fahrzeugs nutzt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist im Dampf-/Fluidkreislauf ein Kühler angeordnet. Der aus der Expansionsmaschine kommende Fluiddampf kondensiert in diesem Kühler und kann so dem Kreislauf neu zugeführt werden.
  • In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist im Dampf-/Fluidkreislauf ein Kompressor angeordnet. Der Kompressor pumpt das im Kühler kondensierte Fluid unter Druck zurück in den Dampf-/Fluidkreislauf.
  • In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Hybridantrieb ein Steuergerät auf, das den elektrischen Energiefluss vom Generator zum elektrischen Energiespeicher und/oder zur elektrischen Maschine steuert/regelt. Das Steuergerät lenkt den elektrischen Energiefluss vom Generator je nach Betriebszustand des Fahrzeugs und der jeweiligen Komponenten entweder zum elektrischen Energiespeicher oder zur elektrischen Maschine, oder in variablen Verhältnissen zu beiden. Auf diese Weise lässt sich ein Betrieb der elektrischen Maschine und gleichzeitig ein Laden des elektrischen Energiespeichers erreichen, wenn ausreichend Abgasenergie zur Verfügung steht, um einen hinreichenden elektrischen Energiefluss vom Generator zu bewirken.
  • In einer weiteren Ausführungsform führt das Steuergerät Energie des elektrischen Energieflusses mindestens einem elektrischen Nebenaggregat der Brennkraftmaschine zu. Hiermit ist es möglich, auch elektrische Nebenaggregate, wie sie in modernen Fahrzeugen in größerer Anzahl vorkommen, mittels elektrischer Energie, die aus Abgasenergie gewonnen wird, zu speisen. Insbesondere ist hierbei nicht erforderlich, das Nebenaggregat über das im Stand der Technik bekannte Fahrzeugbordnetz und über einen konventionellen Fahrzeugakkumulator zu betreiben, oder etwa das Nebenaggregat über Antriebsriemen mechanisch zu betreiben. Für den Betrieb des elektrischen Nebenaggregats wird eine Energie aufgewandt, die im Stand der Technik und in konventionellen Hybridfahrzeugen als Abgasenergie bislang ungenutzt verloren geht. Auf die hier vorgeschlagene Weise ist insbesondere keine Motorleistung des Fahrzeugs zum Betrieb eines Generators erforderlich, so dass die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine ausschließlich zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden und/oder entsprechend kleiner dimensioniert werden können, was vorteilhaft zur Energieeinsparung und zur Umweltverträglichkeit des Fahrzeugs beiträgt.
  • Weiter wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei der Hybridantrieb mit mindestens einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine ausgerüstet ist, und thermische Energie, oder ein Teil davon, des Abgases der Brennkraftmaschine einem Dampf-/Fluidkreislauf zur Dampferzeugung zugeführt wird, wobei mit dem Dampf eine Expansionsmaschine angetrieben wird, die einen elektrischen Generator antreibt, dessen erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Energiespeicher und/oder der elektrischen Maschine zugeführt wird. Die in der Brennkraftmaschine entstehenden Abgase geben demzufolge ihre thermische Energie oder einen Teil derselben einem Dampf-/Fluidkreislauf ab, was zur Dampferzeugung führt. Mit dem so erzeugten Dampf wird eine Expansionsmaschine angetrieben, die wiederum einen Generator antreibt, dessen erzeugte elektrische Energie dem elektrischen Energiespeicher und/oder der elektrischen Maschine, je nach Betriebszustand des Hybridantriebs und insbesondere nach Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, zugeführt wird. Besonders vorteilhaft geschieht diese Zuführung zum elektrischen Energiespeicher und/oder der elektrischen Maschine respektive die Aufteilung der elektrischen Energie unter diesen Komponenten über ein Steuergerät, das nach Ladezustand des elektrischen Energiespeichers und/oder Betriebszustand des Hybridantriebs, die Energie speichert oder in mechanische Leistung wandeln lässt. Insbesondere kann die elektrische Energie auch Nebenaggregaten, nämlich elektrischen Nebenaggregaten, der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Wenn der elektrische Energiespeicher vollständig oder teilweise aufgeladen ist, wird im Regelfall nur noch die elektrische Maschine mit Strom versorgt. Die Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine wird hierbei so gesteuert, dass sich ein Gleichgewicht zwischen dem Leistungseintrag in den Dampf-/Fluidkreislauf, insbesondere über einen Abgaswärmetauscher, und der abgegebenen Generatorleistung einstellt. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Dampf-/Fluidkreislauf, insbesondere der Abgaswärmetauscher, nicht thermisch überlastet wird. Durch die Ausführung dieses Verfahrens und die vorstehend beschriebene Vorrichtung hierzu kann Abgasenergie vorteilhaft kontinuierlich gespeichert und gezielt genutzt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
  • Die Figur zeigt einen Hybridantrieb mit Abgasenergienutzung in schematischer Darstellung.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • Die Figur zeigt einen Hybridantrieb 1 eines nicht dargestellten Fahrzeugs. Dieser weist eine Brennkraftmaschine 2 sowie eine mit dieser im Antriebsstrang gekoppelte elektrische Maschine 3 auf. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, die elektrische Maschine 3 variabel, also insbesondere lösbar beziehungsweise mit steuer-/regelbarer Momentübertragung, an die Brennkraftmaschine 2 zu koppeln. Die Brennkraftmaschine 2 weist einen Abgasstrang 4 zur Ableitung heißer Verbrennungsabgase auf. In den Abgasstrang 4 ist stromabwärts der Brennkraftmaschine 2 ein Abgaswärmetauscher 5 eingebunden, der in den Verbrennungsabgasen enthaltene Wärmeenergie einem Dampf-/Fluidkreislauf 6 zuführt. In dem Dampf-/Fluidkreislauf 6 ist, stromabwärts des Abgaswärmetauschers 5, eine Expansionsmaschine 7 angeordnet, der stromabwärts ein Kühler 8 nachgeordnet ist. Stromabwärts des Kühlers 8 ist ein von der Expansionsmaschine 7 angetriebener Kompressor 9 zur Verdichtung des Dampfes/Fluids im Dampf-/Fluidkreislauf 6 angeordnet, von dem aus im Dampf-/Fluidkreislauf 6 das Fluid zurück in den Abgaswärmetauscher 5 geleitet wird, um erneut Wärmeenergie der Verbrennungsabgase aufzunehmen. Ebenfalls von der Expansionsmaschine 7 angetrieben wird ein mit dieser in geeigneter Weise gekuppelter elektrischer Generator 10, der die in der Expansionsmaschine 7 gewonnene Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Über geeignete Leitungsverbindungen 11, beispielsweise Stromkabel 12, ist dem elektrischen Generator 10 elektrisch ein Steuergerät 13 nachgeschaltet, dem über Leitungsverbindungen 11 ein elektrischer Energiespeicher 14 sowie ebenfalls über geeignete Leitungsverbindungen 11 die elektrische Maschine 3 angeschlossen sind. Das Steuergerät 13 führt die in dem elektrischen Generator 10 gewonnene elektrische Energie je nach Betriebszustand des Hybridantriebs 1 und/oder Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 14 entweder dem elektrischen Energiespeicher 14, der elektrischen Maschine 3 oder aber beiden in einem geeigneten, insbesondere einen von dem Steuergerät ermittelten und/oder eingestellten Verhältnis zu.
  • Die elektrische Maschine 3 kann im Alleinbetrieb, also ohne Verwendung der Brennkraftmaschine 2, zum Betrieb des nicht dargestellten Fahrzeugs verwendet werden, wobei sie die hierfür erforderliche elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 14 bezieht. Ebenfalls kann die Brennkraftmaschine 2 ohne gleichzeitige Verwendung der elektrischen Maschine 3 allein zum Betrieb des nicht dargestellten Fahrzeugs verwendet werden, wobei dann die aus der Wärmeenergie der Verbrennungsabgase gewonnene elektrische Energie dem elektrischen Energiespeicher 14 über das Steuergerät 13 zugeführt wird. Weiter ist es möglich, das nicht dargestellte Fahrzeug unter Verwendung sowohl der Brennkraftmaschine 2 als auch gleichzeitiger Verwendung der elektrischen Maschine 3 zu betreiben, insbesondere um Drehmomentspitzen darzustellen, wie sie beispielsweise im Anfahrbetrieb, bei steiler Bergfahrt oder im Zugbetrieb/Hängerbetrieb auftreten können. Hierzu wird der elektrischen Maschine 3 elektrische Energie aus dem Generator 10 und/oder dem elektrischen Energiespeicher 14 über das Steuergerät 13 zugeführt.
  • Selbstverständlich sind hinsichtlich des elektrischen Energiespeichers 14 und des Steuergeräts 13 auch Ausführungsformen möglich, die sowohl den elektrischen Energiespeicher 14 wie auch das Steuergerät 13 in einem Modul, also einer einzigen Baueinheit, umfassen.

Claims (8)

  1. Hybridantrieb (1) für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennkraftmaschine (2) und mindestens einer elektrischen Maschine (3), wobei die Brennkraftmaschine (2) eine Abgasanlage aufweist, deren Wärmeenergie, oder ein Teil davon, einem Dampf-/Fluidkreislauf (6) zur Dampferzeugung zugeführt wird, wobei der Dampf eine Expansionsmaschine (7) antreibt, die einen elektrischen Generator (10) antreibt, dessen erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Energiespeicher (14) und/oder der elektrischen Maschine (3) zugeführt wird.
  2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher (14) erhält.
  3. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Dampf-/Fluidkreislauf (6) ein Kühler (8) angeordnet ist.
  4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) direkt oder über ein (insbesondere regelbares) Koppelgetriebe mit einer Abtriebswelle des Fahrzeugs gekoppelt ist.
  5. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Dampf-/Fluidkreislauf (6) ein Kompressor (9) angeordnet ist.
  6. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (13), das den elektrischen Energiefluss vom elektrischen Generator (10) zum elektrischen Energiespeicher (14) und/oder zur elektrischen Maschine (3) steuert/regelt.
  7. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (13) Energie des elektrischen Energieflusses mindestens einem elektrischen Nebenaggregat der Brennkraftmaschine (2) zuführt.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, wobei der Hybridantrieb mit mindestens einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine ausgerüstet ist, und thermische Energie, oder ein Teil davon, des Abgases der Brennkraftmaschine einem Dampf-/Fluidkreislauf zur Dampferzeugung zugeführt wird, wobei mit dem Dampf eine Expansionsmaschine angetrieben wird, die einen elektrischen Generator antreibt, dessen erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Energiespeicher und/oder der elektrischen Maschine zugeführt wird.
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