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Die
Erfindung betrifft einen hydraulischen Hybridantrieb für
ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge
mit Hybridantrieb unterliegen derzeit einer starken Nachfrage. Bei
den zur Zeit auf dem Markt oder in Entwicklung befindlichen Hybridantrieben
handelt es sich nahezu ausschließlich um elektrische Hybridantriebe,
die neben einem Verbrennungsmotor eine oder zwei elektrische Maschinen
und eine als Energiespeicher dienende groß dimensionierte
Batterie umfassen.
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Jedoch
sind auch bereits seit längerem sogenannte hydraulische
Hybridantriebe bekannt. Bei diesen Hybridantrieben wird die Funktion
der elektrischen Maschine(n) von einem Hydraulik-Antriebsaggregat übernommen,
das aus einem Hydraulikmotor und einer Hydraulikpumpe oder aus einer
einzigen Motor/Pumpe-Einheit besteht, die sich bei Bedarf sowohl
als Hydraulikpumpe und als Hydraulikmotor betreiben lässt.
Der Betrieb des Hydraulikmotors bzw. der Motorbetrieb der Einheit
entspricht dem motorischen Betrieb der oder einer Elektromaschine
von elektrischen Hybridantrieben, während der Betrieb der
Hydraulikpumpe bzw. der Pumpenbetrieb der Einheit dem generatorischen
Betrieb der oder einer Elektromaschine entspricht. An Stelle einer
Batterie umfassen hydraulische Hybridantriebe mindestens einen Energiespeicher,
in dem unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit gespeichert
ist. In der Regel sind zwei Energiespeicher vorgesehen, von denen
einer als Hochdruck- und einer als Niederdruck-Energiespeicher konzipiert
ist. Bei der Entleerung des Hochdruck-Energiespeichers strömt
die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit unter Verrichtung
von mechanischer Arbeit durch den Hydraulikmotor in den Niederdruck-Energiespeicher
oder Ausgleichsbehälter, von wo sie unter Einsatz von Energie,
vorzugsweise Energie aus dem Antriebsstrang, von der Hydraulikpumpe
wieder in den Hochdruck-Energiespeicher zurück gepumpt
werden kann.
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Ein
hydraulischer Hybridantrieb der eingangs genannten Art mit einem
Verbrennungsmotor, einem Hydraulikmotor, einer Hydraulikpumpe, einem Hochdruck-Energiespeicher
und einem Niederdruck-Energiespeicher ist beispielsweise aus der
DE OS 24 62 059 bekannt.
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Weiter
ist es bei Kraftfahrzeugen mit einem konventionellen Antrieb auch
bereits bekannt, zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades
des Antriebs die Abwärme des Verbrennungsmotors durch eine
zusätzliche Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung
zu nutzen. Bei einem vor einiger Zeit von BMW vorgestellten "Turbosteamer"-Konzept sind
dazu im Kraftfahrzeug zwei Dampfkreisläufe vorgesehen,
in denen jeweils Wasser in einem Dampferzeuger durch die im Abgas
bzw. im Kühlmittel des Verbrennungsmotors enthaltene Restwärme verdampft
und überhitzt wird, und in denen der überhitzte
Dampf anschließend in einer mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotor
gekoppelten Expansionsmaschine entspannt wird, um die dabei gewonnene mechanische
Arbeit in die Kurbelwelle einzukoppeln.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen
Hybridantrieb der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
dass der Wirkungsgrad des Antriebs gesteigert werden kann, ohne
dass wie beim "Turbosteamer"-Konzept ein oder mehrere zusätzliche Dampfkreisläufe
erforderlich sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmerückgewinnungseinrichtung
zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus einem heißen
Abgas und/oder Kühlmittel des Verbrennungsmotors und zur
Einspeisung der zurückgewonnenen Wärmeenergie
in das Hydrauliksystem gelöst.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Komponenten des Hydrauliksystems
des hydraulischen Hybridantriebs zu nutzen, um die aus dem Abgas
und/oder Kühlmittel des Verbrennungsmotors zurückgewonnene
Wärmeenergie zwischenzuspeichern und/oder in mechanische
Arbeit umzuwandeln.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Hybridantrieb kann der zum
Antrieb des Fahrzeugs benötigte Kraftstoff mit größtmöglicher
Effizienz ausgenutzt werden, weil zum einen der hydraulische Hybridantrieb
einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit optimalem Antriebs-Wirkungsgrad
sowie eine Rückgewinnung von Bremsenergie bzw. potentieller
Energie beim Bergabfahren (Rekuperation) gestattet, und weil darüber hinaus
die Nutzung der zurückgewonnenen Wärmeenergie
aus dem Abgas und/oder Kühlmittel des Verbrennungsmotors
in Form von mechanischer Arbeit eine Verbesserung des thermischen
Wirkungsgrades gestattet.
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Eine
mit wenigen Modifikationen am hydraulischen Hybridantrieb realisierbare
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Energiespeicher
ein vom Hydraulikfluid getrenntes kompressibles gasförmiges
Medium, vorzugsweise ein Inertgas, enthält, und dass ein
mit dem heißen Abgas und/oder Kühlmittel des Verbrennungsmotors
beaufschlagbarer Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher
im Kontakt mit dem gasförmigen Medium im Energiespeicher und
vorzugsweise in einem Hochdruck-Energiespeicher steht. Vorteilhaft
bildet der Wärmeübertrager einen integralen Teil
des Hochdruck-Energiespeichers, wobei er zum Beispiel in Form eines
hohlen, den Energiespeicher umgebenden und vom heißen Abgas oder
Kühlmittel durchströmten Mantels ausgebildet sein
kann.
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Eine
alternative und bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht jedoch
vor, mindestens einen Teil der im heißen Abgas und/oder
Kühlmittel enthaltenen Restwärme in das Hydraulikfluid
selbst zuzuführen, um durch die Erwärmung einen
Phasenwechsel des Hydraulikfluids hervorzurufen.
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Auch
in diesem Fall umfasst die Wärmerückgewinnungseinrichtung
bevorzugt mindestens einen mit dem heißen Abgas und/oder
Kühlmittel des Verbrennungsmotors beaufschlagbaren Wärmeübertrager,
der jedoch in direktem Kontakt mit dem Hydraulikfluid steht. Dabei
kann der Wärmeübertrager wieder in den Energiespeicher
integriert sein, der in diesem Fall an Stelle eines Inertgases dampfförmiges Hydraulikfluid
als kompressibles Medium enthält, so dass eine Membran
oder ein Kolben entbehrlich ist. Um einen guten Wärmeübergang
zu gewährleisten, steht der Wärmeübertrager
mindestens im Kontakt mit dem flüssigen Hydraulikfluid,
kann jedoch zusätzlich auch im Kontakt mit dem dampfförmigen
Hydraulikfluid stehen, um dieses ebenfalls aufzuheizen.
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Wenn
der Energiespeicher bei Bedarf oder nach vollständiger
Befüllung zwecks Umwandlung der gespeicherten Energie in
mechanische Arbeit entleert und dabei das im Energiespeicher enthaltene,
unter Druck stehende kompressible Medium entspannt wird, erfolgt
diese Entspannung vorzugsweise adiabat, so dass die Temperatur des
kompressiblen Mediums wieder sinkt. Die Entleerung des Energiespeichers
erfolgt ebenso wie die Wärmerückgewinnung diskontinuierlich.
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Alternativ
kann der Wärmeübertrager jedoch auch in einen
Dampferzeuger integriert sein, der zur Kraft-Wärme-Kopplung
zusammen mit einer mit dem Antriebsstrang koppelbaren Expansionsmaschine und
einem Kondensator in einem zusätzlichen Teilkreis des Hydrauliksystems
enthalten ist. In diesem Fall ist bevorzugt die Expansionsmaschine
mit unter Druck stehendem verdampftem Hydraulikfluid aus dem Dampferzeuger
beaufschlagbar, wobei das entspannte Hydraulikfluid zweckmäßig
zur Kondensation in den Kondensator und von dort in den Niederdruck-Energiespeicher
geleitet wird.
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Um überschüssige
Wärmeenergie an die Umgebung abzuführen, kann
das Hydrauliksystem einen an den Energiespeicher bzw. an den Kondensator
angeschlossenen Kühler umfassen, der die Wärmeenergie
diskontinuierlich abgibt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht von Komponenten eines Hydrauliksystems eines
Kraftfahrzeugs mit einem hydraulischen Hybridantrieb;
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2 eine
Ansicht entsprechend 1, jedoch mit einem modifizierten
Hydrauliksystem;
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3 eine
Ansicht entsprechend 1 und 2, jedoch
mit einem noch anderen modifizierten Hydrauliksystem.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in der Zeichnung schematisch dargestellten hydraulischen Hybridantriebe 2 dienen
als Antrieb für ein Kraftfahrzeug und sind mit dessen Antriebsstrang 4 gekoppelt.
Die Hybridantriebe 2 umfassen einen Verbrennungsmotor 6,
ein Hydraulik-Antriebsaggregat 8, dessen Funktion der Funktion der
elektrischen Maschine eines elektrischen Hybridantriebs entspricht,
sowie einen Hochdruck-Energiespeicher 10 und einen Niederdruck-Energiespeicher 12,
deren Funktion der Funktion der Batterie eines elektrischen Hybridantriebs
entspricht. Die beiden Energiespeicher 10, 12 sind
durch Hydraulikleitungen 14, 16 mit dem Hydraulik-Antriebsaggregat 8 verbunden. Ähnlich
wie bei elektrischen Hybridantrieben können der Verbrennungsmotor 4 und
das Hydraulik-Antriebsaggregat 8 als serieller Hybrid,
als paralleler Hybrid oder als leistungsverzweigender Hybrid miteinander
bzw. mit dem Antriebsstrang 4 gekoppelt sein, weshalb die
Kopplung nur schematisch durch unterbrochene Linien dargestellt
ist.
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Das
Hydraulik-Antriebsaggregat 8 umfasst eine Hydraulikpumpe 18 und
einen Hydraulikmotor 20. Die Hydraulikpumpe 18 und
der Hydraulikmotor 20 können in Form von zwei
getrennten Komponenten vorliegen, oder alternativ in Form einer
einzigen Einheit, die zum Beispiel als Axialkolbenpumpe bzw. Axialkolbenmotor
oder Radialkolbenpumpe bzw. Radialkolbenmotor ausgebildet ist und
nach Bedarf entweder als Pumpe oder als Motor betrieben wird.
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Das
im Pumpenbetrieb arbeitende Aggregat 8 wird verwendet,
wenn zum Beispiel bei einer Bergabfahrt oder beim Abbremsen des
Kraftfahrzeugs überschüssige Bewegungsenergie
aus dem Antriebsstrang 4 zurückgewonnen werden
soll (Rekuperation), um sie in Form von hydraulischer Energie oder Druckenergie
im Hochdruck-Energiespeicher 10 zwischenzuspeichern. In
diesem Fall wird das Aggregat 8 durch den Antriebsstrang 4 angetrieben,
um mit der Hydraulikpumpe 18 Hydraulikflüssigkeit
aus dem Niederdruck-Energiespeicher 12 in den Hochdruck-Energiespeicher 10 zu
pumpen.
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Umgekehrt
wird das im Motorbetrieb arbeitende Aggregat 8 verwendet,
um bei Bedarf Antriebsenergie oder zusätzliche Antriebsenergie
in den Antriebsstrang 4 des Kraftfahrzeugs einzukoppeln.
Dadurch kann der Verbrennungsmotor 6 zur Kraftstoffeinsparung
und/oder Emissionsminderung abgeschaltet werden, wenn keine oder
nur eine geringe Antriebsleistung benötigt wird, wie zum
Beispiel im Schubbetrieb oder beim Stillstand des Kraftfahrzeugs.
Oder die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors 6 kann
durch eine zusätzliche Antriebsleistung aus dem Hydraulik-Antriebsaggregat 8 ergänzt werden,
indem zum Beispiel beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs oder beim
Entleeren des voll aufgeladenen Hochdruck-Energiespeichers 10 ein
zusätzliches Antriebsdrehmoment aus dem Aggregat 8 in
den Antriebsstrang 4 eingekoppelt wird. In diesen Fällen
wird das Aggregat 8 durch die Hydraulikflüssigkeit
angetrieben, die aus dem Hochdruck-Energiespeicher 10 durch
das Aggregat 8 in den Niederdruck-Energiespeicher 12 strömt
und dabei den Hydraulikmotor 20 treibt.
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Da überschüssige
Bewegungsenergie aus dem Antriebsstrang 4 ausgekoppelt
und zurückgewonnen werden kann, um sie bei Bedarf zur Abdeckung
späterer Spitzenlastzustände zu nutzen, kann der
Verbrennungsmotor 6 in einem sehr günstigen Wirkungsgradbereich
betrieben werden. Dies gestattet die Verwendung eines kleineren
Verbrennungsmotors 6, um dieselbe Antriebsleistung zu erzielen (Downsizing).
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Ein
hoher Gesamtwirkungsgrad der Hybridantriebe 2 setzt jedoch
nicht nur einen hohen Antriebswirkungsgrad voraus, wie er mit der
vorangehend beschriebenen Anordnung erreichbar ist, sondern auch
einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Zu diesem Zweck umfassen die
in der Zeichnung dargestellten Hybridantriebe 2 eine zusätzliche
Wärmerückgewinnungseinrichtung 22, mit
der sich ein Teil der noch im Abgas bzw. im Kühlwasser
des Verbrennungsmotors 6 enthaltenen Wärmeenergie
zurückgewinnen, im Hochdruck-Energiespeicher 10 zwischenspeichern
und mittels des Hydraulik-Antriebsaggregats 8 (1 und 2) bzw.
zusätzlicher, weiter unten beschriebener Komponenten (3)
in mechanische Arbeit umwandeln lässt, die in den Antriebsstrang 4 eingekoppelt
werden kann.
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Bei
den beiden in 1 und 2 dargestellten
Hybridantrieben 2 erfolgt die Rückgewinnung der
Wärmeenergie innerhalb des Hochdruck-Energiespeichers 10,
während die Umwandlung der zurückgewonnenen Wärmeenergie
in mechanische Arbeit mit Hilfe des Hydraulik-Antriebsaggregats 8 erfolgt.
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Bei
dem in 1 dargestellten Hybridantrieb 2 weisen
der Hochdruck-Energiespeicher 10 und der Niederdruck-Energiespeicher 12 zwei
durch eine Membran 24 voneinander getrennte Hohlräume 26, 28 auf.
Im oberen 28 der beiden Hohlräume 26, 28 befindet
sich ein kompressibles Inertgas, während der untere Hohlraum 26 mit
einer konventionellen Hydraulikflüssigkeit, zum Beispiel
Hydrauliköl, gefüllt ist und durch die Hydraulikleitung 14 mit
dem Aggregat 8 kommuniziert. Das Inertgas im oberen 28 der
beiden Hohlräume 26, 28 steht im Kontakt
mit einer Wärmeübertrageroberfläche eines
Wärmeübertragers 30, der zur Vereinfachung
innerhalb des Hochdruck-Energiespeichers 10 dargestellt
ist, jedoch diesen auch in Form eines Mantels umgeben kann. Der Wärmeübertrager 30 wird
von heißem Abgas aus dem Abgastrakt 32 des Verbrennungsmotors 4 durchströmt,
das nach seiner Abkühlung durch den Auspuff 34 in
die Umgebung abgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich
kann der Wärmeübertrager 30 auch von
einem anderen, Abwärme des Verbrennungsmotors 4 transportierenden
Medium beaufschlagt werden, wie zum Beispiel Kühlwasser.
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Durch
die Zufuhr von Wärmeenergie aus dem heißen Abgas
oder anderen Medium in das Inertgas im Hochdruck-Energiespeichers 10 dehnt
sich das Inertgas im oberen Teil 28 des Energiespeichers 10 aus,
wodurch dort der Druck ansteigt. Durch den höheren Druck
wird eine größere Menge Hydraulikflüssigkeit
aus dem unteren Teil 26 des Energiespeichers 10 durch
das Aggregat 8 hindurchgedrückt, wenn der Energiespeicher 10 durch Öffnen
eines Ventils (nicht dargestellt) in der Hydraulikleitung 14 entladen
wird. Dadurch kann in dem im Motorbetrieb arbeitenden Aggregat 8 mehr
Bewegungsenergie in mechanische Arbeit umgewandelt und dann in den Antriebsstrang 4 des
Fahrzeugs eingekoppelt werden.
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Die
Entspannung des Inertgases im Hochdruck-Energiespeicher 10 erfolgt
adiabat. Dadurch sinkt die Temperatur des Inertgases infolge der
Entspannung ab und kann durch erneute Zufuhr von Wärmeenergie
aus dem Wärmeübertrager 30 wieder angehoben
werden. Die Menge des Inertgases im Energiespeicher 10 wird
zweckmäßig so an dessen Volumen angepasst, dass
das Inertgas seinen maximal zulässigen Druck erreicht,
wenn seine Temperatur der Temperatur des in den Wärmeübertrager 30 zugeführten
Abgases oder anderen Abwärme des Verbrennungsmotors 4 transportierenden
Mediums entspricht, woraufhin keine Übertragung von Wärmeenergie
mehr stattfindet.
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Bei
dem in 2 dargestellten Hybridantrieb wird an Stelle einer
konventionellen Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikkreis
ein Arbeitsmedium verwendet, das bei einer Zufuhr von heißem
Kühlwasser aus einem Kühlwasserkreislauf 36 des
Verbrennungsmotors 6 (wie in 2 dargestellt)
und/oder Abgas aus dem Abgastrakt 32 (in 2 nicht
dargestellt) in den Wärmeübertrager 30 des
Energiespeichers 10 bei den dort herrschenden Drücken
und Temperaturen verdampft. Durch die Volumenzunahme beim Verdampfen
des Arbeitsmediums kommt es infolge des konstanten Volumens des
Hochdruck-Energiespeichers 10 zu einem starken Druckanstieg.
Dadurch kann beim anschließenden Entladen des Hochdruck-Energiespeichers 10 vom
Aggregat 8 mehr mechanische Arbeit in den Antriebsstrang 4 eingekoppelt
werden, wie zuvor in Verbindung mit 1 beschrieben.
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Die
Entspannung des verdampften, unter Druck stehenden Arbeitsmediums
im Energiespeicher 10 beim Entladen desselben erfolgt ebenfalls adiabat,
so dass infolge der sinkenden Temperatur bei der Entspannung das
Arbeitsmedium im Energiespeicher 10 kondensiert bzw. nach
der Entspannung erneut Wärmeenergie aus dem Wärmeübertrager 30 aufnehmen
kann. Da nur kondensiertes Arbeitsmedium aus dem Energiespeicher 10 in
das Aggregat 8 zugeführt werden darf, kann ein
zusätzlicher Kühler 38 oder Kondensator
vorgesehen sein, um die Kondensation des Arbeitsmediums sicherzustellen.
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Wie
in 2 dargestellt, ist der Wärmeübertrager 30 anders
als bei dem in 1 dargestellten Energiespeicher 10 im
unteren, mit flüssigem Arbeitsmedium gefüllten
Teil 26 oder um diesen herum angeordnet, wodurch sich der
Wärmeübergang verbessern lässt. Jedoch
kann sich der Wärmeübertrager 30 bis
in den oberen Teil 28 erstrecken, um auch das verdampfte
Arbeitsmedium zu beheizen. Wie 2 zeigt,
ist bei Verwendung eines solchen Arbeitsmediums keine Membran zwischen
dem oberen und dem unteren Teil 28, 26 des Hochdruck-Energiespeichers 10 erforderlich.
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Wie
der soeben unter Bezugnahme auf 2 beschriebene
Hybridantrieb 2 nutzt auch der in 3 dargestellte
Hybridantrieb 2 ein Arbeitsmedium, das unter den im Hydrauliksystem
herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen verdampft, wenn es
mit der Wärmeübertrageroberfläche eines mit
heißem Abgas und/oder Kühlwasser beaufschlagbaren
Wärmeübertragers 30 in Kontakt tritt.
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Anders
als bei dem Hybridantrieb 2 aus 2 ist jedoch
der Wärmeübertrager 30 nicht in den Hochdruck-Energiespeicher 10 sondern
in einen Dampferzeuger 40 integriert. Der Dampferzeuger 40 bildet
zusammen mit einer Expansionsmaschine 42 und einem Kondensator 44 einen
zusätzlichen, zwischen dem Hochdruck-Energiespeicher 10 und
dem Niederdruck-Energiespeicher 12 angeordneten Teilkreis 46,
der sowohl zur Rückgewinnung der Wärmeenergie
und zur Umwandlung der zurückgewonnenen Wärmeenergie
in nutzbare mechanische Arbeit durch Kraft-Wärme-Kopplung
dient.
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Zur
Rückgewinnung der Wärmeenergie aus dem in 3 durch
einen Pfeil A schematisch dargestellten heißen Abgas und/oder
Kühlwasser des Verbrennungsmotors 6 ist der Dampferzeuger 40 durch eine
Leitung 48 mit dem unteren Teil 26 des Hochdruck-Energiespeichers 10 verbunden,
so dass er aus diesem mit flüssigem Arbeitsmedium beaufschlagt
werden kann. Das beim Kontakt mit der heißen Wärmeübertrageroberfläche
des Wärmeübertragers 30 im Dampferzeuger 40 verdampfte
und überhitzte Arbeitsmedium wird dann in die Expansionsmaschine 42 zugeführt
und dort entspannt, wobei ein Teil der im Arbeitsmedium enthaltenen
Energie in mechanische Arbeit umgewandelt und in den Antriebsstrang 4 eingekoppelt
wird, wie durch die unterbrochene Linie dargestellt. Das entspannte
Arbeitsmedium wird in den Kondensator 44 zugeführt,
wo es gekühlt und verflüssigt wird, um es anschließend durch
eine Leitung 50 in den unteren Teil 26 des Niederdruck-Energiespeichers 12 zuzuführen.
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Wie
bei den zuvor beschriebenen Hybridantrieben 2 wird das
Arbeitsmedium von dort mittels des im Pumpenbetrieb arbeitenden
Aggregats 8 in den Hochdruck-Energiespeicher 10 zurück
gepumpt, wenn das Aggregat 8 zum Beispiel beim Bremsen oder
bei Bergabfahrten vom Antriebsstrang 4 angetrieben wird,
oder wenn es bei vollem Niederdruck-Energiespeicher 12 vom
Verbrennungsmotor 6 angetrieben wird, um einen Teil des
Arbeitsmediums in den Hochdruck-Energiespeicher 10 zurückzuführen.
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Zitierte Patentliteratur
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