DE102007043014A1

DE102007043014A1 - Rekuperationssystem zur Stützung des Energiehaushalts eines Fahrzeugs und Rekuperationsverfahren

Info

Publication number: DE102007043014A1
Application number: DE102007043014A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Forsthuber; Markus Renner
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rekuperationssystem (1) zur Stützung des Energiehaushalts eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugheizsystem (2), das einen Fluidvorlauf (3) und einen Fluidrücklauf (4) eines Fluidheizkreislaufs (5) des Fahrzeugheizsystems (2) aufweist. Dazu weist das Rekuperationssystem einen Fluidwirbelheizer (6), ein Steuergerät (7) und Regelungselemente (8, 9, 10, 11) auf. Der Fluidwirbelheizer (6) wandelt mechanische Energie in Wärmeenergie um und steht mit dem Fluidheizkreislauf (5) des Fahrzeugheizsystems in Wirkverbindung. Das Steuergerät (7) steuert entsprechend den Fahrzuständen des Fahrzeugs über die Regelungselemente (8, 9, 10, 11) Heizleistungen des Fluidwirbelheizers (6), die an unterschiedliche Fahrzustände angepasst sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Rekuperationsverfahren, das mit dem Fluidwirbelheizer (6) arbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rekuperationssystem zur Stützung des Energiehaushalts eines Fahrzeugs und ein Rekuperationsverfahren, wobei das Fahrzeug ein Fahrzeugheizsystem mit einem Fluidvorlauf und einem Fluidrücklauf eines Fluidheizkreislaufs aufweist.
In modernen Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen gewinnt das Energiemanagement an Bedeutung, um den Energiehaushalt eines Fahrzeugs optimal zu gestalten. Kraftfahrzeuge mit verbrauchsoptimierten Motoren wie Dieselmotoren mit thermischem Wirkungsgrad erzeugen nur geringe Abwärme, sodass eine zusätzliche Heizfunktion beispielsweise während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors erforderlich wird. Dabei ist der Wärmehaushalt des Motors derart eng ausgelegt, dass es oftmals nicht einmal mehr reicht, die Fahrzeugkabine insbesondere im Winter auf eine angenehme Temperatur mit der Motorabwärme aufzuheizen. Vielmehr werden für die Fahrzeuge Fahrzeugheizsysteme eingesetzt mit Zusatzheizungen.
Für derartige Zusatzheizungen existieren unterschiedliche Lösungen, z. B. elektrische Zusatzheizungen mit PTC-Heizelementen. Die PTC-Heizelemente sind dabei entweder in den Heizkörper integriert oder in einem Heizregister zusammengefasst, welches stromabwärts des Heizkörpers in der Luftströmung angeordnet ist. Ferner ist aus der Druckschrift EP 462 154 B1 eine Brennstoffzusatzheizung bekannt, welche einen Wärmetauscher aufweist, der mit einem durch einen Brenner erwärmten Kühlmittel versorgt wird. Außerdem ist es bekannt, auch Kraftstoff betriebene Luftheizgeräte einzusetzen, bei welchen die Kabinenluft im Fahrgastraum direkt von den heißen Brenngasen beheizt wird. Darüber hinaus sind heizende Klimaanlagen bekannt, welche auch in einem Wärmepumpenbetrieb arbeiten können, wobei die Klimaanlage in umgekehrter Prozessrichtung betrieben wird.
Andere Zusatzheizungen sind als so genannte Visco-Heizungen beispielsweise aus der Druckschrift EP 361 053 B1 bekannt, bei welchen mechanische Energie des Motors durch Flüssigkeitsreibung in Wärme umgesetzt wird. Diese Wärme wird dann zur Erwärmung des Kühlmittels benutzt, welches wiederum einen Heizkörper zur Beheizung des Fahrgastraums durchströmt. Ein Nachteil derartiger Visco-Heizungen ist, dass die Visco-Flüssigkeit nicht in einem Fluidheizkreislauf gemischt werden darf, zumal sie zähflüssige Öle verwendet, sodass grundsätzlich ein weiterer Wärmeübergang vom Visco-Heizer erforderlich ist. Ein Kommunizieren mit der Kühlflüssigkeit des Motors ist völlig ausgeschlossen. Ein weiterer Nachteil der Visco-Heizungen besteht darin, dass die Wärmeabgabe einzig und allein durch die Rotordrehzahl des Visco-Heizers einstellbar ist. Das heißt die Wärmeabgabe ist an die Motordrehzahl bzw. die Drehzahl des Rotors im Visco-Heizer gekoppelt.
Aufgabe der Erfindung ist es, im Rahmen des Energiemanagements eines Fahrzeugs ein System zu schaffen, das nicht nur Zusatzwärme erzeugt, sondern auch Wärme aus den Fahrzuständen des Fahrzeugs zurück gewinnt.
Diese Aufgabe wird mit den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Rekuperationssystem zur Stützung des Energiehaushalts eines Fahrzeugs geschaffen. Dazu weist das Fahrzeug ein Fahrzeugheizsystem auf, das einen Fluidvorlauf und einen Fluidrücklauf eines Fluidheizkreislaufs besitzt. Das Rekuperationssystem weist einen Fluidwirbelheizer, ein Steuergerät und Regelungselemente auf. Der Fluidwirbelheizer wandelt Bewegungsenergie, die beispielsweise aus Bremsvorgängen gewonnen wird und eigentlich eine Verlustenergie darstellt, in Wärmeenergie um und steht mit dem Fluidheizkreislauf des Fahrzeugheizsystems in Wirkverbindung. Das Steuergerät steuert entsprechend den Fahrzuständen des Fahrzeugs über die Regelungselemente Heizleistungen des Fluidwirbelheizers, die an unterschiedliche Fahrzustände angepasst sind. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Rekuperationsverfahren, das mit dem Fluidwirbelheizer arbeitet. Der Fluidwirbelheizer wird auch als LH-Generator (liquid heat generator) oder abgekürzt als LHG-System bezeichnet.
Das Fluid in dem LHG-System entspricht dabei exakt dem Kühlmittel des Motorkühlsystems des Fahzeugs. Somit weist das Fluid vorzugsweise ein Wasser-Glysantin-Gemisch auf, sodass in vorteilhafter Weise der Fluidwirbelheizer direkt mit dem Fluidheizkreislauf des Fahrzeugheizsystems sowie mit dem Fluid des Motorkühlsystems zusammenwirken kann und ein optimaler Austausch von Wärmeenergie zwischen Fluidwirbelheizer, Fahrzeugheizsystem und Motorkühlsystem möglich ist. Ein weiterer Vorteil dieses Rekuperationssystems besteht darin, dass bisher auftretende Verlustleistung im Energiehaushalt eines Fahrzeugs von bis zu 20 kW je nach Auslegung des Fluidwirbelheizers bei Brems- und Schiebephasen des Fahrzeugs als Wärme zurück gewonnen und damit Kraftstoff eingespart werden kann. Dazu kann die zurückgewonnene Energie als Wärme dem Fluidheizkreislauf zugeführt werden. Ferner kann der Fluidwirbelheizer die Bewegungsenergie, die sonst bei Brems- und Schiebephasen als Verlustenergie abgeführt wird und sich als erhöhten Verschleiß an Bremsbacken und/oder Bremsscheiben auswirkt, nun unter Schonung derartiger Verschleißteile zurück gewonnen werden. Aufgrund der Schonung der Verschleißteile können Wartungsintervalle vergrößert werden, die Sicherheit des Fahrbetriebs verbessert werden und die Betriebskosten eines Fahrzeugs vermindert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Rekuperationssystem ein Durchflussventil auf, das stromaufwärts des Fluidwirbelheizers angeordnet ist. Über das Durchflussventil ist der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers zur Anpassung der Heizleistung bei konstanter Drehzahl des Motors einstellbar. Dabei stellt das Steuergerät in einer Schiebe- und Bremsphase des Fahrzeugs einen höheren Befüllungsgrad ein und damit auch eine höhere Leistungsabgabe des Fluidwirbelheizers an das Fahrzeugheizsystem als in einer Beschleunigungsphase. Selbst im Sommerbetrieb kann dieses Rekuperationssystem helfen, den Verschleiß am Fahrzeug zu verringern, da das Fahrzeugbremssystem bis zu 20 kW beim Bergabfahren, beim Schiebebetrieb und beim Abbremsen entlastet wird.
Über das Durchflussventil kann einerseits der Systemdruck des Fluidwirbelheizers zwischen p_min bis zu einem p_max und damit die Förderleistung des Fluidwirbelheizers gesteuert werden. Außerdem wird durch innere Reibung des Fluids und durch Fluid-Wandreibung in dem Fluidwirbelheizer die Fluidtemperatur je nach Befüllungsgrad von einer Statoreinlauftemperatur auf eine höhere Statorauslasstemperatur erwärmt. Außerdem kann das Steuergerät mit Hilfe des Durchflussventils bei konstanter Drehzahl des Motors eine höhere Fluiddurchflussmenge durch den Fluidwirbelheizer einstellen und damit die Wärmeabgabe des Fluidwirbelheizers vergrößern. Vorzugsweise wird als Durchflussventil ein mit einem Steuergerät in Wirkverbindung stehendes Drosselventil eingesetzt. Wird nämlich der Durchfluss durch den Fluidwirbelheizer gedrosselt, so sinkt bei gleichbleibender Drehzahl der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers, weil sich im Innern des Fluidwirbelheizers eine größer werdende Kavitations.- bzw. Unterdruckblase bildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Rekuperationssystem eine Kupplung zu einem Motorabtriebstrang oder zu einem Getriebe auf, mit welcher der Fluidwirbelheizer bei Heizbedarf oder Bremsbedarf an den Motorabtriebstrang bzw. an das Getriebe gekoppelt ist. Diese Kupplung hat den Vorteil, dass im Beschleunigungszustand des Fahrzeugs das Rekuperationssystem vollständig vom Motor bzw. vom Getriebe abgekoppelt werden kann, sodass die Motorleistung nicht beeinträchtigt wird. Demgegenüber kann bei Schiebe- oder Bremsbetrieb über das Steuergerät die Kupplung betätigt werden und eine Rückgewinnung bzw. Umwandlung eines Teils der Schiebe- und/oder Bremsenergie bewirken. Dazu können als Kupplung Fluidkupplungen eingesetzt werden. Vorzugsweise werden als Kupplung auch Magnetkupplungen für das Rekuperationssystem verwendet.
Der Fluidwirbelheizer ist vorzugsweise zwischen einer ersten Abzweigleitung, die mit dem Fluidvorlauf verbunden ist, und einer zweiten Abzweigleitung, die mit dem Fluidrücklauf des Fluidheizkreislaufs verbunden ist, angeordnet. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Fluidwirbelheizer in einen bestehenden Fluid heizkreislauf ohne großen Aufwand zu integrieren, wobei in dem Fluidheizkreislauf mindestens ein Magnetventil vorgesehen wird, um die Abzweigleitungen zu dem Fluidwirbelheizer mit dem Fluidheizkreislauf bzw. dem Motorkühlwasserkreislauf zu verbinden oder den Fluidwirbelheizer von diesem Motorkühlwasserkreislauf abzusperren. Dabei kann der Fluidvorlauf des Fluidheizkreislaufs stromaufwärts des Magnetventils mit dem Motorkühlsystem verbunden sein oder es kann der Fluidrücklauf stromabwärts des Magnetventils mit dem Motorkühlsystem in Wirkverbindung stehen. Eine optimale Lösung zur Anbindung des Rekuperationssystems an den Wärmehaushalt des Fahrzeugs ergibt sich durch den Einsatz von zwei Magnetventilen, wobei ein erstes Magnetventil im Fluidvorlauf angeordnet ist und ein zweites Magnetventil in dem Fluidrücklauf des Fluidheizkreislaufs eingebaut ist. Dabei steht der Fluidvorlauf stromaufwärts des ersten Magnetventils und der Fluidrücklauf stromabwärts des zweiten Magnetventils mit dem Motorkühlsystem in Verbindung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Rekuperationssystem eine zentrale Statoreingangsleitung des Fluidwirbelheizers auf, die über die zweite Abzweigleitung mit dem Fluidrücklauf des Fluidheizkreislaufs verbunden ist. Darüber hinaus weist das Rekuperationssystem eine Statorausgangsleitung des Fluidwirbelheizers auf, wobei die Statorausgangsleitung über die erste Abzweigleitung mit dem Fluidvorlauf des Fluidheizkreislaufs verbunden ist. Je nach Auslegung des Rekuperationssystems und des Fluidwirbelheizers weist dieses System eine Leistungsrückgewinnungskapazität von bis zu 20 kW auf, die beispielsweise voll in einem Schiebezustand bzw. Bremszustand des Fahrzeugs genutzt werden kann. Ferner ist es vorgesehen, dass Rekuperationssystem mit einer Bypassleitung auszustatten, die überschüssige zurückgewonnene Wärmeenergie direkt in das Kühlsystem des Fahrzeugmotors beispielsweise in einer Aufwärmehase des Fahrzeugmotors einspeisen kann. Damit kann sowohl die Aufwärmehase des Motors als auch die Aufwärmehase des Fahrgastraums gegenüber herkömmlichen elektrischen Zusatzheizungen verkürzt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Rekuperationsverfahren zur Stützung des Energiehaushalts eines Fahrzeugs mit nachfolgenden Verfahrensschritten.
Zunächst wird mittels eines Fluidwirbelheizers überschüssige mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Anschließend wird die durch Rekuperation gewonnene Wärmeenergie in einen Fluidheizkreislauf eines Fahrzeugheizsystems eingeführt. Dabei wird unter überschüssiger mechanischer Energie die Energie verstanden, die beim Brems- oder Schiebezustand des Fahrzeugs auftritt. Bisher wird diese Energie durch Betätigung des Bremssystems oder der Motorbremse abgebaut. Mit dem erfindungsgemäßen Rekuperationssystem kann über einen Fluidwirbelheizer auch diese Energie genutzt werden, um als Wärmeenergie dem Fahrzeugenergiemanagement zugeführt zu werden. Dazu wird eine Fluiddurchflussmenge durch den Fluidwirbelheizer in Zusammenwirken mit einem Steuergerät über Regelungselemente gesteuert.
Eines der Regelungselemente ist ein Durchflussventil, mit dem in Schiebe- und Bremsphasen des Fahrzeugs der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers derart erhöht wird, dass eine optimale Energierückgewinnung erfolgt. In einer Beschleunigungsphase kann der Fluidwirbelheizer vollständig vom Motor abgekoppelt werden, mindestens aber der Befüllgrad des Fluidwirbelheizers auf ein Minimum reduziert werden. Bei der Reduzierung des Befüllungsgrades des Fluidwirbelheizers wird auch gleichzeitig der Systemdruck reduziert und in einer Schiebe- und Bremsphase des Fahrzeugs wird der Systemdruck entsprechend erhöht. Um den Systemdruck und die Wärmegewinnung im Schiebe- und Bremsverfahren des Fahrzeugs maximal zu nutzen, wird ein Fluiddurchfluss durch den Fluidwirbelheizer derart geregelt, dass eine maximale Fluiddurchflussmenge unter Aufhebung einer Drosselung eines Statorzulaufs fließt. In den Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs wird entweder durch eine Durchflussdrosselung der Durchfluss durch den Fluidwirbelheizer auf ein Minimum herabsetzt oder der Fluidwirbelheizer von einem Motorabtriebsstrang oder einem Getriebe mittels eines Kupplungselements abgekoppelt.
Zur Rückgewinnung der Energie wird der Fluidwirbelheizer über das Kupplungselement mit einem Motorabtriebstrang oder mit dem Getriebe erneut gekoppelt. Bei einem Bremsbedarf kann dabei eine Bremsleistung von bis zu 20 kW, je nach Dimensionierung des Fluidwirbelheizers abgebaut werden. Bei einem Heizbedarf können hingegen die 20 kW direkt einem Fluidheizkreislauf zugeführt werden. Darüber hinaus können Magnetventile sowohl in einem Fluidvorlauf als auch in einem Fluidrücklauf vorgesehen werden, um das Fahrzeugheizsystem ausschließlich durch den Fluidwirbelheizer mit Energie zu versorgen. Was beispielsweise in einem Abbremszustand des Fahrzeugs möglich ist. Weiterhin ermöglicht das Rekuperationsverfahren über ein erstes Magnetventil in dem Fluidvorlauf und einem zweiten Magnetventil in dem Fluidrücklauf des Fluidheizkreislaufs synchron eine Verbindung mit dem Motorkühlsystem wahlweise herzustellen oder zu unterbrechen, indem die beiden Magnetventile vom Steuergerät entsprechen getaktet werden, so dass nur Wärme dem Kühlkreislauf des Motorkühlsystems entnommen wird, wenn die Wärmeversorgung über den Fluidwirbelheizer nicht ausreicht, um den Fahrgastraum ausreichend zu erwärmen.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines in einem Fahrzeugheizkreislauf integrierten Rekuperationssystems mit überwiegender Wärmeentnahme aus dem Kühlkreislauf des Motors;
2 zeigt eine schematische Darstellung des Rekuperationssystems in einer Inselkreislaufeinbindung bei überwiegender Wärmeerzeugung durch einen Fluidwirbelheizer;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Rekuperationssystems für bevorzugte Innenraumerwärmung und teilweiser Motorerwärmung durch den Fluidwirbelheizer;
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kennlinienfeldes des Fluidwirbelheizers;
5 zeigt eine Prinzipskizze eines Fluidwirbelheizers im Betrieb;
6 zeigt eine Darstellung einer Anbaumöglichkeit eines Fluidwirbelheizers an einen Fahrzeugmotor.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines in einem Fahrzeugheizkreislauf 5 integrierten Rekuperationssystems 1 mit überwiegender Wärmeentnahme aus dem Kühlkreislauf des Motors. Beispielsweise soll bei einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs das Rekuperationssystem 1 eine möglichst geringe Belastung im Energiemanagement des Fahrzeugs darstellen, Dennoch kann in einer Aufwärmehase des Motors das Rekuperationssystem 1 selbst bei einer Beschleunigungsphase noch einen verminderten Beitrag zur Aufwärmung des Innenraums des Fahrzeugs beitragen. Bei betriebswarmem Motor kann über eine Kupplung 13 das Rekuperationssystem 1 vom Motor abgekoppelt werden, so dass die gesamte Innenraumerwärmung einem Motorkühlsystem 17 entnommen werden kann. Deshalb sind in dem hier gezeigten Kreislauf die aktiven Leitungsverbindungen mit dicken Linien gekennzeichnet, während teilaktive Leitungsverbindungen lediglich mit dünnen Linien markiert sind.
Das Rekuperationssystem 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Fluidwirbelheizer 6 auf, der einen Rotor 23 und einen Stator 22 aufweist. Der Rotor 23 kann um eine Rotorachse 24 rotieren, wenn die Kupplung 13 des Rekuperationssystems 1 entweder an einen Fahrzeugmotor oder an ein Fahrzeuggetriebe angekoppelt ist. Bei betriebswarmem Motor wird jedoch der Rotor 23 mit Hilfe der Kupplung 13 von dem Fahrzeugmotor bzw. dem Getriebe abgekoppelt, sodass die volle Motorleistung für beispielsweise eine Beschleunigung des Fahrzeugs zur Verfügung steht. Um einen Wärmetauscher 25 eines Fahrzeugheizsystems 2 mit heißer Motorkühlflüssigkeit zu versorgen, wird sowohl ein erstes Magnetventil 10 in einem Fluidvorlauf 3 als auch ein zweites Magnetventil 11 in einem Fluidrücklauf 4 geöffnet, sodass heiße Motorkühlflüssigkeit aus dem Motorkühlsystem 17 über den Fluidheizkreislauf 5 in den Wärmetauscher 25 des Fahrzeugheizsystems 2 fließen kann.
Neben einer Abkopplung des Fluidwirbelheizers 6 von dem Motor bzw. dem Getriebe des Fahrzeugs kann auch der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers 6 durch Drosselung einer zentralen Statoreingangsleitung 18 mit Hilfe eines Durchgangsventils 12 gedrosselt werden. Der Stator 22 des Fluidwirbelheizers 6 weist neben der Statoreingangsleitung 18 eine Statorausgangsleitung 19 auf, die über eine erste Abzeigleitung 15 an den Fluidvorlauf 3 des Fluidheizkreislaufs 5 angeschlossen ist. Eine zweite Abzweigleitung 16 versorgt über ein erstes Drosselventil 8 die oben erwähnte Statoreingangsleitung 18.
Neben einer derartigen Ankopplung des Fluidwirbelheizers 6 an den Fluidheizkreislauf 5 ist für das Rekuperationssystem 1 eine weitere Bypassleitung 20 vorgesehen, die über ein zweites Drosselventil 9 eine Verbindung zwischen der zweiten Abzweigleitung 16 zu dem Fluidrücklauf 4 und zum Motorkühlsystem 17 ermöglicht. Der Einfluss dieses zweiten Drosselventils 9 auf die Rekuperationswirkung ist jedoch gering. Die Bypassleitung 20 kann aber dafür sorgen, dass überschüssige Wärmeenergie des Fluidwirbelheizers 6 in anderen Betriebsphasen direkt unter Umgehung des zweiten Magnetventils 11 in das Kühlwassergemisch eingespeist wird. Anstelle des zweiten Drosselventils 9 kann in die Bypassleitung 20 auch ein Rückschlagventil eingesetzt werden, das in der nachfolgenden 2 ein Abzweigen von Fluid über die Bypassleitung 20 verhindert, wenn der Fluiddruck in der zweiten Abzweigleitung höher ist als in einem Fluidrücklauf 4.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Rekuperationssystems in einer Inselkreislaufeinbindung bei überwiegender Wärmeerzeugung durch einen Fluidwirbelheizer 6. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in der 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht erneut erörtert. Der hier durch ein Steuergerät 7 eingestellte Kreislauf zwischen Fluidwirbelheizer 6 und Wärmetauscher 25 wird auch Inselmodus genannt. Dazu unterbricht das erste Magnetventil 10 die Verbindung zwischen dem Fluidvorlauf 3 und dem Motorkühlsystem 17. Zusätzlich unterbricht das zweite Magnetventil 11 die Verbindung zwischen dem Fluidrücklauf 4 und Motorkühlsystem 17, sodass der Wärmetauscher 25 vollständig durch den Fluidwirbelheizer 6 versorgt wird, der nun über die Kupplung 13 mit einem Motorabtriebstrang oder mit dem Getriebe des Fahrzeugs verbunden ist, sodass der Rotor 23 in Pfeilrichtung R rotiert.
Dabei wird der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers 6 durch Öffnen des ersten Drosselventils 8 hochgefahren. Dieser sogenannte Inselmodus wird vorzugsweise in einer Vorwärmphase des Motors vorteilhaft eingesetzt. So können in einem Standheizungsbetrieb bei laufendem Fahrzeugmotor (idling) mittels geschlossener Magnetventile 10 und 11 der Fluidvor- und Fluidrücklauf 3 bzw. 4 komplett von dem Fluidwirbelheizer 6 über die Abzweigungen 15 und 16 versorgt werden. In einer derartigen Vorwärmphase steht praktisch keine Abwärme aus dem Motorkühlsystem 17 zur Verfügung. Um dennoch ein schnelles kostengünstiges Aufheizen des Personenraums des Fahrzeugs zu erreichen, wird der mitlaufende Fluidwirbelheizer 6 in die in 2 gezeigte Inselphase vom Stergerät 7 geschaltet. Auch in Wintertagen mit vereisten Scheiben ist es möglich, bereits in der Vorwärmphase des Motors, wenn praktisch das Motorkühlsystem 17 keine Wärme abgeben kann, die Scheiben eines Fahrzeugs kostengünstig und kurzfristig zu enteisen. Die in 2 gezeigte Darstellung ist nur eine Möglichkeit, mechanische Energie in Wärme durch den Fluidwirbelheizer 6 umzusetzen und überwiegend für den Fluidheizkreislauf 5 des Fahrzeugheizsystems 2 zu nutzen. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit, die sowohl den Inselmodus als auch die Überstützung durch das Motorkühlsystem 17 zur Erwärmung des Innenraums zulässt.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Rekuperationssystems 1 für eine bevorzugte Innenraumerwärmung durch den Fluidwirbelheizer 6 und für eine teilweise Erwärmung des Innenraums durch das Motorkühlsystem 17. In diesem Fall sind durch das Steuergerät 7 die beiden Magnetventile 10 und 11 geöffnet und gleichzeitig ist der Fluidwirbelheizer 6 über die Kupplung 13 mit einem Motorabtriebstrang oder dem Getriebe verbunden, sodass die auftretende mechanische Verlustleistung beispielsweise beim Bergabfahren genutzt werden kann und als Wärme im Kühl- bzw. Heizkreislauf des Fahrzeugs eingespeist und gespeichert werden kann.
Um einen wohltemperierten Innenraum des Fahrzeugs zu erreichen, kann zwischen den in 1 und 2 gezeigten Schaltungsvarianten durch Takten der Magnetventile 10 und 11 unter Auswertung der Signale eines Temperatursensors gewechselt werden. Auch die Kupplung 13 kann je nach Heizbedarf und Wärme abgabevermögen des Motorkühlsystems 17 durch das Steuergerät 7 betätigt werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kennlinienfeldes des Fluidwirbelheizers. Dazu sind auf der Abszisse die Motordrehzahl n_M beispielsweise eines Dieselaggregats und die über ein Getriebe oder über einen Motorabtriebstrang mögliche Drehzahl n_R des Fluidwirbelheizers, der auch mit den LHG (liquid heat generator) bezeichnet werden kann, aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Wellenleistung des Fluidwirbelheizers aufgetragen, wobei eine obere durchgezogene Linie a die obere Begrenzung des Kennlinienfeldes markiert und eine untere durchgezogene Linie b die untere Begrenzung des Kennlinienfeldes darstellt. Die untere Kennfeldbegrenzung b ergibt sich durch eine Restfüllmenge an Fluid im Rotor und im Stator, die bei angekuppeltem Fluidwirbelheizer mitrotiert und somit Bewegungsenergie verbraucht. Die obere Kennfeldbegrenzung kann durch den Fluidwirbelheizer erreicht werden, wenn er vollständig mit Fluid gefüllt ist.
Der dazwischen liegende Bereich kann durch Ändern des Befüllungsgrads des Fluidwirbelheizers mit entsprechendem Kühlwasser-Gemisch über das oben erwähnte erste Drosselventil gesteuert werden. Das gezeigte Kennlinienfeld wird im oberen Bereich durch einen maximal zulässigen Betriebsdruck in dem Rekuperationssystem begrenzt und durch die gestrichelte Linie c markiert. Eine weitere Begrenzungslinie d ergibt sich durch das maximal mögliche Haltemoment der Kupplung bei den unterschiedlichen Umdrehungszahlen des Motors und der Kupplung des Fluidwirbelheizers. Außerdem wird in dem Kennfeld eine Motorleerlaufdrehzahl einerseits für ein Fahrzeugkennlinienfeld beispielsweise eines Dieselaggregats mit der vertikalen Linie e markiert, die bei n_M = 800 rpm (Umdrehungen pro Minute) des Motors und entsprechend n_R = 1500 rpm des Rotors des Luftwirbelheizers begrenzt ist, und in einem weiteren Kennlinienfeldbereich, der für einen Prüfstand gilt bei n_M = 550 rpm des Motors bzw. n_R = 1000 rpm des Rotors des Luftwirbelheizers liegt und mit der Begrenzungslinie f markiert ist. Bei der maximalen Motordrehzahl wird ebenfalls zwischen dem Kennlinienfeldbereich eines Prüfstands, bei dem eine maximale Drehzahl von 5500 rpm für den Rotor des Fluidwirbelheizers angesetzt wird und dem Kennlinienfeldbereich des Fahrzeugs mit einer etwas geringeren maximalen Motordrehzahl entlang der Geraden g unterschieden.
Wie im Rekuperationsverfahren können die oberen Begrenzungen dieses Kennlinienfeldes zum Einsatz kommen, zumal durch Abschalten der Kupplung in allen Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs die untere Kennlinienfeldbegrenzung überwunden werden kann, und somit bei diesem Beispiel eines Kennlinienfeldes die vollen 14 kW in einer Schiebe- oder auch Bremsphase zurück gewonnen werden können, wenn nicht der maximal zulässige Betriebsdruck aus Sicherheitsgründen deutlich, wie in diesen Kennlinienfeldern mit der Begrenzungslinie k gezeigt, für den Kennlinienfeldbereich des Fahrzeugs herabgesetzt wird, sodass lediglich nur 10 kW zurückgewonnen werden können. Da der maximale Betriebsdruck auch die Grenzen der Belastung des gesamten Dichtungssystems in dem Fahrzeugheizkreislauf darstellt, ist ein Herabsetzen des maximal zulässigen Betriebsdrucks für den Fahrzeugbetrieb gegenüber dem Prüfstandsbetrieb eine sinnvolle und hilfreiche Maßnahme um vorzeitige Leckagen zu vermeiden.
Ferner zeigt das Kennlinienfeld, dass in der Aufwärmehase des Motors bei Motorleerlauf bereits 5 kW an das Fahrzeugheizsystem abgegeben werden können, um den Personeninnenraum des Fahrzeugs aufzuheizen. Auch zeigt dieses Diagramm, dass bei einem Schiebebetrieb, bei dem der Motor auf Motorleerlauf gestellt wird, eine Leistungsrückgewinnung von 3 kW möglich sind, und wenn bei einer Bergabfahrt der Motor in höhere Drehzahlbereiche kommt, eine deutliche Steigerung der rückgewinnbaren Bremsleistung bis 10 kW in diesem Beispiel eines Kennlinienfeldes eines Luftwirbelheizers möglich sind, ohne den vorgegebenen Sicherheitsbetriebsdruck für das Fahrzeugkennlinienfeld zu überschreiten.
5 zeigt eine Prinzipskizze eines Fluidwirbelheizers 6 im Betrieb. Dabei wird zentral über eine Statoreingangsleitung 18 im Bereich der Rotorachse 24 ein Kühlwassergemisch als Fluid aus dem Fluidrücklauf 4 dem Fluidwirbelheizer 6 in Pfeilrichtung A mit einem Fluiddruck p₂ zugeführt. Unter dem Einfluss des rotierenden Rotors 23 um die Rotorachse 24 und entsprechend vorgesehenen Schaufeln sowohl im Rotor 23 als auch im Stator 22 entsteht eine torusförmige Umlaufströ mung in Pfeilrichtung B, durch die das Fluid aufgrund einer Fluid-Fluid-Reibung und einer Fluid-Wand-Reibung aufgeheizt wird, und wobei gleichzeitig eine Drucküberhöhung aufgrund der in Pfeilrichtung D wirkenden Zentrifugalkraft in der torusförmigen Umlaufströmung entsteht. Dazu wird in dieser Darstellung durch entsprechende Schattierungen ein Druckbereich p₃ und ein Druckbereich p₄ sowie ein maximaler Druckbereich p_max unterschieden.
Mit diesem maximalen Fluiddruck p_max wird das aufgeheizte Fluid in Pfeilrichtung E über eine Statorausgangsleitung 19 in den Fluidvorlauf 3 abgegeben. Innerhalb des Fluidwirbelheizers 6 entsteht durch die Verzögerungswirkung des Stators und die Beschleunigungswirkung des Rotors je nach Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers 6, der von dem Zufluss in Pfeilrichtung A abhängig ist, eine Kavitationsblase 41, in der ein minimaler Druck p_min, der deutlich geringer als der Druck p₂ des einströmenden Mediums ist, sowie ein Zwischendruck p₁ zwischen den Bereichen der Kavitationsblase 41 und dem bereits erhöhten Eingangsdruck p₂. Somit ist die Druckfolge in den einzelnen hier in 5 gezeigten Druckbereichen des Fluidwirbelheizers 6 p_min < p₁ < p₂ < p₃ < p₄ < p_max. Durch die Reibungseffekte wird gleichzeitig die Umwandlung von Rotationsenergie in Wärme forciert, sodass das Fluid mit einer höheren Temperatur in Pfeilrichtung E aus dem Stator 22 ausströmt, als es in den Stator 22 in Pfeilrichtung A einströmt.
6 zeigt eine Darstellung einer Anbaumöglichkeit eines Fluidwirbelheizers 6 an einen Fahrzeugmotor 21. Dazu wird lediglich der Motorabtriebstrang 14 über die Riemenscheibe 28 der Kupplung 13 des Fluidwirbelheizers 6 geführt.

1: Rekuperationssystem
2: Fahrzeugheizsystem
3: Fluidvorlauf
4: Fluidrücklauf
5: Fluidheizkreislauf
6: Fluidwirbelheizer
7: Steuergerät
8: Regelungselement bzw. erstes Drosselventil
9: Regelungselement bzw. zweites Drosselventil
10: Regelungselement bzw. erstes Magnetventil
11: Regelungselement bzw. zweites Magnetventil
12: Durchflussventil
13: Kupplung
14: Motorabtriebstrang
15: erste Abzweigleitung
16: zweite Abzweigleitung
17: Motorkühlsystem
18: Statoreingangsleitung
19: Statorausgangsleitung
20: Bypassleitung
21: Fahrzeugmotor
22: Stator
23: Rotor
24: Rotorachse
25: Wärmetauscher
28: Riemenscheibe
41: Kavitätsblase
n_M: Motordrehzahl
n_R: Rotordrehzahl
p_min: minimaler Druck
p_max: maximaler Druck
p₁: Fluiddruck
p₂: Fluiddruck
p₃: Fluiddruck
p₄: Fluiddruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 462154 B1 [0003]
- EP 361053 B1 [0004]

Claims

Rekuperationssystem zur Stützung des Energiehaushalts eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugheizsystem (2), das einen Fluidvorlauf (3) und einen Fluidrücklauf (4) eines Fluidheizkreislaufs (5) des Fahrzeugheizsystems (2) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) einen Fluidwirbelheizer (6), ein Steuergerät (7) und Regelungselemente (8, 9, 10, 11) aufweist, wobei der Fluidwirbelheizer (6) mechanische Energie in Wärmeenergie umwandelt und mit dem Fluidheizkreislauf (5) des Fahrzeugheizsystems (2) in Wirkverbindung steht, und wobei das Steuergerät (7) entsprechend den Fahrzuständen des Fahrzeugs über die Regelungselemente (8, 9, 10, 11) an unterschiedliche Fahrzustände angepasste Heizleistungen des Fluidwirbelheizers (6) steuert.
Rekuperationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) ein Durchflussventil (8) aufweist, das stromaufwärts des Fluidwirbelheizers (6) angeordnet ist, wobei über das Durchflussventil (8) der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers (6) zur Anpassung der Heizleistung bei konstanter Drehzahl (n_M) des Fahrzeugmotors einstellbar ist, und wobei das Steuergerät in Schiebe- und Bremsphase des Fahrzeugs einen höheren Befüllungsgrad und damit eine höhere Leistungsabgabe des Fluidwirbelheizers (6) vorsieht als in einer Beschleunigungsphase.
Rekuperationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) ein Durchflussventil (12) aufweist, das stromaufwärts des Fluidwirbelheizers (6) angeordnet ist, wobei über das Durchflussventil (12) der Systemdruck (p_min bis p_max) des Fluidwirbelheizers (6) zur Anpassung der Heizleistung bei konstanter Drehzahl (n_M) des Fahrzeugmotors einstellbar ist, und wobei das Steuergerät (7) in Schiebe- und Bremsphasen des Fahrzeugs einen höheren Systemdruck (p > p₂) im Fluidwirbelheizer (6) vorsieht als in einer Beschleunigungsphase.
Rekuperationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) ein Durchflussventil (12) aufweist, das stromaufwärts des Fluidwirbelheizers (6) angeordnet ist, wobei das Steuergerät in Schiebe- und Bremsphasen des Fahrzeugs eine höhere Fluiddurchflussmenge durch den Fluidwirbelheizer (6) bei konstanter Drehzahl (n_M) des Fahrzeugmotors vorsieht als in einer Beschleunigungsphase.
Rekuperationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussventil (12) ein mit dem Steuergerät (7) in Wirkverbindung stehendes erstes Drosselventil (8) ist.
Rekuperationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) eine Kupplung (13) zu einem Motorabtriebstrang (14) oder zu einem Getriebe aufweist, mit welcher der Fluidwirbelheizer (6) bei Heizbedarf oder Bremsbedarf an den Motorabtriebstrang (14) bzw. an das Getriebe gekoppelt ist.
Rekuperationssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (13) eine Fluidkupplung ist.
Rekuperationssystem nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (13) eine Magnetkupplung ist.
Rekuperationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidwirbelheizer (6) zwischen einer ersten Abzweigleitung (15), die mit dem Fluidvorlauf (3) verbunden ist, und einer zweiten Abzweigleitung (16), die mit dem Fluidrücklauf (4) des Fluidheizkreislaufs (5) verbunden ist, angeordnet ist.
Rekuperationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) mindestens ein Magnetventil (10, 11) aufweist, das in dem Fluidheizkreislauf (5) angeordnet ist.
Rekuperationssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidvorlauf (3) stromaufwärts des Magnetventils (10, 11) mit dem Motorkühlsystem (17) verbunden ist, oder dass der Fluidrücklauf (4) stromabwärts des Magnetventils (10, 11) mit dem Motorkühlsystem (17) verbunden ist.
Rekuperationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) ein erstes Magnetventil (10) aufweist, das in dem Fluidvorlauf (3) angeordnet ist und ein zweites Magnetventil (11) aufweist, das in dem Fluidrücklauf (4) des Fluidheizkreislaufs (5) angeordnet ist.
Rekuperationssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidvorlauf (3) stromaufwärts des ersten Magnetventils (10) und der Fluidrücklauf (4) stromabwärts des zweiten Magnetventils (11) mit dem Motorkühlsystem (17) verbunden ist.
Rekuperationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) eine zentrale Statoreingangsleitung (18) des Fluidwirbelheizers (6) aufweist, wobei die Statoreingangsleitung (18) über die zweite Abzweigleitung (16) mit dem Fluidrücklauf (4) des Fluidheizkreislaufs (5) verbunden ist.
Rekuperationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) eine Statorausgangsleitung (19) des Fluidwirbelheizers (6) aufweist, wobei die Statorausgangsleitung (19) über die erste Abzweigleitung (15) mit dem Fluidvorlauf (3) des Fluidheizkreislaufs (5) verbunden ist.
Rekuperationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) eine Leistungsrückgewinnungskapazität von bis zu 20 kW aufweist.
Rekuperationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationssystem (1) eine Bypassleitung (20) aufweist, die überschüssige rückgewonnene Wärmeenergie in das Kühlsystem (17) des Fahrzeugmotors (21) in einer Aufwärmehase des Fahrzeugmotors (21) einspeist.
Rekuperationsverfahren zur Stützung des Energiehaushalts eines Fahrzeugs, wobei das Rekuperationsverfahren (1) die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist, – Umwandlung überschüssiger mechanischer Energie in Wärmeenergie durch einen Fluidwirbelheizer (6); – Zuführung der zusätzlich durch Rekuperation gewonnenen Wärmeenergie in einen Fluidheizkreislauf (5) eines Fahrzeugheizsystems (2).
Rekuperationsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Durchflussventil (12) eine Fluiddurchflussmenge durch den Fluidwirbelheizer (6) in Zusammenwirken mit einem Steuergerät (7) und über Regelelemente (8, 9, 10, 11) gesteuert wird.
Rekuperationsverfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass – in Schiebe- und Bremsphasen des Fahrzeugs der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers (6) derart erhöht wird, dass eine optimale Energierückgewinnung erfolgt, und dass – in Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers (6) auf ein Minimum reduziert wird.
Rekuperationsverfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass – in Schiebe- und Bremsphasen des Fahrzeugs der Systemdruck (p) erhöht wird, und dass – in Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs der Systemdruck (p) reduziert wird.
Rekuperationsverfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass – in Schiebe- und Bremsphasen des Fahrzeugs ein Fluiddurchfluss durch den Fluidwirbelheizer (6) derart geregelt wird, dass eine maximale Fluiddurchflussmenge unter Aufheben einer Drosselung fließt, und dass – in Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs eine Durchflussdrosselung den Durchfluss durch den Fluidwirbelheizer (6) auf ein Minimum reduziert.
Rekuperationsverfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekuperation der Fluidwirbelheizer (6) über eine Kupplung (13) mit einem Motorabtriebstrang (14) oder mit einem Getriebe bei Heizbedarf oder Bremsbedarf gekoppelt wird.
Rekuperationsverfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ankoppeln des Fluidwirbelheizers (6) eine Fluidkupplung eingesetzt wird.
Rekuperationsverfahren nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ankoppeln des Fluidwirbelheizers (6) eine Magnetkupplung eingesetzt wird.
Rekuperationsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidwirbelheizer (6) zwischen einer ersten Abzweigleitung (15), die mit dem Fluidvorlauf (3) verbunden wird, und einer zweiten Abzweigleitung (16), die mit dem Fluidrücklauf (4) des Fluidheizkreislaufs (5) verbunden wird, angeordnet wird.
Rekuperationsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens ein Magnetventil (10, 11) in dem Fluidheizkreislauf (5) eine Verbindung mit einem Motorkühlsystem (17) wahlweise hergestellt oder unterbrochen wird.
Rekuperationsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass über ein erstes Magnetventil (10) in einem Fluidvorlauf (3) und ein zweites Magnetventil (11) in einem Fluidrücklauf (4) des Fluidheizkreislaufs (5) synchron eine Verbindung mit einem Motorkühlsystem (17) wahlweise hergestellt oder unterbrochen wird.
Rekuperationsverfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluidvorlauf (3) stromaufwärts des ersten Magnetventils (15) und der Fluidrücklauf (4) stromabwärts des zweiten Magnetventils (11) mit einem Motorkühlsystem (17) wahlweise hergestellt oder unterbrochen wird.