DE102007054197A1 - Drive system for vehicle, has internal combustion engine, exhaust gas cleaning device and generator for feeding electrical on-board network of vehicle, where heat engine is energized with heat energy of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit Brennkraftmaschine und Abgasreinigungseinrichtung sowie einem Generator zur Speisung eines elektrischen Bordspannungsnetzes des Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The present invention relates to a drive system for a vehicle with internal combustion engine and exhaust gas purification device and a Generator for supplying an electrical voltage system of the Vehicle according to the preamble of claim 1.
Bei einem Großteil bekannter Kraftfahrzeuge werden Brennkraftmaschinen zum Antrieb eingesetzt, sei dies nun als alleinige Antriebsquelle oder in Verbindung mit einem Elektromotor, wie dies bei Hybridfahrzeugen der Fall ist. Die Brennkraftmaschine erzeugt heißes Abgas, welches üblicherweise in die Umgebung entspannt wird. Bei diesem Vorgang wird Energie dissipiert, die für die weitere Nutzung im System Kraftfahrzeug dann nicht mehr zur Verfügung steht.at a large part known motor vehicles are internal combustion engines to drive used, be it now as the sole drive source or in conjunction with an electric motor, as is the case with hybrid vehicles. The internal combustion engine generates hot exhaust gas, which is usually relaxed in the environment. In this process becomes energy dissipates that for the further use in the system motor vehicle then no longer Available.
Um nun die im Abgas enthaltene Restenergie zu nutzen, ist es nach einer auf die Anmelderin zurückgehenden Vorgehensweise bereits bekannt geworden, mit der im Abgasstrom enthaltenen Restenergie Wasser zu verdampfen und die Dampfphase zu entspannen und mit der so gewonnenen mechanischen Energie wiederum die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu beaufschlagen.Around now to use the residual energy contained in the exhaust gas, it is after a attributed to the applicant Procedure already known, with the contained in the exhaust stream Residual energy to vaporize water and relax the vapor phase and with the mechanical energy thus gained, in turn, the crankshaft to pressurize the internal combustion engine.
Obwohl dies durchaus eine Vorgehensweise darstellt, die im Abgas enthaltene Wärme weiter zu verwenden, wird hierzu eine Speisewasserpumpe benötigt, um dem System die flüssige Phase zuzuführen und darüber hinaus ist zur Erzielung eines hohen thermischen Wirkungsgrades eine Zwischenüberhitzung erforderlich, was zu einem entsprechenden Bauraumbedarf führt.Even though this is quite an approach that contained in the exhaust gas Heat on To use this, a feedwater pump is required to the system the liquid Phase to feed and above In addition, to achieve a high thermal efficiency a reheat required, which leads to a corresponding space requirement.
Abgasreinigungsanlagen für Brennkraftmaschinen benötigen üblicherweise eine vorbestimmte Reaktionstemperatur, um eine bestimmungsgemäße Umsetzungsrate zu erreichen und arbeiten daher mit einem geringeren Wirkungsgrad, solange die Abgasreini gungsanlage ihre vorbestimmte Reaktionstemperatur noch nicht erreicht hat. Bei Hybridfahrzeugen wird ein am Fahrzeug vorgesehenes Bordspannungsnetz aufgrund des Energiebedarfs des oder der Elektromotoren stärker belastet, als dies bei Fahrzeugen ohne die Unterstützung solcher Elektromotoren der Fall ist.emission control systems for internal combustion engines usually need a predetermined reaction temperature to a proper conversion rate to achieve and therefore work with a lower efficiency, as long as the exhaust gas purification plant their predetermined reaction temperature has not reached yet. In hybrid vehicles, one on the vehicle provided on-board voltage network due to the energy needs of or Electric motors stronger loaded, as in vehicles without the support of such Electric motors is the case.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug zu schaffen, bei dem die von der Brennkraftmaschine stammende Wärmeenergie dazu verwendet werden kann, das Bordspannungsnetz zu speisen und bei dem zudem die Umsetzungsrate der Abgasreinigungseinrichtung unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine erhöht wird.outgoing It is the object of the present invention to provide a drive system for to create a vehicle in which the of the internal combustion engine originating thermal energy can be used to feed the on-board voltage network and in addition, the rate of implementation of the exhaust gas purification device is increased immediately after the start of the internal combustion engine.
Die Erfindung schafft nunmehr zur Lösung dieser Aufgabe ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.The Invention now provides for the solution of this Task, a drive system with the features of claim 1. Advantageous Embodiments thereof are described in the further claims.
Nach der Erfindung ist ein Antriebssystem vorgesehen für ein Fahrzeug mit Brennkraftmaschine und Abgasreinigungseinrichtung sowie einem Generator zur Speisung eines elektrischen Bordspannungsnetzes des Fahrzeugs, welches eine mittels Wärmeenergie der Brennkraftmaschine und/oder einer autarken Wärmeenergiequelle des Fahrzeugs gespeiste Wärmekraftmaschine besitzt, die zum Antreiben des Generators und/oder zum Aufheizen der Abgaseinrichtung ausgebildet ist.To The invention provides a drive system for a vehicle with internal combustion engine and exhaust gas purification device and a Generator for supplying an electrical voltage system of the Vehicle, which by means of heat energy of the internal combustion engine and / or a self-sufficient heat energy source the vehicle powered heat engine owns that for driving the generator and / or for heating the exhaust device is formed.
Damit schafft die Erfindung ein Antriebssystem, bei dem die Wärmeenergie der Brennkraftmaschine, die üblicherweise über die Abgasanlage der Brennkraftmaschine in die Umgebung dissipiert wird, dazu verwendet wird, eine Wärmekraftmaschine anzutreiben, die wiederum den Generator zur Speisung des Bordspannungsnetzes des Fahrzeugs antreibt.In order to The invention provides a drive system in which the heat energy the internal combustion engine, usually over the Exhaust system of the internal combustion engine is dissipated into the environment, to is used, a heat engine to drive, in turn, the generator for feeding the on-board voltage network of the vehicle drives.
Zusätzlich zur Wärmeenergie der Brennkraftmaschine oder auch stattdessen kann eine am Fahrzeug vorgesehene autark arbeitende Wärmeenergiequelle die Wärmekraftmaschine antreiben, die wiederum den Generator zur Speisung des Bordspannungsnetzes antreibt und/oder die Abgasreinigungseinrichtung aufheizt, so dass diese ihre bestim mungsgemäße Betriebstemperatur auch schon unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine besitzt, bevor die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Wärmeenergie dazu in der Lage wäre, die Abgasreinigungseinrichtung auf die bestimmungsgemäße Betriebstemperatur aufzuheizen.In addition to Thermal energy the internal combustion engine or even instead one can on the vehicle provided independently working heat energy source the heat engine driving, in turn, the generator for feeding the on-board voltage network drives and / or heats the exhaust gas purification device, so that this is their intended operating temperature even immediately after the start of the internal combustion engine has, before the heat energy contained in the exhaust gas of the internal combustion engine would be able to the exhaust gas purification device to the intended operating temperature heat.
Bei der Wärmeenergiequelle kann es sich von der Brennkraftmaschine unabhängige Einrichtung handeln, wie beispielsweise eine zur Bereitstellung von mechanischer Energie vorgesehene Einheit, deren Abwärme die Wärmekraftmaschine so mit Energie versorgt, dass diese den Generator antreibt und/oder die Abgasreinigungseinrichtung aufheizen kann.at the heat energy source it may be independent of the internal combustion engine device, such as one for providing mechanical energy intended unit whose waste heat the heat engine so energized that it drives the generator and / or the exhaust purification device can heat up.
Diese Wärmeenergiequelle kann der Umgebung Wärme entziehen, um die Wärmekraftmaschine anzutreiben, oder beispielsweise auch eine Einrichtung sein, die mittels am Fahrzeug vorhandener Kraftstoffe betrieben wird und die Wärmekraftmaschine antreibt.These Thermal energy source can heat the environment withdraw to the heat engine to drive, or for example, be a device that is operated by means of existing fuels on the vehicle and the Heat engine drives.
Es ist dabei nach der Erfindung vorgesehen, dass die Wärmekraftmaschine bidirektional arbeitet, also sowohl als Motor arbeitet, um den Generator anzutreiben, als auch als Wärmepumpe arbeitet, um die Abgasreinigungseinrichtung aufzuheizen.It is provided according to the invention that the heat engine works bidirectionally, so both works as a motor to the generator to drive, as well as a heat pump works to heat the exhaust gas purifier.
Nachdem es nach der vorliegenden Erfindung insbesondere vorgesehen ist, die im Abgas der Brennkraftmaschine vorhandene Wärmeenergie zu benutzen, um die Wärmekraftmaschine zum Antreiben des Generators mit Wärmeenergie zu versorgen, ist eine bidirektional wirkende Wärmeübertragungseinrichtung zwischen der Abgasreinigungseinrichtung und der Wärmekraftmaschine vorgesehen.After this it is particularly provided according to the present invention, to use the existing in the exhaust of the engine heat energy to the heat engine To supply the generator with thermal energy is to drive a bidirectionally acting heat transfer device between the exhaust gas purifier and the heat engine intended.
Über diese bidirektional wirkende Wärmeübertragungseinrichtung kann nun Wärmeenergie aus dem Abgas der Brennkraftmaschine auf die Wärmekraftmaschine übertragen werden, die wiederum den Generator zur Speisung des elektrischen Bordspannungsnetzes des Fahrzeugs antreibt und auch von der Wärmekraftmaschine stammende Wärme in Richtung zur Abgasreinigungseinrichtung transportiert werden, um über diese die Abgasreinigungseinrichtung aufzuheizen, so dass sie ihre bestimmungsgemä ße Betriebstemperatur bereits besitzt, bevor die Brennkraftmaschine gestartet wird.About these bidirectionally acting heat transfer device can now heat energy transferred from the exhaust gas of the internal combustion engine to the heat engine which in turn are the generator for feeding the electric On-board voltage system of the vehicle drives and also from the heat engine originating heat transported in the direction of the exhaust gas purification device, to over to heat them up the exhaust gas purifier so that they have their intended operating temperature already has before the internal combustion engine is started.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Abgasreinigungseinrichtung zur chemisch-thermischen Umsetzung von gasförmigen und/oder festen Abgasbestandteilen ausgebildet ist. Damit kann diese als Katalysator und/oder beispielsweise Dieselpartikelfilter ausgebildet sein.To a development of the invention, it is provided that the exhaust gas cleaning device for chemical-thermal conversion of gaseous and / or solid exhaust gas constituents is trained. This can be used as a catalyst and / or for example Be designed diesel particulate filter.
Die Wärmekraftmaschine kann nun die so ausgebildete Abgasreinigungseinrichtung vor dem Start der Brennkraftmaschine aufheizen, so dass verglichen mit einer kalten Abgasreinigungseinrichtung die Umsetzungsrate schon bestimmungsgemäße Werte besitzt, bevor die im Abgas der Brennkraftmaschine vorhandene Wärmeenergie dazu in der Lage wäre, die Abgasreinigungseinrichtung auf Betriebstemperatur zu bringen.The Heat engine can now be the so-trained exhaust purification device before starting the internal combustion engine heat up, so that compared with a cold Emission control device, the conversion rate already intended values possesses, before the heat energy present in the exhaust gas of the internal combustion engine would be able to bring the exhaust gas purification device to operating temperature.
Bei der vorstehend erwähnten autarken Wärmeenergiequelle kann es sich nach einer Ausführungsform beispielsweise um eine Fahrzeugzusatzheizung handeln, so dass im Betrieb der Fahrzeugzusatzheizung bei still stehender Brennkraftmaschine über die Wärmekraftmaschine der Generator zum Speisen des Bordspannungsnetzes mit elektrischer Energie angetrieben werden kann und/oder die Abgasreinigungseinrichtung aufgeheizt werden kann, ohne dass es hierzu erforderlich wäre, die Brennkraftmaschine laufen zu lassen.at the aforementioned self-sufficient heat energy source This may be one embodiment For example, act to a vehicle auxiliary heating, so that in Operation of the auxiliary vehicle heater with the engine stopped on the Heat engine the generator for supplying the on-board voltage network with electrical energy can be driven and / or the exhaust gas purification device can be heated without this being necessary, the Running internal combustion engine.
Damit ist bei einem Hybridfahrzeug auch ein erweiterter Betrieb mit elektromotorischer Unterstützung möglich, im Abgas vorhandene Energie kann zur Speisung des Bordspannungsnetzes verwendet werden und die Wärmekraftmaschine kann sowohl zu dieser Speisung des Bordspannungsnetzes eingesetzt werden als auch zum Aufheizen der Abgasreinigungseinrichtung, so dass eine effiziente Abgasumsetzung auch bereits unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine möglich ist.In order to is in a hybrid vehicle also an extended operation with electric motor support possible, Existing energy in the exhaust gas can be used to feed the on-board voltage network be used and the heat engine can be used both for this supply of the on-board voltage network be as well as for heating the exhaust gas purification device, so that an efficient exhaust gas conversion also already immediately after the start of the internal combustion engine is possible.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmekraftmaschine nach dem Stirling Vergleichprozess arbeitet mit in einem geschlossenen Kreislauf geführten Arbeitsmedium, so dass zum Betrieb der Wärmekraftmaschine eine Speisepumpe oder dergleichen nicht erforderlich ist.To a development of the invention, it is provided that the heat engine After the Stirling comparison process works with in a closed Cycle guided Working medium, so that the operation of the heat engine, a feed pump or the like is not required.
Die Wärmekraftmaschine besitzt einen mit Arbeitsmedium von einer ersten höheren Temperatur in Kontakt stehenden ersten Drehkolben sowie einen mit Arbeitsmedium von einer zweiten niedrigeren Temperatur in Kontakt stehenden zweiten Drehkolben, wobei sich beide Drehkolben mit einer Kolbenlaufbahn in Kontakt befinden derart, dass zwischen Kolben und Kolbenlaufbahn jeweilige das Arbeitsmedium aufnehmende Arbeitsräume gebildet sind und die Drehkolben an einer ersten Welle drehfest angeordnet sind und die Kolbenlaufbahnen eine Drehbewegung relativ zu den Drehkolben an einer im Abstand zur ersten Welle angeordneten zweiten Welle ausführen und mit der zweiten Welle drehfest verbunden sind.The Heat engine has one with working fluid from a first higher temperature in Contact standing first rotary piston and one with working medium second in contact with a second lower temperature Rotary piston, both rotary pistons having a piston raceway are in contact such that between the piston and the piston raceway respective working medium receiving working spaces are formed and the rotary pistons are rotatably mounted on a first shaft and the piston raceways a rotational movement relative to the rotary pistons at a distance run to the second shaft arranged second shaft and with the second shaft are rotatably connected.
Im Gegensatz zu bekannten, nach dem Stirling Vergleichsprozess arbeitenden Wärmekraftmaschinen zeichnet sich diese Wärmekraftmaschine also dadurch aus, dass die Drehkolben eine reine Rotationsbewegung ausführen, ohne dass ihnen eine Translationsbewegung überlagert ist und ebenso die Kolbenlaufbahnen eine reine Rotationsbewegung durchführen, also nicht feststehend ausgebildet sind und diese reine Rotationsbewegung eine Drehbewegung um die sich ebenfalls drehenden Drehkolben herum darstellt.in the Contrary to known, working according to the Stirling comparison process Heat engines So this heat engine is characterized characterized in that the rotary pistons perform a pure rotational movement, without that they are superimposed on a translation movement and the same Perform a pure rotary motion piston strokes, so are not formed stationary and this pure rotational movement a rotary motion around the rotating rotary pistons around represents.
Die Kolbenlaufbahnen sind dabei drehfest mit der zweiten Welle verbunden, die sich im Abstand zur ersten Welle angeordnet befindet derart, dass zwischen den jeweiligen Mittenachsen der ersten und zweiten Wellen ein lichter Achsabstand besteht und die beiden Wellen parallel zueinander verlaufen. Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass die bewegten Drehkolben und die bewegten Kolbenlaufbahnen eine kontinuierliche Drehbewegung ausführen um jeweilige feststehende, durch den jeweiligen Schwerpunkt der jeweiligen bewegten Teile hindurch verlaufende Achsen und somit keine freien Massenkräfte oder Momente entstehen.The Piston raceways are rotatably connected to the second shaft, which is located at a distance from the first wave is such, that between the respective center axes of the first and second Waves is a clear center distance and the two waves parallel to each other. Through this training is achieved that the moving rotary pistons and the moving piston tracks a continuous Perform rotary motion around each fixed, by the respective center of gravity of the respective moving parts passing through axes and thus no free mass forces or moments arise.
Die bewegten Teile führen daher reine Drehbewegungen aus und sorgen für einen ruhigen Lauf der Wärmekraftmaschine. Die Drehkolben und die zu ihrer Anordnung vorgesehene erste Welle können daher auch als eine gemeinsame Einheit angesehen werden und da sie sich innerhalb der Kolbenlaufbahn drehen, als Innenläufer bezeichnet werden. In entsprechender Weise können die Kolbenlaufbahnen und die zu ihrer Aufnahme vorgesehene zweite Welle als Einheit angesehen werden und demgemäß als Außenläufer bezeichnet werden.The moving parts therefore perform pure rotational movements and ensure a smooth running of the heat engine. The rotary pistons and the first shaft provided for their arrangement can therefore also be regarded as a common unit and, since they rotate within the piston raceway, are referred to as internal rotors. In a corresponding manner, the piston raceways and provided for their inclusion second shaft be regarded as a unit and accordingly be referred to as external rotor.
Die hier vorgesehene Wärmekraftmaschine besitzt einen Bereich, der mit Arbeitsmedium von erster höherer Temperatur in Kontakt steht und einen Bereich, der mit Arbeitsmedium von zweiter niedrigerer Temperatur als die erste höhere Temperatur in Kontakt steht. Das Arbeitsmedium wird in einem geschlossenen Kreis im Arbeitsprozess geführt und zwischen dem ersten, heißen Arbeitsraum und dem zweiten, kalten Arbeitsraum hin und her geschoben und verlässt somit die Wärmekraftmaschine nicht und muss daher auch nicht mittels einer Speisepumpe dem Prozess laufend wieder zugeführt werden.The has provided here heat engine a range of working medium of the first higher temperature is in contact and an area with working medium of second lower temperature than the first higher temperature in contact stands. The working medium is in a closed loop in the working process guided and between the first, hot Working room and the second, cold working space pushed back and forth and leaves thus the heat engine not and therefore does not have to be by means of a feed pump the process constantly fed again become.
Die Wärmekraftmaschine arbeitet nach dem Stirling Vergleichsprozess, der aus zwei Isothermen und zwei Isochoren besteht. Der von der ersten, höheren Temperatur beaufschlagte Arbeitsraum wird über eine externe Wärmequelle beheizt, um im Rahmen der isothermen Expansion Arbeit verrichten zu können, die als Nutzmoment oder Arbeitsmoment an der Wärmekraftmaschine abgegriffen werden kann. Als Wärmequelle für die Beheizung des heißen Arbeitsraumes kann nun nach der Erfindung das heiße Abgas der Brennkraftmaschine herangezogen werden.The Heat engine works according to the Stirling comparison process, which consists of two isotherms and there are two isochores. The one acted upon by the first, higher temperature Work space is over an external heat source heated to perform work in the context of isothermal expansion to be able to tapped as Nutzmoment or working torque on the heat engine can be. As a heat source for the Heating the hot Working space can now according to the invention, the hot exhaust gas the internal combustion engine are used.
Nach der Erfindung ist es daher vorgesehen, dass eine Wärmezufuhr zu dem mit dem ersten Kolben in Kontakt stehenden ersten Arbeitsraum stattfindet derart, dass mittels einer weitgehend isothermen Expansion des Arbeitsmediums an der zweiten Welle ein Abtriebsmoment bereitstellbar ist.To The invention therefore provides that a heat supply to the first working space in contact with the first piston takes place in such a way that by means of a largely isothermal expansion the working fluid at the second shaft an output torque available is.
Brennkraftmaschinen werden üblicherweise mit einer katalytischen Abgasreinigungseinrichtung betrieben, um schädliche Bestandteile im Abgas der Brennkraftmaschine nachzubehandeln. Derartige Katalysatoren benötigen zur effizienten Umsetzung eine Betriebstemperatur, die nach dem Start der Brennkraftmaschine nicht sofort zur Verfügung steht, weshalb der Schadstoffanteil im Abgas unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine sprunghaft ansteigt und allmählich absinkt, bis der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und danach bestimmungsgemäß arbeitet.Internal combustion engines are usually with a catalytic exhaust purification device operated to harmful components after-treatment in the exhaust gas of the internal combustion engine. Such catalysts need for efficient implementation, an operating temperature, which after the Start of the internal combustion engine is not immediately available, which is why the pollutant content in the exhaust immediately after the start of the engine rises abruptly and gradually decreases until the catalyst has reached its operating temperature and works as intended.
Um nun diese Problematik zu beseitigen, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass eine Wärmezufuhr zu dem mit dem zweiten Kolben in Kontakt stehenden zweiten Arbeitsraum stattfindet und eine Einkopplung von Arbeit in die zweite Welle derart, dass an dem mit dem ersten Kolben in Kontakt stehenden ersten Arbeitsraum Wärme abführbar ist.Around now to eliminate this problem, it is after a training the invention also provides that a heat supply to that with the second Piston is in contact with second working space and takes place a coupling of work into the second wave such that the first working space in contact with the first piston Heat is dissipated.
Es bedeutet dies mit anderen Worten, dass die Wärmekraftmaschine auch zur Umsetzung eines linksläufigen Stirling Vergleichsprozesses vorgesehen ist, um die Wärmekraftmaschine nicht als Motor zu betreiben, sondern als Wärmepumpe, über die Wärme bereitgestellt werden kann, mit der der Katalysator der Brennkraftmaschine vorgeheizt wird, so dass die Umsetzrate des Katalysators nicht erst allmählich ansteigt, sondern der Katalysator bereits unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine seine Betriebstemperatur erreicht hat und seine bestimmungsgemäße Abgasreinigung durchführen kann.It In other words, this means that the heat engine is also for implementation a left-turn Stirling comparison process is provided to the heat engine not as a motor, but as a heat pump, can be provided over the heat, with which the catalyst of the internal combustion engine is preheated, so that the conversion rate of the catalyst does not increase gradually, but the catalyst already immediately after the start of the internal combustion engine its Operating temperature has reached and its intended emission control can perform.
Der Stirling Vergleichsprozess arbeitet mit einer isothermen Kompression, deren zugeführte Volumenänderungsarbeit gleich der abzuführenden Wärmemenge ist. Um nun die erforderlichen Volumenänderungen in den Arbeitsräumen am ersten beziehungsweise am zweiten Kolben durchführen zu können, ist es vorgesehen, dass zwischen das Arbeitsmedium mit unterschiedlichen Temperaturen aufnehmenden Arbeitsräumen bezogen auf die Relativlage der Arbeitsräume zu der ersten Welle ein Drehwinkelversatz an der Wärmekraftmaschine vorgesehen ist. Dieser Drehwinkelversatz oder auch Phasenwinkel zwischen den heißen und kalten Drehkolben erzeugt die für das Durchlaufen des Stirling Vergleichsprozesses notwendigen Volumenänderungen in den Arbeitsräumen.Of the Stirling comparison process works with an isothermal compression, their supplied Volume change work equal to the payable heat is. Now to the required volume changes in the workspaces on To be able to perform first or on the second piston, it is provided that between the working medium with different temperatures receiving workrooms based on the relative position of the working spaces to the first wave Rotation angle offset on the heat engine is provided. This rotation angle offset or phase angle between the hot ones and cold rotary pistons generated for passing through the Stirling Comparison process necessary volume changes in the workrooms.
Bekannte, nach dem Stirling Vergleichsprozess arbeitende Wärmekraftmaschinen besitzen einen mit einem Hubkolben versehenen Arbeitszylinder und einen mit einem Hubkolben versehenen Kompressionszylinder, wobei beide Kolben über Kolbenstangen mit einer Kurbelwelle verbunden sind. Diese Konfiguration macht es deutlich, dass bei einer Umdrehung der Kurbelwelle oder eines damit vergleichbaren Schwungrades nur ein Arbeitstakt zur Verfügung steht.Known, own heat engines operating according to the Stirling comparison process a provided with a reciprocating cylinder and a with a piston provided with compression cylinders, both pistons via piston rods are connected to a crankshaft. This configuration makes it is clear that with one revolution of the crankshaft or one so that comparable flywheel only one stroke is available.
Um nun im Gegensatz hierzu die Leistungsdichte der hier vorgesehenen Wärmekraftmaschine zu erhöhen, ist es vorgesehen, dass an der ersten Welle eine Mehrzahl von in Drehwinkelversatz zueinander angeordneter Drehkolbenpaare vorgesehen ist, denen an der zweiten Welle im gleichen Drehwinkel versetzt angeordnete Kolbenlaufbahnpaare zugeordnet sind. Unter einem Drehkolbenpaar ist dabei die kleinste Einheit eines ersten und zweiten Drehkolbens zu verstehen. Wenn nun mehrere solcher Drehkolbenpaare, denen entsprechende Kolbenlaufbahnpaare zugeordnet werden, an der ersten Welle vorgesehen sind, so wird es möglich, während einer Umdrehung eine der Zahl der Drehkolbenpaare entsprechende Zahl von Arbeitsspielen durchzuführen, und somit die von der Wärmekraftmaschine bereitgestellte Leistung deutlich zu erhöhen.Around now, in contrast, the power density of here provided Heat engine too increase, it is provided that at the first shaft a plurality of in Rotation angle offset is provided to each other arranged rotary piston pairs, those offset at the same angle of rotation on the second shaft Piston raceway pairs are assigned. Under a rotary piston pair is the smallest unit of a first and second rotary piston to understand. If now several such rotary piston pairs, which corresponding Piston raceway pairs are assigned, provided on the first shaft are, so it becomes possible while one revolution corresponding to the number of rotary piston pairs Number of work cycles to perform, and thus from the heat engine significantly increase the performance provided.
In ähnlicher Weise kann die Leistungsdichte auch dadurch erhöht werden, dass pro Kombination aus Drehkolben und zugeordneter Kolbenlaufbahn nicht nur ein Arbeitsraum vorgesehen ist, sondern mehrere solcher Arbeitsräume, wobei zu diesem Zweck der Drehkolben eine entsprechende n-eckige Konfiguration besitzen kann und die Zahl von n-1 Arbeitsräumen pro Kombination aus Drehkolben und Kolbenlaufbahn geschaffen wird. Damit kann durch die Kombination aus einer Unterkombination aus Drehkolben und Kolbenlaufbahn mit mehreren Arbeitsräumen mit einer weiteren beziehungsweise mehreren derartiger Unterkombinationen an der ersten beziehungsweise zweiten Welle angeordnet eine Wärmekraftmaschine geschaffen werden, die nach dem Stirling Vergleichsprozess arbeitet und verglichen mit bekannten Stirlingmaschinen eine deutlich höhere Leistungsdichte erreicht.Similarly, the power density can also be increased by adding, per combination from rotary piston and associated piston barrel not only a working space is provided, but a plurality of such work spaces, for which purpose the rotary piston may have a corresponding n-angular configuration and the number of n-1 work spaces per combination of rotary piston and piston career is created. This can be created by the combination of a sub-combination of rotary piston and piston track with multiple work spaces arranged with a further or more such sub-combinations on the first and second shaft, a heat engine, which operates according to the Stirling comparison process and compared with known Stirling machines achieved a significantly higher power density ,
Zur Realisierung der Volumenänderung in den Arbeitsräumen ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die erste und die zweite Welle mittels eines Getriebes in einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis gekoppelt sind, so dass es zu einer Drehung der Kolbenlaufbahn relativ zu dem sich ebenfalls drehenden Drehkolben kommt und somit der zwischen Kolbenlaufbahn und Drehkolben ausgebildete Arbeitsraum eine Volumenänderung erfährt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von 2:3 erreicht werden, so dass bei zwei Umdrehungen des Drehkolbens die Kolbenlaufbahn drei Umdrehungen durchführt und es so zu der erforderlichen Volumenänderung kommt.to Realization of the volume change in the workrooms It is provided according to a development of the invention that the first and the second shaft coupled by means of a transmission in a predetermined transmission ratio are, so that there is a rotation of the piston raceway relative to The also rotating rotary piston comes and thus the between Piston runway and rotary piston trained working space a volume change experiences. In this way, for example, a gear ratio of 2: 3 can be achieved, so that at two revolutions of the rotary piston the piston barrel performs three turns, making it the required volume change comes.
Um nun bei einer Ausbildung der hier vorgesehenen Wärmekraftmaschine mit einer Mehrzahl von Drehkolben und einer entsprechenden Mehrzahl von Kolbenlaufbahnen die axialen Abmessungen der ersten beziehungsweise zweiten Welle mit daran angeordneten Drehkolben beziehungsweise Kolbenlaufbahnen nicht stark anwachsen zu lassen, ist es vorgesehen, dass die Kolbenlaufbahnen an scheibenförmigen Gehäusebauteilen als Zykloiden, insbesondere Trochoiden ausgebildet sind und die Drehkolben scheibenförmige Körper sind mit mindestens zwei am Umfang äquidistant angeordneten Ecken. Die Drehkolben bewegen sich bei einer solchen Ausführungsform in scheibenförmigen Gehäuseteilen, deren radiale Innenkontoren durch Zykloiden, insbesondere Trochoiden ausgebildet sind. Die scheibenförmigen Gehäuseteile mit ihren durch Trochoiden beziehungsweise Zykloiden vorgegebenen Innenkonturen sind ebenfalls um den bereits vorstehend definierten bestimmten Phasenwinkel gegeneinander verdreht und über die zweite Welle fest miteinander verbunden.Around now with a training of the heat engine provided here with a A plurality of rotary pistons and a corresponding plurality of piston races the axial dimensions of the first and second shaft with it arranged rotary piston or piston raceways not to grow strongly, it is envisaged that the piston races at disk-shaped housing components are formed as cycloids, in particular trochoidal and the Rotary disk-shaped body are with at least two circumferentially equidistantly arranged corners. The Rotary pistons move in such an embodiment in disc-shaped housing parts whose radial Innenkontoren formed by cycloids, in particular trochoid are. The disc-shaped housing parts with their predefined by Trochoids or cycloids Inner contours are also around that already defined above certain phase angle twisted against each other and over the second shaft firmly connected.
Sowohl bei der ersten Welle als auch bei der zweiten Welle kann es sich um eine Hohlwelle handeln, die die Masse der Wärmekraftmaschine gering hält.Either it can be the first wave as well as the second wave to act a hollow shaft that keeps the mass of the heat engine low.
Wie es vorstehend bereits erläutert wurde, wird das Arbeitsmedium zwischen dem heißen Arbeitsraum und dem kalten Arbeitsraum durch die Drehbewegung der Drehkolben hin und her geschoben. Um nun dies realisieren zu können, ist es nach einer Weiterbildung vorgesehen, dass fluidleitende Kanäle zwischen benachbarten ersten und zweiten Arbeitsräumen vorgesehen sind.As it already explained above was, the working fluid between the hot working space and the cold Working space pushed by the rotation of the rotary piston back and forth. In order to realize this, It is provided according to a development that fluid-conducting channels between adjacent first and second work spaces are provided.
Diese fluidleitenden Kanäle können nun nach einer Ausführungsform innerhalb der ersten Welle angeordnet sein. Kommt es nun zur Volumenveränderung in den Arbeitsräumen, so wird das Arbeitsmedium über diese in der ersten Welle angeordneten fluidleitenden Kanäle verschoben. Die Wärmeübertragung in Richtung zum ersten, heißen Arbeitsraum hinein und aus dem zweiten, kalten Arbeitsraum heraus erfolgt bei dieser Konfiguration über die Kolbenlaufbahn beziehungsweise den Außenläufer, wie er vorstehend definiert worden ist.These fluid-conducting channels can now according to one embodiment be arranged within the first wave. Is it now the volume change in the workrooms, this is how the working medium becomes this shifted arranged in the first shaft fluid-conducting channels. The heat transfer towards the first one, hot Workspace into and out of the second, cold workspace takes place in this configuration via the piston raceway or the external rotor, like it has been defined above.
Während des Arbeitszyklusses kann auf diese Weise ein sinusförmiger Verlauf der Veränderung des Arbeitsvolumens erreicht werden. Geht man nun vom idealen Stirling Vergleichsprozess aus, so erfordert dieser ideale Stirlingprozess aber ein, bezogen auf die Drehwinkeländerung verkürztes Zurücklaufen des Expansionskolbens in die Totpunktlage.During the Arbeitszyklusses can in this way a sinusoidal course of change of the Work volume can be achieved. Going now from the ideal Stirling Comparison process, this ideal Stirling process requires but a, based on the rotation angle change shortened running back of the Expansion piston in the dead center.
Eine sinusförmige Änderung des Arbeitsvolumens, wie dies bei der Anordnung der fluidleitenden Kanäle in der ersten Welle beziehungsweise dem Innenläufer der Fall ist, führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrads der Wärmekraftmaschine, da der sinusförmige Verlauf der Veränderung des Arbeitsvolumens bezogen auf die Drehwinkeländerung der ersten Welle ein entsprechendes schnelles Zurücklaufen des Expansionskolbens in die Totpunktlage nicht gestattet.A sinusoidal change the working volume, as in the arrangement of the fluid-conducting channels in the first wave or the inner rotor is the case leads to a Reduction of the efficiency of the heat engine, as the sinusoidal course the change of the working volume based on the rotation angle change of the first shaft corresponding fast run-down of the expansion piston in the dead center not allowed.
Um diese Wirkungsgradverringerung zu vermeiden, ist es außerdem vorgesehen, dass die fluidleitenden Kanäle außerhalb der ersten Welle, insbesondere innerhalb der zweiten Welle und die Kolbenlaufbahnen ausbildender Gehäusebauteile angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Gehäusebauteile kann im Zusammenspiel mit dem sich drehenden Drehkolben eine Schlitzsteuerung realisiert werden. Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, dass die fluidleitenden Kanäle in die Arbeitsräume im Bereich einer vom Drehkolben bei der Drehbewegung überstrichenen Seitenfläche einmünden derart, dass die Verbindungsöffnung zwischen Kanal und Arbeitsraum vom Drehkolben gesteuert, geöffnet und geschlossen werden. Die so vorgesehene Konfiguration führt auch zu einer Vergrößerung der für den Wärmeübergang wirksamen Fläche und somit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine.Around To avoid this reduction in efficiency, it is also envisaged that the fluid-conducting channels outside the first wave, in particular within the second wave and the Piston raceways forming housing components are arranged. By this arrangement of the housing components can in conjunction with the rotating rotary piston a slot control will be realized. For this purpose, it is provided that the fluid-conducting channels in the workrooms in the area swept by the rotary piston during the rotary motion side surface run in such that the connection opening between channel and working space controlled by the rotary piston, opened and getting closed. The configuration thus provided also leads to an enlargement of the for the Heat transfer effective area and thus to an improvement in the efficiency of the heat engine according to the invention.
Durch das Vorsehen mehrerer vom Drehkolben zu öffnenden und zu schließender Verbindungsöffnungen in den fluidleitenden Kanälen zwischen dem kalten und dem warmen Arbeitsraum kann auch der Volumenstrom entsprechend gesteuert werden und damit Einfluss darauf genommen werden, wie schnell der Expansionskolben in die Totpunktlage zurückkehrt.By the provision of several of the rotary piston to open and close the connection openings in the fluid-conducting channels between the cold and the warm working space can also be the volume flow be controlled accordingly and thus influenced How quickly the expansion piston returns to the dead center.
In den fluidleitenden Kanälen können der Wärmekraftmaschine können Regeneratoren vorgesehen sein oder die fluidleitenden Kanäle in Regeneratoren münden, die den Energietransfer zwischen den isochoren Heiz- und Abkühlvorgängen des Arbeitsmediums bewerkstelligen.In the fluid-conducting channels can the heat engine can Regenerators be provided or the fluid-conducting channels in regenerators lead, the energy transfer between the isochoric heating and cooling processes of the Accomplish working medium.
Bei diesen Regeneratoren handelt es sich um Wärmespeichervorrichtungen, die beim Transport des heißen Arbeitsmediums in Richtung zum kalten Arbeitsraum Wärme aufnehmen und beim Rücktransport vom kalten Arbeitsraum in Richtung zum heißen Arbeitsraum wieder Wärme an das Arbeitsmedium abgeben.at These regenerators are heat storage devices that when transporting the hot Working medium in the direction of the cold working space absorb heat and when returning from the cold working space towards the hot working room again heat to the Release working medium.
Schließlich ist es auch vorgesehen, dass die Wärmekraftmaschine in einem wärmeisolierten Gehäuse angeordnet ist und mit dem ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordneten und mit der zweiten Welle gekoppelten Generator verbunden ist, der die von der Wärmekraftmaschine abgegebene mechanische Energie in elektrische Energie wandelt, die dazu verwendet wird, das Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs zu speisen.Finally is It also provided that the heat engine in a thermally insulated casing is arranged and arranged with the also within the housing and coupled to the second shaft coupled generator, which is the from the heat engine discharged mechanical energy converts into electrical energy, the is used to the on-board voltage system of the motor vehicle Food.
Um nun die Wärmekraftmaschine zum Vorheizen einer katalytischen Abgasreinigungseinrichtung verwenden zu können, ist es schließlich vorgesehen, dass eine Wärmetauschvorrichtung mit dem ersten und/oder zweiten Arbeitsraum gekoppelt ist, über die dann Wärme in den Katalysator eingetragen werden kann, um diesen beispielsweise vor dem Start der Brennkraftmaschine bereits auf Betriebstemperatur zu bringen, so dass auch unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine bereits eine vollständige bestimmungsgemäße Abgasreinigung stattfindet.Around now the heat engine for preheating a catalytic exhaust gas purifier to be able to it is finally provided that a heat exchange device is coupled to the first and / or second working space, via the then heat can be registered in the catalyst to this example before the start of the engine already at operating temperature so that also immediately after starting the internal combustion engine already a complete one Proper exhaust gas cleaning takes place.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:The The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. These shows in:
Es handelt sich dabei um eine sogenannte 2:3-Maschine, bei der ein Drehzahlverhältnis von Drehkolben zu Kolbenlaufbahn von 2:3 vorliegt.It is a so-called 2: 3 machine, in which a Speed ratio from rotary piston to piston raceway of 2: 3 is present.
Die
Wärmekraftmaschine
Die
nach dem Stirling Vergleichsprozess arbeitende Wärmekraftmaschine
Die
Kolbenlaufbahnen
Aufgrund
des Phasenwinkelversatzes zwischen den benachbarten Drehkolben
Bei
der in
Diese
Wärmezufuhr
führt,
dem idealisierten Stirling Vergleichsprozess folgend, zu einer Expansion,
bei der von dem Arbeitsmedium Arbeit verrichtet wird, die letztlich
in Form eines Nutzmoments an der die Gehäusebauteile
Das
erhitzte Arbeitsmedium wird über
den fluidleitenden Verbindungskanal
Im
nächsten
Arbeitstakt wird das Arbeitsmedium dann über den Drehkolben
Nach
einer alternativen Verwendung der Wärmekraftmaschine ist es aber
auch möglich,
diese als Wärmepumpe
entsprechend einem linksläufigen Stirling
Vergleichsprozess einzusetzen. Zu diesem Zweck wird in die kältere Seite
der Wärmekraftmaschine
Wärme eingespeist,
beispielsweise aus einem Latentwärmespeicher
oder dergleichen. Zusätzlich
wird mechanische Arbeit eingetragen über beispielsweise den dann
motorisch betriebenen Generator, der aus dem Bordspannungsnetz des
Fahrzeugs gespeist wird. Dies führt
im linksläufigen
Stirling Vergleichsprozess dazu, dass an der wärmeren Seite der Wärmekraftmaschine
Wärme von
einem höheren
Temperaturniveau bereit steht, die dort über den Wärmetauscher abgegriffen und
dem Abgaskatalysator
Hierdurch
wird erreicht, dass der Abgaskatalysator
Über die
in
Die Öffnungen
der fluidleitenden Kanäle
Die hier vorgesehene Wärmekraftmaschine zeichnet sich also dadurch aus, dass mit ihr die im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen enthaltene Restenergie in mechanisch nutzbare Antriebsenergie umgewandelt werden kann, um beispielsweise mittels des Generators das Bordspannungsnetz des Fahrzeugs zu speisen und somit den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen und die Schadstoffbelastung der Umwelt zu verringern. Die bewegten Bauteile führen eine kontinuierliche Drehbewegung aus, um eine fest stehende, jeweils durch den Schwerpunkt der bewegten Teile gehende Drehachse. Es entstehen keine freien Massenkräfte aufgrund beispielsweise translatorisch bewegter Bauteile. Durch die Möglichkeit, die Zahl der Arbeitsräume gleichsam ohne Beschränkung zu erhöhen, ist es möglich, pro Umdrehung der Drehmoment abgebenden Welle mehrere Arbeitsprozesse gleichzeitig ablaufen zu lassen, wodurch sich eine deutliche Erhöhung der Leistungsdichte ergibt.The here provided heat engine draws So it is characterized by the fact that with her in the exhaust of internal combustion engines contained residual energy converted into mechanically usable drive energy can be, for example, by means of the generator, the on-board voltage network to feed the vehicle and thus increase the overall efficiency and reduce the pollution of the environment. The moving components to lead a continuous rotary motion out to a fixed, respectively by the center of gravity of the moving parts going axis of rotation. There are none free mass forces due to, for example, translationally moving components. By the possibility, the number of workrooms as it were without restriction to increase, Is it possible, per revolution of the torque-emitting shaft several work processes run concurrently, resulting in a significant increase in the Power density results.
Wird
der Generator
Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.Regarding not closer in detail Illustrated Features of the invention will be otherwise expressly on the claims and the drawing referenced.
- 11
- WärmekraftmaschineHeat engine
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Getriebestufegear stage
- 44
- Drehkolbenrotary pistons
- 55
- Drehkolbenrotary pistons
- 66
- erste Wellefirst wave
- 77
- fluidleitende Kanälefluid-conducting channels
- 88th
- KolbenlaufbahnPiston path
- 99
- KolbenlaufbahnPiston path
- 1010
- Gehäusebauteilhousing component
- 1111
- Gehäusebauteilhousing component
- 1212
- zweite Wellesecond wave
- 1313
- Isolierunginsulation
- 1414
- Isolierunginsulation
- 1515
- Regeneratorregenerator
- 1616
- Antriebssystemdrive system
- 1717
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 1818
- Katalysatorcatalyst
- 1919
- Generatorgenerator
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=40560635
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-
2007
- 2007-11-14 DE DE102007054197A patent/DE102007054197A1/en not_active Withdrawn
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