DE102008011213A1

DE102008011213A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102008011213A1
Application number: DE102008011213A
Authority: DE
Inventors: Cem Guemues
Original assignee: Individual
Current assignee: Guemues Cem Ann Arbor Us; Guemues Cem Us
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Eine Vorrichtung zur Nutzung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen, enthaltend einen Abgas-erzeugenden Antriebsmotor (10) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, und Mittel (18, 22, 24; 34, 36, 44) zur Nutzung der in dem Abgas enthaltenen Energie, ist gekennzeichnet durch eine Generatoranordnung (34, 36) mit einem Generator (36) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus dem Abgas, einen mittels des mit dem Generator (36) erzeugbaren elektrischen Stroms aufheizbaren Wärmespeicher (44) und einen von der Wärme aus dem Wärmespeicher (44) beaufschlagten thermischen Energiewandler (18). In dem Wärmespeicher kann Energie gespeichert werden, solange gebremst wird. Bei Bedarf kann diese Energie in dem thermischen Energiewandler (18) z. B. als Hilfsantrieb genutzt werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen, enthaltend

(a) einen Abgas-erzeugenden Antriebsmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, und
(b) Mittel zur Nutzung der in dem Abgas enthaltenen Energie.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Nutzung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen und eine Anordnung zum Speichern von Bremsenergie eines Kraftfahrzeuges mit Abgasenergierückgewinnung.
Ein Antriebsmotor ist beispielsweise ein Verbrennungsmotor, wie Otto- oder Dieselmotor, in dem Kraftstoff verbrannt wird. Das bei dem Verbrennungsprozess entstehende Abgas ist gewöhnlich heiß.
Stand der Technik
Es ist bekannt, die in dem Abgas enthaltene Wärmeenergie zu nutzen. In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2007 033 611 ist eine Anordnung zur Abgaswärmenutzung bekannt. Eine Dampferzeugeranordnung wird mit dem Abgas beaufschlagt. Die in dem Dampferzeuger auf ein Arbeitsmedium übertragene Wärme wird in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess mit einer Expansionsmaschine genutzt. Die Energie kann als Hilfsantrieb oder mit einem Generator zur Stromversorgung genutzt werden. Ein in der Anordnung vorgesehener Wärmespeicher dient zur Speicherung der Wärmeenergie, wenn diese in dem Kreisprozess nicht benötigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Energieausnutzung bei Kraftfahrzeugen ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch:

(c) eine Generatoranordnung mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom aus dem Abgas,
(d) einen mittels des mit dem Generator erzeugbaren elektrischen Stroms aufheizbaren Wärmespeicher, und
(e) einen von der Wärme aus dem Wärmespeicher beaufschlagten thermischen Energiewandler.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

(c) Erzeugen von elektrischem Strom aus dem Abgas,
(d) Aufheizen eines Wärmespeichers mit dem so erzeugten elektrischen Strom, und
(e) Wandeln der Wärme aus dem Wärmespeicher in einem thermischen Energiewandler.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass es Phasen gibt, bei der kein Antrieb erforderlich ist. Solche Phasen sind beispielsweise Bremsphasen oder Bergabfahrt. In diesen Phasen erfolgt eine Schubabschaltung. Die Einspritzung von Kraftstoff wird unterbrochen. Das Abgas heizt sich wegen der mangelnden Verbrennung nicht mehr auf. Trotzdem ist der Energieinhalt des Abgases hoch. Die Bremsenergie oder bei Bergabfahrt aufgenommene Energie bewirkt eine Weiterbewegung des Kolbens. Die immer noch angesaugte Frischluft wird durch den sich weiterbewegenden Kolben komprimiert. Die in dieser Form vorliegende Bremsenergie kann durch direkte Ankopplung eines Generators an die Motorwelle genutzt werden.
Das vergleichsweise kalte, komprimierte Abgas kann aber auch über eine pneumatische Kopplung an einen Abgasturbolader als Antrieb für einen Generator dienen. Dort wird die bei Schubabschaltung vorliegende Abgasenergie in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie ist in diesem Moment nicht als Antrieb erforderlich und kann als Wärme in einem Wärmespeicher gespeichert werden. Die Verwendung von elektrischem Strom zur Erzeugung von Wärme hat den Vorteil, dass der Energiespeicher wesentlich umweltfreundlicher und kostengünstiger ist. Die erzeugte Wärme hat ferner eine hohe Temperatur. Mit anderen Worten: die Wärme hat eine hohe thermodynamische Qualität und kann mit hohem Wirkungsgrad weiterverwendet werden. Dies ermöglicht einen effektiven Einsatz bei der thermodynamischen Nutzung, beispielsweise in einem Dampfkreisprozess.
Mit der vorliegenden Erfindung wird nicht nur die Wärmeenergie aus dem Abgas genutzt, sondern zusätzlich Bremsenergie, die auch dann anfällt, wenn der Schub abgeschaltet ist. Die Prozesse sind damit quasi komplementär: Wenn der Antriebsmotor bei hoher Leistung arbeitet, fällt über das Abgas viel Wärmeenergie an. Bei Schubabschaltung fällt hingegen wenig Wärmeenergie an. Dann wird die Bremsenergie genutzt. Die Bremsenergie wird jedoch zwischengespeichert, so dass sie in dem Moment, wo der Antrieb erforderlich ist, wieder zur Verfügung steht.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Nutzung der in dem Abgas enthaltenen Energie ein Ventil zur Steuerung des Abgasstroms zur Nutzung mit der Generatoranordnung nach Maßgabe der Abgastemperatur. Dadurch wird vermieden, dass kaltes Abgas zum thermischen Energiewandler geleitet wird und so eine unerwünschte Abkühlung herbeiführt. Umgekehrt wird nur dann Abgasenergie in elektrische Energie gewandelt, wenn diese nicht gebraucht wird und gespeichert werden soll.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Generatoranordnung ein Abgasturbolader zum Antrieb des Generators vorgesehen, der bei Schubabschaltung von dem Abgas beaufschlagt ist. Hier wird die Abgasenergie durch pneumatische Kopplung auf den Generator übertragen. Es versteht sich, dass auch jede andere Turbine geeignet sein kann. Alternativ ist der Generator über einen Riemen oder dergleichen direkt mechanisch an die Antriebswelle des Motors gekoppelt.
Der Vorteil einer pneumatischen Kopplung ist es jedoch, dass bestehende Anordnungen leicht aufgerüstet werden können. Vielfach ist bereits ein Ventil im Abgasstrang vorhanden, mit dem das komprimierte Abgas in eine geeignete Leitung eingespeist werden kann. Über diese Leitung kann es an jeden Ort überführt werden, an dem der Generator platz findet. Durch die Verwendung eines Abgasturboladers werden im Vergleich zur Motordrehzahl sehr hohe Drehzahlen im Bereich oberhalb von 100 000 1/min erreicht. Dies ermöglicht die Verwendung kleiner Generatoren mit der entsprechenden Raumersparnis. Die pneumatische Kopplung dient also nicht nur zur Energieübertragung, sondern auch als Getriebe.
In einer besonders bevorzugen Ausgestaltung der Erfindung ist der thermische Energiewandler von einem Dampferzeuger gebildet. Die Wärmeenergie wird auf ein Arbeitsmedium in einem Dampfkreislauf übertragen. Dort kann eine Expansionsmaschine zum Expandieren des in dem Dampferzeuger erzeugten Dampfs vorgesehen sein. Die dabei freiwerdende mechanische Arbeit kann beispielsweise als Hilfsantrieb dienen.
Vorzugsweise ist der Dampferzeuger mit dem Abgas aus dem Antriebsmotor beaufschlagt. Dies kann zusätzlich oder alternativ erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind jedoch auch Steuermittel vorgesehen, die den Abgasstrom bei hohen Temperaturen, d. h. bei hoher Antriebsleistung, zum Dampferzeuger leiten und bei niedrigen Temperaturen, d. h. bei Schubabschaltung, zu dem Abgasturbolader der Generatoranordnung. Die Steuermittel können die Abgas- und Arbeitsmittelströme insbesondere auch so steuern, dass der Wirkungsgrad des Kreisprozesses optimiert wird. Wenn beispielsweise Wärme in dem Wärmespeicher gespeichert ist und die Dampftemperatur zu niedrig ist, so kann zusätzliche Wärme aus dem Wärmespeicher in den Dampfkreisprozess eingespeist werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zum Leiten des aus der Generatoranordnung austretenden Abgases zu dem thermischen Energiewandler vorgesehen. Dadurch kann eine Restwärme im Abgas zum Vorwärmen des Arbeitsmittels im thermischen Energiewandler genutzt werden.
Die Vorrichtung kann für Neufahrzeuge mit entsprechender Dimensionierung genutzt werden. Es ist aber auch möglich die Erfindung als Nachrüstsatz zu verwenden. Dabei ist nicht nur das Nachrüsten bereits produzierter Kraftfahrzeuge, sondern auch das nachträgliche Hinzufügen von Neukomponenten in eine bereits entwickelte Architektur möglich. Hierzu dient die Anordnung zum Speichern von Bremsenergie eines Kraftfahrzeuges mit Abgasenergierückgewinnung, gekennzeichnet durch

(c) eine Generatoranordnung mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom aus dem Abgas,
(d) einen mittels des mit dem Generator erzeugbaren elektrischen Strom aufheizbaren Wärmespeicher, und
(e) einen von der Wärme aus dem Wärmespeicher beaufschlagten thermischen Energiewandler.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dann sehr effektiv und führt zu einer wesentlichen Energieersparnis beim Kraftfahrzeugantrieb, wenn der Antrieb mit verschiedenen Lastpunkten arbeitet. Dies ist der Fall, wenn Wegstrecken mit häufigem Anfahren und Bremsen gefahren werden. Beispiele hierfür sind das Fahren in den Bergen oder bei der Stadtfahrt, oder auch bei häufigem Halten, etwa bei Lieferfahrzeugen.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung der Komponenten eines Kraftfahrzeugs mit Abgasenergienutzung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeugantrieb dargestellt. Der Antrieb umfasst einen Dieselmotor 10. Dem Dieselmotor 10 wird über einen Turbolader 12 Frischluft aus der Umgebung zugeführt. Dies ist durch Pfeile 14 und 16 repräsentiert. In den Dieselmotor 10 wird Dieselkraftstoff entsprechend der gewünschten Last eingespritzt und mit der Frischluft verbrannt. Die so entstehenden Gase bilden ein energiereiches, heißes Abgas. Die Verbrennung des Kraftstoffs treibt auf übliche Weise einen Kolben und eine damit verbundene Kurbelwelle an.
Das heiße Abgas wird während der Verbrennungsphase über den Turbolader 12 zu einem Dampferzeuger 18 geleitet. Zuvor werden Partikel in einem Partikelfilter aus dem Abgas herausgefiltert. In dem Dampferzeuger 18 wird ein. Arbeitsmittel, gewöhnlich Wasser mit Frostschutzmittel, mit der im Abgas enthaltenen Wärme erhitzt. Danach wird das Abgas an die Umgebung abgegeben.
Das Arbeitsmittel läuft in einem Dampfkreisprozess 20 um. Der in dem Dampferzeuger 18 erzeugte, unter hohem Druck stehende Arbeitsmitteldampf wird in einem Expander 22 unter Verrichtung von mechanischer Arbeit an einer Welle 24 expandiert. Die Welle 24 dient im vorliegenden Fall als Hilfsantrieb des Fahrzeugs. Der expandierte Arbeitsmitteldampf tritt aus dem Expander 22 aus und wird nach der Kondensation in einem Kondensator 26 einem Arbeitsmittelreservoir 28 zugeführt. Dort steht es für den Kreisprozess 20 wieder zur Verfügung und kann mit einer Speisewasserpumpe 30 umgepumpt werden.
Es versteht sich, dass in dem Kreisprozess 20 nur dann mechanische Arbeit an der Welle 24 geleistet wird, wenn das Abgas heiß ist, so dass eine ausreichende Dampftemperatur erreicht wird. Wenn das Fahrzeug abgebremst wird und kein Kraftstoff eingespritzt wird, wird keine Verbrennungswärme erzeugt. Der Hilfsantrieb arbeitet also vorteilhafterweise immer genau dann, wenn das Fahrzeug auch angetrieben werden soll.
Wenn das Fahrzeug abgebremst wird oder bergab fährt, wird ebenfalls Energie frei. Diese wird auf folgende Weise genutzt: Bei der Bergabfahrt läuft der Motor ohne Verbrennung weiter, indem die Welle sich weiterhin dreht. Entsprechend wird weiterhin Frischluft zugeführt und als komprimiertes „Abgas” wieder abgegeben. Im Abgasstrang zwischen dem Motor 10 und dem Turbolader 12 ist ein Drei-Wege-Ventil 32 vorgesehen. Eine (nicht dargestellte) Steuerung schaltet das Ventil 32 bei Schubabschaltung um. Dann wird das energiereiche, komprimierte Abgas nicht mehr zum Turbolader 12, sondern zu einem Turbolader 34 geleitet. Der Turbolader 34 treibt einen Stromgenerator 36 an. Die so gebildete Generatoranordnung aus Turbolader 34 und Stromgenerator 36 wandelt die in dem Abgas enthaltene Bremsenergie in elektrische Energie um. Diese elektrische Energie kann zu einem Umrichter 38 geleitet werden. Von dort aus steht sie für das Bordnetz 40 des Fahrzeugs zur Verfügung und kann zur Aufladung der ohnehin vorhandenen Batterie dienen. Durch die Verwendung des Generators kann das Fahrzeug auch abgebremst werden. Auf diese Weise wird auch die beim Bremsen frei werdende Energie genutzt.
Die von dem Generator erzeugte elektrische Energie übersteigt gewöhnlich den Fahrzeugverbrauch. Die überschüssige elektrische Energie dient zum Heizen eines Wärmespeichers 44. Der Wärmespeicher 44 umfasst ein Material 46 mit hoher Speicherkapazität, etwa Schamottstein oder Siliziumkarbid. Durch die Heizung mit elektrischer Energie können sehr hohe Temperaturen im Bereich von 1000°C erreicht werden. Die Bremsenergie wird also in thermischer Form in dem Wärmespeicher 44 gespeichert. Zusätzliche, teure Batterien zur Energiespeicherung sind nicht erforderlich.
Wenn das Fahrzeug nun wieder beschleunigt werden soll, kann das in dem Kreisprozess 20 verwendete Arbeitsmedium durch den Wärmespeicher 44 geleitet werden. Hierzu ist eine Ventilanordnung 48 in einer Leitung 50 zwischen der Speisewasserpumpe 30 und dem Dampferzeuger 18 vorgesehen. Es versteht sich, dass die Ventilanordnung 48 immer so gesteuert ist, dass das Arbeitsmittel nur dann durch den Wärmespeicher 44 geleitet wird, wenn dieser eine ausreichende Temperatur aufweist, die zumindest höher ist, als die Temperatur des eintretenden Arbeitsmittels.
Bei der beschriebenen Anordnung wird bei Schubabschaltung Bremsenergie thermisch gespeichert und bei Antriebsanforderung wieder für den Hilfsantrieb genutzt. Die Anordnung wird insbesondere so gesteuert, dass der Dampferzeuger mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet. Hierfür ist eine Minimaltemperatur erforderlich. Wenn das Abgas keine ausreichende Temperatur für einen optimalen Wirkungsgrad aufweist, kann diese entsprechend erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007033611 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Nutzung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen, enthaltend (a) einen Abgas-erzeugenden Antriebsmotor (10) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, und (b) Mittel (18, 22, 24; 34, 36, 44) zur Nutzung der in dem Abgas enthaltenen Energie, gekennzeichnet, durch (c) eine Generatoranordnung (34, 36) mit einem Generator (36) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus dem Abgas, (d) einen mittels des mit dem Generator (36) erzeugbaren elektrischen Stroms aufheizbaren Wärmespeicher (44), und (e) einen von der Wärme aus dem Wärmespeicher (44) beaufschlagten thermischen Energiewandler (18).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (18, 22, 24; 34, 36, 44) zur Nutzung der in dem Abgas enthaltenen Energie ein Ventil (32) zur Steuerung des Abgasstroms zur Nutzung mit der Generatoranordnung (34, 36) nach Maßgabe der Abgastemperatur umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Generatoranordnung (34, 36) ein Abgasturbolader (34) zum Antrieb des Generators (36) vorgesehen ist, der bei Schubabschaltung von dem Abgas beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Energiewandler von einem Dampferzeuger (18) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Expansionsmaschine (22) zum Expandieren des in dem Dampferzeuger erzeugten Dampfs vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampferzeuger (18) mit dem Abgas aus dem Antriebsmotor (10) beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel (32) vorgesehen sind, die den Abgasstrom bei hohen Temperaturen zum Dampferzeuger (18) leiten und bei niedrigen Temperaturen zu dem Abgasturbolader (34) der Generatoranordnung (34, 36).
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Leiten des aus der Generatoranordnung austretenden Abgases zu dem thermischen Energiewandler.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umrichter (38) und eine zusätzliche Batterie (42) vorgesehen sind, welche mit dem mit dem Generator (36) der Generatoranordnung (34, 36) erzeugbaren Strom zur Unterstützung eines Fahrzeugbordnetzes beaufschlagbar sind.
Verfahren zur Nutzung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen, mit den Schritten (a) Erzeugen von Abgas in einem Antriebsmotor (10), und (b) Nutzen der in dem Abgas enthaltenen Energie, gekennzeichnet, durch die Schritte (c) Erzeugen von elektrischem Strom aus dem Abgas, (d) Aufheizen eines Wärmespeichers (44) mit dem so erzeugten elektrischen Strom, und (e) Wandeln der Wärme aus dem Wärmespeicher (44) in einem thermischen Energiewandler (18).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom aus dem Abgas durch pneumatische Energieübertragung erzeugt wird.
Anordnung zum Speichern von Bremsenergie eines Kraftfahrzeuges mit Abgasenergierückgewinnung, gekennzeichnet durch (c) eine Generatoranordnung (34, 36) mit einem Generator (36) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus dem Abgas, (d) einen mittels des mit dem Generator (36) erzeugbaren elektrischen Strom aufheizbaren Wärmespeicher (44), und (e) einen von der Wärme aus dem Wärmespeicher (44) beaufschlagten thermischen Energiewandler (18).