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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein
derartiges Kraftfahrzeug ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 055 921 A1 bekannt
und weist eine Brennkraftmaschine sowie einen thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerator auf, mit dessen Hilfe elektrischer
Strom mittels Wärmeenergie generiert werden kann, wozu
Wärmeenergie genutzt wird, die im Betrieb der Brennkraftmaschine
anfällt. Ferner weist das Fahrzeug eine Steuereinrichtung
zum Betreiben des thermoelektrischen Abwärmestromgenerators
auf.
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Ein
derartiger thermoelektrischer Abwärme-Stromgenerator verwendet
einen sogenannten Clausius-Rankine-Kreis, bei dem ein Arbeitsmedium in
einem Verdampfer verdampft wird und über eine Turbine entspannt
wird. Der entspannte Dampf wird in einem Kondensator wieder verflüssigt
und kann über eine Pumpe wieder dem Verdampfer zugeführt werden. Über
die Turbine kann ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben werden.
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Die
Verwendung eines derartigen thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators
in einem Kraftfahrzeug zur Bereitstellung elektrischer Energie ist
problematisch, da sich der Betrieb eines derartigen thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerators nur dann wirtschaftlich und ökologisch
rechnet, wenn das Fahrzeug hinreichend lange so betrieben werden kann,
dass die Brennkraftmaschine ausreichend Wärme zum Betreiben
des Verdampfers erzeugt. Insbesondere bei Personenkraftwagen ist
daher die Verwendung eines solchen thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators
ungünstig, wenn das Fahrzeug vorwiegend im Stadtverkehr
betrieben wird.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für ein Fahrzeug der eingangs genannten Art eine verbesserte
Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch
auszeichnet, dass der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator
mit erhöhter Wirtschaftlichkeit nutzbar ist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf allgemeinen Gedanken, die Steuereinrichtung
zum Betreiben des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators
mit einer Navigationseinrichtung zu koppeln, um den thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerator in Abhängigkeit der aktuellen
Fahrzeugposition zu aktivieren. Derartige Navigationseinrichtungen,
die im Beispiel mit einem satellitengestützten GPS arbeiten, sind
bei modernen Kraftfahrzeugen Standard und dienen zur Berechnung
einer Route, welcher der Fahrzeugführer folgen muss, um
an ein gewünschtes Ziel zu gelangen. Hierzu muss die Navigationseinrichtung
die aktuelle Fahrzeugposition kennen. Diese Positionsdaten können
der Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt und von dieser
für die Betätigung des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators berücksichtigt
werden. Durch die Kenntnis der aktuellen Fahrzeugposition kann die
Steuereinrichtung in Verbindung mit Umgebungsdaten, die ebenfalls
von der Navigationseinrichtung bereitgestellt werden können,
unterscheiden, ob sich das Fahrzeug innerhalb oder außerhalb
einer geschlossenen Ortschaft befindet und ob sich das Fahrzeug
auf einer Schnellstraße, auf einer Bundesstraße
oder auf einer Autobahn befindet. Beispielweise kann nun vorgesehen sein,
die Steuereinrichtung so auszugestalten, dass sie den thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerator jedenfalls dann nicht aktiviert,
solange sich das Fahrzeug in einer Stadt bzw. innerhalb einer geschlossenen
Ortschaft befindet, da dann nicht mit einem wirtschaftlichen Betrieb
des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators gerechnet
werden kann.
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Die
Berücksichtigung der aktuellen Fahrzeugposition bei der
Entscheidung darüber, ob der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator
eingeschaltet werden soll oder nicht, kann die Wirtschaftlichkeit
des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators sowie des
damit ausgestatteten Fahrzeugs erheblich erhöhen.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausführungsform kann nun vorgesehen
sein, die Steuereinrichtung so auszugestalten, dass sie den thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerator dann aktiviert, wenn das Fahrzeug
aufgrund seiner Position und/oder aufgrund einer von der Navigationseinrichtung
berechneten Route voraussichtlich eine Strecke zurücklegen
wird, die sich für einen wirtschaftlichen Betrieb des thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerators eignet. Strecken, die sich für
einen wirtschaftlichen Betrieb des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators
voraussichtlich eignen, sind beispielsweise längere Überlandfahrten
und Autobahnfahrten. Erkennt die Steuereinrichtung, dass sich das
Fahrzeug nunmehr auf einer Bundesstrasse oder auf einer Autobahn
oder allgemein auf einer Schnellstraße befindet, kann es
den thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerator einschalten.
Aller Voraussicht nach wird sich dann der Betrieb desselben wirtschaftlich
lohnen. Des weiteren kann die Steuereinrichtung für den
Fall, dass die Navigationseinrichtung eine Fahrroute für
das Fahrzeug vorgibt, bereits anhand der Fahrroute in Verbindung
mit der aktuellen Fahrzeugposition entscheiden, ab wann die Inbetriebnahme
des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators wirtschaftlich
sinnvoll sein könnte.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher der thermoelektrische
Abwärme-Stromgenerator in Abhängigkeit der Fahrzeugposition
schrittweise aktiviert wird. Beispielsweise kann ein Verdampfer
des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators aktiviert
werden, wenn das Fahrzeug einen vorbestimmten Zeitabstand bzw. einen
vorbestimmten Wegabstand zu einer Position unterschreitet, ab welcher
voraussichtlich die Aktivierung des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators
wirtschaftlich sinnvoll ist. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung
in Verbindung mit den Navigationsdaten erkennen, wenn sich das Fahrzeug
einer Autobahnauffahrt nähert, so dass in Kürze
mit einer Autobahnfahrt gerechnet werden kann. Sofern die Navigationseinrichtung
ohnehin schon eine Autobahnfahrt vorgesehen hat, kann die Steuereinrichtung
zu einem geeigneten Zeitpunkt den Verdampfer zuschalten, um diesen
für die Aktivierung des thermoelektrischen Abwärmestromgenerators
rechtzeitig auf Betriebstemperatur zu bringen. Über die
Navigationseinrichtung kennt die Steuereinrichtung sowohl den Zeitabstand
als auch den Wegabstand zwischen der aktuellen Fahrzeugposition
und einer Position, ab welcher die Inbetriebnahme des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators
wirtschaftlich sinnvoll wird. Beispielsweise kann der vorbestimmte
Zeitabstand bei etwa 5 min. liegen, während der vorbestimmte
Wegabstand beispielsweise bei etwa 5 km liegen kann. Sobald die
Steuereinrichtung aufgrund der aktuellen Fahrzeugposition erkennt,
dass in weniger als 5 min. bzw. in weniger als 5 km eine Fahrzeugposition
erreicht werden kann, ab der die Inbetriebnahme des thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerators wirtschaftlich sinnvoll sein kann,
schaltet sie den Verdampfer an, um ihn rechtzeitig auf die gewünschte
Betriebstemperatur bringen zu können. Sobald dann die zuvor
genannte Position erreicht wird, kann die Steuereinrichtung eine
Pumpe des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators einschalten,
wodurch der Clausius-Rankine-Prozess gestartet werden kann. Durch
diese zweistufige Vorgehensweise kann beispielsweise eine voreilige
Inbetriebnahme des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators
vermieden werden. Gleichzeitig kann der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator
bei Erreichen der relevanten Fahrzeugposition unmittelbar eingeschaltet
werden, wenn zuvor der Verdampfer bereits seine Betriebstemperatur
besitzt. Die Zweistufigkeit erhöht somit die Wirtschaftlichkeit des
Fahrzeugs.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte,
schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einem thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerator.
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Entsprechend 1 umfasst
ein Fahrzeug 1, das hier nur teilweise dargestellt ist
und bei dem es sich um einen Personenkraftwagen oder um ein Nutzfahrzeug
handeln kann, eine Brennkraftmaschine 2 und einen thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerator 3, der hier durch eine
mit unterbrochener Linie dargestellten Rahmen angedeutet ist. Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt
im Betrieb einen Kraftstoff, wobei heiße Abgase entstehen,
die über einen Abgasstrang 4 von der Brennkraftmaschine 2 abgeführt
werden. Üblicherweise ist die Brennkraftmaschine 2 in
einen Kühlkreis 5 eingebunden, der hier nur durch
einen entsprechenden Vorlauf sowie einen zugehörigen Rücklauf
angedeutet ist.
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Der
thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator 3 arbeitet
mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf 6, bei dem in einer
Kreisleitung 7 ein Arbeitsmedium transportiert wird. Zum
Antreiben des Arbeitsmediums enthält der Kreislauf 6 eine
in die Leitung 7 eingebundene Pumpe 8. Die Pumpe 8 fördert
flüssiges Arbeitsmedium zu einem Verdampfer 9,
in dem das flüssige Arbeitsmedium verdampft wird. Zweckmäßig
ist der Verdampfer 9 hierzu in den Abgasstrang 4 der
Brennkraftmaschine 2 eingebunden. Der Verdampfer 9 kann
nach Art eines Wärmeübertragers ausgestaltet sein,
der dem Abgas der Brennkraftmaschine Wärme entzieht, um
damit das Arbeitsmedium zu verdampfen. Erkennbar weist der Abgasstrang 4 zweckmäßig
einen Bypass 10 auf, der innerhalb des Abgasstrangs 4 den
Verdampfer 9 umgeht und der mit Hilfe eines Ventils 11 steuerbar
ist, also insbesondere geöffnet und gesperrt werden kann.
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Vom
Verdampfer 9 gelang das nunmehr dampfförmige,
erhitzte Arbeitsmedium, das außerdem unter einem erhöhten
Druck stehen kann, über die Leitung 7 zu einer
Turbine 12, die ebenfalls in die Leitung 7 eingebunden
ist. In der Turbine 12 kann der heiße, gegebenenfalls
unter erhöhtem Druck stehende Dampf entspannt werden, wobei
ihm Energie entzogen wird. Die Turbine 12 treibt dabei
einen Generator 13 an, also einen elektromechanischen Wandler,
der ebenfalls einen Bestandteil des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 3 bildet.
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Der
entspannte Dampf gelangt über die Leitung 7 von
der Turbine 12 zu einem Kondensator 14, der hierzu
in die Leitung 7 eingebunden ist. Im Kondensator 14 erfolgt
eine Kondensation bzw. Verflüssigung des Dampfs, wodurch
das Arbeitsmedium anschließend wieder in flüssigem
Zustand über die Leitung 7 zur Pumpe 8 gelangen
kann. Der Kondensator 14 kann als Wärmeübertrager
ausgebildet sein, der in einen entsprechenden Kühlkreis 15 eingebunden ist.
Vom Kühlkreis 15 sind hier nur ein Vorlauf sowie ein
zugehöriger Rücklauf angedeutet. Grundsätzlich kann
es sich bei diesem Kühlkreis 15, in den der Kondensator 14 eingebunden
ist, um den Kühlkreis 5 der Brennkraftmaschine 2 handeln.
Alternativ kann der thermoelektrische Abwärme-Generator 3 auch über einen
eigenen Kühlkreis 15 verfügen.
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Das
Fahrzeug 1 ist des weiteren mit einer Steuereinrichtung 16 ausgestattet,
mit deren Hilfe der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator 3 betrieben
werden kann. Außerdem ist das Fahrzeug 1 mit einer
Navigationseinrichtung 17 ausgestattet, mit der insbesondere
die aktuelle Fahrzeugposition ermittelt werden kann. Die Steuereinrichtung 16 kommuniziert
entsprechend einem Pfeil 18 mit dem thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerator 3, um diesen bzw. dessen
Komponenten ansteuern zu können. Beispielsweise kann die
Steuereinrichtung 16 die Pumpe 8 und das Ventil 11 Einschalten
und Ausschalten bzw. Öffnen und Sperren. Insbesondere kann
die Steuereinrichtung 16 z. B. die Pumpendrehzahl in Abhängigkeit
der Abgastemperatur und/oder in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms
der Abgase der Brennkraftmaschine 2 regeln. Zu diesem Zweck
kann beispielsweise wenigstens ein hier nicht dargestellter Temperatursensor
vorgesehen sein, mit dessen Hilfe die aktuelle Abgastemperatur im
Abgasstrang 4 ermittelt werden kann. Der Abgasmassenstrom
kann beispielsweise anhand von Zustandsgrößen
der Brennkraftmaschine, wie Drehzahl und Last, ermittelt und beispielsweise
von einem hier nicht gezeigten Motorsteuergerät bereitgestellt
werden. Die Regelung der Pumpendrehzahl erfolgt bevorzugt kennfeldbasiert,
wozu die Steuereinrichtung 16 mit einem Kennfeld 19 kommuniziert,
was durch einen Pfeil 20 angedeutet ist. Das Kennfeld 19 enthält
als Eingangsgrößen im Beispiel die Abgastemperatur und
den Abgasmassenstrom und liefert als Ausgangsgröße
eine zugehörige Pumpendrehzahl.
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Entsprechend
einem Pfeil 21 kommuniziert die Steuereinrichtung 16 außerdem
mit der Navigationseinrichtung 17, das heißt,
die Steuereinrichtung 16 ist mit der Navigationseinrichtung 17 gekoppelt.
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Das
hier gezeigte Fahrzeug 1 ist außerdem als Hybridfahrzeug
ausgestaltet bzw. mit einem Hybridantrieb ausgestattet. Zusätzlich
zur Brennkraftmaschine 2 ist daher zumindest ein Elektromotor 22 vorgesehen,
mit dem ebenfalls Antriebsleistung erzeugt werden kann. Der Elektromotor 22 ist
hierzu mit wenigstens einer Batterie 23 verbunden, die
elektrischen Strom zum Betreiben des Elektromotors 22 bereitstellt.
Der Generator 13 ist im Beispiel über einen Wechselrichter 24 mit
der Batterie 23 verbunden, wodurch der mit Hilfe des Generators 13 generierte elektrische
Strom zum Aufladen der Batterie 23 verwendet werden kann.
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Die
Steuereinrichtung 16 ist so ausgestaltet, dass damit das
nachfolgend näher beschriebene Betriebsverfahren realisierbar
ist.
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Die
Steuereinrichtung 16 aktiviert den thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerator 3 in
Abhängigkeit der aktuellen Fahrzeugposition. Die aktuelle
Fahrzeugposition erhält die Steuereinrichtung 16 dabei
von der Navigationseinrichtung 17. Dabei kann zweckmäßig
vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 16 den thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerator 3 bevorzugt dann aktiviert,
wenn das Fahrzeug 1 aufgrund seiner aktuellen Position
bzw. aufgrund einer von der Navigationseinrichtung 17 berechneten
Route voraussichtlich eine Strecke zurücklegen wird, die
einen wirtschaftlichen Betrieb des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 3 ermöglicht.
Anhand der Positionsdaten des Fahrzeugs 1 sowie anhand
eines Umgebungsplans, den die Steuereinrichtung 16 ebenfalls
von der Navigationseinrichtung 17 kennt, kann die Steuereinrichtung 16 entscheiden,
ob der vorausliegende Streckenabschnitt dazu geeignet ist, einen
wirtschaftlichen Betrieb des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 3 zu
realisieren.
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Beispielsweise
kann die Steuerung 16 den thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerator 3 dann
aktivieren, wenn das Fahrzeug 1 auf eine Schnellstraße,
wie z. B. auf eine Bundesstraße oder eine Autobahn, auffährt.
Hierbei unterstellt die Steuereinrichtung 16 bzw. deren
Programmierung, dass beim Auffahren auf eine Schnellstraße
damit zu rechnen ist, dass das Fahrzeug 1 hinreichend lange
für einen wirtschaftlichen Betrieb des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 3 mit erhöhter
Geschwindigkeit bzw. Last und dementsprechend mit erhöhter Abgaswärme
betrieben wird.
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Alternativ
kann die Steuereinrichtung 16 aus der mit Hilfe der Navigationseinrichtung 17 berechneten
Route die beabsichtigte Strecke erkennen und dementsprechend beim
Auffahren auf eine Schnellstraße entscheiden, ob sich die
Aktivierung des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 3 wirtschaftliche
lohnt oder nicht.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform kann dabei vorgesehen
sein, dass die Steuereinrichtung 16 zunächst den
Verdampfer 9 aktiviert, wenn das Fahrzeug 1 einen
vorbestimmten Zeitabstand, z. B. 5 min. oder 10 min., und/oder einen vorbestimmten
Wegabstand, z. B. 5 km oder 10 km, zu einer Position unterschreitet,
ab welcher dann unter Berücksichtigung der vermuteten Strecke
mit einem wirtschaftlichen Betrieb des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 3 gerechnet
werden kann. Beispielsweise kann diese Position wie zuvor erläutert
mit einer Auffahrt auf eine Schnellstraße zusammenfallen.
Die frühere Position, bei welcher ein vorbestimmter Zeitabstand
bzw. der vorbestimmte Wegabstand unterschritten wird, kann ebenfalls über die
aktuelle Fahrzeugposition erkannt werden, beispielsweise wenn sich
das Fahrzeug einer Autobahnauffahrt bis auf den vorbestimmten Zeitabstand
bzw. den vorbestimmten Wegabstand nähert. Des weiteren
kann die Steuereinrichtung 16 in Abhängigkeit der
von der Navigationseinrichtung 17 berechneten Route erkennen,
ab wann eine Inbetriebnahme des Verdampfers 9 empfehlenswert
ist, um bei Erreichen der Position, zu welcher die Aktivierung des
thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 3 wirtschaftlich
wird, den thermoelektrischen Abwärme-Generator 3 sofort
mit vorgeheiztem, auf Betriebstemperatur befindlichem Verdampfer 9 einschalten
zu können. Diese Einschaltung oder Zuschaltung des thermoelektrischen
Abwärme-Stromgenerators 3 lässt sich besonders
einfach durch das Einschalten der Pumpe 8 realisieren.
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Das
Einschalten des Verdampfers 9, um diesen rechtzeitig auf
Betriebstemperatur zu bringen, lässt sich beispielsweise
durch das Sperren des Ventils 11 realisieren, so dass die
heißen Abgase im Abgasstrang 4 durch den Verdampfer 9 geführt
werden.
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Die
Steuereinrichtung 16 kann außerdem beim Einschalten
der Pumpe 8 die aktuelle Betriebstemperatur des Verdampfers 9 berücksichtigen. Dementsprechend
wird sie die Pumpe 8 zweckmäßig erst
dann Einschalten, wenn der Verdampfer 9 eine vorbestimmte
Betriebstemperatur aufweist. Hierzu kann der Verdampfer 9 mit
einem entsprechenden, hier nicht gezeigten Temperatursensor ausgestattet sein,
der mit der Steuereinrichtung 16 verbunden ist.
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Beim
gezeigten Hybridfahrzeug 1 kann somit der thermoelektrische
Abwärme-Stromgenerator 3 bei Fahrten mit ausreichend
Abgaswärme zum Aufladen der Batterie 23 genutzt
werden. Bei einem Fahrzeugbetrieb, bei dem in der Regel zu wenig
Abgaswärme für einen wirtschaftlichen Betrieb
des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 3 anfällt, kann
die Steuereinrichtung 16 oder eine andere Steuereinrichtung
in Abhängigkeit anderer Kriterien entscheiden, ob das Fahrzeug 1 über
die Brennkraftmaschine 2 und/oder über den Elektromotor 22 angetrieben
werden soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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