DE102009020421A1 - Drive system for vehicle, comprises internal combustion engine with exhaust line, where generated exhaust gas is discharged through exhaust line, and thermoelectric generator is arranged behind machine in flow direction of exhaust gas - Google Patents

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Abstract

The drive system (1) comprises an internal combustion engine (2) with an exhaust line (3), where the generated exhaust gas is discharged through the exhaust line. A machine (4) is designed, with which the exhaust gas energy is converted into mechanical power or electrical power. A thermoelectric generator (7) is arranged behind the machine in the flow direction of the exhaust gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a drive system for a vehicle with the features of the preamble of claim 1.

Zum Hintergrund der Erfindung gehört die Tatsache, dass aus dem Stationärbereich sog. Blockheizkraftwerke (BHKW) bekannt sind, welche beispielsweise mittels einer Verbrennungskraftmaschine und einem Generator elektrische Energie erzeugen und die Verlustwärme beispielsweise für eine Gebäudeheizung verwenden. Für Gas- und Dampf-Kombikraftwerke (GuD-Kraftwerk) werden die Prinzipien des Gasturbinen- und Dampfkraftwerks kombiniert. Derartige Kraftwerke erreichen elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60%. Hierzu dient eine Gasturbine als Wärmequelle für einen nachgeschalteten Abhitzekessel, der wiederum als Dampferzeuger für die Dampfturbine wirkt.To the Background of the invention belongs to the fact that out the stationary area so-called cogeneration units (CHP) known are, for example, by means of an internal combustion engine and generate a generator of electrical energy and the heat loss for example, use for a building heating. For gas and steam combined cycle power plants (CCGT) are combines the principles of the gas turbine and steam power plant. Such power plants achieve electrical efficiencies of up to 60%. For this purpose, a gas turbine is used as a heat source for a downstream waste heat boiler, which in turn serves as a steam generator for the steam turbine acts.

Durch die zunehmende Elektrifizierung der Antriebe im Automobilbereich werden verstärkt auch in diesem Industriesektor in Kombination mit sog. Seriellen Hybridfahrzeugen Range Extender Konzepte erarbeitet. Ein Range Extender ist ein Leistungswandler, der Elektrofahrzeuge mit prinzipbedingter, aufgrund der geringen Energiedichte der Batterien, limitierter Fahrzeugreichweite durch die Konversion von chemischer Energie (beispielsweise aus dem konventionellen Kraftstofftank) in elektrische Leistung zum Laden der Batterie und für die Fahraufgabe selbst zusätzliche Reichweite verschafft. Der Vorteil von Range Extender Fahrzeugen (im allgemeinen auch serielle Hybride) liegt darin, dass bei geforderten hohen Reichweiten, beispielsweise von 500 km bis 800 km, die Masse von Range Extender und Kraftstofftank weit aus kleiner ist als die Masse einer entsprechenden Batterie.By the increasing electrification of the drives in the automotive sector are also increasingly being combined in this industrial sector developed with so-called serial hybrid vehicles Range Extender concepts. A range extender is a power converter, the electric vehicles with inherent, due to the low energy density of the batteries, Limited vehicle range due to the conversion of chemical Energy (for example from the conventional fuel tank) in electrical power for charging the battery and for the driving task itself provides additional coverage. The advantage of Range Extender vehicles (generally also serial Hybrid) is that at required high ranges, for example from 500 km to 800 km, the mass of range extender and fuel tank far smaller than the mass of a corresponding battery.

Range Extender laufen in nur wenigen Betriebspunkten, aus Wirkungsgradgründen meist unter Volllast. Diese Applikation bietet die Möglichkeit, die Brennkraftmaschine und die Peripherie zu entfeinern (d. h. zu vereinfachen, teure Bauteile einsparen oder durch billigere Bauteile zu ersetzen), zu verkleinern (Auslegung nicht auf Leistungsmaximum) und auf nur wenige Betriebspunkte zu phlegmatisieren. Neben dem Einsatz als sog. Range Extender in Elektrofahrzeugen werden vereinzelt auch andere Verwendungsarten zum Stationärbetrieb für Brennkraftmaschinen in Automobilen diskutiert (bspw. In Verbindung mit Teileelektrifizierung und dem Einsatz von (mechanischen) Schwungmassenspeichern).Range Extenders run in only a few operating points, for efficiency reasons usually under full load. This application offers the possibility to deflate the internal combustion engine and the periphery (i.e. simplify, save expensive components or cheaper components to be reduced) (design not to maximum performance) and to phlegmatize to only a few operating points. Next to the Use as a so-called range extender in electric vehicles are isolated also other uses for stationary operation for Internal combustion engines in automobiles discussed (eg. In conjunction with parts electrification and the use of (mechanical) flywheel mass accumulators).

Wie bereits erwähnt, dienen Range Extender zur Stromproduktion onboard, um in Elektrofahrzeugen die allgemein unzureichende elektrische Reichweite zu steigern. Sehr oft werden hierbei Hubkolbenmotoren, welche aus Serienanwendungen bekannt sind, mit Generatoren versehen und dann stationär betrieben. Zur Anpassung an die neue Funktion werden insbesondere die Themen „Phlegmatisierung” (nur wenige Betriebspunkte) und „Downsizing” (Entfall dynamischer Anforderungen, geringe Leistung und Entfeinerung) diskutiert.As already mentioned, Range Extenders are used for power production onboard to electric vehicles the generally inadequate electrical Increase range. Very often this reciprocating engines, which are known from series applications, provided with generators and then operated stationary. To adapt to the new In particular, the topics "phlegmatization" (only few operating points) and "downsizing" dynamic requirements, low power and defibration).

Darüber hinaus sind auch zahlreiche weitere Technologien für Leistungswandler aus anderen Industriesektoren (teilweise Nischenanwendungen) oder aus der Forschung bekannt, die Abwärme in wieder nutzbare Leistungsformen transferieren könnten (mechanisch und/oder elektrisch). Diese sind aber aktuell noch nicht großflächig im Automobilbereich eingesetzt und/oder durch bisherige Anforderungen an mechanische Antriebe nicht konkurrenzfähig (Funktion, Kosten) im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik.About that There are also many other technologies for power converters from other industrial sectors (some niche applications) or known from research, the waste heat in reusable Could transfer power forms (mechanically and / or electric). These are currently not yet large Used in the automotive sector and / or by previous requirements not competitive with mechanical drives (function, Cost) compared to an internal combustion engine according to the state of the technique.

Im stationären Bereich (Kraft-Wärme-Kopplung) ist die Kopplung von Technologien zur Wirkungsgradsteigerung zwar Stand der Technik (siehe GuD-Kraftwerk oben), eine energetische Kombination (Serienschaltung oder Kaskade) ist derzeit im automotiven Sektor höchstens im Versuchsstadium. Ein Beispiel hierfür ist der „Turbosteamer” der BMW AG, bei dem die Abgasenergie über einen Dampfkreisprozess in mechanische Energie gewandelt wird. Ein weiterer Ansatz hierzu findet sich auch im TEG-System (thermoelektrischer Generator) von BMW, bei dem die Abwärme im Abgasstrang der Brennkraftmaschine über Peltierelemente in elektrische Leistung gewandelt wird.in the stationary area (combined heat and power) is the coupling of technologies to increase efficiency while standing the technology (see CCPP above), an energetic combination (Series connection or cascade) is currently in the automotive sector at the most in the experimental stage. An example of this is the "Turbosteamer" of the BMW AG, with which the Exhaust gas energy via a steam cycle in mechanical Energy is being transformed. Another approach to this is also found in the TEG system (thermoelectric generator) of BMW, in which the Waste heat in the exhaust system of the internal combustion engine via Peltier elements is converted into electrical power.

Weiter ist aus der deutschen, noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2007 054 197.1 , von der diese Erfindung ausgeht, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug bekannt. Dieses Antriebssystem für ein Fahrzeug besteht aus einer Brennkraftmaschine, mit der energiereiches Abgas erzeugbar ist, das in einem Abgasstrang abgeführt wird. Weiter weist das Antriebssystem eine Maschine auf, mit der die Abgasenergie in mechanische Leistung und/oder elektrische Leistung wandelbar ist. In bevorzugter Weise handelt es sich hierbei um einen Stirlingmotor. Weiter weist das Antriebssystem einen als Antriebseinheit betreibbaren Generator auf, wobei dieser an eine Abtriebswelle der Brennkraftmaschine koppelbar ist. Dieses Antriebssystem kann als „Stand-Alone” Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, d. h. als eigenständiger Fahrzeugantrieb genutzt werden oder auch als ein Range Extender für Elektrofahrzeuge.Next is from the German, not yet published patent application with the official file number DE 10 2007 054 197.1 , from which this invention proceeds, a drive system for a vehicle known. This drive system for a vehicle consists of an internal combustion engine, with the high-energy exhaust gas can be generated, which is discharged in an exhaust line. Furthermore, the drive system has a machine with which the exhaust gas energy can be converted into mechanical power and / or electrical power. In a preferred manner, this is a Stirling engine. Next, the drive system has a generator operable as a drive unit, wherein this can be coupled to an output shaft of the internal combustion engine. This drive system can be used as a "stand-alone" drive system for a motor vehicle, ie as a standalone vehicle drive or as a range extender for electric vehicles.

Nachteilig am Stand der Technik ist, dass heutige Brennkraftmaschinen prinzipbedingt in ihrem Wirkungsgrad durch den Carnot-Wirkungsgrad (Otto-Brennkraftmaschine ca. 35%, Diesel-Brennkraftmaschine ca. 40% für mechanische Leistung, weitere Wirkungsgradverluste entstehen durch Erzeugen von elektrischem Strom im Generator bzw. Leistungselektronik und Zwischenspeicherung der elektrischen Energie beispielsweise in einer Traktionsbatterie) limitiert sind. Beim Einsatz der heutigen Brennkraftmaschinen als Range Extender, sind bei dynamischen Fahrten bzw. höheren Lasten sogar Wirkungsgradnachteile gegenüber rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen zu erwarten.A disadvantage of the prior art is that today's internal combustion engines inherently in their efficiency by the Carnot efficiency (gasoline engine about 35%, diesel engine about 40% for mechanical power, further efficiency losses caused by generating of electric current in the generator or power electronics and intermediate storage of electrical energy, for example in a traction battery) are limited. With the use of today's internal combustion engines as a range extender, in dynamic driving or higher loads even efficiency disadvantages compared to purely internal combustion engine operated vehicles can be expected.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen Antriebssystems für ein Fahrzeug weiter zu erhöhen.task The present invention is the efficiency of a generic Drive system for a vehicle to further increase.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung führt in vorteilhafter Weise zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung des Gesamtsystems durch Leistungswandler in synergetischer Kaskadenschaltung, insbesondere durch die einsatzoptimierte Verwendung der Leistungswandler.These The object is achieved by the features in the characterizing part of the claim 1 solved. The embodiment of the invention leads advantageously to a significant increase in efficiency of the whole system by power converters in synergetic cascade connection, in particular through the use of the power converters optimized for use.

Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine weitere Wirkungsgraderhöhung möglich.By the embodiment according to claim 2 is a further increase in efficiency possible.

Mit der Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 3 und 4 ist eine nochmalige Wirkungsgraderhöhung möglich.With the embodiment according to the claims 3 and 4, a further increase in efficiency is possible.

Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 5 bis 7 sind drei besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele.The Embodiments according to the claims FIGS. 5 to 7 are three particularly preferred embodiments.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Figuren näher erläutert.in the Below, the invention with reference to three figures closer explained.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Stand der Technik. 1 shows a schematic representation of a drive system for a vehicle according to the prior art.

2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Antriebssystem für ein Fahrzeug. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of the invention for a drive system for a vehicle.

3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Antriebssystem für ein Fahrzeug. 3 shows a schematic representation of a second embodiment according to the invention for a drive system for a vehicle.

Im Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in den drei Figuren die gleichen Bezugsziffern.in the The following apply to identical components in the three figures the same reference numbers.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem 1 für ein Fahrzeug, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieses Antriebssystem kann, wie bereits dargestellt, als „Stand-alone”-Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug oder auch als ein Range Extender genutzt werden. Dies gilt selbstverständlich auch für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Antriebssystems 1. 1 shows a schematic representation of a drive system 1 for a vehicle as known in the art. This drive system can, as already shown, be used as a "stand-alone" drive system for a motor vehicle or as a range extender. This of course also applies to the inventive design of the drive system 1 ,

Zentral angeordnet in dem Antriebssystem 1 ist eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Kurbeltrieb 14, an dem zwei einander gegenüberliegende Kolben 13, stellvertretend für eine zweizylindrige Brennkraftmaschine 2, angeordnet sind. Selbstverständlich ist die Anzahl der Kolben 13, bzw. Zylinder ohne jede Bedeutung, d. h. die Brennkraftmaschine 2 kann beliebig viele Kolben 13 oder Zylinder aufweisen. Die Kolben 13 befinden sich in der Nähe eines oberen Totpunktes (OT), wobei sich der obere Kolben 13 im Bereich eines Ladungswechsel-OT befindet, während sich der untere Kolben 13' im Bereich eines Zünd-OT befindet. Von der Brennkraftmaschine angesaugte Frischluft (25°C), von links kommend, ist jeweils durch einen Pfeil dargestellt. Aus nicht bezifferten Brennräumen austretende heiße Abgase sind durch zweite, nach rechts weisende Pfeile (700°C) dargestellt. Die Abgase werden in Abgassträngen 3, 3' aus der Brennkraftmaschine 2 herausgeführt und treten weiter in eine Maschine 4 ein, im vorliegenden Fall eine Stirlingmaschine, die die Abgasenthalpie ausnützt, um Strom zu erzeugen, der über einen elektrischen Energiefluss 12 – dargestellt als ein Pfeil – in einen elektrischen Energiespeicher 10 gefördert wird. Auch die Wandlung der Abgasenergie in mechanische Leistung ist möglich.Centrally located in the drive system 1 is an internal combustion engine 2 with a crank mechanism 14 , on which two opposing pistons 13 , representative of a two-cylinder internal combustion engine 2 , are arranged. Of course, the number of pistons 13 , or cylinder without any meaning, ie the internal combustion engine 2 can have any number of pistons 13 or cylinders. The pistons 13 are near a top dead center (TDC), with the top piston 13 is located in the area of a charge cycle OT, while the lower piston 13 ' is located in the area of an ignition TDC. From the internal combustion engine sucked fresh air (25 ° C), coming from the left, each represented by an arrow. Hot exhaust gases emerging from unnumbered combustion chambers are represented by second, right-pointing arrows (700 ° C). The exhaust gases are in exhaust lines 3 . 3 ' from the internal combustion engine 2 led out and continue in a machine 4 a, in this case, a Stirling engine, which uses the exhaust gas enthalpy to generate electricity, which via an electrical energy flow 12 - Shown as an arrow - in an electrical energy storage 10 is encouraged. The conversion of the exhaust gas energy into mechanical power is also possible.

Aufgrund der äußeren Verbrennung der Stirlingmaschine 4 tritt das Abgas mit einer nochmals abgesenkten Temperatur von ca. 300°C aus der Maschine 4 aus. Bei den Temperaturangaben handelt es sich um ungefähre Temperaturen, die je nach Betriebspunkt starken Schwankungen unterliegen. Des Weiteren verfügt das Antriebssystem 1 über einen Generator 5, der auch als Antriebseinheit fungieren kann und an den Kurbeltrieb 14 der Brennkraftmaschine 2 koppelbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Koppelung des Generators 5 an eine Abtriebswelle 6 der Brennkraftmaschine 2. Auch der Generator 5 ist zur Stromerzeugung gedacht und speist die gewonnene elektrische Energie über den elektrischen Energiefluss 12 in den elektrischen Energiespeicher 10. Der Generator 5 dient darüber hinaus zum Antreiben bzw. Starten der Brennkraftmaschine 2, wenn der Generator 5 als Antriebseinheit betrieben wird.Due to the external combustion of the Stirling engine 4 the exhaust gas exits the machine at a further lowered temperature of approx. 300 ° C 4 out. The temperature data are approximate temperatures, which vary greatly depending on the operating point. Furthermore, the drive system has 1 via a generator 5 which can also act as a drive unit and to the crank mechanism 14 the internal combustion engine 2 can be coupled. In this embodiment, the coupling of the generator takes place 5 to an output shaft 6 the internal combustion engine 2 , Also the generator 5 is intended for power generation and feeds the electrical energy gained via the electrical energy flow 12 in the electrical energy storage 10 , The generator 5 also serves to drive or start the internal combustion engine 2 when the generator 5 is operated as a drive unit.

Das aus dem Stand der Technik bekannte Antriebssystem 1, das auch als Range Extender eingesetzt werden kann, ist quasi ein mobiles Kraftwerk zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie, welches mit Hilfe von kaskadierten Leistungsumwandlungen (2 Stufen) einen Gesamtwirkungsgrad besser als eine Brennkraftmaschine aufweist, aber noch von stationären Kraftwerken entfernt ist. Aufgrund des Entfalls von Netzverlusten im Vergleich zur stationären Stromerzeugung in einem Kraftwerk, kann ein derartiges Antriebssystem 1, eingesetzt als Range Extender vom Gesamtwirkungsgrad her schon fast an ein stationäres Kraftwerk kommen.The drive system known from the prior art 1 , which can also be used as a range extender, is virtually a mobile power plant for generating mechanical and / or electrical energy, which with the help of cascaded power conversions (2 stages) has an overall efficiency better than an internal combustion engine, but is still away from stationary power plants , Due to the elimination of grid losses compared to stationary power generation in a power plant, such a drive system 1 , used as a range extender of the overall efficiency already almost to a stationary power plant kom men.

2 zeigt in schematischer Weise ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Antriebssystem 1 für ein Fahrzeug entsprechend einem ersten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel. Zunächst ist das Antriebssystem 1 als Range Extender beschrieben, kann aber auch als ein „Stand-alone”-Antriebssystem verwendet werden. 2 schematically shows an inventively designed drive system 1 for a vehicle according to a first particularly preferred embodiment. First, the drive system 1 described as Range Extender, but can also be used as a "stand-alone" drive system.

Dargestellt ist das Antriebssystem 1 für ein Fahrzeug gemäß 1, jedoch erfindungsgemäß erweitert. Erfindungsgemäß wird das durch die Maschine 4 abgekühlte Abgas genutzt, um mit Hilfe zumindest eines mittelbar und/oder unmittelbar an den Abgasstrang 3, 3' anordenbaren thermoelektrischen Generator (TEG) zusätzlichen elektrischen Strom zu erzeugen, der wiederum über einen gestrichelt dargestellten elektrischen Energiefluss 12 in den elektrischen Energiespeicher 10 eingespeist wird. In dieser ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die Brennkraftmaschine 2, ein herkömmlicher Hubkolbenmotor, in Verbindung mit einem Generator 5, in besonders bevorzugter Weise einem Kurbelwellenstartergenerator (KSG) verwendet.Shown is the drive system 1 for a vehicle according to 1 but extended according to the invention. According to the invention, this is done by the machine 4 cooled exhaust gas is used to help with at least one indirect and / or direct to the exhaust system 3 . 3 ' Anordenbaren thermoelectric generator (TEG) to generate additional electrical power, in turn, via a dashed illustrated electrical energy flow 12 in the electrical energy storage 10 is fed. In this first embodiment of the invention, the internal combustion engine 2 , a conventional reciprocating engine, in conjunction with a generator 5 , in a particularly preferred manner a crankshaft starter generator (KSG) used.

Die Brennkraftmaschine 2 kann für den quasi stationären Einsatz als Range Extender wie oben bereits aufgeführt, u. U. gewisse Änderungen erfahren (Phlegmatisierung, Entfeinerung, Downsizing, Entfall dynamischer Maßnahmen etc.). Als Alternativen für die hier vorgestellte Brennkraftmaschine 2, dem Hubkolbenmotor, können auch in erster Linie andere Verbrennungskraftmaschinen, wie Kreiskolbenmaschinen (Wankelmotor), Freikolbenmaschinen etc. eingesetzt werden, welche mittels zusätzlicher Generatorfunktionalität Strom erzeugen können.The internal combustion engine 2 can be used for quasi-stationary use as Range Extender as already mentioned above, u. U. undergo certain changes (phlegmatization, refining, downsizing, elimination of dynamic measures, etc.). As alternatives for the internal combustion engine presented here 2 , the reciprocating engine, other internal combustion engines, such as rotary engines (Wankel engine), free-piston machines, etc., can be used in the first place, which can generate electricity by means of additional generator functionality.

Besonders bevorzugt wird für die Maschine 4 eine Stirlingmaschine, ebenfalls besonders bevorzugt als 2-Zylinder-Aggregat ausgestattet, eingesetzt, welche in diesem Zusammenhang als besonders günstig empfunden wird. Alternativ könnte hierzu auch eine Dampfmaschine (Turbosteamer) oder eine Turbine eingesetzt werden. In jedem Fall soll die so gewonnene Leistung durch die Maschine 4 entweder durch den Wandler selbst oder eine zusätzliche Generatorfunktionalität (zur Konversion mechanischer Leistung in elektrische Leistung) den Strom zum Zwecke der Traktion (am Rad hängend) oder Speicherung im elektrischen Energiespeicher 10 umgewandelt werden. Selbstverständlich können andere Ausführungsformen auch noch weitere thermoelektrische Generatoren 7 in Strömungsrichtung des Abgases an die Abgasstränge 3, 3' angeordnet werden.Particularly preferred is for the machine 4 a Stirling engine, also particularly preferably equipped as a 2-cylinder unit, used, which is felt in this context to be particularly favorable. Alternatively, this could also be a steam engine (turbo starter) or a turbine can be used. In any case, the power gained through the machine should 4 either by the converter itself or an additional generator functionality (for conversion of mechanical power into electrical power) the current for the purpose of traction (hanging on the wheel) or storage in the electrical energy storage 10 being transformed. Of course, other embodiments also other thermoelectric generators 7 in the flow direction of the exhaust gas to the exhaust gas lines 3 . 3 ' to be ordered.

Des Weiteren unterscheidet sich das Antriebssystem 1 für ein Fahrzeug von dem Antriebssystem 1 für ein Fahrzeug aus 1 dadurch, dass das Gesamtsystem einen Kühlkreislauf 8 mit einer Kühlmittelpumpe 11 aufweist, der mit der Maschine 4 und/oder dem Generator und/oder dem thermoelektrischen Generator 7 in Wirkkontakt ist. Mit Hilfe dieser integrierten Ausgestaltung ist es möglich, zumindest den thermoelektrischen Generator 7 nochmals in seiner Effizienz zu steigern. Auch hier ist die Anordnung weiterer thermoelektrischer Generatoren 7 an den Kühlkreislauf 8 der Brennkraftmaschine 2 möglich. Damit eine möglichst gute Vergleichmäßigung der Temperaturen erfolgt, ist die Kühlmittelpumpe 11 vorgesehen, die bedarfsgerecht das Kühlmittel im Kühlkreislauf 8 fördert.Furthermore, the drive system differs 1 for a vehicle from the drive system 1 for a vehicle 1 in that the whole system has a cooling circuit 8th with a coolant pump 11 that is with the machine 4 and / or the generator and / or the thermoelectric generator 7 is in operative contact. With the help of this integrated configuration, it is possible, at least the thermoelectric generator 7 increase its efficiency once again. Again, the arrangement of other thermoelectric generators 7 to the cooling circuit 8th the internal combustion engine 2 possible. For the best possible homogenization of the temperatures, the coolant pump is 11 provided, the need for the coolant in the cooling circuit 8th promotes.

In 3 ist ein zweites, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Antriebssystems 1 für ein Fahrzeug beschrieben. Das Antriebssystem 1 gemäß 3 unterscheidet sich vom Antriebssystem 1 gemäß 2 dadurch, dass der Kühlkreislauf 8 als eine Phasenwechselkühlung mit einem Kondensator 9 ausgebildet ist. Besonders bevorzugt lässt sich in dieser Ausgestaltung zumindest ein weiterer thermoelektrischer Generator 7 an den Kondensator 9 anordnen, wodurch nochmals zusätzlich elektrische Energie gewonnen wird, die ebenfalls über einen elektrischen Energiefluss 12 in den elektrischen Energiespeicher 10 eingespeist wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf 8 bis zur Dampferzeugung erhitzt. Der Dampf wird in dem Kondensator 9 abgekühlt und wieder verflüssigt (Phasenwechsel) und es wird auch hierbei mittels des thermoelektrischen Generators 7 elektrische Leistung erzeugt.In 3 is a second, particularly preferred embodiment of the inventive design of the drive system 1 described for a vehicle. The drive system 1 according to 3 different from the drive system 1 according to 2 in that the cooling circuit 8th as a phase change cooling with a capacitor 9 is trained. At least one further thermoelectric generator can be particularly preferred in this embodiment 7 to the capacitor 9 arrange, which in turn additionally electrical energy is obtained, which also has an electrical energy flow 12 in the electrical energy storage 10 is fed. In the present embodiment, coolant from the coolant circuit 8th heated until steam generation. The steam is in the condenser 9 cooled and liquefied again (phase change) and it is also here by means of the thermoelectric generator 7 generates electrical power.

In dieser weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann ein Abgaswärmeübertrager zum Einsatz kommen, der dem Abgas der Brennkraftmaschine 2 Wärme entzieht und in einen weiteren Fluidkreislauf zum Zwecke der Heizung eines Innenraums des Fahrzeugs oder von Fahrzeugkomponenten nutzt. Derartige Wärmeübertrager werden heute bereits zum Verkauf angeboten. Alternativ hierzu könnte eine direkte Beheizung der Fahrzeugkomponenten über das Abgas, beispielsweise durch angeflanschte Heizrippen an der Abgasanlage 3, 3' erfolgen. In beiden Fällen ist von einer zweiflutigen Ausführung der Abgasanlage 3, 3' auszugehen, bei der über Klappensteuerung das Abgas in einem Bypass oder auch anders geführt und überschüssige Wärme verworfen werden kann, wenn beispielsweise die Fahrzeugkomponenten bereits betriebswarm und/oder der Innenraum hinreichend konditioniert ist.In this further embodiment of the invention, an exhaust gas heat exchanger can be used, which is the exhaust gas of the internal combustion engine 2 Heat deprives and uses in a further fluid circuit for the purpose of heating an interior of the vehicle or vehicle components. Such heat exchangers are already offered for sale today. Alternatively, a direct heating of the vehicle components via the exhaust gas, for example by flanged heating ribs on the exhaust system 3 . 3 ' respectively. In both cases is of a double-flow version of the exhaust system 3 . 3 ' go out in the flap control over the exhaust gas in a bypass or otherwise out and excess heat can be discarded, for example, if the vehicle components are already warming and / or the interior is sufficiently conditioned.

Durch die erfindungsgemäße Kopplung der Leistungswandlung, bei dem sich die unterschiedlichen Wandlungsprinzipien synergetisch ergänzen, ist ein insgesamt sehr hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu erzielen, der sich an dem Gesamtwirkungsgrad von stationären Kraftwerken in der Stromerzeugung annähern oder sogar bei der Berücksichtigung der vermiedenen Netzverluste höher anzusiedeln sein dürfte.Due to the coupling of the power conversion according to the invention, in which the different conversion principles complement each other synergistically, an overall very high efficiency of the overall system can be achieved, which is based on the overall efficiency of stationary power plants in the Electricity production approach or even be considered in the consideration of avoided network losses higher.

In einer weiteren Ausgestaltungsvariante wird vorgeschlagen, das Antriebssystem 1, ausgeführt als mehrstufiger Range Extender, der ansonsten nur zum Zwecke der Stromerzeugung an den Kurbelwellenstartergenerator angeschlossen ist, über eine Kupplung mit dem Antrieb des Fahrzeuges direkt zu verbinden. Dies bedeutet, dass mittels eines Range Extenders ein Fahrzeug auch direkt angetrieben wird. Der Vorteil dieses zusätzlichen mechanischen Antriebs ist es, dass in manchen Betriebspunkten (höhere Leistungen, höhere Dynamik) zum einen Wirkungsgradvorteile durch den direkten mechanischen Durchtrieb entstehen, zum anderen die Antriebscharakteristik (maximale Geschwindigkeit, Drehmomentverlauf) positiv beeinflusst werden. Darüber hinaus ergeben sich hierdurch auch Chancen zum weiteren Downsizing des elektronischen Traktionssystems, nachdem hier die maximale Performance des Fahrzeuges nicht allein an der E-Maschinen-Charakteristik bemessen wird, sondern am überlagerten Betrieb von Traktions-E-Maschine und Range Extender. Optional könnte zur Ausweitung des Betriebsbereiches der mechanisch koppelbare Antrieb auch über eine mehrstufige Übersetzung (Getriebe) verfügen.In a further embodiment variant, it is proposed that the drive system 1 , designed as a multi-stage range extender, which is otherwise connected only for the purpose of generating electricity to the crankshaft starter generator to connect via a clutch with the drive of the vehicle directly. This means that a vehicle is also driven directly by means of a range extender. The advantage of this additional mechanical drive is that in some operating points (higher power, higher dynamics) on the one hand efficiency advantages arise through the direct mechanical drive, on the other hand, the drive characteristics (maximum speed, torque curve) are positively influenced. In addition, this also provides opportunities for further downsizing the electronic traction system, since here the maximum performance of the vehicle is not measured solely on the E-machine characteristics, but on the superimposed operation of traction electric motor and range extender. Optionally, to extend the operating range of the mechanically coupled drive also have a multi-stage gear ratio (transmission).

Sehr günstig bezüglich der Ausführung könnte es sein, dass sich der hier vorgeschlagene, mehrstufige Leistungswandler als Range Extender zu den heute bekannten Bauräumen von Brennkraftmaschinen einfügt und dessen Schnittstellen zur Peripherie hin nutzt. Hierdurch kann der hier vorgeschlagene Range Extender im Baukastensystem in heutigen Fahrzeugen an die vorgesehene und etablierte Position der Brennkraftmaschine 2 gesetzt werden. Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass im Restfahrzeug die übrigen Maßnahmen zur Elektrifizierung des Antriebssystems umgesetzt werden können, beispielsweise die Anordnung der Traktionsbatterie, der Leistungselektronik, des elektrischen Antriebs und der Antriebsachsen. Schlussendlich könnte dies zum Ziel haben, dass man in heutige Fahrzeuge serielle Antriebsarchitekturen mit sehr hohen Stromerzeugungswirkungsgraden bei moderatem Änderungsaufwand integrieren könnte.Very low in terms of design, it could be that the proposed here, multi-stage power converter as a range extender to the currently known installation spaces of internal combustion engine inserts and uses its interfaces to the periphery out. As a result, the proposed here Range Extender in the modular system in today's vehicles to the intended and established position of the internal combustion engine 2 be set. The prerequisite for this is, of course, that in the rest of the vehicle, the other measures for the electrification of the drive system can be implemented, such as the arrangement of the traction battery, the power electronics, the electric drive and the drive axles. Ultimately, this could have the goal of being able to integrate serial drive architectures with very high power generation efficiencies with modest modification effort into today's vehicles.

Zum Schluss sei noch darauf hingewiesen, dass es prinzipiell auch möglich ist, zumindest einen thermoelektrischen Generator 7 an den Abgasstrang 3, 3' zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Maschine 4 anzuordnen. Somit können thermoelektrische Generatoren 7 in Strömungsrichtung des Abgases entweder nur nach und/oder vor der Maschine 4 angeordnet werden, was abhängig vom Gesamtantriebssystem 1 jeweils Vor- und/oder Nachteile erbringen kann, auf alle Fälle jedoch für eine Gesamtantriebssystemfeinoptimierung fallspezifisch zum Einsatz kommen kann.Finally, it should be noted that it is also possible in principle, at least one thermoelectric generator 7 to the exhaust system 3 . 3 ' between the internal combustion engine 2 and the machine 4 to arrange. Thus, thermoelectric generators 7 in the flow direction of the exhaust gas either only after and / or in front of the machine 4 be arranged, which depends on the overall drive system 1 each can provide advantages and / or disadvantages, but in any case can be used for a total drive system fine optimization case-specific.

Insgesamt ergeben sich nochmals folgende prägnanten Vorteile:

  • – Deutliche Wirkungsgradsteigerung des Gesamtsystems durch Leistungswandlung in synergetischer Kaskadenschaltung.
  • – Einsatzoptimierte Verwendung von Leistungswandler, z. B. Stirlingmaschine für die Verwertung von heißem Abgas, während der thermoelektrische Generator 7 mit kostengünstigen Materialien für die Verwendung des bereits abgekühlten Abgases in Frage kommt; hierdurch ergibt sich ggf. auch die Möglichkeit des Verkaufs von Effizienzmaßnahmen als Sonderausstattungen an den Kunden.
  • – Der Baukastengedanke (Gleichteileprinzip) führt zum Einsatz des Range Extenders in heute bekannten Fahrzeugarchitekturen anstelle von konventionellen Brennkraftmaschinen.
  • – Der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems wird wesentlich verbessert, wodurch der Kraftstoffverbrauch für ein Fahrzeug wesentlich reduziert wird.
  • – Bezüglich des Gesamtwirkungsgrades des Antriebssystems kann problemlos ein Vergleich mit einem stationären Großkraftwerk gezogen werden.
Overall, there are again the following significant advantages:
  • - Significant increase in efficiency of the entire system through power conversion in synergetic cascade connection.
  • - Optimized use of power converters, eg. B. Stirling engine for the utilization of hot exhaust gas, while the thermoelectric generator 7 with low-cost materials for the use of the already cooled exhaust gas comes into question; This may also result in the possibility of selling efficiency measures as optional extras to the customer.
  • - The idea of a modular concept (common parts principle) leads to the use of the range extender in today's known vehicle architectures instead of conventional internal combustion engines.
  • - The overall efficiency of the drive system is significantly improved, whereby the fuel consumption for a vehicle is significantly reduced.
  • - With regard to the overall efficiency of the drive system can be easily drawn a comparison with a stationary large power plant.

11
Antriebssystemdrive system
22
BrennkraftmaschineInternal combustion engine
33
Abgasstrangexhaust gas line
33
Abgasstrangexhaust gas line
44
Maschinemachine
55
Generatorgenerator
66
Abtriebswelleoutput shaft
77
Thermoelektrischer Generator (TEG)thermoelectric Generator (TEG)
88th
KühlkreislaufCooling circuit
99
Kondensatorcapacitor
1010
elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
1111
KühlmittelpumpeCoolant pump
1212
elektrischer Energieflusselectrical energy flow
1313
Kolbenpiston
1313
Kolbenpiston
1414
Kurbeltriebcrankshaft

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 102007054197 [0008] - DE 102007054197 [0008]

Claims (7)

Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug, bestehend aus einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgasstrang (3), mit der Abgas erzeugbar ist und durch den Abgasstrang (3) abführbar ist, einer Maschine (4), mit der die Abgasenergie in mechanische Leistung und/oder elektrische Leistung wandelbar ist und einem als Antriebseinheit betreibbaren Generator (5), wobei zumindest der Generator (5) an eine Abtriebswelle (6) der Brennkraftmaschine (2) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet dass in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Maschine (4) mittelbar und/oder unmittelbar an den Abgasstrang (3) zumindest ein Thermoelektrischer Generator (TEG) (7) anordenbar ist.Drive system ( 1 ) for a vehicle, consisting of an internal combustion engine ( 2 ) with an exhaust gas line ( 3 ), with the exhaust gas can be generated and through the exhaust line ( 3 ) is dischargeable, a machine ( 4 ), with which the exhaust gas energy is convertible into mechanical power and / or electrical power and a generator which can be operated as a drive unit ( 5 ), wherein at least the generator ( 5 ) to an output shaft ( 6 ) of the internal combustion engine ( 2 ) is coupled, characterized in that in the flow direction of the exhaust gas behind the machine ( 4 ) indirectly and / or directly to the exhaust gas line ( 3 ) at least one thermoelectric generator (TEG) ( 7 ) can be arranged. Antriebssystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) einen Kühlkreislauf (8) aufweist, der mit der Maschine (4) und/oder dem Generator (5) und/oder dem TEG (7) in Wirkkontakt ist.Drive system according to claim 1, characterized in that the internal combustion engine ( 2 ) a cooling circuit ( 8th ) connected to the machine ( 4 ) and / or the generator ( 5 ) and / or the TEG ( 7 ) is in operative contact. Antriebssystem nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (8) ein Phasenwechsel-Kühlkreislauf mit einem Kondensator (9) ist.Drive system according to claim 2, characterized in that the cooling circuit ( 8th ) a phase change cooling circuit with a capacitor ( 9 ). Antriebssystem nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kondensator (9) ein weiterer TEG (7) anordenbar ist.Drive system according to claim 3, characterized in that to the capacitor ( 9 ) another TEG ( 7 ) can be arranged. Antriebssystem nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (4) eine Stirlingmaschine oder eine Dampfmaschine oder eine Turbine ist.Drive system according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the machine ( 4 ) is a Stirling engine or a steam engine or a turbine. Antriebssystem nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (5) ein Kurbelwellen-Starter-Generator ist.Drive system according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the generator ( 5 ) is a crankshaft starter generator. Antriebssystem nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (3) zumindest zweiflutig ist, wobei ein Abgasmassenstrom durch jede Flut einstellbar ist und der TEG (7) an zumindest eine Flut anordenbar ist.Drive system according to at least one of the claims 1 to 6, characterized in that the exhaust gas line ( 3 ) is at least double-flow, wherein an exhaust gas mass flow through each flood is adjustable and the TEG ( 7 ) can be arranged on at least one tide.
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