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
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
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.
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.
Zentral
angeordnet in dem Antriebssystem
Aufgrund
der äußeren Verbrennung der Stirlingmaschine
Das
aus dem Stand der Technik bekannte Antriebssystem
Dargestellt
ist das Antriebssystem
Die
Brennkraftmaschine
Besonders
bevorzugt wird für die Maschine
Des
Weiteren unterscheidet sich das Antriebssystem
In
In
dieser weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung
kann ein Abgaswärmeübertrager zum Einsatz kommen,
der dem Abgas der Brennkraftmaschine
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
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
Zum
Schluss sei noch darauf hingewiesen, dass es prinzipiell auch möglich
ist, zumindest einen thermoelektrischen Generator
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.
- - 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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102007054197 [0008] - DE 102007054197 [0008]
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102009020421.0A DE102009020421B4 (en) | 2009-05-08 | 2009-05-08 | Drive system for a vehicle |
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DE102009020421.0A DE102009020421B4 (en) | 2009-05-08 | 2009-05-08 | Drive system for a vehicle |
Publications (2)
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DE102009020421A1 true DE102009020421A1 (en) | 2010-11-11 |
DE102009020421B4 DE102009020421B4 (en) | 2019-08-29 |
Family
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DE (1) | DE102009020421B4 (en) |
Cited By (1)
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DE102007054197A1 (en) | 2007-11-14 | 2009-05-20 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | 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 |
-
2009
- 2009-05-08 DE DE102009020421.0A patent/DE102009020421B4/en active Active
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Also Published As
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---|---|
DE102009020421B4 (en) | 2019-08-29 |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
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