DE102010009516A1 - Device for power generation for driving auxiliary units in internal combustion engine, has generator connected with crankshaft of Stirling engine and driven by Stirling engine and generates electrical energy for driving auxiliary units - Google Patents

Device for power generation for driving auxiliary units in internal combustion engine, has generator connected with crankshaft of Stirling engine and driven by Stirling engine and generates electrical energy for driving auxiliary units Download PDF

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Abstract

The device has a Stirling engine (3) e.g. alpha Stirling engine, directly connected with an exhaust gas manifold (2) of an internal combustion engine (1). The Stirling engine converts the heat energy of the exhaust gases of the internal combustion engine into mechanical energy. A generator (4) is directly connected with a crankshaft of the Stirling engine and driven by the Stirling engine and generates electrical energy for driving auxiliary units of the internal combustion engine. The exhaust gas manifold is provided with outer shell (5) and inner shells (6). The Stirling engine is selected from alpha Stirling engine, beta Stirling engine, and gamma Stirling engine. The Stirling engine is provided with operating gas selected from carbon dioxide and helium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieerzeugung zum Antreiben von Nebenaggregaten in Verbrennungskraftmaschinen, wie Klimakompressor, Lenkhilfepumpe, Wasserpumpe, Pumpe zur Niveauregulierung und dergleichen aus der Wärmeenergie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine.The invention relates to a device for generating energy for driving ancillaries in internal combustion engines, such as air conditioning compressor, power steering pump, water pump, pump for level control and the like from the heat energy of the exhaust gases of the internal combustion engine.

Es ist bekannt, dass bei Kraftfahrzeugen ein deutlicher Kraftstoffverbrauch durch die sogenannten Nebenaggregate, wie Klimakompressor, Lenkhilfepumpe, Wasserpumpe, Pumpe zur Niveauregulierung erzeugt wird. Außerdem wird bei hohen Außentemperaturen z. B. durch den Klimakompressor und durch den Betrieb der Klimagebläse insbesondere im städtischen Betrieb von Personenfahrzeugen ein deutlicher Kraftstoffverbrauch verursacht. Der Antrieb von Nebenaggregaten von Fahrzeugantriebsmotoren wird heute mit Riementrieben realisiert. Dabei treibt eine Kurbelwelle über eine mit ihr verbundene Riemenscheibe über einen Riementrieb die Lenkhilfepumpe, den Klimakompressor, die Wasserpumpe, den Generator und dergleichen an. Dabei muss von der Verbrennungskraftmaschine, je nachdem wie stark die Nebenaggregate belastet sind, ein Drehmoment zum Antrieb dieser Aggregate aufgebracht werden, das einen erheblichen Anteil des effektiven Drehmoments, das die Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs bereitstellen kann, benötigt. Bei modernen Fahrzeugen werden heute bereits mehrere Nebenaggregate elektrisch angetrieben, dabei handelt es sich um elektrisch angetriebene Lenkhilfepumpen, elektrisch angetriebene Klimakompressoren und elektrisch angetriebene Wasserpumpen. Nur der Generator muss weiterhin von der Verbrennungskraftmaschine direkt angetrieben werden.It is known that in motor vehicles a significant fuel consumption by the so-called ancillaries, such as air compressor, power steering pump, water pump, pump for level control is generated. In addition, at high outside temperatures z. B. caused by the air conditioning compressor and by the operation of Klimagebläse especially in urban operation of passenger vehicles a significant fuel consumption. The drive of auxiliary units of vehicle drive motors is realized today with belt drives. A crankshaft drives the power steering pump, the air conditioning compressor, the water pump, the generator and the like via a pulley connected to it via a belt drive. It must be applied by the internal combustion engine, depending on how much the ancillaries are loaded, a torque to drive these units, which requires a significant proportion of the effective torque that can provide the internal combustion engine to drive the vehicle. In modern vehicles, several ancillaries are already electrically driven, these are electrically powered power steering pumps, electrically driven air conditioning compressors and electrically driven water pumps. Only the generator must continue to be driven directly by the internal combustion engine.

Um die bei Kraftfahrzeugen auftreten energiereichen Abgase einerseits direkt wieder zu nutzen und gleichzeitig die damit verbundenen Wärmeverluste der Verbrennungskraftmaschinen niedrig zu halten, so dass die Kosten für den Betrieb der Kraftfahrzeuge verbessert werden und zusätzlich ein größerer Umweltschutz erreicht wird, werden derzeitig viele Anstrengungen unternommen. So ist aus der DE 43 40 872 A1 eine Anordnung einer Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem Stirlingmotor zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Ökologie bekannt, indem die Abgase und die Abwärme aus dem Verbrennungsmotor dem Arbeitszylinder des nachgeschalteten Stirlingmotors zugeführt werden und zu dessen Antrieb dienen. Weiterhin kann in den Heiz- und Kühlelementen des Stirlingmotors die Kühlflüssigkeit des Verbrennungsmotors unter Erwärmung des Stirlingmotor-Arbeitsgases abgekühlt werden. Aus der DE 10 2007 062 096 A1 sind weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung und deren Verwendung zum Antreiben von Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen und Lokomotiven bekannt, wobei ein erster Motor, ein Elektro- oder Verbrennungsmotor, mit einer Kühleinrichtung und einem zweiteiligen Kühlkreislauf, welcher den ersten Motor und die Kühleinrichtung miteinander verbindet, mit einem zweiten Motor, einem Stirlingmotor, zum Antreiben der Nebenaggregate so in thermischem Kontakt mit mindestens einem ersten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs und mindestens einem zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs steht, dass thermische Energie in Form einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs in mechanische Energie mittels des Stirlingmotors umgewandelt wird.On the one hand to use the high-energy exhaust gases in motor vehicles directly on the one hand while keeping the associated heat losses of the internal combustion engines low, so that the cost of the operation of the motor vehicles are improved and in addition a greater environmental protection is achieved, many efforts are currently being made. So is out of the DE 43 40 872 A1 an arrangement of a combination of an internal combustion engine with a Stirling engine for improving the efficiency and the ecology known by the exhaust gases and the waste heat from the engine are supplied to the working cylinder of the downstream Stirling engine and serve to drive it. Furthermore, in the heating and cooling elements of the Stirling engine, the cooling liquid of the internal combustion engine can be cooled by heating the Stirling engine working gas. From the DE 10 2007 062 096 A1 Furthermore, a method and an apparatus and their use for driving ancillaries in motor vehicles and locomotives are known, wherein a first engine, an electric or internal combustion engine, with a cooling device and a two-part cooling circuit, which connects the first motor and the cooling device with each other a second motor, a Stirling engine, for driving the ancillaries so in thermal contact with at least a first portion of the cooling circuit and at least a second portion of the cooling circuit is that thermal energy in the form of a temperature difference between the first and the second portion of the cooling circuit into mechanical energy is converted by means of the Stirling engine.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungskraftmaschinen zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges reduziert, indem die Nebenaggregate des Kraftfahrzeuges nicht mehr direkt von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden und dadurch eine Kraftstoffreduzierung und eine Steigerung des Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine erreicht wird.Based on this prior art, the present invention seeks to provide a device that reduces the fuel consumption of internal combustion engines for driving a motor vehicle by the auxiliary units of the motor vehicle are no longer driven directly from the internal combustion engine and thereby a fuel reduction and an increase of Efficiency of the internal combustion engine is achieved.

Um den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges zu steigern und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, schlägt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Energieerzeugung zum Antreiben von Nebenaggregaten in Verbrennungskraftmaschinen vor, indem die Einrichtung einen Stirlingmotor zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie umfasst, der zur Entnahme von Wärmeenergie aus Abgasen der Verbrennungskraftmaschine direkt mit einem Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine verbundenen ist, wobei der Stirlingmotor die Wärmeenergie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine nutzt, um einen von der Verbrennungskraftmaschine getrennt vorgesehenen Generator, der direkt mit der Kurbelwelle des Stirlingmotors verbunden ist, anzutreiben. Die Entnahme von Wärmeenergie aus Abgasen der Verbrennungskraftmaschine ist dabei nicht nur auf den Abgaskrümmmer beschränkt, sondern dieser Wärmeentzug kann auch an jeder anderen Stelle des Abgasstranges mittels eines geeigneten Wärmetauschers erfolgen.In order to increase the efficiency of the internal combustion engine for driving a motor vehicle and at the same time to reduce fuel consumption, the present invention proposes a device for generating energy for driving ancillaries in internal combustion engines by the device comprises a Stirling engine for the conversion of thermal energy into mechanical energy Removal of heat energy from exhaust gases of the internal combustion engine is directly connected to an exhaust manifold of the internal combustion engine, the Stirling engine uses the heat energy of the exhaust gases of the internal combustion engine to separately from the internal combustion engine provided generator, which is directly connected to the crankshaft of the Stirling engine to drive. The removal of heat energy from exhaust gases of the internal combustion engine is not limited only to the Abgaskrümmmer, but this heat extraction can also be done at any other point of the exhaust system by means of a suitable heat exchanger.

Der Generator versorgt die Nebenaggregate der Verbrennungskraftmaschine mit Strom, bzw. lädt die Batterie des Fahrzeuges auf. Beim Starten, wenn die Verbrennungskraftmaschine noch kalt ist, und der Stirlingmotor deshalb noch kein Nutzdrehmoment abgibt, werden die Nebenaggregate durch Strom aus der Batterie versorgt. Da der Generator über ein Getriebe und/oder eine schaltbare Kupplung mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist, kann er dadurch, falls notwendig, auch direkt von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden.The generator supplies the ancillaries of the internal combustion engine with electricity, or charges the battery of the vehicle. When starting, when the internal combustion engine is still cold, and the Stirling engine therefore still no useful torque, the ancillaries are powered by electricity from the battery. Since the generator can be connected to the crankshaft of the internal combustion engine via a gearbox and / or a shiftable clutch, it can thereby, if necessary, also be driven directly by the internal combustion engine.

Durch die Entnahme vom Wärme aus dem Abgaskrümmer wird außerdem die Abgastemperatur abgesenkt. Dadurch kann auch die Anreicherung von Kraftstoff an der Volllast der Verbrennungskraftmaschine, der so genannte Bauteilschutz entfallen. Des Weiteren wird es möglich, an der Volllast Zündwinkel einzustellen, die einen besseren Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zur Folge haben. Beide Maßnahmen reduzieren den Kraftstoffverbrauch. Zur Zeit kann dies nicht erfolgen, da ansonsten der Abgasturbolader thermisch überlastet würde. By removing the heat from the exhaust manifold also the exhaust gas temperature is lowered. As a result, the enrichment of fuel at the full load of the internal combustion engine, the so-called component protection accounts. Furthermore, it becomes possible to set firing angles at the full load, which result in better efficiency of the internal combustion engine. Both measures reduce fuel consumption. At present, this can not be done because otherwise the exhaust gas turbocharger would be thermally overloaded.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Stirlingmotor insbesondere als Alpha-, Beta- oder Gammatyp ausgebildet und möglichst nahe an dem Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Der Stirlingmotor ist vorzugsweise direkt an dem Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine angeflanscht ist, wobei die Kurbelwelle des Stirlingmotors über ein Getriebe und eine schaltbare Kupplung mit dem Generator verbunden ist. Bevorzugt ist die Kurbelwelle des Stirlingmotors insbesondere in Keramiklagern gelagert.It is advantageously provided that the Stirling engine is designed in particular as an alpha, beta or gamma type and is arranged as close as possible to the exhaust manifold of the internal combustion engine. The Stirling engine is preferably flanged directly to the crankcase of the internal combustion engine, wherein the crankshaft of the Stirling engine is connected via a gear and a shiftable clutch to the generator. Preferably, the crankshaft of the Stirling engine is mounted in particular in ceramic bearings.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Einrichtung wird darin gesehen, dass der Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine insbesondere zweischalig ausgebildet und der Stirlingmotor mit dem Abgaskrümmer gasdicht verbunden ist, wobei ein Hohlraum zwischen der inneren und der äußeren Schale des Abgaskrümmers und die Verbindungsleitungen zu dem Expansionszylinder und dem Kompressionszylinder des Stirlingmotors mit einem Arbeitsgas, vorzugsweise Kohlendioxyd oder Helium, gefüllt sind und wobei das Arbeitsgas des Stirlingmotors unter einem Druck steht, der höher als der Umgebungsdruck ist, da sich dadurch ein höherer Wirkungsgrad des Stirlingmotors erreichen lässt.An advantageous embodiment of the device is seen in that the exhaust manifold of the internal combustion engine is formed in particular bivalve and the Stirling engine gas-tightly connected to the exhaust manifold, wherein a cavity between the inner and the outer shell of the exhaust manifold and the connecting lines to the expansion cylinder and the compression cylinder of the Stirling engine are filled with a working gas, preferably carbon dioxide or helium, and wherein the working gas of the Stirling engine is under a pressure which is higher than the ambient pressure, as this can achieve a higher efficiency of the Stirling engine.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass zur besseren Wärmeübertragung die Oberfläche der inneren Schale des Abgaskrümmers entweder eine Beschichtung zur Vergrößerung der Oberfläche aufweist oder die Oberfläche ist durch zusätzliche Bleche vergrößerbar. Weiterhin ist vorgesehen, dass zusätzlich die Oberflächen der Verbindungsleitungen zwischen dem Stirlingmotor und dem Abgaskrümmer mit dem Kühlmittel der Verbrennungskraftmaschine kühlbar sind, wobei das umschlossene Volumen der Verbindungsleitungen möglichst klein ist.It is preferably provided that for better heat transfer, the surface of the inner shell of the exhaust manifold either has a coating to increase the surface or the surface can be increased by additional sheets. It is further provided that in addition the surfaces of the connecting lines between the Stirling engine and the exhaust manifold with the coolant of the internal combustion engine can be cooled, wherein the enclosed volume of the connecting lines is as small as possible.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment schematically illustrated in a drawing.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Energieerzeugung. 1 a schematic representation of a device according to the invention for power generation.

In 1 ist eine Einrichtung zur Energieerzeugung zum Antreiben von Nebenaggregaten in Verbrennungskraftmaschinen dargestellt. Die elektrische Energie wird dabei durch einen Stirlingmotor 3 erzeugt, indem der Stirlingmotor 3 thermische Energie, d. h. die Wärmeenergie aus den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine 1 in mechanische Energie umwandelt. Der Stirlingmotor 3 ist dazu erfindungsgemäß mit einem Abgaskrümmer 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 direkt gekoppelt, wobei der Stirlingmotor 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel in bekannter Weise als Alphatyp ausgeführt ist. Der Stirlingmotor 3 nutzt die Wärmeenergie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine 1, um einen von der Verbrennungskraftmaschine 1 getrennt vorgesehenen Generator 4, der direkt mit der Kurbelwelle des Stirlingmotors 3 verbunden ist, anzutreiben. Der Generator 4 versorgt die Verbrennungskraftmaschine 1 und die Nebenaggregate der Verbrennungskraftmaschine 1, z. B. Klimakompressor, Lenkhilfepumpe, Wasserpumpe, Pumpe zur Niveauregulierung und dergleichen, mit Strom bzw. lädt die Batterie des Kraftfahrzeuges auf, so dass auch die Nebenaggregate, bei Bedarf durch Strom aus der Batterie versorgt werden können. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 stellt der Abgaskrümmer 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 den Erhitzer des Stirlingmotors 3 da. Der Abgaskrümmer 2 ist zweischalig ausgebildet und besteht aus einer äußeren Schale 5 und einer inneren Schale 6. Die innere Schale 6 des Abgaskrümmers 2 hat die Aufgabe, die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 1 in den Abgasstrang zu führen. Die äußere Schale 5 umschließt die innere Schale 6, so dass ein Hohlraum 7 entsteht. In diesem Hohlraum 7 zirkuliert das Arbeitsgas des Stirlingmotors 3, das vorzugsweise aus Kohlendioxyd oder Helium besteht, wobei das Arbeitsgas unter einem Druck steht, der höher als der Umgebungsdruck ist, da auf diese Weise der Wirkungsgrad des Stirlingmotors 3 erhöht werden kann. Ein Kompressionszylinder 8 des Stirlingmotors 3 ist über einen Kühler 9, einen Regenerator 10 und einen Wärmetauscher 11 mit dem Hohlraum 7, in dem sich das Arbeitsgas befindet, verbunden. Ein Expansionszylinder 12 des Stirlingmotors 3 ist ebenfalls mit dem Hohlraum 7 verbunden. Die Verbindung des Kompressionszylinders 8 und des Expansionszylinders 12 des Stirlingmotors 3 mit dem Hohlraum 7 erfolgt über die Verbindungsleitungen 13, 14 und nicht näher dargestellte Flachrohrdichtungen. Vor dem Kompressionszylinder 8 ist der Kühler 9 zur Kühlung des Arbeitsgases angeordnet, der das Kühlwasser direkt von der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 1 oder aus einem separaten Niedertemperaturkühler bezieht. Zur besseren Wärmeübertragung ist die Oberfläche der inneren Schale 6 durch eine Beschichtung oder durch zusätzliche Bleche vergrößerbar. Durch den Entzug von Wärmeenergie aus dem Abgaskrümmer 2 wird es möglich, bei Volllast der Verbrennungskraftmaschine 1 Zündwinkel einzustellen, die einen besseren Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Folge haben. Zur Zeit ist dies bei herkömmlichen Abgasanlagen nicht möglich, da der Abgasturbolader sonst thermisch überlastet wird. In der Industrie gibt es derzeit Bestrebungen, die Reduzierung der Wärmeenergie im Abgaskrümmer 2 durch Einbindung des Abgaskrümmers 2 in den Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine 1 zu realisieren. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird eine thermische Überlastung des Turboladers vermieden. Der Generator 4 ist über ein Getriebe und eine schaltbare Kupplung, z. B. eine Magnetkupplung, mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 1 verbunden. Beim Starten der Verbrennungskraftmaschine 1, wenn die Verbrennungskraftmaschine 1 noch kalt ist und der Stirlingmotor 3 deshalb noch kein Nutzdrehmoment abgibt, kann dadurch der Generator 4 über die Verbrennungskraftmaschine 1 direkt angetrieben werden. Der Generator 4 ist mit der Kurbelwelle des Stirlingmotors 3 ebenfalls über ein Getriebe und eine schaltbare Kupplung verbunden. Die Kurbelwelle des Stirlingmotors 3 ist vorzugsweise in Keramiklagern gelagert, die Pleuelstange des Stirlingmotors 3 besteht insbesondere aus einer Aluminiumlegierung.In 1 a device for generating energy for driving ancillaries in internal combustion engines is shown. The electrical energy is generated by a Stirling engine 3 generated by the Stirling engine 3 thermal energy, ie the heat energy from the exhaust gases of an internal combustion engine 1 converted into mechanical energy. The Stirling engine 3 is for this purpose according to the invention with an exhaust manifold 2 the internal combustion engine 1 directly coupled, with the Stirling engine 3 is executed in the present embodiment in a known manner as alpha type. The Stirling engine 3 uses the heat energy of the exhaust gases of the internal combustion engine 1 to one from the internal combustion engine 1 separately provided generator 4 , which is directly connected to the crankshaft of the Stirling engine 3 connected to drive. The generator 4 supplies the internal combustion engine 1 and the ancillaries of the internal combustion engine 1 , z. As air compressor, power steering pump, water pump, pump for level control and the like, with electricity or recharges the battery of the motor vehicle, so that the ancillaries, if necessary, can be powered by electricity from the battery. In the embodiment according to 1 represents the exhaust manifold 2 the internal combustion engine 1 the heater of the Stirling engine 3 there. The exhaust manifold 2 is formed of two shells and consists of an outer shell 5 and an inner shell 6 , The inner shell 6 the exhaust manifold 2 has the task of the exhaust gases of the internal combustion engine 1 to lead into the exhaust system. The outer shell 5 encloses the inner shell 6 , leaving a cavity 7 arises. In this cavity 7 circulates the working gas of the Stirling engine 3 which preferably consists of carbon dioxide or helium, wherein the working gas is under a pressure which is higher than the ambient pressure, since in this way the efficiency of the Stirling engine 3 can be increased. A compression cylinder 8th of the Stirling engine 3 is over a cooler 9 , a regenerator 10 and a heat exchanger 11 with the cavity 7 , in which the working gas is connected. An expansion cylinder 12 of the Stirling engine 3 is also with the cavity 7 connected. The connection of the compression cylinder 8th and the expansion cylinder 12 of the Stirling engine 3 with the cavity 7 takes place via the connecting lines 13 . 14 and flat pipe seals, not shown. Before the compression cylinder 8th is the cooler 9 arranged for cooling the working gas, the cooling water directly from the cooling of the internal combustion engine 1 or from a separate low temperature cooler. For better heat transfer, the surface of the inner shell 6 enlarged by a coating or by additional sheets. By removing heat energy from the exhaust manifold 2 It becomes possible at full load of the internal combustion engine 1 Set firing angle, the one better efficiency of the internal combustion engine 1 have as a consequence. At present, this is not possible with conventional exhaust systems, since the exhaust gas turbocharger is otherwise thermally overloaded. In the industry there are currently efforts to reduce the heat energy in the exhaust manifold 2 by integration of the exhaust manifold 2 in the cooling circuit of the internal combustion engine 1 to realize. The inventive device, a thermal overload of the turbocharger is avoided. The generator 4 is a transmission and a switchable clutch, z. B. a magnetic coupling, with the crankshaft of the internal combustion engine 1 connected. When starting the internal combustion engine 1 when the internal combustion engine 1 is still cold and the Stirling engine 3 Therefore, no Nutzdrehmoment outputs, it can be the generator 4 about the internal combustion engine 1 be driven directly. The generator 4 is with the crankshaft of the Stirling engine 3 also connected via a gearbox and a switchable clutch. The crankshaft of the Stirling engine 3 is preferably stored in ceramic bearings, the connecting rod of the Stirling engine 3 consists in particular of an aluminum alloy.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Ausführungsbeispiel, sondern ist in der Ausgestaltung des Abgaskrümmers 2 sowie der Entnahmestelle für die Wärmeenergie an dem Abgasstrang und der Anordnung des Stirlingmotors 3 sowie in der Bauform des Stirlingmotors variabel.The invention is not limited to the embodiment, but is in the embodiment of the exhaust manifold 2 and the removal point for the heat energy at the exhaust line and the arrangement of the Stirling engine 3 and variably in the design of the Stirling engine.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
22
Abgaskrümmerexhaust manifold
33
StirlingmotorStirling engine
44
Generatorgenerator
55
äußere Schaleouter shell
66
innere Schaleinner shell
77
Hohlraumcavity
88th
Kompressionszylindercompression cylinder
99
Kühlercooler
1010
Regeneratorregenerator
1111
Wärmetauscherheat exchangers
1212
Expansionszylinderexpansion cylinder
1313
Verbindungsleitungconnecting line
1414
Verbindungsleitungconnecting line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4340872 A1 [0003] DE 4340872 A1 [0003]
  • DE 102007062096 A1 [0003] DE 102007062096 A1 [0003]

Claims (11)

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieerzeugung zum Antreiben von Nebenaggregaten in Verbrennungskraftmaschinen zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie aus der Wärmeenergie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Stirlingmotors, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stirlingmotor (3) direkt mit einem Abgaskrümmer (2) einer Verbrennungskraftmaschine (1) verbunden ist, wobei der Stirlingmotor (3) die Wärmeenergie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine (1) in mechanische Energie umwandelt, und wobei ein von der Verbrennungskraftmaschine (1) getrennt vorgesehener Generator (4), der direkt mit der Kurbelwelle des Stirlingmotors (3) verbunden ist, durch den Stirlingmotor (3) angetrieben wird und die elektrische Energie zum Antrieb von Nebenaggregaten der Verbrennungskraftmaschine (1) erzeugt.The invention relates to a device for generating energy for driving ancillaries in internal combustion engines for the conversion of thermal energy into mechanical energy from the heat energy of the exhaust gases of the internal combustion engine by means of a Stirling engine, characterized in that a Stirling engine ( 3 ) directly with an exhaust manifold ( 2 ) an internal combustion engine ( 1 ), the Stirling engine ( 3 ) the heat energy of the exhaust gases of the internal combustion engine ( 1 ) is converted into mechanical energy, and wherein one of the internal combustion engine ( 1 ) separately provided generator ( 4 ) directly connected to the crankshaft of the Stirling engine ( 3 ) is connected by the Stirling engine ( 3 ) is driven and the electrical energy for driving ancillaries of the internal combustion engine ( 1 ) generated. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Alpha-, Beta-, oder Gammatyp ausgebildete Stirlingmotor (3) möglichst nahe an dem Abgaskrümmer (2) der Verbrennungskraftmaschine (1) angeordnet ist.Device according to claim 1, characterized in that the designed as alpha, beta, or gamma type Stirling engine ( 3 ) as close as possible to the exhaust manifold ( 2 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is arranged. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (2) zweischalig mit einer inneren Schale (6) und einer äußeren Schale (5) ausgebildet ist, zwischen denen ein Hohlraum (7) vorgesehen ist, wobei der Hohlraum (7) und die Verbindungsleitungen (13, 14) zu einem Kompressionszylinder (8) und einem Expansionszylinder (12) des Stirlingmotors (3) mit einem Arbeitsgas, vorzugsweise Kohlendioxyd (CO2) oder Helium (He), gefüllt sind und wobei das Arbeitsgas des Stirlingmotors (3) unter einem Druck steht, der höher als der Umgebungsdruck ist.Device according to claim 1 and 2, characterized in that the exhaust manifold ( 2 ) clamshell with an inner shell ( 6 ) and an outer shell ( 5 ) is formed, between which a cavity ( 7 ) is provided, wherein the cavity ( 7 ) and the connecting lines ( 13 . 14 ) to a compression cylinder ( 8th ) and an expansion cylinder ( 12 ) of the Stirling engine ( 3 ) are filled with a working gas, preferably carbon dioxide (CO 2 ) or helium (He), and wherein the working gas of the Stirling engine ( 3 ) is under a pressure higher than the ambient pressure. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeübertragung eine Oberfläche der inneren Schale (6) des Abgaskrümmers (2) eine Beschichtung zur Vergrößerung der Abgaskrümmeroberfläche aufweist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that for heat transfer, a surface of the inner shell ( 6 ) of the exhaust manifold ( 2 ) has a coating for enlarging the exhaust manifold surface. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeübertragung eine Oberfläche der inneren Schale (6) des Abgaskrümmers (2) durch zusätzliche Bleche vergrößerbar ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that for heat transfer, a surface of the inner shell ( 6 ) of the exhaust manifold ( 2 ) Is enlarged by additional sheets. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (4) über ein Getriebe und/oder eine schaltbare Kupplung mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine (1) verbindbar ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the generator ( 4 ) via a transmission and / or a shiftable clutch with the crankshaft of the internal combustion engine ( 1 ) is connectable. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (4) über ein Getriebe und/oder eine schaltbare Kupplung mit dem Stirlingmotor (3) verbindbar ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the generator ( 4 ) via a transmission and / or a shiftable clutch with the Stirling engine ( 3 ) is connectable. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (2) als Wärmetauscher zur Abnahme der Wärmeenergie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine (1) ausgebildet ist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the exhaust manifold ( 2 ) as a heat exchanger for the decrease of the heat energy of the exhaust gases of the internal combustion engine ( 1 ) is trained. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor (3) über einen Wärmetauscher (11) direkt in Verbindung mit der Verbrennungskraftmaschine (1) ist.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the Stirling engine ( 3 ) via a heat exchanger ( 11 ) directly in connection with the internal combustion engine ( 1 ). Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (11) an beliebiger Stelle im Abgasstrang angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the heat exchanger ( 11 ) is arranged at any point in the exhaust system. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle des Stirlingmotors (3) insbesondere in Keramiklagern gelagert ist.Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the crankshaft of the Stirling engine ( 3 ) is stored in particular in ceramic bearings.
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