DE102010051798A1

DE102010051798A1 - Abgasanlage

Info

Publication number: DE102010051798A1
Application number: DE102010051798A
Authority: DE
Inventors: Paul W. Mich. Alexander; Alan L. Mich. Browne; Nancy L. Mich. Johnson; Patrick B. Mich. Usoro; Nilesh D. Mich. Mankame; Xiujie Mich. Gao; Geoffrey P. Calif. McKnight; Marten 55218 Wittorf; John A. Mich. Cafeo; Christopher P. Calif. Henry
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2011-06-22
Also published as: CN102108955B; US20110121582A1; US8769946B2; CN102128068B; US20110120118A1; CN102128068A; CN102108955A; US8769947B2

Abstract

Eine Abgasanlage, die zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgelegt ist, umfasst eine Quelle thermische Energie, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen einem Abgas mit einer ersten Temperatur und einer Wärmesenke mit einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist, vorgesehen wird. Die Abgasanlage umfasst auch eine Leitung, die zum Befördern des Abgases ausgestaltet ist, eine Wärmekraftmaschine, die in thermischer Beziehung mit der Leitung angeordnet und zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet ist, und ein Bauteil, das in Kontakt mit der Leitung angeordnet ist und zum Leiten von thermischer Energie von der Leitung zu der Wärmekraftmaschine ausgestaltet ist. Die Wärmekraftmaschine umfasst ein erstes Element, das aus einer ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, die eine kristallographische Phase aufweist, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und der Wärmesenke bei einer ersten Umwandlungstemperatur zwischen Austenit und Martensit wechseln kann.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 61/263,308, eingereicht am 20. November 2009, die hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Abgasanlage und im Einzelnen eine Abgasanlage, die zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet ist.
HINTERGRUND
Fahrzeuge können. durch eine Maschine und/oder eine oder mehrere Batterien mit Leistung versorgt werden. Zum Beispiel kann die Maschine Antriebskraft für das Fahrzeug bereitstellen und/oder die Batterien laden Die Batterien können wiederum Leistung zum Starten der Maschine bereitstellen und/oder können Antriebskraft für das Fahrzeug bereitstellen.
Sowohl die Maschinen als auch die Batterien können eine große Menge an überschüssiger Wärme, d. h. überschüssige thermische Energie, erzeugen, und nahezu die Hälfte der überschüssigen Wärme wird typischerweise als Abgasstrom in die Atmosphäre abgegeben. Trotz Verbesserungen der Maschinen- und Verbrennungstechnologie kann fast ein Viertel der Kraftstoffenergie in dem Abgasstrom als überschüssige Wärme ausgestoßen werden. Daher können erhebliche Zuwächse bei der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs verwirklicht werden, wenn überschüssige Wärme in nutzbare mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Abgasanlage, die zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet ist, umfasst eine Quelle thermische Energie, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen einem Abgas mit einer ersten Temperatur und einer Wärmesenke mit einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist, vorgesehen wird. Die Abgasanlage umfasst auch eine Leitung, die zum Befördern des Abgases ausgestaltet ist, und eine Wärmekraftmaschine, die in thermischer Beziehung mit der Leitung angeordnet ist. Die Wärmekraftmaschine ist zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet und umfasst ein erstes Element, das aus einer ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, die eine kristallographische Phase aufweist, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und der Wärmesenke bei einer ersten Umwandlungstemperatur zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. Ferner umfasst die Abgasanlage ein Bauteil, das in Kontakt mit der Leitung angeordnet ist und zum Leiten von thermischer Energie von der Leitung zu der Wärmekraftmaschine ausgestaltet ist.
Bei einer Abwandlung umfasst das Bauteil mehrere kontaktierende Objekte, die zum Kontaktieren des ersten Elements ausgestaltet sind, um dadurch die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit zu wechseln. Weiterhin umfasst die Abgasanlage einen Isolator, der in Kontakt mit der Leitung und dem Bauteil angeordnet und zum thermischen Isolieren der Leitung und des Bauteils ausgestaltet ist. Die Abgasanlage umfasst auch einen Generator, der zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrischen Strom ausgelegt ist, wobei sich die erste Formgedächtnislegierung als Reaktion auf die zweite Temperatur an einem örtlich begrenzten Bereich abwechselnd maßlich ausdehnt und sich als Reaktion auf die erste Temperatur an einem anderen örtlich begrenzten Bereich maßlich zusammenzieht, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und den Generator anzutreiben.
Bei einer anderen Abwandlung umfasst die Abgasanlage mehrere Leitungen, die jeweils zum Befördern des Abgases entlang einer Achse ausgestaltet sind, mehrere Wärmekraftmaschinen und mehrere Bauteile. Jede der mehreren Wärmekraftmaschinen umfasst ein erstes Element, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, und jedes der mehreren Elemente ist innerhalb einer der mehreren Leitungen angeordnet. Ferner ist jedes der mehreren Bauteile in Kontakt mit einer jeweiligen der mehreren Leitungen angeordnet und ist zum Leiten von thermischer Energie von der jeweiligen Leitung zu der jeweiligen Wärmekraftmaschine ausgestaltet.
Die Abgasanlage sieht eine ausgezeichnete Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie vor. D. h. die Abgasanlage gewinnt thermische Energie in Form von überschüssiger Wärme und erzeugt mechanische Ausgangsleistung. Weiterhin ist die Wärmekraftmaschine effizient in die Abgasanlage integrierbar, um die Abgabe mechanischer Energie zu maximieren.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Offenbarung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Perspektivansicht einer Abgasanlage, die eine Wärmekraftmaschine umfasst;
2 ist eine schematische Perspektivansicht einer anderen Abwandlung der Abgasanlage von 1, die mehrere Wärmekraftmaschinen umfasst;
3 ist eine schematische Perspektivansicht einer noch anderen Abwandlung der Abgasanlage von 1 und 2, die mehrere Leitungen und mehrere Wärmekraftmaschinen umfasst; und
4 ist ein schematisches Diagramm einer Querschnittansicht einer Leitung von 3.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen, ist in 1 eine Abgasanlage allgemein bei 10 gezeigt. Die Abgasanlage 10 ist zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet. Daher kann die Abgasanlage 10 für kraftfahrzeugtechnische Anwendung, einschließlich aber nicht ausschließlich für Abgasanlagen, Antriebsstrangsysteme und Elektriken von Fahrzeugen, brauchbar sein. Die Abgasanlage 10 kann aber auch für nicht kraftfahrzeugtechnische Anwendungen, beispielsweise aber nicht ausschließlich für Heiz-, Lüftungs- und Klimaanlagen für den Haushalt, brauchbar sein. Beruhend auf der ausgezeichneten Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie kann die Abgasanlage 10 andere nicht kraftfahrzeugtechnische Anwendungen haben, beispielsweise aber nicht ausschließlich Anwendungen, die Batteriekühlmittel und Haushaltsabwärme sowie geothermische Abwärme nutzen. Die Abgasanlage 10 kann mechanische Vorrichtungen, einschließlich Pumpen und Lüfter, auch direkt antreiben, um einen Schritt der Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie zu umgehen und dadurch in einem System Energieverlust zu minimieren.
Unter Bezug nun auf 1 umfasst die Abgasanlage 10 eine Quelle thermischer Energie. Die Quelle thermischer Energie wird durch eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen einem Abgas 12 mit einer ersten Temperatur T₁ und einer Wärmesenke 14 mit einer zweiten Temperatur T₂, die niedriger als die erste Temperatur T₁ ist, vorgesehen. D. h. die erste Temperatur T₁ ist höher als und unterschiedlich zu der zweiten Temperatur T₂. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Temperatur T₁ und der zweiten Temperatur T₂ kann zum Beispiel bei nur etwa 5°C und nicht mehr als etwa 100°C liegen. Anders gesagt kann die Temperaturdifferenz ΔT größer oder gleich etwa 5°C und kleiner oder gleich etwa 30°C sein, z. B. kleiner oder gleich etwa 10°C. Als nicht einschränkende, wenngleich nicht gezeigte Beispiele kann die Temperaturdifferenz ΔT zwischen oder innerhalb von Katalysatoren, Batterieräumen, Getrieben, Rädern, Bremsen, Stoßdämpfern, Kühlern, Wärmetauschern, Schalldämpfern, Ladern/Turboladern, Steckbaugruppen und Fahrzeugaußenbereichen vorliegen. D. h. die Temperaturdifferenz ΔT kann zwischen oder innerhalb von Maschinenschmiersystemen, Maschinenkühlsystemen, Batteriekühlsystemen und dergleichen vorliegen.
Das Abgas 12 kann zum Beispiel thermische Emissionen oder überschüssige Wärme, d. h. überschüssige thermische Energie, von einem (nicht gezeigten) Fahrzeug sein. Alternativ kann das Abgas 12 eine Wärmeleistung einer (nicht gezeigten) Batterie, eines (nicht gezeigten) Fahrzeugnebenaggregats und/oder einer (nicht gezeigten) Fahrzeugkomponente, beispielsweise ein Abgasstrom eines Katalysators, sein.
Die Wärmesenke 14 kann dagegen aus der Gruppe von Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und Kombinationen derselben gewählt sein. Die Wärmesenke 14 kann zum Beispiel auch ein Gas sein, beispielsweise ein verhältnismäßig kühlerer Teil von Abgasemissionen des Fahrzeugs (nicht gezeigt) oder von Umgebungsluft in einer Umgebung außerhalb des Fahrzeugs. D. h. die Wärmesenke 14 kann die gleiche Zusammensetzung wie das Abgas 12 oder eine andere Zusammensetzung als das Abgas 12 haben. Bei einer Abwandlung können das Abgas 12 und die Wärmesenke 14 jeweils Abgasemissionen in Form eines Gases von einem Fahrzeug sein, doch kann sich das Abgas 12 stromaufwärts der Wärmesenke 14 befinden und die erste Temperatur T₁ haben, die höher als die zweite Temperatur T₂ ist. D. h., dass wie vorstehend ausgeführt die Wärmesenke 14 Gas sein kann, das sich stromabwärts des Abgases 12 befindet und kühler als dieses ist. Oder die Wärmesenke 14 kann eine umliegende Umgebung außerhalb des (nicht gezeigten) Fahrzeugs sein, beispielsweise ein verhältnismäßig kühler Luftstrom über dem Fahrzeug während Fortbewegung des Fahrzeugs. Alternativ kann die Wärmesenke 14 eine andere Form oder Phase als das Abgas 12 haben. Zum Beispiel kann die Wärmesenke 14 eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Kühlmittel, sein.
Unter erneutem Bezug auf 1 umfasst die Abgasanlage 10 auch eine Leitung 16, die zum Befördern des Abgases 12 ausgestaltet ist. Zum Beispiel kann die Leitung 16 ein Rohr oder ein biegsamer Schlauch sein, das/der zum Befördern des Abgases 12 entlang einer Achse 18 ausgestaltet ist. Auch wenn die Leitung 16 eine beliebige Form oder Konfiguration haben kann, kann die Leitung 16 in einer Abwandlung ein zylindrisches Hohlrohr sein, das zum Weiterleiten des Abgases 12 von einer Fahrzeugkomponente zu einer anderen ausgestaltet ist. Zum Beispiel kann die Leitung 16 ein Abgasrohr des Fahrzeugs sein und kann das Abgas 12 und die damit einhergehende überschüssige Wärme weg von der (nicht gezeigten) Fahrzeugmaschine hin zu der Wärmesenke 14, z. B. zur Atmosphäre außerhalb des (nicht gezeigten) Fahrzeugs, lenken.
Unter weiterem Bezug auf 1 umfasst die Abgasanlage 10 auch eine Wärmekraftmaschine 20. Die Wärmekraftmaschine 20 ist ausgestaltet, um thermische Energie, z. B. Wärme, in mechanische Energie umzuwandeln, wie es nachstehend ausführlicher dargelegt wird. Im Einzelnen umfasst die Wärmekraftmaschine 20 ein erstes Element 22, das aus einer ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, die eine kristallographische Phase aufweist, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 bei einer ersten Umwandlungstemperatur T_trans1 zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. D. h. die erste Formgedächtnislegierung kann eine spezifische Umwandlungstemperatur T_trans1 haben, bei der die erste Formgedächtnislegierung zwischen kristallographischen Phasen wechselt.
Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff ”Formgedächtnislegierung” Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt aufweisen und die Fähigkeit haben, Eigenschaften im Sinne von Steifheit, Federkonstante und/oder Formstabilität schnell zu ändern. Das heißt, die erste Formgedächtnislegierung kann einen kristallographischen Phasenwechsel aus dem festen Zustand über eine molekulare oder kristalline Umordnung erfahren, um zwischen einer Martensitphase, d. h. ”Martensit”, und einer Austenitphase, d. h. ”Austenit”, zu wechseln. Anders ausgedrückt kann die erste Formgedächtnislegierung eine displazive Umwandung statt einer diffusionellen Umwandung erfahren, um zwischen Martensit und Austenit zu wechseln. Eine displazive Umwandlung ist als strukturelle Änderung definiert, die durch die koordinierte Bewegung von Atomen oder Gruppen von Atomen relativ zu benachbarten Atomen oder Gruppen von Atomen auftritt. Im Allgemeinen bezieht sich die Martensitphase auf die Phase mit vergleichsweise niedrigerer Temperatur und ist häufig stärker verformbar als die Austenitphase mit vergleichsweise höherer Temperatur.
Die Temperatur, bei der die erste Formgedächtnislegierung beginnt, von der Austenitphase in die Martensitphase zu wechseln, ist als die Martensitstarttemperatur M_s bekannt. Die Temperatur, bei der die erste Formgedächtnislegierung den Wechsel von der Austenitphase in die Martensitphase abschließt, ist als die Martensitendtemperatur M_f oder erste Umwandlungstemperatur T_trans1 bekannt. Wenn die erste Formgedächtnislegierung erwärmt wird, ist analog die Temperatur, bei der die erste Formgedächtnislegierung beginnt, von der Martensitphase in die Austenitphase zu wechseln, als die Austenitstarttemperatur A_s bekannt. Die Temperatur, bei der die erste Formgedächtnislegierung den Wechsel von der Martensitphase in die Austenitphase abschließt, ist als die Austenitendtemperatur A_f oder erste Umwandlungstemperatur T_trans1 bekannt.
Daher kann das erste Element 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, durch einen kalten Zustand, d. h. wenn eine Temperatur der ersten Formgedächtnislegierung unterhalb der Martensitendtemperatur M_f oder der ersten Umwandlungstemperatur T_trans1 der ersten Formgedächtnislegierung liegt, charakterisiert sein. Analog kann das erste Element 22 auch durch einen heißen Zustand, d. h. wenn die Temperatur der ersten Formgedächtnislegierung oberhalb der Austenitendtemperatur A_f oder der ersten Umwandlungstemperatur T_trans1 der ersten Formgedächtnislegierung liegt, charakterisiert sein.
Bei Betrieb kann die Formgedächtnislegierung, die vorgedehnt oder Zugspannung unterzogen wird, bei Ändern der kristallographischen Phase die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. D. h. wenn sie der Quelle thermischer Energie ausgesetzt wird, kann die erste Formgedächtnislegierung bei Ändern der kristallographischen Phase die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Insbesondere kann die erste Formgedächtnislegierung als Reaktion auf das Abgas 12 die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit wechseln und kann sich dadurch an einem örtlich begrenzten Bereich (in 1 allgemein bei 24 dargestellt) maßlich zusammenziehen, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Genauer gesagt kann sich die erste Formgedächtnislegierung maßlich zusammenziehen, wenn die erste Formgedächtnislegierung zuvor pseudoplastisch vorgedehnt wurde. Der Begriff ”pseudoplastisch vorgedehnt” bezeichnet ein Strecken, z. B. ein Dehnen, des ersten Elements 22 unter Last, während sich die erste Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet. Die Form der ersten Formgedächtnislegierung unter Last wird nicht vollständig wiederhergestellt, wenn das erste Element 22 entlastet wird. Eine Form des ersten Elements 22 kann dagegen, wenn es unter rein elastischer Dehnung gedehnt wurde, vollständig wiederhergestellt werden. Daher scheint sich das erste Element 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, bei Entlasten plastisch verformt zu haben, doch wenn das erste Element 22 auf die Austenitstarttemperatur A_s erwärmt wird, kann die gedehnte Form wiederhergestellt werden, so dass das erste Element 22 zu einer ursprünglichen Länge zurückkehrt. D. h. es ist möglich, die erste Formgedächtnislegierung derart zu belasten, dass eine Grenze der elastischen Dehnung der ersten Formgedächtnislegierung überschritten wird und eine Verformung in der martensitischen Kristallstruktur der ersten Formgedächtnislegierung stattfindet, bevor eine wahre Grenze der plastischen Dehnung der ersten Formgedächtnislegierung überschritten wird. Eine Dehnung dieser Art zwischen der Grenze der elastischen Dehnung und der wahren Grenze der elastischen Dehnung ist pseudoplastische Dehnung.
Daher kann das erste Element 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, vor dem Einbau in die Wärmekraftmaschine 20 gestreckt werden, so dass die Nennlänge der ersten Formgedächtnislegierung die wiederherstellbare pseudoplastische Dehnung umfasst. Eine solche wiederherstellbare pseudoplastische Dehnung kann Bewegung zum Betätigen und/oder Antreiben der Wärmekraftmaschine 20 vorsehen. Ohne Vordehnen der ersten Formgedächtnislegierung kann daher während des Wechsels der kristallographischen Phase wenig Verformung auftreten. Weiterhin kann das erste Element 22 einer Zugkraft ausgesetzt werden, die von einem Vorspannmechanismus, beispielsweise einer Feder oder einem gespannten Austenitteilstück aus der ersten Formgedächtnislegierung, vorgesehen wird, um einen Wechsel der kristallographischen Phase zu bewirken.
Umgekehrt kann die erste Formgedächtnislegierung als Reaktion auf die Wärmesenke 14 die kristallographische Phase von Austenit zu Martensit wechseln, um sich dadurch an dem örtlich begrenzten Bereich 24 maßlich auszudehnen. Wenn zum Beispiel die erste Formgedächtnislegierung einer Zugspannung und der zweiten Temperatur T₂ unterzogen wird, kann sich die erste Formgedächtnislegierung maßlich ausdehnen. Die erste Formgedächtnislegierung kann dadurch durch abwechselndes Ausdehnen und Zusammenziehen thermische Energie in mechanische Energie umwandeln. D. h. die erste Formgedächtnislegierung kann sich als Reaktion auf die zweite Temperatur T₂ an dem örtlich begrenzten Bereich 24 abwechselnd maßlich ausdehnen und sich als Reaktion auf die erste Temperatur T₁ an dem örtlich begrenzten Bereich 24 maßlich zusammenziehen, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, wie nachstehend ausführlicher dargelegt wird.
Die erste Formgedächtnislegierung kann eine beliebige geeignete Zusammensetzung haben. Insbesondere kann die erste Formgedächtnislegierung in Kombination ein Element umfassen, das aus der Gruppe von Kobalt, Nickel, Titan, Indium, Mangan, Eisen, Palladium, Zink, Kupfer, Silber, Gold, Cadmium, Zinn, Silizium, Platin und Gallium ausgewählt ist. Zum Beispiel können geeignete erste Formgedächtnislegierungen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Mangan-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und Kombinationen einer oder mehrerer dieser Kombinationen umfassen. Die erste Formgedächtnislegierung kann binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die erste Formgedächtnislegierung einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, Dämpfungskapazität und dergleichen, aufweist. Die erste Formgedächtnislegierung kann gemäß erwünschten Betriebstemperaturen der Abgasanlage 10 gewählt werden, wie nachstehend ausführlicher dargelegt wird. In einem spezifischen Beispiel kann die erste Formgedächtnislegierung Nickel und Titan umfassen.
Weiterhin kann das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildete erste Element 22 eine beliebige geeignete Form, d. h. Gestalt, haben. Zum Beispiel kann das erste Element 22 eine Form eines formveränderlichen Elements haben. D. h. das erste Element 22 kann eine Form aufweisen, die aus der Gruppe von Federn, Bändern, Drähten, Streifen, durchgehende Schleifen und Kombinationen davon ausgewählt ist. Unter Bezugnahme auf 1 kann in einer Abwandlung das erste Element 22 als durchgehende Schleife ausgestaltet sein.
Unter Bezug nun auf 2 kann die Abgasanlage 10 in einer anderen Abwandlung mindestens ein zweites Element 26 aufweisen, das aus einer zweiten Formgedächtnislegierung gebildet ist, die eine kristallographische Phase aufweist, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 bei einer zweiten Umwandlungstemperatur T_trans2 zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. D. h. die Abgasanlage 10 kann mehrere Elemente 22, 26 umfassen, und die Elemente 22, 26 können aus den gleichen oder aus unterschiedlichen Formgedächtnislegierungen gebildet sein. Das zweite Element 26 kann so ausgewählt werden, dass die zweite Umwandlungstemperatur T_trans2 niedriger als die erste Umwandlungstemperatur T_trans1 des ersten Elements 22 ist. Daher kann die zweite Formgedächtnislegierung bei einer niedrigeren Temperatur zwischen Austenit und Martensit wechseln, wie nachstehend ausführlicher dargestellt wird.
Bei der Abwandlung, die mehrere Elemente 22, 26 umfasst, kann jedes der Elemente 22, 26 eine andere Umwandlungstemperatur T_trans haben, bei der die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechselt. D. h. jedes Element 22, 26 kann die kristallographische Phase bei einer anderen Umwandlungstemperatur T_trans wechseln, kann aber mit anderen Elementen 22, 26 zusammenwirken, kann z. B. die Abgabe mechanischer Energie kombinieren, um eine maximale Menge mechanischer Energie zu erzeugen.
Bei einer anderen Abwandlung kann das erste Element 22 weiterhin mindestens die zweite Umwandlungstemperatur T_trans2 entlang einer Dicke des ersten Elements 22 aufweisen, bei der die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechselt. D. h. das erste Element 22 kann mehrere Umwandlungstemperaturen T_trans entlang der Dicke des ersten Elements 22 aufweisen, bei der die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechselt. Daher können ein oder mehrere Abschnitte des ersten Elements 22 die kristallographische Phase vor einem anderen Abschnitt des ersten Elements 22 wechseln. In einer noch anderen Abwandlung kann das erste Element 22 mehrere gleichzeitige Wechsel der kristallographischen Phase entlang der Dicke des ersten Elements 22 umfassen.
Wie unter Bezug auf 1 und 2 beschrieben und nachstehend näher dargelegt kann bei Betrieb die erste Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln, wenn sie in thermischer Beziehung mit einem von Abgas 12 und Wärmesenke 14 steht. Zum Beispiel kann bei thermischer Beziehung mit dem Abgas 12 die erste Formgedächtnislegierung von Martensit nach Austenit wechseln. Bei thermischer Beziehung mit der Wärmesenke 14 kann die erste Formgedächtnislegierung analog von Austenit nach Martensit wechseln.
Die erste Formgedächtnislegierung kann thermische Energie in mechanische Energie über irgendeine geeignete Weise umwandeln. Zum Beispiel kann das erste Element 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, ein Scheibensystem aktivieren (das in 1 und 2 allgemein gezeigt und nachstehend ausführlicher dargelegt wird), einen Hebel (nicht gezeigt) in Eingriff bringen, ein Schwungrad (nicht gezeigt) rotieren, eine Schraube (nicht gezeigt) in Eingriff bringen, und dergleichen.
Unter erneutem Bezug auf die Wärmekraftmaschine 20 von 1 ist die Wärmekraftmaschine 20 in thermischer Beziehung, z. B. in Wärmetauschbeziehung, mit der Leitung 16 angeordnet. Wie in 1 gezeigt kann die Wärmekraftmaschine 20 zum Beispiel benachbart zu der Leitung 16 angeordnet sein, so dass thermische Energie von der Leitung 16 zu der Wärmekraftmaschine 20 übergehen kann.
Unter erneutem Bezug auf 1 und 2 kann die Abgasanlage 10 auch einen Generator 28 umfassen. Der Generator 28 kann zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrischen Strom (in den 1 und 2 allgemein durch Bezugszeichen 30 dargestellt) ausgestaltet sein. Der Generator 28 kann irgendeine geeignete Einrichtung zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrischen Strom 30 sein. Zum Beispiel kann der Generator 28 ein Stromgenerator sein, der mechanische Energie unter Verwendung elektromagnetischer Induktion in elektrischen Strom 30 umwandelt, und kann einen Rotor (nicht gezeigt) umfassen, der mit Bezug auf einen Stator (nicht gezeigt) dreht. Daher kann thermische Energie gewonnen und zu mechanischer Energie und/oder elektrischem Strom 30 zur Wiederverwendung durch die (nicht gezeigte) Maschine und/oder Speicherung in einer (nicht gezeigten) Batterie des (nicht gezeigten) Fahrzeugs umgewandelt werden.
Unter Bezug auf 1 und 2 kann der Generator 28 durch die Wärmekraftmaschine 20 angetrieben werden. Das heißt, mechanische Energie, die aus der Umwandlung thermischer Energie durch das erste Element 22 resultiert, kann den Generator 28 antreiben. Insbesondere können das vorstehend erwähnte maßliche Zusammenziehen und maßliche Ausdehnen des ersten Elements 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, den Generator 28 antreiben, wie nachstehend ausführlicher dargelegt wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann in einem nicht einschränkenden Beispiel das erste Element 22 in einer durchgehenden Schleife ausgestaltet sein. In diesem Beispiel kann die Wärmekraftmaschine 20 mehrere Scheiben 32, 34 oder Räder umfassen, die zum Lagern des ersten Elements 22 ausgestaltet sind. Die Wärmekraftmaschine 20 kann auch einen Rahmen 36 umfassen, der zum Lagern der mehreren Scheiben 32, 34 oder Räder ausgestaltet ist. Zum Beispiel können die mehreren Scheiben 32, 34 oder Räder an mehreren Achselementen 38, 40 angeordnet sein und können bezüglich des Rahmens 36 drehen. Das erste Element 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, kann von den Rädern oder Scheiben 32, 34 gelagert sind und sich entlang derselben fortbewegen. D. h. die durchgehende Schleife kann bei dieser Abwandlung entlang der mehreren Scheiben 32, 34 umsetzen.
Unter weiterem Bezug auf 1 kann die Drehzahl der Räder oder Scheiben 32, 34 wahlweise durch einen oder mehrere Zahnradsätze 42 abgewandelt werden. Darüber hinaus kann der Generator 28 eine Antriebswelle 44 umfassen, die an dem Rad oder der Scheibe 32 angebracht ist. Wenn die Räder oder Scheiben 32, 34 als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen des ersten Elements 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, um die jeweiligen Achselemente 38, 40 der Wärmekraftmaschine 20 rotieren oder drehen, kann die Antriebswelle 44 drehen und den Generator 28 antreiben. D. h. wie unter Bezug auf 1 beschrieben kann die erste Formgedächtnislegierung sich als Reaktion auf die zweite Temperatur T₂ an dem örtlich begrenzten Bereich 46 abwechselnd maßlich ausdehnen und sich als Reaktion auf die erste Temperatur T₁ an dem örtlich begrenzten Bereich 24 maßlich zusammenziehen, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und den Generator 28 anzutreiben. Der Generator 28 kann dann elektrischen Strom 30 erzeugen, so dass mechanische Energie in elektrischen Strom 30 umgewandelt wird.
In einem anderen, wenngleich nicht gezeigten nicht einschränkenden Beispiel kann die Abgasanlage 10 das erste Element 22 in einer Konfiguration mit geradem Draht umfassen. Zum Beispiel kann die Wärmekraftmaschine 20 der Abgasanlage 10 in einer Abwandlung als linearer Aktor für den Generator 28 ausgestaltet sein. Der lineare Aktor kann verwendet werden, um eine Hin- und Herbewegung eines sich in einem Magnetfeld bewegenden Leiters direkt umzuwandeln. Bei dieser Abwandlung kann das erste Element 22 als zwei gerade Drähte ausgestaltet sein, die mit einem (nicht gezeigten) Dauermagnet verbunden sind. Wenn die Formgedächtnislegierung erwärmt wird, z. B. wenn sie der ersten Temperatur T₁ des Abgases 12 ausgesetzt wird, zieht sich das erste Element 22 maßlich zusammen. Das Zusammenziehen bewegt den Dauermagnet und induziert eine elektrische Spannung in (nicht gezeigten) Windungen des Generators 28. Wird sie anschließend der Wärmesenke 14 ausgesetzt, kühlt die erste Formgedächtnislegierung ab und das erste Element 22 dehnt sich maßlich aus. Dann dehnt sich das erste Element 22 weiter maßlich aus und zieht sich weiter maßlich zusammen, solange eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 besteht.
Ferner kann die Wärmekraftmaschine 20 ausgestaltet sein, um als Schwungscheibe zu wirken, so dass während ausgewählter Betriebsbedingungen eine Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie umgangen werden kann. Während solcher Betriebsbedingungen kann jede kinetische Energie der Wärmekraftmaschine 20 ohne erforderliche Eingabe von thermischer Energie dennoch gewonnen werden. Daher kann das erste Element 22 bei dieser Abwandlung vor Beschädigung geschützt sein, wenn die Drehzahl der Wärmekraftmaschine und Wärmeübertragungsraten nicht synchronisiert sind.
Wenngleich dies nicht gezeigt ist, kann die Wärmekraftmaschine 20 weiterhin auch Reinigungskomponenten, z. B. Bürsten, umfassen, die zum Reinigen und/oder Abkratzen des ersten Elements 22 der Wärmekraftmaschine 20 ausgestaltet sind. Da die Abgasanlage 10 in beanspruchender und/oder schmutziger Umgebung betrieben werden kann, können die Reinigungskomponenten zum Beispiel Korrosion und abgelagerten Schmutz entfernen, so dass die Wärmekraftmaschine 20 effizient arbeitet. Ferner kann die Wärmekraftmaschine 20 abhängig von der erwünschten Anwendung auch andere Betriebskomponenten, beispielsweise Dauermagneten, Klappen und Federn, umfassen.
Unter erneutem Bezug auf 1 kann die Wärmekraftmaschine 20 auch eine Kupplung (allgemein durch Pfeile 48 dargestellt) umfassen, die zum Verhindern eines Betriebs der Wärmekraftmaschine 20 in einer nicht erwünschten Betriebsrichtung, z. B. gegen den Uhrzeigersinn oder nach links, ausgestaltet ist. D. h. die Kupplung 48 kann einen Ratschenmechanismus umfassen, um die Wärmekraftmaschine 20 nur in der erwünschten Betriebsrichtung arbeiten zu lassen. Die Kupplung 48 kann daher als ”Einweg” charakterisiert sein und kann sicherstellen, dass die Wärmekraftmaschine 20 nicht ”rückwärts angetrieben” wird.
Unter Bezug nun auf 2 kann die Abgasanlage 10 in einer Abwandlung mehrere Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 umfassen. Zum Beispiel kann die Abgasanlage 10 zwei oder mehr Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 umfassen. Weiterhin können mehrere Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 in Reihe und/oder parallel entlang einer Länge der Leitung 16 angeordnet sein. Zum Beispiel können die mehreren Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 in kaskadierender Folge entlang der Länge der Leitung 16 angeordnet sein, so dass verhältnismäßig kühleres Gas, d. h. die Wärmesenke 14, von einer ersten Wärmekraftmaschine 120 als das Abgas 12 für eine zweite Wärmekraftmaschine 20 wirkt, um maximale thermische Energie aus dem Abgas 12 zu gewinnen.
In einer Konfiguration können mehrere Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 entlang der Länge der Leitung 16 angeordnet sein, um mittels Wahl von Konstruktion und Formgedächtnislegierung einzeln abgestimmt zu werden, um gemäß geringen Temperaturänderungen entlang der Länge der Leitung 16 optimal zu arbeiten. D. h. die mehreren Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 können in einer zweistufigen axialen Kaskadenkonfiguration angeordnet sein, um Temperaturdifferenzen entlang der Achse 18 der Leitung 16 zu nutzen. Zum Beispiel kann eine Wärmekraftmaschine 20, d. h. eine erste Stufe, stromabwärts einer zweiten Wärmekraftmaschine 120, d. h. einer zweiten Stufe, angeordnet sein. Im Einzelnen können drei Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 an einer ersten Position mit der ersten Temperatur T₁, einer zweiten Position mit der zweiten Temperatur T₂, die höher als die erste Temperatur T₁ ist, und einer dritten Position mit einer dritten Temperatur T₃, die höher als jede von erster Temperatur T₁ und zweiter Temperatur T₂ ist, angeordnet sein. D. h. das Abgas 12 kann sich von der dritten Position zu der ersten Position leicht abkühlen. Bei jeder Position kann ein Spalt zwischen der Leitung 16 und den jeweiligen Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 variieren, um die relativen Temperaturdifferenzen zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann ein Spalt an der dritten Position größer als die Spalte an jeder von erster und zweiter Position sein. Alternativ oder zusätzlich können die drei Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 drei jeweilige Elemente 22, 26, 50 aufweisen, die aus drei jeweiligen Formgedächtnislegierungen ausgebildet sind, die eine jeweilige erste, zweite und dritte Umwandlungstemperatur T_trans1, T_trans2, T_trans3 haben. Daher können die mehreren Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 gewählt werden, um die kristallographische Phase bei unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen T_trans gemäß einer Position und Temperatur des Abgases 12 und/oder der Wärmesenke 14 entlang der Achse 18 der Leitung 16 zu wechseln.
In einer anderen, wenngleich nicht gezeigten Konfiguration können die mehreren Wärmekraftmaschinen 20, 120 in einer zweistufigen radialen Kaskadenkonfiguration angeordnet sein, um radiale Temperaturdifferenzen, d. h. Temperaturdifferenzen aufgrund von radialer Beabstandung von der Achse 18 der Leitung 16, zu nutzen. Zum Beispiel kann eine Wärmekraftmaschine 20, d. h. die erste Stufe, radial näher zu der Leitung 16 als eine zweite Wärmekraftmaschine 120, d. h. die zweite Stufe, angeordnet sein.
In beiden vorstehenden nicht einschränkenden beispielhaften Konfigurationen können die erste Stufe und die zweite Stufe in thermischer Beziehung miteinander angeordnet sein, können zusammenwirken und/oder können unabhängig wirken. Zum Beispiel können die mehreren Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 ein Element 22 gemeinsam verwenden.
Unter erneutem Bezug auf 1 und 2 umfasst die Abgasanlage 10 auch ein Bauteil 52, das in Kontakt mit der Leitung 16 angeordnet ist und zum Leiten von thermischer Energie von der Leitung 16 zu der Wärmekraftmaschine 20 ausgestaltet ist. Zum Beispiel kann das Bauteil 52 thermische Energie mittels Leitung zu der Wärmekraftmaschine 20 übertragen. D. h. um die Abgabe mechanischer Energie und/oder elektrischen Stroms der Wärmekraftmaschine 20 zu optimieren, muss die von dem Abgas 12 zu der Wärmekraftmaschine 20 übertragene Menge von überschüssiger Wärme maximiert werden. Eine solche Optimierung kann durch Minimieren von Wärme, die durch Abgeben von Abwärme z. B. zu der Wärmesenke 14 verloren geht, Leiten von Wärme von dem Abgas 12 zu der Wärmekraftmaschine 20 und/oder Optimieren einer Wärmeübertragungsrate von dem Abgas 12 zu dem ersten Element 22 verwirklicht werden. Daher kann das Bauteil 52 eine solche Optimierung ermöglichen.
Im Einzelnen kann das Bauteil 52 aus einem beliebigen leitenden Material gebildet sein, das zum Übertragen von thermischer Energie von dem Abgas 12 zu dem ersten Element 22 der Wärmekraftmaschine 20 geeignet ist. D. h. das Bauteil 52 kann ausgestaltet sein, um thermische Energie mittels Leitung von der Leitung 16 zu der Wärmekraftmaschine 16 zu übertragen. Zum Beispiel kann das Bauteil 52 aus einem Metall mit einer ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit ausgebildet sein. Wie in 1 gezeigt ist, ist das Bauteil 52 in Kontakt mit der Leitung 16 angeordnet, um Wärme in Richtung der Pfeile 54 zwischen der Leitung 16 und dem ersten Element 22 zu übertragen.
Wie in 1 und 2 gezeigt kann das Bauteil 52 weiterhin mehrere kontaktierende Objekte 56, die zum Kontaktieren des ersten Elements 22 ausgestaltet sind, umfassen, um dadurch die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit zu wechseln. Die mehreren kontaktierenden Objekte 56 können zum Beispiel biegsame Borsten sein, können sich von dem Bauteil 52 erstrecken und können die Leitung 16 kontaktieren, um zwischen dem Abgas 12, dem ersten Element 22 und/oder dem Bauteil 52 der Abgasanlage 10 ein Leiten zu bewirken. In einem anderen Beispiel können die mehreren kontaktierenden Objekte 56 Rollen sein, die ausgestaltet sind, um mit dem ersten Element 22 in Eingriff zu treten. Das Bauteil 52 kann in Wärmeübertragungsbeziehung mit der Leitung 16a angeordnet sein, und die mehreren kontaktierenden Objekte 56 können in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem ersten Element 22 angeordnet sein. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, können sich die mehreren kontaktierenden Objekte 60 von dem ersten Element 22 erstrecken. Zum Beispiel kann das erste Element 22 mehrere biegsame Borsten umfassen.
Unter erneutem Bezug auf 1 versteht sich, dass die Wärmekraftmaschine 20 in der Abgasanlage 10 in einer beliebigen Konfiguration oder Anordnung angeordnet sein kann. Auch wenn dies in 1 und 2 nicht gezeigt ist, kann/können das Bauteil 52 und/oder die kontaktierenden Objekte 56 also in thermischer Beziehung mit einem Abschnitt des ersten Elements 22, der über ein Rad oder eine Scheibe 32 gewickelt ist, angeordnet sein. Wie in 1 und 2 gezeigt ist, kann/können alternativ das Bauteil 52 und/oder die kontaktierenden Objekte 56 in thermischer Beziehung mit einem Abschnitt des ersten Elements 22, der eine Strecke zwischen zwei Rädern oder Scheiben 32, 34 überspannt, angeordnet sein.
Unter erneutem Bezug auf 1 kann die Abgasanlage 10 weiterhin einen Isolator 58 umfassen, der in Kontakt mit der Leitung 16 angeordnet ist und zum thermischen Isolieren der Leitung 16 und des Bauteils 52 ausgestaltet ist. In einer in 1 gezeigten Abwandlung kann der Isolator 58 in Kontakt mit dem Bauteil 52 angeordnet sein. D. h. der Isolator 58 kann zumindest teilweise die Leitung 16 und/oder das Bauteil 52 umgeben, um die Wärmeübertragung zu der Atmosphäre außerhalb der Leitung 16 zu minimieren. Der Isolator 58 kann aus jedem geeigneten isolierenden Material gebildet sein, das Abwärme von der Leitung 16 absorbieren und/oder speichern kann, beispielsweise aber nicht ausschließlich eine Keramik.
Unter weiterem Bezug auf 1 kann die Abgasanlage 10 weiterhin eine Einrichtung 60 umfassen, die zum Anpassen der Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 ausgestaltet ist. Zum Beispiel kann die Einrichtung 60 Lufteinlässe, Schaufeln, Käfigläuferlüfter, Luftkreiselpumpen und dergleichen zum Leiten von Fluidstrom über das erste Element 22 umfassen, um dadurch eine Temperatur des ersten Elements 22 zu ändern. Zum Beispiel kann die Einrichtung 60 so ausgerichtet sein, dass Luft von außerhalb der Abgasanlage 10 und/oder verhältnismäßig kühleres Abgas 12 über das erste Element 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, strömen kann. Wenn die Einrichtung 60 die Temperatur des ersten Elements 22 ändert, kann sich das erste Element 22 maßlich ausdehnen und eine Bewegung der Wärmekraftmaschine 20 in der erwünschten Betriebsrichtung veranlassen. Daher kann der Wärmestrom 54 (1) auf einen Bereich, z. B. den örtlich begrenzten Bereich, der durch Pfeil 24 dargestellt ist, verglichen mit einem anderen Bereich, z. B. einem anderen örtlich begrenzten Bereich, der durch Pfeil 46 dargestellt ist, durch die Abluftklappen oder Schaufeln vergrößert werden.
Bei Betrieb und wie mit allgemeinem Bezug auf 1 und 2 beschrieben ist, können die Wärmekraftmaschine 20 und insbesondere das erste Element 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, wie vorstehend dargelegt in thermischer Beziehung mit sowohl dem Abgas 12 als auch der Wärmesenke 14 angeordnet werden. D. h. das erste Element 22 kann relativ zu sowohl dem Abgas 12 als auch der Wärmesenke 14 angeordnet werden, um auf die erste Temperatur T₁ und/oder die zweite Temperatur T₂ zu reagieren. Zum Beispiel kann das erste Element 22 der Wärmekraftmaschine 20 in Kontakt mit den mehreren kontaktierenden Objekten 56 des Bauteils 52 angeordnet werden, um den Wechsel der kristallographischen Phase der ersten Formgedächtnislegierung mittels Leiten zu bewirken.
Daher kann die erste Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln, wenn sie in thermischer Beziehung mit einem von Abgas 12 und Wärmesenke 14 steht. Zum Beispiel kann bei thermischer Beziehung mit dem Abgas 12 die erste Formgedächtnislegierung von Martensit nach Austenit wechseln. Bei thermischer Beziehung mit der Wärmesenke 14 kann die erste Formgedächtnislegierung analog von Austenit nach Martensit wechseln.
Ferner kann die erste Formgedächtnislegierung nach dem Wechsel der kristallographischen Phase die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Genauer gesagt kann sich die erste Formgedächtnislegierung, z. B. wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei Wechseln der kristallographischen Phase von Martensit nach Austenit maßlich zusammenziehen und kann sich bei Wechseln der kristallographischen Phase von Austenit nach Martensit maßlich ausdehnen, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Deshalb kann sich die erste Formgedächtnislegierung für jede Bedingung, bei der die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur T₁ des Abgases 12 und der zweiten Temperatur T₂ der Wärmesenke 14 vorhanden ist, d. h. wobei das Abgas 12 und die Wärmesenke 14 nicht in thermischem Gleichgewicht sind, nach Wechsel der kristallographischen Phase zwischen Martensit und Austenit maßlich ausdehnen und zusammenziehen. Ferner kann der Wechsel der kristallographischen Phase der ersten Formgedächtnislegierung ausreichend sein, um den Generator 28 anzutreiben.
Unter Bezug auf die Abgasanlage von 1 steht während des Startens und Dauerbetriebs der Wärmekraftmaschine 20 der örtlich begrenzte Bereich 24 in thermischer Beziehung, z. B. in Kontakt mit, dem Abgas 12, während ein anderer örtlich begrenzter Bereich 46 mit der Wärmesenke 14 in thermischer Beziehung steht, um einen Wechsel der kristallographischen Phase der ersten Formgedächtnislegierung zu bewirken. Wenn sich der andere örtlich begrenzte Bereich 46 der ersten Formgedächtnislegierung maßlich ausdehnt, z. B. maßlich streckt, wenn er unter Spannung ist, zieht sich bei thermischer Beziehung mit der Wärmesenke 14 der örtlich begrenzte Bereich (im Allgemeinen durch Pfeil 24 angezeigt) der ersten Formgedächtnislegierung in thermischer Beziehung mit dem Abgas 12 maßlich zusammen, wenn er zuvor pseudoplastisch vorgedehnt wurde. Ein abwechselndes maßliches Zusammenziehen und Ausdehnen der durchgehenden Federschleifenform des ersten Elements 22 bei Einwirken der ersten Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 kann potentielle mechanische Energie in kinetische mechanische Energie umwandeln und dadurch thermische Energie in mechanische Energie umwandeln. Daher werden für optimalen Wirkungsgrad der Abgasanlage 10 das Abgas 12 und die Wärmesenke 14 wünschenswerterweise schnell aufgefrischt, um die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 beizubehalten.
Unter erneutem Bezug auf 1 kann die Wärmekraftmaschine 20 an jeder Stelle in der Abgasanlage 10 positioniert sein, solange Abschnitte des ersten Elements 22 während Betrieb in thermischer Beziehung mit einem jeweiligen Abgas 12 und einer jeweiligen Wärmesenke 14 angeordnet sind, so dass die erste Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase als Reaktion auf mindestens eines von Abgas 12, Wärmesenke 14 und Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 wechseln kann. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, versteht sich, dass die Abgasanlage 10 zusätzliche Erfassungs- und Steuerungskomponenten, z. B. eine elektrische Steuereinheit, umfassen kann. Die elektronische Steuereinheit kann in funktioneller Verbindung mit der Abgasanlage 10 stehen und kann zum Regeln der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie und/oder elektrischen Strom 30 ausgestaltet sein. Die elektronische Steuereinheit kann z. B. ein Computer sein, der elektronisch mit einer oder mehreren Steuereinrichtungen und/oder Sensoren der Abgasanlage 10 kommuniziert. Zum Beispiel kann die elektronische Steuereinheit mit einem oder mehreren von einem Temperatursensor des Abgases 12, einem Temperatursensor der Wärmesenke 14, einem Drehzahlregler des Generators 28, Fluiddurchflusssensoren, Aktoren und Messeinrichtungen, die zum Überwachen der Erzeugung elektrischen Stroms ausgestaltet sind, kommunizieren und/oder diese steuern.
Weiterhin kann die Abgasanlage 10 wie in 1 und 2 gezeigt, auch ein Übertragungsmedium 62 umfassen, das zum Leiten von elektrischem Strom 30 von der Abgasanlage 10, z. B. von dem Generator 28, ausgestaltet ist. Das Übertragungsmedium 62 kann zum Beispiel eine Stromleitung oder ein elektrisch leitendes Kabel sein. Das Übertragungsmedium 62 kann elektrischen Strom 30 von dem Generator 28 zu einer Speichervorrichtung, z. B. einer (nicht gezeigten) Batterie, einem Akkumulator und/oder einem Stromabnehmer, leiten. Zum Beispiel kann die Abgasanlage 10 elektrischen Strom 30 gemäß Bedarfsschwankungen erzeugen, speichern und/oder leiten.
Es versteht sich auch, dass bei allen vorstehend erwähnten Beispielen, Abwandlungen oder Konfigurationen die Abgasanlage 10 mehrere Wärmekraftmaschinen 20, 120, 220 Elemente 22, 26, 50 und/oder Generatoren 28 umfassen kann. D. h. eine Abgasanlage 10 kann mehr als eine Wärmekraftmaschine 20, 120, 220, ein Element 22, 26, 50 und/oder einen Generator 28 umfassen. Zum Beispiel kann eine Wärmekraftmaschine 20 mehr als einen Generator 28 antreiben.
Unter Bezug nun auf 3 umfasst die Abgasanlage 10 in einer anderen Abwandlung mehrere Leitungen 16, die jeweils zum Befördern des Abgases 12 entlang der Achse 18 ausgestaltet sind. Die Leitungen 16 können in einer beliebigen Konfiguration, die für eine erwünschte Anwendung geeignet ist, angeordnet sein. Zum Beispiel können wie in 3 gezeigt die mehreren Leitungen 16 um die Achse 18 radial angeordnet und von dieser beabstandet sein.
Bei dieser Abwandlung umfasst die Abgasanlage 10 weiterhin mehrere Wärmekraftmaschinen 20 (4). Jede der mehreren Wärmekraftmaschinen 20 umfasst das erste Element 22, das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, die eine kristallographische Phase aufweist, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 bei der ersten Umwandlungstemperatur T_trans1 zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. Wie am besten in 3 gezeigt ist, ist weiterhin jedes der mehreren Elemente 22 innerhalb einer jeweiligen der mehreren Leitungen 16 angeordnet. Daher kann jedes der mehreren Elemente 22 in thermischer Beziehung, z. B. Wärmetauschbeziehung, mit einem jeweiligen der mehreren Elemente 22 in der Leitung 16 angeordnet sein.
Unter erneutem Bezug auf 4 umfasst die Abgasanlage 10 dieser Abwandlung auch mehrere Bauteile 52. Jedes der mehreren Bauteile 52 ist in Kontakt mit einer jeweiligen der mehreren Leitungen 16 angeordnet und ist zum Leiten von thermischer Energie von der jeweiligen Leitung 16 zu der jeweiligen Wärmekraftmaschine 20 ausgestaltet. Zum Beispiel kann jedes der mehreren Bauteile 52 innerhalb einer jeweiligen der mehreren Leitungen 16 angeordnet sein. Daher kann die Abgasanlage 10 eine gleiche Anzahl an Leitungen 16 und Elementen 22 umfassen. Wie in 4 gezeigt kann jedes der mehreren Bauteile 52 einen Abschnitt einer Innenfläche 64 jeder Leitung 16 auskleiden, so dass das Bauteil 52 thermische Energie von der Leitung 16 zu der Wärmekraftmaschine 20, z. B. dem ersten Element 22 der Wärmekraftmaschine 20, leiten kann. Wenn sich bei Betrieb jede Leitung 16 mit dem Abgas 12 füllt, kann von dem Abgas 12 mitgeführte thermische Energie mittels des Bauteils 52 von der Leitung 16 zu dem ersten Element 22 geleitet werden, so dass die erste Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln kann.
Unter Bezug auf 3 kann die Abgasanlage 10 auch ein Gehäuse 66 umfassen, das auf der Achse 18 zentriert ist und bezüglich dieser drehbar ist. Das Gehäuse 66 kann aus einem beliebigen geeigneten Material wie etwa Metall oder Kunststoff gebildet sein und kann während Betrieb der Abgasanlage 10 um die Achse 18 drehen, z. B. in Richtung des Pfeils 68. Ferner kann jede der mehreren Leitungen 16 in dem Gehäuse 66 angeordnet sein. D. h. das Gehäuse 66 kann die mehreren Leitungen 16 umgeben. Weiterhin kann jede der mehreren Leitrungen 16 in dem Gehäuse 66 in Fluidverbindung mit jedem von Abgas 12 und Wärmesenke 14 stehen. D. h. das Gehäuse 66 kann eine Länge jeder Leitung 16 umgeben und zulassen, dass sich die Leitungen 16 mit dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 füllen und leeren.
Bei dieser Abwandlung kann die erste Formgedächtnislegierung sich als Reaktion auf die zweite Temperatur T₂ an dem örtlich begrenzten Bereich 24 abwechselnd maßlich ausdehnen und sich als Reaktion auf die erste Temperatur T₁ an dem örtlich begrenzten Bereich 24 maßlich zusammenziehen, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Daher kann die Abgasanlage 10 als Druckzellenlader arbeiten. Wie unter Bezug auf 3 und 4 beschrieben füllen sich bei Betrieb bei Drehen des Gehäuses 66 in Pfeilrichtung 68 in 3 die mehreren Leitungen 16 jeweils (in einer in 3 durch Pfeile 70 angedeuteten Richtung) und leeren sich (in einer in 3 durch Pfeile 72 angedeuteten Richtung) mit/von dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14, z. B. Ansaugluft. Während jeder Drehung des Gehäuses 66 tritt ein schnelles Pulsieren und Ausdehnen/Komprimieren des Abgases 12 und der Ansaugluft auf, so dass die Ansaugluft geladen wird.
Unter Bezug nun auf 4 kann das erste Element 22 in jeder Leitung 16 angeordnet und mit einem Drehmomentring 74 verbunden sein, der wiederum mit einem Vorspannelement 74, z. B. einer Feder, die zum Elongieren des ersten Elements 22 ausgestaltet ist, verbunden sein kann. Wenn bei Betrieb das erste Element 22 dem Abgas 12 und der Wärmesenke 14 ausgesetzt wird, kommt es wie vorstehend dargelegt zu einem abwechselnden maßlichen Zusammenziehen und Ausdehnen des ersten Elements 22. Der Drehmomentring 74 kann als abgewinkeltes Lager ausgestaltet sein, das das Zusammenziehen des ersten Elements 22 in Drehung des Druckzellenladers umsetzt. Weiterhin kann der Druckzellenlader einen (nicht gezeigten) konzentrischen Generator umfassen, um dadurch elektrischen Strom 30 (1) zu erzeugen.
Wie unter Bezug auf 3 und 4 beschrieben kann daher während Betrieb der Abgasanlage 10 das erste Element 22 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln, wenn es in thermischer Beziehung mit einem von Abgas 12 und Wärmesenke 14 steht. Zum Beispiel kann das erste Element 22 bei thermischer Beziehung mit dem Abgas 12 von Martensit nach Austenit wechseln. Bei thermischer Beziehung mit der Wärmesenke 14 kann die erste Formgedächtnislegierung analog von Austenit nach Martensit wechseln.
Genauer gesagt kann das erste Element 22 nach dem Wechsel der kristallographischen Phase die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln Genauer gesagt kann sich das erste Element 22, z. B. wenn es pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei Wechseln der kristallographischen Phase von Martensit nach Austenit maßlich zusammenziehen und kann sich bei Wechseln der kristallographischen Phase von Austenit nach Martensit maßlich ausdehnen, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Deshalb kann sich das aus der ersten Formgedächtnislegierung gebildete erste Element 22 für jede Bedingung, bei der die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur T₁ des Abgases 12 und der zweiten Temperatur T₂ der Wärmesenke 14 vorhanden ist, d. h. wobei das Abgas 12 und die Wärmesenke 14 nicht in thermischem Gleichgewicht sind, bei Wechsel der kristallographischen Phase zwischen Martensit und Austenit maßlich ausdehnen und zusammenziehen, um dadurch von dem Abgas 12 gespeicherte und mitgeführte thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Der Wechsel der kristallographischen Phase der Formgedächtnislegierung ist auch ausreichend, um den Generator 28 anzutreiben.
Obgleich die besten Ausführungsarten der Offenbarung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Offenbarung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Offenbarung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Abgasanlage, die zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet ist, wobei die Abgasanlage umfasst: eine Quelle thermische Energie, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen einem Abgas mit einer ersten Temperatur und einer Wärmesenke mit einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist, vorgesehen ist; eine Leitung, die zum Befördern des Abgases ausgestaltet ist; eine Wärmekraftmaschine, die in thermischer. Beziehung mit der Leitung angeordnet und zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet ist, wobei die Wärmekraftmaschine ein erstes Element umfasst, das aus einer ersten Formgedächtnislegierung gebildet ist, die eine kristallographische Phase aufweist, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und der Wärmesenke bei einer ersten Umwandlungstemperatur zwischen Austenit und Martensit wechseln kann; und ein Bauteil, das in Kontakt mit der Leitung angeordnet ist und zum Leiten von thermischer Energie von der Leitung zu der Wärmekraftmaschine ausgestaltet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei die erste Formgedächtnislegierung als Reaktion auf das Abgas die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit wechselt, um sich dadurch an einem örtlich begrenzten Bereich maßlich zusammenzuziehen.
Abgasanlage nach Anspruch 2, wobei die erste Formgedächtnislegierung als Reaktion auf die Wärmesenke die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit wechselt, um sich dadurch an dem örtlich begrenzten Bereich maßlich auszudehnen.
Abgasanlage nach Anspruch 3, wobei die erste Formgedächtnislegierung sich abwechselnd als Reaktion auf die zweite Temperatur an dem örtlich begrenzten Bereich maßlich ausdehnt und als Reaktion auf die erste Temperatur an dem örtlich begrenzten Bereich maßlich zusammenzieht, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Abgasanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Isolator umfasst, der in Kontakt mit der Leitung angeordnet und zum thermischen Isolieren der Leitung und des Bauteils ausgestaltet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei das Bauteil mehrere kontaktierende Objekte, die zum Kontaktieren des ersten Elements ausgestaltet sind, umfasst, um dadurch die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit zu wechseln.
Abgasanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin mehrere Wärmekraftmaschinen umfasst.
Abgasanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin mindestens ein zweites Element umfasst, das aus einer zweiten Formgedächtnislegierung gebildet ist, die eine kristallographische Phase aufweist, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und der Wärmesenke bei einer zweiten Umwandlungstemperatur zwischen Austenit und Martensit wechseln kann.
Abgasanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Einrichtung umfasst, die zum Anpassen der Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und der Wärmesenke ausgestaltet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Generator umfasst, der zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrischen Strom ausgestaltet ist, wobei der Generator durch die Wärmekraftmaschine angetrieben wird.