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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der über einen Dampfkraftprozess antreibbaren Expansionsmaschinen, die mit einem Verbrennungsmotor verbunden sind.
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Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren kommt der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs eine hohe Bedeutung zu. Verbrennungsmotoren wandeln die Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen um. Dabei wird ein großer Teil der Energie als Abwärme freigesetzt, die durch das Kühlsystem oder im Abgas vom Verbrennungsmotor weggeleitet wird. Um diese Wärmeenergie zu nutzen, ist es denkbar, dass der Verbrennungsmotor mit einem Dampfkraftprozess gekoppelt wird. Hierbei wird die Wärmeenergie aus dem Verbrennungsmotor zur Erzeugung von Dampf verwendet, die an einer Expansionsmaschine entspannt wird und somit weitere Energie bereitstellt, die zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann.
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Besonders eignet sich die Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einem Dampfmotor zur Abwärmenutzung bei einem Nutzkraftwagen, da hier der Verbrennungsmotor eine große Leistung abgeben muss und somit eine große Wärmeenergie zur Dampferzeugung zur Verfügung steht.
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Aus der
DE 24 11 548 A ist eine Heizvorrichtung, insbesondere für Kraftwagen, bekannt. Hierbei ist ein Elektromotor vorgesehen, der so ausgelegt ist, dass seine Betriebsdrehzahl, mit dem er ein Gebläse antreiben und gegebenenfalls einen Dampfmotor durchdrehen kann, vor Erreichen des vollen Dampfdrucks niedriger ist als bei vollem Dampfdruck, so dass im Dauerbetrieb der Heizvorrichtung ein Aufladen der Fahrzeugbatterie stattfindet. Beispielsweise kann der Elektromotor bei normaler Batteriespannung den Dampfmotor und die beiden Gebläse mit 6000 Umdrehungen pro Minute antreiben. Unmittelbar nach dem Anlaufen läuft der Motor also mit dieser Drehzahl, es sei denn, die Heizung hat eine Zündeinrichtung mit hohem Stromverbrauch, in welchem Fall die Drehzahl auf Grund des durch den Stromverbrauch bewirkten Spannungsabfalls zunächst etwas niedriger sein kann. Beim Anstieg des Dampfdrucks erhöht sich die Drehzahl über die normalen 6000 Umdrehungen pro Minute hinaus und erreicht bei 80 % des vollen Dampfdrucks beispielsweise 6500 Umdrehungen pro Minute.
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Der aus der
DE 24 11 548 A bekannte Dampfmotor ist somit fest mit dem Elektromotor verbunden, wobei der Elektromotor den Dampfmotor zunächst zu Heizzwecken antreibt und später elektrische Energie erzeugt wird. Bei der bekannten Heizvorrichtung muss der Elektromotor daher entsprechend leistungsfähig ausgestaltet sein.
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Aus der
DE 10 2004 012 795 A1 ist eine Anordnung mit einer Expansionsmaschine bekannt, die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist. In dieser bekannten Anordnung ist die Brennkraftmaschine über eine elektromagnetische Kupplung mit einer elektrischen Drehmaschine verbunden.
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Weiterhin ist aus der
EP 1 144 218 B1 ein Fahrzeugantrieb bekannt, welcher mittels einer Antriebskupplung mit einem Zusatzantrieb und einem Generator verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei der Inbetriebnahme ein vorteilhafter Anlauf der Expansionsmaschine gewährleistet ist. Speziell besteht der Vorteil, dass eine zuverlässige Funktionsweise der Anordnung auch bei geringen Anforderungen an den Elektromotor realisierbar ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Anordnung möglich.
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Vorteilhaft ist es, dass der Elektromotor zumindest zeitweise mit einer Welle der Expansionsmaschine gekoppelt ist und dass der Elektromotor bei stehender Welle der Expansionsmaschine zumindest eine Anfangsrotation der Welle ermöglicht. Beim Starten der Brennkraftmaschine ist die Wärmeentwicklung in der Regel noch relativ gering. Dementsprechend ist der über den Dampfkraftprozess erzeugbare Dampfdruck, der an der Expansionsmaschine wirkt, gering. Hierbei ist zunächst der Freilauf wirksam, so dass die Brennkraftmaschine unabhängig von der Expansionsmaschine läuft. Nach der Warmlaufphase, wenn der Dampfdruck ausreichend groß ist, kann die Expansionsmaschine über den Elektromotor gestartet werden. Hierbei ist der Elektromotor vorzugsweise so ausgelegt, dass zumindest die Reibungskraft der Expansionsmaschine überwunden wird, wodurch auch bei verhältnismäßig niedrigem Dampfdruck ein Anlaufen der Expansionsmaschine möglich ist. Somit kann bereits zu einem früheren Zeitpunkt die Expansionsmaschine zur Erzeugung von zusätzlicher Energie genutzt werden.
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Vorteilhaft ist es auch, dass der Elektromotor zumindest zeitweise mit einer Welle der Expansionsmaschine gekoppelt ist und dass der Elektromotor eine Verstellung der Welle der Expansionsmaschine in eine Startstellung ermöglicht, in der die Welle der Expansionsmaschine durch den Dampfkraftprozess in Rotation versetzbar ist. Hierbei kann der Elektromotor beispielsweise einen Kolben der Expansionsmaschine in eine Ausgangsstellung verstellen, aus der allein über den Dampfdruck oder über die Kombination aus dem Dampfdruck und der Kraft des Elektromotors ein Anlaufen der Expansionsmaschine ermöglicht ist. Hierbei besteht der Vorteil, dass der Elektromotor zur Verstellung der Expansionsmaschine kaum Kompressionsarbeit verrichten muss.
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Vorteilhaft ist es auch, dass der Elektromotor starr mit einer Welle der Expansionsmaschine verbunden ist. Hierdurch kann der Elektromotor dauerhaft mit der Welle der Expansionsmaschine gekoppelt sein. Hierdurch kann eine Kupplung oder dergleichen eingespart werden.
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Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass der Elektromotor über einen Freilauf oder eine schaltbare Kupplung oder eine Viskokupplung mit einer Welle der Expansionsmaschine verbunden ist. Hierdurch kann nach einer Startphase der Expansionsmaschine der Elektromotor abgeschaltet werden. Speziell kann beim Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Expansionsmaschine eine Abschaltung des Elektromotors erfolgen.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass die Expansionsmaschine ein Gehäuse aufweist, dass der Elektromotor direkt an dem Gehäuse befestigt ist und dass eine Abtriebswelle des Elektromotors parallel zu einer Welle der Expansionsmaschine orientiert ist.
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Hierdurch ist eine kompakte Ausgestaltung möglich, da der Elektromotor direkt an dem Gehäuse der Expansionsmaschine angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist es auch, dass der Elektromotor über Haltearme mit einem Gehäuse der Expansionsmaschine verbunden ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass eine Drehachse einer Abtriebswelle des Elektromotors zumindest näherungsweise auf einer Drehachse einer Welle der Expansionsmaschine liegt. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass der Elektromotor, die Expansionsmaschine und die Brennkraftmaschine in einer Reihe angeordnet sind, wobei die Abtriebswelle des Elektromotors, die Welle der Expansionsmaschine und eine Welle der Brennkraftmaschine auf der gemeinsamen Drehachse liegen können. Speziell kann dadurch der Bauraum vor der Brennkraftmaschine genutzt werden, um die Expansionsmaschine und den Elektromotor beispielsweise in einem Motorraum unterzubringen.
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In vorteilhafter Weise ist die Expansionsmaschine als Kolbenmaschine ausgestaltet. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Expansionsmaschine zur Nutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine dient, wobei die Abwärme der Brennkraftmaschine in dem Dampfkraftprozess zur Erzeugung von Dampf nutzbar ist. Die von der Expansionsmaschine erzeugte Energie kann hierbei als zusätzliche Antriebsenergie genutzt werden. Möglich ist es allerdings auch, dass die von der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Energie zur Erzeugung von Hilfsenergien dient, indem beispielsweise ein elektrischer Generator angetrieben wird.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Anordnung mit einer Expansionsmaschine, einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 2 den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt der Anordnung in einer schematischen Darstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Anordnung 1 mit einer Expansionsmaschine 2, einer Brennkraftmaschine 3 und einem Elektromotor 4 in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Expansionsmaschine 2 ist als Dampfmotor 2 ausgestaltet und wird von einem Dampfkraftprozess angetrieben. Hierbei dient die Expansionsmaschine 2 zur Nutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Expansionsmaschine 2 als Kolbenmaschine 2 ausgeführt. Der Elektromotor 4 dient insbesondere als Anlaufhilfe für die Kolbenmaschine 2. Die Expansionsmaschine 2 und die Brennkraftmaschine 3 sind über eine Kupplung 5, die einen Freilauf 5 umfasst, miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 3 anläuft, während die Kolbenmaschine 2 noch steht.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 3 vier Zylinder 6, 7, 8, 9 auf. Die Zylinder 6 bis 9 wirken auf eine Welle 10 der Brennkraftmaschine 3 ein. Im Betrieb rotiert die Welle 10 dadurch um eine Drehachse 11.
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Die Anordnung 1 umfasst einen Verdampfer 12, der von der Abwärme der Brennkraftmaschine 3 aufgeheizt wird. Hierbei wird ein Arbeitsfluid, insbesondere Wasser, in den Verdampfer 12 geführt. Der Verdampfer 12 kann hierbei in vorteilhafter Weise die Abwärme aus einem Abgas der Brennkraftmaschine 3, einer Abgasrückführung oder einer Abwärme eines Motorblocks 13 der Brennkraftmaschine 3 nutzen. In dem Verdampfer 12 verdampft das Arbeitsfluid und wird im dampfförmigen Zustand über eine Leitung 14 der Kolbenmaschine 2 zugeführt. In der Kolbenmaschine 2 wird das gasförmige Arbeitsfluid entspannt, wobei mechanische Energie gewonnen wird. Das Arbeitsfluid wird anschließend über eine Leitung 15 einem Kondensator 16 zugeführt. Von dem Kondensator 16 wird das Arbeitsfluid über eine Pumpe 17 zu dem Verdampfer 12 gefördert. Dadurch kann das Arbeitsfluid in der flüssigen Phase von der Pumpe 17 auf das Druckniveau für die erneute Verdampfung am Verdampfer 12 komprimiert werden. Hierdurch ist der Kreislauf geschlossen. In vorteilhafter Weise kann der Dampfkraftprozess als ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle Prozess) ausgestaltet sein.
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Die Kolbenmaschine 2 weist ein Gehäuse 18 auf, in dem eine Kurbelwelle 19 gelagert ist. Die Kurbelwelle 19 ist über den Freilauf 5 mit der Welle 10 der Brennkraftmaschine 3 gekoppelt. Außerdem weist die Kolbenmaschine 2 mit dem Gehäuse 18 verbundene Zylinder 20, 21 auf, in denen Zylinderbohrungen 22, 23 ausgestaltet sind. In den Zylinderbohrungen 22, 23 sind Kolben 24, 25 angeordnet, die über Kolbenstangen 26, 27 auf geeignete Weise, insbesondere über einen Kurbelschleifentrieb, mit der Kurbelwelle 19 verbunden sind. Die Kolben 24, 25 begrenzen in den Zylinderbohrungen 22, 23 Arbeitsräume 28, 29. Über Einlassventile 30, 31 ist die Zufuhr des gasförmigen Arbeitsfluids, insbesondere des Wasserdampfs, in die beiden Arbeitsräume 28, 29 steuerbar. Entsprechend ist über Auslassventile 32, 33 der Auslass des entspannten Arbeitsfluids in die Leitung 15 steuerbar.
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Im Betrieb der Kolbenmaschine 2 werden die Arbeitsräume 28, 29 beispielsweise abwechselnd mit unter einem gewissen Druck stehenden Wasserdampf aus der Leitung 14 gefüllt, so dass durch die abwechselnde Expansion des Wasserdampfs eine Hubbewegung der Kolben 24, 25 erzeugt wird. Hierbei wird wechselweise das entspannte Arbeitsfluid aus den Arbeitsräumen 28, 29 zurück in den Kondensator 16 verdrängt.
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Speziell bei Kolbenmaschinen 2 mit geringer Zylinderanzahl, insbesondere mit einem oder zwei Zylindern 20, 21, kann durch den Dampfkraftprozess ein Selbststart nicht oder nur vergleichsweise spät erfolgen. Da die Kolbenmaschine 2 über den Freilauf 5 mit der Brennkraftmaschine 3 verbunden ist, kann die Kolbenmaschine 2 nicht von der Brennkraftmaschine 3 gestartet werden.
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Speziell wenn die Brennkraftmaschine 3 gestartet wird, dann ist der Dampfkraftprozess mangels Abwärme in der Regel noch nicht in Gang gesetzt. Somit liegt auch noch kein Dampfdruck an der Kolbenmaschine 2 an. Nach der Warmlaufphase, wenn genügend Dampfdruck an der Kolbenmaschine 2 anliegt, wird die Kolbenmaschine 2 über den Elektromotor 4 in Drehung versetzt. Hierbei muss im Wesentlichen nur die Reibung der Kolbenmaschine 2, insbesondere die Reibung der Kolben 24, 25 in den Zylinderbohrungen 22, 23, überwunden werden, da kaum Kompressionsarbeit zu verrichten ist. Somit kann der Elektromotor 4 das Anlaufen der Kolbenmaschine 2 unterstützen.
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Um das Anlaufen der Kolbenmaschine 2 zu ermöglichen, kann der Elektromotor 4 für eine gewisse Zeit die Kurbelwelle 19 antreiben. Möglich ist es auch, dass der Elektromotor 4 die Kolben 24, 25 geeignet in den Zylinderbohrungen 22, 23 positioniert. Beispielsweise kann die Positionierung so erfolgen, dass durch Einleiten des komprimierten Wasserdampfes in den Arbeitsraum 28 bei geöffnetem Auslassventil 23 für den Arbeitsraum 29 ein Anlaufen der Kolbenmaschine 2 ermöglicht ist. Speziell bei einer Kolbenmaschine 2 mit nur einem Zylinder 20 ist ein Anlaufen der Kolbenmaschine 2 ohne eine geeignete Positionierung des Kolbens 24 in der Regel nicht möglich, da der eingeleitete Wasserdampf bei ungünstig positioniertem Kolben 24 keine Arbeit verrichten kann. Somit kann durch Positionierung der Kolben 24, 25 eine Ausgangsstellung erreicht werden, bei der der eingeleitete Wasserdampf direkt Arbeit verrichten kann.
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Hat die Kolbenmaschine 2 eine bestimmte Drehzahl und damit genügend Drehimpuls, dann kann der Elektromotor 4 abgeschaltet werden. Da der Elektromotor 4 mit geringer Leistungsfähigkeit ausgestaltet sein kann, ist bei einer dauerhaften Kopplung des Elektromotors 4 die beim Mitnehmen des abgeschalteten Elektromotors 4 auftretende Verlustleistung entsprechend gering. Hierdurch vereinfacht sich die Verbindung des Elektromotors 4 mit der Kolbenmaschine 2. Die Verbindung des Elektromotors 4 mit der Kolbenmaschine 2 kann aber auch über einen Freilauf, eine schaltbare Kupplung oder dergleichen erfolgen.
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Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sitzt auf der Kurbelwelle 19 ein Zahnrad 40. Ferner ist eine Abtriebswelle 41 des Elektromotors 4 mit einem Zahnrad 42 verbunden, das mit dem Zahnrad 40 zusammen wirkt. Über die Zahnräder 40, 42 ist ein Getriebe 40, 42 gebildet. Die Abtriebswelle 41 des Elektromotors 4 zu der Drehachse 11 der Kurbelwelle 19. Die Kurbelwelle 19 und die Welle 10 der Brennkraftmaschine 3 liegen auf der gleichen Drehachse 11.
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Der Elektromotor 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Gehäuse 18 der Kolbenmaschine 2 verbunden. Hierdurch ist eine kompakte Ausgestaltung möglich. Da der Elektromotor 4 radial versetzt zur Drehachse 11 der Kurbelwelle 19 angeordnet ist, kann das Getriebe 40, 42 in einfacher Weise realisiert werden. Hierbei kann das Getriebe 40, 42 auch einen Zahnriemen oder dergleichen umfassen.
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2 zeigt den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt der Anordnung 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor 4 über Haltearme 43, 44 mit dem Gehäuse 18 der Kolbenmaschine 2 verbunden. Hierdurch kann der Elektromotor 4 mit seiner Abtriebswelle 41 auf der Drehachse 11 positioniert werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Brennkraftmaschine 3, die Kolbenmaschine 2 und der Elektromotor 4 nacheinander bezüglich der Drehachse 11 angeordnet. Speziell können hierdurch der Elektromotor 4 und die Kolbenmaschine 2 vor der Brennkraftmaschine 3 angeordnet sein.
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Die Abtriebswelle 41 des Elektromotors 4 ist über eine Kupplung 45 mit der Kurbelwelle 19 der Kolbenmaschine 2 verbunden. Die Kupplung 55 ist hierbei zwischen dem Elektromotor 4 und dem Gehäuse 18 der Kolbenmaschine 2 sowie zwischen den Haltarmen 43, 44 angeordnet. Somit kann der Elektromotor 4 zeitweise mit der Kolbenmaschine 2 gekoppelt sein. Die Kupplung 45 kann hierbei einen Freilauf umfassen, als schaltbare Kupplung ausgestaltet sein oder als Viskokupplung ausgestaltet sein. Auch andere Ausgestaltungen der Kupplung 45 sind möglich. Da die Abtriebswelle 41 direkt auf der Drehachse 11 positioniert ist, kann ein Getriebe oder dergleichen entfallen. Somit ist es möglich, dass die Kolbenmaschine 2 mit der Brennkraftmaschine 3 über einen Freilauf verbunden ist. Hierbei wird die Kolbenmaschine 2 gegebenenfalls nur um den Selbststart zu gewährleisten, kurz von dem Elektromotor 4 angetrieben. Das Antreiben der Kolbenmaschine kann sich hierbei auch auf eine geeignete Positionierung der Kolben 24, 25 der Kolbenmaschine 2 beschränken, damit die Kolbenmaschine 2 mit dem vorhandenen Dampf starten kann. Somit kann der Elektromotor 4 als kleiner Elektromotor 4 ausgestaltet sein, der nicht fest an die Kolbenmaschine 2 angekoppelt sein muss.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
