DE102012002833A1 - Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf - Google Patents

Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf, der eine Fördereinheit, einen Wärmetauscher, eine Expansionseinrichtung und einen Kondensator aufweist, wobei innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufs ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ausführbar ist und wobei die Expansionseinrichtung einen elektrischen Generator umfasst oder mit diesem gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist der elektrische Generator als ein Spaltgenerator (1) ausgeführt und von einem Arbeitsmedium (AM) des Arbeitsmedium-Kreislaufs durchflossen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Heutige Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent auf. Die Verluste werden überwiegend als Warme an ein Kühlmittel und als Abgaswärme abgegeben.
  • Im Stand der Technik existieren verschiedene Verfahren und Vorrichtungen, mittels derer aus der Abgaswärme und/oder der Kühlmittelwärme elektrische und/oder mechanische Energie gewonnen wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug anzugeben.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei der Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf, der eine Fördereinheit, einen Wärmetauscher, eine Expansionseinrichtung und einen Kondensator aufweist, wobei innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufs ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ausführbar ist und wobei die Expansionseinrichtung einen elektrischen Generator umfasst oder mit diesem gekoppelt ist, ist der elektrische Generator erfindungsgemäß als ein Spaltgenerator ausgebildet und von einem Arbeitsmedium des Arbeitsmedium-Kreislaufs durchflossen.
  • Beim Einsatz eines herkömmlichen elektrischen Generators im Arbeitsmedium-Kreislauf und dessen Kühlung mit dem Arbeitsmedium in einem Fahrzeug erfolgt im ausgeschalteten Zustand des Arbeitsmedium-Kreislaufs aus Sicherheitsgründen eine Widerstandsmessung am elektrischen Generator im Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs. Hierbei kann das Messergebnis durch den mit Arbeitsmedium durchströmten elektrischen Generator in Abhängigkeit der Eigenschaften des Arbeitsmediums unter einem vorgebbaren Ohmschen Schwellwert liegen, so dass das Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs außer Funktion gesetzt wird.
  • Mit anderen Worten weist ein herkömmliches Arbeitsmedium eine derartige elektrische Leitfähigkeit auf, dass die Kurzschlussabschaltung des Hochvoltbordnetzes des Fahrzeugs ausgelöst wird.
  • Herkömmlicherweise werden elektrisch nicht leitfähige Arbeitsmedien in entsprechenden Arbeitsmedium-Kreisläufen eingesetzt, welche eine verringerte oder keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies schränkt aber eine Auswahl potentieller Arbeitsmedien stark ein.
  • Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Spaltgenerators in dessen Spalt ein Trennelement angeordnet ist, welches einen Stator und einen Rotor des Spaltgenerators elektrisch und mediendicht trennt, können herkömmliche Arbeitsmedien im Arbeitsmedium-Kreislauf verwendet werden.
  • Dabei durchströmt das Arbeitsmedium den Rotor oder den Stator des Spaltgenerators, so dass eine ausreichende Kühlung des Spaltgenerators ermöglicht ist.
  • Der vom Arbeitsmedium undurchströmte Teil des Spaltgenerators ist mit einem Thermoöl gefüllt, wobei mittels des Trennelements Thermoöl und Arbeitsmedium innerhalb des Spaltgenerators separiert sind. Dadurch ist eine Diffusion von Gasen durch das Trennelement vermieden und eine gleichbleibende Arbeitsmedienqualität ermöglicht.
  • Besonders vorteilhafterweise wird mittels eines solchen Spaltgenerators eine Widerstandsprüfung im Hochvoltbordnetz bestanden und eine Kurzschlussabschaltung des Hochvoltbordnetzes des Fahrzeugs ist vermieden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt:
  • 1 schematisch eine Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Spaltgenerators.
  • 1 zeigt schematisch eine Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Spaltgenerators 1.
  • Ein solcher Spaltgenerator 1 ist Teil einer herkömmlichen, nicht dargestellten Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf. Im Arbeitsmedium-Kreislauf wird ein Arbeitsmedium AM geführt, wobei ein in dem Arbeitsmedium-Kreislauf durchgeführter Prozessablauf dem eines so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses entspricht.
  • Ein solcher Arbeitsmedium-Kreislauf umfasst zumindest eine Fördereinheit, einen Wärmetauscher, eine Expansionseinrichtung und einen Kondensator.
  • Im Prozessablauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses wird das flüssige Arbeitsmedium AM in einem Arbeitmediumstrom von der Fördereinheit dem Wärmetauscher zugeführt. Im Wärmetauscher wird das flüssige Arbeitsmedium AM unter konstantem oder nahezu konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine derart erwärmt, dass es verdampft und überhitzt oder zumindest verdampft.
  • Die Fördereinheit ist bevorzugt als herkömmliche Speisepumpe ausgebildet und beispielsweise motorbetrieben ausgeführt. Hierzu ist beispielsweise ein nicht dargestellter elektrischer Motor vorgesehen, der die Speisepumpe antreibt.
  • Der Wärmetauscher kann dabei beispielsweise als Abgaswärmetauscher, Abgasrückführungswärmetauscher und/oder Kühlmittelwärmetauscher eine Abgaswärme und/oder eine Wärme eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine verwenden, um das flüssige Arbeitsmedium AM zu erwärmen und zu verdampfen.
  • Das unter hohem Druck stehende, überhitzte oder verdampfte Arbeitsmedium AM wird der Expansionseinrichtung zugeführt und wird in einer adiabatischen oder nahezu adiabatischen Expansion zu einem dampfförmigen Arbeitsmedium AM mit Normaldruck expandiert und dabei abgekühlt. In der Expansionseinrichtung wird dabei eine kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmediums AM in eine mechanische Energie umgewandelt.
  • Beispielsweise kann die erzeugte mechanische Energie bei einer Kopplung der Expansionseinrichtung mit einem elektrischen Generator in eine elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann z. B. zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Elektromotors genutzt werden, der unterstützend zur Verbrennungskraftmaschine wirkt. Der elektrische Generator kann elektrisch mit einem herkömmlichen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator, einer Fahrzeugbatterie, einer Lithium-Ionen-Batterie oder einem Supercap, verbunden sein und diese im Betrieb der Expansionseinrichtung aufladen.
  • Erfindungsgemäß ist der elektrische Generator als Spaltgenerator 1 ausgebildet, wobei die Expansionseinrichtung mit dem Spaltgenerator 1 mechanisch gekoppelt ist oder einen Spaltgenerator 1 umfasst.
  • Die Expansionseinrichtung kann beispielweise als Scrollarbeitsmaschine ausgebildet sein, welche in Expansionsrichtung von dem im Arbeitsmedium-Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmedium AM durchströmbar ist. Anstelle der Scrollarbeitsmaschine kann auch eine andere Expansionsmaschine, z. B. eine Kolbenexpansionsmaschine oder Turbine, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist die Expansionseinrichtung als eine Dampfturbine oder eine andere Dampfexpansionsmaschine ausgeführt.
  • Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmedium AM dem Kondensator zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmedium AM mittels einer Kühlung isobar oder nahezu isobar kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass der Fördereinheit eingangsseitig das flüssige Arbeitsmedium AM zuführbar ist. Der Kondensator kann beispielsweise als ein herkömmlicher Fahrzeugkühler ausgebildet sein und seine Abwärme an eine Fahrzeugumgebung übertragen. Alternativ kann der Kondensator als sogenannter Rückkühler ausgebildet sein und seine Abwärme an eine weitere, nicht dargestellte Energierückgewinnungsvorrichtung übertragen.
  • Das verwendete Arbeitsmedium AM des Arbeitsmedium-Kreislaufs ist ein flüssiges, insbesondere organisches und/oder anorganisches, insbesondere kohlenwasserstoffhaltiges Arbeitsmittel, wie z. B. Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, weitere Flüssigkeiten und/oder Lösungen dieser. Das heißt, es muss nicht zwingend Wasser oder ein Wassergemisch verwendet werden, sondern beispielsweise ein einfriertaugliches kohlenwasserstoffhaltiges Arbeitsfluld, welches typischerweise bis ca. 400°Celsius beständig ist.
  • Der Spaltgenerator 1 ist im Wesentlichen als herkömmlicher Spaltgenerator 1 ausgebildet und umfasst zumindest einen Stator 2 und einen Rotor 3. Dabei besteht der Stator 2 aus einem Dynamoblechpaket mit lamellierten, ausgeprägten Polen 4, die jeweils in einen Hauptpol 5 und einen Spaltpol 6 aufgeteilt sind.
  • Die Statorwicklungen sind konzentrisch angeordnet und als Netzwicklung 7 und Kurzschlusswicklung 10 ausgebildet. Die Netzwicklung 7, der sogenannte Hauptstrang, ist um ein so genanntes Statorjoch 8, auch als Polschaft bezeichnet, gewunden.
  • Der Spaltpol 6 ist mittels einer Nut 9 gebildet, welche den Spaltpol 6 vom Hauptpol 5 abtrennt. Um den jeden Spaltpol 6 ist eine Kurzschlusswicklung 10 gewickelt, welche üblicherweise eine Wicklungszahl von eins bis drei aufweist. Diese Kurzschlusswicklung 10, auch Kurzschlussring genannt, bildet zusammen mit der Netzwicklung 7 im Betrieb einen kurzgeschlossenen Transformator.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Spaltgenerator 1 als Innenläufer ausgebildet. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann der Spaltgenerator 1 als Außenläufer ausgebildet sein.
  • Der Spaltgenerator 1 weist in nicht dargestellter Weise Anschlusselemente auf, mittels denen das Arbeitsmedium AM des Arbeitsmedium-Kreislaufs durch den Spaltgenerator 1 leitbar ist und diesen während des Betriebes kühlt.
  • Beim Einsatz eines herkömmlichen elektrischen Generators im Arbeitsmedium-Kreislauf und dessen Kühlung mit dem Arbeitsmedium AM in einem Fahrzeug erfolgt im ausgeschalteten Zustand des Arbeitsmedium-Kreislaufs aus Sicherheitsgründen eine Widerstandsmessung am elektrischen Generator im Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs. Hierbei kann das Messergebnis durch den mit Arbeitsmedium AM durchströmten elektrischen Generator in Abhängigkeit der Eigenschaften des Arbeitsmediums AM unter einem vorgebbaren Ohmschen Schwellwert liegen, so dass das Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs außer Funktion gesetzt wird.
  • Mit anderen Worten weist ein herkömmliches Arbeitsmedium AM eine derartige elektrische Leitfähigkeit auf, dass die Kurzschlussabschaltung des Hochvoltbordnetzes des Fahrzeugs ausgelöst wird.
  • Dies ist durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Spaltgenerators 1 sicher vermieden.
  • Der Rotor 3 des Spaltgenerators 1 ist von einem hülsenförmigen, elektrisch isolierenden und mediendichten Trennelement 11 umgeben. Dabei ist das Trennelement 11 zumindest in einem Spalt 12 zwischen Stator 2 und Rotor 3 angeordnet.
  • Das Trennelement 11 ist bevorzugt aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch gebildet.
  • In einer ersten Ausführungsvariante ist das Trennelement 11 drehbar im Spaltgenerator 1 angeordnet.
  • In einer alternativen Ausführungsvariante ist das Trennelement 11 gestellfest im Spaltgenerator 1 angeordnet.
  • Zur Kühlung des Spaltgenerators 1 wird der Stator 2 vom Arbeitsmedium AM durchströmt.
  • In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsvariante wird der Rotor 3 vom Arbeitsmedium AM durchströmt.
  • Bevorzugterweise ist der vom Arbeitsmedium AM undurchströmte Teil des Spaltgenerators 1 mit einem herkömmlichen Thermoöl T gefüllt. In der Ausführungsform nach 1 ist der Rotor 3 mit Thermoöl T gefüllt.
  • Somit sind mittels des Trennelements 11 Thermoöl T und Arbeitsmedium AM innerhalb des Spaltgenerator 1 voneinander separiert.
  • Durch die Anordnung von Thermoöl T im Rotor 3 ist eine Diffusion von Gasen durch das Trennelement 11 hindurch in das Arbeitsmedium AM hinein vermieden und eine gleichbleibende Arbeitsmedienqualität gesichert.
  • Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Spaltgenerators 1 in dessen Spalt 12 ein Trennelement 11 angeordnet ist, welches Stator 2 und Rotor 3 des Spaltgenerators 1 elektrisch und mediendicht trennt, können herkömmliche Arbeitsmedien AM im Arbeitsmedium-Kreislauf verwendet werden. Besonders vorteilhafterweise wird mittels dieser elektrischen und mediendichten Trennung eine Widerstandsprüfung im Hochvoltbordnetz bestanden und eine Kurzschlussabschaltung des Hochvoltbordnetzes des Fahrzeugs ist vermieden.
  • Dabei durchströmt das Arbeitsmedium AM entweder den Rotor 3 oder den Stator 2 des Spaltgenerators 1, so dass eine ausreichende Kühlung des Spaltgenerators 1 ermöglicht ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Spaltgenerator
    2
    Stator
    3
    Rotor
    4
    Pol
    5
    Hauptpol
    6
    Spaltpol
    7
    Netzwicklung
    8
    Statorjoch
    9
    Nut
    10
    Kurzschlusswicklung
    11
    Trennelement
    12
    Spalt
    AM
    Arbeitsmedium
    T
    Thermoöl

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf, der eine Fördereinheit, einen Wärmetauscher, eine Expansionseinrichtung und einen Kondensator aufweist, wobei innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufs ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ausführbar ist und wobei die Expansionseinrichtung einen elektrischen Generator umfasst oder mit diesem gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator als ein Spaltgenerator (1) ausgebildet und von einem Arbeitsmedium (AM) des Arbeitsmedium-Kreislaufs durchflossen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltgenerator (1) einen Stator (2) und einen Rotor (3) umfasst, wobei der Rotor (3) von einem hülsenförmigen, elektrisch isolierenden und mediendichten Trennelement (11) umgeben ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (AM) den Rotor (3) oder den Stator (2) des Spaltgenerators (1) durchströmt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Arbeitsmedium (AM) undurchströmte Teil des Spaltgenerators (1) mit einem Thermoöl (T) gefüllt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Trennelements (11) Thermoöl (T) und Arbeitsmedium (AM) innerhalb des Spaltgenerators (1) voneinander separiert sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (11) aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch gebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (11) gestellfest im Spaltgenerator (1) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (11) drehbar im Spaltgenerator (1) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (11) zumindest in einem Spalt (12) zwischen Stator (2) und Rotor (3) angeordnet ist.
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