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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Rekuperationssystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend
- – eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Kurbelwelle und einer Abgasanlage,
- – eine sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbare elektrische Maschine, deren Rotorwelle mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, und
- – einen thermisch mit der Abgasanlage gekoppelten Dampfkreislauf, der eine Expansionsmaschine aufweist, deren Expansionsmaschinen-Ausgangswelle mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine gekoppelt ist.
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Stand der Technik
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Moderne Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge wandeln lediglich etwa ein Drittel der im Kraftstoff gebundenen chemischen Energie in nutzbare, mechanische Energie um. Der weitaus größte Anteil geht als Abwärme oder als nicht genutzte Energie von Abgasen verloren. Es gibt jedoch etliche Ansätze, die in der Abwärme und/oder den Abgasen enthaltene Energie zu rekuperieren und im Fahrzeug nutzbar zu machen, sei es nach entsprechender Umwandlung als elektrische oder als mechanische Energie.
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Aus der
DE 10 2006 061 374 A1 ist ein System zur Ausnutzung von Überschussenergie in den Abgasen eines Schiffs-Großdieselmotors bekannt, bei dem ein Teil der Abgas-Strömungsenergie zur Vorkompression der Luftzufuhr des Motors und ein weiter Teil zum Antrieb einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten Abgasturbine genutzt wird. Ein solches System ist wegen der langzeitkonstanten Laufeigenschaften eines Schiffs-Großdieselmotors leicht zu realisieren, nutzt andererseits aber lediglich die in den Abgasen enthaltene mechanische Energie und wandelt diese, abgesehen von der altbekannten Turbolader-Funktion, lediglich in elektrische Energie um.
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Aus der
EP 1 844 221 B1 ist ein flexibleres System zur Rückgewinnung von in den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine enthaltener Strömungsenergie bekannt. Die Abgase werden über den Turbinenteil eines Turboladers geleitet und durchlaufen dahinter zur Ausnutzung der noch verbliebenen Abgas-Strömungsenergie noch eine weitere Turbine. Deren Turbinenwelle ist über ein Reduktionsgetriebe mit einer schaltbaren Kupplung und einem Freilauf wahlweise mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine und/oder mit einem dem Verdichterteil des Turboladers vorgeschalteten Vorverdichter verbindbar. Auf diese Weise kann die hinter dem Turbolader-Turbinenteil im Abgas verbliebene Strömungsenergie wahlweise zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Ansaugluft-Vorverdichtung genutzt werden. Eine Rückgewinnung der thermischen Abgasenergie erfolgt in dem bekannten System nicht.
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Aus der
EP 2 100 022 B1 ist ein System zur Rückgewinnung der in den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine enthaltenen thermischen Energie bekannt. Hierzu ist ein Dampfkreislauf über einen Abgaswärmetauscher mit dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt. Der Dampfkreislauf enthält eine Expansionsturbine, die den Turbinenteil einer Aufladevorrichtung bildet, welche weiter einen Verdichterteil umfasst, über den Ansaugluft der Verbrennungskraftmaschine vorverdichtet wird. Der Turbinenteil der Aufladevorrichtung ist zudem mit der Rotorwelle einer wenigstens generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine gekoppelt, sodass der Ladedruck der Ansaugluft durch entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine steuerbar ist.
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Aus der
DE 10 2005 063 056 A1 ist es bekannt, die einerseits in den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und andererseits in der unmittelbaren Motorabwärme enthaltene thermische Energie in jeweils einem Dampfkreislauf zu nutzen. Unter einem Dampfkreislauf wird im vorliegenden Kontext ein Kreislauf mit einem verdampfbaren Arbeitsfluid verstanden, welches durch zyklische Kompression, Verdampfung, Expansion und Kondensation Wärmeenergie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie einer Expansionsmaschine zu wandeln vermag. Ein weitverbreiteter Kreislauftyp ist dabei der sogenannte Clausius-Rankine-Prozess, nachfolgend auch CRP genannt, welcher dem Fachmann bekannt ist und hier nicht im Detail erläutert werden soll. Bei der bekannten Vorrichtung sind die beiden Dampfkreisläufe zur Steigerung des Wirkungsgrades thermisch miteinander gekoppelt. Die mechanischen Energien der beiden Expansionsmaschinen der beiden Kreisläufe werden unterschiedlich genutzt, nämlich zum einen in bekannter Weise als Turbolader zur Vorverdichtung der Ansaugluft der Verbrennungskraftmaschine und zum anderen zum Antrieb eines elektrischen Generators, dessen elektrische Energie nach Art eines Seriellhybrids zum Fahrzeugantrieb genutzt werden kann. Nachteilig bei diesem System ist der vergleichsweise niedrige Wirkungsgrad, der aus dem vollständigen Verzicht auf eine unmittelbare Rückeinspeisung der mechanischen Energie der Expansionsmaschinen resultiert.
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Aus der
WO 2012/096958 A1 ist ein Rekuperationssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem die Strömungsenergie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine zum Betrieb eines Turboladers und ihre thermische Energie als Wärmequelle eines Dampfkreislaufs genutzt wird. Die mechanische Energie von dessen Expansionsmaschine wird über eine Stirnradstufe einem der Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten Getriebe zugeführt, wird also unmittelbar, d.h. ohne weiteren Wandlungsschritt, zur Unterstützung der mechanischen Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine genutzt. Gleichzeitig wird die mechanische Leistung der Expansionsmaschine auch zum Antrieb des Rotors einer elektrischen Maschine genutzt, deren elektrische Leistung in das Bordnetz eingespeist oder in seriellhybrider Weise genutzt werden kann. Details der Kopplung zwischen Expansionsmaschine und elektrischer Maschine sind in der genannten Druckschrift jedoch nicht offenbart. Nachteilig bei diesem System ist die unflexible mechanische Kopplung zwischen der Expansionsmaschine und der Verbrennungskraftmaschine. Dies wirkt sich insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit stark fahrsituationsabhängigen Betriebseigenschaften der Verbrennungskraftmaschine ungünstig aus. Steht nämlich dem Dampfkreislauf nicht genug thermische Energie zur Verfügung, um einer hohen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zu folgen, arbeitet der Dampfkreislauf ineffizient und die Expansionsmaschine muss sogar von der Verbrennungskraftmaschine mitgeschleppt werden, was deren Wirkungsgrad deutlich senkt.
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Aus der oben genannten, gattungsbildenden
DE 10 2011 076 093 A1 ist ein Rekuperationssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem die thermische Energie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine als Wärmequelle eines Dampfkreislaufs genutzt werden, wobei das von dessen Expansionsmaschine gelieferte Drehmoment in ein als Planetengetriebe ausgebildetes Verteilergetriebe eingeleitet wird. Die beiden weiteren Wellen des Planetengetriebes sind einerseits über einen Freilauf mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine und andererseits mit einem zusätzlichen Generator verbunden. Die von der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Energie kann über das Planetengetriebe verteilt und zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine und/oder zum Antrieb des Generators genutzt werden, wobei durch geeignete Regelung des Generators das Übersetzungsverhältnis zwischen der Expansionsmaschine und der Verbrennungskraftmaschine stufenlos geregelt werden kann. Dies funktioniert jedoch nur solange wie die von der Expansionsmaschine gelieferte Leistung die Kapazität des Generators nicht übersteigt, d.h. das System ist im Wesentlichen nur für hybridangetriebene Kraftfahrzeuge geeignet. Weiter nachteilig ist der erhebliche konstruktive Aufwand, der insbesondere die Notwendigkeit des Generators als zusätzliche Komponente zu einer ohnehin erforderlichen, mit der Verbrennungskraftmaschine verbundenen Lichtmaschine, die auch als Anlasser fungiert, einschließt.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Rekuperationssystem derart weiterzubilden, dass der konstruktive Aufwand reduziert und insbesondere kein zusätzlicher Generator zu der als Starter/Generator fungierenden Lichtmaschine im Kraftfahrzeug erforderlich ist.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Kurbelwelle über eine schaltbare Kupplung mit der richtungsselektiv mit der Expansionsmaschinen-Ausgangswelle gekoppelten Rotorwelle gekoppelt ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt die wahlweise Nutzung der Expansionsmaschinenenergie zur direkten mechanischen Unterstützung der Kurbelwelle und/oder zum Antrieb des Generators, der insbesondere ein Starter/Generator in Form einer üblichen Lichtmaschine sein kann. Im Vergleich zum gattungsbildenden Stand der Technik wird dies durch Ersetzung des dortigen Planetengetriebes durch die konstruktiv deutlich einfachere Kombination aus schaltbarer Kupplung und richtungselektiver Kopplung, auf deren bevorzugte Ausführungsformen weiter unten eingegangen werden soll, erreicht.
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Ein erster Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Systems deckt den Fall ab, dass keine oder ungenügende thermische Abgasenergie zur Verfügung steht, um die Expansionsmaschine mit einer der Verbrennungskraftmaschine angepassten Drehzahl zu betreiben. Bei geschlossener schaltbarer Kupplung arbeitet das System wie eine herkömmliche Kombination aus Verbrennungskraftmaschine und Lichtmaschine, wobei die Expansionsmaschine aufgrund der richtungsselektiven Kopplung, die bei Drehzahlüberschuss der Kurbelwelle gegenüber der Expansionsmaschinen-Ausgangswelle entkoppelt und bei gegenteiligen Verhältnissen beide Wellen drehmomentübertragend verbindet, entkoppelt ist und nicht mitgeschleppt werden muss.
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In einem zweiten Betriebsmodus liefert die Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine hinreichend thermische Energie zum effizienten Betrieb des Dampfkreislaufs. Bei geöffneter schaltbarer Kupplung ist die Verbrennungskraftmaschine mechanisch vom Rekuperationssystem abgekoppelt. Die von der Expansionsmaschine gelieferte Leistung wird ausschließlich zum Antrieb des Generators genutzt. Dessen erzeugte elektrische Energie kann in das Bordnetz oder im Fall eines hybridangetriebenen Kraftfahrzeugs über eine Leistungselektronik in das elektrische Antriebsnetz eingespeist werden.
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In einem dritten Betriebsmodus liefert das Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine ebenfalls hinreichend thermische Energie zum effizienten Betrieb des Dampfkreislaufs. Insbesondere ist die Expansionsmaschine in der Lage, auf effiziente Weise mit einer Drehzahl, entsprechend der Kurbelwellendrehzahl zu arbeiten. Dies bedeutet, dass das Moment von der Expansionsmaschine an die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine zu deren mechanischer Unterstützung geleitet werden kann. Zu diesem Betriebsmodus wird am Generator keine elektrische Leistung abgegriffen, sodass sein Rotor zwar mitgeschleppt wird, über das vernachlässigbare Schleppmoment hinaus jedoch wirkungslos ist.
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In einem vierten Betriebsmodus schließlich wird, ausgehend von dem zuvor beschriebenen dritten Betriebsmodus am Generator elektrische Leistung abgegriffen. Die von der Expansionsmaschine gelieferte Leistung verteilt sich somit auf die Kurbelwelle zu deren mechanischer Unterstützung und auf den Generator zu dessen Antrieb. Die Leistungsanteile auf beiden Wegen werden durch den Abgriff am Generator gesteuert oder geregelt.
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Das erfindungsgemäße Rekuperationssystem ist somit in der Lage, auf herkömmliche Weise und rekuperationsfrei (erster Betriebsmodus), mit rein elektrischer Rekuperation (zweiter Betriebsmodus), mit rein mechanischer Rekuperation (dritter Betriebsmodus) oder mit mechanischer und elektrischer Rekuperation (vierter Betriebsmodus) betrieben zu werden, wobei als konstruktive Maßnahmen lediglich eine schaltbare Kupplung und eine richtungsselektive Kopplung zu realisieren sind und insbesondere kein zusätzlicher Generator erforderlich ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die richtungsselektive Kopplung zwischen der Rotorwelle und der Expansionsmaschinen-Ausgangswelle mittels eines entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle sperrenden Freilaufs realisiert ist. Der Freilauf stellt ein besonders kosten- und bauraumgünstiges Element zur Realisierung einer richtungsselektiven Kopplung dar. Er ist selbstverständlich so zu schalten, dass die Expansionsmaschinen-Ausgangswelle und die Kurbelwelle bei Drehzahlüberschuss der Kurbelwelle entkoppelt und anderenfalls drehmomentübertragend verbunden sind.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die richtungsselektive Kopplung zwischen der Rotorwelle und der Expansionsmaschinen-Ausgangswelle mittels einer weiteren schaltbaren Kupplung realisiert ist. Diese Variante ist technisch aufwendiger im Hinblick auf die erforderlichen mechanischen Bauteile sowie deren Ansteuerung. Allerdings lassen sich hier beispielsweise durch schlupfenden Kupplungsbetrieb Zwischenzustände erzeugen.
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Günstigerweise ist die Kopplung der Kurbelwelle und der Rotorwelle mittels eines Umschlingungsmittelantriebs, d.h. beispielsweise eines Riemen- oder Kettenantriebs, mit je einem Triebrad auf der Kurbelwelle und der Rotorwelle, welche von einem gemeinsamen Umschlingungsmittel, z.B. einem Riemen oder einer Kette, umschlungen sind, realisiert. Dies entspricht der üblichen Ankopplung einer Lichtmaschine an die Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine. Zur Realisierung der schaltbaren Kupplung ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise vorgesehen, dass eines der Triebräder, insbesondere das der Rotorwelle zugeordnete Triebrad, als ein Losrad ausgebildet ist, welches mittels der schaltbaren Kupplung drehmomentübertragend mit seiner zugeordneten Welle verbindbar ist. Die schaltbare Kupplung lässt sich dabei beispielsweise als Klauenkupplung mit oder ohne Synchronisierung realisieren. Selbstverständlich ist es auch möglich, die schaltbare Kupplung als Kupplung zwischen zwei Wellenabschnitten zu realisieren. Die bevorzugte Ausgestaltung hat jedoch den Vorteil besonderer Kompaktheit.
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Wie eingangs bereits erläutert, ist eine typische Ausgestaltung eines Dampfkreislaufs zu Rekuperationszwecken der Clausius-Rankine-Dampfkreislauf. Auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Expansionsmaschine Bestandteil eines solchen Clausius-Rankine-Dampfkreislaufs ist. Selbstverständlich sind jedoch auch Dampfkreisläufe mit anderen Prozessprinzipien einsetzbar.
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Ebenso ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezielle Ausgestaltung der Expansionsmaschine beschränkt. Gleichwohl wird die Ausgestaltung als Kolbenmaschine oder Expansionsturbine bevorzugt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rekuperationssystems,
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2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rekuperationssystems.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Bauteile hin.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rekuperationssystems 10. Eine Verbrennungskraftmaschine 12 dient als primäres Antriebsaggregat eines im Übrigen nicht im Detail dargestellten Kraftfahrzeugs. Die beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 entstehenden, heißen Abgase werden über eine Abgasanlage 14 abgeführt. Mechanische Strömungsenergie der Abgase kann in üblicher Weise zum Betrieb eines Turboladers genutzt werden. In den Figuren ist eine solche Option jedoch nicht dargestellt.
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Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist die Kopplung der Abgasanlage 14 mit einem bevorzugt als Clausius-Rankine-Dampfkreislaus ausgebildeten Dampfkreislauf 16. Dieser umfasst einen als Verdampfer wirkenden ersten Wärmetauscher 161, einen als Kondensator wirkenden zweiten Wärmetauscher 162, eine Arbeitsmittelpumpe 163 und eine Expansionsmaschine 164, die beispielsweise als Expansionsturbine oder als Kolbenmaschine, beispielsweise als Axialkolben-Expansionsmaschine ausgebildet sein kann. Ein Arbeitsmedium, welches beispielsweise Wasser oder Ethanol sein kann, wird mit Hilfe des Verdampfers 161, der thermisch mit der Abgasanlage 14 gekoppelt ist, erwärmt und verdampft. Das dampfförmige, unter erhöhtem Druck stehende Arbeitsmedium wird über eine Fluidleitung der Expansionsmaschine 164 zugeführt, in welcher das Gas unter Druckverlust expandiert und mechanische Energie erzeugt, beispielsweise eine Expansionsturbine antreibt oder einen Kolben bewegt. Das aus der Expansionsmaschine 164 kommende Arbeitsmedium wird im Kondensator 162, der beispielsweise mit der Umgebungsluft thermisch gekoppelt ist, abgekühlt und wieder verflüssigt. Das verflüssigte Arbeitsmedium wird alsdann von der Pumpe 163 wieder zum Verdampfer 161 gefördert.
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Neben dieser thermischen Kopplung mit dem Dampfkreislauf 16 ist die Verbrennungskraftmaschine 12 mechanisch mit dem Rotor 181 einer elektrischen Maschine 18 verbunden, die bei der gezeigten Ausführungsform als Innenläufermaschine mit innerem Rotor 181 und äußerem, karosseriefestem Stator 182 ausgebildet ist. Die mechanische Kopplung erfolgt bei der gezeigten Ausführungsform über einen Riementrieb 20, wobei auf der Kurbelwelle 121 der Verbrennungskraftmaschine 12 ein erstes Triebrad 201 und auf der Rotorwelle 183 der elektrischen Maschine 18 ein zweites Triebrad 202 angeordnet ist, die mittels eines Riemens 203 drehmomentübertragend miteinander verbunden sind. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das zweite Triebrad 202 als Losrad ausgebildet, welches mittels einer schaltbaren Klauenkupplung 204 mit der Rotorwelle 183 verbindbar ist, sodass wählbar eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem zweiten Triebrad 202 und der Rotorwelle 183 herstellbar bzw. lösbar ist.
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An ihrem anderen Ende, d.h. auf der dem Riementrieb 20 abgewandten Seite des Rotors 181, ist die Rotorwelle 183 mittels eines Freilaufs 22 mit der Ausgangswelle 165 der Expansionsmaschine 164 gekoppelt. Der Freilauf 22 ist hinsichtlich seiner Sperrrichtung so angeordnet, dass er im Fall eines von der Verbrennungskraftmaschine 12 erzeugten und über den Riementrieb 20 auf die Rotorwelle 183 übertragenen Drehzahlüberschusses die Rotorwelle 183 von der Expansionsmaschinen-Ausgangswelle 165 entkoppelt und anderenfalls beide Wellen 183, 165 drehmomentübertragend verbindet. Der Stator 182 der elektrischen Maschine 18 ist mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer Fahrzeugbatterie 24 sowie mit dem übrigen Bordnetz 26 elektrisch verbunden.
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Schließlich ist in 1 noch ein Steuergerät 28 gezeigt, welches die Betätigung der Klauenkupplung 204 sowie das an der elektrischen Maschine 18 abgegriffene Moment steuert.
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Bzgl. der mit dem Rekuperationssystem 10 realisierbaren Betriebsmodi wird auf den obigen, allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
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2 zeigt eine modifizierte Variante des Rekuperationssystems 10, bei dem der Freilauf 22 durch eine weitere schaltbare Kupplung 22‘ ersetzt ist. Um die gleiche Entsperr- bzw. Verbindungswirkung zu erzielen, wie sie mit dem Freilauf 22 erreichbar ist, bedarf die weitere schaltbare Kupplung 22‘ einer aktiven Ansteuerung und ist daher in 2 als ebenfalls mit dem Steuergerät 28 verbunden dargestellt.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist der in dem Dampfkreislaus 16 realisierte thermodynamische Prozess nicht zwingend, jedoch bevorzugt ein Clausius-Rankine-Prozess. Andere thermodynamische Prozesse, die thermische Energie aus einer Wärmequelle, nämlich dem Abgassystem 14, in mechanische Energie einer Expansionsmaschine 164 zu wandeln vermögen, sind gleichermaßen einsetzbar. In den 1 und 2 ist zudem die Wärmesenke des Kondensators 162 nicht detailliert dargestellt; in den Figuren ist jedoch eine Flüssigkeitsleitung angedeutet. Beispielsweise kann eine Kopplung mit dem Fluidsystem einer Klimaanlage gegeben sein. Alternativ kann die zur Kondensation erforderliche Kühlung auch über die Umgebungsluft erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rekuperationssystem
- 12
- Verbrennungskraftmaschine
- 121
- Kurbelwelle
- 14
- Abgasanlage
- 16
- Dampfkreislauf
- 161
- Verdampfer
- 162
- Kondensator
- 163
- Pumpe
- 164
- Expansionsmaschine
- 165
- Expansionsmaschinen-Ausgangswelle
- 18
- elektrische Maschine
- 181
- Rotor
- 182
- Stator
- 183
- Rotorwelle
- 20
- Riementrieb
- 201
- erstes Triebrad
- 202
- zweites Triebrad
- 203
- Riemen
- 204
- Klauenkupplung
- 22
- Freilauf
- 22‘
- weitere schaltbare Kupplung
- 24
- Batterie
- 26
- Bordnetz
- 28
- Steuergerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076093 A1 [0002, 0009]
- DE 102006061374 A1 [0004]
- EP 1844221 B1 [0005]
- EP 2100022 B1 [0006]
- DE 102005063056 A1 [0007]
- WO 2012/096958 A1 [0008]
