DE102013213569A1

DE102013213569A1 - Anlage zur Abwärmenutzung einer Abgasanlage

Info

Publication number: DE102013213569A1
Application number: DE102013213569.6A
Authority: DE
Inventors: Rolf Müller; Andreas Neubauer; Thomas Riemay; Peter Wieske
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2015-01-15
Also published as: US20160160750A1; EP3020124A2; WO2015003928A2; WO2015003928A3

Abstract

Mit einem von der Abwärme erhitzbaren Fluid wird innerhalb eines gegenüber der Atmosphäre hermetisch abgedichteten Bereiches eine Hochdrehzahlturbine angetrieben, die berührungsfrei über eine Magnetkupplung mit einer Einrichtung zur Nutzung der Turbinenarbeit antriebsgekoppelt ist. Die Magnetkupplung ist vorzugsweise als Magnetgetriebe ausgebildet, welches die Drehzahl der Turbine ins Langsame übersetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Abwärmenutzung einer Abgasanlage, insbesondere bei Nutzfahrzeugen, mit von einem mittels der Abgasanlage aufheizbaren Fluid antreibbarer Hochdrehzahlturbine, die in einem fluidisch hermetisch abgedichtetem Bereich angeordnet und berührungsfrei mit einer außerhalb des hermetisch abgedichteten Bereiches zur Nutzung der Turbinenarbeit angeordneten Einrichtung antriebsverbunden ist.
Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors fallen aufgrund thermodynamischer Gesetze große Abwärmemengen an. Es ist grundsätzlich möglich und erstrebenswert, diese Abwärmemengen mit entsprechenden thermodynamischen Prozessen in mechanische Arbeit umzuwandeln bzw. in einer für mechanische Arbeit geeigneten Weise zu speichern.
Beispielsweise besteht die prinzipielle Möglichkeit, mittels der Abwärme eines Abgassystems ein Fluid, wie zum Beispiel Ethanol, Kältemittel oder Wasser-Ammoniak zu verdampfen und den so erzeugten Dampf zum Betrieb einer Turbine oder einer sonstigen Expansions- oder Strömungsmaschine zu nutzen. Dabei sollten die Turbine beziehungsweise die Expansions- oder Strömungsmaschine in einem fluidisch hermetisch abgedichteten Bereich arbeiten, um das zum Betrieb verwendete Fluid nachfolgend ohne Schwund erneut erhitzen und zum Betrieb der Turbine oder dergleichen heranziehen zu können. In diesem Zusammenhang besteht das Problem, die Turbine oder dergleichen antriebsmäßig mit einer die Arbeit der Turbine oder dergleichen nutzenden Einrichtung zu verbinden.
Hier setzt die Erfindung an und schlägt vor, die Antriebsverbindung berührungsfrei auszuführen, indem eine die Drehzahl der Turbine oder dergleichen ins Langsame übersetzende magnetische Getriebeanordnung mit Antriebsseite innerhalb des hermetisch abgedichteten Bereiches und Abtriebsseite außerhalb dieses Bereiches vorgesehen wird.
Magnetische Getriebe sind grundsätzlich bekannt und können analog einem Zahnradgetriebe ausgebildet sein, wobei die Zähne der Zahnräder durch "magnetische Zähne", ersetzt werden, d.h. anstelle einer Verzahnung sind auf dem Umfang eines Rades Permanentmagnete angeordnet, die mit magnetischen Bereichen entgegengesetzter Polarität am Umfang eines weiteren Rades zusammenwirken. Dabei kann zwischen den Rädern eine fluidisch dichte Wand aus einem Magnetfelder nicht oder allenfalls geringfügig verändernden Material, wie z.B. Kunststoff, vorgesehen sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine konstruktiv einfache berührungsfreie Antriebskopplung mit gutem Wirkungsgrad zu schaffen, die zusätzlich eine Übersetzung der Abtriebsseite ins Langsame ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Antriebsverbindung als berührungsfreies Magnetgetriebe ausgebildet ist, insbesondere als magnetisches Reluktanzgetriebe.
Ein magnetisierbarer oder magnetischer Körper wird zwischen Magnetpolen entgegengesetzter Polarität von einer Reluktanzkraft in eine Lage gedrängt, in der der magnetische Widerstand (Reluktanz) zwischen den beiden Polen entgegengesetzter magnetischer Polarität minimal wird. In einem Reluktanzmotor wird dieser Effekt dadurch ausgenutzt, dass am Umfang eines Stators elektrisch bestrombare Wicklungen angeordnet sind, mit denen durch entsprechend wechselnde Bestromung ein in Umfangsrichtung wanderndes magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Damit kann ein sternförmiger Rotor aus magnetisierbarem Material, dessen Zackenzahl geringer ist als die Anzahl der Wicklungen des Stators, vom wandernden magnetischen Wechselfeld "mitgeschleppt" werden. Von einem solchen Reluktanzmotor unterscheidet sich ein als Kupplung dienendes Reluktanzgetriebe im Wesentlichen nur dadurch, dass das rotierende magnetische Wechselfeld durch rotierende Rotor- oder Ringteile mit in Umfangsrichtung benachbarten permanent-magnetisierten Elementen oder magnetisierbaren Elementen erzeugt wird, und zwar auf der Eingangsseite des magnetischen Reluktanzgetriebes. Auf der Abtriebsseite ist dann ein mit diesem rotierenden magnetischen Wechselfeld zusammenwirkender Rotor mit permanent-magnetisierten oder magnetisierbaren Elementen vorgesehen.
Ein besonderer Vorzug des Reluktanzgetriebes liegt darin, dass die rotierenden Teile gemäß einer Vielzahl von Varianten ausgestaltet sein können und insbesondere bezüglich der Anordnung permanent-magnetisierter Elemente eine große konstruktive Freiheit besteht.
Hierzu wird auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Varianten der Erfindung näher beschrieben werden.
In der Zeichnung zeigen:
1 einen stark schematisierten Axialschnitt eines für die Erfindung vorgesehenen Magnetgetriebes, und
2–7 Radialschnitte entsprechend der Schnittlinie II-VII in 1 für verschiedene konstruktive Varianten des Magnetgetriebes.
In 1 bildet eine Trennwand 1 eine hermetisch dichte Abtrennung zwischen einem mit der Atmosphäre kommunizierenden Raum 3 und einem Raum 2, innerhalb dessen eine nicht dargestellte Turbine oder dergleichen durch ein strömendes Fluid angetrieben wird. An der Trennwand 1 ist eine Dichtkappe 4 angeordnet, die im dargestellten Beispiel einen liegenden Zylinder bildet, der an seinem einen Ende zum Raum 3 der Atmosphäre hin geschlossen ist und dessen anderes Ende zum Raum 2 hin offen ist. Koaxial zur Achse der zylindrischen Dichtkappe 4 sind ein die Dichtkappe 4 ringförmig umschließender Außenrotor 5 und ein innerhalb der Dichtkappe 4 angeordneter Innenrotor 6 eines nachfolgend näher erläuterten magnetischen Getriebes angeordnet, wobei der Innenrotor 6 mit der nicht dargestellten Turbine antriebsverbunden ist und dementsprechend die Eingangsseite des Getriebes bildet, während der Außenrotor 5 als Kupplungsausgang vorgesehen ist und mit einer nicht näher dargestellten, von der Turbine anzutreibenden Einrichtung antriebsverbunden ist.
Gemäß einer in 2 dargestellten ersten Variante des magnetischen Getriebes besitzt der Außenrotor 5 einen Mantel 51 aus magnetisierbarem Material, wobei auf dem Innenumfang des Mantels 51 leistenförmige Permanentmagnete 52 und 53 alternierend angeordnet sind, wobei die Permanentmagnete 52 in der einen Radialrichtung und die Permanentmagnete 53 in der anderen Radialrichtung magnetisiert sind und die Längsachsen der leistenförmigen Permanentmagnete 52 und 53 jeweils parallel zur Zylinderachse der Dichtkappe 4 liegen. In Umfangsrichtung des Mantels 51 folgt also auf einen nach radial einwärts weisenden magnetischen Nordpol immer ein magnetischer Südpol.
Der Innenrotor 6 besitzt eine Welle 61 aus magnetisierbarem Material, beispielsweise Eisen, auf deren Außenumfang in Radialrichtung magnetisierte Permanentmagnete 62 und 63 angeordnet sind, die sich jeweils in Längsrichtung der Welle 61 erstrecken, wobei die Permanentmagnete 62 und 63 so angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung der Welle 61 jeweils ein magnetischer Nordpol auf einen magnetischen Südpol folgt.
Die Richtung der permanenten Magnetisierung der Magnete 52 und 53 bzw. 62 und 63 ist jeweils durch radiale Pfeile angedeutet.
Die Zahl der durch die Permanentmagnete 52 und 53 gebildeten Polpaare wird nachfolgend als a bezeichnet, die Zahl der von den Permanentmagneten 62 und 63 gebildeten magnetischen Polpaare als i. Im dargestellten Beispiel ist a = 12 und i = 2.
An der in der Zylinderwand der Dichtkappe 4 gebildeten zylindrischen Zwischenwand 41 zwischen dem Außenrotor 5 und dem Innenrotor 6 sind leistenförmige Polstäbe 42 aus magnetisierbarem Material, z.B. Eisen, angeordnet, wobei die Längsachsen der Polstäbe jeweils parallel zur Zylinderachse der Dichtkappe 4 liegen. Dabei gilt für die Anzahl p der Polstäbe p = a + i. Dementsprechend sind im dargestellten Beispiel 14 Polstäbe 42 vorhanden.
Wenn nun der Innenrotor 6 mit den Permanentmagneten 62 und 63 und der Welle 61 in einer Richtung gedreht wird, werden die von den Permanentmagneten 62 und 63 erzeugten Magnetfelder durch die Polstäbe 42 auf der feststehenden Zwischenwand 41 bzw. der stationären Dichtkappe 4 in 1, moduliert, mit der Folge, dass der Außenrotor 5 und dementsprechend der Mantel 51 mit den Permanentmagneten 52 und 53 im zur Rotationsrichtung des Innenrotors 6 entgegengesetzter Rotationsrichtung dreht, wobei die Drehzahl des Außenrotors 5 entsprechend dem Verhältnis i:a ins Langsame übersetzt wird.
Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von der vorangehend beschriebenen Ausführungsform der 2 im Wesentlichen nur dadurch, dass die Polstäbe 42 auf der Zwischenwand 41 miteinander durch einen Mantel 43 aus magnetisierbarem Material jochartig verbunden sind. Die Funktion dieser Ausführungsform entspricht der Funktion der Ausführungsform nach 2.
Die Ausführungsform der 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 3 im Wesentlichen dadurch, dass die Polstäbe 42 nach Art einer Außenverzahnung auf einem Mantel 44 aus magnetisierbarem Material angeordnet sind, wobei dieser Mantel 44 auf der Zwischenwand 41 angeordnet ist.
Auch hier wird eine Funktion entsprechend der Ausführungsform der 2 erreicht.
Die Ausführungsform der 5 entspricht bezüglich der Ausbildung des Außenrotors 5 mit dem Mantel 51 und den Permanentmagneten 52 und 53 der Ausführungsform der 2. Gleiches gilt bezüglich der Ausbildung der Dichtkappe 4 mit der Zwischenwand 41 und den Polstäben 42.
Dagegen ist der Innenrotor 6 abweichend von den bisher dargestellten Ausführungsformen ohne permanent-magnetische Elemente und besitzt einen aus magnetisierbarem Material bestehenden Körper mit nach radial außen weisenden Zähnen 64 und in Umfangsrichtung dazwischen angeordneten Zahnlücken 65, wobei die Zähne und Zahnlücken in Umfangsrichtung etwa gleiche Breiten aufweisen.
Die Zahl j der von den Zähnen 64 gebildeten Zahnpaare entspricht der Zahl i der Polpaare, die bei der Ausführungsform der 2 durch die Permanentmagnete 62 und 63 gebildet werden. Bei Drehung des Innenrotors 6 dreht der Außenrotor der Ausführungsform der 5 in entgegengesetzter Richtung, wobei die Drehzahlen des Außenrotors im Verhältnis j:a ins Langsame übersetzt werden.
Die Ausführungsform der 6 stimmt hinsichtlich des Innenrotors 6 sowie der Dichtkappe 4 bzw. der Zwischenwand 41 und der Polstäbe 42 mit der Ausführungsform der 2 überein. Jedoch besitzt der Außenrotor 5 im Gegensatz zu der Ausführungsform der 2 keinerlei permanent-magnetisierte Elemente. Vielmehr besteht der Außenrotor aus einem Mantel 51 aus magnetisierbarem Material sowie daran innenseitig angeformten, nach radial einwärts gerichteten Zähnen 54 aus magnetisierbarem Material, wobei die Zahl z der Zahnpaare des Außenrotors 5 in 6 der Zahl a der Polpaare der Permanentmagnete 52 und 53 der 2 entspricht. Bei Drehung des Innenrotors 6 dreht der Außenrotor 5 in entgegengesetzter Richtung, wobei die Drehzahlen des Außenrotors 5 im Verhältnis z:i ins Langsame übersetzt werden.
Die Ausführungsform der 7 besitzt einerseits einen Innenrotor entsprechend der Ausführungsform der 5 und andererseits einen Außenrotor 5 entsprechend der Ausführungsform der 6. Abweichend von allen vorangehend beschriebenen Ausführungsformen sind auf der Dichtkappe 4 bzw. der Zwischenwand 41 Permanentmagnete 45 und 46 angeordnet, die jeweils in radialer Richtung magnetisch polarisiert sind, wobei die Permanentmagnete 46 jeweils entgegengesetzt zu den Permanentmagneten 45 polarisiert sind. Dabei entspricht die Zahl p der von den Permanentmagneten 45 und 46 gebildeten Polpaare der Summe der Zahl z der Zahnpaare am Innenumfang des Außenrotors 5 und der Zahl j der Zahnpaare am Außenumfang des Innenrotors 6. Bei Drehung des Innenrotors dreht der Außenrotor wiederum in entgegengesetzter Richtung, wobei die Drehzahlen des Außenrotors 5 im Verhältnis von j:z ins Langsame übersetzt werden.
In konstruktiver Hinsicht ist die Ausführungsform der 7 besonderes bevorzugt, weil permanent-magnetisierte Elemente ausschließlich an einem stationären Teil, d.h. auf der Dichtkappe bzw. der Zwischenwand 41, angeordnet sind. Dabei besteht die Möglichkeit, die Permanentmagnete 45 und 46 in ein nichtmagnetisierbares Kunststoffmaterial, welches für die Dichtkappe 4 bzw. die Zwischenwand 41 vorgesehen ist, einzubetten.
Im Hinblick auf die übertragbaren Drehmomente sind die Ausführungsformen der 2 und 3 vorteilhaft, bei denen jeweils Außen- und Innenrotor permanentmagnetisierte Elemente aufweisen.
Funktionsmäßig ist es grundsätzlich bei allen dargestellten Ausführungsformen möglich, die ringförmige Zwischenwand 41 rotierbar anzuordnen und entweder den Außenrotor 5 oder den Innenrotor 6 stationär anzuordnen. In einem derartigen Fall werden die beiden drehbaren Teile miteinander magnetisch gekoppelt. Allerdings müsste dann zwischen den drehbaren Teilen eine gesonderte Dichtkappe aus nicht-magnetisierbarem Material vorgesehen werden, um die gewünschte hermetische Trennung zwischen dem Raum 2 und dem Raum 3 in 1 zu gewährleisten. Bei den in den 2–7 zeichnerisch dargestellten Ausführungsformen übernimmt dagegen die stationäre Zwischenwand 41 einerseits die Trennung der Räume 2 und 3 und andererseits mittels der auf ihr angeordneten Polstäbe 42 bzw. der Permanentmagnete 45 und 46 die zusätzliche Funktion einer Erzeugung oder Modulation von Magnetfeldern.
Insgesamt bleibt damit der konstruktive Aufwand relativ gering.

Claims

Vorrichtung zur Abwärmenutzung, insbesondere der Abwärme einer Abgasanlage bei Nutzfahrzeugen, mit einer von einem mittels der Abwärme erhitzbaren Fluid angetriebenen Hochdrehzahlturbine, die in einem gegen Fluidverlust durch eine hermetisch dichte Abtrennung (1) abgesperrten Bereich (2) angeordnet und abtriebsseitig berührungsfrei mit einer zur Nutzung der Turbinenarbeit vorgesehenen Einrichtung außerhalb der Abtrennung (1) antriebsgekoppelt ist, wobei als Anordnung zur Antriebskopplung eine Magnetkupplungsanordnung (5, 6) mit innerhalb der Abtrennung angeordneter Eingangsseite (6) und außerhalb der Abtrennung angeordneter Ausgangsseite (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkupplung als Magnetgetriebe ausgebildet ist, insbesondere nach Art eines Reluktanzgetriebes.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetgetriebe die Drehzahl der Turbine ins Langsame übersetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsseite ein ringförmiger Außenrotor (5) und als Eingangsseite ein dazu konzentrischer Innenrotor (6) vorgesehen sind, die voneinander durch eine Dichtkappe (4) mit zu den Rotoren (5, 6) konzentrischer Zwischenwand (41) getrennt sind, welche einen Teil der hermetischen Abtrennung (1) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Zwischenwand (41) in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Polstäbe (42) aus magnetisierbarem Material mit zu den Rotorachsen parallelen Längsachsen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rotoren (5, 6) radial polarisierte Permanentmagnete (52, 53, 62, 63) mit in Umfangsrichtung alternierender magnetischer Polarisation paarweise angeordnet sind derart, dass in Umfangsrichtung jeweils ein magnetischer Nordpol auf einen magnetischen Südpol folgt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Polstäbe (42) der Summe der Zahl (a) der magnetischen Polpaare des Außenrotors (5) und der Zahl (i) der magnetischen Polpaare des Innenrotors (6) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Zwischenwand (41) radial polarisierte Permanentmagnete (45, 46) mit in Umfangsrichtung alternierender magnetischer Polarisation angeordnet sind, derart, dass in Umfangsrichtung ein magnetischer Nordpol auf einen magnetischen Südpol folgt, dass der Innenrotor (6) einen Körper aus magnetisierbarem Material und außenumfangsseitigen Zähnen (64) und dazwischen in Umfangsrichtung erstreckten Zahnlücken (65) aufweist und dass der Außenrotor (5) einen Mantel (51) aus magnetisierbarem Material sowie daran angeordnete, radial einwärts gerichtete Zähne (54) aus magnetisierbarem Material aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl (p) der magnetischen Polpaare an der Zwischenwand (41) der Summe der Zahl (z) der außenrotorseitigen Zahnpaare und der Zahl (j) der innenrotorseitigen Zahnpaare entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenrotor (6) radial innerhalb seiner Permanentmagnete (62, 63) einen Körper (61) aus magnetisierbarem Material aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines Innenrotors (6) mit umfangsseitigen Permanentmagneten (62, 63) ein Innenrotor (6) aus magnetisierbarem Material mit außenumfangsseitigen Zähnen (64) und dazwischen in Umfangsrichtung erstreckten Zahnlücken (65) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Polstäbe (42) an der Zwischenwand (41) der Summe der Zahl (j) der Zahnpaare des Innenrotors (6) und der Zahl (a) der Polpaare am Mantel (51) des Außenrotors (5) entspricht.