DE102016208784A1

DE102016208784A1 - Kraftfahrzeug mit Wärmewandler

Info

Publication number: DE102016208784A1
Application number: DE102016208784.3A
Authority: DE
Inventors: Kai Kuhlbach; Jan Mehring; Stefan Quiring
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeug (10) mit einem Verbrennungsmotor (11), einem Abgasstrang (13), einer im Abgasstrang (13) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) und einem Wärmewandler (18) bereitgestellt. Dabei umfasst der Wärmewandler (18) ein Arbeitsmedium, einen Aufnehmer (19), der ausgebildet ist, Wärmeenergie aufzunehmen und das Arbeitsmedium in Schwingung zu versetzen, einen Generator (20), der ausgebildet ist, Schwingungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln, und eine Übertragungseinheit (24), die ausgebildet ist, die Schwingung von dem Aufnehmer (19) zum Generator (20) zu übertragen. Erfindungsgemäß ist der Wärmewandler (18) ausgebildet, Wärmeenergie der Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) zu verwenden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Wärmewandler.
Im Stand der Technik ist aus der EP 1835164 A2 ein Fahrzeug mit einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine als Antriebsquelle und mit Komponenten, die von einem in einem geschlossenen Kreislauf aufgenommenen Medium her mit Wärme versorgbar sind, bekannt. Die Turbine des Abgasturboladers ist dabei als Heizquelle ausgebildet. Dazu ist außen am Turbinengehäuse ein Wärmetauscher angeordnet, der in den Medium-Kreislauf eingebunden oder einschaltbar ist und in dessen Innenraum das direkt oder kanalisiert hindurchgeleitete Medium unter Ausnutzung wenigstens der thermischen Abstrahlungsenergie des heißen Turbinengehäuses aufheizbar ist. So wird die thermische Abstrahlung der Turbinengehäuseaußenwand zu einer Erwärmung eines den Wärmetauscher durchströmenden Mediums benutzt.
Die JP 20142228 A zeigt eine Ladeluftkühlvorrichtung, die ein thermoakustisches System umfasst, welches der Zuluft eines Verdichters Wärmeenergie entzieht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einem Wärmewandler bereitzustellen, mit der ansonsten ungenutzte Wärmeenergie nutzbar gemacht werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor, einen Abgasstrang, eine im Abgasstrang angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung und einen Wärmewandler. Der Wärmewandler umfasst ein Arbeitsmedium, einen Aufnehmer, der ausgebildet ist, Wärmeenergie aufzunehmen und das Arbeitsmedium in Schwingung zu versetzen, einen Generator, der ausgebildet ist, Schwingungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln, und eine Übertragungseinheit, die ausgebildet ist, die Schwingung von dem Aufnehmer zum Generator zu übertragen. Erfindungsgemäß ist der Wärmewandler ausgebildet, Wärmeenergie der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu verwenden. Die Wärmeenergie der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist insbesondere die, die durch eine exotherme Reaktion in der Abgasnachbehandlungseinrichtung entsteht.
Damit ist es vorteilhaft ermöglicht nicht nur Abgaswärme sondern auch durch Abgasnachbehandlung entstehende Wärme zu nutzen und elektrische Energie zu generieren. Der Betrieb des Kraftfahrzeugs benötigt damit weniger Treibstoff und erzeugt weniger Emissionen. Gleichzeitig verursacht das Abführen der Wärme ein Kühlen an dieser Stelle, an der damit die Hitzebelastung für die Materialien sinkt.
Der Wärmewandler kann benachbart zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder zumindest zum Teil innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein. Insbesondere ist dabei der Aufnehmer des Wärmewandlers benachbart oder innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet.
Diese Anordnungen begünstigen die Wärmeaufnahme und damit eine effektive Arbeitsweise des Wärmewandlers.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs weist der Wärmewandler mehrere Aufnehmer auf.
Damit ist es ermöglicht, mehr Wärmeenergie an verschiedenen Stellen aufzunehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs ist das Arbeitsmedium Helium oder Argon.
Helium und Argon sind nicht brennbar, Inertgase und unterliegen keinem Temperaturlimit. Ein Bypass um den Aufnehmer herum, der einer Überhitzung des Arbeitsmediums entgegenstehen soll, kann somit eingespart werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist der Generator elektrisch leitend mit einem Akkumulator des Kraftfahrzeugs verbunden.
Damit ist es ermöglicht, die vom Generator erzeugte elektrische Energie zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs weist dieses eine im Abgasstrang angeordnete elektrisch beheizbare Abgasnachbehandlungseinheit auf. Dabei ist das Kraftfahrzeug ausgebildet, die elektrisch beheizbare Abgasnachbehandlungseinheit mit vom Generator erzeugter elektrischer Energie zu betreiben.
Damit ist es ermöglicht, die Abgasnachbehandlungseinheit mit regenerierter Energie effizient zu beheizen und diese rasch auf eine gewünschte Betriebstemperatur zu bringen.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich. Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in einer ersten Ausgestaltung;
2 das Kraftfahrzeug in einer zweiten Ausgestaltung;
3 das Kraftfahrzeug in einer dritten Ausgestaltung; und
4 einen Wärmewandler.
In den 1 bis 3 ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 in beispielhaften Ausgestaltungen schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Verbrennungsmotor 11, einen Abgasstrang 13, eine im Abgasstrang 13 angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 und einen Wärmewandler 18 auf. Dieser ist in der 4 schematisch in einer beispielhaften Ausgestaltung dargestellt.
Das Kraftfahrzeug 10 weist zudem insbesondere einen Zuluftstrang 12 auf, der, wie es üblich ist, ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor 11 für dessen Betrieb notwendige Zuluft zuzuführen. Das Kraftfahrzeug 10 kann einen Abgasturbolader mit einer im Abgasstrang 13 angeordneten Abgasturbine 14 und einem mit der Abgasturbine drehmomentübertragend verbundenen, im Zuluftstrang 12 angeordneten Verdichter 15 umfassen. In dieser Weise ist es in den 2 und 3 gezeigt.
Der Abgasstrang 13 des Kraftfahrzeugs 10 umfasst einen Abgaskrümmer 16. Der Abgaskrümmer 16 kann auch in einen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 11 integriert sein.
Ferner umfasst das Kraftfahrzeug 10 insbesondere einen Akkumulator 17. Der Akkumulator 17 ist ausgebildet elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und abzugeben. Der Akkumulator 17 ist insbesondere eine Starterbatterie und/oder bei einer Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs 10 mit Hybridantrieb eine Antriebsbatterie.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 ist mit einem Wärmewandler 18 versehen, der ausgebildet ist Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Wärmewandler 18 ist ein thermoakustischer Generator. Erfindungsgemäß ist der der Wärmewandler 18 ausgebildet, Wärmeenergie der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 zu verwenden. Die Wärmeenergie stammt dabei zumindest zum Teil aus einer exothermen Reaktion, die in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 während der Abgasnachbehandlung stattfindet, und aus einem Abgas 23 des Verbrennungsmotors 11. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator. Der Wärmewandler 18 umfasst ein Arbeitsmedium, zumindest einen Aufnehmer 19, eine Übertragungseinheit 24 und einen Generator 20. Zusätzlich kann der Wärmewandler 18 auch einen weiteren Aufnehmer 19 aufweisen, der insbesondere stromabwärts des ersten Aufnehmers 19 im Abgasstrang 13 angeordnet ist. Der Wärmewandler 18 kann benachbart zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 oder auch zumindest zum Teil innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet sein. Der Wärmewandler 18 ist thermisch mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 verbunden.
Der zumindest eine Aufnehmer 19 ist ausgebildet, seiner Umgebung Wärmeenergie zu entziehen und dem Arbeitsmedium Schwingungsenergie, insbesondere in Form akustischer Schwingung, zuzuführen, mithin das Arbeitsmedium in Schwingung, insbesondere akustische Schwingung, zu versetzen. Der Aufnehmer 19 kann benachbart zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet sein. In dieser Weise ist es in der 3 dargestellt. Zudem ist es möglich, dass der Aufnehmer 19 innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet ist. In dieser Weise ist es in den 1 und 2 dargestellt. Der Aufnehmer 19 kann dabei von einem Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 zumindest zum Teil umschlossen oder in ein Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 integriert sein. Der Aufnehmer 19 kann auch benachbart zu einem oder in einem stromabwärtigen Teil der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet sein, um bei einer in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 stattfindenden exothermen Reaktion entstehende Wärme besser aufnehmen zu können. Auch die Übertragungseinheit 24 und/oder der Generator 20 können innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet sein. In dieser Weise ist es in der 2 dargestellt.
Der Aufnehmer 19 umfasst insbesondere einen ersten Wärmetauscher 26, einen Regenerator 27 und einen zweiten Wärmetauscher 28. In Wärmestromrichtung 25 ist dabei der Regenerator 27 stromabwärts des ersten Wärmetauschers 26 und der zweite Wärmetauscher 28 stromabwärts des Regenerators 27 angeordnet. In dieser Ausführung ist der Aufnehmer 19 in der 4 dargestellt. Dabei ist der erste Wärmetauscher 26 ausgebildet, Wärmeenergie aufzunehmen und diese zumindest zum Teil an das Arbeitsmedium zu übertagen. Der Regenerator 27 ist ausgebildet die Wärmeenergie des Arbeitsmediums zumindest zum Teil in Schwingungsenergie umzuwandeln und das Arbeitsmedium in Schwingung, insbesondere in akustische Schwingung, zu versetzen. Der zweite Wärmetauscher 28 ist ausgebildet dem Arbeitsmedium zumindest einen Teil seiner Wärmeenergie zu entziehen und diese abzuführen, insbesondere an ein Kühlmittel des Kraftfahrzeugs. Der erste Wärmetauscher 26 kann dabei von einem Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 zumindest zum Teil umschlossen oder in ein Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 integriert sein. Der erste Wärmetauscher 26 kann auch benachbart zu einem oder in einem stromabwärtigen Teil der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet sein, um bei einer in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 stattfindenden exothermen Reaktion entstehende Wärme besser aufnehmen zu können. Auch der Regenerator 27 und/oder der zweite Wärmetauscher 28 können innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet sein.
Die Übertragungseinheit 24 ist ausgebildet, Schwingungsenergie, insbesondere in Form akustischer Schwingung, von dem Aufnehmer 19 an den Generator 20 zu übertragen. Die Übertragungseinheit 24 nutzt dazu das Arbeitsmedium. Die Übertragungseinheit 24 ist insbesondere eine geschlossene Schleife, in welcher sich das Arbeitsmedium befindet. Das Arbeitsmedium ist bevorzugt Helium oder Argon.
Der Generator 20 ist ausgebildet, die an ihn übertragene Schwingungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 20 umfasst ein Arbeitsmedium, welches insbesondere Helium oder Argon ist. Die Übertragungseinheit 24 kann in den Generator 20 integriert sein.
Das Kraftfahrzeug 10 kann eine im Abgasstrang 13 angeordnete Abgasnachbehandlungseinheit 22 aufweisen, welche über eine elektrische Heizung verfügt. In dieser Ausgestaltung ist das Kraftfahrzeug 10 in der 3 dargestellt. Die Abgasnachbehandlungseinheit 21 ist dabei beispielsweise stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet. Die Abgasnachbehandlungseinheit 22 kann auch ein Teil der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 oder mit dieser in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Durch die elektrische Heizung ist die Abgasnachbehandlungseinheit 22 aufheizbar. Das Kraftfahrzeug 10 ist ausgebildet, die elektrisch beheizbare Abgasnachbehandlungseinheit 22 mit elektrischer Energie zu betreiben, die vom Generator 20 erzeugt wurde. Die elektrische Energie kann dabei direkt vom Generator 20 zu der elektrischen Heizung der Abgasnachbehandlungseinheit 22 geleitet werden oder indirekt vom Generator 20 zum Akkumulator 17 und vom Akkumulator 17 zur elektrischen Heizung der Abgasnachbehandlungseinheit 22. Der Generator 20 des Wärmewandlers 18 ist mit dem Akkumulator 17 und/oder mit der elektrisch beheizbaren Abgasnachbehandlungseinheit 22 elektrisch leitend verbunden. Der Wärmewandler 18 ist ausgebildet elektrische Energie an den Akkumulator 17 und/oder an die Abgasnachbehandlungseinheit 22 abzugeben.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
11: Verbrennungsmotor
12: Zuluftstrang
13: Abgasstrang
14: Abgasturbine
15: Verdichter
16: Abgaskrümmer
17: Akkumulator
18: Wärmewandler
19: Aufnehmer
20: Generator
21: Abgasnachbehandlungseinrichtung
22: Abgasnachbehandlungseinheit
23: Abgas
24: Übertragungseinheit
25: Wärmestrom
26: Erster Wärmetauscher
27: Regenerator
28: Zweiter Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1835164 A2 [0002]
JP 20142228 A [0003]

Claims

Kraftfahrzeug (10) mit einem Verbrennungsmotor (11), einem Abgasstrang (13), einer im Abgasstrang (13) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) und einem Wärmewandler (18), wobei der Wärmewandler (18) ein Arbeitsmedium, einen Aufnehmer (19), der ausgebildet ist, Wärmeenergie aufzunehmen und das Arbeitsmedium in Schwingung zu versetzen, einen Generator (20), der ausgebildet ist, Schwingungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln, und eine Übertragungseinheit (24), die ausgebildet ist, die Schwingung von dem Aufnehmer (19) zum Generator (20) zu übertragen, umfasst, dadurch gekennzeichnet, das der Wärmewandler (18) ausgebildet ist, Wärmeenergie der Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) zu verwenden.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1, wobei der Wärmewandler (18) benachbart zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1, wobei der Wärmewandler (18) zumindest zum Teil innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 3, wobei der Aufnehmer (19) innerhalb der Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wärmewandler (18) mehrere Aufnehmer (19) aufweist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Arbeitsmedium Helium oder Argon ist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Kraftfahrzeug (10) einen Akkumulator (17) aufweist und der Generator (20) elektrisch leitend mit dem Akkumulator (17) verbunden ist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kraftfahrzeug eine im Abgasstrang (13) angeordnete elektrisch beheizbare Abgasnachbehandlungseinheit (22) aufweist und das Kraftfahrzeug (10) ausgebildet ist, die elektrisch beheizbare Abgasnachbehandlungseinheit (22) mit vom Generator (20) erzeugter elektrischer Energie zu betreiben.