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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Wärmenutzvorrichtung.
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Im Stand der Technik ist aus der
EP 1835164 A2 ein Fahrzeug oder stationäre Kraftanlage, 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.
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Die
JP 2014222128 A zeigt eine Ladeluftkühlvorrichtung, die ein thermoakustisches System umfasst, welches der Zuluft eines Verdichters Wärmeenergie entzieht.
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Aus der
DE 60128048 T2 ist ein Auslasswärmeenergie-Wiedergewinnungssystem bekannt, welches die hohe Wärmeenergie, die sich in der Nähe eines Abgasreinigungskatalysators befindet, der unmittelbar stromabwärts in einem Auspuffsystem eines Motors angeordnet ist, als Antriebsenergie für ein anderes Gerät nutzen soll, ohne eine Erhöhung im Auslasswiderstand hervorzurufen. Dazu ist ein Stapel eines Schallwellenerzeugungsabschnitts vorgesehen. Dieser ist an einem Endabschnitt eines Resonanzrohrs vorgesehen, benachbart zu einem Abgasreinigungskatalysatorangeordnet, der zwischenliegend in einem Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist. Dabei ist ein Wandler zum Umwandeln der durch den Stapel aufgrund des Erhalts von Wärme von dem katalytischen Wandler erzeugten Schallwelle in elektrische Energie an dem anderen Endabschnitt des Resonanzrohrs vorgesehen, und eine Ausgabe wird von dem Wandler einer elektrischen Last zugeführt.
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Aus der
US 8928963 B2 geht eine Lichtscanvorrichtung und eine Anzeigevorrichtung hervor. Die Lichtscanvorrichtung ist ausgebildet, eine hohe Resonanzfrequenz und einen großen Scanwinkel zu haben. Eine Spiegeleinheit vibriert durch Verwendung einer beliebigen geraden Linie als Rotationsachse. Ein Paar erste Strahlabschnitte sind an einer geraden Linie, die parallel zu der Rotationsachse ist, angeordnet und unterstützt die Spiegeleinheit. Ein Paar zweite Strahlenabschnitte sind liniensymmetrisch zu dem Paar ersten Strahlenabschnitten um die Rotationsachse als eine Symmetrieachse angeordnet und unterstützen die Siegeleinheit. Ein Paar erste Armabschnitte unterstützen jeweils das Paar erster Strahlenabschnitte. Ein Paar zweite Armabschnitte unterstützt jeweils das Paar zweite Strahlenabschnitte. Ein Paar dritte Strahlenabschnitte unterstützt die Spiegeleinheit zwischen den ersten Strahlenabschnitten und den zweiten Strah lenabschn itten.
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Die
JP 2006-9579 A zeigt eine Thermoakustische Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, um einen thermoakustischen Wellengenerator anzutreiben und um mit generierter Energie Zusatzgeräte des Kraftfahrzeugs zu versorgen. Der thermoakustische Wellengenerator ist an einem Abgassystem des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs angebracht und weist ein an einem Ende geschlossenes und am anderen Ende offenes Resonanzrohr, einen in das Resonanzrohr eingelassenen Stapel und einen Wärmetauscher auf, der zumindest an dem geschlossenen Ende in Längsrichtung des Resonanzrohrs bereitgestellt ist. Die Menge der Abwärme des durch das Abgassystem strömenden Abgasstroms wird zum Wärmetauscher geliefert, der am geschlossenen Ende des Stapels vorgesehen ist. Das geschlossene Ende des Stapels wird erhitzt, um ein thermoakustisches Phänomen zu erzeugen.
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In dem Dokument
DE 10 2015 012 168 A1 wird ein thermoakustischer Wandler zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors beschrieben, wobei ein Abgaskrümmer einen Teil des Abgaswärmeübertragers bilden kann und in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors integriert sein kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einer Wärmenutzvorrichtung bereitzustellen, mit der ansonsten ungenutzte Wärmeenergie nutzbar gemacht werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor, einen Abgasstrang und eine Wärmenutzvorrichtung. Die Wärmenutzvorrichtung ist zur Nutzung der Wärmeenergie eines Abgases des Verbrennungsmotors ausgebildet. Die Wärmenutzvorrichtung umfasst zumindest einen ersten Aufnehmer, der ausgebildet ist, Wärmeenergie aufzunehmen, und einen Generator, der ausgebildet ist, Wärmeenergie umzuwandeln, und eine Wärmeübertragungseinheit, die ausgebildet ist, die Wärmeenergie von dem ersten Aufnehmer zum Generator zu leiten. Der Generator ist ein thermoakustischer Generator, der im Betrieb der Wärmenutzvorrichtung Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Der erste Aufnehmer ist am Abgasstrang angeordnet. Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug eine Abgasturbine auf und der erste Aufnehmer ist in ein Gehäuse der Abgasturbine integriert.
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Damit ist es vorteilhaft ermöglicht Abgaswärme zu nutzen. Gleichzeitig verursacht das Abführen der Wärme ein Kühlen an diesen Stellen. Damit können Materialien vor einer Überhitzung bewahrt werden. So ist es möglich andere Materialien zu verwenden, bei denen die Hitzebeständigkeit nicht im Vordergrund stehen muss und so andere Eigenschaften des Bauteils zu verbessern. Durch die Wärmenutzvorrichtung kann das Kraftfahrzeug effizienter betrieben werden.
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Die Anordnung des ersten Aufnehmers in dem Gehäuse der Abgasturbine hat den Vorteil, dass der Wärmeträger schnell erwärmt werden kann, da in der Abgasturbine relativ hohe Temperaturen erreicht werden. Gleichzeitig kann die Abgasturbine durch den Betrieb der Wärmenutzvorrichtung gekühlt und das Material vor zu großer thermischer Beanspruchung geschützt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist ein zweiter Aufnehmer stromabwärts des ersten Aufnehmers im Abgasstrang angeordnet. Dabei kann der zweite Aufnehmer stromabwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein. Damit sind zum Aufnehmen von Wärme zwei relativ warme Orte nutzbar. Die Wärmeenergie kann in kürzerer Zeit aufgenommen werden, die Effektivität der Wärmenutzvorrichtung ist gesteigert.
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Der Wärmeträger kann somit vorgewärmt werden und im Betrieb der Wärmenutzvorrichtung eine höhere Temperatur erreichen bevor es die Wärme an den Generator abgibt. Dadurch steigt die Leistung des Generators.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist der Generator elektrisch leitend mit einem Akkumulator des Kraftfahrzeugs verbunden.
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Damit ist es ermöglicht, die vom Generator erzeugte elektrische Energie zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen.
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Wenn die Wärmenutzvorrichtung einen zweiten Aufnehmer aufweist, ist diese insbesondere in der Weise ausgebildet, Wärme von dem zweiten Aufnehmer zum ersten Aufnehmer und Wärme vom ersten Aufnehmer zum Generator zu leiten.
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Damit ist es ermöglicht, an mehreren Stellen Wärmeenergie aufzunehmen. Die Fläche für die Wärmeübertragung ist vergrößert und eine gewünschte Zieltemperatur kann schneller erreicht werden.
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Die Wärmeübertragungseinheit der Wärmenutzvorrichtung kann einen Wärmeträger umfassen. Die Wärmenutzvorrichtung ist in der Weise ausgebildet, dass der Wärmeträger während des Betriebs der Wärmenutzvorrichtung in einem einzigen Aggregatszustand verharrt. Insbesondere ist der Wärmeträger Helium oder Argon.
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Damit muss vorteilhaft keine Energie für den Aggregatszustandswechsel des Wärmeträgers aufgewendet werden und es steht mehr Energie für den Betrieb des Generators bereit. Die Wärmenutzvorrichtung arbeitet dadurch effizienter.
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Helium und Argon sind nicht brennbar, Inertgase und unterliegen keinem Temperaturlimit. Ein Bypass um den Aufnehmer herum, der einer Überhitzung des Wärmeträgers entgegenstehen soll, kann somit eingespart werden.
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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 mit einer Wärmenutzvorrichtung in einer ersten Ausgestaltung
- 2 das Kraftfahrzeug in einer zweiten Ausgestaltung mit der Wärmenutzvorrichtung in einer zweiten Ausgestaltung;
- 3 das Kraftfahrzeug in der zweiten Ausgestaltung mit der Wärmenutzvorrichtung in der ersten Ausgestaltung;
- 4 das Kraftfahrzeug in der zweiten Ausgestaltung mit der Wärmenutzvorrichtung in einer dritten Ausgestaltung; und
- 5 das Kraftfahrzeug in der zweiten Ausgestaltung mit der Wärmenutzvorrichtung in einer vierten Ausgestaltung.
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In der folgenden Beschreibung werden ausgewählte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich dargestellt. Die offenbarten Ausführungsformen sind dabei lediglich beispielhaft für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
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Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Liste von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elementen verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
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In den 1 bis 5 ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 in beispielhaften Ausgestaltungen schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Verbrennungsmotor 11 und einen Abgasstrang 13 zum Ableiten von im Betrieb des Verbrennungsmotors 11 entstehendem Abgas 23 auf.
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Das abgebildete Kraftfahrzeug 10 weist ferner einen Zuluftstrang 12 auf, der, wie es üblich ist, ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor 11 für dessen Betrieb notwendige Zuluft zuzuführen. Das Kraftfahrzeug 10 kann eine Abgasturbine 14 umfassen, die im Abgasstrang 13 angeordnet ist. In dieser Weise ist es in den 2 bis 5 gezeigt. Die Abgasturbine weist ein Gehäuse und ein in dem Gehäuse angeordnetes Turbinenrad auf. Das Turbinenrad ist, wie es üblich ist, durch einen Druckunterschied stromaufwärts und stromabwärts der Abgasturbine 14 antreibbar. Die Abgasturbine 14 ist insbesondere Bestandteil eines Abgasturboladers, der zudem einen im Zuluftstrang 12 angeordneten Verdichter 15 aufweist. Der Verdichter 15 ist dabei in gewohnter Manier drehmomentübertragend mit der Abgasturbine 14 verbunden. Es ist auch möglich, dass die Abgasturbine 14 mit einer Elektromaschine drehmomentübertragend verbunden ist.
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Der Abgasstrang 13 des Kraftfahrzeugs 10 umfasst einen Abgaskrümmer 16. Der Abgaskrümmer 16 ist dabei insbesondere in einen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 11 integriert.
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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.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 ist mit einer Wärmenutzvorrichtung 18 versehen. Die Wärmenutzvorrichtung 18 umfasst zumindest einen ersten Aufnehmer 19 und eine Wärmeübertragungseinheit 24 und einen Generator 20. Zusätzlich kann die Wärmenutzvorrichtung 18 einen zweiten Aufnehmer 21 oder auch weitere Aufnehmer aufweisen.
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Die Aufnehmer 19, 21 sind jeweils ausgebildet, ihrer Umgebung Wärmeenergie zu entziehen. Die Aufnehmer 19, 21 sind an dem Abgasstrang 13 des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet. Dabei ist der zweite Aufnehmer 21 dadurch charakterisiert, dass dieser stromabwärts des ersten Aufnehmers 19 angeordnet ist. Die Aufnehmer 19, 21 der Wärmenutzvorrichtung 18 sind jeweils ausgebildet, mit dem Abgasstrang 13 des Kraftfahrzeugs 10 thermisch verbunden zu werden. In den 1 bis 5 sind verschiedene beispielhafte Positionen der Aufnehmer 19, 21 dargestellt.
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Die Wärmeübertragungseinheit 24 ist ausgebildet, Wärme von dem ersten Aufnehmer 19 an den Generator zu übertragen. Umfasst die Wärmenutzvorrichtung 18 einen zweiten Aufnehmer 21, ist die Wärmeübertragungseinheit 24 zusätzlich ausgebildet, Wärme von dem zweiten Aufnehmer 21 an den ersten Aufnehmer 19 zu übertragen. Umfasst die Wärmenutzvorrichtung 18 weitere Aufnehmer, ist die Wärmeübertragungseinheit 24 zusätzlich ausgebildet, Wärme von dem am weitesten stromabwärts angeordneten Aufnehmer an den nächsten stromaufwärts angeordneten Aufnehmer zu übertragen. Die Wärmeübertragung ist in den 1 bis 5 als Wärmestrom 25 dargestellt. Die Wärmeübertragungseinheit 24 besitzt bevorzugt einen Wärmeträger, der die Wärmeenergie befördert. Der Wärmeträger ist insbesondere ein Kühlmittel, welches die Wärmeenergie durch einen Stofftransport befördert. Die Wärmeübertragungseinheit 24 weist dabei insbesondere eine geschlossene Kühlmittelschleife auf, in welcher das Kühlmittel zirkulieren kann. Insbesondere verfügt die Wärmeübertragungseinheit 24 über eine Pumpe zum Transport des Kühlmittels. Die Wärmenutzvorrichtung 18 ist dabei bevorzugt in der Weise ausgebildet, dass das Kühlmittel während des Betriebs der Wärmenutzvorrichtung 18 in einem Aggregatszustand verharrt. Als Kühlmittel enthält die Wärmeübertragungseinheit 24 bevorzugt Helium oder Argon. Aber auch Luft, Stickstoffdioxid oder Abgas sind denkbar. Alternativ ist es denkbar, dass der Wärmeträger ein Festkörper ist, der die Wärmeenergie mittels Wärmeleitung befördert.
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Der Generator 20 ist ein thermoakustischer Generator 20. Der Generator 20 ist ausgebildet, die an ihn übertragene Wärmeenergie aufzunehmen und diese in elektrische Energie umzuwandeln. Thermoakustische Generatoren sind im Stand der Technik bekannt. Der Generator 20 umfasst ein Arbeitsmedium, welches insbesondere Helium oder Argon ist. Die Wärmeübertragungseinheit 24 kann in den Generator 20 integriert sein. Zudem ist es möglich, dass das Arbeitsmedium des Generators 20 zugleich der Wärmeträger der Wärmeübertragungseinheit 24 ist.
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In den 1 und 3 weisen die dargestellten Wärmenutzvorrichtungen 18 jeweils einen einzigen ersten Aufnehmer 19 auf. Der erste Aufnehmer 19 ist dabei bevorzugt in den Abgaskrümmer 16 integriert. Die Wärmenutzvorrichtung 18 ist hier in der Weise ausgebildet, dem Abgaskrümmer 16 Wärmeenergie zu entziehen und diesen somit zu kühlen. In der 3 verfügt das Kraftfahrzeug 10 im Unterschied zu der in der 1 gezeigten Ausgestaltung über einen Abgasturbolader mit Abgasturbine 14 und Verdichter 15.
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In der 2 weist die Wärmenutzvorrichtung 18 ebenfalls einen einzigen ersten Aufnehmer 19 auf. Der erste Aufnehmer 19 ist hierbei an der Abgasturbine 14 angeordnet. Der erste Aufnehmer 19 ist dabei bevorzugt in ein Gehäuse der Abgasturbine 14 integriert. Die Wärmenutzvorrichtung 18 ist hier in der Weise ausgebildet, insbesondere dem Gehäuse der Abgasturbine 14 Wärmeenergie zu entziehen und die Abgasturbine 14 somit zu kühlen.
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In der 4 weist die Wärmenutzvorrichtung 18 zwei Aufnehmer, einen ersten Aufnehmer 19 und einen zweiten Aufnehmer 21 auf. Der erste Aufnehmer 19 ist an der Abgasturbine 14 angeordnet. Der erste Aufnehmer 19 ist dabei bevorzugt in ein Gehäuse der Abgasturbine 14 integriert. Der zweite Aufnehmer 21 ist stromabwärts des ersten Aufnehmers 19 am Abgasstrang 13 angeordnet. Der zweite Aufnehmer 21 ist in der 4 stromabwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 22 des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet. Die Wärmenutzvorrichtung 18 ist hier in der Weise ausgebildet, Wärme von dem zweiten Aufnehmer 21 zum ersten Aufnehmer 19 zu leiten und den ersten Aufnehmer 19 damit vorzuwärmen und die Abgasturbine 14 zu kühlen.
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In der 5 weist die Wärmenutzvorrichtung 18 zwei Aufnehmer, einen ersten Aufnehmer 19 und einen zweiten Aufnehmer 21 auf. Der erste Aufnehmer 19 ist an dem Abgaskrümmer 16 angeordnet. Der erste Aufnehmer 19 ist dabei bevorzugt in den Abgaskrümmer 16 integriert. Der zweite Aufnehmer 21 ist an der Abgasturbine 14 angeordnet. Der zweite Aufnehmer 21 ist dabei bevorzugt in ein Gehäuse der Abgasturbine 14 integriert. Die Wärmenutzvorrichtung 18 ist hier in der Weise ausgebildet, Wärme von dem zweiten Aufnehmer 21 zum ersten Aufnehmer 19 zu leiten und den ersten Aufnehmer 19 damit vorzuwärmen und sowohl die Abgasturbine 14 als auch den Abgaskrümmer 16 zu kühlen.
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Der Generator 20 der Wärmenutzvorrichtung 18 ist insbesondere mit dem Akkumulator 17 elektrisch leitend verbunden. Die Wärmenutzvorrichtung 18 ist ausgebildet elektrische Energie an den Akkumulator 17 abzugeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zuluftstrang
- 13
- Abgasstrang
- 14
- Abgasturbine
- 15
- Verdichter
- 16
- Abgaskrümmer
- 17
- Akkumulator
- 18
- Wärmenutzvorrichtung
- 19
- Erster Aufnehmer
- 20
- Generator
- 21
- Zweiter Aufnehmer
- 22
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 23
- Abgas
- 24
- Wärmeübertragungseinheit
- 25
- Wärmestrom
