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Die Erfindung betrifft ein Wärmerückgewinnungssystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Um den Kraftstoffverbrauch in einem Kraftfahrzeug zu senken, kann ein Teil der Energie eines heißen Abgases aus dem Verbrennungsmotor über ein Wärmerückgewinnungssystem umgewandelt und genutzt werden. Die umgewandelte Energie kann beispielsweise dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zugeführt oder zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie verwendet werden.
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Derartige Wärmerückgewinnungssysteme sind beispielsweise aus der
EP 3 124 778 A1 bekannt. In dem Wärmerückgewinnungssystem wird dabei in einem Arbeitsmediumkreislauf ein Arbeitsmedium mit der Abwärme des heißen Abgases bei hohem Druck in einem Verdampfer verdampft und anschließend das gasförmige komprimierte Arbeitsmedium in einer Expansionsmaschine entspannt. Dabei kann in der Expansionsmaschine - beispielsweise einer Gasturbine - die gespeicherte Energie des gasförmigen komprimierten Arbeitsmediums durch eine elektrische Maschine - hier als Generator eingesetzt - in die elektrische Energie überführt und in einem Energiespeicher gespeichert werden. Die gespeicherte Energie kann dann über die elektrische Maschine - hier als Elektromotor eingesetzt - dem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Dazu ist der Verbrennungsmotor mit der elektrischen Maschine drehzahlabhängig über ein Getriebe verbunden. Nach der Expansionsmaschine wird das gasförmige entspannte Arbeitsmedium in einen Kondensator geleitet, in dem das Arbeitsmedium durch ein Kühlmedium - ein Kühlmittel oder Umgebungsluft - gekühlt und verflüssigt wird. Das verflüssigte Arbeitsmedium wird anschließend erneut zu dem Verdampfer geleitet.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, für ein Wärmerückgewinnungssystem der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die Effizienz der Wärmerückgewinnung sowohl in einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors als auch bei einem Kaltstart verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein gattungsgemäßes Wärmerückgewinnungssystem für ein Kraftfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator, eine Pumpe und eine elektrische Maschine auf. Die elektrische Maschine ist dabei mit dem Verbrennungsmotor über ein Getriebe antriebsverbunden. In einem Arbeitsmediumkreislauf sind der Verdampfer, die Expansionsmaschine, der Kondensator und die Pumpe einander stromab angeschlossen und mit einem Arbeitsmedium durchströmbar. Erfindungsgemäß sind die elektrische Maschine, die Pumpe und die Expansionsmaschine koaxial zueinander angeordnet. Dabei sind die Pumpe und die Expansionsmaschine mit der elektrischen Maschine antriebsverbindbar.
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In dem Verbrennungsmotor wird abhängig von dem Arbeitszustand eine abweichende Wärmemenge erzeugt, die zur Wärmerückgewinnung genutzt werden kann. In dem erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystem sind die Pumpe und die Expansionsmaschine unmittelbar mit der elektrischen Maschine und über die elektrische Maschine mittelbar mit dem Verbrennungsmotor antriebsverbindbar. Abhängig von dem Arbeitszustand des Verbrennungsmotors können die Pumpe und die Expansionsmaschine einzeln oder gemeinsam mit der elektrischen Maschine antriebsverbunden oder von der elektrischen Maschine abgekoppelt sein. Die Pumpe und die Expansionsmaschine können beispielsweise mit der elektrischen Maschine antriebsverbunden sein, wenn die in dem Verbrennungsmotor erzeugte Wärmemenge zur Wärmerückgewinnung ausreichend ist. Die elektrische Maschine kann dann als ein Generator eingesetzt und die elektrische Energie kann erzeugt und gespeichert werden. Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors können dagegen die Pumpe und die Expansionsmaschine von der elektrischen Maschine einzeln oder zusammen abgekoppelt sein, da die erzeugte Wärmemenge in dem Verbrennungsmotor zur Wärmerückgewinnung nicht ausreichend ist. Die elektrische Maschine kann dann als ein Elektromotor eingesetzt werden, ohne dass zusätzliche Energie zum Antreiben der Pumpe und der Expansionsmaschine verbraucht wird. Auf diese Weise kann die Effizienz der Wärmerückgewinnung in dem Wärmerückgewinnungssystem deutlich erhöht werden.
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Die elektrische Maschine ist mit dem Verbrennungsmotor über ein Getriebe antriebsverbunden, wobei das Getriebe ein Riemengetriebe oder ein Zahnradgetriebe sein kann. Vorteilhafterweise kann das Getriebe eine Motordrehzahl des Verbrennungsmotors in eine Maschinendrehzahl der elektrischen Maschine mit einem Übersetzungsverhältnis kleiner eins übersetzen. Bei diesem Übersetzungsverhältnis - einer sogenannten Übersetzung „ins schnelle“ - kann eine bauraumsparende elektrische Maschine mit einer vergleichsweise reduzierten Maximalleistung dennoch ein hohes Drehmoment an dem Verbrennungsmotor erzeugen. Ferner kann auch die mit der elektrischen Maschine antriebsverbindbare Pumpe ein vergleichsweise reduziertes Fördervolumen aufweisen und dadurch bauraumsparend ausgestaltet sein. Zusätzlich kann durch das reduzierte Fördervolumen eine Pumpenpulsation reduziert werden.
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Die Pumpe kann mit der elektrischen Maschine über eine erste Kupplung antriebsverbindbar sein. Die Kupplung kann die Pumpe zu- und abschalten, so dass die Wärmerückgewinnung in dem Wärmerückgewinnungssystem abhängig von der erzeugten Wärmemenge in dem Verbrennungsmotor erfolgt. Alternativ dazu kann die Pumpe mit der elektrischen Maschine über eine gemeinsame Antriebswelle antriebsverbunden sein und über ein erstes Freilaufventil zuschaltbar sein. Bei dem geöffneten ersten Freilaufventil ist die Pumpe zugeschaltet und das Arbeitsmedium in dem Arbeitsmediumkreislauf förderbar. Bei dem geschlossen ersten Freilaufventil ist die Pumpe abgeschaltet und das Arbeitsmedium in dem Arbeitsmediumkreislauf nicht förderbar.
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Die mit der elektrischen Maschine antriebsverbundene oder zugeschaltete Pumpe ist von dieser und folglich von dem Verbrennungsmotor drehzahlabhängig. Um dabei ein Volumenstrom der Pumpe steuern zu können, kann bei der antriebsverbundenen oder zugeschalteten Pumpe in Form einer Zahnradpumpe oder einer Flügelzellenpumpe oder einer Kolbenpumpe der Volumenstrom über ein koaxiales Verstellen einer Exzentereinheit gesteuert sein. Alternativ kann der Volumenstrom der antriebsverbundenen oder zugeschalteten Pumpe über ein Einlassventil oder über ein Auslassventil gesteuert sein. Auf diese Weise kann die antriebsverbundene oder zugeschaltete Pumpe bei einer gleichbleibenden Maschinendrehzahl beziehungsweise bei einer gleichbleibenden Motordrehzahl den Volumenstrom des Arbeitsfluids leistungsabhängig liefern und die Effizienz des Wärmerückgewinnungssystems verbessert werden.
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Alternativ zu der oben beschrieben Lösung kann die Pumpe mit der elektrischen Maschine über ein erstes koaxial verstellbares Kupplungsgetriebe, vorzugsweise über ein Planetengetriebe, antriebsverbunden sein. Ein Volumenstrom der Pumpe kann dann über ein Anpassen einer Pumpendrehzahl der Pumpe gesteuert sein. Bei dieser vorteilhaften Lösung entfallen ein Freilaufventil oder eine Kupplung und die Pumpendrehzahl ist in jedem Arbeitszustand - und insbesondere bei einem Kaltstart - des Verbrennungsmotors an die Motordrehzahl anpassbar.
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Der Volumenstrom des Arbeitsfluids ist folglich leistungsabhängig lieferbar und die Effizienz des Wärmerückgewinnungssystems kann verbessert werden.
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Vorteilhafterweise kann die Pumpe in dem Wärmerückgewinnungssystem unabhängig von seiner Ausführungsform einen maximalen Volumenstrom bei einer minimalen Hochlastmotordrehzahl des Verbrennungsmotors aufweisen. Dabei entspricht die Hochlastmotordrehzahl einer minimalen Motordrehzahl des Verbrennungsmotors in einem Lastzustand und die Maximalleistung der Pumpe ist somit bereits vor dem Lastzustand des Verbrennungsmotors erreicht. Da die Lastzustände in dem Verbrennungsmotor - wie beispielsweise eine andauernde Bergauffahrt - selten auftreten, kann in dem Wärmerückgewinnungssystem eine kostengünstigere und bauraumsparende Pumpe mit einer vergleichsweise reduzierten Maximalleistung eingesetzt sein.
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Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Expansionsmaschine mit der elektrischen Maschine oder mit der Pumpe über eine zweite Kupplung antriebsverbindbar ist. Die Kupplung kann die Expansionsmaschine abhängig von der Pumpe oder von der elektrischen Maschine zu- und abschalten, so dass die Wärmerückgewinnung in dem Wärmerückgewinnungssystem abhängig von der erzeugten Wärmemenge in dem Verbrennungsmotor erfolgt. Alternativ dazu kann die Expansionsmaschine mit der elektrischen Maschine oder mit der Pumpe über eine gemeinsame Antriebswelle antriebsverbunden sein und über ein zweites Freilaufventil zuschaltbar sein. Bei dem geöffneten zweiten Freilaufventil ist dann die Expansionsmaschine zugeschaltet und die Wärmeenergie kann dem Arbeitsmedium entzogen, umgewandelt und abgespeichert werden. Bei dem geschlossenen zweiten Freilaufventil ist dann die Expansionsmaschine abgeschaltet und die Wärmeenergie kann dem Arbeitsmedium nicht entzogen werden.
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Vorteilhafterweise kann alternativ vorgesehen sein, dass die Expansionsmaschine mit der Pumpe oder mit der elektrischen Maschine über ein zweites koaxial verstellbares Kupplungsgetriebe, vorzugsweise über ein Planetengetriebe, antriebsverbunden ist. Bei dieser vorteilhaften Lösung entfallen ein Freilaufventil oder eine Kupplung und eine Expansionsmaschinenrehzahl ist in jedem Arbeitszustand - und insbesondere bei einem Kaltstart - des Verbrennungsmotors an die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors anpassbar. Die Effizienz des Wärmerückgewinnungssystems kann dadurch deutlich verbessert werden. Ferner kann das zweite Kupplungsgetriebe eine Maschinendrehzahl der elektrischen Maschine oder eine Pumpendrehzahl der Pumpe in eine Expansionsmaschinendrehzahl der Expansionsmaschine mit einem Übersetzungsverhältnis größer eins - mit einer sogenannten Übersetzung „ins langsame“ - übersetzen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystems ist vorgesehen, dass das Wärmerückgewinnungssystem eine Abgasklappe aufweist, mit der ein Volumenstrom des Abgases zu dem Verdampfer steuerbar ist. Die Abgasklappe kann beispielsweise eine Maximalleistung des Wärmerückgewinnungssystems definieren, indem der Volumenstrom des Abgases bei einem Hochlastzustand des Verbrennungsmotors gedrosselt wird. Das Wärmerückgewinnungssystem muss dann nicht für relativ seltene Hochlastzustände des Verbrennungsmotors ausgelegt sein und die Herstellungskosten können reduziert werden.
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Um die Effizienz des Wärmerückgewinnungssystems zu steigern, können in dem Arbeitsmediumkreislauf die elektrische Maschine und/oder ein Energiespeicher und/oder eine Steuerung der Pumpe stromauf angeschlossen und durch das Arbeitsmedium kühlbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Arbeitsmediumkreislauf die Expansionsmaschine der Pumpe stromab angeschlossen und das Arbeitsmedium in der Expansionsmaschine vorheizbar sein.
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Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass die Expansionsmaschine, die Pumpe und die elektrische Maschine in einem gemeinsamen Gehäuse koaxial zueinander festgelegt sind. Alternativ können die Expansionsmaschine, die Pumpe und die elektrische Maschine in jeweils einem Teilgehäuse festgelegt sein, wobei die jeweiligen Teilgehäuse koaxial aneinander zu einem gemeinsamen Gehäuse festgelegt und vorzugsweise verschraubt sind. Auf diese Weise kann das Wärmerückgewinnungssystem besonders bauraumsparend ausgestaltet sein, da zusätzliche Halter entfallen und der Bauraumbedarf im Vergleich zu einem herkömmlichen Wärmerückgewinnungssystem reduziert wird. Ferner kann auch der Kondensator in dem gemeinsamen Gehäuse axial oder radial zu diesem festgelegt sein.
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Zusammenfassend sind in dem erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystem die Pumpe und die Expansionsmaschine abhängig von dem Arbeitszustand des Verbrennungsmotors einzeln oder zusammen mit der elektrischen Maschine antriebsverbindbar oder von der elektrischen Maschine abkoppelbar. Die Pumpe und die Expansionsmaschine können nur dann mit der elektrischen Maschine antriebsverbunden sein, wenn die in dem Verbrennungsmotor erzeugte Wärmemenge zur Wärmerückgewinnung ausreichend ist. Die Effizienz der Wärmerückgewinnung in dem Wärmerückgewinnungssystem kann dadurch deutlich erhöht werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 bis 4 Blockschemata eines erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystems in unterschiedlichen Ausführungen.
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1 bis 4 zeigen ein erfindungsgemäßes Wärmerückgewinnungssystem 1 für ein Kraftfahrzeug in Blockschemata. In einem Arbeitsmediumkreislauf 2 sind ein Verdampfer 3, eine Expansionsmaschine 4, ein Kondensator 5 und eine Pumpe 6 stromab zueinander angeordent und mit einem Arbeitsmedium durchströmbar, wie dies mit durchgezogenen Pfeilen angedeutet ist. Das Arbeitsmedium wird zuerst mit der Abwärme eines heißen Abgases eines Verbrennungsmotors 7, wie hier mit unterbrochenen Pfeilen angedeutet, bei hohem Druck in dem Verdampfer 3 verdampft. Mit einer Abgasklappe 8 kann der Volumenstrom des Abgases zu dem Verdampfer 3 gedrosselt und die Maximalleistung des Wärmerückgewinnungssystems 1 begrenzt werden.
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Das gasförmige komprimierte Arbeitsmedium wird nach dem Verdampfer 3 zu der Expansionsmaschine 4 gefördert und in dieser entspannt. Dabei kann die gespeicherte Energie des gasförmigen komprimierten Arbeitsmediums durch eine elektrische Maschine 9 - in diesem Fall ein Generator - in elektrische Energie überführt und in einem Energiespeicher 10 gespeichert werden, wie mit unterbrochenen Pfeilen angedeutet ist. Alternativ kann die elektrische Energie über die elektrische Maschine 9 - in diesem Fall ein Elektromotor - aus dem Energiespeicher 10 dem Verbrennungsmotor 7 zugeführt werden. Die elektrische Maschine 9 ist durch eine Steuerung 11 steuerbar.
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Um die Energie dem Verbrennungsmotor 7 zuführen zu können, ist dieser mit der elektrischen Maschine 9 drehzahlabhängig über ein Getriebe 12 verbunden. Das Getriebe 12 kann beispielsweise ein Riemengetriebe oder ein Zahnradgetriebe sein und eine Motordrehzahl des Verbrennungsmotors 7 in eine Maschinendrehzahl der elektrischen Maschine 9 mit einem Übersetzungsverhältnis kleiner eins - mit einer sogenannten Übersetzung „ins schnelle“ - übersetzen. Dadurch kann die elektrische Maschine 9 mit einer vergleichsweise reduzierten Maximalleistung ein hohes Drehmoment in dem Verbrennungsmotor 7 erzeugen.
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Nach der Expansionsmaschine 4 wird das gasförmige entspannte Arbeitsmedium in den Kondensator 5 geleitet, in dem das Arbeitsmedium durch ein Kühlmedium - beispielsweise ein Kühlmittel oder auch Umgebungsluft - gekühlt und verflüssigt wird. Das verflüssigte Arbeitsmedium wird anschließend erneut zu dem Verdampfer 3 geleitet.
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Die Expansionsmaschine 4, die Pumpe 6 und die elektrische Maschine 9 sind koaxial zueinander angeordnet und miteinander antriebsverbindbar. Ferner sind die Expansionsmaschine 4, die Pumpe 6 und die elektrische Maschine 9 in einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet. Das Wärmerückgewinnungssystem 1 ist dadurch besonders bauraumsparend ausgestaltet.
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Entsprechend 1 ist die Pumpe 6 und die Expansionsmaschine 4 mit der elektrischen Maschine 9 über eine erste Kupplung 14 oder ein erstes Freilaufventil 15 antriebsverbindbar. Die Kupplung 14 oder das Freilaufventil 15 können die Pumpe 6 und die Expansionsmaschine 4 zusammen zu- und abschalten. Da die Pumpe 6 und die Expansionsmaschine 4 über die erste Kupplung 14 oder das erste Freilaufventil 15 mit der elektrischen Maschine 9 drehzahlfest antriebsverbindbar sind, kann ein Volumenstrom der Pumpe 6 zusätzlich gesteuert sein. Dazu kann die Pumpe 6 beispielsweise eine Zahnradpumpe oder eine Flügelzellenpumpe oder eine Kolbenpumpe sein und der Volumenstrom über ein koaxiales Verstellen einer Exzentereinheit gesteuert sein. Alternativ kann der Volumenstrom der Pumpe 6 über ein Einlassventil oder über ein Auslassventil gesteuert sein. In diesem Ausführungsbeispiel wird das gekühlte Arbeitsmedium nach dem Kondensator 5 der elektrischen Maschine 9 zugeleitet und diese dadurch gekühlt. Ferner wird das Arbeitsmedium nach der Pumpe 6 der Expansionsmaschine 4 zugeleitet und auf diese Weise vorgeheizt. Dadurch kann die Effizienz des Wärmerückgewinnungssystems 1 deutlich gesteigert werden.
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In 2 ist das alternativ ausgestaltete Wärmerückgewinnungssystem 1 gezeigt, bei dem die Expansionsmaschine 4 mit der Pumpe 6 durch die zweite Kupplung 16 oder ein zweites Freilaufventil 17 antriebsverbindbar ist. Hier ist die Expansionsmaschine 4 durch die zweite Kupplung 16 oder das Freilaufventil 17 zu- und abschaltbar und die Pumpe 6 über eine gemeinsame Antriebswelle drehzahlfest mit der elektrischen Maschine 9 antriebsverbunden. In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Volumenstrom der Pumpe 6 zusätzlich und analog zu der Beschreibung in 1 gesteuert sein. So kann die Pumpe 6 beispielsweise eine Zahnradpumpe oder eine Flügelzellenpumpe oder eine Kolbenpumpe sein und der Volumenstrom über ein koaxiales Verstellen einer Exzentereinheit gesteuert sein. Alternativ kann der Volumenstrom der Pumpe 6 über ein Einlassventil oder über ein Auslassventil gesteuert sein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird das gekühlte Arbeitsmedium nach dem Kondensator 5 der elektrischen Maschine 9 und nach der Pumpe 6 der Expansionsmaschine 4 zugeleitet.
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3 zeigt das weitere alternativ ausgestaltete Wärmerückgewinnungssystem 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Pumpe 6 mit der elektrischen Maschine 9 über ein erstes koaxial verstellbares Kupplungsgetriebe 18 antriebsverbindbar. Das erste Kupplungsgetriebe 18 ist dabei bevorzugt ein Planetengetriebe. Ein Volumenstrom der Pumpe 6 kann vorteilhafterweise über ein Anpassen einer Pumpendrehzahl der Pumpe 6 gesteuert sein. Ferner ist auch die Expansionsmaschine 4 über ein zweites koaxial verstellbares Kupplungsgetriebe 19 mit der Pumpe 6 beziehungsweise mit der elektrischen Maschine 9 antriebsverbindbar. Die Leistung der Expansionsmaschine 4 kann hier vorteilhafterweise durch ein Anpassen einer Expansionsmaschinendrehzahl erfolgen. Ferner kann das zweite Kupplungsgetriebe 19 eine Maschinendrehzahl der elektrischen Maschine 9 oder eine Pumpendrehzahl der Pumpe 6 in eine Expansionsmaschinendrehzahl der Expansionsmaschine 4 mit einem Übersetzungsverhältnis größer eins - mit einer sogenannten Übersetzung „ins langsame“ - übersetzen. Hier wird, wie bereits in 1 und 2 gezeigt, das gekühlte Arbeitsmedium nach dem Kondensator 5 der elektrischen Maschine 9 und nach der Pumpe 6 der Expansionsmaschine 4 zugeleitet.
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Entsprechend 4 ist in dem alternativ ausgestalteten Wärmerückgewinnungssystem 1 der Kondensator 5 in dem gemeinsamen Gehäuse 13 festgelegt. Insbesondere kann dadurch die Länge von Zu- und Ableitungen für das Arbeitsmedium reduziert werden und dadurch das Wärmerückgewinnungssystem 1 kosten- und bauraumsparend ausgestaltet sein. Abweichend zu 1 bis 3 wird hier das Arbeitsmedium nach dem Kondensator 5 direkt der Pumpe 6 zugeleitet und die elektrische Maschine 9 nicht gekühlt.
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Zusammenfassend sind in dem erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystem 1 die Pumpe 6 und die Expansionsmaschine 4 abhängig von dem Arbeitszustand des Verbrennungsmotors 7 einzeln oder gemeinsam mit der elektrischen Maschine 9 antriebsverbindbar. Die Effizienz der Wärmerückgewinnung in dem Wärmerückgewinnungssystem 1 kann dadurch deutlich erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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