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NEUE BESCHREIBUNG:
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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgas erzeugenden Antriebsaggregat, einer Abgasleitung zum Abführen des Abgases und einem Vorratsbehälter für ein Betriebsmittel des Antriebsaggregats, wobei die Abgasleitung und der Vorratsbehälter wärmeübertragend miteinander verbunden sind, indem ein Wärmerohr einerseits eine Wand der Abgasleitung durchgreift und in die Abgasleitung hineinragt und andererseits an den Vorratsbehälter angebunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
WO 98/03779 A2 bekannt. Diese beschreibt eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Wasserinjektor für jeden Zylinder, der dazu vorgesehen ist, ein vorbestimmtes Wasservolumen in einen Brennraum unmittelbar nach der Zündung einzubringen. Die Wärme der Verbrennungsgase wandelt Wasser in Dampf um, sodass der Druck in dem Brennraum zu Beginn des Arbeitstakts ansteigt, sodass die Leistung der Brennkraftmaschine in Vergleich mit der Leistung bekannter Brennkraftmaschinen erhöht ist.
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Die Druckschrift
CN 202 031 737 U beschreibt eine Energiesparvorrichtung für einen Dieselmotors, welche einer Treibstoffversorgungsvorrichtung des Dieselmotors zugeordnet ist und zur Verbesserung der Verbrennung und der Wirtschaftlichkeit des Dieselmotors im Winters dient. Die Energiesparvorrichtung des Dieselmotors umfasst einen Treibstofftank des Motors, eine zwischen dem Treibstofftank und dem Motor angeordnete Treibstoffzufuhrleitung und eine Abgasleitung des Motors. Dabei ist vorgesehen, dass ein erstes Ende eines anorganischen Wärmerohrs mit dem Treibstofftank des Motors verbunden und ein zweites Ende des anorganischen Wärmerohrs mit der Abgasleitung verbunden ist, wodurch ein Wärmetransportweg von der Abgasleitung zu dem Treibstofftank gebildet wird. Die Vorrichtung kann im Winter eine Restwärme des Dieselmotors ableiten, eine Treibstofftemperatur erhöhen und ermöglicht es, den Dieselmotor in einem Normalbetrieb und energiesparend zu betreiben.
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Die Druckschrift
JP 2018-35 764 A beschreibt eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abgaswärme einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst einen Abgasauslass zum Abführen von Abgas, eine Wasserspeichereinrichtung zum Speichern von Wasser, das Wärme aufnimmt, und Wärmerohre, die den Abgasauslass und die Wasserspeichereinrichtung durchgreifen und ein Medium enthalten. Die Vielzahl an Wärmerohren sind unter Berücksichtigung verschiedener Betriebstemperaturbereiche der Medien ausgebildet. In dem Abgasauslass ist stromaufwärts des Abgasstroms ein Wärmerohr mit einem hohen Betriebstemperaturbereich und stromabwärts des Abgasstroms ein Wärmerohr mit einem niedrigeren Temperaturbetriebsbereich angeordnet. In der Wasserspeichereinrichtung ist das Wärmerohr mit dem hohen Betriebstemperaturbereich stromabwärts eines Wasserstroms und das Wärmerohr mit dem niedrigeren Betriebstemperaturbereich stromaufwärts des Wasserstroms angeordnet.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik die Druckschriften
JP 2006-316 684 A und
CN 107 476 858 A angeordnet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten Antriebseinrichtungen Vorteile aufweist, insbesondere die Bereitstellung des Betriebsmittels für das Antriebsaggregat auf besonders zuverlässige und flexible Art und Weise realisiert.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass das Wärmerohr einen in der Abgasleitung angeordneten schraubenförmigen Schraubenbereich aufweist.
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Grundsätzlich ist vorgesehen, dass die Abgasleitung und der Vorratsbehälter wärmeübertragend mit einander verbunden sind, indem ein Wärmerohr einerseits eine Wand der Abgasleitung durchgreift und in die Abgasleitung hineinragt und andererseits an den Vorratsbehälter angebunden ist.
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Die Antriebseinrichtung dient dem Antreiben des Kraftfahrzeugs, insoweit also dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Zum Erzeugen des Antriebsdrehmoments verfügt die Antriebseinrichtung über das Antriebsaggregat, welchem zu seinem Betrieb zumindest Kraftstoff und Sauerstoff zugeführt wird. Der Kraftstoff verbrennt zusammen mit dem Sauerstoff in wenigstens einem Brennraum des Antriebsaggregats. Das hierbei entstehende Abgas wird mithilfe der Abgasleitung von dem Antriebsaggregat abgeführt, insbesondere in Richtung einer Außenumgebung der Antriebseinrichtung. Beispielsweise ist also die Abgasleitung einerseits an das Antriebsaggregat strömungstechnisch angeschlossen und mündet andererseits in die Außenumgebung ein. Beispielsweise weist die Abgasleitung auf ihre dem Antriebaggregat strömungstechnisch abgewandten Seite ein Endrohr auf, über welches das Abgas in die Au-ßenumgebung austritt beziehungsweise austreten kann.
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Selbstverständlich kann in der Abgasleitung wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung beziehungsweise Abgasreinigungseinrichtung angeordnet sein. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung liegt vorzugsweise in Form eines Partikelfilters und/oder eines Fahrzeugkatalysators vor. Beispielsweise sind in der Antriebseinrichtung strömungstechnisch hintereinander ein solcher Partikelfilter und ein solchen Fahrzeugkatalysator in beliebiger Reihenfolge angeordnet. Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, dass der Partikelfilter und der Fahrzeugkatalysator integriert ausgestaltet sind, beispielsweise indem der Partikelfilter mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung versehen ist. In diesem Fall arbeitet der Partikelfilter zusätzlich als Fahrzeugkatalysator, insbesondere als Drei-Wege-Katalysator.
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Zumindest zeitweise wird dem Antriebsaggregat während seines Betriebs das Betriebsmittel zugeführt. Unter dem Betriebsmittel ist ein Mittel zu verstehen, welches während des Betriebs des Antriebsaggregats verbraucht wird. Beispielsweise reagiert das Betriebsmittel chemisch in dem Antriebsaggregat, insbesondere in dem Brennraum, sodass wiederum Abgas entsteht, welches durch die Abgasleitung aus dem Antriebsaggregat abgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Betriebsmittel nicht als Abgas, sondern zusammen mit dem Abgas, durch die Abgasleitung in Richtung der Außenumgebung abgeführt, beispielsweise zumindest teilweise in chemisch unveränderter Form. Beispielsweise wird als Betriebsmittel Wasser verwendet, welches während des Betriebs des Antriebsaggregats zumindest zeitweise in dieses eingebracht wird. Das eingebrachte Wasser verdampft in dem Antriebsaggregat, sodass es eine Reduzierung der Verbrennungstemperatur der in dem Antriebsaggregat ablaufenden Verbrennung und/oder eine Kühlung des Antriebsaggregats erzielt. Das verdampfte Wasser wird nachfolgend zusammen mit dem Abgas angeführt.
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Es kann vorgesehen sein, das Betriebsmittel unmittelbar in den Brennraum des Antriebsaggregats einzubringen. Hierzu mündet ein Betriebsmittelinjektor unmittelbar in den Brennraum ein, sodass aus dem Betriebsmittelinjektor austretendes Betriebsmittel unmittelbar in dem Brennraum vorliegt. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, das Betriebsmittel lediglich mittelbar in den Brennraum einzubringen. Hierzu mündet der Betriebsmittelinjektor beispielsweise in ein Saugrohr ein, welches über wenigstens ein Gaswechselventil, nämlich ein Einlassventil, strömungstechnisch an den Brennraum angeschlossen ist. In diesem Fall mündet der Betriebsmittelinjektor in das Saugrohr ein, sodass aus dem Betriebsmittelinjektor austretendes Betriebsmittel unmittelbar in das Saugrohr austritt und insoweit nur mittelbar über das Saugrohr in den Brennraum gelangt, nämlich bei geöffnetem Einlassventil.
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Das Betriebsmittel, beispielsweise also Wasser, wird in dem Vorratsbehälter vorgehalten. Insbesondere bei geringen Umgebungstemperaturen besteht jedoch die Gefahr, dass das im Vorratsbehälter vorliegende Betriebsmittel gefriert, sodass es nachfolgend nicht zur Einbringung in das Antriebsaggregat zur Verfügung steht. In diesem Fall ist es notwendig, das Betriebsmittel zu erwärmen und somit aufzutauen. Beispielsweise kann hierzu eine elektrische Heizung vorliegen. Eine solche verbraucht jedoch elektrische Energie, welche zunächst an Bord des Kraftfahrzeugs erzeugt werden oder mittels eines Speichers vorgehalten muss. Es ist daher wünschenswert, das Betriebsmittel mit Energie zu erwärmen, welche ohnehin während des Betriebs des Antriebsaggregats anfällt, nämlich mit Wärmeenergie des Abgases.
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Aus diesem Grund sollen die Abgasleitungen, durch welche das heiße Abgas des Antriebsaggregats abgeführt wird, und der Vorratsbehälter wärmeübertragend miteinander verbunden sein, nämlich über das Wärmerohr. Das Wärmerohr durchgreift hierzu einerseits die Wand der Abgasleitung, sodass es unmittelbar von dem Abgas angeströmt beziehungsweise überströmt wird. Das Wärmerohr ragt also direkt in die Abgasleitung hinein. Es ist nicht lediglich wärmeübertragend mit der Abgasleitung verbunden, sondern ist derart in der Abgasleitung angeordnet, dass es während des Betriebs des Antriebsaggregats unmittelbar mit dem Abgas beaufschlagt wird. Auf seiner der Abgasleitung abgewandten Seite ist das Wärmerohr wärmeübertragend an den Vorratsbehälter angebunden. Die Anbindung erfolgt dabei derart, dass über das Wärmerohr die Wärme des Abgases dem Vorratsbehälter und dem darin vorliegenden Betriebsmittel zugeführt wird. Hierdurch wird das Betriebsmittel energetisch günstig erwärmt und steht auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen rasch zur Einbringung in das Antriebsaggregat zur Verfügung.
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Das Hineinragen des Wärmerohrs in die Abgasleitung ermöglicht hierbei eine besonders effektive und effiziente Nutzung der in dem Abgas enthaltenen Wärme. Das Wärmerohr kann entweder als Heatpipe oder als Thermosiphon ausgestaltet sein. In beiden Fällen weist das Wärmerohr einen Verdampfer und einen Kondensator auf, welche jeweils von einem Bereich des Wärmerohrs gebildet sind. Der Verdampfer ist in der Abgasleitung angeordnet. In anderen Worten bildet der in die Abgasleitung hineinragende Bereich des Wärmerohrs den Verdampfer. Der Kondensator ist hingegen wärmeübertragend an den Vorratsbehälter angebunden.
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Während des Betriebs des Antriebsaggregats wird dem Verdampfer des Wärmerohrs Wärme zugeführt. Hierdurch verdampft ein in dem Wärmerohr vorliegendes Wärmeträgermedium in dem Verdampfer und gelangt in gasförmigem Zustand in den Kondensator, in welchem es kondensiert, sodass es nachfolgend wieder in flüssiger Form vorliegt. Das kondensierte Wärmeträgermedium strömt in flüssigem Zustand zurück in den Verdampfer und wird dort erneut verdampft. In dem Wärmerohr tritt insoweit ein Kreislauf des Wärmeträgermediums auf, wodurch Wärme von dem Verdampfer hin zu dem Kondensator transportiert wird.
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Das Wärmerohr kann entweder als Heatpipe oder als Thermosiphon beziehungsweise Zwei-Phasen-Thermosiphon ausgestaltet sein. Im Falle der Heatpipe liegt in dem Wärmerohr eine Kapillarstruktur vor, durch welche das Wärmeträgermedium von dem Kondensator hin zu dem Verdampfer transportiert wird, nämlich aufgrund einer Kapillarwirkung der Kapillarstruktur. Die Kapillarstruktur kann beispielsweise in Form eines Drahtgeflechts vorliegen, welches in dem Wärmerohr angeordnet ist. Im Falle des Thermosiphons erfolgt der Transport des Wärmeträgermediums von dem Kondensator hin zu dem Verdampfer durch Schwerkrafteinfluss. Dies macht es notwendig, dass der Kondensator in Einbaulage des Wärmerohrs geodätisch oberhalb des Verdampfers angeordnet ist. Beide Ausgestaltungen des Wärmerohrs sind grundsätzlich für die Verwendung in der beschriebenen Antriebseinrichtung gut geeignet, wobei die Heatpipe aufgrund ihrer lageunabhängigen Funktion aufgrund der Kapillarwirkung bevorzugt wird.
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Die Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr einen in der Abgasleitung angeordneten schraubenförmigen Schraubenbereich aufweist. In dem Schraubenbereich ist das Wärmerohr mit wenigstens einer Windung ausgestaltet, wobei das Wärmerohr eine zentrale Achse pro Windung einmal vollständig umgreift. In anderen Worten umgreift das Wärmerohr in dem Schraubenbereich die zentrale Achse um wenigstens 360°, vorzugsweise mehr. Beispielsweise weist das Wärmerohr in dem Schraubenbereich mehrere Windungen, insbesondere mindestens 2, mindestens 3, mindestens 4 oder mindestens 5 Windungen auf. Vorzugsweise weist das Wärmerohr in dem Schraubenbereich eine konstante Krümmung auf, sodass in dem Schraubenbereich schlussendlich das Wärmerohr einen gleichbleibenden Durchmesser der Windungen zeigt.
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Vorzugsweise ist das Wärmerohr in dem Schraubenbereich derart ausgestaltet, dass es in dem Schraubenbereich durchgehend an einer Innenumfangsfläche der Abgasleitung anliegt. In anderen Worten liegt ein Außenumfang des Wärmerohrs in dem Schraubenbereich durchgehend an dem Innenumfang der Abgasleitung an, sodass ein effektiver Wärmeübergang von der Abgasleitung auf das Wärmerohr gewährleistet ist. Beispielsweise ist das Wärmerohr in dem Schraubenbereich an der Abgasleitung, insbesondere an dem Innenumfang der Abgasleitung, befestigt, beispielsweise kraftschlüssig und/oder - bevorzugt - stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen oder Löten.
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Das Wärmerohr ist derart ausgestaltet, dass das Abgas in dem Schraubenbereich zwischen den Windungen des Wärmerohrs hindurchströmt. Besonders bevorzugt sind die Windungen des Wärmerohrs in axialer Richtung voneinander beabstandet, liegen also nicht unmittelbar einander an. Hierdurch wird die Turbulenz des Abgases erhöht, sodass ein besonders effektiver Wärmeübergang von dem Abgas auf das Wärmerohr realisiert ist. Der Schraubenbereich des Wärmerohrs dient also nicht lediglich der Bereitstellung einer großen Wärmeübertragungsfläche, über welche die Wärme von dem Abgas auf das Wärmerohr übergeht, sondern zusätzlich dient es als Turbulenzerzeuger. Hierdurch wird eine besonders effektive Wärmeübertragung sichergestellt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr einen von dem Schraubenbereich umgriffenen Durchtrittsbereich aufweist. Der Durchtrittsbereich ist ebenso wie der Schraubenbereich Bestandteil des Wärmerohrs. Beispielsweise schließt er sich unmittelbar oder zumindest mittelbar an den Schraubenbereich strömungstechnisch an. Der Durchtrittsbereich ist in dem Schraubenbereich angeordnet, sodass er von der wenigstens einen Windung des Schraubenbereichs umgriffen ist. In anderen Worten liegt der Durchtrittsbereich in dem Schraubenbereich vor. Beispielsweise liegt der Durchtrittsbereich an dem Schraubenbereich an, insbesondere an einem Innenumfang des Wärmerohrs in dem Schraubenbereich. Bevorzugt ist das Wärmerohr in seinem Durchtrittsbereich an dem Schraubenbereich des Wärmerohrs befestigt, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen und/oder Löten.
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Besonders bevorzugt durchgreift der Durchtrittsbereich den Schraubenbereich in axialer Richtung vollständig, streckt sich also in dieser Richtung durch den gesamten Schraubenbereich durch, sodass er sowohl einerseits als auch andererseits in axialer Richtung aus dem Schraubenbereich hinausragt oder zumindest bündig mit ihm abschließt. Im Durchtrittsbereich verläuft das Wärmerohr zumindest abschnittsweise oder sogar durchgehend gerade. Insbesondere ist der gerade Bereich des Durchtrittsbereichs parallel zu der Zentralachse des Schraubenbereichs angeordnet. Die beschriebene Ausgestaltung des Wärmerohrs stellt einen gleichmäßigen Wärmeeintrag in das Wärmerohr sicher.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der Durchtrittsbereich an einen Eintrittsbereich des Wärmerohrs anschließt, der die Wand der Abgasleitung durchgreift. Der Durchtrittsbereich ist strömungstechnisch an den Eintrittsbereich angeschlossen, vorzugsweise unmittelbar. Im letzteren Fall schließt sich also der Durchtrittsbereich direkt an den Eintrittsbereich an. Besonders bevorzugt ist der Schraubenbereich lediglich mittelbar an den Eintrittsbereich strömungstechnisch angeschlossen, nämlich über den Durchtrittsbereich. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Schraubenbereich sowohl unmittelbar als auch lediglich mittelbar über den Durchtrittsbereich strömungstechnisch an den Eintrittsbereich angeschlossen ist.
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Der Eintrittsbereich ist derjenige Bereich des Wärmerohrs, der die Wand der Abgasleitung durchgreift, sich also von außerhalb der Abgasleitung bis in die Abgasleitung hinein erstreckt. Besonders bevorzugt steht der Eintrittsbereich senkrecht oder zumindest nahezu senkrecht auf der zentralen Achse. Beispielsweise durchgreift er in radialer Richtung bezüglich dieser Achse die Abgasleitung zu mindestens 50 %, mindestens 60 %, mindestens 70 %, mindestens 80 % oder mindestens 90 %. In anderen Worten durchgreift der Eintrittsbereich das Wärmerohr in radialer Richtung größtenteils. Beispielsweise durchgreift der Eintrittsbereich die Wand der Abgasleitung an einer Eintrittsstelle. Bevorzugt ist der Durchtrittsbereich, an welchen der Eintrittsbereich strömungstechnisch angeschlossen ist, auf der der Eintrittsstelle gegenüberliegenden Seite der zentralen Achse abgeordnet, wobei sich der Eintrittsbereich zumindest von der Eintrittsstelle bis hin zu dem Durchtrittsbereich des Wärmerohrs erstreckt. Hierdurch wird eine Intensivierung des Wärmeeintrags von dem Abgas in das Wärmerohr erzielt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr ein in der Abgasleitung vorliegendes Ende aufweist, wobei das Ende an dem Eintrittsbereich anliegt und/oder befestigt ist und/oder strömungstechnisch unmittelbar mit dem Eintrittsbereich verbunden ist. Das Ende liegt beispielsweise in dem Schraubenbereich des Wärmerohrs vor beziehungsweise schließt diese ab. Das Ende des Wärmerohrs kann strömungstechnisch verschlossen sein. In diesem Fall liegt es vorzugsweise an dem Eintrittsbereich an beziehungsweise ist an diesem befestigt. Alternativ kann das Ende auch strömungstechnisch offen sein. In diesem Fall ist es strömungstechnisch an den Eintrittsbereich angeschlossen. Hierbei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Ende des Wärmerohrs einerseits unmittelbar an den Eintrittsbereich strömungstechnisch angeschlossen ist und andererseits über den Durchtrittsbereich und/oder den Schraubenbereich des Wärmerohrs lediglich mittelbar an den Eintrittsbereich angeschlossen ist. In anderen Worten ist der Schraubenbereich und/oder der Durchtrittsbereich mehrfach strömungstechnisch an den Eintrittsbereich angeschlossen, nämlich auf gegenüberliegenden Seiten. Hierdurch wird ein besonders effektiver Transport des Wärmeträgermediums innerhalb des Wärmerohrs erzielt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Schraubenbereich bezüglich einer Hauptströmungsrichtung des Abgases stromabwärts des Eintrittsbereichs angeordnet ist. Unter der Hauptströmungsrichtung des Abgases ist diejenige Richtung innerhalb der Abgasleitung zu verstehen, in welche das Abgas während des Betriebs des Antriebsaggregats hauptsächlich strömt. Die Hauptströmungsrichtung ist vorzugsweise parallel zu der zentralen Achse des Schraubenbereichs angeordnet. Der Schraubenbereich ist nun stromabwärts des Eintrittsbereichs angeordnet, sodass das Abgas bei seinem Durchströmen der Abgasleitung zunächst auf den Eintrittsbereich und erst anschließend auf den Schraubenbereich trifft. Dies stellt einen effektiven Wärmeeintrag in das Wärmerohr sicher.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr in dem Schraubenbereich an einem Innenumfang der Abgasleitung anliegt und/oder befestigt ist. Hierauf wurde bereits hingewiesen. Die Anbindung des Wärmerohrs an den Innenumfang der Abgasleitung hat den Vorteil, dass ein effektiver Wärmeeintrag nicht nur von dem Abgas auf das Wärmerohr, sondern zusätzlich von der Abgasleitung auf das Wärmerohr erfolgt. Beispielsweise ist die Abgasleitung in dem Bereich, in welchem das Wärmerohr in ihr vorliegt, durchströmungsquerschnittserweitert ausgestaltet. Darunter ist zu verstehen, dass das Wärmerohr in einem aufgeweiteten Bereich der Abgasleitung angeordnet ist, welcher einen größeren Querschnitt beziehungsweise eine größere Querschnittsfläche aufweist als stromabwärts und/oder stromaufwärts des Wärmerohrs.
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Beispielsweise ist die Aufweitung der Abgasleitung derart ausgestaltet, dass die Abgasleitung in axialer Richtung über das gesamte Wärmerohr hinweg eine Durchströmungsquerschnittsfläche aufweist, welche zumindest so groß ist wie die Durchströmungsquerschnittsfläche der Abgasleitung stromaufwärts und/oder stromabwärts des Wärmerohrs. Beispielsweise ist ein gedachter Kreiszylinder, welcher mit seiner Mantelfläche an einer Innenumfangsfläche des Schraubenbereichs anliegt, hinsichtlich seines Durchmessers ebenso groß wie die Abgasleitung stromaufwärts beziehungsweise stromabwärts des Wärmerohrs. Hierdurch werden übermäßige Strömungsverluste aufgrund der Anordnung des Wärmerohrs in der Abgasleitung vermieden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Durchtrittsbereich mit wenigstens einer Windung des Schraubenbereichs strömungstechnisch unmittelbar verbunden ist. Hierunter ist zu verstehen, dass der Schraubenbereich an der Windung zumindest anliegt und/oder sogar an ihr befestigt ist, insbesondere stoffschlüssig. Hierdurch wird ein Wärmeaustausch zwischen dem Durchtrittsbereich und dem Schraubenbereich erzielt, sodass ein besonders gleichmäßiger Wärmeantrag aus dem Abgas in das Wärmerohr erfolgt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Abgasleitung stromabwärts des Wärmerohrs eine Wasserentnahmeöffnung zur Entnahme von Kondenswasser aufweist. Aufgrund der Entnahme von Wärme aus dem Abgas mittels des Wärmerohrs kann in dem Abgas enthaltenes Wasser kondensieren. Dieses kondensierte Wasser wird als Kondenswasser bezeichnet. Es ist vorgesehen, dass das Kondenswasser über die Wasserentnahmeöffnung aus der Abgasleitung entnommen wird, sodass das Kondenswasser nicht zusammen mit dem Abgas weiter die Abgasleitung in Richtung des Endrohrs durchströmt. Das Kondenswasser wird beispielsweise dem Vorratsbehälter zugeführt, vorzugsweise über eine Wasseraufbereitungseinrichtung. In der Wasseraufbereitungseinrichtung wird dem Kondenswasser vorzugsweise wenigstens ein Zusatzmittel zugegeben, sodass es nachfolgend als Betriebsmittel verwendbar ist. Das Zuführen des Kondenswassers zu dem Vorratsbehälter als Betriebsmittel hat den Vorteil, dass seltener Betriebsmittel nachgefüllt werden muss, weil es an Bord des Kraftfahrzeugs gewonnen wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Abgasleitung stromabwärts der Wasserentnahmeöffnung eine Strömungsblende angeordnet ist, die das Kondenswasser in Richtung der Wasserentnahmeöffnung führt. Bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Abgases stromabwärts der Wasserentnahmeöffnung ist also die Strömungsblende in der Abgasleitung positioniert. Die Strömungsblende dient als lokaler Strömungswiderstand, aufgrund welcher das Kondenswasser von dem Abgas selbst durch die Wasserentnahmeöffnung aus der Abgasleitung herausgedrängt wird. Zusätzlich oder alternativ zu der Strömungsblende kann selbstverständlich an die Wasserentnahmeöffnung eine Wasserfördereinrichtung angeschlossen sein, beispielsweise eine Pumpe. Die Verwendung der Strömungsblende hat den Vorteil, dass die Entnahme des Wassers mit rein passiven Mittel erfolgt, sodass also keine zusätzliche Pumpe oder dergleichen notwendig ist, wenn gleich eine solche selbstverständlich zusätzlich vorgesehen sein kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr mittels eines Schaltventils schaltbar ist. Hierunter ist zu verstehen, dass eine Strömungsverbindung durch das Wärmerohr, insbesondere eine Strömungsverbindung zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator des Wärmerohrs, mithilfe des Schaltventils unterbrechbar ist. Das bedeutet, dass die Strömungsverbindung in einer ersten Schalteinstellung des Schaltventils freigegeben und in einer zweiten Schalteinstellung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, unterbrochen ist. Mithilfe des Schaltventils kann Wärme des Abgases dosiert dem Vorratsbehälter zugeführt werden, sodass ein zielgerichtetes Erwärmen des Betriebsmittels erfolgt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Druckausgleichsbehälter an das Wärmerohr strömungstechnisch angeschlossen ist. Der Druckausgleichsbehälter dient dem Aufnehmen des Wärmeträgermediums aus dem Wärmerohr, insbesondere falls in dem Wärmerohr ein Überdruck auftritt oder zu viel Wärmeträgermedium vorliegt, und dem Zurückführen des Wärmeträgermediums in das Wärmerohr, falls in diesem zu wenig Wärmeträgermedium vorliegt. Der Druckausgleichsbehälter ist vorzugsweise geodätisch höher angeordnet als zumindest ein Teil des Wärmerohrs, sodass das Wärmeträgermedium durch Schwerkrafteinfluss aus dem Druckausgleichsbehälter in Richtung des Wärmerohrs gedrängt wird. Vorzugsweise ist der Druckausgleichsbehälter strömungstechnisch zwischen dem in die Abgasleitung hineinragenden Bereich des Wärmerohrs und dem an den Vorratsbehälter angebundenen Bereich des Wärmerohrs an das Wärmerohr angeschlossen. Der Druckausgleichsbehälter ermöglicht eine dauerhafte zuverlässige Funktion des Wärmerohrs.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Schaltventil mittels einer beidseitig strömungstechnisch an das Wärmerohr angeschlossenen Bypassleitung überbrückt ist, wobei die Bypassleitung auf der der Abgasleitung abgewandten Seite des Schaltventils über einen Siphon an das Wärmerohr angeschlossen ist. Die Bypassleitung ist strömungstechnisch insoweit beiderseits des Schaltventils an das Wärmerohr strömungstechnisch angeschlossen, sodass auch bei vollständig geschlossenem Schaltventil das Wärmeträgermedium das Wärmerohr durchströmen kann, nämlich unter Verwendung der Bypassleitung.
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Einerseits ist die Bypassleitung über den Siphon strömungstechnisch an das Wärmerohr angeschlossen. Unter dem Siphon ist hierbei ein Behälter zu verstehen, welcher an seiner geodätisch unteren Seite an das Wärmerohr und an seiner geodätisch oberen Seite an die Bypassleitung strömungstechnisch angeschlossen ist. Während eines normalen Betriebs der Antriebseinrichtung tritt in dem Siphon ein Pegelstand des Wärmeträgermediums auf, der von der Bypassleitung beabstandet ist. Der Siphon dient vorzugsweise zur Aufnahme des Wärmeträgermediums nach Art des Druckausgleichsbehälters.
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Vorzugsweise ist in der Bypassleitung ein Rückschlagventil angeordnet, welches eine Durchströmung der Bypassleitung lediglich in Richtung des Siphons zulässt. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann bei geschlossenem Schaltventil erhitztes Wärmeübertragungsmedium aus dem in die Abgasleitung hineinragenden Bereich in den Siphon gelangen. Aufgrund des geschlossenen Schaltventils ist jedoch die Strömungsverbindung zwischen dem Siphon und dem in die Abgasleitung hineinragenden Bereich des Wärmerohrs unterbrochen, sodass zwar ein Druckausgleich innerhalb des Wärmerohrs erfolgt, dieses jedoch außer Funktion ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht den Verzicht auf einen vergleichsweise großen Druckausgleichsbehälter.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einer Antriebseinrichtung gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei die Antriebseinrichtung ein Abgas erzeugendes Antriebsaggregat, eine Abgasleitung zum Abführen des Abgases und einen Vorratsbehälter für ein Betriebsmittel des Antriebsaggregats aufweist. Die Abgasleitung und der Vorratsbehälter sind wärmeübertragend miteinander verbunden, indem ein Wärmerohr einerseits eine Wand der Abgasleitung durchgreift und in die Abgasleitung hineinragt und andererseits an den Vorratsbehälter angebunden ist, und Wärme des Abgases zum Aufheizen des in dem Vorratsbehälter befindlichen Betriebsmittels verwendet wird. Dabei ist vorgesehen, dass das Wärmerohr einen in der Abgasleitung angeordneten schraubenförmigen Schraubenbereich aufweist.
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Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise beziehungsweise einer derartigen Ausgestaltung der Antriebseinrichtung wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Antriebeinrichtung als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug in einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung der Antriebseinrichtung in einer zweiten Ausführungsform, sowie
- 3 eine schematische Teilschnittdarstellung durch einen Bereich einer Abgasleitung der Antriebseinrichtung.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Antriebseinrichtung 1 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Die Antriebseinrichtung 1 verfügt über ein Antriebsaggregat 2, das in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Brennkraftmaschine vorliegt. Das Antriebsaggregat 2 ist mit einem nicht näher dargestellten Betriebsmittelinjektor ausgestaltet, mittels welchem ein in einem Vorratsbehälter 3 vorliegendes Betriebsmittel in das Antriebsaggregat 2 einbringbar ist. In den Vorratsbehälter 3 kann über eine Einfüllleitung 4 das Betriebsmittel eingefüllt werden. Dem Vorratsbehälter 3 ist über eine Entnahmeleitung 5 das Betriebsmittel entnehmbar, nämlich mittels einer Pumpe 6. Die Entnahmeleitung 5 ist an den Betriebsmittelinjektor strömungstechnisch angeschlossen, sodass über die Entnahmeleitung 5 entnommenes Betriebsmittel zumindest teilweise dem Antriebsaggregat 2 zugeführt wird. Über die Entnahmeleitung 5 entnommenes, jedoch nicht benötigtes Betriebsmittel, kann über die Rückführleitung 7 erneut den Vorratsbehälter 3 zugeführt werden.
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Zum Erwärmen des in dem Vorratsbehälter 3 vorliegenden Betriebsmittels ist ein Wärmerohr 8 vorgesehen, das einerseits in eine Abgasleitung 9 der Antriebseinrichtung 1 hineinragt. Andererseits ist das Wärmerohr 8 wärmeübertragend an den Vorratsbehälter 3 angeschlossen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ragt das Wärmerohr 8 in den Vorratsbehälter 3 hinein, sodass das Betriebsmittel unmittelbar das Wärmerohr 8 beaufschlagt beziehungsweise dieses umspült. Zum Druckausgleich in dem Wärmerohr 8 ist an dieses ein Druckausgleichsbehälter 10 angeschlossen. Zudem ist in dem Wärmerohr 8 ein Schaltventil 11 angeordnet, das in einer ersten Schalteinstellung eine Durchströmung des Wärmerohrs 8 freigibt und in einer zweiten Schalteinstellung zumindest teilweise oder sogar vollständig unterbricht.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung der Antriebseinrichtung 1 in einer zweiten Ausführungsform. Diese ähnelt grundsätzlich der ersten Ausführungsform, sodass auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen und nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Diese liegen darin, dass der Druckausgleichsbehälter 10 entfällt und stattdessen eine Bypassleitung 12 vorliegt, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Schaltventils 11 in das Wärmerohr 8 einmündet beziehungsweise an dieses angeschlossen ist. Es ist erkennbar, dass die Bypassleitung 12 auf einer Seite nicht unmittelbar an das Wärmerohr 8 angeschlossen ist, sondern über einen Siphon 13. Dies hat den Vorteil, dass bei geschlossenem Schaltventil 11 weiterhin verdampftes Wärmeträgermedium aus Richtung der Abgasleitung 9 in Richtung des Vorratsbehälters 3 durch das Wärmerohr 8 strömen kann, jedoch nicht mehr in umgekehrter Richtung, weil es in dem Siphon 13 zwischengespeichert wird. Zusätzlich kann in der Bypassleitung 12 ein Rückschlagventil vorliegen, welches lediglich eine Durchströmung der Bypassleitung 12 in Richtung des Vorratsbehälters 3 zulässt, eine Durchströmung in Richtung der Abgasleitung 9 jedoch unterbindet.
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Die 3 zeigt eine schematische Teilschnittdarstellung eines Bereichs der Abgasleitung 9. Es ist erkennbar, dass das Wärmerohr 8 eine Wand 14 der Abgasleitung 9 durchgreift und somit in die Abgasleitung 9 hineinragt. Das Wärmerohr 8 weist hierbei einen Eintrittsbereich 15 auf, welcher die Wand 14 an einer Eintrittsstelle 16 durchgreift und in die Abgasleitung 9 hineinragt. Hierbei durchgreift der Eintrittsbereich 15 vorzugsweise die Abgasleitung 9 bezüglich einer Längsmittelachse 17 der Abgasleitung 9 größtenteils, also zu mindestens 50 % oder mehr. An den Eintrittsbereich 15 schließen sich ein Durchtrittsbereich 18 und ein Schraubenbereich 19 des Wärmerohrs 8 an. Der Durchtrittsbereich 18 ist hierbei von wenigstens einer Windung 20 des Schraubenbereichs 19 in Umfangsrichtung bezüglich der Längsmittelachse 17 umgriffen. Die Längsmittelachse 17 stellt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gleichzeitig eine zentrale Achse des Schraubenbereichs 19 dar.
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Es ist erkennbar, dass der Eintrittsbereich 15 strömungstechnisch über den Durchtrittsbereich 18 an den Schraubenbereich 19 angeschlossen ist. Zudem weist der Schraubenbereich 19 ein Ende 21 des Wärmerohrs 8 auf. Dieser kann, muss jedoch nicht, strömungstechnisch unmittelbar an den Eintrittsbereich 15 angeschlossen sein. Alternativ ist er strömungsdicht ausgestaltet und lediglich an dem Eintrittsbereich 15 befestigt. Es ist weiterhin deutlich erkennbar, dass das Wärmerohr 8 in seinem Schraubenbereich 19 an einem Innenumfang 22 der Abgasleitung 9 beziehungsweise ihrer Wand 14 anliegt.
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Die Abgasleitung 9 weist stromabwärts des Wärmerohrs 8 eine Wasserentnahmeöffnung 23 auf, durch welche in der Abgasleitung 9 kondensiertes Kondenswasser aus der Abgasleitung 9 entnehmbar ist. Stromabwärts der Wasserentnahmeöffnung 23 ist zudem eine Strömungsblende 24 in der Abgasleitung 9 derart angeordnet, dass das Kondenswasser aufgrund des Strömungsdrucks des Abgases aus der Wasserentnahmeöffnung 23 hinaus gedrängt wird. Das Kondenswasser wird beispielsweise über eine Aufbereitungseinrichtung dem Vorratsbehälter 3 als Betriebsmittel zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Antriebseinrichtung
- 2.
- Antriebsaggregat
- 3.
- Vorratsbehälter
- 4.
- Einfüllleitung
- 5.
- Entnahmeleitung
- 6.
- Pumpe
- 7.
- Rückführleitung
- 8.
- Wärmerohr
- 9.
- Abgasleitung
- 10.
- Druckausgleichsbehälter
- 11.
- Schaltventil
- 12.
- Bypassleitung
- 13.
- Siphon
- 14.
- Wand
- 15.
- Eintrittsbereich
- 16.
- Eintrittsstelle
- 17.
- Längsmittelachse
- 18.
- Durchtrittsbereich
- 19.
- Schraubenbereich
- 20.
- Windung
- 21.
- Ende
- 22.
- Innenumfang
- 23.
- Wasserentnahmeöffnung
- 24.
- Strömungsblende
