DE10233763A1

DE10233763A1 - Hilfsaggregat für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10233763A1
Application number: DE10233763A
Authority: DE
Inventors: Michael Schmidt
Original assignee: DEVETEC INGENIEURGMBH
Current assignee: DEVETEC GMBH, DE
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hilfsaggregat für Kraftfahrzeuge. Gemäß der Erfindung ist zusätzlich zum primären Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs eine sekundäre Wärmekraftmaschine installiert, welche die Abwärme des primären Antriebsmotors zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie nutzt. Ein in die Auspuffanlage 9 des Kraftfahrzeugs integrierter Wärmetauscher 4 erzeugt ein gespanntes Arbeitsgas, vorzugsweise Wasserdampf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hilfsaggregat für Kraftfahrzeuge.
Bekanntermaßen wird in vielen Fällen ein nicht unwesentlicher Teil der Motorleistung für den Betrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugmotors aufgebracht. Vor allem Klimaanlagen fallen hier ins Gewicht. Umfangreiche Entwicklungsarbeiten sind claher auf die Senkung des Energiebedarfs der Nebenaggregate gerichtet.

Auch der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den für den Fahrbetrieb verfügbaren Anteil der Leistung eines Kraftfahrzeugmotors zu erhöhen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine sekundäre, zusätzlich zum primären Antriebsmotor installierte Wärmekraftmaschine gelöst, welche die Abwärme des primären Antriebsmotors zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie nutzt.

Diese Energie lässt sich z. B. zum Antrieb des Stromgenerators des Fahrzeugs einsetzen, wobei es möglich ist, den Generator wahlweise durch die zusätzliche Wärmekraftmaschine oder den primären Antriebsmotor anzutreiben. Gegebenenfalls greift die zusätzliche Wärmekraftmaschine beim Antrieb des Generators durch den primären Antriebsmotor unterstützend ein.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Wärmekraftmaschine um eine Dampfkraftmaschine, z. B. um eine Kolbendampfkraftmaschine. Neben Wasser kommen zur Erzeugung unter Druck stehender Arbeitsgase auch andere Arbeitsmedien in Betracht.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Erzeugung des gespannten Arbeitsgases ein in die Auspuffanlage des Kraftfahrzeugs integrierter Wärmetauscher vorgesehen.

Zweckmäßig ist dieser Wärmetauscher in Strömungsrichtung der Abgase hinter einem in die Auspuffanlage eingebauten Katalysator angeordnet. Die Funktion des Katalysators, welche eine genügend hohe Temperatur des Abgases zur Voraussetzung hat, ist dadurch nicht beeinträchtigt.

Vorteilhaft kann der Wärmetauscher mit einem Schalldämpfer oder/und Katalysator der Auspuffanlage gemeinsame Funktionsteile aufweisen, wobei z. B. einem der Wärmeübertragung dienenden Teil des Wärmetauschers auch eine Dämpfungsfunktion zukommt.

Als solche Funktionsteile kann der Wärmetauscher eine Vielzahl parallel durchströmter Röhren oder/und Plattenhohlkörper aufweisen. Ein Röhren- oder Plattenhohlkörperpaket lässt sich in einer Aufweitung des Auspuffrohrs unterbringen, wie sie ähnlich für Schalldämpfer vorgesehen ist.

Die Röhren oder/und Plattenhohlkörper können Schwingungen ausführen, vorzugsweise unter Anregung durch das pulsierende Abgas. Solche, Staudrücke erzeugenden Schwingungen fördern den Wärmeübergang vom Abgas auf die Röhren bzw. Plattenhohlkörper.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist für das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine ein geschlossener Kreislauf mit einer Kondensationseinrichtung und einer Pumpe zur Rückführung des kondensierten Arbeitsmediums in den Wärmetauscher vorgesehen. Vorteilhaft bedarf es in diesem Fall keiner häufigen Betankung des Fahrzeugs mit dem Arbeitsmedium. Das gegenüber dem Dampf im Volumen pro Masseneinheit erheblich reduzierte Wasser lässt sich mit verhältnismäßig geringem Energieaufwand in den unter Druck stehenden Wärmetauscher zurückführen.

Eine die Pumpenleistung steuernde Einrichtung kann dafür sorgen, dass dem Wärmetauscher Arbeitsmedium in von der momentanen Leistung des primären Antriebsmotors abhängiger Menge zugeführt wird. Mit steigender Motorleistung erhöht sich die Abgasmenge und folglich die mögliche Wärmeübertragungsleistung im Wärmetauscher. Entsprechend ist eine vergrößerte Menge an Arbeitsmedium zuzuführen.

Es ist denkbar, den Kreislauf an den Kühlmittelkreislauf des primären Antriebsmotors anzuschließen, was insbesondere dann in Betracht kommt, wenn die klimatischen Bedingungen den Einsatz von frostschutzmittelfreiem Kühlwasser zulassen.

Zweckmäßig ist die Strömung des Arbeitsmediums durch den Wärmetauscher der Strömung des Abgases entgegengerichtet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Auspuffanlage mit einer der Abkühlung des Auspuffgases vor Erreichen des Wärmetauschers entgegenwirkenden Wärmedämmung versehen sein.

Zweckmäßig ist eine Steuereinrichtung zur Regelung des Dampfdrucks auf Werfe zwischen 125 000 und 225 000 hPa bzw. der Dampftemperatur auf Werte zwischen 290 und 350°C vorgesehen.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Hilfsaggregats für Kraftfahrzeuge nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Teil einer Auspuffanlage, in die ein in dem Aggregat von Fig. 1 verwendbarer Wärmetauscher integriert ist.
Fig. 3 und 4 unterschiedliche Ansichten des in die Auspuffanlage von Fig. 2 integrierten Wärmetauschers,
Fig. 5 eine Detaildarstellung des Wärmetauschers von Fig. 3, und
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen in einem Aggregat nach der Erfindung verwendbaren Wärmetauscher.
Ein Arbeitszylinder 1 erhält über ein Druckregelventil 3 in einer Druckleitung 2 gespannten Wasserdampf aus einem Wärmetauscher 4. Der Wärmetauscher 4 ist in die Auspuffanlage eines (nicht gezeigten) Kraftfahrzeugs integriert.
Verbrauchter Dampf des Arbeitszylinders 1 gelangt über eine Leitung 5 in eine Einrichtung 6, in welcher der Dampf abkühlt und kondensiert. Eine gegen den Dampfinnendruck des Wärmetauschers 4 arbeitende Pumpe 7 befördert in der Kondensationseinrichtung 6 gebildetes Wasser in den Wärmetauscher 4 zurück.
Während der Wärmetauscher 4 im hinteren Teil der Auspuffanlage in Strömungsrichtung der Abgase hinter einem Katalysator angeordnet ist, sind der Arbeitsyzlinder 1 und die Kondensationseinrichtung 6 im Motorraum des Kraftfahrzeugs montiert, wobei der Arbeitszylinder 1 über ein Getriebe z. B. mit der Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs in Antriebsverbindung steht. Die Kondensationseinrichtung 6 kann im vorderen Teil des Motorraums angeordnet sein, wo sie im Strömungsbereich des in den Motorraum eintretenden Fahrtwindes oder eines Lüfters liegt.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Wärmetauscher 4 in einer Aufweitung 8 eines Auspuffrohrs 9 untergebracht. Bei 10 ist eine bis etwa an den Wärmetauscher 4 heranreichende Wärmedämmung des Auspuffrohrs angedeutet.
Ein Pfeil 11 zeigt die Strömungsrichtung des Abgases an. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, durchströmt das durch die Pumpe 7 angeförderte Arbeitsmedium den Wärmetauscher 4 entgegen der Strömungsrichtung des Abgases.
Wie aus Fig. 3 und der den Wärmetauscher 4 im Querschnitt zeigenden Fig. 4 hervorgeht, weist der Wärmetauscher 4 eine Vielzahl von Röhren 12 auf. In dem betreffenden Ausführungsbeispiel sind dreihundertzwanzig solcher Röhren vorgesehen, die an ihren Enden in Strömungsverbindung mit einem plattenförmigen Hohlkörper 13 bzw. 14 stehen.
Über die plattenförmigen Hohlkörper 13, 14 ist der Wärmetauscher 4 mit der Wand des aufgeweiteten Auspuffrohrs 9 verbunden, wobei zwischen dem Plattenrand und der Wand Durchlässe für Abgas gebildet sein können. Alternativ sind die plattenförmigen Hohlkörper mit einer mit der Zahl der Röhren vergleichbaren Anzahl von Durchgängen versehen, wie bei 15 und 16 angedeutet ist. Pfeile 17 zeigen die Strömungsrichtung des durch die Durchgänge in den plattenförmigen Hohlkörpern tretenden Abgases an. Der plattenförmige Hohlkörper 14 weist einen Einlaß 18 und der Hohlkörper 13 einen Auslaß 19 für das Arbeitsmedium auf, wobei der Einlaß 18 in Verbindung mit der Pumpe 7 und der Auslaß 19 in Verbindung mit dem Regelventil 3 steht.
Die Röhren haben in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils eine Länge von 0,75 m. Bei einem Innendurchmesser von 0,9 mm beträgt das Innenvolumen jeder Röhre 0,47 cm³. Die Röhrenwand ist 0,8 mm dick.
Die so ausgebildeten, an ihren Enden durch die plattenförmigen Hohlkörper 13 und 14 gehaltenen Röhren, sind schwingungsfähig und können unter Anregung durch das pulsierende Abgas in Schwingungen versetzt werden, wobei Auslenkungen quer zum Abgasstrom auftreten, wie dies in Fig. 5 bei 20 angedeutet ist.
Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Wärmetauschers, durch den gemäß Pfeil 17a Abgas strömt. Der Wärmetauscher weist meanderförmig verlaufende Röhren 12a auf, wobei in dem betreffenden Ausführungsbeispiel ein Paket aus zehn solchen Röhren in paralleler Anordnung gebildet ist. Die Gesamtlänge jedes gebogenen Rohres beträgt 2,40 m.
Im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs wird in dem Wärmetauscher 4 durch die Pumpe 7 aus der Kondensationseinrichtung 6 angefördertes Wasser verdampft und ein Arbeitsdruck zum Betreiben des Arbeitszylinders 1 aufgebaut.
Das Regelventil 3 hält den Arbeitsdruck konstant. Eine (nicht gezeigte) Steuerung regelt die Zuführung von Wasser in den Wärmetauscher durch die Pumpe 7 in Abhängigkeit von der jeweiligen Leistung des primären Antriebsmotors des Fahrzeugs. Je höher diese Leistung ist, umso mehr Abgas durchströmt den Wärmetauscher 4. Damit steigen die Verdampfungsleistung im Wärmetauscher 4 und entsprechend die vom Arbeitszylinder 1 abgegebene mechanische Leistung. Indem der Arbeitszylinder neben dem primären Antriebsmotor zum Antrieb der Lichtmaschine beiträgt, steht mehr Leistung für den Fahrbetrieb als solchen zur Verfügung.
In dem betreffenden Ausführungsbeispiel sind bei Verwendung eines Primärmotors mit einer Maximalleistung von 80 kW Leistungen des Arbeitszylinders von etwa 1 bis 10 kW erreichbar.
Das Hilfsaggregat erhöht die Gesamtmasse des Fahrzeugs nur unwesentlich. In dem betrachteten Ausführungsbeispiel etwa um 10 bis 20 kg.

Claims

1. Hilfsaggregat für Kraftfahrzeuge, gekennzeichnet durch eine sekundäre, zusätzlich zum primären Antriebsmotor installierte Wärmekraftmaschine (1-7), welche die Abwärme des primären Antriebsmotors zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie nutzt.

2. Hilfsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in die Auspuffanlage (9) des Kraftfahrzeugs integrierter Wärmetauscher (4) zur Erzeugung eines gespannten Arbeitsgases, vorzugsweise gespannten Wasserdampfs, vorgesehen ist.

3. Hilfsaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) in Strömungsrichtung der Auspuffgase hinter einem in die Auspuffanlage eingebauten Katalysator angeordnet ist.

4. Hilfsaggregat noch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher mit einem Schalldämpfer oder/und Katalysator der Auspuffanlage gemeinsame Funktionsteile aufweist.

5. Hilfsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) eine Vielzahl von einem Arbeitsmedium parallel durchströmter Röhren (12) oder/und Plattenhohlkörpern aufweist.

6. Hilfsaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren (12) oder/und Plattenhohlkörper, vorzugsweise durch das pulsierende Abgas, zu Schwingungen anregbar sind.

7. Hilfsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine (1-7) ein geschlossener Kreislauf mit einer Kondensationseinrichtung (6) und einer Pumpe (7) zur Rückführung des kondensierten Arbeitsmediums in einen Wärmetauscher (4) für die Erzeugung eines gespannten Arbeitsgases vorgesehen ist.

8. Hilfsaggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Steuerung der Zufuhr des kondensierten Arbeitsmediums zu dem Wärmetauscher (4) in Abhängigkeit von der momentanen Leistung des primären Antriebsmotors vorgesehen ist.

9. Hilfsaggregat nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf an den Kühlmittelkreislauf des primären Antriebsmotors angeschlossen ist.

10. Hilfsaggregat nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Arbeitsmediums durch den Wärmetauscher (4) der Strömung des Abgases entgegengerichtet ist.

11. Hilfsaggregat nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auspuffanlage (9) mit einer der Abkühlung des Abgases vor Erreichen des Wärmetauschers (4) entgegenwirkenden Wärmedämmung (10) versehen ist.

12. Hilfsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (1-7) eine Dampfkraftmaschine, vorzugsweise Kolbendampfkraftmaschine, ist.

13. Hilfsaggregat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zur Regelung des Dampfdrucks auf Werte zwischen 125 000 und 225 000 hPa bzw. der Dampftemperatur auf Werte zwischen 290 und 350°C vorgesehen ist.

14. Hilfsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine mechanische Energie zum Antrieb eines elektrischen Generators erzeugt.

15. Hilfsaggregat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator zum Antrieb sowohl durch den primären Antriebsmotor als auch die sekundäre Wärmekraftmaschine vorgesehen ist.