DE19732307A1 - Brennkraftmaschine mit einem Stirlingmotor als Hilfsaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Abgase leitenden Abgasstrang und einem zusätzlichen Stirlingmotor mit einem Hitz­ kopf, wobei der Stirlingmotor mittels Abwärme der Abgase angetrieben wird.

Für diverse Anwendungen um eine Brennkraftmaschine herum wird Hilfsenergie benötigt. Beispielsweise in Kraftfahrzeugen wird elektrische Energie für elektrische Verbraucher, wie Licht, Lüftung o. ä. benötigt. Derartige Hilfsenergie wird üblicherweise durch den Antrieb ei­ nes Generators, einer Öl- oder Wasserpumpe oder sonstiger Hydraulikantriebe erzeugt.

So ist beispielsweise aus der DE-43 36 712-A1 bekannt einen Stirlingmotor als Kältemaschi­ ne zu verwenden. Der Antrieb des Stirlingmotors ist ein Hydromotor, der mit einer Hydro­ pumpe verbunden ist, die durch einen Fahrzeugmotor betrieben wird. Dies kostet Energie und erhöht somit den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.

In der DE-43 40 872-A1 wird daher vorgeschlagen, eine Brennkraftmaschine mit einem Stir­ lingmotor zu verbinden. Hierbei ist es das Ziel, sonst ungenutzte Abwärme als Antriebse­ nergie für den Stirlingmotor zu verwenden und so den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschi­ ne zu verbessern. Diese in der DE-43 40 872-A1 beschriebene Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der Stirlingmotor zur Ankopplung der Abwärme an einen Hitzkopf des Stirling­ motors nahe an der Brennkraftmaschine angeordnet werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der die Abwärme zum Antrieb eines Hilfsaggregats genutzt wird, wobei gleichzeitig die räumliche Anordnung des Hilfsaggregats bezüglich der Brennkraftmaschine ohne starke Einschränkungen, insbesondere bezüglich der Entfernung der beiden Aggregate, frei gewählt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der obengenannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Abgasabwärme dem Hitzkopf des Stir­ lingmotors mittels einer Heatpipe zugeführt wird, die den Hitzkopf mit dem Abgasstrang in wänneleitender Weise verbindet. Dies hat den Vorteil, daß die Wahl der Anordnung des Stir­ lingmotors frei wählbar ist und keine komplizierten zusätzlichen Abgasleitungen erforderlich sind.

Zum Betrieb des Stirlingmotors auch in Betriebsphasen der Brennkraftmaschine mit niedri­ gen Abgastemperaturen ist in vorteilhafter Weise zusätzlich ein Hilfsbrenner zur Zuführung von Wärmeenergie an den Hitzkopf des Stirlingmotors vorgesehen.

Zur Berücksichtigung verschiedener Betriebsanforderungen, ist in besonders vorteilhafter Weise die Heatpipe stromauf oder stromab eines in den Abgasstrang eingeschleiften Kataly­ sators angeordnet.

Dadurch, daß der Stirlingmotor einen Generator und/oder eine Hydraulikpumpe und/oder einen weiteren Stirlingmotor zur Kälteerzeugung antreibt, erzielt man in vorteilhafter Weise ein einfaches Hilfsaggregatsystem mit nur einem zusätzlichen Motor, nämlich dem Stirling­ motor.

In besonders vorteilhafter Weise ist der Stirlingmotor als Freikolbenmotor mit integriertem Lineargenerator ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß kein Triebwerk, wie eine Kurbelwelle, erforderlich ist, wodurch ein einfacher Aufbau möglich ist bzw. ein kostengünstiges Aggregat zur Verfügung gestellt wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung.

Ein Motor 10, wie z. B. eine Innenbrennkraftmaschine, führt Abgase 12 über einen Ab­ gasstrang 14 an die Umgebung ab. Der Abgasstrang weist in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform einen Katalysator 22 auf, der zur Verminderung des Anteils umweltschäd­ licher Abgasbestandteile im Abgas dient.

Ein Hitzkopf eines Stirlingmotors 16 ist mittels einer Heatpipe 18 mit dem Abgasstrang 14 verbunden. ln der vorliegenden Ausführungsform ist die Heatpipe 18 mit dem Abgasstrang 14 stromauf des Katalysators 22 verbunden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungs­ form, kann diese Verbindung jedoch auch stromab des Katalysators 22 erfolgen.

Die Anordnung stromauf des Katalysators 22 hat den Vorteil, daß der stark temperaturemp­ findliche Katalysator 22 durch das Abziehen von Wärmeenergie aus dem Abgas 12 durch die Heatpipe 18 der Katalysator 22 vor zu hohen Abgastemperaturen geschützt wird. Die Anordnung stromab des Katalysators 22 hat dagegen den Vorteil daß dort die Abgastempe­ raturen durch eine katalytische Reaktion im Katalysator 22 erhöht ist und somit ein höherer Wärmeanteil in den Stirlingmotor eingebracht werden kann. Die Auswahl zwischen diesen verschiedenen Anordnungen der Heatpipe 18 erfolgt je nach dem, welche gewünschten Be­ triebsbedingungen eine höherer Priorität haben.

Die von der Heatpipe 18 aus dem Abgasstrang 14 an den Hitzkopf des Stirlingmotors 16 zugeführte Wärmeenergie treibt den Stirlingmotor 16 an. Da diese Wärmeenergie ursprüng­ lich ungenutzt an die Umgebung abgegeben worden wäre, erhöht sich damit der Wirkungs­ grad der Brennkraftmaschine und gleichzeitig ist keine zusätzliche Energieaufwendung sei­ tens der Brennkraftmaschine erforderlich.

Der Stirlingmotor 16 selbst treibt Hilfsaggregate 26 wie beispielsweise einen Generator und/oder Hydraulikpumpen an. Ein direkt vom Motor 10 angetriebenes Hilfsaggregat wird somit entbehrlich.

Durch die Einsparung weiterer, durch den Motor 10 direkt angetrieben Hilfsaggregaten ver­ mindert sich daher der Energiebedarf und somit der Kraftstoflverbrnuch der Brennkraftma­ schine. Da der Motor keine zusätzliche Energie aufwenden muß, erhöht sich gleichzeitig der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.

Bei Betriebsphasen der Brennkraftmaschine mit niedrigen Abgastemperaturen, beispielswei­ se in einer kurzen Betriebsphase nach dem Kaltstart bzw. während des Warmlaufens, steht wenig Wärmeenergie im Abgasstrang 14 zur Verfügung. Zur Überbrückung solcher Be­ triebsphasen und zur Sicherstellung ausreichender Hilfsantriebsleistung durch den Stirling­ motor 16, sieht man in besonders bevorzugter Weise einen Hilfsbrenner 20 vor. Dieser kann beispielsweise kraftstoffbetrieben sein und heizt den Hitzkopf des Stirlingmotors 16 in aus­ reichender Weise, so daß genügend Antriebsleistung des Stirlingmotors zur Verfügung steht.

Eine Steuerung 28 ist vorgesehen und derart ausgebildet, daß die Betriebsphasen erkannt werden, in denen ein zusätzlicher Betrieb des Hilfsbrenners 20 erforderlich ist. Die Steue­ rung 28 schaltet dann den Hilfsbrenner 20 entsprechend bedarfsweise an und aus.

In vorteilhafter Weise werden die Abgase des Brenners 20 zur Schadstoffreduzierung mittels einer Rohrleitung 30 über den Katalysator 22 geleitet. Dadurch tragen diese zum schnelleren Erwärmen des Katalysators 22 auf Betriebstemperatur bei, z. B. bei einem Kaltstart. Zusätz­ liche elektrische Heizer am Katalysator 22 können somit entfallen.

Des weiteren kann als Qption der Heatpipe 18 eine Umschaltvorrichtung 32 zugeordnet sein, welche ebenfalls von der Steuerung 28 angesteuert wird und mittels einer weiteren Heatpipe 34 mit dem Abgasstrang 14 stromab des Katalysators 22 in Verbindung steht. Hierdurch ist der Stirlingmotor 16 mittels der Heatpipe 18, der Umschaltvorrichtung 32 und der Heatpipe 34 sowohl stromaufseitig als auch stromabseitig bezüglich dem Katalysator 22 mit dem Ab­ gasstrang 14 verbunden. ln Abhängigkeit von Signalen von nicht gezeigten Sensoren kann somit eine Wärmeübertragung in den Hitzkopf des Stirlingmotors 16 jeweils von der Stelle des Abgasstranges 14 mit dem größeren Wärmeanfall aus erfolgen.

In besonders vorteilhafter Weise treibt der Stirlingmotor 16 direkt oder indirekt über ein Hilfsaggregat 26 einen weiteren Stirlingmotor 24 an, der als Kälteerzeuger für eine Fahr­ zeugklimatisierung 36 arbeitet.

Wird zu diesem Zweck ein Freikolben-Stirlingmotor verwendet, welcher als Pumpe oder Verdichter ausgeführt wird, kann auf einen zusätzlichen Kompressor und Verdichter für die übliche Klimaanlage verzichtet werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann der dem Stirlingmotor 16 zugeordnete Hilfsbren­ ner 20 Teil einer Zusatzheizung, z. B. einer Standheizung eines Kraftfahrzeuges sein. Für diesen Fall kann beispielsweise ein ventilgesteuerter Abzweig 38 der Rohrleitung 30 die Ab­ wärme des Stirlingmotors 16 entweder gleichzeitig zum Katalysator 22 und zur Standhei­ zung oder aber ausschließlich für die Standheizung liefern. Ein hierfür erforderliches, in die Rohrleitung 30 eingesetztes Ventil 40 wird dabei ebenfalls von der Steuerung 28 betätigt.

Claims (8)

1. Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Abgase (12) leitenden Abgasstrang (14) und einem zusätzlichen Stirlingmotor (16) mit einem Hitz­ kopf, wobei der Stirlingmotor (16) mittels Abwärme der Abgase (12) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasabwärme dem Hitzkopf des Stirlipgmotors (16) mittels einer Heatpipe (18) zugeführt wird, die den Hitzkopf mit dem Abgasstrang (14) in wärmeleitender Weise verbindet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Hilfsbrenner (20) zur Zuführung von Wärmeenergie an den Hitzkopf des Stirlingmotors (16) vorgesehen ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heatpipe (18) stromauf oder stromab eines in den Abgasstrang (14) eingeschleif­ ten Katalysators (22) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirlingmotor (16) einen Generator und1oder eine Hydraulikpumpe (26) und/oder einen weiteren Stirlingmotor (24) zur Kälteerzeugung antreibt.

5. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirlingmotor (16) als Freikolbenmotor mit integriertem Lineargenerator ausgebil­ det ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgasauslaß des Brenners (20) mit dem Abgasstrang (14) derart verbunden ist, daß Abgase des Hilfsbrenners über den Katalysator (22) geführt werden.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirlingmotor (16) in Abhängigkeit einer Umschaltvorrichtung (32) mittels der Heatpipe (18) mit dem Abgasstrang (14) stromauf des Katalysators (22) oder mittels einer Heatpipe (34) mit dem Abgasstrang (14) stromab des Katalysators (22) ver­ bindbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgasauslaß des Stirlingmotors (16) Abgase über eine Rohrleitung (30) dem Katalysator (22) und/oder einer Zusatzheizung eines Kraftfahrzeuges zuführt.