DE202017100590U1 - System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung - Google Patents

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Abstract

System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend:einen Verbrennungsmotor (1) mit wenigstens einem ein- oder mehrteiligen Motorgehäuse (4) und mit wenigstens einer periodisch bewegbaren Kolbenanordnung, wobei der Verbrennungsmotor (1) derart ausgebildet ist und/oder derart betreibbar ist, dass für ein infolge einer periodischen Bewegung der wenigstens einen Kolbenanordnung während einer vollständigen Motorperiode in dem Motorgehäuse (4) gebildetes Ansaugvolumen Vund für ein infolge der periodischen Bewegung der wenigstens einen Kolbenanordnung während derselben Motorperiode in dem Motorgehäuse (4) gebildetes Expansionsvolumen Vgilt: V< V;eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2) mit einem ersten Fluid zum Aufnehmen von Abwärme des Verbrennungsmotors (1) und mit einer Expansionsvorrichtung (9) zum Umwandeln der über das erste Fluid aufgenommenen Abwärme des Verbrennungsmotors (1) in mechanische Energie durch Expansion des ersten Fluids; undeine Verdichtervorrichtung (3) zum Verdichten von Ladeluft, die in den Verbrennungsmotor (1) einleitbar ist;wobei die Expansionsvorrichtung (9) zum Antreiben der Verdichtervorrichtung (3) mit der Verdichtervorrichtung (3) gekoppelt ist oder koppelbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein mit einem derartigen System ausgestattetes Kraftfahrzeug.
  • Aus dem Stand der Technik sind Wärmerückgewinnungssysteme für Kraftfahrzeuge bekannt, die die Wärme der Abgase eines Verbrennungsmotors wenigstens teilweise über einen Expander in mechanische Energie umwandeln. Diese aus der Abwärme des Verbrennungsmotors gewonnene mechanische Energie kann dann z. B. auf eine Antriebswelle des Kraftfahrzeugs übertragen werden. Normalerweise ist dann jedoch eine zusätzliche mechanische Übersetzung erforderlich, um die hohen Drehzahlen des Expanders an die typischerweise geringeren Drehzahlen der Antriebswelle anzupassen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein System mit einem Verbrennungsmotor und mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung zu schaffen, das einen möglichst effizienten Betrieb des Verbrennungsmotors gewährleistet und einen möglichst geringen Grad an Komplexität aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein mit einem derartigen System ausgestattetes Kraftfahrzeug. Spezielle Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Vorgeschlagen wird also ein System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend:
    • einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem ein oder mehrteiligen Motorgehäuse und mit wenigstens einer periodisch bewegbaren Kolbenanordnung, wobei der Verbrennungsmotor derart ausgebildet ist und/oder derart betreibbar ist, dass für ein infolge einer periodischen Bewegung der wenigstens einen Kolbenanordnung während einer vollständigen Motorperiode in dem Motorgehäuse gebildetes Ansaugvolumen VA und für ein infolge der periodischen Bewegung der wenigstens einen Kolbenanordnung während derselben Motorperiode in dem Motorgehäuse gebildetes Expansionsvolumen VE gilt: VA < VE;
    • eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit einem ersten Fluid zum Aufnehmen von Abwärme des Verbrennungsmotors und mit einer Expansionsvorrichtung zum Umwandeln der über das erste Fluid aufgenommenen Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie durch Expansion des ersten Fluids; und
    • eine Verdichtervorrichtung zum Verdichten von Ladeluft, die in den Verbrennungsmotor einleitbar ist;
    • wobei die Expansionsvorrichtung zum Antreiben der Verdichtervorrichtung mit der Verdichtervorrichtung gekoppelt ist oder koppelbar ist.
  • Da die Expansionsvorrichtung und die Verdichtervorrichtung typischerweise in demselben Drehzahlbereich arbeiten, ist für die Kopplung der Expansionsvorrichtung an die Verdichtervorrichtung normalerweise keine weitere Getriebestufe erforderlich, wie dies z. B. bei der Kopplung der Expansionsvorrichtung an eine Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs der Fall wäre. Die Tatsache, dass das Expansionsvolumen VE des Verbrennungsmotors größer ist als sein Ansaugvolumen VA erhöht zusätzlich den Wirkungsgrad und die Effizienz des Verbrennungsmotors.
  • Die wenigstens eine Kolbenanordnung kann einen oder mehrere linear bewegbare Kolben umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Kolbenanordnung auch einen oder mehrere Drehkolben umfassen.
  • Typischerweise ist der Verbrennungsmotor derart ausgebildet, dass infolge der periodischen Bewegung der wenigstens einen Kolbenanordnung oder infolge der periodischen Bewegung eines Teils der wenigstens einen Kolbenanordnung innerhalb des Motorgehäuses wenigstens eine Einlasskammer mit variablem Volumen gebildet wird. Die Einlasskammer dient insbesondere dem Ansaugen eines Kraftstoffgemisches in die Einlasskammer.
  • Die wenigstens eine Kolbenanordnung ist normalerweise derart ausgebildet, dass das Volumen der Einlasskammer infolge der periodischen Bewegung der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung jeweils periodisch zu- und abnimmt. Beispielsweise kann ein erster Abschnitt der periodischen Bewegung der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung, während dessen das Volumen der Einlasskammer zunimmt, dem Ansaugen des Kraftstoffgemisches in die Einlasskammer dienen. Und ein zweiter Abschnitt der periodischen Bewegung der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung, während dessen das Volumen der Einlasskammer abnimmt, kann der Verdichtung des Kraftstoffgemisches dienen.
  • Der Verbrennungsmotor kann ein oder mehrere Einlassventile aufweisen, die eingerichtet sind, das Ansaugen des Kraftstoffgemisches in die wenigstens eine Einlasskammer zu steuern oder zu kontrollieren, insbesondere durch periodisches Öffnen und Schließen der Einlassventile. Die Kolbenanordnung kann aber auch derart ausgebildet sein, dass das periodische Öffnen und Schließen der Einlasskammer zum Ansaugen des Kraftstoffgemisches in die Einlasskammer durch die Anordnung und die periodische Bewegung der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung selbst gegeben ist.
  • VA bezeichnet vorzugsweise jeweils das Volumen der Einlasskammer oder die Summe der Volumina der Einlasskammern zu demjenigen Zeitpunkt oder zu denjenigen Zeitpunkten der Motorperiode, zu dem oder zu denen die Einlasskammer oder die Einlasskammern jeweils geschlossen wird bzw. geschlossen werden, um das Einleiten oder Ansaugen des Kraftstoffgemisches in die jeweilige Einlasskammer zu beenden, z. B. durch Schließen eines oder mehrerer Einlassventile. Bei einem gegebenen Ladedruck pL, der insbesondere durch die Verdichtervorrichtung beeinflussbar ist, bestimmt VA also die Menge des während der Dauer einer Motorperiode infolge der periodischen Bewegung der Kolbenanordnung oder infolge der periodischen Bewegung eines Teils der Kolbenanordnung vom Verbrennungsmotor angesaugten Kraftstoffgemisches. VA beeinflusst also die Leistung und den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors.
  • Ferner ist der Verbrennungsmotor üblicherweise derart ausgebildet, dass infolge der periodischen Bewegung der wenigstens einen Kolbenanordnung oder eines Teils der wenigstens einen Kolbenanordnung innerhalb des Motorgehäuses wenigstens eine Expansionskammer mit variablem Volumen gebildet wird. Abhängig von der Bauart des Verbrennungsmotors können die Einlasskammer und die Expansionskammer wenigstens teilweise zusammenfallen, wie beispielsweise bei aus dem Stand der Technik bekannten Ottomotoren. Die Expansionskammer dient insbesondere zum Expandieren eines Abgases in der Expansionskammer und zum Umwandeln von Wärme des in der Expansionskammer expandierenden Abgases in Bewegungsenergie der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung. Das Abgas ist typischerweise ein Reaktionsprodukt, das beim Verbrennen des zuvor angesaugten Kraftstoffgemisches entsteht.
  • Die wenigstens eine Kolbenanordnung kann derart ausgebildet sein, dass das Volumen der Expansionskammer infolge der periodischen Bewegung der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung periodisch zu- und abnimmt. Beispielsweise dient ein erster Abschnitt der periodischen Bewegung der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung, während dessen das Volumen der Expansionskammer zunimmt, der Umwandlung von Wärme des Abgases in Bewegungsenergie der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung. Und ein zweiter Abschnitt der periodischen Bewegung der Kolbenanordnung oder der Bewegung eines Teils der Kolbenanordnung, während dessen das Volumen der Expansionskammer abnimmt, kann dem Ausstoßen des Abgases aus der Expansionskammer dienen.
  • Der Verbrennungsmotor kann ein oder mehrere Auslassventile aufweisen, die eingerichtet sind, das Ausstoßen des Abgases aus der Expansionskammer zu steuern oder zu kontrollieren, insbesondere durch periodisches Öffnen und Schließen der Auslassventile. Die Kolbenanordnung kann aber auch derart ausgebildet sein, dass das periodische Öffnen und Schließen der Expansionskammer zum Ausstoßen des Abgases aus der Expansionskammer durch die Anordnung und die periodische Bewegung der Kolbenanordnung oder eines Teils der Kolbenanordnung selbst gegeben ist.
  • VE bezeichnet vorzugsweise jeweils das Volumen der Expansionskammer oder die Summe der Volumina der Expansionskammern zu demjenigen Zeitpunkt oder zu denjenigen Zeitpunkten der Motorperiode, zu dem oder zu denen die Expansionskammer oder die Expansionskammern jeweils zur Beendigung der Expansion des Abgases in der jeweiligen Expansionskammer geöffnet wird bzw. geöffnet werden, z. B. durch Öffnen eines oder mehrerer Auslassventile. VE beeinflusst daher typischerweise maßgeblich die während der Expansion des Abgases zur Erzeugung eines Motordrehmoments auf die Kolbenanordnung oder auf einen Teil der Kolbenanordnung übertragene Energiemenge und damit den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors.
  • Der Verbrennungsmotor kann insbesondere derart ausgebildet sein oder derart betreibbar sein, dass gilt: VA ≤ 0,9·VE, vorzugsweise VA ≤ 0,8·VE, besonders vorzugsweise VA ≤ 0,7·VE. Je kleiner das Verhältnis VA/VE ist, desto höher ist gewöhnlich der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors.
  • Der Verbrennungsmotor kann wenigstens ein Einlassventil mit variabel steuerbarem Schließzeitpunkt aufweisen. Typischerweise umfasst das hier vorgeschlagenen System eine Steuereinheit zum Steuern oder Einstellen des Schließzeitpunktes oder der Schließzeitpunkte des wenigstens einen Einlassventils. So kann über den Schließzeitpunkt die Größe des Ansaugvolumens VA verändert werden. Auf diese Weise sind die Leistung und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors einstellbar oder veränderbar.
  • Beispielsweise kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Schließzeitpunkt oder die Schließzeitpunkte des wenigstens einen Einlassventils derart einzustellen, dass das Einlassventil jeweils schließt, bevor das Volumen der durch die Bewegung der Kolbenanordnung gebildeten Einlasskammer seinen Maximalwert erreicht (Miller-Prozess) oder nachdem das Volumen der durch die Bewegung der Kolbenanordnung gebildeten Einlasskammer seinen Maximalwert erreicht hat (Atkinson-Prozess). Zur Realisierung des Miller- oder des Atkinson-Prozesses kann die wenigstens eine Kolbenanordnung insbesondere einen oder mehrere Kolben umfassen, die jeweils linear bewegbar in einem Zylinder innerhalb des Motorgehäuses angeordnet sind. Zur Realisierung des Miller-Prozesses kann das Einlassventil dann jeweils derart gesteuert werden, dass es schließt, bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht. Und zur Realisierung des Atkinson-Prozesses kann das Einlassventil dann jeweils derart angesteuert werden, dass es schließt, nachdem der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat.
  • Der Verbrennungsmotor kann insbesondere auch als Wankelmotor, als Atkinson-Motor, als Libralato-Motor oder als Brayton-Motor ausgebildet sein. Das Wirkungsprinzip des Brayton-Motors ist der offene Joule Kreisprozess, auch Brayton-Kreisprozess genannt.
  • Wenn der Verbrennungsmotor als Atkinson-Motor ausgebildet ist, umfasst die wenigstens eine Kolbenanordnung einen oder mehrere linear bewegbare Kolben, die jeweils in einem durch das Motorgehäuse gebildeten Zylinder angeordnet sind, wobei ein maximaler Kolbenhub während des Ansaugtaktes jeweils kleiner ist als ein maximaler Kolbenhub während des Expansions- bzw. Arbeitstaktes. Atkinson-Motoren der hier beschriebenen Art sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Wenn der Verbrennungsmotor als Brayton-Motor ausgebildet ist, umfasst die wenigstens eine Kolbenanordnung eine Kompressionsvorrichtung zum Ansaugen und Verdichten des Kraftstoffgemisches, eine Brennkammer zum Verbrennen des mittels der Kompressionsvorrichtung angesaugten und verdichteten Kraftstoffgemisches sowie einen Expander zum Umwandeln der Wärmeenergie des bei der Verbrennung in der Brennkammer entstandenen Abgases in kinetische Energie des Expanders zur Erzeugung eines Motordrehmoments. Vorzugsweise sind die Kompressionsvorrichtung und der Expander des Brayton-Motors mechanisch gekoppelt, insbesondere starr gekoppelt, so dass die Kompressionsvorrichtung durch den Expander antreibbar ist. Die Kompressionsvorrichtung und der Expander des Brayton-Motors sind üblicherweise ferner derart ausgebildet, dass das Ansaugvolumen VA des während einer vollständigen Motorperiode mittels der Kompressionsvorrichtung angesaugten und in die Brennkammer eingeleiteten Kraftstoffgemisches kleiner ist als das Expansionsvolumen VE des während derselben Motorperiode aus der Brennkammer in den Expander eingeleiteten Abgases. Brayton-Motoren der hier beschriebenen Art sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Brayton-Motors können die Kompressionsvorrichtung und der Expander einen Schraubenverdichter und einen Schraubenexpander umfassen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brayton-Motors können die Kompressionsvorrichtung und der Expander einen Scrollverdichter und einen Scrollexpander umfassen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brayton-Motors können die Kompressionsvorrichtung und der Expander eine Drehschieberpumpe und einen Drehschiebermotor umfassen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brayton-Motors können die Kompressionsvorrichtung und der Expander jeweils einen Gerotor umfassen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brayton-Motors können die Kompressionsvorrichtung und der Expander jeweils einen linear bewegbaren Kolben umfassen.
  • Typischerweise umfasst Wärmerückgewinnungsvorrichtung neben der Expansionsvorrichtung zusätzlich einen Wärmeübertrager zum Übertragen von Abwärme des Verbrennungsmotors auf das erste Fluid. Die Expansionsvorrichtung und der Wärmeübertrager können in einem ersten Fluidkreislauf angeordnet sein, in dem das erste Fluid zirkulierbar ist. Der erste Fluidkreislauf kann zusätzlich einen Kondensator und/oder eine Fluidpumpe umfassen. Der Wärmeübertrager des ersten Fluidkreislaufs ist dann vorzugsweise eingerichtet, Wärme eines von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases auf das in dem ersten Fluidkreislauf zirkulierende erste Fluid zu übertragen und das erste Fluid zu verdampfen und/oder zu expandieren. Der Kondensator des ersten Fluidkreislaufs ist vorzugsweise eingerichtet, das zuvor mittels des Wärmeübertragers verdampfte und/oder expandierte erste Fluid zu verdichten und/oder zu kondensieren. Und die Fluidpumpe des ersten Fluidkreislaufs ist vorzugsweise eingerichtet, das erste Fluid in dem ersten Fluidkreislauf zu zirkulieren.
  • Die Expansionsvorrichtung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung kann auch einen Stirlingmotor umfassen. Stirlingmotoren sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Stirlingmotor weist normalerweise wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben, einen Behälter, z. B. in Gestalt eines weiteren Zylinders mit einem weiteren Kolben, und eine Ausgangswelle auf, wobei der Kolben zum Antreiben der Ausgangswelle mit der Ausgangswelle gekoppelt ist oder koppelbar ist. Zum Antreiben des Kolbens ist das erste Fluid dann periodisch zwischen dem Zylinder und dem Behälter verschiebbar. Gewöhnlich erfolgt in dem Zylinder eine Erwärmung und Expansion des ersten Fluids, und in dem Behälter bzw. weiteren Zylinder erfolgt eine Abkühlung des ersten Fluids.
  • Der zugrunde liegende Kreisprozess des Systems zur Wärmerückgewinnung kann auch auf dem Clausius-Rankine-Kreisprozess oder seinen Abwandlungen beruhen, insbesondere auf dem Organic Rankine Cycle mit von Wasser verschiedenem Fluid, dem teilverdampfenden Kreisprozess, wobei das Fluid als Gemisch aus Gas und Flüssigkeit in die Expansionsvorrichtung geleitet wird, oder auf dem transkritischen Kreisprozess, bei dem das Fluid durch die Pumpe auf überkritischen Druck gebracht wird und in der Folge nicht durch Kochen verdampft, sondern unter gleichmäßiger Erwärmung seine Dichte verringert. Der Clausius-Rankine-Kreisprozess und seine Abwandlungen setzen im nominalen Betrieb vollständige Verdampfung im Wärmeübertrager und vollständige Kondensation im Kondensator voraus. Als Alternative kann das System zur Wärmerückgewinnung auf dem Joule-Kreisprozess, auch Brayton Kreisprozess genannt, beruhen, wobei ein gasförmiges Fluid verwendet wird. In diesem Fall tritt weder Kochen im Wärmeübertrager noch Kondensation im Kondensator auf, der Kondensator ist in allen folgenden Ausführungen vorzugsweise als Kühler zu verstehen, welcher die Dichte des Fluids erhöht, und die Pumpe ist in allen folgenden Ausführungen vorzugsweise als Verdichter zu verstehen. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung kann derart ausgebildet sein und/oder derart betreibbar sein, dass im nominalen Betrieb an wenigstens einer Stelle des ersten Fluidkreislaufs ein überkritischer Zustand des Fluids vorliegt, wobei entweder eine lokale Temperatur innerhalb des ersten Fluidkreislaufs die kritische Temperatur des Fluids übersteigt, vorzugsweise die Temperatur am Austritt des Wärmeübertragers, und/oder wobei ein lokaler Druck innerhalb des ersten Fluidkreislaufs den kritischen Druck des Fluids übersteigt, vorzugsweise der Druck am Austritt der Fluidpumpe.
  • Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung kann ferner derart ausgebildet und/oder betreibbar sein, dass im nominalen Betrieb wenigstens der größere Teil des Fluids des ersten Fluidkreislaufs periodisch von einem Zustand mit unterkritischem Druck und unterkritischer Temperatur in einen Zustand mit überkritischem Druck und überkritischer Temperatur wechselt.
  • Das hier vorgeschlagene System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung kann neben dem ersten Fluidkreislauf wenigstens einen zweiten Fluidkreislauf aufweisen. Der zweite Fluidkreislauf kann z. B. einen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen des Verbrennungsmotors und/oder einen Schmiermittelkreislauf zum Schmieren des Verbrennungsmotors und/oder einen offenen Luftkreislauf einer Klimaanlage umfassen. Der erste Fluidkreislauf kann mit dem zweiten Fluidkreislauf thermisch gekoppelt sein oder thermisch koppelbar sein, beispielsweise über den Kondensator oder über wenigstens einen zweiten Wärmeübertrager. Z. B. kann der erste Fluidkreislauf ein oder mehrere Ventile aufweisen, die eingerichtet sind, das in dem ersten Fluidkreislauf zirkulierende Fluid wahlweise durch den zweiten Wärmeübertrager zu leiten. Durch die thermische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidkreislauf kann im Fluid des ersten Fluidkreislaufs gespeicherte Wärme auf ein Fluid des zweiten Fluidkreislaufs übertragen werden.
  • Das hier vorgeschlagene System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung kann ferner eine Kaltstart-Kontrolleinheit umfassen, die eingerichtet ist, die thermische Kopplung zwischen dem ersten Fluidkreislauf und dem wenigstens einen zweiten Fluidkreislauf abhängig von wenigstens einem gemessenen Temperaturwert herzustellen oder aufzuheben. Der gemessene Temperaturwert kann z. B. die Temperatur eines Abgases des Verbrennungsmotors und/oder die Temperatur des Motorgehäuses und/oder die Temperatur des Fluids des ersten Fluidkreislaufs und/oder die Temperatur des Fluids des wenigstens einen zweiten Fluidkreislaufs umfassen. Beispielsweise kann die Kaltstart-Kontrolleinheit eingerichtet sein, die thermische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidkreislauf nur dann herzustellen oder nur dann aufrechtzuerhalten, wenn der gemessene Temperaturwert über einem Schwellwert liegt. So kann z. B. gewährleistet werden, dass im ersten Fluidkreislauf stets genügend Wärme zum Antreiben der Expansionsvorrichtung des ersten Fluidkreislaufs gespeichert ist oder gespeichert bleibt.
  • Das hier vorgeschlagenen System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung kann ferner eine durch Abgase des Verbrennungsmotors antreibbare Abgasturbine aufweisen, die mit der Verdichtervorrichtung des Systems gekoppelt ist oder koppelbar ist. Insbesondere können die Expansionsvorrichtung, die Abgasturbine und die Verdichtervorrichtung starr miteinander gekoppelt sein oder starr miteinander koppelbar sein. Z. B. können die Abgasturbine und die Verdichtervorrichtung Teil einer Turboladeranordnung sein. Auf diese Weise ist Wärme und/oder Bewegungsenergie des Abgases wenigstens teilweise zur Ladeluftverdichtung nutzbar.
  • Das hier vorgeschlagene System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung kann ferner eine elektrische Maschine zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie aufweisen, z. B. in Gestalt eines elektrischen Generators. Die elektrische Maschine kann dann elektrisch mit einer Speichervorrichtung zum Speichern elektrischer Energie und/oder mit einem elektrischen Verbraucher verbunden sein oder verbindbar sein. Die elektrische Maschine kann mechanisch mit der Expansionsvorrichtung und/oder mit der Verdichtervorrichtung und/oder mit der Abgasturbine gekoppelt sein oder koppelbar sein. Damit ist im Abgas des Verbrennungsmotors und/oder im ersten Fluidkreislauf gespeicherte Energie in elektrische Energie umwandelbar und zum Betreiben des elektrischen Verbrauchers nutzbar oder in der Speichervorrichtung speicherbar.
  • Die elektrische Maschine kann ferner zum Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie eingerichtet sein. Damit kann in der Speichervorrichtung gespeicherte elektrische Energie zum Antreiben der Verdichtervorrichtung und somit zur Erhöhung der Leistung des Verbrennungsmotors genutzt werden.
  • Das System kann eine Steuereinheit aufweisen, die eingerichtet ist, die elektrische Verbindung und/oder die mechanische Kopplung der elektrischen Maschine abhängig von einem Ladezustand der Speichervorrichtung und/oder abhängig von einer Leistung des elektrischen Verbrauchers und/oder abhängig von einem Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors zu steuern. Das Steuern der elektrischen Verbindung und/oder der mechanischen Kopplung der elektrischen Maschine kann insbesondere das Herstellen, das Aufrechterhalten und das Aufheben der elektrischen Verbindung und/oder der mechanischen Kopplung umfassen.
  • Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die elektrische Maschine zum Übertragen von mechanischer Energie an die Verdichtervorrichtung elektrisch mit der Speichervorrichtung zu verbinden und mechanisch mit der Verdichtervorrichtung zu koppeln, wenn der Ladezustand der Speichervorrichtung größer ist als ein erster Speicherschwellwert und/oder wenn die Leistung des elektrischen Verbrauchers kleiner ist als ein erster Verbraucherschwellwert und/oder wenn das Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors größer ist als ein erster Drehmomentschwellwert.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die elektrische Maschine zum Übertragen von elektrischer Energie an die Speichervorrichtung und/oder an den elektrischen Verbraucher elektrisch mit der Speichervorrichtung und/oder mit dem elektrischen Verbraucher zu verbinden und mechanisch mit der Expansionsvorrichtung und/oder mit der Abgasturbine zu koppeln, wenn der Ladezustand der Speichervorrichtung kleiner ist als ein zweiter Speicherschwellwert und/oder wenn die Leistung des elektrischen Verbrauchers größer ist als ein zweiter Verbraucherschwellwert und/oder wenn das Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors kleiner ist als ein zweiter Drehmomentschwellwert. Der zweite Speicherschwellwert ist vorzugsweise kleiner als der erste Speicherschwellwert. Der zweite Verbraucherschwellwert ist vorzugsweise größer als der erste Verbraucherschwellwert. Und das zweite Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors ist vorzugweise kleiner als das erste Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors.
  • Vorgeschlagen wird ferner ein Kraftfahrzeug mit dem zuvor beschriebenen System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung.
  • Insbesondere kann das Kraftfahrzeug ein System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14 umfassen, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die elektrische Verbindung und/oder die mechanische Kopplung der elektrischen Maschine abhängig von einer Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs und/oder abhängig von einem Fahrverhalten eines Fahrers des Kraftfahrzeugs zu steuern. Das Fahrverhalten eines Fahrers kann z. B. einen durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch (gemessen in Liter/km) des Kraftfahrzeugs seit dem letzten Start des Kraftfahrzeugs umfassen.
  • Das Kraftfahrzeug kann ferner ein Navigationssystem umfassen. Das Navigationssystem kann dann eingerichtet sein, abhängig von einer aktuellen Fahrzeugposition und einem Fahrtziel eine Route zu bestimmen oder zu ermitteln, die die aktuelle Fahrzeugposition mit dem Fahrtziel verbindet. Die zuvor beschriebene Steuereinheit zum Steuern der elektrischen Verbindung und/oder der mechanischen Kopplung der elektrischen Maschine kann mit dem Navigationsgerät verbunden sein und eingerichtet sein, den ersten Speicherschwellwert und/oder den ersten Drehmomentschwellwert und/oder den ersten Verbraucherschwellwert und/oder den zweiten Speicherschwellwert und/oder den zweiten Drehmomentschwellwert und/oder den zweiten Verbraucherschwellwert abhängig von der zuvor ermittelten Route zu bestimmen und einzustellen. Die Route kann z. B. ein Höhenprofil und/oder ein Steigungsprofil und/oder eine den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs beeinflussende Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche entlang der ermittelten Route umfassen.
  • Ausführungsbeispiele des hier vorgeschlagenen Systems sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein erfindungsgemäßes System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 2 ein erfindungsgemäßes System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • 3 ein erfindungsgemäßes System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
    • 4 ein erfindungsgemäßes System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
    • 5 ein erfindungsgemäßes System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
    • 6 ein erfindungsgemäßes System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform; sowie
    • 7 ein erfindungsgemäßes System zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer siebten Ausführungsform.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System 100 zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. Das System 100 ist in einem Kraftfahrzeug angeordnet (nicht gezeigt) und umfasst einen Verbrennungsmotor 1, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 und eine Verdichtervorrichtung 3.
  • Der Verbrennungsmotor 1 kann z. B. einen Atkinson-Motor, einen Libralato-Motor oder einen Brayton-Motor umfassen, wie oben beschrieben. Der Verbrennungsmotor 1 kann auch einen Otto-Motor umfassen, dessen Einlassventil oder Einlassventile einen variabel einstellbaren Schließzeitpunkt bzw. variabel einstellbare Schließzeitpunkte haben. Der Verbrennungsmotor 1 umfasst ein Gehäuse 4 und wenigstens eine Kolbenanordnung (nicht gezeigt), die bewegbar in dem Gehäuse 4 angeordnet ist.
  • Die Kolbenanordnung bildet in dem Gehäuse 4 durch eine periodische Bewegung wenigstens eine Einlasskammer und wenigstens eine Expansionskammer aus. Von der Verdichtervorrichtung 3 verdichtete Ladeluft ist mittels eines Ladeluftkühlers 7 kühlbar und über eine Leitung 5 in die Einlasskammer des Verbrennungsmotors 1 einleitbar. Die Verdichtervorrichtung 3 kann z. B. ein Verdichterrad umfassen. In oder vor der Einlasskammer, oder im Falle des Brayton Motors in der Brennkammer, wird die verdichtete Ladeluft mit Kraftstoff zu einem Kraftstoff-Luft-Gemisch gemischt. Durch das Verdichten der Ladeluft mittels der Verdichtervorrichtung 3 kann die Leistung des Verbrennungsmotors 1 erhöht werden.
  • Die Kolbenanordnung ist eingerichtet, das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verdichten. Mittels einer Zündvorrichtung kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch dann in einer Brennkammer gezündet und zu Abgas verbrannt werden. Durch eine Expansion des Abgases in der Expansionskammer ist Wärme des Abgases zur Erzeugung eines Motordrehmoments in Bewegungsenergie der Kolbenanordnung umwandelbar. Die Kolbenanordnung ist über eine Ausgangswelle 6 des Verbrennungsmotors 1 z. B. mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Der Antriebsstrang kann beispielsweise einen Drehmomentwandler, ein Schaltgetriebe, ein Differentialgetriebe, Antriebsachsen und ein oder mehrere Räder umfassen.
  • Der Verbrennungsmotor 1 ist derart ausgebildet oder derart betreibbar, z. B. durch eine entsprechende Einstellung der Schließzeitpunkte der Einlassventile, dass ein während einer vollständigen Motorperiode durch die Bewegung der Kolbenanordnung im Gehäuse 4 ausgebildetes Ansaugvolumen VA des Verbrennungsmotors 1 kleiner ist als ein während derselben Motorperiode durch die Bewegung der Kolbenanordnung in dem Motorgehäuse 4 gebildetes Expansionsvolumen VE des Verbrennungsmotors 1. Insbesondere kann der Verbrennungsmotor 1 derart ausgebildet sein oder derart betreibbar sein, dass gilt: VA ≤ 0,9·VE, vorzugsweise VA ≤ 0,8·VE, besonders vorzugsweise VA ≤ 0,7·VE. Gegenüber Verbrennungsmotoren, bei denen VA und VE gleich groß sind, weist der Verbrennungsmotor 1 des Systems 100 somit einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
  • Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 umfasst ein erstes Fluid zum Aufnehmen von Abwärme des Verbrennungsmotors 1 und eine Expansionsvorrichtung 9 zum Umwandeln der von dem ersten Fluid aufgenommenen Abwärme in mechanische Energie durch Expansion des ersten Fluids. Hier umfasst die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 insbesondere einen ersten Fluidkreislauf 14, der neben der Expansionsvorrichtung 9 einen ersten Wärmeübertrager 8, einen Kondensator 10 und eine Fluidplumpe 11 aufweist. Ein von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßenes Abgas ist über eine Leitung 12 in den ersten Wärmeübertrager 8 einleitbar. Wärme des in den Wärmeübertrager 8 eingeleiteten Abgases ist über den Wärmeübertrager 8 auf das in dem ersten Fluidkreislauf 14 zirkulierende erste Fluid übertragbar. Der Wärmeübertrager 8 ist insbesondere eingerichtet, das in dem ersten Fluidkreislauf 14 zirkulierende erste Fluid zu verdampfen und/oder zu expandieren. Nach der Wärmeabgabe im ersten Wärmeübertrager 8 kann das Abgas über die Leitung 5 zusammen mit der mittels der Verdichtervorrichtung 3 verdichteten Ladeluft wieder in den Verbrennungsmotor 1 eingeleitet werden (Abgasrückführung).
  • Durch die Expansion des ersten Fluids in der Expansionsvorrichtung 9 ist die Abgaswärme in Bewegungsenergie der Expansionsvorrichtung 9 umwandelbar. Die Expansionsvorrichtung 9 kann z. B. eine Turbine, einen Scrollexpander, einen Schraubenexpander, einen Drehschieberexpander, oder einen Kolbenexpander umfassen. Der Kondensator 10 ist eingerichtet, das in der Expansionsvorrichtung 9 expandierte erste Fluid nach dem Austritt aus der Expansionsvorrichtung 9 zu kondensieren. Über die Fluidpumpe 11 ist das mittels des Kondensators 10 kondensierte erste Fluid dann wieder in den ersten Wärmeübertrager 8 einleitbar, so dass die Fluidpumpe 11 eine Zirkulation des ersten Fluids im ersten Fluidkreislauf 14 bewirkt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Kondensator 10 eingerichtet sein, eine thermische Kopplung zwischen dem im ersten Fluidkreislauf 14 zirkulierenden ersten Fluid und wenigstens einem zweiten Fluid herzustellen. Dieses wenigstens eine zweite Fluid kann z. B. ein Kühlmittel zum Kühlen des Verbrennungsmotors 1 und/oder ein Schmiermittel zum Schmieren des Verbrennungsmotors 1 umfassen. Das System 100 kann z. B. einen zweiten Fluidkreislauf aufweisen, der über den Kondensator 10 thermisch mit dem ersten Fluidkreislauf gekoppelt ist oder koppelbar ist und in dem das zweite Fluid zirkuliert oder zirkulieren kann.
  • Die Expansionsvorrichtung 9 ist zum Antreiben der Verdichtervorrichtung 3 über eine Welle 13 mit der Verdichtervorrichtung 3 gekoppelt oder koppelbar. Auf diese Weise kann die ansonsten ungenutzt verpuffende Abgaswärme zur Ladeluftverdichtung und damit zur Erhöhung der Motorleistung und zur Verbesserung des Motorwirkungsgrades genutzt werden. Vorzugsweise ist die Expansionsvorrichtung 9 über eine Kupplung 15 wahlweise mit der Verdichtervorrichtung 3 koppelbar. So kann die Expansionsvorrichtung 9 von der Verdichtervorrichtung 3 abgekoppelt werden, wenn die Leistung und/oder das Drehmoment der Expansionsvorrichtung 9 nicht hinreicht, um zum Antrieb der Verdichtervorrichtung 3 beizutragen. Dies kann z. B. unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors 1 der Fall sein, wenn die Leistung des Wärmeübertragers 8 und/oder die Temperatur des im ersten Wärmekreislauf 14 zirkulierenden ersten Fluids noch gering ist.
  • Zur weiteren Erhöhung der Effizienz des Verbrennungsmotors 1 kann das System 100 zusätzlich eine Abgasturbine 16 aufweisen, die durch die Abgase des Verbrennungsmotors 1 antreibbar ist. Z. B. kann eine Leitung 17 vorgesehen sein, über die das von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßene Abgas wenigstens teilweise auf die Abgasturbine 16 geleitet werden kann. Die Abgasturbine 16 ist vorzugsweise mit der Verdichtervorrichtung 3 gekoppelt oder koppelbar, so dass Bewegungsenergie der Abgasturbine 16 zur Ladeluftverdichtung nutzbar ist. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Systems 100 ist die Abgasturbine 16 starr mit der Verdichtervorrichtung 3 gekoppelt. Zusätzlich ist die Abgasturbine 16 bei der in 1 gezeigten Ausführungsform über die Kupplung 15 wahlweise mit der Expansionsvorrichtung 9 des ersten Fluidkreislaufs 14 koppelbar. Das zum Antreiben der Abgasturbine 16 auf die Abgasturbine 16 geleitete Abgas kann über eine Leitung 21, einen Katalysator 22 und einen Auspuff 23 an die Umgebung abgegeben werden.
  • Das System 100 kann ferner eine elektrische Maschine 18 zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie aufweisen. Die elektrische Maschine 18 kann einen Generator umfassen oder als Generator betreibbar sein. Die elektrische Maschine 18 kann elektrisch mit einer Speichervorrichtung 19 zum Speichern elektrischer Energie und mit einem elektrischen Verbraucher 20 verbunden oder verbindbar sein. Die Speichervorrichtung 19 kann beispielsweise einen Akkumulator aufweisen. Der elektrische Verbraucher 20 kann z. B. Scheinwerfer und/oder eine Klimaanlage und/oder die Bordelektronik des Kraftfahrzeugs umfassen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel des Systems 100 gemäß 1 ist die elektrische Maschine 18 über die Welle 13 starr mit der Verdichtervorrichtung 3 und mit der Abgasturbine 16 gekoppelt. Ferner ist die elektrische Maschine 18 über die Kupplung 15 wahlweise mit der Expansionsvorrichtung 9 koppelbar. Es ist auch denkbar, dass entlang der Welle 13 zwischen der Abgasturbine 16 und der elektrischen Maschine 18 eine weitere Kupplung vorgesehen ist, so dass die elektrische Maschine 18 bei Bedarf auch von der Abgasturbine 16 und von der Verdichtervorrichtung 3 abgekoppelt werden kann. Die elektrische Maschine 18 ist also zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie durch die Abgasturbine 16 und/oder durch die Expansionsvorrichtung 9 antreibbar. Die solcherart durch die Abgasturbine 16 und/oder die Expansionsvorrichtung 9 erzeugte elektrische Energie kann zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers 19 dienen und/oder in der Speichervorrichtung 20 gespeichert werden.
  • Außerdem ist es denkbar, dass die elektrische Maschine 18 zusätzlich zum Umwandeln elektrischer Energie in mechanische Energie ausgebildet ist. D. h., die elektrische Maschine 18 kann ggf. zusätzlich als Elektromotor betrieben werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 18 als Vierquadrantenmaschine ausgebildet sein, die in beiden Drehrichtungen als elektrischer Generator oder als Elektromotor betreibbar ist. Wird die elektrische Maschine 18 als Elektromotor betrieben, so kann in der Speichervorrichtung 20 gespeicherte elektrische Energie genutzt werden, um mittels der elektrischen Maschine 18 die Verdichtervorrichtung 3 und/oder die Expansionsvorrichtung 9 anzutreiben.
  • Bei alternativen Ausführungsformen des Systems 100 kann die Expansionsvorrichtung 9 und/oder die Abgasturbine 16 und/oder die elektrische Maschine 18 zusätzlich mechanisch mit der Ausgangswelle 6 des Verbrennungsmotors 1 gekoppelt sein oder koppelbar sein, z. B. über ein Getriebe.
  • Die elektrische Maschine 18 ist auf vielfältige Art für das Energiemanagement des Systems 100 einsetzbar. Z. B. kann das System 100 zusätzlich eine Steuereinheit aufweisen (nicht gezeigt), die eingerichtet ist, die elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 18 und dem elektrischen Verbraucher 19 und/oder der Speichervorrichtung 20 und/oder die mechanische Kopplung zwischen der elektrischen Maschine 18 und der Expansionsvorrichtung 9 und/oder der Abgasturbine 16 abhängig von einem Ladezustand der Speichervorrichtung 20 und/oder abhängig von einer Leistung des elektrischen Verbrauchers 19 und/oder abhängig von einem Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 zu steuern. Zusätzlich kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die elektrische Maschine 18 stromlos zu schalten, d. h. im Leerlauf zu betreiben, so dass die elektrische Maschine 18 weder mechanische Energie noch elektrische Energie aufnimmt.
  • Ist beispielsweise das Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 größer als ein erster Drehmomentschwellwert, so kann es wünschenswert sein, die Verdichtervorrichtung 3 zur Erhöhung des Motordrehmoments durch die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine 18 zu unterstützen. Dazu kann die Steuereinheit die elektrische Maschine 18 in einen Elektromotormodus schalten, elektrisch mit der Speichervorrichtung 20 verbinden und mechanisch mit der Verdichtervorrichtung 3 koppeln.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, diese Unterstützung der Verdichtervorrichtung 3 durch die elektrische Maschine 18 zusätzlich abhängig davon durchzuführen, ob der Ladezustand der Speichervorrichtung 20 hinreicht, um den elektrischen Verbraucher 19 und/oder die elektrische Maschine 18 mit elektrischer Energie zu versorgen. Z. B. kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die elektrische Maschine 18 nur dann zur Unterstützung der Verdichtervorrichtung 3 elektrisch mit der Speichervorrichtung 20 zu verbinden und mechanisch mit der Verdichtervorrichtung 3 zu koppeln, wenn ein Ladezustand der Speichervorrichtung 20 größer ist als ein erster Speicherschwellwert (beide gemessen in Amperestunden) und/oder wenn eine Leistung des elektrischen Verbrauchers 19 kleiner ist als ein erster Verbraucherschwellwert (beide gemessen in Watt).
  • Ist dagegen das Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 kleiner als ein zweiter Drehmomentschwellwert, der typischerweise kleiner ist als der oben beschriebene erste Drehmomentschwellwert, so kann es wünschenswert sein, die elektrische Maschine 18 als elektrischen Generator zu betreiben und durch die Expansionsvorrichtung 9 und/oder durch die Abgasturbine 16 anzutreiben. Auf diese Weise kann die überschüssige Leistung der Expansionsvorrichtung 9 und/oder der Abgasturbine 16, die nicht zur Unterstützung der Verdichtervorrichtung 3 benötigt wird, zur Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers 19 und/oder zum Aufladen der Speichervorrichtung 20 genutzt werden. Dazu kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die elektrische Maschine 18 in einen Generatormodus zu schalten, elektrisch mit dem elektrischen Verbraucher 19 und/oder mit der Speichervorrichtung 20 zu verbinden und mechanisch mit der Expansionsvorrichtung 9 und/oder mit der Abgasturbine 16 zu koppeln.
  • Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, die Versorgung des elektrischen Verbrauchers 19 und/oder das Aufladen der Speichervorrichtung 20 durch die als Generator betriebene und von der Expansionsvorrichtung 9 und/oder von der Abgasturbine 16 angetriebene elektrische Maschine 18 zusätzlich abhängig von der Leistung des elektrischen Verbrauchers 19 und/oder abhängig vom Ladezustand der Speichervorrichtung 20 durchzuführen. Z. B. kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den elektrischen Verbraucher 19 und/oder die Speichervorrichtung 20 nur dann mit der als elektrischer Generator betriebenen elektrischen Maschine 18 zu verbinden, wenn die Leistung des elektrischen Verbrauchers 19 größer ist als ein zweiter Verbraucherschwellwert (beide gemessen in Watt) und/oder wenn der Ladezustand der Speichervorrichtung 20 kleiner ist als ein zweiter Speicherschwellwert (beide gemessen in Amperestunden).
  • Die Steuereinheit kann auch eingerichtet sein, die elektrische Verbindung und/oder die mechanische Kopplung der elektrischen Maschine 18 abhängig von einer Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs und/oder abhängig von einem Fahrverhalten des Fahrers zu steuern. Z. B. kann die Steuereinheit eingerichtet sein, einen oder mehrere der oben genannten Schwellwerte (erster und/oder zweiter Speicherschwellwert, erster und/oder zweiter Verbraucherschwellwert, erster und/oder zweiter Drehmomentschwellwert) abhängig von der Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs und/oder abhängig vom Fahrverhalten des Fahrers zu erhöhen oder zu verringern.
  • Das Kraftfahrzeug mit dem System 100 gemäß 1 kann ferner ein Navigationsgerät aufweisen. Das Navigationsgerät kann eingerichtet sein, abhängig von einer aktuellen Fahrzeugposition und einem Fahrtziel eine Route zu bestimmen, die die aktuelle Fahrzeugposition mit dem Fahrtziel verbindet. Das Navigationsgerät kann mit der zuvor beschriebenen Steuereinheit verbunden sein oder verbindbar sein. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, den ersten Speicherschwellwert und/oder den ersten Drehmomentschwellwert und/oder den ersten Verbraucherschwellwert und/oder den zweiten Speicherschwellwert und/oder den zweiten Drehmomentschwellwert und/oder den zweiten Verbraucherschwellwert abhängig von der Route zu bestimmen und/oder einzustellen. Die Route kann z. B. ein Höhenprofil und/oder ein Steigungsprofil und/oder Informationen über eine den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs (gemessen z. B. in Liter pro Kilometer) beeinflussende Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche entlang der Route enthalten.
  • Geht aus der ermittelten Route z. B. hervor, dass das Fahrzeug Streckenabschnitte mit langen und/oder großen Steigungen zu bewältigen hat, kann eine in der Speichervorrichtung 20 vorzuhaltende Mindestenergiemenge durch Änderung des ersten und/oder des zweiten Speicherschwellwerts erhöht werden, damit die Verdichtervorrichtung 3 zur Erhöhung der Motorleistung und/oder des Motordrehmoments in hinreichendem Maße durch die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine 18 unterstützt werden kann.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes System 200 zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Hier und im Folgenden sind dabei wiederkehrende Merkmale mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Im Weiteren werden nur die Unterschiede zwischen dem System 200 gemäß 2 und dem System 100 gemäß Fig. 1 näher erläutert.
  • Wie das System 100 gemäß 1 ist das System 200 gemäß 2 in einem Kraftfahrzeug angeordnet (nicht gezeigt) und umfasst u. a. einen Verbrennungsmotor 1 der zuvor beschriebenen Art, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 mit einer Expansionsvorrichtung 9 sowie eine Verdichtervorrichtung 3, die über eine Kupplung 15 mit der Expansionsvorrichtung 9 koppelbar ist.
  • Das System 200 gemäß 2 unterscheidet sich von dem System 100 gemäß 1 dadurch, dass der erste Fluidkreislauf 14 neben dem ersten Wärmeübertrager 8 zusätzlich einen zweiten Wärmeübertrager 24 aufweist. Der erste Wärmeübertrager 8 und der zweite Wärmeübertrager 24 sind in strömungstechnisch parallel zueinander geschalteten oder parallel zueinander schaltbaren Zweigen 25a, 25b des ersten Fluidkreislaufs 14 angeordnet. Über Ventile 26a, 26b kann das Fluid des ersten Fluidkreislaufs 14 zum Aufnehmen von Wärme wahlweise nur über den ersten Wärmeübertrager 8, nur über den zweiten Wärmeübertrager 24 oder über beide Wärmeübertrager 8, 24 geleitet werden, bevor es in die Expansionsvorrichtung 9 eingeleitet wird.
  • Das System 200 kann eine Kaltstart-Kontrolleinheit zur Kontrolle der Ventile 26a, 26b aufweisen (nicht gezeigt). Die Kaltstart-Kontrolleinheit kann eingerichtet sein, die Ventile 26a, 26b abhängig von einem gemessenen Temperaturwert zu öffnen oder zu schließen. Der gemessene Temperaturwert kann z. B. die Temperatur des Abgases des Verbrennungsmotors 1 und/oder die Temperatur des Motorgehäuses 4 und/oder die Temperatur des Fluids des Fluidkreislaufs 14 umfassen.
  • Der zweite Wärmeübertrager 24 stellt eine thermische Kopplung zwischen dem zweiten Zweig 25b des ersten Fluidkreislaufs 14 und den aus der Abgasturbine 16 austretenden Abgasen des Verbrennungsmotors 1 her, bevor diese über den Auspuff 23 an die Umgebung abgegeben werden. Durch den zweiten Wärmeübertrager 24 ist die Effizienz des Systems 200 gegenüber dem System 100 weiter verbessert, da auch noch die Abwärme der aus der Abgasturbine 16 austretenden Abgase zum Antreiben der Expansionsvorrichtung 9 nutzbar ist.
  • 3 zeigt ein erfindungsgemäßes System 300 zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer dritten Ausführungsform. Im Weiteren werden nur die Unterschiede zwischen dem System 300 gemäß 3 und dem System 200 gemäß Fig. 2 näher erläutert.
  • Wie das System 200 gemäß 2 ist das System 300 gemäß 3 in einem Kraftfahrzeug angeordnet (nicht gezeigt) und umfasst u. a. einen Verbrennungsmotor 1 der zuvor beschriebenen Art, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 mit einer Expansionsvorrichtung 9 sowie eine Verdichtervorrichtung 3, die über eine Kupplung 15 mit der Expansionsvorrichtung 9 koppelbar ist.
  • Das System 300 gemäß 3 unterscheidet sich von dem System 200 gemäß 2 dadurch, dass der erste Wärmeübertrager 8 und der zweite Wärmeübertrager 24 nicht in parallelen Zweigen des ersten Fluidkreislaufs 14 angeordnet sind, sondern dass sie fluidtechnisch in Reihe geschaltet sind. In dem ersten Fluidkreislauf 14 zirkulierendes Fluid wird somit nach der Kondensation im Kondensator 10 zum Aufnehmen von Wärme stets nacheinander über beide Wärmeübertrager 8, 24 geleitet, bevor es zum Antreiben der Expansionsvorrichtung 9 in die Expansionsvorrichtung 9 eingeleitet wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der erste Wärmeübertrager 8 eingerichtet sein, eine thermische Kopplung zwischen dem im ersten Fluidkreislauf 14 zirkulierenden ersten Fluid und wenigstens einem zweiten Fluid herzustellen. Dieses wenigstens eine zweite Fluid kann z. B. ein Kühlmittel zum Kühlen des Verbrennungsmotors 1 und/oder ein Schmiermittel zum Schmieren des Verbrennungsmotors 1 umfassen. Das System 300 kann z. B. einen zweiten Fluidkreislauf aufweisen, der über den ersten Wärmeübertrager 8 thermisch mit dem ersten Fluidkreislauf gekoppelt ist oder koppelbar ist und in dem das zweite Fluid zirkuliert oder zirkulieren kann.
  • 4 zeigt ein erfindungsgemäßes System 400 zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. Im Weiteren werden nur die Unterschiede zwischen dem System 400 gemäß 4 und dem System 200 gemäß Fig. 2 näher erläutert.
  • Wie das System 200 gemäß 2 ist das System 400 gemäß 4 in einem Kraftfahrzeug angeordnet (nicht gezeigt) und umfasst u. a. einen Verbrennungsmotor 1 der zuvor beschriebenen Art, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 mit einer Expansionsvorrichtung 9 sowie eine Verdichtervorrichtung 3, die über eine Kupplung 15 mit der Expansionsvorrichtung 9 koppelbar ist.
  • Das System 400 gemäß 4 unterscheidet sich von dem System 200 gemäß 2 dadurch, dass der erste Fluidkreislauf 14 des Systems 400 nur den Wärmeübertrager 24 aufweist, der den ersten Fluidkreislauf thermisch mit den aus der Abgasturbine 16 austretenden Abgasen des Verbrennungsmotors 1 koppelt, bevor diese über den Auspuff 23 an die Umgebung abgegeben werden.
  • 5 zeigt ein erfindungsgemäßes System 500 zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer fünften Ausführungsform. Im Weiteren werden nur die Unterschiede zwischen dem System 500 gemäß 5 und dem System 400 gemäß Fig. 4 näher erläutert.
  • Wie das System 400 gemäß 4 ist das System 500 gemäß 5 in einem Kraftfahrzeug angeordnet (nicht gezeigt) und umfasst u. a. einen Verbrennungsmotor 1 der zuvor beschriebenen Art, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 mit einer Expansionsvorrichtung 9 sowie eine Verdichtervorrichtung 3, die über eine Kupplung 15 mit der Expansionsvorrichtung 9 koppelbar ist.
  • Das System 500 gemäß 5 unterscheidet sich von dem System 400 gemäß 4 dadurch, dass der Fluidkreislauf 14 des Systems 500 zusätzlich zu dem Wärmeübertrager 24 einen weiteren Wärmeübertrager 27 aufweist. Die beiden Wärmeübertrager 24, 27 sind in fluidtechnisch parallel geschalteten oder parallel schaltbaren Zweigen 25b, 25c des Fluidkreislaufs 14 angeordnet. Über ein Ventil 28 kann das in dem Fluidkreislauf 14 zirkulierende Fluid nach der Aufnahme von Wärme im Wärmeübertrager 24 wahlweise nicht nur in die Expansionsvorrichtung 9, sondern alternativ oder zusätzlich dazu auch in den weiteren Wärmeübertrager 27 eingeleitet werden. Der weitere Wärmeübertrager 27 kann z. B. zum Temperieren eines Luftstroms 29 dienen, der in einen Fahrzeuginnenraum einleitbar ist oder der in dem Fahrzeuginnenraum zirkulierbar ist.
  • Wie das System 200 gemäß 2 so kann auch das System 500 gemäß 5 eine Kaltstart-Kontrolleinheit (nicht gezeigt) zur Kontrolle des Ventils 28 aufweisen. Wie im Zusammenhang mit dem System 200 beschrieben kann diese Kaltstart-Kontrolleinheit des Systems 500 eingerichtet sein, das Ventil 28 abhängig von einem gemessenen Temperaturwert zu öffnen oder zu schließen.
  • 6 zeigt ein erfindungsgemäßes System 600 zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform. Im Weiteren werden nur die Unterschiede zwischen dem System 600 gemäß 6 und dem System 100 gemäß Fig. 1 näher erläutert.
  • Wie das System 100 gemäß 1 ist das System 600 gemäß 6 in einem Kraftfahrzeug angeordnet (nicht gezeigt) und umfasst u. a. einen Verbrennungsmotor 1 der zuvor beschriebenen Art, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 mit einer Expansionsvorrichtung 9 sowie eine Verdichtervorrichtung 3, die über eine Kupplung 15 mit der Expansionsvorrichtung 9 koppelbar ist.
  • Das System 600 gemäß 6 unterscheidet sich von dem System 100 gemäß 1 dadurch, dass die Expansionsvorrichtung 9 der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 einen Stirlingmotor aufweist. Der Stirlingmotor umfasst einen Zylinder 56 in dem ein Kolben 57 periodisch bewegbar angeordnet ist. Beiderseits des Kolbens 57 sind innerhalb des Zylinders 56 Kammern 58, 59 an einem heißen Ende 52 und an einem kalten Ende 53 des Zylinders 56 angeordnet, deren Volumen infolge der periodischen Bewegung des Kolbens 57 periodisch variiert. Die Kammern 58, 59 innerhalb des Zylinders 56 sind mit einem Fluid gefüllt, das über einen Speicher 54 zwischen den Kammern 58, 59 verschiebbar ist. Im Betrieb gibt ein in den Wärmeübertrager 8 eingeleitetes Abgas des Verbrennungsmotors 1 seine Wärme am heißen Ende 52 des Zylinders 56 wenigstens teilweise an das Fluid in der ersten Kammer 58 ab und bewirkt eine Expansion des Fluids in der ersten Kammer 58. Zusammen mit dem Abkühlen des Fluids in der zweiten Kammer 59 am kalten Ende 53 des Zylinders 56 und der Kopplung des Kolbens 57 an die träge Welle 13 treibt die Expansion des Fluids in der ersten Kammer 58 den Kolben 57 und die Welle 13 zu einer periodischen Bewegung an.
  • 7 zeigt ein erfindungsgemäßes System 700 zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung gemäß einer siebten Ausführungsform. Im Weiteren werden nur die Unterschiede zwischen dem System 700 gemäß 7 und dem System 600 gemäß Fig. 6 näher erläutert.
  • Wie das System 600 gemäß 6 ist das System 700 gemäß 7 in einem Kraftfahrzeug angeordnet (nicht gezeigt) und umfasst u. a. einen Verbrennungsmotor 1 der zuvor beschriebenen Art, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 2 mit einer Expansionsvorrichtung 9 in Gestalt eines Stirlingmotors sowie eine Verdichtervorrichtung 3, die über eine Kupplung 15 mit der Expansionsvorrichtung 9 koppelbar ist.
  • Das System 700 gemäß 7 unterscheidet sich von dem System 600 gemäß 6 dadurch, dass von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenes Abgas zunächst über die Leitung 17 zum Antreiben der Abgasturbine 16 auf die Abgasturbine 16 leitbar ist. Ein Ausgang der Abgasturbine 16 ist über die Leitung 21 und den Katalysator 22 mit dem Wärmeübertrager 8 verbunden, so dass aus der Abgasturbine 16 austretendes Abgas in den Wärmeübertrager 8 einleitbar und von dort über den Auspuff 23 an die Umgebung abführbar ist. Im Gegensatz zum System 600 gemäß 6 ist beim System 700 gemäß 7 die Abwärme des auf die Abgasturbine 16 geleiteten Abgases über den Stirlingmotor der Expansionsvorrichtung 9 zusätzlich in mechanische Energie umwandelbar und ist z. B. zum Antreiben der elektrischen Maschine 18 nutzbar.

Claims (18)

  1. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend: einen Verbrennungsmotor (1) mit wenigstens einem ein- oder mehrteiligen Motorgehäuse (4) und mit wenigstens einer periodisch bewegbaren Kolbenanordnung, wobei der Verbrennungsmotor (1) derart ausgebildet ist und/oder derart betreibbar ist, dass für ein infolge einer periodischen Bewegung der wenigstens einen Kolbenanordnung während einer vollständigen Motorperiode in dem Motorgehäuse (4) gebildetes Ansaugvolumen VA und für ein infolge der periodischen Bewegung der wenigstens einen Kolbenanordnung während derselben Motorperiode in dem Motorgehäuse (4) gebildetes Expansionsvolumen VE gilt: VA < VE; eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2) mit einem ersten Fluid zum Aufnehmen von Abwärme des Verbrennungsmotors (1) und mit einer Expansionsvorrichtung (9) zum Umwandeln der über das erste Fluid aufgenommenen Abwärme des Verbrennungsmotors (1) in mechanische Energie durch Expansion des ersten Fluids; und eine Verdichtervorrichtung (3) zum Verdichten von Ladeluft, die in den Verbrennungsmotor (1) einleitbar ist; wobei die Expansionsvorrichtung (9) zum Antreiben der Verdichtervorrichtung (3) mit der Verdichtervorrichtung (3) gekoppelt ist oder koppelbar ist.
  2. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach Anspruch 1, wobei gilt: VA ≤ 0,9·VE, vorzugsweise VA ≤ 0,8·VE, besonders vorzugsweise VA ≤ 0,7·VE.
  3. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (1) wenigstens ein Einlassventil mit variabel steuerbarem Schließzeitpunkt aufweist.
  4. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (1) als Atkinson-Motor, als Libralato-Motor oder als Brayton-Motor ausgebildet ist.
  5. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2) einen Wärmeübertrager (8) zum Übertragen von Abwärme des Verbrennungsmotors (1) auf das erste Fluid aufweist, wobei die Expansionsvorrichtung (9) und der Wärmeübertrager (8) vorzugsweise in einem ersten Fluidkreislauf (14) mit einem Kondensator (10) und/oder mit einer Fluidpumpe (11) zum Zirkulieren des Fluids angeordnet sind.
  6. System (100; 200; 300; 400; 500) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach Anspruch 5, wobei der erste Fluidkreislauf (14) der Wärmerückgewinnungsvorrichtung (2) thermisch mit wenigstens einem zweiten Fluidkreislauf gekoppelt ist oder koppelbar ist, wobei der zweite Fluidkreislauf vorzugsweise einen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen des Verbrennungsmotors (1), einen Schmiermittelkreislauf zum Schmieren des Verbrennungsmotors (1) oder einen offenen Luftkreislauf einer Klimaanlage umfasst.
  7. System (100; 200; 300; 400; 500) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach Anspruch 6 mit einer Kaltstart-Kontrolleinheit, die eingerichtet ist, die thermische Kopplung zwischen dem ersten Fluidkreislauf (14) und dem wenigstens einen zweiten Fluidkreislauf abhängig von einem gemessenen Temperaturwert herzustellen, wobei der gemessene Temperaturwert die Temperatur eines Abgases des Verbrennungsmotors (1) und/oder die Temperatur des Motorgehäuses (4) und/oder die Temperatur des Fluids des ersten Fluidkreislaufs (14) und/oder die Temperatur des Fluids des wenigstens einen zweiten Fluidkreislaufs umfasst.
  8. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer durch Abgase des Verbrennungsmotors (1) antreibbaren Abgasturbine (16), die mit der Verdichtervorrichtung (3) gekoppelt ist oder koppelbar ist.
  9. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach Anspruch 8, wobei die Expansionsvorrichtung (9), die Abgasturbine (16) und die Verdichtervorrichtung (3) starr miteinander gekoppelt sind oder starr miteinander koppelbar sind.
  10. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer elektrischen Maschine (18) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, wobei die elektrische Maschine (18) elektrisch mit einer Speichervorrichtung (20) zum Speichern elektrischer Energie und/oder mit einem elektrischen Verbraucher (19) verbunden ist oder verbindbar ist und wobei die elektrische Maschine (18) mechanisch mit der Expansionsvorrichtung (9) und/oder mit der Verdichtervorrichtung (3) und/oder mit der Abgasturbine (16) gekoppelt ist oder koppelbar ist.
  11. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach Anspruch 10, wobei die elektrische Maschine (18) zum Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie eingerichtet ist.
  12. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der Ansprüche 10 und 11 mit einer Steuereinheit, die eingerichtet ist, die elektrische Verbindung und/oder die mechanische Kopplung der elektrischen Maschine (18) abhängig von einem Ladezustand der Speichervorrichtung (20) und/oder abhängig von einer Leistung des elektrischen Verbrauchers (19) und/oder abhängig von einem Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) zu steuern.
  13. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die elektrische Maschine (18) zum Übertragen von mechanischer Energie an die Verdichtervorrichtung (3) elektrisch mit der Speichervorrichtung (20) zu verbinden und mechanisch mit der Verdichtervorrichtung (3) zu koppeln, wenn der Ladezustand der Speichervorrichtung (20) größer ist als ein erster Speicherschwellwert und/oder wenn die Leistung des elektrischen Verbrauchers (19) kleiner ist als ein erster Verbraucherschwellwert und/oder wenn das Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) größer ist als ein erster Drehmomentschwellwert.
  14. System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die elektrische Maschine (18) zum Übertragen von elektrischer Energie an die Speichervorrichtung (20) und/oder an den elektrischen Verbraucher (19) elektrisch mit der Speichervorrichtung (20) und/oder mit dem elektrischen Verbraucher (19) zu verbinden und mechanisch mit der Expansionsvorrichtung (9) und/oder mit der Abgasturbine (16) zu koppeln, wenn der Ladezustand der Speichervorrichtung (20) kleiner ist als ein zweiter Speicherschwellwert und/oder wenn die Leistung des elektrischen Verbrauchers (19) größer ist als ein zweiter Verbraucherschwellwert und/oder wenn das Soll-Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) kleiner ist als ein zweiter Drehmomentschwellwert.
  15. Kraftfahrzeug mit einem System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  16. Kraftfahrzeug nach Anspruch 16 mit einem System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die elektrische Verbindung und/oder die mechanische Kopplung der elektrischen Maschine (18) abhängig von einer Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs und/oder abhängig von einem Fahrverhalten des Fahrers zu steuern.
  17. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 16 und 17 mit einem System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700) zur Wärmerückgewinnung und Ladeluftverdichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und mit einem Navigationssystem, das eingerichtet ist, abhängig von einer aktuellen Fahrzeugposition und einem Fahrtziel eine Route zu bestimmen, die die aktuelle Fahrzeugposition mit dem Fahrtziel verbindet, wobei die Steuereinheit mit dem Navigationsgerät verbunden ist und eingerichtet ist, den ersten Speicherschwellwert und/oder den ersten Drehmomentschwellwert und/oder den ersten Verbraucherschwellwert und/oder den zweiten Speicherschwellwert und/oder den zweiten Drehmomentschwellwert und/oder den zweiten Verbraucherschwellwert abhängig von der Route zu bestimmen und/oder einzustellen.
  18. Kraftfahrzeug nach Anspruch 18, wobei die Route ein Höhenprofil und/oder ein Steigungsprofil und/oder eine den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs beeinflussende Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche entlang der bestimmten Route umfasst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110094260A (zh) * 2019-05-13 2019-08-06 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种适用于混合动力车辆的余热利用系统及其控制方法
DE102019205414A1 (de) * 2019-04-15 2020-10-15 Volkswagen Aktiengesellschaft Kühlkreislaufanordnung einer Verbrennungskraftmaschine
WO2021083603A1 (de) * 2019-10-29 2021-05-06 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Anlage mit elektrischem speicher zum schnelleren anfahren einer dampfturbine und verfahren

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