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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund
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DE 60 2004 000 194 T2 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei als eine weitere Komponente ein zweiter Turbolader vorgesehen ist. Der zweite Turbolader umfasst auf einer Welle eine mit Frischluft beschickbare Turbine, einen Verdichter und einen elektrischen Antrieb. Sowohl die Turbine als auch der separate Verdichter werden dabei jederzeit in derselben Strömungsrichtung durchströmt.
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DE 20 2017 107 685 U1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei als eine weitere Komponente ein Expandierer vorgesehen ist. Der Expandierer wird genutzt, um zuvor im Abgasturbolader überhöht aufgeladene Frischluft zu expandieren und dadurch zu kühlen. Der Expandierer kann dabei mit einem elektrischen Generator gekoppelt sein.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs anzugeben, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad mit einfachen Mitteln verbessert wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes System erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Verdrängermaschine nach dem Wankelprinzip ausgebildet ist, lässt sich ein besonders günstiges Bauprinzip für eine elektrische Energiegewinnung aus dem Betriebsgas nutzen. Verdrängermaschinen nach dem Wankelprinzip arbeiten zudem allgemein schwingungsarm und in mit einem Generator gut kombinierbaren Drehzahlbereichen.
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Dadurch, dass zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs durch die Verdrängermaschine geführt wird, und die Verdrängermaschine einen elektrischen Generator umfasst, kann thermodynamisch eine Gewinnung von elektrischer Energie erfolgen, die sonst überwiegend für das System verloren wäre.
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Unter dem Betriebsgas wird im Sinne der Erfindung jedes Gas oder Gasgemisch verstanden, das dem Antrieb zur Umwandlung von Energie zugeführt wird. Je nach Anordnung des Systems kann das Betriebsgas reine Luft, ein Luft-Abgas-Gemisch oder ein sonstiges Gemisch der angesaugten Luft mit weiteren Bestandteilen sein. Allgemein bevorzugt kann das Betriebsgas mit der angesaugten Luft identisch sein. Der Betriebsdruck ist dabei der Druck, mit dem das Betriebsgas dem Antrieb unmittelbar zugeführt wird.
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Eine Verdrängermaschine ist im Sinne der Erfindung jede Maschine, die durch Energiewandlung von dem Betriebsgas Energie entnimmt, insbesondere nach Art einer Expansionsmaschine, und/oder dem Betriebsgas Energie zuführt, insbesondere nach Art eines Verdichters. Der Begriff der Verdrängermaschine umfasst dabei die Ausdehnung oder Kompression des Betriebsgases über einen relativ weiten Druckbereich in einem Arbeitsraum. Der Begriff einer Verdrängermaschine wird im vorliegenden Sinn in Abgrenzung zu dem Begriff einer Strömungsmaschine, wie zum Beispiel einer Turbine, verstanden.
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Strömt dabei das Betriebsgas in einer Expansionsrichtung, so wird im Regelfall Energie aus dem Betriebsgas in mechanische Energie gewandelt, welche in weitere, den Gesamtwirkungsgrad erhöhende, nutzbare Energieformen gewandelt werden kann. Die Verdrängermaschine wird bevorzugt als Expander für das Betriebsgas verwendet, wobei mittels des Generators elektrische Energie gewonnen bzw. rekuperiert wird. Das Betriebsgas wird dabei gemäß einem über der Verdrängermaschine anliegenden Druckgefälle expandiert. Regelmäßig tritt bei der Expansion des Betriebsgases eine Kühlung bzw. Temperaturreduzierung des Betriebsgases auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden freie Betriebsparameter so gewählt, dass die Gewinnung elektrischer Energie optimiert wird und Vorrang vor einer eventuellen Kühlung des Betriebsgases durch die Verdrängermaschine hat.
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Bei dem Antrieb kann es sich allgemein um einen alleinigen oder auch ergänzenden Antrieb des Kraftfahrzeugs handeln. Beispiele sind Verbrennungsmotoren für einen Direktantrieb, einen Hybridantrieb mit zusätzlichem Elektromotor oder als Range-Extender für einen Elektromotor als Antrieb. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Ottomotor. Grundsätzlich werden auch Brennstoffzellen als Antriebe im Sinne der Erfindung verstanden.
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Bei einer allgemein bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Betriebsdruck in zumindest einem regulären Betriebszustand, bevorzugt einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck. Dies bedeutet zum Beispiel für den Fall eines Verbrennungsmotors, dass der Verbrennungsmotor in dem Betriebszustand als Saugmotor betrieben wird. Unter einem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung wird dabei verstanden, dass der Antrieb sich regelmäßig und in einem nennenswerten zeitlichen Betriebsanteil, bevorzugt einem durchschnittlichen zeitlichen Betriebsanteil von mehr als 1%, in dem Betriebszustand befindet.
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Es versteht sich, dass eine Gewinnung von elektrischer Energie durch die Verdrängermaschine je nach Anforderungen zusätzlich zu dem regulären Betriebszustand auch in anderen Betriebszuständen erfolgen kann, Insbesondere kann in den anderen Betriebszuständen ein Betriebsdruck höher als der Atmosphärendruck sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein ansteuerbares Ventilglied vorgesehen, wobei die Zuführung des Betriebsgases zu der Verdrängermaschine durch das Ventilglied regelbar ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist dabei das Ventilglied als Drosselklappe ausgebildet, wobei die Drosselklappe in einem die Verdrängermaschine umgehenden Bypasskanal angeordnet ist. Dies erlaubt insbesondere die Verwendung üblicher und vorhandener Baugruppen wie zum Beispiel ansteuerbar verstellbare Drosselklappen.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist zudem ein weiteres Ventilglied, bevorzugt in Form einer Drosselklappe, seriell zu der Verdrängermaschine angeordnet. Besonders bevorzugt ist das weitere Ventilglied dabei stromaufwärts der Verdrängermaschine angeordnet. Hierdurch kann der Betriebsgasstrom durch die Verdrängermaschine reguliert werden. In bevorzugter Detailgestaltung ist es dabei vorgesehen, dass das Ventilglied und das weitere Ventilglied durch einen gemeinsamen Aktuator ansteuerbar sind.
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Allgemein vorteilhaft kann eine Verdrängermaschine im Wesentlichen aus Leichtmetall wie etwa einer Aluminiumlegierung oder sonstigen bedingt temperaturfesten Materialien bestehen, da das Betriebsgas keine hohen Temperaturen aufweist. Dies gilt sowohl für ein Gehäuse als auch für einen Kreiskolben der Verdrängermaschine. Hierdurch können Kosten und Gewicht eingespart werden.
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Bei einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass in einer ersten Betriebsart durch den Generator elektrische Energie erzeugt wird, wobei die Verdrängermaschine als ein Wankelexpander wirkt. Besonders bevorzugt wird dabei in einer zweiten Betriebsart der Generator als elektrischer Motor betrieben, und die Verdrängermaschine wirkt in der zweiten Betriebsart als ein Wankelverdichter für das Betriebsgas. Dies erlaubt die Verwendung derselben Arbeitsmaschine als Expander oder als Verdichter je nach momentaner Anforderung durch den Antrieb. Allgemein vorteilhaft ist der Generator in der zweiten Betriebsart mittels einer Steuerelektronik als elektrischer Motor der Verdrängermaschine geschaltet. Dies erlaubt die Verwendung derselben bewegten Massen als Generator und als Motor. Bei alternativen Ausführungsformen können aber auch ein getrennter Motor und Generator, bevorzugt auf derselben Welle, vorgesehen sein.
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Allgemein bevorzugt umfasst die Verdrängermaschine zumindest einen, besonders bevorzugt genau einen in einem Arbeitsraum drehenden Kreiskolben. Dies erlaubt eine einfache und effektive Realisierung einer Verdrängermaschine nach dem Wankelprinzip. Je nach Anforderungen können aber auch mehrere, insbesondere zwei, Kreiskolben in jeweiligen Arbeitsräumen und auf derselben Welle vorgesehen sein. Bevorzugt erfolgt die Durchströmung der mehreren Arbeitsräume parallel zueinander. Bei speziellen Anforderungen ist aber auch eine serielle Durchströmung möglich.
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Gemäß dem Wankelprinzip trennt der Kreiskolben in seinem Arbeitsraum mehrere Kammern ab. Zum Betrieb als Wankelexpander und/oder Wankelverdichter werden dabei bevorzugt wenigstens zwei verschiedene Kammern genutzt.
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Allgemein vorteilhaft sind der Kreiskolben und der Generator auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, was die Bauweise vereinfacht und Kosten geringhält. Bei alternativen Ausführungsformen kann aber auch eine Verbindung von Generator und Verdrängermaschine über ein Getriebe erfolgen, so dass die Komponenten entsprechend auf verschiedenen Wellen angeordnet sind.
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Zur Vereinfachung des Gesamtsystems und im Interesse einer realisierbaren Baugröße und Einbauposition ist es allgemein vorteilhaft vorgesehen, dass der Generator keine weitere mechanische Antriebsquelle, bevorzugt keine von einem Abgas eines Verbrennungsprozesses angetriebene Antriebsquelle, umfasst.
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Bei einer allgemein vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt stromaufwärts der Verdrängermaschine ein Verdichter, bevorzugt ein Turbolader, zur Verdichtung des angesaugten Betriebsgases vorgesehen. In bevorzugter Weiterbildung kann es sich dabei um einen Abgasturbolader handeln. Der Abgasturbolader ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems, indem er im Abgas enthaltene Energie zur Steigerung des Systemwirkungsgrades des Motors nutzt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antrieb als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Insbesondere Verbrennungsmotoren weisen in vielen Betriebszuständen, zum Beispiel im Teillastbetrieb, einen Druckabfall auf, der zur strömungsmechanischen Rekuperation geeignet ist.
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Bei einer möglichen Detailgestaltung kann dabei der Verbrennungsmotor als Saugmotor ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass kein Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.
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In anderen Ausführungsformen können aber auch Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen sein, zum Beispiel ein Abgasturbolader oder ein elektrisch angetriebener Verdichter. In dem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung ist ein solcher Verdichter im Regelfall nicht aktiv oder läuft nur mit einer geringen Leistung, so dass der unteratmosphärische Betriebsdruck eingangsseitig des Antriebs vorliegen kann. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Verdrängermaschine so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für ein Druckgefälle hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Verdrängermaschine gegeben ist.
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Allgemein kann es auch vorgesehen sein, dass der Antrieb eines erfindungsgemäßen Systems als Brennstoffzelle ausgebildet ist. Insbesondere kann eine Zuführung von Betriebsgas zu der Brennstoffzelle mittels eines Verdichters unterstützt werden. Je nach Betriebsbedingungen und Lastwechseln können auch hier Druckgefälle im Betriebsgas auftreten, die eine Rekuperation bzw. Energiegewinnung aus dem Betriebsgas mittels der Verdrängermaschine erlauben.
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Allgemein vorteilhaft kann es im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass der Betriebsdruck in zumindest einem regulären Betriebszustand, bevorzugt einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck ist. Dies erlaubt zum Beispiel einen Betrieb als Saugmotor oder auch einen Betrieb in Verbindung mit einem Abgasturbolader bei geringer Leistung. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Verdrängermaschine in einem Expansionsbetrieb so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für ein Druckgefälle hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Verdrängermaschine gegeben ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein allgemeines Diagramm für Betriebszustände eines aufladbaren Verbrennungsmotors.
- 2 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems.
- 3 zeigt eine Ansicht einer Verdrängermaschine nach dem Wankelprinzip des Systems aus 2.
- 4 zeigt eine Anordnung der Verdrängermaschine aus 3 in einer Zuleitung zu einem Antrieb.
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Ausführliche Beschreibung
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Das in 1 gezeigte Diagramm beschreibt allgemein Betriebszustände eines Antriebs für ein Kraftfahrzeug in Form eines Verbrennungsmotors 1, bei dem das Betriebsgas über einen Verdichter komprimiert und der Verbrennungsmotor aufgeladen werden kann. Dabei ist das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 1 über der Motordrehzahl n aufgetragen.
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Der Bereich A entspricht einem Saugbetrieb des Motors 1, bei dem der Verdichter gar nicht oder nur mit geringer Leistung in Betrieb ist. Ein Massenstrom des Betriebsgases wird dabei über eine Drosselklappe geregelt. Der Betriebsgasdruck eingangsseitig des Verbrennungsmotors 1 liegt unterhalb des Atmosphärendrucks. Der Atmosphärendruck ist der äußere Luftdruck, bei dem durch das System äußere Luft als Hauptbestandteil des Betriebsgases angesaugt wird.
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Die gestrichelte Linie B kennzeichnet als obere Drehmomentgrenze des Bereichs A die Kurve maximaler Leistung des Verbrennungsmotors 1 im Saugbetrieb.
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Der Bereich D entspricht einem aufgeladenen Betrieb des Verbrennungsmotors 1, bei dem der Verdichter den Druck des Betriebsgases erhöht. Entsprechend wird der Massenstrom des Betriebsgases durch die Leistung des Verdichters bestimmt. Im Normalfall findet in diesem Bereich kein Einsatz der Drosselklappe statt.
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Die Linie C kennzeichnet als obere Drehmomentgrenze des Bereichs D die Kurve maximaler Leistung des Verbrennungsmotors 1 im aufgeladenen Betrieb.
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Der als Rechteck eingetragene Bereich E zeigt den für die vorliegende Erfindung vorrangig relevanten Betriebsbereich. Es handelt sich um den Betrieb bei Teillast und niedriger Motordrehzahl. In diesem Bereich E liegt ein Druckgefälle im einlassseitigen Betriebsgasstrom vor, das zur Expansion des Betriebsgases und Rekuperation von Energie genutzt werden kann, wobei der Gesamtwirkungsgrad des Motors 1 gesteigert wird.
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2 zeigt zur Veranschaulichung eine Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Zuführung von Betriebsgas zu einem vorliegend als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antrieb 1 eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt). Bevorzugt handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor 1 um einen Ottomotor.
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Das System umfasst einen atmosphärenseitigen Saugeinlass 2a für Luft unter Atmosphärendruck und eine Zuleitung 2 für das Betriebsgas zu dem Antrieb 1 unter einem Betriebsdruck. Das dem Antrieb 1 zugeleitete Betriebsgas umfasst zumindest einen Teil der angesaugten Luft,
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Der Betriebsdruck des Betriebsgases ist in einem regulären Betriebszustand des Antriebs 1, vorliegend einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck, Dieser Betriebsbereich entspricht dem vorstehend beschriebenen Bereich E des Diagramms nach 1.
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Zumindest in diesem Betriebszustand wird zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs bzw. Verbrennungsmotors 1 durch eine Verdrängermaschine 3 geführt. Die Verdrängermaschine 3 umfasst einen elektrischen Generator 4.
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Das beispielhafte System umfasst zudem einen Einlasskrümmer 15 und einen Abgaskrümmer 16 des Verbrennungsmotors 1.
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Die Verdrängermaschine 3 mit dem elektrischen Generator 4 ist vorliegend stromabwärts eines Ladeluftkühlers 17 angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen kann die Verdrängermaschine 3 auch stromaufwärts, insbesondere unmittelbar stromaufwärts, des Ladeluftkühlers 17 vorgesehen sein.
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In der vorliegenden schematischen Darstellung ist eine betriebsgasseitige Drosselklappe integriert mit der Verdrängermaschine 3 ausgeführt und daher nicht gesondert dargestellt. Je nach Anforderungen kann dabei eine Drosselklappe als separates Bauteil, zum Beispiel in einem Zweigkanal zu der Verdrängermaschine 3, vorgesehen sein.
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Ein Abgasturbolader 14 ist turbinenseitig stromaufwärts einer Abgasreinigung mit einem Katalysator 18 angeordnet. Stromabwärts des Katalysators 18 ist eine Abgasrückführung mit einem Abgasrückführventil 19, einem Abgaskühler 20 und einem Abgasdrosselventil 21 vorgesehen. Der Abgasturbolader 14 ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems, indem er im Abgas enthaltene Energie nutzt.
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Es versteht sich, dass je nach Anforderungen andere oder zusätzliche Komponenten und/oder Verbindungen der Gasströme in dem System vorgesehen sein können. Beispiele sind Katalysatoren verschiedener Bauart, eine Hochdruck-Abgasrückführung oder Ähnliches.
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Unter dem Betriebsgas wird im Sinne der Erfindung jedes Gas oder Gasgemisch verstanden, das dem Antrieb zur Umwandlung von Energie zugeführt wird. Im gezeigten System kann das Betriebsgas reine Luft oder durch die Abgasrückführung auch ein Luft-Abgas-Gemisch sein. Der Betriebsdruck ist dabei der Druck, mit dem das Betriebsgas dem Verbrennungsmotor 1 als Antrieb unmittelbar zugeführt wird.
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Der Betriebsdruck ist in zumindest dem regulären Betriebszustand, welcher ein Teillastbereich des Verbrennungsmotors 1 ist, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck. Dies bedeutet, dass der Verbrennungsmotor 1 in dem Betriebszustand als Saugmotor betrieben wird. Unter dem regulären Betriebszustand wird dabei verstanden, dass der Verbrennungsmotor 1 sich regelmäßig und in einem nennenswerten zeitlichen Betriebsanteil, vorliegend einem durchschnittlichen zeitlichen Betriebsanteil von mehr als 1%, in dem Betriebszustand befindet.
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Bei einer zu 2 alternativen Detailgestaltung kann der Verbrennungsmotor 1 als Saugmotor ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass kein Verdichter 14 zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.
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Allgemein bevorzugt ist aber ein Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen, vorliegend in Form des Abgasturboladers 14. Es kann sich aber auch um einen elektrisch angetriebenen Verdichter handeln. In dem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung ist ein solcher Verdichter 14 im Regelfall nicht aktiv oder läuft nur mit einer geringen Leistung, so dass der unteratmosphärische Betriebsdruck eingangsseitig des Antriebs 1 vorliegen kann. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Verdrängermaschine 3 so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für ein Druckgefälle hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Verdrängermaschine 3 gegeben ist.
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Allgemein kann es auch vorgesehen sein, dass der Antrieb eines erfindungsgemäßen Systems als Brennstoffzelle ausgebildet ist. Insbesondere kann eine Zuführung von Betriebsgas zu der Brennstoffzelle mittels eines Verdichters unterstützt werden. Je nach Betriebsbedingungen und Lastwechseln können auch hier Druckgefälle im Betriebsgas auftreten, die eine Rekuperation bzw. Energiegewinnung aus dem Betriebsgas mittels der Verdrängermaschine erlauben.
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Die in 2 schematisch dargestellte Verdrängermaschine 3 mit dem Generator 4 kann unter anderem jede der nachfolgend beschriebenen, konkreten Bauformen aufweisen.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine 3, die nach dem Wankelprinzip ausgebildet ist.
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Die Verdrängermaschine 3 umfasst dabei vorliegend genau einen, in einem Arbeitsraum 10 drehenden Kreiskolben 6. Dies erlaubt eine einfache und effektive Realisierung einer Verdrängermaschine 3 nach dem Wankelprinzip.
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Gemäß dem Wankelprinzip trennt der Kreiskolben 6 über Dichtungen 6a in seinem Arbeitsraum 10 mehrere Kammern 10a, 10b ab. Zum Betrieb als Wankelexpander und/oder Wankelverdichter werden dabei bevorzugt wenigstens zwei verschiedene Kammern 10a, 10b genutzt.
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Der Kreiskolben 6 und der Generator 4 sind gemäß 4 auf einer gemeinsamen Welle 7 angeordnet, was die Bauweise vereinfacht und Kosten geringhält. Bei alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann aber auch eine Verbindung von dem Generator und der Verdrängermaschine über ein Getriebe erfolgen, so dass die Komponenten entsprechend auf verschiedenen Wellen angeordnet sind.
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Vorliegend ist es zur Vereinfachung des Gesamtsystems und im Interesse einer realisierbaren Baugröße und Einbauposition vorgesehen, dass der Generator 4 keine weitere mechanische Antriebsquelle, auch keine von einem Abgas eines Verbrennungsprozesses angetriebene Antriebsquelle, umfasst. Insbesondere existiert neben dem Betriebsgasstrom keine Verbindung zur mechanischen Energieübertragung zu der Einheit aus Verdrängermaschine 3 und Generator 4.
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Das Ventilglied 5 ist als eine Drosselklappe ausgebildet. Die Drosselklappe 5 ist in einem die Verdrängermaschine 3 umgehenden Bypasskanal 9 angeordnet. Dies erlaubt insbesondere die Verwendung üblicher und vorhandener Baugruppen wie zum Beispiel ansteuerbar verstellbare Drosselklappen. Der Bypasskanal 9 zweigt unmittelbar vor der Verdrängermaschine 3 ab und mündet unmittelbar nach der Verdrängermaschine 3 wieder in den Betriebsgasweg, zum Beispiel in die Zuleitung 2. In der schematischen Darstellung nach 2 ist der Bypasskanal 9 daher als integrales Element der Verdrängermaschine 3 enthalten.
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Ein weiteres Ventilglied 12, bevorzugt in Form einer Drosselklappe, ist seriell zu der Verdrängermaschine 3 angeordnet. Insbesondere ist das weitere Ventilglied 12 unmittelbar stromaufwärts der Verdrängermaschine 3 angeordnet. Hierdurch kann der Betriebsgasstrom durch die Verdrängermaschine reguliert werden. In bevorzugter Detailgestaltung ist es dabei vorgesehen, dass das Ventilglied 5 und das weitere Ventilglied 12 durch einen gemeinsamen Aktuator 13 ansteuerbar sind. Dies erfolgt durch eine den Aktuator 13 mit Ventilgliedern 5, 12 verbindende den Stellmechanik 13a. Im einfachsten Fall kann die Stellmechanik 13a darin bestehen, dass die Ventilglieder 5, 12 als auf derselben Welle angeordnete Klappen ausgebildet sind.
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Die Verdrängermaschine 3 besteht im Wesentlichen aus Leichtmetall, vorliegend einer Aluminiumlegierung, da das Betriebsgas keine hohen Temperaturen aufweist. Dies gilt sowohl für ein Gehäuse bzw. den Arbeitsraum 10 als auch für den Kreiskolben 6 der Verdrängermaschine 3. Hierdurch werden Kosten und Gewicht eingespart.
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Vorliegend ist es vorgesehen, dass in einer ersten Betriebsart durch den Generator 4 elektrische Energie erzeugt wird, wobei die Verdrängermaschine 3 als ein Wankelexpander wirkt.
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Zudem wird in einer zweiten Betriebsart der Generator 4 als elektrischer Motor betrieben, und die Verdrängermaschine 3 wirkt in der zweiten Betriebsart als ein Wankelverdichter für das Betriebsgas. Dies erlaubt die Verwendung derselben Verdrängermaschine 3 als Expander oder als Verdichter je nach momentaner Anforderung durch den Antrieb 1. Dabei ist der Generator 4 in der zweiten Betriebsart mittels einer Steuerelektronik 8 als elektrischer Motor der Verdrängermaschine 3 geschaltet. Dies erlaubt die Verwendung derselben bewegten Massen als Generator 4 und als Motor. Bei alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) können aber auch ein getrennter Motor und Generator, bevorzugt auf derselben Welle 7, vorgesehen sein.
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Mittels der in dem Generator 4 vorgesehenen Steuerelektronik 8 wird eine Leistungsentnahme bzw. Aufladung einer Batterie oder eines sonstigen Energiespeichers (nicht dargestellt) gesteuert.
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Dadurch, dass in der ersten Betriebsart zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs 1 durch die Verdrängermaschine 3 geführt wird, und die Verdrängermaschine 3 den elektrischen Generator 4 umfasst, kann thermodynamisch eine Gewinnung von elektrischer Energie erfolgen, die sonst überwiegend für das System verloren wäre.
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Das Betriebsgas durchströmt die Verdrängermaschine dabei in einer Expansionsrichtung T, so dass Energie aus dem Betriebsgas in mechanische Energie gewandelt wird. Diese Energie wird über die Welle 7 und den Generator 4 in elektrische Energie als weitere, den Gesamtwirkungsgrad erhöhende, nutzbare Energieform gewandelt. Die Verdrängermaschine 3 wird dabei als Expander für das Betriebsgas verwendet, wobei mittels des Generators 4 elektrische Energie gewonnen bzw. rekuperiert wird. Das Betriebsgas wird dabei gemäß einem über der Verdrängermaschine 3 anliegenden Druckgefälle expandiert. Regelmäßig tritt bei der Expansion des Betriebsgases eine Kühlung bzw. Temperaturreduzierung des Betriebsgases auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden freie Betriebsparameter so gewählt, dass die Gewinnung elektrischer Energie optimiert wird und Vorrang vor einer eventuellen Kühlung des Betriebsgases durch die Verdrängermaschine 3 hat.
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In der zweiten Betriebsart wird der Kreiskolben 6 durch den elektrischen Motor 4 angetrieben, so dass das Betriebsgas in der Verdrängermaschine verdichtet wird. Das Betriebsgas strömt dabei in einer Verdichterrichtung V durch die Verdrängermaschine 3, die mit der Expansionsrichtung T der ersten Betriebsart identisch ist. Ebenso bleibt der Drehsinn des Kreiskolbens 6 beim Wechseln der Betriebsarten erhalten, so dass jederzeit ein nahezu verzögerungsfreier Wechsel von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart und zurück möglich ist.
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Im Einzelnen tritt das Betriebsgas ausgehend von einer Zuleitung 11 in einen ersten Einlass 11a des Arbeitsraumes 10 ein. Vor dem ersten Einlass zweigt zudem eine Zweigzuleitung 11b ab, die zu einem in Umlaufrichtung versetzten zweiten Einlass 11c des Arbeitsraumes 10 führt. Somit werden jeweils zwei Kammern 10a, 10b zeitlich leicht versetzt mit Betriebsgas gefüllt.
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Ein erster Auslass 11d des Arbeitsraums entlässt Betriebsgas in eine Zweigableitung 11e, die in eine Ableitung 11g mündet. Ein zweiter Auslass 11f entlässt Betriebsgas stromaufwärts der Einmündung in die Ableitung 11g. Die Auslässe 11d, 11f sind in Umlaufrichtung ebenfalls versetzt angeordnet. Die einzelnen Anschlüsse folgen in Umlaufrichtung in der Reihenfolge erster Einlass 11a, erster Auslass 11f, zweiter Einlass 11c, zweiter Auslass 11d.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antrieb, Verbrennungsmotor
- 2
- Zuleitung für Betriebsgas
- 2a
- Saugeinlass unter Atmosphärendruck
- 3
- Verdrängermaschine
- 4
- Generator, elektrischer Motor
- 5
- Ventilglied, Drosselklappe
- 6
- Kreiskolben
- 6a
- Dichtungen
- 7
- Welle
- 8
- Steuerelektronik
- 9
- Bypasskanal der Verdrängermaschine
- 10
- Arbeitsraum, Gehäuse
- 10a
- erste Kammer des Arbeitsraums
- 10b
- zweite Kammer des Arbeitsraums
- 11
- Zuleitung Arbeitsraum
- 11a
- erster Einlass Arbeitsraum
- 11b
- Zweigzuleitung
- 11c
- zweiter Einlass Arbeitsraum
- 11 d
- erster Auslass Arbeitsraum
- 11e
- Zweigableitung
- 11f
- zweiter Auslass Arbeitsraum
- 11g
- Ableitung Arbeitsraum
- 12
- weiteres Ventilglied, zweite Drosselklappe
- 13
- Aktuator für Ventilglieder
- 13a
- Stellmechanik
- 14
- Abgasturbolader
- 15
- Einlasskrümmer
- 16
- Auslasskrümmer
- 17
- Ladeluftkühler
- 18
- Katalysator
- 19
- Abgasrückführventil
- 20
- Abgaskühler
- 21
- Abgasdrosselklappe
- A
- Bereich Saugbetrieb (saugmotorische Teillast)
- B
- Linie maximaler Leistung Saugbetrieb
- C
- Linie maximaler Leistung aufgeladener Betrieb
- D
- Bereich aufgeladener Betrieb
- E
- Bereich für Expansion / Rekuperation
- T
- Expansionsrichtung
- V
- Verdichterrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602004000194 T2 [0002]
- DE 202017107685 U1 [0003]
