WO1999001649A1 - Verfahren zur verbesserung des gesamtwirkungsgrades bei einem hybridantrieb - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei einem Hybridantrieb mit wenigstens einem Verbrennungs- und wenigstens einem Elektromotor als Antriebsquellen durch Abgasenergierückgewinnung mittels wenigstens eines Abgasturbogenerators, wobei die beim Betrieb des Verbrennungsmotors anfallende Abgasenergie zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird, so dass ohne weitere Energiezufuhr ein zusätzliches Energiepotential zur Nutzung über den Elektromotor des Hybridantriebes zur Verfügung steht, soll so verbessert werden, dass eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrades, insbesondere auch im Teillastbereich des Verbrennungsmotors, ermöglicht wird. Dies wird dadurch erreicht, dass zur Steigerung des Abgasenergierückgewinnungspotentials im Abgaskanal hinter der letzten Abgasturbogeneratorstufe ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck erzeugt wird.

Description

"Verfahren zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei einem Hybridantrieb"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei einem Hybridantrieb mit wenigstens einem Verbrennungs- und wenigstens einem Elektromotor als Antriebsquellen durch Abgasenergierückgewinnung mittels wenigstens eines Abgasturbogenerators, wobei die beim Betrieb des Verbrennungsmotors anfallende Abgasenergie zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird, so daß ohne weitere Energiezufuhr ein zusätzliches Energiepotential zur Nutzung über den Elektromotor des Hybridantriebes zur Verfügung steht.
Ökonomische und ökologische Gründe legen dringend nahe, den Einsatz von Energie restriktiv zu handhaben. Eine wesentliche Möglichkeit, in diesem Sinne vorzugehen ist, den Wirkungsgrad bei Energieumsetzungsprozessen zu verbessern.
Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wird ein beträchtlicher Anteil der zugeführten Energie systembedingt über die Abgase abgeführt. Bekanntlich dient die Abgasenergie bei der Abgasturboaufladung zur Steigerung der spezifischen Leistung von Verbrennungsmotoren. Diese Technik findet im einschlägigen Motorenbau eine verbreitete Anwendung, führt aber im praktischen Betrieb nicht zu einer wesentlichen Verbesserung des Wirkungsgrades.
Aus DE 196 00 252 AI des Anmelders ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, mit dem die Abgasenergie des Verbrennungsmotors in Verbindung mit einem geeigneten Antriebssystem so genutzt wird, daß eine Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber der beim konventionellen Antrieb mit Verbrennungsmotor üblichen Größenordnung hinaus erreicht wird. Dazu wird die Abgasenergie zum Antrieb eines Elektromotors des Hybridantriebes genutzt. Ein solches Verfahren liefert im Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors zufriedenstellende Wirkungsgrade, im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors sind die Wirkungsgrade jedoch gering.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein gattungsgemäßes Verfahren so zu verbessern, daß eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrades, insbesondere auch im Teillastbereich des Verbrennungsmotors, ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Steigerung des Abgasenergierückgewinnungspotentials im Abgaskanal hinter der letzten Abgasturbogeneratorstufe ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck erzeugt wird.
Bei einer solchen Verfahrensführung läßt sich der Gesamt- Wirkungsgrad bei einem derartigen Hybridantrieb auch im Teillastbereich wesentlich vergrößern, da in der oder den Abgasturbinen eine größere Druckdifferenz anliegt und insbesondere das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck deutlich vergrößert wird, beispielsweise doppelt so groß wird, wenn der Ausgangsdruck, der beim Stand der Technik dem Umgebungsdruck entspricht, z.B. auf die Hälfte, also auf 0,5 bar reduziert werden kann. Dadurch läßt sich das nutzbare Abgasenergiepotential wesentlich vergrößern (Größenordnung 100%).
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, daß der Unterdruck im Abgaskanal durch ein Venturirohrunterdrucksystem erzeugt wird. Dies kann bei einem Kraftfahrzeug auf einfache Weise dadurch geschehen, daß in das Kraftfahrzeug ein nach strömungstechnischen Gesichtspunkten konstruiertes Venturirohr integriert und vom Fahrtwind mit einem Luftstrom beaufschlagt wird. Der sich einstellende Unterdruck im Bereich des geringsten Querschnittes des Venturirohres kann bei Bedarf durch eine geeignete Querschnittsregeleinrichtung im Einlaßbereich konstant gehalten werden. Der Abgaskanal mündet in das Venturirohr im Bereich des geringsten Druckes und man erhält den gewünschten Effekt. Die Größe des Luftstromes im Venturirohr sollte dabei ein Vielfaches der des Abgasstromes betragen. Eine alternative Möglichkeit, den gewünschten Effekt zu erzielen ist, daß der Unterdruck im Abgaskanal durch ein Unterdruckgebläse erzeugt wird, welches vorzugsweise durch eine Abgasturbine oder einen Elektromotor oder einem beliebigen anderen Motor angetrieben wird.
Alternativ kann auch vorgesehen werden, daß der Unterdruck sowohl durch ein Venturirohrunterdrucksystem als auch durch ein Unterdruckgebläse erzeugt wird, was den geringsten Unterdruck im Abgaskanal und damit die größte Steigerung des Abgasenergierückgewinnungspotentials ermöglicht .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der wenigstens eine Abgasturbogenerator von einem Maschinensatz mit den beiden Komponenten Abgasturbine und Wechselstromgenerator gebildet wird, und daß die Energieübertragung vom Ausgang des Generators zum Eingang wenigstens einer Pufferbatterie bzw. zum Elektromotor über ein einfaches Netzwerk mit Energiemengenspeichern (Induktivität) erfolgt. Ein solches Netzwerk ist für die elektrische Verbindung von Abgasturbogenerator und Pufferbatterie besonders geeignet. Das Netzwerk ist auf das Betriebsverhalten der beiden Komponenten zugeschnitten, da es die je nach Betriebszustand unterschiedliche Spannungsamplitude des Generators auf die Spannungshöhe der Batterie in einem großen Bereich ausgleicht und somit für einen stabilen Ener- gietransport zur Pufferbatterie oder zum Elektromotor sorgt. Die verwendbare Schaltung zeichnet sich durch Einfachheit und Übersichtlichkeit aus.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung ein Venturirohrunterdrucksystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 eine Schaltung für das die elektrische Verbindung von Abgasturbogenerator und Pufferbatterie ermöglichende Netzwerk.
Ein Venturirohrunterdrucksystem ist in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Dieses weist zunächst ein Venturirohr 2 auf, welches sich über einen Bereich 2a zu einem Bereich 2b verjüngt und sich dann zum freien Ende hin in einen Bereich 2c erweitert. Das Ende des Bereiches 2c bildet das Ende des Rohrsystems. Das Venturirohr 2 ist an geeigneter Stelle im Kraftfahrzeug angeordnet, so daß während der Fahrt des Kraftfahrzeuges eine mit W bezeichnete Luftströmung eintreten kann. So kann der Anfang des Venturirohres 2 beispielsweise im Bereich des Kühlers oder dgl . angeordnet sein. Das eigentliche Abgasrohr 3 ist derart innerhalb des Ven- turirohres 2 angeordnet, daß es im Bereich 2b des Venturi- rohres 2 endet. In das Abgasrohr 3 tritt das Abgas aus einer nicht dargestellten Abgasturbine in Richtung des Pfeiles T in das Abgasrohr ein.
Durch dieses Venturirohrunterdrucksystem 1 entsteht gegenüber dem Umgebungsdruck ein Unterdruck im Abgaskanal hinter der letzten Abgasturbinenstufe bzw. der letzten Abgasturbine T. Dies ist auf folgende Effekte zurückzuführen:
In dem mit A bezeichneten Bereich findet eine Expansion der Luftströmung durch Temperaturerhöhung statt. Durch die Expansionsströmung vergrößert sich der Volumenstrom bei gleichbleibendem Massenstrom, es bildet sich ein Druckgefälle in Strömungsrichtung aus .
Im mit B bezeichneten Bereich tritt der gewünschte Venturi- effekt auf. Der systembedingte Fahrtwind bildet - im Idealfall verlustlos - über das geeignete, gestaltete Venturi- rohrsystem einen Unterdruck, dessen Betrag entscheidend von der Höhe der maximalen Geschwindigkeit der Luftströmung abhängt .
Im mit C bezeichneten Bereich tritt ein Luftstrahleffekt auf. Der Luftstrom erfaßt das langsamer strömende Abgas beim Austritt aus dem Abgasrohr 3 und verleiht somit der Abgasströmung eine höhere Geschwindigkeit. Bei konstantem Massenstrom und vergrößertem Volumenstrom ergibt sich eine Verminderung der Abgasdichte und damit ein geringerer Druck im Abgasrohr 3.
Im mit D bezeichneten Bereich erfolgt eine Kompression der Abgasströmung durch Temperaturabnahme aufgrund Wärmeabgabe an die Luftströmung und somit eine Verdichtungsströmung mit einem Druckanstieg in Strömungsrichtung (vgl. Bereich A, umgekehrte Wirkung) .
Im mit E bezeichneten Bereich tritt ein Diffusoreffekt ein. Durch Verzögerung der Strömung (wegen der dargestellten Querschnittserweiterung des Abgasrohres 3) ergibt sich ein Druckanstieg in Strömungsrichtung. Dieser Diffusor kann auch zur Anpassung der Geschwindigkeit der Abgasströmung an die Geschwindigkeit der Luftströmung dem Venturirohr 2 dienen.
Die vorgeschilderten Effekte in Kombination lassen eine deutliche Reduzierung des Drucks am Austritt aus dem Abgasrohr 3 eintreten, so ist beispielsweise eine Herabsetzung des Druckes auf 0,5 bar möglich. Mit einem solchen Venturirohrunterdrucksystem lassen sich gegenüber einem System ohne Unterdruck wesentlich höhere Abgasenergierück- gewinnungspotentiale insbesondere im Teillastbereich erreichen, so ist das Rückgewinnungspotential rund 80% größer, wenn die Teillast (des Verbrennungsmotors) ein Drittel der Nennlast beträgt. Auch im Vollastbereich des Verbrennungsmotors sind Steigerungen von bis zu 30% erreichbar.
In Fig. 2 ist die Schaltung für ein Netzwerk zur Energieübertragung von dem Abgasturbogenerator zu Pufferbatterien dargestellt. Der Abgasturbogenerator ist mit 4 bezeichnet, während die Batterien das Bezugszeichen 5 tragen. Das dargestellte Netzwerk ist auf das Betriebsverhalten des Abgasturbogenerators 4 und der Pufferbatterien 5 zugeschnitten, da es die je nach Betriebszustand unterschiedliche Spannungsamplitude des Generators 4 auf die Spannungshöhe der Batterien 5 in einem großen Bereich ausgleicht und somit für einen stabilen Energietransport zum Energiespeicher oder Elektromotor sorgt. Die Schaltung zeichnet sich durch Einfachheit und Übersichtlichkeit aus.
Die Schaltung weist die folgenden Funktionsmerkmale bezogen auf eine Phase auf: D+ führt den positiven, D- den negativen Außenleiterstro , L+ nimmt die anfallenden positiven, L- die negativen Spannungszeitflächen auf und L+ und L- speichern die entsprechenden Energiemengen, die in den unmittelbar folgenden Halbwellen an das Gleichspannungssystem übertragen werden. DF wirken als Freilaufdioden, über D wer- den weitere Phasen eingekoppelt.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei einem Hybridantrieb mit wenigstens einem Verbrennungs- und wenigstens einem Elektromotor als Antriebsquellen durch Abgasenergierückgewinnung mittels wenigstens eines Abgasturbogenerators, wobei die beim Betrieb des Verbrennungsmotors anfallende Abgasenergie zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird, so daß ohne weitere Energiezufuhr ein zusätzliches Energiepotential zur Nutzung über den Elektromotor des Hybridantriebes zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung des Abgasenergierückgewinnungspotentials im Abgaskanal hinter der letzten Abgasturbogeneratorstufe ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck im Abgaskanal durch ein Venturirohrunterdrucksystem erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck im Abgaskanal durch ein Unterdruckgebläse erzeugt wird, welches vorzugsweise durch eine Abgasturbine oder einen Elektromotor angetrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Abgasturbogenerator von einem Maschinensatz mit den beiden Komponenten Abgasturbine und Wechselstromgenerator gebildet wird, und daß die Energieübertragung vom Ausgang des Generators zum Eingang wenigstens einer Pufferbatterie bzw. zum Elektromotor über ein einfaches Netzwerk mit Energiemengenspeichern (Induktivität) erfolgt.
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