WO2008031466A1 - Autarke energieerzeugungseinheit für ein von einer verbrennungskraftmaschine angetriebenes fahrzeug - Google Patents

Autarke energieerzeugungseinheit für ein von einer verbrennungskraftmaschine angetriebenes fahrzeug Download PDF

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WO2008031466A1
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WO
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internal combustion
combustion engine
power generation
steam generator
generation unit
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PCT/EP2007/003985
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Stephan Bartosch
Jürgen Berger
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Voith Turbo Gmbh & Co. Kg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1861—Waste heat boilers with supplementary firing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a self-sufficient power generation unit for a vehicle driven by an internal combustion engine, in particular for a rail vehicle driven by a diesel engine.
  • Vehicles such as motor vehicles and rail vehicles, in addition to the main drive for traction on a variety of power take-offs on.
  • main drive machine for propulsion a
  • a first approach in which an electric generator is driven via a transmission from the internal combustion engine is disadvantageous because the prime mover used for traction operation is usually variable in speed and the traction operation will generally not meet the sub-consumer power requirements at a given time.
  • a hydrostatic circuit is used to drive an electric generator, which is pressurized by means of a hydrostatic pump driven at least indirectly by the drive machine.
  • a hydrostatic pump driven at least indirectly by the drive machine.
  • About hydrostatic storage can then be operated a hydrostatic engine, which in turn is used to drive an electric generator for onboard power supply.
  • a disadvantage of this approach is that the hydrostatic drives used are noisy and represent large-scale and correspondingly heavy units.
  • the operation of the Hydrostatic engine for driving the electric generator precedes the operation of the internal combustion engine. Accordingly, it can not be switched off even in the case of a stationary vehicle in which auxiliary consumers such as fans and the like are still in operation. This is disadvantageous in terms of noise and pollutant emissions and in terms of energy efficiency.
  • the document DD 96 753 describes the use of the exhaust gas of an internal combustion engine for the production of steam and the driving of a steam turbine by means of the steam.
  • the steam turbine drives a high pressure compressor, which is connected in series with a low pressure compressor of a turbocharger system to compress fresh air for the engine and thus charge the engine.
  • the invention has for its object to provide a self-sufficient power generation unit for a vehicle driven by an internal combustion engine vehicle, in particular for a rail vehicle, which allows independent of the internal combustion engine to generate mechanical energy that can be used to drive from a secondary consumer.
  • the self-sufficient power generation unit should be able to generate thermal energy and thus serve as an independent of the operation of the internal combustion engine heat source.
  • the self-sufficient power generation unit is to be designed so that during operation of the internal combustion engine, a part of the released in the form of waste heat in the combustion gases power loss is recovered.
  • the inventors have recognized that a steam cycle process, which is driven by the exhaust heat of the internal combustion engine, can be combined with a separate burner unit, which independently of the internal combustion engine generates the necessary energy for the operation of the cycle and thus a self-sufficient, exhaust heat back winning Energy generating unit is created which generates thermal and mechanical energy in the vehicle, the latter being used to drive a generator.
  • the starting point of the invention is a steam cycle, which is used to recover heat from the exhaust stream of the internal combustion engine.
  • a resource is vaporized in a steam generator by exhaust heat is supplied via a heat exchanger to the equipment.
  • the subsequently gaseous equipment is then supplied to an expander, in which the equipment performs mechanical work, which can be transmitted, for example, to an electric generator for power generation.
  • the resource leaving the expander is then liquefied in a condenser at a temperature lower than that in the steam generator and returned to the steam generator via a tank and a pump for the resource.
  • a separate burner is used in addition to the use of the exhaust gases of the internal combustion engine for heating the heat exchanger in the steam generator. This leads to the advantage that heat can be supplied to the steam generator even if the
  • Internal combustion engine is not in operation. This case occurs, for example, during downtime, such as occur for rail vehicles during stops in stations.
  • the internal combustion engine not used for traction can be completely switched off or operated in idle mode and at the same time for maintaining the
  • auxiliary consumers such as a passenger compartment heater or a fan unit
  • the autonomous power generation unit According to the invention, there is no immediate need to start the internal combustion engine merely with the aim of generating thermal energy for the passenger compartment, for example.
  • the function as a heater for Interior temperature control serve the self-sufficient power generation unit for preheating the internal combustion engine, which can then start with a significantly improved efficiency.
  • the amount of energy supplied to the separate burner in the steam process unit is significantly lower compared to the consumption of the internal combustion engine designed for traction operation. This leads to a reduction in fuel consumption and to a reduction of pollutant emissions and a decrease in noise pollution by the vehicle.
  • the burner output is adapted to the thermal heat input by the exhaust gas from the internal combustion engine.
  • the system is dimensioned so that in an internal combustion engine from a certain degree of utilization of the separate burner is completely switched off.
  • a corresponding adjustment can be made by reducing the additional energy fed into the steam generator by the separate burner.
  • a fuel burner is preferably used, which is supplied with the fuel of the internal combustion engine as fuel.
  • a diesel burner is used accordingly.
  • any other separately operable heat source such as a gas burner, may be used.
  • the thermal energy generated by the self-sufficient power generation unit is used for regeneration of a particulate filter, which serves to purify the exhaust gas flow.
  • a particulate filter which serves to purify the exhaust gas flow.
  • Such particulate filters in particular for diesel-operated internal combustion engines, require regular cleaning, which is effected by heating over the regeneration temperature and annealing of the soot particles deposited on the filter.
  • the self-sufficient power generation unit comprising a steam process unit with a separate burner, it is possible to use the burner for heating the particulate filter to the regeneration temperature in case of a need for the filter regeneration.
  • this cleaning is carried out in a driving situation suitable for this purpose, ie one in which a strong burner output for heating the heat exchanger in the steam generator is in demand.
  • the burnup on the particulate filter constitutes an additional heat source. Accordingly, the particulate filter is arranged upstream of the steam generator with respect to the exhaust gas flow direction, this sequence also being selected with regard to sooting of the heat exchange
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of the self-sufficient power generation unit according to the invention, comprising a steam process unit with a steam generator, which both exhaust gases of an internal combustion engine and burner gases of a separate burner can be supplied.
  • FIG. 2 shows the arrangement of a particle filter between a drive machine and the steam generator of the steam process unit and an additional bypass feed line.
  • FIG. 1 shows a steam process unit 1 which generates mechanical energy by means of a right-handed cyclic process which, as shown, is used to drive an electric generator 7, which in turn charges auxiliary consumers in the vehicle.
  • a Clausius-Rankine process is used as the cycle.
  • a resource in a steam generator 2, which is part of a steam process unit 1 evaporated.
  • the heat is supplied via two heat sources, which depending on the operating situation simultaneously or separately to Heating and evaporation of the equipment in the steam generator 2 can be used.
  • a first heat source is the exhaust stream 4, which is supplied to the heat exchanger 3 from the internal combustion engine.
  • Another heat source is a separate burner unit 5, which is advantageously designed as a fuel burner unit.
  • an expander 6 is subsequently driven.
  • an expansion machine preferably in piston expander construction, is used, in which the piston stroke is converted via a swash plate into a rotational movement.
  • conversion into a rotary mechanical power is represented by Pm ech , by means of which an electric generator 7 for the vehicle electrical system supply can in turn be driven.
  • the operating fluid is liquefied in a condenser 8, which in turn is cooled in the illustrated embodiment by the coolant circuit 9 of the vehicle.
  • a burner unit 5 is used as a separate heat source for heating the steam generator 2, which is independent of the internal combustion engine and thus in particular in the
  • Standstill or under idling conditions can be controlled so that the energy requirement for charging additional consumers of the vehicle is covered.
  • a significant advantage is therefore that, in the event that only auxiliary consumers are to operate, the main drive machine in the form of the internal combustion engine can stand still. This results in a reduction of the vehicle drive noise and the fuel consumption and thus a reduction of pollutant emissions.
  • the waste heat from the steam generator 2 can be used for a variety of temperature control applications in the vehicle.
  • the inventive use of a separate burner unit in turn, there is no need to resort only to the operation of Temper michsan Kunststoffen on the internal combustion engine.
  • Temperianssan Kunststoffen on the internal combustion engine.
  • the output power of the separate burner unit 5 can be adjusted or modulated accordingly.
  • FIG. Shown is the separate burner unit 5 and the steam generator 2 with the therein provided heat exchanger 3 and a particulate filter 13 through which the coming of the internal combustion engine 12 exhaust gas stream is passed before it enters the steam generator 2.
  • a Diesel engines as internal combustion engine 12 occur in the exhaust stream soot particles which are to be retained by a particulate filter.
  • Such filters require regular cleaning, which is effected by heating on the regeneration temperature.
  • the separate burner unit 5 provided in the steam process unit 1 according to the invention can be used for this thermal heating.
  • Such a particle filter cleaning is advantageously carried out when the filter requires cleaning and the burner full load for heating the heat exchanger 3 in the steam generator 2 is in demand.
  • the following embodiment of the steam process or the steam process unit 1 has been found suitable:
  • a pressure of 60 bar is used.
  • a pressure of about 1 bar prevails in the condenser.
  • a maximum superheat temperature of 440 0 C is not exceeded. According to this operating data, a suitable operating medium for the steam cycle process is selected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine autarke Energieerzeugungseinheit für ein Fahrzeug, das von einer Verbrennungskraftmaschine (12) angetrieben wird, umfassend: eine Dampfprozesseinheit (1) mit einem Dampferzeuger (2), in welchem einem Betriebsmittel über einen Wärmetauscher (3) bei einer ersten Temperatur Wärme zugeführt wird, so dass das Betriebsmittel verdampft; mit einem Expander (6), in dem das verdampfte Betriebsmittel mechanische Energie erzeugt; mit einem Kondensator (8), dem das vom Expander kommende Betriebsmittel zugeführt wird, und in welchem das Betriebsmittel auf einer zweiten Temperatur, welche niedriger ist als die erste Temperatur, kondensiert; Mittel zur Zurückführung des kondensierten Betriebsmittels zum Dampferzeuger (2). Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale : mit einer Vorrichtung zum wahlweisen Zuleiten des Abgasstroms (4) aus der Verbrennungskraftmaschine und eines erhitzten Gases aus einer separaten Brennereinheit (5) zum Wärmetauscher im Dampferzeuger; mit einem elektrischen Generator (7), der von dem Expander angetrieben wird.

Description

Autarke Energieerzeugungseinheit für ein von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenes Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine autarke Energieerzeugungseinheit für ein mit einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für ein mit einem Dieselmotor angetriebenes Schienenfahrzeug.
Fahrzeuge, wie Kraftfahrzeuge und Schienenfahrzeuge, weisen neben dem Hauptantrieb für die Traktion noch eine Vielzahl von Nebenantrieben auf. Für den Fall, dass als Hauptantriebsmaschine zum Vortrieb eine
Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, besteht eine Schwierigkeit darin, die üblicherweise elektrisch betriebenen Nebenverbraucher, wie Lüfter, Stellantriebe und Servomotoren etc., mit Energie zu versorgen.
Ein erster Ansatz, bei dem ein elektrischer Generator über ein Getriebe von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, ist deshalb nachteilig, da die für den Traktionsbetrieb verwendete Antriebsmaschine üblicherweise drehzahlvariabel ist und der Traktionsbetrieb im Allgemeinen nicht den zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegenden Leistungsanforderungen der Nebenverbraucher entsprechen wird.
Daher wurde vorgeschlagen, dass zum Antrieb eines elektrischen Generators ein hydrostatischer Kreislauf verwendet wird, welcher mittels einer wenigstens mittelbar von der Antriebsmaschine angetriebenen Hydrostatikpumpe mit Druck beaufschlagt wird. Über hydrostatische Speicher kann dann ein Hydrostatikmotor betrieben werden, welcher wiederum zum Antrieb eines elektrischen Generators zur Bordnetzversorgung dient.
Nachteilig an diesem Ansatz ist jedoch, dass die verwendeten hydrostatischen Antriebe geräuschintensiv sind und großbauende und entsprechend schwere Einheiten darstellen. Darüber hinaus setzt, abgesehen von einer gewissen Pufferung in einem Druckmittelspeicher für das Arbeitsmedium, der Betrieb des Hydrostatikmotors zum Antrieb des elektrischen Generators den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine voraus. Diese kann demnach auch bei einem stehenden Fahrzeug, bei dem Nebenverbraucher wie Lüfter und dergleichen weiterhin in Betrieb sind, nicht abgeschaltet werden. Dies ist nachteilig bezüglich der Schall- und Schadstoffemission sowie im Hinblick auf die Energieeffizienz.
Das Dokument DD 96 753 beschreibt die Nutzung des Abgases einer Brennkraftmaschine für die Erzeugung von Dampf und das Antreiben einer Dampfturbine mittels dem Dampf. Die Dampfturbine treibt einen Hochdruckverdichter an, der in Reihe mit einem Niederdruckverdichter eines Turboladersystems geschaltet ist, um Frischluft für den Verbrennungsmotor zu verdichten und somit den Verbrennungsmotor aufzuladen. Die aus diesem Dokument bekannten Merkmale sind im Oberbegriff von Anspruch 1 zusammengefasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine autarke Energieerzeugungseinheit für ein mit einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, anzugeben, welche es erlaubt, unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine mechanische Energie zu erzeugen, die zum Antrieb von einem Nebenverbraucher verwendet werden kann. Darüber hinaus soll die autarke Energieerzeugungseinheit thermische Energie erzeugen können und damit als eine vom Betrieb der Verbrennungskraftmaschine unabhängige Wärmequelle dienen. Ferner ist die autarke Energieerzeugungseinheit so zu gestalten, dass beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ein Teil der in Form von Abwärme in den Verbrennungsgasen freigesetzte Verlustleistung zurückgewonnen wird.
Zur Lösung der Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass ein Dampfkreisprozess, der mit der Abgaswärme der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, mit einer separaten Brennereinheit kombiniert werden kann, welche unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine die nötige Energie für den Betrieb des Kreisprozesses erzeugt und somit eine autarke, Abgaswärme rückgewinnende Energieerzeugungseinheit entsteht, welche im Fahrzeug thermische und mechanische Energie erzeugt, wobei letztere zum Antrieb eines Generators verwendet wird.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Dampfkreisprozess, welcher zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine dient. Hierzu wird ein Betriebsmittel in einem Dampferzeuger verdampft, indem Abgaswärme über einen Wärmetauscher dem Betriebsmittel zugeführt wird. Das in der Folge gasförmige Betriebsmittel wird sodann einem Expander zugeführt, in welchem das Betriebsmittel mechanische Arbeit verrichtet, welche beispielsweise an einen elektrischen Generator zur Stromerzeugung übertragen werden kann. Das den Expander verlassende Betriebsmittel wird dann in einem Kondensator auf einer Temperatur, welche niedriger ist als jene im Dampferzeuger, verflüssigt und über einen Tank und eine Pumpe für das Betriebsmittel wiederum dem Dampferzeuger zugeführt.
Erfindungsgemäß wird zusätzlich zur Verwendung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine zur Erhitzung des Wärmetauschers im Dampferzeuger ein separater Brenner verwendet. Dies führt zu dem Vorteil, dass dem Dampferzeuger Wärme auch dann zugeführt werden kann, wenn die
Verbrennungskraftmaschine nicht in Betrieb ist. Dieser Fall tritt beispielsweise bei Stillstandszeiten auf, wie sie für Schienenfahrzeuge während Haltezeiten in Bahnhöfen auftreten. Hierbei kann die nicht für die Traktion verwendete Verbrennungskraftmaschine vollständig abgeschaltet bzw. im Leerlaufbetrieb betrieben werden und gleichzeitig die für die Aufrechterhaltung der
Energieversorgung für Nebenverbraucher, wie einer Fahrgastzellenheizung oder einer Lüftereinheit, notwendige Energie dosiert und unabhängig durch die separate Brennereinheit erzeugt werden. Auch vor dem Start des Fahrzeugs besteht mit der erfindungsgemäßen, autarken Energieerzeugungseinheit nicht unmittelbar die Notwendigkeit, die Verbrennungskraftmaschine lediglich mit dem Ziel zu starten, thermische Energie etwa für die Fahrgastzelle zu erzeugen. Darüber hinaus kann neben der Funktion als Standheizung zur Innenraumtemperierung die autarke Energieerzeugungseinheit zur Vorwärmung der Verbrennungskraftmaschine dienen, welche dann mit einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad anlaufen kann. Hierbei ist die dem separaten Brenner in der Dampfprozesseinheit zugeführte Energiemenge deutlich geringer im Vergleich zum Verbrauch der für den Traktionsbetrieb ausgelegten Verbrennungskraftmaschine. Dies führt zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs sowie zu einer Reduktion von Schadstoffemissionen sowie einer Abnahme der Geräuschbelästigung durch das Fahrzeug.
In einer Weitergestaltung der Erfindung wird die Brennerleistung an den thermischen Wärmeeintrag durch das Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine angepasst. Üblicherweise wird das System so dimensioniert, dass bei einer Verbrennungskraftmaschine ab einem bestimmten Auslastungsgrad der separate Brenner vollständig abgeschaltet wird. Darüber hinaus kann bei einer Verringerung der Nachfrage auf der Abnehmerseite durch eine Reduktion der zusätzlich durch den separaten Brenner in den Dampferzeuger eingespeisten Energie eine entsprechende Anpassung vorgenommen werden.
Als separater Brenner wird bevorzugt ein Kraftstoffbrenner verwendet, welcher mit dem Kraftstoff der Verbrennungskraftmaschine als Brennstoff versorgt wird. Für dieselbetriebene Schienenfahrzeuge wird entsprechend ein Dieselbrenner verwendet. Alternativ kann jedoch jede andere separat betreibbare Wärmequelle, beispielsweise ein Gasbrenner, verwendet werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weitergestaltung der Erfindung wird die von der autarken Energieerzeugungseinheit erzeugte thermische Energie zur Regeneration eines Partikelfilters, der der Reinigung des Abgasstroms dient, verwendet. Derartige Partikelfilter, insbesondere für dieselbetriebene Verbrennungskraftmaschinen, bedürfen einer regelmäßigen Reinigung, welche durch ein Aufheizen über die Regenerationstemperatur und ein Ausglühen der auf dem Filter angelagerten Rußpartikel bewirkt wird. Mit der autarken Energieerzeugungseinheit umfassend eine Dampfprozesseinheit mit einem separaten Brenner ist es möglich, im Falle eines Bedarfs für die Filterregeneration den Brenner zur Aufheizung des Partikelfilters auf die Regenerationstemperatur zu verwenden. Bevorzugt wird diese Reinigung bei einer hierfür geeigneten Fahrsituation durchgeführt, d.h. einer solchen, bei der eine starke Brennerleistung zur Aufheizung des Wärmetauschers im Dampferzeuger nachgefragt wird. Darüber hinaus stellt der Abbrand auf dem Partikelfilter eine zusätzliche Wärmequelle dar. Entsprechend ist der Partikelfilter bezüglich der Abgasstromrichtung stromaufwärts zum Dampferzeuger angeordnet, wobei diese Abfolge auch im Hinblick auf ein Verrußen des Wärmetauschers gewählt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Diese zeigen im Einzelnen folgendes:
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen autarken Energieerzeugungseinheit, umfassend eine Dampfprozesseinheit mit einem Dampferzeuger, welchem sowohl Abgase einer Verbrennungskraftmaschine sowie Brennergase eines separaten Brenners zugeführt werden können.
Figur 2 zeigt die Anordnung eines Partikelfilters zwischen einer Antriebsmaschine und dem Dampferzeuger der Dampfprozesseinheit und eine zusätzliche Bypasszuleitung.
In Figur 1 ist eine Dampfprozesseinheit 1 dargestellt, welche mittels eines rechtläufigen Kreisprozesses mechanische Energie erzeugt, die, wie dargestellt, zum Antrieb eines elektrischen Generators 7 verwendet wird, welcher wiederum Nebenverbraucher im Fahrzeug beschickt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Kreisprozess ein Clausius-Rankine-Prozess verwendet. Hierzu wird ein Betriebsmittel in einem Dampferzeuger 2, der Teil einer Dampfprozesseinheit 1 ist, verdampft. Die Wärmezufuhr erfolgt hierbei über zwei Wärmequellen, welche je nach Betriebssituation gleichzeitig oder separat zur Aufheizung und Verdampfung des Betriebsmittels im Dampferzeuger 2 verwendet werden können. Eine erste Wärmequelle stellt der Abgasstrom 4 dar, der dem Wärmetauscher 3 aus der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Eine weitere Wärmequelle ist eine separate Brennereinheit 5, welche vorteilhafterweise als Kraftstoffbrenneinheit ausgebildet ist.
Durch das verdampfte Betriebsmittel wird nachfolgend ein Expander 6 angetrieben. Als Expander 6 wird eine Expansionsmaschine, bevorzugt in Kolbenexpanderbauweise, verwendet, bei welchem der Kolbenhub über eine Taumelscheibe in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird. In Figur 1 ist hierzu mit Pmech das Umsetzen in eine rotative mechanische Leistung dargestellt, durch die wiederum ein elektrischer Generator 7 zur Bordnetzversorgung angetrieben werden kann.
Nachfolgend zum Expander 6 wird das Betriebsmittel in einem Kondensator 8 verflüssigt, welcher wiederum in der dargestellten Ausgestaltung durch den Kühlmittelkreis 9 des Fahrzeugs gekühlt wird.
Nach dem Expander 6 liegt das Betriebsmittel wiederum flüssig vor und kann in einem Tank 10 bevorratet werden. Mit Hilfe einer Förderpumpe 11 wird es dann wiederum zum Wärmetauscher 3 im Dampferzeuger 2 zurückgeführt. Für höhere Leistungsanforderungen kommt als Expander 6 ein Kurbelwellenmotor und für eine Leistung über 500 kW eine Dampfturbine in Betracht.
Durch die in Figur 1 dargestellte Dampfprozesseinheit 1 ist es möglich, einen Anteil der Energie in der Abwärme des Abgasstroms von der Verbrennungskraftmaschine zurückzugewinnen und in mechanische Arbeit umzusetzen. Erfindungsgemäß wird als separate Wärmequelle eine Brennereinheit 5 zur Beheizung des Dampferzeugers 2 verwendet, welche unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine und damit insbesondere im
Stillstand oder unter Leerlaufbedingungen so angesteuert werden kann, dass die Energieanforderung zur Beschickung von Nebenverbrauchern des Fahrzeugs gedeckt wird. Ein wesentlicher Vorteil besteht somit darin, dass für den Fall, dass lediglich Nebenverbraucher zu betreiben sind, die Hauptantriebsmaschine in Form der Verbrennungskraftmaschine stillstehen kann. Hieraus folgt eine Verringerung des Fahrzeugantriebsgeräusches sowie des Kraftstoffverbrauchs und damit verbunden eine Reduktion von Schadstoffemissionen.
Neben der mechanischen Leistungsabgabe der Dampfprozesseinheit 1 kann auch die Abwärme aus dem Dampferzeuger 2 für eine Vielzahl von Temperierungsanwendungen im Fahrzeug verwendet werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer separaten Brennereinheit besteht wiederum keine Notwendigkeit, nur zur Bedienung von Temperierungsanforderungen auf die Verbrennungskraftmaschine zurückzugreifen. Allerdings entfällt unter Volllastbedingungen beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine die Notwendigkeit, über eine zusätzliche, separate Energiequelle den Dampfprozess zu betreiben, so dass für diesen Fall die separate Brennereinheit 5 nicht aktiv wird. Für alle Zwischenbereiche, bei denen lediglich eine Minder- oder Teillast für die Verbrennungskraftmaschine vorliegt, kann die Ausgangsleistung der separaten Brennereinheit 5 entsprechend angepasst bzw. moduliert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, dass Fluktuationen im Wärmeeintrag sowohl durch den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine sowie der separaten Brennereinheit 5 aufgrund der konstruktiv bedingten Trägheit in der Dampfprozesseinheit 1 zu keinen wesentlichen Schwankungen der mechanischen Abgabeleistung am Expander 6 führt, so dass ein konstanter Betrieb, etwa eines elektrischen Generators 7, zur Bordnetzversorgung gesichert ist.
Eine vorteilhafte Weitergestaltung der Erfindung ist in Figur 2 dargestellt. Gezeigt wird die separate Brennereinheit 5 und der Dampferzeuger 2 mit dem darin vorgesehenen Wärmetauscher 3 sowie ein Partikelfilter 13, durch den der von der Verbrennungskraftmaschine 12 kommende Abgasstrom geleitet wird, bevor er in den Dampferzeuger 2 eintritt. Insbesondere bei der Verwendung eines Dieselmotors als Verbrennungskraftmaschine 12 treten im Abgasstrom Rußpartikel auf, welche durch einen Partikelfilter zurückgehalten werden sollen. Derartige Filter bedürfen einer regelmäßigen Reinigung, welche durch ein Aufheizen über die Regenerationstemperatur bewirkt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann für dieses thermische Aufheizen die in der erfindungsgemäßen Dampfprozesseinheit 1 vorgesehene separate Brennereinheit 5 verwendet werden. Eine solche Partikelfilterreinigung wird vorteilhaft dann ausgeführt, wenn der Filter einer Reinigung bedarf und die Brennervolllast zur Beheizung des Wärmetauschers 3 im Dampferzeuger 2 nachgefragt wird.
In der in Figur 2 dargestellten Ausgestaltung besteht über die Ventileinheit 14 und die Bypassleitung 15 eine Möglichkeit den Abgasstrom am Dampferzeuger 2 vorbeizuleiten. Dieser Betriebsfall wird dann eintreten, wenn dem
Dampfkreisprozess keine weitere Energie zugeführt werden soll, das heißt vor allem dann, wenn keine Leistungsnachfrage besteht oder wenn der Kühlkreislauf des Fahrzeugs zur Kühlung des Kondensators anderenfalls unnötig oder übermäßig belastet würde.
Für die Verwendung bei Schienenfahrzeugen, welche mit einem Dieselmotor als Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, hat sich folgende Ausgestaltung des Dampfprozesses bzw. der Dampfprozesseinheit 1 als geeignet gewiesen: Als maximaler Systemdruck für das Betriebsmittel wird ein Druck von 60 bar verwendet. Hierbei herrscht im Kondensator ein Druck von ungefähr 1 bar. Bei der im Dampferzeuger 2 anliegenden ersten Temperatur wird eine maximale Überhitzungstemperatur von 440 0C nicht überschritten. Entsprechend dieser Betriebsdaten wird ein geeignetes Betriebsmedium für den Dampfkreisprozess gewählt.

Claims

Patentansprüche
1. Autarke Energieerzeugungseinheit für ein Fahrzeug, das von einer Verbrennungskraftmaschine (12) angetrieben wird, umfassend;
1.1 eine Dampfprozesseinheit (1) mit einem Dampferzeuger (2), in welchem einem Betriebsmittel über einen Wärmetauscher (3) bei einer ersten Temperatur Wärme zugeführt wird, so dass das Betriebsmittel verdampft;
1.2 mit einem Expander (6), in dem das verdampfte Betriebsmittel mechanische Energie erzeugt;
1.3 mit einem Kondensator (8), dem das vom Expander (6) kommende Betriebsmittel zugeführt wird, und in welchem das Betriebsmittel auf einer zweiten Temperatur, welche niedriger ist als die erste Temperatur, kondensiert; 1.4 Mittel zur Zurückführung des kondensierten Betriebsmittels zum Dampferzeuger (2); gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.5 mit einer Vorrichtung zum wahlweisen Zuleiten des Abgasstroms (4) aus der Verbrennungskraftmaschine und eines erhitzten Gases aus einer separaten Brennereinheit (5) zum Wärmetauscher (3) im Dampferzeuger
(2);
1.6 mit einem elektrischen Generator (7), der von dem Expander (6) angetrieben wird.
2. Autarke Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die separate Brennereinheit (5) beim Stillstand oder dem Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine (12) zum Antrieb der Dampfprozesseinheit (1) verwendet wird und diese ab einer bestimmten Lastschwelle der Verbrennungskraftmaschine (12) abgeschaltet wird.
3. Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Brennereinheit (5) zusätzlich zur Reinigung eines Partikelfilters (13) im Abgasstrom (4) der Verbrennungskraftmaschine (12) verwendet wird.
4. Autarke Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (13) stromaufwärts zum
Dampferzeuger (2) angeordnet ist.
5. Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbarer Bypass (15) für den Abgasstrom und/oder den Brennergasstrom zur wahlweisen Umgehung des
Dampferzeugers (2) vorgesehen ist.
6. Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme aus dem Dampferzeuger (2) zum Betrieb einer Standheizung für das Fahrzeug und/oder zum Erwärmen der Verbrennungskraftmaschine (12) vor dem Start verwendet wird.
7. Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Expander (6) eine
Kolbenexpandermaschine verwendet wird.
8. Autarke Energieerzeugungseinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator zur Kühlung wenigstens mittelbar mit dem Kühlmittelkreis (9) des Fahrzeugs verbunden ist.
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