DE102007062096A1

DE102007062096A1 - Vorrichtung, Verfahren und deren Verwendung zum Antreiben von Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen und Lokomotiven

Info

Publication number: DE102007062096A1
Application number: DE102007062096A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr. Danov; Andreas SCHRÖTER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, zum Antreiben von Aggregaten 13, insbesondere von Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen, sowie auf ein insbesondere hierfür geeignetes Verfahren und auf die Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens. Es ist ein erster Motor 10 vorgesehen, insbesondere ein Elektro- oder Verbrennungsmotor, mit einer Kühleinrichtung 12 und einem zweiteiligen Kühlkreislauf 14, welcher den ersten Motor 10 und die Kühleinrichtung 12 miteinander verbindet, und mit einem zweiten Motor 11, insbesondere einem Stirlingmotor, zum Antreiben der Aggregate 13. Der zweite Motor 11 steht in thermischem Kontakt mit dem ersten Teilabschnitt 15 und mit dem zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs 16.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, zum Antreiben von Aggregaten, insbesondere von Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen, sowie auf ein insbesondere hierfür geeignetes Verfahren und auf die Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens. Es ist ein erster Motor vorgesehen, insbesondere ein Elektro- oder Verbrennungsmotor, mit einer Kühleinrichtung und einem zweiteiligen Kühlkreislauf, welcher den ersten Motor und die Kühleinrichtung miteinander verbindet, und mit einem zweiten Motor, insbesondere einem Stirlingmotor, zum Antreiben der Aggregate, wie z. B. aus der Druckschrift GB 2 437 309 A1 bekannt.
In Kraftfahrzeugen werden Aggregate, insbesondere Nebenaggregate, üblicherweise durch Verbrennungsmotoren oder Elektromotoren angetrieben. So treibt z. B. in einem Personenkraftwagen (PKW) ein Verbrennungsmotor eine Lichtmaschine mechanisch an, welche Strom erzeugt. Dieser Strom wird in einer Batterie zwischengespeichert oder direkt für den Betrieb von Nebenaggregaten, wie z. B. Wasserpumpe und Klimakompressor, sind direkt mit den Riemen angetrieben, verwendet. Das Betreiben der Lichtmaschine durch den Verbrennungsmotor führt zu einem erhöhten Verbrauch von Kraftstoffen, d. h. bei gebräuchlichen Pkws zu einem erhöhten Benzin- oder Diesel-Verbrauch. Die Abwärme des Verbrennungsmotors geht verloren oder wird im Winter teilweise zur Heizung der Fahrgastzelle verwendet.
Bei Kraftfahrzeugen ohne Verbrennungsmotor, welche ausschließlich von Elektromotoren angetrieben werden, entsteht Abwärme der Elektromotoren durch die hohe elektrische Leistung, welche zum Antrieb des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Diese Abwärme wird, wie im Falle von Verbrennungsmotoren an die Umgebung abgegeben, z. B. durch Kühlung des Motors mit Umgebungsluft, und geht so verloren.
Aus der Druckschrift GB 2 437 309 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, welche die Abwärme eines Verbrennungsmotors 1 mit Hilfe eines Stirlingmotors nutzt. Unter Bezugnahme auf 1 dieser Druckschrift sollen nachfolgend die wesentlichen Merkmale der bekannten Vorrichtung näher erläutert werden: Ein Stirlingmotor 2 wandelt thermische Energie, welche in Form von Temperaturunterschieden auftritt, in mechanische Energie um. Die mechanische Energie wird genutzt, um einen Ventilator 4 anzutreiben, welcher mit Hilfe von Luft eine Kühleinrichtung 3 kühlt. Die Kühleinrichtung 3 ist mit dem Verbrennungsmotor 1 über einen Kühlkreislauf 5 verbunden, so dass die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 über den Kühlkreislauf 5 zur Kühleinrichtung 3 abgeführt werden kann. Der Stirlingmotor 2 wird über die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der heißen Seite des Kühlkreislaufs 6 und der Temperatur der Umgebungsluft 8 angetrieben. Die aus der Temperaturdifferenz erzeugte mechanische Energie des Stirlingmotors 2 treibt einen Ventilator 4 an, welcher die Kühleinrichtung 3 im Kühlkreislauf 5 kühlt und somit zu einer besseren Kühlung des Verbrennungsmotors 1 führt.
Bei der bekannten Vorrichtung ist zum einen die Abhängigkeit der Leistung des Stirlingmotors 2 von der Umgebungstemperatur, d. h. der Temperatur der Umgebungsluft 8, problematisch, da nur eine Seite des Stirlingmotors 2 mit dem Kühlkreislauf 5 verbunden ist und die andere Seite mit der Umgebungsluft 8 in Kontakt steht. Als Seiten des Kühlkreislaufs 5 sind dabei einmal die mit erwärmten Kühlmittel durchströmte Verbindung 6 des Verbrennungsmotors 1 mit der Kühleinrichtung 3, und zum anderen die mit abgekühlten Kühlmittel durchströmte Verbindung 7 der Kühleinrichtung 3 mit dem Verbrennungsmotor 1 zu verstehen. Als Seiten des Stirlingmotors 2 sind die Bereiche zu verstehen, welche durch Erwärmung oder Abkühlung zur Volumenänderung von Gasen im Stirlingmotor 2 beitragen, und so zu einer Umwandlung von thermischer in mechanische Energie führen. An heißen Tagen wird durch die Verwendung der Temperaturdifferenz von Umgebungsluft 8 und heißer Seite des Kühl kreislaufs 6 als Antrieb für den Stirlingmotor 2 weniger mechanische Energie vom Stirlingmotor 2 erzeugt als an kalten Tagen. Damit wird dann auch nur eine geringere Kühlung des Verbrennungsmotors 1 über den Ventilator 4 und die Kühleinrichtung 3 erreicht. Ein weiteres Problem bei der bekannten Vorrichtung ist, dass durch diese Vorrichtung nur die thermische Energie genutzt werden kann, welche im Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der Umgebungsluft 8 und der heißen Seite des Kühlkreislaufs 6 gespeichert ist. Die unter Umständen höhere thermische Energie, welche gespeichert ist im Temperaturunterschied zwischen den zwei Seiten des Kühlkreislaufs 6 und 7, kann nicht genutzt werden. Der Betrieb des Stirlingmotors 2 zum Antreiben von Nebenaggregaten wie z. B. Klimakompressor, Wasserpumpe, Lichtmaschine oder Hydraulikpumpe setzt eine zuverlässige Funktion auch bei hohen Temperaturen der Umgebungsluft 8 voraus. Dies ist bei der im Stand der Technik beschriebenen Anordnung des Stirlingmotors 2, betrieben durch die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der heißen Seite des Kühlkreislaufs 6 und der Temperatur der Umgebungsluft 8, nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist eine, im Vergleich zum Stand der Technik, bessere Ausnutzung der in der Abwärme von Motoren gespeicherten Energie zum Betreiben von Aggregaten, insbesondere von Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen. Insbesondere ist dabei die Abhängigkeit der Leistung eines zweiten Motors, insbesondere eines Stirlingmotors, von der Umgebungstemperatur zu reduzieren. Ferner sollen ein hierfür geeignetes Verfahren sowie besondere Verwendungen der Vorrichtung und des Verfahrens angegeben werden.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10, bezüglich der Verwendung der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 und bezüglich der Verwendung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, des Verfahrens und deren Verwendung gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche mit Merkmalen eines jeweils zugeordneten Unteranspruchs oder vorzugsweise auch mit Merkmalen mehrerer zugeordneter Unteransprüche kombiniert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Antreiben mindestens eines Aggregates soll mindestens die folgenden Merkmale umfassen: einen ersten Motor, eine Kühleinrichtung zur Kühlung des ersten Motors, einen Kühlkreislauf, bestehend aus mindestens einem ersten Teilabschnitt, der sich vom ersten Motor bis zur Kühleinrichtung erstreckt und ein Medium mit einer Temperatur T₁ enthält, und bestehend aus mindestens einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teilabschnitt, der sich von der Kühleinrichtung bis zum ersten Motor erstreckt und ein Medium mit einer Temperatur T₂ enthält, wobei die Temperatur T₁ größer als die Temperatur T₂ ist, und einen zweiter Motor, welcher in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen ersten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs und mit dem mindestens einen zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs steht.
Das Verfahren zur Nutzung einer Temperaturdifferenz in einem Medium für den Antrieb von Aggregaten soll mindestens die folgenden Merkmale umfassen: das Erhöhen der Temperatur des Mediums von einer Ausgangstemperatur auf eine erste Temperatur T₁ durch einen ersten Motor, das Erniedrigen der Temperatur des Mediums auf eine zweite Temperatur T₂ durch eine Kühleinrichtung, wobei die zweite Temperatur T₂ kleiner als die erste Temperatur T₁ ist, und das Strömen des Mediums durch einen Kühlkreislauf, welcher über mindestens einen ersten Teilabschnitt den ersten Motor mit der Kühleinrichtung verbindet, und welcher über mindestens einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen Teilabschnitt, die Kühleinrichtung mit dem ersten Motor verbindet, wobei thermische Energie in Form einer Temperaturdifferenz zwischen dem mindestens einen ersten Teilabschnitt und dem mindestens einen zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs in mechanische Energie mit Hilfe eines zweiten Motors umgewandelt wird.
Die Verwendung der Vorrichtung und die Verwendung des Verfahrens sollen auf den Einsatz in einem Fahrzeug der Gattung Motorrad, Motorroller, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bus, Straßenbahn, Lokomotive, Schiff, Flugzeug, Rakete oder Weltraumfahrzeug gerichtet sein.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass Energie, die üblicherweise in Verbrennungs- oder Elektromotoren als Abwärme anfällt, zum Antreiben von Aggregaten besonders effektiv genutzt wird. Dabei werden durch Verwendung der kalten und warmen Seite des Kühlkreislaufs zur Erzeugung von mechanischer Energie durch einen Stirlingmotor im Vergleich zur reinen Nutzung der warmen Seite unter Kühlung der kalten Seite des Stirlingmotors mit Umgebungsluft, Energieverluste des Gesamtsystems Fahrzeug verringert.
Es ist durch den zweiten Motor ein zuverlässigerer bzw. kontinuierlicherer Antrieb der Aggregate, als aus dem Stand der Technik bekannt, möglich. Ein Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Antrieb von Aggregaten, insbesondere Nebenaggregaten wie Klimakompressoren, Wasserpumpen, Lichtmaschinen und Hydraulikpumpen, wird auch ohne zusätzliche Hilfsantriebe, wie z. B. Elektromotoren möglich.
Für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Verwendungen ergeben sich die vorstehend erwähnten, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundenen Vorteile.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Stirlingmotors 2 mit einer luftgekühlten Seite und der warmen Seite gekoppelt am Kühlkreislauf 5 eines Verbrennungsmotors 1 nach dem eingangsgenannten Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung mit einem zweiten Motor 11 mit der kalten und der warmen Seite jeweils gekoppelt an unterschiedlichen Teilabschnitten eines Kühlkreislaufs 15, 16 einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vorrichtung,
3 eine detaillierte Ansicht eines Stirlingmotors 21 und seiner Position im Kühlkreislauf 24, wobei letzterer einen Verbrennungsmotor 20 mit einer Kühleinrichtung 22 verbindet.
Zum Stand der Technik nach 1 wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
In der 2 sind die wesentlichen Teile einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung angedeutet. Es sind ein erster Motor 10, ferner eine Kühleinrichtung 12 und ein Kühlkreislauf 14 gezeigt. Der Kühlkreislauf 14 setzt sich aus zwei Teilabschnitten 15 und 16 zusammen, wobei der Teilabschnitt 15 den ersten Motor 10 mit der Kühleinrichtung 12 verbindet. Der zweite Teilabschnitt 16 des Kühlkreislaufs 14 verbindet die Kühleinrichtung 12 mit dem ersten Motor 10. Der Kühlkreislauf 14 ist mit einem Fluid, z. B. Luft, einer Flüssigkeit wie Wasser oder Öl bzw. einem Gemisch von beidem gefüllt, und das Fluid strömt, wie jeweils durch einen Pfeil angedeutet ist, durch den Kühlkreislauf 14 im ersten Teilabschnitt 15 vom ersten Motor 10 zur Kühleinrichtung 12, und im zweiten Teilabschnitt 16 von der Kühleinrichtung 12 zum ersten Motor 10. Dabei wird das Fluid durch die Abwärme des ersten Motors 10 erwärmt, z. B. von einer Temperatur von etwa 70°C auf etwa 90°C, bei langen Autobahnfahrten oder Stau auch über 115°C. Mit dieser erhöhten Temperatur strömt das Fluid vom ersten Motor 10 zur Kühleinrichtung 12, wobei es sich auf dem Weg dorthin leicht abkühlen kann im Bereich von wenigen °C. In der Kühleinrichtung 12 wird das Fluid stark abgekühlt, z. B. auf etwa 70°C. Das abgekühlte Fluid strömt dann im Teilabschnitt 16 von der Kühleinrichtung 12 zum ersten Motor 10, wobei es im Wesentlichen die Temperatur beibehält oder sich weiter abkühlt um wenige °C. Am ersten Motor 10 wird das abgekühlte Fluid dann wieder erwärmt und der Kreislauf beginnt erneut.
Ein zweiter Motor 11, insbesondere ein Stirlingmotor 21, steht sowohl mit dem ersten Teilabschnitt 15 als auch mit dem zweiten Teilabschnitt 16 des Kühlkreislaufs 14 in thermischem Kontakt. Ein besonders guter thermischer Kontakt zwischen dem zweiten Motor 11 und den Teilabschnitten 15 und 16 des Kühlkreislaufs 14 wird durch einen direkten mechanischen Kontakt zwischen dem zweiten Motor 11 und dem Kühlkreislauf 14 erreicht. Da der erste Teilabschnitt 15 vom erwärmten Fluid, z. B. mit einer Fluid-Temperatur von etwa 90°C, durchströmt wird und der zweite Teilabschnitt vom abgekühlten Fluid, z. B. mit einer Fluid-Temperatur von etwa 70°C, durchströmt wird, besteht zwischen den beiden Teilabschnitten 15 und 16 des Kühlkreislaufs 14 eine Temperaturdifferenz von z. B. etwa 20 K. Besonders bevorzugt für die Ausgestaltung der Erfindung sind Temperaturdifferenzen im Bereich von 5 K bis 50 K, besonders bevorzugt 20 K. Die thermische Energie, welche in Form der Temperaturdifferenz zwischen den Teilabschnitten 15 und 16 gespeichert ist, treibt den zweiten Motor 11 an. Es wird durch den zweiten Motor 11 die thermische Energie, welche in der Temperaturdifferenz zwischen den zwei Teilabschnitten 15 und 16 gespeichert ist, in mechanische Energie umgewandelt. Mit dieser mechanischen Energie können ein oder mehrere Aggregate 13, wie z. B. Nebenaggregate 23, d. h. Klimakompressor, Wasserpumpe, Lichtmaschine, oder Hydraulikpumpe, in Kraftfahrzeugen zuverlässig angetrieben werden. Die Temperaturdifferenz zwischen den Teilabschnitten 15 und 16 des Kühlkreislaufs 14 ist weniger abhängig von Umwelteinflüssen, als z. B. die im Stand der Technik übliche Verwendung der Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsluft und der warmen Seite eines Kühlkreislaufs. Geringere Schwankungen in der Temperaturdifferenz, welche genutzt wird vom zweiten Motor zur Umwandlung in bzw. zur Erzeugung von mechanischer Energie, führen zu einem zuverlässigeren und zeitlich konstanteren Antrieb des mindestens einen Aggregats 13. Damit kann auf eine zusätzliche Antriebseinheit, wie sie z. B. ein Elektromotor darstellt, für das Aggregat 13 verzichtet werden. Wahlweise kann aber auch im Rahmen der Erfindung eine zusätzliche Antriebseinheit, besonders bevorzugt ein von der Batterie gespeister Elektromotor, für die Aggregate 13 zur Verfügung gestellt sein, um z. B. beim In-Betrieb-Nehmen des ersten Motors die Zeit bis zu seiner Erwärmung auf Betriebstemperatur zu überbrücken.
Bei dem in 2 dargestellten Kühlkreislauf 14 handelt es sich an sich um einen handelsüblichen Kühlkreislauf, welcher aus Rohren oder Schläuchen z. B. aus Metall oder polymeren Verbindungen wie Kautschuk, PVC, PTFE und Mischungen davon zusammengesetzt ist. Der direkte mechanische Kontakt zwischen dem zweiten Motor und den Teilabschnitten 15 und 16 des Kühlkreislaufs kann in einem direkten Löt- oder Schweißkontakt des Metallgehäuses des zweiten Motors 11 und Metallleitungen des Kühlkreislaufes 14 bestehen. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. So bestehen für die Herstellung eines direkten mechanischen Kontaktes auch weitere Möglichkeiten, wie z. B. das Kleben von Schläuchen aus polymeren Werkstoffen, das Kleben von Metallflächen, das Verschrauben oder das Klemmen von Polymer- oder Metallrohren bzw. Schläuchen. Eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten ist denkbar. So kann für einen besseren Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Motor und dem Kühlsystem auch die Verwendung von Kühl- oder Wärmeaustauschflächen, zwischengeschaltet zwischen dem zweiten Motor und den Teilbereichen 15 und/oder 16 des Kühlkreislaufes, verwendet werden. Kühl- oder Wärmeaustauschflächen können z. B. aus glatten oder Profil-Blechen bestehen. Eine Möglichkeit für die verbesserte Wärmeleitung über einen direkten mechanischen Kontakt stellt auch die Verwendung von Wärmeleitpaste dar.
In 3 ist die in 2 schematisch dargestellte Ausführungsform nach der Erfindung detaillierter im Rahmen einer speziellen Ausführungsform wiedergegeben. Dabei wird als zweiter Motor ein Stirlingmotor 21 verwendet. Dieser ist in einem Kühlkreislauf 24, welcher einen Verbrennungsmotor 20 und eine Kühleinrichtung 22 verbindet, zwischengeschaltet. Bei der Kühleinrichtung 22 handelt es sich um einen handelsüblichen Kühler in Kraftfahrzeugen. Dieser wird z. B. durch den Fahrtwind gekühlt und stellt eine möglichst große Kontaktfläche zwischen der kalten Luft und der Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, her. Damit wird ein guter Wärmeübertrag der in der Kühlflüssigkeit gespeicherten Wärme an die Umgebungsluft erreicht. Der Verbrennungsmotor 20, welcher sich im Kühlkreislauf 24 befindet, wird teilweise durch die Kühlflüssigkeit durchströmt bzw. umströmt oder steht zumindest in thermischem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit. Dabei gibt er Wärme an die Kühlflüssigkeit ab, die Temperatur der Kühlflüssigkeit wird von einer Ausgangstemperatur T₀ auf eine Temperatur T₁ erhöht. Die Kühlflüssigkeit strömt mit der Temperatur T₁ vom Verbrennungsmotor 20 in Richtung Stirlingmotor 21, wobei sie sich etwas in den Leitungen abkühlen kann. Um eine bessere Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors 20 zu erreichen, können die Zu- und/oder Ableitungen, in welchen die Kühlflüssigkeit strömt, wärmeisoliert sein. Damit kann erreicht werden, dass z. B. die Kühlflüssigkeit beim Strömen vom Verbrennungsmotor 20 zum Stirlingmotor 21 im Wesentlichen die Temperatur T₁ beibehält. Ein Teil der Wärmemenge, welche in der Kühlflüssigkeit mit der Temperatur T₁ gespeichert ist, gibt diese an den Stirlingmotor 21 ab. Dabei wird eine Seite des Stirlingmotors 21 erwärmt, wodurch sich in seinem Inneren in einer ersten Kammer ein Gas ausdehnen kann. Durch diese Ausdehnung wird mechanische Energie erzeugt, welche einen ersten Kolben 21a in Bewegung setzt und durch Verbindung mit dem ersten Kolben 21a ein Aggregat 23 direkt antreiben kann. Durch Abgabe von Wärmemenge an den Stirlingmotor 21 wird die Kühlflüssigkeit teilweise abgekühlt, insbesondere um einige wenige °C. Die teilweise abgekühlte Kühlflüssigkeit strömt durch Leitungen vom Stirlingmotor 21 zum Kühler 22, wo die Kühlflüssigkeit beim Durchströmen des Kühlers 22 weiter abgekühlt wird, z. B. auf eine Temperatur von etwa 70°C. Die abgekühlte Kühlflüssigkeit strömt durch Leitungen vom Kühler zu einer zweiten Seite des Stirlingmotors 21. Die Kühlflüssigkeit kühlt die zweite Seite des Stirlingmotors 21, wodurch in einer zweiten Kammer des Stirlingmotors 21 ein Gas abgekühlt wird. Das Volumen des Gases verkleinert sich in der Kammer, wodurch mechanische Energie erzeugt wird, indem ein zweiter Kolben 21b bewegt wird. Durch Kopplung des zweiten Kolbens 21b mit dem Aggregat 23 und/oder einem weiteren Aggregat, kann dieses bzw. können diese direkt angetrieben werden. Die Funktionsweise des beschriebenen Stirlingmotors 21 entspricht der gebräuchlichen Arbeitsweise von Stirlingmotoren. Es kann deshalb auf eine genauere Erläuterung dieser Arbeitsweise im Weiteren verzichtet werden. Die Kühlung des Gases im Stirlingmotor 21 durch dir Kühlflüssigkeit entzieht der Kühlflüssigkeit Wärmemenge, und diese kühlt sich um einige °C weiter ab. Die abgekühlte Kühlflüssigkeit strömt über Leitungen vom Stirlingmotor 21 zum Verbrennungsmotor 20, wo sie wieder erwärmt wird, z. B. von 70°C auf 90°C. Durch den beschriebenen Aufbau entsteht ein geschlossener Kühlkreislauf 24, welcher aus mindestens zwei Teilabschnitten mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen besteht. Die Temperaturdifferenz zwischen den Teilabschnitten bestimmt die Wärmemenge, welche vom Stirlingmotor 21 teilweise oder vollständig genutzt werden kann, um mechanische Energie zu erzeugen. Eine maximale Temperatur im Kühlkreislauf 24 beträgt etwa 115°C. Übliche Temperaturdifferenzen zwischen den zwei Teileabschnitten betragen um die 20 K. Unter Erzeugung von mechanischer Energie ist in diesem Zusammenhang die Umwandlung von thermischer Energie, in Form einer Temperaturdifferenz, in mechanische, d. h. Bewegungsenergie, zu verstehen.
Mit dem beschriebenen Aufbau wird die Abwärme, welche der Verbrennungsmotor 20 produziert, teilweise an die Umgebung abgegeben und zum Teil in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Bewegungsenergie wird durch Wellen oder Hubeinrichtungen an Aggregate 23 wie z. B. Klimakompressor, Wasserpumpe, Lichtmaschine, oder Hydraulikpumpe übertragen.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass thermische Energie direkt in mechanische Energie umgewandelt wird, welche zum Antreiben der Aggregate 4, 13, 23 dient. Energieverluste, welche z. B. durch Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und dann in mechanische Energie auftreten können, werden so vermieden. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad der Nutzung der Abwärme und somit des Fahrzeugs. Durch die Nutzung der Abwärme und den höheren Wirkungsgrad kann z. B. in Kraftfahrzeugen Kraftstoff eingespart werden. Der Verbrauch der Kraftfahrzeuge wird verringert, da mechanische Energie vom Verbrennungsmotor 1, 20 erzeugt, nicht zum Antreiben der Aggregate 4, 13, 23 verwendet wird, sondern vollständig der Fortbewegung des Fahrzeuges zur Verfügung steht, d. h. für den Antrieb des Fahrzeuges.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann statt des zuvor beschriebenen Verbrennungsmotors 20 selbstverständlich auch ein Elektromotor eingesetzt sein. Durch die hohe Leistungsaufnahme, welche zum Antrieb eines Fahrzeuges notwendig ist, wird der Elektromotor stark erwärmt und muss analog einem Verbrennungsmotor 20 gekühlt werden. Die entstehende Abwärme kann dann, wie im Falle des Verbrennungsmotors 20 beschrieben, genutzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, welche in den Figuren nicht dargestellt ist, kann es sich bei dem Fahrzeug um ein Hybridfahrzeug handeln, d. h. um ein Fahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug, mit Hybridantrieb. Dabei sind sowohl Verbrennungsmotor 20 als auch Elektromotor mit dem Kühlkreislauf 5, 14, 24 verbunden. Dies kann durch ein Hintereinander-im-Kühlkreislauf 5, 14, 24-Anordnen oder durch ein Parallel-zueinander-Anordnen erfolgen. Dabei können Ventile im Kühlkreislauf 5, 14, 24 angeordnet sein, welche wech selseitig die Kühlung des Verbrennungsmotors 20 und/oder die Kühlung des Elektromotors ein- und ausschalten. Es können aber auch zwei getrennte Kühlkreisläufe 5, 14, 24, verbunden mit einem oder mit mehreren Stirlingmotoren 2, 11, 21, verwendet werden.
Als Stirlingmotoren 2, 11, 21 können bekannte Stirlingmotoren des Alpha-, Beta- oder Gamma-Typs verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf den in 3 beschriebenen Alpha-Typ beschränkt. Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung von unterschiedlichen Stirlingmotoren 2, 11, 21, abhängig von den auftretenden Temperaturunterschieden im Kühlkreislauf 5, 14, 24 und dem Typ der anzutreibenden Aggregate 4, 13, 23.
Die beschrieben Erfindung kann vorteilhaft in Personenkraftfahrzeugen, wie z. B. in Automobilen, Bussen und Bahnen verwendet werden. Weitere vorteilhafte Einsatzgebiete sind Motorräder, Motorroller, Schiffe, Flugzeuge, Raketen und Raumfahrzeuge. Eine kompakte Bauweise des Kühlsystems und eine geringere Dimensionierung des ersten Motors auf Grund seiner höheren Effizienz, welche durch die Nutzung der Abwärme möglich wird, erlauben eine besonders gute Nutzung des Kraftstoffs der Fahrzeuge und geringeren Platzverbrauch gegenüber herkömmlicher Bauweise.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- GB 2437309 A1 [0001, 0004]

Claims

Vorrichtung zum Antreiben mindestens eines Aggregates (13), – mit einem ersten Motor (10), – mit einer Kühleinrichtung (3, 12, 22) zur Kühlung des ersten Motors (10), und – mit einem Kühlkreislauf (5, 14, 24), bestehend aus mindestens einem ersten Teilabschnitt (15), der sich vom ersten Motor (10) bis zur Kühleinrichtung (3, 12, 22) erstreckt und ein Medium mit einer Temperatur T₁ enthält, und bestehend aus mindestens einem zweiten (16), vom ersten unterschiedlichen Teilabschnitt (15), der sich von der Kühleinrichtung (3, 12, 22) bis zum ersten Motor (10) erstreckt und ein Medium mit einer Temperatur T₂ enthält, wobei die Temperatur T₁ größer als die Temperatur T₂ ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweiter Motor (11) in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen ersten Teilabschnitt (15) des Kühlkreislaufs (5, 14, 24) und mit dem mindestens einen zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (16) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Motor (10) ein Verbrennungsmotor (1, 20) und/oder ein Elektromotor ist und der zweite Motor (11) ein Stirlingmotor (2, 21) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Aggregat (13) ein Nebenaggregat (23) in einem Fahrzeug ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Personenkraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug mit Hybridantrieb ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium aus einem Fluid besteht und/oder ein Fluid enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser, Öl oder ein Gemisch von beiden enthält oder daraus besteht.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Kontakt zwischen dem zweiten Motor (11) und dem mindestens einen ersten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (15) und/oder dem mindestens einen zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (16) auf einen direkten mechanischen Kontakt mit dem Medium und/oder das Medium enthaltende Bestandteile des Kühlkreislaufs (5, 14, 24) beruht.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Temperatur des Mediums im ersten Teilabschnitt (15) und der Temperatur des Mediums im zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (16) eine Temperaturdifferenz im Bereich von 5 K bis 50 K, besonders bevorzugt 20 K, besteht.
Verfahren zur Nutzung einer Temperaturdifferenz in einem Medium für den Antrieb von Aggregaten (13), wobei ein erster Motor (10) die Temperatur des Mediums von einer Ausgangstemperatur auf eine erste Temperatur T₁ erhöht, eine Kühleinrichtung (3, 12, 22) die Temperatur des Mediums auf eine zweite Temperatur T₂ erniedrigt, wobei die zweite Temperatur T₂ kleiner als die erste Temperatur T₁ ist, und das Medium durch einen Kühlkreislauf (5, 14, 24) strömt, welcher über mindestens einen ersten Teilabschnitt (15) den ersten Motor (10) mit der Kühleinrichtung (3, 12, 22) verbindet, und welcher über mindestens einen zweiten (16), vom ersten unterschiedlichen Teilabschnitt (15) die Kühleinrichtung (3, 12, 22) mit dem ersten Motor (10) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass thermische Energie in Form einer Temperaturdifferenz zwischen dem mindestens einen ersten Teilabschnitt (15) und dem mindestens einen zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (16) in mechanische Energie mit Hilfe eines zweiten Motors (11) umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Mediums durch die Abwärme des ersten Motors (10), insbesondere eines Verbrennungsmotors (1, 20) und/oder eines Elektromotors, erhöht wird und die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie mit Hilfe des zweiten Motors (11) durch einen Stirlingmotor (2, 21) erfolgt, welcher die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Mediums im ersten Teilabschnitt (15) und der Temperatur des Mediums im zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (16) nutzt, und die Kühleinrichtung (3, 12, 22) mit Hilfe von Luft gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der mechanischen Energie, welche durch den zweiten Motor (11) erzeugt wird, direkt oder indirekt als Aggregate (13) Nebenaggregate (23) in einem Fahrzeug angetrieben werden, insbesondere Klimakompressoren, Wasserpumpen, Lichtmaschinen, oder Hydraulikpumpen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, die Abwärme eines Verbrennungsmotors (1, 20) und/oder eines Elektromotors die Temperatur des Mediums im Kühlkreislauf (5, 14, 24) von einer Ausgangstemperatur her erhöht und das Medium in der Kühleinrichtung (3, 12, 22) mit Hilfe von Luft und/oder einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Öl, wieder auf die Ausgangstemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium, insbesondere ein Fluid, besonders bevorzugt Wasser, 61 oder Luft, durch den Kühlkreislauf (5, 14, 24) im ersten Teilabschnitt (15) vom ersten Motor (10) zur Kühleinrichtung (3, 12, 22) strömt und im zweiten Teilabschnitt (16) von der Kühleinrichtung (3, 12, 22) zum ersten Motor (10) strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Motor (11) und der mindestens eine erste Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (15) und/oder der mindestens eine zweite Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (16) in direktem mechanischen und thermischen Kontakt steht bzw. stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Temperaturdifferenz im Bereich von 5 K bis 50 K, besonders bevorzugt 20 K, welche zwischen der Temperatur des Mediums im ersten Teilabschnitt (15) und der Temperatur des Mediums im zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (16) besteht, mechanische Energie gewonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Motor (10) das Medium von einer Ausgangstemperatur im Bereich von 70°C auf eine erste Temperatur im Bereich von 90°C erwärmt, das Medium den ersten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (15) im Wesentlichen mit der ersten Temperatur vom ersten Motor (10) zur Kühleinrichtung (3, 12, 22) durchströmt, das Medium in der Kühleinrichtung (3, 12, 22) auf eine zweite Temperatur im Bereich von 70°C abgekühlt wird, und das Medium den zweiten Teilabschnitt des Kühlkreislaufs (16) von der Kühleinrichtung (3, 12, 22) zum ersten Motor (10) im Wesentlichen mit der zweiten Temperatur durchströmt, wobei der zweite Motor (11) die Temperaturdifferenz zwischen erster und zweiter Temperatur im Bereich von 20 K nutzt, um mechanische Energie zu erzeugen.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Fahrzeug der Gattung Motorrad, Motorroller, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bus, Straßenbahn, Lokomotive, Schiff, Flugzeug, Rakete oder Weltraumfahrzeug.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Antrieb für ein Aggregat (13) der Ausgestaltungsform Klimakompressor, Wasserpumpe, Lichtmaschine, oder Hydraulikpumpe.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Hybridfahrzeug handelt und das Medium mit dem Elektromotor und/oder dem Verbrennungsmotor (1, 20) in thermischen Kontakt steht.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 17 in einem Fahrzeug der Gattung Motorrad, Motorroller, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bus, Straßenbahn, Lokomotive, Schiff, Flugzeug, Rakete oder Weltraumfahrzeug.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 17 als Antrieb für ein Aggregat (13) der Ausgestaltungsform Klimakompressor, Wasserpumpe, Lichtmaschine, oder Hydraulikpumpe.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Hybridfahrzeug handelt und das Medium mit dem Elektromotor und/oder dem Verbrennungsmotor (1, 20) in thermischen Kontakt steht.