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Technisches Gebiet
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Das technische Gebiet betrifft allgemein die Erzeugung von elektrischer Energie für Fahrzeuge, und insbesondere einen Stirling-Motor, welcher durch Entnahme von Wärme von einem Abgassystem eines Fahrzeuges elektrische Energie bereitstellen kann.
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Hintergrund
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Fahrzeugentwickler sind kontinuierlich auf der Suche nach Techniken zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Fahrzeug-Betriebszustandes. Einige Verbesserungen wurden unternommen, um während des Fahrzeugbetriebes weniger Energie zu verbrauchen, während andere Lösungen versuchen, während des Fahrzeugbetriebes verbrauchte bzw. verlorengegangene Energie wiederzugewinnen. Beispielsweise gehen etwa 80% der vom Fahrzeugkraftstoff bereitgestellten Energie durch schlechte Energieausnutzungen einer Verbrennungskraftmaschine verloren, wobei die 80% an Energie teilweise im Abgassystem stecken, und zwar in der Form von ungenutzter Wärme bzw. Hitze. Da ein Energieverlust nicht wünschenswert ist, wäre es vorteilhaft, die Wärmeenergie, welche herkömmlicherweise während eines Fahrzeugbetriebszustandes verschwendet wird, wieder zu gewinnen.
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Ein Stirling-Motor funktioniert mittels eines Temperaturunterschiedes zwischen einer warmen Seite und einer kühlen Seite des Motors. 1–4 sind Teil-Querschnittsansichten, welche den grundsätzlichen Betrieb eines herkömmlichen Stirling-Motors darstellen. Mit Bezug auf 1 ist der Stirling-Motor 10 in einer Phase des Entspannens dargestellt. Ein Zylinder 12 ist mit einer Wärmequelle 14 an einem Ende des Zylinders 12 und mit einer Kühlquelle 16 an einem entgegengesetzten Ende angeordnet. Ein Kolben 18 wird innerhalb des Zylinders 12 aufgrund des Erwärmens und Kühlens von Gasen 24 innerhalb des Zylinders 12 zum Bewegen gebracht. Ein Verschiebestück 22 hilft beim Bewegen der Gase 24 zwischen der Wärmequelle 14 (der warmen Seite des Stirling-Motors 10) und der Kühlquelle 16 (der kühlen Seite des Stirling-Motors 10). Der Kolben 18 ist mit einer Schwungscheibe (nicht dargestellt) mittels einer Stange 20 gekoppelt, so dass der Stirling-Motor 10 Arbeit über die Hin- und Herbewegung des Kolbens 18 innerhalb des Zylinders erzeugen kann, wie es gemeinhin bekannt ist. Ein Merkmal der Arbeit eines Stirling-Motors ist es, die mechanische Bewegung des Kolbens 18 in elektrische Energie umzuwandeln, und zwar indem der Stirling-Motor 10 einen Generator antreibt.
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In der Phase des Zusammenziehens haben sich die Gase 24 in der Nähe der Kühlquelle 16 angesammelt und ziehen sich aufgrund der Wärmeabgabe der Gase zusammen. Die Kühlquelle 16 kann eine Wärmesenke sein (z. B. Kühlrippen) oder eine aktive Kühlquelle, wie z. B. ein Kühlfluid, welches um das Kühlende des Stirling-Motors 10 herum gepumpt wird. Die sich zusammenziehenden Gase 24 ziehen den Kolben 18 in den Zylinder 12, wie durch den Pfeil 26 angedeutet ist.
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Nunmehr mit Bezug auf 2 wird die Übergangsphase des Stirling-Motors 10 dargestellt. In der Übergangsphase bewegt sich das Verschiebestück 22 hin zu der kühlen Seite des Stirling-Motors 10 (wie durch den Pfeil 28 angedeutet), was die Gase 24 hin zu der warmen bzw. heißen Seite des Stirling-Motors treibt. Dies positioniert die Gase 24 über der Wärmequelle 14, so dass sie, wie in 3 dargestellt ist, in der Ausdehnungsphase erhitzt werden können.
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Wie in 3 dargestellt ist, dehnen sich die Gase 24 bei Erhitzen durch die Wärmequelle 14 aus. Die Wärmequelle 14 kann jede Art von Wärmequelle sein, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, eines Kraftstoffverbrenners oder die Abgase einer Kraftstoff-Verbrennungsmaschine, wie z. B. eine interne Verbrennungskraftmaschine. Die sich ausdehnenden Gase 24 treiben den Kolben 18 nach außen, wie durch den Pfeil 30 angedeutet ist.
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Nunmehr mit Bezug auf 4 ist der letzte Betriebsschritt eines Stirling-Motors, die Gase 24 wieder zu transferieren. In diesem Transferierungs-Schritt wird das Verschiebestück 22 (angedeutet durch den Pfeil 32) mittels der Schwungscheibe (nicht dargestellt) in den Zylinder 12 bewegt, was die Gase 24 hin zu der kühlen Seite des Stirling-Motors 10 treibt, so dass der Zyklus erneut, wie in Verbindung mit 1 beschrieben, beginnen kann.
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Somit könnte ein Stirling-Motor verwendet werden, um einen Anteil der ansonsten im Abgassystem verlorengegangenen Wärmeenergie von heutigen Motorfahrzeugen wiederzugewinnen. Jedoch unterliegen heutige Fahrzeuge Emissions-Kontroll- bzw. Steuer-Standards, welche während des Fahrzeugsbetriebes eingehalten werden müssen. Einige Emissions-Steuersysteme müssen eine gewisse Betriebstemperatur erreichen, um vollständig wirksam zu sein, wobei diese Betriebstemperatur im Allgemeinen durch Erhitzen durch die Abgase erzielt wird. Daher könnte ein Stirling-Motor in dem Maße Wärmeenergie von den Abgasen zurückgewinnen, so dass das Emissions-Steuersystem nicht die beabsichtigte Betriebstemperatur erzielt, um während des Fahrzeugbetriebes die Emissions-Kontroll- bzw. Steuer-Standards in wirksamer Weise aufrecht zu erhalten.
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Dementsprechend wäre es wünschenswert, ein System und ein Verfahren bereit zu stellen, und zwar für eine Integration eines Stirling-Motors in ein Fahrzeug zur Erzeugung von elektrischer Energie, während die Fahrzeug-Emissionserfordernisse aufrecht erhalten werden. Zusätzlich werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Offenbarung aus der folgenden Beschreibung in Verwendung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
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Zusammenfassung
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Gemäß einiger beispielhafter Ausführungsformen wird ein Stirling-Motor in ein Abgassystem eines Fahrzeuges integriert. Das System umfasst einen mit einem Kühlsystem und einem Abgassystem gekoppelten Motor. Ein Emissions-Steuersystem ist mit dem Abgassystem gekoppelt. Ein Stirling-Motor weist ein Ende auf, welches mit dem Kühlsystem gekoppelt ist, und ein anderes Ende, welches wahlweise mit dem Abgassystem zwischen dem Motor und dem Emissions-Steuersystem gekoppelt ist, wobei der Motor dazu ausgebildet ist, durch von dem Abgasstrom entnommener Wärme bzw. Hitze angetrieben zu werden. Der Stirling-Motor treibt einen Generator für elektrische Energie an, welche elektrische Energie zur Speicherung in einem Energiespeichersystem bereitstellt.
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Gemäß beispielhafter Ausführungsformen wird ein Verfahren bereitgestellt, und zwar zum Betreiben eines in ein Abgassystem eines Fahrzeuges integrierten Stirling-Motors. Das Verfahren umfasste ein Steuern eines Ventils, um einen Abgasstrom auf ein Emissions-Steuersystem zu lenken, bis ein vorbestimmter Zustand eintritt. Ebenso wird das Ventil derart gesteuert, um den Abgasstrom auf den Stirling-Motor zu lenken, nachdem der vorbestimmte Zustand auftritt. Auf diese Weise wird der Stirling-Motor durch von dem Abgasstrom entnommener Wärme bzw. Hitze betrieben, so dass der Stirling-Motor einen Generator antreiben kann, um elektrische Energie zur Speicherung in einem Energiespeichersystem zu erzeugen.
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Beschreibung der Bezeichnungen
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Der Gegenstand wird hiernach in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten und:
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1–4 nützliche Darstellungen zum Verständnis des grundlegenden Betriebes eines herkömmlichen Stirling-Motors sind;
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5 ein Blockdiagramm eines in ein Abgassystem eines Fahrzeuges integrierten Stirling-Motors gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist; und
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6 ein Flussdiagramm ist, welches ein Verfahren gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
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Die folgende detaillierte Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll den Gegenstand der Offenbarung bzw. seiner Verwendungen nicht beschränken. Weiterhin soll es keine Beschränkung durch irgendeine explizit oder implizit in dem vorangegangenen technischen Gebiet, Hintergrund, kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellten Theorie geben.
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In diesem Dokument sollen aufeinander bezogene Ausdrücke, wie z. B. erster und zweiter und dergleichen lediglich verwendet werden, um eine Einheit bzw. Maßnahme bzw. Schritt von einer anderen Einheit oder Maßnahme bzw. Schritt zu unterscheiden, ohne notwendigerweise eine solche tatsächliche Beziehung bzw. Reihenfolge zwischen solchen Einheiten oder Maßnahmen bzw. Schritten zu erfordern bzw. zu implizieren. Numerische Begriffe, wie z. B. „erster”, „zweiter”, „dritter” usw., bezeichnen lediglich unterschiedliche einzelne Elemente einer Mehrzahl und implizieren keine Reihenfolge bzw. Sequenz, es sei denn, es ist durch die Anspruchsprache besonders definiert.
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Zusätzlich bezieht sich die folgende Beschreibung auf Elemente bzw. Merkmale, welche miteinander „verbunden” bzw. „gekoppelt” sind. Wie hierin verwendet, kann „verbunden” bedeuten, dass ein Element/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Merkmal verbunden ist (bzw. in direkter Kommunikation damit steht), und zwar nicht notwendigerweise in mechanischer Hinsicht. Ebenso kann „gekoppelt” bedeuten, dass ein Element/Merkmal direkt bzw. indirekt mit einem anderen Element/Merkmal verbunden ist (bzw. direkt oder indirekt damit in Kommunikation steht), und zwar nicht notwendigerweise in mechanischer Hinsicht. Jedoch wird davon ausgegangen, dass, obwohl zwei unten beschriebene Elemente in einer Ausführungsform als „verbunden” dargestellt sein können, ähnliche Elemente in alternativen Ausführungsformen „gekoppelt” sein können, und umgekehrt. Daher können, obwohl die hierin gezeigten schematischen Diagramme beispielhafte Anordnungen von Elementen zeigen, in einer tatsächlichen Ausführungsform zusätzliche wechselwirkende Elemente, Einrichtungen, Merkmale bzw. Komponenten vorhanden sein.
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Schließlich sollen aus Gründen der Kürze herkömmliche Techniken und Komponenten, welche sich auf mechanische und elektrische Fahrzeugteile und andere funktionale Aspekte des Systems (und die individuellen Betriebskomponenten des Systems) beziehen, hierin nicht im Detail beschrieben werden. Weiterhin sollen in verschiedenen hierin enthaltenen Figuren dargestellte Verbindungslinien beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder physische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es wird darauf hingewiesen, dass viele alternative bzw. zusätzliche funktionelle Beziehungen bzw. physische Verbindungen in einer Ausführungsform der Offenbarung vorhanden sein können.
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Nunmehr mit Bezug auf die Figuren, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bedeuten, zeigt 5 ein Fahrzeug 100 einschließlich der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Fahrzeug 100 kann eine beliebige Anzahl verschiedener Arten von Fahrzeugen sein, wie z. B. eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Sports Utility Vehicle (SUV), und kann Zweiradantrieb (2WD), Vierradantrieb (4WD) bzw. Allradantrieb (AWD) aufweisen. Das Fahrzeug 100 kann ebenso eine beliebige Art bzw. Kombination davon einer Anzahl verschiedener Arten von Motoren aufweisen, wie z. B. eine mit Benzin- bzw. Diesel-Kraftstoff betriebene Verbrennungskraftmaschine, einen Gemischt-Kraftstoff-Fahrzeugmotor (FFV) (d. h. unter Verwendung einer Mischung von Benzin und Äthanol), einen mit einem Gasgemisch (z. B. Wasserstoff- und/oder Erdgas) betriebenen Motor, einen Hybridmotor bestehend aus einer Kombination von Verbrennungskraftmaschine und Elektromotor sowie lediglich einen Elektromotor.
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In der in 5 dargestellten Ausführungsform ist das Fahrzeug 100 ein Hybrid-Elektrofahrzeug, welches sowohl eine interne Verbrennungskraftmaschine 102 als auch einen Elektromotor 104 umfasst. Die interne Verbrennungskraftmaschine 102 und/oder der Elektromotor 104 können derart integriert sein, so dass einer bzw. beide mechanisch mit wenigstens einigen der Räder 106 über eine oder mehrere Antriebswellen 108 gekoppelt sind. Ebenso sind in den beispielhaften Ausführungsformen ein Energiespeichersystem 110 (z. B. eine Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von wieder aufladbaren Batteriezellen), ein Wechselrichter 112 und ein Kühlsystem 114 enthalten. Die interne Verbrennungskraftmaschine 102, der Elektromotor 104, das Energiespeichersystem 110 und der Wechselrichter 112 stehen in betrieblicher Verbindung mit dem Steuersystem 116. Das Steuersystem 116 kann verschiedene Sensoren und Fahrzeugsteuermodule bzw. elektronische Steuereinheiten (ECU) enthalten, wie z. B. ein Wechselrichtersteuermodul und eine Fahrzeugsteuerung. Das Energiespeichersystem 110 kann derart ausgebildet sein, dass der Wechselrichter 112 mit Hochspannungs-Gleichstrom(DC)-Energie versorgt wird, was einen dreiphasigen Schaltkreis (nicht dargestellt) umfassen kann, welcher mit dem Elektromotor 104 gekoppelt ist, um die Gleichstrom-Energie in Wechselstrom(AC)-Energie umzuwandeln.
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Das Kühlsystem 114 ist mit einem Fahrzeugkarosserieteil an einem Außenabschnitt davon verbunden und, obwohl dies nicht im Detail dargestellt ist, umfasst mehrere Kühlkanäle darin, welche ein Arbeitsfluid wie z. B. Wasser und/oder Äthylenglykol enthalten. Das Kühlsystem 114 ist mit der internen Verbrennungskraftmaschine 102 und dem Wechselrichter 112 jeweils über Kühlpfade 118 und 120 gekoppelt.
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Gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist das Kühlsystem 114 ebenso mit einem Stirling-Motor 122 über einen Einlass-Kühlpfad 124 und einen Rücklauf-Kühlpfad 126 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen kann das Kühlsystem 114 mit einem Hochtemperatur-Kühlsystem für die interne Verbrennungskraftmaschine 102 und einem Niedrigtemperatur-Kühlsystem für den Stirling-Motor 122 sowie weitere Komponenten des Fahrzeuges 100 umgesetzt sein. Das zugeführte Kühlmittel hält die kühle Seite des Stirling-Motors 122 auf etwa der Kühltemperatur, was eine ausreichende Temperaturdifferenz von der warmen bzw. heißen Seite des Stirling-Motors bereitstellt, um einen oder mehrere Kolben (nicht dargestellt) innerhalb des Stirling-Motors 122 anzutreiben, wie es der Fachmann bevorzugen wird. Um die Wärmequelle für die heiße bzw. warme Seite des Stirling-Motors bereitzustellen, wird der Stirling-Motor 122 normalerweise mittels eines Ventils 130 mit dem Abgassystem 128 gekoppelt, so dass Abgase wahlweise zum Stirling-Motor 122 gelenkt werden können, um die heiße bzw. warme Seite des Stirling-Motors unter Verwendung der Wärme vom Abgasstrom zu erzeugen. Das Ventil 130 wird durch die Steuerung 116 betrieben, welche den Stirling-Motor 122 wahlweise mit dem Abgassystem 128 koppelt, und zwar aufgrund von Kriterien, welche unten detaillierter erläutert sind.
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Das Fahrzeug 100 umfasst ebenso eine Emissions-Kontroll- bzw. Steuer-Einrichtung 132, welche in einigen Ausführungsformen ein katalytischer Umwandler sein kann. In anderen Ausführungsformen können Emissions-Steuereinrichtungen, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Dieseloxidationskatalysatoren, Kohlenwasserstoffabsorber, selektive katalytische Reduktions-Einrichtungen, Partikelfilter (einschließlich Dieselpartikelfilter) oder andere Emissions-Steuersysteme in einer beliebigen Ausführungsform verwendet werden. Es wird bevorzugt, dass aus dem Auspuff 128'-Abschnitt des Abgassystems 128 austretende Emissionen innerhalb Emissionsgrenzwerten gehalten werden müssen. Dementsprechend steuert die Steuerung 116 das Ventil 130 in der Weise, um den Stirling-Motor 122 zu umgehen, und zwar so lange, wie das Emissions-Steuersystem eine gewünschte Betriebstemperatur erreicht. In einer Ausführungsform lässt die Steuerung 116 eine Zeitdauer vom Start der internen Verbrennungskraftmaschine 102 zu, welche endet, bevor das Ventil derart gesteuert wird, um den Abgasstrom auf den Stirling-Motor 122 zu lenken. Die Zeitdauer wird derart ausgewählt, um dem Emissions-Steuersystem 132 ausreichend Zeit zu geben, um die gewünschte Betriebstemperatur zu erzielen, wobei die Zeitdauer deshalb von Fahrzeugmodell zu Fahrzeugmodell variieren wird. In weiteren Ausführungsformen kann ein Temperatursensor 134 mit dem Emissions-Steuersystem 132 gekoppelt sein (bzw. darin integriert sein), um die Temperatur des Emissions-Steuersystems 132 für die Steuerung 116 bereitzustellen.
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In noch weiteren Ausführungsformen kann ein Emissionssensor 136 mit dem Abgassystem 128 gekoppelt sein, um für die Steuerung 116 Emissionsdaten bereitzustellen, um zu bestimmen, wann das Ventil 130 zu betreiben ist, um den Abgasstrom auf den Stirling-Motor 122 zu lenken.
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Wenn der Stirling-Motor 122 mit dem Abgassystem 128 gekoppelt ist, stellt Wärme bzw. Hitze von den Abgasen eine Wärmequelle für den Stirling-Motor 122 bereit. Die kühle Seite des Stirling-Motors wird wie oben erläutert durch das Kühlsystem 114 bereitgestellt. Es wird bevorzugt, dass die Temperaturdifferenz zwischen der kühlen Seite und der heißen Seite des Stirling-Motors den Stirling-Motor 122 antreibt, welcher wiederum einen Umrichter 138 (bzw. einen anderen Generator, welcher entweder vom Stirling-Motor 122 getrennt ist oder in diesem integriert ist) antreibt, um elektrische Energie zur Speicherung in dem Energiespeichersystem 110 des Fahrzeuges 100 zu erzeugen.
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Es wird bevorzugt, dass das Emissions-Steuersystem 132 für eine beabsichtigte Wirkungsweise auf Betriebstemperatur gebracht werden muss. Dementsprechend betreibt das Steuersystem 116 das Ventil 130 in der Weise, so dass ein auftreffender Abgasstrom den Stirling-Motor 122 umgeht (wahlweise davon entkoppelt), bis ein bestimmter Zustand eintritt oder für eine ausreichend lange Zeitdauer, so dass das Emissions-Steuersystem 132 in geeigneter Weise funktionieren kann. Bei Bestimmung, dass das Emissions-Steuersystem 132 eine Betriebstemperatur erreicht hat, betreibt das Steuersystem 116 in jeder der beispielhaften Ausführungsformen das Ventil 300 derart, um den Abgasstrom vom Abgassystem 128 auf den Stirling-Motor 122 zu lenken. Beim Auftreten dieses Zustandes nimmt der Stirling-Motor 122 über den Einlass 140 Wärme vom Abgassystem auf und gibt über den Auslass 142 Abgase an das Abgassystem wieder zurück. Im Ergebnis steigt die Temperatur der warmen Seite des Stirling-Motors 122, bis ein ausreichender Unterschied zu der kühlen Seite des Stirling-Motors 122 existiert, welche wie oben erläutert gekühlt wird. Der Temperaturunterschied treibt dann den Stirling-Motor 122 an, welcher wiederum den Generator 138 antreibt.
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6 stellt ein Flussdiagramm dar, welches für ein Verständnis eines beispielhaften Verfahrens 200 der vorliegenden Offenbarung hilfreich ist. Die unterschiedlichen Aufgaben, welche in Verbindung mit dem Verfahren 200 aus 6 ausgeführt werden, können mittels Software, Hardware, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon ausgeführt werden. Zum Zwecke der Darstellung kann sich die folgende Beschreibung des Verfahrens aus 6 auf Elemente beziehen, welche oben in Verbindung mit 5 erwähnt worden sind. In der Praxis können Abschnitte des Verfahrens 200 aus 6 von verschiedenen Elementen des beschriebenen Systems ausgeführt werden. Es wird ebenso bevorzugt, dass das Verfahren aus 6 eine beliebige Anzahl zusätzlicher oder alternativer Aufgaben umfassen kann, und dass das Verfahren aus 6 in eine umfassendere Prozedur bzw. Vorgang mit zusätzlicher Funktionalität eingegliedert sein kann, welche hierin nicht im Detail beschrieben ist. Überdies könnten eine bzw. mehrere der in 6 gezeigten Aufgaben von einer Ausführungsform des Verfahrens 200 aus 6 weggelassen werden, solange die beabsichtigte Gesamt-Funktionalität erhalten bleibt.
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Die Routine startet bei Schritt 202, wo ein Starten des Motors (z. B. ein Starten der internen Verbrennungskraftmaschine 102, siehe 5) erkannt wird. Als nächstes bestimmt Entscheidungsschritt 204, ob ein Zustand zum Koppeln des Stirling-Motors (122 in 5) mit dem Abgassystem (128 in 5) erkannt wurde, so dass der Stirling-Motor 122 von einem Abgasstrom umströmt werden kann. Ein solcher Zustand könnte der Ablauf eines Zeitintervalls sein, wobei bestimmt wird, dass das Emissions-Steuersystem (132 in 5) innerhalb einer Betriebstemperatur ist oder dass die Abgasemissionen unterhalb eines Schwellenwertes sind (gemessen mittels Emissionssensor 136 in 5). Falls der Zustand nicht eingetreten ist, fährt Schritt 206 fort, um den Abgasstrom um den Stirling-Motor 122 herum zu lenken.
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Im Gegensatz dazu, falls im Entscheidungsschritt 204 bestimmt worden ist, dass der Zustand eingetreten ist, wird in Schritt 208 veranlasst, dass der Stirling-Motor durch Betreiben des Ventils (130 in 5) betrieben wird, um den Stirling-Motor 122 mit dem Abgassystem 128 zu koppeln, so dass der Stirling-Motor 122 den Generator (138 in 5) antreiben kann, um Energie zur Speicherung im Energiespeichersystem (110 in 5) zu erzeugen. Entscheidungsschritt 210 bestimmt, ob die interne Verbrennungskraftmaschine (102 in 5) abgeschaltet ist, in welchem Fall die Routine endet (Schritt 212). Jedoch führt eine negative Bestimmung im Bestimmungsschritt 210 die Routine zurück zu Entscheidungsschritt 204, welcher bestimmt, ob der Zustand nun nicht in der Lage ist, erkannt zu werden (z. B., da die Temperatur des Emissions-Steuersystems 132 unter einen gewünschten Temperaturschwellenwert gefallen ist). So lange wie das Abgassystem innerhalb der erforderlichen Emissionsgrenzwerte betrieben wird, betreibt der Stirling-Motor 122 den Generator 138, um elektrische Energie zur Verwendung durch das Fahrzeug (100 in 5) und Speicherung im Energiespeichersystem (110 in 5) zu erzeugen.
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Dementsprechend ist ein Stirling-Motor in das Abgassystem eines Fahrzeuges integriert, um ungenutzte Wärmeenergie wieder zu gewinnen und zusätzliche elektrische Energie bereitzustellen, während Emissions-Kontroll- bzw. Steuer-Erfordernisse eingehalten werden. Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangegangenen Zusammenfassung und detaillierten Beschreibung dargestellt worden ist, wird bevorzugt, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es wird ebenso bevorzugt, dass die beispielhafte Ausführungsform bzw. beispielhafte Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und nicht den Umfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration der Offenbarung in irgendeiner Weise beschränken sollen. Vielmehr soll die vorangegangene Zusammenfassung und detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine nützliche Anleitung zur Umsetzung der beispielhaften Ausführungsform bzw. beispielhaften Ausführungsformen zur Verfügung stellen. Es wird davon ausgegangen, dass hinsichtlich Funktion und Anordnung der Elemente verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten wiedergegeben ist.
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Weitere Ausführungsformen
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- 1. System, umfassend:
einen Motor;
ein mit dem Motor gekoppeltes Kühlsystem;
ein mit dem Motor gekoppeltes Abgassystem;
ein mit dem Abgassystem gekoppeltes Emissions-Steuersystem;
einen Stirling-Motor, welcher mit dem Kühlsystem an einem ersten Ende davon gekoppelt ist und wahlweise an einem zweiten Ende mit dem Abgassystem zwischen dem Motor und dem Emissions-Steuersystem gekoppelt ist, und unter Verwendung des Kühlsystems und vom Abgasstrom entnommener Wärme betrieben wird;
einen elektrischen Energiegenerator, welcher mit dem Stirling-Motor gekoppelt und von diesem angetrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen; und
ein Energiespeichersystem, welches mit dem elektrischen Energiegenerator zur Speicherung der vom elektrischen Energiegenerator erzeugten elektrischen Energie gekoppelt ist.
- 2. System nach Ausführungsform 1, weiterhin umfassend ein Ventil, welches mit dem Abgassystem und dem Stirling-Motor gekoppelt ist, und zwar zum wahlweisen Koppeln des Stirling-Motors mit dem Abgassystem.
- 3. System nach Ausführungsform 2, weiterhin umfassend ein Steuersystem, welches mit dem Motor und dem Ventil gekoppelt ist, und zwar zum Steuern, wenn der Abgasstrom auf den Stirling-Motor gerichtet ist.
- 4. System nach Ausführungsform 3, wobei das Steuersystem das Umgehungsventil derart betreibt, um den Abgasstrom auf den Stirling-Motor zu lenken, und zwar nach einer Zeitdauer, welche ausreichend ist, so dass das Emissions-Steuersystem Betriebstemperatur erreicht.
- 5. System nach Ausführungsform 3, weiterhin umfassend einen Emissionssensor, welcher mit dem Emissions-Steuersystem und dem Steuersystem gekoppelt ist, wobei das Steuersystem das Ventil derart betreibt, um den Abgasstrom auf den Stirling-Motor zu lenken, nachdem Abgasemissionen unterhalb eines Schwellenwertes gemessen worden sind.
- 6. System nach Ausführungsform 3, weiterhin umfassend:
einen Temperatursensor, welcher mit dem Emissions-Steuer-System und dem Steuer-System gekoppelt ist, und wobei das Steuer-System das Ventil derart betreibt, den Abgasstrom auf den Stirling-Motor zu lenken, und zwar nachdem eine Temperatur des Emissions-Steuer-Systems oberhalb eines Schwellenwertes gemessen wurde.
- 7. System nach Ausführungsform 1, wobei das Emissions-Steuer-System eine der folgenden Emissions-Steuer-Einrichtungen umfasst: einen katalytischen Umwandler; einen Diesel-Oxidations-Katalysator; einen Kohlenwasserstoff-Umwandler, wahlweise einen Filter zur katalytischen Reduzierung oder einen Diesel-Partikelfilter.
- 8. System nach Ausführungsform 1, wobei der elektrische Energiegenerator einen mit dem Stirling-Motor gekoppelten Umrichter umfasst.
- 9. System nach Ausführungsform 1, wobei das Energiespeichersystem eine Mehrzahl von wieder aufladbaren Batteriezellen umfasst.
- 10. Verfahren, umfassend:
Steuern eines Ventils derart, um einen Abgasstrom von einem Abgassystem eines Fahrzeuges auf ein Emissions-Steuersystem zu lenken, bis ein vorgegebener Zustand eintritt;
Steuern des Ventils derart, um den Abgasstrom auf einen Stirling-Motor zu lenken, nachdem der vorgegebene Zustand eingetreten ist;
Betreiben eines Stirling-Motors mittels von mit dem Abgasstrom entnommener Wärme, und zwar von einer ersten Seite und einer zweiten Seite, welche durch ein Kühlsystem des Fahrzeuges gekühlt wird;
Erzeugen elektrischer Energie mittels eines von dem Stirling-Motor angetriebenen Generators; und
wobei elektrische Energie durch Entnahme von Wärme von dem Abgasstrom erzeugt wird, nachdem der vorgegebene Zustand eintritt.
- 11. Verfahren nach Ausführungsform 10, wobei der vorgegebene Zustand einen Ablauf einer Zeitdauer umfasst, welche ausreichend ist, so dass ein Emissions-Steuersystem des Fahrzeuges eine Betriebstemperatur erreichen kann.
- 12. Verfahren nach Ausführungsform 10, wobei der vorgegebene Zustand einen Schritt des Bestimmens umfasst, dass Emissionen im Abgassystem unterhalb eines Schwellenwertes sind, und zwar gemessen mittels eines Emissionssensors im Abgassystem.
- 13. Verfahren nach Ausführungsform 10, wobei der vorgegebene Zustand einen Schritt des Bestimmens umfasst, dass eine Temperatur eines Emissions-Steuersystems oberhalb eines mittels eines Temperatursensors in dem Emissions-Steuersystem gemessenen Schwellenwertes ist.
- 14. Verfahren nach Ausführungsform 10, weiterhin umfassend einen Schritt des Speicherns der durch den Generator erzeugten elektrischen Energie.
- 15. Fahrzeug, umfassend:
einen Motor;
ein mit dem Motor gekoppeltes Kühlsystem;
ein mit dem Motor gekoppeltes Abgassystem;
ein mit dem Abgassystem gekoppeltes Emissions-Steuersystem;
ein Ventil, welches mit dem Abgassystem zwischen dem Motor und dem Emissions-Steuersystem gekoppelt ist, und zwar zum wahlweisen Ablenken des Abgasstromes;
einen Stirling-Motor, welcher mit dem Kühlsystem an einem ersten Ende davon gekoppelt ist und wahlweise an einem zweiten Ende des Abgassystems mittels des Ventils gekoppelt ist, und dazu ausgebildet ist, unter Verwendung des Kühlsystems sowie von dem Abgasstrom entnommener Wärme betrieben zu werden;
ein Steuersystem, welches zur Steuerung mit dem Ventil gekoppelt ist, wenn der Stirling-Motor wahlweise mit dem Abgassystem gekoppelt ist;
einen elektrischen Energiegenerator, welcher mit dem Stirling-Motor gekoppelt ist und durch diesen angetrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen; und
ein Energiespeichersystem, welches mit dem elektrischen Energiegenerator zur Speicherung der durch den elektrischen Energiegenerator erzeugten elektrischen Energie gekoppelt ist.
- 16. Fahrzeug nach Ausführungsform 15, wobei das Steuersystem das Ventil derart betreibt, so dass ein Abgasstrom auf den Stirling-Motor gelenkt wird, und zwar nach einer Zeitdauer, welche ausreichend ist, so dass das Emissions-Steuersystem eine Betriebstemperatur erreichen kann.
- 17. Fahrzeug nach Ausführungsform 15, weiterhin umfassend einen mit dem Abgassystem und dem Steuersystem gekoppelten Emissionssensor, und wobei das Steuersystem das Ventil derart betreibt, so dass ein Abgasstrom auf den Stirling-Motor gelenkt wird, und zwar nachdem Abgasemissionen unterhalb eines Schwellenwertes sind.
- 18. Fahrzeug nach Ausführungsform 15, weiterhin umfassend:
einen Temperatursensor, welcher mit dem Emissions-Steuersystem und dem Steuersystem gekoppelt ist, und wobei das Steuersystem das Ventil derart betreibt, um einen Abgasstrom auf den Stirling-Motor zu lenken, nachdem eine Temperatur des Emissions-Steuersystems oberhalb eines Schwellenwertes ist.
- 19. System nach Ausführungsform 15, wobei das Emissions-Steuersystem eine der folgenden Emissions-Steuereinrichtungen umfasst:
einen katalytischen Umwandler; einen Diesel-Oxidationskatalysator; einen Kohlenwasserstoff-Absorber; einen Filter für eine wahlweise katalytische Reduzierung bzw. einen Dieselpartikelfilter.
- 20. System nach Ausführungsform 15, wobei der elektrische Energiegenerator einen mit dem Stirling-Motor gekoppelten Umrichter umfasst.
