DE19701160A1 - Verfahren zur Energiegewinnung aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiegewinnung aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors vorzugsweise eines Kraftfahrzeugmotors.

Bei der Verbrennung von Kraftstoffin einem Verbrennungs­ motor wird außer der nutzbaren Energie auch ein großes Potential an Energie freigesetzt, die normalerweise als Wärme über das Abgassystem eines Verbrennungsmotors ungenutzt ins Freie abgeführt wird. Der hohe ungenutzte Energieanteil hat zur Folge, daß der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors im Verhältnis zum eingesetzten Energiepotential gering ist. Um das Verhältnis von eingesetzter Energie zur nutzbaren Energie bei Verbrennungsmotoren zu verbessern, sind Verfahren bekannt, mit denen die Wärmeenergie aus dem Abgas des Verbrennungsmotors zum Teil zurückgewonnen wird, die dann entsprechenden Wärmeverbrauchern zugeführt wird.

Eine solche Einrichtung ist beispielsweise aus der DE 38 05 947 bekannt, nach der die Wärmeenergie der Abgase in der Weise zurückgewonnen wird, indem ein Fluid in den Abgasstrom gesprüht wird, um die Wärmeenergie des Abgases zu absor­ bieren. Das so erwärmte Fluid wird am Boden des Behälters der Auspuffeinrichtung gesammelt und die gespeicherte Wärmeener­ gie wird an ein zweites Fluid im Gegenstrom übertragen. Die Wärmeenergie des zweiten Flüssigkeitsstrom wird dann bei­ spielsweise zur Konditionierung eines Fahrzeuginnenraums genutzt.

Die Verwendung der so gewonnenen Energie aus dem Abgas trägt aber nur bedingt dazu bei das Verhältnis der eingesetzten Energie zur gewonnenen Nutzenergie zu verbessern, da die Nutzung der zurückgewonnenen Energie ausschließlich davon abhängt, ob es erforderlich ist, beispielsweise einen Fahr­ zeuginnenraum zu heizen. Folglich kann die zurückgewonnene Energie nur zeitweise einer sinnvollen Nutzung zugeführt werden. Darüber hinaus ist es notwendig, die thermische Energie an ein zweites Fluid zu übertragen, was einen zusätz­ lichen Wärmeaustauscher voraussetzt.

Nach der DE 41 41 051 ist bekannt, daß bei einer Brennkraft­ maschine mit einem Kurbeltrieb und einem Abgassystem ein mit dem Abgaskrümmer und dem Auspuffrohr in Wärmeaustausch­ kontakt stehendes Rohrleitungssystem vorgesehen ist, in dem ein Arbeitsfluid strömt, welches durch die aufgenommene Wärme verdampft wird. Dieses verdampfte und unter Druck stehende Arbeitsfluid treibt eine Dampfturbine an, die auf ihrer Arbeitsseite kraftschlüssig mit dem Kurbeltrieb gekoppelt ist, wodurch ein wesentlicher Teil der thermischen Energie der Abgase in eine mechanische Energie zur Leistungsunter­ stützung der Brennkraftmaschine umgesetzt wird.

Diese Art der Energierückgewinnung aus dem Abgas ist sehr aufwendig und ausschließlich auf einen speziellen Anwendungs­ fall ausgerichtet. Darüber hinaus ist eine kontinuierliche Zuführung eines verdampfbaren Arbeitsfluides notwendig, was in der Regel nur in stationären Anlagen gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Energie­ gewinnung aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors verfügbar zu machen, das geeignet ist, die thermische Energie aus dem Abgas auf eine einfache Weise in Energieformen umzuwandeln, die für verschiedene Energieabnehmer nutzbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abgas direkt über einen im Abgasführungssystem eingebunden Erhitzerkopf eines Heißgasmotors geführt wird, und der heiße Bereich des Heißgasmotors mit der thermischen Energie des Abgases erhitzt wird, und die thermische Energie durch den Heißgasmotor in eine mechanische Energie in Form einer Dreh­ bewegung umgewandelt wird. Durch die Nutzung des Heißgas­ motors, der vorzugsweise ein Stirlingmotor sein sollte, ist gewährleistet, daß die Abgase aus dem Abgasabführungssystem direkt dem Erhitzerkopf des Stirlingmotors zugeführt werden können.

Durch die bekannte Funktion des Heißgas-/Sterlingmotors wird folglich die thermische Energie in mechanische Energie und zwar in Form einer Drehbewegung umgewandelt. Diese Drehbe­ wegung ist universell für weitere Energieverbraucher anwend­ bar und kann auch in eine andere Energieform umgewandelt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Drehbewegung zum Betreiben eines Generators für die Gewinnung von elektrischer Energie genutzt. Bei Kraftfahr­ zeugen kann dazu beispielsweise die Lichtmaschine genutzt werden. Auf diese Weise ist es bei Kraftfahrzeugen möglich, die Lichtmaschine nicht über den Verbrennungsmotors anzu­ treiben sondern unter Ausnutzung der zurückgewonnenen Energie des Abgases.

Auf diese Weise kann der Kraftstoffverbrauch eines Verbren­ nungsmotors um den Betrag der zum Betreiben der Lichtmaschine benötigt wird verringert werden. Darüber hinaus können die einzelnen Verbraucher von elektrischer Energie über eine entsprechende Steuerschaltung direkt oder über einen Energie­ speicher oder auch möglicherweise kombiniert also direkt oder durch den Energiespeicher versorgt werden. Durch eine Ver­ knüpfungsschaltung zur Versorgung der Verbraucherstellen aus der direkten Versorgung und der Versorgung aus gespeicherter Energie kann gewährleistet werden, daß die gewonnene elek­ trische Energie aus dem Abgas, die momentan nicht genutzt werden kann, gespeichert wird.

Darüber hinaus kann auch die nach diesem Verfahren zurück­ gewonnene Energie als mechanische Energie und auch als elektrische Energie zum Betreiben von großen Energie­ verbrauchern, wie beispielsweise einer Klimaanlage genutzt werden. Eine zusätzliche Energiezuführung, die den Kraft­ stoffverbrauch des Verbrennungsmotors erhöhen würde, wird nicht erforderlich, da das Energieangebot, welches über die Rückgewinnung aus dem Abgas ausreichend genug ist, da man davon ausgehen kann, daß bei einer Ausnutzung des Abgases von 800°C auf 600°C und einer Energie von ca. 15 kW, ca. 5 kW elektrische Energie gewonnen werden kann.

Desweiteren ist eine weitere Rückgewinnung der thermischen Energie nach den bekannten Verfahren zur Heizung, von bei­ spielsweise eines Fahrgastraums bei einem Kraftfahrzeug, oder zur Aufheizung des Katalysators, um schnell die Betriebs­ temperatur des Katalysators zu erreichen, was unter anderem auch durch die gewonnene elektrische Energie unterstützt werden kann, bei dem Temperaturangebot bei ca. 600°C nach dem Heißgasmotor nicht ausgeschlossen. Folglich ist dieses erfinderische Verfahren eine zusätzliche Ergänzung zu den bisher bekannten Verfahren zur thermischen Energierückge­ winnung aus dem Abgas und trägt dazu bei, den Ausnutzungsgrad des eingesetzten Energieträgers weiter zu erhöhen. Vielmehr wird durch dieses Verfahren der erforderliche Verbrauch des Energieträgers Kraftstoff bei mindestens gleicher Leistung verringert. Darüber hinaus trägt dieses Verfahren zur Verbes­ serung der Umweltbedingungen und damit zur Verringerung des Treibhauseffekts bei.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der eine schematische Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht ist.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Anordnung eines Stirlingmotors an einem Verbrennungsmotor.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen aus dem Verbrennungsmotor 1, den Abgasleitungen 2, und dem bekannten Stirlingmotor 5.

Die bei der Verbrennung des Kraftstoffes entstehenden Abgase im Verbrennungsmotor 1 werden über die Abgasleitungen 2 der einzelnen Zylinder dem Erhitzerkopf 3 direkt zugeführt der außerhalb des Stirlingmotors 5 liegt, und der mit einer Ab­ gasleitung 7 versehen ist über die das über den Erhitzerkopf geführte Abgas in das nicht gezeigte Abgasführungssystem des Verbrennungsmotors 1 eingeleitet wird. Bedingt durch die Funktionsweise eines Stirlingmotors 5, daß die für die Frei­ setzung der Antriebsenergie notwendige Wärmezufuhr außerhalb der Maschine liegt, kann die Zufuhr von Abgas mit seiner chemischen Zusammensetzung als unbedenklich angesehen werden, da die Zusammensetzung des Erhitzermediums keinen Einfluß auf die Funktionsweise des Stirlingmotors 5 hat.

Auf der dem Erhitzerkopf 3 gegenüberliegenden Seite des Ge­ häuses 8 des Stirlingmotors 5 ist der Kühlkopf 6 vorgesehen, der mit der Zu- und Abführungsleitung 4a; 4b für die funktio­ nell bedingte Kühlflüssigkeit des Stirlingmotors 5 verbunden ist.

Das während des Verbrennungsprozesses im Verbrennungsmotor 1 entstehende Abgas wird über die Abgasleitungen 2 aus dem Verbrennungsmotor 1 dem Erhitzerkopf 3 des Stirlingmotors 5 zugeführt und heizt den Erhitzerkopf 3 auf und verläßt den Erhitzerkopf 3 über die Abgasleitung 7 und wird in das Abgas­ ableitungssystem des Verbrennungsmotors 1 eingeführt. Das für den kalten Bereich des Stirlingmotors 5 benötigte Kühlwasser wird vorzugsweise aus einem getrennten Kühlkreislauf des Ver­ brennungsmotors 1, der bei einem Kraftfahrzeug mit dem Motor­ kühler verbunden sein kann, über die Leitung 4a dem Kühlkopf zugeführt und über die Leitung 4b wieder in den Kühlkreislauf eingeführt. Mit der Versorgung von Wärmeenergie auf der einen Seite und der Kältezufuhr auf der gegenüberliegenden Seite des Stirlingmotors 5 ist die Funktionstüchtigkeit des Stirlingmotors 5, auf dessen Funktionsweise nicht weiter eingegangen werden soll, gegeben, so daß durch die Funktionsweise des Stirlingmotors 5 die thermische Energie aus dem Abgas in eine mechanische Energie, in diesem Fall eine Drehbewegung umgewandelt wird.

Die nachfolgende Umwandlung der mechanischen Energie sowie die verschiedenen Möglichkeiten zum Betreiben der Verbraucher von mechanischer und/oder elektrischer Energie und deren Steuerschaltungen können entsprechend dem einzelnen Anwendungsfall angepaßt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Energiegewinnung aus dem Abgas eines Ver­ brennungsmotors dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas direkt über einen im Abgasführungssystem eingebundenen Erhitzerkopf (3) eines Heißgasmotors geführt wird, und der heiße Bereich des Heißgasmotors mit der thermischen Energie des Abgases erhitzt wird, und die thermische Energie durch den Heißgasmotor in eine mechanische Energie in Form einer Drehbewegung umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heißgasmotor ein Stirlingmotor (5) eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung zum Betreiben eines mechanischen Antriebs genutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung zur Gewinnung von elektrischer Energie mittels eines Generators genutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Generator eine Lichtmaschine genutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Energieverbraucher über eine Steuer­ schaltung mit der erzeugten elektrischen Energie direkt versorgt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte elektrische Energie gespeichert wird und die Verbraucher über einen Energiespeicher versorgt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Energieverbraucher über eine Steuer­ schaltung direkt vom Erzeuger und/oder aus dem Energie­ speicher versorgt werden.