WO2013167726A2 - Fahrzeug, insbesondere rennfahrzeug - Google Patents

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WO2013167726A2 PCT/EP2013/059706 EP2013059706W WO2013167726A2 WO 2013167726 A2 WO2013167726 A2 WO 2013167726A2 EP 2013059706 W EP2013059706 W EP 2013059706W WO 2013167726 A2 WO2013167726 A2 WO 2013167726A2
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Definitions

  • Vehicle in particular racing vehicle
  • the invention relates to a vehicle, in particular a racing vehicle, with a drive unit having an internal combustion engine, wherein the internal combustion engine has an exhaust gas turbocharger with an exhaust gas turbine in the exhaust system and a charge air compressor in the inlet system, with at least one thermal power plant for recovering heat from a heat emitting component or a heat dissipating assembly wherein the component or the assembly is adjacent to at least one of a working gas, in particular air, space, in particular at least partially surrounded by the space flowed through, with a first compressor and a first turbine, wherein a first outlet side of the first compressor with an inlet region the space is flow-connected and a second outlet side of a second compressor driven by the first turbine or a second outlet side of the preferably multi-flow first compressor with the inlet system str is connected to the engine, and wherein the heat-emitting component or the heat-dissipating assembly is formed by the exhaust system of the internal combustion engine.
  • the kinetic energy of the exhaust gases is used in today's racing vehicles.
  • the underbody is bent upwards at the rear of the vehicle and usually shielded to the side with vertical aerodynamic air baffles and possibly subdivided in the middle. In this way creates a diffuser for the air flowing under the vehicle.
  • the ends of the exhaust pipes are introduced with horizontal jet direction aiming backwards.
  • the exiting at high velocity exhaust gases exert on the air under the subsoil a suction effect. They increase their Speed and thus their suction on the underbody and thus the output of the vehicle.
  • DE 2 554 953 A1 describes a drive unit for a vehicle having an internal combustion engine with a device for recovering heat from the exhaust line, wherein a part of the exhaust system is surrounded by a jacket space whose inlet region is flow-connected to a compressor and whose outlet region is connected to a hot air turbine ,
  • the compressor is drive connected to the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the hot air turbine is in mechanical communication with the differential of the vehicle via a transmission and an overrunning clutch.
  • the disadvantage is that mechanical power must be applied by the crankshaft to drive the compressor.
  • DE 40 15 104 AI describes a combined heat and power plant from partly connected in series heat engines, which transfer their usable waste heat to one of the other combined other engines, the upstream heat engine in the embodiment as an internal combustion engine provides their exhaust gas as compressed gas for the subsequent heat engine and this one Drives compressor and transfers the exhaust gas of the subsequent heat engine as heat input to a steam turbine.
  • the US 3,554,849 A discloses a vehicle with an internal combustion engine whose exhaust heat can be used via a heat exchanger opening into the exhaust system and a steam-driven engine.
  • EP 1 408 224 A1 discloses a drive unit with an internal combustion engine for a vehicle, wherein the internal combustion engine has an exhaust gas turbocharger with an exhaust gas turbine in the exhaust system and a charge air compressor in the intake system.
  • heat can be recovered from a waste heat emitting component or a heat dissipating assembly, wherein the component or the assembly is adjacent to at least one space traversed by a working gas.
  • the thermal power plant comprises a compressor and a turbine, wherein an outlet side of the compressor is flow-connected to an inlet region of the space. With the turbine, another compressor is drive-connected, wherein the outlet side of one of the two compressors is flow-connected to the inlet system.
  • DE 199 60 762 AI describes a gas turbine system for mechanical energy recovery in an internal combustion engine having at least a compressor, a heat exchanger and a turbine, wherein a compressor and a turbine are mechanically coupled together and wherein the compressor before the heat exchanger and the turbine after the Heat exchangers are arranged and connected to the primary side of the heat exchanger.
  • the secondary side of the heat exchanger is connected to an exhaust pipe of the internal combustion engine.
  • the exit side of a second compressor is fluidly connected to the intake system.
  • DE 10 2010 047 518 AI describes a device for energy recovery from an exhaust stream of an internal combustion engine in a vehicle, wherein in a waste heat recovery device, a working fluid is guided in a closed Joule cycle and the closed Joule cycle is followed by a Claudius-Rankine cycle.
  • a turbine arranged in the Joule cycle and an expansion machine arranged in the Claudius-Rankine cyclic process can be mechanically coupled to a flywheel of the internal combustion engine.
  • US Pat. No. 5,442,904 discloses a vehicle having a drive unit having an internal combustion engine, with at least one thermal power unit for recovering heat from a heat-emitting component or a heat-emitting module, the component or module being adjacent to at least one space through which a working gas flows.
  • the thermal power plant has a compressor and a turbine, wherein the outlet side of the compressor is flow-connected to an inlet region of the space.
  • the object of the invention is to use the exhaust heat in an efficient manner in the simplest possible way. In this case, good flow properties of the vehicle to be achieved and in particular the flow resistance and the road holding of the vehicle to be improved.
  • the exhaust system has at least one exhaust manifold surrounded by at least one space through which it flows and / or has at least one of at least one space flowed through the exhaust passage in the cylinder head of the internal combustion engine.
  • the first compressor is either drive connected to a second compressor, or has multiple floods.
  • An exit side of at least one second flow of the multiple-flow first compressor, or the outlet side of the second compressor opens into the intake system and thus causes a charge of the intake air in the intake system of the internal combustion engine.
  • the second compressor or the second tide of the first compressor can be arranged either in series or parallel to the charge air compressor of the exhaust gas turbocharger and thus support its charging work.
  • at least one charge air cooler is arranged downstream of the second compressor or the second flow of the first compressor.
  • an intercooler can be arranged between the second compressor or the second trough of the first compressor and the charge air cooler.
  • At least one radiator preferably for cooling a cooling and / or lubricating medium of the internal combustion engine, is arranged in the flow path to or from the first or second compressor.
  • the cooler may be formed by an oil cooler or water cooler, which is integrated into the oil or cooling water circuit of the internal combustion engine. Preferably, via a controllable switching or mixing valve, the cooler with the oil or cooling water circuit can be connected if necessary.
  • the cooler may be arranged upstream of the inlet region in the space through which it flows, for example downstream of the first compressor. This allows sufficient cooling of the cooling or lubricating medium. Alternatively or possibly additionally, it may be advantageous to arrange the first heat exchanger upstream of the second compressor.
  • the first turbine may be formed by a hot air turbine, wherein at least one exit region of the space through which flows through can be flow-connected to the hot air turbine.
  • the first turbine may be an exhaust gas turbine arranged in the exhaust system of the internal combustion engine.
  • the first compressor and the second compressor are preferably driven by the first turbine.
  • the first compressor driven by the first turbine delivers air, the compressed air being supplied to the space, heated by the hot gases, and used to drive the first turbine.
  • the second compressor also delivers air. Unlike the first compressor, however, this air is drawn in through the first radiator, whereby the air flows over the cooling surfaces of the first radiator with high flow velocity. The resulting cooling effect makes it possible to make the cooling surfaces of the first cooler smaller and / or possibly even to dispense with a separate fan.
  • the air After leaving the first turbine, the air still has temperatures above 400 ° C.
  • the outlet flow path of the first turbine and the outlet flow path of the first compressor are thermally connected to one another, preferably via at least one heat exchanger.
  • the thermal connection is arranged with the exit flow path of the first compressor in the outlet flow path of the first turbine upstream of an outlet opening of the outlet flow path of the first turbine, and the thermal connection with the outlet flow path of the first turbine in the outlet flow path of the first compressor upstream of the inlet region of the room is arranged. This allows a particularly high efficiency.
  • the output-increasing device is arranged in the pressure-side flow path of the first and second compressor so that the compressed working gas, in particular compressed air, is directed to the output-increasing device.
  • the effluent from the hot air turbine, as well as the exiting from the second compressor flow can be used to generate additional output.
  • the outlet openings are arranged so that the resulting overpressure increases the efficiency of aerodynamic components. As a result, the output of the vehicle can be significantly increased.
  • the output-increasing device may be formed by a rear wing, wherein preferably at least one outlet opening from the pressure-side flow path of the first compressor of the first turbine exit flow path in the area below the road surface facing bottom of the rear wing, particularly preferably arranged in the region of the front edge of the rear wing is.
  • the output-increasing device may also be formed by a preferably formed by a vehicle underbody of the vehicle diffuser in the rear of the vehicle, wherein at least one outlet opening from the pressure-side flow path of the first compressor and / or one coming from the first turbine exit flow path is arranged in the region of the diffuser.
  • the outlet opening be arranged in the region of a stagnation point on the side facing the road surface of the diffuser or arranged on the side facing the roadway of the diffuser, wherein preferably the outlet opening is arranged in an initial region of the diffuser.
  • the drive unit has a thermal power plant for the recovery of heat from a heat-emitting component or a heat-dissipating assembly, heat losses can be reduced.
  • the component or the assembly is adjacent to at least one space through which a gas, preferably air, flows, wherein the component or the assembly may be surrounded at least partially or predominantly, preferably completely, by the space through which it flows.
  • the air-flow space is part of a second heat exchanger.
  • At least one inlet region of the air-flowed space is flow-connected to the pressure side of the first compressor.
  • the first turbine is preferably formed by a hot air turbine, wherein at least one outlet region of the air-flow space is fluidly connected to the hot air turbine. The first turbine is thus arranged in the pressure-side flow path of the first compressor downstream of the air-flow space.
  • first and second compressor and / or the first turbine preferably via a common shaft, is drivingly connected to an electric machine is particularly advantageous.
  • the residual kinetic energy of the hot air turbine remaining after driving the first and second compressors can thus be used to generate electrical energy.
  • the power tool of the first turbine or of the first and / or second compressor can be brought to operating speed very quickly by means of the electric machine.
  • the first turbine is mechanically connected to the drive train of the vehicle, wherein preferably the first turbine may be arranged parallel to the internal combustion engine and / or parallel to an electric drive machine.
  • Both the hot air turbine, and the first compressor are preferably substantially only of air - and not mainly about exhaust gas - flows through. Thus, in most cases, no flow connection between the exhaust gas flow path and air-flow space is required.
  • At least one preferably via a valve controllable flow connection for example upstream of a provided in the exhaust system of the internal combustion engine second turbine - an exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger - is arranged between the exhaust system and the space.
  • the taxable Venus Til can replace about the wastegate of the exhaust gas turbocharger and be operated, for example, depending on the boost pressure.
  • exhaust gas blown off via the valve into the space through which air flows can additionally be used to drive the hot air turbine.
  • both the first compressor and the second compressor are driven directly by the hot air turbine, no additional drive energy for the compression of the air is required, which flows through the preferably designed as a jacket space space of the heat-emitting component or the output-increasing device.
  • a particularly effective use of the heat energy of the exhaust system can take place when the first turbine is designed to be multi-flow or multi-stage.
  • FIGS. show schematically:
  • FIG. 1 shows a drive unit of a vehicle according to the invention in a first embodiment
  • FIGS. 2 to 4 show different variants of drive units of vehicles according to the invention
  • Fig. 5 shows the detail V of FIGS. 1 to 4 in a variant of the
  • FIG. 6 shows a detail from FIG. 1 to 4 in an embodiment variant of the invention
  • FIGS. 7 to FIG. 10 different variants for the arrangement of the outlet opening of the compressor
  • Fig. 12 shows a further variant of a drive unit with parallel drive machines.
  • the drive unit 1 illustrated in FIG. 1 has an internal combustion engine 2 with an intake system 3 and an exhaust system 4. E is the exhaust gas flow and T is the inlet flow indicated. There is provided a thermal power plant 30 for recovering the heat energy from the exhaust gas.
  • the exhaust system 4 is at least partially with a through a jacket space surrounding air-flow space 6 surrounded, which is flowed through with respect to the exhaust gas flow according to the DC or countercurrent principle of compressed air according to the arrows A.
  • the space 6 has an inlet area 7 and an outlet area 8, wherein the inlet area 7 is flow-connected to a first compressor 9 and the outlet area 8 to a first turbine 10 formed by a hot-air turbine 100.
  • the inlet side of the first compressor 9 is denoted by 9a and the first outlet side of the first Ver ⁇ seal 9 9b.
  • the hot air turbine 100 is arranged in correspondence with the first compressor 9 and thus drives the first compressor 9 via the shaft 13.
  • the Ansaugströmungsweg in the first compressor 9 is denoted by reference numeral 11
  • the downstream of the first compressor 9 arranged ⁇ exit flow path from the hot air turbine 100 is denoted by reference numeral 12 ⁇ .
  • an exhaust gas turbocharger 5 is arranged, which has a second turbine 5a (exhaust gas turbine) in the exhaust system 4 and ei ⁇ nen charge air compressor 5b in the intake system 3.
  • the inlet side of the first turbine 10 is denoted by reference numeral 10a, the outlet side of the turbine 10 by 10b.
  • the compressed air for example, a temperature T 2 of about 90 ° C - 100 ° C.
  • the compressed air passes via the inlet region 7 into the space 6, which may be part of a second heat exchanger, and flows around the shrouded area of the exhaust system 4, for example, exhaust gas aftertreatment devices not shown further, the exhaust gas turbine 5a of the exhaust gas turbocharger 5, and the manifold assembly 4a of the outlet system 4 in countercurrent principle.
  • the heated air leaves the space 6 in the outlet region 8 and reaches the hot air turbine 100, wherein a relaxation of the compressed air occurs under Pakistanverraum.
  • T4 460 ° C - 470 ° C can be observed.
  • the hot air turbine 100 drives the first compressor 9. Via the outlet flow path 12, the expanded air is supplied to at least one outlet opening 12a.
  • the shaft 13 of the ers ⁇ th compressor 9 and the hot air turbine 100 with an electric machine 14, which is connected to an electric accumulator 15 to be drivingly connected to form a part of the heat energy to generate electricity be used can. Furthermore, the electric machine 14 can be used to start up the first compressor 9.
  • Fig. 5 shows a detail of an embodiment variant of the invention in which the exhaust system 4 and the space 6 through which air flows are connected to one another by a flow connection 6a, wherein a valve 6b is arranged in the flow connection 6a, which valve can be controlled, for example, as a function of the boost pressure.
  • the controllable valve 6b can assume the functions of a wastegate 5c of the exhaust gas turbine 5a of the exhaust gas turbocharger 5. But the valve 6b may also be a non-return valve actuated by differential pressure.
  • first compressor 9 and hot air turbine 100 can also be used to support the cooling of cooling circuits in the vehicle and / or to generate additional output power for the vehicle, as shown in FIGS. 1 to FIG. 9 is shown.
  • a second compressor 9 ' can be provided coaxially with the first compressor 9, which is driven together with the first compressor 9 by the first turbine 10.
  • the intake opening of the first compressor 9 is denoted by I Ia, the intake opening of the second compressor 9 'with I Ia'.
  • the second outlet side 9 c of the second compressor 9 ' opens into the inlet system 3.
  • FIGS. 2 and FIG. 4 show embodiments in which the first compressor 9 is formed at least twice.
  • the first exit side 9b of the first flow of the first compressor 9 is - as in FIGS. 1 and Fig. 3 - fluidly connected to the inlet portion 7 of the space 6.
  • the second outlet side 9d of the second tide 9 "on the other hand leads to the inlet system 3 and supports - as in FIGS. 1 and 3 the charging of the intake air of the internal combustion engine 2.
  • the second compressor 9 'or the second flow 9 "of the first compressor 9 can be arranged in series or parallel to the charge air compressor 5b of the exhaust gas turbocharger 5.
  • At least one intercooler LK Downstream of the second compressor 9 'or the second flow 9 "of the first compressor 9, at least one intercooler LK can be arranged.
  • At least one cooler 40 preferably for cooling a cooling and / or lubricating medium of the internal combustion engine 2, may be arranged in the flow path to or from the first or second compressor 9 '.
  • the in Fig. 6 embodiment corresponds substantially to FIGS. 1 to FIG. 4, wherein, however, the outlet flow path 12 of the first turbine 10 and the outlet flow path I Ib of the first compressor 9 are thermally connected to one another via at least one first heat exchanger 42. Thereby, residual heat of the discharge flow path 12 upstream of the inlet region 7 is supplied to the discharge flow path of the first compressor 9.
  • the outlet opening 12a from the outlet flow path 12 can be arranged such that the effect of an output-increasing device 32 can be increased, as described in more detail below with reference to FIGS. 7 to. 10 will be explained.
  • FIGS. 7 to 10 show alternative embodiments in which an output increase of the vehicle can be achieved by a defined arrangement of the outlet opening 12a of the first turbine 10 in the region of an output-increasing device 32.
  • the output-increasing device 32 may be formed for example by a special shape of the body, the vehicle floor 19 and / or by aerodynamic elements such as the rear wing 22.
  • a vehicle, for example a racing vehicle, is indicated schematically in FIGS. 7 to 10.
  • Reference numeral 18 denotes the rear wheels of the vehicle.
  • the vehicle underbody 19 is bent upwards at the rear of the vehicle and possibly shielded with vertical aerodynamic baffles to the side, created for the air flowing under the vehicle, a diffuser 21, which the output effect in the remaining area of the vehicle underbody 19th elevated. Additional output forces can be generated by targeted positioning of the outlet opening 12a of the outlet flow path 12.
  • Fig. 7 shows an arrangement in which the outlet opening 12a is arranged below the front area 22a of the rear wing 22, viewed in the direction of travel.
  • An increase in output can also be achieved if the outlet opening 12a in the region of the stagnation point of the diffuser 21 (Fig. 8) or within the diffuser 21, for example in the beginning of the diffuser 21 (Fig. 9) or in a central region of the diffuser 21 (Fig 10).
  • the emerging from the outlet opening 12a air can not only be used to increase the output, but possibly also to disturb the output by deliberately causing a stall in output-increasing devices to reduce the flow resistance. This can be advantageous, for example, on long straight sections of a racetrack in order to increase the top speed.
  • the air is supplied to the output-increasing device at a location which is particularly sensitive to stalls, for example, in a direction away from the direction of the rear wing or diffuser. It is advantageous if the air can optionally be switched manually or automatically with switching elements optionally between outlet-increasing and output-destroying outlet openings 12a as needed.
  • optionally compressed air can be injected between the space 6 and the first turbine 10, possibly through the first or second compressor 9, 9 'driven via the electric machine 14. Furthermore, in certain operating ranges, it may be advantageous to recirculate some of the hot air from the exit of the first turbine 10 upstream of the first compressor 9 or to supply it upstream of the second compressor 9 '.
  • the device 30 for recovering heat energy from the exhaust gas can furthermore be arranged to drive the vehicle in the drive train parallel to the internal combustion engine 2 and parallel to an electric drive machine 31, as shown in FIGS. 11 and FIG. 12 is shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer eine Brennkraftmaschine (2) aufweisenden Antriebseinheit (1), wobei die Brennkraftmaschine (2) einen Abgasturbolader (5) mit einer Abgasturbine (5a) im Auslasssystem und einem Ladeluftverdichter (5b) im Einlasssystem (3) aufweist, mit zumindest einer Wärmekraftanlage (30) zur Rückgewinnung von Wärme aus einem wärmeabgebenden Bauteil oder einer Wärme abgebenden Baugruppe, wobei der Bauteil oder die Baugruppe an zumindest einen von einem Arbeitsgas, durchströmten Raum (6) grenzt, mit einem ersten Verdichter (9) und einer ersten Turbine (10), wobei eine erste Austrittsseite (9b) des ersten Verdichters (9) mit einem Einlassbereich (7) des Raumes (6) und eine zweite Austrittsseite (9c) eines von der ersten Turbine (10) angetriebenen zweiten Verdichters (9') oder eine zweite Austrittsseite (9d) des ersten Verdichters (9) mit dem Einlasssystem (3) strömungsverbunden ist, und wobei der Wärme abgebenden Bauteil oder die Wärme abgebenden Baugruppe durch das Auslasssystem (4) der Brennkraftmaschine (2) gebildet ist. Das Auslasssystem (4) weist zumindest einen von mindestens einem durchströmten Raum (6) umgebenen Abgaskrümmer (4a) und/oder zumindest einen von mindestens einem durchströmten Raum (6) umgebenen Abgaskanal im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine (2) auf.

Description

56594
Fahrzeug, insbesondere Rennfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Rennfahrzeug, mit einer eine Brennkraftmaschine aufweisenden Antriebseinheit, wobei die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine im Auslasssystem und einem Ladeluftverdichter im Einlasssystem aufweist, mit zumindest einer Wärmekraftanlage zur Rückgewinnung von Wärme aus einem wärmeabgebenden Bauteil oder einer Wärme abgebenden Baugruppe, wobei der Bauteil oder die Baugruppe an zumindest einen von einem Arbeitsgas, insbesondere Luft, durchströmten Raum grenzt, insbesondere zumindest teilweise von dem durchströmten Raum umgeben ist, mit einem ersten Verdichter und einer ersten Turbine, wobei eine erste Austrittsseite des ersten Verdichters mit einem Einlassbereich des Raumes strö- mungsverbunden ist und eine zweite Austrittsseite eines von der ersten Turbine angetriebenen zweiten Verdichters oder eine zweite Austrittsseite des vorzugsweise mehrflutig ausgebildeten ersten Verdichters mit dem Einlasssystem strö- mungsverbunden ist, und wobei der Wärme abgebenden Bauteil oder die Wärme abgebenden Baugruppe durch das Auslasssystem der Brennkraftmaschine gebildet ist.
Bei Renn- und Sportfahrzeugen werden Beschleunigungen, Verzögerungen und Kurvenbeschleunigungen erzielt, die den Wert von 1 g (= Erdbeschleunigung) erheblich überschreiten. Solche Werte sind nur möglich, wenn die Haftungsgrenzen zwischen den Reifen und der Fahrbahnoberfläche mit aerodynamischen Hilfsmitteln heraufgesetzt werden. Am Fahrzeugkörper wird starker Abtrieb erzeugt. Diesem Zweck dienen Frontflügel, Heckflügel und eine besondere Formgebung des eigentlichen Fahrzeugkörpers. Eine dominierende Rolle spielt dabei die Gestaltung des Fahrzeugunterbodens. Es wird angestrebt, die unter dem Fahrzeugboden strömende Luft so stark wie nur möglich zu beschleunigen. Je höher deren Geschwindigkeit, desto stärker ist nach dem Bernoullischen Gesetz deren Saugkraft und desto stärker ist der auf den Fahrzeugunterboden ausgeübte Abtrieb. Um eine möglichst starke Beschleunigung der Unterbodenluft zu erreichen, wird bei heutigen Rennfahrzeugen die kinetische Energie der Abgase herangezogen. Der Unterboden wird am Heck des Fahrzeugs nach oben gebogen und meist mit senkrechten aerodynamischen Luftleitblechen zur Seite hin abgeschirmt und eventuell noch in der Mitte unterteilt. Auf diese Weise entsteht für die Luft, die unter dem Fahrzeug entlang strömt, ein Diffusor. In diese Diffusorzone werden die Enden der Auspuffrohre mit waagrechten nach hinten zielender Strahlrichtung eingeleitet. Die mit hoher Geschwindigkeit austretenden Abgase üben auf die Luft unter dem Unterboden eine Saugwirkung aus. Sie erhöhen deren Ge- schwindigkeit und damit deren Saugwirkung auf den Unterboden und somit den Abtrieb des Fahrzeugs.
Die DE 2 554 953 AI beschreibt eine Antriebseinheit für ein eine Brennkraftmaschine aufweisendes Fahrzeug mit einer Einrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrang, wobei ein Teil des Auslasssystems von einem Mantelraum umgeben ist, dessen Eintrittsbereich mit einem Verdichter und dessen Austrittsbereich mit einer Heißluftturbine strömungsverbunden ist. Der Verdichter ist mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. Die Heißluftturbine steht über ein Getriebe und eine Überholkupplung mit dem Differential des Fahrzeuges in mechanischer Verbindung. Nachteilig ist, dass zum Antrieb des Verdichters mechanische Leistung von der Kurbelwelle aufgebracht werden muss.
Die DE 40 15 104 AI beschreibt eine kombinierte Wärmekraftanlage aus teils hintereinander geschalteten Wärmekraftmaschinen, die ihre nutzbare Abwärme auf eine der jeweils kombinierten anderen Kraftmaschinen übertragen, wobei die vorgeschaltete Wärmekraftmaschine bei der Ausgestaltung als Brennkraftmaschine ihr Abgas als Druckgas für die nachfolgende Wärmekraftmaschine liefert und hierzu einen Verdichter treibt und das Abgas der nachfolgenden Wärmekraftmaschine als Einsatzwärme auf eine Dampfkraftanlage überträgt.
Aus der DE 10 2010 003 537 AI ist eine Wärmekraftanlage mit einem Verdichter, einer Druckgas-Arbeitsmaschine, einen Gaserhitzer und einem Gaskühler in einer zum Verdichter führenden Druckgasverbindung bekannt, wobei der Verdichter, die Druckgas-Arbeitsmaschine, der Gaserhitzer und der Gaskühler in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess zusammenwirken.
Die US 3,554,849 A offenbart ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, deren Abgaswärme über einen in den Abgasstrang mündenden Wärmetauscher und einen dampfbetriebenen Motor genutzt werden kann.
Weiters ist aus der US 5,806,332 A ein Energieerzeugungssystem für ein Motorfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine bekannt, dessen Abgasenergie mittels eines geschlossenen Kreisprozesses mit Wärmetauschern im Abgassystem und eine mit einem Generator verbundene Expansionseinheit zum Teil rückgewonnen wird, wobei Energie in einer Batterie gespeichert wird .
Die EP 1 408 224 AI offenbart eine Antriebseinheit mit einer Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine im Auslasssystem und einen Ladeluftverdichter im Einlasssystem aufweist. Mittels einer Wärmekraftanlage kann Wärme aus einem Abwärme abgebenden Bauteil oder eine wärmeabgebende Baugruppe rückgewonnen werden, wobei der Bauteil oder die Baugruppe an zumindest einen von einem Arbeitsgas durchströmten Raum grenzt. Die Wärmekraftanlage weist einen Verdichter und eine Turbine auf, wobei eine Austrittsseite des Verdichters mit einem Einlassbereich des Raumes strömungsverbunden ist. Mit der Turbine ist ein weiterer Verdichter antriebsverbunden, wobei die Austrittsseite eines der beiden Verdichter mit dem Einlasssystem strömungsverbunden ist.
Die DE 199 60 762 AI beschreibt ein Gasturbinensystem zur mechanischen Energierückgewinnung bei einem Verbrennungsmotor, welches mindesten einen Verdichter, einen Wärmetauscher und eine Turbine aufweist, wobei ein Verdichter und eine Turbine mechanisch miteinander gekoppelt sind und wobei der Verdichter vor dem Wärmetauscher und die Turbine nach dem Wärmetauscher angeordnet und mit der Primärseite des Wärmetauschers verbunden sind . Die Sekundärseite des Wärmetauschers ist mit einem Abgasrohr des Verbrennungsmotors verbunden. Die Austrittsseite eines zweiten Verdichters ist mit dem Einlasssystem strömungsverbunden.
Die DE 10 2010 047 518 AI beschreibt eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug, wobei in einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess geführt ist und dem geschlossenen Joule-Kreisprozess ein Claudius-Rankine-Kreisprozess nachgeschaltet ist. Eine im Joule-Kreisprozess angeordnete Turbine und eine im Claudius-Rankine-Kreisprozess angeordnete Expansionsmaschine sind mechanisch mit einer Schwungscheibe der Verbrennungskraftmaschine koppelbar.
Die US 5,442,904 offenbart ein Fahrzeug mit einer eine Brennkraftmaschine aufweisenden Antriebseinheit, mit zumindest einer Wärmekraftanlage zur Rückgewinnung von Wärme aus einem wärmeabgebenden Bauteil oder einer wärmeabgebenden Baugruppe, wobei der Bauteil oder die Baugruppe an zumindest einen von einem Arbeitsgas durchströmten Raum grenzt. Die Wärmekraftanlage weist einen Verdichter und eine Turbine auf, wobei die Austrittsseite des Verdichter mit einem Einlassbereich des Raumes strömungsverbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglicht einfache Weise die Abgaswärme auf effiziente Weise zu nutzen. Dabei sollen gute Strömungseigenschaften des Fahrzeuges erzielt und insbesondere der Strömungswiderstand und die Straßenlage des Fahrzeuges verbessert werden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Auslasssystem zumindest einen von mindestens einem durchströmten Raum umgebenen Abgaskrümmer und/oder zumindest einen von mindestens einem durchströmten Raum umgebenen Abgaskanal im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine aufweist.
Der erste Verdichter ist entweder mit einem zweiten Verdichter antriebsverbunden, oder weist mehrere Fluten auf. Eine Austrittseite zumindest einer zweiten Flut des mehrflutig ausgebildeten ersten Verdichters, oder die Austrittsseite des zweiten Verdichters mündet in das Einlasssystem und bewirkt somit eine Aufladung der Einlassluft im Einlasssystem der Brennkraftmaschine.
Der zweite Verdichter oder die zweite Flut des ersten Verdichters kann entweder seriell oder parallel zum Ladeluftverdichter des Abgasturboladers angeordnet sein und somit dessen Aufladearbeit unterstützen. Vorzugsweise ist stromabwärts des zweiten Verdichters oder der zweiten Flut des ersten Verdichters zumindest ein Ladeluftkühler angeordnet. Bei serieller Schaltung mit dem Ladeluftverdichter des Abgasturboladers kann zwischen dem zweiten Verdichter oder der zweiten Flut des ersten Verdichters und dem Ladeluftkühler ein Zwischenkühler angeordnet sein.
Um die Kühlflächen der Hauptkühlers des Kühlsystems der Brennkraftmaschine verringern zu können, ist es vorteilhaft, wenn im Strömungsweg zum oder vom ersten oder zweiten Verdichter zumindest ein Kühler, vorzugsweise zur Kühlung eines Kühl- und/oder Schmiermediums der Brennkraftmaschine, angeordnet ist.
Der Kühler kann durch einen Ölkühler oder Wasserkühler gebildet sein, welcher in den Öl- oder Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden ist. Vorzugsweise kann über ein steuerbares Schalt- oder Mischventil der Kühler mit dem Öl- oder Kühlwasserkreislauf bei Bedarf verbunden werden.
Der Kühler kann stromaufwärts des Einlassbereiches in den durchströmten Raum, beispielsweise stromabwärts des ersten Verdichters, angeordnet sein. Dies ermöglicht eine ausreichende Kühlung des Kühl- oder Schmiermediums. Alternativ oder eventuell zusätzlich dazu kann es von Vorteil sein, den ersten Wärmetauscher stromaufwärts des zweiten Verdichters anzuordnen.
Die erste Turbine kann durch eine Heißluftturbine gebildet sein, wobei zumindest ein Austrittsbereich des durchströmten Raumes mit der Heißluftturbine strö- mungsverbunden sein kann. Alternativ dazu kann die erste Turbine eine im Auslasssystem der Brennkraftmaschine angeordnete Abgasturbine sein.
Der erste Verdichter und der zweite Verdichter werden bevorzugt durch die erste Turbine angetrieben. Die durch die erste Turbine angetriebene erste Verdichter fördert Luft, wobei die verdichtete Luft dem Raum zugeführt, durch die heißen Angase erwärmt und zum Antrieb der ersten Turbine verwendet wird. Auch der zweite Verdichter fördert Luft. Diese Luft wird aber- zum Unterschied zum ersten Verdichter - durch den ersten Kühler angesaugt, wodurch die Luft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit die Kühlflächen des ersten Kühlers überstreicht. Der dadurch entstehende Kühleffekt erlaubt es, die Kühlflächen des ersten Kühlers kleiner zu gestalten und/oder gegebenenfalls sogar auf ein separates Gebläse zu verzichten.
Nach dem Austritt aus der ersten Turbine weist die Luft noch Temperaturen über 400°C auf. Um die Restwärme zu nutzen und den Wirkungsrad zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn der Austrittsströmungsweg der ersten Turbine und der Austrittsströmungsweg des ersten Verdichters, vorzugsweise über zumindest einen Wärmetauscher, thermisch miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die thermische Verbindung mit dem Austrittsströmungsweg des ersten Verdichters im Austrittsströmungsweg der ersten Turbine stromaufwärts einer Austrittsöffnung des Austrittsströmungsweges der ersten Turbine, und die thermische Verbindung mit dem Austrittsströmungsweg der ersten Turbine im Austrittsströmungsweg des ersten Verdichters stromaufwärts des Einlassbereiches des Raumes angeordnet ist angeordnet ist. Dies erlaubt eine besonders hohe Effizienz.
Bei Fahrzeugen mit aerodynamischen abtriebserhöhenden Einrichtungen, insbesondere bei Rennfahrzeugen, ist es von besonderem Vorteil, wenn die abtriebserhöhende Einrichtung im druckseitigen Strömungsweg des ersten und des zweiten Verdichters so angeordnet ist, dass das verdichtete Arbeitsgas, insbesondere verdichtete Luft, auf die abtriebserhöhende Einrichtung geleitet wird . Somit kann sowohl der aus der Heißluftturbine ausströmende, als auch der aus dem zweiten Verdichter austretende Volumenstrom genutzt werden, um zusätzlichen Abtrieb zu erzeugen. Die Austrittsöffnungen sind dabei so angeordnet, dass der entstehende Überdruck den Wirkungsgrad von aerodynamischen Bauteilen erhöht. Dadurch kann der Abtrieb des Fahrzeuges wesentlich erhöht werden. Die abtriebserhöhende Einrichtung kann dabei durch einen Heckflügel gebildet sein, wobei vorzugsweise zumindest eine Austrittsöffnung aus dem druckseitigen Strömungsweg des ersten Verdichters eines von der ersten Turbine kommenden Austrittsströmungsweges im Bereich unterhalb der der Fahrbahn zugewandten Unterseite des Heckflügels, besonders vorzugsweise im Bereich der Vorderkante des Heckflügels angeordnet ist. Die abtriebserhöhende Einrichtung kann auch durch einen vorzugsweise durch einen Fahrzeugunterboden des Fahrzeuges gebildeten Diffusor im Heckbereich des Fahrzeuges gebildet sein, wobei zumindest eine Austrittsöffnung aus dem druckseitigen Strömungsweg des ersten Verdichters und/ oder eines von der ersten Turbine kommenden Austrittsströmungsweges im Bereich des Diffusors angeordnet ist. Insbesondere kann dabei die Austrittsöffnung im Bereich eines Staupunktes an der der Fahrbahn zugewandten Seite des Diffusors angeordnet oder auf der der Fahrbahn zugewandten Seite des Diffusors angeordnet sein, wobei vorzugsweise die Austrittsöffnung in einem Anfangsbereich des Diffusors angeordnet ist.
Dadurch, dass die Antriebseinheit eine Wärmekraftanlage zur Rückgewinnung von Wärme aus einem wärmeabgebenden Bauteil oder einer Wärme abgebenden Baugruppe aufweist, können Wärmeverluste verringert werden. Der Bauteil oder die Baugruppe grenzt dabei an zumindest einen von einem Gas, vorzugsweise Luft, durchströmten Raum, wobei der Bauteil oder die Baugruppe zumindest teilweise oder überwiegend, vorzugsweise vollständig, von dem durchströmten Raum umgeben sein kann. Es ist aber auch möglich, dass der luftdurchströmte Raum Teil eines zweiten Wärmetauschers ist. Zumindest ein Eintrittsbereich des luftdurchströmten Raumes ist mit der Druckseite des ersten Verdichters strö- mungsverbunden. In dieser Ausführung ist die erste Turbine bevorzugt durch eine Heißluftturbine gebildet, wobei zumindest ein Austrittsbereich des luftdurchströmten Raumes mit der Heißluftturbine strömungsverbunden ist. Die erste Turbine ist somit im druckseitigen Strömungsweg des ersten Verdichters stromabwärts des luftdurchströmten Raumes angeordnet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste und zweite Verdichter und/oder die erste Turbine, vorzugsweise über eine gemeinsame Welle, mit einer elektrischen Maschine antriebsverbunden ist. Die nach Antrieb des ersten und zweiten Verdichters verbleibende restliche kinetische Energie der Heißluftturbine kann somit zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Weiters kann mittels der elektrischen Maschine das Laufzeug der ersten Turbine bzw. des ersten und/oder zweiten Verdichters besonders rasch auf Betriebsdrehzahl gebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die erste Turbine mit dem Antriebsstrang des Fahrzeuges mechanisch verbunden ist, wobei vorzugsweise die erste Turbine parallel zur Brennkraftmaschine und/oder parallel zu einer elektrischen Antriebsmaschine angeordnet sein kann.
Sowohl die Heißluftturbine, als auch der erste Verdichter, werden bevorzugt im Wesentlichen nur von Luft - und nicht hauptsächlich etwa von Abgas - durchströmt. Somit ist in den meisten Fällen keine Strömungsverbindung zwischen Abgasströmungsweg und luftdurchströmtem Raum erforderlich.
Abhängig von der Konfiguration kann es aber auch durchaus vorteilhaft sein, wenn zwischen dem Auslasssystem und dem Raum zumindest eine vorzugsweise über ein Ventil steuerbare Strömungsverbindung, beispielsweise stromaufwärts einer im Auslasssystem der Brennkraftmaschine vorgesehenen zweiten Turbine - einer Abgasturbine eines Abgasturboladers - angeordnet ist. Das steuerbare Ven- til kann dabei etwa das Wastegate des Abgasturboladers ersetzen und zum Beispiel in Abhängigkeit des Ladedruckes betätigt werden. Somit kann über das Ventil in den luftdurchströmten Raum abgeblasenes Abgas noch zusätzlich zum Antrieb der Heißluftturbine genutzt werden.
Dadurch, dass sowohl der erste Verdichter, als auch der zweite Verdichter direkt durch die Heißluftturbine angetrieben wird, ist keine zusätzliche Antriebsenergie für die Verdichtung der Luft erforderlich, welche durch den vorzugsweise als Mantelraum ausgebildeten Raum des Wärme abgebenden Bauteils bzw. zur abtriebserhöhenden Einrichtung strömt.
Eine besonders effektive Nutzung der Wärmeenergie des Auslasssystems kann erfolgen, wenn die erste Turbine mehrflutig oder mehrstufig ausgebildet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch :
Fig. 1 eine Antriebseinheit eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges in einer ersten Ausführungsvariante;
Fig. 2 bis Fig. 4 verschiedene Ausführungsvarianten von Antriebseinheiten von erfindungsgemäßen Fahrzeugen;
Fig. 5 das Detail V aus den Fig. 1 bis 4 in einer Ausführungsvariante der
Erfindung;
Fig. 6 ein Detail aus Fig . 1 bis Fig. 4 in einer Ausführungsvariante der Erfindung;
Fig. 7 bis Fig . 10 verschiedenen Varianten für die Anordnung der Austrittsöffnung des Verdichters;
Fig. 11 eine Antriebseinheit mit parallelen Antriebsmaschinen; und
Fig. 12 eine weitere Variante einer Antriebseinheit mit parallel geschalteten Antriebsmaschinen.
Funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 dargestellte Antriebseinheit 1 weist eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Einlasssystem 3 und einem Auslasssystem 4 auf. Mit E ist die Abgasströmung und mit T die Einlassströmung angedeutet. Es ist eine Wärmekraftanlage 30 zur Rückgewinnung der Wärmeenergie aus dem Abgas vorgesehen. Das Auslasssystem 4 ist dabei zumindest teilweise mit einem durch einen Mantelraum gebildeten luftdurchströmten Raum 6 umgeben, welcher bezüglich der Abgasströmung nach dem Gleich- oder Gegenstromprinzip von verdichteter Luft entsprechend den Pfeilen A durchströmt wird. Der Raum 6 weist einen Einlassbereich 7 und einen Auslassbereich 8 auf, wobei der Einlassbereich 7 mit einem ersten Verdichter 9 und der Austrittsbereich 8 mit einer durch eine Heißluftturbine 100 gebildeten ersten Turbine 10 strömungsverbunden ist. Die Eintrittsseite des ersten Verdichters 9 ist mit 9a und die erste Austrittsseite des ersten Ver¬ dichters 9 mit 9b bezeichnet. Die Heißluftturbine 100 ist dabei wellengleich mit dem ersten Verdichter 9 angeordnet und treibt somit den ersten Verdichter 9 über die Welle 13 an. Der Ansaugströmungsweg in den ersten Verdichter 9 ist mit Bezugszeichen 11, der stromab des ersten Verdichters 9 angeordnete Aus¬ trittsströmungsweg aus der Heißluftturbine 100 ist mit Bezugszeichen 12 be¬ zeichnet. Im Ein- und Auslasssystem 3, 4 ist ein Abgasturbolader 5 angeordnet sein, welcher eine zweite Turbine 5a (Abgasturbine) im Auslasssystem 4 und ei¬ nen Ladeluftverdichter 5b im Einlasssystem 3 aufweist. Die Eintrittsseite der ersten Turbine 10 ist mit Bezugszeichen 10a, die Austrittsseite der Turbine 10 mit 10b bezeichnet.
Über den Ansaugströmungsweg 11 wird durch den ersten Verdichter 9 Umgebungsluft bei beispielsweise einer Temperatur Ti = 20°C angesaugt und verdichtet. Nach dem ersten Verdichter 9 weist die verdichtete Luft beispielsweise eine Temperatur T2 von etwa 90°C - 100°C auf. Die verdichtete Luft gelangt über den Eintrittsbereich 7 in den Raum 6, der Teil eines zweiten Wärmetauschers sein kann, und umströmt den ummantelten Bereich des Auslasssystems 4, zum Beispiel nicht weiter dargestellte Abgasnachbehandlungseinrichtungen, die Abgasturbine 5a des Abgasturboladers 5, sowie die Krümmer-Anordnung 4a des Auslasssystems 4 im Gegenstromprinzip. Die Temperatur der Luft nimmt dabei im Raum 6 stetig zu und kann im Auslassbereich 8 eine Temperatur T3 = 530°C - 600°C betragen. Die erhitzte Luft verlässt den Raum 6 im Austrittsbereich 8 und gelangt zur Heißluftturbine 100, wobei unter Arbeitsverrichtung eine Entspannung der verdichteten Luft eintritt. Auf der Austrittsseite 10b der ersten Turbine 10 können beispielsweise T4 = 460°C - 470°C beobachtet werden. Die Heißluftturbine 100 treibt dabei den ersten Verdichter 9 an. Über den Austrittsströmungsweg 12 wird die entspannte Luft zumindest einer Austrittsöffnung 12a zugeführt.
Wie in Fig. 1 durch strichlierte Linien dargestellte ist, kann die Welle 13 des ers¬ ten Verdichters 9 und der Heißluftturbine 100 mit einer elektrischen Maschine 14, welche an einen elektrischen Speicher 15 angeschlossen ist, antriebsverbunden sein, wodurch ein Teil der Wärmeenergie zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Weiters kann die elektrische Maschine 14 zum Hochfahren des ersten Verdichters 9 verwendet werden.
Fig . 5 zeigt ein Detail einer Ausführungsvariante der Erfindung, bei der das Abgassystem 4 und der luftdurchströmte Raum 6 durch eine Strömungsverbindung 6a miteinander verbunden sind, wobei in der Strömungsverbindung 6a ein Ventil 6b angeordnet ist, welches beispielsweise in Abhängigkeit des Ladedruckes steuerbar sein kann. Das steuerbare Ventil 6b kann dabei die Funktionen eines Wastegates 5c der Abgasturbine 5a des Abgasturboladers 5 übernehmen. Das Ventil 6b kann aber auch ein durch Differenzdruck betätigtes Rückschlagventil sein.
Neben der Stromerzeugung können erster Verdichter 9 und Heißluftturbine 100 auch zur Unterstützung der Kühlung von Kühlkreisläufen in Fahrzeug und/oder zur Generierung von zusätzlicher Abtriebskraft für das Fahrzeug eingesetzt werden, wie in den Fig . 1 bis Fig . 9 dargestellt ist.
Wie in den Fig . 1 und Fig. 3 ersichtlich, kann achsgleich mit dem ersten Verdichter 9 ein zweiter Verdichter 9' vorgesehen sein, welcher zusammen mit dem ersten Verdichter 9 durch die erste Turbine 10 angetrieben wird . Die Ansaugöffnung des ersten Verdichters 9 ist mit I Ia, die Ansaugöffnung des zweiten Verdichters 9' mit I Ia' bezeichnet. Die zweite Austrittsseite 9c des zweiten Verdichters 9' mündet in das Einlasssystem 3.
Die Fig. 2 und Fig . 4 zeigen Ausführungsvarianten, bei denen der erste Verdichter 9 zumindest zweiflutig ausgebildet ist. Die erste Austrittsseite 9b der ersten Flut des ersten Verdichters 9 ist - wie bei den Fig . 1 und Fig. 3 - mit dem Einlassbereich 7 des Raumes 6 strömungsverbunden. Die zweite Austrittsseite 9d der zweiten Flut 9" dagegen führt zum Einlasssystem 3 und unterstützt - wie bei den Fig . 1 und Fig. 3 die Aufladung der Ansaugluft der Brennkraftmaschine 2.
Der zweite Verdichter 9' oder die zweite Flut 9" des ersten Verdichters 9 kann dabei seriell oder parallel zum Ladeluftverdichter 5b des Abgasturboladers 5 angeordnet sein. Die Fig. 1 und Fig . 2 zeigen Ausführungen mit seriellen Anordnungen, die Fig . 3 und Fig . 4 dagegen Beispiele mit parallelen Anordnungen.
Stromabwärts des zweiten Verdichters 9' oder der zweiten Flut 9" des ersten Verdichters 9 kann zumindest ein Ladeluftkühler LK angeordnet sein.
Wie aus Fig. 1 bis Fig . 4 ersichtlich ist, kann im Strömungsweg zum oder vom ersten oder zweiten Verdichter 9' zumindest ein Kühler 40, vorzugsweise zur Kühlung eines Kühl- und/oder Schmiermediums der Brennkraftmaschine 2 angeordnet sein. Die in Fig . 6 gezeigte Ausführung entspricht im Wesentlichen den Fig . 1 bis Fig . 4, wobei allerdings der Austrittsströmungsweg 12 der ersten Turbine 10 und der Austrittsströmungsweg I Ib des ersten Verdichters 9 über zumindest einen ersten Wärmetauscher 42 thermisch miteinander verbunden sind . Dadurch wird Restwärme des Austrittsströmungsweges 12 stromaufwärts des Eintrittsbereiches 7 dem Austrittsströmungsweg des ersten Verdichters 9 zugeführt.
Die Austrittsöffnung 12a aus dem Austrittsströmungsweg 12 kann so angeordnet sein, dass die Wirkung einer abtriebserhöhenden Einrichtung 32 gesteigert werden kann, wie im Detail im Folgenden noch anhand der Fig. 7 bis Fig . 10 erläutert wird .
Die Fig. 7 bis Fig. 10 zeigen Ausführungsvarianten, bei denen durch eine definierte Anordnung der Austrittsöffnung 12a der ersten Turbine 10 im Bereich einer abtriebserhöhenden Einrichtung 32 eine Abtriebserhöhung des Fahrzeuges erreicht werden kann. Die abtriebserhöhende Einrichtung 32 kann dabei beispielsweise durch eine spezielle Form der Karosserie, des Fahrzeugbodens 19 und/oder durch aerodynamische Elemente wie zum Beispiel Heckflügel 22 gebildet sein. In den Fig. 7 bis Fig. 10 ist schematisch ein Fahrzeug, beispielsweise ein Rennfahrzeug, angedeutet. Mit Bezugszeichen 18 sind die Hinterräder des Fahrzeuges bezeichnet. Der in weiten Bereichen parallel zur Fahrbahn 20 ausgebildete Fahrzeugunterboden 19 weist im Bereich der Hinterräder 18 einen ansteigenden Bereich 19a auf, welcher einen sogenannten Diffusor 21 ausbildet. Dadurch, dass der Fahrzeugunterboden 19 am Heck des Fahrzeuges nach oben gebogen und eventuell mit senkrechten aerodynamischen Luftleitblechen zur Seite hin abgeschirmt ist, entsteht für die Luft, die unter dem Fahrzeug entlang strömt, ein Diffusor 21, welcher die Abtriebswirkung im restlichen Bereich des Fahrzeugunterbodens 19 erhöht. Zusätzliche Abtriebskräfte können durch gezielte Positionierung der Austrittsöffnung 12a des Austrittsströmungsweges 12 generiert werden.
Fig . 7 zeigt dazu eine Anordnung, bei der die Austrittsöffnung 12a unterhalb des - in Fahrtrichtung gesehen - vorderen Bereiches 22a des Heckflügels 22 angeordnet ist. Eine Abtriebserhöhung kann auch erreicht werden, wenn die Austrittsöffnung 12a im Bereich des Staupunktes des Diffusors 21 (Fig. 8) oder innerhalb des Diffusors 21, beispielsweise im Anfangsbereich des Diffusors 21 (Fig . 9) oder in einem zentralen Bereich des Diffusors 21 (Fig. 10) angeordnet wird .
Insbesondere für die Erhöhung des Abtriebs des Fahrzeuges lässt sich die Kombination aus erstem Verdichter 9 und erster Turbine 10, insbesondere Heißluftturbine 100, und einem zweiten Verdichter 9' mit besonderem Vorteil einsetzen, da die Heißluftturbine 100 nur sehr träge auf Drehzahl - und Laständerungen der Brennkraftmaschine 2 reagiert. Während ein in konventioneller Weise durch die Abgasströmung induzierter Abtrieb stark von der Motordrehzahl abhängig ist, kann der durch die Heißluftturbine 100 gestützte Abtrieb auch bei plötzlichen Drehzahlverminderungen der Brennkraftmaschine 2, insbesondere in Kurvenfahrten aufrecht erhalten werden. Dies verbessert wesentlich die Straßenlage und die Fahrsicherheit des Fahrzeuges.
Die aus der Austrittsöffnung 12a austretende Luft kann aber nicht nur zur Abtriebserhöhung, sondern eventuell auch zur Störung des Abtriebes verwendet werden, indem absichtlich ein Strömungsabriss bei abtriebserhöhenden Einrichtungen herbeigeführt wird, um den Strömungswiderstand zu verringern. Dies kann beispielsweise auf langen geraden Streckenabschnitten einer Rennstrecke von Vorteil sein, um die Spitzengeschwindigkeit zu steigern. Dazu wird die Luft der abtriebserhöhenden Einrichtung an einer Stelle zugeführt, die besonders sensitiv für Strömungsabrisse ist, beispielsweise in einem der Fahrtrichtung abgewandten Bereich des Heckflügels oder Diffusors. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Luft mit Schaltorganen wahlweise zwischen abtrittserhöhenden und abtriebsvernichtenden Austrittsöffnungen 12a bei Bedarf manuell oder automatisch umgeschaltet werden kann.
Zum Anfahren der Wärmekraftanlage kann gegebenenfalls Druckluft zwischen dem Raum 6 und der ersten Turbine 10, eventuell durch den über die elektrische Maschine 14 angetriebenen ersten oder zweiten Verdichter 9, 9' eingeblasen werden. Weiters kann es in gewissen Betriebsbereichen vorteilhaft sein, einen Teil der heißen Luft vom Austritt aus der ersten Turbine 10 stromaufwärts des ersten Verdichters 9 rückzuführen oder stromaufwärts des zweiten Verdichters 9' zuzuführen.
Die Einrichtung 30 zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus dem Abgas kann weiters zum Antrieb des Fahrzeuges im Antriebsstrang parallel zur Brennkraftmaschine 2 und parallel zur einer elektrischen Antriebsmaschine 31 angeordnet sein, wie in den Fig . 11 und Fig. 12 dargestellt ist. Dabei wirken die erste Turbine 10 - insbesondere die Heißluftturbine 100 - der Wärmekraftanlage 30, die Brennkraftmaschine 2 und die elektrische Antriebsmaschine 31 über eine oder mehrere Kupplungen 24, 25, 26, 27 und/oder über Übersetzungs- und/oder Planetengetriebe 29, 29a, 29b auf eine Antriebswelle 28 ein.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Fahrzeug, insbesondere Rennfahrzeug, mit einer eine Brennkraftmaschine (2) aufweisenden Antriebseinheit (1), wobei die Brennkraftmaschine (2) einen Abgasturbolader (5) mit einer Abgasturbine (5a) im Auslasssystem und einem Ladeluftverdichter (5b) im Einlasssystem (3) aufweist, mit zumindest einer Wärmekraftanlage (30) zur Rückgewinnung von Wärme aus einem wärmeabgebenden Bauteil oder einer Wärme abgebenden Baugruppe, wobei der Bauteil oder die Baugruppe an zumindest einen von einem Arbeitsgas, insbesondere Luft, durchströmten Raum (6) grenzt, insbesondere zumindest teilweise von dem durchströmten Raum (6) umgeben ist, mit einem ersten Verdichter (9) und einer ersten Turbine (10), wobei eine erste Austrittsseite (9b) des ersten Verdichters (9) mit einem Einlassbereich (7) des Raumes (6), strömungsverbunden ist und eine zweite Austrittsseite (9c) eines von der ersten Turbine (10) angetriebenen zweiten Verdichters (9') oder eine zweite Austrittsseite (9d) des vorzugsweise mehrflutig ausgebildeten ersten Verdichters (9) mit dem Einlasssystem (3) strömungsverbunden ist, und wobei der Wärme abgebenden Bauteil oder die Wärme abgebenden Baugruppe durch das Auslasssystem (4) der Brennkraftmaschine (2) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslasssystem (4) zumindest einen von mindestens einem durchströmten Raum (6) umgebenen Abgaskrümmer (4a) und/oder zumindest einen von mindestens einem durchströmten Raum (6) umgebenen Abgaskanal im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine (2) aufweist.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (9') oder die zweite Flut (9") des ersten Verdichters (9) seriell zum Ladeluftverdichter (5b) des Abgasturboladers (5) angeordnet ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter oder die zweite Flut des zweiten Verdichters (9') parallel zum Ladeluftverdichter (5b) des Abgasturboladers (5) angeordnet ist.
4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des zweiten Verdichters (9') oder der zweiten Flut (9") des ersten Verdichters (9) zumindest ein Ladeluftkühler (LK) angeordnet ist.
5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg zum oder vom ersten oder zweiten Verdichter (9') zumindest ein Kühler (40), vorzugsweise zur Kühlung eines Kühl- und/oder Schmiermediums der Brennkraftmaschine (2) angeordnet ist.
6. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (40) durch einen Ölkühler oder Wasserkühler gebildet ist, wobei vorzugsweise der Kühler (40) in den Öl- oder Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine (2), eingebunden ist.
7. Fahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (40) stromaufwärts des Einlassbereiches (7) in den durchströmten Raum (6) angeordnet ist.
8. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühler (40) stromabwärts des ersten Verdichters (9) angeordnet ist.
9. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühler (40) stromaufwärts des zweiten Verdichters (9') angeordnet ist.
10. Fahrzeug nach einem der Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsströmungsweg (12) der ersten Turbine (10) und der Austrittsströmungsweg (I Ib) des ersten Verdichters (9), vorzugsweise über zumindest einen Wärmetauscher (42), thermisch miteinander verbunden sind .
11. Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Verbindung mit dem Austrittsströmungsweg (I Ib) des ersten Verdichters (9) im Austrittsströmungsweg (12) der ersten Turbine (9) stromaufwärts einer Austrittsöffnung (12a) des Austrittsströmungsweges (12) der ersten Turbine (10) angeordnet ist.
12. Fahrzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Verbindung mit dem Austrittsströmungsweg (12) der ersten Turbine (10) im Austrittsströmungsweg (I Ib) des ersten Verdichters (9) stromaufwärts des Einlassbereiches (7) des Raumes (6) angeordnet ist.
13. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (9) mit der ersten Turbine (10), vorzugsweise über eine gemeinsame Welle (13), antriebsverbunden ist.
14. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslassbereich (8) des durchströmten Raumes (6) mit einer Eintrittsseite (10a) der ersten Turbine (10) strömungsverbunden ist.
15. Fahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (10) durch eine Heißluftturbine (100) gebildet ist wobei zumindest ein Austrittsbereich (8) des durchströmten Raumes (6) mit der Heißluftturbine (100) strömungsverbunden ist.
16. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (9), der zweite Verdichter (9') und/oder die erste Turbine (10), vorzugsweise über eine gemeinsame Welle (13), mit einer elektrischen Maschine (14) antriebsverbunden ist.
17. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (10) mehrflutig oder mehrstufig ausgebildet ist.
18. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Austrittsströmungsweg (12) der ersten Turbine (10), vorzugsweise stromabwärts der thermischen Verbindung mit dem Austrittsströmungsweg (I Ib) des ersten Verdichters (9), zumindest eine abtriebserhöhende Einrichtung (32) angeordnet ist, wobei vorzugsweise zumindest eine Austrittsöffnung (12a) des Austrittsströmungsweges (12) der ersten Turbine (10) im Bereich der abtriebserhöhenden Einrichtung (32) des Fahrzeuges angeordnet ist.
19. Fahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die abtriebserhöhende Einrichtung (32) durch einen Heckflügel (22) gebildet ist, wobei vorzugsweise zumindest eine Austrittsöffnung (12a, 12a') im Bereich unterhalb der der Fahrbahn (20) zugewandten Unterseite des Heckflügels (22), besonders vorzugsweise im - in Fahrtrichtung gesehenen - vorderen Bereich (22a), insbesondere im vorderen Drittel, des Heckflügels (22), angeordnet ist.
20. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die abtriebserhöhende Einrichtung (32) durch einen vorzugsweise durch einen Fahrzeugunterboden (19) des Fahrzeuges gebildeten Diffusor (21) im Heckbereich des Fahrzeuges gebildet ist, wobei zumindest eine Austrittsöffnung (12a, 12a') im Bereich des Diffusors (21) angeordnet ist.
21. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (12a, 12a') im Bereich eines Staupunktes an der der Fahrbahn (20) zugewandten Seite des Diffusors (21) angeordnet ist.
22. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Austrittsöffnung (12a, 12a') auf der der Fahrbahn (20) zugewandten Seite des Diffusors (21) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Austrittsöffnung (12a, 12a') in einem Anfangsbereich des Diffusors (21) angeordnet ist.
23. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (10) vorzugsweise über zumindest eine Schaltkupplung (24, 27) oder ein Getriebe (29a, 29b, 29) mit einer Antriebswelle (28) des Fahrzeuges verbunden ist, wobei vorzugsweise die Heißluftturbine (10) im Antriebsstrang des Fahrzeuges parallel zur Brennkraftmaschine (2), besonders vorzugsweise parallel zu einer elektrische Antriebsmaschine (31) angeordnet ist.
24. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmter Raum (6) ein Mantelraum ist, welcher den Bauteil oder die Baugruppe zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, umgibt.
25. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmte Raum (6) Teil zumindest eines zweiten Wärmetauschers ist.
26. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Auslasssystem (4) und dem Raum (6) zumindest eine Strömungsverbindung (6a) angeordnet ist.
27. Fahrzeug nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung (6a) stromaufwärts einer im Auslasssystem (4) der Brennkraftmaschine (2) angeordneten zweiten Turbine (5a) eines Abgasturboladers (5) angeordnet ist.
28. Fahrzeug nach Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass in der Strömungsverbindung (6a) zumindest ein vorzugsweise steuerbares Ventil (6b) angeordnet ist.
29. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftanlage (30) einen offenen Kreisprozess aufweist.
2013 05 10
Fu
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