DE10108468A1 - Verfahren und Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlkreislaufs eines Kraftfahrzeugs in mechanische und/oder elektrische Energie - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlwassersystems eines Fahrzeugs in mechanische und/oder elektrische Energie, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Beaufschlagen von eine Formgedächtnis-Legierung aufweisenden Bauteilen einer Wärmekraftmaschine mit Kühlwasser einer ersten, höheren Temperatur, DOLLAR A - Abkühlung des die Bauteile beaufschlagenden Kühlwassers zur Einleitung einer mechanischen Bewegung der Bauteile und mit diesen in Wirkverbindung stehenden drehbar gelagerten Elementen, DOLLAR A - Ausnutzen der durch die mechanische Bewegung bereitgestellten Energie, insbesondere zur Beaufschlagung einer Pumpe oder eines elektrischen Generators.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine An­ ordnung zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlkreislaufs eines Kraftfahrzeugs in mechanische und/oder elektrische Ener­ gie.

Um bei Antriebssystemen von Kraftfahrzeugen thermische Überbe­ anspruchungen, z. B. eine Verbrennung von Schmieröl auf der Kol­ bengleitbahn oder unkontrollierte Verbrennungen durch zu hohe Bauteiltemperaturen zu vermeiden, müssen die den heißen Brenn­ raum umgebenden Bauteile wie beispielsweise Zylinderrohr, Zy­ linderkopf, Ventile und gegebenenfalls Kolben intensiv gekühlt werden.

Da Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität und guten Wärme­ übergang zwischen Werkstoff und Kühlmedium aufweist, werden die meisten Fahrzeugmotoren heute mit Wasser gekühlt. Die Luft- Wasser-Umlaufkühlung ist das meist angewandte System. Sie hat einen geschlossenen Kreislauf, der den Zusatz von Schutzmitteln gegen Korrosion und Erfrieren erlaubt. Das Kühlwasser wird mit einer Pumpe durch den Motor und einen Luft-Wasser-Kühler ge­ pumpt. Die Kühlluft wird durch den Fahrtwind oder durch einen Zusatzlüfter durch den Kühler befördert. Die Kühlwassertempera­ tur ist beispielsweise mit einem Thermostatventil durch Umge­ hung des Kühlers regelbar.

Es erfolgt herkömmlicherweise keine Ausnutzung bzw. Wiederge­ winnung der thermischen Energie des Fahrzeugkühlwassers. Diese wird vielmehr durch Kühler bzw. Lüfter an die Umgebung abgege­ ben. Aus diesem Grunde müssen spezielle Kühler oder Gebläse be­ reitgestellt werden, welche ein relativ hohes Eigengewicht auf­ weisen und groß bauen. Die Bereitstellung derartiger Komponen­ ten ist ferner mit erhöhten Kosten verbunden.

Wärmekraftmaschinen zur Umwandlung thermischer Energie in me­ chanische oder elektrische Energie sind an sich bekannt. Von einer Wärmekraftanlage spricht man, wenn die dem System zuge­ führte Wärme größer als die abgegebene Wärme ist, so dass das System in der Lage ist, Arbeit zu liefern.

Aus der US 5,003,779 ist ein Generator zur Gewinnung elektri­ scher Energie aus Wärmeenergie bekannt. Der Generator verwendet hierbei ein rohrförmiges Getriebe, welches teilweise aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht. Diese Formgedächtnis- Legierung wird sequentiell mittels einer geothermischen Wärme­ quelle beaufschlagt und abgekühlt, wodurch eine Drehbewegung des Getriebes eingeleitet wird, aus welcher elektrische Energie gewinnbar ist. Eine weitere Wärmekraftmaschine, welche eben­ falls das Deformations-Temperatur-Verhalten von Formgedächtnis- Legierungen ausnutzt, ist aus der US 4,955,196 bekannt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, den energeti­ schen Wirkungsgrad der zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs notwen­ digen Energie zu optimieren.

Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren und eine Anord­ nung zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlkreislaufs eines Kraftfahrzeugs in mechanische und/oder elektrische Ener­ gie mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 5.

Erfindungsgemäß kann auf groß bauende Luftkühler bzw. Gebläse, welche bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen notwendig waren, weit­ gehend verzichtet werden. Bei entsprechender energetischer Aus­ beute kann ferner gegebenenfalls auf eine Lichtmaschine, und somit auch auf einen Keilriemen, der sich bei herkömmlichen Fahrzeugen als relativ verschleißanfällig erweist, verzichtet werden. Die erfindungsgemäß zurückgewonnene Energie kann bei­ spielsweise zur Einspeisung in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs verwendet werden, aber auch beispielsweise in einem Energiezwi­ schenspeicher gelagert werden. Auch die gekoppelte Verwendung mit einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie erweist sich als vor­ teilhaft. Es ist ebenfalls möglich, mit der erfindungsgemäß zu­ rückgewonnenen mechanischen Energie beispielsweise ohne vorhe­ rige Umwandlung in elektrische Energie eine Pumpe zu betreiben. Insgesamt lässt sich erfindungsgemäß der Gesamtwirkungsgrad des Systems Fahrzeug deutlich erhöhen. Ein weiterer Vorteil bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass gegen­ über herkömmlichen Fahrzeugen kleinere Wasserpumpen und auch kleinere Gebläse verwendet werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Zweckmäßigerweise ist die erfindungsgemäß eingesetzte Wärme­ kraftmaschine als Schrägscheiben-Wärmekraftmaschine ausgebil­ det. Derartige Wärmekraftmaschinen bauen relativ klein und wei­ sen einen günstigen Wirkungsgrad auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfin­ dungsgemäß eingesetzte Wärmekraftmaschine als Zweirollen- Wärmekraftmaschine ausgebildet. Auch derartige Wärmekraftma­ schinen bauen relativ klein und erweisen sich in der Praxis als robust und zuverlässig.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung handelt es sich bei dem Kühlkreislauf um den Kühlkreislauf ei­ nes Brennstoffzellensystems. Bei Fahrzeugen, die mit einem Brennstoffzellenantrieb ausgerüstet sind, ist der Kühlbedarf zur wirksamen Kühlung der Brennstoffzellen bzw. einer den Brennstoffzellen vorgelagerten Reformierungseinheit sehr groß, so dass einerseits eine große Energiemenge in Form von heißem Kühlwasser freigesetzt wird, andererseits aber auch bei her­ kömmlichen Systemen die Kühleinrichtungen groß dimensioniert werden mußten. Erfindungsgemäß können nun derartige Kühlein­ richtungen wesentlich kleiner dimensioniert werden.

Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrie­ ben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht ei­ ner Schrägscheiben-Wärmekraftmaschine, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Fig. 1 entlang der Linie A-A,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funk­ tionsweise einer Zweirollen-Wärmekraftmaschine, welche ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetz­ bar ist,

Fig. 4 eine bevorzugte Weiterbildung einer Schrägscheiben- Wärmekraftmaschine in schematischer Schnittansicht, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist, und

Fig. 5 eine weitere bevorzugte Weiterbildung einer Schräg­ scheiben-Wärmekraftmaschine in schematischer Schnittan­ sicht, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein­ setzbar ist.

In Fig. 1 erkennt man eine Schrägscheiben-Wärmekraftmaschine. Diese Wärmekraftmaschine, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist, weist eine erste Welle 1 und eine zweite Welle 2 auf. Die Wel­ len 1 und 2 sind separat zueinander gelagert und mittels einer starren Kupplung gekoppelt. Die Wellen 1, 2 und die starre Kupplung bilden den Abtrieb der Wärmekraftmaschine. Zwischen den Wellen 1, 2 sind Drähte 3 aus einer Formgedächtnis- Legierung, beispielsweise Nickel-Titan (NiTi), vorgesehen, die in der Maschine ausschließlich auf Zug beansprucht werden. Wie in der Abbildung zu erkennen, sind die Nickel-Titan-Drähte in den Umfangsbereichen der jeweiligen Wellen angebracht. Man er­ kennt, dass die Drähte auf der Seite der Welle 2 an einer Schrägscheibe 6 befestigt sind. Die Nickel-Titan-Drähte bilden den Antrieb der Wärmekraftmaschine, wie im folgenden erläutert wird.

Zur Erzeugung eines Drehmoments ist die Drehachse der ersten Welle 1 gegenüber derjenigen der zweiten Welle 2 geneigt. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt mittels der starren Kupp­ lung, über welche die Wellen zusätzlich miteinander verbunden sind.

Die beschriebene Anordnung ist in einem fluiddichten Gehäuse 5 vorgesehen, wobei mittels einer Abdichtung 7, welche insbeson­ dere in Fig. 2 erkennbar ist, innerhalb des Gehäuses 5 zwei Teilräume 5a, 5b definiert sind. Der Teilraum 5a ist mittels des relativ warmen Kühlwassers eines Brennstoffzellensystems beaufschlagbar (warme Seite), während der Teilraum 5b bei­ spielsweise mittels Luftkühlung gegenüber dem Teilraum 5a eine niedrigere Temperatur aufweist (kalte Seite).

Infolge der Neigung der Wellen 1, 2 zueinander weisen die Dräh­ te 3 zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedliche Längen auf, wobei die Länge der jeweiligen Drähte durch die Neigung der Wellen bzw. der Schrägscheibe 6 bestimmt ist. Wie man aus einem entsprechenden (hier nicht dargestellten) Deformations- Temperatur-Diagramm erkennen kann, kann ein vorgespannter Ni- Ti-Draht 3 bei abwechselnder Erwärmung (Austenit-Phase, hier im Teilraum 5a) und Abkühlung (Martensit-Phase, hier im Teilraum 5b) jeweils seine Länge ändern. Durch eine derartige Temperatu­ ränderung ist es daher möglich, Wärme in Arbeit umzuwandeln. Im vorliegenden Fall nimmt beispielsweise während einer Umdrehung der Welle 1 die Länge der Drähte 3 in dem Teilraum 5a entsprechend der Neigung der Schrägscheibe 6 zunächst bis zu einer ma­ ximalen Länge zu, um dann wieder, bei direkter oder indirekter Beaufschlagung mittels Kühlluft in dem Teilraum 5b, die Aus­ gangslänge anzunehmen. Zweckmäßigerweise sind die Teilräume 5a, 5b derart angeordnet, dass diese Längenänderungen der Ni-Ti- Drähte optimal ausgenutzt werden können.

Bei entsprechender Beaufschlagung des Teilraums 5a mit (relativ warmem) Kühlwasser, und des Teilraums 5b mit (relativ kalter) Luft kommt es insgesamt zu einer Drehung der Wellen 1 bzw. 2. Diese mechanische Bewegung kann direkt, beispielsweise zum Be­ treiben einer Pumpe, verwendet werden. Es ist ebenfalls mög­ lich, diese mechanische Energie in an sich bekannter Weise in elektrische Energie umzuwandeln.

In Fig. 3 ist eine weitere Möglichkeit zur Umwandlung thermi­ scher Energie in Bewegungsenergie mittels einer Formgedächtnis­ legierung dargestellt. Hierbei liegt ein ungespannter Draht aus einer Formgedächtnislegierung, beispielsweise Nickel-Titan, hier mit 12 bezeichnet, um zwei Rollen 13, 14. Spannungen lie­ gen nur dort vor, wo der Draht 12 um die Rollen 13 bzw. 14 ge­ führt wird. Hierbei handelt es sich um Biegespannungen, welche ansteigen, während der Draht 12 durch ein warmes Bad 15 läuft, in dem sich die Austenitphase des Systems befindet. So entsteht am Umfang der unteren Rolle ein resultierendes Kräftepaar, wel­ ches sich auf die Rolle 13 überträgt und eine einmal gestartete Bewegung aufrechterhalten kann. Die so zur Verfügung gestellte Wärmekraftmaschine kann links oder rechts herum laufen, je nachdem wie sie gestartet wird. Der Vorteil derartiger Wärme­ kraftmaschinen liegt darin, dass sie auch kleine Temperaturdif­ ferenzen ausnutzen können. Für den Fall des Einsatzes einer derartigen Wärmekraftmaschine im Fahrzeugbereich entspricht das warme Wasserbad 15 dem Bereich, in dem das Wasser des Kühl­ kreislaufs die Rolle 13 beaufschlägt.

In Fig. 4 erkennt man eine Weiterentwicklung der Schrägschei­ ben-Wärmekraftmaschine, wobei die schematische Ansicht der Fig. 4 im wesentlichen der Schnittansicht der Fig. 2 entspricht. Die Drähte aus einer Formgedächtnis-Legierung sind hier mit 23 be­ zeichnet und um eine Achse 24 drehbar.

Man erkennt, dass die gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 halbzylinderförmigen Teilräume 5a, 5b hier gewissermaßen auseinandergezogen sind. Im einzelnen ist ein erster, im we­ sentlichen kreisförmiger Raum relativ hoher Temperatur mit 25, und ein zweiter, im wesentlichen ringförmiger Raum relativ niedriger Temperatur mit 26 bezeichnet. Der erste Raum 25 wird hierbei mit Fahrzeugkühlwasser beaufschlagt (Temperatur etwa 80° Celsius), wobei dessen Fließrichtung senkrecht zur Zeiche­ nebene liegt. Die um die Drehachse 24 drehbaren Drähte 23 bewe­ gen sich in den ersten Raum 25 hinein, wodurch es zu einer Län­ genveränderung der Drähte 23 kommt, deren Auswirkung bereits ausführlich unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 besprochen wurde. In dem Übergangsbereich 27 treten die Drähte aus dem er­ sten Raum 25 aus und in den zweiten Raum 26 ein, wobei sie in dem Bereich 28 wieder aus dem zweiten Raum 26 in den ersten Raum 25 eintreten. Der Ringspalt bzw. ringförmige Raum 26, in den zusammen mit den Drähten 23 auch Kühlwasser eintreten kann, ist beispielsweise mittels eines (nicht dargestellten) Luftge­ bläses gegenüber dem ersten Raum 25 abkühlbar. Hierdurch kommt es beim Durchgang der Drähte 23 durch den ringförmigen Raum 26 zu einer Längenänderung, beispielsweise einer Verkürzung der Drähte, was zu dem unter Bezugnahme auf Figg. 1 und 2 beschrie­ benen Effekt der Erzeugung eines Drehmoments führt. Ein mit ei­ ner so ausgeführten Wärmekraftmaschine in Wirkverbindung ste­ hender Generator kann die entstehende mechanische Energie in elektrische Energie umsetzen.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Weiterbildung der Wärmekraftma­ schine gemäß Fig. 4 schematisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Man erkennt, dass die Drähte 23 konzentrisch in mehreren Lagen 23a bis 23e angeordnet sind, wobei den einzelnen Lagen jeweilige Ringspalte 26a bis 26e zugeordnet sind.

Analog zu der Ausführungsform der Fig. 4 treten die jeweiligen Lagen von Drähten 23 in einem Bereich 27 von dem durch den Kühlwasserkreis beaufschlagten Raum 25 in die jeweiligen Rings­ palte 26a bis 26e ein. Der Austritt der Drähte aus dem Rings­ palten 26a bis 26e erfolgt in einem Bereich 28. Die Ringspalte 26a bis 26e sind in der unter Bezugnahme auf Fig. 4 dargestell­ ten Weise kühlbar, wobei die zwischen den Ringspalten liegenden Bereiche die aktive Wärmetauscherfläche bilden. Der Vorteil der Ausführungsform gemäß Fig. 5 besteht darin, dass sie gegenüber der Ausführungsform der Fig. 4 ein Mehrfaches an Wärmetauscher­ fläche und Drahtbeaufschlagungsfläche bietet. Hierdurch ist es möglich, ein größeres Maß an mechanischer Energie aufgrund der bereits diskutierten Formgedächtniseffekte zu generieren, so dass beispielsweise das Drehmoment eines angeschlossenen Gene­ rators erhöht werden kann.

Die Luftkühlung der Ringspalte 26a bis 26b erfolgt in vorteil­ hafter Weise parallel zu der Fließrichtung des Kühlwassers in den Raum 25, im vorliegenden Beispiel also senkrecht zur Zei­ chenebene.

Zweckmäßigerweise sind die Wärmekraftmaschinen gemäß den Fig. 4 und 5 als Aluminiumlegierungskäfige realisiert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlwas­ sersystems eines Fahrzeugs in mechanische und/oder elektrische Energie, mit folgenden Schritten:

• - Beaufschlagen von eine Formgedächtnis-Legierung aufweisenden Bauteilen (3, 12, 23) einer Wärmekraftmaschine (10) mit Kühl­ wasser einer ersten, höheren Temperatur,
• - Abkühlung des die Bauteile (3, 12, 23) beaufschlagenden Kühl­ wassers zur Einleitung einer mechanischen Bewegung der Bau­ teile (3, 12, 23) und mit diesen in Wirkverbindung stehenden drehbar gelagerten Elementen (1, 2, 14, 15),
• - Ausnutzen der durch die mechanische Bewegung bereitgestellten Energie, insbesondere zur Beaufschlagung einer Pumpe oder ei­ nes elektrischen Generators.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Wärmekraftmaschine als Schrägscheiben- Wärmekraftmaschine ausgebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Wärmekraftmaschine als Zweirollen- Wärmekraftmaschine ausgebildet ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlwassersystem das Kühlwassersystem eines mittels Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeug verwendet wird.

5. Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlwas­ sersystems eines Kraftfahrzeugs in mechanische und/oder elek­ trische Energie, mit einer von dem Kühlwasser des Kühlwassersy­ stems beaufschlagbaren Wärmekraftmaschine (10) zur Umwandlung der thermischen Energie des Kühlwassers in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine als das Deformations-Temperatur- Verhalten von Formgedächtnis-Legierungen ausnutzende Wärme­ kraftmaschine ausgebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine als Schrägscheiben- Wärmekraftmaschine ausgebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine als Doppelrollen-Wärmekraftmaschine ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf der Kühlkreislauf eines Brennstoffzel­ lensystems eines mittels Brennstoffzellen angetriebenen Fahr­ zeugs ist.

9. Fahrzeug, bei dem thermische Energie eines Kühlwassersystems gemäß dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 4 in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.

10. Fahrzeug mit einer Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlkreislaufs in mechanische und/oder elektri­ sche Energie nach einem der Ansprüche 5 bis 9.