带有循环过程装置的用于机动车的驱动单元的制作方法

本发明涉及一种用于机动车的驱动单元，其包括内燃机(brennkraftmaschine)以及循环过程装置(kreisprozessvorrichtung)，在循环过程装置中可将内燃机的燃烧发动机(verbrennungsmotor)的废气的废热用于产生机械功率。

背景技术：

因为带有举升活塞发动机(其几乎仅被用于驱动机动车)的内燃机的效率仅仅大约处于所使用的初级能源的三分之一而在燃烧过程中释放的热能的其余三分之二是废热(其经由发动机冷却或者经由排气系(abgasstrang)作为热损耗被排出到周围环境处)，借助于循环过程装置利用废气的废热示出提升机动车的驱动单元的总效率且因此降低燃料消耗的一可能性。

文件de102008028467a1说明了一种用于利用内燃机的废热的这样的装置。对此，第一换热器、蒸发器(verdampfer)、蒸汽循环过程装置集成到内燃机的排气系中。在蒸发器中从废气传递到蒸汽循环过程装置的工作介质上的热能在膨胀装置中部分地被转化成机械能，其例如可被用于支持性地驱动机动车或者用于产生电能。在膨胀装置的下游使工作介质在第二换热器、冷凝器中冷却，其中，工作介质冷凝。经由供给泵(speisepumpe)实现工作介质的压力提高以及将工作介质重新输送至蒸发器。冷凝器在此由内燃机的发动机冷却系统的冷却剂冷却。

与通过发动机冷却系统的冷却剂冷却冷凝器相联系的缺点在于该冷却剂至少在内燃机热运行的情况下所具有的相对高的温度。在冷凝器中冷却剂的冷却效果那么相对较小，这引起对于在循环过程装置的低压侧上的工作介质设立相对高的压力，以便能够借助于冷凝器使该工作介质液化。在循环过程装置的低压侧上这样的相对高的压力与在高压侧上的固定的压力水平相结合导致相对低的压力比，这反映在循环过程装置的相应低的效率中。

文件de102016102625a1公开了一种带有燃料电池的电气化机动车，其包括作为空调设备的循环过程装置，在该循环过程装置中第一冷凝器是液体冷却的而第二冷凝器是空气冷却的。

文件wo2012/022288a2说明了一种带有循环过程装置的发电设备，该循环过程装置包括工作介质泵、蒸发器、涡轮和冷凝器。冷凝器还集成到具有另外的工作介质的循环(kreislauf)中，该循环与使液氮或液态空气膨胀的用于产生动能的膨胀装置共同作用。布置到该循环系统中的有另外的工作介质泵、用于将热能从另外的工作介质排出到设置用于运行膨胀装置的流体处的换热器和另外的换热器，借助于其可通过膨胀装置在膨胀过程之后喷出的流体从另外的工作介质中提取热能。根据这样的发电设备的一设计形式，冷凝器可关联有用于在需要时辅助的附加的冷凝器，其与构造为冷却塔的空气-、湿式-或混合冷却设备共同作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于，鉴于借助于循环过程装置可获得的效率来改善根据开头所说明的类型的用于机动车的驱动单元。

该目的通过根据权利要求1的驱动单元来实现。带有这样的驱动单元的机动车是权利要求9的对象。用于运行根据本发明的驱动单元的具体设计形式的方法是权利要求10的对象。根据本发明的驱动单元的和因此根据本发明的机动车的有利的设计形式以及根据本发明的方法的优选的设计形式是另外的权利要求的对象并且/或者从本发明的接下来的说明中得到。

根据本发明设置有用于机动车的驱动单元以及带有这样的驱动单元的机动车，其中，驱动单元包括具有燃烧发动机以及排气系的内燃机，经由排气系可将废气从燃烧发动机导出。驱动单元此外包括循环过程装置，其具有蒸发装置、膨胀装置、冷凝装置以及优选地工作介质泵，其中，蒸发装置集成到内燃机的排气系中，以便至少在需要时将废气的热能传输到循环过程装置的工作介质上。借助于循环过程装置，可在驱动单元的运行中至少暂时地实现将废气的热能在顺时针的热力学循环过程中转化成机械功，其中，这样的循环过程

-包括在蒸发装置中从废气到工作介质的直接或间接的热传导，由此提高工作介质的温度和/或压力，并且

-包括在膨胀装置中工作介质的膨胀，用于产生机械功，膨胀装置例如可以是涡轮，并且

-包括在冷凝装置中从工作介质到冷却介质的直接或间接的热传导，并且

-优选地包括在液态工作介质压力提高的同时借助于工作介质泵至蒸发装置的输送。

优选地设置成，该循环过程是蒸汽循环过程并且尤其是所谓的“有机朗肯循环”(orc)。

这样的根据本发明的驱动单元特征在于，冷凝装置包括可由工作介质流经的第一冷凝器和可由工作介质流经的第二冷凝器，其在工作介质的流动方向上后接于第一冷凝器。通过至少两个冷凝器的这样的串联，在工作介质在低压侧上(也就是说在循环过程装置的置于膨胀装置与优选地设置的工作介质泵之间的区段中)压力相对低的情况下也可实现特别大程度的冷却和因此工作介质的液化。由此在循环过程装置的运行中可达到在高压侧上工作介质的压力与在低压侧上工作介质的压力相比相对大的比例和因此相对大的效率。

优选地可设置成，第一冷凝器集成到冷却系统的冷却回路(kuehlkreis)中，在其中包含有液态冷却剂。在此，冷却系统此外优选地还可集成燃烧发动机或在其中构造的冷却通道。尤其可设置成，燃烧发动机集成到同一冷却回路中，其还包括循环过程装置的第一冷凝器。以该方式可将冷却系统的冷却剂(其设置用于冷却内燃机以及尤其还有燃烧发动机)同时用于冷却在第一冷凝器中循环过程装置的工作介质。这一方面使得对于根据本发明的驱动单元能够实现相对紧凑的设计。此外，在第一冷凝器中冷却剂吸收的废热由此可在内燃机的热运转阶段中被用于尽可能快速地加热冷却剂。由此一方面，内燃机可相对快速地达到其运行温度，这可与在热运转阶段期间相对少的燃料消耗和相对低的有害物质排放相联系。此外，由此可相对快速地实现同样集成到冷却系统中的加热换热器(heizungswaermetauscher)的足够大的加热功率，该加热换热器尤其设置用于加热接下来被输送给包括根据本发明的驱动单元的机动车的内部空间的空气。

尤其在根据本发明的驱动单元的这样的设计方案中(在其中循环过程装置的工作介质在第一冷凝器中通过内燃机的冷却系统的冷却剂来冷却)，根据本发明的与第二冷凝器的组合可有利地起作用，因为冷却系统的冷却剂的温度可对于内燃机和尤其燃烧发动机的有利的运行至少在内燃机热运行的情况下相对高(例如处于大约70℃)，这然而与在第一冷凝器中相对小的冷却功率相联系。在没有根据本发明的与第二冷凝器的组合的情况下，因此在第一冷凝器中仅在循环过程装置的低压侧上系统压力相对高的情况下可实现工作介质的液化，这可相应地负面地影响循环过程装置的效率。

备选地或补充地，还存在提高对于工作介质第一冷凝器的冷却功率的可能性，如果例如由于集成到内燃机的冷却系统中相对热的冷却剂被输送给该第一冷凝器，通过使第一冷凝器关联有冷却剂冷却器(kuehlmittelkuehler)(其关于冷却剂的流动方向优选地直接在上游、也就是说在冷却剂进入冷凝器之前集成到冷却系统中)。在此优选地涉及冷却剂冷却器，其具体地设置用于将尽可能冷的冷却剂输送给第一冷凝器，以便鉴于工作介质提高其冷却效果。与此相应地，该冷却剂冷却器尤其可附加于集成到冷却系统中的至少一个另外的冷却剂冷却器来设置。在驱动单元的这样的设计方案中也存在放弃第二冷凝器的可能性，因为始终借助于第一冷凝器可实现足够大的冷却功率。

按照根据本发明的驱动单元的此外优选的设计形式可设置成，第二冷凝器是空气冷却的。这一方面具有该第二冷凝器的相对简单的结构设计的优点。这尤其有效，因为不需要结构相对复杂的附加的冷却系统以在第二冷凝器中冷却工作介质。而是为此优选地利用环境空气，其至少在内燃机热运行的情况下通常具有如下温度，其可明显低于内燃机的冷却系统的冷却剂的温度并且因此确保在第二冷凝器中工作介质的附加的冷却。为了第二冷凝器的足够的冷却功率，尤其可实现第二冷凝器由(环境)空气流经，其基于包括驱动单元的机动车的前进运动。备选地(例如还在机动车静止的情况中)或者辅助性地，这样的流经也可借助于与第二冷凝器相关联的鼓风机来实现。该鼓风机也可以是能够与内燃机的冷却系统的(主)冷却剂冷却器相关联的同一鼓风机。在此尤其还可设置成，第二冷凝器与冷却剂冷却器并且必要时还与鼓风机组合在一个复合结构中、也就是说在一结构单元中。

优选地可设置成，第一冷凝器由钢、优选地由优质钢并且/或者第二冷凝器由铝、尤其由铝合金构成地来设计。在此，由钢或铝构成的“设计”被理解成一结构，在其中至少冷凝器的相应的构件的与工作介质相接触的面由相应的材料制成。在此尤其可设置成，这些与工作介质相接触的构件全部或者甚至冷凝器全部由相应的材料制成。与钢相比，在冷凝器中或基本上在换热器中应用铝具有相对高的导热能力和因此在工作介质与相应的冷却剂之间相对大的热传导的优点。在冷凝器或换热器的设计方面与钢相比铝的另一优点在于铝的密度更小，由此可造成与由钢构成的冷凝器相比由铝构成的冷凝器的构件重量更小。此外，由铝构成的冷凝器或换热器能够比由钢且尤其由优质钢构成的相应的冷凝器或换热器可更加成本有利地制造。对于循环过程装置的冷凝器或换热器应用铝的一缺点然而在于铝与特定的工作介质、尤其与还在根据本发明的驱动单元中优选地设置的基于乙醇的工作介质(例如带有或不带有油添加物的乙醇或者同样带有或不带有油添加物的乙醇-水混合物)相组合可能的易腐蚀性(所谓的醇盐腐蚀)。因为这样的醇盐腐蚀在由铝构成的冷凝器中仅在工作介质的温度相对高的情况下以显著的程度出现，所以以有利的方式通过与第一冷凝器串联而存在由铝设计第二冷凝器的可能性，因为工作介质由于在第一冷凝器中的冷却在进入第二冷凝器中时已可被足够程度地冷却。反之，第一冷凝器优选地由钢并且尤其由优质钢来构造，因为第一冷凝器至少有时在循环过程装置的运行中由相对热的工作介质流经。因此，由铝设计第一冷凝器会与醇盐腐蚀的显著危险相联系。

按照根据本发明的驱动单元的一优选的设计形式，可设置有用于在需要时将工作介质导引绕过(vorbeileitung)第一冷凝器的旁路和/或用于在需要时将工作介质导引绕过第二冷凝器的旁路。这以有利的方式在不同冷凝器中尤其根据工作介质的温度实现工作介质的符合需要地适配的冷却。例如可有利地设置成，工作介质在温度仅相对低的情况下仅仅在第二冷凝器中被冷却，因为在第二冷凝器中由于优选的由铝构成的设计可实现在工作介质与在第二冷凝器中所利用的冷却剂(优选地空气)之间特别好的热传导。此外在该情况中可避免优选地集成到内燃机的冷却系统中的第一冷凝器须被冷却系统的冷却剂流过，以此可避免产生为此必需的输送功率。另一方面，如果由此可达到的冷却效果对于工作介质足够或者如果被用于在第二冷凝器中冷却工作介质的冷却剂(优选地环境空气)冷得不足以产生对于工作介质显著的冷却效果，仅使第一冷凝器由工作介质流经例如可以是有利的。由此可避免对于附加地流经第二冷凝器必需的流动阻力。由此，尤其对于优选地由循环过程装置所包括的工作介质泵可实现相对小的驱动功率。与此相应地，在根据本发明的方法的范围中可设置成，仅当设置用于在第二冷凝器中冷却工作介质的冷却空气具有比进入第二冷凝器中的工作介质更低的温度时，那么才引导工作介质经过第二冷凝器。

此外优选地可设置成，根据本发明的驱动单元具有用于工作介质的补偿容器(ausgleichsbehaelter)，其在第二冷凝器的下游且在优选地设置的工作介质泵上游集成到循环过程装置中。在此，补偿容器尤其可部分地以工作介质且部分地以气体来填充，其中，气体的压力针对性地借助于压力影响装置可增大且可减小。这以有利的方式使在循环过程装置的低压侧上的系统压力能够适配于工作介质的不同温度，其可通过冷凝器实现。

根据本发明的驱动单元的燃烧发动机优选地可以是(自点火的且质调节的)柴油机或者是(外源点火的且量调节的)汽油机或者是由柴油机和汽油机构成的组合，例如是带有均匀压缩点火的燃烧发动机。燃烧发动机在此原则上能够以任意燃料(其主要由氢和/或碳氢化合物构成)、尤其以当今常见的液态燃料(也就是说以柴油燃料或汽油)或者以(在环境条件下)气态的燃料(尤其以天然气(cng)、lng、lpg或氢气)来运行或可运行。

根据本发明的机动车尤其可以是基于车轮的且不与轨道相联系的机动车(优选地乘用车(pkw)或载重汽车(lkw)，那么尤其还有带有牵引机和挂车(auflieger)的重型lkw)。在此，机动车的驱动单元的燃烧发动机尤其可设置用于为机动车(直接或间接)提供驱动功率。

附图说明

接下来根据在附图中示出的设计示例详细地来阐述本发明。其中：

图1示出了根据本发明的机动车；以及

图2示出了用于根据图1的机动车的根据本发明的驱动单元。

具体实施方式

图1示出带有根据本发明的驱动单元1的(根据本发明的)机动车。这样的驱动单元根据图2包括带有燃烧发动机2的内燃机，燃烧发动机例如构造为带有六个气缸3的举升活塞发动机。在气缸3中相应可动地来引导活塞4。活塞4与燃烧发动机1的所属的气缸3的壁以及与气缸头(未示出)相应限制燃烧室5。在燃烧室5中，在燃烧发动机2的运行中使由新鲜气体(其主要由空气构成且其可借助于废气涡轮增压器压缩)以及由直接被喷入燃烧室5中的燃料构成的混合物量燃烧。新鲜气体经由除了废气涡轮增压器的新鲜气体压缩机6之外未示出的新鲜气体线路被输送给燃烧发动机1。

在混合物量燃烧时产生的废气经由排气系7被从燃烧发动机2导出。在此，废气首先流经废气涡轮增压器的废气涡轮8，其与新鲜气体压缩机6经由轴9驱动连接，并且然后流经两个废气后处理设备10，例如催化转换器以及颗粒过滤器。在废气后处理设备10下游，驱动单元的循环过程装置的蒸发装置11集成到排气系7中。在此，蒸发装置11对于废气构造两个流动路径：中间的流动路径用作旁路12用于功能性地绕开蒸发装置11。被引导经过该旁路12的废气导致热能仅非常少地传导到循环过程装置的同样流经蒸发装置11的工作介质上。反之，第二流动路径引导通过蒸发装置11的换热区段13，在其中通过(经由相应的分隔壁)与工作介质的大面积的(间接的)换热接触来实现尽可能大程度地将热能从废气传导到工作介质上。为了控制被引导一方面经过旁路12和/或蒸发装置11的换热区段13的废气的量，可利用集成到旁路12中的以排气阀门(abgasklappe)14的形式的阀。

在内燃机的运行中废气的热能到在循环过程装置的循环中流动的工作介质上的这样的传导可导致在蒸发装置11中工作介质(其(关于工作介质的流动方向)在蒸发装置11上游以液相存在)的蒸发和过热。在可借助于循环过程装置执行的顺时针循环过程的范围中，那么可在膨胀装置15中使工作介质的该过热的蒸汽膨胀，其中，产生机械功率，其又可被用于产生电能和/或用于辅助燃烧发动机2地、直接地机械驱动机动车。对此，在图2中示出的驱动单元包括相应的分配系统16，借助于其可将在膨胀装置15处截取的机械功率以可变的幅度分配到燃烧发动机2的从动轴17(曲轴)上和/或到发电机18(其集成到内燃机的电气系统中)上。

在膨胀装置15下游，在执行循环过程时借助于两个冷凝器19、20使工作介质冷却并且又转化(冷凝)成液相。循环过程装置的工作介质泵21然后负责将液态的工作介质重新输送至蒸发装置11。

根据本发明设置有第一冷凝器19以及第二冷凝器20，其在工作介质的流动方向上后接于第一冷凝器19。第一冷凝器19可在需要时除了工作介质之外还由极其简化示出的冷却系统的液态冷却剂流经，此外燃烧发动机2或构造在其中的冷却通道22以及冷却剂冷却器23集成到该冷却系统中。反之，第二冷凝器20是空气冷却的，也就是说，其可由用作冷却剂的环境空气流经。此外，冷凝器19、20中的每个关联有旁路24、25，在其中相应集成有旁通阀26。在旁通阀26打开的情况下工作介质由于明显更小的流动阻力主要流动经过相应的旁路24、25而不经过相关联的冷凝器19、20。

在循环过程装置的运行中工作介质的冷却可相继地在这两个冷凝器19、20中进行，由此，如果冷却系统的冷却剂在内燃机热运行的情况下在进入第一冷凝器中时具有相对高的例如大约70℃的温度，那么在第二冷凝器20下游也可达到工作介质的相对低的温度。在第二冷凝器20下游工作介质的这样的相对低的温度使工作介质即使在循环过程装置的低压侧上的系统压力相对低的情况下也能够液化，由此在循环过程装置的运行中与预设的在循环过程装置的高压侧上的系统压力相结合可实现相对大的压力比且由此还可实现相对高的效率。

因为在根据图1的机动车中所设置地应用驱动单元的情况下环境空气通常低于在内燃机热运行的情况下冷却系统的冷却剂的温度，借助于结构上相对简单地设计的、空气冷却的第二冷凝器对于工作介质还可实现仍显著的冷却效果。

因为工作介质在流经第一冷凝器19时仍具有相对高的温度，第一冷凝器设计成由优质钢构成。通过应用该材料，与工作介质的温度无关地不面临醇盐腐蚀的问题。反之，第二冷凝器20设计成由铝或由铝合金构成，从而原则上可能存在第二冷凝器20的醇盐腐蚀的问题，这在根据本发明的驱动单元中然而由此来避免，即工作介质在进入第二冷凝器20中时由于借助于第一冷凝器19已实现的冷却可具有如此低的温度，使得可排除醇盐腐蚀。

在循环过程装置的循环的置于第二冷凝器20上游且在工作介质泵21上游的区段中还集成有补偿容器27，其包括压力影响装置28，借助于该压力影响装置可影响(也就是说可增大和可减小)气体的压力，补偿容器27部分地以该气体来填充。由此使能够调节在循环过程装置的低压侧上工作介质的限定的压力水平。

附图标记清单：

1驱动单元

2燃烧发动机

3气缸

4活塞

5燃烧室

6新鲜气体压缩机

7排气系

8废气涡轮

9轴

10废气后处理设备

11蒸发装置

12蒸发装置的旁路

13蒸发装置的换热区段

14排气阀门

15膨胀装置

16分配系统

17燃烧发动机的从动轴

18发电机

19第一冷凝器

20第二冷凝器

21工作介质泵

22燃烧发动机的冷却通道

23冷却剂冷却器

24第一冷凝器的旁路

25第二冷凝器的旁路

26旁通阀

27补偿容器

28压力影响装置。