Beschreibung

Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug.

Moderne Kraftfahrzeuge sind mit einem oder einer Mehrzahl von Subsystemen ausgestattet, die den Betrieb des Kraftfahrzeugs sicherstellen, Energie speichern sowie Energie an andere Vorrichtungen des Kraftfahrzeugs weiterleiten. Zu diesen Subsystemen zählt beispielsweise ein Common-Rail-Einspritzsystem, das die Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine ge- währleistet, ein Druckluftsystem, das die Versorgung einer Bremse des Kraftfahrzeugs und anderer Vorrichtungen sicherstellt, und ein Hydrauliksystem, mit dem beispielsweise Hub ^¬ vorrichtungen eines Kraftfahrzeugs bewegbar sind. Die obigen Systeme geben häufig gespeicherte Energie an ihre Umgebung ab, beispielsweise in Form von Wärme oder durch Druckabbau an

Drosselstellen, um eine überbelastung und Beschädigung des jeweiligen Systems zu verhindern.

Diese Energieabgabe oder die systemspezifische Verlustleistung wird im Folgenden am Beispiel des Common-Rail-Systems erläu ^¬ tert. Diese Verlustleistungen werden vor allem durch die Entspannung des auf hohen Druck gebrachten Kraftstoffs verursacht. Sie treten an allen Drosselstellen im Common-Rail- System auf. So verursachen beispielsweise Schalt- und Dauerle- ckage an den Injektoren des Common-Rail-Systems Drosselverlus ^¬ te. Weitere Drosselverluste treten am Druckregelventil PCV (Pressure Control Valve) auf. Das Common-Rail-System weist zu ^¬ dem einen Rücklauf zum Kraftstofftank auf, über den komprimierter Kraftstoff aus dem Common-Rail-System in den Tank zu- rückgeführt wird. Die in den Rücklauf zum Tank eingetragene

Energie kann trotz eines geschlossenen Regelkreises mit Volu ^¬ mensteuerventil VCV (Volumen Control Valve) sowie Schalt- und

Dauerleckage behafteten Injektoren bei einem Systemdruck von 2000 bar bis zu 4 kW betragen.

Durch die Entspannung des Kraftstoffs im Rücklauf bei Umge- bungstemperatur wird Wärme freigesetzt, wodurch hohe Kraft- stofftemperaturen erreicht werden. Pro 1000 bar Druckentspannung auf Umgebungsdruckniveau wird der Kraftstoff an der Dros ^¬ selstelle im Common-Rail-System um ca. 40 bis 50 K erwärmt. Für einen Systemdruck im Common-Rail-System von 2000 bar und eine maximale KraftstoffZulauftemperatur von 8O ⁰ C bedeutet dies an der Drosselstelle im Rücklauf eine Kraftstofftempera ^¬ tur von 160 bis 180 ⁰ C. Die Kraftstoffeigenschaften beginnen sich ab ca. 135 ⁰ C zu verändern, im Speziellen bei US-Diesel- Kraftstoffen, und können zu einem zusätzlichen Verschleiß bei Kraftstoff führenden Komponenten beitragen.

Um den oben beschriebenen Energieeintrag in den Kraftstoff o- der allgemein Drosselverluste zu minimieren, wird bei modernen Common-Rail-Systemen zum einen eine bedarfsgerechte Förderung der Pumpe angestrebt. Diese ist mit Hilfe eines VCV- geschlossenen-Regelkreises für den Raildruck realisierbar. Zum anderen werden leckagereduzierte bis leckagefreie Injektoren eingesetzt. Des Weiteren wird mit Hilfe zusätzlicher Kühler versucht, den Kraftstoff innerhalb eines zulässigen Tempera- turbereichs zu halten.

Wie oben am Beispiel des Common-Rail-Systems erläutert worden ist, versucht man bisher die auftretenden Verlustleistungen durch Anpassung des jeweiligen Systems zu minimieren. Da dies nur begrenzt möglich ist, wird immer noch relativ viel Energie an die Umgebung abgegeben, die daher nicht mehr im Kraftfahrzeug nutzbar ist.

Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, eine Vor- richtung bereitzustellen, mit der auftretende Verlustleistungen im Kraftfahrzeug nutzbar sind.

Das obige Problem wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen e- lektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Des Weiteren löst das obige Problem ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruch 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, der begleitenden Zeichnung und den anhängenden Ansprüchen hervor.

Die obige erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens eine Mikroturbine mit einer Steuerung, während die mindestens eine Mikroturbine derart mit einem energieführenden System, vorzugsweise ein Hochdruck-Einspritzsystem und/oder ein Hydrauliksystem und/oder ein Druckluftsystem des Kraftfahrzeugs, verbindbar ist, dass die mindestens eine Mikroturbine durch das energieführende System antreibbar ist, um elektrische E- nergie für Systeme des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.

Um die gespeicherte Energie von energiespeichernden und/oder energieführenden Systemen im Kraftfahrzeug im Vergleich zum

Stand der Technik besser nutzen zu können und um Verlustleistungen dieser Systeme nicht an die Umgebung abgeben zu müssen, setzt die vorliegende Erfindung mindestens eine Mikroturbine ein. Diese Mikroturbinen sind beispielsweise auf Chipgröße mi- niaturisierte Generatoren, die Energie einer strömenden Flüs ^¬ sigkeit in eine Drehbewegung und dann in elektrische Energie umwandeln. Das Konzept der Mirkoturbinen ist in dem Artikel „Die Liliput-Maschinen" (Technology Review, Dezember 2004, Seite 58 bis 61) beschrieben. Basierend auf der Miniaturisie- rung bekannter Turbinen- und Generatortechnologien ist es möglich, eine Mikroturbine in bestehende energiespeichernde und energieweiterleitende Systeme von Kraftfahrzeugen zu integrie ^¬ ren. Zu diesen energiespeichernden und energieweiterleitenden Systemen gehören ein Common-Rail-Einspritzsystem, ein Druck- luftsystem, ein Hydrauliksystem, ein Kühlsystem oder ein Abgassystem, um Beispiele aus der Kraftfahrzeugtechnik zu nennen. All diese Systeme verfügen über Drosselstellen, überlast-

ventile und/oder Bereiche mit einem schnellströmenden Medium, an denen Verlustleistungen entstehen oder Systemenergie zu Antriebszwecken einer Mikroturbine nutzbar ist. Die Drosselstel ^¬ len zeichnen sich dadurch aus, dass hier relativ hohe Strö- mungsgeschwindigkeiten des jeweiligen Mediums im System entstehen, die nun mit Hilfe mindestens einer Mikroturbine in e- lektrische Energie umwandelbar sind.

Bei einer ausreichenden Leistungsfähigkeit einer oder einer Mehrzahl von Mikroturbinen besteht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin, die bekannte Lichtmaschine durch eine oder eine Mehrzahl von Mikroturbinen zu ersetzen. Es ist des Weiteren bevorzugt, die durch die mindestens eine Mikro ^¬ turbine erzeugte elektrische Energie an einen Akkumulator wei- terzuleiten und dort zu speichern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine Mikroturbine über eine Steuerung zu- und abschaltbar, so dass es zu einer Entlastung des Hoch- druck-Einspritzsystems und/oder des Hydrauliksystems und/oder des Druckluftsystems führt, wobei die abführbare Energie durch die mindestens eine zugeschaltete Mikroturbine nutzbar ist. Oder aber das Hochdruck-Einspritzsystem und/oder das Hydrauliksystem und/oder das Druckluftsystem sind durch Abschalten der Mikroturbine entlastbar.

Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, das die folgenden Merkmale aufweist: mindestens eine Mikroturbine mit der elektrische Energie erzeugbar ist, ein Subsystem mit dem Energie auf andere Komponenten des Kraft ^¬ fahrzeugs übertragbar und mit dem die Mikroturbine verbindbar ist, so dass die Mikroturbine durch das Subsystem antreibbar ist, und ein Akkumulator, in dem die durch die Mikroturbine erzeugte elektrische Energie speicherbar ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläu ^¬ tert.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor richtung .

Die vorliegende Erfindung dient der Erzeugung elektrischer E- nergie im Kraftfahrzeug 1 mit Hilfe von mindestens einer Mik- roturbine 30, 60, 80. Mikroturbinen 30, 60, 80 arbeiten nach dem bekannten Generatorprinzip, dem Gasturbinenprinzip oder ähnlich bekannter Verbrennungsmotoren. Diese Mikroturbinen 30, 60, 80 weisen ungefähr eine Größe eines Mikrochips auf, so dass sich ihre Abmessungen im Millimeterbereich bewegen. Auf- grund der geringen geometrischen Abmessungen sind sie mit geringem Aufwand in bereits existierende Systeme, beispielsweise im Kraftfahrzeug, integrierbar. In diesen Systemen nutzen sie Energie oder Verlustenergie der Systeme, um diese in elektri ^¬ sche Energie umzuwandeln. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Mikroturbinen selbst Energie durch Verbrennung von Kraftstoff erzeugen .

Die Mikroturbinen 30, 60, 80 lassen sich in alle energieführenden oder -speichernden Systeme integrieren. Im Kraftfahr- zeug 1 sind dies beispielsweise ein Common-Rail-Einspritz- system 20, ein Druckluftsystem 50, ein Hydrauliksystem 70, ein Kühlsystem, ein Abgassystem und andere. Diese Systeme 20, 50, 70 speichern und/oder führen Energie beispielsweise in Form eines komprimierten und/oder schnellströmenden Mediums oder in Form von Wärme. Dieses komprimierte Medium, beispielsweise

Luft, Kraftstoff oder Hydraulikflüssigkeit, wird temporär ent ^¬ spannt, um das System 20, 50, 70 vor überlastung zu schützen. Durch diese Entspannung des Mediums, die auch aus anderen Gründen erfolgen kann, wird Energie ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Diese Verlustleistung der Systeme 20, 50, 70 wird basierend auf unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Antrieb mindestens einer Mikroturbine 30,

60, 80 genutzt und dadurch minimiert. Die Mikroturbine 30, 60, 80 wandelt die sonst an die Umgebung abgegebene Verlustenergie in elektrische Energie um, die in einem Akkumulator 40 spei ^¬ cherbar ist. Auf dieser Grundlage ist es denkbar, die Lichtma- schine im Kraftfahrzeug 1 einzusparen und die erforderliche elektrische Energie mit Hilfe mindestens einer Mikroturbine 30, 60, 80 zu erzeugen. Diese technische Lösung reduziert ei ^¬ nerseits die Kosten für das Kraftfahrzeug und andererseits das Gewicht des Kraftfahrzeugs 1, was wiederum einen positiven Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch desselben hat.

Die Erfindung wird im Weiteren am Beispiel des Common-Rail- Einspritzsystems 20 erläutert. Es wurde bereits oben erwähnt, dass sich der Kraftstoff im Rücklauf zum Tank vom Systemdruck des Common-Rail-Einspritzsystems auf den Druck im Rücklauf entspannt. Auf diese Weise entstehen hohe Strömungsgeschwin ^¬ digkeiten des Kraftstoffs im Rücklauf, die bisher in energeti ^¬ scher Hinsicht ungenutzt blieben. Integriert man eine nach dem Generatorprinzip arbeitende Mikroturbine 30 in den Rücklauf, wird diese durch den in den Tank strömenden Kraftstoff angetrieben. Diese Bewegung wird durch die Mikroturbine 30 in e- lektrische Energie umgewandelt, die in einem Akkumulator 40 speicherbar ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Mikroturbine 30 mit einer Steuerung überwacht. Diese Steuerung schaltet die Mikroturbine 30 zu und ab und leitet die durch die Mikroturbine 30 generierte elektrische Energie an den Ak ^¬ kumulator 40 oder an andere Komponenten im Kraftfahrzeug 1 weiter. Mit Hilfe dieser apparativen Ausgestaltung wird die durch die Druckentspannung freigesetzte Energie im Common- Rail-System nicht in Wärme umgesetzt, sondern zum Antrieb der Mikroturbine 30 genutzt.

Die Wirkungsweise dieser Mikroturbine 30 ist somit wie bei ei ^¬ nem Wasserkraftwerk. Durch die Druckentspannung des Kraftstoffs entstehen in einem engen Querschnitt hohe Strömungsge-

schwindigkeiten desselben. Die Strömungsenergie treibt dann die Mikroturbine 30 an, die zur Stromerzeugung genutzt wird. Auf dieser Grundlage ist es denkbar, dass die Mikroturbine 30 bei ausreichender Leistungsfähigkeit die Lichtmaschine im Kraftfahrzeug 1 ersetzt.

Aufgrund der bereits oben genannten Dimensionen der Mikroturbine 30 kann diese direkt an der Abdrosselstelle des Druckven ^¬ tils PCV eingebaut werden. Es ist ebenfalls denkbar, die Mik- roturbine 30 an jeder beliebigen Abdrosselstelle zu platzie ^¬ ren. An dieser Abdrosselstelle muss lediglich eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des Mediums des Systems vorliegen, um die Mikroturbine 30 anzutreiben. Dies ist aber bei Entspan ^¬ nung eines unter hohem Druck stehenden Mediums auf Umgebungs- druck immer der Fall. Daher ist es ebenfalls denkbar, eine Mikroturbine 60 in Verbindung mit einem Druckluftsystem und/oder eine Mikroturbine 80 in Verbindung mit einem Hydrau ^¬ liksystem 70 im Kraftfahrzeug 1 einzusetzen.

Zur Erzeugung der elektrischen Energie im Kraftfahrzeug sind daher eine oder eine Mehrzahl von Mikroturbinen 30, 60, 80 installierbar. Neben diesen durch die Systeme 20, 50, 70 angetriebenen Mikroturbinen 30, 60, 80 ist es ebenfalls denkbar, Mikroturbinen einzusetzen, die selbst Kraftstoff verbrennen und ähnlich einer Gasturbine oder einer Brennkraftmaschine ar ^¬ beiten. Derartige Mikroturbinen beanspruchen wenig Platz, weisen ein geringes Gewicht im Vergleich zu einem Akkumulator auf und könnten die Lichtmaschine und/oder den Akkumulator ersetzen oder zumindest zu einer Verkleinerung des Akkumulators 40 führen.

Die Mikroturbinen 30, 60, 80 werden bevorzugt mit Hilfe der bereits oben genannten Steuerung angesteuert, überwacht und/oder zu- und abgeschaltet. Daher ist es gemäß einer Alter- native möglich, mindestens eine der Mikroturbinen 30, 60, 80 permanent durch eins der Systeme 20, 50, 70 anzutreiben. Es ist ebenfalls bevorzugt, mindestens eine der Mikroturbinen 30,

60, 80 temporär zu- und abzuschalten, so dass die entsprechende Mikroturbine 30, 60, 80 auch nur temporär durch das ent ^¬ sprechende System 20, 50, 70 angetrieben wird. Wird beispiels ^¬ weise gezielt Energie aus dem Hochdruck-Einspritzsystem 20 und/oder dem Hydrauliksystem 70 und/oder dem Druckluftsystem 50 abgeführt, um das jeweilige System 20, 50, 70 zu entlasten, kann die entsprechende Mikroturbine gezielt zugeschaltet wer ^¬ den, um die zur Entlastung des Systems abzugebende Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Es ist mit der obigen Anord- nung ebenfalls denkbar, eine permanent durch ein System 20, 50, 70 angetriebene Mikroturbine 30, 60, 80 temporär abzu ^¬ schalten, um auf diese Weise die Belastung des Systems 20, 50, 70 durch die Mikroturbine 30, 60, 80 zu reduzieren.