DE102017011869A1

DE102017011869A1 - System for generating electrical energy for a vehicle

Info

Publication number: DE102017011869A1
Application number: DE102017011869.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knoop; Florian Henkel; Rolf-Peter Eßling
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug, umfassend mindestens einen Brenner (2) und einen mit einer elektrischen Maschine (3) gekoppelten Turbolader (4), wobei zwischen einer Abgasauslassseite des mindestens einen Brenners (2) und einer Turbine (4.1) des Turboladers (4) eine Abgasleitung (5) angeordnet ist, über welche der Turbine (4.1) des Turboladers (4) zum Antrieb des Turboladers (4) und somit zum Antrieb der elektrischen Maschine (3) zur Erzeugung der elektrischen Energie ein von dem mindestens einen Brenner (2) erzeugtes Abgas zuführbar ist, wobei zwischen einem Verdichter (4.2) des Turboladers (4) und einer Frischlufteinlassseite des mindestens einen Brenners (2) eine Frischluftzuführleitung (6) angeordnet ist, über welche dem mindestens einen Brenner (2) eine von dem Verdichter (4.2) des Turboladers (4) verdichtete Frischluft zuführbar ist, und wobei mindestens ein Wärmetauscher (7) zur Übertragung von Wärme vom Abgas auf die Frischluft vorgesehen ist.Erfindungsgemäß ist eine verschließbare Frischluftbypassleitung (8) vorgesehen, welche vor dem mindestens einen Wärmetauscher (7) von der Frischluftzuführleitung (6) abzweigt und nach dem mindestens einen Wärmetauscher (7) in die Frischluftzuführleitung (6) mündet, und/oder es sind mindestens zwei parallel geschaltete Brenner (2) vorgesehen und/oder es sind zwei in Reihe geschaltete Wärmetauscher (7) vorgesehen.The invention relates to a system (1) for generating electrical energy for a vehicle, comprising at least one burner (2) and a turbocharger (4) coupled to an electric machine (3), between an exhaust gas outlet side of the at least one burner (2) and a turbine (4.1) of the turbocharger (4) an exhaust pipe (5) is arranged, via which the turbine (4.1) of the turbocharger (4) for driving the turbocharger (4) and thus for driving the electric machine (3) for generating the electrical energy from the at least one burner (2) generated exhaust gas can be supplied, between a compressor (4.2) of the turbocharger (4) and a fresh air inlet side of the at least one burner (2) a Frischluftzuführleitung (6) is arranged over which the at least a burner (2) from the compressor (4.2) of the turbocharger (4) compressed fresh air can be fed, and wherein at least one heat exchanger (7) for transferring heat from the exhaust gas a According to the invention, a closable fresh-air bypass line (8) is provided which branches off from the fresh air supply line (6) before the at least one heat exchanger (7) and leads into the fresh air supply line (6) after the at least one heat exchanger (7) / or at least two burners (2) connected in parallel are provided and / or two heat exchangers (7) connected in series are provided.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a system for generating electrical energy for a vehicle according to the features of the preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 101 39 526 A1 beschrieben, ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Turbolader bekannt. Der Turbolader ist mit einer elektrischen Maschine versehen, die wahlweise als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist. Der Turbine des Turboladers ist von einer Gaserzeugungseinheit, zum Beispiel einem Brenner, Abgas zuführbar zum Antrieb der Turbine und damit zum Antrieb der elektrischen Maschine als Generator zur Stromerzeugung bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor. Ein Frischluftbypass verbindet die Ausgangsseite des Verdichters mit der Gaseingangsseite des Brenners, wobei ein Wärmetauscher zwischen den Abgasen der Turbine und der Frischluft im Frischluftbypass vorgesehen ist.From the prior art, as in the DE 101 39 526 A1 described a motor vehicle with an internal combustion engine and a turbocharger known. The turbocharger is provided with an electric machine that can be operated either as an electric motor or as a generator. The turbine of the turbocharger is supplied from a gas generating unit, for example a burner, exhaust gas to drive the turbine and thus to drive the electric machine as a generator for power generation with the internal combustion engine off. A fresh air bypass connects the output side of the compressor with the gas inlet side of the burner, wherein a heat exchanger between the exhaust gases of the turbine and the fresh air is provided in the fresh air bypass.

In der DE 100 22 113 A1 wird ein Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge beschrieben. Der Hybridantrieb umfasst einen Abgasturbolader, welcher mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, die von einer elektronischen Steuereinrichtung angesteuert wird, um den Ladedruck des Abgasturboladers zu begrenzen.In the DE 100 22 113 A1 a hybrid drive for motor vehicles is described. The hybrid drive comprises an exhaust gas turbocharger, which is coupled to an electric machine, which is controlled by an electronic control device in order to limit the boost pressure of the exhaust gas turbocharger.

Aus der EP 1 668 234 B1 ist ein Mehrwellen-Turbogeneratorsystem bekannt. Ein Stromerzeugungssystem wird durch eine Mehrwellengasturbinenmaschine angetrieben, die mindestens eine erste und eine zweite Wellenanordnung enthält. Die erste Wellenanordnung umfasst eine Turbine und einen Verdichter, die auf einer ersten Welle montiert sind. Die zweite Wellenanordnung umfasst wenigstens eine Turbine, die auf einer zweiten Welle montiert ist, die nicht mechanisch mit der ersten Welle gekoppelt ist. From the EP 1 668 234 B1 is a multi-shaft turbogenerator known. A power generation system is powered by a multi-shaft gas turbine engine including at least first and second shaft assemblies. The first shaft assembly includes a turbine and a compressor mounted on a first shaft. The second shaft assembly includes at least one turbine mounted on a second shaft that is not mechanically coupled to the first shaft.

Ein Hauptgenerator ist mit einer der Wellenabordnungen gekoppelt und ein Hilfsgenerator/-motor ist ebenfalls mit einer der Wellenanordnungen gekoppelt.A main generator is coupled to one of the shaft assemblies and an auxiliary generator / motor is also coupled to one of the shaft assemblies.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes System zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug anzugeben.The object of the invention is to provide a system for generating electrical energy for a vehicle that is improved over the prior art.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a system for generating electrical energy for a vehicle having the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug umfasst mindestens einen Brenner und einen mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Turbolader, wobei zwischen einer Abgasauslassseite des mindestens einen Brenners und einer Turbine des Turboladers eine Abgasleitung angeordnet ist, über welche der Turbine des Turboladers zum Antrieb des Turboladers und somit zum Antrieb der elektrischen Maschine zur Erzeugung der elektrischen Energie ein von dem mindestens einen Brenner erzeugtes Abgas zuführbar ist, wobei zwischen einem Verdichter des Turboladers und einer Frischlufteinlassseite des mindestens einen Brenners eine Frischluftzuführleitung angeordnet ist, über welche dem mindestens einen Brenner eine von dem Verdichter des Turboladers verdichtete Frischluft zuführbar ist, und wobei mindestens ein Wärmetauscher, auch als Rekuperator bezeichnet, zur Übertragung von Wärme vom Abgas auf die Frischluft vorgesehen ist.A system for generating electrical energy for a vehicle comprises at least one burner and a turbocharger coupled to an electric machine, wherein between an exhaust gas outlet side of the at least one burner and a turbine of the turbocharger, an exhaust pipe is arranged, via which the turbine of the turbocharger for driving the turbocharger and thus an exhaust gas generated by the at least one burner can be supplied to drive the electric machine for generating the electrical energy, wherein between a compressor of the turbocharger and a fresh air inlet side of the at least one burner, a Frischluftzuführleitung is arranged, via which the at least one burner of the Compressor of the turbocharger compressed fresh air can be supplied, and wherein at least one heat exchanger, also referred to as a recuperator, is provided for the transfer of heat from the exhaust gas to the fresh air.

Erfindungsgemäß ist eine verschließbare Frischluftbypassleitung vorgesehen, welche vor dem mindestens einen Wärmetauscher von der Frischluftzuführleitung abzweigt und nach dem mindestens einen Wärmetauscher in die Frischluftzuführleitung mündet und/oder es sind mindestens zwei parallel geschaltete Brenner vorgesehen und/oder es sind zwei in Reihe geschaltete Wärmetauscher vorgesehen.According to the invention, a closable fresh air bypass line is provided, which branches off from the fresh air supply line before the at least one heat exchanger and opens into the fresh air supply line after the at least one heat exchanger and / or at least two burners connected in parallel are provided and / or two heat exchangers connected in series are provided.

Das erfindungsgemäße System bildet eine so genannte Turbogeneratoranordnung. Turbogeneratoranordnungen zur Erzeugung elektrischer Energie für einen Fahrzeugantrieb sind bereits bekannt, beispielsweise aus dem Dokument „Studie zu Range Extender Konzepten für den Einsatz in einem batterieelektrischen Fahrzeug - REXEL; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. in der Helmholtz-Gemeinschaft; Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg; Stuttgart, im April 2012; Seiten 70 bis 85, dessen vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird. The system according to the invention forms a so-called turbogenerator arrangement. Turbogenerator arrangements for generating electrical energy for a vehicle drive are already known, for example from the document "Study on Range Extender concepts for use in a battery electric vehicle - REXEL; German Aerospace Center e.V. in the Helmholtz Association; Ministry of Finance and Economics Baden-Württemberg; Stuttgart, April 2012; Pages 70 to 85, the entire contents of which are hereby incorporated by reference.

Die Turbogeneratoranordnung des erfindungsgemäßen Systems umfasst den Brenner und einen so genannten Turbogenerator aus Turbolader und elektrischer Maschine, wobei mittels des Abgases des Brenners der Turbolader und dadurch die mit diesem gekoppelte elektrische Maschine antreibbar ist, welche dadurch als ein elektrischer Generator die elektrische Energie erzeugt. Dieses erfindungsgemäße System ist insbesondere als ein so genannter Range Extender, d. h. als ein Reichweitenverlängerer, für das Fahrzeug verwendbar, insbesondere für einen so genannten alternativen Antrieb des Fahrzeugs, d. h. beispielsweise für einen Elektroantrieb oder Hybridantrieb.The turbogenerator arrangement of the system according to the invention comprises the burner and a so-called turbogenerator of turbocharger and electric machine, wherein by means of the exhaust gas of the burner of the turbocharger and thereby the electric machine coupled thereto can be driven, which thereby generates as an electrical generator, the electrical energy. This system according to the invention is in particular as a so-called range extender, d. H. as a range extender, usable for the vehicle, in particular for a so-called alternative propulsion of the vehicle, d. H. for example, for an electric drive or hybrid drive.

Das Fahrzeug weist beispielsweise als Hybridfahrzeug eine Verbrennungskraftmaschine als Antriebsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs, mindestens einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs, den Range Extender und beispielsweise eine Traktionsbatterie auf. Als Elektrofahrzeug weist das Fahrzeug beispielsweise den mindestens einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs, die Traktionsbatterie und den Range Extender auf. The vehicle has, for example as a hybrid vehicle, an internal combustion engine as a drive motor for driving the vehicle, at least one electric drive motor for driving the vehicle, the range extender and, for example, a traction battery. As an electric vehicle, the vehicle has, for example, the at least one electric drive motor for driving the vehicle, the traction battery and the range extender.

Ein solcher Range Extender ermöglicht dabei in beiden Fällen eine Verlängerung einer Reichweite des mittels des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors angetriebenen Fahrzeugs. Die Traktionsbatterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher zur Speicherung der elektrischen Energie für den mindestens einen elektrischen Antriebsmotor. Die vom erfindungsgemäßen System erzeugte elektrische Energie kann zur elektrischen Energieversorgung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors und/oder zum Laden der Traktionsbatterie verwendet werden.Such a range extender makes it possible in both cases to extend a range of the vehicle driven by the at least one electric drive motor. The traction battery is an electrochemical energy storage for storing the electrical energy for the at least one electric drive motor. The electrical energy generated by the system according to the invention can be used for the electrical power supply of the at least one electric drive motor and / or for charging the traction battery.

In einer Ausführungsform ist der Brenner zur Durchführung einer flammenlosen Verbrennung ausgebildet, auch als flammenlose Oxidation, abgekürzt FLOX oder FLOX-Verfahren, bezeichnet. Diese flammenlose Oxidation ermöglicht einen thermodynamischen Kreisprozess, welcher sehr geringe Luftschadstoffe erzeugt. Bei diesem Verfahren brennt einströmendes Gas ab einer Temperatur von 850°C flammenlos ab. Die Gase werden im Brenner so schnell eingeschossen, dass die Flammen weggeblasen werden und sich keine stabile Flammenfront ausbilden kann. Durch eine hohe Abgasrezirkulation wird bewirkt, dass die an der Flammengrenze stehenden Stoffe keine lokal erhöhte Temperatur ausbilden können, womit die maximale in der Brennkammer auftretende Temperatur verringert wird. Ein herausragender Effekt für darauf aufbauende Technologie ist der Umstand, dass die Bildung von Stickoxiden (NOx) auf theoretisch Null sinkt, da sich diese an der Flammenfront bilden.In one embodiment, the burner is designed to carry out a flameless combustion, also referred to as flameless oxidation, abbreviated FLOX or FLOX process. This flameless oxidation allows a thermodynamic cycle, which generates very low levels of air pollutants. In this process, incoming gas burns flameless from a temperature of 850 ° C. The gases are injected so fast in the burner that the flames are blown away and can not form a stable flame front. A high exhaust gas recirculation causes the substances standing at the flame boundary can not form a locally elevated temperature, whereby the maximum occurring in the combustion chamber temperature is reduced. An outstanding effect for technology based on this is the fact that the formation of nitrogen oxides (NOx) drops to theoretically zero because they form on the flame front.

Als Kraftstoff für den Brenner und/oder für die Verbrennungskraftmaschine wird beispielsweise Methan verwendet oder ein Kraftstoff, welcher Methan enthält, insbesondere Methan aus Biomasse. Dieses Methan kann beispielsweise Erdgas als Kraftstoff ersetzen oder zum Erdgas beigemischt werden. Dadurch kann ein Beitrag zur Energiewende geleistet werden.For example, methane or a fuel which contains methane, in particular methane from biomass, is used as fuel for the burner and / or for the internal combustion engine. For example, this methane can replace natural gas as fuel or be mixed with natural gas. This can contribute to the energy transition.

In einer Ausführungsform ist ein weiterer Turbolader vorgesehen, so dass eine zweistufige Verdichtung der Frischluft erreicht wird. Beispielsweise ist in der Frischluftzuführleitung zwischen dem Verdichter des ersten Turboladers und einem Verdichter des weiteren Turboladers ein Ladeluftkühler angeordnet, so dass eine Zwischenkühlung der Frischluft zwischen deren erster und weiterer Verdichtung mittels des jeweiligen Verdichters erreicht wird.In one embodiment, a further turbocharger is provided, so that a two-stage compression of the fresh air is achieved. For example, a charge air cooler is arranged in the fresh air supply between the compressor of the first turbocharger and a compressor of the further turbocharger, so that an intermediate cooling of the fresh air between the first and further compression by means of the respective compressor is achieved.

Die verschließbare Frischluftbypassleitung wird insbesondere bei einem Kaltstart des Brenners verwendet, d. h. bei einem solchen Kaltstart wird dem Brenner die Frischluft über die dann geöffnete Frischluftbypassleitung zugeführt. Dadurch wird ein schnelleres Aufheizen des mindestens einen Wärmetauschers erreicht.The closable fresh air bypass line is used in particular during a cold start of the burner, i. H. During such a cold start, the fresh air is supplied to the burner via the then opened fresh air bypass line. As a result, a faster heating of the at least one heat exchanger is achieved.

Beispielsweise ist vorgesehen, dass in einem Verfahren zum Betrieb des Systems vor einem jeweiligen Fahrtantritt ein Ladestand gewählt wird, welchen die Traktionsbatterie am Fahrtende aufweisen soll, beispielsweise über ein in ein Navigationssystem des Fahrzeugs eingegebenes Fahrtziel. Das System wird dann mit geöffneter Frischluftbypassleitung gestartet. Sobald das Abgas des Brenners den mindestens einen Wärmetauscher aufgeheizt hat, beispielsweise auf einen vorgegebenen Wert, wird die Frischluftbypassleitung geschlossen.For example, it is provided that in a method for operating the system before a respective journey start, a charge stand is selected which the traction battery should have at the end of travel, for example via a destination entered into a navigation system of the vehicle. The system is then started with the fresh air bypass line open. As soon as the exhaust gas of the burner has heated the at least one heat exchanger, for example to a predetermined value, the fresh air bypass line is closed.

Ziel des Verfahrens zum Betrieb des Systems ist es insbesondere, eine möglichst geringe Anzahl von Kaltstarts durchzuführen.The aim of the method for operating the system is in particular to carry out the lowest possible number of cold starts.

Sind die mindestens zwei parallel geschalteten Brenner vorgesehen, so sind diese Brenner beispielsweise separat steuerbar und/oder regelbar, insbesondere separat schaltbar, insbesondere separat einschaltbar und abschaltbar. Bei dieser Ausführungsform des Systems mit mindestens zwei Brennern, insbesondere wenn sie mittels der flammenlosen Verbrennung betrieben werden, kann das System beispielsweise im 50%-Lastbereich oder im 100%-Lastbereich betrieben werden. Bei Verwendung nur eines Brenners ist beispielsweise nur der 100%-Lastbereich möglich.If the at least two burners connected in parallel are provided, these burners are, for example, separately controllable and / or regulatable, in particular separately switchable, in particular separately switchable and disconnectable. In this embodiment of the system with at least two burners, in particular when operated by means of flameless combustion, the system can be operated, for example, in the 50% load range or in the 100% load range. When using only one burner, for example, only the 100% load range is possible.

Bei einer konventionellen Verbrennung im Brenner, d. h. wenn keine flammenlose Verbrennung verwendet wird, kann das System stufenlos vom 50%-Lastbereich bis zum 100%-Lastbereich betrieben werden. Aus den oben geschilderten Gründen ist die flammenlose Verbrennung, insbesondere aufgrund der erheblichen Reduzierung von Schadstoffen im Abgas, jedoch besonders vorteilhaft, d. h. es wird ein Emissionsvorteil gegenüber der konventionellen Verbrennung erreicht. Da dieses Verfahren der flammenlosen Verbrennung, neben der Vorwärmung des insbesondere gasförmigen Kraftstoffs, von einer in der Brennkammer des jeweiligen Brenners vorhandenen Mindestgeschwindigkeit der Verbrennungsgase abhängt, ergeben sich für das System, d. h. für die Turbogeneratoranordnung, wenn nur ein Brenner verwendet wird, entweder eine sehr geringe mögliche Lastspreizung oder sehr hohe Brennkammerdruckverluste.In a conventional combustion in the burner, d. H. if no flameless combustion is used, the system can be operated steplessly from the 50% load range to the 100% load range. For the reasons described above, however, the flameless combustion, particularly due to the considerable reduction of pollutants in the exhaust gas, is particularly advantageous, d. H. An emission advantage over conventional combustion is achieved. Since this method of flameless combustion, in addition to the preheating of the particular gaseous fuel depends on a present in the combustion chamber of the respective burner minimum velocity of the combustion gases, resulting for the system, d. H. for the turbogenerator arrangement, if only one burner is used, either a very small possible load spread or very high combustion chamber pressure losses.

Die Lösung dieses Problems bietet die Verschaltung der mindestens zwei parallelen Brenner. Die Frischluftzuführleitung teilt sich dabei in Richtung der Brenner in Brennerfrischluftzuführleitungen auf, wobei in jeder der Brennerfrischluftzuführleitungen vorteilhafterweise ein Ventil angeordnet ist. Über die Ventile können die Brenner beispielsweise jeweils einzeln oder parallel betrieben werden. Der dadurch ermöglichte wahlweise Teillastbetrieb hat den Vorteil, dass eine hohe Temperaturbelastung auf zwei Bauteile, nämlich auf die beiden Brenner, aufgeteilt werden kann, d. h. die Temperaturbelastung des jeweiligen Brenners, insbesondere von dessen Brennkammer, kann dadurch reduziert werden. Dadurch kann beispielsweise eine Lebensdauer des jeweiligen Brenners erhöht werden oder es können Werkstoffe eingesetzt werden, welche zwar weniger hitzebeständig, dafür aber preiswerter sind. The solution to this problem provides the interconnection of at least two parallel burners. The fresh air supply line is divided in the direction of the burner in Brennerfrischluftzuführleitungen, wherein in each of the Brennerfrischluftzuführleitungen advantageously a valve is arranged. For example, the burners can be operated individually or in parallel via the valves. The optionally enabled partial load operation has the advantage that a high temperature load on two components, namely on the two burners, can be divided, ie the temperature load of the respective burner, in particular of the combustion chamber, can be reduced. As a result, for example, a lifetime of the respective burner can be increased or it can be used materials which are less heat resistant, but cheaper.

Wie bereits beschrieben, umfasst das System mindestens einen Wärmetauscher. Der Wärmetauscher dient der Erhöhung eines System-Wirkungsgrads. Abgas hinter der Turbine wird verwendet, um die verdichtete Frischluft vor dem Brenner vorzuwärmen. Hierdurch wird Brennstoff eingespart, d. h. ein Kraftstoffverbrauch wird reduziert.As already described, the system comprises at least one heat exchanger. The heat exchanger serves to increase a system efficiency. Exhaust behind the turbine is used to pre-heat the compressed fresh air in front of the burner. This saves fuel, d. H. a fuel consumption is reduced.

Der positive Beitrag des Wärmetauschers wird mit zunehmendem Temperaturgefälle größer. Mit einem zunehmenden Temperaturgefälle erhöht sich allerdings auch die Temperaturbeanspruchung der im Wärmetauscher zum Einsatz kommenden Werkstoffe, womit sich ein direkter Einfluss auf die Werkstoffkosten ergibt.The positive contribution of the heat exchanger increases with increasing temperature gradient. However, with an increasing temperature gradient, the temperature stress of the materials used in the heat exchanger also increases, which has a direct influence on the material costs.

Die Lösung für diesen Zielkonflikt bietet die Reihenschaltung von mindestens zwei Wärmetauschern. Dadurch kann ein Niedertemperaturwärmetauscher, auch als Niedertemperatur-Rekuperator bezeichnet, welchen das Abgas nach einem Hochtemperaturwärmetauscher durchströmt, aus einem weniger temperaturbeständigen und damit preiswerteren Werkstoff als der auch als Hochtemperatur-Rekuperator bezeichnete Hochtemperaturwärmetauscher ausgebildet sein. Durch den Ersatz eines einzelnen großen Wärmetauschers aus einem teuren Werkstoff, der hohen Temperaturen standhält, durch die zwei kleineren Wärmetauscher, wobei der Niedertemperaturwärmetauscher aus dem weniger temperaturbeständigen und damit preiswerteren Werkstoff ausgebildet ist, können beispielsweise 25 % bis 35 % der Werkstoffkosten eingespart werden.The solution to this conflict of objectives is the series connection of at least two heat exchangers. As a result, a low-temperature heat exchanger, also referred to as a low-temperature recuperator, through which the exhaust gas flows through a high-temperature heat exchanger, from a less temperature-resistant and thus cheaper material than the high-temperature recuperator referred to as high-temperature heat exchanger may be formed. By replacing a single large heat exchanger made of an expensive material that withstands high temperatures, through the two smaller heat exchanger, the low-temperature heat exchanger is formed from the less temperature-resistant and thus cheaper material, for example, 25% to 35% of the material costs can be saved.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:

1 schematisch eine Ausführungsform eines Systems zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug,
2 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Systems zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug,
3 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Systems zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug, und
4 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Systems zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug.

Showing:

1 1 schematically shows an embodiment of a system for generating electrical energy for a vehicle,
2 1 schematically shows another embodiment of a system for generating electrical energy for a vehicle,
3 schematically another embodiment of a system for generating electrical energy for a vehicle, and
4 schematically another embodiment of a system for generating electrical energy for a vehicle.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

Die 1 bis 4 zeigen beispielhafte Ausführungsformen eines Systems 1 zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Fahrzeug. Neben den hier dargestellten Ausführungsformen dieses Systems 1 sind noch weitere Ausführungsformen möglich, welche sich insbesondere aus einer Kombination von Merkmalen mindestens zweier der hier dargestellten Ausführungsformen ergeben.The 1 to 4 show exemplary embodiments of a system 1 for generating electrical energy for a vehicle. In addition to the embodiments of this system shown here 1 Still further embodiments are possible, which result in particular from a combination of features of at least two of the embodiments shown here.

Das System 1 umfasst in allen Ausführungsformen mindestens einen Brenner 2 und einen mit einer insbesondere als ein Hochgeschwindigkeitsgenerator ausgebildeten elektrischen Maschine 3 gekoppelten Turbolader 4. Zwischen einer Abgasauslassseite des mindestens einen Brenners 2 und einer Turbine 4.1 des Turboladers 4 ist eine Abgasleitung 5 angeordnet, über welche der Turbine 4.1 des Turboladers 4 zum Antrieb des Turboladers 4 und somit zum Antrieb der elektrischen Maschine 3 zur Erzeugung der elektrischen Energie ein von dem mindestens einen Brenner 2 erzeugtes Abgas zuführbar ist. Zwischen einem Verdichter 4.2 des Turboladers 4 und einer Frischlufteinlassseite des mindestens einen Brenners 2 ist eine Frischluftzuführleitung 6 angeordnet, über welche dem mindestens einen Brenner 2 eine von dem Verdichter 4.2 des Turboladers 4 verdichtete Frischluft zuführbar ist. Es ist mindestens ein Wärmetauscher 7 zur Übertragung von Wärme vom Abgas auf die Frischluft vorgesehen. Der Wärmetauscher 7 dient der Erhöhung eines System-Wirkungsgrads. Abgas hinter der mindestens einen Turbine 4.1 wird verwendet, um die verdichtete Frischluft vor dem mindestens einen Brenner 2 vorzuwärmen. Hierdurch wird Brennstoff eingespart, d. h. ein Kraftstoffverbrauch wird reduziert.The system 1 includes in all embodiments at least one burner 2 and an electric machine formed with, in particular, a high-speed generator 3 coupled turbocharger 4 , Between an exhaust gas outlet side of the at least one burner 2 and a turbine 4.1 of the turbocharger 4 is an exhaust pipe 5 arranged over which the turbine 4.1 of the turbocharger 4 to drive the turbocharger 4 and thus to drive the electric machine 3 for generating the electrical energy from the at least one burner 2 generated exhaust gas can be fed. Between a compressor 4.2 of the turbocharger 4 and a fresh air inlet side of the at least one burner 2 is a fresh air supply line 6 arranged over which the at least one burner 2 one from the compressor 4.2 of the turbocharger 4 compressed fresh air can be supplied. It is at least one heat exchanger 7 provided for the transmission of heat from the exhaust gas to the fresh air. The heat exchanger 7 serves to increase system efficiency. Exhaust behind the at least one turbine 4.1 is used to get the compressed fresh air in front of the at least one burner 2 preheat. As a result, fuel is saved, ie fuel consumption is reduced.

In den Ausführungsbeispielen gemäß den 1, 2 und 4 ist eine mittels eines Verschließelementes 9, beispielsweise mittels einer Bypassklappe oder eines Bypassventils, verschließbare Frischluftbypassleitung 8 vorgesehen, welche vor dem mindestens einen Wärmetauscher 7, im Ausführungsbeispiel gemäß 4 vor den hier dargestellten beiden Wärmetauschern 7, von der Frischluftzuführleitung 6 abzweigt und nach dem mindestens einen Wärmetauscher 7, im Ausführungsbeispiel gemäß 4 vor den beiden Wärmetauschern 7, in die Frischluftzuführleitung 6 mündet.In the embodiments according to the 1 . 2 and 4 is one by means of a closing element 9 , For example, by means of a bypass valve or a bypass valve, closable Frischluftbypassleitung 8th provided, which before the at least one heat exchanger 7 , in the embodiment according to 4 in front of here shown two heat exchangers 7 , from the fresh air supply line 6 branches off and after the at least one heat exchanger 7 , in the embodiment according to 4 in front of the two heat exchangers 7 , into the fresh air supply line 6 empties.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird somit Frischluft vom Verdichter 4.2 des Turboladers 4 angesaugt und verdichtet und über die Frischluftzuführleitung 6 durch den Wärmetauscher 7 hindurchgeführt, in welchem sie vom Abgas des Brenners 2 erwärmt wird, und danach dem Brenner 2 zugeführt, oder sie wird über den Abzweig von der Frischluftzuführleitung 6 und die Frischluftbypassleitung 8 am Wärmetauscher 7 vorbeigeführt und vor dem Brenner 2 wieder in die Frischluftzuführleitung 6 eingeleitet und dem Brenner 2 zugeführt. In den Brenner 2 wird zudem über eine hier nicht dargestellte Kraftstoffleitung ein Kraftstoff eingeführt, welcher, vorteilhafterweise vermischt mit der Frischluft ein Gas-Luft-Gemisch bildend, im Brenner 2 verbrannt wird.In the embodiment according to 1 is thus fresh air from the compressor 4.2 of the turbocharger 4 aspirated and compressed and via the Frischluftzuführleitung 6 through the heat exchanger 7 passed, in which they from the exhaust gas of the burner 2 is heated, and then the burner 2 supplied, or it is via the branch from the Frischluftzuführleitung 6 and the fresh air bypass line 8th at the heat exchanger 7 passed and in front of the burner 2 back into the fresh air supply line 6 initiated and the burner 2 fed. In the burner 2 In addition, a fuel is introduced via a fuel line, not shown here, which, advantageously mixed with the fresh air forming a gas-air mixture in the burner 2 is burned.

Das dadurch erzeugte Abgas wird über die Abgasleitung 5 der Turbine 4.1 des Turboladers 4 zugeführt und treibt diese an. Die Turbine 4.1 ist über eine Welle 12 mit dem Verdichter 4.2 verbunden und treibt diesen an. Zudem ist die Turbine 4.1 über diese Welle 12 mit der elektrischen Maschine 3 verbunden und treibt diese an, wodurch von der elektrischen Maschine 3 in einem Generatorbetrieb, insbesondere als Hochgeschwindigkeitsgenerator, die elektrische Energie erzeugt wird. Nach der Turbine 4.1 strömt das Abgas über die Abgasleitung 5 zum Wärmetauscher 7 und durchströmt diesen, wobei es Wärme an die Frischluft abgibt, und strömt nach dem Wärmetauscher 7 zu einem Abgasauslass 13 des Systems 1.The exhaust gas generated thereby is via the exhaust pipe 5 the turbine 4.1 of the turbocharger 4 fed and drives this. The turbine 4.1 is about a wave 12 with the compressor 4.2 connected and drives this. In addition, the turbine 4.1 about this wave 12 with the electric machine 3 Connected and drives these, resulting from the electric machine 3 in a generator operation, in particular as a high-speed generator, the electrical energy is generated. After the turbine 4.1 the exhaust gas flows over the exhaust pipe 5 to the heat exchanger 7 and flows through it, giving off heat to the fresh air, and flows to the heat exchanger 7 to an exhaust outlet 13 of the system 1 ,

Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ein weiterer Turbolader 10 vorgesehen, welcher ebenfalls eine Turbine 10.1 und einen Verdichter 10.2 aufweist und im dargestellten Beispiel zwischen dem ersten Turbolader 4 und dem Brenner 2 angeordnet ist. Des Weiteren ist in dem dargestellten Beispiel in der Frischluftzuführleitung 6 zwischen dem Verdichter 4.2 des ersten Turboladers 4 und dem Verdichter 10.2. des weiteren Turboladers 10 ein Ladeluftkühler 11 angeordnet.In the embodiment according to 2 is another turbocharger 10 provided, which is also a turbine 10.1 and a compressor 10.2 and in the example shown between the first turbocharger 4 and the burner 2 is arranged. Furthermore, in the example shown in the fresh air supply line 6 between the compressor 4.2 the first turbocharger 4 and the compressor 10.2 , further turbocharger 10 a charge air cooler 11 arranged.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird somit Frischluft vom Verdichter 4.2 des ersten Turboladers 4 angesaugt und verdichtet, über die Frischluftzuführleitung 6 zum Ladeluftkühler 11 geleitet und gekühlt, danach über die Frischluftzuführleitung 6 zum Verdichter 10.2 des weiteren Turboladers 10 geleitet und weiter verdichtet, danach über die Frischluftzuführleitung 6 durch den Wärmetauscher 7 hindurchgeführt, in welchem sie vom Abgas des Brenners 2 erwärmt wird, und danach dem Brenner 2 zugeführt, oder sie wird über den Abzweig von der Frischluftzuführleitung 6 und die Frischluftbypassleitung 8 am Wärmetauscher 7 vorbeigeführt und vor dem Brenner 2 wieder in die Frischluftzuführleitung 6 eingeleitet und dem Brenner 2 zugeführt. In den Brenner 2 wird zudem über die hier nicht dargestellte Kraftstoffleitung der Kraftstoff eingeführt, welcher, vorteilhafterweise vermischt mit der Frischluft ein Gas-Luft-Gemisch bildend, im Brenner 2 verbrannt wird.In the embodiment according to 2 is thus fresh air from the compressor 4.2 the first turbocharger 4 aspirated and compressed, via the Frischluftzuführleitung 6 to the intercooler 11 passed and cooled, then on the Frischluftzuführleitung 6 to the compressor 10.2 further turbocharger 10 passed and further compressed, then via the Frischluftzuführleitung 6 through the heat exchanger 7 passed, in which they from the exhaust gas of the burner 2 is heated, and then the burner 2 supplied, or it is via the branch from the Frischluftzuführleitung 6 and the fresh air bypass line 8th at the heat exchanger 7 passed and in front of the burner 2 back into the fresh air supply line 6 initiated and the burner 2 fed. In the burner 2 is also introduced via the fuel line, not shown here, the fuel, which, advantageously mixed with the fresh air forming a gas-air mixture in the burner 2 is burned.

Das dadurch erzeugte Abgas wird über die Abgasleitung 5 der Turbine 10.1 des weiteren Turboladers 10 zugeführt und treibt diese an. Die Turbine 10.1 ist über eine Welle 14 mit dem Verdichter 10.2 des weiteren Turboladers 10 verbunden und treibt diesen an. The exhaust gas generated thereby is via the exhaust pipe 5 the turbine 10.1 further turbocharger 10 fed and drives this. The turbine 10.1 is about a wave 14 with the compressor 10.2 further turbocharger 10 connected and drives this.

Das Abgas wird danach der Turbine 4.1 des ersten Turboladers 4 zugeführt und treibt diese an. Die Turbine 4.1 ist über die Welle 12 mit dem Verdichter 4.2 des ersten Turboladers 4 verbunden und treibt diesen an. Zudem ist die Turbine 4.1 über diese Welle 12 mit der elektrischen Maschine 3 verbunden und treibt diese an, wodurch von der elektrischen Maschine 3 in einem Generatorbetrieb, insbesondere als Hochgeschwindigkeitsgenerator, die elektrische Energie erzeugt wird. Nach der Turbine 4.1 strömt das Abgas über die Abgasleitung 5 zum Wärmetauscher 7 und durchströmt diesen, wobei es Wärme an die Frischluft abgibt, und strömt nach dem Wärmetauscher 7 zum Abgasauslass 13 des Systems 1.The exhaust gas then becomes the turbine 4.1 the first turbocharger 4 fed and drives this. The turbine 4.1 is about the wave 12 with the compressor 4.2 the first turbocharger 4 connected and drives this. In addition, the turbine 4.1 about this wave 12 with the electric machine 3 Connected and drives these, resulting from the electric machine 3 in a generator operation, in particular as a high-speed generator, the electrical energy is generated. After the turbine 4.1 the exhaust gas flows over the exhaust pipe 5 to the heat exchanger 7 and flows through it, giving off heat to the fresh air, and flows to the heat exchanger 7 to the exhaust outlet 13 of the system 1 ,

Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind mindestens zwei parallel geschaltete Brenner 2 vorgesehen, welche vorteilhafterweise separat steuerbar und/oder regelbar sind, insbesondere separat schaltbar sind, insbesondere separat einschaltbar und abschaltbar sind.In the embodiment according to 3 are at least two burners connected in parallel 2 provided, which are advantageously separately controllable and / or controllable, in particular are separately switchable, in particular separately switched on and off.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird somit Frischluft vom Verdichter 4.2 des Turboladers 4 angesaugt und verdichtet und über die Frischluftzuführleitung 6 durch den Wärmetauscher 7 hindurchgeführt, in welchem sie vom Abgas eines der Brenner 2 oder beider Brenner 2 erwärmt wird, und danach einem der Brenner 2 oder beiden Brennern 2 zugeführt. Die Brenner 2 sind parallel angeordnet und die Frischluftzuführleitung 6 verzweigt sich in zwei Brennerfrischluftzuführleitungen 15, in welchen jeweils ein Ventil 16 angeordnet ist, so dass die Frischluftzufuhr zum jeweiligen Brenner 2 steuerbar und/oder regelbar ist, insbesondere schaltbar, insbesondere einschaltbar und abschaltbar.In the embodiment according to 3 is thus fresh air from the compressor 4.2 of the turbocharger 4 aspirated and compressed and via the Frischluftzuführleitung 6 through the heat exchanger 7 passed, in which they exhaust from one of the burners 2 or both burner 2 is heated, and then one of the burner 2 or both burners 2 fed. The burners 2 are arranged in parallel and the Frischluftzuführleitung 6 branches into two burner fresh air supply lines 15 , in each of which a valve 16 is arranged, so that the fresh air supply to the respective burner 2 is controllable and / or regulated, in particular switchable, in particular switched on and off.

In einen der Brenner 2 oder in beide Brenner 2 wird zudem über die hier nicht dargestellte Kraftstoffleitung der Kraftstoff eingeführt, welcher, vorteilhafterweise vermischt mit der Frischluft ein Gas-Luft-Gemisch bildend, im jeweiligen Brenner 2 verbrannt wird. Das dadurch erzeugte Abgas wird über die Abgasleitung 5 der Turbine 4.1 des Turboladers 4 zugeführt und treibt diese an. Die Turbine 4.1 ist über die Welle 12 mit dem Verdichter 4.2 verbunden und treibt diesen an.In one of the burners 2 or in both burners 2 is also introduced via the fuel line, not shown here, the fuel, which, advantageously mixed with the fresh air forming a gas-air mixture, in the respective burner 2 is burned. The exhaust gas generated thereby is via the exhaust pipe 5 the turbine 4.1 of the turbocharger 4 fed and drives this. The turbine 4.1 is about the wave 12 with the compressor 4.2 connected and drives this.

Zudem ist die Turbine 4.1 über diese Welle 12 mit der elektrischen Maschine 3 verbunden und treibt diese an, wodurch von der elektrischen Maschine 3 im Generatorbetrieb, insbesondere als Hochgeschwindigkeitsgenerator, die elektrische Energie erzeugt wird. Nach der Turbine 4.1 strömt das Abgas über die Abgasleitung 5 zum Wärmetauscher 7 und durchströmt diesen, wobei es Wärme an die Frischluft abgibt, und strömt nach dem Wärmetauscher 7 zum Abgasauslass 13 des Systems 1.In addition, the turbine 4.1 about this wave 12 with the electric machine 3 Connected and drives these, resulting from the electric machine 3 in generator mode, in particular as a high-speed generator, the electrical energy is generated. After the turbine 4.1 the exhaust gas flows over the exhaust pipe 5 to the heat exchanger 7 and flows through it, giving off heat to the fresh air, and flows to the heat exchanger 7 to the exhaust outlet 13 of the system 1 ,

Auch bei einem solchen Ausführungsbeispiel mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennern 2 kann die Frischluftbypassleitung 8 vorgesehen sein, welche vor dem mindestens einen Wärmetauscher 7 oder den mehreren Wärmetauschern 7 von der Frischluftzuführleitung 6 abzweigt und nach dem mindestens einen Wärmetauscher 7 oder den mehreren Wärmetauschern 7 in die Frischluftzuführleitung 6 mündet. Auch bei einem solchen Ausführungsbeispiel mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennern 2 können zwei oder mehr Wärmetauscher 7 vorgesehen sein. Auch bei einem solchen Ausführungsbeispiel mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennern 2 kann der weitere Turbolader 10 und vorteilhafterweise der Ladeluftkühler 11 vorgesehen sein.Also in such an embodiment with at least two burners connected in parallel 2 can the fresh air bypass line 8th be provided, which before the at least one heat exchanger 7 or the multiple heat exchangers 7 from the fresh air supply line 6 branches off and after the at least one heat exchanger 7 or the multiple heat exchangers 7 into the fresh air supply line 6 empties. Also in such an embodiment with at least two burners connected in parallel 2 can have two or more heat exchangers 7 be provided. Also in such an embodiment with at least two burners connected in parallel 2 can the more turbocharger 10 and advantageously the intercooler 11 be provided.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind zwei in Reihe geschaltete Wärmetauscher 7 vorgesehen. Wie bereits beschrieben, ist hier auch die Frischluftbypassleitung 8 vorgesehen.In the embodiment according to 4 are two series-connected heat exchangers 7 intended. As already described, here is the fresh air bypass line 8th intended.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird somit Frischluft vom Verdichter 4.2 des Turboladers 4 angesaugt und verdichtet und über die Frischluftzuführleitung 6 durch die beiden Wärmetauscher 7 hindurchgeführt, in welchen sie vom Abgas des Brenners 2 erwärmt wird, und danach dem Brenner 2 zugeführt, oder sie wird über den Abzweig von der Frischluftzuführleitung 6 und die Frischluftbypassleitung 8 an den beiden Wärmetauschern 7 vorbeigeführt und vor dem Brenner 2 wieder in die Frischluftzuführleitung 6 eingeleitet und dem Brenner 2 zugeführt. In den Brenner 2 wird zudem über die hier nicht dargestellte Kraftstoffleitung der Kraftstoff eingeführt, welcher, vorteilhafterweise vermischt mit der Frischluft ein Gas-Luft-Gemisch bildend, im Brenner 2 verbrannt wird.In the embodiment according to 4 is thus fresh air from the compressor 4.2 of the turbocharger 4 aspirated and compressed and via the Frischluftzuführleitung 6 through the two heat exchangers 7 passed, in which they from the exhaust gas of the burner 2 is heated, and then the burner 2 supplied, or it is via the branch from the Frischluftzuführleitung 6 and the fresh air bypass line 8th at the two heat exchangers 7 passed and in front of the burner 2 back into the fresh air supply line 6 initiated and the burner 2 fed. In the burner 2 is also introduced via the fuel line, not shown here, the fuel, which, advantageously mixed with the fresh air forming a gas-air mixture in the burner 2 is burned.

Das dadurch erzeugte Abgas wird über die Abgasleitung 5 der Turbine 4.1 des Turboladers 4 zugeführt und treibt diese an. Die Turbine 4.1 ist über die Welle 12 mit dem Verdichter 4.2 verbunden und treibt diesen an. Zudem ist die Turbine 4.1 über diese Welle 12 mit der elektrischen Maschine 3 verbunden und treibt diese an, wodurch von der elektrischen Maschine 3 im Generatorbetrieb, insbesondere als Hochgeschwindigkeitsgenerator, die elektrische Energie erzeugt wird.The exhaust gas generated thereby is via the exhaust pipe 5 the turbine 4.1 of the turbocharger 4 fed and drives this. The turbine 4.1 is about the wave 12 with the compressor 4.2 connected and drives this. In addition, the turbine 4.1 about this wave 12 with the electric machine 3 Connected and drives these, resulting from the electric machine 3 in generator mode, in particular as a high-speed generator, the electrical energy is generated.

Nach der Turbine 4.1 strömt das Abgas über die Abgasleitung 5 zu den Wärmetauschern 7 und durchströmt diese, wobei es Wärme an die Frischluft abgibt, und strömt nach dem Wärmetauscher 7 zum Abgasauslass 13 des Systems 1. Dabei ist der zuerst vom Abgas durchströmte Wärmetauscher 7 beispielsweise als ein Hochtemperaturwärmetauscher 17 und der danach vom durch diesen Hochtemperaturwärmetauscher 17 abgekühlten Abgas durchströmte Wärmetauscher 7 als ein Niedertemperaturwärmetauscher 18 ausgebildet.After the turbine 4.1 the exhaust gas flows over the exhaust pipe 5 to the heat exchangers 7 and flows through them, giving off heat to the fresh air, and flows to the heat exchanger 7 to the exhaust outlet 13 of the system 1 , Here is the first flowed through by the exhaust heat exchanger 7 for example as a high temperature heat exchanger 17 and thereafter from this high-temperature heat exchanger 17 cooled exhaust gas flowed through the heat exchanger 7 as a low-temperature heat exchanger 18 educated.

Auch bei einem solchen Ausführungsbeispiel mit zwei in Reihe geschalteten Wärmetauschern 7 können mindestens zwei parallel geschaltete Brenner 2 vorgesehen sein. Auch bei einem solchen Ausführungsbeispiel mit zwei in Reihe geschalteten Wärmetauschern 7 kann der weitere Turbolader 10 und vorteilhafterweise der Ladeluftkühler 11 vorgesehen sein.Also in such an embodiment with two series-connected heat exchangers 7 can have at least two burners connected in parallel 2 be provided. Also in such an embodiment with two series-connected heat exchangers 7 can the more turbocharger 10 and advantageously the intercooler 11 be provided.

Der mindestens eine Brenner 2 oder die mehreren Brenner 2 ist/sind vorteilhafterweise zur Durchführung einer flammenlosen Verbrennung ausgebildet, auch als flammenlose Oxidation, abgekürzt FLOX oder FLOX-Verfahren, bezeichnet. Dadurch können entstehende Emissionen unter den SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) Standard abgesenkt werden. Bei dieser flammenlosen Verbrennung brennt in den Brenner 2 einströmendes Gas ab einer Temperatur von 850°C flammenlos ab. Die Gase werden im Brenner 2 so schnell eingeschossen, dass die Flammen weggeblasen werden und sich keine stabile Flammenfront ausbilden kann. Durch eine hohe Abgasrezirkulation wird bewirkt, dass die an der Flammengrenze stehenden Stoffe keine lokal erhöhte Temperatur ausbilden können, womit die maximale in der Brennkammer des Brenners 2 auftretende Temperatur verringert wird. Ein herausragender Effekt für darauf aufbauende Technologie ist der Umstand, dass die Bildung von Stickoxiden (NOx) auf theoretisch Null sinkt, da sich diese an der Flammenfront bilden.The at least one burner 2 or the multiple burners 2 is / are advantageously designed for carrying out a flameless combustion, also referred to as flameless oxidation, abbreviated FLOX or FLOX process. This allows emissions to be reduced below the SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) standard. In this flameless combustion burns in the burner 2 inflowing gas from a temperature of 850 ° C flameless from. The gases are in the burner 2 injected so fast that the flames are blown away and can not form a stable flame front. By a high exhaust gas recirculation causes the substances standing at the flame boundary can not form a locally elevated temperature, bringing the maximum in the combustion chamber of the burner 2 occurring temperature is reduced. An outstanding effect for technology based on this is the fact that the formation of nitrogen oxides (NOx) drops to theoretically zero because they form on the flame front.

Die flammenlose Verbrennung wird insbesondere bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1, 2 und 3 verwendet, vorteilhafterweise auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 und vorteilhafterweise auch bei allen weiteren Ausführungsbeispielen, welche sich aus Kombinationen von Merkmalen der hier dargestellten Ausführungsbeispiele ergeben.The flameless combustion is particularly in the embodiments according to the 1 . 2 and 3 used, advantageously also in the embodiment according to 4 and advantageously also in all other embodiments, which result from combinations of features of the embodiments shown here.

Ausganspunkt insbesondere für das in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel, jedoch beispielsweise auch für die weiteren dargestellten Ausführungsbeispiele, ist, dass im Rahmen der Energiewende eine Langzeitspeicherung von Energie sichergestellt werden soll. Hierfür sind zwei Gase besonders gut geeignet, Wasserstoff aus überschüssigem regenerativ erzeugten Strom und Methan aus Biomasse. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Fahrzeug mit diesen beiden Gasen als Kraftstoff betrieben werden kann.Starting point in particular for in the 1 and 2 illustrated embodiment, However, for example, for the other illustrated embodiments, is that in the context of the energy transition, a long-term storage of energy to be ensured. For this purpose, two gases are particularly well suited, hydrogen from excess renewable electricity and methane from biomass. Therefore, it is particularly advantageous if a vehicle can be operated with these two gases as fuel.

Für Wasserstoff bietet sich der Einsatz von Brennstoffzellen an. Für Methan wird das hier dargestellte System 1 vorgeschlagen, welches eine Turbogeneratoranordnung bildet, die beispielsweise als ein so genannter Range-Extender für das Fahrzeug verwendet werden kann, d. h. ein Reichweitenverlängerer, mittels welchem elektrische Energie für mindestens einen elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs erzeugt werden kann, um eine Reichweite des durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Fahrzeugs zu erhöhen.For hydrogen, the use of fuel cells offers. For methane, the system shown here 1 proposed, which forms a turbogenerator assembly, which can be used for example as a so-called range extender for the vehicle, ie a range extender, by means of which electrical energy can be generated for at least one electric drive motor of the vehicle to a range of the by the electric drive motor to increase driven vehicle.

Methan aus Biomasse kann Erdgas als Kraftstoff zunehmend substituieren. Eine hierfür notwendige Tankstellen- und Verteilungs-Infrastruktur ist bereits vorhanden. Abhängig von einer Höhe einer Methan-Beimischung kann eine Flottenemission abgesenkt werden. Durch die Umsetzung von nur einer „Molekülsorte“ mit einem kontinuierlichen Verbrennungsprozess wird der EURO 6 Standard ohne notwendige Abgasnachbehandlung unterschritten. Zur Vermeidung von Stickoxiden wird hierbei eine maximale Verbrennungstemperatur vorteilhafterweise auf 1000°C beschränkt.Methane from biomass can increasingly substitute natural gas as a fuel. A necessary filling station and distribution infrastructure already exists. Depending on a level of methane admixture, fleet emissions may be lowered. By implementing only one type of "molecule" with a continuous combustion process, the EURO 6 standard can be achieved without the need for exhaust aftertreatment. To avoid nitrogen oxides in this case a maximum combustion temperature is advantageously limited to 1000 ° C.

Wie bereits erwähnt, wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 vorteilhafterweise die flammenlose Verbrennung verwendet.As already mentioned, in the embodiment according to the 1 and 2 advantageously used the flameless combustion.

Des Weiteren ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2, wie auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4, die verschließbare Frischluftbypassleitung 8 vorgesehen, welche vor dem mindestens einen Wärmetauscher 7 von der Frischluftzuführleitung 6 abzweigt und nach dem mindestens einen Wärmetauscher 7 in die Frischluftzuführleitung 6 mündet. Durch die Verwendung dieser Frischluftbypassleitung 8 werden Kaltstartemissionen drastisch vermindert, da die verdichtete Frischluft direkt in den mindestens einen Brenner 2, insbesondere in eine Brennkammer des mindestens einen Brenners 2, gefördert werden kann.Furthermore, in the embodiment according to the 1 and 2 as well as in the embodiment according to 4 , the lockable fresh air bypass line 8th provided, which before the at least one heat exchanger 7 from the fresh air supply line 6 branches off and after the at least one heat exchanger 7 into the fresh air supply line 6 empties. By using this fresh air bypass line 8th Cold-start emissions are drastically reduced because the compressed fresh air directly into the at least one burner 2 , in particular in a combustion chamber of the at least one burner 2 , can be promoted.

Der Brenner 2, insbesondere dessen Brennkammer, und die Turbine 4.1 des Turboladers 4 haben mit beispielsweise ca. 5 kg eine sehr viel geringere thermische Masse als der auch als Rekuperator bezeichnete Wärmetauscher 7, der etwa 100 kg wiegt, wenn er aus Metall ausgebildet ist. Sobald der Wärmetauscher 7 durch das Abgas des Brenners 2, welches die Turbine 4.1 durchströmt hat, aufgeheizt worden ist, wird die Frischluftbypassleitung 8 geschlossen.The burner 2 , in particular its combustion chamber, and the turbine 4.1 of the turbocharger 4 have, for example, about 5 kg a much lower thermal mass than the recuperator also called heat exchanger 7 which weighs about 100 kg when it is made of metal. Once the heat exchanger 7 through the exhaust of the burner 2 which is the turbine 4.1 has flowed through, has been heated, the fresh air bypass line 8th closed.

Durch die Frischluftbypassleitung 8 wird es zudem ermöglicht, die Turbine 4.1 kaltzufahren, d. h. abzukühlen, wobei ein unnötiges Auskühlen des Wärmetauschers 7 vermieden wird. Ein solches „kalt fahren“ ist bei einer längeren Abschaltung des Systems 1 notwendig, da sonst über Wärmeleitung von der Turbinenseite aus unzulässig hohe Temperaturen im Generatorbereich, d. h. insbesondere an der elektrischen Maschine 3, entstehen können.Through the fresh air bypass line 8th It also allows the turbine 4.1 cold, ie cooling, with unnecessary cooling of the heat exchanger 7 is avoided. Such a "cold ride" is at a longer shutdown of the system 1 necessary, because otherwise by heat conduction from the turbine side of inadmissible high temperatures in the generator area, ie in particular on the electric machine 3 , can arise.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist, wie bereits erwähnt, der weitere Turbolader 10 vorgesehen, wobei hier zwischen den Verdichtern 4.2, 10.2 der beiden Turbolader 4, 10 in der Frischluftzuführleitung 6 der Ladeluftkühler 11, auch als Intercooler bezeichnet, angeordnet ist. Dadurch wird eine zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlung erreicht, wodurch ein Gesamtwirkungsgrad des Systems 1 erhöht wird.In the embodiment according to 2 is, as already mentioned, the other turbocharger 10 provided, here between the compressors 4.2 . 10.2 the two turbochargers 4 . 10 in the fresh air supply line 6 the intercooler 11 , also referred to as intercooler, is arranged. As a result, a two-stage compression with intermediate cooling is achieved, resulting in an overall efficiency of the system 1 is increased.

Im Vergleich zum einstufigen System 1 gemäß 1 erhöht sich dieser Gesamtwirkungsgrad beispielsweise von ca. 30% auf 35%. Zusätzlich verschiebt sich das Wirkungsgradoptimum zu höheren Betriebsdrücken, was sich positiv auf eine Größe und ein Gewicht des als Rekuperator bezeichneten Wärmetauschers 7 auswirkt, d. h. es kann ein kleinerer und leichterer Wärmetauscher 7 verwendet werden. Durch eine solche Systemverschaltung verringert sich die für den Kreisprozess notwenige Verdichterleistung, indem der normalerweise polytrope einem isothermen Verdichtungsprozess angenähert wird.Compared to the single-stage system 1 according to 1 For example, this overall efficiency increases from around 30% to 35%. In addition, the optimum efficiency shifts to higher operating pressures, which has a positive effect on a size and weight of the designated as recuperator heat exchanger 7 This means that it can be a smaller and lighter heat exchanger 7 be used. Such a system interconnection reduces the compressor power required for the cycle by approximating the normally polytropic isothermal compression process.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist das System 1, wie bereits beschrieben, mindestens zwei parallel geschaltete Brenner 2 auf, welche vorteilhafterweise separat steuerbar und/oder regelbar sind, insbesondere separat schaltbar, insbesondere separat einschaltbar und abschaltbar. Die beiden Brenner 2 werden, wie ebenfalls bereits beschrieben, vorteilhafterweise mit der flammenlosen Verbrennung betrieben. Dadurch kann ein thermodynamischer Kreisprozess erreicht werden, welcher sehr geringe Luftschadstoffe erzeugt. Hierbei wird der durch das California Air Resources Bord (CARB) definierte SULEV Standard signifikant unterschritten.In the embodiment according to 3 instructs the system 1 as already described, at least two burners connected in parallel 2 which are advantageously separately controllable and / or controllable, in particular separately switchable, in particular separately switched on and off. The two burners 2 are, as also already described, advantageously operated with the flameless combustion. As a result, a thermodynamic cycle can be achieved, which generates very low air pollutants. Here, the defined by the California Air Resources Board (CARB) SULEV standard significantly undercut.

Bei dieser flammenlosen Verbrennung brennt, wie bereits erläutert, in den Brenner 2 einströmendes Gas ab einer Temperatur von 850°C flammenlos ab. Die Gase werden im Brenner 2 so schnell eingeschossen, dass die Flammen weggeblasen werden und sich keine stabile Flammenfront ausbilden kann. Durch eine hohe Abgasrezirkulation wird bewirkt, dass die an der Flammengrenze stehenden Stoffe keine lokal erhöhte Temperatur ausbilden können, womit die maximale in der Brennkammer auftretende Temperatur verringert wird. Ein herausragender Effekt für darauf aufbauende Technologie ist der Umstand, dass die Bildung von Stickoxiden (NOx) auf theoretisch Null sinkt, da sich diese an der Flammenfront bilden.In this flameless combustion burns, as already explained, in the burner 2 inflowing gas from a temperature of 850 ° C flameless from. The gases are in the burner 2 injected so fast that the flames are blown away and can not form a stable flame front. High exhaust gas recirculation causes the flame at the limit standing substances can not form locally elevated temperature, whereby the maximum occurring in the combustion chamber temperature is reduced. An outstanding effect for technology based on this is the fact that the formation of nitrogen oxides (NOx) drops to theoretically zero because they form on the flame front.

Da die flammenlose Verbrennung neben der Gas-Vorwärmung von einer im Brenner 2, insbesondere in dessen Brennkammer, vorhandenen Mindestgeschwindigkeit der Verbrennungsgase abhängt, ergeben sich für das System 1 entweder eine sehr geringe mögliche Lastspreizung oder sehr hohe Brennkammerdruckverluste. Als Lösung wird daher die Systemverschaltung mit den mindestens zwei parallelen Brennern 2, insbesondere Brennkammern, vorgeschlagen, wie in 3 gezeigt.Because the flameless combustion in addition to the gas preheating of one in the burner 2 , Especially in the combustion chamber, existing minimum velocity of the combustion gases depends on the system 1 either a very small possible load spread or very high combustion chamber pressure losses. The solution is therefore the system interconnection with the at least two parallel burners 2 , in particular combustion chambers, proposed as in 3 shown.

Die Frischluftzuführleitung 6 teilt sich dabei in Richtung der Brenner 2 in die Brennerfrischluftzuführleitungen 15 auf, wobei in jeder der Brennerfrischluftzuführleitungen 15 vorteilhafterweise ein Ventil 16 angeordnet ist, wie oben bereits zu 3 beschrieben. Über die beiden Ventile 16 können die beiden Brenner 2, insbesondere Brennkammern, entweder wahlweise einzeln oder parallel betrieben werden. Der mögliche wahlweise Teillastbetrieb hat den Vorteil, dass die hohe Temperaturbelastung auf zwei Bauteile aufgeteilt werden kann, nämlich auf die beiden Brenner 2, insbesondere auf deren Brennkammern. Damit kann entweder deren Lebensdauer erhöht werden oder es können preiswertere Werkstoffe zu deren Ausbildung verwendet werden.The fresh air supply line 6 shares in the direction of the burner 2 in the burner fresh air supply lines 15 on, wherein in each of the burner fresh air supply lines 15 advantageously a valve 16 is arranged, as already above 3 described. About the two valves 16 can the two burners 2 , in particular combustion chambers, either selectively be operated individually or in parallel. The possible optional partial load operation has the advantage that the high temperature load can be divided between two components, namely the two burners 2 , in particular on their combustion chambers. Thus, either their lifetime can be increased or it can be used cheaper materials for their training.

Wie bereits beschrieben, dient der Wärmetauscher 7 des Systems 1 der Erhöhung eines System-Wirkungsgrads. Abgas hinter der Turbine 4.1 wird verwendet, um die verdichtete Frischluft vor dem Brenner 2 vorzuwärmen. Hierdurch wird Brennstoff eingespart, d. h. ein Kraftstoffverbrauch wird reduziert.As already described, the heat exchanger is used 7 of the system 1 the increase of a system efficiency. Exhaust behind the turbine 4.1 is used to get the compressed fresh air in front of the burner 2 preheat. As a result, fuel is saved, ie fuel consumption is reduced.

Der positive Beitrag des Wärmetauschers 7 wird mit zunehmendem Temperaturgefälle größer. Mit einem zunehmenden Temperaturgefälle erhöht sich allerdings auch die Temperaturbeanspruchung der zum Einsatz kommenden Werkstoffe, womit sich ein direkter Einfluss auf die Werkstoffkosten ergibt. Als Lösung für diesen Zielkonflikt wird gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, die Reihenschaltung von mindestens zwei auch als Rekuperator bezeichneten Wärmetauschern 7 zu verwenden.The positive contribution of the heat exchanger 7 becomes larger with increasing temperature gradient. However, with an increasing temperature gradient, the temperature stress of the materials used increases, which has a direct effect on the material costs. As a solution to this conflict of objectives, according to the in 4 shown embodiment, the series connection of at least two, also referred to as recuperator heat exchangers 7 to use.

Dadurch kann der Niedertemperaturwärmetauscher 18, auch als Niedertemperatur-Rekuperator bezeichnet, welchen das Abgas nach dem Hochtemperaturwärmetauscher 17 durchströmt, aus einem weniger temperaturbeständigen und damit preiswerteren Werkstoff als der auch als Hochtemperatur-Rekuperator bezeichnete Hochtemperaturwärmetauscher 17 ausgebildet sein. Durch den Ersatz eines einzelnen großen Wärmetauschers 7 aus einem teuren Werkstoff, der hohen Temperaturen standhält, durch die in 4 dargestellten zwei kleineren Wärmetauscher 7, wobei der Niedertemperaturwärmetauscher 18 aus dem weniger temperaturbeständigen und damit preiswerteren Werkstoff ausgebildet ist, können beispielsweise 25 % bis 35 % der Werkstoffkosten eingespart werden.This allows the low-temperature heat exchanger 18 Also referred to as low-temperature recuperator, which the exhaust gas after the high-temperature heat exchanger 17 flows through, from a less temperature-resistant and thus cheaper material than the high-temperature recuperator also called high-temperature heat exchanger 17 be educated. By replacing a single large heat exchanger 7 from an expensive material, which withstands high temperatures, by the in 4 illustrated two smaller heat exchanger 7 , wherein the low-temperature heat exchanger 18 is formed from the less temperature-resistant and thus cheaper material, for example, 25% to 35% of the material costs can be saved.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Systemsystem
22: Brennerburner
33: elektrische Maschineelectric machine
44: Turboladerturbocharger
4.14.1: Turbineturbine
4.24.2: Verdichtercompressor
55: Abgasleitungexhaust pipe
66: FrischluftzuführleitungFrischluftzuführleitung
77: Wärmetauscherheat exchangers
88th: FrischluftbypassleitungFresh air bypass line
99: Verschließelementclosing
1010: weiterer Turboladeranother turbocharger
10.110.1: Turbineturbine
10.210.2: Verdichtercompressor
1111: LadeluftkühlerIntercooler
1212: Wellewave
1313: Abgasauslassexhaust outlet
1414: Wellewave
1515: BrennerfrischluftzuführleitungBrennerfrischluftzuführleitung
1616: VentilValve
1717: HochtemperaturwärmetauscherHigh temperature heat exchanger
1818: NiedertemperaturwärmetauscherLow temperature heat exchanger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10139526 A1 [0002]
DE 10022113 A1 [0003]
EP 1668234 B1 [0004]

Claims

System (1) for generating electrical energy for a vehicle, comprising at least one burner (2) and a turbocharger (4) coupled to an electric machine (3), wherein between an exhaust gas outlet side of the at least one burner (2) and a turbine (4.1 ) of the turbocharger (4) an exhaust pipe (5) is arranged, via which the turbine (4.1) of the turbocharger (4) for driving the turbocharger (4) and thus for driving the electric machine (3) for generating the electrical energy of The exhaust gas generated at least one burner (2) can be supplied, wherein between a compressor (4.2) of the turbocharger (4) and a fresh air inlet side of the at least one burner (2) a Frischluftzuführleitung (6) is arranged, via which the at least one burner (2 ), one of the compressor (4.2) of the turbocharger (4) compressed fresh air can be supplied, and wherein at least one heat exchanger (7) provide for the transmission of heat from the exhaust gas to the fresh air n is, characterized in that - a closable Frischluftbypassleitung (8) is provided, which branches off from the Frischluftzuführleitung (6) before the at least one heat exchanger (7) and after the at least one heat exchanger (7) opens into the Frischluftzuführleitung (6), and / or - at least two burners (2) connected in parallel are provided and / or - two heat exchangers (7) connected in series are provided.

System (1) to Claim 1 , characterized in that the at least one burner (2) is designed to carry out a flameless combustion.

System (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the two burners (2) are separately controllable and / or controllable, in particular separately switchable and can be switched off.

System (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a further turbocharger (10) is provided.

System (1) to Claim 4 , characterized in that the further turbocharger (10) between the first turbocharger (4) and the burner (2) is arranged.

System (1) to Claim 4 or 5 , characterized in that in the Frischluftzuführleitung (6) between the compressor (4.2) of the first turbocharger (4) and a compressor (10.2) of the further turbocharger (10) a charge air cooler (11) is arranged.