用于机动车的驱动单元的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于机动车的驱动单元，带有内燃机，其包括燃烧发动机以及排气系统，通过其可将排气从燃烧发动机引开，以及循环过程装置，其可用于将在排气中含有的热能在向右的热力学上的循环过程中转变成机械工作，其中，循环过程包括在第一热交换装置中从排气到工作介质上的热传导，由此提高工作介质的温度和/或压力，工作介质在膨胀装置中的膨胀以用于产生机械工作，以及在第二热交换装置中从工作介质到冷却介质上的热传导，其特征在于，第一热交换装置包括第一热交换器和第二热交换器以及带有转送介质的中间回路，其中，在第一热交换器中将热能从排气转到转送介质上，且在第二热交换器中将热能从转送介质转到工作介质上。
【专利说明】用于机动车的驱动单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于机动车的驱动单元。
【背景技术】
[0002]机动车现在通常借助于内燃机来驱动，燃料在内燃机中燃烧且在此释放的热能部分地转化成机械工作。往复活塞式内燃机(其几乎仅用于驱动机动车)的效率大约为所使用的初级能源的三分之一。因此在燃烧时释放的热能的三分之二为废热，其或者通过马达冷却系统或者通过排气系统(Abgastrang)作为损耗热量交付到环境处。
[0003]废热的利用呈现出这样的可能性，S卩，提升机动车的驱动单元的总效率且因此降低燃料消耗。
[0004]文献DE 10 2008 028 467 Al说明了一种用于利用内燃机的废热的装置。为此在内燃机的排气系统中集成有第一热交换器、蒸发器、蒸汽循环过程装置。在热交换器中从排气传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转化成机械能，其例如可用于支持机动车的驱动或用于产生电能。在膨胀装置下游使工作介质在第二热交换器(冷凝器)中冷却，其中，工作介质冷凝。通过供给泵实现工作介质的压力提高和将其输送给蒸发器。
[0005]冷凝器由内燃机的马达冷却循环部的冷却剂冷却。冷却剂从冷凝器的回流可借助于3通阀如此切换，即将冷却剂或者在机动车的主冷却器之前或者在内燃机之前导入到马达冷却回路中。这使得能够在内燃机的热运转阶段(Warmlaufphase)中将冷却剂在冷凝器中吸收的废热用于更快速地加热冷却剂。在此以已知的方式设置成通过旁路绕开马达冷却器，以便避免冷却剂的在热运转阶段中并非所期望的冷却。通过利用在冷凝器中出现的废热，内燃机更快地达到其运行温度，因此这与在热运转阶段期间很少的燃料消耗和有害物质排放相关联。在达到运行温度之后，通过冷凝器加热的冷却剂可直接在马达冷却器之前导入到马达冷却回路中。由此可防止来自冷凝器的废热降低用于内燃机的冷却功率。但另一方面还可设置成将从冷凝器离开的冷却剂在达到运行温度之后直接在燃烧发动机(Verbrennungsmotor)之前导入到马达冷却回路中。当冷却剂的马达离开温度下降到低于理论值时，这例如可在机动车的更长的下坡行驶时为这种情况，可进行这种设置。于是还可附加地改善基于与马达冷却回路的热交换的内部空间加热的加热功率。
[0006]此外，已知蓄热器(尤其潜热式或化学蓄热器)集成到马达冷却循环部中(例如参考文献DE 10 2008 013 650 Al)。蓄热器在内燃机的运行中在达到运行温度之后吸收来自排气的热且对其进行暂存。在内燃机的接着的冷启动之后，蓄热器将存储的热再次交付到马达冷却循环部中，由此缩短内燃机的热运转阶段。
[0007]还已知在内燃机中组合地使用两种措施，其中，在蒸汽循环过程与蓄热器之间并未设置相互作用。蓄热器在此为纯粹的冷启动措施，而蒸汽循环过程仅在达到运行温度之后才有效。在这种系统中不利的是不仅蒸发器而且蓄热器集成到排气系统中且必须相应借助于旁路使得可绕开，以便在未使用的情况下避免蒸发器和蓄热器引起的排气背压的提闻ο
[0008]由文献DE 10 2007 033 611 Al已知用于来自排气和蓄热器的废热利用的蒸汽循环过程的一种备选的组合方案。在此设施成:在燃烧发动机的运行状态中，如果在排气中含有的热能大于在蒸发器中最大可传递到工作介质上的热能，借助于相应构造的旁路和阀使排气流的一部分改道到蓄热器中，以便对其“进行加载”，只要其并未已经完全“加载”。另一方面设置成:在燃烧发动机的运行状态中，如果排气的热能低于可在蒸发器中转化的热能，将排气提前引导通过蓄热器，以便对其进行加热，因此那时可改善地运行蒸汽循环过程。为了由此并未与排气系统的排气后处理装置的不允许的冷却相关联，不仅蓄热器而且蒸发器在排气后处理装置下游集成到排气系统中。
[0009]由文献DE 10 2009 035 522 Al已知带有蒸汽循环过程装置的在功能上类似于此的内燃机。在此在蒸汽循环过程装置中集成有蒸汽收集器(Dampfspeicher),在蒸汽收集器中在在其中可产生但不可利用蒸汽的时间内暂存蒸汽。比起可通过利用排气废热产生的蒸汽，如果可转化更多的蒸汽，将所存储的蒸汽继续输送给蒸汽循环过程。
[0010]由文献DE 10 2011 076 054 Al已知用于利用来自排气和蓄热器的废热的蒸汽循环过程的一种备选的组合方案。在此设置成将蓄热器集成到蒸汽回路中且可由蒸汽回路的工作介质加载。为此设置成将在蒸发器与膨胀机之间的、至蓄热器的始流部(Vorlauf)与在膨胀装置与冷凝器之间的回流部(RUcklauf)集成到蒸汽回路中。原则上应由此将蓄热器在内燃机冷启动之后传递到工作介质上的热在蒸发器中传递到排气上，由此可缩短用于在排气系统中布置在蒸发器下游的排气后处理装置的加热时间。此外，在文献DE 10 2011 076054 Al中公开了:备选地或除了加热排气之外，在热运转阶段中同样并未设置成来自冷凝器的废热通过以下方式缩短内燃机自身的热运转阶段，即冷凝器由马达冷却回路的冷却剂冷却。在这样利用工作介质时还可设置成，借助于压力调节装置如此调节工作介质的压力，即暂时排除蒸发阶段且工作介质在整个循环中以液态的形式循环。
【发明内容】
[0011]以现有技术为起点，本发明的目的应在于说明将蒸汽循环过程改善地集成到用于机动车的驱动单元中。
[0012]该目的通过根据独立权利要求1所述的驱动单元来解决。驱动单元的有利的设计方案为从属权利要求的对象且由本发明的随后的说明得出。
[0013]本发明基于这样的知识:在这种类型的驱动单元中，如其由文献DE 10 2007 033611 Al已知的那样，且其包括
-内燃机，该内燃机具有燃烧发动机以及排气系统，可通过其将排气从燃烧发动机引开，以及
-循环过程装置，其可用于将排气的热能在向右的热力学上的循环过程中转变成机械工作，其中，循环过程包括
一在第一热交换装置中从排气到工作介质上的(直接或间接)的热传导，由此提高工作介质的温度和/或压力，
-工作介质在膨胀装置中的膨胀以用于产生机械工作，以及一在第二热交换装置中从工作介质到冷却介质上的(直接或间接)的热传导， 从排气到工作介质上的热传导可与这样的问题相联系，即，可需要在此所使用的热交换装置的昂贵的结构上的设计方案。如果第一热交换装置直接集成到排气系统中且因此热交换装置的引导工作介质的一个或多个管路由排气环流，那么这尤其为这种情况。管路和在其中引导的工作介质于是可局部地暴露于几百度的温度之下。这不仅对热交换装置的结构上的构造而且对所使用的工作介质提出巨大要求。例如在这种类型的驱动单元中将循环过程通常构造为蒸汽循环过程。为此所使用的工作介质必须具有处在相对狭窄的限度之内的蒸发温度和冷凝温度。因此，为此多次使用的有机的工作介质具有在循环过程期间不应超过的相对很低的分解温度。对于针对这种循环过程经常使用的乙醇，该温度例如为大约361° C。NOVEC组的介质的可使用性甚至限于低于300° C。
[0014]为了避免达到工作介质的分解温度，已知在这种类型的驱动单元中使得集成到排气系统中的热交换装置在过高的排气温度的情况下可通过旁路绕开。通过该设计方案取消或降低出现的废热的利用，这可使得驱动单元的总效率变得更差。
[0015]本发明基于这样的思想:通过以下方式绕开该问题，即在如此程度上避免从排气到工作介质上的直接的热传导使得即使在出现最高的排气温度的情况下也并未到达工作介质的分解温度。热传导更确切地说间接通过转送介质(尤其转送流体，特别优选地转送液体)来进行，其因此用作“热缓冲器”。通过转送介质可控制热传导(例如通过改变转送介质的流动速度)且可因此“平整”在排气中的可能强烈波动的热供应。此外，可由此实现在优选用作蒸发器的第二热交换器中的热传导可以用于工作介质和转送介质的相对恒定的进入温度来运行。这实现蒸发器的很好的热力学上的设计，因为可使所谓的Pinch-Point (窄点)的范围和在其中进行在工作介质的液态和气态之间的状态变化的区域相对精确地局部化。
[0016]在这种类型的驱动单元中，本发明的基本思想通过以下方式来转变，S卩，将带有转送介质(尤其耐热的导热油(Thermal)的第一热交换装置用于从排气到工作介质上的间接的热传导。
[0017]这种热交换装置具有至少一个第一热交换器和至少一个第二热交换器，它们通过转送介质和尤其带有转送介质的中间回路导热地相连接。于是，在第一热交换器中进行热能从排气到转送介质上的传导，且在第二热交换器中进行热能从转送介质到工作介质上的传导。中间回路在此尤其仍还可具有用于转送介质的循环的泵和/或补偿容器。
[0018]这种中间回路的另一优点可在于排气的废热可在多个部位处借助于多个第一热交换器来截取。这可直接通过将热交换器布置在排气流中来进行，或者间接地例如在排气系统(如有可能甚至马达冷却回路，其热能同样源自排气)的引导排气的构件(例如(高压和/或低压)排气再循环部的排气歧管、冷却器)外侧来进行。
[0019]通过中间连接转送介质还可获得其他的优点。尤其存在这样的可能性，即将转送介质很大程度地无压(无过压)地维持在中间回路中，由此可避免直接暴露于很高的排气温度下的热交换器必须仍还构造成耐高压。在这种类型的驱动单元中，这通常为这种情况，因为为此处的构造为蒸发器的热交换器输送有通常25bar至30bar的压力的工作流体。由此可避免这种不仅耐热而且抗压的热交换器需要的巨大的结构上的花费。
[0020]优选地可设置成循环过程为蒸汽循环过程，尤其为克劳修斯朗肯过程(Clausius-Rankine-Prozess),在其中工作介质以液态的状态借助于泵来提高压力、在第一热交换装置中蒸发且优选使之过热、且在第二热交换装置中冷凝。
[0021]在根据本发明的驱动单元的进一步优选的设计方案中可设置成将蓄热器集成到循环过程装置中，蓄热器设置成用于从排气(直接或间接)吸收热能和将热能交付到工作介质处。
[0022]通过驱动单元的该设计方案实现存储在蓄热器中的热能例如在内燃机冷启动之后和/或在内燃机以很小的负荷运行期间(这通常与相应很低的排气温度相联系)运送到循环过程中且由此支持循环过程，其否则可能由于来自排气的太低的热吸收(仍)不可实施。
[0023]特别优选地，可设置成蓄热器集成到第一热交换装置中且尤其集成到中间回路中。于是可将从蓄热器到工作介质上的热传导用于确保工作介质的蒸发，即使当从排气传递的热能为此仍不足够。由此实现热能转化成膨胀装置中的机械工作。为了实现这种情况，可优选地如此设计蓄热器，即释放温度(也就是说工作介质的可通过蓄热器的热传导在另外的支配的条件下达到的温度)高于工作介质的蒸发温度。
[0024]此外，在蓄热器集成到中间回路中的情况下，还可优选地设置中间回路的旁路，通过其可根据需要绕开蓄热器。
[0025]蓄热器还可集成到排气系统中且不具有至循环过程装置的热耦合部。于是蓄热器例如可用于在内燃机冷启动之后或在内燃机以持久很小的负荷和相应很低的排气温度运行时实现关于蓄热器在下游集成到排气系统中的排气后处理装置的运行温度范围的快速的到达或保持。
[0026]在根据本发明的驱动单元的进一步优选的设计方案中可设置成进行从工作介质到燃烧发动机的马达冷却回路的冷却介质上的热传导。由此一方面实现向右的循环过程的废热(其可为所输送的热能的一大部分(例如大约85%))或者通过冷却器(尤其机动车的主冷却器)引开到环境空气处。为此可设置成在第二热交换装置中吸收的热能可在燃烧发动机下游传递到马达冷却回路中。为此可将第二热交换装置的至少一个热交换器在该部位处集成到马达冷却回路中。由此防止从循环过程装置运送到马达冷却回路中的热能降低用于燃烧发动机的冷却功率。另一方面，根据本发明的驱动单元的该设计方案实现:在确定的运行状态中，例如在内燃机冷启动之后的热运转阶段中，当其(尤其马达冷却回路的冷却液体或发动机油)尚未到达所设置的运行温度范围时，可利用循环过程装置的废热以用于更快地加热马达冷却循环部和可能与马达冷却回路热交换地连接的其他的功能元件(例如内部空间加热部、传动器油、发动机油等)。在此，通过借助于蓄热器很快地加热工作介质还相应利用由蓄热器释放的热能。
[0027]在根据本发明的驱动单元的进一步优选的设计方案中可设置成循环过程装置包括旁路，通过其可绕开膨胀装置。如果蓄热器的释放温度(暂时地)低于工作介质的蒸发温度，这可是尤其有利的。那时虽然可能不可执行蒸汽循环过程，然而可将循环过程装置用作转送回路，以便热能从蓄热器和/或排气传递到马达冷却回路的冷却剂处。如果并不希望或要求借助于循环过程装置将热能转化成机械能，使用旁路同样可是有意义的。
[0028]如果第一热交换器和第二热交换器彼此在结构上且尤其还在空间上分开且借助于中间回路相互连接，则可实现根据本发明的驱动单元的一种结构上简单的设计方案。这在循环过程装置集成到机动车中方面实现很好的柔性。
[0029]但带有至少一个第一热交换器和与其在结构上分开的热交换器的热交换装置可在所需要的结构空间方面是不利的。为了避免这种情况，可设置成首先进行源自排气的热能热传导到转送介质上且实现从转送介质热传导到在结构单元中的工作介质上。
[0030]相应地，第一热交换装置可包括第一热交换器(或多个第一热交换器中的一个)和第二热交换器(或多个第二热交换器中的一个)集成地构造的3 —介质一热交换器，其中，3 —介质一热交换器构造有用于排气的第一介质通道、用于工作介质的第二介质通道和在至少一个区段中布置在第一介质通道与第二介质通道之间的用于转送介质的第三介质通道，从而实现从排气经由转送介质到工作介质上的热传导。
[0031]紧凑的结构型式和特别好的热交换可通过3 —介质一热交换器设计为板式热交换器来实现。于是可设置成(至少)第二介质通道和/或第三介质通道(相应)构造在板中，其中，构造有第三介质通道的板由排气(至少部分地)环流。在此可尤其设置成第二介质通道和/或第三介质通道在相应的板中多次换向地(例如曲折状地)伸延，以便为了热交换尽可能充分地利用板的尺寸。
[0032]在根据本发明的热交换装置的一种特别优选的设计方案中可设置成用于转送介质的第三介质通道仅在热交换装置的一区段中布置在第一介质通道与第二介质通道之间，而在另一区段中不是这种情况，从而使得直接(即没有中间连接转送介质)实现从排气到工作介质上的热传导。在热交换装置设计为板式热交换器的情况下，这可优选由此实现，即构造有第三介质通道的板小于构造有第二介质通道的板，从而使得构造有第二介质通道的板在一区段中由排气环流。
[0033]由此可实现排气和工作介质通过转送介质的热的分开仅在排气例如具有或可具有非常高的温度时进行。而一旦达到排气的足够的冷却，就可通过到吸收热的介质上的直接的热传导如有可能改善在热交换装置中的整个热传导。
[0034]进一步优选地可设置成3—介质一热交换器作为对流一热交换器来运行。相应地，排气在第一介质通道中的流动方向应与工作介质在第二介质通道中的流动方向相反。
[0035]在转送介质在第三介质通道中的流动方向方面，如果流动方向与工作介质在第二介质通道中的流动方向相同，这可是有利的。
[0036]在根据本发明的热交换装置的进一步优选的设计方案中可设置成第二介质通道在工作介质的流动方向上扩张。由此可考虑到工作介质的由于加热的膨胀。这尤其可使得3 一介质一热交换器能够设计为3 —介质一蒸发器，其特征在于工作介质从液相到气相中的相变和在3 —介质一蒸发器中由工作介质占据的体积的与此相关的增加。
[0037]3 一介质一热交换器可特别优选地构造为多层的板式热交换器。为此可设置多个第一介质通道、第二介质通道和第三介质通道，其中，第二介质通道和第三介质通道相应构造在板中，并且其中，构造有第二介质通道的板相应布置在两个相应构造有第三介质通道的板之间，并且其中，在两个相应构造有第三介质通道的板之间布置有构造有第一介质通道的板。
[0038]根据本发明的中间回路的另一优点在于其使得能够将多个第一热交换器无问题地集成到第一热交换装置中。因此可除了通过将第一热交换器布置在排气流中来直接利用排气的热能之外(备选地或附加地)还可设置成间接利用排气热能。为此可将一个或多个(其他的)第一热交换器设置在排气系统(必要时同样马达冷却回路)的构件(例如排气歧管、排气循环部的冷却器、排气涡轮增压器的冷却器)处。通过中间回路可将在第一热交换装置的多个第一热交换器中吸收的热能聚集地输送给循环过程装置的唯一的第二热交换装置(蒸发器)。
[0039]为了防止从排气通过循环过程装置的散热妨碍排气后处理装置(例如催化器(一个或多个)和/或微粒过滤器)的快速的加热或正确的运行，优选可设置成第一热交换装置的(直接布置在排气流中的)热交换器在排气后处理装置之后集成到排气系统中。
[0040]为了避免循环过程装置的超尺寸且因此避免通常在部分负荷运行时的很差的效率，优选可设置成循环过程装置的最大功率在向右的循环过程中针对在燃烧发动机在部分负荷的情况下运行时的排气热流来设计。因为目前的机动车的燃烧发动机大部分时间在部分负荷的情况下运行，于是可达到用于循环过程装置的很好的效率。而如果燃烧发动机暂时地在全负荷或近似全负荷的情况下运行，排气的那时附加的热能(其不可由循环过程装置转化)可存储在优选设置的缓存器(Zwischenspeicher)中，以便为燃烧发动机(再次)加载。
[0041]蓄热器可优选为潜热式蓄热器或热化学式存储器。潜热式蓄热器为这样的装置，其可在很多的重复循环的情况下和在很上的时间上存储热能。为此利用所谓的相变材料(PCM:“phase change materials”)，其潜在的熔化热、溶解热或吸收热明显大于该相变材料可由于其正常的特有的热容量(在没有相变效应的情况下)存储的热。而热化学式存储器利用可逆的化学反应的焓，例如基于化学吸着的吸收和解吸过程的焓。
[0042]在根据本发明的驱动单元的进一步优选的设计方案中，可设置成用于预测将来(尤其直接紧接或作为下一次的)待行驶的行驶特征(Fahrtprofil)的装置设置成用于设有驱动装置的机动车，其中，到循环过程装置上和/或到优选设置的蓄热器上的热传导的控制和/或蓄热器的热交付取决于预测的行驶特征来进行。
[0043]优选可设置成用于预测的装置包括导航系统。导航系统包括用于位置识别以及可评估的地理学的地图数据的尤其卫星支持的装置。此类地图数据在此不是仅可包括路段(街道、道路等)的走向的信息，而是尤其还可包含关于路段区段(高速公路、乡下公路、市内街道等)的类型的信息以及关于此处存在的速度限制的信息。还可设置地形上的数据，其尤其使得能够确定路段区段的斜度或坡度。这些数据可尤其组合当前的行驶状态(例如当前的速度、平均速度、相应总地和在不同的道路类型上等)进行评估且由此预测内燃机关于时间的将来的负荷状态和因此相应的排气废热提供量。其然后可通过以下方式尽可能地最佳地来利用，即，例如仅为循环过程装置、仅为蓄热器或(例如在内燃机以很高的负荷或全负荷的当前的和预料进一步持久的运行的情况下)为两个构件输送。还可取决于预测的废热提供设置成将废热既不输送给循环过程装置也不输送给蓄热器废热，例如以便暂时避免其可由于集成到排气系统中引起的排气背压的提高。
[0044]此外，优选地可设置成用于预测的装置包括行驶记录仪(Fahrtenprotokollierer)。借助于行驶记录仪可预知通常的行驶,例如工作日的来回工作地点的行驶，于是已知行驶的行驶特征(尤其路段走向、速度特征)。
[0045]就此而言，用于预测将来待行驶的行驶特征的装置还可包括结合万年历或尤其可在线更新的日历，由此考虑到节假日和周末，在这些时段并未期待行驶至工作地点。
[0046]行驶记录仪还可存储和评估与个人相关的数据。为此，行驶记录仪可为记录的行驶特征例如关联单独的、可独特配置的且因此通常与确定的驾驶员相关联的车辆钥匙。
[0047]行驶记录仪尤其还可评估相应的驾驶员在实际行驶时的进行的独特的行驶状态且为了预测在这样行驶时(必要时仅短时地中断)的将来的行驶状态而进行评估。
[0048]在根据本发明的驱动单元的进一步优选的设计方案中，可设置成循环过程装置附加地包括压缩机(其可备选地用于膨胀装置)和节流阀，从而使得其还可用在向左的热力学上的循环过程中，其中，实现从排气到工作介质上的(直接的或间接的)热传导或从冷却介质到工作介质上的(直接的或间接的)热传导。
[0049]根据本发明的驱动单元的这种设计方案使得能够尤其在内燃机的运行结束之后在机动车的停止状态之后实现继续部分地利用存储在驱动单元的不同的构件中的热能。
[0050]因此，尤其可设置成循环过程装置可在燃烧发动机的运行中在向右的循环过程中运行，且可在燃烧发动机的静止状态中在向左的热力学上的循环过程中运行，即至少暂时地借助于相应的控制来运行。
[0051]存储在构件中的热能可在内燃机运行结束之后尤其用于继续加热机动车的内部空间。于是例如可设置成在向左的循环过程中进行从排气系统到工作介质上和从工作介质(直接或间接)到用于机动车的内部空间的空气调节的空气上的(直接的或间接的)热传导。尤其可在中间连接马达冷却回路的情况下进行从工作介质到用于内部空间空气调节的空气上的热传导。
[0052]备选地或附加地还可借助于循环过程装置的这种设计方案有利地利用存储在马达冷却回路中的热能。为此，于是可设置成将第二热交换装置集成到燃烧发动机的马达冷却回路中。
[0053]利用存储在马达冷却回路中的热能尤其可由此实现，S卩，将热能用来加载蓄热器。因此，可设置成在向左的循环过程中进行从工作介质到蓄热器上的(直接的或间接的)热传导。
[0054]利用存储在马达冷却回路中的热能还可为此设置成即使在内燃机未运行期间维持在排气系统中的气体(排气)的确定的温度水平。这例如可在机动车的更长持久的起停运行中在带有内燃机的通常变化的运行/未运行的情况下例如借助于启动一停止一自动装置防止在第一热交换装置下游的排气后处理装置的冷却。
[0055]在根据本发明的驱动单元的进一步优选的设计方案中，可设置成压缩机和膨胀装置集成地来构造，即可满足机器的两种功能。在此使工作介质的流动方向在两个循环过程中颠倒，这可是有意义的。于是，针对通过第一热交换装置和第二热交换装置与循环过程装置热交换地相连接的其他的循环部(尤其马达冷却回路和根据本发明的中间回路)，同样的也可是有意义的，以便实现相应的热交换器始终以对流运行。但备选地还可设置成压缩机和膨胀装置并联连接。
[0056]因为泵可能仅在向右的循环过程中使用，而节流阀可能仅在向左的循环过程中使用，所以可有利地设置成它们在循环过程装置中并联连接。由此可防止它们不利地影响相应的其他的循环过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]下面借助在附图中示出的实施例进一步阐述本发明。其中， 图1以示意性的图示显示了根据本发明的用于机动车的驱动单元的第一实施方式；
图2以示意性的图示显示了根据本发明的用于机动车的驱动单元的第二实施方式；以及
图3以透视性的图示显示了 3 —介质一蒸发器；
图4以分解图示显示了 3 —介质一蒸发器；
图5显示了图4的放大的部段；
图6以前视图显示了 3 —介质一蒸发器；
图7显示了图3至6的3 —介质一蒸发器的原理图示；以及图8显示了备选的3 —介质一蒸发器的原理图示。
[0058]参考标号列表 10燃烧发动机 12排气涡轮增压器的压缩机 14排气涡轮增压器的涡轮 16排气涡轮增压器的轴 18第一排气后处理装置 20第一热交换装置的第一热交换器 22中间回路 24中间回路的介质泵 26第一热交换装置的第二热交换器 28工作回路 30膨胀装置
32第二热交换装置的热交换器 34工作回路的介质泵 36马达冷却回路 38主冷却器 40薄板
42发动机油冷却器 44传动器油冷却器 46加热设备的热交换器 48冷却剂泵
50低压排气再循环部的冷却器
52低压排气再循环部
54蓄热器
56中间回路的旁路
58工作回路的压缩机
60节流阀
62第一排气阀
64第二排气阀
66排气系统的旁路 68供给口
70第二排气后处理装置
72马达控制器
74导航系统
76 3 一介质一蒸发器
78基体
80盖板
82进入漏斗状件 84离开漏斗状件 86排气板
88排气板中的介质通道
90排气板的第一区段
92排气板的第二区段
94第一中间板
96转送介质板
98转送介质板中的介质通道
100第二中间板
102工作介质板
104工作介质板中的介质通道
106用于转送介质的入口
108用于转送介质的出口
110用于工作介质的入口
112用于工作介质的出口。
【具体实施方式】
[0059]在图1中示出的用于机动车的驱动单元包括带有燃烧发动机10的内燃机，其例如构造为四缸的往复活塞式柴油或奥托燃烧发动机。因此在燃烧发动机10中构造有四个缸体，在其中相应可运动地支承有活塞。活塞与相关的缸体的壁相应形成燃烧室，在其中已压缩的新鲜气体(空气)与喷直接射的燃料一起燃烧。
[0060]新鲜气体通过很大部分未示出的新鲜气体系统输送给燃烧发动机。新鲜气体的压缩在此通过排气涡轮增压器的压缩机12来进行。
[0061]在新鲜气体与燃料燃烧时形成的排气通过排气系统从燃烧发动机10引开。在此排气首先流经排气涡轮增压器的涡轮14，其与压缩机12通过轴16相连接，且紧接着流经第一排气后处理装置18，例如催化器。在第一排气后处理装置18的下游将循环过程装置的第一热交换装置的第一热交换器20集成到排气系统中。
[0062]第一热交换器20—方面由排气且另一方面由循环过程装置的中间回路22的液态的转送介质流经，其中，可进行从排气到转送介质上的热传导。借助于中间回路22的介质泵24输送转送介质。因此，由排气加热的转送介质一方面到达到第一热交换装置的构造为蒸发器的第二热交换器26。该蒸发器一方面由转送介质且另一方面由循环过程装置的工作回路28的工作介质流经。在此可进行从转送介质到工作介质上的热传导。热传导可引起工作介质在蒸发器中的蒸发和过热。在循环过程装置的向右的循环过程中，然后可使过热的蒸汽在膨胀装置30中膨胀，其中，产生机械功率，其可用于产生电能和/或直接机械地驱动机动车或燃烧发动机的辅助机组。在循环过程装置的第二热交换装置中，其在该实施例中仅包括构造为冷凝器的热交换器32，然后使工作介质冷却且再次转变(冷凝)到液相中。于是，工作回路的介质泵34负责将液态的工作介质重新输送给蒸发器。
[0063]冷凝器除了工作介质之外还由马达冷却回路36的液态的冷却剂流经，其中，在向右的循环过程期间进行从工作介质到冷却剂上的热传导。因此，向右的循环过程的废热可尤其通过驱动装置的主冷却器38交付到环境空气处。在此，流动通过主冷却器38的环境空气的量可借助于可调整的冷却器薄板40自动控制。
[0064]除此之外，向右的循环过程的废热还可在马达冷却回路36中用于将冷却剂在内燃机冷启动之后更快地带到运行温度上或尽可能地保持在燃烧发动机10带有很小的负荷的运行阶段中的运行温度。由此可避免燃烧发动机10以及还有其他的构件(例如发动机油冷却器42 (和因此发动机油)和传动器油冷却器44 (和因此传动器油))的温度的下降。还可将向右的循环过程的废热用来改善用于机动车的内部空间的加热设备的加热效果。为此，将加热设备的热交换器46集成到马达冷却回路36中。
[0065]通过相应地操控集成到马达冷却回路36中的两个冷却剂泵48以及未示出的截止阀可根据需要调节通过马达冷却回路36的单个的构件的冷却剂的流量。尤其可在冷启动之后的热运转阶段期间和在燃烧发动机10以非常小的负荷持续不断地运行时阻止冷却剂在主冷却器38中的冷却，由此可尽可能快地达到或保持冷却剂的运行温度。
[0066]此外，马达冷却回路36的冷却剂流经低压排气再循环部52的冷却器50。低压排气再循环部52在第一热交换装置的第一热交换器20下游从排气系统分岔。借助于关闭阀可阻止流经低压排气再循环部52的冷却器50，其中，那时将所有的冷却剂引导通过循环过程装置的冷凝器(热交换器32)。
[0067]此外，驱动装置包括蓄热器54，其集成到中间回路22的用于可绕开第一热交换器20的旁路56中。构造为潜热式蓄热器的蓄热器54可吸收来自转送介质的热能、在很长的时间段内进行存储且在需要时再次交付到转送介质处。尤其可设置成:如果燃烧发动机10以很高的负荷运行，则蓄热器54吸收来自转送介质的热能。那时，在第一热交换器20中可从排气传递到转送介质上的热能于是可大于可在向右的循环过程中转化的热能。多余的热能可有利地用于“加载”蓄热器54。
[0068]而如果燃烧发动机10在热运转阶段中或者以很低的负荷运行，则可在第一热交换器20中传递到转送介质上的热能低于可在向右的循环过程中转化的热能。热能尤其可如此小，即其并不足以用于工作介质在蒸发器中的蒸发和过热。于是可通过相应地操控蓄热器54将存储在其中的热能首先传递到转送介质处且然后在蒸发器中传递到工作介质处。由此可支持或甚至正好实现向右的循环过程。
[0069]如果从蓄热器54和/或排气传递到转送介质上的热能太低，为了保证工作介质的蒸发，还可将工作回路28用作转送回路，从而使得那时虽然未执行向右的循环过程且相应地同样未由膨胀装置30产生机械功率，然而可继续进行热能从排气和/或蓄热器54到马达冷却回路36的冷却剂上的传导。为了防止在此未利用的膨胀装置30必须由那时用作转送介质的工作介质流经，可设置用于绕开膨胀装置30的未示出的旁路。
[0070]循环过程装置如此构造，即其还可在向左的循环过程中且尤其作为热泵来运行。为此，或者膨胀装置30如此构造，即其还可作为压缩机来工作，或者单独的压缩机58关于膨胀装置30并联连接地集成到工作回路28中(参见图1中的虚线的设计方案)。此外，工作回路28包括节流阀60，其关于介质泵34并联连接。
[0071]当循环过程装置在向右的循环过程中的运行最初设置在燃烧发动机10的运行期间时，为了利用排气的连续的热流，如果燃烧发动机10不再处于运行中，那么尤其设置作为热泵的运行。由此实现继续利用仍存储在驱动装置的不同的构件中的热能。
[0072]尤其可设置成将存储在蓄热器54和/或仍然热的排气系统中的热能用于内部空间加热部的继续的运行。为此使在工作回路28中的工作介质通过由蓄热器54和/或排气加热的转送介质在蒸发器中必要时以负压水平蒸发、然后在压缩机中进行压缩且在更高的温度水平上在冷凝器中热传导到冷却剂的情况下冷凝且借助于节流阀60降压到低的过程压力上。在此设置成在工作回路28中的流动方向与在向右的循环过程中运行时的流动方向一致(在工作回路中的实线箭头)。
[0073]此外，可设置成存储在马达冷却回路28中和尤其在冷却剂中的热能用于为蓄热器54在燃烧发动机10停止之后再次加载。为此使在工作回路28中的工作介质在第二热交换装置的热交换器32(在向右的循环过程中，冷凝器)中通过“冷却剂”的热传导必要时在负压水平上蒸发、然后在作为压缩机工作的膨胀装置30中或在压缩机58中进行压缩且在更高的温度水平上在第一热交换装置的第二热交换器26 (在向右的循环过程中，蒸发器)中在热交付到转送介质的情况下冷凝且借助于节流阀60降压到低的过程压力上。然后可进行从已加热的转送介质到蓄热器54上的热传导，以便为其进行加载。在此设置成在工作回路28中的流动方向与在向右的循环过程期间运行时的流动方向相反(在工作回路中的虚线箭头)。为了实现在两个流动方向上运行作为压缩机工作的膨胀装置30或压缩机58，可设置成吸入侧和压力侧借助于合适的阀切换部(未示出的)来进行颠倒。为了确保达到低的过程压力，可设置成将负压泵(未示出)集成到工作回路28中。
[0074]排气系统还包括:第一排气阀62，其在第一热交换器20和低压排气再循环部52的支线下游集成到排气系统的主系统(Hauptstrang)中；以及第二排气阀64,其集成到绕开第一热交换器20、低压排气再循环部52的支线和第一排气阀62的旁路66中。借助于排气阀62、64可将排气流在需要时通过旁路66导引旁经第一热交换器20和低压排气再循环部52。如果在冷启动之后首先应将同样布置在旁路66的供给口 68下游的第二排气后处理装置70 (例如柴油微粒过滤器)尽可能快地带到运行温度上，或如果应暂时避免第一热交换器20可引起的部分地显著的排气背压，则尤其可进行这种情况。
[0075]驱动装置的所有的可操控的构件由马达控制器72操控。因此它们优选设计成可电操控和操纵，但还可气动地或液压地来操纵，为此可设置可电操控的、气动地或液压地作用的执行器。
[0076]构件由马达控制器72的操控可取决于驱动装置或机动车的导航系统74的信号来进行。因此可尤其取决于预测的行驶特征来设置为蓄热器54加载或卸载，以便达到尽可能最佳地利用排气的热能。
[0077]驱动单元的在图2中示出的实施方式与图1的实施方式的不同之处一方面在于循环过程装置并未如此构造使得其还可用在向左的循环过程中。
[0078]此外，循环过程装置的第一热交换装置如此构造，即其将第一热交换器20和第二热交换器26集成在3—介质一热交换器(其具体构造为3 —介质一蒸发器76)中。其由作为第一介质的排气、作为第二介质的工作回路28的工作介质和作为第三介质的中间回路22的转送介质流经。在此设置成通过相应地布置3 —介质一蒸发器76的引导各个介质的通道将转送介质至少在排气和工作介质的共同的流经长度的区段中布置在排气与工作介质之间，从而使得转送介质或中间回路22可执行热缓冲器和热消减器的功能。
[0079]在图7和8中示出了关于3 —介质一热交换器或3 —介质一蒸发器76的工作原理的原理图示。
[0080]在此，图8显示了 3 —介质一热交换器的原理图示，在其中，转送介质在整个流经长度上布置在排气与工作介质之间。
[0081]而在图7中引导转送介质的介质通道仅在流经长度的第一区段上延伸，从而在第二区段中可实现从排气到工作介质上的直接的热传导。在此设置成第一区段关于排气流设置在3 —介质一热交换器的输入侧。因此，在第一区段中(在其中，排气仍可具有如此高的温度，其可导致负面地影响工作介质)转送介质用作热缓冲器，而在第二区段中(在其中排气已经冷却到无害的温度上)设置成直接热传导到工作介质上。通过在两种热交换的介质之间的那时更高的温度差可改善在3 —介质一热交换器中的整体热传导。
[0082]在两种实施方式中设置成排气和工作介质的流动方向相反。转送介质的流动可在两个方向上进行。在根据图2的驱动单元中，转送介质的流经方向相应于工作介质的流经方向。
[0083]图3至6显示了相应于根据图7的原理图示的3 —介质一蒸发器76的实施方式。
[0084]3 —介质一蒸发器76构造为多层的板式热交换器，其中，单个的板形成用于相应的流经的介质的一个或多个介质通道。相叠层状的板形成3 —介质一蒸发器76的基体78,在其中发生热交换。在上侧和下侧通过两个盖板80限制基体78。在入口侧和出口侧在基体78处联接有用于排气的进入漏斗状件82和离开漏斗状件84，通过其可将3 —介质一蒸发器76集成到根据本发明的驱动单元的排气系统的管系中。
[0085]通过进入漏斗状件82进入的排气流经设置成用于将排气引导通过基体78的排气板86，其如尤其从图6得出的那样构造有用于排气的多个很小的介质通道88。通过多个很小的介质通道88可将在排气与排气板86之间的接触面的总大小构造得很大，这在考虑到排气的相对很差的热传导系数的情况下确保排气的足够的热传导。排气板86构造成两个区段，其在其板厚度方面不同。在与进入漏斗状件82相邻的第一区段90中，板厚度小于在与离开漏斗状件84相邻的第二区段94中的板厚度。在层方向上来看，在每个排气板86两侧或者联接有盖板80 (在最外部的两个排气板86外侧)或者联接有第一中间板94。第一中间板94如此构造，即其空出其与排气板86的第二区段92重合的区段。
[0086]在每个第一中间板94的背对排气板86的侧部上相应布置有转送介质板96。转送介质板96相应构造有介质通道98，其在层方向上在两侧敞开且蛇状或曲折状地在进入区段和离开区段之间延伸。在此，转送介质板96同样空出其与排气板86的第二区段92重合的区段。
[0087]在每个转送介质板96的背对第一中间板94的侧部上相应布置有第二中间板100，其遮盖基体78的整个水平截面且因此还遮盖排气板86的第二区段92。
[0088]每个排气板86的第二区段92的厚度如此构造，即其延伸通过相邻的第一中间板94和转送介质板96的凹处且在相应的区段中接触第二中间板100。
[0089]在每个第二中间板100的背对转送介质板96的侧部上相应布置有工作介质板102。工作介质板102相应构造有介质通道104，其在层方向上在两侧敞开且蛇状或曲折状地在用于工作介质的进入区段和离开区段之间延伸。在此，工作介质板102遮盖基体78的整个水平截面，且介质通道104尽可能好地充分利用基体78的整个水平截面。
[0090]之前说明的层构造为这样的层结构，其以交替的层方向多次彼此分层地构造基体78。因此，每个工作介质板102在两侧由第二中间板100包围，在其处相应联接有转送介质板96、然后第一中间板94、然后排气板86且然后或者重新地联接第二中间板100或者盖板80。
[0091]通过空出用于排气板86的第二区段92的第一中间板94和转送介质板96，在3 —介质一蒸发器的第二区段中实现在排气与工作介质之间的直接的(显现出对于排气和工作介质的有形的分开来说所需要的第二中间板100的中间连接)热传导，如在图7中示意性地示出的那样。
[0092]由工作介质板102构造的介质通道104以进入区段为起点连续地变宽直至离开区段。由此考虑到工作介质在从液相过渡到气相时的体积增加。
[0093]用于转送介质和工作介质的入口和出口通过重合的、在层方向上延伸的、在所有的板中(仅部分地在盖板中)的通孔来构造，其在用于转送介质的入口 106和出口 108中与在每个转送介质板96中的相应的介质通道98相连接，其在用于工作介质的入口 110和出口 112中与在每个工作介质板102中的相应的介质通道104相连接。
【权利要求】
1.一种用于机动车的驱动单元，带有 -内燃机，其包括:燃烧发动机(10)以及排气系统，可通过其将排气从所述燃烧发动机(10)引开，以及 -循环过程装置，其可用于将在排气中含有的热能在向右的热力学上的循环过程中转变成机械工作，其中，循环过程包括 -在第一热交换装置中从排气到工作介质上的热传导，由此提高工作介质的温度和/或压力， -工作介质在膨胀装置(30)中的膨胀以用于产生机械工作，以及 一在第二热交换装置中从工作介质到冷却介质上的热传导， 其特征在于，所述第一热交换装置包括第一热交换器(20)和第二热交换器(26)以及带有转送介质的中间回路(22)，其中，在所述第一热交换器(20)中将热能从排气转到转送介质上，且在所述第二热交换器(22)中将热能从转送介质转到工作介质上。
2.根据权利要求1所述的驱动单元，其特征在于，向右的循环过程为蒸汽循环过程，其中，工作介质以液态的状态借助于泵来提高压力、在所述第一热交换装置中蒸发且在所述第二热交换装置中冷凝。
3.根据权利要求1或2所述的驱动单元，其特征在于集成到所述循环过程装置中的蓄热器(54) ο
4.根据权利要求3所述的驱动单元，其特征在于，所述蓄热器(54)集成到中间回路(22)中。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的驱动单元，其特征在于，在所述第一热交换装置中或上游进行从所述蓄热器(54)到工作介质上的热传导。
6.根据上述权利要求中任一项所述的驱动单元，其特征在于，进行从工作介质到所述燃烧发动机(10)的马达冷却回路(36)的冷却剂上的热传导。
7.根据上述权利要求中任一项所述的驱动单元，其特征在于，所述第一热交换器(20)和所述第二热交换器(26)彼此在空间上分开且借助于中间回路(22)相互连接。
8.根据上述权利要求中任一项所述的驱动单元，其特征在于，所述第一热交换装置包括所述第一热交换器(20)和所述第二热交换器(26)的集成地构造的3 —介质一热交换器，其中，所述3 —介质一热交换器构造有用于排气的第一介质通道(88)、用于工作介质的第二介质通道(104)和在至少一个区段中布置在所述第一介质通道(88)与所述第二介质通道(104)之间的用于转送介质的第三介质通道(98)，从而实现从排气经由转送介质到工作介质上的热传导。
9.根据权利要求8所述的驱动单元，其特征在于，所述第二介质通道(104)和/或所述第三介质通道(98)构造在板(96，102)中，其中，构造有所述第三介质通道(98)的板(96)由排气环流。
10.根据权利要求8或9所述的驱动单元，其特征在于，所述第二介质通道(104)在其设置的流经方向上扩张。
【文档编号】F01N5/02GK104279032SQ201410322033
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2013年7月9日
【发明者】A.卡斯滕森, M.达尔曼, J.弗里切, A.赫尔, C.克普纳, T.舒伦布格, A.森克, J.福尔克曼 申请人:大众汽车有限公司