Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Fahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine, mit einer Einrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus einem wärmeabgebenden Bauteil oder einer wärmeabgebenden Baugruppe, insbesondere einem Auslasssystem, wobei der Bauteil oder die Baugruppe an zumindest einen luftdurchströmten Raum grenzt, insbesondere zumindest teilweise von dem luftdurchströmten Raum umgeben ist, wobei zumindest ein Eintrittsbereich des luftdurchströmten Raumes mit einem Verdichter und zumindest ein Austrittsbereich mit einer Heißluftturbine strömungsverbunden ist.

Bei Renn- und Sportfahrzeuge werden Beschleunigungen, Verzögerungen und Kurvenbeschleunigungen erzielt, die den Wert von 1 g (= Erdbeschleunigung) erheblich überschreiten. Solche Werte sind nur möglich, wenn die Haftungsgrenzen zwischen den Reifen und der Fahrbahnoberfläche mit aerodynamischen Hilfsmitteln heraufgesetzt werden. Am Fahrzeugkörper wird starker Abtrieb erzeugt. Diesem Zweck dienen Frontflügel, Heckflügel und eine besondere Formgebung des eigentlichen Fahrzeugkörpers. Eine dominierende Rolle spielt dabei die Gestaltung des Fahrzeugunterbodens. Es wird angestrebt, die unter dem Fahrzeugboden strömende Luft so stark wie nur möglich zu beschleunigen. Je höher deren Geschwindigkeit, desto stärker ist nach dem Bernoullischen Gesetz deren Saugkraft und desto stärker ist der auf den Fahrzeugunterboden ausgeübte Abtrieb. Um eine möglichst starke Beschleunigung der Unterbodenluft zu erreichen, wird bei heutigen Rennfahrzeugen die kinetische Energie der Abgase herangezogen : Der Unterboden wird am Heck des Fahrzeugs nach oben gebogen und meist mit senkrechten aerodynamischen Luftleitblechen zur Seite hin abgeschirmt und eventuell noch in der Mitte unterteilt. Auf diese Weise entsteht für die Luft, die unter dem Fahrzeug entlang strömt, ein Diffusor. In diese Diffusor- zone werden die Enden der Auspuffrohre mit waagrechten nach hinten zielender Strahlrichtung eingeleitet. Die mit hoher Geschwindigkeit austretenden Abgase üben auf die Luft unter dem Unterboden eine Saugwirkung aus. Sie erhöhen deren Geschwindigkeit und damit deren Saugwirkung auf den Unterboden und somit den Abtrieb des Fahrzeugs.

Die DE 2 554 953 AI beschreibt eine Antriebseinheit für ein eine Brennkraftmaschine aufweisendes Fahrzeug mit einer Einrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrang, wobei ein Teil des Auslasssystems von einem Mantelraum umgeben ist, dessen Eintrittsbereich mit einem Verdichter und dessen Austrittsbereich mit einer Heißluftturbine strömungsverbunden ist. Der Ver- dichter ist mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. Die Heißluftturbine steht über ein Getriebe und eine Überholkupplung mit dem Differential des Fahrzeuges in mechanischer Verbindung. Nachteilig ist, dass zum Antrieb des Verdichters mechanische Leistung von der Kurbelwelle aufgebracht werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise eine effiziente Nutzung der Abwärme des Auslasssystems zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Verdichter mit der Heißluftturbine vorzugsweise über eine gemeinsame Welle antriebsverbunden ist.

Sowohl die Heißluftturbine, als auch der Verdichter, werden im wesentlichen nur von Luft - und nicht hauptsächlich etwa von Abgas - durchströmt. Somit ist in den meisten Fällen keine Strömungsverbindung zwischen Abgasströmungsweg und luftdurchströmtem Raum erforderlich.

Abhängig von der Konfiguration kann es aber auch durchaus vorteilhaft sein, wenn zwischen dem Auslasssystem und dem Raum zumindest eine vorzugsweise über ein Ventil steuerbare Strömungsverbindung, beispielsweise stromaufwärts einer Abgasturbine eines Abgasturboladers, angeordnet ist. Das steuerbare Ventil kann dabei etwa das Waste-Gate des Abgasturboladers ersetzen und zum Beispiel in Abhängigkeit des Ladedruckes betätigt werden. Somit kann über das Ventil in den luftdurchströmten Raum abgeblasenes Abgas noch zusätzlich zum Antrieb der Heißluftturbine genutzt werden.

Dadurch, dass der Verdichter direkt durch die Heißluftturbine angetrieben wird, ist keine zusätzliche Antriebsenergie für die Verdichtung der Luft erforderlich, welche durch den vorzugsweise als Mantelraum ausgebildeten Raum des Wärme abgebenden Bauteils strömt.

Der Bauteil oder die Baugruppe kann durch das Auslasssystem der Brennkraftmaschine gebildet sein. Die Wärme des Auslasssystems kann besonders effektiv genutzt werden, wenn das Auslasssystem zumindest einen von mindestens einem luftdurchströmten Raum umgebenen Abgaskrümmer und/oder zumindest einen von mindestens einem luftdurchströmten Raum umgebenen Abgaskanal im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine aufweist. Es ist aber auch möglich, dass der luftdurchströmte Raum Teil eines Wärmetauschers ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heißluftturbine vorzugsweise über eine gemeinsame Welle, mit einer elektrischen Maschine antriebsverbunden ist. Die nach Antrieb des Verdichters verbleibende restliche kinetische Energie der Heiß- luftturbine kann somit zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Heißluftturbine mit dem Antriebsstrang des Fahrzeuges mechanisch verbunden ist, wobei vorzugsweise die Heißluftturbine parallel zur Brennkraftmaschine und/oder parallel zu einer elektrischen Antriebsmaschine angeordnet sein kann.

Eine besonders effektive Nutzung der Wärmeenergie des Auslasssystems kann erfolgen, wenn die Heißluftturbine mehrflutig ausgebildet ist, wobei vorzugsweise zumindest zwei Fluten nacheinander durchströmbar sein können.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass im Strömungsweg zum Verdichter, vorzugsweise stromaufwärts einer Ansaugöffnung des Verdichters, ein Luft-/Wasserkühler und/oder ein Luft-/Öl- kühler angeordnet, wobei vorzugsweise die Ansaugöffnung der Heißluftturbine im Bereich der Kühlflächen des Luft-/Wasserkühlers oder Luft-/Ölkühlers so angeordnet ist, dass der Verdichter Luft durch die Kühlfläche ansaugt. Dadurch, dass der Verdichter die zu verdichtende Luft durch die Kühlflächen des Luft-/Wasser- kühlers oder des Luft-/Ölkühlers ansaugt können die Kühlflächen aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeiten wesentlich verringert werden. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung der Kühleinrichtungen. Gegebenenfalls kann durch Einsatz des durch die Heißgasturbine angetriebenen Verdichters auf einen Kühlerventilator verzichtet oder dieser zumindest wesentlich kleiner dimensioniert werden. Dies wirkt sich äußerst vorteilhaft auf den Raumbedarf, das Gewicht und den Energiehaushalt des Fahrzeuges aus.

Insbesondere bei Fahrzeugen mit aerodynamischen abtriebserhöhenden Einrichtungen, insbesondere bei Rennfahrzeugen, ist es von besonderem Vorteil, wenn zumindest eine Ansaugöffnung des zum Verdichter führenden Ansaugströmungs- weges im Bereich des Bodens des Fahrzeuges so angeordnet ist, dass Luft von der der Fahrbahn zugewandten Seite des Fahrzeugbodens ansaugbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Austrittsöffnung eines von der Heißluftturbine kommenden Austrittsströmungsweges im Bereich einer abtriebserhöhenden Einrichtung des Fahrzeuges angeordnet ist.

Somit kann der aus der Heißluftturbine ausströmende Volumenstrom genutzt werden, um zusätzlichen Abtrieb zu erzeugen. Die Ansaugöffnungen und/oder Austrittsöffnungen sind dabei so angeordnet, dass der entstehende Unterdruck bzw. Überdruck den Wirkungsgrad von aerodynamischen Bauteilen erhöht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die abtriebserhöhende Einrichtung durch einen Heckflügel gebildet ist, wobei vorzugsweise die Austrittsöffnung im Bereich der der Fahrbahn zugewandten Unter- seite des Heckflügels, eventuell im Bereich der Vorderkante des Heckflügels, angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die abtriebserhöhende Einrichtung durch einen vorzugsweise durch den Fahrzeugunterboden gebildeten Diffusor im Heckbereich des Fahrzeuges gebildet ist, wobei zumindest eine Austrittsöffnung im Bereich des Diffusors angeordnet sein kann. Dabei kann beispielsweise die Austrittsöffnung im Bereich eines Staupunktes an der der Fahrbahn abgewandten Seite des Diffusors angeordnet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine Austrittsöffnung auf der der Fahrbahn zugewandten Seite des Diffusors angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Austrittsöffnung in einem Anfangsbereich des Diffusors angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert: Es zeigen schematisch :

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Antriebseinheit in einer ersten Ausführungsvariante;

Fig. la das Detail Ia aus Fig. 1 einer Antriebseinheit in einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Antriebseinheit in einer weiteren Ausführungsvariante;

Fig. 3 bis Fig. 5 verschiedene Varianten für die Anordnung der Ansaugöffnung für den Verdichter;

Fig. 6 bis Fig. 9 verschiedene Varianten für die Anordnung der Austrittsöffnung des Verdichters;

Fig. 10 eine erfindungsgemäße Antriebseinheit mit parallelen Antriebsmaschinen; und

Fig. 11 eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit parallel geschalteten Antriebsmaschinen.

Die in den Figuren dargestellte Antriebseinheit 1 weist eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Einlasssystem 3 und einem Auslasssystem 4 auf, wobei im Ein- und Auslasssystem 3,4 eine Abgasturbine 5 angeordnet ist. Zur Rückgewinnung der Wärmeenergie aus dem Abgas ist eine Einrichtung 30 vorgesehen. Das Auslasssystem 4 ist dabei zumindest teilweise mit einem durch einen Mantelraum gebildeten luftdurchströmten Raum 6 umgeben, welcher bezüglich der Abgasströmung nach dem Gleich- oder Gegenstromprinzip von verdichteter Luft entsprechend den Pfeilen A durchströmt wird. Mit E ist die Abgasströmung und mit T die Einlassströmung angedeutet. Der Raum 6 weist einen Einlassbereich 7 und einen Auslassbereich 8 auf, wobei der Einlassbereich 7 mit einem Verdichter 9 und der Austrittsbereich 8 mit einer Heißluftturbine 10 strömungsverbunden ist. Die Heißluftturbine 10 ist dabei wellengleich mit dem Verdichter 9 angeordnet und treibt somit den Verdichter 9 an. Der Ansaugströmungsweg in den Verdichter 9 ist mit Bezugszeichen 11, der Austrittsströmungsweg aus der Heißluftturbine 10 mit Bezugszeichen 12 bezeichnet.

Über den Ansaugströmungsweg 11 wird durch den Verdichter 9 Umgebungsluft angesaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft gelangt über den Eintrittsbereich 7 in den Raum 6 und umströmt den ummantelten Bereich des Auslasssystems 4, zum Beispiel, nicht weiter dargestellte Abgasnachbehandlungseinrichtungen, die Abgasturbine des Abgasturboladers 5, sowie die Krümmer-Anordnung des Auslasssystems 4 im Gegenstromprinzip. Die erhitzte Luft verlässt den Raum 6 im Austrittsbereich 8 und gelangt zur Heißluftturbine 10, wobei unter Arbeitsverrichtung eine Entspannung der verdichteten Luft eintritt. Die Heißluftturbine 10 treibt dabei den Verdichter 9 an. Über den Austrittsströmungsweg 12 wird die entspannte Luft zumindest einer Austrittsöffnung 12a zugeführt.

Wie in Fig. 1 durch strichlierte Linien dargestellte ist, kann die Welle 13 des Verdichters 9 und der Heißluftturbine 10 mit einer elektrischen Maschine 14, welche an einen elektrischen Speicher 15 angeschlossen ist, antriebsverbunden sein, wodurch ein Teil der Wärmeenergie zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Weiters kann die elektrische Maschine 14 zum Hochfahren des Verdichters 9 verwendet werden.

Fig. la zeigt ein Detail einer Ausführungsvariante der Erfindung, bei der das Abgassystem 4 und der luftdurchströmte Raum 6 durch eine Strömungsverbindung 6a miteinander verbunden sind, wobei in der Strömungsverbindung 6a ein Ventil 6b angeordnet ist, welches beispielsweise in Abhängigkeit des Ladedruckes steuerbar sein kann. Das steuerbare Ventil 6b kann dabei die Funktionen eines Wastegate der Abgasturbine des Abgasturboladers übernehmen. Das Ventil 6b kann aber auch ein durch Differenzdruck betätigtes Rückschlagventil sein.

Neben der Stromerzeugung können Verdichter 9 und Heißluftturbine 10 auch zur Unterstützung der Kühlung von Kühlkreisläufen in Fahrzeug und/oder zur Generierung von zusätzlicher Abtriebskraft für das Fahrzeug eingesetzt werden, wie in den Fig. 2 bis Fig. 9 dargestellt ist.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführung ist die Ansaugöffnung I Ia des Verdichters 9 im Bereich eines Luft-/Wasserkühlers bzw. Luft-/Ölkühlers 16 angeordnet, wobei die Eintrittsöffnung I Ia nahe der Kühlfläche des Kühlers 16 so positioniert ist, dass der Verdichter 9 Luft durch den Kühler 16 ansaugt. Dies ermöglicht es, die Kühlfläche des Kühlers 16 wesentlich zu reduzieren und somit eine kompakte Bauweise zu realisieren. Weiters ist es möglich den Kühlerlüfter eines Luft-/Was- serkühlers bzw. Luft-/Ölkühlers 16 kleiner zu dimensionieren oder eventuell ganz durch den Verdichter 9 zu ersetzen.

Die Fig. 3 bis Fig. 5 zeigen Ausführungsvarianten, bei denen durch eine definierte Anordnung der Ansaugöffnung I Ia des Verdichters 9 eine Abtriebserhöhung des Fahrzeuges erreicht werden kann. Dabei ist schematisch ein Fahrzeug, beispielsweise ein Rennfahrzeug, angedeutet. Mit Bezugszeichen 17 sind die Vorderräder, mit Bezugszeichen 18 die Hinterräder des Fahrzeuges bezeichnet. Der in weiten Bereichen parallel zur Fahrbahn 20 ausgebildete Fahrzeugunterboden 19 weist im Bereich der Hinterräder 18 einen ansteigenden Bereich 19a auf, welcher einen sogenannten Diffusor 21 ausbildet. Dadurch, dass der Fahrzeugunterboden 19 am Heck des Fahrzeuges nach oben gebogen und eventuell mit senkrechten aerodynamischen Luftleitblechen zur Seite hin abgeschirmt ist, entsteht für die Luft, die unter dem Fahrzeug entlang strömt, ein Diffusor, welcher die Abtriebswirkung im restlichen Bereich des Fahrzeugunterbodens 19 erhöht. Zusätzliche Abtriebskräfte können generiert werden, wenn die Ansaugöffnung I Ia im Bereich des Diffusors 21 (Fig. 3), unterhalb des hinteren Fahrzeugunterbodens 19 (Fig. 4) und/oder unterhalb des vorderen Fahrzeugunterbodens 19 (Fig. 5) angeordnet ist. Mit den strichpunktierten Linien ist in Fig. 5 eine Variante angedeutet, bei der die Ansaugöffnung I Ia - in Fahrtrichtung des Fahrzeuges betrachtet - vor dem Fahrzeugunterboden 19 angeordnet ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass der Fahrzeugunterboden 19 nicht durchbrochen werden muss - es ist somit keine Durchtrittsöffnung im Fahrzeugunterboden 19 erforderlich.

Weiters kann der Abtrieb des Fahrzeuges durch gezielte Positionierung der Austrittsöffnung 12a des Austrittsströmungsweges 12 der Heißluftturbine 10 erhöht werden. Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der die Austrittsöffnung 12a unterhalb des vorderen Bereiches 22a des Heckflügels 22 angeordnet ist. Eine Abtriebserhöhung kann auch erreicht werden, wenn die Austrittöffnung 12a im Bereich des Staupunktes des Diffusors 21 (Fig. 7) oder innerhalb des Diffusors 21, beispielsweise im Anfangsbereich des Diffusors 21 (Fig. 8) oder in einem zentralen Bereich des Diffusors 21 (Fig. 9) angeordnet wird.

Insbesondere für die Erhöhung des Abtriebs des Fahrzeuges lässt sich die Kombination aus Verdichter 9 und Heißluftturbine 10 mit besonderem Vorteil einsetzen, da die Heißluftturbine 10 nur sehr träge auf Drehzahl - und Laständerungen der Brennkraftmaschine 2 reagiert. Während ein in konventioneller Weise durch die Abgasströmung induzierter Abtrieb stark von der Motordrehzahl abhängig ist, kann der durch die Heißluftturbine gestützte Abtrieb auch bei plötzlichen Drehzahlverminderungen der Brennkraftmaschine 2, insbesondere in Kurvenfahrten aufrecht erhalten werden. Dies verbessert wesentlich die Straßenlage und die Fahrsicherheit des Fahrzeuges.

Die Einrichtung 30 zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus dem Abgas kann weiters zum Antrieb des Fahrzeuges im Antriebsstrang parallel zur Brennkraftmaschine 2 und parallel zu einer elektrischen Antriebsmaschine 31 angeordnet sein, wie in den Fig. 10 und Fig. 11 dargestellt ist. Dabei wirken die Heißluftturbine 10 der Einrichtung 30, die Brennkraftmaschine 2 und die elektrische Antriebsmaschine 31 über eine oder mehrere Kupplungen 24, 25, 26, 27 und/oder über Übersetzungs- und/oder Planetengetriebe 29, 29a, 29b auf eine Antriebswelle 28 ein.