WO2011012441A1 - Drive device having an internal combustion engine and an expansion machine using the waste heat - Google Patents

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WO2011012441A1
WO2011012441A1 PCT/EP2010/060041 EP2010060041W WO2011012441A1 WO 2011012441 A1 WO2011012441 A1 WO 2011012441A1 EP 2010060041 W EP2010060041 W EP 2010060041W WO 2011012441 A1 WO2011012441 A1 WO 2011012441A1
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WO
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coupled
expansion machine
drive device
internal combustion
combustion engine
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PCT/EP2010/060041
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Inventor
Mark Mohr
Bernhard Sich
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine

Definitions

  • the invention relates to a drive device according to the preamble of patent claim 1.
  • DE 196 10 382 A1 shows a combination engine, which is formed from a conventional piston internal combustion engine and a piston steam engine, both of which act on a crankshaft, the crankshaft optionally consists of two interconnected via a transmission sections.
  • DE 100 54 022 A1 shows and describes a method for operating a heat engine, in which the shaft of an internal combustion engine, the waste heat for a relaxation device (expansion machine) is recovered, coupled to the shaft of the expansion device via a clutch and / or a reduction gear is.
  • a relaxation device expansion machine
  • DE 10 2006 036 122 A1 shows a drive device in which the usable work delivered by the expansion machine is fed directly to the crankshaft of the internal combustion engine.
  • DE 10 2007 052 169 A1 and DE 10 2007 052 1 17 A1 each relate to a drive train, in particular a vehicle drive train, in which the expansion engine is connected in each case via a hydrodynamic coupling, optionally with the interposition of freewheels, with the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the expansion engine is coupled or coupled directly to the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the crankshaft accesses to the crankshaft and separate coupling mechanisms must be created, which must generally take into account different optimal operating speeds of the internal combustion engine on the one hand and expansion engine on the other hand and the possibility of decoupling the expansion machine, for example, for the starting process of the internal combustion engine.
  • the present invention seeks to provide a drive device referred to in the preamble of claim 1, in which the expansion machine better integrated into this drive device and the overall arrangement is simplified and cheaper to produce.
  • the invention is based on the finding that a transmission arrangement arranged downstream of the internal combustion engine has a much more favorable constructive structure for the coupling of the expansion machine, since on the one hand it has several elements revolving in operation at different rotational speeds, so that several possibilities are available, for example for a fixed coupling
  • a manual transmission allows an interruption of the drive train, which makes it easy to decouple the expansion engine from the internal combustion engine at a coupling of the expansion machine behind the respective separation point.
  • the invention is based on a drive device with an internal combustion engine and an expansion machine which can be coupled or coupled to the drive train of the drive device, which is arranged in a closed steam cycle and whose working medium is vaporized by waste heat arising during operation of the internal combustion engine.
  • the expansion machine can be coupled or coupled to an element of a transmission arrangement arranged downstream of the internal combustion engine during operation of the drive device.
  • the free space in the area of the transmission is greater than in the area of the internal combustion engine, so that such an expansion machine can be arranged comparatively easily in the area of the transmission.
  • Another advantage may result from the fact that in an integration of the expansion engine in or on the transmission, the heat energy occurring in the transmission oil circuit relatively easily withdrawn and fed to the steam cycle, whereby a cooler for the transmission and possibly for a retarder can be made smaller.
  • the expansion machine is coupled via a fixed drive connection with constant translation with a rotating element of the transmission, that is usually with a transmission shaft. This allows a particularly simple structural design.
  • Another embodiment of the invention provides that the expansion machine is coupled via a fixed drive connection with variable translation with the rotating element.
  • Such an association Training can be realized, for example, with a known Schrägachsen- or swash plate hydraulic motor.
  • the expansion machine can be coupled via a clutch device with the rotating element of the transmission or decoupled from this element.
  • the clutch device may for example be a switchable at standstill claw clutch or the like, depending on a drive speed self-switching centrifugal clutch or overrunning clutch or engageable or disengageable during operation clutch, such as a friction clutch or a fluid coupling.
  • expansion machine can be coupled via a separate coupling gear with variable ratio with the rotating element of the transmission or decoupled from this element.
  • the expansion machine can also be coupled or coupled to a drive-side element or to an output-side element of the gear arrangement.
  • a further embodiment of the invention provides that the expansion machine can be coupled or coupled to the primary side or to the secondary side of a starting element assigned to the gear arrangement, for example a friction clutch or a fluid coupling.
  • the transmission arrangement is equipped with a power take-off (PTO), it is also possible to make the expansion machine with this power take-off coupled or to couple.
  • PTO power take-off
  • the heat exchanger heat loss from one or more of the following heat transfer medium is supplied: engine exhaust, engine oil, engine cooling water, transmission oil, hydraulic fluid work.
  • the invention further provides that the output of the expander energy is completely or partially fed to an energy storage, optionally after a conversion, for example, in electrical energy, rotational energy or pressure energy.
  • mechanical energy emitted by the expansion machine can be supplied to a heating and / or air conditioning system after a corresponding energy conversion.
  • the closed steam cycle generally comprises a heat exchanger (evaporator) arranged in front of the expansion machine to which heat loss is applied, a heat exchanger (condenser) arranged behind the expansion machine for liquefying the working medium and a feed pump arranged downstream thereof for conveying the liquid working medium into the evaporator.
  • this feed pump can be driven by an exhaust gas turbine operated by the exhaust gas of the internal combustion engine which extracts part of its useless kinetic energy from the exhaust gas.
  • Fig. 1 shows schematically a drive device with an internal combustion engine, a transmission arrangement associated therewith and a with the gear assembly coupled or coupled expansion machine, and
  • FIG. 2 schematically shows two examples of an arrangement by means of which the expansion machine can be coupled to a drive element associated with the starting element.
  • the drive device illustrated in FIG. 1 comprises a conventional piston internal combustion engine 2, which drives the drive wheels 8 via a downstream transmission arrangement 4 and an axle transmission 6.
  • the internal combustion engine 2 is equipped with a water cooling system comprising a radiator 10.
  • the radiator 10 may either be conventionally cooled by the airstream, but it may also supply the resulting heat extracted from the cooling water via a suitable connection line 12 for further use to a heat exchanger to be described below in which a working medium for operating an expansion machine is vaporized ,
  • the exhaust gases of the internal combustion engine 2 are supplied via exhaust pipes 14 and via a device 16 for exhaust gas aftertreatment (eg catalyst, soot particle filter) to a heat exchanger 18, which is a component of a closed steam cycle 20.
  • a working medium for example water
  • the steam drives an expansion machine 22 which can be coupled or coupled to an element of the gear arrangement 4 which rotates during operation of the drive device in the manner described further above and for example in FIG.
  • the expander machine 22 leaving working fluid is fed to a heat exchanger 24, in which the working fluid is condensed.
  • a feed pump 26 conveys the condensed working medium back into the heat exchanger 18.
  • the cooling medium cooling back to the heat exchanger 24 can form an open circuit.
  • the cooling medium leaving the heat exchanger 24 can also be supplied to the heat exchanger 18 for further use of its residual heat, as is not shown in detail.
  • the expansion machine 22 can also be coupled or coupled with the axle drive 6, for example, in order to bring its mechanical drive energy onto the drive wheels 8 in this way.
  • Fig. 2 shows in an image two ways to initiate the mechanical energy of an expansion machine 30 in the drive train of a drive device. In both cases, this initiation takes place via a switchable coupling 32 and a power take-off (PTO), which is drive-connected to the primary side of a starting arrangement of a gear arrangement, as will be explained in more detail below.
  • PTO power take-off
  • FIG. 2 shows schematically below a dash-dotted longitudinal gear axis 34 a fluid coupling or a hydrodynamic converter 36 with a prime-side pump wheel 38 connected to the drive motor, not shown, a secondary-side turbine wheel 42 connected to a transmission input shaft 40 and a stator 44.
  • a gear 46 On the impeller Integrated 38 is a gear 46, which drives a connected to a power take-off shaft 48 gear 50.
  • the gear 50 is also engaged with a gear 52 which is coupled via the clutch 32 with the expansion machine 30.
  • the mechanical energy of the expansion machine 30 can be introduced via the gears 52, 50, 46 in the primary side of serving as a starting element hydrodynamic transducer 36.
  • a friction clutch 54 with a primary-side clutch disk 56 connected to the internal combustion engine and a secondary-side clutch disk 58 connected to the transmission input shaft 40 are illustrated schematically above the transmission longitudinal axis 34.
  • the secondary-side clutch disc 58 can be coupled in an analogous manner via the toothed wheels 46 ', 50 and 52 as well as the shiftable clutch 32 with the expansion machine.

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Abstract

The invention relates to a drive device having an internal combustion engine (2) and an expansion machine (22, 30) that can be or is coupled to the drivetrain of the drive device and is disposed in a closed steam circuit, the working medium thereof being evaporated by the waste heat produced during the operation of the internal combustion engine (2). According to the invention, the expansion machine (22) can be or is coupled to an element of a transmission arrangement (4) connected downstream of the internal combustion engine (2), said element rotating during operation of the drive device. In this manner, the existing infrastructure of the transmission arrangement (4) is used for integrating the expansion machine (22), because a plurality of rotating transmission elements are available for coupling to the expansion machine. In a preferred embodiment, the expansion machine (30) is coupled by means of an engaging and disengaging clutch (32) and a gear pairing (52, 50) to an auxiliary output shaft (48) which is in turn connected to the primary side of a start-up element.

Description

Antriebseinrichtunq mit einem Verbrennungsmotor und einer eine Verlustwärme nutzenden Expansionsmaschine  Drive device with an internal combustion engine and a waste heat using expansion machine
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a drive device according to the preamble of patent claim 1.
Es ist allgemein bekannt, dass der thermische Wirkungsgrad eines herkömmlichen Verbrennungsmotors etwa 25 bis 30 % beträgt. Zur Kühlung der Verbrennungsräume müssen etwa 25 % der freigesetzten Energie abgeführt werden. Ein noch größerer Betrag von etwa 30 bis 35 % geht mit den Abgasen ungenutzt in die Atmosphäre. Man ist deshalb schon seit langer Zeit bemüht, zumindest einen Teil der oben genannten Verlustenergie zu nutzen und damit den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu verbessern. Eine schon seit langer Zeit praktizierte Maßnahme ist, zumindest einen Teil der in den Abgasen mitgeführten Energie zum Antrieb von Verdichtern für die angesaugte Verbrennungsluft zu nutzen. Trotzdem geht immer noch der weitaus größere Teil der eingesetzten Energie für die Umsetzung in Bewegungsenergie verloren. It is well known that the thermal efficiency of a conventional internal combustion engine is about 25 to 30%. To cool the combustion chambers about 25% of the released energy must be dissipated. An even greater amount of about 30 to 35% goes with the exhaust gases unused to the atmosphere. It has therefore long been endeavored to use at least a portion of the above-mentioned energy loss and thus to improve the efficiency of the internal combustion engine. A measure that has been practiced for a long time is to use at least some of the energy carried in the exhaust gases to drive compressors for the intake combustion air. Nevertheless, the far greater part of the energy used is still lost for the implementation in kinetic energy.
Insbesondere bei stationären Großmotoren ist es auch bereits bekannt, in mittels Abgasen beheizten Dampfkesseln Wasserdampf zu erzeugen, mit dem in Dampfturbinen elektrische Energie gewonnen wird. Durch weitere Ausnutzung der großen, im entspannten Wasserdampf verbleibenden Restenergie für Heizzwecke und Warmwasserversorgung wird auf diese Weise ein guter Gesamtwirkungsgrad erreicht. Einer Ausnutzung dieser Energieformen bei mittleren und kleineren Fahrzeugmotoren steht jedoch im Allgemeinen ein viel zu geringer Bedarf an elektrischer Energie und an Wärme beispielsweise für die Fahrzeugheizung entgegen. Particularly in the case of stationary large engines, it is also known to generate steam in steam boilers heated by means of exhaust gases, with which electrical energy is obtained in steam turbines. By further exploitation of the large, remaining in the relaxed water vapor residual energy for heating and hot water supply a good overall efficiency is achieved in this way. An exploitation of these forms of energy in medium and small vehicle engines, however, is generally a much too low demand for electrical energy and heat, for example, for the vehicle heating contrary.
Es sind auch bereits zahlreiche Konstruktionen bekannt geworden, bei denen eine Expansionsmaschine mit dem Antriebsstrang der Antriebseinrichtung koppelbar oder gekoppelt ist, so dass die mechanische Ausgangsleistung der Expansionsmaschine direkt zur Erhöhung der Gesamtausgangsleistung der Antriebseinrichtung genutzt werden kann. So zeigt die DE 196 10 382 A1 einen Kombimotor, welcher aus einem herkömmlichen Kolben-Verbrennungsmotor und einer Kolben-Dampfmaschine gebildet ist, die beide auf eine Kurbelwelle wirken, wobei die Kurbelwelle gegebenenfalls aus zwei über ein Getriebe miteinander verbundenen Abschnitten besteht. Numerous constructions are also already known in which an expansion machine can be coupled or coupled to the drive train of the drive device, so that the mechanical output power the expansion machine can be used directly to increase the total output power of the drive device. Thus, DE 196 10 382 A1 shows a combination engine, which is formed from a conventional piston internal combustion engine and a piston steam engine, both of which act on a crankshaft, the crankshaft optionally consists of two interconnected via a transmission sections.
Die DE 100 54 022 A1 zeigt und beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, bei der die Welle eines Verbrennungsmotors, dessen Abwärme für eine Entspannungsvorrichtung (Expansionsmaschine) zurück gewonnen wird, mit der Welle der Entspannungseinrichtung über eine Kupplung und/oder über ein Untersetzungsgetriebe gekoppelt ist. DE 100 54 022 A1 shows and describes a method for operating a heat engine, in which the shaft of an internal combustion engine, the waste heat for a relaxation device (expansion machine) is recovered, coupled to the shaft of the expansion device via a clutch and / or a reduction gear is.
Die DE 10 2006 036 122 A1 zeigt eine Antriebseinrichtung, bei der die von der Expansionsmaschine gelieferte nutzbare Arbeit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors direkt zugeführt wird. DE 10 2006 036 122 A1 shows a drive device in which the usable work delivered by the expansion machine is fed directly to the crankshaft of the internal combustion engine.
Die DE 10 2007 052 169 A1 und die DE 10 2007 052 1 17 A1 betreffen jeweils einen Antriebsstrang, insbesondere einen Fahrzeugantriebsstrang, bei denen die Expansionsmaschine jeweils über eine hydrodynamische Kupplung, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Freiläufen, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist. DE 10 2007 052 169 A1 and DE 10 2007 052 1 17 A1 each relate to a drive train, in particular a vehicle drive train, in which the expansion engine is connected in each case via a hydrodynamic coupling, optionally with the interposition of freewheels, with the crankshaft of the internal combustion engine.
In allen Fällen ist die Expansionsmaschine direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors koppelbar oder gekoppelt. Für diese Kopplung müssen Zugänge zur Kurbelwelle und gesonderte Kopplungsmechanismen geschaffen werden, die im allgemeinen auch unterschiedliche optimale Betriebsdrehzahlen von Verbrennungsmotor einerseits und Expansionsmaschine andererseits sowie die Möglichkeit berücksichtigen müssen, die Expansionsmaschine beispielsweise für den Anlassvorgang von dem Verbrennungsmotor abzukoppeln. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei der die Expansionsmaschine besser in diese Antriebseinrichtung integriert und die Gesamtanordnung damit vereinfacht sowie kostengünstiger herstellbar ist. In all cases, the expansion engine is coupled or coupled directly to the crankshaft of the internal combustion engine. For this coupling accesses to the crankshaft and separate coupling mechanisms must be created, which must generally take into account different optimal operating speeds of the internal combustion engine on the one hand and expansion engine on the other hand and the possibility of decoupling the expansion machine, for example, for the starting process of the internal combustion engine. Against this background, the present invention seeks to provide a drive device referred to in the preamble of claim 1, in which the expansion machine better integrated into this drive device and the overall arrangement is simplified and cheaper to produce.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1 , während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. The solution of this problem arises from the features of claim 1, while advantageous embodiments and modifications of the invention are the dependent claims.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine dem Verbrennungsmotor nachgeordnete Getriebeanordnung eine für die Ankopplung der Expansionsmaschine weitaus günstigere konstruktive Struktur aufweist, da dieses einerseits mehrere im Betrieb mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten umlaufende Elemente aufweist, so dass beispielsweise für eine feste Ankopplung mehrere Möglichkeiten zur Verfügung stehen, und da andererseits insbesondere ein Schaltgetriebe eine Unterbrechung des Antriebsstranges ermöglicht, die bei einer Ankopplung der Expansionsmaschine hinter der jeweiligen Trennstelle ohne weiteres eine Abkopplung der Expansionsmaschine von dem Verbrennungsmotor möglich macht. The invention is based on the finding that a transmission arrangement arranged downstream of the internal combustion engine has a much more favorable constructive structure for the coupling of the expansion machine, since on the one hand it has several elements revolving in operation at different rotational speeds, so that several possibilities are available, for example for a fixed coupling On the other hand, in particular, a manual transmission allows an interruption of the drive train, which makes it easy to decouple the expansion engine from the internal combustion engine at a coupling of the expansion machine behind the respective separation point.
Demnach geht die Erfindung aus von einer Antriebseinrichtung, mit einem Verbrennungsmotor und eine mit dem Antriebsstrang der Antriebseinrichtung koppelbare oder gekoppelte Expansionsmaschine, die in einem geschlossenen Dampfkreislauf angeordnet ist, und dessen Arbeitsmedium durch im Betrieb des Verbrennungsmotors anfallende Verlustwärme verdampft wird. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist dabei vorgesehen, dass die Expansionsmaschine mit einem im Betrieb der Antriebseinrichtung drehenden Element einer dem Verbrennungsmotor nachgeordneten Getriebeanordnung koppelbar bzw. gekoppelt ist. Durch diese Anordnung kann die vorhandene Infrastruktur des Getriebes zur Integration der Expansionsmaschine vorteilhaft genutzt werden. Insbesondere bei Nutzkraftfahrzeugen gibt es mit unterschiedlichen Nebenabtrieben (PTO = Power Take Off) vielfach baulich einfach nutzbare Integrationsmöglichkeiten, womit sich die Gesamteinrichtung vereinfachen, die Investitionskosten gering halten und die Amortisationsdauer verringern lassen kann. Accordingly, the invention is based on a drive device with an internal combustion engine and an expansion machine which can be coupled or coupled to the drive train of the drive device, which is arranged in a closed steam cycle and whose working medium is vaporized by waste heat arising during operation of the internal combustion engine. To achieve the object, it is provided that the expansion machine can be coupled or coupled to an element of a transmission arrangement arranged downstream of the internal combustion engine during operation of the drive device. By this arrangement, the existing infrastructure of the transmission for integrating the expansion machine can be used advantageously. Especially with commercial vehicles, there are many structurally easy-to-use integration options with different PTOs (Power Take Off), which simplifies the overall system, keeps the investment costs low and can reduce the amortization period.
Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass die Integration der Expansionsmaschine in bzw. an das Getriebe direkt bei dem Getriebehersteller vorgenommen werden kann, so dass der Fahrzeughersteller bzw. der Hersteller des Verbrennungsmotors hiervon entlastet ist. Another advantage is seen in the fact that the integration of the expansion machine in or to the transmission can be made directly at the transmission manufacturer, so that the vehicle manufacturer or the manufacturer of the internal combustion engine is relieved of this.
Außerdem ist insbesondere bei Nutzkraftfahrzeugen der freie Bauraum im Bereich des Getriebes größer als im Bereich des Verbrennungsmotors, so dass sich eine solche Expansionsmaschine im Bereich des Getriebes vergleichsweise leicht anordnen lässt. In addition, especially in commercial vehicles, the free space in the area of the transmission is greater than in the area of the internal combustion engine, so that such an expansion machine can be arranged comparatively easily in the area of the transmission.
Ein weiterer Vorteil kann sich daraus ergeben, dass bei einer Integration der Expansionsmaschine in oder an das Getriebe die im Getriebeölkreislauf auftretende Wärmeenergie verhältnismäßig einfach entzogen und dem Dampfkreislauf zugeführt werden kann, womit ein Kühler für das Getriebe und gegebenenfalls für einen Retarder kleiner ausgelegt werden kann. Another advantage may result from the fact that in an integration of the expansion engine in or on the transmission, the heat energy occurring in the transmission oil circuit relatively easily withdrawn and fed to the steam cycle, whereby a cooler for the transmission and possibly for a retarder can be made smaller.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Expansionsmaschine über eine feste Antriebsverbindung mit unveränderlicher Übersetzung mit einem drehenden Element des Getriebes, in der Regel also mit einer Getriebewelle, gekoppelt ist. Dies ermöglicht einen besonders einfachen konstruktiven Aufbau. According to one embodiment of the invention it is provided that the expansion machine is coupled via a fixed drive connection with constant translation with a rotating element of the transmission, that is usually with a transmission shaft. This allows a particularly simple structural design.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Expansionsmaschine über eine feste Antriebsverbindung mit veränderlicher Übersetzung mit dem drehenden Element gekoppelt ist. Eine derartige Anthebsverbin- dung lässt sich beispielsweise mit einem bekannten Schrägachsen- oder Schrägscheibenhydromotor verwirklichen. Another embodiment of the invention provides that the expansion machine is coupled via a fixed drive connection with variable translation with the rotating element. Such an association Training can be realized, for example, with a known Schrägachsen- or swash plate hydraulic motor.
In einer anderen Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung ist vorgesehen, dass die Expansionsmaschine über eine Schaltkupplungseinrichtung mit dem drehenden Element des Getriebes koppelbar bzw. von diesem Element abkoppelbar ist. Die Schaltkupplungseinrichtung kann beispielsweise eine im Stillstand schaltbare Klauenkupplung oder dergleichen, eine in Abhängigkeit von einer Antriebsdrehzahl selbst schaltende Fliehkraftkupplung bzw. Überholkupplung oder eine im Betrieb einrückbare bzw. ausrückbare Kupplung, wie beispielsweise eine Reibungskupplung oder eine Strömungskupplung sein. In another variant of the drive device according to the invention it is provided that the expansion machine can be coupled via a clutch device with the rotating element of the transmission or decoupled from this element. The clutch device may for example be a switchable at standstill claw clutch or the like, depending on a drive speed self-switching centrifugal clutch or overrunning clutch or engageable or disengageable during operation clutch, such as a friction clutch or a fluid coupling.
Eine besonders flexible Anpassung der Expansionsmaschine an den Verbrennungsmotor ergibt sich, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Expansionsmaschine über ein gesondertes Kopplungsgetriebe mit veränderlicher Übersetzung mit dem drehenden Element des Getriebes koppelbar bzw. von diesem Element abkoppelbar ist. A particularly flexible adaptation of the expansion engine to the internal combustion engine is obtained if according to a further embodiment of the invention, the expansion machine can be coupled via a separate coupling gear with variable ratio with the rotating element of the transmission or decoupled from this element.
Die Expansionsmaschine kann auch mit einem antriebsseitigen Element oder mit einem abtriebsseitigen Element der Getriebeanordnung koppelbar bzw. gekoppelt sein. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Expansionsmaschine mit der Primärseite oder mit der Sekundärseite eines der Getriebeanordnung zugeordneten Anfahrelementes, wie beispielsweise einer Reibungskupplung oder einer Strömungskupplung, koppelbar bzw. gekoppelt ist. The expansion machine can also be coupled or coupled to a drive-side element or to an output-side element of the gear arrangement. A further embodiment of the invention provides that the expansion machine can be coupled or coupled to the primary side or to the secondary side of a starting element assigned to the gear arrangement, for example a friction clutch or a fluid coupling.
Falls die Getriebeanordnung mit einem Nebenabtrieb (PTO) ausgestattet ist, so besteht auch die Möglichkeit, die Expansionsmaschine mit diesem Nebenabtrieb koppelbar zu machen bzw. zu koppeln. If the transmission arrangement is equipped with a power take-off (PTO), it is also possible to make the expansion machine with this power take-off coupled or to couple.
Um einen möglichst großen Anteil der Verlustwärme des Verbrennungsmotors zu nutzen, ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgese- hen, dass dem Wärmetauscher Verlustwärme von einem oder mehreren der folgenden Wärmeträger zugeleitet wird: Motorabgas, Motoröl, Motorkühlwasser, Getriebeöl, Arbeitshydrauliköl. In order to utilize the largest possible proportion of the heat loss of the internal combustion engine, according to one embodiment of the invention, provision is made for hen that the heat exchanger heat loss from one or more of the following heat transfer medium is supplied: engine exhaust, engine oil, engine cooling water, transmission oil, hydraulic fluid work.
Damit die Verlustwärme auch dann nicht verloren geht, wenn die Zusatzleistung der Expansionsmaschine nicht benötigt wird, sieht die Erfindung weiter vor, dass die von der Expansionsmaschine abgegebene Energie ganz oder teilweise einem Energiespeicher zuführbar ist, gegebenenfalls nach einer Umwandlung beispielsweise in elektrische Energie, Rotationsenergie oder Druckenergie. Thus, the loss of heat is not lost even if the additional power of the expansion machine is not needed, the invention further provides that the output of the expander energy is completely or partially fed to an energy storage, optionally after a conversion, for example, in electrical energy, rotational energy or pressure energy.
Insbesondere bei stationären Antriebsanlagen besteht häufig auch ein großer Bedarf an abführbarer Wärme für Wärmenutzer. Für diesen Fall ist vorgesehen, dass von Expansionsmaschine abgegebene mechanische Energie nach einer entsprechenden Energieumwandlung einer Heizungs- und/oder Klimaanlage zuführbar ist. Especially in stationary drive systems, there is often a great need for heat dissipated for heat users. For this case, it is provided that mechanical energy emitted by the expansion machine can be supplied to a heating and / or air conditioning system after a corresponding energy conversion.
Der geschlossene Dampfkreislauf umfasst im allgemeinen einen vor der Expansionsmaschine angeordneten Wärmetauscher (Verdampfer), dem Verlustwärme zugeführt wird, einen hinter der Expansionsmaschine angeordneten Wärmetauscher (Kondensator) zum Verflüssigen des Arbeitsmediums und eine diesem nachgeordnete Speisepumpe zum Befördern des flüssigen Arbeitsmediums in den Verdampfer. Dabei besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass diese Speisepumpe durch eine von dem Abgas des Verbrennungsmotors betriebene Abgasturbine, die dem Abgas einen Teil seiner nutzlosen Bewegungsenergie entzieht, antreibbar ist. The closed steam cycle generally comprises a heat exchanger (evaporator) arranged in front of the expansion machine to which heat loss is applied, a heat exchanger (condenser) arranged behind the expansion machine for liquefying the working medium and a feed pump arranged downstream thereof for conveying the liquid working medium into the evaporator. According to the invention, there is the possibility that this feed pump can be driven by an exhaust gas turbine operated by the exhaust gas of the internal combustion engine which extracts part of its useless kinetic energy from the exhaust gas.
Die Erfindung lässt sich anhand mehrerer Ausführungsbeispiele weiter erläutern. Dazu ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt The invention can be further explained with reference to several embodiments. For this purpose, the description is accompanied by a drawing. In this shows
Fig. 1 schematisch eine Antriebseinrichtung mit einem Verbrennungsmotor, einer diesem zugeordneten Getriebeanordnung und einer mit der Getriebeanordnung gekoppelten bzw. koppelbaren Expansionsmaschine, und Fig. 1 shows schematically a drive device with an internal combustion engine, a transmission arrangement associated therewith and a with the gear assembly coupled or coupled expansion machine, and
Fig. 2 schematisch zwei Beispiele für eine Anordnung, mittels der die Expansionsmaschine mit einem dem Antriebsmotor zugeordneten Anfahrelement koppelbar ist. 2 schematically shows two examples of an arrangement by means of which the expansion machine can be coupled to a drive element associated with the starting element.
Die in Fig. 1 dargestellte Antriebseinrichtung umfasst einen herkömmlichen Kolben-Verbrennungsmotor 2, welcher über eine nachgeordnete Getriebeanordnung 4 und ein Achsgetriebe 6 die Antriebsräder 8 antreibt. The drive device illustrated in FIG. 1 comprises a conventional piston internal combustion engine 2, which drives the drive wheels 8 via a downstream transmission arrangement 4 and an axle transmission 6.
Der Verbrennungsmotor 2 ist mit einer Wasserkühlung ausgestattet, die einen Kühler 10 umfasst. Der Kühler 10 kann entweder in herkömmlicher Weise durch den Fahrtwind gekühlt werden, er kann jedoch auch die anfallende, dem Kühlwasser entzogene Wärme über eine geeignete Verbindungsleitung 12 zur weiteren Nutzung einem nachstehend zu beschreibenden Wärmetauscher zuführen, in welchem ein Arbeitsmedium zum Betreiben einer Expansionsmaschine verdampft wird. The internal combustion engine 2 is equipped with a water cooling system comprising a radiator 10. The radiator 10 may either be conventionally cooled by the airstream, but it may also supply the resulting heat extracted from the cooling water via a suitable connection line 12 for further use to a heat exchanger to be described below in which a working medium for operating an expansion machine is vaporized ,
Die Abgase des Verbrennungsmotors 2 werden über Abgasleitungen 14 und über eine Einrichtung 16 zur Abgasnachbehandlung (z.B. Katalysator, Rußpartikelfilter) einem Wärmetauscher 18 zugeführt, welcher ein Bestandteil eines geschlossenen Dampfkreislaufes 20 ist. In dem Wärmetauscher 18 wird durch die dem Abgas entzogene Wärme (und gegebenenfalls die dem Kühler 10 entzogene Wärme) ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser verdampft. Der Dampf treibt eine Expansionsmaschine 22 an, die mit einem im Betrieb der Antriebseinrichtung drehenden Element der Getriebeanordnung 4 in der weiter vorne und beispielsweise in Fig. 2 beschriebenen Weise koppelbar oder gekoppelt ist. Das die Expansionsmaschine 22 verlassende Arbeitsmedium wird einem Wärmetauscher 24 zugeführt, in welchem das Arbeitsmedium kondensiert wird. Eine Speisepumpe 26 fördert das kondensierte Arbeitsmedium wieder in den Wärmetauscher 18 zurück. The exhaust gases of the internal combustion engine 2 are supplied via exhaust pipes 14 and via a device 16 for exhaust gas aftertreatment (eg catalyst, soot particle filter) to a heat exchanger 18, which is a component of a closed steam cycle 20. In the heat exchanger 18, a working medium, for example water, is vaporized by the heat removed from the exhaust gas (and possibly the heat removed from the radiator 10). The steam drives an expansion machine 22 which can be coupled or coupled to an element of the gear arrangement 4 which rotates during operation of the drive device in the manner described further above and for example in FIG. The expander machine 22 leaving working fluid is fed to a heat exchanger 24, in which the working fluid is condensed. A feed pump 26 conveys the condensed working medium back into the heat exchanger 18.
Wie die Fig. 1 erkennen lässt, kann das zu dem Wärmetauscher 24 rückkühlende Kühlmedium einen offenen Kreislauf bilden. Das den Wärmetauscher 24 verlassende Kühlmedium kann jedoch auch zur weiteren Nutzung seiner Restwärme dem Wärmetauscher 18 zugeführt werden, wie nicht näher dargestellt ist. As can be seen from FIG. 1, the cooling medium cooling back to the heat exchanger 24 can form an open circuit. However, the cooling medium leaving the heat exchanger 24 can also be supplied to the heat exchanger 18 for further use of its residual heat, as is not shown in detail.
Wie in der Fig. 1 weiter durch eine strichpunktierte Linie 28 angedeutet ist, kann die Expansionsmaschine 22 beispielsweise auch mit dem Achsgetriebe 6 koppelbar bzw. gekoppelt sein, um seine mechanische Antriebsenergie auf diesem Weg auf die Antriebsräder 8 zu bringen. As is further indicated in FIG. 1 by a dot-dash line 28, the expansion machine 22 can also be coupled or coupled with the axle drive 6, for example, in order to bring its mechanical drive energy onto the drive wheels 8 in this way.
Fig. 2 zeigt in einer Abbildung zwei Möglichkeiten, die mechanische Energie einer Expansionsmaschine 30 in den Antriebsstrang einer Antriebseinrichtung einzuleiten. In beiden Fällen erfolgt diese Einleitung über eine schaltbare Kupplung 32 und einen mit der Primärseite eines einer Getriebeanordnung zugeordneten Anfahrelementes antriebsverbundenen Nebenabtrieb (PTO), wie im folgenden näher erläutert wird. Fig. 2 shows in an image two ways to initiate the mechanical energy of an expansion machine 30 in the drive train of a drive device. In both cases, this initiation takes place via a switchable coupling 32 and a power take-off (PTO), which is drive-connected to the primary side of a starting arrangement of a gear arrangement, as will be explained in more detail below.
Die Fig. 2 zeigt unterhalb einer strichpunktierten Getriebelängsachse 34 schematisch eine Strömungskupplung bzw. einen hydrodynamischen Wandler 36 mit einem mit dem nicht dargestellten Antriebsmotor verbundenen primärsei- tigen Pumpenrad 38, einem mit einer Getriebeeingangswelle 40 verbundenen sekundärseitigen Turbinenrad 42 und einem Leitrad 44. An dem Pumpenrad 38 integriert ist ein Zahnrad 46, welches ein mit einer Nebenabtriebswelle 48 verbundenes Zahnrad 50 antreibt. Das Zahnrad 50 ist außerdem im Eingriff mit einem Zahnrad 52, welches über die Kupplung 32 mit der Expansionsmaschine 30 koppelbar ist. Die mechanische Energie der Expansionsmaschine 30 kann so über die Zahnräder 52, 50, 46 in die Primärseite des als Anfahrelement dienenden hydrodynamischen Wandlers 36 eingeleitet werden. FIG. 2 shows schematically below a dash-dotted longitudinal gear axis 34 a fluid coupling or a hydrodynamic converter 36 with a prime-side pump wheel 38 connected to the drive motor, not shown, a secondary-side turbine wheel 42 connected to a transmission input shaft 40 and a stator 44. On the impeller Integrated 38 is a gear 46, which drives a connected to a power take-off shaft 48 gear 50. The gear 50 is also engaged with a gear 52 which is coupled via the clutch 32 with the expansion machine 30. The mechanical energy of the expansion machine 30 can be introduced via the gears 52, 50, 46 in the primary side of serving as a starting element hydrodynamic transducer 36.
Als zweite Variante ist oberhalb der Getriebelängsachse 34 schematisch eine Reibungskupplung 54 mit einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen primärseitigen Kupplungsscheibe 56 und einer mit der Getriebeeingangswelle 40 verbundenen sekundärseitigen Kupplungsscheibe 58 dargestellt. Die se- kundärseitige Kupplungsscheibe 58 ist in analoger Weise über die Zahnräder 46', 50 und 52 sowie die schaltbare Kupplung 32 mit der Expansionsmaschine koppelbar. As a second variant, a friction clutch 54 with a primary-side clutch disk 56 connected to the internal combustion engine and a secondary-side clutch disk 58 connected to the transmission input shaft 40 are illustrated schematically above the transmission longitudinal axis 34. The secondary-side clutch disc 58 can be coupled in an analogous manner via the toothed wheels 46 ', 50 and 52 as well as the shiftable clutch 32 with the expansion machine.
Bezuqszeichen REFERENCE CHARACTERS
Kolben-Verbrennungsmotor Piston engine
Getriebeanordnung  transmission assembly
Achsgetriebe  transaxles
Antriebsräder  drive wheels
Kühler  cooler
Verbindungsleitung  connecting line
Abgasleitung  exhaust pipe
Einrichtung zur Abgasnachbehandlung  Device for exhaust aftertreatment
Wärmetauscher  heat exchangers
Geschlossener Dampfkreislauf  Closed steam cycle
Expansionsmaschine  expander
Wärmetauscher  heat exchangers
Speisepumpe  feed pump
Antriebspfad Expansionsmaschine-Achsgetriebe Drive path expansion machine axle drive
Expansionsmaschine expander
Schaltbare Kupplung  Switchable coupling
Getriebelängsachse  transmission longitudinal axis
Hydrodynamischer Wandler  Hydrodynamic converter
Pumpenrad  impeller
Getriebeeingangswelle  Transmission input shaft
Turbinenrad  turbine
Leitrad  stator
Zahnrad  gear
Zahnrad  gear
Nebenabtriebswelle  PTO shaft
Zahnrad  gear
Zahnrad  gear
Reibungskupplung  friction clutch
Primärseitige Kupplungsscheibe  Primary clutch disc
Sekundärseitige Kupplungsscheibe  Secondary clutch disc

Claims

Patentansprüche claims
1. Antriebseinrichtung, mit einem Verbrennungsmotor (2) und eine mit dem Antriebsstrang der Antriebseinrichtung koppelbare oder gekoppelte Expansionsmaschine (22, 30), die in einem geschlossenen Dampfkreislauf angeordnet ist, und dessen Arbeitsmedium durch im Betrieb des Verbrennungsmotors (2) anfallende Verlustwärme verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (22) mit einem im Betrieb der Antriebseinrichtung drehenden Element einer dem Verbrennungsmotor (2) nachgeordneten Getriebeanordnung (4) koppelbar bzw. gekoppelt ist. 1. Drive device, with an internal combustion engine (2) and with the drive train of the drive means coupled or coupled expansion machine (22, 30) which is arranged in a closed steam cycle, and the working medium is vaporized by in the operation of the internal combustion engine (2) resulting heat loss , characterized in that the expansion machine (22) with a rotating during operation of the drive means element of the internal combustion engine (2) downstream transmission arrangement (4) is coupled or coupled.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (22) über eine feste Antriebsverbindung mit unveränderlicher Übersetzung mit dem drehenden Element der Getriebeanordnung (4) gekoppelt ist. 2. Drive device according to claim 1, characterized in that the expansion machine (22) via a fixed drive connection with fixed translation with the rotating element of the gear assembly (4) is coupled.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (22) über eine feste Antriebsverbindung mit veränderlicher Übersetzung mit dem drehenden Element der Getriebeanordnung (4) gekoppelt ist. 3. Drive device according to claim 1, characterized in that the expansion machine (22) via a fixed drive connection with variable transmission with the rotating element of the gear assembly (4) is coupled.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (22) über eine Schaltkupplungseinrichtung mit dem drehenden Element der Getriebeanordnung (4) koppelbar bzw. von dem Element abkoppelbar ist. 4. Drive device according to claim 1, characterized in that the expansion machine (22) via a clutch device with the rotating element of the transmission arrangement (4) can be coupled or decoupled from the element.
5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (22) über ein gesondertes Kopplungsgetriebe mit veränderlicher Übersetzung mit dem drehenden Element der Getriebeanordnung (4) koppelbar bzw. von dem Element abkoppelbar ist. 5. Drive device according to claim 1, characterized in that the expansion machine (22) via a separate coupling gear with variable ratio with the rotating element of the gear assembly (4) coupled or can be decoupled from the element.
6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine mit einem antriebsseitigen Element der Getriebeanordnung (4) koppelbar bzw. gekoppelt ist. 6. Drive device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the expansion machine with a drive-side element of the gear arrangement (4) can be coupled or coupled.
7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (22) mit einem abtriebsseitigen Element der Getriebeanordnung (4) koppelbar bzw. gekoppelt ist. 7. Drive device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the expansion machine (22) with a driven-side element of the gear arrangement (4) can be coupled or coupled.
8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (30) mit der Primärseite eines der Getriebeanordnung zugeordneten Anfahrelementes koppelbar bzw. gekoppelt ist. 8. Drive device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the expansion machine (30) can be coupled or coupled to the primary side of the starting arrangement associated with the gear arrangement.
9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine mit der Sekundärseite eines der Getriebeanordnung zugeordneten Anfahrelementes koppelbar bzw. gekoppelt ist. 9. Drive device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the expansion machine can be coupled or coupled to the secondary side of the transmission arrangement associated starting element.
10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine mit einem Nebenabtrieb (PTO) der Getriebeanordnung koppelbar bzw. gekoppelt ist. 10. Drive device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the expansion machine with a power take-off (PTO) of the gear assembly is coupled or coupled.
1 1. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (18) Verlustwärme von einem oder mehreren der folgenden Wärmeträger zugeleitet wird: Motorabgas, Motoröl, Motorkühlwasser, Getriebeöl, Arbeitshydrauliköl. 1 1. Drive device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the heat exchanger (18) heat loss from one or more of the following heat transfer medium is supplied: engine exhaust, engine oil, engine cooling water, transmission oil, hydraulic fluid.
12. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionsmaschine (22, 30) abgegebene Energie ganz oder teilweise einem Energiespeicher zuführbar ist. 12. Drive device according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the of the expansion machine (22, 30) output energy is wholly or partially fed to an energy store.
13. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionsmaschine (22, 30) abgegebene Energie nach einer Energieumwandlung einer Heizungs- und/oder Klimaanlage zuführbar ist. 13. Drive device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the output from the expansion machine (22, 30) energy can be supplied after an energy conversion of a heating and / or air conditioning.
14. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisepumpe des Dampfkreislaufes durch eine Ab- gasturbine des Verbrennungsmotors (2) antreibbar ist. 14. Drive device according to one of claims 1 to 13, characterized in that a feed pump of the steam cycle by a exhaust gas turbine of the internal combustion engine (2) can be driven.
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