AT14131U1 - Turbo Compound-Brennkraftmaschine - Google Patents

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AT14131U1
AT14131U1 ATGM8054/2014U AT80542014U AT14131U1 AT 14131 U1 AT14131 U1 AT 14131U1 AT 80542014 U AT80542014 U AT 80542014U AT 14131 U1 AT14131 U1 AT 14131U1
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Austria
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internal combustion
combustion engine
gas turbine
turbo
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ATGM8054/2014U
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Thomas Dipl Ing Fh Wagner
Josef Dr Wolkerstorfer
Helmut Dipl Ing Theissl
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Avl List Gmbh
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/10—Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
    • 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
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    • 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
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    • F01K23/10—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 with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) mit zumindest einem Abgasstrang (3), in welchem zumindest eine erste Abgasturbine (5) eines Abgasturboladers (6) und eine über einen Antriebsstrang (1) mit einem mechanischen oder hydraulischen Getriebe (7) mit der Kurbelwelle (8) der Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) verbundene zweite Abgasturbine (9), wobei vorzugsweise die zweite Abgasturbine (9) im Abgasstrang (3) stromabwärts der ersten Abgasturbine (5) angeordnet ist. Um den Kraftstoffverbrauch und den Wirkungsgrad zu verbessern ist vorgesehen, dass ein vorzugsweise durch eine Dampfturbine gebildeter Expander (17) einer Abwärmerückgewinnungseinrichtung (13) mit der Kurbelwelle (8) der Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) antriebsverbunden ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Turbo Compound-Brennkraftmaschine mit zumindest einemAbgasstrang, in welchem zumindest eine erste Abgasturbine eines Abgasturboladers und eineüber einen Antriebsstrang mit einem mechanischen oder hydraulischen Getriebe mit der Kur¬belwelle der Turbo Compound-Brennkraftmaschine verbundene zweite Abgasturbine, wobeivorzugsweise die zweite Abgasturbine im Abgasstrang stromabwärts der ersten Abgasturbineangeordnet ist.
[0002] Bei einer Turbo Compound-Brennkraftmaschine handelt es sich um eine Brennkraftma¬schine, bei der die Energie der Abgase außer durch die Abgasturbine eines Abgasturboladersauch durch eine nachgeschaltete zusätzliche Abgasturbine verwertet wird. Beim Öffnen derAuslassventile hat das Abgas einen höheren Druck als die Umgebungsluft; bei einem nichtaufgeladenen Motor entweicht dieser Druck ungenutzt. Bei einem Turbomotor wird ein Teildieses Druckgefälles zum Antrieb eines Abgasturboladers genutzt, der mit dieser Energie dieLuft im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine komprimiert. Bei einer Turbo-Compound-Brenn-kraftmaschine wird das Abgas über eine weitere Turbine entspannt, welche die Energie überein mechanisches oder hydraulisches Getriebe mit einer Untersetzung von etwa 20:1 bis 30:1auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, was unter optimalen Bedingungen zu einer Erhö¬hung des Wirkungsgrades des Motors führt.
[0003] Am effektivsten lassen sich Turbo-Compound-Systeme in Maschinen einsetzen, dielängere Zeit konstant in hohen Lastbereichen arbeiten, wie zum Beispiel Schiffsmotoren oderStationärmotoren. Das Verbrauchsreduktionsvermögen einer stationären Compound-Maschinegegenüber dem reinen Abgasturboladermortor beträgt unter den günstigsten Bedingungen etwafünf bis sieben Prozent.
[0004] Die Veröffentlichungen WO 2012/087873 A2 und JP 62-085123 A offenbaren TurboCompound-Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine und einer ersten Abgasturbine, wel¬che über ein Getriebe mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mechanisch verbunden ist.
[0005] Weiters ist aus der DE 10 2009 044 778 A1 bekannt, zur Erhöhung des thermischenWirkungsgrades die Abwärme aus dem Abgas einem Nachschaltprozess zuzuführen und mit¬tels einer Expansionseinrichtung in elektrische Energie oder in mechanische Energie zur Unter¬stützung des Antriebes der Kurbelwelle umzuwandeln.
[0006] Es ist die Aufgabe der Erfindung bei einer Turbo Compound-Brennkraftmaschine dereingangs genannten Art eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades und eine weitereReduzierung des Kraftstoffverbrauches zu ermöglichen.
[0007] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein vorzugsweise durch eine Dampf¬turbine gebildeter Expander einer Abwärmerückgewinnungseinrichtung mit der Kurbelwelle derTurbo Compound-Brennkraftmaschine antriebsverbunden ist.
[0008] Während die zweite Abgasturbine vor allem im Volllastbereich der Turbo Compound-Brennkraftmaschine eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches ermöglicht, kann durch denExpander speziell im mittleren Lastbereich der Turbo Compound-Brennkraftmaschine der Kraft¬stoffverbrauch verbessert werden.
[0009] Durch die Kombination der Turbo-Compound-Brennkraftmaschine mit einer Abwärme¬rückgewinnungseinrichtung kann somit in einem weiten Betriebsbereich der Turbo Compound-Brennkraftmaschine ein besserer Wirkungsgrad und ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch erzieltwerden.
[0010] Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die zweite Abgasturbine und der Expander imAntriebsstrang parallel angeordnet sind. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass diezweite Abgasturbine und der Expander im Antriebsstrang seriell angeordnet sind, wobei vor¬zugsweise der Expander der zweiten Abgasturbine antriebsmäßig nachgeschaltet ist.
[0011] In einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Abgasturbine eine Abgasturbinenabtriebswelle und der Expander eine Expanderab¬triebswelle aufweist, wobei Abgasturbinenabtriebswelle und Expanderabtriebswelle parallel,vorzugsweise koaxial angeordnet sind. Eine Reduzierung von Bauteilen und Bauraum kannermöglicht werden, wenn die zweite Abgasturbine und der Expander eine gemeinsame Ab¬triebswelle aufweisen.
[0012] Weiters kann der konstruktive und bauliche Aufwand sehr klein gehalten werden, wenndie zweite Abgasturbine und der Expander über dasselbe hydraulische oder mechanischeGetriebe mit der Kurbelwelle der Turbo Compound- Brennkraftmaschine verbunden sind.
[0013] Durch die Verwendung desselben mechanischen Getriebes reduzieren sich ebenso dieAnzahl der Motorkomponenten und somit auch die Herstellkosten.
[0014] Die Abwärmerückgewinnungseinrichtung weist bevorzugt einen Nachschaltprozess,beispielsweise einen Wasser oder Ammoniak als Arbeitsmedium verwendenden Clausius-Rankine-Kreisprozess oder einen mit einer organischen Flüssigkeit mit niedriger Verdampfungs¬temperatur arbeitenden Organic Rankine Kreisprozess auf.
[0015] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
[0016] Es zeigen schematisch [0017] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Turbo Compound-Brennkraftmaschine in einer ersten
Ausführungsvariante, [0018] Fig. 2 eine erfindungsgemäße Turbo Compound-Brennkraftmaschine in einer zweiten
Ausführungsvariante und [0019] Fig. 3 eine erfindungsgemäße Turbo Compound-Brennkraftmaschine in einer dritten
Ausführungsvariante.
[0020] Die Figuren zeigen jeweils ein Turbo Compound-Brennkraftmaschine 2 mit einem Aus¬lasssystem E mit zumindest einem Abgasstrang 3 und einem Einlasssystem I mit zumindesteinen Einlassstrang 4. Im Abgasstrang 3 ist eine erste Abgasturbine 5 eines Abgasturboladers6 und stromabwärts dieser eine zweite Abgasturbine 9 angeordnet, deren Abtriebswelle 10 übereinen Antriebsstrang 1, welcher ein Getriebe 7 aufweist, mit der Kurbelwelle 8 der Turbo Com¬pound- Brennkraftmaschine 2 mechanisch in Verbindung steht. Das Getriebe 7 kann mechani¬scher oder hydraulischer Art, und vorzugsweise als Untersetzungsgetriebe ausgebildet sein, umim Antriebsstrang 1 die relativ hohe Drehzahl der zweiten Abgasturbine 9 an die Drehzahl derKurbelwelle 8 anzupassen. Unter der Bezeichnung Antriebsstrang 1 ist hier der Antriebswegzwischen der zweiten Abgasturbine 9 bzw. dem Expander 17 und der Kurbelwelle 8 für denzusätzlichen Antrieb der Kurbelwelle 8 unter Nutzung der Abgas- bzw. Abwärmeenergie zuverstehen.
[0021] Der im Einlassstrang 4 angeordnete Verdichter des Abgasturboladers 6 ist mit Bezugs¬zeichen 11 bezeichnet. In den Einlassstrang 4 mündet in den Ausführungsbeispielen eine Ab¬gasrückführleitung 12 ein.
[0022] Die Turbo Compound-Brennkraftmaschine 2 weist weiters ein nach dem Rankine- Pro¬zess arbeitendes Abwärmerückgewinnungssystem 13 auf, welches einen Nachschaltprozess 14aufweist. Der Nachschaltprozess 14 arbeitet beispielsweise nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess oder dem Organic Rankine Kreisprozess und weist eine Pumpe 15, einen Ver¬dampfer 16, einen Expander 17 und einen Kondensator 18 auf. Im Verdampfer 16 kann dieAbwärme der Turbo Compound- Brennkraftmaschine 2, des Abgasstranges 3, der ersten Ab¬gasturbine 5 oder zweiten Abgasturbine 9, oder anderer Komponenten des Auslasssystems Eeingespeist werden.
[0023] Der Expander 17 wird vorteilhaft durch eine Dampfturbine gebildet. Aufgrund der hohenDrehzahl der Dampfturbine wird vorteilhaft ein Untersetzungsgetriebe verwendet.
[0024] Im Nachschaltprozess 14 findet im Verdampfer 16 eine isobare Wärmezufuhr statt,wobei das Arbeitsmedium - beispielsweise Wasser, Ammoniak oder eine organische Flüssigkeit mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur - verdampft und überhitzt wird. Im Expander 17findet eine adiabate Expansion des verdampften Arbeitsmediums unter Abgabe von mechani¬scher Energie statt. Im Kondensator 18 erfolgt eine isobare Kondensation des Dampfes durchKühlung mittels eines Kühlkreislaufes 19. Durch die Pumpe 15 wird das Kondensat unter adia-bater Druckerhöhung wieder dem Verdampfer 16 zugeführt.
[0025] In jeder der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsvarianten wirkt der Expan¬der 17 im Antriebsstrang 1 auf dasselbe Getriebe 7 - beispielsweise ein mechanisches Unter¬setzungsgetriebe - ein, wie die zweite Abgasturbine 9. Dadurch kann der konstruktive undbauliche Aufwand sehr klein gehalten werden.
[0026] In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 weist das Getriebe 7 eine erste Unterset¬zungsstufe 22 zwischen den Abtriebswellen 10, 20 bzw. 21 und der Getriebewelle 24 des Ge¬triebes 7, sowie eine zweite Untersetzungsstufe 23 zwischen der Getriebewelle 24 und derKurbelwelle 8 auf. Optional kann zwischen der ersten Untersetzungsstufe 22 und der zweitenUntersetzungsstufe 23 ein nicht dargestellter Drehmomentwandler zum Ausgleich von Dreh¬momentschwankungen angeordnet sein.
[0027] Wesentlich für die Erfindung - sowohl für eine parallele als auch serielle Anordnung - ist,dass die Leistungsflüsse des Expanders 17 und der zweiten Abgasturbine 9 vor der Kurbelwelle8, besonders vorteilhaft vor dem Drehmomentwandler, zusammengeführt werden.
[0028] Zwischen der ersten Abgasturbine 5 und dem Untersetzungsgetriebe 7 und/oder zwi¬schen der Abwärmerückgewinnungsturbine 17 und dem Untersetzungsgetriebe 7 kann jeweilszumindest eine nicht weiter dargestellte schaltbare Wellenkupplung angeordnet sein, mit wel¬cher der Antriebsstrang 1 zwischen zweiter Abgasturbine 9 und Kurbelwelle 8 bzw. Expander17 und Kurbelwelle 8 unterbrochen werden kann.
[0029] Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten wirken die zweite Ab¬gasturbine 9 und der Expander 17 im Antriebsstrang 1 parallel auf das Untersetzungsgetriebe 7ein.
[0030] In Fig. 1 weist der Expander 17 eine eigene Expanderabtriebswelle 20 auf, wobei dieAbgasturbinenabtriebswelle 10 der zweiten Abgasturbine 9 auf ein erstes Abtriebszahnrad 10aund die Expanderabtriebswelle 20 auf ein zweites Abtriebszahnrad 20a einwirkt. Beide Ab¬triebszahnräder 10a und 20a sind mit einem Getriebezahnrad 7a des Getriebes 7 im Zahnein¬griff. Die Abtriebswellen 10 und 20 sind im Antriebsstrang 1 parallel, im in Fig. 1 dargestelltenAusführungsbeispiel koaxial, angeordnet, und wirken somit mechanisch parallel bzw. nebenei¬nander auf das Getriebe 7 ein.
[0031] Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung weisen die zweite Abgasturbine 9 und derExpander 17 eine gemeinsame Abtriebswelle 21 auf, welche über ein Abtriebszahnrad 21 a aufdas Getriebezahnrad 7a einwirkt.
[0032] Die in Fig. 3 dargestellte Ausführung unterscheidet sich von Fig. 1 und Fig. 2 dadurch,dass die zweite Abgasturbine 9 und der Expander 17 mechanisch seriell bzw. hintereinanderangeordnet sind. Die Abgasturbinenabtriebswelle 10 der zweiten Abgasturbine 9 und die Ex¬panderabtriebswelle 20 des Expanders 17 sind parallel und mit Abstand zueinander angeord¬net. Das erste Abtriebszahnrad 10a der Abgasturbinenabtriebswelle 10 der zweiten Abgasturbi¬ne 9 ist dabei mit dem zweiten Abtriebszahnrad 20a der Expanderabtriebswelle 20 des Expan¬ders 17 im kämmenden Zahneingriff, wobei das zweite Abtriebszahnrad 20a auf das Getriebe¬zahnrad 7a des Untersetzungsgetriebes 7 einwirkt.
[0033] Durch die Kombination der zweiten Abgasturbine 9 und des Expanders 17 zur Nutzungder Abgasenergie und der Abwärmeenergie kann sowohl in mittleren, als auch in hohen Lastbe¬reichen der Turbo Compound-Brennkraftmaschine 2 zusätzliche Antriebsenergie für die Kur¬belwelle 8 bereitgestellt werden, wodurch in einem weiten Betriebsbereich der Turbo Com¬pound-Brennkraftmaschine 2 der Wirkungsgrad und somit der Kraftstoffverbrauch verbessertwerden können.

Claims (7)

  1. Ansprüche 1. Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) mit zumindest einem Abgasstrang (3), in wel¬chem zumindest eine erste Abgasturbine (5) eines Abgasturboladers (6) und eine über ei¬nen Antriebsstrang (1) mit einem mechanischen oder hydraulischen Getriebe (7) mit derKurbelwelle (8) der Turbo Compound- Brennkraftmaschine (2) verbundene zweite Abgas¬turbine (9), wobei vorzugsweise die zweite Abgasturbine (9) im Abgasstrang (3) stromab¬wärts der ersten Abgasturbine (5) angeordnet ist , dadurch gekennzeichnet, dass einvorzugsweise durch eine Dampfturbine gebildeter Expander (17) einer Abwärmerückge¬winnungseinrichtung (13) mit der Kurbelwelle (8) der Turbo Compound-Brennkraftmaschi¬ne (2) antriebsverbunden ist.
  2. 2. Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die zweite Abgasturbine (9) und der Expander (17) im Antriebsstrang (1) parallel an¬geordnet sind.
  3. 3. Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die zweite Abgasturbine (9) und der Expander (17) antriebsmäßig im Antriebsstrang (1) seriell angeordnet sind, wobei vorzugsweise der Expander (17) der zweiten Abgasturbi¬ne (9) antriebsmäßig nachgeschaltet ist.
  4. 4. Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet, dass die zweite Abgasturbine (9) eine Abgasturbinenabtriebswelle (10)und der Expander (17) eine Expanderabtriebswelle (20) aufweist, wobei Abgasturbinenab¬triebswelle (10) und Expanderabtriebswelle (20) parallel, vorzugsweise koaxial angeordnetsind.
  5. 5. Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬zeichnet, dass die zweite Abgasturbine (9) und der Expander (17) eine gemeinsame Ab¬triebswelle (21) aufweisen.
  6. 6. Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurchgekennzeichnet, dass die zweite Abgasturbine (9) und der Expander (17) über dasselbehydraulische oder mechanische Getriebe (7) mit der Kurbelwelle (8) der Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) verbunden sind.
  7. 7. Turbo Compound-Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass die Abwärmerückgewinnungseinrichtung (13) zumindest einenNachschaltprozess (14), vorzugsweise einen Clausius- Rankine-Kreisprozess oder einenOrganic Rankine Kreisprozess aufweist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
ATGM8054/2014U 2013-12-02 2013-12-02 Turbo Compound-Brennkraftmaschine AT14131U1 (de)

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