CH635896A5

CH635896A5 - Antriebsaggregat, insbesondere fuer kraftfahrzeuge.

Info

Publication number: CH635896A5
Application number: CH1305278A
Authority: CH
Inventors: Helmut Striebich
Original assignee: Porsche Ag
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1978-12-21
Publication date: 1983-04-29
Also published as: SE7813115L; JPS6342087B2; DE2757236A1; JPS5491606A; SE443832B; GB2010970A; BR7808348A; FR2412696B1; IT7830971A0; FR2412696A1; IT1100743B; DE2757236C3; DE2757236B2; AR219143A1; GB2010970B; US4294074A

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat, insbesondere für Kraftfahrzeuge, das eine Brennkraftmaschine und eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagte Abgasturbine aufweisende Abgasturbineneinheit umfasst.

Bei Untersuchungen über den Energiehaushalt im Kraftfahrzeug wurde bei einer wassergekühlten Otto-Brennkraft-maschine eine Energieverteilung festgestellt, bei der von der der Brennkraftmaschine durch den Kraftstoff zugeführten Energie ca. 35% durch die Abgase, ca. 20% durch das Kühlwasser und ca. 20% durch Wärmestrahlung verloren gehen, so dass nur 25% nutzbare Brennkraftmaschinenarbeit an der Kurbelwelle wirksam werden (Fig. 1, Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 18. Auflage). Daraus ist ersichtlich, dass ein erheblicher Teil der Kraftstoffenergieverluste allein durch die Abgase erfolgt. Dieser Verlust durch die Abgase besteht dabei einerseits in Form von kinetischer Energie (Abgasaustrittsgeschwindigkeit) und andererseits in Form von Wärmeenergie (hohe Abgastemperaturen).

Es ist bekannt, dass durch die technisch bedingte unvollständige Expansion bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen ein Teil der theoretisch erreichbaren Leistung verloren geht. Diese Verlustleistung Lv beträgt je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine zwischen 20 bis 40% der indizierten Leistung Li (Fig. 2).

Es sind Verfahren bekannt, die diese Energie zum Teil wieder nutzbar machen. Der verbreitetste Anwendungsfall ist die Abgasturbo-Aufladung. Dabei treiben die Abgase eine zusammen mit einem Ladegebläse auf einer Welle angeordnete Abgasturbine an. Das Ladegebläse saugt Frischluft an und führt der Brennkraftmaschine diese komprimiert zu. Weitere Verfahren stellen die sogenannten Verbundsysteme dar, bei denen die durch die Abgasturbine erreichbare Leistung zum Teil wieder auf die Antriebswelle der Brennkraftmaschine zurückgekoppelt wird und damit zur Wirkungsgradverbesserung der Brennkraftmaschine beiträgt. Die Wärmeenergie der Abgase bleibt bei beiden Verfahren jedoch ungenutzt.

Andererseits ist es bekannt, die Wärmeenergie der Abgase für Heizzwecke (DT-PS 873 461) und zur Dampferzeugung (DT-AS 1 157 430) heranzuziehen. Die Abgase bilden einen einfach auszunutzenden Wärmespender und dienen zu Heizungszwecken ausserhalb des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine. Diese Ausnutzung der Wärmeenergie hat jedoch keinen Einfluss auf den effektiven Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Der durch die Wärmeenergie der Abgase erzeugte Dampf kann für Dampfturbinen oder Dampfmaschinen genutzt werden, er bleibt jedoch ebenfalls ohne Einfluss auf die effektive Leistung der Brennkraftmaschine.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebsaggregat, insbesondere für Kraftfahrzeuge zu schaffen, bei der die den Abgasen innewohnenden Energiemengen und Energiearten in der Weise genutzt werden, dass der effektive Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gegenüber den bekannten Antriebsaggregaten erheblich erhöht wird.

Erfmdungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

dass neben der kinetischen Energie auch die Wärmeenergie der Abgase der Brennkraftmaschine durch einen überlagerten thermischen Arbeitsprozess in der Abgasturbine von der Abgasturbineneinheit genutzt wird. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Durch die Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase direkt durch die Abgasturbine und durch die Ausnutzung der Wärmeenergie der Abgase indirekt durch die Abgasturbine, in dem diese als Wärmetauscher wirkt und das verdichtete Arbeitsmedium erwärmt, kann bei der Abgsturbineneinheit ein erheblicher Leistunsrückgewinn erfolgen. Diese Leistung kann nun der Brennkraftmaschine entweder wieder direkt zugeführt werden oder es kann durch diese Leistung z. B. ein Generator angetrieben werden, dessen elektrische Energie dann zur Entlastung der Brennkraftmaschine für vielfältige Zwecke, z. B. für den Antrieb von Nebenaggregaten oder für Heizungen verwendet werden kann. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemässe Ausnutzung der Wärmeenergie der Abgase durch den Wärmetausch zwischen der Abgasturbine und dem komprimierten Medium die Abgasturbineneinheit nur geringen thermischen Belastungen ausgesetzt. Das Arbeitsmedium kann gemäss der Erfindung Luft, Wasserdampf oder dergleichen sein, und die Sekundär-Turbine durch eine ein- oder mehrstufige Axial- ode Radialturbine gebildet werden. Als besonders zweckmässig hat sich erwiesen, dass die Abgasturbineneinheit als integriertes Bauteil ausgeführt ist. Dadurch weist die Abgasturbineneinheit ein geringes und kompaktes Bauvolumen auf, was aufgrund des geringen Bauraumes insbesondere bei Kraftfahrzeugen von Vorteil ist.

Fig. 1 Die Energieverteilung des Energiehaushaltes einer bekannten wassergekühlten Otto-Brennkraftmaschine,

Fig. 2 die Veranschaulichung der Nutzung der kinetischen Energie von Abgasen einer Brennkraftmaschine anhand eines PV-Diagrammes,

Fig. 3 das Antriebsaggregat anhand eines prinzipiellen Blockschaltbildes,

Fig. 4 die Abgasturbineneinheit in der integrierten Bauweise in einer schematischen Darstellung,

Fig. 5 die Abgasturbineneinheit im Längsschnitt, und Fig. 6 einen Schnitt durch die Abgasturbineneinheit nach der Linie VI-VI derFig. 5.

In dem als Blockschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig. 3 ist mit 1 eine Brennkraftmaschine und mit 2 eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetriebene Abgasturbine bezeichnet, die

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s ia

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zusammen mit einem Verdichter 3 und einer Sekundär-Turbine 4 - letztere kann durch eine ein-oder mehrstufige Axialoder Radialturbine gebildet sein - auf einer Welle 5 angeordnet ist. Die Abgasturbine 2, der Verdichter 3 und die Sekundär-Turbine 4 stehen mit einem Wärmetauscher 6 in Wirkverbindung und bilden mit diesem zusammen eine Abgasturbineneinheit 7. Eine von der Brennkraftmaschine 1 zur Abgasturbine 2 führende Abgasleitung ist mit 8 und eine von der Abgasturbine 2 zum Wärmetauscher 6 führende Abgasleitung ist mit 9 bezeichnet. Duch eine Ansaugleitung 10 fördert der Verdichter 3 ein Medium, das von diesem durch eine Luftleitung 11 dem Wärmetauscher 6 zugeführt wird. Bei dem geforderten Medium kann es sich um Luft, Wasserdampf oder dergleichen handeln, wobei im folgenden davon ausgegangen wird, dass das angesaugte Medium Luft ist. Die Abgase und die verdichtete Luft werden durch den Wärmetauscher 6 hindurchgeführt und von diesem wird die Luft dann durch eine Luftleitung 12 der Sekundär-Turbine 4 und von dieser durch eine Luftleitung 13 einer Abgasleitung 14 zugeführt.

Die prinzipielle Funktion der Erfindung ist folgende:

Nach dem Anlassen de Brennkraftmaschine 1 treiben deren Abgase die Abgasturbine 2 und diese den Verdichter 3 an. Die vom Verdichter 3 angesaugte und verdichtete Luft wird durch die Luftleitung 11 und die Abgase durch die Abgasleitung 9 dem Wärmetauscher 6 zugeführt. In dem Wärmetauscher 6 erfolgt ein Wärmetausch zwischen den heissen Abgasen und der komprimierten Luft. Die im Wärmetauscher 6 erhitzte Luft gelangt über die Luftleitung 12 zur Sekundär-Turbine 4, expandiert dort unter Leistungsabgabe und wird von dieser durch die Luftleitung 13 der Abgasleitung 14 zugeführt, durch die die Luft und die Abgase in die Atmosphäre geleitet werden.

In den Fig. 4 bis 6 ist die Abgasturbineneinheit in einer integrierten Bauweise dargestellt. Dabei sind eine Abgasturbine 15, ein Verdichter 16 und eine Sekundär-Turbine 17 gemeinsam in einem an einer Brennkraftmaschine 18 angeflanschten Gehäuse 19 angeordnet und bilden zusammen eine Abgasturbineneinheit 20. Die Abgasturbineneinheit umfasst ein Zentralrohr 21, das mit den als Hohlschaufeln ausgebildeten Turbinenschaufeln 22 der Abgasturbine 15, s dem Verdichter 16 und der Sekundärturbine 17 fest verbunden und drehbar in dem Gehäuse 19 gelagert ist. Abgaseinlassstutzen in dem Gehäuse 19 sind mit 23 und Öffnungen in dem Zentralrohr 21 sind mit 24 bezeichnet. Die Stirnwände 25 und 26 des Gehäuses 19 bilden die Lagerstellen für das io Zentralrohr 21, wobei die Stirnwand 26 im Bereich der Turbinenschaufeln 22 Öffnungen 27 aufweist. Der linke Teil 28 des Verdichters 16 weist eine Öffnung 29 zum Ansaugen von Luft auf und die gegenüberliegende Seite des Gehäuses 19 eine Öffnung 30 zum Abführen der Abgase. Die von der 15 Sekundär-Turbine 17 und der Abgasturbine 15 erzielte Leistung kann durch einen Abtrieb 31 direkt der Brennkraftmaschine 18 zugeführt werden, zum Antrieb von Nebenaggregaten oder z. B. zum Antrieb eines Generators verwendet werden.

20 Die Funktion des erfindungsgemässen Ausführungsbeispieles der Fig. 4 bis 6 ist folgende:

Nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine 18 werden deren Abgase durch die Abgaseinlassstutzen 23 der Abgasturbine 15 zum Antrieb derselben durchgeführt. Die Abgasturbine 15 treibt den Verdichter 16 an, dieser saugt Luft an und fördert diese verdichtet durch die Turbinenschaufeln 22 zur Sekundär-Turbine 17. Während des Hindurchströmens der Luft duch die von den heissen Abgasen beaufschlagten Turbinenschaufeln 22 findet zwischen diesen und der Luft ein Wärmetausch statt, wobei die verdichtete Luft erhitzt wird. Diese Luft expandiert in der Sekundär-Turbine unter Leistungsabgabe, wodurch die Leistungsfähigekit der Abgasturbineneinheit erheblich erhöht wird.

35 In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die vom Verdichter 16 angesaugte Luft vorverdichtet sein.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

635 896 PATENTANSPRÜCHE

1. Antriebsaggregat, insbesondere für Kraftfahrzeuge, das eine Brennkraftmaschine und eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagte Abgasturbine aufweisende Abgasturbineneinheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass neben der kinetischen Energie auch die Wärmeenergie der Abgase der Brennkraftmaschine (1,18) durch einen überlagerten thermischen Arbeitsprozess in der Abgasturbine (2,15) von der Abgasturbineneinheit (7,20) genutzt wird.

2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbineneinheit (7,20) einen Verdichter (3,16), eine Sekundär-Turbine (4,17) und eine Abgasturbine (2,15) umfasst, wobei die Turbinenschaufeln (22) der Abgasturbine (15) durch Hohlschaufeln gebildet werden, die von dem vom Verdichter (16) komprimierten Arbeitsmedium durchströmt werden, das unter Leistungsabgabe in der Sekundärturbine (17) expandiert.

3. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Luft ist.

4. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Wasserdampf ist.

5. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Turbine (4,17) durch eine ein-oder mehrstufige Axial- oder Radialturbine gebildet ist.

6. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Abgasturbineneinheit (20) bildenden Bauteile wie Verdichter (16), Sekundärturbine (17) und Abgasturbine (15) in einem Gehäuse (19) integriert sind.