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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es
ist bekannt, dass zur Leistungssteigerung und damit auch zur Verbesserung
des Ansprechverhaltens einer Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges,
zum Beispiel einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffzelle,
ein Abgasturbolader der Antriebsvorrichtung zugeordnet ist, wobei
ein Abgasführungsabschnitt
des Abgasturboladers in einem Heißgasstrang der Antriebsvorrichtung
angeordnet ist. Der Abgasführungsabschnitt
weist ein Turbinenrad auf, welches von Abgas der Antriebsvorrichtung
beaufschlagbar ist und infolge der Beaufschlagung in eine Rotationsbewegung
versetzt werden kann. Die Rotationsbewegung des Turbinenrades ist
neben einem Abgasmassenstrom abhängig
von einer Temperatur des Abgases.
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Aus
der Patentschrift
DE
30 46 874 C2 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt,
der einen Abgasführungsabschnitt
aufweist, welchem eine Brennvorrichtung zur Leistungssteigerung
des Abgasturboladers infolge einer Erhöhung der Temperatur des Abgases
zugeordnet ist. Der Abgasführungsabschnitt
ist in einem Heißgasstrang
der Brennkraftmaschine angeordnet, wobei die Brennvorrichtung stromauf
des Abgasführungsabschnitts im
Heißgasstrang positioniert
ist. Mit Hilfe der Brennvorrichtung ist eine Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens
des Abgasturboladers herbeiführbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen,
welche sich durch ein besonders günstiges Ansprechverhalten bei
geringem Bauraumbedarf auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung weist
einen Abgasturbolader mit einem Abgasführungsabschnitt auf, wobei
im Abgasführungsabschnitt
eine Brennvorrichtung positioniert ist, welche zur Temperaturerhöhung eines
aus einer Antriebsvorrichtung ausströmenden Abgases vorgesehen ist. Dem
ausströmenden
Abgas, im Folgenden als herkömmliches
Abgas bezeichnet, wird ein Brennstoff zugeführt, wobei ein Abgas-Brennstoff-Gemisch
entsteht, welches entflammbar ist. Das nach seiner Entflammung aus
dem Abgas-Brennstoff-Gemisch entstandene Abgas, weist eine gegenüber dem
herkömmlichen
Abgas höhere
Temperatur auf, so dass das auf ein Turbinenrad auftreffende Abgas
eine gegenüber
dem herkömmlichen
Abgas gesteigerte Enthalpie aufweist, wodurch eine Drehzahlsteigerung und
damit eine Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens des Abgasturboladers
erzielbar ist.
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Der
Vorteil der Anordnung der Brennkammer innerhalb des Abgasführungsabschnitts
liegt zum einen in der bauraumoptimierten Anordnung der Brennkammer
innerhalb des Abgasführungsabschnitts.
Ein Gesamtgewicht der Antriebsvorrichtung ist unwesentlich beeinflusst,
wobei ein Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung wesentlich steigerbar
ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass bei einem Einsatz
eines Katalysators in einer Kaltstartphase der Antriebsvorrichtung
keine zusätzlichen
Maßnahmen
zu ergreifen sind, welche die Temperaturen sowohl des Abgases als
auch des Katalysators anheben, damit eine tatsächliche katalytische Wirkung eintritt,
das heißt
um den Umsetzungswirkungsgrad des Katalysators zu steigern. Des
Weiteren liegt im Einsatzbereich eines Brennstoffzellenantriebs
ein zusätzlicher
Vorteil in einer Kostenersparnis, da ein Energiespeicher, welcher üblicherweise
in Form einer großvolumigen
so genannten Hochvolt-Batterie vorliegt, durch einen kleineren Energiespeicher
ersetzbar ist.
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In
einer Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist die Brennvorrichtung vorteilhafterweise
in der Nähe des
Turbinenrades in einem Zuströmkanal
positioniert. Der Zuströmkanal
ist als ein Verbindungskanal zwischen einem Spiralkanal und einer
Radkammer des Abgasführungsgehäuses ausgebildet,
wobei in der Radkammer das Turbinenrad drehbar gelagert ist. Durch
die Positionierung der Brennvorrichtung trifft das das Turbinenrad
beaufschlagende Abgas bereits kurz nach seiner Entzündung, die
mit Hilfe der Brennvorrichtung eingeleitet wird, auf das Turbinenrad,
so dass ein guter Wirkungsgrad aufgrund geringer Wandwärmeverluste
erzielbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist die Brennvorrichtung
mit einem der Antriebsvorrichtung entsprechenden Kraftstoff betreibbar,
so dass mit einem einzigen Betankungsvorgang ein Kraftstofftank
der Antriebsvorrichtung und ein Brennstoffbehälter der Brennstoffvorrichtung
befüllbar
sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist der von der Brennvorrichtung
benötigte Brennstoff
dem Kraftstofftank der Antriebsvorrichtung entnehmbar, so dass zur
Bauraumopti mierung auf den Brennstoffbehälter verzichtet werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 5 weist die Brennvorrichtung
eine Zündvorrichtung
zur Erzeugung eines Zündfunkens
auf, welcher zur Einleitung der Verbrennung des Abgas-Brennstoff-Gemisches
vorgesehen ist, so dass ein Zeitpunkt eines Brennbeginns des Abgas-Brennstoff-Gemisches
steuerbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist die Zündvorrichtung
Hilfe einer Regelungs- und Steuerungsvorrichtung der Antriebsvorrichtung
betriebspunktabhängig
aktivierbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist der Brennstoffvorrichtung
eine Kraftstoffpumpe zur Brennstoffförderung zugeordnet, so dass auch
bei einem geringen Füllstand
des Kraftstofftanks bei Bedarf ausreichend Brennstoff zur Verbrennung
vorhanden ist.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem
Abgasturbolader,
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2 in
einem Längsschnitt
einen zweiflutigen Abgasführungsabschnitt
des Abgasturboladers mit einer Brennvorrichtung,
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3 in
einem Längsschnitt
den Abgasturbolader mit einer Brennvorrichtung in einem halbaxial angeordneten Anströmkanal einer
Kombinationsturbine,
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4 in
einer schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenantrieb mit
einem Abgasturbolader mit einer Brennstoffzufuhr zur Brennvorrichtung in
einer ersten Variante und
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5 einen
Brennstoffzellenantrieb gemäß 4 mit
einer Brennstoffzufuhr in einer zweiten Variante.
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In
den Figuren sind alle gleichen oder gleich wirkenden Bauteile mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 in
Form einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader 2,
wobei die Brennkraftmaschine 1 als Dieselmotor ausgeführt ist.
Der Brennkraftmaschine 1 sind ein Kaltluftstrang 6 und ein
Heißgasstrang 4 zugeordnet.
Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Maschinengehäuse mit
einem Zylinderkopf und einem Kurbelgehäuse auf. Im Kurbelgehäuse sind
Zylinder angeordnet, wobei jeder Zylinder einen axial bewegbaren
Kolben aufweist. Des Weiteren ist im Kurbelgehäuse eine Kurbelwelle drehbar
gelagert. Jeder Kolben ist mit Hilfe eines Pleuels mit der Kurbelwelle
verbunden, so dass relevante Kolbenkräfte auf die Kurbelwelle übertragbar sind
und in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt werden können.
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In
den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 sind Brennräume ausgebildet
zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches. Jeder Brennraum
ist von einer Innenwandung eines Zylinders, von dem im Zylinder
bewegbaren Kolben sowie von einer Wandung des Zylinderkopfes begrenzt,
wobei die Wandung des Zylinderkopfes und der jeweilige Kolben in
etwa gegenüberliegend
angeordnet sind. Die Brennräume sind
mit Hilfe der entsprechen den Kolben in ihren Volumina veränderbar
gestaltet, so dass darin ein an sich bekannter Verbrennungsprozeß durchgeführt werden
kann.
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Der
Zylinderkopf umfasst ein Einlasssystem mit Einlasskanälen und
Einlassventilen, ein Auslasssystem mit Auslasskanälen und
Auslassventilen sowie ein Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff
in den zugehörigen
Brennraum, wobei der Kraftstoff mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe
aus einem Kraftstofftank 43 förderbar ist. Jeder Einlasskanal
weist in bevorzugter Weise wenigstens ein Einlassventil auf, mit
Hilfe dessen der Einlasskanal zu öffnen beziehungsweise zu schließen ist,
wobei das Einlassventil an einem dem Brennraum zugewandten Ende
des Einlasskanals angeordnet ist. Über den Einlasskanal ist dem
Brennraum bei geöffnetem
Einlassventil Luft oder ein Kraftstoff-Luftgemisch zuführbar. Ein
dem Brennraum abgewandtes Ende des Einlasskanals ist mit einem Sammelbehälter verbunden,
welcher dem Kaltluftstrang zugeordnet ist und einer Strömungsberuhigung
dient.
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Jeder
Auslasskanal weist bevorzugt wenigstens ein Auslassventil auf, mit
Hilfe dessen der Auslasskanal zu öffnen beziehungsweise zu schließen ist,
wobei das Auslassventil an einem Ende des Auslasskanals angeordnet
ist, welches dem Brennraum zugewandt ist. Bei einer Verbrennung
von im Brennraum gebildetem Kraftstoff-Luftgemisch entsteht im Betrieb
der Brennkraftmaschine Abgas, welches über den Auslasskanal aus dem
Brennraum in den Heißgasstrang 4 strömen kann.
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Der
Kaltluftstrang 6 weist eine Ladeluftleitung 6a auf,
wobei an einem Ende der Ladeluftleitung 6a, welches der
Brennkraftmaschine 1 zugewandt ist, der Sammelbehälter angeordnet
ist. Stromauf des Sammelbehälters
ist in der Ladeluftleitung 6a ein Ladeluftkühler 9 zur
Kühlung
der angesaugten Luft posi tioniert. Ein Luftfilter zum Reinigen der
angesaugten Luft ist an dem anderen Ende der Ladeluftleitung 6a angeordnet,
welches der Brennkraftmaschine 1 abgewandt ist.
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Der
Heißgasstrang 4 umfasst
einen Abgaskrümmer
sowie eine Abgasleitung 4a, wobei der Abgaskrümmer Abgaskanäle und einen
die Abgaskanäle
zusammenführenden
Sammelkanal aufweist. Der Abgaskrümmer ist stromab des Auslasssystems
angeordnet, wobei je ein Abgaskanal einem Auslasskanal zugeordnet
ist. Die Abgasleitung 4a ist an einer Öffnung des Sammelkanals mit
dem Abgaskrümmer verbunden,
wobei die Öffnung
stromab der Abgaskanäle
positioniert ist. An einem der Brennkraftmaschine 1 abgewandten
Ende der Abgasleitung 4a ist zur Abgasnachbehandlung ein
Abgasnachbehandlungssystem 15 angeordnet, wobei das Abgasnachbehandlungssystem 15 in
Form eines Rußfilters und/oder
Katalysators ausgebildet ist.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist ergänzend ein Abgasrückführsystem 10 auf,
wobei zwischen dem Abgaskrümmer
und dem Sammelbehälter
eine Verbindungsleitung 11 in Form einer Abgasrückführleitung
angeordnet ist. In der Abgasrückführleitung 11 ist
zur Kühlung
von rückgeführtem Abgas
ein Abgasrückführkühler 13 angeordnet.
Eine Einstellung einer rückgeführten Abgasmenge
erfolgt mit Hilfe eines Abgasrückführventils 12.
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Zur
Regelung und Steuerung vieler Funktionen ist der Brennkraftmaschine 1 eine
Regelungs- und Steuerungsvorrichtung 14 zugeordnet. Über die Regelungs-
und Steuerungsvorrichtung 14 sind insbesondere die Kraftstoffzufuhr
und das Abgasrückführventil 12 regelbar.
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Der
Abgasturbolader 2 weist ein Gehäuse 2a und ein im
Gehäuse 2a gelagertes
Laufzeug 8 auf. Das Laufzeug 8 umfasst ein Verdichterrad 20 in
Radialbauweise zum Ansaugen und Verdichten von Luft, ein Turbinenrad 25 in
Radialbauweise zur Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad 20 drehfest
mit dem Turbinenrad 25 verbindende Welle 19.
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Mit
Hilfe des expandierenden Abgases wird das Turbinenrad 25 in
eine Rotationsbewegung versetzt, welche mit Hilfe der Welle 19 auf
das Verdichterrad 20 übertragen
wird, woraufhin Luft vom Verdichterrad 20 angesaugt und
komprimiert wird.
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Das
Gehäuse 2a umfasst
einen Luftführungsabschnitt 5,
wobei der Luftführungsabschnitt 5 im
Kaltluftstrang 6 in der Ladeluftleitung 6a positioniert
ist, sowie ein Abgasführungsabschnitt 3,
welcher im Heißgasstrang 4 in
der Abgasleitung 4a angeordnet ist. Des Weiteren weist
das Gehäuse 2a einen
Lagerabschnitt 7 auf, in welchem die Welle 19 drehbar
gelagert ist. Der Lagerabschnitt 7 ist zwischen dem Luftführungsabschnitt 5 und
dem Abgasführungsabschnitt 3 angeordnet.
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Im
Luftführungsabschnitt 5 ist
das Verdichterrad 20 in einer ersten Radkammer 21 drehbar
positioniert. Stromauf der ersten Radkammer 21 ist ein Einströmkanal 22 im
Luftführungsabschnitt 5 angeordnet,
wobei der Einströmkanal 22 und
das Verdichterrad 20 bevorzugt koaxial angeordnet sind.
Der Einströmkanal 22 dient
zur Konditionierung der vom Verdichterrad 20 angesaugten
Luft.
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Stromab
der ersten Radkammer 21 ist ein Abströmkanal 23 in Form
eines Diffusors im Luftführungsabschnitt 5 ausgebildet,
welcher zur Weiterleitung der vom Verdichterrad 20 angesaugten
und verdichteten Luft ausgelegt ist. Dem Abströmkanal 23 ist an seinem
der ersten Radkammer 21 abgewandten Ende ein erster Spiralkanal 24 des
Luftführungsabschnitts 5 angeschlo ssen,
welcher zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient.
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Des
Weiteren ist der erste Spiralkanal 24 als Verbindungskanal
zwischen dem Abströmkanal 23 und
einem im Luftführungsabschnitt 5 ausgebildeten Ausströmkanal ausgeführt.
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Optional
weist der Luftführungsabschnitt 5 eine
Vorrichtung zur Änderung
der Anströmung
des Verdichterrades 20 auf. Aufgrund der Änderung
der Anströmung
ist eine Expansion der angesaugten Luft erreichbar, so dass ein
Betrieb des Verdichterrades 20 in einem so genannten Kaltluftturbinenbetrieb möglich ist.
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Zur
Einströmung
des Abgases in den Abgasführungsabschnitt 3 ist
im Abgasführungsabschnitt ein
Eintrittskanal ausgebildet. Der Eintrittskanal dient zur Konditionierung
des Abgases, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 das
Turbinenrad 25 in eine rotierende Bewegung versetzt. Bevorzugterweise
ist der Eintrittskanal senkrecht zu einer Drehachse 26 der
Welle 19 angeordnet.
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Dem
Eintrittskanal ist an seinem anderen Ende, welches der Abgasleitung 4a abgewandt
ist, ein zweiter Spiralkanal 27 angeschlossen, welcher
zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient.
Des Weiteren ist der zweite Spiralkanal 27 als Verbindungskanal
zwischen dem Eintrittskanal und einem Zuströmkanal 28 des Abgasführungsabschnitts 3 ausgebildet.
Stromab des zweiten Spiralkanals 27 ist der Zuströmkanal 28 positioniert,
welcher zur Aufnahme eines Leitapparates 29 ausgebildet
ist, wobei der Leitapparat zur Konditionierung der Strömung des
Abgases auf das Turbinenrad 25 ausgelegt ist. Der Leitapparat 29 ist
verstellbar ausgebildet.
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Stromab
des Zuströmkanals 28 ist
die zweite Radkammer 30 im Abgasführungsabschnitt 3 angeordnet,
wobei in der zweiten Radkammer 30 das Turbinenrad 25 positioniert
ist. Stromab der zweiten Radkammer 30 ist ein Austrittskanal 31 im
Abgasführungsabschnitt 3 angeordnet.
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Der
Lagerabschnitt 7 weist eine Lagervorrichtung zur drehbaren
Lagerung der Welle 19 auf. Zur reibungsfreien Rotation
der Welle 19 ist der Lagerabschnitt 7 mit einem
Kanalsystem 18 ausgebildet, welches Schmiermittel weiterleitbar
gestaltet ist. Des Weiteren weist der Lagerabschnitt 7 Dichtelemente
zur Abdichtung des Luftführungsabschnitts 5 und
des Abgasführungsabschnitts 3 gegen
Eindringen von Schmiermittel auf. Ebenso ist mit Hilfe der Dichtelemente
das Eindringen von angesaugter Luft und Abgas in den Lagerabschnitt 7 reduzierbar.
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Im
Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird das Turbinenrad 25 als
Folge einer Beaufschlagung durch das herkömmliche Abgas der Brennkraftmaschine 1 in
eine Rotationsbewegung versetzt, wobei die Drehzahl der rotierenden
Bewegung und damit die Leistung des Abgasturboladers 2 vom
Abgasmassenstrom, einem Druckgefälle
des herkömmlichen
Abgases am Turbinenrad 25 und einer Abgastemperatur abhängig ist.
Das Ansprechverhalten des Abgasturboladers 2 ist somit
durch eine Steigerung des Abgasmassenstromes und/oder durch eine
Steigerung des Druckgefälles
am Turbinenrad 25 und/oder durch eine Erhöhung der
Abgastemperatur zu verbessern.
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Zur
Erhöhung
der Temperatur des Abgases ist im Abgasführungsabschnitt 3 eine
Brennvorrichtung 40 angeordnet, wie in 2 dargestellt.
Die Brennvorrichtung 40 weist zur Brennstoffsammlung und
Verdampfung im Bereich des Zuströmkanals 28 einen
ringförmigen
Sammelraum 41 auf. Die Brennvorrichtung 40 ist
mit einem Brennstoff betreibbar, welcher dem Kraftstoff der Antriebsvorrichtung 1 entspricht,
so dass der Brennstoff dem Kraftstofftank 43 entnehmbar
ist.
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Mit
Hilfe einer Brennstoffleitung 42, welche als eine Verbindungsleitung
zwischen dem Kraftstofftank 43 und dem Sammelraum 41 ausgeführt ist,
ist der Brennstoff dem Sammelraum 41 zuführbar. Dabei
wird der benötigte
Brennstoff im Betrieb mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe 48 in
den Sammelraum 41 gepumpt. Der Brennstoff wird in flüssigem oder
in gasförmigem
Zustand in den Sammelraum 41 eingebracht. Die Kraftstoffpumpe 48 ist
mit Hilfe der Regelungs- und Steuerungsvorrichtung 14 betätigbar.
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Zwischen
dem Sammelraum 41 und dem Zuströmkanal 28 sind mehrere
Brennstoffkanäle 44 positioniert,
wobei ein Ende eines jeweiligen Brennstoffkanals 44 mit
dem Sammelraum 41 verbunden ist und das andere Ende des
jeweiligen Brennstoffkanals 44 als eine Mündung 45 in
den Zuströmkanal 28 ausgebildet
ist. Aufgrund der Abgasströmung
liegt ein Unterdruck an der Mündung 45 vor,
welcher ein Ausströmen
des Brennstoffs aus den Brennstoffkanälen 44 erwirken kann.
Eine Zerstäubung
des Brennstoffes ist abhängig
von der Geschwindigkeit der Abgasströmung, wobei eine hohe Geschwindigkeit
eine feine Zerstäubung
bewirkt.
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Die
Anordnung der Brennstoffkanäle 44 in Bezug
zum zweiten Spiralkanal 27 beziehungsweise zum dritten
Spiralkanal 27a, ist maßgebend für eine Gemischbildung des aus
dem Brennstoffkanal 44 strömenden Brennstoffs und der
entsprechenden Verbrennungsluft, wobei als Verbrennungsluft bevorzugt
das ursprüngliche
Abgas der Brennkraftmaschine 1 verwendet wird. Zur Vermeidung
von Druckverlusten bei der Gemischbildung ist eine nahezu parallele
Anordnung der Brennstoffkanäle 44 zum zweiten Spiralkanal 27 beziehungsweise
zum dritten Spiralkanal 27a vorgesehen.
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Nach
dem Ausströmen
des Brennstoffs aus den Brennstoffkanälen 44 liegt im Zuströmkanal 28 ein
Abgas-Brennstoff-Gemisch vor, welches mit Hilfe einer Zündvorrichtung 46 der
Brennvorrichtung 40 entzündbar ist. Die Zündvorrichtung 46 ist
in Form einer Zündkerze
ausgebildet. Mit Hilfe eines von der Zündvorrichtung 46 erzeugten
Zündfunken
ist das vorliegende Brennstoff-Abgas-Gemisch entflammbar.
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Die
Zündvorrichtung 46 ist
idealerweise in der Nähe
der Mündung 45 an
einer Zwischenwandung 47 des zweiten Spiralkanals 27 und
des dritten Spiralkanals 27a positioniert.
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In 3 ist
der Abgasturbolader 2 mit einer Brennvorrichtung 40 in
einem halbaxial angeordneten Anströmkanal 32 einer Kombinationsturbine
dargestellt. Der verstellbare Leitapparat 29 ist in Form
eines schwenkbaren variablen ersten Leitgitters ausgeführt, wobei
das Leitgitter in dem im Abgasführungsabschnitt 3 radial
zum Turbinenrad 25 ausgebildeten Zuströmkanal 28 angeordnet
ist. Mit Hilfe eines starr angeordneten zweiten Leitgitters 33 ist
im Abgasführungsabschnitt 3 der
Anströmkanal 32 ausgebildet,
wobei der Anströmkanal 32 halbaxial
zum Turbinenrad 25 angeordnet ist.
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Die
Brennstoffkanäle 44 sind
teilweise in Leitschaufeln 33a des zweiten Leitgitters 33 und
teilweise im Abgasführungsabschnitt 3 positioniert.
Die Mündungen 45 sind
bevorzugt nahe dem Turbinenrad 25 angeordnet. Die Brennstoffleitung 42 ist
im Lagerabschnitt 7 ausgebildet. Die Zündvorrichtung 46 ist
in einem Außenring 35 des
zweiten Leitgitters 33 angeordnet. Über die Gestaltung des zweiten
Leitgitters 33 wird die Brennstoffzuführung maßgebend mitbestimmt.
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Mit
Hilfe des variablen Leitgitters 29 ist zu jedem Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine 1 ein optimales Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzielbar.
Wird das variable Leitgitter 29 vollständig geschlossen, so muß die gesamte
Luftmenge durch das zweite Leitgitter 33 strömen und
nimmt an der Gemischbildung und Verbrennung vollständig teil.
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Der
beschriebene Abgasturbolader 2 ist des Weiteren in einer
Antriebsvorrichtung 1 einsetzbar, welche in Form eines
Brennstoffzellenantriebs mit einem Elektromotor ausgebildet ist,
wie in den 4 und 5 dargestellt.
Die Brennstoffzelle selbst ist in Form eines so genannten galvanischen
Elements mit einer gasführenden
Anode und einer gasführenden Kathode
aufgebaut, wobei die Anode und die Kathode als Katalysatoren aufgebaut
sind. Die Anode und die Kathode, jeweils in Form einer Platte vorliegend, sind
in einem Behälter
unter Einhaltung einer bestimmten Distanz zueinander angeordnet.
Weiterhin liegt in dem Behälter
ein Wasserstoff-Ionen durchlässiger
Elektrolyt vor. Der Brennstoffzelle ist Wasserstoff über eine
Kraftstoffleitung aus einem Tank 43 und Sauerstoff über eine
Ladeluftleitung 6a aus der Umgebung zuführbar. Die wasserstoffführende Anode
und die sauerstoffführende
Kathode sind mit Hilfe eines elektrischen Leiters und eines im elektrischen Leiter
angeordneten Verbrauchers, dem Elektromotor miteinander verbindbar.
Ist die Verbindung geschlossen, werden die Wasserstoffmoleküle mit Hilfe des
Katalysators unter Abgabe jeweils eines Elektrons in jeweils zwei
Wasserstoffprotonen gespalten. Die Protonen „wandern" mit Hilfe des Elektrolyten zur Kathode.
Die Elektronen treten in den elektrischen Leiter ein und bewirken
einen Stromfluß,
welcher den Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt. Jeweils
vier der über
den elektrischen Leiter an der Kathode „angekommenen" Elektronen rekombinieren mit
einem Sauerstoffmolekül
zu negativ geladenen Sauerstoffmolekülen, die sich mit den Wasserstoffprotonen
zu jeweils einem Wassermolekül
verbinden. Das bei dieser Reaktion entstandene Abgas weist einen
dampfförmigen
Zustand auf, und ist entsprechend dem herkömmlichen Abgas der Brennkraftmaschine,
zur Beaufschlagung des Turbinenrades 25 nutzbar.
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Der
im Betrieb mit der Brennstoffzelle eingesetzte Abgasturbolader 2 weist
neben der Brennvorrichtung 40, welche zur Verbesserung
des Beschleunigungsverhaltens einsetzbar ist, eine Antriebsunterstützung 51 auf,
da das im Betrieb der Brennstoffzelle 1 entweichenden Abgases
einen benötigten
Energiebedarf des Abgasturboladers 2 aufgrund von Abgastemperaturen
zwischen 80°C
und 100°C
nur unzureichend deckt.
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Dem
Brennstoffzellenantrieb ist ein Rezirkulationsgebläse 50 zugeordnet,
wobei zum Betrieb des Rezirkulationsgebläses 50 ein in einem
Kraftstofftank 43 anliegender Druck des Kraftstoffs zur
Beaufschlagung einer Expansionsvorrichtung 52 des Rezirkulationsgebläses 50 nutzbar
gemacht werden kann. Der Kraftstoff ist in expandiertem Zustand
mit Hilfe einer Verbindungsvorrichtung 53 der Brennstoffzelle
zuführbar,
wobei die Verbindungsvorrichtung 53 zwischen der Expansionsvorrichtung
und der Antriebsvorrichtung 1 positioniert ist.
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In
einer ersten Variante der Brennstoffzufuhr zur Brennvorrichtung 40,
wie in 4 dargestellt, ist der für eine Verbrennung benötigte Brennstoff
aus dem Kraftstofftank 43 über eine Brennstoffleitung 42 mit
Hilfe einer Kraftstoffpumpe 48 der Brennvorrichtung 40 zuführbar. In
einer zweiten Variante, wie in 5 dargestellt,
ist der Brennvorrichtung 40 über die Verbindungsvorrichtung 53,
welche stromauf der Antriebsvorrichtung eine Abzweigung zur Brennstoffleitung 42 aufweist,
Brennstoff zuführbar.
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- 1
- Antriebsvorrichtung
- 2
- Abgasturbolader
- 2a
- Gehäuse
- 3
- Abgasführungsabschnitt
- 4
- Heißgasstrang
- 4a
- Abgasleitung
- 5
- Luftführungsabschnitt
- 6
- Kaltluftstrang
- 6a
- Ladeluftleitung
- 7
- Lagerabschnitt
- 8
- Laufzeug
- 9
- Ladeluftfühler
- 10
- Abgasrückführsystem
- 11
- Abgasrückführleitung
- 12
- Abgasrückführventil
- 13
- Abgasrückführkühler
- 14
- Regelungs-
und Steuerungsvorrichtung
- 15
- Abgasnachbehandlungssystem
- 16
-
- 17
-
- 18
- Kanalsystem
- 19
- Welle
- 20
- Verdichterrad
- 21
- Erste
Radkammer
- 22
- Einströmkanal
- 23
- Abströmkanal
- 24
- Erster
Spiralkanal
- 25
- Turbinenrad
- 26
- Drehachse
- 27
- Zweiter
Spiralkanal
- 27a
- Dritter
Spiralkanal
- 28
- Zuströmkanal
- 29
- Leitapparat
- 30
- Zweite
Radkammer
- 31
- Austrittskanal
- 32
- Halbaxial
angeordneter Anströmkanal
- 33
- zweites
Leitgitter
- 33a
- Leitschaufeln
- 34
-
- 35
- Außenring
- 36
- Variable
Turbinengeometrie
- 37
-
- 38
-
- 39
-
- 40
- Brennvorrichtung
- 41
- Sammelraum
- 42
- Brennstoffleitung
- 43
- Kraftstofftank
- 44
- Brennstoffkanäle
- 45
- Mündung
- 46
- Zündvorrichtung
- 47
- Zwischenwandung
- 48
- Kraftstoffpumpe
- 49
-
- 50
- Rezirkulationsgebläse
- 51
- Antriebsunterstützung
- 52
- Expansionsvorrichtung
- 53
- Verbindungsvorrichtung