DE102006057247A1

DE102006057247A1 - Aufladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102006057247A1
Application number: DE102006057247A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schmitt; Lutz Rauchfuss; Miroslaw Brzoza; Sebastian Urban
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-12
Also published as: JP2010501785A; ATE529622T1; JP5221541B2; WO2008068060A1; EP2100022B1; EP2100022A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufladeeinrichtung (20), insbesondere zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine (10). In deren Abgastrakt (12) ist mindestens ein Wärmetauscher (18) eines Kreislaufes (54) des Arbeitsmediums untergebracht. Dem mindestens einen Abgaswärmetauscher (18) ist ein Förderaggregat (36) im Kreislauf (54) des Arbeitsmediums vorgeschaltet. Der Kreislauf (54) des Arbeitsmediums enthält mindestens ein Turbinenteil (22), über den mindestens ein im Ansaugtrakt (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnetes Verdichterteil (24) angetrieben ist.

Description

Stand der Technik
Die Leistung einer Verbrennungskraftmaschine kann durch eine Steigerung der Luftmenge, die für den Verbrennungsprozess in den einzelnen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine benötigt wird, erhöht werden. Eine Erhöhung der in die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine eingebrachten Luftmenge lässt sich mit zwei verschiedenen Konzepten realisieren. Einerseits ist der Einsatz eines Abgasturboladers möglich, der zum Betrieb die im Abgas der Verbrennungskraftmaschine verbliebene Enthalpie nutzt; andererseits ist es möglich, einen Kompressor einzusetzen, der direkt durch die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird.
Eine Aufladeeinrichtung für Verbrennungskraftmaschinen, die als Abgasturbolader beschaffen ist, umfasst mindestens ein Abgasturbinenteil. Dieser ist dem Abgasstrom der aufzuladenden Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt und wird über diesen angetrieben. Der Turbinenteil des Abgasturboladers ist über eine Welle mit einem Verdichterteil verbunden, der seinerseits im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Der Turbinenteil wird vom Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine in Rotation versetzt und treibt somit den Verdichterteil an. Der Verdichterteil erhöht den Druck im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine, so dass während des Ansaugtaktes der Verbrennungskraftmaschine eine größere Menge an für die Verbrennung erforderliche Luft in den Zylinder gelangt, verglichen mit der Luftmenge, die in die Zylinder eines Saugmotors gelangt. Damit steht bei einer derart aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge pro Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung. Dadurch steigt einerseits der Mitteldruck der Verbrennungskraftmaschine sowie sein Drehmoment, was eine Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine bedeutet.
Bei dem alternativen Konzept, d. h. dem Einsatz eines Kompressors, wird die zum Betrieb des einen Verdichter darstellenden Kompressors benötigte Energie als mechanische Energie von der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine geliefert. Während bei einer als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung die im Abgas enthaltene Enthalpie zur Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine genutzt wird, wird bei Kompressoreinsatz der Kompressor unmittelbar durch die Kurbelwelle der aufzuladenden Verbrennungskraftmaschine angetrieben. Dies bedeutet, dass die an den Kompressor abgegebene mechanische Energie nicht mehr als Antriebsleistung für den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht.
Bei als Abgasturbolader beschaffenen Aufladeeinrichtungen wird der Abgasgegendruck im Abgasstrang durch den Turbinenteil der Aufladeeinrichtung erhöht. Die Erhöhung des Abgasgegendruckes verursacht erhebliche Motorleistungsverluste. Die in der Alternative, d. h. bei Kompressorbetrieb, von der Verbrennungskraftmaschine abgezweigte mechanische Energie verschlechtert den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und damit die von diesem abgegebene effektive Leistung.
Aus Auto Motor und Sport, Band 10, Seite 26/2005 ist eine Veröffentlichung bekannt, „BMW-Vierzylinder nutzt Abwärme für Leistungssteigerung – Motor mit Turbine". Gemäß dieser Veröffentlichung wandelt eine Verbrennungskraftmaschine etwa zwei Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Abwärme um, die entweder vom Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine aufgenommen oder durch den Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine abgeführt wird. Die bisher ungenutzte Abwärme kann bei Verbrennungskraftmaschinen zur Erhöhung des Wirkungsgrades um bis zu 15 % genutzt werden. Dazu wird ein 1,8 l-Vierzylinder mit einer zweistufig ausgelegten Dampfturbine gekoppelt, welche auf die Kurbelwelle des 1,8 l-Vierzylindermotors wirkt. Der Heißdampf wird durch Wärmetauscher erzeugt, die in der Nähe des Auspuffes im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine untergebracht sind. Mittels eines Wasserkreislaufes kann aus dem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine Kühlfluid ab gezweigt werden. Durch den Antrieb der Kurbelwelle können entweder die Leistung und das Drehmoment gesteigert oder der spezifische Kraftverbrauch gesenkt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die in der Verbrennungskraftmaschine entstehenden Abgase durch einen in den Abgasstrang integrierten Abgaswärmetauscher zu leiten, welcher dem Antrieb eines Kompressors dient. Damit wird eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, die anstelle bei einem Abgasturbolader eingesetzten Turbinenteiles eine Dampfturbine enthält, mit welcher ein Verdichterrad einer Aufladeinrichtung zur Aufladung der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden kann. Der dazu erforderliche Dampf wird in dem Abgaswärmetauscher erzeugt, der im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Da der Turbinenteil zum Beispiel eines Abgasturboladers entfällt, verringert sich dementsprechend der Abgasgegendruck. Ferner lässt sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung unter Einsatz mindestens eines Dampfturbinenteiles eine Verbrauchsreduzierung erzielen, da aufgrund des reduzierten Abgasgegendruckes sich die für den Gaswechsel erforderliche, zu leistende Arbeit der Verbrennungskraftmaschine reduziert. Des Weiteren lässt sich in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ein spontaneres Ansprechen der Verbrennungskraftmaschinen erreichen, das bisher bei mit als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtungen einhergehende „Turboloch" entfällt. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass kleinere Generatoren zur Stromerzeugung am Kraftfahrzeug eingesetzt werden können oder diese im Idealfall vollständig entfallen können.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird der Dampf in mindestens einem Abgaswärmetauscher erzeugt und strömt von dort durch eine Turbine, wo der Dampf expandiert, mechanische Arbeit leistet und die Temperatur des Dampfes abnimmt. Anschließend kondensiert der expandierte Dampf in einem Wärmetauscher und wird von einer Pumpe erneut in den Abgaswärmetauscher zurückgefördert. Diese Pumpe wird mechanisch von der Turbine angetrieben. Zusätzlich ist diese Pumpe mit einer elektrischen Maschine verbunden, die beim Start der Verbrennungskraftmaschine aus deren Batterie gespeist wird. Dies erfolgt so lange, bis sich im System ein ausreichender Dampfdruck gebildet hat, so dass eine Zirkulation innerhalb des geschlossenen Systems erfolgt. Im Betrieb wird die elektrische Maschine zum Beispiel als regelbarer Generator betrieben, über den die Leistungsregelung der Aufladeeinrichtung erfolgt. Liegt in diesem Betriebszustand inklusive im Antriebsstrang mehr Energie vor als erforderlich, speist die elektrische Maschine Leistung in das Bordnetz des Kraftfahrzeuges ein, entlastet damit den Generator, der an der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, so dass die im Abgasstrang nicht nutzbare Energie als elektrische Leistung in das Bordnetz des Fahrzeuges eingespeist werden kann. Gegebenenfalls kann bei entsprechender Auslegung der bisher an der Verbrennungskraftmaschine eingesetzte Generator vollständig entfallen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung des Schaltbildes für eine Aufladeeinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, die mittels einer Dampfturbine angetrieben ist.
Ausführungsformen
Der Zeichnung ist eine Verbrennungskraftmaschine 10 zu entnehmen, deren Einlassseite mit Bezugszeichen 46 bezeichnet ist und deren Auslassseite mit Bezugszeichen 48 identifiziert ist. Von der Auslassseite 48 der Verbrennungskraftmaschine 10 aus erstreckt sich ein Abgastrakt 12, in welchem ein Abgassammelrohr 16 angeordnet ist. Über das Abgassammelrohr 16 wird der Abgasmassenstrom der Verbrennungskraftmaschine 10 über mindestens einen Katalysator und mindestens einen Schalldämpfer ins Freie geleitet. Im Abgastrakt 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 befindet sich mindestens ein Abgaswärmetauscher 18.
Der mindestens eine Abgaswärmetauscher 18 ist Bestandteil eines mit Bezugszeichen 54 identifizierten Dampfkreislaufes. Die Komponenten des Dampfkreislaufes 54 sind in der Zeichnung durch gestrichelte Linien hervorgehoben und einen Kreislauf bildend markiert. Auf der Einlassseite 46 der in der Zeichnung als Vierzylinder-Verbrennungskraftmaschine dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 befindet sich ein Ansaugtrakt 14, in dem ein Verdichterteil 24 einer Aufladeeinrichtung 20 angeordnet ist. Dem Verdichterteil 24 ist ein Luftfilter 28 vorgeschaltet sowie ein Ladeluftkühler 30 nachgeschaltet. Über den Luftfilter 28 gelangt Frischluft in den Ansaugtrakt 14 der Verbrennungskraftmaschine 10, wird durch den Verdichterteil 24 verdichtet und als vorverdichtete Frischluft dem Ladeluftkühler 30 zugeführt, von wo aus die vorverdichtete, im Ladeluftkühler 30 abgekühlte Luft in die einzelnen Zylinder der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 geleitet wird.
Der gestrichelt hervorgehobene Kreislauf 54 des Arbeitsmediums, wie z. B. Wasser, umfasst neben dem mindestens einen Wärmetauscher 18, der im Abgastrakt 12 angeordnet ist, einen Turbinenteil 22, in dem der im Wärmetauscher 18 erzeugte, überhitzte Dampf entspannt wird. Stromab des Turbinenteiles 22 der Aufladeeinrichtung 20 verläuft eine Leitung innerhalb des Kreislaufes 54 des Arbeitsmediums, wie z. B. Wasser, in dem der Dampf im Aggregatzustand Gasphase 52 einem Zusatzkühler 32 zuströmt. Der Zusatzkühler 32 stellt einen Dampfkondensator dar, welchen das zirkulierende Arbeitsmedium, z. B. Wasser, in Flüssigphase 50 verlässt, um einem Förderaggregat 36 in Gestalt einer Pumpe in Flüssigphase 50 zuzuströmen. Durch die Pumpe 36 erfolgt eine Förderung des Arbeitsmediums, welches im flüssigen Aggregatzustand 50 vorliegt, und eine Einleitung in den mindestens einen Wärmetauscher 18 im Abgastrakt 12 der Verbrennungskraftmaschine. Durch die dem Abgas innewohnende Wärme erfolgt eine Verdampfung des in Flüssigphase 50 in den mindestens einen Abgaswärmetauscher 18 eintretenden Arbeitsmediums und dessen Überführung in die Gasphase 52. Als Dampf verlässt das Arbeitsmedium den mindestens einen Wärmetauscher 18 und strömt dem bereits erwähnten Turbinenteil 22 der Aufladeeinrichtung 20 zu.
Aus der Darstellung gemäß der Zeichnung geht hervor, dass die Aufladeeinrichtung 20 eine Kopplung 26 aufweist, die den mindestens einen Turbinenteil 22 mit dem Verdich terteil 24 mechanisch koppelt, der im Ansaugtrakt 14 der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet ist. Anstelle der in der Zeichnung starr dargestellten Kopplung 26 kann auch eine Kopplung mit mittels einer oder mehrerer Kupplungen zwischen dem mindestens einen Turbinenteil 22, in dem der in dem mindestens einen Abgaswärmetauscher 18 erzeugte Dampf entspannt wird, und dem Verdichterteil 24 der Aufladeeinrichtung 20 vorgesehen sein. Darüber hinaus ist der Turbinenteil 22 der Aufladeeinrichtung 20 über eine Antriebswelle 42 mit dem Förderaggregat 36 verbunden, über welches das Arbeitsmedium komprimiert wird und in den mindestens einen Abgaswärmetauscher 18 gepumpt wird.
Darüber hinaus verläuft vom Turbinenteil 22 der Aufladeeinrichtung 20 entweder unmittelbar mit der Turbinenwelle des Turbinenteils 22 gekoppelt oder mittelbar über das Förderaggregat 36 angetrieben eine Antriebswelle 44 zu einer elektrischen Maschine 38. Bei der elektrischen Maschine 38 handelt es sich bevorzugt um eine solche, die sowohl im Generatormodus als auch im Motorbetriebsmodus betrieben werden kann.
Die elektrische Maschine 38 wird beim Start der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 über den Energiespeicher 40, zum Beispiel die Fahrzeugbatterie, versorgt, bis sich im Kreislauf 54 des Arbeitsmediums ein ausreichender Dampfdruck aufgebaut hat, so dass die Zirkulation innerhalb des Kreislaufes 54 des Arbeitsmediums in Gang kommt. Die elektrische Maschine 38 wird als regelbarer Generator betrieben, über den eine Förderleistungsregelung der Aufladeeinrichtung 20 realisiert wird. Wird die elektrische Maschine zum Beispiel im Generatormodus betrieben, so wird der Ladedruck an der Aufladeeinrichtung 20 abgesenkt. Wird die elektrische Maschine 38 jedoch im Motormodus betrieben, so kann an der Aufladeeinrichtung 20 eine Ladedruckerhöhung erreicht werden.
Im Betrieb des Kreislaufes 54 des Arbeitsmediums speist die elektrische Maschine 38 elektrische Leistung in das Bordnetz des Kraftfahrzeuges ein und entlastet damit den Generator, der an der Verbrennungskraftmaschine 10 vorgesehen ist. Je nach Auslegung der elektrischen Maschine 38 kann der der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordnete Generator entweder wesentlich kleiner dimensioniert werden oder vollständig entfallen.
Mit Hilfe der im Generatormodus betreibbaren elektrischen Maschine 38 kann im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine 10 nicht genutzte überschüssige Energie in elektrische Leistung umgewandelt und in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist werden.
Da die elektrische Maschine 38 entweder unter Zwischenschaltung des Förderaggregates 36 über die Antriebswelle 44 oder unmittelbar über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Antriebswelle vom Turbinenteil 22 der Aufladeeinrichtung 20 angetrieben ist und der Leistungsregelung der Aufladeeinrichtung 20 dient, kann bei entsprechender Auslegung der elektrischen Maschine 38 der ansonsten an der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 eingesetzte Generator entfallen.
Aus der Darstellung gemäß der Zeichnung geht hervor, dass der Kreislauf 54 des Arbeitsmediums im Wesentlichen den mindestens einen Abgaswärmetauscher 18, den Turbinenteil 22 der Aufladeeinrichtung 20, den Zusatzkühler 32 und das Förderaggregat 36 umfasst. Aus der Darstellung gemäß der Zeichnung geht hervor, dass im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung das Turbinenteil 22 der Aufladeeinrichtung 20, welches mit dem von dem mindestens einen Abgaswärmetauscher 18 gelieferten überhitzten Dampf beaufschlagt wird und diesen expandiert, nicht unmittelbar auf die Kurbelwelle der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 wirkt, sondern stattdessen den im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine 14 untergebrachten Verdichterteil 24 der ein- oder mehrstufig ausbildbaren Aufladeeinrichtung 20 antreibt. Daneben wird mechanische Leistung vom Verdichterteil 22 zum Antrieb des Förderaggregates 36 sowie zum Antrieb der elektrischen Maschine 38 im Betriebsmodus Generatorbetrieb abgezweigt. Dies erlaubt eine Reduktion der Gaswechselarbeit der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 durch den Entfall der andernfalls im Abgastrakt 12 vorzusehenden Turbine eines Abgasturboladers, wodurch sich der Abgasgegendruck reduziert, sowie entweder eine kleinere Dimensionierung des Generators, der an der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, oder den Verzicht auf diesen.
Anstelle des in der Zeichnung dargestellten einen Abgaswärmetauschers 18 können zur Erhöhung der erzeugten Dampfmenge im Kreislauf 54 des Arbeitsmediums im Abgas trakt 12 der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 ein oder mehrere weitere Abgaswärmetauscher 18 – abhängig vom zur Verfügung stehenden Bauraum – untergebracht werden. Auch kann anstelle des im Kreislauf 54 des Arbeitsmediums vorgesehenen einen Förderaggregates 36 ein weiteres Förderaggregat in Gestalt einer weiteren Pumpe vorgesehen sein. Die in der Zeichnung dargestellte Aufladeeinrichtung 20 umfasst einen Verdichterteil 24 sowie einen mit überhitztem Dampf beaufschlagten Turbinenteil 22, in dem der überhitzte Dampf expandiert wird. Anstelle der in der Zeichnung einstufig dargestellten Aufladeeinrichtung 20 kann dieser auch zwei oder mehrere Fluten enthalten. Des Weiteren ist auch denkbar, die Aufladeeinrichtung 20 als Registeraufladeeinrichtung zu gestalten, bei dem eine Hochdruckstufe eine Niederdruckstufe steuert und umgekehrt.

Claims

Aufladeeinrichtung (20), insbesondere zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine (10), in deren Abgastrakt (12) mindestens ein Abgaswärmetauscher (18) eines Kreislaufes (54) des Arbeitsmediums untergebracht ist und dem mindestens einen Wärmetauscher (18) ein Förderaggregat (36) im Kreislauf (54) des Arbeitsmediums vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (54) des Arbeitsmediums mindestens einen Turbinenteil (22) enthält, über den mindestens ein im Ansaugtrakt (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneter Verdichterteil (24) angetrieben ist.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Turbinenteil (22) der Aufladeeinrichtung (20) mit dem mindestens einen Verdichterteil (24) über eine Kopplung (26) gekoppelt ist.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Turbinenteil (22) der Aufladeeinrichtung (20) mit mindestens einem Förderaggregat (36), insbesondere einer Pumpe, gekoppelt ist.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Turbinenteil (22) der Aufladeeinrichtung (20) über eine Kopplung (42, 44) mittelbar oder unmittelbar mit mindestens einer elektrischen Maschine (38) gekoppelt ist, die zumindest im Generatormodus betreibbar ist.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (54) des Arbeitsmediums stromab des mindestens einen Turbinenteiles (22) mindestens einen Zusatzkühler (32) zur Dampfkondensation enthält.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Turbinenteil (22) des Kreislaufes (54) des Arbeitsmediums mit dem Verdichterteil (24) im Ansaugtrakt (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) über eine eine Kupplung enthaltende Kopplung (26) gekoppelt ist.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbau der Zirkulation des Dampfes im Kreislauf (54) des Arbeitsmediums das Bordnetz des Fahrzeugs über die mit dem mindestens einen Turbinenteil (22) der Aufladeeinrichtung (20) mittelbar oder unmittelbar gekoppelte elektrische Maschine (38) versorgt wird.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugtrakt (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) dem Verdichterteil (24) der Aufladeeinrichtung (20) nachgeschaltet, mindestens ein Wärmetauscher (30) als Ladeluftkühler angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck im Ansaugtrakt (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine (38) regelbar ist.
Aufladeeinrichtung (20) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck bei Betrieb der elektrischen Maschine (38) im Generatormodus abgesenkt oder der Ladedruck bei Betrieb der elektrischen Maschine im Motormodus erhöht wird.