DE102009028153A1

DE102009028153A1 - Antriebseinrichtung mit einem Verbrennungsmotor und einer eine Verlustwärme nutzenden Expansionsmaschine

Info

Publication number: DE102009028153A1
Application number: DE200910028153
Authority: DE
Inventors: Mark Dr. Mohr; Bernhard Sich
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-03
Also published as: WO2011012441A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, mit einem Verbrennungsmotor (2), und eine mit 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. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Expansionsmaschine (22) mit einem im Betrieb der Antriebseinrichtung drehenden Element einer dem Verbrennungsmotor (2) nachgeordneten Getriebeanordnung (4) koppelbar bzw. gekoppelt ist. Auf diese Weise wird die vorhandene Infrastruktur der Getriebeanordnung (4) zur Integration der Expansionsmaschine (22) genutzt, da für die Ankopplung der Expansionsmaschine mehrere drehende Getriebeelemente zur Verfügung stehen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Expansionsmaschine (30) über eine schaltbare Kupplung (32) und eine Zahnradpaarung (52, 50) an eine Nebenabtriebswellle (48) angekoppelt, die ihrerseits mit der Primärseite eines Anfahrelementes antriebsverbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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.
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.
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.
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.
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.
Die DE 10 2007 052 169 A1 und die DE 10 2007 052 117 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.
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.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Antriebsverbindung lässt sich beispielsweise mit einem bekannten Schrägachsen- oder Schrägscheibenhydromotor verwirklichen.
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.
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.
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.
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.
Um einen möglichst großen Anteil der Verlustwärme des Verbrennungsmotors zu nutzen, ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass dem Wärmetauscher Verlustwärme von einem oder mehreren der folgenden Wärmeträger zugeleitet wird: Motorabgas, Motoröl, Motorkühlwasser, Getriebeöl, Arbeitshydrauliköl.
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.
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.
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.
Die Erfindung lässt sich anhand mehrerer Ausführungsbeispiele weiter erläutern. Dazu ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt
1 schematisch eine Antriebseinrichtung mit einem Verbrennungsmotor, einer diesem zugeordneten Getriebeanordnung und einer mit der Getriebeanordnung gekoppelten bzw. koppelbaren Expansionsmaschine, und
2 schematisch zwei Beispiele für eine Anordnung, mittels der die Expansionsmaschine mit einem dem Antriebsmotor zugeordneten Anfahrelement koppelbar ist.
Die in 1 dargestellte Antriebseinrichtung umfasst einen herkömmlichen Kolben-Verbrennungsmotor 2, welcher über eine nachgeordnete Getriebeanordnung 4 und ein Achsgetriebe 6 die Antriebsräder 8 antreibt.
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.
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 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.
Wie die 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.
Wie in der 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.
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.
Die 2 zeigt unterhalb einer strichpunktierten Getriebelängsachse 34 schematisch eine Strömungskupplung bzw. einen hydrodynamischen Wandler 36 mit einem mit dem nicht dargestellten Antriebsmotor verbundenen primärseitigen 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.
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 sekundärseitige Kupplungsscheibe 58 ist in analoger Weise über die Zahnräder 46', 50 und 52 sowie die schaltbare Kupplung 32 mit der Expansionsmaschine koppelbar.
Bezugszeichenliste

2: Kolben-Verbrennungsmotor
4: Getriebeanordnung
6: Achsgetriebe
8: Antriebsräder
10: Kühler
12: Verbindungsleitung
14: Abgasleitung
16: Einrichtung zur Abgasnachbehandlung
18: Wärmetauscher
20: Geschlossener Dampfkreislauf
22: Expansionsmaschine
24: Wärmetauscher
26: Speisepumpe
28: Antriebspfad Expansionsmaschine-Achsgetriebe
30: Expansionsmaschine
32: Schaltbare Kupplung
34: Getriebelängsachse
36: Hydrodynamischer Wandler
38: Pumpenrad
40: Getriebeeingangswelle
42: Turbinenrad
44: Leitrad
46: Zahnrad
46': Zahnrad
48: Nebenabtriebswelle
50: Zahnrad
52: Zahnrad
54: Reibungskupplung
56: Primärseitige Kupplungsscheibe
58: Sekundärseitige Kupplungsscheibe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19610382 A1 [0004]
- DE 10054022 A1 [0005]
- DE 102006036122 A1 [0006]
- DE 102007052169 A1 [0007]
- DE 102007052117 A1 [0007]

Claims

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.
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.
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.
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.
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.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine mit einem antriebsseitigen Element der Getriebeanordnung (4) koppelbar bzw. gekoppelt ist.
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.
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.
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.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine mit einem Nebenabtrieb (PTO) der Getriebeanordnung koppelbar bzw. gekoppelt ist.
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.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionsmaschine (22, 30) abgegebene Energie ganz oder teilweise einem Energiespeicher zuführbar ist.
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.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisepumpe des Dampfkreislaufes durch eine Abgasturbine des Verbrennungsmotors (2) antreibbar ist.