DE102009045380A1

DE102009045380A1 - Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102009045380A1
Application number: DE102009045380A
Authority: DE
Inventors: Thomas Proepper
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2011-04-07
Also published as: US20120260654A1; BR112012007994A2; EP2486257A1; CN102656348A; WO2011042297A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung (1), mit einer Aufladevorrichtung (3) zur Erhöhung des Drucks und des Massenstroms der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine (2) und einem Dampferzeuger (18) zur Verdampfung eines Fluids unter Verwendung von dem Abgas der Brennkraftmaschine (2) entnommener thermischer Energie. Dabei ist vorgesehen, dass der Dampferzeuger (18) an einen Dampfspeicher (20) angeschlossen ist und dass die Aufladevorrichtung (3) ein Abgasturbolader (7) ist, dessen Antriebsturbine sowohl mit Abgas als auch mit Dampf aus dem Dampfspeicher (20) zumindest teilweise beaufschlagbar ist, wobei der Dampfdruck und/oder Dampfmassenstrom des dem Abgasturbolader (7) zugeführten Dampfes regelbar und/oder steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, mit einer Aufladevorrichtung zur Erhöhung des Drucks und des Massenstroms der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine und einem Dampferzeuger zur Verdampfung eines Fluids unter Verwendung von dem Abgas der Brennkraftmaschine entnommener thermischer Energie.
Stand der Technik
Derartige Antriebseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2006 057 247 A1 eine Aufladeeinrichtung, insbesondere zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine. In einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine ist mindestens ein Wärmetauscher eines Kreislaufes des Arbeitsmediums untergebracht. Dem mindestens einen Abgaswärmetauscher ist ein Förderaggregat im Kreislauf des Arbeitsmediums vorgeschaltet. Dabei ist vorgesehen, dass der Kreislauf des Arbeitsmediums mindestens einen Turbinenteil enthält, über den mindestens ein im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneter Verdichterteil angetrieben ist. Mit Wärme aus dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine wird somit die Aufladeeinrichtung zur Erhöhung des Drucks in dem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine betrieben. Eine ähnliche Einrichtung ist in der GB 2 060 766 A beschrieben. Die DE 199 39 289 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Aufbereitung von Gasgemischen.
Zur Steigerung des Wirkungsgrads sowie der spezifischen Leistung und der volumetrischen Effizienz von Brennkraftmaschinen ist die Ladeluftverdichtung beispielsweise mittels Kolbenverdichtern oder Turbinen bekannt. Die zur Erhöhung des Drucks und Massenstroms benötigte Energie wird dem Abgas der Brennkraftmaschine entnommen, indem mittels eines Dampferzeugers Fluid unter Verwendung der thermischen Energie des Abgases verdampft wird. Somit kann wenigstens ein Teil der Energie des einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine durchströmenden Abgases zurückgewonnen werden und zur Erhöhung der Effizienz der Brennkraftmaschine verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber weist die Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, dass die Effizienz der Brennkraftmaschine weiter erhöht werden kann, insbesondere durch eine gesteigerte Nutzung der in dem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Energie. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Dampferzeuger an einen Dampfspeicher angeschlossen ist und dass die Aufladevorrichtung ein Abgasturbolader ist, dessen Antriebsturbine sowohl mit Abgas als auch mit Dampf aus dem Dampfspeicher zumindest teilweise beaufschlagbar ist, wobei der Dampfdruck und/oder Dampfmassenstrom des dem Abgasturbolader zugeführten Dampfes regelbar und/oder steuerbar ist. Der Abgasturbolader wird zur Verbesserung des Füllgrads beziehungsweise der volumetrischen Effizienz der Brennkraftmaschine und zur Verringerung der von dieser während eines Ansaugtakts zu leistenden Saugarbeit verwendet. Diese Maßnahmen erhöhen im Allgemeinen das Leistungsvermögen und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Der Abgasturbolader weist üblicherweise mindestens eine Antriebsturbine und mindestens einen Luftverdichter auf, wobei die Antriebsturbine den Luftverdichter antreibt. Die Antriebseinrichtung weist einen Abgastrakt und einen Dampfkreislauf auf. Ersterer wird von dem Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt, in letzterem ist der erzeugte Dampf beziehungsweise das Fluid vorgesehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Abgasturbine zusätzlich zu dem Abgas auch mit Heiß- und/oder Sattdampf zu beaufschlagen. Der Abgastrakt und der Dampfkreislauf können dabei vollständig voneinander getrennt verlaufen, jedoch auch zumindest bereichsweise miteinander verbunden sein, sodass ein Vermengen des Dampfes mit dem Abgas stattfinden kann. Der Dampf wird durch Verdampfung des Fluids mittels des Dampferzeugers unter Verwendung der in dem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen thermischen Energie erzeugt. Dabei ist es nicht notwendig, der Aufladevorrichtung beziehungsweise dem Abgasturbolader das gesamte Abgas und/oder den gesamten erzeugten Dampf zuzuführen. Vielmehr ist es vorteilhaft, wenn die zugeführten Anteile des Abgases beziehungsweise des Dampfes einstellbar sind. Besonders vorteilhaft ist es, den gewonnenen Dampf nicht unmittelbar dem Abgasturbolader zuzuführen, sondern zunächst in dem Dampfspeicher zu speichern, um ihn mit Hinblick auf den augenblicklichen Betriebszustand der aufzuladenden Brennkraftmaschine auf gesteuerte und/oder geregelte Weise in den Abgasturbolader einzuleiten. Dazu sieht die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung den Dampfspeicher oder Dampfdruckspeicher (Dampfkessel) vor, aus dem der Dampf zur Beaufschlagung des Abgasturboladers beispielsweise in Gestalt von Sattdampf oder zur Einleitung in einen Überhitzer und anschließender Beaufschlagung des Abgasturboladers entnommen wird. Das Steuern und/oder Regeln kann stufenlos vorgesehen sein und erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von einem Abgasdruck und/oder einem Abgasmassenstrom.
Der Abgasturbolader wird vor allem mit dem Abgas der Brennkraftmaschine betrieben. Mit dem erzeugten Dampf ist er jedoch zumindest unterstützend betreibbar. Dieser kann dabei vor allem einer augenblicklichen Ladedrucksteigerung des Abgasturboladers und damit einer schnellen Drehzahl- und/oder Drehmomentsteigerung der Brennkraftmaschine unabhängig von Brennkraftmaschinen- und/oder Abgasturboladerdrehzahl, Ladedruck, Luftmassenstrom in die Brennkraftmaschine, Abgasdruck und/oder Abgasmassenstrom dienen. Durch das zusätzliche Zuführen von Dampf wird das üblicherweise träge Ansprechverhalten des Abgasturboladers überwunden, indem die Antriebsturbine des Abgasturboladers sehr schnell beschleunigt wird, sobald eine agile Leistungsentfaltung erforderlich ist. Dies ist insbesondere bei einer Beschleunigung der Brennkraftmaschine unter hoher Drehmomentanforderung aus dem Teillastbereich heraus oder in Überholmanövern mit höheren Geschwindigkeiten – falls die Antriebseinrichtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird – der Fall.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung hat weiterhin den Vorteil, das Abgas der Brennkraftmaschine vor Eintritt in eine Abgasnachbehandlungseinrichtung auf geregelte und/oder gesteuerte Betriebsweise auf den gewünschten Temperaturbereich abkühlen zu können. Dies ist insbesondere bei Otto-Motoren mit Abgas-Spitzentemperaturen von höher als 1000°C vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungseinrichtung notwendig, da die üblicherweise als Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehenen 3-Wege- oder NO_x-Speicherkatalysatoren in einem Temperaturbereich optimaler Reduktionsraten von 400°C bis 750°C beziehungsweise 300°C bis 450°C zu betreiben sind. Weiterhin wird eine Wärmeabstrahlung der Brennkraftmaschine, insbesondere eines Abgaskrümmers, und eines motornahen Abschnitts des Abgastrakts in einen Motorraum hinein verringert. Weiterhin können bei Abgasturboladern mit Stoßaufladung, wie sie beispielsweise in langsam und mittelschnell laufenden Dieselmotoren eingesetzt werden, mit dem Dampf der Beaufschlagungsdruck und Abgasmassenstrom der Abgasturbine des Abgasturboladers vergleichmäßigt werden. Dies ist insbesondere bei mehrflutig angeströmten Abgasturboladern möglich. Grundsätzlich sind zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung technisch vorteilhaft: Zum einen in Gestalt eines offenen Dampfkreislaufs, in dem der Dampf stromaufwärts des Abgasturboladers in den Abgasstrom eingeleitet wird und das Abgas-Dampf-Gemisch ein einziges Turbinenrad zum Antrieb des Luftverdichters beaufschlägt, zum anderen in Gestalt eines vom Abgasstrom getrennten und geschlossenen Dampfkreislaufs, wobei sich der Dampf nicht mit dem Abgas mischt und über ein Dampfturbinenrad strömt, das auf derselben Welle vorgesehen ist, wie ein Abgasturbinenrad, welches nur mit Abgas angeströmt wird. Abgastrakt und Dampfkreislauf sind also voneinander getrennt. Es kann auch vorgesehen sein, den Dampf nebenflutig zum Abgasstrom in eine Abgasturbine mit zweiflutiger Anströmung des Turbinenrads einzuleiten.
Zur Speicherung des erzeugten Dampfes ist der Dampfspeicher vorgesehen. Nach der Erzeugung des Dampfes mittels des Dampferzeugers wird dieser also nicht sofort dem Abgasturbolader zugeführt, sondern in dem Dampfspeicher zwischengespeichert. Der in dem Dampfspeicher gespeicherte Dampf ist vorzugsweise ein Sattdampf, der Dampfspeicher kann mithin auch als Sattdampfspeicher oder Sattdampfkessel bezeichnet werden. In dem Dampfspeicher wird der Dampf lediglich zwischengespeichert, es erfolgt keinerlei Entnahme von in dem Dampf enthaltener Energie. Das Speichervermögen des Dampfspeichers ermöglicht ohne mechanische Zusatzaggregate mit rotierenden Elementen und zusätzlichen Trägheitsmomenten ein sehr agiles Ansprechen des Abgasturboladers auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine sowie bei geringen Abgas- und Ladeluftmassenströmen der Brennkraftmaschine. In dem Dampfspeicher stellt sich abhängig von der Temperatur des eingespeisten Dampfs ein Sättigungsdampfdruck ein. Der Dampfspeicher kann fortwährend mit Dampf beschickt werden, solange die Brennkraftmaschine mit ausreichend hohen Abgastemperaturen betrieben wird. Vorteilhafterweise ist die Wandung des Dampfspeichers thermisch isoliert. Vorzugsweise ist sein Fassungsvermögen groß genug, um auch während längerer Betriebsphasen der Brennkraftmaschine mit geringer Leistungsabgabe sowie geringer Abgastemperatur und geringem Abgasmassenstrom ausreichend Dampf vorhalten zu können zum Zweck der raschen Beschleunigung der Antriebsturbine. Dies wiederum hat das erwünschte agile Ansprechen des Abgasturboladers beziehungsweise dessen Luftverdichters auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine sowie geringen Abgas- und Ladeluftmassenströmen zur Folge. Weiterhin kann vorgesehen sein, zumindest einen Teil des dem Dampfspeicher entnommenen Dampfes, insbesondere Sattdampfes, dem Abgasturbolader unmittelbar zuzuführen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Entnahme der thermischen Energie ein, insbesondere stromabwärts des Abgasturboladers angeordneter, Wärmetauscher vorgesehen ist. Mittels des Wärmetauschers wird dem Abgas thermische Energie entnommen und dem Dampferzeuger zugeführt. Dabei ist es vorteilhaft, den Wärmetauscher derart anzuordnen, dass mit ihm Restenergie entzogen werden kann, die nach einem Durchströmen des Abgasturboladers noch in dem Abgas enthalten ist. Der Wärmetauscher und der Dampferzeuger können auch integriert ausgeführt sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Teil des Dampfes mit dem Abgas stromaufwärts des Abgasturboladers oder in dem Abgasturbolader zusammengeführt ist. Wie bereits vorstehend ausgeführt, können sich Abgastrakt und Dampfkreislauf durchaus zumindest bereichsweise überschneiden. In diesem Bereich wird der Dampf zusammen mit dem Abgas, beispielsweise in einer gemeinsamen Leitung, geführt. Über die gemeinsame Leitung kann das Gemisch aus Abgas und Dampf zusammen dem Abgasturbolader beziehungsweise dessen Antriebsturbine zugeführt werden. Dabei wird das Turbinenrad einflutig durch lediglich eine Düse mit dem Abgas-Dampf-Gemisch beaufschlagt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Zusammenführen von Dampf und Abgas erst innerhalb des Abgasturboladers, jedoch vorzugsweise vor oder in der Antriebsturbine, vorgesehen ist. Durch das Zusammenführen vor beziehungsweise in dem Abgasturbolader wird zum Einen der den Abgasturbolader durchströmende Massenstrom erhöht und gleichzeitig die Temperatur des Abgases gesenkt, sofern die Dampftemperatur die Abgastemperatur nicht überschreitet, was insbesondere im Volllastbereich von Otto- und Dieselmotoren der Fall ist, sodass die thermische Belastung des Abgasturboladers verringert werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht einen stromabwärts des Abgasturboladers angeordneten Kondensator und/oder Abscheider zur Wiedergewinnung des Fluids aus dem Abgas vor. Wenn der Dampf mit dem Abgas zusammengeführt ist, ist es sinnvoll, diesen nicht zusammen mit dem Abgas aus der Antriebseinrichtung in eine Umgebung der Antriebseinrichtung abzugeben. Es soll vielmehr das Fluid zu einer erneuten Verwendung aus dem Abgas zurückgewonnen werden. Zu diesem Zweck ist der Abscheider und/oder Kondensator vorgesehen. Mit diesem wird das Fluid beziehungsweise das verdampfte Fluid aus dem Abgas abgeschieden, sodass es erneut dem Dampfkreislauf zugeführt werden kann. Somit muss lediglich ein vergleichsweise kleiner Vorrat des Fluids mit der Antriebseinrichtung mitgeführt werden und lediglich von Zeit zu Zeit unvermeidliche Verluste des Fluids ausgeglichen werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Abgasturbolader über mindestens eine Abgasflut und mindestens eine Dampfflut verfügt, welche strömungstechnisch voneinander separiert sind. In einer solchen Ausführungsform ist es also vorgesehen, dass der Dampf nicht mit dem Abgas zusammengeführt, sondern getrennt durch den Abgasturbolader geleitet wird. Zu diesem Zweck sind die mindestens eine Abgasflut und die mindestens eine Dampfflut vorgesehen, in welchen vorzugsweise jeweils ein Turbinenrad angeordnet ist. Das Abgas durchströmt dabei die Abgasflut, der Dampf die Dampfflut. Die Turbinenräder, welche den Fluten zugeordnet sind, sind über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden, die gleichzeitig an den Luftverdichter angeschlossen ist. In diesen Ausführungsformen laufen der Abgastrakt und der Dampfkreislauf vollständig voneinander separiert, der Dampf kommt also zu keinem Zeitpunkt in Kontakt mit dem Abgas. Aus diesem Grund ist auch kein zusätzlicher Abscheider beziehungsweise Kondensator notwendig. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Abgas auch bei einer mehrflutigen Ausführung mit dem Dampf zusammengeführt ist. In diesem Fall kann jede Flut auf den jeweiligen Druck beziehungsweise die jeweilige Temperatur des Abgases oder des Dampfes abgestimmt sein. Der Dampf und der Abgasstrom werden bei dieser Ausführungsform beispielsweise getrennt voneinander bis unmittelbar vor ein Turbinenrad der Antriebsturbine geführt und unabhängig voneinander durch je eine Dampfdüse und eine Abgasdüse (Heißgasdüse) in den Abgasturbolader eingeströmt, ohne sich vor der Beaufschlagung zu vermischen. Dampfdüse und Abgasdüse können unabhängig voneinander vorteilhaft auf die strömungsmechanischen und thermischen Verhältnisse in dem Abgas und dem Dampf aufgelegt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Abgasflut und die Dampfflut in einem Gehäuse des Abgasturboladers vorgesehen sind. Es ist also ein gemeinsames Gehäuse ausgebildet, welches vorzugsweise alle Fluten des Abgasturboladers aufnimmt. Alternativ könnte jedoch auch jede Flut über ein eigenes Gehäuse verfügen und die den Fluten zugeordneten Turbinenräder lediglich über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sein. In einer Ausführungsform kann eine zweiteilige Antriebsturbine vorgesehen sein. Dazu weist das Gehäuse mindestens eine Abgasströmungskammer auf, die ein Abgasturbinenrad enthält, und eine davon getrennte Dampfströmungskammer, die ein Dampfturbinenrad enthält. Der Dampf und das Abgas beaufschlagen unabhängig voneinander die zweiteilige Antriebsturbine, ohne sich zu vermischen und strömen getrennt voneinander aus dieser ab. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass mehrere Dampffluten vorgesehen sind, der Abgasturbolader also mit mehreren Dampfströmen beaufschlagt wird. Dabei können ein Sattdampfstrom und ein Heißdampfstrom vorgesehen sein, die nebenflutig dem Abgasturbolader zugeführt sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antriebsturbine des Abgasturboladers mindestens ein Abgasturbinenrad und mindestens ein Dampfturbinenrad aufweist, wobei das Dampfturbinenrad und das Abgasturbinenrad auf einer gemeinsamen Welle vorgesehen sind. Das Abgasturbinenrad ist dabei vorzugsweise der Abgasflut und das Dampfturbinenrad der Dampfflut zugeordnet. Über die gemeinsame Welle wird der Luftverdichter des Abgasturboladers angetrieben.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass strömungstechnisch zwischen dem Dampferzeuger und/oder dem Dampfspeicher und dem Abgasturbolader ein Überhitzer vorgesehen ist. Der Überhitzer wird von Dampf aus dem Dampferzeuger und/oder dem Dampfspeicher durchströmt. Er ist stromaufwärts des Abgasturboladers angeordnet. Dabei wird der Dampf, welcher insbesondere als Sattdampf vorliegt, weiter erhitzt. Der nach dem Überhitzer vorliegende Dampf kann also als Heißdampf bezeichnet werden. Dieser Heißdampf wird anschließend dem Abgasturbolader zugeführt. Dabei kann es durchaus auch vorgesehen sein, dass ein Anteil des dem Abgasturbolader zugeführten Dampfes aus dem Dampfspeicher beziehungsweise dem Dampfkessel und ein weiterer Anteil aus dem Überhitzer stammt. Vorzugsweise sind diese Anteile steuernd und/oder regelnd einstellbar. Auf diese Weise kann die Dampfbeaufschlagung des Abgasturboladers vorteilhaft an die Abgastemperatur sowie den Betriebszustand und die gewünschte Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine angepasst werden. Im geschlossenen Dampfkreislauf kann die das vorstehend beschriebene Dampfturbinenrad beaufschlagende Heiß- und/oder Sattdampfströmung einflutig oder zweiflutig dem Abgasturbolader zugeführt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Überhitzer von einem weiteren, insbesondere stromaufwärts des Turboladers angeordneten, Hochtemperaturwärmetausche mit thermischer Energie beaufschlagbar ist. Der Hochtemperaturwärmetauscher entnimmt wie der Wärmetauscher dem Abgas thermische Energie. Der Ausdruck „Hochtemperaturwärmetauscher” bedeutet dabei lediglich, dass der Temperaturbereich, in welchem der Hochtemperaturwärmetauscher arbeitet, höher ist, als der des Wärmetauschers. Dazu ist es vorteilhaft, wenn der Abgasturbolader an einer Stelle des Abgastrakts angeordnet ist, an welcher das Abgas noch eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Dampfspeicher in einem Abgasführungsrohr angeordnet ist oder dieses umschließt. Das Abgasführungsrohr ist Bestandteil des Abgastrakts. Das Abgasführungsrohr bezeichnet im Wesentlichen alle (Rohr-)Leitungen, welche von Abgas durchströmt sind. Um zu verhindern, dass der in dem Dampfspeicher bevorratete Dampf abkühlt und somit wieder zu dem Fluid kondensiert, soll der Dampfspeicher vorzugsweise ständig wärmebeaufschlagt sein. Dies wird erreicht, indem der Dampfspeicher im Bereich des Abgasführungsrohrs angeordnet wird. Dabei kann sowohl eine Anordnung in dem Abgasführungsrohr als auch um das Abgasführungsrohr herum vorgesehen sein. In ersterem Fall ist darauf zu achten, dass der Dampfspeicher dem in dem Abgasführungsrohr strömenden Abgas einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzt. Zu diesem Zweck kann der Dampfspeicher strömungsgünstig ausgestaltet sein. Umschließt der Dampfspeicher das Abgasführungsrohr, so ist es sinnvoll, dass dieses zumindest in diesem Bereich aus gut wärmeleitfähigem Material besteht. Das Abgasführungsrohr kann auch einen Abgaskrümmer umfassen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht einen dem Dampfspeicher zugeordneten Wärmespeicher vor. Der Wärmespeicher kann beispielsweise ein Latentwärmespeichermedium umfassen, dessen Aggregatzustand im Bereich der gewünschten Dampftemperatur von fest nach flüssig wechselt. Auf diese Weise kann die Temperatur des in dem Dampfspeicher vorliegenden Dampfes auch dann auf der gewünschten Temperatur gehalten werden, wenn dem Abgas lediglich wenig thermische Energie entnommen werden kann oder ein Überschuss thermischer Energie vorliegt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass stromabwärts und/oder stromaufwärts des Dampferzeugers mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist beispielsweise ein Katalysator oder ein Filter.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung in einer ersten Ausführungsform, wobei ein Dampfkreislauf bereichsweise gemeinsam mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine verläuft und ein Wärmetauscher stromabwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist,
2 die aus 1 bekannte Antriebseinrichtung, wobei jedoch der Wärmetauscher stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist,
3 eine zweite Ausführungsform der Antriebseinrichtung, bei welcher der Dampfkreislauf getrennt von dem Abgastrakt verläuft, der Dampfkreislauf also geschlossen und von dem Abgastrakt getrennt ausgebildet ist,
4 die aus 3 bekannte Antriebseinrichtung, wobei eine Fluidzuführung in einen Dampfspeicher vorgesehen ist,
5a den Dampfspeicher in einer ersten Ausführungsform, und
5b den Dampfspeicher in einer zweiten Ausführungsform.
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Antriebseinrichtung 1 mit einer Brennkraftmaschine 2 und einer Aufladevorrichtung 3. Die Aufladevorrichtung 3 verfügt über einen Turbinenteil 4, welche zumindest eine Antriebsturbine aufweist, und einen Verdichterteil 5, die über eine Welle 6 miteinander in Wirkverbindung stehen. Die Aufladevorrichtung 3 ist ein Abgasturbolader 7, dessen Turbinenteil 4 zumindest von Abgas der Brennkraftmaschine 2 durchströmt wird. Mittels eines in dem Turbinenteil 4 vorgesehenen Turbinenrads wird Strömungsenergie des Abgases in mechanische Energie umgewandelt und über die Welle 6 dem Verdichterteil 5 zur Verfügung gestellt. Der Verdichterteil 5 dient wiederum dazu, insbesondere aus einer Umgebung der Antriebseinrichtung 1 stammende, Luft zu komprimieren und somit auf einen höheren Druck zu bringen. Die komprimierte Luft wird anschließend der Brennkraftmaschine 2 zugeführt. Die daraus resultierenden Abgase werden aus Zylindern 8 der Brennkraftmaschine 2 mittels eines Abgaskrümmers 9 zusammengeführt und in einem Abgasführungsrohr 10 abgeleitet. Der Abgaskrümmer 9 ist beispielsweise als Fächerkrümmer ausgebildet. An diesen schließt sich ein Abgassammelrohr 10' an, welches Bestandteil des Abgasführungsrohrs 10 ist. Selbstverständlich kann die Brennkraftmaschine 2 auch mehrere Zylinderbänke aufweisen, in diesem Fall sind sowohl mehrere Abgaskrümmer 9 als auch Abgassammelrohre 10' beziehungsweise Abgasführungsrohre 10 vorgesehen. Durch das Abgasführungsrohr 10 gelangt das Abgas zumindest in den Turbinenteil 4 der Aufladevorrichtung 3. Stromabwärts der Aufladevorrichtung 3 beziehungsweise des Abgasturboladers 7 sind eine erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 und eine zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 seriell angeordnet. Die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 ist dabei ein SCR-Katalysator. Bisher beschriebene abgasführende Teile, wie beispielsweise das Abgasführungsrohr 10, bilden einen Abgastrakt 13, durch welchen das Abgas von der Brennkraftmaschine 2 abgeführt wird.
Die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 besteht beispielsweise bei einem Dieselmotor aus einem HC-Oxidationskatalysator (DOC) und einem Dieselpartikelfilter (DPF), bei einem Otto-Motor in der Regel aus einem 3-Wege-Katalysator. Die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 kann bei einem Dieselmotor aus einem Reduktions-Katalysator mit vorgelagerter Harnstoff-Dosiervorrichtung beziehungsweise -Einspritzung (SCR), und bei einem, insbesondere direkt einspritzenden, schichtgeladenen Otto-Motor aus einem NO_x-Speicherkatalysator (NSC) bestehen. Die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 arbeitet üblicherweise bei niedrigeren Temperaturen als die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 und ist daher stromabwärts von dieser angeordnet.
In der 1 ist weiterhin ein Dampfkreislauf 14 dargestellt. In diesem wird Dampf erzeugt, welcher ebenfalls dem Abgasturbolader 7 zuführbar ist. Dabei weisen der Abgastrakt 13 und der Dampfkreislauf 14 einen gemeinsamen Bereich 15 auf, durch welchen der erzeugte Dampf zusammen mit dem Abgas strömt. Der Dampfkreislauf 14 verfügt zunächst über eine Fluidfördereinrichtung 16, beispielsweise eine Pumpe. Diese ist über eine Fluidleitung 17 mit einem Dampferzeuger 18 verbunden und kann diesem Fluid zuführen. Der Dampferzeuger 18 ist zur Verdampfung des zugeführten Fluids vorgesehen. Nachfolgend des Dampferzeugers 18 gelangt der somit erzeugte Dampf über eine Dampfleitung 19 in einen Dampfspeicher 20, in welchem der Dampf bevorratet wird. Der Dampfspeicher 20 weist ein Dampfventil 21 auf, mittels welchem Dampf aus dem Dampfspeicher 20 entlassen werden kann. Auf diese Weise kann der in dem Dampfspeicher 20 vorliegende Dampfdruck geregelt beziehungsweise begrenzt werden.
Der Dampfspeicher 20 ist über eine erste Zuführleitung 22 und eine zweite Zuführleitung 23 mit dem Abgasturbolader 7 verbunden. Über die Zuführleitungen 22 und 23 kann also Dampf in den Abgasturbolader 7 beziehungsweise dessen Turbinenteil 4 eingebracht werden. Dabei kann der Dampf bereits stromaufwärts des Abgasturboladers 7 mit dem Abgas zusammengeführt oder, wie in der 1 dargestellt, erst in dem Abgasturbolader 7 mit diesem zusammengeführt sein. In der ersten Zuführleitung 22 ist ein Querschnittsverstellelement 24, beispielsweise ein elektrisch verstellbares Drosselventil, angeordnet. Mit diesem kann die Menge des von dem Dampfspeicher 20 in den Abgasturbolader 7 eingebrachten Dampfes steuernd und/oder regelnd eingestellt werden. Weil in dem Dampfspeicher 20 so genannter Sattdampf vorliegt, kann die erste Zuführleitung 22 auch als Sattdampfleitung 25 bezeichnet werden. In der zweiten Zuführleitung 23 ist zunächst ein Überhitzer 26 und stromabwärts von diesem ebenfalls ein Querschnittsverstellelement 27 vorgesehen. Mittels des Überhitzers 26 kann Dampf beziehungsweise Sattdampf überhitzt werden, sodass nachfolgend des Überhitzers 26 Heißdampf vorliegt. Mittels des Querschnittsverstellelements 27, welches beispielsweise ebenfalls ein elektrisch einstellbares Drosselventil ist, kann die dem Abgasturbolader 7 durch eine Heißdampfleitung 28 zugeführte Heißdampfmenge steuernd beziehungsweise regelnd eingestellt werden.
Der über die Sattdampfleitung 25 beziehungsweise die Heißdampfleitung 28 in das Abgas eingebrachte Dampf strömt durch den Abgasturbolader 7, die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 und 12 und einen Abscheider 29. In dem Abscheider 29 wird dem Gemisch aus Abgas und Dampf der Dampf beziehungsweise das Fluid entzogen und über eine Fluidleitung 30 einer Fluidreinigungseinrichtung 31, welche beispielsweise einen Filter aufweist, zugeführt. In der Fluidreinigungseinrichtung 31 wird das Fluid von Verunreinigungen, beispielsweise Schmutzpartikeln, befreit, welche es aus dem Abgas aufgenommen hat. Die Fluidreinigungseinrichtung 31 kann beispielsweise auch eine Entsäuerungseinrichtung aufweisen. Das mittels der Fluidreinigungseinrichtung 31 gereinigte Fluid wird anschließend wieder der Fluidfördereinrichtung 16 zugeführt. Alternativ kann es auch in einen Vorratsbehälter (nicht dargestellt) gelangen, in welchem es gespeichert wird. Aus dem Vorratsbehälter oder von der Fluidreinigungseinrichtung 31 kann das Fluid mittels der Fluidfördereinrichtung 16 wieder dem Dampferzeuger 18 zugeführt werden. Der Dampferzeuger 18 wird zur Verdampfung des Fluids mit thermischer Energie betrieben, die dem Abgas der Brennkraftmaschine 2 mittels eines Wärmetauschers 32 entnommen ist. Der Wärmetauscher 32 ist dabei in dem Abgastrakt beziehungsweise dem Abgasführungsrohr 10 vorgesehen. Der Überhitzer 26 wird mittels eines Hochtemperaturwärmetauschers 33 mit thermischer Energie versorgt. Der Wärmetauscher 32 ist dabei stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 und 12, der Hochtemperaturwärmetausche 33 stromaufwärts (jeweils auf das Abgas bezogen) des Abgasturboladers 7 vorgesehen.
Ein Teil des Sattdampfes wird also aus dem Dampfspeicher 20 in den Überhitzer 26 geleitet, der von dem Hochtemperaturwärmetauscher 33 mit thermischer Energie aus dem Abgas versorgt wird. Über das Querschnittsverstellelement 27 gelangt der somit erzeugte Heißdampf zu dem Abgasturbolader 7. Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Heißdampf durch eine eigene Eintrittsmündung nebenflutig in den Turbinenteil 4 einströmt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Turbinenteils 4 umfasst also eine dreiflutige Anströmung eines nicht dargestellten Turbinenrads, welche eine an unterschiedliche Drücke und/oder Temperaturen des Abgases beziehungsweise des Satt- und/oder Heißdampfes angepasste Gestaltung von Eintrittsdüsen ermöglicht. Eine solche mehrflutige Beaufschlagung des Turbinenteils 4 verhindert ein Strömen des Dampfes ausgehend von dem Abgasturbolader 7 in Richtung der Brennkraftmaschine 2. Eine solche Rückströmung könnte eine turbulente Turbinenanströmung verursachen, welche nachteilig für den Wirkungsgrad des Abgasturboladers wäre. Die Verteilung des Dampfes aus dem Dampfspeicher 20 auf die Heißdampfleitung 28 beziehungsweise die Sattdampfleitung 25 wird mittels der Querschnittsverstellelemente 24 und 27, welche beispielsweise als Drosselventile vorliegen, stufenlos eingestellt. Die dem Abgas mittels der Wärmetauscher 32 und 33 entzogene thermische Energie kann außer zum Verdampfen beziehungsweise Überhitzen des Fluids auch für weitere Zwecke eingesetzt werden. Für ein Kraftfahrzeug kann die Energie beispielsweise an eine Unterboden-Luftströmung oder über entsprechende Vorwärmeinrichtungen an einen aufzuwärmenden Fahrgastraum abgegeben werden. Ebenso vorstellbar ist es, die thermische Energie einem Kühlwasser- oder Ölkreislauf der Brennkraftmaschine 2 zur Verfügung zu stellen, sodass diese schneller erwärmt werden können.
Die in der 1 dargestellte Antriebseinrichtung 1, bei welcher der Wärmetauscher 32 stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 und 12 angeordnet ist, kann üblicherweise verwendet werden, wenn die Brennkraftmaschine 2 ein Otto-Motor ist. Für diesen ist es notwendig, die Temperatur der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 12, welche beispielsweise der NO_x-Speicherkatalysator ist, auf einer Temperatur größer als 300°C zu halten.
Die 2 zeigt dagegen die aus der 1 bekannte Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in einer Anordnung, wie sie eingesetzt werden kann, wenn die Brennkraftmaschine 2 ein Dieselmotor ist. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, den Wärmetauscher 32 stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 anzuordnen, um den Dampferzeuger 18 mit einer ausreichenden Menge thermischer Energie versorgen zu können. Der häufig als Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 vorgesehene SCR-Katalysator arbeitet dagegen auch bei Temperaturen von etwa 170°C wirksam, und kann daher problemlos stromabwärts des Wärmetauschers 32 angeordnet werden.
Die 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Antriebseinrichtung 1. Diese unterscheidet sich hinsichtlich der Ausführung des Dampfkreislaufs 14 und des Abgasturboladers 7 von der ersten Ausführungsform wie in der 1 gezeigt. Weitere für die bezüglicher der 1 und 2 getroffene Aussagen sind daher auch für die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen gültig. Um den in dieser Ausführungsform vorgesehenen, von dem Abgastrakt 13 getrennten Dampfkreislauf 14 zu realisieren, ist zunächst der Turbinenteil 4 mehrflutig (hier: zweiflutig) aufgebaut. Dabei weist er eine Abgasflut 34 und zwei Dampffluten 35 (nicht gesondert dargestellt) auf. Die Abgasflut 34 ist an das Abgasführungsrohr 10 angeschlossen und wird ausschließlich von Abgas durchströmt. Die Dampffluten 35 dagegen werden lediglich von Dampf durchströmt, wobei eine der Dampffluten 35 von der Sattdampfleitung 25 und die andere von der Heißdampfleitung 28 beaufschlagbar ist. Die Fluten 34 und 35 sind also strömungstechnisch voneinander vollständig separiert. Sowohl in der Abgasflut 34 als auch in den Dampffluten 35 ist jeweils ein Turbinenrad vorgesehen, welches von dem Abgas beziehungsweise dem Dampf angetrieben wird. Die Turbinenräder sind über eine gemeinsame Welle 6 mit dem Verdichterteil 5 verbunden. Die Welle 6 ist also sowohl von der Abgasflut 34 als auch der Dampfflut 35 antreibbar. Stromabwärts der Dampffluten 35 des Abgasturboladers 7 ist ein Kondensator 36 vorgesehen, mittels welchem der aus den Dampffluten 35 ausströmender Dampf kondensiert wird, sodass in dem Kondensators 36 das Fluid vorliegt und aus diesem ausbringbar ist. Das Fluid wird in einem Vorratsbehälter 37 gespeichert, aus welchem es mittels der Fluidfördereinrichtung 16 dem Dampferzeuger 18 zugeführt werden kann. Dieser wird, wie bereits anhand von 1 beschrieben, von dem Wärmetauscher 32 – welcher in dem Abgastrakt 13 angeordnet ist – mit thermischer Energie versorgt und dient dazu, das Fluid zu verdampfen. Der erzeugte Dampf wird über die Dampfleitung 19 dem Dampfspeicher 20 zugeführt, aus welchem er über die Zuführleitungen 22 und 23 beziehungsweise die Sattdampfleitung 25 und die Heißdampfleitung 28 dem Abgasturbolader 7 zuführbar ist. Eintrittsdüsen und Turbinenräder der Dampffluten 35 sind jeweils auf die Eigenschaften des Sattdampfes beziehungsweise Heißdampfes optimiert. Die Eintrittsmündungen der Dampffluten 35 können als Lavaldüsen ausgelegt sein. Eine mehrflutige, insbesondere zweiflutige, Ausführung der Dampffluten 35 verhindert eine Dissipation durch turbulente Mischung von Heiß- und Sattdampf in der Turbineneintrittsströmung. Vorzugsweise sind die Abgasflut 34 und die Dampffluten 35 in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht dargestellt) angeordnet. Bei einem leistungsstarken Otto-Motor, bei welchem eine hohe thermische Abgasenergie zur Verfügung steht, kann in dem Abgasturbolader 7 ein Laval-Turbinenrad eingesetzt werden. Der Wärmetauscher 32 kann auch, wie anhand 2 ersichtlich, stromaufwärts zumindest der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 angeordnet sein. Liegt der Dampfkreislauf 14, wie hier, getrennt von dem Abgastrakt 13 vor, so läuft in dem Dampfkreislauf 14 ein Clausius-Rankine-Dampfprozess ab.
Insbesondere bei Otto-Motoren können im Volllastbereich der Brennkraftmaschine 2 hohe Abgastemperaturen oberhalb von 1000°C auftreten, die zu einer thermischen Überbeanspruchung des Abgasturboladers 7 und der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 und 12 führen. Dem wird bei herkömmlichen Antriebseinrichtungen 1 mit einer Volllastanfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches begegnet, was eine Verringerung der Abgastemperaturen gegenüber einer stöchiometrischen Gemischbildung bewirkt. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Temperatur ist in 4 aufgezeigt. In dieser ist die aus der 3 bekannte Antriebseinrichtung 1 gezeigt. Zusätzlich ist es hier jedoch vorgesehen, über eine Frischfluidleitung 38 eine mittels eines Querschnittsverstellelements 39 einstellbare Menge unverdampften Fluids in den Dampfspeicher 20 einzubringen. Vorzugsweise wird das Fluid beim Einbringen in den Dampfspeicher 20 versprüht beziehungsweise vernebelt. Auf diese Weise kann der in dem Dampfspeicher 20 enthaltene Sattdampf angefeuchtet werden, sodass Nassdampf vorliegt. Dieser Nassdampf kann aus dem Dampfspeicher 20 über die erste Zuführleitung 22 beziehungsweise die Sattdampfleitung 25 unmittelbar in den Abgasturbolader 7 einströmen. Der Nassdampf wird in dem Abgasturbolader 7 überhitzt und kühlt ihn dabei ab. Die von dem Nassdampf aufgenommene Wärmemenge entspricht im Wesentlichen der Verdampfungsenthalpie der enthaltenen Flüssigphase, also des über die Frischfluidleitung 38 in den Dampfspeicher 20 eingebrachten Fluids. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Frischfluidleitung 38 und die Querschnittsverstelleinrichtung 39 in der Antriebseinrichtung 1 gemäß den 1 und 2 vorgesehen wird. In diesem kann die Abgastemperatur direkt durch das eingebrachte Fluid abgesenkt werden, sodass die Temperaturbelastung des Abgasturboladers 7 beziehungsweise der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 und 12 vermindert wird.
Die 5a und 5b zeigen jeweils eine Ausführungsform des Dampfspeichers 20. Der Dampfspeicher 20 der 5a ist rohrartig ausgebildet und gemeinsam mit dem Wärmetauscher 32 und dem Dampferzeuger 18 in dem Abgasführungsrohr 10 angeordnet. Das bedeutet, dass sowohl Dampfspeicher 20 als auch Wärmetauscher 32 von dem Abgas durchströmt werden. Auf diese Weise werden Wärmeverluste des Dampfspeichers 20 herabgesetzt. Ebenso wird kein zusätzlicher äußerer Bauraum im Bereich eines Fahrzeugunterbodens beansprucht. In dem Dampfspeicher 20 kann ein Wärmespeicher 40, welcher insbesondere ein Latentwärmespeichermedium umfasst, vorgesehen sein. Der Aggregatzustand dieses Latentwärmespeichermediums wechselt im Bereich der gewünschten Sattdampftemperatur von fest nach flüssig. Mittels des Dampfventils 21 kann Sattdampf aus dem Dampfspeicher 20 in das Abgasführungsrohr 10 entlassen werden.
Die 5b zeigt eine weitere Ausführungsform des Dampfspeichers 20. In dieser umschließt der Dampfspeicher 20 das Abgasführungsrohr 10, vorzugsweise in einem motornahen Bereich. Dabei ist es auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich der Dampfspeicher 20 auch den Abgaskrümmer 9 zumindest bereichsweise umfasst. Dazu ist der Dampfspeicher 20 in Verbindung mit dem Hochtemperaturwärmetauscher 33 und dem Überhitzer 26 vorteilhafterweise als doppelwandiges Formgussteil mit hohem Wärmespeichervermögen ausgebildet. Zusätzlich kann das Formgussteil einen Anbauflansch für die Abgasturbine und einen Abgriff für eine Abgasrückführung, insbesondere eine Hochdruck-Abgasrückführung, vorsehen. In einer Doppelwandung des (Satt-)Dampfspeichers kann wiederum der Wärmespeicher 40 (nicht dargestellt) angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform des Dampfspeichers 20 führt zu einer wesentlichen Verringerung der unerwünschten Wärmeabstrahlung in einem Motorraum der Brennkraftmaschine 2 hinein. Sie nutzt die Hochtemperaturabwärme des Abgaskrümmers 9 zur Überhitzung des Sattdampfes und zur schnellen Herbeiführung der Betriebsbereitschaft während eines Warmlaufens der Brennkraftmaschine 2. Wie auch bereits für den Dampfspeicher 20 der 5a wird auch in dieser Ausführungsform kein zusätzlicher Bauraum im Bereich des Fahrzeugunterbodens beansprucht.
Für die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Antriebseinrichtung 1 sind vorteilhafte Steuerungs- beziehungsweise Regelungsstrategien beziehungsweise Verfahren zum Betreiben der Antriebseinrichtung 1 vorgesehen. Unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 ist eine schnelle Leistungszunahme der Brennkraftmaschine nicht ratsam; ein elektronisches Steuergerät der Brennkraftmaschine 2 wird aus diesem Grund die Beaufschlagung des Abgasturboladers 7 mit Dampf zur schnellen Beschleunigung und Erhöhung des Ladedrucks deshalb begrenzen oder unterbinden, bis Mechanik, Kühlwasser und Schmieröl der Brennkraftmaschine 2 hinreichend erwärmt sind und die Brennkraftmaschine 2 die plötzliche Leistungszunahme ohne Schädigung verkraftet. Bis zur Freigabe der vollen Dampfbeaufschlagung durch das Steuergerät der Brennkraftmaschine 2 wird in dem Dampfspeicher 20 Dampfdruck und Dampfmasse aufgebaut, da durch das Betreiben der Brennkraftmaschine 1 eine dazu bereits ausreichende Abgastemperatur und Abwärmemenge beziehungsweise thermische Energie verfügbar ist.
Mittels der beschriebenen Antriebseinrichtung 1 lässt sich auch ein schneller Warmstart der Brennkraftmaschine 2 in einem „Start-Stopp”-Betrieb erreichen. Der Dampfspeicher 20 hält auch während längerer Betriebspausen der Brennkraftmaschine 2 Druck und Temperatur des Dampfs aufrecht, da die Verdampfung des Fluids und damit die Speisung des Dampfspeichers 20 mit Dampf kontinuierlich arbeitet, solange die Brennkraftmaschine 2 läuft. Dies gilt auch, wenn keine Dampfbeaufschlagung des Abgasturboladers 7 stattfindet. Damit steht fortwährend genügend Dampf bei hohem Druck in dem Dampfspeicher 20 zur Verfügung, um unabhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 und des Abgasturboladers 7 eine sehr schnelle Erhöhung des Ladedrucks und so eine agile Leistungsentfaltung herbeizuführen. Dazu eignet sich insbesondere der Dampfspeicher 20 gemäß den 5a und 5b, welche dazu vorzugsweise mit dem Wärmespeicher 40 versehen sind. Die sofortige Betriebsbereitschaft der Dampfbeaufschlagung zum Abgasturbolader 7 gewährleistet einen sicheren Schnellstart der Brennkraftmaschine 2, indem der schnelle Ladedruckanstieg für eine guten Zylinderbefüllung und eine Verringerung der Saugarbeit während der Startphase verwendet wird, ohne mechanische oder elektrische Leistung zu beanspruchen, welche von der Brennkraftmaschine 2 zur Verfügung gestellt werden müsste.
Ebenso lassen sich eine Abgasnachbehandlung und ein Intervallbetrieb erreichen, insbesondere bei den Ausführungsformen, die anhand der 1 und 2 beschrieben wurde, also bei solchen mit offenem Dampfkreislauf. Während einer Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 und 12, insbesondere eines Dieselpartikelfilters (DPF), wird die Beaufschlagung des Abgasturboladers 7 mit Dampf unterbunden, ebenso während einer Aufwärmehase des Vorkatalysators warmlaufender Otto-Motoren, da in diesen Betriebsphasen vorübergehend höhere Abgastemperaturen erwünscht sind, um die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 und 12 aufzuwärmen. Die Beaufschlagung des Abgasturboladers 7 selbst mit Heißdampf würde die Abgastemperatur zu weit senken. Während dieser Phasen werden also die Querschnittsverstellelemente 24 und 27 geschlossen. Die mittels später Kraftstoff-Nacheinspritzungen (Diesel-Motor) beziehungsweise später Zündungen (Otto-Motor) erhöhte thermische Abgasenergie wird jedoch weiterhin von dem Wärmetauscher 32 und dem Dampferzeuger 18 zur Speisung des Dampfspeichers 20 mit Dampf genutzt. Im Gegensatz dazu muss für die anhand der 3 beschriebene Ausführungsform der Antriebseinrichtung 1, welche den Abgastrakt 13 und den Dampfkreislauf 14 trennt, die Dampfbeaufschlagung des Abgasturboladers 7 nicht unterbrochen werden, auch wenn möglichst hohe Abgastemperaturen der Brennkraftmaschine während einer Regeneration des Dieselpartikelfilters oder einer Aufheizung des 3-Wege-Katalysators erzielt werden sollen.
Mit der beschriebenen Antriebseinrichtung 1 kann auch eine Intervallbeaufschlagung zum Ausgleich von Druckschwankungen in mehrflutig angeströmten Abgasturboladern 7 erreicht werden. Für langsam und mittelschnell laufende Dieselmotoren in Stationäraggregaten, Lkw und Schiffen wird die strömungsmechanisch günstige Stoßaufladung bevorzugt, die auch in einem unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 2 einen hohen Gasmassenstrom und Ladedruck liefert. Um die ausgeprägten Druckschwankungen auszugleichen, wird in Verbindung mit einem zeitlich hochauflösenden Abgas-Drucksensor (nicht dargestellt) und einem elektronischen Steuergerät über das Querschnittsverstellelement 24, welches in diesem Fall als schnell schaltendes Drosselventil ausgebildet ist, in Phasen hohen Abgasdrucks sehr feuchter Nassdampf in den Abgasturbolader 7 eingeleitet. Die Verdampfung der Flüssigphase, das heißt der in dem Dampf enthaltenen Flüssigkeit, senkt Temperatur und Druck der Gasströmung in dem Abgasturbolader 7. Während der Phasen niedrigen Dampfdrucks hingegen wird das Querschnittsverstellelement 24 geschlossen und über das Querschnittsverstellelement 27 trockener Heißdampf aus dem Überhitzer 26 eingeleitet, um den Dampfdruck am Eingang des Abgasturboladers 7 augenblicklich zu erhöhen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006057247 A1 [0002]
GB 2060766 A [0002]
DE 19939289 C1 [0002]

Claims

Antriebseinrichtung (1), mit einer Aufladevorrichtung (3) zur Erhöhung des Drucks und des Massenstroms der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine (2) und einem Dampferzeuger (18) zur Verdampfung eines Fluids unter Verwendung von dem Abgas der Brennkraftmaschine (2) entnommener thermischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampferzeuger (18) an einen Dampfspeicher (20) angeschlossen ist und dass die Aufladevorrichtung (3) ein Abgasturbolader (7) ist, dessen Antriebsturbine sowohl mit Abgas als auch mit Dampf aus dem Dampfspeicher (20) zumindest teilweise beaufschlagbar ist, wobei der Dampfdruck und/oder Dampfmassenstrom des dem Abgasturbolader (7) zugeführten Dampfes regelbar und/oder steuerbar ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entnahme der thermischen Energie ein, insbesondere stromabwärts des Abgasturboladers (7) angeordneter, Wärmetauscher (32) vorgesehen ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Dampfes mit dem Abgas stromabwärts des Abgasturboladers (7) oder in dem Abgasturbolader (7) zusammengeführt ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stromabwärts des Abgasturboladers (7) angeordneten Kondensator und/oder Abscheider (29) zur Wiedergewinnung des Fluids aus dem Abgas.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (7) über mindestens eine Abgasflut (34) und mindestens eine Dampfflut (35) verfügt, welche strömungsmechanisch voneinander getrennt ausgeführt sind.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasflut (34) und die Dampfflut (35) in einem Gehäuse des Abgasturboladers (7) vorgesehen sind.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsturbine des Abgasturboladers (7) mindestens ein Abgasturbinenrad und/oder mindestens ein Dampfturbinenrad aufweist, wobei das Dampfturbinenrad und das Abgasturbinenrad auf einer gemeinsamen Welle vorgesehen sind.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch zwischen dem Dampferzeuger (18) und/oder dem Dampfspeicher (20) und dem Abgasturbolader (7) ein Überhitzen (26) vorgesehen ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzer (27) von einem weiteren, insbesondere stromaufwärts des Abgasturboladers (7) angeordneten, Hochtemperaturwärmetauscher (33) mit thermischer Energie beaufschlagbar ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher (20) in einem Abgasführungsrohr (10) angeordnet ist oder dieses umschließt.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Dampfspeicher (20) zugeordneten Wärmespeicher (40).
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts und/oder stromaufwärts des Dampferzeugers (18) mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (11, 12) vorgesehen ist.