DE102012207322A1

DE102012207322A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012207322A1
Application number: DE201210207322
Authority: DE
Inventors: Santosh Rao; Gottlob Haag; Ralph Engelberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2013-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Frischgasleitung 4 und einer Abgasleitung 3, wobei in die Abgasleitung 3 eine Turbine 6 und in die Frischgasleitung 4 ein Verdichter 7 eines Abgasturboladers 5 eingeschaltet sind, wobei die Turbine 6 und der Verdichter 7 über eine Abgasturboladerwelle 8 miteinander verbunden sind, und wobei weiterhin ein Fluidkreislauf 16 mit zumindest einem in die Abgasleitung 3 eingesetzten Wärmetauscher 12, einer eine Ausgangswelle 13 aufweisende Expansionseinrichtung 15, einem Kühler 18 und einer Pumpeneinrichtung vorhanden ist. Erfindungsgemäß wird eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 5 und einem die Abgaswärme der Brennkraftmaschine 1 ausnutzenden Fluidkreislauf 16 bereitgestellt, die eine effiziente Ausnutzung der Abgasabwärme zur Aufladung ermöglicht. Erreicht wird dies dadurch, dass die Ausgangswelle 13 der Expansionseinrichtung 15 direkt mit der Abgasturboladerwelle 8 verbindbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Frischgasleitung und einer Abgasleitung, wobei in die Abgasleitung eine Turbine und in die Frischgasleitung ein Verdichter eines Abgasturboladers eingeschaltet sind, wobei die Turbine und der Verdichter über eine Abgasturboladerwelle verbunden sind, und wobei weiterhin ein Fluidkreislauf mit zumindest einem in die Abgasleitung eingesetzten Wärmetauscher, einer eine Ausgangswelle aufweisenden Expansionseinrichtung, einem Kühler und einer Pumpeinrichtung vorhanden ist.
Stand der Technik
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2009 024 772 A1 bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine wird der Abgasstrom nach der Durchströmung einer Turbine eines Abgasturboladers durch einen mehrstufigen Wärmetauscher geleitet, der weiterhin im Gegenstrom von einem Fluid eines Fluidkreislaufs durchströmt wird. Der Fluidkreislauf weist eine Expansionseinrichtung in Form einer Dampfturbine auf, deren Ausgangswelle mit einem Generator gekoppelt ist. Dieser Generator erzeugt beim Betrieb der Dampfturbine elektrische Energie, die einem elektrischen Speicher, beispielsweise in Form einer Batterie, oder einem Verbraucher zugeleitet wird. Weiterhin sind in den Fluidkreislauf ein Kühler und eine Pumpeinrichtung eingeschaltet.
Eine weitere Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2006 057 247 A1 bekannt. Hier ist eine Expansionseinrichtung in Form einer Dampfturbine direkt mit einem Verdichter verbunden, mit dem Frischgas in eine Frischgasleitung der Brennkraftmaschine gefördert wird. Die Dampfturbine ist weiterhin mit einem Förderaggregat und einer elektrischen Maschine verbunden. Diese Brennkraftmaschine weist keinen Abgasturbolader mit einer von dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagten Turbine auf.
Eine weitere Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2009 028 469 A1 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist einen Hochdruck-Abgasturbolader und einen Niederdruck-Abgasturbolader auf, die beide nacheinander die Energie des Abgases der Brennkraftmachine ausnutzen und eine zweistufige Aufladung der in eine Frischgasleitung eingespeisten Ladeluft ermöglichen. Zusätzlich ist eine Zusatzaufladeeinrichtung mit einer Expansionseinrichtung vorgesehen, die die Abwärme des Abgases in einer Abgasrückführeinrichtung ausnutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem die Abgasabwärme der Brennkraftmaschine ausnutzenden Fluidkreislauf bereitzustellen, der eine effiziente Ausnutzung der Abgasabwärme ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Ausgangswelle der Expansionseinrichtung mit dem Abgasturbolader, insbesondere mit der die Turbine und den Verdichter des Abgasturboladers verbindenden Abgasturboladerwelle verbindbar ist. Diese Ausgestaltung hat mehrere Vorteile, die insgesamt eine effiziente Ausnutzung der Abgasabwärme der Brennkraftmaschine zur Aufladung der Brennkraftmaschine ermöglichen. Gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik ist die Teilevielfalt deutlich reduziert, indem die Expansionseinrichtung direkt mit dem Abgasturbolader verbindbar ist und nicht eine weitere Hilfseinrichtung beispielsweise in Form eines Generators vorhanden ist, dem die von der Expansionseinrichtung erzeugte Energie zugeführt und von diesem weitergeleitet werden muss. Dadurch wird eine effiziente Nutzung der Abgaswärme zur direkten Aufladung der Brennkraftmaschine ermöglicht, wobei weiterhin der Abgasgegendruck zumindest im warmen Betriebszustand reduziert wird. Dadurch wird ebenfalls eine höhere Effizienz des Gesamtsystems erreicht. Schließlich wird das Betriebsverhalten des Abgasturboladers deutlich verbessert, da dieser schon vor dem Erreichen von hohen Temperaturen besser anspricht. Umgekehrt wird durch die Expansionseinrichtung kein zusätzlicher Abgasgegendruck erzeugt, der die Effizienz der Brennkraftmaschine nachteilig beeinflussen könnte.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Ausgangswelle über ein Kupplungselement mit dem Abgasturbolader beziehungsweise der Abgasturboladerwelle verbunden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da durch das Kupplungselement, das beispielsweise eine von einer elektronischen Steuereinrichtung betätigte schaltbare Kupplung ist, die Expansionseinrichtung bedarfsweise mit dem Abgasturbolader verbunden wird. Dabei ist das Kupplungselement bevorzugt so ausgebildet, dass die Expansionseinrichtung und/oder die Abgasturbine von der Abgasturboladerwelle abgekuppelt beziehungsweise wahlweise angekuppelt werden können. Durch diese Ausgestaltung ist eine Anpassung insbesondere an besondere Betriebszustände der Brennkraftmaschine möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung stellen der Abgasturbolader und die Expansionseinrichtung ein gemeinsames Bauteil dar. Dabei ist die Expansionseinrichtung, die bevorzugt als Dampfturbine ausgebildet ist, direkt an den Abgasturbolader angebaut, wobei gemeinsame Gehäusekomponeten zu einer weiteren Bauteilreduzierung führen. Schließlich wird durch diese Ausgestaltung ein Bauraumgewinn ermöglicht, der die bessere Unterbringung einer solchermaßen ausgestalteten Brennkraftmaschine beispielsweise in einem Motorraum eines entsprechenden Fahrzeugs ermöglicht.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Pumpeinrichtung eine mechanisch oder elektrisch angetriebene Speisepumpe für das Fluid des Fluidkreislaufs. Dabei kann die Speisepumpe in weiterer Ausgestaltung direkt von der Expansionsvorrichtung und/oder dem Abgasturbolader mechanisch angetrieben sein. Diese Ausgestaltung trägt weiterhin zu einem kompakten Aufbau des Gesamtsystems bei. Dabei kann es aber auch vorgesehen sein, einen mechanischen und elektrischen Antrieb der Speisepumpe miteinander zu kombinieren, um bei allen eventuell auftretenden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine einen gesicherten Betrieb der Speisepumpe zu ermöglichen.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Medium des Fluidkreislaufs beispielsweise Wasser, Toluol, ein Silikonöl wie beispielsweise Hexamethyldisiloxan (HMOS, MM). Insbesondere Wasser ist als Wärmeübertragungsmedium gut geeignet, wobei die für den Fluidkreislauf benötigten Komponenten wie Rohrleitungen, aber auch entsprechende Wärmetauscher und Kühler zur Verfügung stehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Fluidkreislauf weitere Steuerungselemente auf. Solche Steuerungselemente sind beispielsweise Bypassventile, Steuerventile und Temperatur- und Druckmesseinrichtungen, die allesamt mit einem entsprechenden Steuergerät zur betriebsoptimierten Steuerung des Fluidkreislaufs eingesetzt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in die Abgasleitung ein Bypassventil zur Umgehung der Turbine des Abgasturboladers und wiederum in weiterer Ausgestaltung in die Frischgasleitung zur Ladeluftdruckbegrenzung eine Bypasseinrichtung eingeschaltet. Durch diese Einrichtungen wird ein optimaler Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht, wobei darüber hinaus in die Frischgasleitung ein Ladeluftkühler eingesetzt sein kann.
Schließlich ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem zur Zurückführung eines Teils der Abgase in die Frischgasleitung ausstattbar. Weiterhin kann die Brennkraftmaschine eine Abgasnachbehandlungseinrichtung in Form von zumindest einem Katalysator und/oder einem Rußfilter aufweisen. Darüber hinaus ist es möglich, die Brennkraftmaschine mit beispielsweise zwei Abgasturboladern (Hochdruck-Abgasturbolader und Niederdruck-Abgasturbolader) auszustatten und zumindest einen der beiden Abgasturbolader mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Expansionseinrichtung zu verbinden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer mit dem Abgasturbolader verbindbaren Expansionseinrichtung.
Ausführungsform der Erfindung
Die schematische Darstellung gemäß 1 zeigt eine vierzylindrige Brennkraftmaschine, die beispielsweise als selbstzündende, mit Dieselkraftstoff betriebene, Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem ausgeführt ist. Die Brennkraftmaschine weist vier Zylinder 2 auf, die über Auslassventile mit einer Abgasleitung 3 und über Einlassventile mit einer Frischgasleitung 4 verbunden sind. Über die Frischgasleitung 4 wird den Zylindern 2 Brennluft zur Verbrennung mit in die Zylinder 2 eingespritztem Brennstoff zugeführt, während über die Abgasleitung die Verbrennungsgase nach der erfolgten Verbrennung abgeführt werden.
Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Abgasturbolader 5 mit einer Turbine 6 und einem Verdichter 7 auf, die über eine Abgasturboladerwelle 8 miteinander verbunden sind. Die Turbine 6 ist eingangsseitig mit der Abgasleitung 3 über eine Abgaszuführleitung 9 und ausgangsseitig über eine Abgasabführleitung 10 ebenfalls mit der Abgasleitung 3 verbunden. Zwischen der Einmündung der Abgaszuführleitung 9 und der Abgasabführleitung 10 in die Abgasleitung 3 ist ein Bypassventil 11 in die Abgasleitung 3 eingebaut. Wird das Bypassventil 11 geschlossen, wird der gesamte Abgasstrom durch die Turbine 6 geleitet, während bei geöffnetem Bypassventil 11 der gesamte Abgasstrom über die weiterführende Abgasleitung 3 einem als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher 12 und nach der Durchströmung des Wärmetauschers 12 gegebenenfalls über eine Abgasnachbehandlungseinrichtung in die Umgebung abgeführt wird. Der Abgasturbolader 5 beziehungsweise dessen Turbine 6 kann auch zusammen mit dem Bypassventil 11 ohne die Abgaszuführleitung 9 und die Abgasabführleitung 10 direkt in die Abgasleitung 3 eingeschaltet sein.
Der Verdichter 7 des Abgasturboladers 5 ist auf seiner Zuführseite über einen nicht dargestellten Luftfilter mit der Umgebung zur Zuführung von Frischgas beziehungsweise Frischluft verbunden, während die Druckseite des Verdichters 7 bevorzugt über einen Ladeluftkühler mit der Frischgasleitung 4 verbunden ist. Der Verdichter 7 kann mit einer nicht dargestellten Bypasseinrichtung versehen sein, über die das Frischgas unter Umgehung des Verdichters 7 der Frischgasleitung 4 zugeführt wird. Weiterhin kann die Abgasleitung 3 über eine Abgasrückführleitung mit eingebautem Regelventil und Abgaskühler mit der Frischgasleitung 4 zur gesteuerten Abgasrückführung verbunden sein.
Mit der Abgasturboladerwelle 8 ist über eine Kupplung 14 eine Ausgangswelle 13 einer als Dampfturbine ausgebildeten Expansionseinrichtung 15 verbindbar. Die Kupplung 14 ist über eine elektronische Steuerung, die vorzugsweise in die Brennkraftmaschinensteuerung integriert ist, ansteuerbar. Die Kupplung 14 kann zusammen mit der Ausgangswelle 13 und der Abgasturboladerwelle 8 auch so ausgebildet sein, dass die Expansionseinrichtung 15 unter Umgehung beziehungsweise Abschaltung der Turbine 6 mit dem Verdichter 7 des Abgasturboladers 5 verbindbar ist.
Die Expansionseinrichtung 15 ist in einen Fluidkreislauf 16 eingeschaltet, in dem ein Fluid, das insbesondere Wasser ist, von einer Speisepumpe 17 durch den Wärmetauscher 12, dann durch die Expansionseinrichtung 15 und schließlich durch einen als Kondensator ausgebildeten Kühler 18 geleitet wird.
Die Speisepumpe 17 fördert das von dem Kühler 18 in dessen flüssigen Aggregatzustand überführte Wasser in den Wärmetauscher 12, in dem das Wasser von dem heißen Abgas der Brennkraftmaschine 1 in den dampf- bzw. gasförmigen Aggregatzustand überführt wird und in diesem Aggregatzustand der Expansionseinrichtung 15 zum Antrieb der als Dampfturbine ausgebildeten Expansionseinrichtung 15 zugeführt wird. In der Expansionsvorrichtung 15 wird der Dampf entspannt und dem Kühler 18 zur gänzlichen Überführung in den flüssigen Aggregatzustand des Wassers zugeleitet. Von der Expansionseinrichtung 15 wird kinetische Energie erzeugt, die über die Ausgangswelle 13 direkt in die Abgasturboladerwelle 8 einleitbar ist. Dabei kann die Expansionseinrichtung 15 mit einem Übersetzungsgetriebe ausgestattet sein, um eine Drehzahlangleichung der Expansionseinrichtung 15 an den Abgasturbolader 5 zu gewährleisten. Weiterhin kann der Fluidkreislauf 16 mit weiteren Steuerungselementen in Form von beispielsweise Bypassventilen, Steuerventilen und weiterhin mit Messeinrichtungen zur Messung von Druck und Temperatur versehen sein. Schließlich kann die die Expansionseinrichtung 15 nahe an dem Wärmetauscher 12 angeordnet sein, um unter Anderem Wärmeverluste in einer Verbindungsleitung zwischen dem Wärmetauscher 12 und der Expansionseinrichtung 15 zu minimieren beziehungsweise zu vermeiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009024772 A1 [0002]
DE 102006057247 A1 [0003]
DE 102009028469 A1 [0004]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einer Frischgasleitung (4) und einer Abgasleitung (3), wobei in die Abgasleitung (3) eine Turbine (6) und in die Frischgasleitung (4) ein Verdichter (7) eines Abgasturboladers (5) eingeschaltet sind, wobei die Turbine (6) mit dem Verdichter (7) über eine Abgasturboladerwelle (8) verbunden ist, und wobei weiterhin ein Fluidkreislauf (16) mit zumindest einem in die Abgasleitung (3) eingesetzten Wärmetauscher (12), einer eine Ausgangswelle (13) aufweisenden Expansionseinrichtung (15), einem Kühler (18) und einer Pumpeneinrichtung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (13) mit der Abgasturboladerwelle (8) verbindbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (13) über ein Kupplungselement mit der Abgasturboladerwelle (8) verbunden ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement schaltbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Kupplungselements der Verdichter (7) und/oder die Expansionseinrichtung (15) mit der Abgasturboladerwelle (8) kuppelbar oder auskuppelbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (5) und die Expansionseinrichtung (15) ein gemeinsames Bauteil darstellen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung eine mechanisch oder elektrisch angetriebene Speisepumpe (17) ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepumpe (17) von der Expansionseinrichtung (15) und/oder dem Abgasturbolader (5) angetrieben ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium des Fluidkreislaufs (16) Wasser, Toluol oder ein Silikonöl ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkreislauf (16) Steuerungselemente aufweist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasleitung (3) ein Bypassventil (11) zur Umgehung der Turbine (6) des Abgasturboladers (5) eingesetzt ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Frischgasleitung (4) zur Ladeluftdruckbegrenzung eine Bypasseinrichtung eingesetzt ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Frischgasleitung (4) ein Ladeluftkühler eingesetzt ist.