DE102012215551A1

DE102012215551A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012215551A1
Application number: DE102012215551.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Schmitt; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US20150219043A1; CN104508259A; EP2893161A1; WO2014032863A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Frischgasleitung 2 und einer Abgasleitung 3, wobei in die Abgasleitung 3 ein Wärmetauscher 11 eingesetzt ist, der Bestandteil eines Fluidkreislaufs 12 ist, der neben dem Wärmetauscher 12 zumindest eine Expansionseinrichtung 15 aufweist, die eine mechanische Abtriebsvorrichtung 17 beinhaltet. Erfindungsgemäß wird eine Brennkraftmaschine 1 bereitgestellt, die eine Nutzung von Abwärme aus der Abgasleitung 3 der Brennkraftmaschine 1 für ein hydraulisches System ermöglicht. Erreicht wird dies dadurch, dass die Abtriebsvorrichtung 17 mit einer Hydraulikpumpe 18 verbunden ist, die direkt oder indirekt mit einer Arbeitsmaschine verbunden ist, die mit einer Antriebswelle 8 eines Kraftfahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 1 zum Antrieb desselben eingebaut ist, verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Frischgasleitung und einer Abgasleitung, wobei in die Abgasleitung ein Wärmetauscher eingesetzt ist, der Bestandteil eines Fluidkreislaufs ist, der neben dem Wärmetauscher zumindest eine Expansionseinrichtung aufweist, die eine mechanische Abtriebsvorrichtung beinhaltet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2009 028 469 A1 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist ein Wärmerückgewinnungssystem auf, das einen in die Abgasleitung eingesetzten Wärmetauscher beinhaltet. Dieser Wärmetauscher ist Bestandteil eines Fluidkreislaufs, der neben dem Wärmetauscher eine Pumpe, eine Expansionseinrichtung mit einer mechanischen Abtriebsvorrichtung und einen Kühler beinhaltet. Das in dem Fluidkreislauf zirkulierende Medium, insbesondere Wasser, wird in den Wärmetauscher durch die heißen Abgase der Brennkraftmaschine in seinen gasförmigen Zustand überführt und treibt die Expansionseinrichtung an. Die Abtriebsvorrichtung der Expansionseinrichtung ist als Welle ausgebildet, die mit einer Aufladeeinrichtung verbunden ist. Die Aufladeeinrichtung ist als Abgasturbolader ausgebildet, der als Bestandteil der Brennkraftmaschine zusätzliche Brennluft in deren Frischgasleitung fördert.
Eine weitere Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2009 024 772 A1 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist ein Wärmerückgewinnungssystem auf, bei dem die Abtriebsvorrichtung der Expansionseinrichtung mit einem Generator gekoppelt ist. Der Generator erzeugt beim Betrieb der Expansionseinrichtung elektrische Energie, die einem elektrischen Speicher, beispielsweise in Form einer Batterie zugeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die eine effektive Nutzung von Abwärme aus der Abgasleitung der Brennkraftmaschine für ein hydraulisches System ermöglicht. Weiterhin soll ein geeignetes Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine angegeben werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Abtriebsvorrichtung des Systems zur Nutzung von Abwärme aus der Abgasleitung mit einer Hydraulikpumpe verbunden ist. Die Hydraulikpumpe fördert ein Hydraulikfluid, dass in einer allgemeinen Form für beliebige Zwecke genutzt werden kann. Das entsprechende Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine sieht vor, dass ein hydraulisches Speichermanagementsystem die Befüllung eines Druckspeichers mit Hydraulikfluid steuert, das von einer mit der Abtriebsvorrichtung verbundenen Hydraulikpumpe gefördert wird. Aus dem Druckspeicher kann das Hydraulikfluid wiederum für beliebige Einsatzzwecke entnommen werden. Diese Ausgestaltung bietet wesentlich mehr und effektiver einsetzbare Möglichkeiten die Abwärme der Brennkraftmaschine zu nutzen als dies beim beschriebenen Stand der Technik möglich ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Hydraulikpumpe mit einem hydraulischen Druckspeicher verschaltet, in den das Hydraulikfluid eingespeist wird. Aus dem Druckspeicher kann dann das gespeicherte Hydraulikfluid wiederum für beliebige Anwendungen bedarfsweise entnommen werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Druckspeicher ein Gasblasenspeicher. Ein Gasblasenspeicher weist eine normalerweise mit Stickstoff gefüllte Blase auf, die in dem Speicherkörper angeordnet ist. Wird nun Hydraulikfluid in den Gasblasenspeicher gefördert, so wird das Gas in der Blase komprimiert. Das Gasvolumen verkleinert sich unter gleichzeitigem Druckanstieg und ermöglicht somit die Speicherung des Hydraulikfluids in dem Gasblasenspeicher außerhalb der Blase. Umgekehrt entleert sich der Gasblasenspeicher, sobald der Druck auf der Hydraulikflüssigkeitsseite tiefer sinkt als der Gasdruck. Dabei wird der Entleerungsvorgang durch das komprimierte Gas in der Blase unterstützt.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Fluidzugang zu dem Druckspeicher ein Absperrventil auf. Mit diesem Absperrventil kann der Druckspeicher aus einer Fluidleitung ausgeblendet werden und somit das Hydraulikfluid unter Umgehung des Druckspeichers direkt einem Verbraucher zugeführt werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in einem erhöhten Wirkungsgrad durch Umgehung möglicher Verluste durch Speicherung und Entnahme von Hydraulikfluid in beziehungsweise aus dem Druckspeicher. Außerdem kann auch der Befüllungsgrad des Druckspeichers über das Absperrventil, das auch eine Regelfunktion hat, gesteuert werden.
In weiterer Ausgestaltung ist der Druckspeicher beziehungsweise die Hydraulikpumpe direkt mit einer hydraulischen Arbeitsmaschine verschaltet. Die hydraulische Arbeitsmaschine kann wiederum zum Antrieb beliebiger Komponenten eingesetzt werden. Andererseits kann aber die hydraulische Arbeitsmaschine auch selber angetrieben werden und somit Hydraulikflüssigkeit insbesondere in den Druckspeicher fördern. Dieser Vorgang kann ergänzend oder alternativ zu der Befüllung des Druckspeichers durch die Hydraulikpumpe erfolgen.
In Weiterbildung der Erfindung ist die hydraulische Arbeitsmaschine direkt oder indirekt mit einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeuges, in das die Brennkraftmaschine zum Antrieb desselben eingebaut ist, verbunden. Dieser Ausgestaltung stellt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Dabei kann die Arbeitsmaschine, wie zuvor ausgeführt, als Antriebsmotor genutzt werden, der die Antriebswelle des Kraftfahrzeugs zusätzlich oder alternativ zu einem Antrieb durch die Brennkraftmaschine antreibt. Umgekehrt kann die Arbeitsmaschine bei entsprechenden Fahrzuständen als Pumpe geschaltet sein (beispielsweise bei Bremsvorgängen oder Bergabfahrt des Kraftfahrzeugs) und somit Hydraulikfluid in den Druckspeicher gefördert werden. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine weitere Möglichkeit, den Druckspeicher bedarfsweise zu füllen und somit die hydraulische Arbeitsmaschine flexibel und/oder zeitlich entkoppelt von anderen Vorgängen mit Hydraulikfluid zu beaufschlagen. Dadurch ergeben sich neue bisher nicht mögliche Freiheitsgrade bezüglich der Betriebspunktverschiebung der Brennkraftmaschine insbesondere hinsichtlich der Drehzahl und des Antriebsmoments, die beispielsweise für die Optimierung des Kraftstoffverbrauchsverhaltens, der Reduzierung der Abgasemissionen und oder der Komfortoptimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann. Diese Funktionen ergänzen und optimieren bisher bekannte Möglichkeiten bei einem Hydrauliksystem, bei dem beispielsweise ein zeitlich begrenztes hydraulisch unterstütztes Anfahren und Kriechen des Kraftfahrzeugs, ein zeitlich begrenztes hydraulisch unterstütztes Boosten bei Maximallast, und/oder eine zeitlich begrenzte Arbeitspunktverschiebung der Brennkraftmaschine möglich war.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein hydraulisches Speichermanagementsystem vorhanden, das die Befüllung des Druckspeichers über die Hydraulikpumpe und/oder die Befüllung oder Entleerung des Druckspeichers über die hydraulische Arbeitsmaschine ermöglicht beziehungsweise steuert. Dieses hydraulische Speichermanagementsystem kann vorzugsweise in ein elektronisches Steuersystem der Brennkraftmaschine integriert sein. Dadurch können beispielsweise Betriebsparameter der Brennkraftmaschine direkt übernommen und ausgewertet werden.
Das Speichermanagementsystem ist in weiterer Ausgestaltung so ausgelegt, dass es ein Boosten des Kraftfahrzeuges beziehungsweise der Brennkraftmaschine oder aber auch eine Arbeitspunktverschiebung der Brennkraftmaschine ermöglicht. Dabei ist wiederum in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung das Speichermanagementsystems so eingestellt, dass in dem Druckspeicher eine Mindestbefüllung mit Hydraulikflüssigkeit vorhanden beziehungsweise eingestellt ist. Dieser Mindestdruck ist so groß, dass beispielsweise immer eine ausreichende Kapazität zur Bremsenergierückgewinnung vorhanden ist und gleichzeitig die eingespeicherte Energie in Form des Hydraulikfluids hoch genug ist, um zum Beispiel zeitweise ein Boosten zu ermöglichen. Optional kann bei Kraftfahrzeugen mit einer adaptiven Streckenerkennung bereits gefahrener Strecken beziehungsweise prädiktive Streckenplanungen zum Beispiel über Navigation auf das Bremsenergierückgewinnungspotenzial und das Wärmerückgewinnungspotenzial der Brennkraftmaschine über einer zu fahrenden Wegstrecke geschlossen werden. Diese Informationen können dazu genutzt werden, um den Befüllungsgrad des hydraulischen Energiespeichers in Form des Druckspeichers so zu regeln, dass sowohl die beim Bremsen zurückgewonnene Energie als auch die durch das Wärmerückgewinnungssystem rekuperierte Energie möglichst komplett beziehungsweise optimal über der Strecke genutzt werden kann. Durch diese Verfahrensschritte kann die Brennkraftmaschine insgesamt deutlich umfassender und effektiver gesteuert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der einzigen Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild der Brennkraftmaschine mit einem externen Fluidkreislauf zur Wärmerückgewinnung aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine, wobei der Fluidkreislauf eine Hydraulikpumpe aufweist, die mit einem Hydraulik-Hybridsystem, das mit einer Abtriebswelle eines Kraftfahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, verbunden ist.
Ausführungsform der Erfindung
Eine (in dem Schaltbild aus Übersichtlichkeitsgründen zweifach dargestellte) Brennkraftmaschine 1, die insbesondere als mit Dieselkraftstoff betriebene selbstzündende Brennkraftmaschine ausgelegt ist, weist eine Frischgasleitung 2 auf, über die der Brennkraftmaschine 1 Brennluft zugeführt wird, die in Arbeitsräumen der Brennkraftmaschine 1 verdichtet wird. In die verdichtete Brennluft wird vorzugweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems Kraftstoff eingespritzt, der mit der Brennluft verbrennt und die Kolben der Brennkraftmaschine 1 zur Erzeugung einer Drehbewegung einer Kurbelwelle 4 in Zylindern der Brennkraftmaschine bewegt. Die Kurbelwelle 4 ist über eine Kardanwelle und eine Kupplung 5 mit einem Getriebe 6 verbunden. Das Getriebe 6 weist eine Ausgangswelle 7 auf, die mit einer Antriebswelle 8 über ein Differenzial 9 verbunden ist. Die Antriebswelle 8 ist mit Rädern 10 verbunden, die dem Antrieb eines Kraftfahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 1 mit den zuvor geschilderten Komponenten eingebaut ist, bildet. Das Kraftfahrzeug ist beliebig ausgebildet und kann ein Personenkraftfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug sein. Das Kraftfahrzeug kann aber auch eine Baumaschine oder sonstige Arbeitsmaschine sein. Die Räder 10 können direkt oder indirekt auf einem entsprechenden Untergrund die Fortbewegung des Kraftfahrzeugs bewirken. Auch ist es möglich zwei oder mehr Antriebswellen 8 in geeigneter Weise mit dem Getriebe 6, das auch als Automatikgetriebe unter Entfall der Kupplung 5 ausgebildet sein kann, zu verbinden.
Die Brennkraftmaschine 1, die zur besseren Darstellbarkeit der zu beschreibenden Komponenten im oberen Teil der 1 nochmals isoliert mit der angebauten vollständigen Abgasleitung 3 dargestellt ist, ist beispielsweise als vierzylindrige Brennkraftmaschine ausgebildet. In die Abgasleitung 3 ist bevorzugt eine Turbine eines Abgasturboladers eingebaut, dessen Verdichter die über die Frischgasleitung 2 zugeführte Brennluft zur besseren Füllung der Brennräume der Brennkraftmaschine 1 verdichtet. Stromabwärts des Abgasturboladers ist ein Wärmetauscher 11 in die Abgasleitung 3 eingebaut, der Bestandteil eines Fluidkreislaufs 12 ist. Stromabwärts des Wärmetauschers 11 ist wiederum in die Abgasleitung 3 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 13, die beispielsweise aus einem Katalysator und/oder einem Rußfilter besteht, eingebaut.
Der Fluidkreislauf 12 ist beispielsweise mit Wasser, das mit Zusätzen versehen sein kann, als Wärmeträgermedium befüllt. Das Wärmeträgermedium wird von einer Pumpe 14 durch den Fluidkreislauf 12 gefördert und strömt nach der Durchströmung des Wärmetauschers 11 in eine Expansionseinrichtung 15, die beispielsweise als Turbine ausgebildet ist. In dem Wärmetauscher 11 wird das Wasser durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 1 in die Dampfphase überführt und gibt die im Wärmetauscher 11 aufgenommene Energie in der Expansionseinrichtung 15 durch Expansion zumindest teilweise ab. Stromabwärts der Expansionseinrichtung 15 ist in den Fluidkreislauf 12 ein Kühler 16 eingeschaltet, in dem das Wärmeträgermedium vollständig in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird.
Der Fluidkreislauf 12 stellt zusammen mit den beschriebenen Komponenten ein Abgaswärmerückgewinnungssystem dar, mit Hilfe dessen aus den heißen Abgas der Brennkraftmaschine 1 Energie zurück gewonnen werden kann. Die Expansionseinrichtung 15 weist eine vorzugsweise als Welle ausgebildete Abtriebsvorrichtung 17 auf, die mit einer Hydraulikpumpe 18 für ein Hydraulikfluid, beispielsweise Hydrauliköl, verbunden ist. Die Hydraulikpumpe 18 ist über Leitungen 19a, 19b mit einem Druckspeicher 20a der im übrigen bevorzugt als Gasblasenspeicher ausgebildet ist, und einem Vorratsbehälter 20b verbunden. Der Vorratsbehälter 20b dient ausschließlich zur Bevorratung von Hydraulikfluid und weist im Unterschied zu dem Druckspeicher 20a keine Gasblase sondern nur ein beispielsweise mit der Umgebung korrespondierendes Ausgleichsvolumen auf.
Der Druckspeicher 20a weist in dem Fluidzugang ein Absperrventil 21 auf, das von einem Speichermanagementsystem 22 beherrscht ist. Das Speichermanagementsystem 22 kann im übrigen Teil eines elektronischen Steuersystems für die Brennkraftmaschine 1 sein. Bei geschlossenem Absperrventil 21 ist der Druckspeicher 20a gegenüber der Leitung 19a abgesperrt. Ausgangsseitig ist der Druckspeicher 20a beziehungsweise die Leitung 19a über ein Steuerventil 28, das ebenfalls von dem Speichermanagementsystem 22 beherrscht wird, mit einer hydraulischen Arbeitsmaschine 23 verschaltet, deren Arbeitswelle 24 über ein Übersetzungsgetriebe 25 mit einer Übersetzungsgetriebeausgangswelle 26 verbunden ist. Die Übersetzungsgetriebeausgangswelle 26 ist unter Einbezug einer von dem Speichermanagementsystem beherrschten Schaltkupplung 27 mit dem Getriebe 6 verbunden.
In dem Wärmerückgewinnungsprozess wird dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 Abwärme entzogen, das zum Antrieb der Hydraulikpumpe 18 verwendet wird. Die Hydraulikpumpe 18 fördert Hydraulikfluid in den Druckspeicher 20a. Bei Bedarf wird über das Absperrventil 21 beziehungsweise über das Steuerventil 28 Hydraulikfluid entweder aus dem Druckspeicher 20a oder direkt aus der Leitung 19a entnommen und der hydraulischen Arbeitsmaschine 23 zu deren Antrieb zugeführt. Die hydraulische Arbeitsmaschine 23 führt dann über die Arbeitswelle 24 zusätzlich zu der über die Kurbelwelle 4 in das Getriebe eingeleitete Leistung zusätzliche Energie beziehungsweise Leistung in das Getriebe 6 ein. Diese zusätzliche Energie oder Leistung kann beispielsweise für ein hydraulisch unterstütztes Boosten und/oder eine kontinuierliche Arbeitspunktverschiebung der Brennkraftmaschine 1 genutzt werden.
Umgekehrt kann beispielsweise bei einem eingeleiteten Bremsvorgang oder Bergabfahrt des Fahrzeugs über das Getriebe 6, die Übersetzungsgetriebeausgangswelle 26 und das Übersetzungsgetriebe 25 in die Arbeitswelle 24 von den Rädern 10 Leistung beziehungsweise Energie in die hydraulische Arbeitsmaschine 23 eingeleitet werden, die dann als Pumpe fungiert und ebenfalls zusätzlich oder alternativ zu der Hydraulikpumpe 18 Hydraulikfluid in den Druckspeicher 20a fördert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einer Frischgasleitung (2) und einer Abgasleitung (3), wobei in die Abgasleitung (3) ein Wärmetauscher (11) eingesetzt ist, der Bestandteil eines Fluidkreislaufs (12) ist, der neben dem Wärmetauscher (12) zumindest eine Expansionseinrichtung (15) aufweist, die eine mechanische Abtriebsvorrichtung (17) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebsvorrichtung (17) mit einer Hydraulikpumpe (18) verbunden ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (18) mit einem hydraulischen Druckspeicher (20a) verschaltet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (20a) ein Gasblasenspeicher ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidzugang zu dem Druckspeicher (20a) ein Absperrventil (21) aufweist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (20a) mit einer hydraulischen Arbeitsmaschine (23) verschaltet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Arbeitsmaschine (23) direkt oder indirekt mit einer Antriebswelle (8) eines Kraftfahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine (1) zum Antrieb desselben eingebaut ist, verbunden ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulisches Speichermanagementsystem (22) vorhanden ist, das die Befüllung des Druckspeichers (20a) über die Hydraulikpumpe (18) und/oder Befüllung oder Entleerung des Druckspeichers (20a) über die hydraulische Arbeitsmaschine (23) steuert.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermanagementsystem (22) ein Boosten des Kraftfahrzeuges beziehungsweise der Brennkraftmaschine (1) ermöglicht.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermanagementsystem (22) eine Arbeitspunktverschiebung der Brennkraftmaschine (1) ermöglicht.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermanagementsystem (22) so eingestellt ist, dass in dem Druckspeicher (20a) eine Mindestbefüllung mit Hydraulikflüssigkeit vorhanden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Frischgasleitung (2) und einer Abgasleitung (3), wobei in die Abgasleitung (3) ein Wärmetauscher (11) eingesetzt ist, der Bestandteil eines Fluidkreislaufs (12) ist, der neben dem Wärmetauscher (11) zumindest eine Expansionseinrichtung (15) aufweist, die eine mechanische Abtriebsvorrichtung (17) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulisches Speichermanagementsystem (22) die Befüllung eines Druckspeichers (20a) mit Hydraulikfluid steuert, das von einer mit der Abtriebsvorrichtung (17) verbundenen Hydraulikpumpe (18) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermanagementsystem (22) die Befüllung und/oder Entleerung des Druckspeichers (20a) mittels einer hydraulischen Arbeitsmaschine (23) steuert, die direkt oder indirekt mit einer Antriebswelle (8) eines Kraftfahrzeugs verbunden ist, in das die Brennkraftmaschine (1) zum Antrieb desselben eingebaut ist.