DE102012220893A1

DE102012220893A1 - Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer Abwärmenutzungseinheit

Info

Publication number: DE102012220893A1
Application number: DE201210220893
Authority: DE
Inventors: Bastian Volpert; Matthias Horn; Mark Mohr
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor (1) und einer Abwärmenutzungseinheit (2), bei dem die Abwärmenutzungseinheit (2) eine Expansionsmaschine (10, 31) aufweist, die in einem geschlossenen Dampfkreislauf (3) angeordnet ist, in dem ein Arbeitsmedium durch im Betrieb des Verbrennungsmotors (1) anfallende Verlustwärme verdampft wird und in der Expansionsmaschine (10, 31) mechanische Arbeit verrichtet, wobei die Expansionsmaschine (10, 31) einer durch sie drehantreibbaren Komponente zugeordnet ist. Damit die durch die Abwärmenutzungseinheit (2) zur Verfügung gestellte mechanische Energie möglichst effizient in den Antriebsstrang des Fahrzeugs eingespeist und genutzt werden kann, ist vorgesehen, dass die Antriebsverbindung zwischen der Expansionsmaschine (10, 31) und der von dieser drehantreibbaren Komponente (14, 15, 16, 17, 18, 19, 27, 32) unter Berücksichtigung der Funktion dieser Komponente (14, 15, 16, 17, 18, 19, 27, 32) und des Wirkungsgrades der Antriebsverbindung als eine permanente Kopplung, eine schaltbare Kopplung oder eine zeitlich steuerbare Kopplung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer Abwärmenutzungseinheit, bei dem die Abwärmenutzungseinheit eine Expansionsmaschine aufweist, die in einem geschlossenen Dampfkreislauf angeordnet ist, in dem ein Arbeitsmedium durch im Betrieb des Verbrennungsmotors anfallende Verlustwärme verdampft wird und in der Expansionsmaschine mechanische Arbeit verrichtet, wobei die Expansionsmaschine einer durch sie drehantreibbaren Komponente zugeordnet ist.
Bei einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs kann die Abwärme bzw. Verlustwärme von wärmeerzeugenden Aggregaten, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, als eine zusätzliche Leistungsquelle für den Antrieb genutzt werden. Eine diesem Zweck dienende Abwärmenutzungseinheit oder Waste-Heat-Recovery(WHR)-System zur Wärmerekuperation kann nach dem physikalischen Prinzip des Clausius-Rankine-Prozesses oder des Organic-Rankine-Prozesses betrieben werden. Diese Prozesse beschreiben jeweils einen thermodynamischen Kreislauf, bei dem entweder Wasser oder ein Arbeitsmedium mit einer von der Verdampfungswärme von Wasser abweichenden Verdampfungswärme zyklisch verdampft und kondensiert wird.
In einem Dampfkreislauf einer solchen Expansionsmaschine für ein Fahrzeug wird mittels einer Speisepumpe eine adiabatische Druckerhöhung des noch flüssigen Arbeitsmediums erzeugt und das unter Druck stehende Arbeitsmedium anschließend in einen Verdampfer gefördert, wo es mittels eines Wärmetauschers, der mit einer Wärmequelle in Verbindung steht, durch Wärmezufuhr isobar verdampft wird. Dabei wird das Arbeitsmedium zunächst erhitzt, bis dessen Verdampfungstemperatur erreicht ist. Anschließend verdampft das Arbeitsmedium isotherm bei stetig steigendem Dampfanteil. Um einen möglichst trockenen Dampf für die nachfolgende Expansion in einer Expansionsmaschine, beispielsweise einer Turbine, zu erhalten, erfolgt durch weitere Wärmezufuhr eine Überhitzung des Dampfes. Der überhitzte Dampf wird danach in der Expansionsmaschine adiabatisch entspannt, wobei mechanische Arbeit verrichtet wird, die zum Antrieb einer Welle genutzt werden kann. Das expandierte Arbeitsmedium wird nachfolgend in einem Kondensator, der mit einem Kühlsystem des Fahrzeugs verbunden ist, isobar verflüssigt, bevor es über einen Sammelbehälter erneut der Speisepumpe zugeführt wird.
Die von der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Leistung kann beispielsweise am Verbrennungsmotor oder am Getriebe in den Antriebsstrang des Fahrzeugs eingekoppelt werden. Bei einer Einkopplung am Verbrennungsmotor ist die Antriebswelle der Expansionsmaschine mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt und erhöht ihrerseits das an der Kurbelwelle anliegende Drehmoment. In der Regel ist die Expansionsmaschine daher nicht als eine alleinige sondern als eine zusätzliche Antriebsquelle einer selbst antriebswirksamen Komponente oder einer anzutreibenden Komponente wirksam. Im Antriebsstrang kann die eingespeiste mechanische Antriebsenergie der Expansionsmaschine direkt in den Fahrzeugantrieb fließen oder mit entsprechenden Wandlungsverlusten zumindest zum Teil in andere Energieformen umgewandelt werden, beispielsweise in elektrische oder in hydraulische Energie.
Vor diesem Hintergrund ist aus der DE 10 2006 036 122 A1 ein Antrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem die von einer Expansionsmaschine bereitgestellte mechanische Leistung direkt der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors zugeführt wird.
Aus der DE 10 2009 028 153 A1 ist ein Antrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem eine Expansionsmaschine mit einem an- oder abtriebsseitigen, im Fahrbetrieb drehenden Element einer einem Verbrennungsmotor nachgeordneten Getriebeanordnung oder mit einer Ein- oder Ausgangsseite eines der Getriebeanordnung zugeordneten Anfahrelements oder mit einem Nebenabtrieb der Getriebeanordnung koppelbar oder gekoppelt ist.
Die DE 10 2006 043 139 A1 zeigt einen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, bei dem die in einer Expansionsmaschine mechanisch erzeugte Energie an einem gesonderten Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die DE 10 2007 022 735 A1 beschreibt einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Expansionsmaschine einen elektrischen Generator antreibt, wobei die erzeugte elektrische Energie über einen elektrischen Energiespeicher einer elektrischen Antriebsmaschine des Hybridantriebs zugeführt wird.
Aus der WO 2008/095 599 A1 ist ein Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer Abwärmenutzungseinheit bekannt, bei dem ein Druckluftkompressor eines Druckluftsystems des Fahrzeugs mittels einer Expansionsmaschine antreibbar ist. Die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors treibt über eine Antriebsverbindung, beispielsweise einen Stirnradtrieb, eine Nebenabtriebswelle des Verbrennungsmotors an. Die Nebenabtriebswelle ist wahlweise in eine Antriebverbindung mit dem Kompressor und der dampfbetriebenen Expansionsmaschine schaltbar, um den Kompressor anzutreiben oder von der Expansionsmaschine angetrieben zu werden. Der Kompressor seinerseits ist auch unabhängig von der Nebenabtriebswelle des Verbrennungsmotors in eine Antriebsverbindung mit der Expansionsmaschine schaltbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer Abwärmenutzungseinheit zu schaffen, bei dem die durch die Abwärmenutzungseinheit erzeugte mechanische Energie möglichst effizient in den Antriebsstrang eingespeist und genutzt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer Abwärmenutzungseinheit, die durch Abgaswärmenutzung in einer Expansionsmaschine mechanische Energie gewinnt, eine direkte Antriebsverbindung mit dem Verbrennungsmotor häufig ineffizient ist, da in Antriebssträngen regelmäßig Wandlungsverluste der kinetischen Energie in andere Energieformen und Betriebszustände, in denen die zusätzliche mechanische Energie ungenutzt bleibt, vorkommen. Zielführender ist es, die gewonnene mechanische Energie wahlweise an verschiedenen Komponenten im räumlich nahen Bereich des Verbrennungsmotors zuzuführen und diese antriebswirksame Anbindung individuell auszubilden. Daher soll die Expansionsmaschine direkt der jeweiligen Komponente zugeordnet und derart antriebswirksam an diese angebunden sein, dass die bereitgestellte mechanische Leistung möglichst ohne zusätzliche Energieumwandlung und mit hohem Wirkungsgrad genutzt werden kann.
Demnach geht die Erfindung aus von einem Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer Abwärmenutzungseinheit, bei dem die Abwärmenutzungseinheit eine Expansionsmaschine aufweist, die in einem geschlossenen Dampfkreislauf angeordnet ist, in dem ein Arbeitsmedium durch im Betrieb des Verbrennungsmotors anfallende Verlustwärme verdampft wird und in der Expansionsmaschine mechanische Arbeit verrichtet, wobei die Expansionsmaschine einer durch sie drehantreibbaren Komponente zugeordnet ist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung zudem vor, dass die Antriebsverbindung zwischen der Expansionsmaschine und der drehenden Komponente unter Berücksichtigung der Funktion der Komponente und des Wirkungsgrads der Antriebsverbindung als eine permanente, schaltbare oder zeitlich steuerbare Kopplung ausgebildet ist.
Durch die Erfindung wird demnach erreicht, dass die durch die Nutzung der Wärme des Abgases des Verbrennungsmotors gewonnene mechanische Energie entsprechend einer jeweiligen Antriebsstrangkonzeption direkt an verschiedenen vorhanden und ständig oder phasenweise anzutreibenden Komponenten im räumlich nahen Bereich des Verbrennungsmotors verwendet wird. Die Expansionsmaschine wird demzufolge dort antriebswirksam eingesetzt, wo der effektivste Bedarf an mechanischer Antriebsenergie im Fahrzeug besteht.
Die Expansionsmaschine wird für die betreffende anzutreibende Komponente meistens als zusätzliches Antriebsaggregat neben dem Verbrennungsmotor und/oder weiteren Antriebmaschinen, wie beispielsweise einem Elektromotor, eingesetzt werden. Die mechanische Abgasenergie der Expansionsmaschine kann somit genutzt werden, um vorhandene Komponenten im räumlich nahen Bereich des Verbrennungsmotors direkt anzutreiben. Dadurch kann eine zusätzliche verlustbehaftete Wandlung der kinetischen Energie aus der Abwärmenutzungseinheit in hydraulische, elektrische oder andere Energieformen da vermieden werden, wo eine derartige Wandlung nicht erforderlich bzw. nicht explizit gewünscht ist.
Grundsätzlich kommen als Komponenten, an welche die Expansionsmaschine angekoppelt ist oder angekoppelt werden kann, alle Nebenaggregate in Betracht, die im Bereich des Verbrennungsmotors von Personenkraftwagen oder Nutzkraftwagen vorhanden sein können und von diesem üblicherweise angetrieben werden.
Dies können insbesondere ein Klimakompressor für eine Klimaanlage, ein Druckluftkompressor für ein Druckluftsystem, ein Lüfter für eine Motorkühlung, ein Zugmitteltrieb des Verbrennungsmotors wie ein Riementrieb oder ein Kettentrieb, oder ein Generator des Verbrennungsmotors zur Erzeugung elektrischer Energie sein.
Beim Antrieb eines Druckluftkompressors ist grundsätzlich eine pneumatische Zwischenspeicherung der Energie durch ein vorhandenes Druckluftsystem des Fahrzeugs möglich, wenn die Expansionsmaschine mechanische Energie liefert, aber aktuell keine Druckluft benötigt wird.
Im einfachsten Fall einer Antriebsverbindung kann vorgesehen sein, dass die Expansionsmaschine antriebstechnisch direkt mit der durch sie drehantreibbaren Komponente verbunden ist, also eine feste Verbindung mit unveränderlicher Übersetzung bildet.
Darüber hinaus sind eine permanente Anbindung mit veränderlicher Übersetzung, eine schaltbare Anbindung mit unveränderlicher Übersetzung oder eine schaltbare Verbindung mit veränderlicher Übersetzung möglich.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Antriebsverbindung zwischen der Expansionsmaschine und der durch sie drehantreibbaren Komponente mittels einer Schaltkupplung herstellbar oder trennbar ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zwischen der Expansionsmaschine und der durch sie drehantreibbaren Komponente ein Koppelgetriebe angeordnet ist, beispielsweise in Form von zwei miteinander kämmenden Stirnzahnrädern.
Maßgebend für die im konkreten Anwendungsfall zu bevorzugende Art der Anbindung der Expansionsmaschine an die anzutreibende Komponente ist im Wesentlichen der Wirkungsgrad dieser Ankopplung. Außerdem können mit der Ankopplung Betriebspunkte des Dampfkreislaufs der Abwärmenutzungseinheit beeinflusst werden, um den Wirkungsgrad der Energiewandlung in der Expansionsmaschine weiter zu erhöhen. Zudem kann die Art der Ankopplung von den über die jeweilige anzutreibende Komponente realisierbaren Funktionen bzw. Zusatzfunktionen des Fahrzeugs abhängen.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Expansionsmaschine und die anzutreibende Komponente in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Dadurch können Bauraum und Kosten eingespart werden. Eine Weiterbildung dieser Konstruktion sieht vor, dass die Expansionsmaschine, die von der Expansionsmaschine anzutreibende Komponente, eine beide antriebswirksam verbindende steuerbare oder regelbare Kupplung und ein gemeinsames Steuergerät für diese drei Elemente in dem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass zwischen der Expansionsmaschine und die durch sie drehantreibbare Komponente ein mechanischer Energiespeicher angeordnet ist. Dieser mechanische Energiespeicher ist beispielsweise als eine von dem Verbrennungsmotor unabhängige, drehbar gelagerte Schwungsmasse ausgebildet.
Eine zwischen der Expansionsmaschine und dem mechanischen Energiespeicher angeordnete Kupplung ermöglicht eine antriebstechnische Trennung der Expansionsmaschine von dem mechanischen Energiespeicher und der daran angekoppelten Antriebswelle der anzutreibenden Komponente, beispielsweise eines Kompressors.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung dieser Konstruktion kann vorgesehen sein, dass zusätzlich oder alternativ zu der gerade genannten Kupplung zwischen dem mechanischen Energiespeicher und der durch die Expansionsmaschine drehantreibbaren Komponente eine zweite Kupplung angeordnet ist. Die beiden Kupplungen, die sozusagen vor der Eingangseite und hinter der Ausgangsseite des mechanischen Energiespeichers angeordnet sind, können den mechanischen Energiespeicher zur vergleichsweise lang andauernden Speicherung von Rotationsenergie sowohl von der Expansionsmaschine als auch von der anzutreibenden Komponente, beispielsweise einem Kompressor, abkoppeln.
Durch diesen Aufbau ist es möglich, bei Bedarf eine zeitliche Entkopplung zwischen der Leistungsbereitstellung durch die Expansionsmaschine und der Leistungsabnahme durch die anzutreibende Komponente zu erreichen. Die Leistungsabnahme durch die anzutreibende Komponente kann auch vom Betrag her dosiert erfolgen, indem die dem mechanischen Energiespeicher antriebstechnisch nachgeordnete Kupplung im Schlupf betrieben wird. Dadurch lässt sich die Effizienz der Abwärmenutzungseinheit gegenüber bekannten Systemen weiter verbessern.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit mehreren Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser zeigt
1 schematisch einen Verbrennungsmotor mit einer Abwärmenutzungseinheit und mehreren Nebenaggregaten, wobei eine Expansionsmaschine an einem Klimakompressor angeordnet ist,
2 das Schema gemäß 1, wobei die Expansionsmaschine an einem Druckluftkompressor angeordnet ist,
3 das Schema gemäß 1, wobei die Expansionsmaschine an einem Lüfter angeordnet ist,
4 das Schema gemäß 1, wobei die Expansionsmaschine an einem Riementrieb angeordnet ist,
5 das Schema gemäß 1, wobei die Expansionsmaschine an einem Generator angeordnet ist,
6 eine weitere schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer Abwärmenutzungseinheit und mehreren Nebenaggregaten, wobei die Expansionsmaschine antriebstechnisch drehfest mit einem mechanischen Energiespeicher verbunden ist,
7 das Schema gemäß 6, wobei zwischen der Expansionsmaschine und dem mechanischen Energiespeicher eine Kupplung angeordnet ist, und
8 eine schematische Darstellung einer Maschine, welche in ihrem Gehäuse eine Expansionsmaschine, einen von der Expansionsmaschine antreibbaren Kompressor, eine zwischen diesen beiden Aggregaten angeordnete Kupplung sowie ein gemeinsames Steuergerät aufweist.
Demnach zeigt 1 einen Verbrennungsmotor 1 eines Fahrzeugantriebs, der als Hubkolbenmotor ausgebildet ist. Dieser Verbrennungsmotor 1 wirkt mit einem Turbolader 21 zusammen, dessen Turbine 5 von dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1 angetrieben wird, und dessen Verdichter 4 Umgebungsluft ansaugt, verdichtet und dem Verbrennungsmotor 1 für dessen Betrieb zur Verfügung stellt. Weiter ist erkennbar, dass der Verbrennungsmotor 1 in Wirkverbindung mit einer Abwärmenutzungseinheit 2 ist, die Abwärme in dem Abgas des Verbrennungsmotors 1 mittels einer oder mehrerer Expansionsmaschinen 10 in mechanische Antriebsleistung umwandelt. Die punktierten Linen in 1 kennzeichnen den geschlossenen Dampfkreislauf 3 eines Arbeitsmediums der Abwärmenutzungseinheit 2.
An den Verbrennungsmotor 1 sind neben dem Abgasturbolader 21 ein als Abgasrückführungskühler ausgebildeter Wärmetauscher 6 und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 7 angeschlossen, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung 7 beispielsweise ein Katalysator, ein Partikelfilter, und/oder SCR-System (selektive katalytische Reduktion) sein kann.
Weiterhin sind mehrere drehantreibbare Nebenaggregate bzw. Komponenten im Bereich des Verbrennungsmotors 1 angeordnet. Im Einzelnen sind dies ein Klimakompressor 14 einer Klimaanlage, ein Druckluftkompressor 15 eines Druckluftsystems, ein Lüfter oder Ventilator 16 für eine Motorkühlung, ein Generator 17 zur Stromerzeugung für ein Fahrzeugbordnetz, und ein Zugmitteltrieb 18, mittels dem eine oder mehrere der genannten Komponenten, beispielsweise der Klimakompressor 14 und der Generator 17, antreibbar sind.
Die Abwärmenutzungseinheit 2 weist eine Speisepumpe 8, einen als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher 9, eine oder mehrere Expansionsmaschinen 10, welche als Dampfturbine, als Hubkolben-, Schrauben- oder Flügelzellenexpansionsmaschine ausgeführt sein kann, und einen als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher 11 auf, der Teil eines Kühlsystem des Fahrzeugs ist.
Die dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1 zugeordneten Elemente 4, 5, 6, 7 sind über einen den Abgasstrom 12 des Verbrennungsmotors 1 führende eine Abgasleitung miteinander verbunden. Dieser Abgasstrom 12 ist mit durchgezogenen Pfeillinien dargestellt. Der durch die Turbine 5 vom Abgasstrom angetriebene Turbolader 4 führt über eine Frischluftzufuhr 13 dem Verbrennungsmotor 1 komprimierte Frischluft zu, wo durch die Bildung und explosionsartige Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches in den Zylindern und einen anschließende Übertragung einer Kolbenhubbewegung in eine Kurbelbewegung ein Drehmoment erzeugt wird.
Die der Abwärmenutzungseinheit 2 zugeordneten Elemente 8, 9, 10, 11 sowie der Abgasrückführungskühler 6 sind über einen geschlossenen Dampfkreislauf 3 miteinander verbunden, in dem ein Arbeitsmedium geführt wird. Der Abgasrückführungskühler 6 steht über das Arbeitsmedium mit dem Verdampfer 9 der Abwärmenutzungseinheit 2 in Verbindung. Der Verdampfer 9 ist zudem mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 7 über den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1 wirkverbunden.
Das Arbeitsmedium durchläuft in dem Dampfkreislauf 3 einen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise einen Clausius-Rankine-Kreisprozess. Dabei wird das zunächst noch flüssige Arbeitsmedium mittels der Speisepumpe 8 unter einer adiabatischen Druckerhöhung in den Verdampfer 9 gefördert, wo es durch Wärmezufuhr von dem Abgasrückführungskühler 6 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 7, die mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 2 in Kontakt stehen, isobar verdampft wird. Bei der Verdampfung erhitzt sich das Arbeitsmedium solange, bis seine Verdampfungstemperatur erreicht ist, ab der es bei stetig steigendem Dampfanteil isotherm verdampft. Unter weiterer Wärmezufuhr wird der Dampf überhitzt und dabei getrocknet. Der überhitzte Dampf wird danach in der Expansionsmaschine 10 entspannt und verrichtet dort mechanische Arbeit, die einem Verbraucher zuführbar ist. Schließlich wird das expandierte Arbeitsmedium in dem Kondensator 11 isobar verflüssigt, bevor es über einen nicht dargestellten Sammelbehälter erneut der Speisepumpe 8 für den nächsten Umlauf zugeführt wird.
Die Expansionsmaschine 10 ist gemäß den 1 bis 5 jeweils einer der Komponenten bzw. Nebenaggregate 14, 15, 16, 17, 18 direkt zugeordnet und treibt diese an. Gemäß 1 ist die Expansionsmaschine 10 an dem Klimakompressor 14 angeordnet. Gemäß 2 ist die Expansionsmaschine 10 mit dem Druckluftkompressor 15 antriebsverbunden. Gemäß 3 ist die Expansionsmaschine 10 an dem Lüfter 16 angeordnet. Gemäß 4 ist die Expansionsmaschine 10 an dem genannten Riementrieb 18 angeordnet, und gemäß 5 ist die Expansionsmaschine 10 an dem Generator 17 angeordnet. Der Dampfkreislauf 3 ist jeweils entsprechend angepasst.
Mithilfe eines Antriebs des Druckluftkompressors 15 durch die Expansionsmaschine 10 (2) kann insbesondere ein erhöhter Druckluftbedarf eines Fahrzeugs mit einem Druckluftsystem abgedeckt werden, ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen. Ein erhöhter Druckluftbedarf kann beispielsweise entstehen, wenn dem Verbrennungsmotor Druckluft zugeführt wird, um das sogenannte Turboloch, d.h. die drehzahlabhängige temporäre Drehmomentschwäche bei einem unzureichenden Ladeluftdruck des Abgasturboladers, zu überbrücken. Aus der DE 10 2008 048 366 A1 ist eine solche Anordnung zur Frischgasversorgung eines turboaufgeladenen Verbrennungsmotors mit einer Druckluftzufuhreinrichtung in einem Lastkraftwagen und ein Verfahren zum Steuern der Anordnung bekannt. Damit einher geht ein erhöhter Druckluftbedarf, der zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führt, da der durch den Verbrennungsmotor angetriebene Druckluftkompressor 15 öfter betrieben werden muss. Der direkte Antrieb des Kompressors 15 durch die Expansionsmaschine 10 gemäß 2 und die dadurch bereitgestellte mechanische Energie kann jedoch den erhöhten Energiebedarf des Druckluftkompressors 15 aus der Wärmerekuperation des Verbrennungsmotors 1 decken, so dass ein Kraftstoffmehrverbrauch vermieden wird. Möglich ist auch eine pneumatische Zwischenspeicherung der mechanischen Zusatzenergie in einem vorhandenen Druckluftsystem, wenn aktuell keine Druckluft benötigt wird.
Zur Vereinfachung ist in den 1 bis 5 jeweils nur eine feste Verbindung zwischen der Expansionsmaschine 10 und der drehantreibbaren Komponente 14, 15, 16, 17, 18 dargestellt. Dies ist lediglich als ein Beispiel zu verstehen. Die jeweilige Anbindung kann auch eine Übersetzung, beispielsweise ein Stirnradpaar, eine Schaltkupplung zur An- bzw. Abkopplung, beispielsweise eine Klauenkupplung, eine Reibkupplung oder eine hydrodynamische Kupplung, oder ein gesondertes Koppelgetriebe, beispielsweise ein Umlaufgetriebe oder ein Stirnradgetriebe umfassen. Dementsprechend ist ein permanenter direkter oder übersetzter sowie ein bedarfsweise schaltbarer direkter oder übersetzter Antrieb der jeweiligen Komponente 14, 15, 16, 17, 18 durch die Expansionsmaschine 10 realisierbar.
Die 6 und 7 zeigen einen Verbrennungsmotor 1 mit einer Abwärmenutzungseinheit 2, bei dem die Abtriebswelle der Expansionsmaschine 10 drehfest an einen mechanischen Energiespeicher 19 angeschlossen ist. Der mechanische Energiespeicher 19 kann beispielsweise ein Schwungradspeicher sein, bei dem die kinetische Energie der antreibenden Expansionsmaschine 10 in eine schnelle Rotation eines Schwungrads transferiert und bei Bedarf durch Abbremsen des Schwungrads zurückgewonnen wird. Dadurch wird eine zeitliche Entkopplung zwischen der Leistungsbereitstellung durch die Expansionsmaschine 10 und der Leistungsabnahme durch ein Nebenaggregat möglich, und damit ist eine zeitliche Steuerung des Antriebs dieses Nebenaggregats durchführbar.
6 zeigt auch, dass der Energiespeicher 19 abtriebsseitig über eine erste Kupplung 22 mit einem Koppelgetriebe 24 verbunden ist. Hierbei ist die Ausgangsseite der Kupplung 22 drehfest mit einen ersten Zahnrad 22 verbunden, welches mit einem zweiten Zahnrad 26 kämmt. Das zweite Zahnrad 26 ist mit der Antriebswelle einer drehantreibbaren Komponente drehfest verbunden, welche hier als Kompressor 27 ausgebildet ist. Durch die vorgeschlagene Anordnung der ersten Kupplung 22 kann das Koppelgetriebe 24 und der Kompressor 27 bei Bedarf von dem mechanischen Energiespeicher 19 getrennt werden, so dass die Energieentnahme aus dem mechanischen Energiespeicher 19 durch den Kompressor 27 bedarfsweise erfolgen kann. Außerdem können durch die beschriebene Entkopplung mittels der ersten Kupplung 22 Drehmomentspitzen beim Anlauf der antreibenden Expansionsmaschine 10 reduziert werden, denn das Koppelgetriebe 24 und der Kompressor 27 brauchen in dieser Phase nicht mitbeschleunigt zu werden.
Gemäß 7 ist die Expansionsmaschine 10 über den Energiespeicher 19 mit einer Antriebswelle 20 des Verbrennungsmotors 1 oder mit einer durch die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 antreibbaren Antriebswelle verbunden. Die Expansionsmaschine 10 kann allerdings auch über den Energiespeicher 19 mit einer Antriebswelle eines nicht dargestellten zusätzlich vorhandenen Antriebsaggregats, beispielsweise eines Elektromotors, verbunden sein. 7 zeigt auch, dass in diesem Ausführungsbeispiel zwischen Abtriebswelle der Expansionsmaschine 10 und der Eingangsseite des Energiespeichers 19 eine zweite Kupplung 23 angeordnet ist. Mittels dieser zweiten Kupplung 23 kann die Expansionsmaschine 10 von dem Energiespeicher 19 abgekoppelt oder mit diesem verbunden werden. Durch diese Konstruktion ist es vorteilhaft möglich, die Antriebsleistung der Expansionsmaschine 10 erst dann auf die Antriebswelle 20 aufzubringen, wenn die Expansionsmaschine 10 hierzu einen Drehmomentüberschuss gegenüber dem aktuellen Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 erzeugen kann, und in Bezug zum Verbrennungsmotor 1 nicht etwa bremsend wirkt. Sinnvollerweise können die beiden in 6 und 7 gezeigten Kupplungen 22, 23 gemeinsam verbaut sein, so dass jeweils eine dieser Kupplungen 22, 23 an der Antriebsseite bzw. Abtriebsseite des Energiespeichers 19 angeordnet ist. Hierdurch lässt sich der mechanische Energiespeicher 19 von der Antriebswelle 20 bzw. dem Verbrennungsmotor 1 und der Expansionsmaschine 10 bedarfsweise vollständig abkoppeln.
Schließlich zeigt 8 eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, gemäß der in einem gemeinsamen Gehäuse 30 die Expansionsmaschine 31, ein Druckluftkompressor 32 und eine dritte Kupplung 41 angeordnet sind, mittels der die beiden genannten Aggregate 31, 32 antriebstechnisch verbindbar oder voneinander trennbar sind. Vorzugsweise befindet sich in dem gemeinsamen Gehäuse 30 auch ein gemeinsames Steuergerät 42, mittels dem die Funktionen zumindest der dritten Kupplung 41 steuerbar und regelbar sind. Der Expansionsmaschine 10 wird über eine erste Leitung 34 das Arbeitsmedium einer Abwärmenutzungseinheit 2 zugeführt, in welcher dieses wie weiter vorne beschrieben mechanische Arbeit verrichtet. Über eine zweite Leitung 35 verlässt das Arbeitsmedium die Expansionsmaschine 10 und das gemeinsame Gehäuse 30. Außerdem wird dem Druckluftkompressor 32 über eine in das gemeinsame Gehäuse geführte Ansaugleitung 36 Umgebungsluft zugeführt, welche in dem Kompressor 32 zu Druckluft verdichtet wird. Diese Druckluft wird über eine erste Druckleitung 37 aus dem Kompressor 32 und aus dem gemeinsamen Gehäuse 30 herausgeführt. Die erste Druckleitung 37 führt dabei zu einem Druckluftspeicher 38 und über eine von der ersten Druckleitung 37 abzweigenden zweiten Druckluftleitung 39 zu Druckluftverbrauchern, beispielsweise zu Aktuatoren einer pneumatischen Bremsvorrichtung 40 des Fahrzeugs.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Abwärmenutzungseinheit
3: Dampfkreislauf
4: Verdichter eines Abgasturboladers
5: Turbine eines Abgasturboladers
6: Abgasrückführungskühler, Wärmetauscher
7: Abgasnachbehandlungseinrichtung
8: Speisepumpe der Abwärmenutzungseinheit
9: Verdampfer, Wärmetauscher der Abwärmenutzungseinheit
10: Expansionsmaschine (Turbine der Abwärmenutzungseinheit)
11: Kondensator (Wärmetauscher der Abwärmenutzungseinheit)
12: Abgaskreis
13: Frischgaszufuhr
14: Klimakompressor
15: Druckluftkompressor
16: Lüfter, Ventilator
17: Generator
18: Zugmitteltrieb, Riementrieb
19: Mechanischer Energiespeicher
20: Antriebswelle
21: Abgasturbolader
22: Erste Kupplung
23: Zweite Kupplung
24: Koppelgetriebe
25: Erstes Zahnrad
26: Zweites Zahnrad
27: Antreibbare Komponente, Druckluftkompressor
30: Gemeinsames Gehäuse
31: Expansionsmaschine
32: Druckluftkompressor
34: Erste Leitung
35: Zweite Leitung
36: Ansaugleitung
37: Erste Druckleitung
38: Druckluftspeicher
39: Zweite Druckleitung
40: Verbraucher, Bremsvorrichtung
41: Dritte Kupplung
42: Steuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006036122 A1 [0005]
DE 102009028153 A1 [0006]
DE 102006043139 A1 [0007]
DE 102007022735 A1 [0008]
WO 2008/095599 A1 [0009]
DE 102008048366 A1 [0046]

Claims

Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor (1) und einer Abwärmenutzungseinheit (2), bei dem die Abwärmenutzungseinheit (2) mindestens eine Expansionsmaschine (10, 31) aufweist, die in einem geschlossenen Dampfkreislauf (3) angeordnet ist, in dem ein Arbeitsmedium durch im Betrieb des Verbrennungsmotors (1) anfallende Verlustwärme verdampft wird und in der Expansionsmaschine (10, 31) mechanische Arbeit verrichtet, wobei die Expansionsmaschine (10, 31) einer durch sie drehantreibbaren Komponente zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsverbindung zwischen der Expansionsmaschine (10, 31) und der von dieser drehantreibbaren Komponente (14, 15, 16, 17, 18, 19, 27, 32) unter Berücksichtigung der Funktion dieser Komponente (14, 15, 16, 17, 18, 19, 27, 32) und des Wirkungsgrades der Antriebsverbindung als eine permanente Kopplung, eine schaltbare Kopplung oder eine zeitlich steuerbare Kopplung ausgebildet ist.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Expansionsmaschine (10, 31) drehantreibbare Komponente ein Klimakompressor (14, 32) einer Klimaanlage ist.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Expansionsmaschine (10, 31) drehantreibbare Komponente ein Druckluftkompressor (15, 32) eines Druckluftsystems ist.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Expansionsmaschine (10) drehantreibbare Komponente ein Lüfter (16) für eine Motorkühlung ist.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Expansionsmaschine (10) drehantreibbare Komponente ein Zugmitteltrieb (18) des Verbrennungsmotors (1) ist.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Expansionsmaschine (10) drehantreibbare Komponente ein Generator (17) zur Erzeugung elektrischer Energie ist.
Fahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (10) antriebstechnisch direkt mit der durch sie drehantreibbaren Komponente (14, 15, 16, 17, 18, 19) verbunden ist.
Fahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsverbindung zwischen der Expansionsmaschine (10, 31) und der durch sie drehantreibbaren Komponente (19, 27, 32) mittels einer Schaltkupplung (22, 23, 41) herstellbar oder trennbar ist.
Fahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Expansionsmaschine (10) und der durch sie drehantreibbaren Komponente (27) ein Koppelgetriebe (24) angeordnet ist.
Fahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (31) und die drehantreibbare Komponente (32) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) integriert sind.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (31), die drehantreibbare Komponente (32), eine beide (31, 32) antriebswirksam verbindende steuerbare oder regelbare Kupplung (41) sowie ein gemeinsames Steuergerät (42) in dem gemeinsamen Gehäuse (30) integriert sind.
Fahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Expansionsmaschine (10) und die durch sie drehantreibbaren Komponente (27) ein mechanischer Energiespeicher (19) angeordnet ist.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Expansionsmaschine (10) und dem mechanischen Energiespeicher (19) eine Kupplung (23) angeordnet ist.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mechanischen Energiespeicher (19) und der durch die Expansionsmaschine (10) drehantreibbaren Komponente (27) eine Kupplung (22) angeordnet ist.