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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, einer Abgasturbine, einem Verdichter und einer Kühlungsturbine bekannt. Die
DE 20 2017 107 685 U1 beschreibt eine Kühlungsturbine, der vom Verdichter verdichtete Luft zugeführt wird. In der Kühlungsturbine wird die Luft abgekühlt und anschließend als abgekühlte verdichtete Luft der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine besonders effizient funktionierende Kombination aus Verdichter, Abgasturbine und Kühlungsturbine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Kraftfahrzeug umfasst eine Brennkraftmaschine, eine Abgasturbine, einen Verdichter, eine Kühlungsturbine und eine Welle. Die Abgasturbine, der Verdichter und die Kühlungsturbine weisen jeweils einen Ausgang für ein Fluid und einen Eingang für ein Fluid auf. Es ist selbstverständlich möglich, dass die Abgasturbine, der Verdichter und die Kühlungsturbine jeweils mehrere Ausgänge und Eingänge aufweisen können. Das Fluid kann insbesondere ein Gas oder ein Gasgemisch sein. Die Abgasturbine ist dazu ausgebildet, von aus der Brennkraftmaschine austretendem und in den Eingang der Abgasturbine eintretendem Abgas angetrieben zu werden. Hierbei wird dem Abgasstrom Energie entzogen, die für den Antrieb der Abgasturbine genutzt wird. Es ist dabei zu beachten, dass das Abgas nicht direkt aus der Brennkraftmaschine in die Abgasturbine strömen muss. Es ist beispielsweise auch möglich, dass das Abgas vor der Zufuhr in die Abgasturbine abgekühlt wird.
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Der Verdichter ist dazu ausgebildet, ein über seinen Eingang einströmendes Fluid zu verdichten und im verdichteten Zustand aus seinem Ausgang an den Eingang der Kühlungsturbine auszugeben. Dabei kann das verdichtete Fluid vor dem Eintritt in die Kühlungsturbine über einen Ladeluftkühler abgekühlt werden. Bei diesem Prozess sink der Druck des verdichteten Fluids. Das verdichtete Fluid vor dem Eintritt in den Ladeluftkühler kann auch als überverdichtetes Fluid bezeichnet werden, da es in diesem Zustand einen Druck aufweist, der höher ist als der eigentlich benötigte. Die Kühlungsturbine ist dazu ausgebildet, das über ihren Eingang eintretende Fluid im verdichteten Zustand abzukühlen und im abgekühlten Zustand über ihren Ausgang an die Brennkraftmaschine auszugeben. Während dieses Prozesses wird die Kühlungsturbine vom verdichteten Fluid angetrieben.
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Die Abgasturbine und die Kühlungsturbine sind jeweils dazu ausgebildet, die Welle anzutreiben. Die Energie hierfür kann beispielsweise im Falle der Abgasturbine aus dem Abgasstrom und im Falle der Kühlungsturbine aus dem Strom des verdichteten, insbesondere des überverdichteten, Fluids entnommen werden. Der Verdichter ist dazu ausgebildet von der Welle angetrieben zu werden. Dem Verdichter wird somit die für die Verdichtung des Fluids benötigte Energie über die Welle zur Verfügung gestellt.
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Der Verdichter, die Abgasturbine und die Kühlungsturbine sind somit mit der gleichen Welle verbunden, sodass die in der Abgasturbine und in der Kühlungsturbine gewonnene Energie besonders effizient und kompakt zum Antrieb des Verdichters verwendet werden kann.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Abgasturbine, der Verdichter und die Kühlungsturbine direkt an der Welle befestigt sein. Dies steigert weiter die Effizienz der Energieübertragung. Durch die Kühlungsturbine kann die Abkühlung der Ansaugluft auf Umgebungstemperaturniveau ermöglicht werden. Dies steigert die Effizienz der Verbrennung und des Gesamtantriebs.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kraftfahrzeug eine Trennwand umfassen. Der Verdichter kann auf einer ersten Seite der Trennwand direkt an der Trennwand angeordnet sein. Die Kühlungsturbine kann auf einer zweiten Seite der Trennwand direkt an der Trennwand angeordnet sein. Es ist insbesondere möglich, dass der Verdichter ein Verdichterrad aufweist, das dazu ausgebildet ist, das Fluid zu verdichten. In diesem Fall kann das Verdichterrad mit seinem Radrücken direkt an der ersten Seite der Trennwand angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass die Kühlungsturbine ein Kühlungsturbinenrad aufweist, das dazu ausgebildet ist, das Fluid abzukühlen. Beispielsweise kann das Fluid im Kühlungsturbinenrad expandieren, sodass es sich abkühlt. Das Kühlungsturbinenrad kann mit seinem Radrücken direkt an der zweiten Seite der Trennwand angeordnet sein.
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Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, da der Verdichter durch die Kühlungsturbine gekühlt wird.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können der Verdichter und die Kühlungsturbine als ein einziges Bauteil ausgebildet sein. Beispielsweise können die Kühlungsturbine und der Verdichter einstückig und/oder einteilig ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass die Trennwand Bestandteil des einzigen Bauteils ist. Hierdurch wird eine besonders effiziente Kühlung des Verdichters mittels der Kühlungsturbine erreicht.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Verdichter ein Verdichterrad aufweisen, das beispielsweise direkt an der Welle befestigt sein kann. Die Kühlungsturbine kann ein Kühlungsturbinenrad aufweisen, das beispielsweise direkt an der Welle befestigt sein kann. Der Verdichter kann im Bereich der Trennwand einen Abstand von der Kühlungsturbine aufweisen, der geringer ist als eine Summe aus einer axialen Länge des Verdichterrads und einer axialen Länge des Kühlungsturbinenrads. Der Abstand im Bereich der Trennwand kann beispielsweise der Dicke der Trennwand entsprechen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kraftfahrzeug einen elektrischen Antrieb umfassen, der dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl der Welle zu regeln. Es ist dabei insbesondere möglich, dass der elektrische Antrieb direkt an der Welle angeordnet ist. Die Regelung der Drezahzahl der Welle mittels des elektrischen Antriebs ist vorteilhaft für eine besonders effiziente Wirkungsweise des Verdichters. Insbesondere wird eine besonders dynamische Wirkungsweise erreicht. Des Weiteren ist der elektrische Antrieb vorteilhaft für eine Regelung des Systems.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Abgasturbine eine variable Turbinengeometrie aufweisen. Hierbei kann es beispielsweise sein, dass die Abgasturbine Fluidschaufeln aufweist, die durch das Fluid angetrieben werden. Die Fluidschaufeln können dabei einstellbar sein. Dies ermöglicht die Verwendung der Fluidschaufeln als Alternative zum elektrischen Antrieb, um die Dynamik und die Regelung des Systems zu gewährleisten.
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Beim Verfahren gemäß Anspruch 8 wird Abgas aus der Brennkraftmaschine an den Eingang der Abgasturbine ausgegeben. Dies muss nicht direkt erfolgen. Es ist beispielsweise auch möglich, dass das Abgas zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasturbine abgekühlt wird. Die Abgasturbine wird durch das Abgas angetrieben und treibt wiederum die Welle an. Die Welle treibt den Verdichter an. Luft wird in den Eingang des Verdichters zugeführt. Der Verdichter verdichtet die Luft. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der Verdichter den statischen Druck der Luft erhöht. Dies kann beispielsweise nach dem Prinzip eines Kompressors erfolgen. Die verdichtete Luft wird über den Ausgang des Verdichters an den Eingang der Kühlungsturbine ausgegeben. Es ist möglich, dass dies über einen Ladeluftkühler erfolgt. Die verdichtete Luft kann beispielsweise an den Ladeluftkühler und dann an den Eingang der Kühlungsturbine ausgegeben werden. Die Kühlungsturbine wird durch die verdichtete Luft angetrieben. Während des Antriebs der Kühlungsturbine durch die verdichtete Luft wird die verdichtete Luft abgekühlt. Dabei kann insbesondere der statische Druck der Luft verringert werden, indem die Luft expandiert. Die Kühlungsturbine treibt die Welle an. Die abgekühlte Luft wird über den Ausgang der Kühlungsturbine ausgegeben und der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Dieser Prozess kann dafür sorgen, dass die Verbrennungstemperatur und somit die Abgastemperatur sinkt. Außerdem liefert die Abgasturbine mehr Leistung an den Verdichter, um die Überverdichtung zu ermöglichen. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur nach der Turbine bzw. vor dem Katalysator weiter sinkt. Hierdurch wird eine Leistungssteigerung von Hochleistungsmotoren, die durch die maximalen Abgastemperaturen begrenzt sind, ermöglicht.
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Die Welle wird somit durch die Abgasturbine und die Kühlungsturbine angetrieben. Die Welle wiederum treibt den Verdichter an. Es ist somit besonders effizient, dass die dem Abgas und der verdichteten Luft entnommene Energie direkt über die Welle dem Verdichter zugeführt wird.
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Unter der Formulierung, dass eine erste Komponente durch eine zweite Komponente angetrieben wird, wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass die zweite Komponente die erste Komponente antreibt.
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Die Luft kann dabei insbesondere so stark verdichtet werden, dass sie auch nach Abkühlung in der Kühlungsturbine einen ausreichend hohen Druck aufweist, um den Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine zu verbessern. Der statische Druck der abgekühlten Luft kann somit insbesondere höher sein als der statische Druck der Luft, bevor sie dem Verdichter zugeführt wird. Die Luft wird somit im Verdichter so stark verdichtet, dass die darauffolgende Abkühlung nicht zu einem zu großen Druckverlust führt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Drehzahl der Welle durch den elektrischen Antrieb geregelt werden. Alternativ hierzu kann die Regelung der Drehzahl der Welle auch unter Verwendung einer variablen Turbinengeometrie der Abgasturbine erfolgen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die verdichtete Luft vor der Abkühlung einen höheren statischen Druck aufweisen als nach der Abkühlung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Teils eines Kraftfahrzeugs nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Teils eines Kraftfahrzeugs nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem elektrischen Antrieb der Welle;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Kombination aus Verdichter, Kühlungsturbine, elektrischem Antrieb, Abgasturbine mit variabler Geometrie und Welle;
- 4 eine schematische Schnittdarstellung der Kombination aus Verdichter und Kühlungsturbine mit dazwischen angeordneter Trennwand; und
- 5 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines Kraftfahrzeugs nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Das Kraftfahrzeug gemäß 1 umfasst zwei Fluidführungsverläufe mit jeweils den gleichen Komponenten. Aus Gründern der Übersichtlichkeit wird nachfolgend lediglich der Aufbau und die Funktion eines einzigen Fluidführungsverlaufs beschrieben. Diese Ausführungen gelten jedoch genauso für den anderen Fluidführungsverlauf.
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Der Fluidführungsverlauf umfasst einen Luftfilter 100, einen Verdichter 101, eine Kühlungsturbine 102, eine Welle 103, eine Abgasturbine 104, drei Brennkammern 105 einer Brennkraftmaschine, einen Ladeluftkühler 106 und eine Abgasanlage 107. Es ist zu beachten, dass das Prinzip der Erfindung auch mit weniger oder mehr Brennkammern 105 in gleicher Weise funktioniert. Die Anzahl der Brennkammern 105 ist lediglich beispielhaft.
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Im Betrieb wird Luft über den Luftfilter 100 in den Verdichter 101 angesaugt. Im Verdichter 101 wird der statische Druck der Luft erhöht. Die Luft wird somit verdichtet. Die verdichtete Luft weist aufgrund der Verdichtung eine höhere Temperatur auf als die unverdichtete Luft. Im Ladeluftkühler 106 wird die verdichtete Luft abgekühlt. Die abgekühlte Luft wird der Kühlungsturbine 102 zugeführt. Die Kühlungsturbine 102 wird von der strömenden Luft angetrieben. In der Kühlungsturbine 102 wird der abgekühlten Luft Energie entzogen. Die abgekühlte Luft expandiert, sodass sie sich weiter in Richtung der Umgebungstemperatur abkühlt. Der statische Druck der Luft sinkt dabei. Er bleibt jedoch oberhalb des Drucks, den die Luft vor dem Verdichter 101 aufweist. Die Luft wird im Verdichter 101 also stärker verdichtet als es eigentlich für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Erst nach Austritt aus der Kühlungsturbine 102 weist die Luft den gewünschten statischen Druck zur Verwendung in den Brennkammern 105 der Brennkraftmaschine auf.
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Der Verdichter 101 ist direkt benachbart zur Kühlungsturbine 102 angeordnet. Der Verdichter 101 wird somit von der durch die Kühlungsturbine 102 strömenden abgekühlten Luft gekühlt.
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Die aus der Kühlungsturbine 102 austretende Luft wird den Brennkammern 105 der Brennkraftmaschine zugeführt. Aus den Brennkammern 105 strömt Abgas zur Abgasturbine 104. Die Abgasturbine 104 wird durch das Abgas angetrieben. Hierbei kühlt sich das Abgas ab. Das abgekühlte Abgas wird der Abgasanlage 107 zugeführt. Von dort gelangt das Abgas 107 an eine Umgebung des Kraftfahrzeugs.
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Der Verdichter 101, die Kühlungsturbine 102 und die Abgasturbine 104 sind alle auf einer einzigen Welle 103 angeordnet. Die Kühlungsturbine 102 und die Abgasturbine 104 treiben somit die Welle 103 an. Der Verdichter 101 wird von der Welle 103 angetrieben. Die der Luft in der Kühlungsturbine 102 und dem Abgas in der Abgasturbine 104 entzogene Energie wird also ausschließlich über die Welle 103 und keine weiteren Komponenten dem Verdichter 101 zugeführt. Der Verdichter 101 verwendet diese Energie, um die ihm zugeführte Luft zu verdichten. Es handelt sich somit um ein besonders energieeffizientes und kompaktes System.
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Das Kraftfahrzeug gemäß 2 unterscheidet sich im Wesentlich von dem Kraftfahrzeug gemäß 1 dadurch, dass an der Welle, die in 2 verdeckt ist, ein elektrischer Antrieb 200 angeordnet ist, der im Betrieb die Welle antreibt oder abbremst, um den Ladedruck zu regeln oder die Dynamik zu gewährleisten. Eine Alternative zum elektrischen Antrieb 200 kann eine variable Turbinengeometrie der Abgasturbine 104 sein, die die gleichen Vorteile erreichen kann.
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In 3 ist ein Verbund 0 aus Verdichter und Kühlungsturbine dargestellt. Der Verdichter weist ein Verdichterrad 1 auf. Die Kühlungsturbine weist ein Kühlungsturbinenrad 2 auf. Das Kühlungsturbinenrad 2 und das Verdichterrad 1 sind jeweils direkt an zwei verschiedenen Seiten einer Trennwand 5 angeordnet, sodass im Betrieb das Kühlungsturbinenrad 2 das Verdichterrad 1 kühlt.
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Außerdem weist der Verdichter eine Sammelvolute 6 auf. Die Kühlungsturbine weist eine Sammelvolute 9, eine Einströmvolute 7 und einen Diffusor 8 auf. Der Verdichter weist ferner einen Kanal 11 für eine Kennfeldstabilisierung auf.
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Der Verbund 0 ist an der Welle 103 befestigt. Dies gilt ebenso für einen Magneten 3 eines elektrischen Antriebs, sodass die Drehzahl der Welle 103 mittels des elektrischen Antriebs geregelt werden kann. Alternativ hierzu kann diese Regelung mittels der variablen Turbinengeometrie der Abgasturbine 104 erfolgen.
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Außerdem ist in 3 noch die Abgasturbine 104 dargestellt, die ebenfalls an der Welle 103 befestigt ist. Diese weist ein Abgasturbinenrad 4 und eine Einströmvolute 10 auf. Außerdem sind die Schaufeln 12 der Abgasturbine 104 einstellbar, um die Leistung zu regeln.
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Die Abgasturbine 104 und der Verbund 0 aus Kühlungsturbine und Verdichter sind mit einem Lagerungssystem 13 an der Welle gelagert.
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In 4 ist ein bevorzugtes geometrisches Verhältnis zwischen der Dicke X der Trennungswand 5 und einer Summe aus den axialen Längen des Kühlungsturbinenrads 2 und des Verdichterrads 1 dargestellt. Die Dicke X der Trennungswand 5 ist kleiner als die Summe aus den axialen Längen des Kühlungsturbinenrads 2 und des Verdichterrads 1.
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Das Kraftfahrzeug gemäß 5 unterscheidet sich von dem Kraftfahrzeug aus 2 im Wesentlichen dadurch, dass lediglich ein einziger Fluidführungsverlauf vorhanden ist. Dieser ist ähnlich aufgebaut, wie es bereits in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben ist. Er weist ähnlich wie die Fluidführungsverläufe aus 2 einen elektrischen Antrieb 200 zum Antrieb der Welle 103 auf. Die Kühlungsturbine 102 weist jedoch zwei Ausgänge auf, aus denen die abgekühlte Luft jeweils drei Brennkammern 105 zugeführt wird.
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Das in 5 dargestellte System lässt sich bei eine Brennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Brennkammern 105 besonders platzsparend anordnen, indem der elektrische Antrieb 200 und die Abgasturbine zwischen den Brennkammern 105 angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202017107685 U1 [0002]
