DE102022126859B3

DE102022126859B3 - Aufladesystem einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102022126859B3
Application number: DE102022126859.4A
Authority: DE
Inventors: Elias Chebli; Donatus Wichelhaus
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2042-10-15
Also published as: GB202315687D0; CN117888990A; US20240125267A1; GB2623434A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufladesystem (20) einer Verbrennungskraftmaschine. Das erfindungsgemäße Aufladesystem (20) weist dabei einen Verdichter (22) auf, welcher dazu ausgebildet ist, Ansaugluft (41) zu verdichten und einen höheren Druck zu erzeugen als einen Ladedruck der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Weiterhin weist das Aufladesystem (20) eine erste Energierückgewinnungsturbine (25) auf, welche dazu ausgebildet ist, Energie aus einem aus einem Zylinder (12) ausgestoßenen Abgasmassestrom (45) zu gewinnen, wobei der Verdichter (22) und die erste Energierückgewinnungsturbine (25) gemeinsam auf einer ersten Welle (31) angeordnet sind und somit die rückgewonnene Energie direkt auf den Verdichter (22) übertragen wird. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Aufladesystem (20) eine Kühlturbine (24) auf, welche dazu ausgebildet ist, die vom Verdichter (22) verdichtete (Ansaug-)Luft (41) auf den vom Zylinder (12) benötigten Ladedruck zu expandieren und auf diese Weise ebenfalls zu kühlen. Zusätzlich ist eine zweite Energierückgewinnungsturbine (26) vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, Energie aus dem Abgasmassenstrom (45) zurückzugewinnen. Die zweite Energierückgewinnungsturbine (26) und die Kühlturbine (24) sind dabei auf einer gemeinsamen zweiten Welle (32) angeordnet. Erfindungsgemäß ist die zweite Welle (32) mit wenigstens einer Energiesenke gekoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufladesystem einer Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zur Bereitstellung einer Ladedruckluft an einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine.
Um die Leistung moderner Verbrennungskraftmaschinen (Verbrenner oder Verbrennungsmotor) sowohl in rein verbrennerbetriebenen Fahrzeugen als auch in hybriden Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektroantrieb zu optimieren, ist im Stand der Technik der sogenannte Turbolader bekannt. Dieser erhöht die Dichte der Ansaugluft für die Zylinder und dadurch ebenfalls die Zylinderfüllung. Für den Betrieb des Turboladers wird dabei in der Regel auf die Energie des Abgasmassenstroms, welche im Ausstoßtakt der Zylinder ausgestoßen wird, zurückgegriffen. Dabei wird die Energie durch eine Turbine dem Abgasmassenstrom entzogen und über eine gemeinsame Welle an den entsprechenden Verdichter zum Verdichten der Ansaugluft übertragen.
Um die Dichte der Ladeluft (Ladedruckluft) und damit auch die Leistungsdichte des Verbrennungsmotors noch weiter zu steigern, kann ein Ladedruckluftkühler nach dem Verdichter vorgesehen werden. Durch die kühlere Ladeluft sinkt die Klopfneigung der Benzinmotoren, wodurch ein hinsichtlich Schwerpunktslage der Verbrennung optimaler Zündungszeitpunkt angewendet werden kann. Hieraus resultiert die Effizienzsteigerung der Verbrennung und eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs.
Ein derartiges System ist beispielsweise in dem Patentdokument US 2011/209473 A1 offenbart. Das Patentdokument DE 10 2019 006 517 A1 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader, umfassend eine Turbine, einen Verdichter und einen Ladeluftkühler, wobei ferner eine weitere Turbine nach dem Ladeluftkühler vorgesehen ist, die einen Generator antreibt.
Das Patentdokument DE 10 2011 018 570 A1 offenbart einen Motor, welchem mit Hilfe eines Verdichters im Betrieb verdichtete Luft zugeführt wird. Der Verdichter wird als Turbolader von aus der Verbrennungskraftmaschine austretendem Abgas angetrieben, wobei über den Verdichter mehr Luft geleitet wird, als die Brennkraftmaschine benötigt. Die überschüssige Luft wird über eine Turbine, welche einen Generator antreibt, expandiert und vor den Verdichter zurückgeführt.
Weiterhin ist in der Patentschrift DE 10 2010 035 085 B4 ein Kraftwagen mit einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader offenbart, wobei stromab des Verdichters eine Turbine in dem Ansaugtrakt angeordnet ist, welche von der mittels des Verdichters verdichteten Luft antreibbar und mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist. Ein Ladeluftkühler ist dabei stromab des Verdichters und der Turbine angeordnet.
Aus der DE 10 2011 006 388 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt und einem Abgasstrang bekannt, wobei der Ansaugtrakt einen Verdichter zum Verdichten der Ansaugluft, eine Abgasturbine und eine Expansionsmaschine aufweist.
Die DE 31 24 668 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt, welcher eine Expansionsmaschine aufweist, wodurch das zeitliche Ansaugvolumen beeinflussbar ist.
In der GB 2 420 152 A ist eine aufladbare Verbrennungskraftmaschine, welche einen Turbolader und einen Expander umfasst, gezeigt.
Vor dem geschilderten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein Aufladesystem für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche die Leistungsdichte eines Verbrennungsmotors weiter erhöht und dabei eine kompakte Bauweise des Systems ermöglicht. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Bereitstellung einer Ladedruckluft an einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in der Beschreibung als vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbarten Ausgestaltungen der Erfindung entsprechend ebenfalls als vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbart werden.
Das erfindungsgemäße Aufladesystem weist einen Verdichter auf, welcher dazu ausgebildet ist, Ansaugluft zu verdichten und einen höheren Druck zu erzeugen als einen Ladedruck der Verbrennungskraftmaschine. Unter dem Ladedruck wird dabei der Druck der Ansaugluft verstanden, den diese für die Befüllung der Zylinder aufweist. Somit wird die Ansaugluft auf ein höheres Druckniveau verdichtet, als das der Ladedruckluft der Verbrennungskraftmaschine beim Befüllen des Zylinders. Weiterhin weist das Aufladesystem eine erste Energierückgewinnungsturbine auf, welche dazu ausgebildet ist, Energie aus einem aus dem Zylinder ausgestoßenen Abgasmassestrom (zurück) zu gewinnen, wobei der Verdichter und die erste Energierückgewinnungsturbine gemeinsam auf einer ersten Welle angeordnet sind und somit die rückgewonnene Energie direkt auf den Verdichter übertragen wird. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Aufladesystem eine Kühlturbine auf, welche dazu ausgebildet ist, die vom Verdichter verdichtete (Ansaug-)Luft auf den vom Zylinder benötigten Ladedruck zu expandieren und auf diese Weise ebenfalls zu kühlen. Zusätzlich ist eine zweite Energierückgewinnungsturbine vorgesehen, welche wie die erste Energierückgewinnungsturbine dazu ausgebildet ist, Energie aus einem aus dem Zylinder ausgestoßenen Abgasmassenstrom zurückzugewinnen, wobei die erste und die zweite Energierückgewinnungsturbine vorzugsweise parallel angeordnet sind und sich der Abgasmassenstrom somit trennt, um beide Energierückgewinnungsturbinen zu betreiben. Die zweite Energierückgewinnungsturbine und die Kühlturbine sind dabei auf einer gemeinsamen zweiten Welle angeordnet. Erfindungsgemäß ist die zweite Welle mit wenigstens einer Energiesenke gekoppelt. Im Rahmen dieser Anmeldung ist dabei unter einer Energiesenke entweder ein Energieverbraucher oder ein Energiespeicher zu verstehen, welcher die Rotationsenergie der Welle aufnehmen und verbrauchen bzw. speichern kann. Unter Kopplung ist also eine Verbindung zu verstehen, welche die Übertragung der Energie der Welle zulässt. Vorzugsweise ist dabei ebenfalls ein Energiewandler vorgesehen, der die Rotationsenergie der zweiten Welle beispielsweise in elektrische Energie umwandelt, um sie nutzbar zu machen.
Durch das erfindungsgemäße Aufladesystem ist im Vergleich zum Stand der Technik eine zusätzliche Kühlung der Ladedruckluft und damit eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte des Verbrennungsmotors möglich, wobei die dafür zusätzlich aufgewendete Energie zu einem großen Teil wieder nutzbar gemacht werden kann. Dabei ermöglicht das Aufladesystem mit den zwei Wellen eine kompakte und effiziente Anordnung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Aufladesystem weiterhin einen Ladedruckluftkühler auf, der dazu ausgebildet ist, die durch den Verdichter verdichtete Luft zusätzlich zur Kühlturbine zu kühlen. Vorzugsweise ist dieser Ladedruckluftkühler dabei zwischen Verdichter und Kühlturbine angeordnet. Durch den Ladedruckluftkühler besteht eine effiziente Möglichkeit der weiteren Kühlung der Ladedruckluft. Zudem kann der Ladedruckluftkühler durch die an der zweiten Welle gewonnenen Energie betrieben werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlturbine dazu ausgebildet die verdichtete Luft derart zu expandieren und zu kühlen, dass die Temperatur der verdichteten Luft gleich wie oder bevorzugt kleiner ist als eine Umgebungstemperatur, welche die Ansauglauf beim Ansaugen vor dem Verdichter aufweist. Somit kann die Leistungsdichte weiterhin gesteigert werden.
Vorzugsweise ist die zweite Welle zudem direkt mit dem Antriebsstrang, insbesondere dem Rädertrieb des Verbrennungsmotor als Energiesenke gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich dazu erfolgt die Kopplung zwischen zweiter Welle und Energiesenke mechanisch, insbesondere mittels eines Planetengetriebes. Die mechanische Kopplung, insbesondere mittels Planetengetriebe, stellt dabei eine kompakte, günstige und langlebige Art der Kraftübertragung dar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kopplung der zweiten Welle mit der Energiesenke zwischen der Kühlturbine und der zweiten Energierückgewinnungsturbine. Somit befindet sich bei Ausführungsformen mit einem Planetengetriebe als Kopplung dieses auf der zweiten Welle zwischen Kühlturbine und zweiter Energierückgewinnungsturbine. Durch eine derartige Anordnung der Kopplung kann der Aufwand der Lagerung der zweiten Welle verringert werden und die Länge der Welle minimiert werden.
Alternativ dazu sind ebenfalls Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen die Kopplung der zweiten Welle mit der Energiesenke außerhalb der Kühlturbine und der zweiten Energierückgewinnungsturbine, insbesondere auf der Seite der Kühlturbine angeordnet ist.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Luftfilter, welcher die Ansaugluft vor der Verdichtungstufe im Verdichter filtert. Somit kann sichergestellt werden, dass keine schädlichen Verunreinigungen in den Verdichter und die Kühlstufen oder gar in den Zylinder gelangen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung einer Ladedruckluft für einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine weist zunächst den Schritt des Verdichtens der Ansaugluft auf, bei dem die zu verdichtende Luft durch einen Verdichter auf einen höheren Druck als ein Ladedruck der Verbrennungskraftmaschine verdichtet wird. Anschließend wird die verdichtete Luft wenigstens durch eine Kühlturbine auf das den Ladedruck expandiert und gekühlt. Vorzugsweise wird die verdichtete Luft insbesondere vor der Kühlung durch die Kühlturbine durch einen Ladedruckluftkühler gekühlt und gelangt erst dann in die Kühlturbine. Weiterhin erfolgt eine Energierückgewinnung aus dem Abgasmassenstrom mittels einer ersten und einer zweiten Energierückgewinnungsturbine, wobei die durch die erste Energierückgewinnungsturbine gewonnene Energie zum Betrieb des Verdichters eingesetzt wird. Weiterhin übertragen erfindungsgemäß die zweite Energierückgewinnungsturbine und die Kühlturbine Energie auf eine zweite Welle übertragen und die dann als Rotationsenergie vorliegende Energie der zweiten Welle auf eine Energiesenke übertragen wird.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform und vorteilhafte Aspekte der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufladesystems 20 für eine Verbrennungskraftmaschine 10

1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufladesystems 20 für eine Verbrennungskraftmaschine 10. Diese weist einen Motorblock 11 und sechs Zylinder 12 auf. Das Aufladesystem 20 ist dabei für die Versorgung der Ladedruckluft 44 zuständig, welche für die Verbrennung in den Zylindern 12 benötigt wird. Die Bestandteile des Aufladesystems 20 sind dabei ein Verdichter 22, ein Ladeluftkühler 23, eine Kühlturbine 24 sowie eine erste und eine zweite Energierückgewinnungsturbine 25, 26.
Die vom Verbrennungsmotor 10 angesaugte Ansaugluft 41 erreicht zunächst den Luftfilter 21, welcher die Ansaugluft 41 zunächst filtert und so Schadstoffe bzw. für die Komponenten des Aufladesystems 20 schädliche Bestandteile aus der Luft entfernt. Die Ansaugluft 41 gelangt anschließend in einen Verdichter 22, der die Ansaugluft 41 auf einen Druck komprimiert, welcher über dem Ladedruck liegt, welcher die Ladedruckluft beim Einströmen in den Zylinder 12 aufweist. Durch die Komprimierung erhöht sich auch die Temperatur der verdichteten Luft 42. Um die Temperatur wieder zu senken, wird die verdichtete Luft 42 in den Ladedruckluftkühler 23 geleitet, von wo aus die gekühlte Luft 43 zur Kühlturbine 24 gelangt. Dort wird sie auf den Ladedruck expandiert, wodurch sie ebenfalls gekühlt wird. Durch die Anordnung ist es möglich die Ladedruckluft 44 so weit zu kühlen, dass ihre Temperatur unterhalb der Temperatur der Ansaugluft 41 und damit der Umgebungstemperatur liegt und trotzdem der erforderliche Ladedruck vorliegt. Die gekühlte Ladedruckluft 44 gelangt anschließend in die Zylinder 12.
Nach der Verbrennung in den Zylindern 12 wird im Ausstoßtakt des Zylinders ein Abgasmassenstrom 45 ausgestoßen, welcher aufgeteilt wird und in die erste und die zweite Energierückgewinnungsturbine 25, 26 gelangt. Die beiden Energierückgewinnungsturbinen sind somit parallel angeordnet. Die erste Energierückgewinnungsturbine 25 ist dabei mit dem Verdichter 22 auf einer gemeinsamen ersten Welle 31 angeordnet, wobei die erste Energierückgewinnungsturbine 25 somit den Verdichter 22 betreiben kann. Die zweite Energierückgewinnungsturbine 26 ist mit der Kühlturbine 24 auf einer gemeinsamen zweiten Welle 32 angeordnet. Sowohl die zweite Energierückgewinnungsturbine 26 als auch die Kühlturbine 24 übertragen somit ein beschleunigendes Moment auf die zweite Welle 32. Diese ist über ein Getriebe 33 mit einer Energiesenke gekoppelt, sodass die auf die zweite Welle 32 übertragene Rotationsenergie direkt entweder weiterverwendet werden kann, beispielsweise zum Betrieb des Ladedruckluftkühlers 23 oder in einer Batterie oder einem anderen Energiespeicher zwischengespeichert wird. Das Getriebe 33 ist dabei beispielsweise als Planetengetriebe ausgeführt und in der gezeigten Ausführungsform in der Nähe der Kühlturbine 24 auf einem Abschnitt der zweiten Welle 32 angeordnet, welcher sich nicht zwischen Kühlturbine 24 und zweiter Energierückgewinnungsturbine 26 befindet.
Durch die gezeigte Ausführungsform kann ein Aufladesystem 20 bereitgestellt werden, welches eine kompakte Bauform mit einer effizienten Kühlung des Ladeluftdrucks vereint und die aufgewendete Energie bestmöglich einsetzt. Durch die Anordnung der ersten und der zweiten Energierückgewinnungsturbine 25, 26 kann dabei optimal die im Abgasmassenstrom 45 enthaltene Energie zurückgewonnen werden. Selbst bei Überschreiten eines maximalen Ladedrucks durch die Verdichtung kann zum einen durch die Kühlturbine 24 die Ladedruckluft 44 wieder expandiert und damit gekühlt werden, wobei bei einer stärkeren Expansion eine stärkere Kühlung erfolgt. Alternativ kann der Abgasmassenstrom verstärkt auf die zweite Energierückgewinnungsturbine 26 geleitet werden, sodass der Verdichter durch die erste Energierückgewinnungsturbine 25 weniger stark angetrieben wird. Durch die Versorgung der zweiten Energierückgewinnungsturbine 26 mit einem größeren Abgasmassenstrom wird dessen Energie zu einem größeren Anteil auf die zweite Welle 32 übertragen und von dort über die Kopplung an eine Energiesenke weitergegeben, wo sie weiterverwendet werden kann. Auf diese Weise kann die Energie des Abgasmassenstroms immer bestmöglich zurückgewonnen werden, auch wenn der Verdichter die Ansaugluft bereits auf ein maximales Druckniveau verdichtet.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
11: Motorblock
12: Zylinder
20: Aufladesystem
21: Luftfilter
22: Verdichter
23: Ladedruckluftkühler
24: Kühlturbine
25: erste Energierückgewinnungsturbine
26: zweite Energierückgewinnungsturbine
31: erste Welle
32: zweite Welle
33: Getriebe
41: Ansaugluft
42: verdichtete Luft
43: gekühlte Luft
44: Ladedruckluft
45: Abgasmassenstrom

Claims

Aufladesystem (20) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) mit wenigstens einem Zylinder (12) aufweisend, einen Verdichter (22) dazu ausgebildet, Ansaugluft (41) zu verdichten und einen höheren Druck zu erzeugen als einen Ladedruck einer Ladedruckluft (44) beim Befüllen des Zylinders (12), eine erste Energierückgewinnungsturbine (25), welche dazu ausgebildet ist, Energie aus einem aus dem Zylinder (12) ausgestoßenen Abgasmassenstrom (45) zu gewinnen, wobei der Verdichter (22) und die erste Energierückgewinnungsturbine (25) auf einer ersten Welle (31) angeordnet sind, eine Kühlturbine (24), dazu ausgebildet die verdichtete Luft (42) auf den benötigten Ladedruck zu expandieren und zu kühlen, und eine zweite Energierückgewinnungsturbine (26), welche dazu ausgebildet ist, Energie aus einem aus dem Zylinder (12) ausgestoßenen Abgasmassenstrom (45) zurückzugewinnen, wobei die Kühlturbine (24) und die zweite Energierückgewinnungsturbine (26) auf einer zweiten Welle (32) angeordnet sind, wobei die zweite Welle (32) mit wenigstens einer Energiesenke gekoppelt ist.
Aufladesystem (20) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Aufladesystem (20) weiterhin einen Ladedruckluftkühler (23) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die durch den Verdichter (22) verdichtete Luft (42) zusätzlich zur Kühlturbine (24) zu kühlen.
Aufladesystem (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ladedruckluftkühler (23) zwischen Verdichter (22) und Kühlturbine (24) angeordnet ist.
Aufladesystem (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlturbine (24) dazu ausgebildet ist, die verdichtete Luft (42) derart zu expandieren und zu kühlen, dass die Temperatur der verdichteten Luft (42) gleich wie oder bevorzugt kleiner als eine Umgebungstemperatur der Ansaugluft (41) ist.
Aufladesystem (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Welle (32) mit dem Antriebsstrang als Energiesenke gekoppelt ist.
Aufladesystem (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplung zwischen zweiter Welle (32) und der Energiesenke mittels eines Planetengetriebes erfolgt.
Aufladesystem (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplung zwischen der zweiten Welle (32) und der Energiesenke zwischen der Kühlturbine (24) und der zweiten Energierückgewinnungsturbine (26) erfolgt.
Aufladesystem (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kopplung zwischen der zweiten Welle (32) und der Energiesenke auf der Seite der Kühlturbine (24) außerhalb eines Abschnitts auf der zweiten Welle (32) zwischen Kühlturbine (24) und zweiter Energierückgewinnungsturbine (26) erfolgt.
Aufladesystem (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System weiterhin einen Luftfilter (21) aufweist, dazu ausgebildet die Ansaugluft zu filtern.
Verfahren zur Bereitstellung einer Ladedruckluft (44) für einen Zylinder (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10), aufweisend die folgenden Schritte: Verdichten von Ansaugluft (41) zu einer verdichteten Luft (42) durch einen Verdichter (22) auf einen höheren Druck als ein Ladedruck der Verbrennungskraftmaschine (10), Kühlen der verdichteten Luft (42) durch eine Kühlturbine (24), wobei die verdichtete Luft (42) auf den Ladedruck entspannt wird und eine daraus resultierende Ladedruckluft (44) dem Zylinder (12) zugeführt wird, Energierückgewinnung aus Abgasmassenstrom (45) mittels einer ersten Energierückgewinnungsturbine (25) und einer zweiten Energierückgewinnungsturbine (26), wobei die zurückgewonnene Energie der ersten Energierückgewinnungsturbine (25) zum Betrieb des Verdichters (22) eingesetzt wird, wobei die zweite Energierückgewinnungsturbine (26) und die Kühlturbine (24) Energie auf einer zweiten Welle (32) übertragen und die Energie der zweiten Welle (32) auf eine Energiesenke übertragen wird.