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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund
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DE 60 2004 000 194 T2 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei als eine weitere Komponente ein zweiter Turbolader vorgesehen ist. Der zweite Turbolader umfasst auf einer Welle eine mit Frischluft beschickbare Turbine, einen Verdichter und einen elektrischen Antrieb. Sowohl die Turbine als auch der separate Verdichter werden dabei jederzeit in derselben Strömungsrichtung durchströmt.
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DE 20 2017 107 685 U1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei als eine weitere Komponente ein Expandierer vorgesehen ist. Der Expandierer wird genutzt, um zuvor im Abgasturbolader überhöht aufgeladene Frischluft zu expandieren und dadurch zu kühlen. Der Expandierer kann dabei mit einem elektrischen Generator gekoppelt sein.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs anzugeben, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad mit einfachen Mitteln verbessert wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes System erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Strömungsmaschine eine Turbine von halbaxialer oder axialer Bauart umfasst, lässt sich ein für die Anwendung strömungsdynamisch besonders effektives Bauprinzip nutzen.
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Unter einer Turbine von axialer Bauart wird vorliegend eine Turbine verstanden, bei der das Betriebsgas die Turbine eingangsseitig im Wesentlichen parallel zur Richtung einer Welle der Turbine bzw. in einem Anströmwinkel von 0° zu der Wellenrichtung anströmt. Vorliegend werden hierunter bevorzugt Bauarten verstanden, bei denen der Anströmwinkel zwischen 0° und 10°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 5°, beträgt.
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Bei einer halbaxialen Bauart im Sinne der Erfindung beträgt der Anströmwinkel eingangsseitig mehr als 0°, aber weniger als 90° (senkrechte Anströmung, Turbine radialer Bauart). Bevorzugt liegt der Anströmwinkel einer halbaxialen Bauart vorliegend zwischen 5° und 85°, weiterhin bevorzugt zwischen 10° und 80°, und besonders bevorzugt zwischen 10° und 70°.
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Es versteht sich, dass die Begriffe „axial“ und „halbaxial“ für kleine Anströmwinkel ineinander übergehen. Eine strenge begriffliche Trennung der Bauarten von Turbinen ist in diesem Bereich, insbesondere ein Bereich von 5° bis 10° Anströmwinkel, ist nicht sinnvoll.
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Dadurch, dass zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs durch die Strömungsmaschine geführt wird, und die Strömungsmaschine einen elektrischen Generator umfasst, kann thermodynamisch eine Gewinnung von elektrischer Energie erfolgen, die sonst überwiegend für das System verloren wäre.
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Unter dem Betriebsgas wird im Sinne der Erfindung jedes Gas oder Gasgemisch verstanden, das dem Antrieb zur Umwandlung von Energie zugeführt wird. Je nach Anordnung des Systems kann das Betriebsgas reine Luft, ein Luft-Abgas-Gemisch oder ein sonstiges Gemisch der angesaugten Luft mit weiteren Bestandteilen sein. Allgemein bevorzugt kann das Betriebsgas mit der angesaugten Luft identisch sein. Der Betriebsdruck ist dabei der Druck, mit dem das Betriebsgas dem Antrieb unmittelbar zugeführt wird.
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Eine Strömungsmaschine ist im Sinne der Erfindung jede Maschine, die durch Energiewandlung von dem Betriebsgas Energie entnimmt, insbesondere nach Art einer Turbine, und/oder dem Betriebsgas Energie zuführt, insbesondere nach Art eines Verdichters.
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Strömt dabei das Betriebsgas in einer Turbinenrichtung, so wird im Regelfall Energie aus dem Betriebsgas in mechanische Energie gewandelt, welche in weitere, den Gesamtwirkungsgrad erhöhende, nutzbare Energieformen gewandelt werden kann. Die Strömungsmaschine wird bevorzugt als Expander für das Betriebsgas verwendet, wobei mittels des Generators elektrische Energie gewonnen bzw. rekuperiert wird. Das Betriebsgas wird dabei gemäß einem über der Strömungsmaschine anliegenden Druckgefälle expandiert. Regelmäßig tritt bei der Expansion des Betriebsgases eine Kühlung bzw. Temperaturreduzierung des Betriebsgases auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden freie Betriebsparameter so gewählt, dass die Gewinnung elektrischer Energie optimiert wird und Vorrang vor einer eventuellen Kühlung des Betriebsgases durch die Strömungsmaschine hat.
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Bei dem Antrieb kann es sich allgemein um einen alleinigen oder auch ergänzenden Antrieb des Kraftfahrzeugs handeln. Beispiele sind Verbrennungsmotoren für einen Direktantrieb, einen Hybridantrieb mit zusätzlichem Elektromotor oder als Range-Extender für einen Elektromotor als Antrieb. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Ottomotor. Grundsätzlich werden auch Brennstoffzellen als Antriebe im Sinne der Erfindung verstanden.
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Bei einer allgemein bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Betriebsdruck in zumindest einem regulären Betriebszustand, bevorzugt einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck. Dies bedeutet zum Beispiel für den Fall eines Verbrennungsmotors, dass der Verbrennungsmotor in dem Betriebszustand als Saugmotor betrieben wird. Unter einem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung wird dabei verstanden, dass der Antrieb sich regelmäßig und in einem nennenswerten zeitlichen Betriebsanteil, bevorzugt einem durchschnittlichen zeitlichen Betriebsanteil von mehr als 1%, in dem Betriebszustand befindet.
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Es versteht sich, dass eine Gewinnung von elektrischer Energie durch die Strömungsmaschine je nach Anforderungen zusätzlich zu dem regulären Betriebszustand auch in anderen Betriebszuständen erfolgen kann, Insbesondere kann in den anderen Betriebszuständen ein Betriebsdruck höher als der Atmosphärendruck sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein ansteuerbares Ventilglied vorgesehen, wobei die Zuführung des Betriebsgases zu der Strömungsmaschine durch das Ventilglied regelbar ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist dabei das Ventilglied als Drosselklappe ausgebildet, wobei die Drosselklappe in einem die Strömungsmaschine umgehenden Bypasskanal angeordnet ist. Dies erlaubt insbesondere die Verwendung üblicher und vorhandener Baugruppen wie zum Beispiel ansteuerbar verstellbare Drosselklappen.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist zudem eine Drosselklappe seriell zu der Strömungsmaschine angeordnet. Hierdurch kann der Betriebsgasstrom durch die Strömungsmaschine reguliert werden. Diese Drosselklappe kann vorteilhaft mechanisch mit dem Ventilglied gekoppelt sein, um eine simultane Verstellung über denselben Aktuator zu ermöglichen.
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Zur strömungsmechanischen Optimierung kann es allgemein vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine Leitschaufeln aufweist. Solche Leitschaufeln sind kostengünstig herstellbar und erlauben eine Steigerung der Effizienz. Insbesondere die Kombination mit einer Drosselklappe zur Regulierung des Betriebsgasstroms durch die Strömungsmaschine können die Leitschaufeln fest bzw. unverstellbar ausgebildet sein.
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Alternativ oder ergänzend kann es vorgesehen sein, dass die Leitschaufeln verstellbar ausgebildet sind. Dies erlaubt eine besonders gute Optimierung. Insbesondere kann hierdurch die Anpassung an die verschiedenen Betriebsmodi verbessert werden, da hier oft verschiedene Drücke und Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist es dabei vorgesehen, dass die Leitschaufeln mechanisch mit einem Ventilglied zur Drosselung und/oder Umleitung des Betriebsgases gekoppelt sind, wobei ein Aktuator zur gemeinsamen Steuerung von Ventilglied und Leitschaufeln vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist dabei insgesamt genau ein Aktuator vorgesehen. Die kombinierte Verwendung desselben Aktuators erlaubt eine Reduzierung von Kosten, baulichem Aufwand und Fehleranfälligkeit,
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Generator radial von außen um ein strömungsmechanisches Rad der Strömungsmaschine angeordnet ist. Dies erlaubt eine in axialer Richtung besonders kompakte Bauweise, Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann dabei ein bewegtes elektrodynamisches Bauteil, bevorzugt ein Magnet, an einer Rotorschaufel des strömungsmechanischen Rades angeordnet sein. Hierdurch wird eine weitere Reduzierung von Bauraum und der Anzahl separater Bauteile ermöglicht.
bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Generator radial innerhalb von Rotorschaufeln eines strömungsmechanischen Rades der Strömungsmaschine angeordnet ist. Dies erlaubt es, einen strömungsdynamisch wenig nutzbaren, radial inneren Nabenbereich des strömungsmechanischen Rades für die raumsparende Unterbringung des Generators zu verwenden.
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Allgemein vorteilhaft kann es zur Optimierung von Bauraum und Effizienz der Turbine vorgesehen sein, dass die Turbine einen bevorzugt ausgangsseitigen Mixed-Flow-Bereich aufweist, wobei eine Strömungsrichtung des Betriebsgases in dem Mixed-Flow-Bereich von einer eingangsseitigen Anströmungsrichtung der Turbine abweicht. Unter einem Mixed-Flow-Bereich wird vorliegend ein Bereich verstanden, bei dem axiale und radiale Anteile der Strömung vorliegen. Hierzu kann insbesondere eine Mixed-Flow-Rotorschaufel vorgesehen sein, die durch ihre Formgebung eine Änderung der Strömungsrichtung des Betriebsgases bewirkt.
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Allgemein vorteilhaft kann eine Turbine einer Strömungsmaschine im Wesentlichen aus Leichtmetall wie etwa einer Aluminiumlegierung oder sonstigen bedingt temperaturfesten Materialien bestehen, da das Betriebsgas keine hohen Temperaturen aufweist. Dies gilt sowohl für ein Gehäuse als auch für ein strömungsmechanisches Rad der Turbine. Hierdurch können im Vergleich zur Bauweise von Abgasturbinen Kosten und Gewicht eingespart werden.
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Bei einer allgemein vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt stromaufwärts der Strömungsmaschine ein Verdichter, bevorzugt ein Turbolader, zur Verdichtung des angesaugten Betriebsgases vorgesehen. In bevorzugter Weiterbildung kann es sich dabei um einen Abgasturbolader handeln. Der Abgasturbolader ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems, indem er im Abgas enthaltene Energie zur Steigerung des Systemwirkungsgrades des Motors nutzt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antrieb als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Insbesondere Verbrennungsmotoren weisen in vielen Betriebszuständen, zum Beispiel im Teillastbetrieb, einen Druckabfall auf, der zur strömungsmechanischen Rekuperation geeignet ist.
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Bei einer möglichen Detailgestaltung kann dabei der Verbrennungsmotor als Saugmotor ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass kein Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.
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In anderen Ausführungsformen können aber auch Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen sein, zum Beispiel ein Abgasturbolader oder ein elektrisch angetriebener Verdichter. In dem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung ist ein solcher Verdichter im Regelfall nicht aktiv oder läuft nur mit einer geringen Leistung, so dass der unteratmosphärische Betriebsdruck eingangsseitig des Antriebs vorliegen kann. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Strömungsmaschine so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für ein Druckgefälle hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Strömungsmaschine gegeben ist.
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Allgemein kann es auch vorgesehen sein, dass der Antrieb eines erfindungsgemäßen Systems als Brennstoffzelle ausgebildet ist. Insbesondere kann eine Zuführung von Betriebsgas zu der Brennstoffzelle mittels eines Verdichters unterstützt werden. Je nach Betriebsbedingungen und Lastwechseln können auch hier Druckgefälle im Betriebsgas auftreten, die eine Rekuperation bzw. Energiegewinnung aus dem Betriebsgas mittels der Strömungsmaschine erlauben.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein allgemeines Diagramm für Betriebszustände eines aufladbaren Verbrennungsmotors.
- 2 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems.
- 3 zeigt eine Strömungsmaschine eines erfindungsgemäßen Systems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt eine Strömungsmaschine eines erfindungsgemäßen Systems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt eine Abwandlung der Strömungsmaschine aus 4 in einer seriellen Anordnung zu einem Ventilglied.
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Ausführliche Beschreibung
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Das in 1 gezeigte Diagramm beschreibt allgemein Betriebszustände eines Antriebs für ein Kraftfahrzeug in Form eines Verbrennungsmotors 1, bei dem das Betriebsgas über einen Verdichter komprimiert und der Verbrennungsmotor aufgeladen werden kann. Dabei ist das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 1 über der Motordrehzahl n aufgetragen.
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Der Bereich A entspricht einem Saugbetrieb des Motors 1, bei dem der Verdichter gar nicht oder nur mit geringer Leistung in Betrieb ist. Ein Massenstrom des Betriebsgases wird dabei über eine Drosselklappe geregelt. Der Betriebsgasdruck eingangsseitig des Verbrennungsmotors 1 liegt unterhalb des Atmosphärendrucks. Der Atmosphärendruck ist der äußere Luftdruck, bei dem durch das System äußere Luft als Hauptbestandteil des Betriebsgases angesaugt wird.
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Die gestrichelte Linie B kennzeichnet als obere Drehmomentgrenze des Bereichs A die Kurve maximaler Leistung des Verbrennungsmotors 1 im Saugbetrieb.
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Der Bereich D entspricht einem aufgeladenen Betrieb des Verbrennungsmotors 1, bei dem der Verdichter den Druck des Betriebsgases erhöht. Entsprechend wird der Massenstrom des Betriebsgases durch die Leistung des Verdichters bestimmt. Im Normalfall findet in diesem Bereich kein Einsatz der Drosselklappe statt.
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Die Linie C kennzeichnet als obere Drehmomentgrenze des Bereichs D die Kurve maximaler Leistung des Verbrennungsmotors 1 im aufgeladenen Betrieb.
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Der als Rechteck eingetragene Bereich E zeigt den für die vorliegende Erfindung vorrangig relevanten Betriebsbereich. Es handelt sich um den Betrieb bei Teillast und niedriger Motordrehzahl. In diesem Bereich E liegt ein Druckgefälle im einlassseitigen Betriebsgasstrom vor, das zur Expansion des Betriebsgases und Rekuperation von Energie genutzt werden kann, wobei der Gesamtwirkungsgrad des Motors 1 gesteigert wird.
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2 zeigt zur Veranschaulichung eine Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Zuführung von Betriebsgas zu einem vorliegend als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antrieb 1 eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt). Bevorzugt handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor 1 um einen Ottomotor.
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Das System umfasst einen atmosphärenseitigen Saugeinlass 2a für Luft unter Atmosphärendruck und eine Zuleitung 2 für das Betriebsgas zu dem Antrieb 1 unter einem Betriebsdruck. Das dem Antrieb 1 zugeleitete Betriebsgas umfasst zumindest einen Teil der angesaugten Luft,
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Der Betriebsdruck des Betriebsgases ist in einem regulären Betriebszustand des Antriebs 1, vorliegend einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck, Dieser Betriebsbereich entspricht dem vorstehend beschriebenen Bereich E des Diagramms nach 1.
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Zumindest in diesem Betriebszustand wird zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs bzw. Verbrennungsmotors 1 durch eine Strömungsmaschine 3 geführt. Die Strömungsmaschine 3 umfasst einen elektrischen Generator 4.
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Das beispielhafte System umfasst zudem einen Einlasskrümmer 15 und einen Abgaskrümmer 16 des Verbrennungsmotors 1.
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Die Strömungsmaschine 3 mit dem elektrischen Generator 4 ist vorliegend stromabwärts eines Ladeluftkühlers 17 angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen kann die Strömungsmaschine 3 auch stromaufwärts, insbesondere unmittelbar stromaufwärts, des Ladeluftkühlers 17 vorgesehen sein.
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In der vorliegenden schematischen Darstellung ist eine betriebsgasseitige Drosselklappe integriert mit der Strömungsmaschine 3 ausgeführt und daher nicht gesondert dargestellt. Je nach Anforderungen kann dabei eine Drosselklappe als separates Bauteil, zum Beispiel in einem Zweigkanal zu der Strömungsmaschine 3, vorgesehen sein.
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Ein Abgasturbolader 14 ist turbinenseitig stromaufwärts einer Abgasreinigung mit einem Katalysator 18 angeordnet. Stromabwärts des Katalysators 18 ist eine Abgasrückführung mit einem Abgasrückführventil 19, einem Abgaskühler 20 und einem Abgasdrosselventil 21 vorgesehen. Der Abgasturbolader 14 ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems, indem er im Abgas enthaltene Energie nutzt.
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Es versteht sich, dass je nach Anforderungen andere oder zusätzliche Komponenten und/oder Verbindungen der Gasströme in dem System vorgesehen sein können. Beispiele sind Katalysatoren verschiedener Bauart, eine Hochdruck-Abgasrückführung oder Ähnliches.
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Unter dem Betriebsgas wird im Sinne der Erfindung jedes Gas oder Gasgemisch verstanden, das dem Antrieb zur Umwandlung von Energie zugeführt wird. Im gezeigten System kann das Betriebsgas reine Luft oder durch die Abgasrückführung auch ein Luft-Abgas-Gemisch sein. Der Betriebsdruck ist dabei der Druck, mit dem das Betriebsgas dem Verbrennungsmotor 1 als Antrieb unmittelbar zugeführt wird.
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Der Betriebsdruck ist in zumindest dem regulären Betriebszustand, welcher ein Teillastbereich des Verbrennungsmotors 1 ist, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck. Dies bedeutet, dass der Verbrennungsmotor 1 in dem Betriebszustand als Saugmotor betrieben wird. Unter dem regulären Betriebszustand wird dabei verstanden, dass der Verbrennungsmotor 1 sich regelmäßig und in einem nennenswerten zeitlichen Betriebsanteil, vorliegend einem durchschnittlichen zeitlichen Betriebsanteil von mehr als 1%, in dem Betriebszustand befindet.
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Bei einer zu 2 alternativen Detailgestaltung kann der Verbrennungsmotor 1 als Saugmotor ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass kein Verdichter 14 zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.
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Allgemein bevorzugt ist aber ein Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen, vorliegend in Form des Abgasturboladers 14. Es kann sich aber auch um einen elektrisch angetriebenen Verdichter handeln. In dem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung ist ein solcher Verdichter 14 im Regelfall nicht aktiv oder läuft nur mit einer geringen Leistung, so dass der unteratmosphärische Betriebsdruck eingangsseitig des Antriebs 1 vorliegen kann. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Strömungsmaschine 3 so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für ein Druckgefälle hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Strömungsmaschine 3 gegeben ist.
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Allgemein kann es auch vorgesehen sein, dass der Antrieb eines erfindungsgemäßen Systems als Brennstoffzelle ausgebildet ist. Insbesondere kann eine Zuführung von Betriebsgas zu der Brennstoffzelle mittels eines Verdichters unterstützt werden. Je nach Betriebsbedingungen und Lastwechseln können auch hier Druckgefälle im Betriebsgas auftreten, die eine Rekuperation bzw. Energiegewinnung aus dem Betriebsgas mittels der Strömungsmaschine erlauben.
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Die in 2 schematisch dargestellte Strömungsmaschine 3 mit dem Generator 4 kann unter anderem jede der nachfolgend beschriebenen, konkreten Bauformen aufweisen.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 3, die eine Turbine und einen Generator 4 aufweist.
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Die Turbine umfasst ein Gehäuse 10, in dem ein durch den Betriebsgasstrom antreibbar drehbares, strömungsmechanisches Rad 6 bzw. Turbinenrad 6 angeordnet ist. Das Turbinenrad 6 ist auf einer Welle 7 festgelegt, die zugleich eine gemeinsame Welle mit dem Generator 4 ausbildet. In dem Generator 4 ist eine Leistungselektronik 8 vorgesehen, mittels der eine Leistungsentnahme bzw. Aufladung einer Batterie oder eines sonstigen Energiespeichers (nicht dargestellt) gesteuert wird.
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Dadurch, dass in dem regulären Betriebszustand zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs 1 durch die Strömungsmaschine 3 geführt wird, und die Strömungsmaschine 3 den elektrischen Generator 4 umfasst, kann thermodynamisch eine Gewinnung von elektrischer Energie erfolgen, die sonst überwiegend für das System verloren wäre.
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Das Betriebsgas durchströmt die Strömungsmaschine dabei in einer Turbinenrichtung T, so dass Energie aus dem Betriebsgas in mechanische Energie gewandelt wird. Diese Energie wird über die Welle 7 und den Generator 4 in elektrische Energie als weitere, den Gesamtwirkungsgrad erhöhende, nutzbare Energieform gewandelt. Die Strömungsmaschine 3 wird dabei als Expander für das Betriebsgas verwendet, wobei mittels des Generators 4 elektrische Energie gewonnen bzw. rekuperiert wird. Das Betriebsgas wird dabei gemäß einem über der Strömungsmaschine 3 anliegenden Druckgefälle expandiert. Regelmäßig tritt bei der Expansion des Betriebsgases eine Kühlung bzw. Temperaturreduzierung des Betriebsgases auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden freie Betriebsparameter so gewählt, dass die Gewinnung elektrischer Energie optimiert wird und Vorrang vor einer eventuellen Kühlung des Betriebsgases durch die Strömungsmaschine 3 hat.
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An der Strömungsmaschine 3 ist ein ansteuerbares Ventilglied 5 vorgesehen, wobei die Zuführung des Betriebsgases zu der Strömungsmaschine 3 durch das Ventilglied 5 regelbar ist.
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Vorliegend ist das Ventilglied 5 als Drosselklappe ausgebildet, wobei die Drosselklappe 5 in einem die Strömungsmaschine umgehenden Bypasskanal 9 (in 3 nicht dargestellt, siehe analog Bypasskanal 9 in 5) angeordnet ist. Dies erlaubt insbesondere die Verwendung üblicher und vorhandener Baugruppen wie zum Beispiel ansteuerbar verstellbare Drosselklappen. Der Bypasskanal 9 zweigt unmittelbar vor der Turbine 6, 10 ab und mündet unmittelbar nach der Turbine 6, 10 wieder in den Betriebsgasweg, zum Beispiel in die Zuleitung 2. In der schematischen Darstellung nach 2 ist der Bypasskanal 9 daher als integrales Element der Strömungsmaschine 3 enthalten.
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Vorliegend ist die Turbine 6, 10 von axialer Bauart bezüglich der eingangsseitigen Anströmung. Das Betriebsgas strömt dabei die Turbine 6, 10 eingangsseitig im Wesentlichen parallel zu der Welle 7 bzw. in einem Anströmwinkel von etwa 0° zu der Welle 7 an.
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Bei Durchströmung in einer Turbinenrichtung T tritt das Betriebsgas dabei in einem Winkel von etwa 0° zu der Welle 7 in einem radial äußeren Bereich in das Gehäuse 10 ein, wobei ein radial innerer Bereich von einem Wellenkörper 7a mit geringem Strömungswiderstand eingenommen wird. Nach Antrieb des Turbinenrades 6 tritt das Betriebsgas im Wesentlichen parallel zu der Welle 7 aus dem Gehäuse 10 aus.
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Bei der Ausführungsform nach 3 ist der Generator 4 radial von außen um das strömungsmechanische Rad 6 der Strömungsmaschine 3 angeordnet. Dies erlaubt eine in axialer Richtung besonders kompakte Bauweise. Das strömungsmechanische Rad 6 umfasst neben dem radial inneren Wellenkörper 7a, der über eine Lagerung 7b um eine Achse drehbar gelagert ist, einen ersten Satz von mitdrehenden Rotorschaufeln 6a sowie einen in Strömungsrichtung nachfolgenden zweiten Satz von Rotorschaufeln 6b. Zwischen den beiden Sätzen von Rotorschaufeln 6a, 6b befindet sich ein feststehender Satz von Statorschaufeln 10a.
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Zur Optimierung der Effizienz hat die Turbine 6, 10 einen ausgangsseitigen Mixed-Flow-Bereich 11. Die Strömungsrichtung des Betriebsgases weicht in dem Mixed-Flow-Bereich 11 von der eingangsseitigen Anströmungsrichtung der Turbine 6, 10 ab. In dem Mixed-Flow-Bereich 11 liegen axiale und radiale Richtungsanteile der Strömung des Betriebsgases vor. Hierzu sind die hinteren Rotorschaufeln 6b als Mixed-Flow-Rotorschaufeln ausgeformt. Sie erstrecken sich radial über einem in Turbinenrichtung T konisch verjüngenden Bereich des Wellenkörpers 7a, wobei sich auch das Gehäuse 10 der Turbine in diesem Bereich konisch verjüngt. Durch diese Formgebung der Rotorschaufeln 6b wird eine Änderung der Strömungsrichtung des Betriebsgases in dem Mixed-Flow-Bereich 11 bewirkt.
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Der Wellenkörper 7a umfasst drehende und stehende Baugruppen. Ein stehender Teil 7c des Wellenkörpers 7a umfasst eine frontseitige Kappe, die über Achsen der nicht drehenden Leitschaufeln 12 an dem Gehäuse 10 gehalten ist. Ein weiterer stehender Teil 7c des Wellenkörpers 7a umfasst einen hohlzylindrischen Abschnitt, der über die feststehenden Statorschaufeln 10a mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Die Wellenlager 7b sind jeweils in den stehenden Teilen 7c des Wellenkörpers 7a aufgenommen.
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Ein drehender Teil 7d des Wellenkörpers umfasst einen mittleren, im Wesentlichen zylindrisch geformten Bereich, an dem die ersten Rotorschaufeln 6a angeordnet sind. Ein weiterer drehender Teil 7d umfasst den sich konisch verjüngenden Bereich des Wellenkörpers 7a, an dem der zweite Satz von Rotorschaufeln 6b angeordnet ist.
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Nach dem Mixed-Flow-Bereich 11 strömt das Betriebsgas wieder in axialer Richtung und tritt in dieser Strömungsrichtung aus der Turbine 6, 10 bzw. der Strömungsmaschine 3 aus.
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Die bezüglich des Strömungsrades 6 radial äußere Anordnung des Generators 4 wird vorliegend durch ein bauliches Detail optimiert. Dabei ist ein mit dem Turbinenrad 6 mitbewegtes elektrodynamisches Bauteil in Form eines Magneten 4a an zumindest einer der Rotorschaufeln 6a des strömungsmechanischen Rades 6 angeordnet. Diese integrierte Anordnung von Magneten des Generators 4 unmittelbar an den Rotorschaufeln 6a ermöglicht eine weitere Reduzierung des Bauraums.
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Zur strömungsmechanischen Optimierung umfasst die Strömungsmaschine 3 Leitschaufeln 12. Solche Leitschaufeln 12 sind kostengünstig herstellbar und erlauben eine Steigerung der Effizienz. Die Leitschaufeln 12 sind vorliegend zudem verstellbar ausgebildet. Dies erlaubt eine besonders gute Optimierung. Insbesondere wird hierdurch die Anpassung an die verschiedenen Betriebsmodi verbessert, da hier oft verschiedene Drücke und Strömungsgeschwindigkeiten.
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Die Leitschaufeln 12 sind zudem mechanisch mit dem Ventilglied 5 zur Drosselung und/oder Umleitung des Betriebsgases gekoppelt. Hierzu ist ein Aktuator 13 zur gemeinsamen Steuerung von Ventilglied 5 und Leitschaufeln 12 vorgesehen. Es handelt sich dabei um genau einen Aktuator 13. Eine Stellmechanik 13a verbindet dabei den Aktuator 13 sowohl mit dem Ventilglied 5 als auch mit den verstellbaren Leitschaufeln 12. Die kombinierte Verwendung desselben Aktuators 13 erlaubt eine Reduzierung von Kosten, baulichem Aufwand und Fehleranfälligkeit.
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Die verstellbaren Leitschaufeln 12 sind vorliegend eingangsseitig der Turbine vor dem ersten Satz von Rotorschaufeln 6a angeordnet.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist zusätzlich zu der Drosselklappe 5 in dem Bypasskanal 9 (in 4 nicht dargestellt) eine zweite Drosselklappe 12b seriell zu der Strömungsmaschine 3 angeordnet. Hierdurch kann der Betriebsgasstrom durch die Strömungsmaschine 3 reguliert werden. Die zweite Drosselklappe 12b kann vorteilhaft mechanisch mit dem Ventilglied bzw. der ersten Drosselklappe 5 gekoppelt sein, um eine simultane Verstellung über denselben Aktuator 13 zu ermöglichen. Die Drosselklappen 5, 12a sind vorliegend auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
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Aufgrund der Wirkung der zweiten Drosselklappe 12b zur Regulierung des Betriebsgasstroms durch die Strömungsmaschine 3 sind Leitschaufeln 12a des Beispiels nach 4, anders als die Leitschaufeln 12 des Beispiels nach 3, fest bzw. unverstellbar ausgebildet.
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Als weiterer Unterschied zu dem vorhergehenden Beispiel ist der Generator 4 radial innerhalb von Rotorschaufeln 6a, 6c eines strömungsmechanischen Rades 6 der Strömungsmaschine 3 angeordnet. Dies erlaubt es, einen zur Energiegewinnung wenig nutzbaren, radial inneren Nabenbereich bzw. Wellenkörper 7a des strömungsmechanischen Rades 6 für die raumsparende Unterbringung des Generators 4 zu verwenden.
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Der Generator 4 ist dabei vollständig von dem Wellenkörper 7a umfangen. Ein drehender Teil des Generators 4 dreht dabei mit dem Wellenkörper 7a mit und umläuft einen fixierten, stehenden Teil des Generators 4.
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Wie im vorhergehenden Beispiel sind ein erster Satz von Rotorschaufeln 6a und ein zweiter Satz von Rotorschaufeln 6c mit dem Wellenkörper 7a verbunden. Im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel liegt in der Turbine 6, 10 nach 4 kein Mixed-Flow-Bereich 11 vor, so dass der zweite Satz von Rotorschaufeln 6c für eine axiale Strömung des Betriebsgases geformt ist.
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Im Beispiel nach 4 befindet sich die zweite Drosselklappe 12b in Turbinenrichtung T stromaufwärts der Turbine 6, 10. Dies erlaubt eine raumsparende Bauform und eine störungsfreie, axiale Durchströmung von zweiter Drosselklappe 12b und Turbine 10, 6. Die zweite Drosselklappe 12b und die Turbine 6, 10 können insbesondere in demselben Gehäuse 10 angeordnet sein, das im einfachsten Fall die Form eines zylindrisches Rohres hat.
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Im Beispiel nach 4 sind sowohl der eingangsseitige Teil als auch der ausgangsseitige Bereich des Turbinenrades 6 als stehender Teil 7c des Wellenkörpers 7a ausgebildet. Der eingangsseitige stehende Teil 7c wird dabei analog zum vorhergehenden Beispiel von den Leitschaufeln 12a getragen. Der ausgangsseitige stehende Teil 7c wird von radial erstreckten Haltestegen 7e getragen, die mit dem Gehäuse 10 verbunden sind.
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Ein drehender Teil 7d des Wellenkörpers 7a ist zwischen den stehenden Teilen 7c angeordnet und trägt beide Sätze von Rotorschaufeln 6a, 6c. Die Statorschaufeln 10a haben im Beispiel nach 4 keine tragende Funktion für den Wellenkörper 7a bzw. das Turbinenrad 6.
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5 zeigt eine Abwandlung des Beispiels aus 4, wobei keine zweite Drosselklappe 12b seriell zu der Strömungsmaschine 3 vorgesehen ist. An Stelle der zweiten Drosselklappe sind die eingangsseitigen Leitschaufeln 12 der Strömungsmaschine wie im Beispiel nach 3 verstellbar ausgebildet. Die Verstellung erfolgt ebenfalls mittels genau einem Aktuator 13 und einer Stellmechanik 13a, so dass der Aktuator 13 die Drosselklappe 5 und die Leitschaufeln 12 gemeinsam verstellt.
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Das Ventilglied 5 ist als Drosselklappe ausgebildet und in einem Bypasskanal 9 angeordnet, wie auch zu den vorhergehenden Ausführungsformen nach 3 und 4 beschrieben wird. Der Bypasskanal 9 erlaubt bei Öffnung des Ventilglieds 5 einen minimalen Strömungswiderstand und eine Umgehung der Strömungsmaschine 3.
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Der Bypasskanal 9 und das Gehäuse 10 können bei Bedarf als integrierte Baueinheit ausgebildet sein. Je nach Bauraum und Abzweigort des Bypasskanals 9 kann eine eingangsseitige Anströmung der Turbine 6, 10 axial oder auch halbaxial erfolgen. Bei der schematischen Darstellung nach 5 erfolgen sowohl eine eingangsseitige Anströmung der Turbine 6, 10 als auch eine ausgangsseitige Abströmung des Betriebsgases unter einem Winkel von rund 45° zu der Welle 7.
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Werden die Abzweige des Bypasskanals 9 entsprechend weiter von der Turbine entfernt angeordnet, so ist auch eine axiale Anströmung wie in den Beispielen nach 3 oder 4 realisierbar.
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Es versteht sich, dass einzelne Merkmale der vorstehend beschriebenen Detailgestaltungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können. Zum Beispiel kann auch die Strömungsmaschine 3 aus 3 in einer seriellen Anordnung zu einer zweiten Drosselklappe 12b eingesetzt werden. Weiterhin ist das Vorsehen eines Mixed-Flow-Bereiches 11 auch im Fall des Beispiels nach 4 oder 5 möglich. Allgemein können die Turbinen 6, 10 je nach Anforderungen, insbesondere zur Einsparung von Kosten, auch ohne verstellbare Leitschaufeln 12 ausgebildet sein.
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Die Turbinengehäuse 10 und Turbinenräder 6 der vorstehend beschriebenen Varianten von Strömungsmaschinen bestehen im Wesentlichen aus Leichtmetall, vorliegend einer Aluminiumlegierung, oder sonstigen bedingt temperaturfesten Materialien. Dies ist unproblematisch, da das Betriebsgas, anders als auf der Turbinenseite eines Abgasturboladers 14, keine hohen Temperaturen aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antrieb, Verbrennungsmotor
- 2
- Zuleitung für Betriebsgas
- 2a
- Saugeinlass unter Atmosphärendruck
- 3
- Strömungsmaschine
- 4
- Generator
- 4a
- elektrodynamisches Bauteil, Magnet
- 5
- Ventilglied, Drosselklappe
- 6
- strömungsmechanisches Rad, Turbinenrad
- 6a
- erster Satz von Rotorschaufeln
- 6b
- zweiter Satz von Rotorschaufeln, Mixed-Flow-Rotorschaufeln
- 6c
- zweiter Satz von Rotorschaufeln, Axial-Flow-Rotorschaufeln
- 7
- Welle
- 7a
- Wellenkörper
- 7b
- Lagerung
- 7c
- stehender Teil des Wellenkörpers
- 7d
- drehender Teil des Wellenkörpers
- 7e
- Haltestege
- 8
- Steuerelektronik
- 9
- Bypasskanal der Strömungsmaschine
- 10
- Gehäuse von Turbinenrad
- 10a
- Statorschaufeln
- 11
- Mixed-Flow-Bereich
- 12
- verstellbare Leitschaufeln
- 12a
- feste Leitschaufeln
- 12b
- zweite Drosselklappe
- 13
- Aktuator für Leitschaufeln
- 13a
- Stellmechanik
- 14
- Abgasturbolader
- 15
- Einlasskrümmer
- 16
- Auslasskrümmer
- 17
- Ladeluftkühler
- 18
- Katalysator
- 19
- Abgasrückführventil
- 20
- Abgaskühler
- 21
- Abgasdrosselklappe
- A
- Bereich Saugbetrieb (saugmotorische Teillast)
- B
- Linie maximaler Leistung Saugbetrieb
- C
- Linie maximaler Leistung aufgeladener Betrieb
- D
- Bereich aufgeladener Betrieb
- E
- Bereich für Expansion / Rekuperation
- T
- Turbinenrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602004000194 T2 [0002]
- DE 202017107685 U1 [0003]
