DE2757236B2

DE2757236B2 - Antriebsaggregat, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2757236B2
Application number: DE2757236A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Striebich
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1979-10-25
Also published as: JPS5491606A; IT1100743B; DE2757236A1; CH635896A5; AR219143A1; GB2010970B; BR7808348A; FR2412696B1; IT7830971A0; FR2412696A1; SE443832B; US4294074A; JPS6342087B2; SE7813115L; DE2757236C3; GB2010970A

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat, insbesondere für Kraftfahrzeuge, das eine Brennkraftmaschine und eine eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagte Abgasturbine aufweisende Abwärmeturbineneinheit umfaßt.

Bei Untersuchungen über den Energiehaushalt im Kraftfahrzeug wurde bei einer wassergekühlten Otto-Brennkraftmaschine eine Energieverteilung festgestellt, bei der von der der Brennkraftmaschine durch den Kraftstoff zugeführten Energie ca. 35% durch die Abgase, ca. 20% durch das Kühlwasser und ca. 20% durch Wärmestrahlung verloren gehen, so daß nur 25% nutzbare Brennkraftmaschinenarbeit an der Kurbelwelle wirksam werden (Fig. I, Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 18. Auflage). Daraus ist ersichtlich, daß ein erheblicher Teil der Kraftstoffenergieverluste allein durch die Abgase erfolgt. Dieser Verlust durch die Abgase besteht dabei einerseits in Form von kinetischer Energie (Abgasaustrittsgeschwindigkeil) und andererseits in Form von Wärmeenergie (hohe Abgastemperaturen).

Es ist bekannt, daß durch die technisch bedingte unvollständige Expansion bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen ein Teil der theoretisch erreichbaren Leistung verlorengeht. Diese Verlustleistung L„ beträgt je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine zwischen 20bis40% der indizierten Leistung /.,(Fig. 2).

Es sind Verfahren bekannt, die diese Energie zum Teil wieder nutzbar machen. Der verbreiteste Anwendungsfiill ist die Abgasturbo-Aufladung. Dabei treiben die Abgase eine zusammen mit einem Ladegebläse auf einer Welle angeordnete Abgasturbine an, Das Ladegebläse saugt Frischluft an und führt der Brennkraftmaschine diese komprimiert zu. Weitere Verfahren stellen die sogenannten Verbundsysteme dar, bei denen die durch die Abgasturbine erreichbare Leistung zum Teil wieder auf die Antriebswelle der Brennkraftmaschine zurückgekoppelt wird und damit zur Wirkungsgradverbesserung der Brennkraftmaschine beiträgt Die Wärmeenergie der Abgase bleibt bei beiden Verfahren jedoch ungenutzt.

Andererseits ist es bekannt, die Wärmeenergie der Abgase für Heizzwecke (DE-PS 8 73 461) und zur Dampferzeugung (DE-AS 11 57 430) heranzuziehen.

Die Abgase bilden einen einfach auszunutzenden Wärmespender und dienen zu Heizungszwecken außerhalb des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine. Diese Ausnutzung der Wärmeenergie hat jedoch keinen Einfluß auf den effektiven Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Der durch die Wärmeenergie der Abgase erzeugte Dampf kann für Dampfturbinen oder Dampfmaschinen genutzt werden, er bleibt jedoch ebenfalls ohne Einfluß auf die effektive Leistung der Brennkraftmaschine.

Bei einem Verfahren zur Rückgewinnung der Verlustenergie von Brennkraftmaschinen in Verbindung mit einer Abgasturbine, einem Dampferzeuger und einer Dampfkraftmaschine ist es weiter bekannt (AT-PS 1 38 943), den Druck der Abgase der Brennkraftmaschine zuerst in der Abgasturbine zu verwerten und danach die Wärme der Abgase zur Erhitzung des Kühlmittels auszunutzen. Als nachteilig hat sich bei diesem Verfahren jedoch erwiesen, daß die Ausnutzung der Abgaswärme unwesentlich die effektive Leistung der Brennkraftmaschine beeinflußt und die Wärmeenergiemenge der Abgase beim Erhitzen des Kühlwassers erheblich kleiner ist als die Wärmeenergiemenge, die in den Abgasen beim Eintreten dieser in das Abgassystem unmittelbar hinter der Brennkraftmaschine vorhanden

waren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebsaggregat, insbesondere für Kraftfahrzeuge, zu schaffen, bei der die den Abgasen innewohnenden Energiemengen und Energiearten in der Weise genutzt werden, daß der effektive Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gegenüber den bekannten Antriebsaggregaten erheblich erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß neben der kinetischen Energie der Abgase auch deren Wärmeenergie durch einen überlagerten thermischen Arbeitsprozeß in der Abgasturbine von der Abwärmeturbineneinheit genutzt wird. Dabei umfaßt die Abwärmeturbineneinheit einen Verdichter, ei^re Sekundärturbine und eine Abgasturbine, wobei die Turbinenschaufeln der Abgasturbine durch Hohlschaufeln gebildet sind, die von dem vom Verdichter komprimierten Arbeitsmedium durchströmt werden, das nach Wärmeaufnahme von den Abgasen unter Leistungsabgabe in der Sekundärturbine expandiert.

Durch die Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase direkt durch die Abgasturbine und durch die Ausnutzung der Wärmeenergie der Abgase indirekt durch die Abgasturbine, in dem diese als Wärmetauscher wirkt und das verdichtete Arbeitsmedium

bi erwärmt, kann bei der Abwärmeturbineneinheit ein erheblicher Leistungsrückgewinn erfolgen. Diese Leistung kann nun der Brennkraftmaschine entweder wieder direkt zugeführt werden oder es kann durch

diese Leistung ζ, B, ein Generator angetrieben werden, dessen elektrische Energie dann zur Entlastung der Brennkraftmaschine für vielfältige Zwecke, z, B, für den Antrieb von Nebenaggregaten oder for Heizungen verwendet werden kann. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Ausnutzung der Wärmeenergie der Abgase durch den Wärmetausch zwischen der Abgasturbine und dem komprimierten Medium die Abwärmeturbineneinheit nur geringen thermischen Belastungen ausgesetzt Das Arbeitsmedium kann gemäß der Erfindung Luft oder Wasserdampf sein und die Sekundär-Tnrbine durch eine ein- oder mehrstufige Axial- oder Radialturbine gebildet sein. Als besonders zweckmäßig hat sich erwiesen, daß die Abwärmeturbineneinheit als integriertes Bauteil ausgeführt ist. Dadurch weist die Abwärmeturbineneinheit ein geringes und kompaktes Bauvolumen auf, was aufgrund des geringen Bauraums insbesondere bei Kraftfahrzeugen von Vorteil ist.

In der Zeichnung ist ein Teil des Standes der Technik sowie die Erfindung in zwei beispielsweisen Ausführangsiormen dargestellt Es zeigt

Fig. 1 die Energieverteilung des Energiehaushaltes einer wassergekühlten Otto-Brennkraftmaschin.e,

Fig.2 die Veranschaulichung der Nutzung der kinetischen Energie von Abgasen einer Brennkraftmaschine anhand eines PV-Diagrammes,

Fig.3 das Antriebsaggregat anhand eines prinzipiellen Blockschaltbildes,

Fig.4 die Abwärmeturbineneinheit in der integrier- jo ten Bauweise in einer schematischen Darstellung,

Fig.5 die Abwärmeturbineneinheit im Längsschnitt und

Fig.6 einen Schnitt durch die Abwärmeuirbineneinheit nach der Linie VI-VI der F i g. 5.

In dem als Blockschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig.3 ist mit 1 eine Brennkraftmaschine und mit 2 eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetriebene Abgasturbine bezeichnet, die zusammen mit einem Verdichter 3 und einer SekunJär-Turbine 4 — letztere kann durch eine ein- oder mehrstufige Axial- oder Radialturbine gebildet sein — auf einer Welle 5 angeordnet ist. Die Abgasturbine 2, der Verdichter 3 und die Sekundär-Turbine 4 stehen mit einem Wärmetauscher 6 in Wirkverbindung und bilden mit diesem zusammen eine Abwärmeuirbineneinheit 7. Eine vor. der Brennkraftmaschine 1 zur Abgasturbine 2 führende Abgasleitung ist mit 8 und eine von der Abgasturbine 2 zum Wärmetauscher 6 führende Abgasleitung ist mit 9 >o bezeichnet. Durch eine Ansaugleitung IO fördert der Verdichter 3 ein Medium, das von diesem durch eine Luftleitung Hl dem Wärmetauscher 6 zugeführt wird. Bei dein geförderten Medium kann es sich um Luft, Wasserdampf oder dergleichen handeln, wobei im γ, folgenden da· m ausgegangen wird, daß das angesaugte \ jdium Luft im. Die Abgase und die verdichtete Luft werden durch den Wärmetauscher 6 hindurchgeführt und von diesem wird die Luft dann durch eine Luftleitung 12 der Sekundär-Turbine 4 uncf von dieser durch eine Luftleitung 13 einer Abgasleitung 14 zugeführt

Die prinzipielle Funktion der Erfindung ist folgende; Nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine 1 treiben deren Abgase die Abgasturbine 2 und diese den Verdichter 3 an. Die vom Verdichter 3 angesaugte und verdichtete Luft wird durch die Luftleitung 11 und die Abgase durch die Abgasleitung 9 dem Wärmetauscher 6 zugeführt In dem Wärmetauscher 6 erfolgt ein Wärmetausch zwischen den heißen Abgasen und der komprimierten Luft Die im Wärmetauscher 6 erhitzte Luft gelangt über die Luftleitung 12 zur Sekundär-Turbine 4, expandiert dort unter Leistungsangabe und wird von dieser durch die Luftleitung 13 der Abgasleitung 14 zugeführt, durch die die Luft und die Abgase in die Atmosphäre geleitet werden.

In den F i g. 4 bis 6 ist der Anmekiungsgegenstand in einer integrierten Bauweise dargestellt Dabei sind eine Abgasturbine IS, ein Verdichter 16 und eine Sekundär-Turbine 17 gemeinsam in einem an e^:r,er Brennkraftmaschine 18 angeflanschten Gehäuse \0 pngeordnet und bilden zusammen eine Abwärmeturbineneinheit 20. Die Abwärmeturbineneinheit umfaßt ein Zentralrohr 21, das mit den als Hohlschaufeln ausgebildeten Turbinenschaufeln 22 der Abgasturbine 15, dem Verdichter 16 und der Sekundärturbine 17 fest verbunden und drehbar in dem Gehäuse 19 gelagert ist. Abgaseinlaßstutzen in dem Gehäuse 19 sind mit 23 und öffnungen in dem Zentralrohr 21 sind mit 24 bezeichnet Die Stirnwände 25 und 26 des Gehäuses 19 bilden die Lagerstellen für das Zentralrohr 21, wobei die Stirnwand 26 im Bereich der Turbinenschaufeln 22 öffnungen 27 aufweist. Der linke Teil 28 des Verdichters 16 weist eine Öffnung 29 zum Ansaugen von Luft auf und die gegenüberliegende Seite des Gehäuses 19 eine Öffnung 30 zum Abführen der Abgase. Die von der Sekundär-Turbine 17 und der Abgasturbine 15 erzielte Leistung kann durch einen Abtrieb 31 direkt der Brennkraftmaschine t8 zugeführt werden, zum Antrieb von Nebenaggregaten oder z. B. zum Antrieb eines Generators verwendet werden.

Pie Funktion des erlindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der F i g. 4 bis 6 ist folgende:

Nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine 18 werden deren Abgase durch die Abgaseinlaßstutzen 23 der Abgasturbine 15 zum Antrieb derselben zugeführt. Die Abgasturbine 15 treibt den Verdichter 16 an, dieser saugt Luft an und fördert diese verdichtet durch die Turbinenschaufeln 22 zur Sekundär-Turbine 17. Während des Hindurchströmens der Luft durch die von den heißen Abgasen beaufschlagten Turbinenschaufeln 22 findet zwischen diesen und der Luft ein Wärmetausch statt, wobei die verdichtete Luft erhitzt wird. Diese Luft expandiert in der Sekundär-Turbine unter Leistungsabgabe, wodurch die Leistungsfähigkeit der Abwärmeturbineneinheit erhebMch erhöht wird.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die vom Verdichter 16 angesaugte Luft vorverdichtet sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Antriebsaggregat, insbesondere for Kraftfahrzeuge, das eine Brennkraftmaschine und eine eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagte Abgasturbine aufweisende Abwärmeturbineneinheit umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß neben der kinetischen Energie der Abgase auch deren Wärmeenergie durch einen überlagerten thermischen Arbeitsprozeß in der Abgasturbine (2, 15) von der Abwärmeturbineneinheit (7,20) genutzt wird.

2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärmeturbineneinheit (7,20) einen Verdichter (3,16), eine Sekundär-Turbine (4, 17) und eine Abgasturbine (2, 15) umfaßt, wobei die Turbinenschaufeln (22) der Abgasturbine (15) durch Hohlschaufeln gebildet sind, die von dem vom Verdichter (16) komprimierten Arbeitsmedium durchströmt werden, das nach Wärmeaufnahme von den Abgasen unter Leistungsabgabe in der Sekundärturbine (17) expandiert.

3. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium Luft ist.

4. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium Wasserdampfist.

5. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärturbine (4, 17) durch eine ein- oder mehrstufige Axial- oder Radialturbine gebildet ist.

6. Antriebsaggregat nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärmeturbineneinheit (20) als integriertes Bauteil ausgeführt ist.