DE3016228A1 - Exhaust turbine for IC engine - has rotating heat exchanger acting as part of turbine rotor assembly - Google Patents

Exhaust turbine for IC engine - has rotating heat exchanger acting as part of turbine rotor assembly

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DE3016228A1 DE19803016228 DE3016228A DE3016228A1 DE 3016228 A1 DE3016228 A1 DE 3016228A1 DE 19803016228 DE19803016228 DE 19803016228 DE 3016228 A DE3016228 A DE 3016228A DE 3016228 A1 DE3016228 A1 DE 3016228A1
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Abstract

The IC engine has an exhaust turbine which also functions as a heat recovery unit. Exhaust gas from the engine is supplied through a tangential inlet (1), transfers mechanical energy and heat to turbine blades (4) and leaves through a tangential exhaust pipe (2). The turbine blades (4) are in the form of hollow circular section tubes which are mounted on a rotor assembly. The rotor assembly carries a compressor which supplies air through the centre of the blades (4) where it is heated. The air then expands in a secondary turbine which is also part of the rotor assembly. Power is taken from the rotor shaft.

Description

Antriebsaggregat, insbesondere Drive unit, in particular

für Kraftfahrzeuge. for automobiles.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebsaggregat, insbesondere für Kraftfahrzeuge, das eine Brennkraftmaschine und eine eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagte Abgasturbine aufweisende Abwärmeturbineneinheit umfasst, von der neben der kinetischen Energie auch die Wärmeenergie der Abgase der Brennkraftmaschine durch einen überlagerten thermischen Arbeitsprozeß in der Abgasturbine genutzt wird, und wobei die Abwärmeturbineneinheit einen Verdichter, eine Sekundär-Turbine und eine Abgasturbine umfasst und die Turbinenschaufeln der Abgasturbine durch Hohischaufeln gebildet werden, die von dem vom Verdichter komprimierten Arbeitsmedium durchströmt werden, das unter Leistungsabgabe in der Sekundär-Turbine expandiert nach Patent ... (Patentanmeldung P 27 57 236.7-13).The invention relates to a drive unit, in particular for motor vehicles, which is an internal combustion engine and one of the exhaust gases Internal combustion engine acted upon exhaust gas turbine having waste heat turbine unit includes, of which not only the kinetic energy but also the thermal energy of the exhaust gases the internal combustion engine by a superimposed thermal work process in the Exhaust gas turbine is used, and wherein the waste heat turbine unit has a compressor, comprises a secondary turbine and an exhaust gas turbine and the turbine blades of the Exhaust gas turbine are formed by hollow blades, which are compressed by the compressor The working medium flows through it, with power output in the secondary turbine expands according to patent ... (patent application P 27 57 236.7-13).

Bei dem Antriebsaggregat nach dem Hauptpatent wird die kinetische Energie der Abgase durch die Abgasturbine direkt und die Wärmeenergie der Abgase durch die Abgasturbine indirekt ausgenutzt.In the drive unit according to the main patent, the kinetic Energy of the exhaust gases through the exhaust gas turbine directly and the thermal energy of the exhaust gases indirectly exploited by the exhaust gas turbine.

Die Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase erfolgt dabei durch die BeauEschlagung der ein Profil mit gewölbter Skelettlinie aufweisenden Turbinenschaufeln durch die Abgase. Dabei hat sich jedoch als nachteilig erwiesen, daß die pulsierend mit hoher Geschwindigkeit in die Abgasturbine eintretenden Abgase aufgrund des Turbinenschaufelprofils mit einer gegenüber der Eintrittsgeschwindigkeit nur gering verminderten Geschwindigkeit wieder unmittelbar nach dem Eintritt in die Abgasturbine aus der Abgasturbine herausströmen. Durch diese geringe Geschwindigkeitsänderung wird in der Abgasturbine nur ein relativ kleiner Teil der kinetischen Energie der Abgase genutzt.The kinetic energy of the exhaust gases is used by the exposure of the turbine blades, which have a profile with a curved skeleton line through the exhaust. However, it has been found to be disadvantageous that the pulsating Exhaust gases entering the exhaust gas turbine at high speed due to the turbine blade profile with a speed that is only slightly reduced compared to the entry speed flow out of the exhaust gas turbine again immediately after entering the exhaust gas turbine. As a result of this slight change in speed, only a relative speed is achieved in the exhaust gas turbine a small part of the kinetic energy of the exhaust gases is used.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebsaggregat der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der effektive Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch eine bessere Ausnutzung der den Abgasen innewohnenden Energiemengen und Energiearten in der Abgasturbine erhöht wird.The object of the invention is to provide a drive unit of the type mentioned at the beginning Art to create in which the effective efficiency of the internal combustion engine through better use of the den Amounts of energy inherent in exhaust gases and types of energy in the exhaust turbine is increased.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Turbinenschaufeln durch Rohre mit einem wenigstens annähernd kreisförmigen Querschnitt gebildet werden.According to the invention this object is achieved in that the turbine blades be formed by tubes with an at least approximately circular cross-section.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung werden die Turbinenschaufeln durch Rohre mit gleichem kreisförmigem Querschnitt gebildet. Die Turbinenschaufeln können z.B. gleichmäßig verteilt auf einem Kreisumfang angeordnet sein, gleichmäßig verteilt auf mehreren Kreisumfängen von unterschiedlicher Größe angeordnet sein oder gleichmäßig verteilt auf mehreren Kreisumfängen von unterschiedlicher Größe angeordnet sein, wobei die Turbinenschaufeln der einzelnen Kreisumfänge in radialer Richtung wenigstens teilweise versetzt zueinander angeordnet sind. Eine weitere Verbesserung der Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase wird erzielt, wenn die Turbinenschaufeln an ihrem äußeren Umfang ein den Strömungswiderstand erhöhendes Profil aufweisen.In a particularly expedient embodiment of the invention the turbine blades formed by tubes with the same circular cross-section. The turbine blades can, for example, be evenly distributed on a circumference be evenly distributed over several circumferences of different sizes be arranged or evenly distributed on several circumferences of different Size be arranged, with the turbine blades of the individual circumferences in are arranged at least partially offset from one another in the radial direction. One further improvement of the utilization of the kinetic energy of the exhaust gases is achieved, when the turbine blades have a flow resistance increasing on their outer circumference Have a profile.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß eine Erhöhung des effektiven Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine durch eine bessere Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase in der Abgasturbine im wesentlichen allein durch die Profiländerung der Turbinenschaufeln der Abgasturbine erzielt wird. Durch diese mit geringem fertigungstechnischem Aufwand herzustellenden Turbinenschaufeln wird darüber hinaus der Aufbau der Abgasturbine vereinfacht. Die Abgase gelangen vor dem Austritt der Abgasturbine mit mehreren der erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln in Wärmetausch, wodurch aufgrund des intensiveren Wärmetausches als bei bekannten Abgasturbinen eine Erhöhung des effektiven Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine auch durch eine bessere Ausnutzung der Wärmeenergie der Abgase in der Abgasturbine erzielt wrd.The advantages achieved with the invention consist essentially that an increase in the effective efficiency of the internal combustion engine by better utilization of the kinetic energy of the exhaust gases in the exhaust gas turbine essentially solely through the profile change of the turbine blades of the exhaust gas turbine is achieved. These can be produced with little manufacturing effort Turbine blades also simplify the structure of the exhaust gas turbine. the Exhaust gases arrive in front of the exhaust gas turbine with several of the invention Turbine blades in heat exchange, whereby due to the more intensive heat exchange than in known exhaust gas turbines, an increase in the effective efficiency of the Internal combustion engine also through better utilization of the thermal energy of the exhaust gases achieved in the exhaust turbine.

In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Abgasturbine einer Abwärmeturbineneinheit, bei der die Turbinenschaufeln auf einem Kreisumfang angeordnet sind, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Abwärmeturbineneinheit im Bereich eines Abgaseinlaßstutzens und dahinterliegendem Abgasauslaßstutzen, bei der die Turbinenschaufeln auf mehreren Kreisumfängen von unterschiedlicher Größe angeordnet sind, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. rund Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Turbinenschaufel, die an ihrem äußeren Umfang ein den Strömungswiderstand erhöhendes Profil aufweist.In the drawing, the invention is in two exemplary embodiments shown. 1 shows a schematic cross section through an exhaust gas turbine a waste heat turbine unit, in which the turbine blades on a circumference are arranged, Fig. 2 shows a cross section through a waste heat turbine unit in the area an exhaust gas inlet connection and an exhaust gas outlet connection behind it, in which the Turbine blades arranged on several circumferences of different sizes FIG. 3 shows a section along the line III-III of FIG. 4 and FIG Cross-section through a turbine blade that has a flow resistance on its outer circumference Has increasing profile.

In dem schematischen Querschnitt der Fig. 1 ist ein einen Abgaseinlaßstutzen 1 und einen Abgasauslaßstutzen 2 aufweisendes Abgasturbinengehäuse mit 3 bezeichnet. Bei diesem Ausfdhrungsbeispiel der Erfindung werden Turbinenschaufeln 4 durch Rohre mit gleichem kreisförmigem Querschnitt gebildet und sind gleichmäßig verteilt auf einem Kreisumfang 5 angeordnet. Die Abgase einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine treten durch den Abgaseinlaßstutzen 1 in das Abgasturbinengehäuse 3 ein, durchströmen bei gleichzeitiger Beaufschlagung der Turbinenschaufeln das Abgasturbinengehäuse 3, den Strömungspfeilen folgend und treten durch den Abgasauslaßstutzen 2 aus dem Abgasturbinengehäuse 3 aus.In the schematic cross section of FIG. 1, there is an exhaust gas inlet connection 1 and an exhaust gas turbine housing having an exhaust gas outlet connection 2 is denoted by 3. In this exemplary embodiment of the invention, turbine blades 4 are formed by tubes formed with the same circular cross-section and are evenly distributed on arranged on a circumference 5. The exhaust gases from an internal combustion engine, not shown enter the exhaust turbine housing 3 through the exhaust gas inlet connector 1, flow through when the turbine blades are acted upon at the same time, the exhaust turbine housing 3, following the flow arrows and emerge through the exhaust gas outlet 2 from the Exhaust turbine housing 3 from.

Die Funktion der Erfindung wird anhand des in den Fig. 2 und 3 dargestellten, in integrierter Bauweise ausgeführten Ausführungsbeispieles beschrieben.The function of the invention is illustrated in FIGS. 2 and 3, Described embodiment executed in an integrated design.

Eine Abgasturbine 6, ein Verdichter 7 und eine Sekundär-Turbine 8 sind gemeinsam in einem Gehäuse 9 angeordnet und bilden zusammen eine Abwärmeturbineneinheit 10. Das Gehäuse 9 ist durch Abgaseinlaßstutzen 11 abgasseitig an einer nicht gezeigten, z.B.An exhaust gas turbine 6, a compressor 7 and a secondary turbine 8 are arranged together in a housing 9 and together form a waste heat turbine unit 10. The housing 9 is through the exhaust gas inlet port 11 on the exhaust side at a not shown, e.g.

vierzylindrigen Brennkraftmaschine angeflanscht. Eine Welle 12 ist drehbar in dem Gehäuse 9 gelagert und auf der Welle 12 sind drehfest die Abgasturbine 6, der Verdichter 7 und die Sekundär-Turbine 8 angeordnet. Turbinenschaufeln 13 werden durch Rohre mit gleichem kreisförmigem Querschnitt gebildet und sind gleichmäßig verteilt auf drei Kreisumfängen 14, 15 und 16 von unterschiedlicher Größe angeordnet. Die Turbinenschaufeln 13 der einzelnen Kreisumfänge sind in radialer Richtung wenigstens teilweise versetzt zueinander angeordnet.four-cylinder internal combustion engine flanged. A shaft 12 is rotatably mounted in the housing 9 and on the shaft 12 non-rotatable the exhaust gas turbine 6, the compressor 7 and the secondary turbine 8 are arranged. Turbine blades 13 are formed by tubes with the same circular cross-section and are uniform distributed over three circumferences 14, 15 and 16 of different sizes. The turbine blades 13 of the individual circumferences are at least in the radial direction partially offset from one another.

Ein mit dem Gehäuse 9 verbundener Abgasauslaßstutzen ist mit 17 bezeichnet. Die Stirnwände 18 und 19 des Gehäuses 9 bilden die Lagerstellen für die Welle 12, wobei die Stirnwand 18 eine Oeffnung 20 zum Ansaugen von Luft und die Stirnwand 19 eine oeffnung 21 zum Abführen der Luft aufweist. Die von der Abgasturbine 6 und der Sekundär-Turbine 8 erzeugte Leistung kann durch einen Abtrieb 22 z.B. der Brennkraftmaschine direkt zugeführt werden, oder zum Antrieb von Nebenaggregaten oder eines Generators verwendet werden.An exhaust gas outlet connection connected to the housing 9 is denoted by 17. The end walls 18 and 19 of the housing 9 form the bearing points for the shaft 12, wherein the end wall 18 has an opening 20 for sucking in air and the end wall 19 has an opening 21 for discharging the air. The from the exhaust gas turbine 6 and The power generated by the secondary turbine 8 can be generated by an output 22, for example of the internal combustion engine can be fed directly, or to drive ancillary units or a generator be used.

Nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine werden deren Abgase durch die Abgaseinlaßstutzen 11 der Abgasturbine 6 zum Antrieb derselben zugeführt. Die Abgasturbine 6 treibt den Verdichter 7 an, dieser saugt Luft an und fördert diese verdichtet durch die Turbinenschaufeln 13 zur Sekundär-Turbine 8. Während des Hindurchströmens der Luft durch die von den heißen Abgasen beaufschlagten Turbinenschaufeln 13 findet zwischen diesen und der Luft ein Wärmetausch statt, wobei die verdichtete Luft erhitzt wird. Die Luft expandiert in der Sekundär-Turbine 8 unter Leistungsabgabe, wodurch die Leistungsfähigkeit der Abwärmeturbineneinheit erheblich erhöht wird.After starting the internal combustion engine, its exhaust gases are released the exhaust gas inlet stub 11 of the exhaust gas turbine 6 is supplied to drive the same. the The exhaust gas turbine 6 drives the compressor 7, which sucks in air and conveys it compressed by the turbine blades 13 to the secondary turbine 8. During the flow finds the air through the turbine blades 13 acted upon by the hot exhaust gases a heat exchange takes place between these and the air, the compressed air being heated will. The air expands in the secondary turbine 8 with power output, whereby the efficiency of the waste heat turbine unit is significantly increased.

Anstelle des durch Luft gebildeten Arbeitsmediums des thermischen Prozesses kann auch ein anderer Stoff, z.B. Wasser, oder ein anderer verdampfbarer Stoff wie Frigen, Toluol usw.Instead of the working medium formed by air, the thermal one Process can also be another substance, e.g. water, or another vaporizable substance Substance like Frigen, Toluene etc.

verwendet werden. In diesem Fall wird der Verdichter 7 durch eine Pumpe ersetzt.be used. In this case, the compressor 7 is through a Pump replaced.

Zur weiteren Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Abwärmeturbineneinheit können gemäß der Fig. 4 durch Rohre mit kreisförmigem Querschnitt gebildete Turbinenschaufeln 23 an ihrem äußeren Umfang ein den Strömungswiderstand erhöhendes Profil 24 beliebiger Form und Anordnung aufweisen.To further increase the efficiency of the waste heat turbine unit According to FIG. 4, turbine blades formed by tubes with a circular cross-section can be used 23 on her exterior Scope a flow resistance increasing Profile 24 have any shape and arrangement.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können die die Turbinenschaufeln bildenden Rohre einen nur annähernd kreisförmigen Querschnitt aufweisen und die Anordnung der Rohre in der Abgasturbine kann in beliebiger zweckmäßiger Form erfolgen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments shown. Thus, the tubes forming the turbine blades can only be approximately circular Have cross-section and the arrangement of the tubes in the exhaust gas turbine can be in any appropriate form.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (6)

Patentansprüche Antriebsaggregat, insbesondere für Kraftfahrzeuge, das eine Brennkraftmaschine, eine eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagte Abgasturbine aufweisende Abwärmeturbineneinheit umfasst, von der neben der kinetischen Energie auch die Wärmeenergie der Abgase der Brennkraftmaschine durch einen überlagerten thermischen Arbeitsprozeß in der Abgasturbine genutzt wird, und wobei die Abwärmeturbineneinheit einen Verdichter, eine Sekundär-Turbine und eine Abgasturbine umfasst und die Turbinenschaufeln der Abgasturbine durch Hohlschaufeln gebildet werden, die von dem vom Verdichter komprimierten Arbeitsmedium durchströmt werden, das unter Leistungsabgabe in der Sekundär-Turbine expandiert nach Patent .... (Patentanmeldung P 27 57 236.7-13), dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (4, 13, 23) durch Rohre mit einem wenigstens annähernd kreisförmigen Querschnitt gebildet werden. Drive unit claims, in particular for motor vehicles, the one internal combustion engine, one acted upon by the exhaust gases of the internal combustion engine Comprises waste heat turbine unit having exhaust gas turbine, of which in addition to the kinetic Energy also the thermal energy of the exhaust gases of the internal combustion engine by a superimposed thermal work process is used in the exhaust gas turbine, and wherein the waste heat turbine unit comprises a compressor, a secondary turbine and an exhaust turbine, and the turbine blades of the exhaust gas turbine are formed by hollow blades that are separated from that of the compressor compressed working medium are flowed through, which under power output in the Secondary turbine expands according to patent .... (patent application P 27 57 236.7-13), characterized in that the turbine blades (4, 13, 23) by tubes with a be formed at least approximately circular cross-section. 2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (4, 13) durch Rohre mit gleichem kreisförmigem Querschnitt gebildet werden.2. Drive unit according to claim 1, characterized in that the Turbine blades (4, 13) formed by tubes with the same circular cross-section will. 3. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (4) gleichmäßig verteilt auf einem Kreisumfang (5) angeordnet sind.3. Drive unit according to claim 1, characterized in that the Turbine blades (4) are evenly distributed on a circumference (5) are. 4. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (13) gleichmäßig verteilt auf mehreren Kreisumfängen (14, 15, 16) von unterschiedlicher Größe angeordnet sind.4. Drive unit according to claim 1, characterized in that the Turbine blades (13) evenly distributed over several circumferences (14, 15, 16) are arranged of different sizes. 5. Antriebsaggregat nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (13) gleichmäßig verteilt auf mehreren Kreisumfängen (14, 15, 16) von unterschiedlicher Größe angeordnet sind, und die Turbinenschaufeln (13) der einzelnen Kreisumfänge (14, 15, 16) in radialer Richtung wenigstens teilweise versetzt zueinander angeordnet sind. 5. Drive unit according to claims 1 and 4, characterized in that that the turbine blades (13) are evenly distributed over several circumferences (14, 15, 16) are arranged of different sizes, and the turbine blades (13) of the individual circumferences (14, 15, 16) at least partially in the radial direction are arranged offset to one another. 6. Antriebsaggregat nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (23) an ihrem äußeren Umfang ein den Strömungswiderstand erhöhendes Profil (24) aufweisen.6. Drive unit according to the Claims 1 to 5, characterized in that the turbine blades (23) on their outer circumference have a flow resistance increasing profile (24).
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