EP2676018A1 - Antriebsstrang mit aufgeladenem verbrennungsmotor und turbocompoundsystem - Google Patents

Antriebsstrang mit aufgeladenem verbrennungsmotor und turbocompoundsystem

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EP2676018A1
EP2676018A1 EP12714555.5A EP12714555A EP2676018A1 EP 2676018 A1 EP2676018 A1 EP 2676018A1 EP 12714555 A EP12714555 A EP 12714555A EP 2676018 A1 EP2676018 A1 EP 2676018A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
turbine
turbocharger
gas flow
flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12714555.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Figler
Markus Kley
Alexander Wunsch
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2676018A1 publication Critical patent/EP2676018A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02B41/10—Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
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    • F02B29/0475—Constructional details of the heat exchangers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation, materials, or manufacturing and assembly the intake air cooler being combined with another device, e.g. heater, valve, compressor, filter or EGR cooler, or being assembled on a special engine location
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/08—EGR systems specially adapted for supercharged engines for engines having two or more intake charge compressors or exhaust gas turbines, e.g. a turbocharger combined with an additional compressor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a drive train, in particular
  • Motor vehicle drive train with a supercharged internal combustion engine and a turbocompound system, as for example for driving a
  • truck or rail vehicle is used.
  • the invention is also applicable to other powertrains, such as stationary drive trains, or other vehicles, such as passenger cars.
  • a turbine is arranged in the ⁇ bgasstrom of the internal combustion engine, which is usually designed as a piston engine, such as diesel engine, and is offset by the exhaust gas flow in a rotational movement, which drives a compressor which supplied to the engine
  • turbocharger Fresh air or a fresh air mixture compressed.
  • the combination of turbine and compressor is referred to as a turbocharger, with the turbine and compressor typically being mounted on a common shaft, turbocharger shaft.
  • the turbine as turbocharger turbine and the compressor as
  • turbocompound system likewise comprises a turbine acted upon and driven by the exhaust gas, in the present case referred to as a useful turbine, which converts thermal energy and flow energy of the exhaust gas into mechanical energy or drive power.
  • drive power is not supplied to a compressor, but the same drive train in which the internal combustion engine its drive power
  • the exhaust gas turbine is thus at least indirectly in one
  • European Patent EP 0 091 139 B2 describes the combination of a turbocharger and a turbo compound system. According to a first
  • the turbine of the turbocharger is arranged in the exhaust stream parallel to the exhaust gas turbine. According to a second embodiment, the exhaust gas first flows through the turbine of the turbocharger and then the
  • Exhaust gas turbine of the turbo compound system In a parallel circuit of the turbines, the turbine surface is divided, namely accounts for 70% of the area on the turbine of the turbocharger and 10% on the exhaust gas turbine. Accordingly, the exhaust gas turbine is a very small and fast-rotating turbine. In the case of series connection, the supercharger turbine is designed for a turbine cross section of 80%. In the downstream turbine, the residual gradient in
  • the utility turbine is thus voluminous and expensive and is usually applied to smaller engines. It is advantageous that the transmission between the power turbine and the internal combustion engine compared to the high-speed parallel turbine can be made cheaper.
  • the present invention has for its object to provide a drive train, which is improved in terms of the requirements mentioned. At the same time, the drive train should be as inexpensive to produce and work reliably.
  • the object of the invention is achieved by a drive train with the
  • the drive train according to the invention has a charged
  • Internal combustion engine such as diesel engine or other piston engine
  • the drive power is, for example, in stationary vehicles or in a vehicle to drive an aggregate, in particular one
  • Working machine or a generator used, or in vehicles drive wheels are driven by means of the drive power of the internal combustion engine.
  • the engine alone or in combination with other engines contributes to the traction of the vehicle.
  • a turbocharger comprising a plurality of turbocharger turbines in the exhaust gas flow of the internal combustion engine and turbocharger compressors in a fresh air flow supplied to the internal combustion engine.
  • turbocharger compressors in a fresh air flow supplied to the internal combustion engine.
  • fresh air flow is both a pure fresh air flow to understand that after its compression by means of the turbocharger compressor fuel and in particular a certain proportion of exhaust gas is supplied, or a fresh air flow mixture, which already contains next to the fresh air other components, such as fuel and / or exhaust gas.
  • turbocharger turbine and the turbocharger compressor each stage of the turbocharger are advantageous in a purely mechanical drive connection with each other and can be arranged, for example, rotatably on a common shaft or carried by this.
  • the drive train according to the invention also has a turbocompound system, comprising an exhaust gas turbine, which in the exhaust gas flow of the internal combustion engine is arranged, for example, in the flow direction behind the first
  • Turbocharger turbine of turbocharger The exhaust gas turbine is in one
  • Under drive connection is doing both an immediate drive connection and an indirect drive connection, for example via an intermediate gear, for example
  • Exhaust gas turbine are transmitted and which, if it is emptied, allows to interrupt the drive connection between the exhaust gas turbine and the output shaft of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas turbine of the turbocompound system is parallel to the second turbocharger turbine, that is to the low pressure turbine of the
  • Turbocharger arranged in the exhaust stream of the internal combustion engine. This means that the exhaust gas stream of the internal combustion engine is subdivided into at least two partial exhaust gas streams, in particular by means of a controllable exhaust gas distributor, and in the first partial exhaust gas stream the exhaust gas turbine flows through the exhaust gas
  • the turbocharger turbine is arranged, and in the second partial exhaust stream, the turbocharger turbine is arranged through the exhaust gas.
  • Under controllable exhaust gas flow distributor is any suitable device to understand, which can vary the allocation of the exhaust gas flow to the at least two partial exhaust gas streams selectively and selectively. So not only
  • Applicable exhaust gas flow distributors which operate in a closed loop, but also controllable exhaust gas flow distributors, which are controlled in an open loop or with a simple control.
  • a desired value for the proportion of the exhaust gas in the respective partial exhaust gas flow both a volume flow and a mass flow can be specified.
  • Others too Specifications such as a valve position or an opening cross-section of the exhaust pipe are possible to the division of the
  • Exhaust aftertreatment system in the flow direction of the exhaust gas downstream of the exhaust gas turbine and / or the parallel turbocharger turbine is the
  • Exhaust gas flow manifold advantageously designed such that in addition to the first two exhaust gas streams with the exhaust gas turbine and turbocharger turbine, a third exhaust partial flow is provided parallel to the first two exhaust gas streams, by means of which exhaust gas can be passed both to the exhaust gas turbine and to the turbocharger turbine arranged parallel thereto. If, according to one embodiment, all or different partial exhaust gas streams in the flow direction behind the exhaust gas turbines - waste gas utilization turbine and turbocharger turbine (s) - are brought together again to form a common exhaust gas flow, then
  • the turbocharger is designed in two stages and includes only the first turbocharger turbine and the second turbocharger turbine.
  • the first turbocharger turbine drives a first turbocharger compressor in the fresh air flow
  • the second turbocharger turbine drives a second turbocharger compressor in the fresh air flow.
  • the two turbocharger turbines with their associated turbocharger compressors in a purely mechanical drive connection with each other and are particularly advantageous rotationally fixed driven or carried by a common shaft.
  • the first turbocharger turbine is disposed in the exhaust stream upstream of the second turbocharger turbine.
  • the first turbocharger compressor is in the fresh air flow downstream of the second Turbocharger compressor arranged.
  • Turbocharger compressor as high pressure compressor and the second
  • Turbocharger compressor as low-pressure compressor, as well as the first turbocharger turbine as a high-pressure turbine and the second turbocharger turbine as a low-pressure turbine.
  • a third stage is further provided. Even more levels are possible.
  • the exhaust gas turbine is in
  • the distribution of the exhaust gas stream into at least two partial exhaust gas streams is advantageously carried out in
  • the last turbocharger turbine is arranged parallel to the exhaust gas turbine in the exhaust gas flow, or at three or more stages is a predetermined plurality of in
  • the exhaust gas recirculation can be a
  • Exhaust gas recirculation line comprise downstream of the exhaust gas flow distributor, in particular in the flow direction in front of the exhaust gas turbine and the
  • Parallel turbocharger turbine branches off the exhaust pipe.
  • the diversion of an exhaust gas recirculation line may be provided upstream of the exhaust gas flow distributor, in particular in the flow direction of the exhaust gas upstream of a first turbocharger turbine.
  • the mouth of one or a plurality of exhaust gas recirculation line (s) is advantageously according to the
  • control device in particular electronic control device is provided which controlling and / or regulating on the
  • Exhaust gas flow distributor accesses to the division of the exhaust gas flow to the various A. to vary partial gas flows.
  • the division can, for example, in dependence on the speed of the output shaft of the internal combustion engine or a dependent therefrom speed, for example, a speed in a the
  • a corresponding speed sensor may be provided, which detects this speed and is connected to the control device to the measurement result of
  • control device may operate such that at least one of
  • This control or regulation may be superimposed on a further control, which, if necessary, a relatively larger proportion of the exhaust gas stream passing two parallel exhaust gas turbines past into an exhaust aftertreatment system.
  • This superimposed regulation or control can then take place, for example, independently of the detected or calculated rotational speeds or other relevant variables for distribution control.
  • a bypass is connected in parallel with the at least one turbocharger turbine arranged upstream of the exhaust gas flow distributor in the exhaust gas flow in order to bypass exhaust gas at this turbocharger turbine and supply it to the exhaust gas distributor and / or at least one partial exhaust gas stream downstream of the exhaust gas distributor.
  • Compressor stages or the individual turbocharger compressor to deal with a common or each with its own bypass.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an inventive
  • Figure 2 shows a second embodiment of an inventive
  • the internal combustion engine is designated by the reference numeral 1, the turbocharger by the reference numeral 2 and the turbocompound system by the reference numeral 3.
  • the internal combustion engine 1 has an output shaft 1.1, which in a drive connection with not shown drive wheels and / or by means of the internal combustion engine 1 to be driven unit and also in a drive connection with the exhaust gas turbine 3.1 of the turbocompound system 3 is.
  • Output shaft 1.1 are various mechanical gear ratio stages and a hydrodynamic coupling, which is designed to be adjustable here, arranged.
  • the control of the hydrodynamic coupling 10 can by
  • the exhaust gas turbine 3.1 is in the exhaust stream 5 parallel to a second
  • Turbocharger turbine 2.3 of the turbocharger 2 arranged.
  • the second turbocharger turbine 2.3 drives a second turbocharger compressor 2.4.
  • In the fresh air stream 4 downstream of the second turbocharger compressor 2.4 is a first
  • Turbocharger compressor 2.2 arranged by means of a first turbocharger turbine 2.1 is driven.
  • the first turbocharger turbine 2.1 is arranged in the exhaust gas flow 5 upstream of the second turbocharger turbine 2.3 and thus also downstream of the exhaust gas utilization turbine 3.1 of the turbocompound system 3.
  • Exhaust gas stream 5 is divided downstream of the first turbocharger turbine 2.1 by means of an exhaust gas flow distributor 6 into three partial exhaust gas streams 5.1, 5.2 and 5.3.
  • the exhaust gas turbine 3.1 is arranged, in the second partial exhaust stream 5.2, the second turbocharger turbine 2.3 is arranged, and the third partial exhaust stream 5.3 is free of any exhaust gas turbine.
  • variable distribution of the exhaust stream 5 to the various partial exhaust streams 5.1, 5.2, 5.3 by means of the exhaust manifold 6 can be directed at high charge air demand, the exhaust stream 5 for the most part to the second turbocharger turbine 2.3, whereas, especially at higher engine speeds at which more exhaust energy is available ,
  • the mass flow or volume flow of the exhaust gas is relatively stronger or completely directed to the exhaust gas turbine 3.1.
  • Exhaust manifold 6 can be supplied.
  • the compressed fresh air stream 4 is in this case passed through a charge air cooler 12 before it is supplied to the internal combustion engine 1.
  • a charge air cooler 12 instead of the single intercooler 12 provided, it would also be possible to provide a plurality of charge air coolers, for example in individual or all recirculated exhaust gas partial streams.
  • the intercooler 12 is part of a cooling system, in particular vehicle cooling system, comprising in addition to the
  • Intercooler 12 a cooling water cooler 13, which together with the
  • Charge air cooler 12 flows through or is flowed around by ambient air.
  • Turbocharger compressor 2.2 and / or the second turbocharger compressor 2.4 can be bypassed partially or completely. Instead of the two bypasses 14, 15 provided separately, one by-pass per
  • Turbocharger compressor could also be provided a common bypass.
  • Fresh air stream 4 can be passed.
  • a line 7.1 branches upstream of the
  • Abgasstromverteilers 6 from the exhaust stream 5 from, in this case upstream of the first turbocharger turbine 2.1.
  • the lines 7.2, 7.3 and 7.4 downstream of the exhaust gas flow distributor 6 open downstream of the second turbocharger compressor 2.4 and upstream of the first turbocharger compressor 2.2 in the fresh air flow 4.
  • the first line 7.1 opens downstream of the turbocharger compressor 2.4, 2.2 in the fresh air flow. 4
  • Control device 8 shown schematically, the division of the
  • Exhaust stream 5 to the various partial exhaust streams 5.1, 5.2, 5.3 by means of Exhaust gas flow distributor 6 controls and / or regulates.
  • the control device 8 is connected to a rotational speed sensor 9, which detects the rotational speed of the output shaft 1.1 of the internal combustion engine 1. The measurement result is used to determine which portion of the exhaust gas stream 5 is supplied to which partial exhaust gas stream 5.1, 5.2 and 5.3.
  • a rotational speed sensor 9 which detects the rotational speed of the output shaft 1.1 of the internal combustion engine 1.
  • the measurement result is used to determine which portion of the exhaust gas stream 5 is supplied to which partial exhaust gas stream 5.1, 5.2 and 5.3.
  • Combustion engine can be optimally controlled. At the same time, adjustments can be made with regard to the exhaust gas temperature for exhaust gas aftertreatment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einem einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle aufweist, zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang; - mit einem Turbolader; - mit einem Turbocompoundsystem, umfassend eine Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom angeordnet ist und in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors steht oder in eine solche schaltbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass - der Turbolader wenigstens zweistufig ausgeführt ist und eine erste Turboladerturbine umfasst, die im Abgasstrom angeordnet ist Und einen ersten Turboladerverdichter, der in einem dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Frischluftstrom angeordnet ist, antreibt, sowie eine zweite Turboladerturbine umfasst, die stromabwärts der ersten Turboladerturbine im Abgasstrom angeordnet ist und einen zweiten Turboladerverdichter, der stromaufwärts des ersten Turboladerverdichters im Frischluftstrom angeordnet ist, antreibt; und - die Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems im Abgasstrom hinsichtlich ihrer Durchströmung parallel zu der zweiten Turboladerturbine angeordnet ist.

Description

Antriebsstrang mit aufgeladenem Verbrennungsmotor und Turbocompoundsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere
Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor und einem Turbocompoundsystem, wie er beispielsweise zum Antrieb eines
Nutzfahrzeugs, insbesondere Lastkraftwagens oder Schienenfahrzeugs, verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Antriebssträngen, beispielsweise stationären Antriebssträngen, oder bei anderen Fahrzeugen, beispielsweise Personenkraftwagen, anwendbar.
Antriebsstränge mit aufgeladenen Verbrennungsmotoren sind seit langem bekannt. Hierbei ist im Äbgasstrom des Verbrennungsmotors, der in der Regel als Kolbenmaschine, beispielsweise Dieselmotor, ausgeführt ist, eine Turbine angeordnet und wird durch den Abgasstrom in eine Drehbewegung versetzt, welche einen Verdichter antreibt, der dem Verbrennungsmotor zugeführte
Frischluft oder ein Frischluftgemisch verdichtet. Die Kombination von Turbine und Verdichter wird als Turbolader bezeichnet, wobei die Turbine und der Verdichter in der Regel auf einer gemeinsamen Welle, Turboladerwelle, angeordnet sind.
Vorliegend wird die Turbine als Turboladerturbine und der Verdichter als
Turboladerverdichter bezeichnet.
Um im Abgas enthaltene Energie noch besser, insbesondere zum Antrieb des Fahrzeugs, ausnutzen zu können, sind in jüngerer Zeit aufgeladene
Verbrennungsmotoren zusätzlich mit einem sogenannten Turbocompoundsystem ausgerüstet worden. Ein solches Turbocompoundsystem umfasst ebenfalls eine vom Abgas beaufschlagte und angetriebene Turbine, vorliegend als Nutzturbine bezeichnet, welche thermische Energie und Strömungsenergie des Abgases in mechanische Energie beziehungsweise Antriebsleistung umwandelt. Diese
Antriebsleistung wird jedoch keinem Verdichter zugeleitet, sondern demselben Antriebsstrang, in welchen der Verbrennungsmotor seine Antriebsleistung
BESTÄTIGUNGSKOPIE einspeist. Die Abgasnutzturbine steht somit zumindest mittelbar in einer
Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Antriebsmotors.
Die europäische Patentschrift EP 0 091 139 B2 beschreibt die Kombination eines Turboladers und eines Turbocompoundsystems. Gemäß einer ersten
Ausführungsform ist die Turbine des Turboladers im Abgasstrom parallel zu der Abgasnutzturbine angeordnet. Gemäß einer zweiten Ausführungsform durchströmt das Abgas zunächst die Turbine des Turboladers und anschließend die
Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems. Bei einer Parallelschaltung der Turbinen wird die Turbinenfläche aufgeteilt, und zwar entfallen 70% der Fläche auf die Turbine des Turboladers und 10% auf die Abgasnutzturbine. Demnach ist die Abgasnutzturbine eine sehr kleine und schnelldrehende Turbine. Im Fall der Reihenschaltung wird die Laderturbine für einen Turbinenquerschnitt von 80% ausgelegt. In der nachgeschalteten Nutzturbine wird das Restgefälle in
mechanische Arbeit umgesetzt. Die Nutzturbine ist dadurch voluminös und teurer und wird in der Regel bei kleineren Motoren angewendet. Von Vorteil ist, dass das Getriebe zwischen der Nutzturbine und dem Verbrennungsmotor im Vergleich zu der schnelldrehenden Parallelturbine günstiger ausgeführt werden kann.
Obwohl die bekannten Lösungen im Abgas vorhandene Energie bereits sehr gut nutzen und damit den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors optimieren, sind weitere Verbesserungen wünschenswert. Besonders sollen die Nachteile der zuvor beschriebenen Anordnung ausgeräumt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang anzugeben, der hinsichtlich der genannten Anforderungen verbessert ist. Zugleich soll der Antriebsstrang möglichst kostengünstig herstellbar sein und zuverlässig arbeiten. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind
vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
angegeben.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang weist einen aufgeladenen
Verbrennungsmotor, beispielsweise Dieselmotor oder sonstiger Kolbenmotor, mit einer Abtriebswelle zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang auf. Die Antriebsleistung wird, beispielsweise bei stationären Fahrzeugen oder auch in einem Fahrzeug, zum Antrieb eines Aggregates, insbesondere einer
Arbeitsmaschine oder eines Generators verwendet, oder bei Fahrzeugen werden Antriebsräder mittels der Antriebsleistung des Verbrennungsmotors angetrieben. Somit trägt im letzteren Fall der Verbrennungsmotor alleine oder in Kombination mit weiteren Motoren zur Traktion des Fahrzeugs bei.
Es ist ein Turbolader vorgesehen, umfassend eine Vielzahl von Turboladerturbinen im Abgasstrom des Verbrennungsmotors und Turboladerverdichtern in einem dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Frischluftstrom. Unter Frischluftstrom ist sowohl ein reiner Frischluftstrom zu verstehen, dem nach seiner Verdichtung mittels des Turboladerverdichters Brennstoff und insbesondere auch ein gewisser Anteil von Abgas zugeleitet wird, oder ein Frischluftstromgemisch, welches bereits neben der Frischluft weitere Bestandteile, beispielsweise Brennstoff und/oder Abgas, enthält.
Die Turboladerturbine und der Turboladerverdichter jeder Stufe des Turboladers stehen vorteilhaft in einer rein mechanischen Triebverbindung miteinander und können beispielsweise drehfest auf einer gemeinsamen Welle angeordnet beziehungsweise von dieser getragen werden.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang weist ferner ein Turbocompoundsystem auf, umfassend eine Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet ist, beispielsweise in Strömungsrichtung hinter der ersten
Turboladerturbine des Turboladers. Die Abgasnutzturbine steht in einer
Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors oder ist wahlweise in eine solche schaltbar. Unter Triebverbindung wird dabei sowohl eine unmittelbare Triebverbindung als auch eine mittelbare Triebverbindung, beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe, beispielsweise
Wechselgetriebe, verstanden. In der Triebverbindung ist vorteilhaft eine regelbare oder nicht regelbare hydrodynamische Kupplung vorgesehen, welche zum einen verhindert, dass Drehschwindungen vom Verbrennungsmotor auf die
Abgasnutzturbine übertragen werden und welche, wenn sie entleerbar ausgeführt ist, ermöglicht, die Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu unterbrechen.
Erfindungsgemäß ist die Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems parallel zu der zweiten Turboladerturbine, das heißt zu der Niederdruckturbine des
Turboladers, im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet. Das bedeutet, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors in zumindest zwei Abgasteilströme unterteilt wird, insbesondere mittels eines regelbaren Abgasstromverteilers, und im ersten Abgasteilstrom die Abgasnutzturbine vom Abgas durchströmt
angeordnet ist, und im zweiten Abgasteilstrom die Turboladerturbine vom Abgas durchströmt angeordnet ist.
Unter regelbarem Abgasstromverteiler ist dabei jede geeignete Vorrichtung zu verstehen, welche die Aufteilung des Abgasstromes auf die wenigstens zwei Abgasteilströme wahlweise und gezielt variieren kann. Somit sind nicht nur
Abgasstrom Verteiler, die in einem geschlossenen Regelkreis arbeiten, anwendbar, sondern auch steuerbare Abgasstromverteiler, die in einem offenen Regelkreis oder mit einer einfachen Steuerung angesteuert werden. Bei Vorgabe eines Sollwertes für den Anteil des Abgases im jeweiligen Abgasteilstrom kann sowohl ein Volumenstrom als auch ein Massenstrom vorgegeben werden. Auch andere Vorgaben, beispielsweise eine Ventilstellung beziehungsweise ein Öffnungsquerschnitt der Abgasleitung sind möglich, um die Aufteilung des
Abgasstromes auf die verschiedenen Abgasteilströme einzustellen. Insbesondere im Hinblick auf ein vorteilhaft vorgesehenes
Abgasnachbehandlungssystem in Strömungsrichtung des Abgases stromab der Abgasnutzturbine und/oder der parallelen Turboladerturbine ist der
Abgasstromverteiler vorteilhaft derart ausgeführt, dass neben den ersten beiden Abgasteilströmen mit der Abgasnutzturbine und der Turboladerturbine ein dritter Abgasteilstrom parallel zu den ersten beiden Abgasteilströmen vorgesehen ist, mittels welchem Abgas sowohl an der Abgasnutzturbine als auch an der parallel hierzu angeordneten Turboladerturbine vorbeileitbar ist. Wenn gemäß einer Ausführungsform alle oder verschiedene Abgasteilströme in Strömungsrichtung hinter den Abgasturbinen - Abgasnutzturbine und Turboladerturbine(n) - wieder zu einem gemeinsamen Abgasstrom zusammengeführt werden, so kann die
Temperatur dieses gemeinsamen Abgasstromes, insbesondere für ein nachfolgend durchströmtes Abgasnachbehandlungssystem, dadurch erhöht werden, dass der Anteil des Abgasstromes, der an den Abgasturbinen vorbeigeleitet wird, vergrößert wird.
Besonders vorteilhaft ist der Turbolader genau zweistufig ausgeführt und umfasst nur die erste Turboladerturbine sowie die zweite Turboladerturbine. Die erste Turboladerturbine treibt einen ersten Turboladerverdichter im Frischluftstrom an, und die zweite Turboladerturbine treibt einen zweiten Turboladerverdichter im Frischluftstrom an. Von Vorteil stehen die beiden Turboladerturbinen mit ihren zugeordneten Turboladerverdichtern in einer rein mechanischen Triebverbindung miteinander und werden besonders vorteilhaft drehfest von einer gemeinsamen Welle angetrieben beziehungsweise getragen. Die erste Turboladerturbine ist im Abgasstrom stromaufwärts der zweiten Turboladerturbine angeordnet. Der erste Turboladerverdichter ist im Frischluftstrom stromabwärts zu dem zweiten Turboladerverdichter angeordnet. Somit könnte man den ersten
Turboladerverdichter als Hochdruckverdichter und den zweiten
Turboladerverdichter als Niederdruckverdichter, sowie die erste Turboladerturbine als Hochdruckturbine und die zweite Turboladerturbine als Niederdruckturbine bezeichnen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ferner eine dritte Stufe vorgesehen. Auch weitere Stufen sind möglich. Die Abgasnutzturbine ist im
Abgasstrom parallel zu der zweiten und/oder einer im Abgasstrom in
Strömungsrichtung folgenden Turboladerturbine angeordnet, insbesondere parallel zu der letzten Turboladerturbine.
Bei einem solchen wenigstens zweistufigen System erfolgt die Aufteilung des Abgasstromes in wenigstens zwei Abgasteilströme vorteilhaft in
Strömungsrichtung hinter der ersten Turboladerturbine und/oder in
Strömungsrichtung vor der letzten Turboladerturbine. Somit ist entweder die letzte Turboladerturbine parallel zu der Abgasnutzturbine im Abgasstrom angeordnet, oder bei drei oder mehr Stufen ist eine vorgegebene Mehrzahl der in
Strömungsrichtung hinteren Turboladerturbinen parallel zur Abgasnutzturbine im Abgasstrom angeordnet. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Abgasrückführung
vorgesehen, mittels welcher Abgas.aus dem Abgasstrom in den Frischluftstrom einleitbar ist. Hierfür sind verschiedene Abzweigstellen für das Abgas alternativ oder gemeinsam ausgeführt möglich, wie später in der Figurenbeschreibung noch erläutert wird. So kann die Abgasrückführung beispielsweise eine
Abgasrückführleitung umfassen, die stromabwärts des Abgasstromverteilers, insbesondere in Strömungsrichtung vor der Abgasnutzturbine und der
parallelgeschalteten Turboladerturbine aus der Abgasleitung abzweigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Abzweigung einer Abgasrückführleitung stromaufwärts des Abgasstromverteilers vorgesehen sein, insbesondere in Strömungsrichtung des Abgases vor einer ersten Turboladerturbine. Die Mündung der einen oder mehreren Abgasrückführleitung(en) wird vorteilhaft entsprechend des
Druckverhältnisses an der Abzweigstelle im Frischluftstrom vorgesehen, stromabwärts und/oder stromaufwärts des ersten und/oder zweiten
Turboladerverdichters.
Es ist möglich, Bypässe zu einem oder mehreren Turboladerverdichtern
vorzusehen.
Besonders vorteilhaft ist eine Steuervorrichtung, insbesondere elektronische Steuervorrichtung vorgesehen, welche steuernd und/oder regelnd auf den
Abgasstromverteiler zugreift, um die Aufteilung des Abgasstromes auf die verschiedenen A.bgasteilströme zu variieren. Die Aufteilung kann beispielsweise in Abhängigkeit der Drehzahl der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors oder einer hiervon abhängigen Drehzahl, beispielsweise einer Drehzahl in einem dem
Verbrennungsmotor nachgeschalteten Wechselgetriebe, erfolgen. Hierzu kann ein entsprechender Drehzahlsensor vorgesehen sein, der diese Drehzahl erfasst und mit der Steuervorrichtung verbunden ist, um das Messergebnis der
Steuervorrichtung zuzuleiten. Andere berechnete oder gemessene Größen sind zur Einstellung der Aufteilung möglich, beispielsweise der vorgegebene oder gemessene Gaszustand.
Beispielsweise kann die Steuervorrichtung derart arbeiten, dass bei
vergleichsweise höheren Drehzahlen insbesondere der Abtriebswelle des
Verbrennungsmotors ein vergleichsweise größerer Anteil des Abgasstromes auf den Abgasteilstrom mit der Abgasnutzturbine geleitet wird, und bei niedrigeren Drehzahlen ein größerer Anteil des Abgasstromes auf den Abgasteilstrom mit der zur Abgasnutzturbine parallelen Turboladerturbine geleitet wird.
Dieser Steuerung oder Regelung kann eine weitere Regelung überlagert sein, welche bei Bedarf einen vergleichsweise größeren Anteil des Abgasstromes an beiden parallelen Abgasturbinen vorbei in ein Abgasnachbehandlungssystem leitet. Diese überlagerte Regelung oder Steuerung kann beispielsweise dann unabhängig der erfassten oder berechneten Drehzahlen oder anderen relevanten Größen zur Aufteilungssteuerung erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist zu der wenigstens einen, stromaufwärts zum Abgasstromverteiler im Abgasstrom angeordneten Turboladerturbine ein Bypass parallelgeschaltet, um Abgas an dieser Turboladerturbine vorbeizuleiten und dem Abgasstromverteiler und/oder wenigstens einem Abgasteilstrom stromabwärts des Abgasstromverteilers zuzuführen. Somit ist eine noch flexiblere Aufteilung des Abgasstromes des Verbrennungsmotors auf die erste Turboladerturbine, die zweite Turboladerturbine und die Abgasnutzturbine möglich. Das Verhältnis der durch die verschiedenen Abgasturbinen strömenden Abgasteilströme ist vorteilhaft variabel einstellbar, wobei auch einzelne Abgasturbinen vollständig umgangen werden können. Um eventuelle Rückkopplungen im Ansaugtrakt, das heißt in der Frischluftleitung, zu vermeiden, besteht die Möglichkeit, die einzelnen
Verdichterstufen beziehungsweise die einzelnen Turboladerverdichter mit einem gemeinsamen oder jeweils einem eigenen Bypass zu umgehen. Bei einer Abgasrückführung ist es möglich, einen oder mehrere Zwischenkühler vorzusehen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen
exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Antriebsstranges mit zweistufigem Turbolader und ohne Abgasrückführung; Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Antriebsstranges mit zweistufigem Turbolader und verschiedenen Möglichkeiten der Abgasrückführung.
In den Figuren ist der Verbrennungsmotor mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, der Turbolader mit dem Bezugszeichen 2 und das Turbocompoundsystem mit dem Bezugszeichen 3. Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Abtriebswelle 1.1 auf, die in einer Triebverbindung mit nicht gezeigten Antriebsrädern und/oder einem mittels des Verbrennungsmotors 1 anzutreibenden Aggregat und ferner in einer Triebverbindung mit der Abgasnutzturbine 3.1 des Turbocompoundsystems 3 steht. In der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine 3.1 und der
Abtriebswelle 1.1 sind verschiedene mechanische Getriebeübersetzungsstufen sowie eine hydrodynamische Kupplung, die vorliegend regelbar ausgeführt ist, angeordnet. Die Regelung der hydrodynamischen Kupplung 10 kann durch
Verändern des Füllungsgrades ihres Arbeitsraumes und/oder durch das Einbringen von wenigstens einem Drosselelement in die Kreislaufströmung des
Arbeitsmediums im Arbeitsraum erfolgen. Obwohl vorliegend die Position der hydrodynamischen Kupplung 10 derart gezeigt ist, dass sie gegenüber der
Abgasnutzturbine 3.1 mittels einer einzigen mechanischen Getriebestufe ins
Langsame und gegenüber der Abtriebswelle 1.1 mittels mehrerer mechanischer Getriebestufen ins Schnelle übersetzt ist, sind andere Anordnungen und
Übersetzungen zwischen der hydrodynamischen Kupplung 10 und der
Abgasnutzturbine 3.1 sowie der Abtriebswelle 1.1 möglich.
Die Abgasnutzturbine 3.1 ist im Abgasstrom 5 parallel zu einer zweiten
Turboladerturbine 2.3 des Turboladers 2 angeordnet. Die zweite Turboladerturbine 2.3 treibt einen zweiten Turboladerverdichter 2.4 an. Im Frischluftstrom 4 stromabwärts des zweiten Turboladerverdichters 2.4 ist ein erster
Turboladerverdichter 2.2 angeordnet, der mittels einer ersten Turboladerturbine 2.1 angetrieben wird. Die erste Turboladerturbine 2.1 ist im Abgasstrom 5 stromaufwärts der zweiten Turboladerturbine 2.3 und somit auch stromabwärts der Abgasnutzturbine 3.1 des Turbocompoundsystems 3 angeordnet. Der
Abgasstrom 5 wird stromabwärts der ersten Turboladerturbine 2.1 mittels eines Abgasstromverteilers 6 in drei Abgasteilströme 5.1, 5.2 und 5.3 aufgeteilt. Im ersten Abgasteilstrom 5.1 ist die Abgasnutzturbine 3.1 angeordnet, im zweiten Abgasteilstrom 5.2 ist die zweite Turboladerturbine 2.3 angeordnet, und der dritte Abgasteilstrom 5.3 ist frei von jeglicher Abgasturbine. Durch variable Aufteilung des Abgasstromes 5 auf die verschiedenen Abgasteilströme 5.1, 5.2, 5.3 mittels des Abgasverteilers 6 kann bei hohem Ladeluftbedarf der Abgasstrom 5 zum größten Teil auf die zweite Turboladerturbine 2.3 geleitet werden, wohingegen insbesondere bei höheren Motordrehzahlen, bei welchen mehr Abgasenergie zur Verfügung steht, der Massenstrom beziehungsweise Volumenstrom des Abgases vergleichsweise stärker oder vollständig auf die Abgasnutzturbine 3.1 geleitet wird. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Abgasstrom 5 an beiden der ersten Turboladerturbine 2.1 nachgeschalteten Abgästurbinen vorbeizuleiten,
beispielsweise, wenn eine höhere Abgastemperatur in einem hier nicht
dargestellten Abgasnachbehandlungssystem gefordert wird. Vorliegend ist ferner ein Bypass 11 zu der ersten Turboladerturbine 2.1
vorgesehen, mittels welchem das Abgas des Abgasstromes 5 teilweise oder vollständig an der ersten Turboladerturbine 2.1 vorbeigeleitet und dem
Abgasverteiler 6 zugeführt werden kann. Somit ist es möglich, wahlweise nur das Turbocompoundsystem 3 oder die zweite Turboladerstufe mit der zweiten
Turboladerturbine 2.3 und dem zweiten Turboladerverdichter 2.4 zu betreiben.
Der verdichtete Frischluftstrom 4 wird vorliegend durch einen Ladeluftkühler 12 geleitet, bevor er dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird. Selbstverständlich könnten statt des gezeigten einzigen vorgesehenen Ladeluftkühlers 12 auch mehrere Ladeluftkühler vorgesehen sein, beispielsweise in einzelnen oder allen rückgeführten Abgasteilströmen. Der Ladeluftkühler 12 ist Bestandteil eines Kühlsystems, insbesondere Fahrzeugkühlsystems, umfassend neben dem
Ladeluftkühler 12 einen Kühlwasserkühler 13, der zusammen mit dem
Ladeluftkühler 12 von Umgebungsluft durchströmt beziehungsweise umströmt wird.
Anhand des Ausführungsbeispiels gemäß der Figur 1 sind mögliche Bypässe 14, 15 gezeigt, mittels welchen der Frischluftstrom 4 wahlweise an dem ersten
Turboladerverdichter 2.2 und/oder dem zweiten Turboladerverdichter 2.4 teilweise oder vollständig vorbeigeleitet werden kann. Statt der gezeigten zwei getrennt voneinander vorgesehenen Bypässe 14, 15, je ein Bypass pro
Turboladerverdichter, könnte auch ein gemeinsamer Bypass vorgesehen sein.
Anhand des Ausführungsbeispiels gemäß der Figur 2 ist eine mögliche
Abgasrückführung 7 dargestellt, vorliegend umfassend vier Leitungen 7.1, 7.2, 7.3 und 7.4, mittels welchen wahlweise Abgas aus dem Abgasstrom 5 in den
Frischluftstrom 4 geleitet werden kann. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zweigen drei Leitungen 7.2, 7.3 und 7.4 stromabwärts des Abgasstromverteilers 6 aus dem Abgasstrom 5 ab, nämlich je eine Leitung aus jedem Abgasteilstrom 5.1, 5.2 und 5.3. Ferner zweigt eine Leitung 7.1 stromaufwärts des
Abgasstromverteilers 6 aus dem Abgasstrom 5 ab, vorliegend stromaufwärts der ersten Turboladerturbine 2.1. Die Leitungen 7.2, 7.3 und 7.4 stromabwärts des Abgasstromverteilers 6 münden stromabwärts des zweiten Turboladerverdichters 2.4 und stromaufwärts des ersten Turboladerverdichters 2.2 im Frisch luftstrom 4. Die erste Leitung 7.1 mündet stromabwärts beider Turboladerverdichter 2.4, 2.2 im Frischluftstrom 4.
Anhand des Ausführungsbeispiels gemäß der Figur 1 ist ferner eine
Steuervorrichtung 8 schematisch dargestellt, welche die Aufteilung des
Abgasstromes 5 auf die verschiedenen Abgasteilströme 5.1, 5.2, 5.3 mittels des Abgasstromverteilers 6 steuert und/oder regelt. Die Steuervorrichtung 8 ist hierzu mit einem Drehzahlsensor 9 verschaltet, der die Drehzahl der Abtriebswelle 1.1 des Verbrennungsmotors 1 erfasst. Das Messergebnis wird zur Bestimmung herangezogen, welcher Anteil des Abgasstromes 5 welchem Abgasteilstrom 5.1, 5.2 und 5.3 zugeführt wird. Selbstverständlich ist es möglich, mittels der
Steuervorrichtung 8 oder einer zusätzlichen Steuervorrichtung auch die Aufteilung des Frischluftstromes 4 auf den jeweiligen Turboladerverdichter 2.4, 2.2 und den jeweiligen Bypass 14, 15 oder die Massenströme beziehungsweise Volumenströme in der Abgasrückführung 7 zu steuern.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung kann der Wirkungsgrad des
Antriebsstranges beziehungsweise der Kraftstoffverbrauch des
Verbrennungsmotors optimal geregelt werden. Zugleich können Anpassungen hinsichtlich der Abgastemperatur für eine Abgasnachbehandlung vorgenommen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang,
1.1 mit einem einen Abgasstrom (5) erzeugenden Verbrennungsmotor (1), der eine Abtriebswelle (1.1) aufweist, zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang;
1.2 mit einem Turbolader (2);
1.3 mit einem Turbocompoundsystem (3), umfassend eine Abgasnutzturbine (3.1), die im Abgasstrom (3) angeordnet ist und in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle (1.1) des Verbrennungsmotors (1) steht oder in eine solche schaltbar ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Turbolader (2) wenigstens zweistufig ausgeführt ist und eine erste Turboladerturbine (2.1) umfasst, die im Abgasstrom (5) angeordnet ist und einen ersten Turboladerverdichter (2.
2), der in einem dem
Verbrennungsmotor (1) zugeleiteten Frischluftstrom (4) angeordnet ist, antreibt, sowie eine zweite Turboladerturbine (2.
3) umfasst, die
stromabwärts der ersten Turboladerturbine (2.1) im Abgasstrom (5) angeordnet ist und einen zweiten Turboladerverdichter (2.
4), der
stromaufwärts des ersten Turboladerverdichters (2.2) im Frisch luftstrom (4) angeordnet ist, antreibt; und
die Abgasnutzturbine (3.1) des Turbocompoundsystems (3) im Abgasstrom (5) hinsichtlich ihrer Durchströmung parallel zu der zweiten
Turboladerturbine (2.3) angeordnet ist.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im
Abgasstrom (5) stromaufwärts der parallelen Abgasnutzturbine (3.1) und zweiten Turboladerturbine (2.3) ein regelbarer Abgasstromverteiler (6) vorgesehen ist, mittels welchem der Abgasstrom in wenigstens zwei Abgasteilströme (5.1, 5.2) aufgeteilt wird, wobei im ersten Abgasteilstrom (5.1) die Abgasnutzturbine (3.1) und im zweiten Abgasteilstrom (5.2) die zweite Turboladerturbine (2.3) angeordnet ist, und die Aufteilung des Abgasstromes (5) auf die Abgasteilströme (5.1, 5.2) mittels des
Abgasstromverteilers (6) variierbar ist.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstromverteiler (6) neben den ersten beiden Abgasteilströmen (5.1,
5.2) einen dritten Abgasteilstrom (5.3) aus dem Abgasstrom (5) ableitet, mittels welchem Abgas an der Abgasnutzturbine (3.1) und der parallel hierzu angeordneten zweiten Turboladerturbine (2.3) vorbeileitbar ist.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Turboladerturbine (2.1) stromaufwärts und in Reihe zu der Abgasnutzturbine (3.1) des Turbocompoundsystems (3) im Abgasstrom (5) angeordnet ist.
Antriebsstrang gemäß der Ansprüche 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstromverteiler
(6) im Abgasstrom (5) stromabwärts der ersten Turboladerturbine (2.1) und stromaufwärts der zweiten
Turboladerturbine (2.3) und der Abgasnutzturbine (3.1) angeordnet ist.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung (7) vorgesehen ist, mittels welcher Abgas aus dem Abgasstrom (5) in den Frisch luftstrom (4) einleitbar ist.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung
(7) wenigstens eine Abgasrückführleitung umfasst, die stromaufwärts und/oder stromabwärts des Abgasstromverteilers (6), insbesondere in Strömungsrichtung vor der Abgasnutzturbine (3.1) und der zweiten parallelgeschalteten Turboladerturbine (2.3), abzweigt und Abgas dem Frischluftstrom (4) stromabwärts und/oder stromaufwärts des ersten Turboladerverdichters (2.2) zuführt.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung (8), insbesondere
elektronische Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche steuernd und/oder regelnd auf den Abgasstromverteiler (6) zugreift, um die Aufteilung des Abgasstromes (5) auf die Abgasteilströme (5.1, 5.2, 5.3) zu variieren, wobei insbesondere ferner ein Drehzahlsensor (9) vorgesehen ist, um die Drehzahl der Abtriebswelle (1.1) des Verbrennungsmotors (1) zu erfassen, der mit der Steuervorrichtung
(8) verschaltet ist.
9. Antriebsstrang gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuervorrichtung (8) derart eingerichtet ist, dass sie die Aufteilung des Abgasstromes (5) auf die Abgasteilströme (5.1, 5.2, 5.3) in Abhängigkeit der Drehzahl der Abtriebswelle (1.1) des Verbrennungsmotors (1) variiert.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (8) derart eingerichtet ist, dass bei vergleichsweise höheren Drehzahlen der Abtriebswelle (1.1) ein verhältnismäßig größerer Anteil des Abgasstromes (5) auf den Abgasteilstrom (5.1) mit der
Abgasnutzturbine (3.1) geleitet wird.
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