EP2729683A2 - Antriebsstrang, insbesondere fahrzeugantriebsstrang - Google Patents

Antriebsstrang, insbesondere fahrzeugantriebsstrang

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Publication number
EP2729683A2
EP2729683A2 EP12730805.4A EP12730805A EP2729683A2 EP 2729683 A2 EP2729683 A2 EP 2729683A2 EP 12730805 A EP12730805 A EP 12730805A EP 2729683 A2 EP2729683 A2 EP 2729683A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
fresh air
shaft
exhaust gas
air compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12730805.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf HIRZEL
Thomas Figler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2729683A2 publication Critical patent/EP2729683A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/004—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust drives arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B37/10—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump at least one pump being alternatively or simultaneously driven by exhaust and other drive, e.g. by pressurised fluid from a reservoir or an engine-driven pump
    • F02B37/105—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump at least one pump being alternatively or simultaneously driven by exhaust and other drive, e.g. by pressurised fluid from a reservoir or an engine-driven pump exhaust drive and pump being both connected through gearing to engine-driven shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/14—Lubrication of pumps; Safety measures therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/10—Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
    • 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 a motor vehicle with a supercharged internal combustion engine.
  • turbocharger turbocompound systems supercharged internal combustion engine are well known to those skilled in the art and are also referred to as turbocharger turbocompound systems.
  • Turbocharging is doing a fresh air compressor, which compresses the internal combustion engine supplied fresh air, by means of a in the exhaust stream of
  • Combustion engine added by the power turbine drives the crankshaft of the engine at least indirectly.
  • hydrodynamic coupling is usually arranged to reduce torsional vibrations.
  • Turbocompoundsystems at least one further fresh air compressor and / or exhaust gas turbine a drive train is arranged.
  • the present invention has for its object to provide a drive train in which the disadvantages mentioned are avoided.
  • Turbocharger Turbocompoundsystem optimally utilized and the supply and removal of the exhaust or fresh air flow thereto, as well as the supply of lubricant to the relatively moving parts of such a turbocharger Turbocompoundsystems be improved.
  • the maintenance of such a turbocharger Turbocompoundsystem optimally utilized and the supply and removal of the exhaust or fresh air flow thereto, as well as the supply of lubricant to the relatively moving parts of such a turbocharger Turbocompoundsystems be improved.
  • the object of the invention is achieved by a drive train with the
  • An inventive drive train in particular vehicle drive train with an exhaust gas generating internal combustion engine comprising an output shaft for feeding drive power into the drive train, has at least a first turbocharger, comprising a first exhaust gas turbine arranged in the exhaust stream, at least via a first turbine shaft a first fresh air compressor drives, which is arranged in a combustion engine supplied to the fresh air flow, wherein the turbine shaft is rotatably supported in a turbine housing, and at least one turbocompound system comprising at least one power turbine, which is arranged in the exhaust stream and a turbine shaft in a
  • turbocompound system a stationary, non-rotating transmission, comprising a transmission housing
  • the power turbine shaft is rotatably mounted in the transmission housing.
  • the turbine housing is supported in or on the transmission housing or is integrated in this.
  • the drive train is characterized in that the first turbocharger is arranged partially or completely axially within the turbocompound system or the turbocompound system partially or completely axially within the first turbocharger, the turbine shaft and the turbine shaft parallel to each other and the first turbocharger is arranged radially outside of the turbocompound system ,
  • Turbocompoundsystem be used optimally. Furthermore, for lubrication of the relatively moving parts of the turbocharger, in particular the turbine shaft, the same lubricating oil supply as they for the lubrication example of
  • the first turbocharger and the turbo compound system are on a common side or on different and in particular
  • the output shaft for feeding drive power in comprises at least a first turbocharger comprising a first exhaust gas turbine arranged in the exhaust stream, which drives at least a first fresh air compressor via a first turbine shaft, which is arranged in a fresh air flow supplied to the internal combustion engine, wherein the turbine shaft is rotatably mounted in a turbine housing.
  • At least one second fresh air compressor is provided, which is arranged in the fresh air flow, in particular upstream of the first fresh air compressor and is connected via a compressor shaft in a drive connection with the output shaft of the internal combustion engine or in such a can be brought, wherein the second fresh air compressor, a stationary, non-rotating transmission, comprising a transmission housing, is assigned and the compressor shaft is rotatably mounted in the transmission housing.
  • the turbine housing is supported in or on the transmission housing or is integrated in this.
  • the turbine housing may be completely or partially disposed within the transmission housing
  • the bearing (s) of the first turbocharger ie the bearing (s) of the first turbine shaft, and the bearing (s) for supporting the compressor shaft of the second fresh air compressor for supporting the torque can be supported on the same housing, namely the transmission housing and in particular partially or partially thereof be completely enclosed.
  • a first turbocharger comprising an exhaust gas turbine arranged in the exhaust stream, at least one via a first turbine shaft first fresh air compressor drives, which is arranged in a the internal combustion engine supplied fresh air flow, wherein the first turbine shaft is rotatably mounted in a turbine housing, and with at least one second exhaust gas turbine, which is arranged in the exhaust stream, in particular downstream of the first exhaust gas turbine and is connected via a second turbine shaft in a drive connection with the first turbine shaft of the first turbocharger or can be brought into such wherein the second exhaust gas turbine is associated with a stationary, non-revolving transmission comprising a transmission housing and the second turbine shaft is rotatably mounted in the transmission housing.
  • at least a second exhaust gas turbine is associated with a stationary, non-revolving transmission comprising a transmission housing and the second turbine shaft is rotatably mounted in the transmission housing.
  • Fresh air compressor provided in the fresh air flow in particular
  • Compressor shaft with the first turbine shaft 10 of the first turbocharger 13 is or can be brought into such, wherein the compressor shaft is rotatably mounted in the transmission housing.
  • the turbine housing is supported in or on the transmission housing or is integrated in this.
  • Turbine housing completely or partially disposed within the transmission housing or be completely or partially enclosed by this. Also can / can the bearing (s) of the first turbocharger - ie those / s for storage of the first turbine shaft - and / the bearings for the storage of
  • said bearing in particular exclusively within the transmission housing arranged bearings for torque support directly or indirectly on
  • the first exhaust gas turbine of the first turbocharger is arranged in the exhaust gas flow upstream of the at least one utility turbine.
  • the turbocompound system may be associated with a second fresh air compressor. The turbocompound system drives this then via the Nutzturbinenwelle, the second fresh air compressor preferably upstream of the first
  • Fresh air compressor is arranged in the fresh air flow. This allows the
  • Efficiency of the fresh air compression can be improved by a two-stage compression, wherein the second fresh air compressor can be driven mechanically via the power turbine or even from the output shaft of the engine.
  • This two-stage charging can also be achieved by a reverse arrangement of the turbomachines, that is with a positioning of the power turbine upstream of the exhaust gas turbine and / or a positioning of the first fresh air compressor upstream of the second fresh air compressor.
  • the primary wheel can be in a mechanical drive connection with the power turbine and the secondary wheel in a mechanical drive connection with the output shaft or when providing the second fresh air compressor with the second fresh air compressor.
  • hydrodynamic coupling is then disposed within the transmission housing. Is the working medium of the hydrodynamic coupling at the same time Lubricant for lubricating the bearings of the turbocharger Turbocompoundsystems, so no additional working medium supply of the hydrodynamic coupling needs to be provided. This eliminates additional components such as lines for supplying the working fluid or for sealing the
  • a gear transmission such as spur gear arranged and the hydrodynamic coupling in Power transmission direction of the
  • Lubricant supply not only for the lubrication of said elements, but also in addition to the supply of lubricant such as oil to the gear train, whereby the number of components of such a turbocharger Turbocompoundsystems can be reduced.
  • a clutch and / or such a gear transmission could also in a
  • the Hydrodynamic coupling could then be arranged in a drive connection between the first turbine shaft of the first turbocharger and the second turbine shaft of the second exhaust gas turbine and / or between the first turbine shaft and the compressor shaft of the second fresh air compressor.
  • the utility turbine and the first exhaust gas turbine preferably have an exhaust gas inlet for supplying exhaust gas and an exhaust gas outlet for discharging exhaust gas from the respective turbine (utility turbine or exhaust gas turbine).
  • the first and second fresh air compressors comprise an air inlet for supplying fresh air to the respective fresh air compressor and an air outlet for
  • the exhaust outlet is the
  • Exhaust gas turbine via an exhaust manifold in flow conduction with the exhaust inlet of the power turbine and the air outlet of the second fresh air compressor via a fresh air manifold in fluid communication with the air inlet of the first
  • Fresh air compressor wherein the fresh air manifold and exhaust manifold are 90 degree bends. Due to the particular exclusive use of thus executed exhaust and fresh air manifold flow losses in contrast to those known in the prior art largely
  • Figure 1 is a schematic arrangement example of the various components
  • Figures 2a and 2b is a schematic arrangement example of the various components of a drive train according to the invention.
  • FIGS. 4a to 4d show further arrangement examples of the various components of the drive train according to a first, second and third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 a shows a drive train according to the invention according to a first embodiment, comprising an internal combustion engine 1, such as
  • Diesel engine with an output shaft 1.1, which may be, for example, a crankshaft of the internal combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 is cooled by means of a cooling circuit 12 known per se (see FIG. 1).
  • Internal combustion engine 1 generates an exhaust gas flow 2, in which present two turbines, namely a first exhaust gas turbine 3 of a turbocharger 13 and a second turbine, here designated with turbine 9, arranged in series with each other and are so exposed to exhaust gas from the exhaust stream 2, that they exhaust gas energy convert into drive power.
  • present two turbines namely a first exhaust gas turbine 3 of a turbocharger 13 and a second turbine, here designated with turbine 9, arranged in series with each other and are so exposed to exhaust gas from the exhaust stream 2, that they exhaust gas energy convert into drive power.
  • the power turbine 9 is arranged in the flow direction of the exhaust gas behind the first exhaust gas turbine 3 in the exhaust stream 2.
  • the first fresh air compressor 5 is connected via a common shaft, in this case a first turbine shaft 10, to the first exhaust gas turbine 3 or the respective wheels of the first fresh air compressor 5 and the first
  • Exhaust turbine 3 which are each designed as turbomachines, supported by the first turbine shaft 10.
  • the first fresh air compressor 5 also represents a high pressure stage, whereas the first exhaust gas turbine 3 is a low pressure stage.
  • the exhaust gas turbine 3 could be designed in multiple stages or a plurality of the exhaust gas turbine 3 in the exhaust gas flow 2 forward or
  • hydrodynamic coupling 6 transmitted, then via a second gear stage, again designed as a spur gear, further on a compressor shaft 8.1 of the second fresh air compressor 8, which then rotatably supports the corresponding impeller of the second fresh air compressor 8.
  • the power turbine 9 is thus part of a turbocompound system 14 to drive power from the power turbine.
  • the compressor shaft 8.1 and the power turbine shaft 9.1 are designed as separate components. Of course, it would be conceivable to implement these in one piece. As shown in the figures, all waves shown here run parallel to one another. However, this is not absolutely necessary, so could single or all waves at an angle, for example, an angle between 0 to 15 °
  • the power turbine 9 is thus at the same time via the hydrodynamic coupling 6 in a drive connection with the output shaft 1.1 of the internal combustion engine 1, in such a way that the drive connection via a trained by the primary wheel 6.1 and a secondary 6.2 working space 6.3, in which a
  • Flow circuit of working medium can form, is guided. This results in a hydrodynamic power transmission from the primary wheel 6.1 to the secondary wheel 6.2, which dampens torsional vibrations that occur in the drive train.
  • the power transmission can be controlled or regulated with the hydrodynamic coupling 6, both in a first operating state transmitted from the output shaft 1.1 via the hydrodynamic coupling 6 to the first fresh air compressor 8 power as well as in a second operating state transmitted from the power turbine 9 via the hydrodynamic coupling 6 to the output shaft 1.1 power.
  • For targeted adjustment of the degree of filling in the working space 6.3 is a
  • Control device 11 accesses the hydrodynamic coupling 6 in a correspondingly controlling or regulating manner, for example by introducing a valve (not shown) in the inlet and / or a valve (likewise not shown) in the outlet of the valve
  • Working medium in the working space 6.3 or from the working space 6.3 opens and / or closes and in particular controlling in a predetermined
  • control position spends, which is indicated by the dash-dotted line.
  • Compressor shaft 8.1, 9.1 power turbine shaft and the turbine housing 13.1 are thus enclosed by a gear housing 15, as explained below and can thus be combined to form a common transmission of the turbocharger turbocompound system.
  • the partial section of the turbine shaft 10 arranged between the first fresh air compressor 5 and the first exhaust gas turbine 3 is mounted in a turbine housing 13.1 by means of bearings which are not designated, but are shown. The latter thus encloses exclusively the turbine shaft 10 in this subsection present completely in the circumferential direction.
  • the turbine housing 13.1 according to the invention is not directly on the internal combustion engine. 1
  • turbo compound system 14 (or its housing) attached, but arranged within the turbo compound system 14 associated gear housing 15.
  • the latter also includes the said shafts 8.1, 9.1, the hydrodynamic coupling 6, the spur gear stages and the components in drive connection with these elements. Due to the common arrangement of the turbine housing 13.1 with the gear housing 15 may at the same time a common associated lubricant supply (not shown) are provided. If, in addition, as the working medium of the hydrodynamic coupling 6, the
  • Lubricant which is supplied via the lubricant supply to the transmission housing 15 is selected, it can be dispensed with a separate working medium supply.
  • the transmission thus comprises in the present case as
  • Input shaft the power turbine shaft 9.1 which carries the impeller of the power turbine or is connected to such and is in a drive connection with the primary wheel, and a first output shaft, here of that shown, but not designated wave formed in a drive connection with the
  • FIGS. 2a and 2b show two arrangement examples of the various components of the drive train shown in FIG. 1 in a plan view. Here are corresponding components with appropriate
  • FIG. 2a shows the turbocompound system 14 with its useful turbine 9 and the second fresh air compressor 8 and the turbocharger 13 with its first exhaust gas turbine 3 and its first fresh air compressor 5.
  • the turbine housing 13.1 and the hydrodynamic coupling 6 are inside the gearbox 15, as in FIG represented, arranged.
  • the turbine shaft 10 is also parallel to the power turbine shaft 9.1 and the compressor shaft 8.1.
  • the waves could also run at an angle to each other, as already stated above.
  • the turbocharger 13 is arranged completely axially within the turbocompound system 14. This means that the first exhaust gas turbine 3 and the first
  • Fresh air compressor 5 are limited in the axial direction of the power turbine 9 and the second fresh air compressor 8 and do not extend beyond this. For this purpose, the lying between these two elements 8, 9 part of
  • Transmission housing 15 has a projection on which is dimensioned smaller in the axial direction, as the corresponding housing spacing between the second fresh air compressor 8 and the power turbine 9.
  • Simplification of the flow control in the exhaust stream 2 and the fresh air flow 4 quadrant arches (90 degree bends) are used as manifold.
  • a so executed exhaust manifold 16 is provided between the first exhaust gas turbine 3 and the power turbine 9, a so executed exhaust manifold 16 is provided. The latter connects an exhaust outlet of the first aligned in the axial direction of the turbocharger 13
  • Fresh air manifold 7 executed, arranged.
  • the latter connects to the two-stage compression of an outlet of the second fresh-air compressor 8 pointing radially in the radial direction, with an inlet of the first fresh-air compressor 5 facing in the axial direction.
  • a further turbocharger comprising a second exhaust gas turbine 3.1 and a third fresh air compressor 5.1, wherein the second exhaust gas turbine 3.1 is arranged in the exhaust gas flow 2 in such a way that it is connected upstream of the first exhaust gas turbine 3 of the first turbocharger 13.
  • the third fresh air compressor 5.1 which is arranged in the fresh air stream 4, downstream of the first fresh air compressor 5 in the flow direction of the fresh air.
  • the additional turbocharger is in turn arranged axially within the first turbocharger 13, wherein a projection of the part of the transmission housing 15 between the second exhaust gas turbine 3.1 and the third fresh air compressor 5.1 is correspondingly lower than is the case with the first turbocharger 13.
  • FIG. 2 b shows a further exemplary embodiment with development of the drive train shown in FIG. 2 a.
  • FIG. 2a differs in that the additional turbocharger 13 limits the first turbocharger 13 in the axial direction, but is arranged axially within the turbocompound system 14.
  • FIG. 4b shows a second embodiment of the invention
  • Compressor shaft 8.1 is mechanically driven, is in the present case - in contrast to Figure 4a - the primary (not shown) in a mechanical drive connection with the output shaft, whereas the secondary wheel (also not shown) is in a drive connection with the compressor shaft 8.1.
  • the primary not shown
  • the secondary wheel also not shown
  • FIG. 4 c shows a modification of the subject matter of FIG. 4 a, wherein instead of the useful turbine 9 shown in FIG
  • Exhaust turbine 3.1 is provided. The latter is connected via a second turbine shaft 17, a gear transmission and the hydrodynamic coupling 6 in drive connection with the first turbine shaft 10. Thus, the second exhaust gas turbine is used to drive the first (common) fresh air compressor 5.
  • Figure 4d is another arrangement example of the third embodiment of the invention Powertrain shown. The latter corresponds to the
  • the hydrodynamic coupling 6 is analogous to the representation in Figure 4c disposed between the first turbine shaft 10 and the compressor shaft 8.1.
  • the hydrodynamic coupling 6 can be embodied as already described in the figures, in particular as described in FIG. 4b.
  • Embodiment be stored all turbomachinery in the gear housing 15, whereby the space is used optimally, simplifies the lubrication of the moving parts and the flow of the exhaust and fresh air flow is optimized.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of different arrangement examples of the components of the drive train according to the invention in a side view in the direction of view of the axis of rotation, for example of the turbine shaft 10 from FIGS. 2a and 2b.
  • the components shown in the other figures could be arranged according to the figure 3.
  • Gear housing 15 are arranged.
  • the turbocharger 13 and the turbocompound system 14 could be arranged on the same side of the transmission housing 15 and in particular coplanar with respect to their axes of rotation, as shown in the second illustration from the left of Figure 3 can be seen.
  • turbocharger 13 could be arranged circumferentially offset from the turbocompound system 14 so that the turbocharger 13 and the turbocompound system 14 are arranged on adjoining sides of the transmission housing 15.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang mit einem einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang umfasst; mit wenigstens einem ersten Turbolader, umfassend eine im Abgasstrom angeordnete erste Abgasturbine, die über eine erste Turbinenwelle wenigstens einen ersten Frischluftverdichter antreibt, der in einem dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Frischluftstrom angeordnet ist, wobei die Turbinenwelle in einem Turbinengehäuse drehbar gelagert ist; mit einem Turbocompoundsystem, umfassend wenigstens eine Nutzturbine, die im Abgasstrom angeordnet ist und über eine Nutzturbinenwelle in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors steht oder in eine solche bringbar ist, wobei die Turbinenwelle in einem Nutzturbinengehäuse drehbar gelagert ist, wobei sich das Turbinengehäuse und das Nutzturbinengehäuse in oder an einem stationären, nicht umlaufenden gemeinsamen Gehäuse abstützen oder in ein solches integriert sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenwelle und die Nutzturbinenwelle parallel zueinander verlaufen und der erste Turbolader radial außerhalb des Turbocompoundsystems angeordnet ist und insbesondere der erste Turbolader und das Turbocompoundsystem auf einer gemeinsamen Seite oder auf unterschiedlichen und insbesondere aneinandergrenzenden oder gegenüberliegenden Seiten des Getriebegehäuses angeordnet sind.

Description

Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor.
Fahrzeugantriebsstränge mit einem turboaufgeladenen und mechanisch
aufgeladenen Verbrennungsmotor sind dem Fachmann weithin bekannt und werden auch als Turbolader-Turbocompoundsysteme bezeichnet. Bei der
Turboaufladung wird dabei ein Frischluftverdichter, der dem Verbrennungsmotor zugeführte Frischluft verdichtet, mittels einer im Abgasstrom des
Verbrennungsmotors angeordneten Abgasturbine angetrieben. In der Regel ist die Triebverbindung zwischen der Abgasturbine und dem Verdichter eine rein mechanische. Beim Turbocompoundsystem wird Antriebsleistung der genannten oder einer zusätzlichen Abgasturbine, dann Nutzturbine genannt, im Abgasstrom des
Verbrennungsmotors zur rein mechanischen Antriebsleistung des
Verbrennungsmotors aufaddiert, indem die Nutzturbine die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zumindest mittelbar antreibt. In der Triebverbindung zwischen der Nutzturbine und der Kurbelwelle ist in der Regel zur Reduzierung von Drehschwingungen eine hydrodynamische Kupplung angeordnet.
Gattungsgemäße Turbocompoundsysteme sind bekannt geworden aus: DE 39 08 286 Cl
DE 10 2009 033 519 AI
DE 10 2009 038 736 B3
DE 962 764 B
JP 6 248 966 A. Insbesondere bei bisherigen gattungsgemäßen Turbolader- Turbocompoundsystemen wird der Turbolader herkömmlich am Gehäuse des Verbrennungsmotors und somit separat zum Turbocompoundsystem
angeschlossen. Da sowohl der Turbolader als auch das Turbocompoundsystem an den Abgasstrom sowie Frischluftstrom angeschlossen werden müssen und in
Abhängigkeit der Bauraumsituation der Turbolader in der Regel nicht unmittelbar am Turbocompoundsystem angeordnet werden kann, ist eine komplexe Zu- und Abführung des Abgas- und Frischluftstroms zu den beiden Turbomaschinen nötig. Dies jedoch begünstigt Strömungsverluste und wirkt sich damit negativ auf den Gesamtwirkungsgrad der Abgasabwärmenutzung aus. Neben der nicht optimalen Bauraumausnutzung ist auch eine separate Schmiermittelversorgung für die Turbomaschinen infolge der unterschiedlichen Einbaupositionen nötig. Auch der Wartungsaufwand für die beiden separaten Turbomaschinen ist erhöht. Diese Nachteile ergeben sich auch, wenn beispielsweise anstelle des
Turbocompoundsystems wenigstens ein weiterer Frischluftverdichter und/oder Abgasturbine ein Antriebsstrang angeordnet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang anzugeben, bei welchem die genannten Nachteile vermieden werden.
Insbesondere soll der zur Verfügung stehende Bauraum für ein solches
Turbolader-Turbocompoundsystem optimal ausgenutzt und die Zu- und Abführung des Abgas- oder Frischluftstroms hierzu wie auch die Schmiermittelversorgung zu den relativ bewegten Teilen eines solchen Turbolader-Turbocompoundsystems verbessert werden. Insbesondere soll der Wartungsaufwand eines solchen
Turbolader-Turbocompoundsystems reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang gemäß einer ersten Ausführungsform, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang mit einem einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang umfasst, weist wenigstens einen ersten Turbolader auf, umfassend eine im Abgasstrom angeordnete erste Abgasturbine, die über eine erste Turbinenwelle wenigstens einen ersten Frischluftverdichter antreibt, der in einem dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Frischluftstrom angeordnet ist, wobei die Turbinenwelle in einem Turbinengehäuse drehbar gelagert ist, und wenigstens ein Turbocompoundsystem, umfassend wenigstens eine Nutzturbine, die im Abgasstrom angeordnet ist und über eine Nutzturbinen welle in einer
Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors steht oder in eine solche bringbar ist, wobei dem Turbocompoundsystem ein stationäres, nicht umlaufendes Getriebe, umfassend ein Getriebegehäuse, zugeordnet ist und die Nutzturbinenwelle in dem Getriebegehäuse drehbar gelagert ist. Dabei stützt sich das Turbinengehäuse in oder an dem Getriebegehäuse ab oder ist in dieses integriert.
Erfindungsgemäß ist der Antriebsstrang dadurch gekennzeichnet, dass der erste Turbolader teilweise oder vollständig axial innerhalb des Turbocompoundsystems oder das Turbocompoundsystem teilweise oder vollständig axial innerhalb des ersten Turboladers angeordnet ist, die Turbinenwelle und die Nutzturbinenwelle parallel zueinander verlaufen und der erste Turbolader radial außerhalb des Turbocompoundsystems angeordnet ist. Dadurch, dass das Turbinengehäuse, welches das/die Lager zur
Drehmomentabstützung der Turbinenwelle aufweist, dem Getriebegehäuse des Turbocompoundsystems zugeordnet ist und insbesondere teilweise oder vollständig von diesem umschlossen ist, entfällt eine zusätzliche Montage des Turboladers am Verbrennungsmotor, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist. In anderen Worten bedeutet dies, dass das/die Lager des ersten Turboladers - also jene zur Lagerung der ersten Turbinenwelle - und das/die Lager des
Turbocompoundsystems - also jene/s zur Lagerung der Nutzturbinenwelle und/oder einer Verdichterwelle des Turbocompoundsystems - zur
Drehmomentabstützung an demselben Gehäuse, nämlich dem Getriebegehäuse gelagert und insbesondere von diesem teilweise oder vollständig umschlossen sind.
Hierdurch kann neben der Einsparung zusätzlicher Montagekosten auch der Bauraum infolge der örtlichen Nähe der Einbauposition des Turboladers zum
Turbocompoundsystem optimal genutzt werden. Weiterhin kann zur Schmierung der relativ bewegten Teile des Turboladers, insbesondere der Turbinenwelle, dieselbe Schmierölversorgung wie sie zur Schmierung beispielsweise der
Nutzturbinenwelle des Turbocompoundsystems herangezogen wird, verwendet werden. Weiterhin werden die Strömungsverluste durch eine besonders kurze
Strömungsführung des Abgas- und Frischluftstromes zu den Turbomaschinen des Turbolader-Turbocompoundsystems verringert, wodurch sich der
Gesamtwirkungsgrad des letzteren erhöht. Selbstverständlich kann eine Vielzahl von ein- oder mehrstufigen Turboladern und/oder Nutzturbinen vorgesehen sein, welche jeweils wie bereits oben dargestellt, ausgeführt und im Frischluft- oder Abgasstrom angeordnet sein können.
Bevorzugt sind der erste Turbolader und das Turbocompoundsystem auf einer gemeinsamen Seite oder auf unterschiedlichen und insbesondere
aneinandergrenzenden oder gegenüberliegenden Seiten des Getriebegehäuses angeordnet.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, insbesondere Fahrzeugantriebsstrangs mit einem einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang umfasst, ist wenigstens ein erster Turbolader vorgesehen, umfassend eine im Abgasstrom angeordnete erste Abgasturbine, die über eine erste Turbinenwelle wenigstens einen ersten Frischluftverdichter antreibt, der in einem dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Frischluftstrom angeordnet ist, wobei die Turbinenwelle in einem Turbinengehäuse drehbar gelagert ist. Weiterhin ist wenigstens ein zweiter Frischluftverdichter vorgesehen, der im Frischluftstrom, insbesondere stromaufwärts des ersten Frischluftverdichters angeordnet ist und über eine Verdichterwelle in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors steht oder in eine solche bringbar ist, wobei dem zweiten Frischluftverdichter ein stationäres, nicht umlaufendes Getriebe, umfassend ein Getriebegehäuse, zugeordnet ist und die Verdichterwelle in dem Getriebegehäuse drehbar gelagert ist. Erfindungsgemäß stützt sich das Turbinengehäuse in oder an dem Getriebegehäuse ab oder ist in dieses integriert. Somit kann das Turbinengehäuse auch wie bei der ersten Ausführungsform vollständig oder teilweise innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet
beziehungsweise von diesem vollständig oder teilweise umschlossen sein. Auch kann/können das/die Lager des ersten Turboladers - also jene/s zur Lagerung der ersten Turbinenwelle - und das/die Lager zur Lagerung der Verdichterwelle des zweiten Frischluftverdichters zur Drehmomentabstützung an demselben Gehäuse, nämlich dem Getriebegehäuse gelagert und insbesondere von diesem teilweise oder vollständig umschlossen sein.
Gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, insbesondere Fahrzeugantriebsstrangs mit einem einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang umfasst, ist wenigstens ein erster Turbolader vorgesehen, umfassend eine im Abgasstrom angeordnete Abgasturbine, die über eine erste Turbinenwelle wenigstens einen ersten Frischluftverdichter antreibt, der in einem dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Frischluftstrom angeordnet ist, wobei die erste Turbinenwelle in einem Turbinengehäuse drehbar gelagert ist, und mit wenigstens einer zweiten Abgasturbine, die im Abgasstrom, insbesondere stromabwärts der ersten Abgasturbine, angeordnet ist und über eine zweite Turbinenwelle in einer Triebverbindung mit der ersten Turbinenwelle des ersten Turboladers steht oder in eine solche bringbar ist, wobei der zweiten Abgasturbine ein stationäres, nicht umlaufendes Getriebe, umfassend ein Getriebegehäuse zugeordnet ist und die zweite Turbinenwelle in dem Getriebegehäuse drehbar gelagert ist. Alternativ oder zusätzlich ist wenigstens ein zweiter
Frischluftverdichter vorgesehen, der im Frischluftstrom, insbesondere
stromaufwärts des ersten Frischluftverdichters angeordnet ist und über eine
Verdichterwelle mit der ersten Turbinenwelle 10 des ersten Turboladers 13 steht oder in eine solche bringbar ist, wobei die Verdichterwelle in dem Getriebegehäuse drehbar gelagert ist. Erfindungsgemäß stützt sich das Turbinengehäuse in oder an dem Getriebegehäuse ab oder ist in dieses integriert.
Wie auch bei den vorangegangenen Ausführungsformen kann das
Turbinengehäuse vollständig oder teilweise innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet beziehungsweise von diesem vollständig oder teilweise umschlossen sein. Auch kann/können das/die Lager des ersten Turboladers - also jene/s zur Lagerung der ersten Turbinenwelle - und das/die Lager zur Lagerung der
Verdichterwelle des zweiten Frischluftverdichters und/oder der zweiten
Turbinenwelle der zweiten Abgasturbine zur Drehmomentabstützung an
demselben Gehäuse, nämlich dem Getriebegehäuse gelagert und insbesondere von diesem teilweise oder vollständig umschlossen sein.
Gemäß allen drei erfindungsgemäßen Ausführungsformen könnten sich die genannten, insbesondere ausschließlich innerhalb des Getriebegehäuses angeordneten Lager zur Drehmomentabstützung direkt oder indirekt am
Turbinengehäuse abstützen. Mit Vorteil ist die erste Abgasturbine des ersten Turboladers im Abgasstrom stromaufwärts der wenigstens einen Nutzturbine angeordnet. Dabei kann dem Turbocompoundsystem ein zweiter Frischluftverdichter zugeordnet sein. Das Turbocompoundsystem treibt diesen dann über die Nutzturbinenwelle an, wobei der zweite Frischluftverdichter bevorzugt stromaufwärts des ersten
Frischluftverdichters im Frischluftstrom angeordnet ist. Hierdurch kann der
Wirkungsgrad der Frischluftverdichtung durch eine zweistufige Verdichtung verbessert werden, wobei der zweite Frischluftverdichter mechanisch über die Nutzturbine oder aber auch von der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors angetrieben werden kann. Diese zweistufige Aufladung kann auch durch eine umgekehrte Anordnung der Strömungsmaschinen erreicht werden, das heißt mit einer Positionierung der Nutzturbine stromaufwärts der Abgasturbine und/oder einer Positionierung des ersten Frischluftverdichters stromaufwärts des zweiten Frischluftverdichters.
Bevorzugt kann in der Triebverbindung zwischen der Nutzturbine und der
Abtriebswelle und/oder bei Vorsehen eines zweiten Frischluftverdichters, der über die Nutzturbinenwelle antreibbar ist, zwischen der Nutzturbine und dem zweiten Frischluftverdichter oder bei Ausführung des Antriebsstrangs gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zwischen dem zweiten Frischluftverdichter und der Abtriebswelle eine hydrodynamische Kupplung angeordnet sein, umfassend ein beschaufeltes Primärrad und ein beschaufeltes Sekundärrad, die miteinander einen insbesondere torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, der mit Arbeitsmedium befüllbar oder befüllt ist, um Antriebsleistung hydrodynamisch vom Primärrad auf das Sekundärrad zu übertragen. Dabei kann das Primärrad in einer mechanischen Triebverbindung mit der Nutzturbine stehen und das Sekundärrad in einer mechanischen Triebverbindung mit der Abtriebswelle oder bei Vorsehen des zweiten Frischluftverdichters mit dem zweiten Frischluftverdichter. Die
hydrodynamische Kupplung ist dann innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet. Ist das Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung zugleich das Schmiermittel zur Schmierung der Lager des Turbolader-Turbocompoundsystems, so braucht keine zusätzliche Arbeitsmediumversorgung der hydrodynamischen Kupplung vorgesehen zu werden. Hierdurch entfallen zusätzliche Bauteile wie Leitungen zur Zuführung des Arbeitsmediums oder zum Abdichten des
Arbeitsmediums gegenüber dem Getriebegehäuse beziehungsweise der
Umgebung. Somit kann eine solche hydrodynamische Kupplung in einer
mechanischen Triebverbindung zwischen der Nutzturbine und dem
Frischluftverdichter und zusätzlich oder alternativ dazu zwischen der Abtriebswelle (Kurbelwelle) und der Nutzturbine angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft ist in der Triebverbindung zwischen der Nutzturbinenwelle und der Abtriebswelle und/oder zwischen der Nutzturbinenwelle und dem zweiten Frischluftverdichter oder bei Ausführung des Antriebsstranges gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zwischen dem zweiten Frischluftverdichter und der Abtriebswelle ein Zahnradgetriebe wie Stirnradgetriebe angeordnet und der hydrodynamischen Kupplung in Leistungsübertragungsrichtung von der
Nutzturbine zur Abtriebswelle oder bei Ausführung des Antriebsstranges gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung von der Abtriebswelle zum zweiten Frischluftverdichter gesehen vor- oder nachgeschaltet, wobei das Zahnradgetriebe innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet ist. In diesem Fall kann die
Schmiermittelversorgung nicht nur zur Schmierung der besagten Elemente, sondern auch zusätzlich zur Heranführung von Schmiermittel wie Öl an das Zahnradgetriebe dienen, wodurch die Bauteilanzahl eines solchen Turbolader- Turbocompoundsystems reduziert werden kann. Selbstverständlich könnte eine derartige Kupplung und/oder ein derartiges Zahnradgetriebe auch in einem
Antriebsstrang gemäß der dritten Ausführungsform vorgesehen sein. Dort könnte die hydrodynamische Kupplung dann in einer Triebverbindung zwischen der ersten Turbinenwelle des ersten Turboladers und der zweiten Turbinenwelle der zweiten Abgasturbine und/oder zwischen der ersten Turbinenwelle und der Verdichterwelle des zweiten Frischluftverdichters angeordnet sein. Bevorzugt weist die Nutzturbine und die erste Abgasturbine einen Abgaseinlass zum Zuführen von Abgas zu und einen Abgasauslass zum Abführen von Abgas aus der jeweiligen Turbine (Nutzturbine beziehungsweise Abgasturbine) auf. Der erste und zweite Frischluftverdichter umfasst einen Lufteinlass zum Zuführen von Frischluft zum jeweiligen Frischluftverdichter sowie einen Luftauslass zum
Abführen der Frischluft aus diesem auf. Dabei ist der Abgasauslass der
Abgasturbine über einen Abgaskrümmer strömungsleitend mit dem Abgaseinlass der Nutzturbine und der Luftauslass des zweiten Frischluftverdichters über einen Frischluftkrümmer strömungsleitend mit dem Lufteinlass des ersten
Frischluftverdichters verbunden, wobei der Frischluftkrümmer und Abgaskrümmer 90 Grad-Bögen sind. Durch die insbesondere ausschließliche Verwendung derart ausgeführter Abgas- und Frischluftkrümmer können die Strömungsverluste im Gegensatz zu der gemäß dem Stand der Technik bekannten weitgehend
aufwändigeren Luft- und Abgasführung deutlich reduziert werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Turbolader-Turbocompoundsystems verbessert wird.
Die Erfindung soll nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren exemplarisch erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 ein schematisches Anordnungsbeispiel der verschiedenen
Komponenten eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs; Figuren 2a und 2b ein schematisches Anordnungsbeispiel der verschiedenen
Komponenten eines Antriebsstranges unter Weiterbildung des in Figur 1 gezeigten Gegenstands;
Figur 3 weitere Anordnungsbeispiele der verschiedenen Komponenten eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges; Figuren 4a bis 4d weitere Anordnungsbeispiele der verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs gemäß einer ersten, zweiten und dritten Ausführungsform der Erfindung.
In der Figur 4a ist ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt, umfassend einen Verbrennungsmotor 1, wie
Dieselmotor, mit einer Abtriebswelle 1.1, welche beispielsweise eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 sein kann. Der Verbrennungsmotor 1 wird mittels eines an sich bekannten Kühlkreislaufes 12 (siehe Figur 1) gekühlt. Der
Verbrennungsmotor 1 erzeugt einen Abgasstrom 2, in welchem vorliegend zwei Turbinen, nämlich eine erste Abgasturbine 3 eines Turboladers 13 und eine zweite Turbine, hier mit Nutzturbine 9 bezeichnet, in Reihe zueinander angeordnet und derart mit Abgas aus dem Abgasstrom 2 beaufschlagt sind, dass sie Abgasenergie in Antriebsleistung umwandeln.
Dabei ist vorliegend die Nutzturbine 9 in Strömungsrichtung des Abgases hinter der ersten Abgasturbine 3 im Abgasstrom 2 angeordnet. Vorliegend ist der erste Frischluftverdichter 5 über eine gemeinsame Welle, hier eine erste Turbinenwelle 10, mit der ersten Abgasturbine 3 verbunden beziehungsweise werden die jeweiligen Laufräder des ersten Frischluftverdichters 5 und der ersten
Abgasturbine 3, die jeweils als Turbomaschinen ausgeführt sind, durch die erste Turbinenwelle 10 getragen. Der erste Frischluftverdichter 5 stellt ferner eine Hochdruckstufe dar, wohingegen die erste Abgasturbine 3 eine Niederdruckstufe darstellt. Natürlich könnte die Abgasturbine 3 mehrstufig ausgebildet sein oder eine Mehrzahl von der Abgasturbine 3 im Abgasstrom 2 vor- oder
nachgeschalteten zusätzlichen Abgasturbinen vorgesehen sein. Selbiges gilt analog für den Frischluftverdichter 5. Über die Nutzturbine 9 wird dem Abgasstrom 2 entnommene Antriebsenergie mechanisch auf die Abtriebswelle übertragen, wie nachfolgend anhand der Figur 1 noch näher erläutert wird. Dabei sind sich entsprechende Bauteile mit
entsprechenden Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist vorliegend in Strömungsrichtung der Frischluft im Frischluftstrom 4 vor dem ersten Frischluftverdichter 5 ein zweiter Frischluftverdichter 8
angeordnet, der eine Niederduckstufe darstellt und mit der Nutzturbine 9 angetrieben wird. Die gezeigte Triebverbindung ist wiederum eine rein
mechanische, das heißt keine turboaufgeladene Triebverbindung. Vorliegend wird Antriebsleistung von einer Nutzturbinenwelle 9.1 der Nutzturbine 9 über ein Zahnrad, insbesondere eine Stirnradstufe auf ein Primärrad 6.1 einer
hydrodynamischen Kupplung 6 übertragen, dann über eine zweite Zahnradstufe, wiederum als Stirnradstufe ausgeführt, weiter auf eine Verdichterwelle 8.1 des zweiten Frischluftverdichters 8, welche dann das entsprechende Laufrad des zweiten Frischluftverdichters 8 drehbar trägt. Die Nutzturbine 9 ist somit Teil eines Turbocompoundsystems 14, um Antriebsleistung aus der Nutzturbine 9
insbesondere auf die Abtriebswelle 1.1 des Verbrennungsmotors 1 zu übertragen. Auch könnten mehrere, insbesondere hintereinander geschaltete Nutzturbinen 9 vorgesehen sein. Dabei gilt analog das zu den zusätzlichen Turboladern gesagte.
Vorliegend sind die Verdichterwelle 8.1 sowie die Nutzturbinenwelle 9.1 als separate Bauteile ausgeführt. Selbstverständlich wäre es denkbar, diese einteilig auszuführen. Wie in den Figuren dargestellt, verlaufen dabei alle gezeigten Wellen parallel zueinander. Dies ist jedoch nicht zwingend nötig, so könnten einzelne oder auch alle Wellen winklig, zum Beispiel einen Winkel zwischen 0 bis 15°
einschließend oder aber auch rechtwinklig zueinander verlaufen. Auch Variationen hieraus wären denkbar. Die Nutzturbine 9 steht somit zugleich über die hydrodynamische Kupplung 6 in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle 1.1 des Verbrennungsmotors 1, und zwar derart, dass die Triebverbindung über einen von dem Primärrad 6.1 und einem Sekundärrad 6.2 ausgebildeten Arbeitsraum 6.3, in dem sich ein
Strömungskreislauf von Arbeitsmedium ausbilden kann, geführt ist. Hierdurch erfolgt eine hydrodynamische Leistungsübertragung vom Primärrad 6.1 auf das Sekundärrad 6.2, welche Drehschwingungen, die im Antriebsstrang auftreten, dämpft. Durch gezieltes Verändern des Füllungsgrades des Arbeitsraumes 6.3 der hydrodynamischen Kupplung 6 kann beispielsweise die Leistungsübertragung mit der hydrodynamischen Kupplung 6 gesteuert oder geregelt werden, und zwar sowohl in einem ersten Betriebszustand die von der Abtriebswelle 1.1 über die hydrodynamische Kupplung 6 auf den ersten Frischluftverdichter 8 übertragene Leistung als auch in einem zweiten Betriebszustand die von der Nutzturbine 9 über die hydrodynamische Kupplung 6 auf die Abtriebswelle 1.1 übertragene Leistung. Zur gezielten Einstellung des Füllungsgrades im Arbeitsraum 6.3 ist eine
Steuervorrichtung 11 vorgesehen, die entsprechend steuernd oder regelnd auf die hydrodynamische Kupplung 6 zugreift, beispielsweise indem sie ein nicht gezeigtes Ventil im Zulauf und/oder ein Ventil (ebenfalls nicht gezeigt) im Ablauf des
Arbeitsmediums in den Arbeitsraum 6.3 beziehungsweise aus dem Arbeitsraum 6.3 öffnet und/oder schließt und insbesondere steuernd in eine vorgegebene
Zwischenstellung (Regelstellung) verbringt, was durch die strichpunktierte Leitung angedeutet ist.
Die erste Abgasturbine 3 sowie die Nutzturbine 9 und die mit diesen Bauteilen in Triebverbindung stehenden Komponenten wie die Turbinenwelle 10,
Verdichterwelle 8.1, Nutzturbinenwelle 9.1 und das Turbinengehäuse 13.1 sind damit von einem Getriebegehäuse 15 umschlossen, wie nachfolgend ausgeführt wird, und können somit zu einem gemeinsamen Getriebe des Turbolader- Turbocompoundsystem zusammengefasst sein.
Im vorliegenden Fall ist der zwischen dem ersten Frischluftverdichter 5 und der ersten Abgasturbine 3 angeordnete Teilabschnitt der Turbinenwelle 10 mittels nicht bezeichneten, jedoch dargestellten Lagern in einem Turbinengehäuse 13.1 gelagert. Letzteres umschließt somit ausschließlich die Turbinenwelle 10 in diesem Teilabschnitt vorliegend vollständig in Umfangsrichtung. Das Turbinengehäuse 13.1 ist erfindungsgemäß nicht unmittelbar am Verbrennungsmotor 1
(beziehungsweise dessen Gehäuse) angebracht, sondern innerhalb des dem Turbocompoundsystem 14 zugeordneten Getriebegehäuse 15 angeordnet.
Letzteres umfasst auch die besagten Wellen 8.1, 9.1, die hydrodynamische Kupplung 6, die Stirnradstufen sowie die mit diesen Elementen in Triebverbindung stehenden Bauteile. Durch die gemeinsame Anordnung des Turbinengehäuses 13.1 mit dem Getriebegehäuse 15 kann gleichzeitig eine diesen gemeinsam zugeordnete Schmiermittelversorgung (nicht gezeigt) vorgesehen werden. Wenn zusätzlich als Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung 6 das
Schmiermittel, welches über die Schmiermittelversorgung dem Getriebegehäuse 15 zugeführt wird, gewählt wird, so kann auf eine separate Arbeitsmediumzufuhr verzichtet werden. Das Getriebe umfasst somit im vorliegenden Fall als
Eingangswelle die Nutzturbinenwelle 9.1, die das Laufrad der Nutzturbine trägt oder an ein solches angeschlossen ist und in einer Triebverbindung mit dem Primärrad steht, sowie eine erste Ausgangswelle, hier von jener gezeigten, jedoch nicht bezeichneten Welle gebildet, die in einer Triebverbindung mit dem
Sekundärrad steht, um wenigstens mittelbar an die Abtriebswelle 1.1
angeschlossen zu werden und schließlich die Verdichterwelle 8.1 als zweite Ausgangswelle, die in einer Triebverbindung mit der Eingangswelle steht und zum Antreiben des zweiten Frischluftverdichters 8 dient. In den Figuren 2a und 2b sind zwei Anordnungsbeispiele der verschiedenen Komponenten des in Figur 1 dargestellten Antriebsstrangs in einer Draufsicht gezeigt. Dabei sind sich entsprechende Bauteile mit entsprechenden
Bezugszeichen versehen. Der Übersichtlichkeit halber sind jedoch nicht alle in Figur 1 gezeigten Bauelemente dargestellt.
Die Figur 2a zeigt das Turbocompoundsystem 14 mit dessen Nutzturbine 9 sowie den zweiten Frischluftverdichter 8 und den Turbolader 13 mit dessen erster Abgasturbine 3 sowie dessen erstem Frischluftverdichter 5. Vorliegend sind das Turbinengehäuse 13.1 sowie die hydrodynamische Kupplung 6 innerhalb des Getriebegehäuses 15, wie in Figur 1 dargestellt, angeordnet. Hier verläuft die Turbinenwelle 10 auch parallel zur Nutzturbinenwelle 9.1 und zur Verdichterwelle 8.1. Dies könnte jedoch auch anders sein. Insbesondere könnten die Wellen auch winklig zueinander verlaufen, wie dies bereits vorangehend ausgeführt wurde. Der Turbolader 13 ist dabei vollständig axial innerhalb des Turbocompoundsystems 14 angeordnet. Dies bedeutet, dass die erste Abgasturbine 3 sowie der erste
Frischluftverdichter 5 in Axialrichtung von der Nutzturbine 9 und dem zweiten Frischluftverdichter 8 begrenzt werden und nicht über diese hinausreichen. Hierzu weist der zwischen diesen beiden Elementen 8, 9 liegende Teil des
Getriebegehäuses 15 eine Auskragung auf, welche in Axialrichtung geringer bemessen ist, als der entsprechende Gehäuseabstand zwischen dem zweiten Frischluftverdichter 8 und der Nutzturbine 9. Durch diese Anordnung können nun bei Verwendung von als Radialverdichtern ausgeführten Frischluftverdichtern 5, 5.1, 8 und/oder als Radialturbinen ausgeführten Turbinen 3, 3.1, 9 zur
Vereinfachung der Strömungsführung in dem Abgasstrom 2 beziehungsweise dem Frischluftstrom 4 Viertelkreisbögen (90 Grad-Bögen) als Krümmer verwendet werden. So ist zwischen der ersten Abgasturbine 3 und der Nutzturbine 9 ein derart ausgeführter Abgaskrümmer 16 vorgesehen. Letzterer verbindet einen in Axialrichtung des Turboladers 13 ausgerichteten Abgasauslass der ersten
Abgasturbine 3 mit einem in Radialrichtung (in Bezug auf die Drehachse der Nutzturbine 9) ausgerichteten Abgaseinlass der Nutzturbine 9, um das aus der ersten Abgasturbine 3 austretende Abgas der Nutzturbine 9 zuzuführen.
Im Frischluftstrom 4 ist zwischen dem ersten Frischluftverdichter 5 und dem zweiten Frischluftverdichter 8 analog ein solcher Krümmer, hier als
Frischluftkrümmer 7 ausgeführt, angeordnet. Letzterer verbindet zur zweistufigen Verdichtung einen vorliegend in Radialrichtung weisenden Auslass des zweiten Frischluftverdichters 8 mit einem in Axialrichtung weisenden Einlass des ersten Frischluftverdichters 5.
Wie man der Figur 2a entnehmen kann, ist ein weiterer Turbolader vorgesehen, umfassend eine zweite Abgasturbine 3.1 sowie einen dritten Frischluftverdichter 5.1, wobei die zweite Abgasturbine 3.1 derart im Abgasstrom 2 angeordnet ist, dass sie der ersten Abgasturbine 3 des ersten Turboladers 13 vorgeschaltet ist. Entsprechend ist der dritte Frischluftverdichter 5.1, welcher im Frischluftstrom 4 angeordnet ist, dem ersten Frischluftverdichter 5 in Strömungsrichtung der Frischluft nachgeschaltet. Der zusätzliche Turbolader ist seinerseits axial innerhalb des ersten Turboladers 13 angeordnet, wobei eine Auskragung des Teiles des Getriebegehäuses 15 zwischen der zweiten Abgasturbine 3.1 und dem dritten Frischluftverdichter 5.1 entsprechend geringer ist, als dies beim ersten Turbolader 13 der Fall ist. Für die übrigen Komponenten des zusätzlichen Turboladers gilt das voranstehend in den Figuren 1 und 2a entsprechend ausgeführte.
In Figur 2b ist ein weiteres Anordnungsbeispiel unter Weiterbildung des in Figur 2a gezeigten Antriebsstrangs dargestellt. Der Gegenstand der Figur 2b
unterscheidet sich dabei im Hinblick auf die Figur 2a darin, dass der zusätzliche Turbolader den ersten Turbolader 13 in Axialrichtung begrenzt, jedoch axial innerhalb des Turbocompoundsystems 14 angeordnet ist. Die Figur 4b zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebsstranges. Im Vergleich zu dem in den Figuren 1, 2a und 2b gezeigten Antriebsstrang wurde auf die Nutzturbine 9 verzichtet. Damit wird ein
Abgasturbolader 13 mit einem zusätzlichen (mechanisch von dem Abgasturbolader 13 getrennten) vom Verbrennungsmotor mechanisch angetriebenen zweiten Frischluftverdichter 8 angegeben. Da nun der Frischluftverdichter über die nicht gezeigte Abtriebswelle, die hydrodynamische Kupplung 6 sowie die
Verdichterwelle 8.1 mechanisch angetrieben wird, steht im vorliegenden Fall - im Gegensatz zu Figur 4a - das Primärrad (nicht gezeigt) in einer mechanischen Triebverbindung mit der Abtriebswelle, wohingegen das Sekundärrad (ebenfalls nicht gezeigt) in einer Triebverbindung mit der Verdichterwelle 8.1 steht. Für die Anordnung und Ausbildung der einzelnen Komponenten des gezeigten
Antriebsstrangs gilt das insbesondere zu den Figuren 1, 2a, 2b und 4a gesagte. Die Figuren 4c und 4d zeigen zwei alternative Anordnungsbeispiele des
Antriebsstrangs gemäß einer dritten Ausführungsform. Dabei sind ebenfalls sich entsprechende Bauelemente mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Figur 4c stellt dabei eine Abwandlung des Gegenstands von Figur 4a dar, wobei anstelle der in Figur 4a gezeigten Nutzturbine 9 eine herkömmliche
Abgasturbine 3.1 vorgesehen ist. Letztere steht über eine zweite Turbinenwelle 17, ein Zahnradgetriebe und die hydrodynamische Kupplung 6 in Triebverbindung mit der ersten Turbinenwelle 10. Somit dient die zweite Abgasturbine zum Antrieb des ersten (gemeinsamen) Frischluftverdichters 5. In Figur 4d ist ein weiteres Anordnungsbeispiel der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs gezeigt. Letzterer entspricht der
Weiterbildung des Gegenstands aus der Figur 4b. Hierbei wird der zweite
Frischluftverdichter 8 jedoch nicht über die (nicht gezeigte) Abtriebswelle des Verbrennungsmotors angetrieben, sondern von der ersten Turbinenwelle 10. Dazu ist die hydrodynamische Kupplung 6 analog zu der Darstellung in Figur 4c zwischen der ersten Turbinenwelle 10 und der Verdichterwelle 8.1 angeordnet. Die hydrodynamische Kupplung 6 kann dabei wie in den Figuren bereits beschrieben, insbesondere wie in Figur 4b beschrieben, ausgeführt sein. Somit können besonders vorteilhaft gemäß der ersten, zweiten und dritten
Ausführungsform sämtliche Turbomaschinen im Getriebegehäuse 15 gelagert sein, wodurch der Bauraum optimal genutzt wird, die Schmierung der bewegten Teile vereinfacht sowie die Strömungsführung des Abgas- und Frischluftstromes optimiert wird.
In Figur 3 sind in schematischer Darstellung verschiedene Anordnungsbeispiele der Komponenten des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in einer Seitenansicht in Blickrichtung der Drehachse beispielsweise der Turbinenwelle 10 aus den Figuren 2a und 2b dargestellt. Selbstverständlich könnten auch die in den übrigen Figuren dargestellten Komponenten entsprechend der Figur 3 angeordnet sein.
So zeigt die äußerst linke Darstellung, dass der Turbolader 13 und das
Turbocompoundsystem 14 auf einander gegenüberliegenden Seiten des
Getriebegehäuses 15 angeordnet sind. Selbstverständlich könnten der Turbolader 13 sowie das Turbocompoundsystem 14 auf derselben Seite des Getriebegehäuses 15 und insbesondere komplanar bezogen auf deren Drehachsen angeordnet sein, wie dies in der zweiten Darstellung von links der Figur 3 ersichtlich ist.
Selbstverständlich könnte, wie dies die zweite Darstellung von rechts der Figur 3 zeigt, der Turbolader 13 in Umfangsrichtung versetzt zum Turbocompoundsystem 14 angeordnet sein, sodass Turbolader 13 und Turbocompoundsystem 14 auf aneinandergrenzenden Seiten des Getriebegehäuses 15 angeordnet sind.
Zusätzlich hierzu, können auf einer weiteren gegenüberliegenden Seite des Getriebegehäuses 15 ein weiterer Turbolader oder eine Mehrzahl derartiger Turbolader beziehungsweise wenigstens ein weiteres Turbocompoundsystem, wie dies exemplarisch für eine zusätzliche Turbomaschine in der äußerst rechten Darstellung der Figur 3 gezeigt ist, angeordnet sein.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungsmotor
1.1 Abtriebswelle
2 Abgasstrom
3, 3.1 Abgasturbine
4 Frischluftstrom
5, 5.1 Frischluftverdichter
6 hydrodynamische Kupplung
6.1 Primärrad
6.2 Sekundärrad
6.3 Arbeitsraum
7 Frischluftkrümmer
8 Frischluftverdichter
8.1 Verdichterwelle
9 Nutzturbine
9.1 Nutzturbinenwelle
10 erste Turbinenwelle
11 Steuervorrichtung
12 Kühlkreislauf
13 Turbolader
13.1 Turbinengehäuse
14 Turbocompoundsystem
15 Getriebegehäuse
16 Abgaskrümmer
17 zweite Turbinenwelle

Claims

Patentansprüche
1. Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang,
1.1 mit einem einen Abgasstrom (2) erzeugenden Verbrennungsmotor (1), der eine Abtriebswelle (1.1) zum Einspeisen von Antriebsleistung in den
Antriebsstrang umfasst;
1.2 mit wenigstens einem ersten Turbolader (13), umfassend eine im
Abgasstrom (2) angeordnete erste Abgasturbine (3, 3.1), die über eine erste Turbinenwelle (10) wenigstens einen ersten Frischluftverdichter (5, 5.1) antreibt, der in einem dem Verbrennungsmotor (1) zugeleiteten Frisch luftstrom (4) angeordnet ist, wobei die Turbinenwelle (10) in einem Turbinengehäuse (13.1) drehbar gelagert ist;
1.3 mit wenigstens einem Turbocompoundsystem (14), umfassend wenigstens eine Nutzturbine (9), die im Abgasstrom (2) angeordnet ist und über eine Nutzturbinenwelle (9.1) in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle (1.1) des Verbrennungsmotors (1) steht oder in eine solche bringbar ist, wobei dem Turbocompoundsystem (14) ein stationäres, nicht umlaufendes Getriebe, umfassend ein Getriebegehäuse (15) zugeordnet ist und die Nutzturbinenwelle (9.1) in dem Getriebegehäuse (15) drehbar gelagert ist; wobei
1.4 sich das Turbinengehäuse (13.1) in oder an dem Getriebegehäuse (15) abstützt oder in dieses integriert ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
1.5 der erste Turbolader (13) teilweise oder vollständig axial innerhalb des
Turbocompoundsystems (14) oder das Turbocompoundsystem (14) teilweise oder vollständig axial innerhalb des ersten Turboladers (13) angeordnet ist, und
.6 die Turbinenwelle (10) und die Nutzturbinen welle (9.1) parallel zueinander verlaufen und der erste Turbolader (13) radial außerhalb des
Turbocompoundsystems (14) angeordnet ist.
2. Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang,
2.1 mit einem einen Abgasstrom (2) erzeugenden Verbrennungsmotor (1), der eine Abtriebswelle (1.1) zum Einspeisen von Antriebsleistung in den
Antriebsstrang umfasst;
2.2 mit wenigstens einem ersten Turbolader (13), umfassend eine im
Abgasstrom (2) angeordnete erste Abgasturbine (3, 3.1), die über eine erste Turbinenwelle (10) wenigstens einen ersten Frischluftverdichter (5, 5.1) antreibt, der in einem dem Verbrennungsmotor (1) zugeleiteten Frischluftstrom (4) angeordnet ist, wobei die Turbinenwelle (10) in einem Turbinengehäuse (13.1) drehbar gelagert ist;
2.3 mit wenigstens einem zweiten Frischluftverdichter (8), der im
Frischluftstrom (4), insbesondere stromaufwärts des ersten
Frischluftverdichters (5) angeordnet ist und über eine Verdichterwelle (8.1) in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle (1.1) des
Verbrennungsmotors (1) steht oder in eine solche bringbar ist, wobei dem zweiten Frischluftverdichter (8) ein stationäres, nicht umlaufendes Getriebe, umfassend ein Getriebegehäuse (15) zugeordnet ist und die Verdichterwelle (8.1) in dem Getriebegehäuse (15) drehbar gelagert ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
2.4 sich das Turbinengehäuse (13.1) in oder an dem Getriebegehäuse (15) abstützt oder in dieses integriert ist.
3. Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang,
3.1 mit einem einen Abgasstrom (2) erzeugenden Verbrennungsmotor (1), der eine Abtriebswelle (1.1) zum Einspeisen von Antriebsleistung in den
Antriebsstrang umfasst;
3.2 mit wenigstens einem ersten Turbolader (13), umfassend eine im
Abgasstrom (2) angeordnete erste Abgasturbine (3), die über eine erste Turbinenwelle (10) wenigstens einen ersten Frischluftverdichter (5, 5.1) antreibt, der in einem dem Verbrennungsmotor (1) zugeleiteten Frischluftstrom (4) angeordnet ist, wobei die erste Turbinenwelle (10) in einem Turbinengehäuse (13.1) drehbar gelagert ist;
mit wenigstens einer zweiten Abgasturbine (3.1), die im Abgasstrom (2), insbesondere stromabwärts der ersten Abgasturbine (3), angeordnet ist und über eine zweite Turbinenwelle (17) in einer Triebverbindung mit der ersten Turbinenwelle (10) des ersten Turboladers (13) steht oder in eine solche bringbar ist, wobei der zweiten Abgasturbine (3.1) ein stationäres, nicht umlaufendes Getriebe, umfassend ein Getriebegehäuse (15) zugeordnet ist und die zweite Turbinenwelle (17) in dem Getriebegehäuse (15) drehbar gelagert ist; und/oder
mit wenigstens einem zweiten Frischluftverdichter (8), der im
Frischluftstrom (4), insbesondere stromaufwärts des ersten
Frischluftverdichters (5), angeordnet ist und über eine Verdichterwelle (8.1) in Triebverbindung mit der ersten Turbinenwelle (10) des ersten
Turboladers (13) steht oder in eine solche bringbar ist, wobei die
Verdichterwelle (8) in dem Getriebegehäuse (15) drehbar gelagert ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
sich das Turbinengehäuse (13.1) in oder an dem Getriebegehäuse (15) abstützt oder in dieses integriert ist.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasturbine (3) des ersten Turboladers (13) im Abgasstrom (2)
stromaufwärts der wenigstens einen Nutzturbine (9) angeordnet ist; und das Turbocompoundsystem (14) über die Nutzturbinenwelle (9.1) wenigstens einen zweiten Frischluftverdichter (8) antreibt, der
stromaufwärts des ersten Frischluftverdichters (5, 5.1) im Frischluftstrom (4) angeordnet ist.
5. Antriebsstrang gemäß Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Triebverbindung zwischen der Nutzturbine (9) und der Abtriebswelle (1.1) und/oder bei Vorsehen eines zweiten Frischluftverdichters (8), der über die Nutzturbinenwelle (9.1) antreibbar ist, zwischen der Nutzturbine (9) und dem zweiten Frischluftverdichter (8) oder bei Ausführung des Antriebsstrangs gemäß Anspruch 2 zwischen dem zweiten
Frischluftverdichter (8) und der Abtriebswelle (1.1) eine hydrodynamische Kupplung (6) angeordnet ist, umfassend ein beschaufeltes Primärrad (6.1) und ein beschaufeltes Sekundärrad (6.2), die miteinander einen
insbesondere torusförmigen Arbeitsraum (6.3) ausbilden, der mit
Arbeitsmedium befüllbar oder befüllt ist, um Antriebsleistung
hydrodynamisch vom Primärrad (6.1) auf das Sekundärrad (6.2) zu übertragen, und das Primärrad (6.1) in einer mechanischen
Triebverbindung mit der Nutzturbine (9) steht und das Sekundärrad (6.2) in einer mechanischen Triebverbindung mit der Abtriebswelle (1.1) oder bei Vorsehen des zweiten Frischluftverdichters (8) mit dem zweiten
Frischluftverdichter (8) oder bei Ausführung des Antriebstranges gemäß Anspruch 2 das Primärrad (6.1) in einer mechanischen Triebverbindung mit der Abtriebswelle (1.1) steht und das Sekundärrad (6.2) in einer
mechanischen Triebverbindung mit der Verdichterwelle (8.1) in
Triebverbindung steht.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Turbolader (13) und das Turbocompoundsystem (14) auf einer
gemeinsamen Seite oder auf unterschiedlichen Seiten des
Getriebegehäuses (15) angeordnet sind.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Turbolader (13) und das Turbocompoundsystem (14) auf
aneinandergrenzenden oder gegenüberliegenden Seiten des
Getriebegehäuses (15) angeordnet sind.
8. Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Triebverbindung zwischen Nutzturbinenwelle (9.1) und Abtriebswelle (1.1) und/oder Nutzturbinenwelle (9.1) und dem zweiten Frischluftverdichter (8) oder bei Ausführung des Antriebsstranges gemäß Anspruch 2 zwischen dem zweiten Frischluftverdichter (8) und der Abtriebswelle (1.1) ein Zahnradgetriebe wie Stirnradgetriebe angeordnet und der hydrodynamischen Kupplung (6) in Leistungsübertragungsrichtung von der Nutzturbine (9) zur Abtriebswelle (1.1) oder bei Ausführung gemäß Anspruch 2 von der Abtriebswelle (1.1) zum zweiten Frischluftverdichter (8) gesehen vor- oder nachgeschaltet ist und das Zahnradgetriebe innerhalb des Getriebegehäuses (15) angeordnet ist.
9. Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Abgasturbine (3, 3.1) und/oder die Nutzturbine eine Radialturbine oder Axialturbine und/oder der erste und/oder zweite Frischluftverdichter (5, 5.1, 8) ein Radialverdichter oder Axialverdichter ist.
10. Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nutzturbine (9) und die Abgasturbine (3, 3.1) einen Abgaseinlass zum Zuführen von Abgas zum und einen Abgasauslass zum Abführen von Abgas aus der jeweiligen Turbine (3, 3.1, 9) aufweisen und der erste und zweite Frischluftverdichter (5, 5.1, 8) einen Lufteinlass zum Zuführen von Frischluft zum und einen Luftauslass zum Abführen von Frischluft aus dem jeweiligen Frischluftverdichter (5, 5.1, 8) aufweist, wobei der Abgasauslass der Abgasturbine (3, 3.1) über einen Abgaskrümmer (16) strömungsleitend mit dem Abgaseinlass der Nutzturbine (8) und der
Luftauslass des zweiten Frischluftverdichters (8) über einen
Frischluftkrümmer (7) strömungsleitend mit dem Frischlufteinlass des ersten Frischluftverdichters (5) verbunden ist, und der Frischluftkrümmer (7) und Abgaskrümmer (16) 90°-Bögen sind.
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