WO2011042297A1 - Antriebseinrichtung - Google Patents

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WO2011042297A1
WO2011042297A1 PCT/EP2010/063880 EP2010063880W WO2011042297A1 WO 2011042297 A1 WO2011042297 A1 WO 2011042297A1 EP 2010063880 W EP2010063880 W EP 2010063880W WO 2011042297 A1 WO2011042297 A1 WO 2011042297A1
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steam
gas turbocharger
exhaust
drive device
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PCT/EP2010/063880
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Thomas Proepper
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a drive device with a charging device for
  • DE 10 2006 057 247 A1 describes a charging device, in particular for charging an internal combustion engine.
  • At least one heat exchanger of a circuit of the working medium is housed.
  • the at least one exhaust gas heat exchanger is preceded by a delivery unit in the circulation of the working medium.
  • the cycle of the working medium contains at least one turbine part, via which at least one compressor part arranged in the intake tract of the internal combustion engine is driven.
  • the charging device is thus operated to increase the pressure in the intake tract of the internal combustion engine.
  • DE 199 39 289 C1 describes a method and a device for the treatment of gas mixtures.
  • charge air compression is known, for example, by means of piston compressors or turbines.
  • the energy required to increase the pressure and mass flow is added to the exhaust gas of the combustion taken by evaporating fluid by means of a steam generator using the thermal energy of the exhaust gas.
  • a steam generator using the thermal energy of the exhaust gas.
  • the drive device with the features of claim 1 has the advantage that the efficiency of the internal combustion engine can be further increased, in particular by an increased use of the energy contained in the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the steam generator is connected to a steam accumulator and that the supercharger is an exhaust gas turbocharger, the drive turbine is at least partially acted upon with both exhaust gas and steam from the steam accumulator, wherein the vapor pressure and / or steam mass flow of the exhaust gas turbocharger supplied steam is controllable and / or controllable.
  • the exhaust-gas turbocharger is used to improve the degree of filling or the volumetric efficiency of the internal combustion engine and to reduce the suction work to be performed by the same during an intake stroke.
  • the exhaust gas turbocharger usually has at least one drive turbine and at least one air compressor, wherein the drive turbine drives the air compressor.
  • the drive device has an exhaust tract and a steam cycle. The former is the exhaust of the
  • the exhaust gas turbine is also supplied with hot and / or saturated steam in addition to the exhaust gas.
  • the exhaust gas tract and the steam cycle can run completely separated from one another, but can also be connected to each other at least in regions, so that a mixing of the steam with the exhaust gas can take place.
  • the vapor is generated by evaporating the fluid by means of the steam generator using the thermal energy contained in the exhaust gas of the internal combustion engine. It is not necessary to supply the charging device or the exhaust-gas turbocharger with all the exhaust gas and / or the entire steam generated. Rather, it is advantageous if the guided portions of the exhaust gas and the steam are adjustable.
  • the drive device provides the steam accumulator or steam pressure accumulator (steam boiler), from which the steam is taken for charging the exhaust gas turbocharger, for example in the form of saturated steam or for introduction into a superheater and subsequent admission of the exhaust gas turbocharger.
  • the control and / or regulation can be provided continuously and takes place, in particular, as a function of an exhaust gas pressure and / or an exhaust gas mass flow.
  • the exhaust gas turbocharger is mainly operated with the exhaust gas of the internal combustion engine. However, with the generated steam he is at least supportive operable. This can in particular serve an instant boost in boost pressure of the exhaust gas turbocharger and thus a rapid increase in engine speed and / or torque independent of engine and / or exhaust gas turbocharger rotational speed, boost pressure, air mass flow into the internal combustion engine, exhaust gas pressure and / or exhaust gas mass flow.
  • the usually sluggish response of the exhaust gas turbocharger is overcome by the drive turbine of the exhaust gas turbocharger is accelerated very quickly, as soon as an agile power delivery is required. This is the case in particular when the internal combustion engine is accelerated with a high torque requirement from the part-load range or in overtaking maneuvers at higher speeds-if the drive device is used in a motor vehicle.
  • the drive device also has the advantage of being able to cool the exhaust gas of the internal combustion engine to controlled temperature and / or controlled mode of operation to the desired temperature range before it enters an exhaust gas aftertreatment device. This is necessary in particular in gasoline engines with peak exhaust gas temperatures of higher than 1000 ° C before entering the exhaust aftertreatment device, since the usually provided as exhaust aftertreatment device 3-way or NO x storage in a temperature range optimal reduction rates of 400 ° C. up to 750 ° C. be operated at 300 ° C to 450 ° C are. Furthermore, a heat radiation of the internal combustion engine, in particular of an exhaust manifold, and of a portion of the exhaust tract close to the engine into an engine compartment is reduced.
  • the admission pressure and exhaust gas mass flow of the exhaust gas turbocharger of the exhaust gas turbocharger can be made uniform with the steam. This is possible, in particular, with exhaust gas turbochargers flowed in with multiple floods.
  • two embodiments of the drive device according to the invention are technically advantageous: first, in the form of an open steam cycle, in which the
  • Shaft is provided, such as an exhaust gas turbine, which is flowed only with exhaust gas. Exhaust tract and steam cycle are thus separated. It can also be provided to introduce the steam in addition to the exhaust gas flow in an exhaust gas turbine with double-flow of the turbine wheel.
  • the steam storage For storing the generated steam, the steam storage is provided. After the generation of the steam by means of the steam generator this is therefore not immediately supplied to the exhaust gas turbocharger, but cached in the steam storage.
  • the steam stored in the steam accumulator is preferably a saturated steam, the steam accumulator can therefore also be referred to as a saturated steam storage or saturated steam boiler.
  • the steam storage the steam is only temporarily stored, there is no removal of energy contained in the steam.
  • the storage capacity of the steam accumulator allows without mechanical additional units with rotating elements and additional moments of inertia a very agile response of the exhaust gas turbocharger even at low speeds of the internal combustion engine and at low exhaust gas and charge air mass flows of the internal combustion engine.
  • the steam accumulator depending on the temperature of the injected steam, a saturation vapor pressure is established.
  • the steam accumulator can be continuously supplied with steam as long as the internal combustion engine is operated with sufficiently high exhaust gas temperatures.
  • the wall of the vapor accumulator is ther- mixed isolated.
  • its capacity is large enough to be able to hold sufficient steam even during prolonged operating phases of the internal combustion engine with low power output and low exhaust gas temperature and low exhaust gas mass flow for the purpose of rapid acceleration of the drive turbine.
  • This in turn has the desired agile response of the exhaust gas turbocharger or its air compressor even at low engine speeds and low exhaust gas and charge air mass flows result.
  • it can be provided to feed at least a portion of the steam taken off from the steam accumulator, in particular saturated steam, directly to the exhaust gas turbocharger.
  • a further development of the invention provides that a heat exchanger, in particular arranged downstream of the exhaust gas turbocharger, is provided for removing the thermal energy.
  • a heat exchanger in particular arranged downstream of the exhaust gas turbocharger, is provided for removing the thermal energy.
  • thermal energy is taken from the exhaust gas and fed to the steam generator. It is advantageous to arrange the heat exchanger such that residual energy can be withdrawn with it, which is still contained in the exhaust gas after flowing through the exhaust gas turbocharger.
  • the heat exchanger and the steam generator can also be designed integrated.
  • a development of the invention provides that at least part of the steam is combined with the exhaust gas upstream of the exhaust gas turbocharger or in the exhaust gas turbocharger.
  • the exhaust gas tract and the steam cycle can certainly overlap at least in certain areas.
  • the steam is conducted together with the exhaust gas, for example in a common line.
  • the mixture of exhaust gas and steam can be supplied together to the exhaust gas turbocharger or its drive turbine.
  • the turbine wheel is subjected to the single-flow with only one nozzle with the exhaust-steam mixture.
  • the merging of steam and exhaust gas is provided only within the exhaust gas turbocharger, but preferably before or in the drive turbine.
  • the mass flow passing through the exhaust gas turbocharger is increased and, at the same time, the temperature of the exhaust gas is lowered, as long as the steam temperature does not exceed the exhaust gas temperature, which is the case in particular in the full load range of petrol and diesel engines is, so that the thermal load of the exhaust gas turbocharger can be reduced.
  • a development of the invention provides a downstream of the exhaust gas turbocharger arranged capacitor and / or separator for the recovery of the
  • Fluids from the exhaust before When the vapor is combined with the exhaust gas, it makes sense not to deliver it together with the exhaust gas from the drive device in an environment of the drive device. Instead, the fluid is to be recovered from the exhaust gas for reuse.
  • the separator and / or condenser is provided. With this, the fluid or the vaporized fluid is separated from the exhaust gas, so that it can be supplied to the steam cycle again.
  • only a comparatively small supply of fluid with the drive means must be carried and only from time to time unavoidable losses of the fluid to be compensated.
  • the exhaust gas turbocharger has at least one exhaust gas flow and at least one steam flow, which are fluidically separated from each other.
  • the steam is not combined with the exhaust gas, but is passed separately through the exhaust gas turbocharger.
  • the at least one exhaust gas flow and the at least one steam flow are provided, in each of which a turbine wheel is preferably arranged.
  • the exhaust gas flows through the exhaust gas, the steam flows through the steam.
  • the turbine wheels, which are assigned to the floods, are connected to one another via a common shaft, which is simultaneously connected to the air compressor.
  • the exhaust tract and the steam cycle run completely separated from each other, so the steam is never in contact with the exhaust gas at any time.
  • each flood can be matched to the respective pressure or the respective temperature of the exhaust gas or the vapor.
  • the steam and the exhaust gas flow are conducted separately from one another until just in front of a turbine wheel of the drive turbine and independently of each other by a respective steam nozzle and an exhaust nozzle (hot gas nozzle) has flowed into the exhaust gas turbocharger, without mixing before the application.
  • the steam nozzle and the exhaust nozzle can be applied independently of each other advantageously to the fluid mechanical and thermal conditions in the exhaust gas and the steam.
  • a development of the invention provides that the exhaust gas flow and the steam flow are provided in a housing of the exhaust gas turbocharger. It is thus formed a common housing, which preferably receives all the floods of the exhaust gas turbocharger. Alternatively, however, each flood could have its own housing and the turbines associated with the floods could only be connected to one another via a common shaft.
  • a two-part drive turbine may be provided.
  • the housing has at least one exhaust gas flow chamber, which contains an exhaust gas turbine wheel, and a separate steam flow chamber, which contains a steam turbine wheel. The steam and the exhaust gas act independently of each other, the two-piece drive turbine, without mixing and flow separately from this from.
  • a plurality of steam fumes are provided, that is, the exhaust gas turbocharger is thus subjected to a plurality of vapor streams.
  • a saturated steam flow and a hot steam flow can be provided, which are supplied to the exhaust gas turbocharger in addition to the secondary flow.
  • a further development of the invention provides that the drive turbine of the exhaust gas turbocharger has at least one exhaust turbine wheel and at least one steam turbine wheel, the steam turbine wheel and the exhaust gas turbine wheel being provided on a common shaft.
  • the exhaust turbine wheel is preferably associated with the exhaust gas flow and the steam turbine wheel of the steam flow.
  • About the common shaft of the air compressor of the exhaust gas turbocharger is driven.
  • a further development of the invention provides that, in terms of flow, a superheater is provided between the steam generator and / or the steam accumulator and the exhaust gas turbocharger.
  • the superheater is traversed by steam from the steam generator and / or the steam storage. It is arranged upstream of the exhaust gas turbocharger.
  • the steam which in particular as
  • Saturated steam is present, further heated.
  • the steam present after the superheater can therefore be called superheated steam.
  • This hot steam is then fed to the exhaust gas turbocharger.
  • these proportions are controlling and / or regulating adjustable.
  • the steaming of the exhaust gas turbocharger can advantageously be adapted to the exhaust gas temperature and the operating state and the desired power output of the internal combustion engine.
  • the hot and / or saturated steam flow acting upon the steam turbine described above can be supplied to the exhaust-gas turbocharger in one-flow or two-flow.
  • a development of the invention provides that the superheater can be acted upon by a further, in particular upstream of the turbocharger arranged, high-temperature turebenleye with thermal energy.
  • the high-temperature heat exchanger like the heat exchanger, removes thermal energy from the exhaust gas.
  • the expression "high-temperature heat exchanger” merely means that the temperature range in which the high-temperature heat exchanger operates is higher than that of the heat exchanger, for which it is advantageous if the exhaust-gas turbocharger is arranged at a location of the exhaust-gas tract at which the exhaust gas still compares high temperature.
  • a development of the invention provides that the steam accumulator is arranged in an exhaust gas duct or encloses this.
  • the exhaust pipe is part of the exhaust tract.
  • the exhaust gas guide tube essentially designates all (pipe) lines through which exhaust gas flows.
  • the steam accumulator should preferably be constantly exposed to heat. This is achieved by arranging the steam accumulator in the area of the exhaust gas guide tube. In this case, both an arrangement may be provided in the exhaust pipe and around the exhaust pipe. In the former case, care must be taken that the steam accumulator opposes the exhaust gas flowing in the exhaust gas duct to the lowest possible flow resistance.
  • the steam storage can be designed aerodynamically. If the steam accumulator encloses the exhaust gas guide tube, it makes sense that this is good at least in this area thermally conductive material.
  • the exhaust duct may also include an exhaust manifold.
  • a development of the invention provides a heat accumulator associated with the steam accumulator.
  • the heat accumulator may comprise, for example, a latent heat storage medium whose physical state changes from solid to liquid in the region of the desired steam temperature. In this way, the temperature of the steam present in the steam accumulator can be maintained at the desired temperature even if only a little thermal energy can be taken from the exhaust gas or an excess of thermal energy
  • a further development of the invention provides that at least one exhaust gas aftertreatment device is provided downstream and / or upstream of the steam generator.
  • the exhaust aftertreatment device is for example a catalyst or a filter.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a drive device in a first embodiment, wherein a steam cycle extends in regions together with an exhaust gas tract of an internal combustion engine and a heat exchanger is arranged downstream of an exhaust gas aftertreatment device,
  • FIG. 2 shows the drive device known from FIG. 1, but with the heat exchanger arranged upstream of the exhaust gas aftertreatment device,
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the drive device, in which the steam cycle runs separately from the exhaust gas tract, ie the steam cycle is closed and separated from the exhaust gas tract
  • FIG. 4 shows the drive device known from FIG. 3, wherein a fluid feed is provided in a steam accumulator,
  • Figure 5a shows the steam accumulator in a first embodiment
  • the charging device 3 has a turbine part 4, which has at least one drive turbine, and a compressor part 5, which are connected via a shaft 6 in operative connection.
  • the charging device 3 is an exhaust gas turbocharger 7, the turbine part 4 is at least traversed by the exhaust gas of the internal combustion engine 2.
  • the compressor part 5 serves, in particular from an environment of the drive device 1 originating to compress air and thus bring to a higher pressure. The compressed air is then supplied to the internal combustion engine 2.
  • the resulting exhaust gases are combined from cylinders 8 of the internal combustion engine 2 by means of an exhaust manifold 9 and discharged in an exhaust gas duct 10.
  • the exhaust manifold 9 is formed for example as a fan header. Adjoining this is an exhaust gas intake pipe 10 ', which is part of the exhaust gas guide pipe 10.
  • the internal combustion engine 2 may also have a plurality of cylinder banks, in this case, both a plurality
  • Exhaust manifold 9 and exhaust manifolds 10 'and exhaust guide tubes 10 is provided.
  • the exhaust gas passes through the exhaust gas guide tube 10 at least into the turbine part 4 of the charging device 3. Downstream of the charging device 3 and the exhaust gas turbocharger 7, a first exhaust gas aftertreatment device 11 and a second exhaust gas aftertreatment device 12 are arranged in series.
  • the second exhaust aftertreatment device 12 is an SCR catalytic converter.
  • Exhaust-gas-carrying parts described so far, such as the exhaust gas guide pipe 10 form an exhaust tract 13, through which the exhaust gas is discharged from the internal combustion engine 2.
  • the first exhaust aftertreatment device 1 1 consists, for example, in a diesel engine of an HC oxidation catalyst (DOC) and a diesel particulate filter (DPF), in a gasoline engine usually from a 3-way catalyst.
  • the second exhaust gas treatment device 12 can, in a diesel engine of a reduction catalyst with upstream urea dosing device or injection proper (SCR), and wherein one, in particular with direct injection, stratified charge spark-ignition engine of a NO x - consist storage catalyst (NSC).
  • SCR upstream urea dosing device or injection proper
  • NSC stratified charge spark-ignition engine of a NO x - consist storage catalyst
  • the second exhaust aftertreatment device 12 usually operates at lower temperatures than the first exhaust aftertreatment device 1 1 and is therefore arranged downstream of it.
  • a steam cycle 14 is further shown.
  • this steam is generated, which is also the exhaust gas turbocharger 7 can be fed.
  • the exhaust gas tract 13 and the steam circuit 14 have a common region 15, through which the generated steam flows together with the exhaust gas.
  • the steam cycle 14 initially has a fluid delivery device 16, for example a pump. This is connected via a fluid line 17 to a steam generator 18 and can supply this fluid.
  • the steam generator 18 is provided for evaporation of the supplied fluid. Subsequent to the steam generator 18, the steam thus generated passes through a steam line 19 into a steam reservoir 20, in which the steam is stored.
  • the steam accumulator 20 has a steam valve 21, by means of which steam can be released from the steam accumulator 20. In this way, the present in the steam accumulator 20 steam pressure can be regulated or limited.
  • the steam accumulator 20 is connected to the exhaust gas turbocharger 7 via a first supply line 22 and a second supply line 23. Via the supply lines 22 and 23 so steam in the exhaust gas turbocharger 7 and its
  • Turbine part 4 are introduced.
  • the vapor can already be brought together with the exhaust gas upstream of the exhaust-gas turbocharger 7 or, as shown in FIG. 1, be combined with it in the exhaust-gas turbocharger 7.
  • a cross-section adjustment element 24 for example an electrically adjustable throttle valve, is arranged.
  • Amount of the introduced from the steam accumulator 20 in the exhaust gas turbocharger 7 Controlling and / or regulating steam. Because so-called saturated steam is present in the steam accumulator 20, the first supply line 22 can also be referred to as saturated steam line 25. In the second supply line 23 is first a superheater 26 and downstream of this also a Queritessverstellelement 27 is provided. Steam or saturated steam can be superheated by means of the superheater 26, so that superheater 26 is subsequently provided with superheated steam. By means of the Querterrorismsverstellelements 27, which is for example also an electrically adjustable throttle valve, the exhaust gas turbocharger 7 through a hot steam line 28 supplied amount of hot steam can be controlled or regulated regulating.
  • the separator 29 the mixture of exhaust gas and steam, the steam or the fluid withdrawn and over a fluid line 30 of a Fluid inhabitsein- device 31, which has, for example, a filter supplied.
  • the fluid cleaning device 31 the fluid is freed from impurities, for example dirt particles, which it has taken up from the exhaust gas.
  • the fluid cleaning device 31 may, for example, also have a deacidification device.
  • the fluid purified by means of the fluid cleaning device 31 is then fed back to the fluid delivery device 16. Alternatively, it may also enter a storage container (not shown) in which it is stored.
  • the fluid can be supplied to the steam generator 18 again by means of the fluid delivery device 16.
  • the steam generator 18 is operated to evaporate the fluid with thermal energy, which is taken from the exhaust gas of the internal combustion engine 2 by means of a heat exchanger 32.
  • the heat exchanger 32 is provided in the exhaust gas tract or the exhaust gas guide tube 10.
  • the superheater 26 is supplied with thermal energy by means of a high-temperature heat exchanger 33.
  • the heat exchanger 32 is downstream of the exhaust aftertreatment devices 1 1 and 12, the high-temperature heat exchange 33 upstream (in each case based on the exhaust gas) of the exhaust gas turbocharger 7 is provided.
  • a portion of the saturated steam is thus passed from the steam reservoir 20 in the superheater 26, which is supplied by the high-temperature heat exchanger 33 with thermal energy from the exhaust gas.
  • the superheated steam thus generated reaches the exhaust-gas turbocharger 7 via the cross-section adjustment element 27. It is advantageous when the superheated steam flows in through a separate inlet opening into the turbine part 4.
  • An advantageous embodiment of the turbine part 4 thus comprises a three-flow flow of a turbine wheel, not shown, which allows adapted to different pressures and / or temperatures of the exhaust gas or the saturated and / or superheated steam design of inlet nozzles. Such a multiple-flow admission of the turbine part 4 prevents a flow of the steam starting from the exhaust gas turbocharger 7 in the direction of the internal combustion engine 2.
  • the distribution of the steam from the steam reservoir 20 to the hot steam line 28 or the saturated steam line 25 is adjusted continuously by means of the cross-section adjustment elements 24 and 27, which are present for example as throttle valves.
  • the thermal energy extracted from the exhaust gas by means of the heat exchangers 32 and 33 can also be used for further purposes in addition to vaporization or overheating of the fluid.
  • the energy can be delivered, for example, to an underbody air flow or via corresponding preheating devices to a passenger compartment to be heated up. It is also conceivable to provide the thermal energy to a cooling water or oil circuit of the internal combustion engine 2, so that they can be heated faster.
  • the drive device 1 shown in FIG. 1, in which the heat exchanger 32 is arranged downstream of the exhaust gas aftertreatment devices 11 and 15, can usually be used when the internal combustion engine 2 is an Otto engine. For this it is necessary to maintain the temperature of the second exhaust gas aftertreatment device 12, which is for example the NO x storage catalytic converter, at a temperature greater than 300 ° C.
  • FIG. 2 shows the exhaust gas aftertreatment device 1 known from FIG. 1 in an arrangement which can be used when the internal combustion engine 2 is a diesel engine.
  • the heat exchanger 32 may be useful to arrange the heat exchanger 32 upstream of the second exhaust aftertreatment device 12 in order to provide the steam generator 18 with a sufficient amount of thermal energy.
  • the SCR catalyst often provided as an exhaust aftertreatment device 12 is effective even at temperatures of about 170 ° C, and therefore can be easily disposed downstream of the heat exchanger 32.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the drive device 1. This differs from the first embodiment as shown in FIG. 1 with regard to the design of the steam cycle 14 and the exhaust gas turbocharger 7.
  • the turbine part 4 is first of all constructed in a multiple-flow manner (here: twin-flow). In this case, it has an exhaust gas flow 34 and two steam flows 35
  • the exhaust gas flow 34 is connected to the exhaust gas guide tube 10 and is flowed through exclusively by exhaust gas.
  • the steam fl ows 35 are only flowed through by steam, one of the steam fl ows 35 being able to be acted upon by the saturated steam line 25 and the other by the hot steam line 28.
  • the floods 34 and 35 are therefore completely separated from each other in terms of flow.
  • a turbine wheel is in each case provided, which is driven by the exhaust gas or the steam.
  • the turbine wheels are connected to the compressor part 5 via a common shaft 6. The shaft 6 is thus driven by both the exhaust gas flow 34 and the steam flow 35.
  • a condenser 36 Downstream of the steam flutes 35 of the exhaust gas turbocharger 7, a condenser 36 is provided, by means of which the steam flowing out of the steam flutes 35 is condensed, so that the fluid is present in the condenser 36 and can be discharged therefrom.
  • the fluid is stored in a reservoir 37, from which it can be supplied by means of the fluid conveyor 16 to the steam generator 18. This is, as already described with reference to Figure 1, from the heat exchanger 32 - which is arranged in the exhaust tract 13 - supplied with thermal energy and serves to evaporate the fluid.
  • the generated steam is supplied to the steam reservoir 20 via the steam line 19, from which it can be supplied to the exhaust gas turbocharger 7 via the supply lines 22 and 23 or the saturated steam line 25 and the superheated steam line 28.
  • the outlet nozzles and turbine wheels of the steam flutes 35 are each optimized for the properties of the saturated steam or superheated steam.
  • the inlet openings of the steam flutes 35 may be designed as Laval nozzles.
  • a multi-flow, in particular double-flow, embodiment of the steam flutes 35 prevents dissipation by turbulent mixing of hot and saturated steam in the turbine inlet flow.
  • the exhaust gas flow 34 and the steam flutes 35 are arranged in a common housing (not shown).
  • a Laval turbine wheel can be used in the exhaust gas turbocharger 7.
  • the heat exchanger 32 can also, as can be seen from FIG. 2, be arranged upstream of at least the second exhaust gas aftertreatment device 12. If the steam cycle 14, as here, separate from the exhaust tract 13, so runs in the steam cycle 14, a Clausius-Rankine steam process.
  • the fluid is sprayed or atomized during introduction into the steam reservoir 20.
  • the saturated steam contained in the steam accumulator 20 can be moistened, so that wet steam is present.
  • This wet steam can flow directly into the exhaust gas turbocharger 7 from the steam reservoir 20 via the first supply line 22 or the saturated steam line 25.
  • the wet steam is overheated in the exhaust gas turbocharger 7 and cools it down.
  • the amount of heat absorbed by the wet steam essentially corresponds to the enthalpy of vaporization of the liquid phase contained, that is to say of the fluid introduced via the fresh fluid line 38 into the vapor reservoir 20.
  • the fresh fluid line 38 and the cross-sectional Adjusting device 39 is provided in the drive device 1 according to Figures 1 and 2.
  • the exhaust gas temperature can be lowered directly by the introduced fluid, so that the temperature load of the exhaust gas turbocharger 7 and the exhaust aftertreatment devices 1 1 and 12 is reduced.
  • FIGS. 5a and 5b each show an embodiment of the vapor accumulator 20.
  • the vapor accumulator 20 of FIG. 5a has a tubular design and is arranged together with the heat exchanger 32 and the steam generator 18 in the exhaust gas guide tube 10. This means that both steam reservoir 20 and heat exchanger 32 are flowed through by the exhaust gas. In this way, heat losses of the vapor accumulator 20 are reduced. Likewise, no additional external space in the area of a vehicle underbody is claimed.
  • a heat accumulator 40 which in particular comprises a latent heat storage medium, may be provided in the vapor accumulator 20. The physical state of this latent heat storage medium changes in the range of the desired saturated steam temperature from solid to liquid. By means of the steam valve 21, saturated steam can be released from the steam accumulator 20 into the exhaust gas duct 10.
  • FIG. 5b shows a further embodiment of the vapor accumulator 20.
  • this vapor accumulator 20 surrounds the exhaust gas guide tube 10, preferably in a region close to the engine.
  • the steam accumulator 20 also comprises the exhaust manifold 9 at least in certain areas.
  • the steam accumulator 20 in conjunction with the
  • High-temperature heat exchanger 33 and the superheater 26 advantageously designed as a double-walled molded part with high heat storage capacity.
  • the molded part can provide a mounting flange for the exhaust gas turbine and a tap for exhaust gas recirculation, in particular a high-pressure exhaust gas recirculation.
  • the heat accumulator 40 (not shown) may be arranged.
  • Such an embodiment of the vapor accumulator 20 leads to a substantial reduction of the unwanted heat radiation in an engine compartment of the internal combustion engine 2. It uses the high-temperature waste heat of the exhaust gas manifold 9 for overheating the saturated steam and for quickly bringing about the readiness for operation during warm-up of the internal combustion engine. 2.
  • Control unit of the internal combustion engine 2 is built up in the steam accumulator 20 vapor pressure and vapor mass, as by the operation of the internal combustion engine 1 to an already sufficient exhaust gas temperature and waste heat quantity or thermal energy is available.
  • a quick warm start of the internal combustion engine 2 can also be achieved in a "start-stop" operation by means of the described drive device 1.
  • the steam accumulator 20 also maintains the pressure and temperature of the steam during prolonged operating pauses of the internal combustion engine 2, since the evaporation of the fluid and so that the supply of the steam accumulator 20 with steam operates continuously while the internal combustion engine 2 is running.This also applies if there is no steaming of the exhaust gas turbocharger 7.
  • the admission of the exhaust gas turbocharger 7 is suppressed with steam, as well as during a warm-up phase of the precatalyst warm-running gasoline engines, since temporarily higher exhaust gas temperatures are desired in these phases of operation to the Reheat exhaust after treatment devices 1 1 and 12.
  • the application of superheated steam to the exhaust gas turbocharger 7 would reduce the exhaust gas temperature too far. During these phases, therefore, the cross-section adjustment elements 24 and 27 are closed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung (1), mit einer Aufladevorrichtung (3) zur Erhöhung des Drucks und des Massenstroms der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine (2) und einem Dampferzeuger (18) zur Verdampfung eines Fluids unter Verwendung von dem Abgas der Brennkraftmaschine (2) entnommener thermischer Energie. Dabei ist vorgesehen, dass der Dampferzeuger (18) an einen Dampfspeicher (20) angeschlossen ist und dass die Aufladevorrichtung (3) ein Abgasturbolader (7) ist, dessen Antriebsturbine sowohl mit Abgas als auch mit Dampf aus dem Dampfspeicher (20) zumindest teilweise beaufschlagbar ist, wobei der Dampfdruck und/oder Dampfmassenstrom des dem Abgasturbolader (7) zugeführten Dampfes regelbar und/oder steuerbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Antriebseinrichtunq Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, mit einer Aufladevorrichtung zur
Erhöhung des Drucks und des Massenstroms der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine und einem Dampferzeuger zur Verdampfung eines Fluids unter Verwendung von dem Abgas der Brennkraftmaschine entnommener thermischer Energie.
Stand der Technik
Derartige Antriebseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2006 057 247 A1 eine Aufladeeinrichtung, ins- besondere zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine. In einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine ist mindestens ein Wärmetauscher eines Kreislaufes des Arbeitsmediums untergebracht. Dem mindestens einen Abgaswärmetauscher ist ein Förderaggregat im Kreislauf des Arbeitsmediums vorgeschaltet. Dabei ist vorgesehen, dass der Kreislauf des Arbeitsmediums mindestens einen Turbinenteil enthält, über den mindestens ein im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneter Verdichterteil angetrieben ist. Mit Wärme aus dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine wird somit die Aufladeeinrichtung zur Erhöhung des Drucks in dem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine betrieben. Eine ähnliche Einrichtung ist in der GB 2 060 766 A beschrieben. Die DE 199 39 289 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Aufbereitung von Gasgemischen.
Zur Steigerung des Wirkungsgrads sowie der spezifischen Leistung und der vo- lumetrischen Effizienz von Brennkraftmaschinen ist die Ladeluftverdichtung bei- spielsweise mittels Kolbenverdichtern oder Turbinen bekannt. Die zur Erhöhung des Drucks und Massenstroms benötigte Energie wird dem Abgas der Brenn- kraftmaschine entnommen, indem mittels eines Dampferzeugers Fluid unter Verwendung der thermischen Energie des Abgases verdampft wird. Somit kann wenigstens ein Teil der Energie des einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine durchströmenden Abgases zurückgewonnen werden und zur Erhöhung der Effi- zienz der Brennkraftmaschine verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber weist die Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, dass die Effizienz der Brennkraftmaschine weiter erhöht werden kann, insbesondere durch eine gesteigerte Nutzung der in dem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Energie. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Dampferzeuger an einen Dampfspeicher angeschlossen ist und dass die Aufladevorrichtung ein Abgasturbolader ist, dessen Antriebsturbine sowohl mit Abgas als auch mit Dampf aus dem Dampfspeicher zumindest teilweise beaufschlagbar ist, wobei der Dampfdruck und/oder Dampfmassenstrom des dem Abgasturbolader zugeführten Dampfes regelbar und/oder steuerbar ist. Der Abgasturbolader wird zur Verbesserung des Füllgrads beziehungsweise der vo- lumetrischen Effizienz der Brennkraftmaschine und zur Verringerung der von die- ser während eines Ansaugtakts zu leistenden Saugarbeit verwendet. Diese
Maßnahmen erhöhen im Allgemeinen das Leistungsvermögen und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Der Abgasturbolader weist üblicherweise mindestens eine Antriebsturbine und mindestens einen Luftverdichter auf, wobei die Antriebsturbine den Luftverdichter antreibt. Die Antriebseinrichtung weist ei- nen Abgastrakt und einen Dampfkreislauf auf. Ersterer wird von dem Abgas der
Brennkraftmaschine durchströmt, in letzterem ist der erzeugte Dampf beziehungsweise das Fluid vorgesehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Abgas- turbine zusätzlich zu dem Abgas auch mit Heiß- und/oder Sattdampf zu beaufschlagen. Der Abgastrakt und der Dampfkreislauf können dabei vollständig von- einander getrennt verlaufen, jedoch auch zumindest bereichsweise miteinander verbunden sein, sodass ein Vermengen des Dampfes mit dem Abgas stattfinden kann. Der Dampf wird durch Verdampfung des Fluids mittels des Dampferzeugers unter Verwendung der in dem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen thermischen Energie erzeugt. Dabei ist es nicht notwendig, der Aufladevorrich- tung beziehungsweise dem Abgasturbolader das gesamte Abgas und/oder den gesamten erzeugten Dampf zuzuführen. Vielmehr ist es vorteilhaft, wenn die zu- geführten Anteile des Abgases beziehungsweise des Dampfes einstellbar sind. Besonders vorteilhaft ist es, den gewonnenen Dampf nicht unmittelbar dem Abgasturbolader zuzuführen, sondern zunächst in dem Dampfspeicher zu speichern, um ihn mit Hinblick auf den augenblicklichen Betriebszustand der aufzula- denden Brennkraftmaschine auf gesteuerte und/oder geregelte Weise in den Abgasturbolader einzuleiten. Dazu sieht die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung den Dampfspeicher oder Dampfdruckspeicher (Dampfkessel) vor, aus dem der Dampf zur Beaufschlagung des Abgasturboladers beispielsweise in Gestalt von Sattdampf oder zur Einleitung in einen Überhitzer und anschließender Beauf- schlagung des Abgasturboladers entnommen wird. Das Steuern und/oder Regeln kann stufenlos vorgesehen sein und erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von einem Abgasdruck und/oder einem Abgasmassenstrom.
Der Abgasturbolader wird vor allem mit dem Abgas der Brennkraftmaschine be- trieben. Mit dem erzeugten Dampf ist er jedoch zumindest unterstützend betreibbar. Dieser kann dabei vor allem einer augenblicklichen Ladedrucksteigerung des Abgasturboladers und damit einer schnellen Drehzahl- und/oder Drehmomentsteigerung der Brennkraftmaschine unabhängig von Brennkraftmaschinen- und/oder Abgasturboladerdrehzahl, Ladedruck, Luftmassenstrom in die Brenn- kraftmaschine, Abgasdruck und/oder Abgasmassenstrom dienen. Durch das zusätzliche Zuführen von Dampf wird das üblicherweise träge Ansprechverhalten des Abgasturboladers überwunden, indem die Antriebsturbine des Abgasturboladers sehr schnell beschleunigt wird, sobald eine agile Leistungsentfaltung erforderlich ist. Dies ist insbesondere bei einer Beschleunigung der Brennkraftma- schine unter hoher Drehmomentanforderung aus dem Teillastbereich heraus oder in Überholmanövern mit höheren Geschwindigkeiten - falls die Antriebseinrichtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird - der Fall.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung hat weiterhin den Vorteil, das Abgas der Brennkraftmaschine vor Eintritt in eine Abgasnachbehandlungseinrichtung auf geregelte und/oder gesteuerte Betriebsweise auf den gewünschten Temperaturbereich abkühlen zu können. Dies ist insbesondere bei Otto- Motoren mit Abgas-Spitzentemperaturen von höher als 1000°C vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungseinrichtung notwendig, da die üblicherweise als Abgasnachbehand- lungseinrichtung vorgesehenen 3-Wege- oder NOx-Speicherkatalysatoren in einem Temperaturbereich optimaler Reduktionsraten von 400°C bis 750°C bezie- hungsweise 300°C bis 450°C zu betreiben sind. Weiterhin wird eine Wärmeab- strahlung der Brennkraftmaschine, insbesondere eines Abgaskrümmers, und eines motornahen Abschnitts des Abgastrakts in einen Motorraum hinein verringert. Weiterhin können bei Abgasturboladern mit Stoßaufladung, wie sie bei- spielsweise in langsam und mittelschnell laufenden Dieselmotoren eingesetzt werden, mit dem Dampf der Beaufschlagungsdruck und Abgasmassenstrom der Abgasturbine des Abgasturboladers vergleichmäßigt werden. Dies ist insbesondere bei mehrflutig angeströmten Abgasturboladern möglich. Grundsätzlich sind zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung technisch vorteilhaft: Zum einen in Gestalt eines offenen Dampfkreislaufs, in dem der
Dampf stromaufwärts des Abgasturboladers in den Abgasstrom eingeleitet wird und das Abgas-Dampf-Gemisch ein einziges Turbinenrad zum Antrieb des Luftverdichters beaufschlägt, zum anderen in Gestalt eines vom Abgasstrom getrennten und geschlossenen Dampfkreislaufs, wobei sich der Dampf nicht mit dem Abgas mischt und über ein Dampfturbinenrad strömt, das auf derselben
Welle vorgesehen ist, wie ein Abgasturbinenrad, welches nur mit Abgas angeströmt wird. Abgastrakt und Dampfkreislauf sind also voneinander getrennt. Es kann auch vorgesehen sein, den Dampf nebenflutig zum Abgasstrom in eine Abgasturbine mit zweiflutiger Anströmung des Turbinenrads einzuleiten.
Zur Speicherung des erzeugten Dampfes ist der Dampfspeicher vorgesehen. Nach der Erzeugung des Dampfes mittels des Dampferzeugers wird dieser also nicht sofort dem Abgasturbolader zugeführt, sondern in dem Dampfspeicher zwischengespeichert. Der in dem Dampfspeicher gespeicherte Dampf ist vorzugs- weise ein Sattdampf, der Dampfspeicher kann mithin auch als Sattdampfspeicher oder Sattdampfkessel bezeichnet werden. In dem Dampfspeicher wird der Dampf lediglich zwischengespeichert, es erfolgt keinerlei Entnahme von in dem Dampf enthaltener Energie. Das Speichervermögen des Dampfspeichers ermöglicht ohne mechanische Zusatzaggregate mit rotierenden Elementen und zusätzlichen Trägheitsmomenten ein sehr agiles Ansprechen des Abgasturboladers auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine sowie bei geringen Abgas- und Ladeluftmassenströmen der Brennkraftmaschine. In dem Dampfspeicher stellt sich abhängig von der Temperatur des eingespeisten Dampfs ein Sättigungsdampfdruck ein. Der Dampfspeicher kann fortwährend mit Dampf beschickt wer- den, solange die Brennkraftmaschine mit ausreichend hohen Abgastemperaturen betrieben wird. Vorteilhafterweise ist die Wandung des Dampfspeichers ther- misch isoliert. Vorzugsweise ist sein Fassungsvermögen groß genug, um auch während längerer Betriebsphasen der Brennkraftmaschine mit geringer Leistungsabgabe sowie geringer Abgastemperatur und geringem Abgasmassenstrom ausreichend Dampf vorhalten zu können zum Zweck der raschen Beschleuni- gung der Antriebsturbine. Dies wiederum hat das erwünschte agile Ansprechen des Abgasturboladers beziehungsweise dessen Luftverdichters auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine sowie geringen Abgas- und Ladeluft- massenströmen zur Folge. Weiterhin kann vorgesehen sein, zumindest einen Teil des dem Dampfspeicher entnommenen Dampfes, insbesondere Sattdamp- fes, dem Abgasturbolader unmittelbar zuzuführen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Entnahme der thermischen Energie ein, insbesondere stromabwärts des Abgasturboladers angeordneter, Wärmetauscher vorgesehen ist. Mittels des Wärmetauschers wird dem Abgas thermische Energie entnommen und dem Dampferzeuger zugeführt. Dabei ist es vorteilhaft, den Wärmetauscher derart anzuordnen, dass mit ihm Restenergie entzogen werden kann, die nach einem Durchströmen des Abgasturboladers noch in dem Abgas enthalten ist. Der Wärmetauscher und der Dampferzeuger können auch integriert ausgeführt sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Teil des Dampfes mit dem Abgas stromaufwärts des Abgasturboladers oder in dem Abgasturbolader zusammengeführt ist. Wie bereits vorstehend ausgeführt, können sich Abgastrakt und Dampfkreislauf durchaus zumindest bereichsweise überschneiden. In diesem Bereich wird der Dampf zusammen mit dem Abgas, beispielsweise in einer gemeinsamen Leitung, geführt. Über die gemeinsame Leitung kann das Gemisch aus Abgas und Dampf zusammen dem Abgasturbolader beziehungsweise dessen Antriebsturbine zugeführt werden. Dabei wird das Turbinenrad einflutig durch lediglich eine Düse mit dem Abgas-Dampf-Gemisch beaufschlagt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Zusammenführen von Dampf und Abgas erst innerhalb des Abgasturboladers, jedoch vorzugsweise vor oder in der Antriebsturbine, vorgesehen ist. Durch das Zusammenführen vor beziehungsweise in dem Abgasturbolader wird zum Einen der den Abgasturbolader durchströmende Massenstrom erhöht und gleichzeitig die Temperatur des Abga- ses gesenkt, sofern die Dampftemperatur die Abgastemperatur nicht überschreitet, was insbesondere im Volllastbereich von Otto- und Dieselmotoren der Fall ist, sodass die thermische Belastung des Abgasturboladers verringert werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht einen stromabwärts des Abgasturbola- ders angeordneten Kondensator und/oder Abscheider zur Wiedergewinnung des
Fluids aus dem Abgas vor. Wenn der Dampf mit dem Abgas zusammengeführt ist, ist es sinnvoll, diesen nicht zusammen mit dem Abgas aus der Antriebseinrichtung in eine Umgebung der Antriebseinrichtung abzugeben. Es soll vielmehr das Fluid zu einer erneuten Verwendung aus dem Abgas zurückgewonnen wer- den. Zu diesem Zweck ist der Abscheider und/oder Kondensator vorgesehen. Mit diesem wird das Fluid beziehungsweise das verdampfte Fluid aus dem Abgas abgeschieden, sodass es erneut dem Dampfkreislauf zugeführt werden kann. Somit muss lediglich ein vergleichsweise kleiner Vorrat des Fluids mit der Antriebseinrichtung mitgeführt werden und lediglich von Zeit zu Zeit unvermeidliche Verluste des Fluids ausgeglichen werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Abgasturbolader über mindestens eine Abgasflut und mindestens eine Dampfflut verfügt, welche strömungstechnisch voneinander separiert sind. In einer solchen Ausführungsform ist es also vorgesehen, dass der Dampf nicht mit dem Abgas zusammengeführt, sondern getrennt durch den Abgasturbolader geleitet wird. Zu diesem Zweck sind die mindestens eine Abgasflut und die mindestens eine Dampfflut vorgesehen, in welchen vorzugsweise jeweils ein Turbinenrad angeordnet ist. Das Abgas durchströmt dabei die Abgasflut, der Dampf die Dampfflut. Die Turbinenräder, welche den Fluten zugeordnet sind, sind über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden, die gleichzeitig an den Luftverdichter angeschlossen ist. In diesen Ausführungsformen laufen der Abgastrakt und der Dampfkreislauf vollständig voneinander separiert, der Dampf kommt also zu keinem Zeitpunkt in Kontakt mit dem Abgas. Aus diesem Grund ist auch kein zusätzlicher Abscheider bezie- hungsweise Kondensator notwendig. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Abgas auch bei einer mehrflutigen Ausführung mit dem Dampf zusammengeführt ist. In diesem Fall kann jede Flut auf den jeweiligen Druck beziehungsweise die jeweilige Temperatur des Abgases oder des Dampfes abgestimmt sein. Der Dampf und der Abgasstrom werden bei dieser Ausführungsform bei- spielsweise getrennt voneinander bis unmittelbar vor ein Turbinenrad der Antriebsturbine geführt und unabhängig voneinander durch je eine Dampfdüse und eine Abgasdüse (Heißgasdüse) in den Abgasturbolader eingeströmt, ohne sich vor der Beaufschlagung zu vermischen. Dampfdüse und Abgasdüse können unabhängig voneinander vorteilhaft auf die strömungsmechanischen und thermischen Verhältnisse in dem Abgas und dem Dampf aufgelegt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Abgasflut und die Dampfflut in einem Gehäuse des Abgasturboladers vorgesehen sind. Es ist also ein gemeinsames Gehäuse ausgebildet, welches vorzugsweise alle Fluten des Abgasturboladers aufnimmt. Alternativ könnte jedoch auch jede Flut über ein eigenes Gehäuse verfügen und die den Fluten zugeordneten Turbinenräder lediglich über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sein. In einer Ausführungsform kann eine zweiteilige Antriebsturbine vorgesehen sein. Dazu weist das Gehäuse mindestens eine Abgasströmungskammer auf, die ein Abgasturbinenrad enthält, und eine davon getrennte Dampfströmungskammer, die ein Dampfturbinenrad enthält. Der Dampf und das Abgas beaufschlagen unabhängig voneinander die zweiteilige Antriebsturbine, ohne sich zu vermischen und strömen getrennt voneinander aus dieser ab. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass mehrere Dampffluten vorgesehen sind, der Abgasturbolader also mit mehreren Dampfströmen beaufschlagt wird. Dabei können ein Sattdampfstrom und ein Heiß- dampfstrom vorgesehen sein, die nebenflutig dem Abgasturbolader zugeführt sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antriebsturbine des Abgasturboladers mindestens ein Abgasturbinenrad und mindestens ein Dampfturbi- nenrad aufweist, wobei das Dampfturbinenrad und das Abgasturbinenrad auf einer gemeinsamen Welle vorgesehen sind. Das Abgasturbinenrad ist dabei vorzugsweise der Abgasflut und das Dampfturbinenrad der Dampfflut zugeordnet. Über die gemeinsame Welle wird der Luftverdichter des Abgasturboladers angetrieben.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass strömungstechnisch zwischen dem Dampferzeuger und/oder dem Dampfspeicher und dem Abgasturbolader ein Überhitzer vorgesehen ist. Der Überhitzer wird von Dampf aus dem Dampferzeuger und/oder dem Dampfspeicher durchströmt. Er ist stromaufwärts des Ab- gasturboladers angeordnet. Dabei wird der Dampf, welcher insbesondere als
Sattdampf vorliegt, weiter erhitzt. Der nach dem Überhitzer vorliegende Dampf kann also als Heißdampf bezeichnet werden. Dieser Heißdampf wird anschließend dem Abgasturbolader zugeführt. Dabei kann es durchaus auch vorgesehen sein, dass ein Anteil des dem Abgasturbolader zugeführten Dampfes aus dem Dampfspeicher beziehungsweise dem Dampfkessel und ein weiterer Anteil aus dem Überhitzer stammt. Vorzugsweise sind diese Anteile steuernd und/oder regelnd einstellbar. Auf diese Weise kann die Dampfbeaufschlagung des Abgasturboladers vorteilhaft an die Abgastemperatur sowie den Betriebszustand und die gewünschte Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine angepasst werden. Im geschlossenen Dampfkreislauf kann die das vorstehend beschriebene Dampftur- binenrad beaufschlagende Heiß- und/oder Sattdampfströmung einflutig oder zweiflutig dem Abgasturbolader zugeführt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Überhitzer von einem weiteren, insbesondere stromaufwärts des Turboladers angeordneten, Hochtempera- turwärmetausche mit thermischer Energie beaufschlagbar ist. Der Hochtemperaturwärmetauscher entnimmt wie der Wärmetauscher dem Abgas thermische Energie. Der Ausdruck„Hochtemperaturwärmetauscher" bedeutet dabei lediglich, dass der Temperaturbereich, in welchem der Hochtemperaturwärmetauscher arbeitet, höher ist, als der des Wärmetauschers. Dazu ist es vorteilhaft, wenn der Abgasturbolader an einer Stelle des Abgastrakts angeordnet ist, an welcher das Abgas noch eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Dampfspeicher in einem Abgasführungsrohr angeordnet ist oder dieses umschließt. Das Abgasführungs- rohr ist Bestandteil des Abgastrakts. Das Abgasführungsrohr bezeichnet im Wesentlichen alle (Rohr-)Leitungen, welche von Abgas durchströmt sind. Um zu verhindern, dass der in dem Dampfspeicher bevorratete Dampf abkühlt und somit wieder zu dem Fluid kondensiert, soll der Dampfspeicher vorzugsweise ständig wärmebeaufschlagt sein. Dies wird erreicht, indem der Dampfspeicher im Be- reich des Abgasführungsrohrs angeordnet wird. Dabei kann sowohl eine Anordnung in dem Abgasführungsrohr als auch um das Abgasführungsrohr herum vorgesehen sein. In ersterem Fall ist darauf zu achten, dass der Dampfspeicher dem in dem Abgasführungsrohr strömenden Abgas einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzt. Zu diesem Zweck kann der Dampfspeicher strömungsgünstig ausgestaltet sein. Umschließt der Dampfspeicher das Abgasführungsrohr, so ist es sinnvoll, dass dieses zumindest in diesem Bereich aus gut wärmeleitfähigem Material besteht. Das Abgasführungsrohr kann auch einen Abgaskrümmer umfassen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht einen dem Dampfspeicher zugeordneten Wärmespeicher vor. Der Wärmespeicher kann beispielsweise ein Latentwärmespeichermedium umfassen, dessen Aggregatzustand im Bereich der gewünschten Dampftemperatur von fest nach flüssig wechselt. Auf diese Weise kann die Temperatur des in dem Dampfspeicher vorliegenden Dampfes auch dann auf der gewünschten Temperatur gehalten werden, wenn dem Abgas lediglich wenig thermische Energie entnommen werden kann oder ein Überschuss thermischer
Energie vorliegt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass stromabwärts und/oder stromaufwärts des Dampferzeugers mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrich- tung vorgesehen ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist beispielsweise ein Katalysator oder ein Filter.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung in einer ersten Ausführungsform, wobei ein Dampfkreislauf bereichsweise gemeinsam mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine verläuft und ein Wärme- tauscher stromabwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist,
Figur 2 die aus Figur 1 bekannte Antriebseinrichtung, wobei jedoch der Wärmetauscher stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung ange- ordnet ist,
Figur 3 eine zweite Ausführungsform der Antriebseinrichtung, bei welcher der Dampfkreislauf getrennt von dem Abgastrakt verläuft, der Dampfkreislauf also geschlossen und von dem Abgastrakt getrennt ausgebildet ist, Figur 4 die aus Figur 3 bekannte Antriebseinrichtung, wobei eine Fluidzuführung in einen Dampfspeicher vorgesehen ist,
Figur 5a den Dampfspeicher in einer ersten Ausführungsform, und
Figur 5b den Dampfspeicher in einer zweiten Ausführungsform.
Die Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Antriebseinrichtung 1 mit einer Brennkraftmaschine 2 und einer Aufladevorrichtung 3. Die Aufladevorrichtung 3 verfügt über einen Turbinenteil 4, welche zumindest eine Antriebsturbine aufweist, und einen Verdichterteil 5, die über eine Welle 6 miteinander in Wirkverbindung stehen. Die Aufladevorrichtung 3 ist ein Abgasturbolader 7, dessen Turbinenteil 4 zumindest von Abgas der Brennkraftmaschine 2 durchströmt wird. Mittels eines in dem Turbinenteil 4 vorgesehenen Turbinenrads wird Strömungs- energie des Abgases in mechanische Energie umgewandelt und über die Welle 6 dem Verdichterteil 5 zur Verfügung gestellt. Der Verdichterteil 5 dient wiederum dazu, insbesondere aus einer Umgebung der Antriebseinrichtung 1 stammende, Luft zu komprimieren und somit auf einen höheren Druck zu bringen. Die komprimierte Luft wird anschließend der Brennkraftmaschine 2 zugeführt. Die daraus resultierenden Abgase werden aus Zylindern 8 der Brennkraftmaschine 2 mittels eines Abgaskrümmers 9 zusammengeführt und in einem Abgasführungsrohr 10 abgeleitet. Der Abgaskrümmer 9 ist beispielsweise als Fächerkrümmer ausgebildet. An diesen schließt sich ein Abgassammeirohr 10' an, welches Bestandteil des Abgasführungsrohrs 10 ist. Selbstverständlich kann die Brennkraftmaschine 2 auch mehrere Zylinderbänke aufweisen, in diesem Fall sind sowohl mehrere
Abgaskrümmer 9 als auch Abgassammeirohre 10' beziehungsweise Abgasführungsrohre 10 vorgesehen. Durch das Abgasführungsrohr 10 gelangt das Abgas zumindest in den Turbinenteil 4 der Aufladevorrichtung 3. Stromabwärts der Aufladevorrichtung 3 beziehungsweise des Abgasturboladers 7 sind eine erste Ab- gasnachbehandlungseinrichtung 1 1 und eine zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 seriell angeordnet. Die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 ist dabei ein SCR-Katalysator. Bisher beschriebene abgasführende Teile, wie beispielsweise das Abgasführungsrohr 10, bilden einen Abgastrakt 13, durch welchen das Abgas von der Brennkraftmaschine 2 abgeführt wird. Die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 1 besteht beispielsweise bei einem Dieselmotor aus einem HC-Oxidationskatalysator (DOC) und einem Dieselpartikelfilter (DPF), bei einem Otto-Motor in der Regel aus einem 3-Wege- Katalysator. Die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 kann bei einem Dieselmotor aus einem Reduktions-Katalysator mit vorgelagerter Harnstoff- Dosiervorrichtung beziehungsweise -Einspritzung (SCR), und bei einem, insbesondere direkt einspritzenden, schichtgeladenen Otto-Motor aus einem NOx- Speicherkatalysator (NSC) bestehen. Die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 arbeitet üblicherweise bei niedrigeren Temperaturen als die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 1 und ist daher stromabwärts von dieser angeordnet.
In der Figur 1 ist weiterhin ein Dampfkreislauf 14 dargestellt. In diesem wird Dampf erzeugt, welcher ebenfalls dem Abgasturbolader 7 zuführbar ist. Dabei weisen der Abgastrakt 13 und der Dampfkreislauf 14 einen gemeinsamen Bereich 15 auf, durch welchen der erzeugte Dampf zusammen mit dem Abgas strömt. Der Dampfkreislauf 14 verfügt zunächst über eine Fluidfördereinrichtung 16, beispielsweise eine Pumpe. Diese ist über eine Fluidleitung 17 mit einem Dampferzeuger 18 verbunden und kann diesem Fluid zuführen. Der Dampferzeuger 18 ist zur Verdampfung des zugeführten Fluids vorgesehen. Nachfolgend des Dampferzeugers 18 gelangt der somit erzeugte Dampf über eine Dampfleitung 19 in einen Dampfspeicher 20, in welchem der Dampf bevorratet wird. Der Dampfspeicher 20 weist ein Dampfventil 21 auf, mittels welchem Dampf aus dem Dampfspeicher 20 entlassen werden kann. Auf diese Weise kann der in dem Dampfspeicher 20 vorliegende Dampfdruck geregelt beziehungsweise begrenzt werden.
Der Dampfspeicher 20 ist über eine erste Zuführleitung 22 und eine zweite Zuführleitung 23 mit dem Abgasturbolader 7 verbunden. Über die Zuführleitungen 22 und 23 kann also Dampf in den Abgasturbolader 7 beziehungsweise dessen
Turbinenteil 4 eingebracht werden. Dabei kann der Dampf bereits stromaufwärts des Abgasturboladers 7 mit dem Abgas zusammengeführt oder, wie in der Figur 1 dargestellt, erst in dem Abgasturbolader 7 mit diesem zusammengeführt sein. In der ersten Zuführleitung 22 ist ein Querschnittsverstellelement 24, beispiels- weise ein elektrisch verstellbares Drosselventil, angeordnet. Mit diesem kann die
Menge des von dem Dampfspeicher 20 in den Abgasturbolader 7 eingebrachten Dampfes steuernd und/oder regelnd eingestellt werden. Weil in dem Dampfspeicher 20 so genannter Sattdampf vorliegt, kann die erste Zuführleitung 22 auch als Sattdampfleitung 25 bezeichnet werden. In der zweiten Zuführleitung 23 ist zunächst ein Überhitzer 26 und stromabwärts von diesem ebenfalls ein Querschnittsverstellelement 27 vorgesehen. Mittels des Überhitzers 26 kann Dampf beziehungsweise Sattdampf überhitzt werden, sodass nachfolgend des Überhitzers 26 Heißdampf vorliegt. Mittels des Querschnittsverstellelements 27, welches beispielsweise ebenfalls ein elektrisch einstellbares Drosselventil ist, kann die dem Abgasturbolader 7 durch eine Heißdampfleitung 28 zugeführte Heißdampfmenge steuernd beziehungsweise regelnd eingestellt werden.
Der über die Sattdampfleitung 25 beziehungsweise die Heißdampfleitung 28 in das Abgas eingebrachte Dampf strömt durch den Abgasturbolader 7, die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 1 und 12 und einen Abscheider 29. In dem Abscheider 29 wird dem Gemisch aus Abgas und Dampf der Dampf beziehungsweise das Fluid entzogen und über eine Fluidleitung 30 einer Fluidreinigungsein- richtung 31 , welche beispielsweise einen Filter aufweist, zugeführt. In der Flu- idreinigungseinrichtung 31 wird das Fluid von Verunreinigungen, beispielsweise Schmutzpartikeln, befreit, welche es aus dem Abgas aufgenommen hat. Die Flu- idreinigungseinrichtung 31 kann beispielsweise auch eine Entsäuerungseinrichtung aufweisen. Das mittels der Fluidreinigungseinrichtung 31 gereinigte Fluid wird anschließend wieder der Fluidfördereinrichtung 16 zugeführt. Alternativ kann es auch in einen Vorratsbehälter (nicht dargestellt) gelangen, in welchem es gespeichert wird. Aus dem Vorratsbehälter oder von der Fluidreinigungseinrichtung 31 kann das Fluid mittels der Fluidfördereinrichtung 16 wieder dem Dampferzeuger 18 zugeführt werden. Der Dampferzeuger 18 wird zur Verdampfung des Fluids mit thermischer Energie betrieben, die dem Abgas der Brennkraftmaschine 2 mittels eines Wärmetauschers 32 entnommen ist. Der Wärmetauscher 32 ist dabei in dem Abgastrakt beziehungsweise dem Abgasführungsrohr 10 vorgesehen. Der Überhitzer 26 wird mittels eines Hochtemperaturwärmetauschers 33 mit thermischer Energie versorgt. Der Wärmetauscher 32 ist dabei stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 1 und 12, der Hochtemperaturwärmetausche 33 stromaufwärts (jeweils auf das Abgas bezogen) des Abgasturboladers 7 vorgesehen. Ein Teil des Sattdampfes wird also aus dem Dampfspeicher 20 in den Überhitzer 26 geleitet, der von dem Hochtemperaturwärmetauscher 33 mit thermischer Energie aus dem Abgas versorgt wird. Über das Querschnittsverstellelement 27 gelangt der somit erzeugte Heißdampf zu dem Abgasturbolader 7. Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Heißdampf durch eine eigene Eintrittsmündung nebenflutig in den Turbinenteil 4 einströmt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Turbinenteils 4 umfasst also eine dreiflutige Anströmung eines nicht dargestellten Turbinenrads, welche eine an unterschiedliche Drücke und/oder Temperaturen des Abgases beziehungsweise des Satt- und/oder Heißdampfes angepasste Gestaltung von Eintrittsdüsen ermöglicht. Eine solche mehrflutige Beaufschlagung des Turbinenteils 4 verhindert ein Strömen des Dampfes ausgehend von dem Abgasturbolader 7 in Richtung der Brennkraftmaschine 2. Eine solche Rückströmung könnte eine turbulente Turbinenanströmung verursachen, welche nachteilig für den Wirkungsgrad des Abgasturboladers wäre. Die Verteilung des Dampfes aus dem Dampfspeicher 20 auf die Heißdampfleitung 28 beziehungsweise die Sattdampfleitung 25 wird mittels der Querschnittsverstellelemente 24 und 27, welche beispielsweise als Drosselventile vorliegen, stufenlos eingestellt. Die dem Abgas mittels der Wärmetauscher 32 und 33 entzogene thermische Energie kann außer zum Verdampfen beziehungsweise Überhitzen des Fluids auch für weitere Zwecke eingesetzt werden. Für ein Kraftfahrzeug kann die Energie beispielsweise an eine Unterboden-Luftströmung oder über entsprechende Vorwärmeinrichtungen an einen aufzuwärmenden Fahrgastraum abgegeben werden. Ebenso vorstellbar ist es, die thermische Energie einem Kühlwasser- oder Ölkreislauf der Brennkraftmaschine 2 zur Verfügung zu stellen, sodass diese schneller erwärmt werden können.
Die in der Figur 1 dargestellte Antriebseinrichtung 1 , bei welcher der Wärmetauscher 32 stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 1 und ^ angeordnet ist, kann üblicherweise verwendet werden, wenn die Brennkraftmaschine 2 ein Otto-Motor ist. Für diesen ist es notwendig, die Temperatur der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 12, welche beispielsweise der NOx- Speicherkatalysator ist, auf einer Temperatur größer als 300°C zu halten.
Die Figur 2 zeigt dagegen die aus der Figur 1 bekannte Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in einer Anordnung, wie sie eingesetzt werden kann, wenn die Brennkraftmaschine 2 ein Dieselmotor ist. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, den Wärmetauscher 32 stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 anzuordnen, um den Dampferzeuger 18 mit einer ausreichenden Menge thermischer Energie versorgen zu können. Der häufig als Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 vorgesehene SCR-Katalysator arbeitet dagegen auch bei Temperaturen von etwa 170°C wirksam, und kann daher problemlos stromabwärts des Wärmetauschers 32 angeordnet werden.
Die Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Antriebseinrichtung 1. Diese unterscheidet sich hinsichtlich der Ausführung des Dampfkreislaufs 14 und des Abgasturboladers 7 von der ersten Ausführungsform wie in der Figur 1 gezeigt.
Weitere für die bezüglicher der Figuren 1 und 2 getroffene Aussagen sind daher auch für die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen gültig. Um den in dieser Ausführungsform vorgesehenen, von dem Abgastrakt 13 getrennten Dampfkreislauf 14 zu realisieren, ist zunächst der Turbinenteil 4 mehrflutig (hier: zweiflutig) aufgebaut. Dabei weist er eine Abgasflut 34 und zwei Dampffluten 35
(nicht gesondert dargestellt) auf. Die Abgasflut 34 ist an das Abgasführungsrohr 10 angeschlossen und wird ausschließlich von Abgas durchströmt. Die Dampffluten 35 dagegen werden lediglich von Dampf durchströmt, wobei eine der Dampffluten 35 von der Sattdampfleitung 25 und die andere von der Heißdampfleitung 28 beaufschlagbar ist. Die Fluten 34 und 35 sind also strömungstechnisch voneinander vollständig separiert. Sowohl in der Abgasflut 34 als auch in den Dampffluten 35 ist jeweils ein Turbinenrad vorgesehen, welches von dem Abgas beziehungsweise dem Dampf angetrieben wird. Die Turbinenräder sind über eine gemeinsame Welle 6 mit dem Verdichterteil 5 verbunden. Die Welle 6 ist also sowohl von der Abgasflut 34 als auch der Dampfflut 35 antreibbar. Stromabwärts der Dampffluten 35 des Abgasturboladers 7 ist ein Kondensator 36 vorgesehen, mittels welchem der aus den Dampffluten 35 ausströmender Dampf kondensiert wird, sodass in dem Kondensators 36 das Fluid vorliegt und aus diesem ausbringbar ist. Das Fluid wird in einem Vorratsbehälter 37 gespeichert, aus wel- ehern es mittels der Fluidfördereinrichtung 16 dem Dampferzeuger 18 zugeführt werden kann. Dieser wird, wie bereits anhand von Figur 1 beschrieben, von dem Wärmetauscher 32 - welcher in dem Abgastrakt 13 angeordnet ist - mit thermischer Energie versorgt und dient dazu, das Fluid zu verdampfen. Der erzeugte Dampf wird über die Dampfleitung 19 dem Dampfspeicher 20 zugeführt, aus wel- ehern er über die Zuführleitungen 22 und 23 beziehungsweise die Sattdampfleitung 25 und die Heißdampfleitung 28 dem Abgasturbolader 7 zuführbar ist. Ein- trittsdüsen und Turbinenräder der Dampffluten 35 sind jeweils auf die Eigenschaften des Sattdampfes beziehungsweise Heißdampfes optimiert. Die Eintrittsmündungen der Dampffluten 35 können als Lavaldüsen ausgelegt sein. Eine mehrflutige, insbesondere zweiflutige, Ausführung der Dampffluten 35 verhindert eine Dissipation durch turbulente Mischung von Heiß- und Sattdampf in der Turbineneintrittsströmung. Vorzugsweise sind die Abgasflut 34 und die Dampffluten 35 in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht dargestellt) angeordnet. Bei einem leistungsstarken Otto-Motor, bei welchem eine hohe thermische Abgasenergie zur Verfügung steht, kann in dem Abgasturbolader 7 ein Laval-Turbinenrad ein- gesetzt werden. Der Wärmetauscher 32 kann auch, wie anhand Figur 2 ersichtlich, stromaufwärts zumindest der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 angeordnet sein. Liegt der Dampfkreislauf 14, wie hier, getrennt von dem Abgastrakt 13 vor, so läuft in dem Dampfkreislauf 14 ein Clausius-Rankine- Dampfprozess ab.
Insbesondere bei Otto-Motoren können im Volllastbereich der Brennkraftmaschine 2 hohe Abgastemperaturen oberhalb von 1000°C auftreten, die zu einer thermischen Überbeanspruchung des Abgasturboladers 7 und der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 1 und 12 führen. Dem wird bei herkömmlichen An- triebseinrichtungen 1 mit einer Volllastanfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches begegnet, was eine Verringerung der Abgastemperaturen gegenüber einer stö- chiometrischen Gemischbildung bewirkt. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Temperatur ist in Figur 4 aufgezeigt. In dieser ist die aus der Figur 3 bekannte Antriebseinrichtung 1 gezeigt. Zusätzlich ist es hier jedoch vorgesehen, über eine Frischfluidleitung 38 eine mittels eines Querschnittsverstellelements 39 einstellbare Menge unverdampften Fluids in den Dampfspeicher 20 einzubringen. Vorzugsweise wird das Fluid beim Einbringen in den Dampfspeicher 20 versprüht beziehungsweise vernebelt. Auf diese Weise kann der in dem Dampfspeicher 20 enthaltene Sattdampf angefeuchtet werden, sodass Nassdampf vorliegt. Dieser Nassdampf kann aus dem Dampfspeicher 20 über die erste Zuführleitung 22 beziehungsweise die Sattdampfleitung 25 unmittelbar in den Abgasturbolader 7 einströmen. Der Nassdampf wird in dem Abgasturbolader 7 überhitzt und kühlt ihn dabei ab. Die von dem Nassdampf aufgenommene Wärmemenge entspricht im Wesentlichen der Verdampfungsenthalpie der enthaltenen Flüssigphase, also des über die Frischfluidleitung 38 in den Dampfspeicher 20 eingebrachten Fluids.
Noch vorteilhafter ist es, wenn die Frischfluidleitung 38 und die Querschnittsver- Stelleinrichtung 39 in der Antriebseinrichtung 1 gemäß den Figuren 1 und 2 vorgesehen wird. In diesem kann die Abgastemperatur direkt durch das eingebrachte Fluid abgesenkt werden, sodass die Temperaturbelastung des Abgasturboladers 7 beziehungsweise der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 1 und 12 vermindert wird.
Die Figuren 5a und 5b zeigen jeweils eine Ausführungsform des Dampfspeichers 20. Der Dampfspeicher 20 der Figur 5a ist rohrartig ausgebildet und gemeinsam mit dem Wärmetauscher 32 und dem Dampferzeuger 18 in dem Abgasführungs- rohr 10 angeordnet. Das bedeutet, dass sowohl Dampfspeicher 20 als auch Wärmetauscher 32 von dem Abgas durchströmt werden. Auf diese Weise werden Wärmeverluste des Dampfspeichers 20 herabgesetzt. Ebenso wird kein zusätzlicher äußerer Bauraum im Bereich eines Fahrzeugunterbodens beansprucht. In dem Dampfspeicher 20 kann ein Wärmespeicher 40, welcher insbesondere ein Latentwärmespeichermedium umfasst, vorgesehen sein. Der Aggregatzustand dieses Latentwärmespeichermediums wechselt im Bereich der gewünschten Sattdampftemperatur von fest nach flüssig. Mittels des Dampfventils 21 kann Sattdampf aus dem Dampfspeicher 20 in das Abgasführungsrohr 10 entlassen werden.
Die Figur 5b zeigt eine weitere Ausführungsform des Dampfspeichers 20. In dieser umschließt der Dampfspeicher 20 das Abgasführungsrohr 10, vorzugsweise in einem motornahen Bereich. Dabei ist es auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich der Dampfspeicher 20 auch den Abgaskrümmer 9 zumindest be- reichsweise umfasst. Dazu ist der Dampfspeicher 20 in Verbindung mit dem
Hochtemperaturwärmetauscher 33 und dem Überhitzer 26 vorteilhafterweise als doppelwandiges Formgussteil mit hohem Wärmespeichervermögen ausgebildet. Zusätzlich kann das Formgussteil einen Anbauflansch für die Abgasturbine und einen Abgriff für eine Abgasrückführung, insbesondere eine Hochdruck- Abgasrückführung, vorsehen. In einer Doppelwandung des (Satt-) Dampfspeichers kann wiederum der Wärmespeicher 40 (nicht dargestellt) angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform des Dampfspeichers 20 führt zu einer wesentlichen Verringerung der unerwünschten Wärmeabstrahlung in einem Motorraum der Brennkraftmaschine 2 hinein. Sie nutzt die Hochtemperaturabwärme des Ab- gaskrümmers 9 zur Überhitzung des Sattdampfes und zur schnellen Herbeiführung der Betriebsbereitschaft während eines Warmlaufens der Brennkraftma- schine 2. Wie auch bereits für den Dampfspeicher 20 der Figur 5a wird auch in dieser Ausführungsform kein zusätzlicher Bauraum im Bereich des Fahrzeugunterbodens beansprucht. Für die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Antriebseinrichtung 1 sind vorteilhafte Steuerungs- beziehungsweise Regelungsstrategien beziehungsweise Verfahren zum Betreiben der Antriebseinrichtung 1 vorgesehen. Unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 ist eine schnelle Leistungszunahme der Brennkraftmaschine nicht ratsam; ein elektronisches Steuergerät der Brennkraftmaschine 2 wird aus diesem Grund die Beaufschlagung des Abgasturboladers 7 mit Dampf zur schnellen Beschleunigung und Erhöhung des Ladedrucks deshalb begrenzen oder unterbinden, bis Mechanik, Kühlwasser und Schmieröl der Brennkraftmaschine 2 hinreichend erwärmt sind und die Brennkraftmaschine 2 die plötzliche Leistungszunahme ohne Schädi- gung verkraftet. Bis zur Freigabe der vollen Dampfbeaufschlagung durch das
Steuergerät der Brennkraftmaschine 2 wird in dem Dampfspeicher 20 Dampfdruck und Dampfmasse aufgebaut, da durch das Betreiben der Brennkraftmaschine 1 eine dazu bereits ausreichende Abgastemperatur und Abwärmemenge beziehungsweise thermische Energie verfügbar ist.
Mittels der beschriebenen Antriebseinrichtung 1 lässt sich auch ein schneller Warmstart der Brennkraftmaschine 2 in einem„Start-Stopp"-Betrieb erreichen. Der Dampfspeicher 20 hält auch während längerer Betriebspausen der Brennkraftmaschine 2 Druck und Temperatur des Dampfs aufrecht, da die Verdamp- fung des Fluids und damit die Speisung des Dampfspeichers 20 mit Dampf kontinuierlich arbeitet, solange die Brennkraftmaschine 2 läuft. Dies gilt auch, wenn keine Dampfbeaufschlagung des Abgasturboladers 7 stattfindet. Damit steht fortwährend genügend Dampf bei hohem Druck in dem Dampfspeicher 20 zur Verfügung, um unabhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 und des Abgasturboladers 7 eine sehr schnelle Erhöhung des Ladedrucks und so eine agile Leistungsentfaltung herbeizuführen. Dazu eignet sich insbesondere der Dampfspeicher 20 gemäß den Figuren 5a und 5b, welche dazu vorzugsweise mit dem Wärmespeicher 40 versehen sind. Die sofortige Betriebsbereitschaft der Dampfbeaufschlagung zum Abgasturbolader 7 gewährleistet einen sicheren Schnellstart der Brennkraftmaschine 2, indem der schnelle Ladedruckanstieg für eine guten Zylinderbefüllung und eine Verringerung der Saugarbeit während der Startphase verwendet wird, ohne mechanische oder elektrische Leistung zu beanspruchen, welche von der Brennkraftmaschine 2 zur Verfügung gestellt werden müsste. Ebenso lassen sich eine Abgasnachbehandlung und ein Intervallbetrieb erreichen, insbesondere bei den Ausführungsformen, die anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, also bei solchen mit offenem Dampfkreislauf. Während einer Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 1 und 12, insbesondere eines Dieselpartikelfilters (DPF), wird die Beaufschlagung des Abgasturboladers 7 mit Dampf unterbunden, ebenso während einer Aufwärmphase des Vorkatalysators warmlaufender Otto-Motoren, da in diesen Betriebsphasen vorübergehend höhere Abgastemperaturen erwünscht sind, um die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 1 und 12 aufzuwärmen. Die Beaufschlagung des Abgasturboladers 7 selbst mit Heißdampf würde die Abgastemperatur zu weit senken. Während die- ser Phasen werden also die Querschnittsverstellelemente 24 und 27 geschlossen. Die mittels später Kraftstoff-Nacheinspritzungen (Diesel-Motor) beziehungsweise später Zündungen (Otto-Motor) erhöhte thermische Abgasenergie wird jedoch weiterhin von dem Wärmetauscher 32 und dem Dampferzeuger 18 zur Speisung des Dampfspeichers 20 mit Dampf genutzt. Im Gegensatz dazu muss für die anhand der Figur 3 beschriebene Ausführungsform der Antriebseinrichtung 1 , welche den Abgastrakt 13 und den Dampfkreislauf 14 trennt, die Dampf beaufschlagung des Abgasturboladers 7 nicht unterbrochen werden, auch wenn möglichst hohe Abgastemperaturen der Brennkraftmaschine während einer Regeneration des Dieselpartikelfilters oder einer Aufheizung des 3-Wege- Katalysators erzielt werden sollen.
Mit der beschriebenen Antriebseinrichtung 1 kann auch eine Intervallbeaufschlagung zum Ausgleich von Druckschwankungen in mehrflutig angeströmten Abgasturboladern 7 erreicht werden. Für langsam und mittelschnell laufende Dieselmo- toren in Stationäraggregaten, Lkw und Schiffen wird die strömungsmechanisch günstige Stoßaufladung bevorzugt, die auch in einem unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 2 einen hohen Gasmassenstrom und Ladedruck liefert. Um die ausgeprägten Druckschwankungen auszugleichen, wird in Verbindung mit einem zeitlich hochauflösenden Abgas-Drucksensor (nicht dargestellt) und einem elektronischen Steuergerät über das Querschnittsverstellelement 24, welches in diesem Fall als schnell schaltendes Drosselventil ausgebildet ist, in Pha- sen hohen Abgasdrucks sehr feuchter Nassdampf in den Abgasturbolader 7 eingeleitet. Die Verdampfung der Flüssigphase, das heißt der in dem Dampf enthaltenen Flüssigkeit, senkt Temperatur und Druck der Gasströmung in dem Abgasturbolader 7. Während der Phasen niedrigen Dampfdrucks hingegen wird das Querschnittsverstellelement 24 geschlossen und über das Querschnittsverstellelement 27 trockener Heißdampf aus dem Überhitzer 26 eingeleitet, um den Dampfdruck am Eingang des Abgasturboladers 7 augenblicklich zu erhöhen.

Claims

Ansprüche
Antriebseinrichtung (1 ), mit einer Aufladevorrichtung (3) zur Erhöhung des Drucks und des Massenstroms der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine (2) und einem Dampferzeuger (18) zur Verdampfung eines Fluids unter Verwendung von dem Abgas der Brennkraftmaschine (2) entnommener thermischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampferzeuger (18) an einen Dampfspeicher (20) angeschlossen ist und dass die Aufladevorrichtung (3) ein Abgasturbolader (7) ist, dessen Antriebsturbine sowohl mit Abgas als auch mit Dampf aus dem Dampfspeicher (20) zumindest teilweise beaufschlagbar ist, wobei der Dampfdruck und/oder Dampfmassenstrom des dem Abgasturbolader (7) zugeführten Dampfes regelbar und/oder steuerbar ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Entnahme der thermischen Energie ein, insbesondere stromabwärts des Abgasturboladers (7) angeordneter, Wärmetauscher (32) vorgesehen ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Dampfes mit dem Abgas stromabwärts des Abgasturboladers (7) oder in dem Abgasturbolader (7) zusammengeführt ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stromabwärts des Abgasturboladers (7) angeordneten Kondensator und/oder Abscheider (29) zur Wiedergewinnung des Fluids aus dem Abgas.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (7) über mindestens eine Abgasflut (34) und mindestens eine Dampfflut (35) verfügt, welche strömungsmechanisch voneinander getrennt ausgeführt sind.
6. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasflut (34) und die Dampfflut (35) in einem Gehäuse des Abgasturboladers (7) vorgesehen sind.
7. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsturbine des Abgasturboladers (7) mindestens ein Abgasturbinenrad und/oder mindestens ein Dampfturbinenrad aufweist, wobei das Dampfturbinenrad und das Abgasturbinenrad auf einer gemeinsamen Welle vorgesehen sind.
8. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch zwischen dem Dampferzeuger (18) und/oder dem Dampfspeicher (20) und dem Abgasturbolader (7) ein Überhitzer (26) vorgesehen ist.
9. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzer (27) von einem weiteren, insbesondere stromaufwärts des Abgasturboladers (7) angeordneten, Hochtemperaturwärmetauscher (33) mit thermischer Energie beaufschlagbar ist.
10. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfspeicher (20) in einem Abgasführungsrohr (10) angeordnet ist oder dieses umschließt. 1 1 . Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Dampfspeicher (20) zugeordneten Wärmespeicher (40).
12. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts und/oder stromaufwärts des Dampferzeugers (18) mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (1 1 ,12) vorgesehen ist.
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