AT512073A1

AT512073A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT512073A1
Application number: ATA1539/2011A
Authority: AT
Inventors: Peter Dr Prenninger
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-05-15
Also published as: AT512073B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Einlassstrang (3) und einem Abgasstrang (4), sowie mit zumindest einem Abgasturbolader (6) mit einem Verdichter (5) im Einlassstrang (3), welche mit zumindest einer ersten Abgasturbine (7) im Abgasstrang (4) antriebsverbunden ist. Um auf möglichst einfache und effiziente Weise Abgasrestwärme nutzen zu können, ist vorgesehen, dass im Abgasstrang (4) stromabwärts der ersten Abgasturbine (7) des Abgasturboladers (6) eine zweite Abgasturbine (11) angeordnet ist, und dass eine Druckluftumgehungsleitung (13) vom Einlassstrang (3) stromabwärts des Verdichters (5) des Abgasturboladers (6) abzweigt und zwischen der ersten Abgasturbine (7) und der zweiten Abgasturbine (11) in den Abgasstrang (4) einmündet.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Einlassstrang und einem Abgasstrang, sowie mit zumindest einem Abgasturbolader mit einem Verdichter im Einlassstrang, weiche mit zumindest einer ersten Abgasturbine im Abgasstrang antriebsverbunden ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nutzung der Abgasrestwärme einer Brennkraftmaschine.

Bedingt durch stetige Weiterentwicklungen erreichen Abgasturbolader bereits Wirkungsgrade von bis zu 80%. Dies hat den Nebeneffekt, dass in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine die durch die Abgasturbine des Abgasturboladers erzeugte Leistung den Bedarf des Verdichter zur Erreichung eines gewünschten Kraftstoff/Luft-Verhältnisses übersteigt. Es ist bekannt, den Leistungsüberschuss der Abgasturbine in Form von überschüssigem Abgas über ein sogenanntes "Waste Gate" an der Abgasturbine vorbeizuleiten.

Der relativ hohe Abgasdruck beim Austritt aus der Brennkraftmaschine wird durch die Abgasturbine des Abgasturboladers genutzt, allerdings verbleibt ein sehr großer Anteil an thermischer Energie im Abgas. Somit hat das Abgas nach dem Abgasturbolader zwar einen niedrigen Druck, aber weiterhin eine hohe Temperatur. Diese Energie wurde bisher nur mittels Wärmeübertrager und daran angeschlossene Prozesse genutzt, welche jedoch, bedingt durch die Anzahl der dafür benötigten Komponenten, in Summe einen sehr niedrigen Wirkungsgrad aufweisen.

Die EP 1 916 397 A beschreibt beispielsweise ein Wärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer sogenannten Turbo-Compound-Turbine im Abgasstrang. Stromabwärts der Turbo-Compound-Turbine ist im Abgasstrang ein in einen Kältemittelkreislauf eingebundener Wärmetauscher angeordnet. Das durch die Abgaswärme erhitzte Kältemittel wird in einer Abgasturbine einer zweiten Turbo-Compound-Turbine entspannt und die erzeugte mechanische Arbeit der Brennkraftmaschine zugeführt. Dieser Vorschlag zur Nutzung der Restwärme im Abgas ist relativ aufwändig und benötigt viel Bauraum.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst geringem Aufwand eine effektive Nutzung der Abgasrestwärme zu ermöglichen. 2

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass im Abgasstraoglstcqmabvräiis : ·» «·· ·· ·· ··«· ·· der ersten Abgasturbine des Abgasturboladers eine zweite Abgasturbine angeordnet ist, und dass eine Druckluftumgehungsleitung vom Einlassstrang stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers abzweigt und zwischen der ersten Abgasturbine und der zweiten Abgasturbine in den Abgasstrang einmündet. Vorzugsweise ist die zweite Abgasturbine mit einer elektrischen Maschine antriebsverbunden.

Dabei wird ein Teil der durch den Verdichter komprimierten Ladeluft aus dem Einlassstrang entnommen und dem Abgasstrang stromabwärts der ersten Abgasturbine dem Abgas im Abgasstrang zugemischt und nach Durchmischung mit Abgas der zweiten Abgasturbine im Abgasstrang zugeführt, wobei vorzugsweise die Druckluft in jenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine den Einlassstrang entnommen wird, in welchen die Förderleistung des Verdichters den Luftbedarf der Brennkraftmaschine übersteigt.

Die Abgasturbine des Abgasturboladers erzeugt auch hier in gewissen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine mehr Leistung, als der Verdichter zum Erreichen des gewünschten Kraftstoff/Luftverhältnisses benötigt. Zum Unterschied zu bekannten Anordnungen, bei denen über ein „Waste Gate” das überschüssige Abgas an der Abgasturbine vorbeigeleitet wird, wird bei der vorliegenden Erfindung das gesamte Abgas durch die Abgasturbine geleitet, wodurch somit mehr Luft als nötig durch den Verdichter komprimiert wird. Diese überschüssige Druckluft wird anschließend über die Druckluftumgehungsleitung dem Abgasstrang stromabwärts des Abgasturboladers, vorzugsweise mittels einer Strahlpumpe, zugeführt und dadurch das Druckniveau des Abgases im Abgasstrang angehoben, wobei das Kraftstoff/Luftverhältnis konstant bleibt. Mittels der nachgeschalteten zweiten Abgasturbine, welche eine Restwärmeturbine bildet, wird das erhöhte Druckniveau anschließend in elektrische Energie umgewandelt.

Um das Energieniveau der überschüssigen Druckluft zu heben, ist es vorteilhaft, eine relativ klein dimensionierte erste Abgasturbine einzusetzen, durch welche das durch die Brenn kraftmaschine ausgestoßene Abgas stärker aufgestaut und somit mehr Leistung produziert wird. Somit kann vom Verdichter eine relativ große Luftmenge verdichtet werden, wodurch wiederum mehr Druckluft über die Druckluftumgehungsleitung dem Abgas zugeführt werden kann. Eine Grenze hierbei stellt die Höhe des vor der ersten Abgasturbine erzeugten Staudrucks dar, da sich 3 dieser negativ auf die Ausschiebearbeit der Brennkraftmaihinejurid deskalfcralf*: • t *·· *· ·· ··♦· «· deren Leistung auswirkt. Beispielsweise haben Berechnungen ergeben, dass der Staudruck einen Wert von etwa 4 bar nicht überschreiten sollte, um die Motorleistung nicht zu stark abzusenken.

Um die Restwärmeenergie im Abgasstrang und die Energie der durch die Druckluftumgehungsleitung zuströmenden Druckluft optimal nutzen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Druckluftumgebungsleitung über eine Strahlpumpe in den Abgasstrang einmündet. Derartige Strahlpumpen dienen im wesentlichen dazu, die Druckenergie einer Strömung zu einem großen Teil in kinetische Energie umzuwandeln. Im vorliegenden Fall findet dabei eine Impulsübertragung von der Druckluft auf das Abgas statt. Dadurch kann das Druckniveau des bereits in der ersten Abgasturbine entspannten Abgases in dem Diffusorteil der Strahlpumpe wiederangehoben werden, um dieses anschließend in der zweiten Abgasturbine abzuarbeiten. Die Druckluft strömt dabei mit sehr viel höherer Geschwindigkeit und bei annähernd gleichem Druck wie das Abgas in die Strahlpumpe ein. Beim Zusammentreffen der beiden Medien überträgt sich der Impuls der Druckluft auf das heißere Abgas und beschleunigt dieses somit. Anschließend wird die dadurch erreichte Geschwindigkeit in einem Diffusor in Druck umgewandelt. Die Einströmung der Druckluft in die Strahlpumpe kann über eine Düse und/oder im Bereich einer Querschnittsverminderung erfolgen, wobei stromabwärts der Querschnittsverminderung die Strahlpumpe und/oder die Abgasleitung des Abgasstranges diffusorartig erweitert ist.

Die Druckluftumgehungsleitung kann ein steuerbares Ventil aufweisen, um eine einfache Steuerung bzw. Regelung zu ermöglichen. Es ist auch denkbar, zusätzlich oder alternativ dazu ein Rückschlagventil in der Druckluftumgehungsleitung anzuordnen.

In Weiterführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Abgasstrang und dem Einlassstrang ein Abgasrückführstrang angeordnet ist, welcher vorzugsweise stromaufwärts der ersten Abgasturbine vom Abgasstrang ausgeht und welcher besonders vorzugsweise stromabwärts des Verdichters in den Einlassstrang einmündet (Hochdruck/Hochdruck-Abgasrückführsystem).

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. näher erläutert. 4

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brenpkfeftrnasdijn^ urrcl Mgi 2 ·· ··· ·· «» ···» ·· eine Strahlpumpe der Brennkraftmaschine aus Fig. 1 im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern 2 mit einem Einlassstrang 3 und einem Abgasstrang 4. Im Einlassstrang 3 ist der Verdichter 5 eines Abgasturboladers 6 stromaufwärts eines Ladeluftkühlers 8 angeordnet. Mit Bezugszeichen 9 ist weiters ein Luftfilter und mit Bezugszeichen 10 ein Einlasssammler im Einlassstrang 3 bezeichnet Die im Abgasstrang 4 angeordnete erste Abgasturbine des Abgasturboladers 6 ist mit Bezugszeichen 7 bezeichnet. Stromabwärts der ersten Abgasturbine 7 des Abgasturboladers 6 ist eine zweite Abgasturbine 11 angeordnet, welche mit einer elektrischen Maschine 12 zur Stromerzeugung antriebsverbunden ist. Eine stromabwärts der zweiten Abgasturbine 11 angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung ist mit Bezugszeichen 13 bezeichnet.

Stromabwärts des Verdichters 5 des Abgasturboladers 6 zweigt vom Einlassstrang 3 eine Druckluftumgehungsleitung 13 ab und mündet zwischen der ersten Abgasturbine 7 und der zweiten Abgasturbine 11 in den Abgasstrang 4 ein. Der Durchfluss durch die Druckluftumgehungsleitung 13 kann durch ein Steuerventil 14 gesteuert werden.

Die Druckluftumgehungsleitung 13 mündet im Bereich einer Strahlpumpe 15 in den Abgasstrang 4 ein, Die Einspeisung der Druckluft der Druckluftumgehungsleitung 13 in den Abgasstrang 4 erfolgt dabei über eine Düse 16, wobei im Bereich oder unmittelbar stromabwärts der Einmündungsstelle die Strahlpumpe 15 eine Querschnittsverengung 17 aufweist. An die Querschnittsverengung 17 schließt eine durch einen Diffusor 18 gebildete Querschnittserweiterung an. Mit Bezugszeichen 4a ist eine ebenfalls diffusorartig erweiterte Abgasleitung des Abgasstranges 4 bezeichnet.

In zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 produziert die erste Abgasturbine 7 des Abgasturboladers 6 zum Antrieb des Verdichters 5 mehr Leistung, als der Verdichter 5 zum Erreichen des gewünschten Kraftstoff/Luftverhältnisses benötigen würde. Die überschüssige komprimierte Luft wird durch die Druckluftumgehungsleitung 13 zum Abgasstrang 4 stromabwärts der ersten Abgasturbine 7 zugeführt, wobei das Druckniveau des Abgases gehoben werden kann, während das Verbrennungsluftverhältnis konstant bleibt. Mittels der 5 nachgeschalteten zweiten Abgasturbine 11 (AbgasrestwärfneJ:uri)irje):\yTrd (Jas:**: erhöhte Druckniveau anschließend in elektrische Energie umgewandelt.

Die Vermischung der Druckluft der Druckluftumgehungsleitung 13 mit dem Abgas im Abgasstrang 4 wird über eine sogenannte Strahlpumpe 15 realisiert, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Strahlpumpe 15 übernimmt die Funktion, eine Impulsübertragung von der Druckluft auf das Abgas durchzuführen. Dadurch kann das Druckniveau des bereits in der ersten Abgasturbine 7 entspannten Abgases wieder angehoben werden, um dieses anschließend in der zweiten Abgasturbine 11 abzuarbeiten.

Die Druckluft strömt mit sehr viel höherer Geschwindigkeit und bei annähernd gleichem Druck wiedas Abgas über die Düse 16 in die Strahlpumpe 15 ein. Beim Zusammentreffen der beiden Medien überträgt sich der Impuls der Druckluft auf das Abgas und beschleunigt dieses somit. Anschließend wird die dadurch erreichte Geschwindigkeit im Diffusor 18 in Druck umgewandelt.

Um ein hohes nutzbares Druckniveau zur Verfügung stellen zu können, ist es vorteilhaft, die erste Abgasturbine 7 vergleichsweise klein auszulegen, wodurch das aus der Brennkraftmaschine 1 ausgestoßene Abgas stärker aufgestaut wird und auch mehr Leistung produziert wird. Somit kann vom Verdichter 5 eine relativ große Luftmenge verdichtet werden, wodurch wiederum mehr Druckluft über die Druckluftumgehungsleitung 13 dem Abgas zugeführt werden kann. Eine Grenze hierbei stellt die Höhe des von der ersten Abgasturbine 7 erzeugten Staudrucks dar, da sich dieser negativ auf die Ausschiebearbeit der Brennkraftmaschine 1 und deshalb auf deren Leistung auswirkt. Berechnungen haben ergeben, dass der Staudruck einen Wert von etwa 4 bar nicht überschreiten sollte, um eine zu starke Reduzierung der Motorleistung zu vermeiden.

Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft bei Dieselmotoren, insbesondere bei Großdieselmotoren und Nutzfahrzeugdieselmotoren einsetzen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann die Erfindung auch mit einem Hochdruck/Hochdruck-Abgasrückführsystem 20 kombiniert werden. In Fig. 1 ist dabei mit Bezugszeichen 21 ein Abgasrückführkühier bezeichnet.

Claims

6 «* i ··· i « · PATENTANSPRÜCHE 1. Brennkraftmaschine (1), insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Einlassstrang (3) und einem Abgasstrang (4), sowie mit zumindest einem Abgasturbolader (6) mit einem Verdichter (5) im Einlassstrang (3), welche mit zumindest einer ersten Abgasturbine (7) im Abgasstrang (4) antriebsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (4) stromabwärts der ersten Abgasturbine (7) des Abgasturboladers (6) eine zweite Abgasturbine (11) angeordnet ist, und dass eine Druckluftumgehungsleitung (13) vom Einlassstrang (3) stromabwärts des Verdichters (5) des Abgasturboladers (6) abzweigt und zwischen der ersten Abgasturbine (7) und der zweiten Abgasturbine (11) in den Abgasstrang (4) einmündet.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasturbine (11) mit einer elektrischen Maschine (12) antriebsverbunden ist.
3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftumgehungsleitung (13) über eine Strahlpumpe (15) in den Abgasstrang (4) einmündet.
4. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftumgehungsleitung (13) über eine Düse (16) in die Strahlpumpe (15), vorzugsweise im Bereich oder stromaufwärts einer Querschnittsverminderung (17) des Abgasstranges (4), einmündet.
5. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Querschnittsverminderung (17) die Strahlpumpe (15) und/oder eine Abgasleitung (4a) des Abgasstranges (4) diffusorartig erweitert ist.
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftumgehungsleitung (13) zumindest ein, vorzugsweise steuerbares, Ventil (14) aufweist. 7
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche l:bi$ 6;dädiircb .** :**: gekennzeichnet, dass zwischen Abgasstrang (4) und Einlassstrang (3) ein Abgasrückführstrang (20) angeordnet ist, welcher stromaufwärts der ersten Abgasturbine (7) vom Abgasstrang (4) ausgeht und welcher vorzugsweise stromabwärts des Verdichters (5) in den Einlassstrang (3) einmündet.
8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasturbine (11) als Abwärmeturbine zur Nutzung der Abgasabwärme ausgebildet ist,
9. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abgasstrang (4) und dem Einlassstrang (3) ein Abgasrückführstrang (20) angeordnet ist, welcher vorzugsweise stromaufwärts der ersten Abgasturbine (7) vom Abgasstrang (4) ausgeht und welcher besonders vorzugsweise stromabwärts des Verdichters (5) in den Einlassstrang (3) einmündet
10. Verfahren zur Nutzung der Abgas restwärme bei einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlassstrang (3) und einem Abgasstrang (4), sowie mit zumindest einem Abgasturbolader (6) mit einem Verdichter (5) im Einlassstrang (3), welche durch zumindest eine erste Abgasturbine (7) im Abgasstrang (4) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der durch den Verdichter (5) komprimierten Ladeluft aus dem Einiassstrang (3) entnommen und dem Abgasstrang (4) stromabwärts der ersten Abgasturbine (7) dem Abgas im Abgasstrang (4) zugemischt und nach Durchmischung mit Abgas einer zweiten Abgasturbine (11) im Abgasstrang (4) zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasturbine (11) eine elektrische Maschine (12) zur Stromerzeugung antreibt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) dem Einlassstrang (3) entnommen wird, in welchem die Förderleistung des Verdichters (5) den Luftbedarf der Brennkraftmaschine (1) übersteigt. 8
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadgrcfh gejcerrz^ic+irieti dass bei der Zumischung der Druckluft in das Abgas die kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt wird.

2011 10 20 Fu/St