AT512073B1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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

österreichisches Patentamt AT512 073B1 2013-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Einlassstrang und einem Abgasstrang, sowie mit zumindest einem Abgasturbolader mit einem Verdichter im Einlassstrang, welche mit zumindest einer ersten Abgasturbine im Abgasstrang antriebsverbunden ist wobei im Abgasstrang stromabwärts 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.

[0002] 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 Verdichters 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.

[0003] 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 Wärmeüberträger und daran angeschlossene Prozesse genutzt, welche jedoch, bedingt durch die Anzahl der dafür benötigten Komponenten, in Summe einen sehr niedrigen Wirkungsgrad aufweisen.

[0004] 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.

[0005] Die US 4,404,805 A zeigt in der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante eine Brennkraftmaschine mit einem Einlassstrang, einen Abgasstrang sowie mit einem ersten und einem zweiten Abgasturbolader. Dabei zweigt vom Einlassstrang eine Druckluftumgehungsleitung stromabwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers ab und mündet zwischen den Abgasturbinen der beiden Abgasturbolader in den Abgasstrang ein.

[0006] Die US 4,404,805 A zeigt eine Brennkraftmaschine mit einem einzigen Abgasturbolader, wobei stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers eine Druckluftumgehungsleitung vom Einlassstrang abzweigt und über eine Strahlpumpe in den Abgassammler einmündet, wobei die Strahlpumpe stromabwärts der Abgasturbine des Abgasturboladers aus dem Abgasstrang entnommenes Abgas einströmt.

[0007] Die US 6 324 846 B1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einem Einlassstrang, wobei zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, deren Abgasturbinen im Abgasstrang und deren Verdichter im Einlassstrang hintereinander geschaltet sind. Zwischen Auslassstrang und Einlassstrang ist eine Hochdruck-Abgasrückführleitung vorgesehen. Stromabwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers geht vom Einlassstrang eine Druckluftumgehungsleitung aus, welche zwischen den beiden Abgasturbinen in den Abgasstrang einmündet. Jeder der beiden Abgasturbolader weist einen Generator auf.

[0008] Weiters ist es auch aus der US 2001/035 171 A1 bekannt, stromaufwärts eines Verdichters eines Abgasturboladers von einem Einlassstrang eine Druckluftumgehungsleitung abzuzweigen und zwischen zwei seriell im Abgasstrang angeordnete Abgasturbinen einmünden zu lassen. 1 /6 österreichisches Patentamt AT512 073B1 2013-12-15 [0009] Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst geringem Aufwand eine effektive Nutzung der Abgasrestwärme zu ermöglichen.

[0010] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die zweite Abgasturbine mit einer elektrischen Maschine antriebsverbunden ist und die Druckluftumgehungsleitung über eine Strahlpumpe in den Abgasstrang einmündet, wobei die Druckluftumgehungsleitung über eine Düse in die Strahlpumpe, vorzugsweise im Bereich oder stromaufwärts einer Querschnittsverminderung des Abgasstranges, einmündet und wobei stromabwärts der Querschnittsverminderung die Strahlpumpe und/oder eine Abgasleitung des Abgasstranges diffusorartig erweitert ist.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] Um das Energieniveau der überschüssigen Druckluft zu heben, ist es vorteilhaft, eine relativ klein dimensionierte erste Abgasturbine einzusetzen, durch welche das durch die Brennkraftmaschine 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 dieser negativ auf die Ausschiebearbeit der Brennkraftmaschine und deshalb auf 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.

[0014] Dadurch, dass die Druckluftumgebungsleitung über eine Strahlpumpe in den Abgasstrang einmündet, kann die Restwärmeenergie im Abgasstrang und die Energie der durch die Druckluftumgehungsleitung zuströmenden Druckluft optimal genutzt werden. 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 wieder angehoben 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.

[0015] Die Druckluftumgehungsleitung kann ein steuerbares Ventil aufweisen, um eine einfache Steuerung bzw. Regelung zu ermöglichen. Es ist auch denkbar, zusätzlich oder alternativ dazu 2/6 österreichisches Patentamt AT512 073B1 2013-12-15 ein Rückschlagventil in der Druckluftumgehungsleitung anzuordnen.

[0016] 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).

[0017] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. näher erläutert.

[0018] Es zeigen schematisch [0019] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und [0020] Fig. 2 eine Strahlpumpe der Brennkraftmaschine aus Fig. 1 im Längsschnitt.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] 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 nachgeschalteten zweiten Abgasturbine 11 (Abgasrestwärmeturbine) wird das erhöhte Druckniveau anschließend in elektrische Energie umgewandelt.

[0025] 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.

[0026] Die Druckluft strömt mit sehr viel höherer Geschwindigkeit und bei annähernd gleichem Druck wie das 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. 3/6 österreichisches Patentamt AT512 073 B1 2013-12-15 [0027] 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.

[0028] Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft bei Dieselmotoren, insbesondere bei Großdieselmotoren und Nutzfahrzeugdieselmotoren einsetzen.

[0029] 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 Abgasrückführkühler bezeichnet. 4/6

Claims (4)

1. österreichisches Patentamt AT512 073 B1 2013-12-15 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, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasturbine (11) mit einer elektrischen Maschine (12) antriebsverbunden ist und dass die Druckluftumgehungsleitung (13) über eine Strahlpumpe (15) in den Abgasstrang (4) einmündet, wobei die Druckluftumgehungsleitung (13) über eine Düse (16) in die Strahlpumpe (15), im Bereich oder stromaufwärts einer Querschnittsverminderung (17) des Abgasstranges (4), einmündet und wobei stromabwärts der Querschnittsverminderung (17) die Strahlpumpe (15) und/oder eine Abgasleitung (4a) des Abgasstranges (4) diffusorartig erweitert ist.
2. 2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftumgehungsleitung (13) zumindest ein, vorzugsweise steuerbares, Ventil (14) aufweist.
3. 3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 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.
4. 4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasturbine (11) als Abwärmeturbine zur Nutzung der Abgasabwärme ausgebildet ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6