DE102014201634B4

DE102014201634B4 - Antriebsstrang und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102014201634B4
Application number: DE102014201634.7A
Authority: DE
Inventors: Kai Kamossa; Kurt Adleff
Original assignee: Orcan Energy AG
Current assignee: Orcan Energy AG
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2034-01-31
Also published as: DE102014201634A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Antriebstrangs mit einem Verbrennungsmotor (1), der über eine Antriebswelle (15) Antriebsleistung in den Antriebsstrang einspeist, und einem Turbocompound-System (8), das mittels einer in einem Abgasstrom (4) des Verbrennungsmotors (1) positionierten Nutzturbine (7) Abgasenergie in Antriebsleistung umwandelt und über eine Triebverbindung (13) der Antriebswelle (15) oder einer dieser im Antriebsleistungsfluss folgenden Schnittstelle zuführt,
wobei dem Verbrennungsmotor (1) wenigstens zwei Betriebsbereiche zugeordnet werden, in denen er betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich der zweite Betriebsbereich durch eine höhere Drehzahl der Antriebswelle (15) des Verbrennungsmotors (1) vom ersten Betriebsbereich unterscheidet,
wobei eine Grenzdrehzahl vorgegeben wird, unterhalb von welcher der Verbrennungsmotor (1) im ersten Betriebsbereich mit zugeschaltetem Turbocompound-System (8) arbeitet, und bei oder oberhalb von welcher der Verbrennungsmotor (1) im zweiten Betriebsbereich mit abgeschaltetem Turbocompound-System (8) arbeitet,
wobei eine drehzahlabhängige Schaltvorrichtung vorgesehen ist, welche ein automatisches Abschalten des Turbocompound-Systems (8) bei oder oberhalb der Grenzdrehzahl bewirkt,
wobei das Turbocompound-System (8) durch Umgehen der Nutzturbine (7) mit dem Abgasstrom (4) abgeschaltet wird und der die Nutzturbine (7) umgehende Abgasstrom (4) einem zusätzlichen Abgasenergienutzsystem (21) zugeführt wird, das Abgasenergie in Antriebsleistung umwandelt und abgasstromabwärts zur Nutzturbine (7) positioniert ist,
wobei die Umgehung der Nutzturbine (7) mit dem Abgasstrom (4) in dem zweiten Betriebsbereich durch Schalten eines Abgasbypasses (20) zur Nutzturbine (7) bewirkt wird, und die Schaltvorrichtung den Abgasbypass (20) zur Nutzturbine (7) schaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang beispielsweise eines Nutzfahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach der in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche näher definierten Art.
Herkömmliche Antriebsstränge des gattungsgemäßen Aufbaus werden heutzutage bei Verwendung eines Verbrennungsmotors als Antriebsmotor, beispielsweise Traktionsmotors eines Fahrzeugs, nicht nur mit einer Turboaufladung versehen, sondern zur weiteren Verwertung der im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltene Energie ist zumindest bei Nutzfahrzeugen häufig auch ein sogenanntes Turbocompound-System vorgesehen, welches in der Regel mit seiner Nutzturbine der Abgasturbine des Abgasturboladers im Abgasstrom nachgeordnet ist, sodass die vom Abgasturbolader nicht rückgewonnene Abgasenergie im Turbocompound-System in mechanische Antriebsleistung umgesetzt werden kann, die dann wieder in den Antriebsstrang zurückgeführt wird und sich auf die Antriebsleistung der Antriebswelle des Verbrennungsmotors aufaddiert. Darüber hinaus wurden weitere Abgasenergienutzsysteme vorgeschlagen, welche Abgasenergie in Antriebsleistung umwandeln, beispielweise indem mittels Abgasenergie ein Arbeitsmedium eines Dampfkreislaufes verdampft und in einem Dampfmotor des Dampfkreislaufes unter Verrichtung mechanischer Arbeit expandiert wird. Die Antriebsleistung des Dampfmotors kann dann ebenfalls in den Antriebsstrang rückgeführt werden.
Solche zusätzlichen Abgasenergienutzsysteme bedeuten natürlich bei der Herstellung des Kraftfahrzeugantriebsstrangs einen zusätzlichen Aufwand, sowohl bezüglich des Bauraums als auch bezüglich der Kosten. Auch wirkt sich das Gewicht solcher Systeme negativ auf den Kraftstoffverbrauch des entsprechenden Kraftfahrzeugs aus. Herkömmlich versucht man daher, die Abgasenergienutzsysteme im Hinblick auf ihren Wirkungsgrad derart zu optimieren, dass sie in allen möglichen Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors möglichst optimal mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, um die Nachteile mit Verbrauchseinsparung zu überwiegen. Im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad setzt man ferner jene Systeme, die mit einem vergleichsweisen hohen Wirkungsgrad arbeiten, den Systemen mit einem vergleichsweise geringeren Wirkungsgrad im Abgasstrom des Verbrennungsmotors voraus, was in der Praxis dazu führt, dass beispielweise die Abgasnutzturbine eines Turbocompound-Systems häufig hinter die Abgasturbine eines Turboladers, bei vorsehen eines weiteren Abgasenergienutzsystems, beispielsweise mit einem Dampfmotor, jedoch vor die Schnittstelle im Abgasstrom des Verbrennungsmotors gesetzt wird, an der die Abgasenergie in das weitere Abgasenergienutzsystem überführt wird. Beispielsweise ist diese Schnittstelle der Wärmetauscher beziehungsweise Verdampfer eines Dampfkreislaufs. Dies führt dazu, dass das wirkungsgradschwächere System immer nur die Abgasenergie in Antriebsleistung umwandelt, die vom vergleichsweise wirkungsgradstärkeren System sozusagen übriggelassen wird.
Zum druckschriftlichen Stand der Technik wird auf die WO 2012/110217 A1 verwiesen, gemäß welcher vorgeschlagen wird, die Abgasnutzturbine eines Turbocompound-Systems der Niederdruckturbine eines Turboladers parallel zu schalten, wohingegen die wirkungsgradstärkere Hochdruckstufe des Turboladers der Abgasnutzturbine im Abgasstrom vorgeschaltet ist. Mittels eines Abgasstromverteilers und durch einen Bypass um die Hochdruckturbine des Turboladers können die Abgasströme auf die einzelnen Turbinen gezielt eingestellt werden. Durch eine Erhöhung des durch den Bypass zur Nutzturbine strömenden Anteil des Abgases kann ferner die Abgastemperatur für ein nachfolgendes Abgasnachbehandlungssystem, in welchem Schadstoffe aus dem Abgas ausgetragen werden, erhöht werden.
Die WO 2010/066452 A1 schlägt vor, ein Turbocompound-System im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors hinter einen Turbolader zu schalten und ferner mittels des Turbocompound-Systems einen dem Verdichter des Turboladers im Frischluftstrom vorgeschalteten Verdichter anzutreiben. Zur Optimierung des Wirkungsgrades in allen Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors wird der Füllungsgrad einer hydrodynamischen Kupplung, über welche die Antriebsleistung der Nutzturbine des Turbocompound-Systems auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder die Antriebsleistung von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auf den zusätzlichen Verdichter übertragen wird, gezielt variiert. Ferner wird vorgeschlagen, einen Abgasbypass zur Nutzturbine des Turbocompound-Systems vorzusehen, um gegebenenfalls die Leistung der Abgasnutzturbine reduzieren zu können, um eine Überdrehzahl des zusätzlichen Verdichters oder einen zu hohen Ladedruck zu vermeiden.
DE 10 2007 052 118 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang mit einem Turbocompoundsystem, bei welchem die Drehzahl der Kurbelwelle und das aktuelle Drehmoment des Verbrennungsmotors herangezogen werden, um in einem ersten Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertpaaren die Leistungsübertragung in dem Turbocompoundsystem zu unterbrechen und in einem zweiten Bereich beziehungsweise übrigen Bereich von Drehzahl-Drehmoment-Wertpaaren Antriebsleistung aus der Abgasnutzturbine des Turbocompoundsystems in den Antriebsstrang einzuspeisen. Beide Bereiche erstrecken sich über das gesamte Motordrehzahlfeld des Verbrennungsmotors, sodass bei ausreichend großem Drehmoment das Turbocompoundsystem bei jeglicher Motordrehzahl betrieben wird.
Gemäß der DE 10 2009 033 519 A1 wird ein Antriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Turbocompoundsystem, welches eine Nutzturbine und eine Getriebeeinheit aufweist, dargestellt. Die Getriebeeinheit verbindet hierbei die Nutzturbine mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. Außerdem ist ein Fördermittel zur Förderung von Zuluft zur Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Das Fördermittel ist als Verdrängerlader ausgebildet und der Verdrängerlader ist zum Antrieb mit der Getriebeeinheit des Turbocompoundsystems gekoppelt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen anzugeben, bei welchem der Gesamtwirkungsgrad in einem Lastkollektiv über alle Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors hinweg nochmals erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren und einen Antriebsstrang gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrangs beispielsweise eines Nutzfahrzeugs wie Lastkraftwagens, wobei der Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor aufweist, der über eine Antriebswelle Antriebsleistung in den Antriebsstrang einspeist, ferner ein Turbocompound-System, das mittels einer in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors positionierten Nutzturbine Abgasenergie in Antriebsleistung umwandelt und über eine Triebverbindung, insbesondere mit einer hydrodynamischen Kupplung, der Antriebswelle oder einer dieser im Antriebsleistungsfluss folgenden Schnittstelle zuführt, wird vorgesehen, dass dem Verbrennungsmotor wenigstens zwei Betriebsbereiche zugeordnet werden, in denen er betrieben wird, wobei sich die beiden Betriebsbereiche hinsichtlich der Drehzahl der Antriebswelle unterscheiden, und das Turbocompound-System nur in einem der beiden Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors, vorliegend als erster Betriebsbereich des Verbrennungsmotors bezeichnet, durch Umwandlung von Abgasenergie und Zuführen von Antriebsleistung aus der Nutzturbine in den Antriebsstrang betrieben wird, wohingegen es in dem anderen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors, vorliegend zweiter Betriebsbereich genannt, abgeschaltet wird, insbesondere durch Umgehung der Nutzturbine mit dem Abgasstrom. Zugleich wird vorteilhaft der die Nutzturbine umgehende Abgasstrom einem zusätzlich vorgesehenen Abgasenergienutzsystem zugeführt, welches Abgasenergie in Antriebsleistung umwandelt und im Abgasstrom abwärts zur Nutzturbine positioniert ist. Im Abgasstrom abwärts zur Nutzturbine positioniert bedeutet dabei, dass das zusätzliche Abgasenergienutzsystem auch bei zugeschaltetem Turbocompound-System, das heißt bei einer Durchleitung zumindest eines Teils des Abgasstroms durch die Nutzturbine des Turbocompound-Systems, um mit dieser Antriebsleistung zu erzeugen, mit dem aus der Nutzturbine austretenden Abgas beaufschlagt werden kann, das zusätzliche Abgasenergienutzsystem demnach im Reihe zu der Nutzturbine des Turbocompound-Systems im Abgasstrom beziehungsweise einer Abgasführung des Verbrennungsmotors, die den Abgasstrom führt, angeordnet ist. Dies schließt nicht aus, dass Schaltmöglichkeiten vorgesehen werden, um in anderen Betriebszuständen das zusätzliche Abgasenergienutzsystem nicht mit dem Abgasstrom zu beaufschlagen oder in einem anderen Verhältnis zur Nutzturbine des Turbocompound-Systems zu positionieren, beispielsweise parallel zu dieser.
Besonders günstig wird die Umgehung der Nutzturbine mit dem Abgasstrom in dem zweiten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors durch Schalten eines Abgasbypasses zur Nutzturbine bewirkt, das bedeutet, dass der Abgasstrom anstelle der Durchleitung durch die Nutzturbine vollständig durch den Abgasbypass an der Nutzturbine vorbeigeleitet wird.
Wenn in der Triebverbindung zwischen der Nutzturbine und der Antriebswelle des Verbrennungsmotors oder der Schnittstelle, an welcher die Antriebsleistung der Nutzturbine in den Antriebsstrang aufaddiert zur Antriebsleistung des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, eine hydrodynamische Kupplung vorgesehen ist, deren Arbeitsraum zur Ausbildung einer hydrodynamischen Kreislaufströmung und zur hydrodynamischen Leistungsübertragung mit einem Arbeitsmedium befüllbar ist, so ist es günstig, wenn in dem zweiten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors der Arbeitsraum zur Unterbrechung der Triebverbindung vom Arbeitsmedium entleert wird.
Gemäß der Erfindung unterscheidet sich der zweite Betriebsbereich durch eine höhere Drehzahl der Antriebswelle des Verbrennungsmotors vom ersten Betriebsbereich, wobei eine Grenzdrehzahl vorgegeben wird, unterhalb von welcher der Verbrennungsmotor im ersten Betriebsbereich mit zugeschaltetem Turbocompound-System arbeitet, und bei oder oberhalb von welcher der Verbrennungsmotor im zweiten Betriebsbereich mit abgeschaltetem Turbocompound-System, das heißt insbesondere mit vom Abgas vollständig umgangener Nutzturbine arbeitet. Die Drehzahl der Antriebswelle kann zum Vergleich mit der Grenzdrehzahl direkt erfasst werden oder aus einer oder mehreren andren Größen ermittelt werden. Anstelle der Drehzahl der Antriebswelle kann auch die Drehzahl eines anderen Bauteils, das insbesondere in einer festen Triebverbindung mit der Antriebswelle steht, zur Unterscheidung der Betriebsbereiche herangezogen werden. Gemäß der Erfindung gibt es also im Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors bei vergleichsweise höheren Drehzahlen einen Abschnitt, in welchem das Turbocompound-System nicht betrieben wird, völlig ungeachtet dessen, welches Drehmoment an der Antriebswelle des Verbrennungsmotors anliegt. Da bei diesen vergleichsweise hohen Drehzahlen das Turbocompound-System nie betrieben wird, kann es hinsichtlich seines optimalen Wirkungsgrades und auch hinsichtlich der notwendigen Festigkeit der einzelnen Bauteile für die vergleichsweise kleineren möglichen Drehzahlen konstruiert werden, sodass insbesondere eine kleinere hydrodynamische Kupplung und/oder eine kleinere Nutzturbine im Vergleich zu bisherigen Systemen verwendet werden kann. Der dann im ersten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors mit vergleichsweise kleineren Drehzahlen verbesserte Wirkungsgrad des Turbocompound-Systems und die Abschaltung im zweiten Betriebsbereich führen zu einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad. Auch ist es möglich, den Verbrennungsmotor kurzzeitig bei vergleichsweise höheren Drehzahlen zu betreiben oder in seinem Drehzahlbereich hin zu größeren Drehzahlen auszulegen, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Turbocompound-System mit unerwünscht hohen Drehzahlen beaufschlagt wird.
Insbesondere wird eine drehzahlabhängige Fliehkraftschaltung vorgesehen, welche ein automatisches Abschalten des Turbocompound-Systems nach der genannten Art bei oder oberhalb der Grenzdrehzahl bewirkt. Beispielsweise ist ein Fliehkraftventil vorgesehen, das in Abhängigkeit der Drehzahl, mit welchem es umläuft, den Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung entleert und zugleich eine Öffnung des Bypasses zur Nutzturbine bewirkt, insbesondere mit einem gleichzeitigen Verschließen des Strömungsquerschnittes für den Abgasstrom zur Nutzturbine.
Prinzipiell ist es auch möglich, dass das Turbocompound-System unterhalb einer vorgegebenen zweiten Grenzdrehzahl des Verbrennungsmotors oder der hydrodynamischen Kupplung oder einem anderen in Abhängigkeit hiervon umlaufenden Bauteil abgeschaltet wird. Auch hierbei kann ein entsprechendes Fliehkraftventil verwendet werden.
Besonders günstig ist, wenn das zusätzliche Abgasenergienutzsystem, das abgasstromabwärts der Nutzturbine positioniert ist, auch bei eingeschaltetem Turbocompound-System stets betrieben wird, oder unabhängig von einer Zu- und Abschaltung des Turbocompound-Systems ein- und ausgeschaltet wird beziehungsweise betrieben wird.
Das zusätzliche Abgasenergienutzsystem weist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung einen Dampfkreislauf mit einem im Abgasstrom positionierten Verdampfer und einem Dampfmotor auf, wobei der Verdampfer ein im Dampfkreislauf geführtes Arbeitsmedium, beispielsweise Ethanol oder Wasser, mittels Abgasenergie verdampft und der Dampfmotor das dampfförmige Arbeitsmedium unter Verrichtung mechanischer Arbeit expandiert.
Selbstverständlich können in dem Dampfkreislauf zusätzlich eine Speisepumpe und/oder ein Kondensator und insbesondere weitere Aggregate vorgesehen sein, um einen entsprechenden Dampfkreisprozess, insbesondere nach dem Clausius- Rankine-Prozess oder Kalina-Prozess aufzubauen.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist abgasstromaufwärts zur Nutzturbine des Turbocompound-Systems die Abgasturbine eines Abgasturboladers im Abgasstrom des Verbrennungsmotors positioniert, mittels welcher Abgasenergie zum Antreiben eines Frischluftverdichters zur Turboaufladung des Verbrennungsmotors in Antriebsleistung umgewandelt wird.
Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie Nutzfahrzeug, beispielsweise Lastkraftwagen, zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens weist wenigstens einen Verbrennungsmotor mit einer Antriebswelle auf, der zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang eingerichtet ist. Ferner ist ein Turbocompound-System vorgesehen, umfassend eine in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors positionierte Nutzturbine zur Umwandlung von Abgasenergie in Antriebsleistung, wobei die Nutzturbine in Triebverbindung mit der Antriebswelle oder einer dieser im Antriebsleistungsfluss folgenden Schnittstelle steht oder in eine solche schaltbar ist.
Ferner ist vorteilhaft ein zusätzliches Abgasenergienutzsystem vorgesehen, das stromabwärts zur Nutzturbine im Abgasstrom positioniert ist, was bedeutet, dass zumindest jener Teil des zusätzlichen Abgasenergienutzsystems, der mit dem Abgasstrom beaufschlagt wird, um Energie aus dem Abgas auszuleiten, in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abgasnutzturbine positioniert ist.
Erfindungsgemäß ist eine drehzahlabhängige Schaltung vorgesehen, die eingerichtet ist, um bei einer Grenzdrehzahl der Antriebswelle des Verbrennungsmotors das Turbocompound-System derart zu schalten, dass dieses unterhalb von der Grenzdrehzahl eingeschaltet ist und bei oder oberhalb der Grenzdrehzahl ausgeschaltet ist.
Vorteilhaft ist der Nutzturbine ein Abgasbypass zugeordnet, mittels welcher die Nutzturbine in wenigstens einem ausgewählten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors mit dem Abgasstrom insbesondere vollständig umgehbar ist, wobei der Abgasbypass in einer Abgasführung des Verbrennungsmotors abgasstromabwärts der Nutzturbine, jedoch insbesondere abgasstromaufwärts zu dem zusätzlichen Abgasenergienutzsystem mündet.
Das zusätzliche Abgasenergienutzsystem kann, wie dargestellt, einen ein Arbeitsmedium führenden Dampfkreislauf mit einem im Abgasstrom positionierten Verdampfer und einem Dampfmotor aufweisen, um im Verdampfer das Arbeitsmedium mittels Abgasenergie zu verdampfen und das dampfförmige Arbeitsmedium anschließend im Dampfmotor unter Verrichtung mechanischer Arbeit zu expandieren. Der Dampfmotor ist insbesondere eine Expansionsmaschine mit einem oder mehreren Expansionszylindern, insbesondere mit genau zwei Expansionszylindern.
Günstig ist, wenn eine drehzahlabhängige, insbesondere rein mechanische Fliehkraftschaltung vorgesehen ist, die eingerichtet ist, um bei der Grenzdrehzahl der Antriebswelle des Verbrennungsmotors den Abgasbypass automatisch zur Umgehung der Nutzturbine des Turbocompound-Systems zu schalten. Wie anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt wurde, erfolgt eine Schaltung bei oder oberhalb der Grenzdrehzahl.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine in der Triebverbindung zwischen der Nutzturbine und der Antriebswelle des Verbrennungsmotors beziehungsweise der genannten Schnittstelle vorgesehene hydrodynamische Kupplung mit ihrem Arbeitsraum vom Arbeitsmedium entleerbar, wenn der Bypass zur Nutzturbine geschaltet wird. Beispielsweise ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, mechanische oder elektronische, welche das Entleeren des Arbeitsraumes und das Schalten des Bypasses gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander bewirkt.
Zusätzlich oder alternativ kann in der Triebverbindung ein Freilauf vorgesehen sein, der verhindert, dass Antriebsleistung von der Antriebswelle des Verbrennungsmotors oder der Schnittstelle über die Triebverbindung auf die Nutzturbine übertragen wird, wohingegen er die Antriebsleistungsübertragung in die entgegengesetzte Richtung zulässt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur exemplarisch beschreiben werden.
Es zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang.

In der 1 ist ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor 1, einem diesen nachgeschalteten Wechselgetriebe 2 und vom Verbrennungsmotor 1 über das Wechselgetriebe 2 angetriebenen Antriebsrädern 3 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 erzeugt einen Abgasstrom 4, in dem hintereinander zunächst die Abgasturbine 5 eines Abgasturboladers 6, anschließend die Nutzturbine 7 eines Turbocompound-Systems 8, der Verdampfer 9 eines Dampfkreislaufs 10 und schließlich ein Abgasnachbehandlungssystem 11 positioniert sind. Es ist nicht ausgeschlossen, dass weitere Aggregate im Abgasstrom 4 vorgesehen sind oder gegebenenfalls eine Abgasrückführung auf die Frischluftseite des Verbrennungsmotors 1 ausgeführt wird.
Auf der Frischluftseite des Verbrennungsmotors 1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest der Verdichter 12 des Turboladers 6 positioniert, gegebenenfalls mit einem oder mehreren weiteren vorangestellten und/oder nachgeordneten Verdichtern und/oder Wärmetauschern.
Die Nutzturbine 7 treibt über eine Triebverbindung 13 mit einer hydrodynamischen Kupplung 14 die Antriebswelle 15 des Verbrennungsmotors 1 an. Ferner treibt ein Dampfmotor 16 beispielsweise über das Sekundärrad der hydrodynamischen Kupplung 14 ebenfalls die Antriebswelle 15 des Verbrennungsmotors 1 an. Eine andere mechanische Einbindung der Nutzturbine 7 oder des Dampfmotors 16 ist möglich.
Im Dampfkreislauf 10 ist ferner ein Kondensator 17 positioniert, der aus dem Dampfmotor 16 austretendes Arbeitsmedium kondensiert, gefolgt von einem Sammelbehälter 18 und einer hier vom Dampfmotor 16 angetriebenen Speisepumpe 19.
Aufgrund dessen, dass der Verdampfer 9 der Nutzturbine 7 im Abgasstrom 4 des Verbrennungsmotors 1 nachgeordnet ist, kann im Verdampfer 9 nur die Abgasenergie verwertet werden, die nicht zuvor von der Abgasturbine 5 oder der Nutzturbine 7 aus dem Abgasstrom 4 entzogen wurde. Um nun die Auslegung des Turbocompound-Systems 8 auf einen Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 1 mit vergleichsweise kleinen Drehzahlen beschränken zu können, ist ein Abgasbypass 20 vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom 4 an der Nutzturbine 7 vorbei in den Verdampfer 9 geleitet werden kann. Obwohl grundsätzlich davon auszugehen ist, dass das Abgasenergienutzsystem, vorliegend mit 21 bezeichnet, umfassend den Dampfkreislauf 10 mit den darin angeordneten Aggregaten, einen schlechteren Wirkungsgrad als das Turbocompound-System 8 aufweist, ist es für die erfindungsgemäße Auslegung des Turbocompound-Systems 8 sinnvoll, die Abgasenergie im zusätzlichen Abgasenergienutzsystem 21 anstelle der Verwertung im Turbocompound-System 8 zu verwerten. Die Umschaltung kann beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung 23 erfolgen, die auf einen Drehzahlsensor 22 zurückgreift. Mögliche Positionen für den Drehzahlsensor 22 sind nicht abschließend in der 1 dargestellt, um beispielsweise die Drehzahl der Antriebswelle 15, die der Primärseite oder der Sekundärseite der hydrodynamischen Kupplung 14 oder der Nutzturbine 7 zu erfassen. Zusätzlich oder alternativ könnte auch ein Fliehkraftventil in der Triebverbindung 13 vorgesehen sein, oder ein anderes mechanisches Aggregat, welches die Umschaltung bewirkt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Antriebstrangs mit einem Verbrennungsmotor (1), der über eine Antriebswelle (15) Antriebsleistung in den Antriebsstrang einspeist, und einem Turbocompound-System (8), das mittels einer in einem Abgasstrom (4) des Verbrennungsmotors (1) positionierten Nutzturbine (7) Abgasenergie in Antriebsleistung umwandelt und über eine Triebverbindung (13) der Antriebswelle (15) oder einer dieser im Antriebsleistungsfluss folgenden Schnittstelle zuführt, wobei dem Verbrennungsmotor (1) wenigstens zwei Betriebsbereiche zugeordnet werden, in denen er betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Betriebsbereich durch eine höhere Drehzahl der Antriebswelle (15) des Verbrennungsmotors (1) vom ersten Betriebsbereich unterscheidet, wobei eine Grenzdrehzahl vorgegeben wird, unterhalb von welcher der Verbrennungsmotor (1) im ersten Betriebsbereich mit zugeschaltetem Turbocompound-System (8) arbeitet, und bei oder oberhalb von welcher der Verbrennungsmotor (1) im zweiten Betriebsbereich mit abgeschaltetem Turbocompound-System (8) arbeitet, wobei eine drehzahlabhängige Schaltvorrichtung vorgesehen ist, welche ein automatisches Abschalten des Turbocompound-Systems (8) bei oder oberhalb der Grenzdrehzahl bewirkt, wobei das Turbocompound-System (8) durch Umgehen der Nutzturbine (7) mit dem Abgasstrom (4) abgeschaltet wird und der die Nutzturbine (7) umgehende Abgasstrom (4) einem zusätzlichen Abgasenergienutzsystem (21) zugeführt wird, das Abgasenergie in Antriebsleistung umwandelt und abgasstromabwärts zur Nutzturbine (7) positioniert ist, wobei die Umgehung der Nutzturbine (7) mit dem Abgasstrom (4) in dem zweiten Betriebsbereich durch Schalten eines Abgasbypasses (20) zur Nutzturbine (7) bewirkt wird, und die Schaltvorrichtung den Abgasbypass (20) zur Nutzturbine (7) schaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung als eine drehzahlabhängige, rein mechanisch arbeitende Fliehkraftschaltung vorgesehen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Triebverbindung (13) der Nutzturbine (7) mit der Antriebswelle (15) oder der Schnittstelle eine hydrodynamische Kupplung (14) mit einem zur Leistungsübertragung mit einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum vorgesehen ist, über welche die Antriebsleistung der Nutzturbine (7) in dem ersten Betriebsbereich übertragen wird, und der Arbeitsraum zur Unterbrechung der Triebverbindung (13) in dem zweiten Betriebsbereich vom Arbeitsmedium entleert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung eine Entleerung des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung (14) bewirkt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Abgasenergienutzsystem (21) einen Dampfkreislauf (10) mit einem im Abgasstrom (4) positionierten Verdampfer (9) und einem Dampfmotor (16) aufweist, wobei der Verdampfer (9) ein im Dampfkreislauf (10) geführtes Arbeitsmedium mittels Abgasenergie verdampft und der Dampfmotor (16) das dampfförmige Arbeitsmedium unter Verrichtung mechanischer Arbeit expandiert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass abgasstromaufwärts zu der Nutzturbine (7) eine Abgasturbine (5) eines Abgasturboladers (6) im Abgasstrom (4) des Verbrennungsmotors (1) positioniert ist, mittels welcher Abgasenergie zum Antreiben eines Frischluftverdichters (12) zur Turboaufladung des Verbrennungsmotors (1) in Antriebsleistung umgewandelt wird.
Antriebsstrang zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6; mit einem Verbrennungsmotor (1) mit einer Antriebswelle (15) zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang; mit einem Turbocompound-System (8), umfassend eine in einem Abgasstrom (4) des Verbrennungsmotors (1) positionierten Nutzturbine (7) zur Umwandlung von Abgasenergie in Antriebsleistung, wobei die Nutzturbine (7) in Triebverbindung (13) mit der Antriebswelle (15) oder einer dieser im Antriebsleistungsfluss folgenden Schnittstelle steht oder in eine solche schaltbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass eine drehzahlabhängige Schaltvorrichtung vorgesehen ist, die eingerichtet ist, um bei einer Grenzdrehzahl der Antriebswelle (15) des Verbrennungsmotors (1) das Turbocompound-System (8) derart zu schalten, dass dieses unterhalb von der Grenzdrehzahl eingeschaltet ist und bei oder oberhalb der Grenzdrehzahl ausgeschaltet ist; und der Nutzturbine (7) ein Abgasbypass (20) zugeordnet ist, mittels welchem die Nutzturbine (7) mit dem Abgasstrom (4) umgehbar ist, wobei der Abgasbypass (20) in einer Abgasführung des Verbrennungsmotors (1) abgasstromabwärts der Nutzturbine (7), abgasstromaufwärts zu einem zusätzlichen Abgasenergienutzsystem (21) mündet, und dadurch, dass die drehzahlabhängige Schaltvorrichtung eingerichtet ist, um bei der Grenzdrehzahl der Antriebswelle (15) des Verbrennungsmotors (1) den Abgasbypass (20) automatisch zur Umgehung der Nutzturbine (7) zu schalten.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die drehzahlabhängige Schaltung als Fliehkraftschaltung, rein mechanische Fliehkraftschaltung ausgeführt ist.