DE102016002608A1

DE102016002608A1 - Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102016002608A1
Application number: DE102016002608.1A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Peter Fledersbacher; Jan Gärtner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2016-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (18), wobei eine von Umgebungsluft antreibbare Gasexpansionsturbine (42), wenigstens eine von der Gasexpansionsturbine (42) antreibbare elektrische Maschine (44) und wenigstens ein Wärmetauscher (41, 76) vorgesehen sind, mittels welchem die der Gasexpansionsturbine (42) zuzuführende Umgebungsluft stromauf der Gasexpansionsturbine (42) erwärmbar ist, indem mittels des Wärmetauschers (41, 76) Wärme von dem den Abgastrakt (18) durchströmenden Abgas auf die Umgebungsluft übertragbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, insbesondere Kraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Verbrennungskraftmaschine umfasst einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt. Üblicherweise umfasst die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Brennraum, welcher beispielsweise als Zylinder ausgebildet ist. Im Zuge eines gefeuerten Betriebes der Verbrennungskraftmaschine finden in dem Brennraum Verbrennungsvorgänge statt, in deren Rahmen jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemische verbrannt werden. Daraus resultiert das Abgas, welches aus dem Brennraum aus- und in den Abgastrakt einströmt. Somit wird das Abgas mittels des Abgastrakts von dem Brennraum weggeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb realisierbar ist, sind erfindungsgemäß eine von Umgebungsluft antreibbare Gasexpansionsturbine, wenigstens eine von der Gasexpansionsturbine antreibbare elektrische Maschine und wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen. Mittels des Wärmetauschers ist die der Gasexpansionsturbine zuzuführende Umgebungsluft stromauf der Gasexpansionsturbine erwärmbar, indem mittels des Wärmetauschers Wärme von dem den Abgastrakt durchströmenden Abgas auf die Umgebungsluft übertragbar ist. Die Umgebungsluft zum Antreiben der Gasturbine strömt beispielsweise entlang eines Umgebungsluftpfades, wobei der Wärmetauscher teilweise in dem Umgebungsluftpfad und dabei bezogen auf eine Strömungsrichtung der den Umgebungsluftpfad durchströmenden Luft stromauf des Gasexpansionsturbine angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der Wärmetauscher teilweise in dem Umgebungsluftpfad angeordnet ist. Ferner ist der Wärmetauscher teilweise in dem Abgastrakt angeordnet, sodass der Wärmetauscher beispielsweise von dem den Abgastrakt durchströmenden Abgas und von der den Umgebungsluftpfad durchströmenden Umgebungsluft durchströmbar ist. Dadurch kann über den Wärmetauscher ein Wärmeübergang von dem Abgas an die der Gasexpansionsturbine zuzuführende Umgebungsluft stattfinden, sodass die Umgebungsluft stromauf der Gasexpansionsturbine erwärmt wird. Hierdurch wird die Gasexpansionsturbine mittels der mittels des Wärmetauschers erwärmten Umgebungsluft besonders effektiv angetrieben, wobei zum Antreiben der Gasexpansionsturbine im Abgas enthaltene Wärme, welche ansonsten ungenutzt verloren ginge, genutzt wird.
In der Folge kann die elektrische Maschine besonders effektiv von der Gasexpansionsturbine angetrieben werden. Die elektrische Maschine ist beispielsweise in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betreibbar. In diesem Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine von der Gasexpansionsturbine angetrieben. In dem Generatorbetrieb stellt die elektrische Maschine elektrische Energie beziehungsweise elektrischen Strom bereit, welche beziehungsweise welcher beispielsweise wenigstens einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden kann, um den elektrischen Verbraucher zu betreiben. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, die von der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb bereitgestellte elektrische Energie in einem Energiespeicher wie beispielsweise einer Batterie zu speichern. Da zumindest ein Teil der im Abgas enthaltenen Wärme zum Antreiben der Gasexpansionsturbine und die Gasexpansionsturbine zum Antreiben der elektrischen Maschine genutzt wird, wird im Abgas enthaltene Wärme zum Bereitstellen von elektrischer Energie genutzt, welche beispielsweise für den Betrieb wenigstens eines elektrischen Verbrauchers genutzt werden kann. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb dargestellt werden.
Vorzugsweise ist die Verbrennungskraftmaschine als Ottomotor ausgebildet. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere bei Ottomotoren das Abgas eine sehr hohe Temperatur aufweist und somit sehr hohe Wärmemengen enthält, welche besonders vorteilhaft genutzt werden können, um die Gasexpansionsturbine effektiv und effizient anzutreiben.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere aufgeladene Ottomotoren weitgehend mit stöchiometrischer Verbrennung (λ ≈ 1) betrieben werden und üblicherweise eine Anfettung (λ < 1) erfahren, um die Temperaturen im Abgastrakt, welcher auch als Austrittstrakt bezeichnet wird, bei hohen spezifischen Leistungen des jeweiligen Ottomotors unter zulässigen Bauteiltemperaturen von beispielsweise bis zu 1.050 Grad Celsius zu halten. Eine solche Anfettung geht jedoch mit einer Kraftstoffverbrauchszunahme einher.
Unter einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine ist eine Verbrennungskraftmaschine zu verstehen, welche wenigstens einen Abgasturbolader aufweist. Der Abgasturbolader umfasst eine von dem Abgas antreibbare und in dem Abgastrakt angeordnete Abgasturbine und einen von der Abgasturbine antreibbaren Verdichter zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zum Versorgen wenigstens eines Brennraums der Verbrennungskraftmaschine, mit verdichteter Luft umfasst. Im Rahmen der Einführung von komplexen variablen Abgasturbinen besteht aufgrund der Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit von Verstellmechanismen zunehmend das Bestreben, die Abgastemperatur möglichst unterhalb von 900 Grad Celsius zu halten, wodurch üblicherweise hohe Kühlraten oder eine Zurücknahme der spezifischen Motorleistungen erforderlich ist. Somit kommt es in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, zu Abgastemperaturen von häufig über 800 Grad Celsius, die mit großen Wärmemengen in Verbindung stehen. Die großen Wärmemengen an einer solchen Verbrennungskraftmaschine, welche auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird, führen seit langer Zeit zur Motivation, zumindest einen Teil dieser Wärmemenge und somit die hohen Abgastemperaturen in mechanische Arbeit umzusetzen, was sich besonders vorteilhaft dadurch realisieren lässt, dass ein Gasturbinenprozess, vorzugsweise mit einer weiteren Verfeinerung der Motorthermodynamik, zum Einsatz kommt. In der Folge kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden.
Die erfindungsgemäße Gasexpansionsturbine nützt als Prozessmedium Umgebungsluft, die mit Wärmemengen aus dem Abgas über den Wärmetauscher versorgt und dadurch erwärmt wird, wobei dann die aus der Strömungsenergie transformierte mechanische Arbeit der Gasexpansionsturbine durch eine vorzugsweise direkte Kopplung mit der als elektrischer Generator fungierenden elektrischen Maschine als elektrische Energie einem Energiespeicher und/oder direkt wenigstens einem elektrischen Verbraucher zugutekommt. Kern dabei ist die vorzugsweise als hochdrehender elektrischer Generator ausgebildete elektrische Maschine, deren Läufer beispielsweise direkt auf der Welle des Läufers der Gasexpansionsturbine fixiert ist. Die Auslegungsdrehzahlen der elektrischen Maschine beziehungsweise des Läufers der Gasexpansionsturbine bewegen sich in Abhängigkeit von den an die Gasturbine übertragenen Auslegungswärmemengen des Abgases der Verbrennungskraftmaschine stromauf der Gasexpansionsturbine beziehungsweise nach einem der Gasexpansionsturbine vorgeschalteten Verdichter, welcher auch als Gasturbinenverdichter bezeichnet wird, wobei sich bei herkömmlichen Gasturbinen im Bereich des Gasturbinenverdichters üblicherweise eine Brennkammer befindet. Die oberen Auslegungsdrehzahlen von bis zu 200.000 Umdrehungen pro Minute bei geringeren Wärmemengen und die unteren Auslegungsdrehzahlen von bis zum 80.000 Umdrehungen pro Minute bei relativ großen Wärmemengen decken weitgehend den praktischen Bereich der wesentlichen Motorgrößen für die optimale Gasturbinenauslegung hinsichtlich ihrer günstigen spezifischen Drehzahlen über 0.25 für hohe Komponentenwirkungsgrade von Gasturbinenverdichter und Gasexpansionsturbine ab. Hierbei würde man das Auslegungsrückverhältnis des Gasturbinenverdichters unterhalb 3 und insbesondere in dem Bereich um den Wert 2,5 wählen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt, mit einer von Umgebungsluft antreibbaren Gasexpansionsturbine, mit wenigstens einer von der Gasexpansionsturbine antreibbaren elektrischen Maschine und mit wenigstens einem Wärmetauscher, mittels welchem die der Gasexpansionsturbine zuzuführende Umgebungsluft stromauf der Gasexpansionsturbine erwärmbar ist, indem mittels des Wärmetauschers von dem den Abgastrakt durchströmenden Abgas auf die Umgebungsluft übertragbar ist;
2 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer vierten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer fünften Ausführungsform;
6 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer Turbineneintrittstemperatur der Gasexpansionsturbine;
7 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer von der elektrischen Maschine bereitstellbaren elektrischen Leistung;
8 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer Wärmeübertragung auf die Umgebungsluft über den Wärmetauscher;
9 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines thermischen Wirkungsgrads; und
10 eine schematische Darstellung eines Kennfelds eines der Gasexpansionsturbine vorgeschalteten Verdichters.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein Zylindergehäuse 12, durch welches eine Mehrzahl von Brennräumen in Form Zylindern 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Insbesondere ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als Ottomotor ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 16, mittels welchem die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft in den Zylinder 14 geführt wird. Den Zylindern 14 werden die Luft und Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt, sodass im jeweiligen Zylinder 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 18, mittels welchem das Abgas von den Zylindern 14 abgeführt wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine, insbesondere als aufgeladener Ottomotor, ausgebildet. Hierbei umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Abgasturbolader 20, welcher eine in dem Abgastrakt 18 angeordnete und von dem den Abgastrakt 18 durchströmenden Abgas antreibbare Abgasturbine 22 umfasst. Die Abgasturbine 22 umfasst ein von dem Abgas antreibbares Turbinenrad 24. Der Abgasturbolader 20 umfasst ferner einen in dem Ansaugtrakt 16 angeordneten Verdichter, welcher vorliegend als Turboverdichter 26 bezeichnet wird. Der Turboverdichter 26 ist von der Abgasturbine 22 antreibbar. Hierzu umfasst der Turboverdichter 26 ein Verdichterrad 28. Der Abgasturbolader 20 umfasst eine Welle 30, mit welcher das Turbinenrad 24 und das Verdichterrad 28 drehfest verbunden sind. Dadurch ist das Verdichterrad 28 über die Welle 30 von dem Turbinenrad 24 antreibbar, sodass im Abgas enthaltene Energie zum Antreiben des Verdichterrads 28 und somit zum Verdichten der den Ansaugtrakt 16 durchströmenden Luft genutzt wird. Die mittels des Turboverdichters 26 verdichtete Luft wird mittels des Ansaugtrakts 16 in den Zylinder 14 eingeführt.
Stromauf des Verdichterrads 28 weist die Luft einen Druck P1 auf. Durch das Verdichten der Luft wird die Luft auf einen gegenüber dem Druck P1 höheren Druck P2 verdichtet. Ferner wird die Luft durch das Verdichten erwärmt. Um dennoch hohe Aufladegrade zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 16 stromab des Turboverdichters 26 ein Ladeluftkühler 32 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird.
Die Luft weist den Druck P2 stromab des Verdichterrads 28 und stromauf des Ladeluftkühlers 32 auf. Stromab des Ladeluftkühlers 32 und stromauf einer in dem Ansaugtrakt 16 angeordneten Drosselklappe 34 weist die Luft einen Druck P2a auf. Die Drosselklappe 34 wird genutzt, um eine den Ansaugtrakt 16 durchströmende Menge der Luft einzustellen. Stromab der Drosselklappe 34 weist die Luft einen Druck P2s auf, mit welchem die Luft in den Zylinder 14 einströmt. Die Luft P2s wird auch als Ladedruck bezeichnet.
Stromab der Zylinder 14 und stromauf des Turbinenrads 24 weist die Luft einen Druck P3 auf. Mittels der Abgasturbine 22, insbesondere mittels des Turbinenrads 24, wird die Luft expandiert, sodass die Luft stromab des Turbinenrads 24 und stromauf einer in dem Abgastrakt 18 angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 einen gegenüber dem Druck P3 geringeren Druck P4 aufweist. Die Drosselklappe 34 ist stromab des Ladeluftkühlers 32 und stromauf des Zylinders 14 angeordnet.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 ist in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 18 stromab des Turbinenrads 24 angeordnet und dient dazu, das Abgas nachzubehandeln. Stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 weist das Abgas einen Druck P5 auf, welcher dem Umgebungsdruck entspricht. Ferner entspricht der Druck P1 dem Umgebungsdruck.
Die Abgasturbine 22 ist vorliegend als variable Turbine ausgebildet und weist demzufolge beispielsweise eine variable Turbinengeometrie (VTG) auf. Dabei umfasst die Abgasturbine 22 eine Stelleinrichtung 38, mittels welcher die Geometrie der Abgasturbine 22 einstellbar ist. Insbesondere ist mittels der Stelleinrichtung 38 ein von dem Abgas durchströmbarer, effektiver Strömungsquerschnitt der Abgasturbine 22 einstellbar.
Um nun einen besonders effizienten und somit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb zu realisieren, sind eine Gasturbine 40 und ein Wärmetauscher 41 vorgesehen. Die Gasturbine 40 umfasst eine Gasexpansionsturbine 42, welche von Umgebungsluft antreibbar ist. Ferner ist eine von der Gasexpansionsturbine 42 antreibbare elektrische Maschine 44 vorgesehen. Die elektrische Maschine 44 ist beispielsweise in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betreibbar. In dem Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine 44 von der Gasexpansionsturbine 42 angetrieben, sodass mittels des Generators von der Gasexpansionsturbine 42 bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Maschine 44 stellt somit in ihrem Generatorbetrieb elektrische Energie beziehungsweise elektrischen Strom bereit, welche beziehungsweise welcher wenigstens einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden kann, um den elektrischer Verbraucher zu betreiben. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die von der elektrischen Maschine 44 in ihrem Generatorbetrieb bereitgestellte elektrische Energie in einem elektrischen Energiespeicher wie beispielsweise einer Batterie zu speichern.
Um einen besonders effektive und effizienten Betrieb der Gasturbine 40 beziehungsweise der Gasexpansionsturbine 42 zu realisieren, ist die der Gasexpansionsturbine 42 zuzuführende Umgebungsluft stromauf der Gasexpansionsturbine 42 mittels des Wärmetauschers 41 erwärmbar, indem mittels des Wärmetauschers 41 Wärme von dem den Abgastrakt 18 durchströmenden Abgas auf die der Gasexpansionsturbine 42 zuzuführende Umgebungsluft übertragbar ist.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Bei dieser ersten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 41 bezogen auf die Strömungsrichtung des den Abgastrakt 18 durchströmenden Abgases stromab der Abgasturbine 22, insbesondere stromab des Turbinenrads 24, angeordnet, wobei der Wärmetauscher 41 bei der ersten Ausführungsform stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 in dem Abgastrakt 18 angeordnet ist.
Die der Gasexpansionsturbine 42 zuzuführende Umgebungsluft strömt entlang eines Umgebungsluftpfades. Mit anderen Worten durchströmt die der Gasexpansionsturbine 42 zuzuführende Umgebungsluft den Umgebungsluftpfad, wobei der Wärmetauscher 41 teilweise in dem Umgebungsluftpfad angeordnet ist. Dabei ist der Wärmetauscher 41 bezogen auf die Strömungsrichtung der den Umgebungsluftpfad durchströmenden Umgebungsluft stromauf der Gasexpansionsturbine 42 angeordnet, sodass die der Gasexpansionsturbine 42 zuzuführende Umgebungsluft mittels des Wärmetauschers 41 erwärmt werden kann, bevor die Umgebungsluft die Gasexpansionsturbine 42 antreibt. Dadurch kann im Abgas enthaltene Wärme genutzt werden, um die Gasexpansionsturbine 42 effektiv anzutreiben, sodass wiederum die elektrische Maschine 44 in ihrem Generatorbetrieb effektiv von der Gasexpansionsturbine 42 angetrieben werden kann.
Die Gasturbine 40 umfasst einen der Gasexpansionsturbine 42 vorgeschalteten Verdichter 46, mittels welchem die der Gasexpansionsturbine 42 zuzuführende Luft stromauf der Gasexpansionsturbine 42 verdichtet wird. Dies bedeutet, dass der Verdichter 46 bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch den Umgebungsluftpfad stromauf der Gasexpansionsturbine 42 angeordnet ist. Dabei ist der teilweise in dem Umgebungsluftpfad angeordnete Wärmetauscher 41 stromauf der Gasexpansionsturbine 42 und stromab des Verdichters 46 angeordnet. Dadurch wird die mittels des Verdichters 46 verdichtete, dadurch erwärmte und der Gasexpansionsturbine 42 zuzuführende Luft stromauf der Gasexpansionsturbine 42 mittels des Wärmetauschers 41 erwärmt, wobei zum Erwärmen der verdichteten Umgebungsluft Wärme aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 genutzt wird. Durch das mittels des Wärmetauschers 41 bewirkte Erwärmen der Umgebungsluft weist die Umgebungsluft in dem Umgebungsluftpfad stromab des Wärmetauschers 41 und stromauf der Gasexpansionsturbine 42 eine Temperatur T3t auf, wobei diese Temperatur T3t als Turbineneintrittstemperatur der Gasexpansionsturbine 42 bezeichnet wird.
Aus 1 ist erkennbar, dass die Gasturbine 40 einen offenen Luft-Kreislauf aufweist. Wie aus 1 ferner erkennbar ist, wird die Umgebungsluft, das heißt Luft aus der Umgebung zunächst dem Verdichter 46 zugeführt, sodass die Umgebungsluft mittels des Verdichters 46 verdichtet wird. Dann strömt die den Umgebungsluftpfad durchströmende Umgebungsluft durch den Wärmetauscher 41 und wird mittels des Wärmetauschers 41 erwärmt, woraufhin die Umgebungsluft durch die Gasexpansionsturbine 42 strömt und die Gasexpansionsturbine 42 antreibt. Stromab der Gasexpansionsturbine 42 wird die Umgebungsluft beispielsweise in den Abgastrakt 18 eingeleitet. Dabei wird die Umgebungsluft stromab der Gasexpansionsturbine 42 an einer Stelle in den Abgastrakt 18 eingeleitet, wobei diese Stelle bezogen auf die Strömungsrichtung des den Abgastrakt durchströmenden Abgases stromab des Wärmetauschers 41 angeordnet ist. Beispielsweise weist die dem Verdichter 46 zuzuführende Luft einen Massenstrom von 0,2 Kilogramm pro Sekunde auf. Mit anderen Worten wird die Umgebungsluft dem Verdichter 46 beispielsweise mit einem Massenstrom von 0,2 Kilogramm pro Sekunde zugeführt.
Ferner ist es möglich, die elektrische Maschine 44 in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor zu betreiben. Hierfür wird der elektrischen Maschine 44 elektrische Energie, beispielsweise aus dem Energiespeicher, zugeführt. Somit kann die elektrische Maschine 44 beispielsweise als Startermotor genutzt werden, um den Gasturbinenprozess zu starten. Beispielsweise wird die Gasturbine 40 gemäß des Joule-Prozesses betrieben, wobei die Gasturbine 40 zur Wärme-Rekuperation genutzt wird. Im Rahmen der Wärme-Rekuperation wird im Abgas enthaltene Energie genutzt, um elektrische Energie bereitzustellen.
Um das Abgas besonders vorteilhaft nachzubehandeln, umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 beispielsweise einen 3-Wege-Katalysator und gegebenenfalls einen Partikelfilter. Der Wärmetauscher 41 dient der thermischen Ankopplung der Gasturbine 40 an das Abgas und somit an den Kreisprozess der beispielsweise als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10. Die Umgebungsluft wird als Prozessluft oder Prozessgas der Gasturbine 40 genutzt. Dabei führt der Wärmetauscher 41 einen Wärmetransport aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 hin zur Prozessluft des offenen Joule-Prozesses der Gasturbine 40 durch. Wo bei herkömmlichen Gasturbinen eine Brennkammer zwischen dem als Gasturbinenverdichter ausgebildeten Verdichter 46 und der Gasexpansionsturbine 42 angeordnet ist, wird bei der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 1 Wärme vom Abgas auf die Prozessluft übertragen, wodurch eine Temperaturerhöhung der Prozessluft über den Wärmetauscher 41 bewerkstelligt wird.
Die sehr einfache Schaltung der Gasturbine 40 umfasst also den Verdichter 46, welcher die Umgebungsluft ansaugt und auf einen Prozessdruck komprimiert. Ferner umfasst die einfache Schaltung die Wärmezuführung über den Wärmetauscher 41 stromab des Verdichters 46 und stromauf der Gasexpansionsturbine 42. Ferner umfasst die Schaltung die Gasexpansionsturbine 42, in welcher die mittels des Verdichters 46 komprimierte und mittels des Wärmetauschers 41 aufgeheizte Umgebungsluft wieder auf Umgebungsdruck expandiert wird.
Die Gasexpansionsturbine 42 umfasst wenigstens ein Turbinenrad 48, welches mit einer Welle 50 drehfest verbunden ist. Dadurch wird die Welle 50 von dem Turbinenrad 48 angetrieben. Aus 1 ist erkennbar, dass die elektrische Maschine 44, insbesondere ihr Rotor, auf der Welle 50 der Gasexpansionsturbine 42 angeordnet ist. Die elektrische Maschine 44 umfasst beispielsweise einen Stator und den um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor, welcher auf der Welle 50 angeordnet und beispielsweise drehfest mit der Welle 50 verbunden ist. Die elektrische Maschine 44 befindet sich somit auf der als Läuferwelle ausgebildeten Welle 50 und transformiert den Leistungsüberschuss der Gasexpansionsturbine 42 gegenüber dem Verdichter 46 und gegenüber Lagerverlusten in einen elektrischen Stromfluss beziehungsweise in elektrische Leistung Pel, die beispielsweise durch einen Energiespeicher und/oder wenigstens einen Verbraucher aufgenommen wird.
Zum Starten der Gasturbine 40 wird die elektrische Maschine 44 auf der Läuferwelle in einen Startermodus geschaltet. Der Startermodus entspricht dem Motorbetrieb, in welchem die elektrische Maschine 44 als Elektromotor betrieben wird. Hierdurch wird die Gasexpansionsturbine 42 von der elektrischen Maschine 44 angetrieben, wodurch die Gasexpansionsturbine 42 beziehungsweise die Gasturbine 40 insgesamt in ihrer Drehzahl hochlaufen kann und beim Erreichen und Überschreiten der notwendigen Turbineneintrittstemperatur T3t der Prozessluft zur Leistungsabgabe fähig wird.
6 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 52 das Verdichterdruckverhältnis der Gasturbine 40 aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 54 des Diagramms die Turbineneintrittstemperatur T3t in Grad Celsius aufgetragen ist. Dabei zeigt 6 die Abhängigkeit der notwendigen Turbineneintrittstemperatur T3t vom Verdichterdruckverhältnis π_V und, dem Wirkungsgrad η_V des Verdichters 46 und von dem Komponentenwirkungsgrad η_T der Gasexpansionsturbine 42 als Isolinien 56, die zum Leistungspunkt P_el = 0 Kilowatt ohne Leistungsabgabe eines Freiläufers führen.
7 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 58 das Verdichterdruckverhältnis der Gasturbine 40 aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 60 die elektrische Leistung Pel aufgetragen ist. Dabei ist beispielsweise die Turbineneintrittstemperatur T3t konstant, und der Luftmassendurchsatz beträgt 200 Gramm pro Sekunde. Mit NP ist der Nennpunkt bezeichnet. 8 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 62 das Verdichterdruckverhältnis der Gasturbine 40 aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 64 die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Prozessluft aufgetragen ist. Auch für das in 8 gezeigte Diagramm gilt, dass die Turbineneintrittstemperatur T3t konstant ist und der Luftmassendurchsatz 200 Gramm pro Sekunde beträgt. Ferner zeigt 9 ein Diagramm, auf dessen Abszisse 66 das Verdichterdruckverhältnis der Gasturbine 40 aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 68 der thermische Wirkungsgrad aufgetragen ist. Auch für das in 9 gezeigte Diagramm gilt, dass die Turbineneintrittstemperatur T3t konstant ist und der Luftmassendurchsatz 200 Gramm pro Sekunde beträgt.
Zum thermischen Wirkungsgrad η_th ist zu bemerken, dass die Größenordnung von 4 bis 5 Prozent des Joule-Prozesses als relativ niedrig erscheint. Wenn man jedoch die Vorrichtung der einfachen Gasturbine 40 mit der Vorrichtung des Rankine-Prozesses vergleicht, der vom theoretischen Wirkungsgrad den Joule-Prozess mindestens um den Faktor 2 überlegen ist, so zeigt sich anhand der günstigen Wirkungsgrade der Gasturbinenkomponenten bei den gut handhabbaren Massenströmen von circa 80 bis 300 Gramm pro Sekunde und den relativ geringen Druckverhältnissen, das sich in der Realität eine Annäherung der realen Wirkungsgrade beider Kreisprozesse ergibt, wobei sich auch die Entwicklungszeiten der Gasturbine und deren Kostenaufwand aufgrund des vorhandenen Know-hows aus der Abgasturboladertechnik als Massenprodukt als sehr attraktiv für eine Verwirklichung in größerem Maßstab anbietet.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Bei der zweiten Ausführungsform ist zusätzlich ein zweiter Wärmetauscher 70 vorgesehen, welcher bezogen auf den Umgebungsluftpfad stromab des Verdichters 46 und stromauf des ersten Wärmetauschers 41 und bezogen auf den Abgastrakt 18 stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 und insbesondere stromab des ersten Wärmetauschers 41 angeordnet ist. Mittels des Wärmetauschers 70 kann somit Wärme, die das Abgas an einer stromab des Wärmetauschers 41 angeordneten Stelle aufweist, genutzt werden, um die Umgebungsluft stromab des Verdichters 46 und stromauf des Wärmetauschers 41 beispielsweise auf einer ersten Stufe zu erwärmen. Mittels des Wärmetauschers 41 wird dann die Umgebungsluft auf einer zweiten Stufe nochmals erwärmt. Mittels des zweiten Wärmetauschers 70 ist somit eine Vorwärmung der Umgebungsluft vor dem als Hauptwärmetauscher fungierenden Wärmetauscher 41 bewirkbar.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Im Vergleich zur zweiten Ausführungsform ist ein dritter Wärmetauscher 72 vorgesehen, welcher bezogen auf den Umgebungsluftpfad stromab des Wärmetauschers 41 angeordnet ist. Bezogen auf den Abgastrakt 18 ist der dritte Wärmetauscher 72 in einer Umgehungsleitung 74 angeordnet, über welche das Turbinenrad 24 von Abgas zu umgehen ist. In der Umgehungsleitung 74 ist ein Ventilelement 75 angeordnet, mittels welchem eine die Umgehungsleitung 74 durchströmende Menge des Abgases einstellbar ist. Die Umgehungsleitung 74 ist an einer Abzweigstelle A und an einer Einleitstelle E fluidisch mit dem Abgastrakt 18 verbunden, wobei die Abzweigstelle in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 18 stromauf des Turbinenrads 24 angeordnet ist. Die Einleitstelle E ist stromab des Turbinenrads 24 und vorliegend stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 angeordnet. An der Abzweigstelle A kann zumindest ein Teil des den Abgastrakt 18 durchströmenden Abgases abgezweigt werden. Das abgezweigte Abgas strömt an der Abzweigstelle A aus dem Abgastrakt 18 aus und in die Umgehungsleitung 74 ein. Das die Umgehungsleitung 74 durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad 24. Dies bedeutet, dass das die Umgehungsleitung 74 durchströmende Abgas das Turbinenrad 24 nicht anströmt und somit nicht antreibt. Somit weist das die Umgehungsleitung 74 durchströmende Abgas einen hohen Druck und eine hohe Temperatur auf, sodass über den Wärmetauscher 72 die Luft in den Umgebungsluftpfad stromab des Wärmetauschers 41 nochmals erwärmt beziehungsweise aufgeheizt werden kann. Der Wärmetauscher 72 ist somit dem als Hauptwärmetauscher fungierenden Wärmetauscher 41 nachgeschaltet. Das die Umgehungsleitung 74 durchströmende Abgas wird auch als Abblasestrom bezeichnet. Der Wärmetauscher 72 bewirkt eine Wärmeübertragung von dem Abblasestrom, der die maximale Totaltemperatur vor dem Turbinenrad 24 noch beinhaltet, auf die Umgebungsluft, sodass der Wärmetauscher 72 quasi als Erhitzer die Temperatur der Prozessluft der Gasturbine 40 weiter anhebt. Zu bemerken ist, dass der Abblasestrom an herkömmlichen aufgeladenen Ottomotoren auch mehr als die Hälfte des gesamten Abgasstromes ausmachen kann, wodurch hier eine nicht zu vernachlässigende Wärmequelle hohen Ausmaßes vorliegen kann.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Bei der vierten Ausführungsform wird ein Austrittsbereich der Verbrennungskraftmaschine 10 nach deren Austrittsventilen als Wärmetauscher 76 gestaltet, der die Temperatur der Prozessluft (Umgebungsluft) der Gasturbine 40 anheben soll und gleichzeitig den Austrittsbereich der Verbrennungskraftmaschine 10 soweit abkühlen soll, dass auf die verbrauchserhöhende Anfettung durch die entsprechende Regelung des wärmeaufnehmenden Luftstromes der Gasturbine 40 verzichtet werden kann. Die den Umgebungsluftpfad durchströmende Luft wird somit beispielsweise zunächst mittels des Verdichters 46 verdichtet und daran anschließend mittels des Wärmetauschers 76 erwärmt, woraufhin die verdichtete und erwärmte Umgebungsluft der Gasexpansionsturbine 42 zugeführt wird die Gasexplosionsturbine 42 antreibt. Bei der vierten Ausführungsform übernimmt somit der Wärmetauscher 76 die Funktion des bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform vorgesehenen Wärmetauschers 41. Somit erfolgt auch mittels des Wärmetauschers 76 ein Wärmeübergang von dem den Abgastrakt 18 durchströmenden Abgas auf die der Gasexpansionsturbine 42 zuzuführende Luft, welche bezogen auf den Umgebungsluftpfad stromauf der Gasexpansionsturbine 42, und insbesondere stromab des Verdichters 46, erwärmt wird.
In 4 zeigen durchgezogene Linien eine erste Betriebsweise, die üblicherweise zu einer Leistungsabgabe der Gasturbine 40 führt. In 4 zeigen gestrichelte Linien eine zweite Betriebsweise, welche zur schnellen Aufheizung des Abgases und somit zu einer positiven Emissionsbeeinflussung aufgrund der Verkürzung des Kaltbetriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 genutzt werden kann, indem ein Drehrichtungswechsel der Strömungsmaschine durch den motorischen Antrieb des Rotors verursacht wird. Mit anderen Worten wird bei der zweiten Betriebsweise die elektrische Maschine 44 in ihrem Motorbetrieb betrieben, sodass die Gasexpansionsturbine 42 mittels der elektrischen Maschine 44 angetrieben wird. Die Gasexpansionsturbine 42, die bei der zweiten Betriebsweise elektrisch angetrieben wird, saugt das Abgas, vorzugsweise stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 36, aus dem Abgastrakt 18 an und komprimiert das Abgas auf einen erhöhten Druck und eine erhöhte Temperatur, die einen Wärmefluss zu dem schnell aufzuheizenden Abgas der Verbrennungskraftmaschine, das die Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 durchströmt, erzeugt. Durch diese Drehrichtungsänderung wird die Gasexpansionsturbine 42 zu einem Verdichter mit abgesenktem Wirkungsgrad, und der Verdichter 46 wird zu einer Turbine, die eine gewisse Unterstützung für die in ihrem Motorbetrieb als Elektromotor betriebene elektrische Maschine 44 für die Aufgabe der Temperaturanhebung mit sich bringt.
Die in 4 veranschaulichte innovative Anordnung des Wärmetauschers 76 am Motoraustritt wird bei einer in 5 veranschaulichten fünften Ausführungsform mit der bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform vorgesehenen Anordnung des Wärmetauschers 41 kombiniert. Um die Kühl- und Aufheizfunktion des Motorabgases mittels des Wärmetauschers 76 über den offenen Gasturbinen-Kreislauf zu beeinflussen, ist eine Verstelleinrichtung 78 vorgesehen, welche mittels einer elektronischen Recheneinrichtung 80, welche auch als Steuergerät bezeichnet wird, geregelt wird. Möchte man bei hohen spezifischen Leistungen die Gastemperatur des Motorabgases direkt am Motoraustritt und dem Turbineneintritt begrenzen oder absenken, wird die Hintereinanderschaltung der beiden Wärmetauscher 76 und 41 über die Verstelleinrichtung 78 aktiviert. Im anderen Falle wird der Wärmetauscher 76 ausgeblendet und die Gasexpansionsturbine 42 mit den Wärmemengen des als Hauptwärmetauscher fungierenden Wärmetauschers 41 versorgt. Prinzipiell ist auch eine permanente Teilbeaufschlagung des Wärmetauschers 76 durch eine Zwischenstellung, insbesondere Klappenzwischenstellung, der Verstelleinrichtung 78 ermöglichbar. Für die Heizfunktion zur Emissionsreduktion in einer Verkürzung des Kaltbetriebs wird, wie zuvor beschrieben, elektrische Energie über den Gasturbinenläufer mit einer Richtungsumkehr in Wärme umgewandelt und dem Motorabgas im Wesentlichen über den Wärmetauscher 76 zugeführt.
Falls in dieser Aufheizphase eine Bypassierung des Wärmetauschers 41 deutliche Verbesserungen der Aufheizzeit ergeben würde, könnte die Verstelleinrichtung 78 in diese Richtung entsprechend erweitert werden. Mittels der als Regelungseinrichtung fungierenden Recheneinrichtung 80 wird die Drosselklappe 34 zur Luftdosierung beziehungsweise Leistungsregelung der Verbrennungskraftmaschine 10, die als VTG-Turbine ausgebildete Abgasturbine 22 beziehungsweise die Stelleinrichtung 38 für einen optimalen Ladungswechsel und ein vorteilhaftes Beschleunigungsverhalten und die Kühl- und Heizfunktion des Gasturbinenprozesses mit der Hauptblickrichtung der Verbrauchsbegünstigung des Gesamtsystems geregelt. 10 zeigt ein Bespiel für ein Kennfeld des Gasturbinenverdichters (Verdichter 46), der einen Auslegungsdurchsatz von 200 Gramm pro Sekunde mit sehr günstigen Wirkungsgraden links der Gasturbinenbetriebslinie auch gerade unter Teillast erlaubt. Dabei zeigt in 10 eine gestrichelte Linie 82 die zumindest nahezu optimale Linie der Gasturbine 40.
Die beispielsweise auf Basis des Joule-Prozesses betreibbare Gasturbine 40 erlaubt gar Leistungsabgaben ab Turbineneintrittstemperatur und T3t von mehr als 400 Grad Celsius. Ihr Nennpunkt liegt vorzugsweise bei π_V = 2,5, einem Luftmassendurchsatz von 200 Gramm pro Sekunde und einer Turbineneintrittstemperatur T3t von beispielsweise 600 Grad Celsius. Insbesondere können elektrische Leistungen von circa 5 Kilowatt bereitgestellt werden, wobei eine Wärmeübertragung von circa 100 Kilowatt realisierbar ist. Entsprechende halbe Werte ergeben sich beispielsweise bei einem Luftmassendurchsatz von 100 Gramm pro Sekunde. Ferner kann beispielsweise ein vorteilhafter thermischer Wirkungsgrad von circa 5 Prozent realisiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylindergehäuse
14: Zylinder
16: Ansaugtrakt
18: Abgastrakt
20: Abgasturbolader
22: Turbine
24: Turbinenrad
26: Verdichter
28: Verdichterrad
30: Welle
32: Ladeluftkühler
34: Drosselklappe
36: Abgasnachbehandlungseinrichtung
38: Stelleinrichtung
40: Gasturbine
41: Wärmetauscher
42: Expansionsturbine
44: elektrische Maschine
46: Verdichter
48: Turbinenrad
50: Welle
52: Abszisse
54: Ordinate
56: Isolinie
58: Abszisse
60: Ordinate
62: Abszisse
64: Ordinate
66: Abszisse
68: Ordinate
70: Wärmetauscher
72: Wärmetauscher
74: Umgehungsleitung
75: Ventilelement
76: Wärmetauscher
78: Verstelleinrichtung
80: Recheneinrichtung
82: gestrichelte Linie
P1: Druck
P2: Druck
P2a: Druck
P2s: Druck
P3: Druck
P4: Druck
P5: Druck
T3t: Turbineneintrittstemperatur
A: Abzweigstelle
E: Einleitstelle
NP: Nennpunkt

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (18), dadurch gekennzeichnet, dass eine von Umgebungsluft antreibbare Gasexpansionsturbine (42), wenigstens eine von der Gasexpansionsturbine (42) antreibbare elektrische Maschine (44) und wenigstens ein Wärmetauscher (41, 76) vorgesehen sind, mittels welchem die der Gasexpansionsturbine (42) zuzuführende Umgebungsluft stromauf der Gasexpansionsturbine (42) erwärmbar ist, indem mittels des Wärmetauschers (41, 76) Wärme von dem den Abgastrakt (18) durchströmenden Abgas auf die Umgebungsluft übertragbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasexpansionsturbine (42) ein Verdichter (46) zum Verdichten der der Gasexpansionsturbine (42) zuzuführenden Umgebungsluft vorgeschaltet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Gasexpansionsturbine (42) zuzuführende Umgebungsluft mittels des Wärmetauschers (41, 76) stromab des Verdichters (46) und stromauf der Gasexpansionsturbine (42) erwärmbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abgasturbolader (20) vorgesehen ist, welcher eine in dem Abgastrakt (18) angeordnete und von dem Abgas antreibbare Abgasturbine (22) und einen von der Abgasturbine (22) antreibbaren Verdichter (26) zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine (10) mit verdichteter Luft umfasst.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (42, 76) in dem Abgastrakt (18) stromauf oder stromab der Abgasturbine (22) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (44) koaxial zur Gasexpansionsturbine (42) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (44) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (44) neben dem Generatorbetrieb auch in den motorischen Betrieb schaltbar ist.
Elektrische Maschine (44) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (44) im motorischen Betrieb eine Drehrichtungsumschaltvorrichtung beinhaltet.
Elektrische Maschine (44) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (44) mit einer hoher Auslegungsdrehzahl versehen ist, die eine wirkungsgradgünstige Gestaltung der Gasturbine mit spezifischen Drehzahlen über 0.25 ermöglicht.