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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbund, bestehend aus zumindest einer Expansionsmaschine und einem Getriebe, wobei die von einem Fluid durchströmte Expansionsmaschine eine Abtriebswelle aufweist, die mit dem Getriebe wirkverbunden ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Verbund aus einer Expansionsmaschine und einem Getriebe ist aus der
DE 10 2011 007 386 A1 bekannt. Die Expansionsmaschine ist Teil eines Systems zur Abwärmerückgewinnung aus einer Motorenanlage für ein Schiff. Dabei weist das Schiff zwei Brennkraftmaschinen auf, deren Abgassysteme jeweils mit dem System zur Abwärmerückgewinnung verbunden sind. Diese beiden Systeme weisen Ihrerseits eine gemeinsame Expansionsmaschine in Form einer Turbine auf, die von einem durch einen Wärmetauscher in der jeweiligen Abgasleitung der beiden Brennkraftmaschinen in die dampfförmige Phase überführten Fluid durchströmt wird. Die Expansionsmaschine bzw. eine Abtriebswelle der Expansionsmaschine ist über ein Getriebe mit einem Generator drehantriebsverbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbund bestehend aus zumindest einer mit einem Getriebe wirkverbundenen Expansionsmaschine bereitzustellen, wobei der Verbund zusammenwirkend mit einer weiteren Komponente betriebssicher und dauerhaltbar ausgebildet sein soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ausgangsseitig des Getriebes ein Drehschwingungsdämpfer angeordnet ist, und dass ein Ausgang des Getriebes direkt mit einem Eingang des Drehschwingungsdämpfers verbunden ist. Dieser Ausgestaltung liegt zunächst einmal die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Kopplung einer Expansionsturbine mit einem Getriebe, das seinerseits mit einer beliebigen weiteren Komponente, beispielsweise einer Arbeitsmaschine, verbunden ist, neben einer Synchronisation der Drehzahlen der Expansionsmaschine und der Arbeitsmaschine auch eine Entkopplung der Drehschwingungen, die sowohl von der Expansionsmaschine als auch von der Arbeitsmaschine herrühren können, besonders wichtig ist. Die durch Rotordynamik, die durch hohe Drehzahlen des Drehzahlen des Rotors (beziehungsweise der Turbine der Expansionsmaschine) und einer Restunwucht des Rotors induziert ist, ohnehin hoch belastete Abtriebswelle muss von den Drehungleichförmigkeiten der Arbeitsmaschine, welche durch ein hochübersetztes Getriebe verstärkt werden (1° Verdrehung an der Arbeitsmaschinenwelle entspricht beispielsweise 40° Verdrehung an der Abtriebswelle der Expansionsmaschine bei einer Getriebeübersetzung von 40), geschützt werden. Diese Dämpfungsfunktion übernimmt der Drehschwingungsdämpfer, der in einer allgemeinen Ausführung grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein kann. Dadurch, dass der Ausgang des Getriebes direkt mit einem Eingang des Drehschwingungsdämpfers verbunden ist, müssen keine weiteren Kupplungselemente zwischen dem Getriebe und dem Drehschwingungsdämpfer vorgesehen werden. Weiterhin können durch diese Ausgestaltung Lagerstellen eingespart werden. Dies ist hinsichtlich einer Verringerung des nötigen Bauraums und der Herstellungskosten von Vorteil. Schließlich kann dadurch auch die Expansionsmaschine bauraumoptimal dargestellt werden. Die Expansionsmaschine kann im Grunde eine beliebige von einem Medium angetriebene Expansionsmaschine sein, die wiederum in der dargestellten Weise mit einer wiederum beliebig ausgebildeten Arbeitsmaschine drehverbunden ist. In besonders vorteilhafter Weise ist die Expansionsmaschine aber Teil eines Systems zur Abwärmerückgewinnung von einer Brennkraftmaschine und eine Ausgangswelle des Drehschwingungsdämpfers ist mit einer Kurbelwelle einer als Brennkraftmaschine ausgebildeten Arbeitsmaschine verbunden. Diese Kombination stellt die bevorzugte Ausführungsform dar. Dabei wird das durch eine Abgasleitung von der Brennkraftmaschine abgeführte Abgas zur Überhitzung und Überführung eines Mediums, insbesondere eines Fluids, in den dampfförmigen Zustand genutzt. Das in den dampfförmigen Zustand überführte Medium durchströmt dann die Expansionsmaschine, die insbesondere eine Turbine ist, und treibt diese an. Diese mit hohen Drehzahlen rotierende Turbine bzw. deren Abtriebswelle wird in dem Getriebe untersetzt und der Ausgang des Getriebes ist unter Einschaltung des Drehschwingungsdämpfers bevorzugt direkt mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden, um die so erzeugte Leistung wieder der Brennkraftmaschine zuzuführen. Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung die Arbeitsmaschine aber auch beispielsweise ein Generator oder eine hydraulische Maschine sein, die elektrische Energie oder hydraulische Energie erzeugt. Auch kann die Arbeitsmaschine ein Achsantrieb eines Fahrzeugs sein, in das die Brennkraftmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs eingebaut ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Drehschwingungsdämpfer eine Fluidkupplung mit zumindest einem Turbinenrad und einem Pumpenrad, wobei das Pumpenrad mit dem Ausgang des Getriebes verbunden ist. Eine derartige Fluidkupplung stellt einen betriebssicheren und dauerhaltbaren Schwingungsdämpfer dar, der insbesondere auch bei Anwendungen der Brennkraftmaschine im Nutzfahrzeugsektor mit den hier geforderten hohen Laufleistungen von beispielsweise bis zu 30.000 Stunden oder 3.000.000 Kilometern im Rahmen der üblichen Wartungen besonders geeignet ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Getriebe ein als Reibradgetriebe ausgebildetes, ein Hohlrad, Planetenräder und ein Sonnenrad aufweisendes, Planetengetriebe, wobei das den Ausgang des Getriebes bildende Hohlrad mit dem Eingang des Drehschwingungsdämpfers, insbesondere der Fluidkupplung, verbunden ist. Diese Ausführungsform stellt die bevorzugte Ausgestaltung des Gegenstands der vorliegenden Erfindung dar.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Pumpenrad als Eingang des Drehschwingungsdämpfers einstückig mit dem Hohlrad ausgebildet. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass das Pumpenrad und das Hohlrad bei der entsprechenden Fertigung auch hinsichtlich des Materialaufwandes optimiert werden können. Zudem ist bei dieser Ausführung sichergestellt und gewährleistet, dass mögliche Unwuchten schon bei der Herstellung ausgeglichen werden können. Alternativ ist in einer weiteren Ausgestaltung das Pumpenrad über eine Steckverzahnung mit dem Hohlrad verbunden. Diese Ausführung ermöglicht eine einfache Montage der unterschiedlichen Komponenten und bietet darüber hinaus den Vorteil, dass für eine Wartung oder Reparatur das Pumpenrad und das Hohlrad voneinander getrennt werden können.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung bildet das Pumpenrad mit dem Hohlrad eine gebaute Einheit, die beispielsweise wiederum in weiterer Ausgestaltung durch eine Verschweißung des Pumpenrads mit dem Hohlrad herstellbar ist. Beide letztgenannten Varianten bieten darüber hinaus den Vorteil, dass für das Pumpenrad und das Hohlrad unterschiedliche Materialien verwendet werden können, die nur im Falle der dritten Ausführungsform miteinander verschweißbar oder ein anderes thermisches Verbindungsverfahren miteinander verbindbar sein müssen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein Schaltbild eines Systems zur Abwärmerückgewinnung aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine mit einer Expansionsmaschine, die zusammen mit einem Drehschwingungsdämpfer und einem Getriebe einen erfindungsgemäßen Verbund bildet.
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2 eine Schnittdarstellung der Verbindung eines Drehschwingungsdämpfers mit einem Getriebe als ein Teil des Verbundes.
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Ausführungsform der Erfindung
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Ein in 1 schematisch dargestelltes System zur Abwärmerückgewinnung weist einen als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher 1 auf, der von einem Abgasstrom 2 einer Brennkraftmaschine 20 durchströmt ist. Der Brennkraftmaschine 20 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen unter Erzeugung von Arbeitsleistung zu heißen Abgas, das bei kontinuierlichem Betrieb der Brennkraftmaschine 20 den Abgasstrom 2 bildet, verbrennen. Der Abgasstrom 2 wird durch eine Abgasleitung 21, in die vor und/oder hinter dem Wärmetauscher 1 Abgasschalldämpfer 22 sowie Einrichtungen 23 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter, eingebaut sein können, letztendlich in die Umgebung abgeführt. Die Brennkraftmaschine 20 ist beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt.
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Der Wärmetauscher 1 ist seinerseits Teil eines Systems zur Abwärmerückgewinnung, das einen Fluidkreislauf 3 aufweist. Der Fluidkreislauf 3 weist neben dem Wärmetauscher 1 eine Expansionsmaschine 4, einen Kondensator 5 und eine Pumpe 6 sowie ggf. einen Tank 24 auf. Die Expansionsmaschine 4, die insbesondere eine Turbine ist, weist eine in einem Expansionsmaschinengehäuse 8 angeordnete bzw. gelagerte Abtriebswelle 7 auf, die aus dem Expansionsmaschinengehäuse 8 herausgeführt ist und mit einem Getriebeeingang eines Getriebes 9, das vorzugsweise als ein Reibradgetriebe ausgebildetes Planetengetriebe ist, verbunden ist. Das Getriebe 9 ist in einem Getriebegehäuse 10 eingebaut.
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Das Getriebe 9 weist einen Getriebeausgang auf, der unter Einschaltung eines Drehschwingungsdämpfers 11 mit einer Ausgangswelle 12 zusammenwirkt, die ihrerseits mit einer Arbeitsmaschine 13 verbunden ist. Die Arbeitsmaschine 13 kann die Brennkraftmaschine 20 sein, wobei dann die Ausgangswelle 12 vorzugsweise direkt mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 20 verbunden ist. Im Bereich des Austritts der Ausgangswelle 12 aus dem Drehschwingungsdämpfer 11 ist eine Dichtung 14b vorgesehen, die mittels einer Dichtlippe mit dem Außenumfang der Ausgangswelle 12 zusammenwirkt. Die Dichtung 14b ist nur aus Übersichtlichkeitsgründen in der Figur freiliegend zwischen dem Getriebegehäuse 10 beziehungsweise dem an das Getriebegehäuse 10 angrenzenden Gehäuse des Drehschwingungsdämpfers 11 und der Arbeitsmaschine 13 angeordnet und verhindert, dass das in dem Getriebegehäuse 10 beziehungsweise in dem Drehschwingungsdämpfer 11 befindliches Fluid zur Umgebung austreten kann. Ebenfalls ist auf der Abtriebswelle 7 der Expansionsmaschine 4 eine Dichtung 14a vorgesehen, die in geeigneter Weise in dem Expansionsmaschinengehäuse 8 verbaut ist. Diese Dichtung 14a ist ebenfalls aus Übersichtlichkeitsgründen freiliegend zwischen dem Expansionsmaschinengehäuse 8 und dem Getriebe 9 dargestellt. Die Dichtung 14a verhindert, dass Fluid des Fluidkreislaufs 3 im Bereich der Abtriebswelle 7 aus dem Expansionsmaschinengehäuse 8 austritt.
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Gegebenenfalls kann die Dichtung 14a mit einer nicht bezeichneten Dichtung am Getriebeeingang zusammengefasst sein.
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Beim Betrieb des Systems zur Abwärmerückgewinnung wird von der Pumpe 6 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid auf einen hohen Druck gebracht und dem Wärmetauscher 1 in Form des Verdampfers zugeführt. Das Fluid verdampft und überhitzt in dem Wärmetauscher 1. Danach wird der überhitzte Dampf der Expansionsmaschine 4 zugeführt und entspannt sich dabei unter der Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über die Abtriebswelle 7 abgeführt wird. Danach wird der „kalte” Dampf im Kondensator 5 kondensiert und wieder der Pumpe 6 zugeführt.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teils des Verbundes, bestehend aus der hier nicht dargestellten Expansionsmaschine 4, des Getriebes 9 und des Drehschwingungsdämpfers 11. Die Abtriebswelle 7 der Expansionsmaschine 4 ist mit einem Sonnenrad 19 des als Planetengetriebe ausgebildeten Getriebes 9 verbunden oder aber die Abtriebswelle 7 bildet gleichzeitig das Sonnenrad 19
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Die von der Abtriebswelle 7 auf das Sonnenrad 19 übertragene Drehbewegung wird von dem Sonnenrad 19 über drei in einem Planetenträger 25 gelagerte Planetenräder 18 auf ein Hohlrad 26 übertragen. Dabei ist der Planetenradträger 25 ortsfest an dem Getriebegehäuse 10 befestigt. Das so ausgebildete Getriebe 9 weist beispielsweise eine Übersetzung von 40:1 auf, so dass eine hohe Umdrehungszahl der Abtriebswelle 7 der Expansionsmaschine 4 in eine langsamere Drehbewegung des Hohlrads 26 übersetzt wird.
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Das den Ausgang des Getriebes 9 bildende Hohlrad 26 ist direkt mit einem Eingang des Drehschwingungsdämpfers 11 verbunden. Dieser Eingang ist durch ein Pumpenrad 17 des als Fluidkupplung ausgebildeten Drehschwingungsdämpfers 11 gebildet. In der Fluidkupplung befindet sich ein Hydraulikfluid, das eine Drehbewegung des Pumpenrads 17 auf ein Turbinenrad 16 überträgt. Das Pumpenrad 17 ist in einem Lager 15a, das sich an dem Planetenradträger 25 des Getriebes 9 abstützt, gelagert. Weiterhin ist – wie zuvor ausgeführt – das Pumpenrad 17 direkt mit dem Hohlrad 26 des Getriebes 9 verbunden. Diese Verbindung kann mittels einer Steckverzahnung oder einer Schweißverbindung hergestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, das Pumpenrad 17 und das Hohlrad 26 einstückig zu fertigen.
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Das Turbinenrad 16 ist mit der Ausgangswelle 12 verbunden, die in dem Getriebegehäuse 10 oder einem mit dem Getriebegehäuse 10 zusammenwirkenden Gehäuseteil mittels eines Lagers 15b gelagert und mittels der Dichtung 14b abgedichtet ist. Wie dargestellt ist, kann das Getriebegehäuse 10 einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein und das Gehäuse für den Drehschwingungsdämpfer 11 umfassen.
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Der dargestellte Verbund stellt eine kompakte, betriebssichere und dauerhaltbare Baueinheit dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011007386 A1 [0002]