CH681035A5 - - Google Patents
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Description
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Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine Abgasenergie-Rück-gewinnungseinrichtung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to an exhaust gas energy recovery device according to the preamble of claim 1.
Eine solche Abgasenergie-Rückgewinnungseinrichtung ist aus der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung JP 6 293 431 bekannt. Ferner zeigt die JP6161 921 eine Abgasenergie-Rückgewinnungseinrichtung mit einem Stirnradgetriebe zwischen der Gasturbine und der Flüssigkeitskupplung und mit einer Bremse auf der Welle, welche das Getriebe mit der Flüssigkeitskupplung verbindet. Diese Bremse dient bei eingeschalteter Motorbremse zur Unterstützung der Fahrzeugbremswirkung. Ferner zeigt die DE-OS 3 728 681 eine Turbo-Verbundkraftmaschine mit einer Abgasenergie-Rückgewinnungseinrichtung, bei welcher zwischen einer von den Motorabgasen angetriebenen Gasturbine und einer Motorkurbelwelle eine Flüssigkeitskupplung angeordnet ist, um die Motorbremswirkung zu unterstützen. Such an exhaust gas energy recovery device is known from Japanese Patent Application Publication JP 6 293 431. Furthermore, JP6161 921 shows an exhaust gas energy recovery device with a spur gear between the gas turbine and the fluid coupling and with a brake on the shaft, which connects the transmission to the fluid coupling. This brake serves to support the vehicle braking effect when the engine brake is switched on. Furthermore, DE-OS 3 728 681 shows a turbo composite engine with an exhaust gas energy recovery device, in which a fluid coupling is arranged between a gas turbine driven by the engine exhaust gases and an engine crankshaft in order to support the engine braking effect.
Bei einer zweiten Art von Abgasenergie-Rückgewinnungseinrichtungen ist keine Flüssigkeitskupplung vorgesehen, sondern statt dessen eine Zahnkupplung, welche nur bei Stillstand der Turbine und des Verbrennungsmotors schaltbar ist. Bei geöffneter Zahnkupplung kann das Planetengetriebe gegen ein Getriebegehäuse blockiert und dadurch verhindert werden, dass die Turbine bei geöffneter Zahnkupplung durchdreht und bei zu hoher Drehzahl explodiert. Nachteile sind, dass Drehschwingungen des Verbrennungsmotors ungedämpft auf das Planetengetriebe und die Gasturbine übertragen werden, dass bei unterbrochener Abgaszufuhr die Gasturbine von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, also von hinten herein, angetrieben wird, und dass die Gasturbine nur bei Motorstillstand abgekuppelt werden kann. Die Erfindung betrifft jedoch die zuerst genannte Art. In a second type of exhaust gas energy recovery device, no liquid coupling is provided, but instead a tooth coupling, which can only be switched when the turbine and the internal combustion engine are at a standstill. When the tooth clutch is open, the planetary gear can be blocked against a gear housing, thereby preventing the turbine from spinning when the tooth clutch is open and exploding if the speed is too high. Disadvantages are that torsional vibrations of the internal combustion engine are transmitted to the planetary gear and the gas turbine without damping, that if the exhaust gas supply is interrupted, the gas turbine is driven by the crankshaft of the internal combustion engine, i.e. from behind, and that the gas turbine can only be uncoupled when the engine is stopped. However, the invention relates to the first-mentioned type.
Bei einer bekannten Ausführungsform der zuerst genannten Art ist zwischen Gasturbine und Kurbelwelle des Verbrennungsmotors keine mechanische Kupplung, sondern eine ständig mit Öl gefüllte Flüssigkeitskupplung vorgesehen, welche in Vor-wärtsdrehrichtung und Rückwärtsdrehrichtung im wesentlichen gleich hohe Drehmomente übertragen kann. Die Flüssigkeitskupplung kann Drehschwingungen der Gasturbine und des Verbrennungsmotors dämpfen. Diese bekannte Art der Energie-Rückgewinnungseinrichtung hat jedoch die Nachteile, dass auch bei Unterbrechung der Abgaszufuhr zur Gasturbine der Verbrennungsmotor die Flüssigkeitskupplung und das Planetengetriebe sowie die Gasturbine mitschleppt, d.h. von hinten herein mit vollem Drehmoment der Flüssigkeitskupplung antreibt. Im Falle eines Defektes eines der Elemente im Rückgewinnungsstrang von der Abgasturbine zur Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ist es jedoch erwünscht, den Rückgewinnungsstrang vom Verbrennungsmotor abzukuppeln, damit der Betrieb des Verbrennungsmotors zum Antrieb eines Fahrzeuges aufrechterhalten werden kann. Wenn aber bei entleerter Flüssigkeitskupplung ein Gasventil oder ein Gasschieber, der die Zufuhr von Abgas zur Gasturbine steuert, teilweise oder ganz geöffnet wird, dann geht die Gasturbine innerhalb kürzester Zeit auf Explosionsdrehzahl und sie gefährdet dadurch das Personal im Maschinenraum und die anderen Bauelemente der Abgasenergie-Rückge-winnungseinrichtung und des Verbrennungsmotors. Aus der Erfahrung ist es bekannt, dass Gasventile oder Gasschieber nur im Neuzustand vollständig dicht geschlossen werden können. Ferner gibt es auch Ausführungsformen, bei welchen der Gasschieber in geschlossenem Zustand aus thermischen Gründen eine kleine Öffnung offenhält und dadurch eine bestimmte Gasmenge passieren lässt. In beiden Fällen wird das Turbinenrad der Flüssigkeitskupplung noch in Drehung versetzt. In a known embodiment of the first-mentioned type, no mechanical clutch is provided between the gas turbine and the crankshaft of the internal combustion engine, but rather a liquid clutch which is constantly filled with oil and which can transmit torques which are essentially the same in the forward and reverse directions of rotation. The fluid coupling can dampen torsional vibrations of the gas turbine and the internal combustion engine. However, this known type of energy recovery device has the disadvantages that, even when the exhaust gas supply to the gas turbine is interrupted, the internal combustion engine entrains the fluid coupling and the planetary gear and the gas turbine, i.e. drives from behind with full torque of the fluid coupling. However, in the event of a defect in one of the elements in the recovery line from the exhaust gas turbine to the crankshaft of the internal combustion engine, it is desirable to uncouple the recovery line from the internal combustion engine so that the operation of the internal combustion engine for driving a vehicle can be maintained. However, if a gas valve or a gas slide valve, which controls the supply of exhaust gas to the gas turbine, is partially or fully opened when the fluid coupling is empty, then the gas turbine will go up to explosion speed within a very short time, thereby endangering the personnel in the engine room and the other components of the exhaust gas energy. Recovery device and the internal combustion engine. It is known from experience that gas valves or throttle valves can only be closed tightly when new. Furthermore, there are also embodiments in which the gas slide valve keeps a small opening open for thermal reasons in the closed state and thereby allows a certain amount of gas to pass. In both cases the turbine wheel of the fluid coupling is still rotated.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Abgasenergie-Rückgewinnungseinrichtung so auszubilden, dass die Vorteile einer Flüssigkeitskupplung vollständig erhalten bleiben, jedoch trotzdem die Antriebsverbindung in der Rückgewinnungseinrichtung unterbrochen, beispielsweise die Flüssigkeitskupplung vollständig entleert werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Gasturbine überdreht. The object of the invention is to achieve the exhaust gas energy recovery device in such a way that the advantages of a fluid coupling are fully retained, but the drive connection in the recovery device is nevertheless interrupted, for example the fluid coupling can be completely emptied, without the risk that the Gas turbine overturned.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. This object is achieved according to the invention by the characterizing features of claim 1.
Durch die Erfindung wird ein unkontrolliertes Hochlaufen der Gasturbine verhindert, indem sie durch die Blockiervorrichtung festgehalten wird, wenn die Gasturbine, beispielsweise durch Entleeren der Flüssigkeitskupplung, vom Antriebsstrang des Verbrennungsmotors abgekuppelt wird. Die Blockiervorrichtung kann eine mechanische Bremse oder eine Kupplung, zum Beispiel eine Zahnkupplung, sein. Eine Zahnkuppiung kann jedoch nur betätigt werden, wenn nach dem Entleeren der Flüssigkeitskupplung die Gasturbine vollständig zum Stehen kommt.-Dazu ist es erforderlich, dass ein Gasschieber in der Abgaszuleitung zur Gasturbine absolut gasundurchlässig dicht schliesst. Demgegenüber kann eine Bremse zum Blockieren der Gasturbine auch dann betätigt werden, wenn die Gasturbine noch dreht. Die Blockiervorrichtung befindet sich in der Antriebsverbindung zwischen der Gasturbine und der Flüssigkeitskupplung. Durch die Erfindung wird auch sichergestellt, dass die Flüssigkeitskupplung immer vollständig gefüllt ist, solange die Abgaszufuhr zur Gasturbine ganz oder teilweise geöffnet ist. The invention prevents the gas turbine from starting up in an uncontrolled manner by being held in place by the blocking device when the gas turbine is uncoupled from the drive train of the internal combustion engine, for example by emptying the fluid coupling. The blocking device can be a mechanical brake or a clutch, for example a toothed clutch. However, a tooth coupling can only be actuated if the gas turbine comes to a complete standstill after the fluid coupling has been emptied.To do this, it is necessary for a gas slide valve in the exhaust gas supply line to the gas turbine to be absolutely gas-tight. In contrast, a brake for blocking the gas turbine can also be actuated when the gas turbine is still rotating. The blocking device is located in the drive connection between the gas turbine and the fluid coupling. The invention also ensures that the fluid coupling is always completely filled as long as the exhaust gas supply to the gas turbine is fully or partially open.
Durch die Erfindung wird das Dämpfungsverhalten der Flüssigkeitskupplung und die dadurch gegebene Drehschwingungsentkoppelung zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und dem Planetengetriebe vollständig aufrechterhalten. Bei entleerter Flüssigkeitskuppiung ergibt sich der Vorteil, dass die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors nicht das Planetengetriebe und die Abgasturbine mitschleppt. Die Flüssigkeitskupplung kann in bekannter Weise schräg angeordnete Strömungsschaufeln haben, um das übertragbare Drehmoment in Antriebsrichtung zu erhöhen und in Gegenantriebsrichtung zu reduzieren. The damping behavior of the fluid coupling and the resulting torsional vibration decoupling between the crankshaft of the internal combustion engine and the planetary gear are completely maintained by the invention. When the fluid coupling is empty, there is the advantage that the crankshaft of the internal combustion engine does not drag the planetary gear and the exhaust gas turbine. In a known manner, the fluid coupling can have flow blades arranged obliquely in order to increase the transmissible torque in the drive direction and to reduce it in the counter-drive direction.
Gemäss der Erfindung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche sicherstellt, dass unterhalb ei- According to the invention, a control device is provided which ensures that underneath a
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ner vorbestimmten ölzufiussrate oder eines vorbestimmten Öldruckes in der Ölzufuhrleitung zur Flüssigkeitskupplung die Abgaszufuhr zur Gasturbine unterbrochen ist, und dass die Abgaszufuhr nur geöffnet werden kann, wenn der Flüssigkeitskupplung eine Mindestölmenge zugeführt wird. Mit der Blockiervorrichtung, vorzugsweise eine Bremse, wird dann eine einfache Konstruktion erzielt, wenn mit ihr der Primärteil der Flüssigkeitskupplung mit einem stationären Gehäuse, welches der Aufnahme von Antriebsteilen dient, zum Blockieren verbindbar ist. Die Blockiervorrichtung ist vorzugsweise von ausserhalb des stationären Gehäuses betätigbar, ohne dass das Gehäuse demontiert zu werden braucht. Die Betätigung der Blockiervorrichtung kann von Hand oder automatisch in Abhängigkeit von der Ölzufuhr der Flüssigkeitskupplung erfolgen. In dem stationären Gehäuse sind vorzugsweise das Planetengetriebe, die Blockiervorrichtung und die Flüssigkeitskupplung untergebracht, so dass diese Elemente zusammen als eine Baueinheit montiert und demontiert werden können. ner predetermined oil supply rate or a predetermined oil pressure in the oil supply line to the fluid coupling, the exhaust gas supply to the gas turbine is interrupted, and that the exhaust gas supply can only be opened when a minimum amount of oil is supplied to the fluid coupling. A simple construction is achieved with the blocking device, preferably a brake, when the primary part of the fluid coupling can be connected with a stationary housing, which serves to accommodate drive parts, for blocking. The blocking device can preferably be actuated from outside the stationary housing without the housing needing to be dismantled. The blocking device can be actuated manually or automatically depending on the oil supply to the fluid coupling. The planetary gear, the blocking device and the fluid coupling are preferably accommodated in the stationary housing, so that these elements can be assembled and disassembled as a structural unit.
Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform als Beispiel beschrieben. The invention is described below with reference to the drawing using a preferred embodiment as an example.
Die in der Zeichnung dargestellte Abgasenergie-Rückgewinnungseinrichtung enthält, in der nachfolgend angegebenen Reihenfolge nacheinander ange-dordnet und antriebsmässig miteinander verbunden, eine Gasturbine 2, ein Planetengetriebe 4, eine mechanische Blockiervorrichtung 6 in Form einer mechanischen Bremse, eine Flüssigkeitskupplung 8 mit einem Primärteil oder Pumpenrad 10 und mit einem Sekundärteil oder Turbinenrad 12, ein Hauptgetriebe 14 und eine elastische Kupplung 16. Die elastische Kupplung 16 ist mit der Kurbelwelle 18 eines Verbrennungsmotors 20 verbunden. Eine Abgaszufuhrleitung 22 verbindet eine Abgasleitung 24 des Verbrennungsmotors 20 mit der Gasturbine 2 und enthält ein Ventil 26, vorzugsweise in Form eines Schieberventils. Das Planetengetriebe 4, die Flüssigkeitskupplung 8, das Hauptgetriebe 14 und die Bremse 6 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 28 untergebracht und zusammen mit dem Gehäuse 28 als eine Baueinheit austauschbar. An dem Gehäuse 28 ist ein Gehäuse 30 der Gasturbine 2 befestigt, welches mit einem Gasauslass 32 versehen ist. The exhaust-gas energy recovery device shown in the drawing contains, arranged in the order given below and connected to one another in terms of drive, a gas turbine 2, a planetary gear 4, a mechanical blocking device 6 in the form of a mechanical brake, a fluid coupling 8 with a primary part or a pump wheel 10 and with a secondary part or turbine wheel 12, a main transmission 14 and an elastic coupling 16. The elastic coupling 16 is connected to the crankshaft 18 of an internal combustion engine 20. An exhaust gas supply line 22 connects an exhaust gas line 24 of the internal combustion engine 20 to the gas turbine 2 and contains a valve 26, preferably in the form of a slide valve. The planetary gear 4, the fluid coupling 8, the main gear 14 and the brake 6 are accommodated in a common housing 28 and can be exchanged together with the housing 28 as a structural unit. A housing 30 of the gas turbine 2 is attached to the housing 28 and is provided with a gas outlet 32.
An den Sekundärteil 12 der Flüssigkeitskupplung 8 ist eine Ölzuleitung 34 angeschlossen, welche ein Druckmessgerät 36 oder ein Strömungsmessgerät enthält und Öl vom Verbrennungsmotor 20 der Flüssigkeitskupplung 8 zuführt. Das Druckmessgerät oder das Strömungsmessgerät 36 gibt in Abhängigkeit vom Öldruck oder von der Ölströmungsrate Signale an eine elektronische Steuereinheit 42, welche über elektrische Leitungen 44 auch an das Ventil 26 in der Abgaszuleitung 22 angeschlossen ist und dieses Ventil 26 jeweils dann schliesst und nicht mehr öffnen lässt, wenn der Öldruck oder die Ölzufuhrrate in der ölzuleitung 34 unterhalb eines vorbestimmten Mindestwertes liegt. Die Flüssigkeitskupplung ist nahe ihres Aussenumfanges 33 mit einer Strömungsdrossel-Auslassöffnung 52 versehen, über welche während des Betriebes ständig etwas Öl gedrosselt abfiiesst und dadurch An oil feed line 34 is connected to the secondary part 12 of the fluid coupling 8, which contains a pressure measuring device 36 or a flow measuring device and supplies oil from the internal combustion engine 20 to the fluid coupling 8. Depending on the oil pressure or the oil flow rate, the pressure measuring device or the flow measuring device 36 sends signals to an electronic control unit 42, which is also connected via electrical lines 44 to the valve 26 in the exhaust gas supply line 22 and then closes this valve 26 and can no longer be opened when the oil pressure or the oil supply rate in the oil supply line 34 is below a predetermined minimum value. The liquid coupling is provided near its outer circumference 33 with a flow restrictor outlet opening 52, through which a small amount of oil continuously drains off during operation and thereby
Schlupf-Wärme abgeführt wird. Über die gleiche Strömungsdrossei-Auslassöffnung 52 kann die Flüssigkeitskupplung 8 entleert werden, wenn über die Ölzuleitung 34 die Ölzufuhr unterbrochen wird. Slip heat is dissipated. The liquid coupling 8 can be emptied via the same flow choke outlet opening 52 if the oil supply is interrupted via the oil supply line 34.
Die mechanische Blockiervorrichtung 6 kann von Hand von ausserhalb des Gehäuses 28 betätigt werden. Sie ist ausserdem über elektrische Leitungen 54 an die elektronische Steuereinheit 42 angeschlossen, so dass die Blockiereinrichtung jeweils auch automatisch den Primärteil 10 der Flüssigkeitskupplung 8 mit dem Gehäuse 28 verblockt und dadurch an einer Rotation, hindert, wenn die Ölzufuhr oder der Öldruck in der Ölzuleitung 34 unter den genannten Mindestwert abfällt. Die Gasturbine 2 wird durch die Abgase des Verbrennungsmotors 20 angetrieben, nachdem das Ventil 26 geöffnet wurde. Die Ausgangsdrehzahl der Gasturbine 2 an ihrer Turbinenwelle 60 wird durch das Planetengetriebe 4 reduziert. Im normalen Betriebszustand ist die Flüssigkeitskupplung 8 mit Öl gefüllt und die Gasturbine 2 ist über die Flüssigkeitskupplung 8 mit der Kurbelwelle 18 des Verbrennungsmotors 20 verbunden. Dies gilt sowohl für den Leistungsbetrieb, bei welchem Antriebsleistung von der Gasturbine 2 auf die Kurbelwelle 18 übertragen wird, als auch für den Leerlaufbetrieb der Gasturbine 2, bei welchem das Ventil 26 der Abgaszuleitung 22 geschlossen ist und deshalb die Gasturbine 2 von der Kurbelwelle 18 über die Flüssigkeitskupplung 8 abtriebsseitig angetrieben wird. Nur im Falle einer Betriebsstörung werden das Planetengetriebe 4 und die Gasturbine 2 durch Entleeren der Flüssigkeitskupplung 8 von der Kurbelwelle 18 des Verbrennungsmotors 20 getrennt, und aus Sicherheitsgründen wird die Ausgangswelle 60 der Gasturbine 2 von der Blockiervorrichtung 6 über den Primärteil 10 der Flüssigkeitskupplung 8 und das Planetengetriebe 4 festgehalten und dadurch an einer Rotation gehindert. The mechanical blocking device 6 can be operated by hand from outside the housing 28. It is also connected to the electronic control unit 42 via electrical lines 54, so that the blocking device also automatically blocks the primary part 10 of the fluid coupling 8 with the housing 28 and thereby prevents rotation if the oil supply or the oil pressure in the oil supply line 34 falls below the minimum value mentioned. The gas turbine 2 is driven by the exhaust gases of the internal combustion engine 20 after the valve 26 has been opened. The output speed of the gas turbine 2 on its turbine shaft 60 is reduced by the planetary gear 4. In the normal operating state, the fluid coupling 8 is filled with oil and the gas turbine 2 is connected to the crankshaft 18 of the internal combustion engine 20 via the fluid coupling 8. This applies both to the power operation, in which drive power is transmitted from the gas turbine 2 to the crankshaft 18, and to the idle operation of the gas turbine 2, in which the valve 26 of the exhaust gas supply line 22 is closed and therefore the gas turbine 2 from the crankshaft 18 the fluid coupling 8 is driven on the output side. Only in the event of a malfunction, the planetary gear 4 and the gas turbine 2 are separated from the crankshaft 18 of the internal combustion engine 20 by emptying the fluid coupling 8, and for safety reasons the output shaft 60 of the gas turbine 2 is disconnected from the blocking device 6 via the primary part 10 of the fluid coupling 8 and that Planetary gear 4 held and thereby prevented from rotating.
Gemäss der Erfindung kann die Gasturbine 2 durch Entleeren der Flüssigkeitskupplung 8 vom Verbrennungsmotor 20 abgekuppelt werden, während der Verbrennungsmotor 20 läuft. Die Flüssigkeitskupplung 8 wird automatisch über die Strö-mungsdrossel-Ausiassöffnung 52 entleert, wenn die Ölzufuhr über die Ölzuleitung 34 durch ein in ihr enthaltenes Ventil 62 unterbrochen wird. Die elektronische Steuereinheit 42 bewirkt, dass das Ventil 26 in der Abgaszuleitung 22 geschlossen wird, sobald die Ölzufuhrrate oder der Öldruck in der Flüssigkeitskupplung 8 unter einen vorbestimmten Mindestwert absinkt. Bei einem normalen Abschaltvorgang wird von der elektronischen Steuereinheit 42 zuerst das Ventil 26 der Abgaszuleitung 22 geschlossen, bevor über das Ventil 62 die Ölzufuhr in der Ölzuleitung 34 unterbrochen wird. Die Ölzuleitung 34 ist vorzugsweise an den Schmierölkreislauf des Verbrennungsmotors 20 angeschlossen. According to the invention, the gas turbine 2 can be uncoupled from the internal combustion engine 20 by emptying the fluid coupling 8 while the internal combustion engine 20 is running. The fluid coupling 8 is automatically emptied via the flow restrictor outlet opening 52 when the oil supply via the oil supply line 34 is interrupted by a valve 62 contained therein. The electronic control unit 42 causes the valve 26 in the exhaust gas supply line 22 to be closed as soon as the oil supply rate or the oil pressure in the fluid coupling 8 drops below a predetermined minimum value. In a normal shutdown process, the electronic control unit 42 first closes the valve 26 of the exhaust gas supply line 22 before the oil supply in the oil supply line 34 is interrupted via the valve 62. The oil supply line 34 is preferably connected to the lubricating oil circuit of the internal combustion engine 20.
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