DE102009010314A1 - Assistance drive for e.g. diesel engine of road motor vehicle, has expansion machine provided for mechanical drive of auxiliary drive of auxiliary device of internal-combustion engine and formed as continuous flow machine i.e. steam turbine - Google Patents

Assistance drive for e.g. diesel engine of road motor vehicle, has expansion machine provided for mechanical drive of auxiliary drive of auxiliary device of internal-combustion engine and formed as continuous flow machine i.e. steam turbine Download PDF

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Abstract

The drive has a heat exchanger (3) exposed to an exhaust heat of an internal-combustion engine (1), and an expansion machine (4) operated by a working medium i.e. steam, flowing through the heat exchanger. The expansion machine is provided for a mechanical drive of an auxiliary drive (16) of an auxiliary device (8) of the internal-combustion engine and formed as a continuous flow machine i.e. steam turbine. The heat exchanger is partly arranged in a fan elbow assembly (2) through which exhaust gases of the internal-combustion engine flow.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft einen für eine Brennkraftmaschine vorgesehenen Assistenzantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an intended for an internal combustion engine Assistance drive according to the preamble of claim 1.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Ein gattungsgemäßer Assistenzantrieb einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 10 2006 003 815 A1 bekannt. Dieser Assistenzantrieb umfasst eine Expansionsmaschine, welche als Rotationsmaschine mit zwei Drehkolben ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine und die zusätzliche Expansionsmaschine können auf zwei getrennte Abtriebswellen wirken, wobei die zusätzliche Abtriebswelle der Expansionsmaschine beispielsweise einen elektrischen Generator antreibt.A generic assistant drive an internal combustion engine is for example from the DE 10 2006 003 815 A1 known. This assistant drive comprises an expansion machine, which is designed as a rotary machine with two rotary pistons. The internal combustion engine and the additional expansion engine can act on two separate output shafts, wherein the additional output shaft of the expansion engine drives, for example, an electric generator.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen weiterentwickelten Assistenzantrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben.Of the Invention is the object of a further developed Specify assistant drive an internal combustion engine.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Assistenzantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Assistenzantrieb umfasst einen Wärmetauscher, welcher mittels eines strömenden Mediums, insbesondere Dampfes, Abwärme der Brennkraftmaschine aufnimmt, sowie eine Expansionsmaschine, welche von dem den Wärmetauscher durchströmenden Medium angetrieben wird. Die Expansionsmaschine dient dem mechanischen Antrieb eines Nebenantriebs der Brennkraftmaschine. Der Nebenantrieb der Brennkraftmaschine ist somit mit Leistung versorgbar, ohne mechanische Leistung von der Brennkraftmaschine abzuzweigen. Die von der Brennkraftmaschine abgegebene thermische Leistung, welche von der Expansionsmaschine in mechanische Leistung umgesetzt wird, wird ohne Umwandlung in andere Energieformen in den Nebenantrieb geleitet.These The object is achieved by an assistant drive with the features of claim 1. The assistant drive comprises a heat exchanger, which by means of a flowing medium, in particular steam, absorbs waste heat of the internal combustion engine, and an expansion machine, which from the heat exchanger flowing through Medium is driven. The expansion machine serves the mechanical Drive a power take-off of the internal combustion engine. The PTO the internal combustion engine is thus supplied with power, without mechanical To divert power from the internal combustion engine. The of the internal combustion engine delivered thermal power, which from the expansion machine is converted into mechanical power, without conversion into other forms of energy passed into the PTO.

Unter einem Nebenantrieb im Sinne des Anspruchs 1 wird einerseits ein Antrieb mindestens eines Nebenaggregats, beispielsweise einer Wasserpumpe, der Brennkraftmaschine, typischerweise eines Kolbenmotors, verstanden. Andererseits wird unter den Begriff „Nebenantrieb” auch ein Hilfsantrieb von Rädern eines mit der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs subsumiert. Bei den mithilfe des Nebenantriebs angetriebenen Rädern handelt es sich dabei um diejenigen Räder des Fahrzeugs, welche nicht mittels der Brennkraftmaschine angetrieben sind. Beispielsweise ist der Nebenantrieb, in welchen von der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Leistung gespeist wird, zum Antrieb der Hinterräder eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, welches ansonsten einen Vorderradantrieb aufweist. Der Assistenzantrieb stellt somit ei nen „Soft-Allradantrieb” bereit. Ein besonderer Vorteil eines solchen Allrad-Hilfsantriebs liegt darin, dass kein Antriebsstrang zwischen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Rädern und den zusätzlich, nämlich durch die Expansionsmaschine, angetriebenen Rädern – im Extremfall eines einzelnen durch die Expansionsmaschine angetriebenen Rades – benötigt wird.Under a power take-off in the sense of claim 1 is on the one hand Drive at least one auxiliary unit, for example a water pump, the internal combustion engine, typically a piston engine understood. On the other hand, under the term "power take-off" also an auxiliary drive of wheels one with the internal combustion engine driven vehicle subsumes. When using the power take-off driven wheels are those Wheels of the vehicle, which are not by means of the internal combustion engine are driven. For example, the PTO, in which powered by the expansion machine generated mechanical power is, to drive the rear wheels of a motor vehicle provided, which otherwise has a front wheel drive. Of the Assist drive thus provides a "soft four-wheel drive" ready. A particular advantage of such a four-wheel auxiliary drive is in that no drivetrain between the engine driven wheels and in addition, namely through the expansion machine, driven wheels - in extreme cases a single wheel driven by the expander - needed becomes.

Der Wärmetauscher, welcher zur Übertragung thermischer Leistung von der Brennkraftmaschine in die Expansionsmaschine als weiterer Wärmekraftmaschine vorgesehen ist, ist in bevorzugter Ausgestaltung zumindest teilweise in einem von Abgasen der Brennkraftmaschine durchströmten Auspuffkrümmer, insbesondere Fächerkrümmer, angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist Abwärme eines Abgasturboladers für den Betrieb der Expansionsmaschine nutzbar. Das in die Expansionsmaschine einströmende Medium kann damit auf eine besonders hohe Temperatur, insbesondere eine Temperatur von mehr als 600°C, erhihtzt werden. Die Expansionsmaschine ist vorzugsweise als Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, ausgebildet.Of the Heat exchanger, which for the transmission of thermal Power from the internal combustion engine in the expansion machine as further heat engine is provided is in a preferred embodiment at least partially in one of exhaust gases of the internal combustion engine flowed through exhaust manifold, especially exhaust manifold, arranged. Additionally or alternatively, waste heat an exhaust gas turbocharger for the operation of the expansion machine available. The medium flowing into the expansion machine can thus be at a particularly high temperature, especially one Temperature of more than 600 ° C, erhihtzt. The expansion machine is preferably as a turbomachine, in particular steam turbine, educated.

Gemäß einer ersten Variante des Assistenzantriebs weist der Nebenantrieb eine mechanische Kopplung ausschließlich mit der Expansionsmaschine, nicht jedoch mit der Brennkraftmaschine, auf. Damit ist insbesondere eine hohe Variabilität hinsichtlich der Einbausituation des Nebenantriebs im mit der Brennkraftmaschine betriebenen Fahrzeug, typischerweise Straßenfahrzeug, gegeben. Ist eine Betriebsbereitschaft des Nebenantriebs auch dann gefordert, wenn die Expansionsmaschine noch keine entsprechende Leistung liefert, so kann als Energiequelle, welche den Nebenantrieb speist, beispielsweise ein elektrischer Energiespeicher oder ein Druckluftspeicher genutzt werden.According to one first variant of the assistant drive, the PTO has a mechanical coupling exclusively with the expansion machine, not however with the internal combustion engine, on. This is in particular a high variability with regard to the installation situation the power take-off in the vehicle powered by the internal combustion engine, typically road vehicle, given. Is an operational readiness the power take-off is also required when the expansion machine does not yet provide any corresponding power, then as an energy source, which feeds the auxiliary drive, for example an electric Energy storage or a compressed air storage are used.

Gemäß einer zweiten Variante des Assistenzantriebs ist der Nebenantrieb mechanisch, vorzugsweise über eine schaltbare Kupplung, mit der Brennkraftmaschine koppelbar. Die mechanische Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Nebenantrieb ist dabei einerseits nutzbar, um mechanische Leistung von der Brennkraftmaschine in den Nebenantrieb einzuspeisen, solange die Expansionsmaschine noch keine oder nur eine unzureichende Leistung abgibt. Zum anderen ist damit auch die Möglichkeit gegeben, von der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Leistung über den Nebenantrieb zumindest teilweise in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine zu leiten.According to one second variant of the assistant drive, the auxiliary drive is mechanical, preferably via a switchable clutch, with the internal combustion engine coupled. The mechanical coupling between the internal combustion engine and the power take-off is on the one hand usable to mechanical To feed power from the engine into the PTO, as long as the expansion machine is not or only inadequate Delivers performance. On the other hand is also the possibility given, mechanical power generated by the expander the power take-off at least partially in the drive train of the internal combustion engine to lead.

Unabhängig davon, welche Komponenten mithilfe des Nebenantriebs angetrieben sind, umfasst dieser vorzugsweise ein schaltbares Getriebe, insbesondere ein stufenloses Getriebe. Ein solches beispielsweise als Riemengetriebe oder Reibradgetriebe ausgebildetes stufenloses Getriebe ermöglicht den Betrieb einer vom Nebenantrieb angetriebenen Komponente im optimalen Drehzahlbereich. Dies gilt analog auch in Fällen, in denen der Nebenantrieb zum Radantrieb genutzt wird.Regardless of which components driven by the auxiliary drive, this preferably comprises a switchable transmission, in particular a continuously variable transmission. Such as a belt drive or friction gear formed continuously variable transmission allows the operation of a driven by the auxiliary component in the optimum speed range. This also applies analogously in cases where the auxiliary drive is used for wheel drive.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch:following Two embodiments of the invention with reference to a Drawing explained in more detail. Herein schematically show:

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Assistenzantriebs einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, 1 A first embodiment of an assistant drive of an internal combustion engine of a motor vehicle,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Assistenzantriebs einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. 2 A second embodiment of an assistant drive an internal combustion engine of a motor vehicle.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description the drawing

Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.each other corresponding or equivalent parts are in both figures with the same reference numbers.

Ein in 1 symbolisiert dargestellter Nebenantrieb einer Brennkraftmaschine 1, insbesondere eines Hubkolbenmotors eines Kraftfahrzeugs, wird durch ansonsten ungenutzte thermische Leistung der Brennkraftmaschine 1 ange trieben. Ein Abgas der Brennkraftmaschine 1, typischerweise eines Diesel- oder Ottomotors, durchströmt einen Fächerkrümmer 2, in welchen ein Wärmetauscher 3 integriert ist. Zusätzliche Wärmetauscher zur Energieversorgung des Nebenantriebs können in nicht dargestellter Weise an anderer Stelle der Brennkraftmaschine 1, insbesondere im Abgasstrang und/oder im Kühlmittelkreislauf, angeordnet sein. Ein den Wärmetauscher 3 durchströmendes Arbeitsmedium, insbesondere Dampf, wird einer Expansionsmaschine 4 als Wärmekraftmaschine des Nebenantriebs zugeführt. Die als Dampfturbine ausgebildete Expansionsmaschine 4 treibt über eine Abtriebswelle 5, eine Kupplung 6 und ein vorzugsweise stufenloses Getriebe 7 Nebenaggregate 8, 9 der Brennkraftmaschine 1 an. Des weiteren ist von der Expansionsmaschine 4 gelieferte mechanische Leistung über das Getriebe 7 oder über ein nicht dargestelltes gesondertes Getriebe einem Radantrieb 10 des mit der Brennkraftmaschine 1 betriebenen Fahrzeugs zuführbar.An in 1 symbolized shown power take-off of an internal combustion engine 1 , in particular a reciprocating engine of a motor vehicle, is due to otherwise unused thermal power of the internal combustion engine 1 driven. An exhaust gas of the internal combustion engine 1 , typically a diesel or gasoline engine, flows through a manifold 2 in which a heat exchanger 3 is integrated. Additional heat exchanger for power supply of the auxiliary drive can in a manner not shown elsewhere in the internal combustion engine 1 , in particular in the exhaust system and / or in the coolant circuit, be arranged. A the heat exchanger 3 flowing working medium, in particular steam, becomes an expansion machine 4 supplied as a heat engine of the auxiliary drive. The trained as a steam turbine expansion machine 4 drives via an output shaft 5 , a clutch 6 and a preferably continuously variable transmission 7 ancillaries 8th . 9 the internal combustion engine 1 at. Furthermore, from the expansion machine 4 delivered mechanical power through the gearbox 7 or via a not shown separate gear a wheel drive 10 with the internal combustion engine 1 operated vehicle fed.

Der aus der Expansionsmaschine 4 durch eine Leitung 11 ausströmende Dampf wird mithilfe eines Kühlers 12 kondensiert. Das verflüssigte Arbeitsmedium der Expansionsmaschine 4 wird durch eine Pumpe 13 wieder zum Wärmetauscher 3 gefördert, welcher sehr nahe an der Brennkraftmaschine 1, im Abgasstrom noch vor einem Katalysator 14, angeordnet ist. Die Strömung des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine 4 ist durch ein Ventil 15 beeinflussbar. Das Ventil 15 wird ebenso wie beispielsweise die Pumpe 13 oder ein nicht dargestelltes Sperrorgan, welches eine Kühlmittelströmung durch den Ölkühler 12 beeinflusst, insbesondere in Abhängigkeit von in der Brennkraftmaschine 1 sowie in der Expansionsmaschine 4 herrschenden Temperaturen angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt dabei derart, dass die Brennkraftmaschine 1 möglichst schnell ihre normale Betriebstemperatur erreicht. Der Assistenzantrieb ist somit in ein Thermo-Management-System der Brennkraftmaschine 1 eingebunden. Die Pumpe 13 ist vorzugsweise über das Getriebe 7 und damit mittels der Expansionsmaschine 4 antreibbar.The one from the expansion machine 4 through a pipe 11 outgoing steam is using a cooler 12 condensed. The liquefied working medium of the expansion machine 4 is through a pump 13 back to the heat exchanger 3 promoted, which is very close to the internal combustion engine 1 , in the exhaust stream before a catalyst 14 , is arranged. The flow of the working medium into the expansion machine 4 is through a valve 15 influenced. The valve 15 will as well as, for example, the pump 13 or an unillustrated obturator, which a coolant flow through the oil cooler 12 influenced, in particular as a function of in the internal combustion engine 1 as well as in the expansion machine 4 driven by prevailing temperatures. The control takes place in such a way that the internal combustion engine 1 as soon as possible reaches its normal operating temperature. The assistant drive is thus in a thermal management system of the internal combustion engine 1 involved. The pump 13 is preferably via the transmission 7 and thus by means of the expansion machine 4 drivable.

Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 hauptsächlich dadurch, dass der hier durch eine gestrichelte Linie abgegrenzte, insgesamt mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnete Nebenantrieb nicht nur durch die Expansionsmaschine 4 antreibbar ist, sondern auch eine mechanische Kopplung mit einer Abtriebswelle 17 der Brennkraftmaschine 1 aufweist. Die Verbindung zwischen dem Nebenantrieb 16 und der Abtriebswelle 17 ist mittels einer schaltbaren Kupplung 18 herstellbar, wobei ein Kraftfluss je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 und der Expansionsmaschine 4 entweder von der Brennkraftmaschine 1 zum Nebenantriebs 16 oder umgekehrt vom Getriebe 7 des Nebenantriebs 16 zur Abtriebswelle 17 der Brennkraftmaschine 1 erfolgen kann.The embodiment according to 2 differs from the embodiment according to 1 mainly by the fact that here by a dashed line delimited, in total with the reference numeral 16 characterized auxiliary drive not only by the expansion machine 4 is drivable, but also a mechanical coupling with an output shaft 17 the internal combustion engine 1 having. The connection between the PTO 16 and the output shaft 17 is by means of a switchable coupling 18 can be produced, with a power flow depending on the operating state of the internal combustion engine 1 and the expansion machine 4 either from the internal combustion engine 1 to the auxiliary drive 16 or vice versa from the gearbox 7 of the auxiliary drive 16 to the output shaft 17 the internal combustion engine 1 can be done.

11
BrennkraftmaschineInternal combustion engine
22
FächerkrümmerHeaders
33
Wärmetauscherheat exchangers
44
Expansionsmaschineexpander
55
Abtriebswelleoutput shaft
66
Kupplungclutch
77
Getriebetransmission
88th
Nebenaggregataccessory
99
Nebenaggregataccessory
1010
RadantriebWheel Drive
1111
Leitungmanagement
1212
Kühlercooler
1313
Pumpepump
1414
Katalysatorcatalyst
1515
VentilValve
1616
NebenantriebPTO
1717
Abtriebswelleoutput shaft
1818
Kupplungclutch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 102006003815 A1 [0002] - DE 102006003815 A1 [0002]

Claims (10)

Assistenzantrieb für eine Brennkraftmaschine (1), mit einem einer Abwärme der Brennkraftmaschine (1) ausgesetzten Wärmetauscher (3), sowie mit einer durch ein den Wärmetauscher (3) durchströmendes Medium angetriebenen Expansionsmaschine (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (4) zum mechanischen Antrieb eines Nebenantriebs (16) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist.Assistant drive for an internal combustion engine ( 1 ), with a waste heat of the internal combustion engine ( 1 ) exposed heat exchanger ( 3 ), as well as with a through the heat exchanger ( 3 ) medium flowing through the expansion machine ( 4 ), characterized in that the expansion machine ( 4 ) for the mechanical drive of a power take-off ( 16 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is provided. Assistenzantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenantrieb (16) zum mechanischen Antrieb eines Nebenaggregats (8, 9) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist.Assistance drive according to claim 1, characterized in that the auxiliary drive ( 16 ) for the mechanical drive of an auxiliary unit ( 8th . 9 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is provided. Assistenzantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenantrieb (16) zum von der Brennkraftmaschine (1) mechanisch unabhängigen Antrieb mindestens eines Rades eines mit der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Fahrzeugs vorgesehen ist.Assistance drive according to claim 1 or 2, characterized in that the auxiliary drive ( 16 ) to the engine ( 1 ) mechanically independent drive at least one wheel of the internal combustion engine ( 1 ) driven vehicle is provided. Assistenzantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) zumindest teilweise in einem von Abgasen der Brennkraftmaschine (1) durchströmten Fächerkrümmer (2) angeordnet ist.Assistance drive according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat exchanger ( 3 ) at least partially in one of exhaust gases of the internal combustion engine ( 1 ) through exhaust manifolds ( 2 ) is arranged. Assistenzantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (4) als Strömungsmaschine ausgebildet ist.Assistance drive according to one of claims 1 to 4, characterized in that the expansion machine ( 4 ) is designed as a turbomachine. Assistenzantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenantrieb (16) mechanisch mit der Brennkraftmaschine (1) gekoppelt ist.Assistance drive according to one of claims 1 to 5, characterized in that the auxiliary drive ( 16 ) mechanically with the internal combustion engine ( 1 ) is coupled. Assistenzantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenantrieb (16) über eine schaltbare Kupplung (18) mit der Brennkraftmaschine (1) gekoppelt ist.Assistance drive according to claim 6, characterized in that the auxiliary drive ( 16 ) via a switchable coupling ( 18 ) with the internal combustion engine ( 1 ) is coupled. Assistenzantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenantrieb (16) ein schaltbares Getriebe (7) umfasst.Assistance drive according to one of claims 1 to 7, characterized in that the auxiliary drive ( 16 ) a switchable transmission ( 7 ). Assistenzantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) als stufenloses Getriebe ausgebildet ist.Assistance drive according to claim 8, characterized in that the transmission ( 7 ) is designed as a continuously variable transmission. Verwendung eines Assistenzantriebs nach Anspruch 1 in einem Straßenfahrzeug.Use of an assistant drive according to claim 1 in a road vehicle.
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