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Die Erfindung betrifft eine Verdichter-Turbinen-Anordnung, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichter-Turbinen-Anordnung.
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Verdichter-Turbinen-Anordnungen, Brennkraftmaschinen und Verfahren zum Betreiben von solchen Verdichter-Turbinen-Anordnungen und Brennkraftmaschinen sind bekannt. Dabei wird die Verdichter-Turbinen-Anordnung typischerweise als ein Abgasturbolader verwendet, um eine thermische Energie eines Verbrennungsgases, welche nach dem Verbrennungsprozesses in dem Verbrennungsgas enthalten ist, zu nutzen, um in einem Abströmpfad der Brennkraftmaschine eine Turbine der Verdichter-Turbinen-Anordnung anzutreiben. Da die Turbine über eine Welle mit einem Verdichter der Verdichter-Turbinen-Anordnung verbunden ist, wird dadurch der Verdichter, welcher in einem Zuströmpfad der Brennkraftmaschine angeordnet ist, ebenfalls in Rotation versetzt. Dadurch wird ein in dem Zuströmpfad geführtes Frischgas verdichtet und somit ein Ladedruck erhöht, insbesondere also eine Leistungsfähigkeit des Verbrennungsprozesses in einem Brennraum der Brennkraftmaschine erhöht. Da die in dem Abgas enthaltene Energie im Wesentlichen von dessen Temperatur und Druck abhängt, steht insbesondere beim Starten einer solchen Brennkraftmaschine oftmals nicht genügend Energie zur Verfügung, um die Turbine derart anzutreiben, dass die Gesamteffizienz optimal ist. Dabei kommt es insbesondere in den noch kalten Abgasleitungen und Zylinderköpfen der Brennkraftmaschine zu Wärmeverlusten, welche die Restenergie in dem Abgas reduzieren.
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Insbesondere ist dadurch eine Reibung der Welle, welche üblicherweise ölgelagert in einem Lagergehäuse angeordnet ist, sehr hoch, wodurch es infolge der Reibung zu weiteren Energieverlusten bei der Übertragung eines Drehmoments von der Turbine auf den Verdichter kommt. Der somit insgesamt reduzierte Ladedruck der Brennkraftmaschine verlängert darüber hinaus insbesondere auch Hochlaufzeiten, also den Startvorgang der Brennkraftmaschine insgesamt.
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Um diese Probleme zu reduzieren, ist es bekannt, Öle zu verwenden, die insbesondere bei Raumtemperatur bereits möglichst dünnflüssig sind, wodurch Reibungsverluste reduziert werden können.
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Ebenfalls bekannt zu Verbindung von Verdichter und Turbine sind kugelgelagerte Wellen, sodass auch hierdurch Reibungsverluste, insbesondere beim Startvorgang reduziert sind.
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Schließlich ist es auch bekannt, die Turbine als solche zu verkleinern, wodurch zwar einerseits ein erhöhter Antriebsdruck erzeugt wird. Andererseits ist dadurch jedoch ein Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine reduziert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verdichter-Turbinen-Anordnung, einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben der Verdichter-Turbinen-Anordnung und/oder der Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile vermieden sind. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung reibungsbedingte Energieverluste während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine zu reduzieren und/oder die Dauer eines Hochlaufens der Verdichter-Turbinen-Anordnung und/oder der Brennkraftmaschine als Ganzes zu verkürzen, sodass der optimale Drehzahlbereich frühzeitiger erreicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Verdichter-Turbinen-Anordnung geschaffen wird, die einen in einem Verdichtergehäuse gelagerten Verdichter und eine in einem Turbinengehäuse gelagerte Turbine aufweist, wobei der Verdichter und die Turbine über eine Welle miteinander drehfest verbunden sind, wobei die Welle in zumindest einer Lagervorrichtung der Verdichter-Turbinen-Anordnung drehbar gelagert ist, wobei die Verdichter-Turbinen-Anordnung eine Ölversorgungsvorrichtung aufweist, welche mit der Lagervorrichtung verbunden ist, wobei die Ölversorgungsvorrichtung zumindest eine Ölversorgungsleitung und eine Heizvorrichtung aufweist, wobei ein erstes Ende der Ölversorgungsleitung mit der Lagervorrichtung verbunden und ein zweites Ende der Ölversorgungsleitung mit einem Ölreservoir verbindbar, insbesondere verbunden, ist, und wobei die Heizvorrichtung zum Erwärmen eines in der Ölversorgungsleitung geführten Öls ausgebildet und eingerichtet ist. Dadurch ist das Öl, welches der Lagervorrichtung zugeführt wird und vorzugsweise zur Schmierung der Welle verwendet wird, vorgewärmt und dessen Zähigkeit reduziert. Dadurch geht bei einer Rotation der Welle weniger Energie durch Reibung verloren. Somit ist insgesamt ein von dem Verdichter erzeugbarer Ladedruck für einen Brennkraftmaschine erhöht. Zudem ist dadurch eine Solldrehzahl der Verdichter-Turbinen-Anordnungen und/oder der Brennkraftmaschine schneller erreicht und die Dauer eines Hochlaufens ist verkürzt.
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Vorzugsweise ist dabei die Ölversorgungsvorrichtung separat zu der Lagervorrichtung ausgebildet. Insbesondere die Heizvorrichtung ist in diesem Fall separat zu der Lagervorrichtung ausgebildet, wodurch die Heizvorrichtung unabhängig der Lagervorrichtung beheizbar ist. Bevorzugt ist die Lagervorrichtung mit der Ölversorgungsvorrichtung dabei allein durch die Ölversorgungsleitung, insbesondere dessen erstes Ende, verbunden. Aufgrund der separaten Ausbildung ist ein Wärmeaustausch zwischen Ölversorgungsrichtung, insbesondere Heizvorrichtung, und Lagervorrichtung reduziert. Dadurch lässt sich das zu erwärmende Öl mit geringem Energieaufwand erwärmen. Zudem ist bei der separaten Ausbildung eine flexiblere Anordnung der einzelnen Bauteile möglich. Auch ein Nachrüsten einer bekannten, insbesondere betriebsfertig verbauten Verdichter-Turbinen-Anordnung ist hiermit auf einfache Weise möglich, indem die von der Heizvorrichtung beheizbare Ölversorgungsleitung der Ölversorgungsvorrichtung mit einem vorzugsweise bereits vorhandenen Anschlussbereich der bekannten Verdichter-Turbinen-Anordnung verbunden wird.
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Alternativ ist die Ölversorgungsvorrichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig integral mit der Lagervorrichtung ausgebildet. Insbesondere die Heizvorrichtung ist hierbei als Teil der Lagervorrichtung ausgebildet. Bevorzugt weist die Lagervorrichtung in diesem Fall die Heizvorrichtung auf. Besonders bevorzugt sind dabei Ölversorgungsvorrichtung und Lagervorrichtung zusammen als ein integrales Lagergehäuse ausgebildet, welches sowohl die Lagerung der Welle als auch die Heizung des Öls bereitstellt. Dadurch ist die Bauweise insgesamt sehr kompakt. Insbesondere aufgrund dieser kompakten Bauweise lassen sich zudem diffusive Wärmeverluste reduzieren und Wärmeschwankungen vermeiden.
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Die hierbei erwähnte Turbine, der Verdichter, die Lagervorrichtung, welche insbesondere als Lagergehäuse ausgebildet ist, die Welle, dass Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse sind vorzugsweise zusammen als Abgasturbolader ausgebildet. Grundsätzlich ist das hier erläuterte erfinderische Prinzip aber auf jede Verdichter-Turbinen-Anordnung und insbesondere auf andere ölgelagerte Wellen vorteilhaft übertragbar.
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Die in der Lagervorrichtung gelagerte Welle ist also vorzugsweise ölgelagert. Unter einer Öllagerung wird hier insbesondere verstanden, dass die Welle mit dem Öl in Kontakt insbesondere von dem Öl umgeben ist und - zumindest während einer Rotation der Welle - in diesem Öl derart schwimmt, dass die Welle zumindest abschnittsweise in alle radialen Richtungen von dem Öl umgeben ist. Dadurch wird eine Reibung zwischen der Welle und dem Bauteil, welches die Welle lagert, hier die Lagervorrichtung, reduziert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung einen Wärmetauscher und eine Wärmequelle aufweist. Eine solche Heizvorrichtung stellt somit ein effizientes Mittel dar, um das Öl zu erwärmen.
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Dabei ist der Wärmetauscher vorzugsweise zum Austausch von Wärme, insbesondere zum Übertragen von Wärme, an die Ölversorgungsleitung gekoppelt. Die Wärmequelle ist dabei zum Heizen, also zum Erwärmen, des Wärmetauschers ausgebildet und eingerichtet, insbesondere an den Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme gekoppelt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher, die Ölversorgungsleitung zumindest abschnittsweise umgreift. Dadurch ist eine einfache und effiziente Erwärmung des Öls möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher als Metallblock und/oder als Teil eines die Lagervorrichtung umfassenden Lagergehäuses ausgebildet ist. Die Ausbildung als Metallblock ist besonders kostengünstig, wobei die Übertragung von Wärme mittels des Metallblocks, insbesondere aufgrund dessen hoher Wärmeleitfähigkeit, verbessert ist. Durch die integrale Ausbildung als Teil des Lagergehäuses ist die Bauweise insgesamt sehr kompakt und platzsparend.
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Unter einem Metallblock wird hier insbesondere ein zumindest im Wesentlichen unbearbeiteter Metallklotz verstanden, welcher vorzugsweise separat zu der Lagervorrichtung ausgebildet und angeordnet ist.
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Grundsätzlich sind auch andere Materialien als Metall und/oder andere Bauformen als die erwähnte blockförmige Form möglich. Wichtig ist, dass der Wärmetauscher eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und damit eine guter Wärmeübertragung zwischen Wärmetauscher und Ölversorgungsleitung und insbesondere dem darin geführten Öl gegeben ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmequelle ein Elektroheizelement aufweist. Dadurch ist die Heizvorrichtung und die Wärmequelle insbesondere unabhängig von einem Betrieb der Brennkraftmaschine und/oder einer Rotation der Welle funktionsfähig. Zudem kann dadurch die Heizvorrichtung und/oder die Wärmequelle bereits in Betrieb genommen werden, bevor die Brennkraftmaschine gestartet und/oder die Welle in Rotation versetzt wurde.
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Vorzugsweise ist die Wärmequelle als elektrische Heizpatrone ausgebildet, wodurch eine besonders effiziente Erwärmung des Öls geschaffen ist, die unabhängig von einem Betrieb der Brennkraftmaschine und/oder der Rotation der Welle ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher, insbesondere der Metallblock, vorzugsweise überwiegend Stahl, Kupfer, Aluminium, Eisen, insbesondere Gusseisen, und/oder Legierungen dieser Materialien aufweist, insbesondere daraus besteht. Dadurch ist die Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers hoch und die Erwärmung des Öls sehr effizient, wodurch Energieverluste bei der Erwärmung reduziert sind.
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Vorzugsweise wird das Material des Wärmetauschers also derart gewählt, dass die Wärmeleitfähigkeit hoch ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Metallblock ein Gewicht von zumindest 2 kg aufweist. Dadurch ist eine Wärmekapazität des Metallblocks sehr hoch und eine über die Wärmequelle zugeführte Wärmemenge kann zum einen sehr gut zwischengespeichert und zum anderen über einen größeren Bereich verteilt und an die Ölversorgungsleitung übertragen werden.
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Vorzugsweise weist der Metallblock ein Gewicht von zumindest 3 kg, vorzugsweise 4 kg, vorzugsweise 5 kg auf. Bevorzugt wiegt der Metallblock zwischen 2 kg und 5 kg. Dadurch ist die Wärmekapazität weiter erhöht. Zudem ist auch dadurch eine Weiterleitung der Wärme von der Wärmequelle an die Ölversorgungsleitung und insbesondere an das darin geführte Öl weiter verbessert.
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Wichtig ist, dass die Dimensionierung, insbesondere die Größe und/oder das Gewicht und damit die Wärmekapazität des Metallblocks derart gewählt ist, dass das von dem Metallblock erwärmte Öl insbesondere in einer Startphase der Brennkraftmaschine, ganz besonders in den ersten 20 bis 60 Sekunden nach Start der Brennkraftmaschine, nach der Erwärmung auf zumindest 60°C, vorzugsweise zumindest 80°C, vorzugsweise zumindest 100°C erwärmt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher zumindest einen Wasserspeicher und/oder zumindest eine Wasserleitung aufweist. Hierdurch ist es möglich, den Wärmetauscher als wasserführenden Wärmetauscher zu verwenden, sodass die Wärmekapazität des Wärmetauschers hoch ist und eine Übertragung der Wärme an das Öl sehr effizient ist. Durch die hohe Wärmekapazität kann insbesondere auch eine Restwärme der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung von einem vorangehenden Betrieb, der also zeitlich vor dem Startvorgang liegt, gespeichert und zum Erwärmen des Öls genutzt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verdichter-Turbinen-Anordnung ein Ölreservoir aufweist, welches mit dem zweiten Ende der Ölversorgungsleitung verbunden ist. Dadurch ist eine insgesamt kompakte Verdichter-Turbinen-Anordnung geschaffen, die unabhängig von einem externen, separat ausgebildeten Ölspeicher verwendet werden kann.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit einer Verdichter-Turbinen-Anordnung nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele geschaffen wird, wobei der Verdichter in einem Zuströmpfad zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine und die Turbine in einem Abströmpfad von einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Hierdurch ist die Brennkraftmaschine insbesondere bei einem Hochfahren, also einem Startvorgang der Brennkraftmaschine, effizient betreibbar, wobei ganz besonders ein Ladedruck beim Hochfahren sehr hoch ist.
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Unter einem Zuströmpfad wird hier insbesondere eine Versorgungsleitung für Frischgas verstanden, welche ausgebildet und eingerichtet ist, um dem Brennraum der Brennkraftmaschine das Frischgas zur Verbrennung mit einem Brennstoff zuzuführen. Unter einem Abströmpfad wird hier insbesondere eine Abgasleitung verstanden, welche ausgebildet und eingerichtet ist, um ein aus der Verbrennung hervorgehendes Abgas aus dem Brennraum abzuführen.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichter-Turbinen-Anordnung insbesondere nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele und ganz besonders zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele geschaffen wird, wobei einer Lagervorrichtung der Verdichter-Turbinen-Anordnung ein Öl zugeführt wird, wobei das Öl vor und/oder während des Zuführens von einer Heizvorrichtung der Verdichter-Turbinen-Anordnung erwärmt wird. Dadurch sind reibungsbedingte Energieverluste beim Betreiben der Verdichter-Turbinenanordnung niedrig.
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Vorzugsweise wird das Öl dabei in einer Ölversorgungsleitung der Verdichter-Turbinen-Anordnung erwärmt, sodass das zugeführte Öl in der Lagervorrichtung bereits erwärmt ist. Dadurch ist eine zuverlässige Bereitstellung von erwärmtem Öl sichergestellt und reibungsbedingte Energieverluste sind besonders niedrig.
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Vorzugsweise ist dabei ein Verdichter der Verdichter-Turbinen-Anordnung in einem Zuströmpfad der Brennkraftmaschine angeordnet, und ausgebildet und eingerichtet, um einen in dem Zuströmpfad geführtes Frischgas zu verdichten. Eine in einem Abströmpfad Brennkraftmaschine angeordnete Turbine der Verdichter-Turbinen-Anordnung ist hier vorzugsweise ausgebildet und eingerichtet, um ein in dem Abströmpfad geführtes Abgas zu expandieren und diesem somit Energie zu entnehmen. Besonders bevorzugt sind also Turbine und Verdichter und insbesondere die Verdichter-Turbinen-Anordnung als Abgasturbolader ausgebildet, welcher eingerichtet ist, um dass der Brennkraftmaschine zugeführte Frischgas zu verdichten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Öl einer die Turbine mit dem Verdichter verbindenden Welle zugeführt wird. Dadurch ist eine Reibung der Welle, insbesondere zwischen der Welle und der Lagervorrichtung, reduziert
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Vorzugsweise wird also das erwärmte Öl zur Lagerung der Welle verwendet und dadurch die Reibung reduziert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Öl vor einem Starten einer mit der Verdichter-Turbinen-Anordnung wirkverbunden Brennkraftmaschine und/oder während eines Hochlaufens der Brennkraftmaschine erwärmt und/oder zugeführt wird. Dadurch sind Energieverluste beim Hochlaufen reduziert und eine Dauer des Hochlaufens ist verkürzt.
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Unter einem Hochlaufen wird hier insbesondere ein Vorgang beim Starten der Verdichter-Turbinen-Anordnung, insbesondere der Brennkraftmaschine, verstanden, wobei eine Drehzahl der Verdichter-Turbinen-Anordnung, insbesondere der Welle, und/oder eine weitere Drehzahl eines weiteren Bauteils der Brennkraftmaschine, insbesondere eine Motordrehzahl, mit der Zeit zunimmt, insbesondere um eine Solldrehzahl zu erreichen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Öl zumindest auf eine Temperatur von 60 °C, vorzugsweise 80 °C, vorzugsweise 100 °C, erwärmt wird. Dadurch sind eine Reibung und damit einhergehende reibungsbedingte Energieverluste besonders niedrig.
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Vorzugsweise wird die Temperatur derart gewählt, dass eine Viskosität des Öls nur noch 1/10, vorzugsweise 1/15, vorzugsweise 1/18, vorzugsweise 1/20 der ursprünglichen Viskosität des Öls beträgt. Unter einer ursprünglichen Viskosität wird hier insbesondere die Viskosität des Öls vor dem Erwärmen verstanden und ganz besonders die Viskosität des Öls bei Raumtemperatur verstanden. Dadurch ist die Reibung besonders niedrig.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiteres Öl erwärmt wird, wobei das erwärmte weitere Öl der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Dadurch ist eine separate Erwärmung von zwei verschiedenen Ölen, insbesondere auf zwei verschiedene Temperaturen möglich, sodass das eine Öl und dessen Eigenschaften derart gewählt werden können, dass diese für den Betrieb der Verdichter-Turbinen-Anordnung, insbesondere der Welle, optimal sind, wobei das andere, weitere Öl derart gewählt werden kann, dass dessen Eigenschaften optimal für den Betrieb der Brennkraftmaschine sind.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das weitere Öl nicht der Verdichter-Turbinen-Anordnung zugeführt wird.
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Das der Verdichter-Turbinen-Anordnung zugeführte Öl wird vorzugsweise separat zu dem weiteren Öl, welches insbesondere ein Motoröl ist, zugeführt.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Beschreibungen des Verfahrens, der Verdichter-Turbinen-Anordnung und der Brennkraftmaschine sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung. Bevorzugt ist die Brennkraftmaschine und/oder die Verdichter-Turbinen-Anordnung ausgebildet zur Durchführung wenigstens eines der in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Verfahrensschritte. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Insbesondere ist im Rahmen des Verfahrens bevorzugt wenigstens ein Schritt vorgesehen, der sich aus wenigstens einem Merkmal der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung ergibt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Verdichter-Turbinen-Anordnung und eine Brennkraftmaschine.
- 1 zeigt eine Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 mit einem Verdichter 3 und eine Turbine 5, wobei der Verdichter 3 und die Turbine 5 über eine Welle 7 miteinander drehfest verbunden sind. Die Welle 7 ist dabei in einer Lagervorrichtung 9, welche hier als Lagergehäuse ausgebildet ist, um eine Rotationsachse A drehbar gelagert.
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Ferner weist die Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 eine Ölversorgungsvorrichtung 11 auf, die mit der Lagervorrichtung 9 mittels einer Ölversorgungsleitung 13 verbunden ist. Die Ölversorgungsvorrichtung 11 weist also die Ölversorgungsleitung 13 und darüber hinaus eine Heizvorrichtung 15 auf. Ein erstes Ende 17 der Ölversorgungsleitung 13 ist hier mit der Lagervorrichtung 9 verbunden, wobei ein zweites Ende 19 der Ölversorgungsleitung 13 mit einem Ölreservoir 21 verbindbar und hier insbesondere verbunden ist. Dabei ist die Heizvorrichtung 15 zum Erwärmen eines in der Ölversorgungsleitung 13 geführten Öls ausgebildet und eingerichtet. Dadurch kann ein der Welle zugeführtes Öl vorab und insbesondere bevor die Welle und/oder ein Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eine Betriebstemperatur erreicht haben erwärmt werden. Damit sind insbesondere eine Reibung der Welle und damit einhergehende Energieverluste reduziert, ein Ladedruck, welcher mittels der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 erzeugt werden kann, erhöht und eine Dauer eines Hochlaufens der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 verkürzt.
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Durch das der Lagervorrichtung 9 zugeführte Öl ist die Welle 7 hier insbesondere in der Lagervorrichtung 9 ölgelagert, wobei zumindest ein, hier insbesondere zwei die Welle 7 in Umfangsrichtung umgreifende Lagerbereiche 16 insbesondere als Aussparungen in der Lagervorrichtung 9 ausgebildet sind, wobei die Lagerbereiche 16 mit dem erwärmten Öl befüllt werden.
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Zudem ist ferner bevorzugt eine das Öl abführende Leitung vorgesehen, welche das Öl aus dem Lagerbereich und/oder Ölleckagen sammelt und aus der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 abführt und/oder der Ölversorgungsleitung 13 erneut zuführt, insbesondere in einem Abschnitt, der strömungstechnisch oberhalb der Heizvorrichtung 15 angeordnet ist. Somit ist insgesamt ein Ölkreislauf geschaffen und der Bedarf an Öl ist niedrig.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 weist die Heizvorrichtung 15 einer Wärmetauscher 23 und eine Wärmequelle 25 auf. Der Wärmetauscher 23 ist hier insbesondere als ein Metallblock 27 ausgebildet, sodass die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit hoch sind und eine Wärmeübertragung auf das Öl somit sehr effizient erfolgt. Dieser Metallblock 27 umgreift dabei einen Abschnitt der Ölversorgungsleitung 13, insbesondere indem die Ölversorgungsleitung 13 durch Aussparungen in dem Metallblock 27 hindurchgeführt ist. Dadurch ist die Wärmeübertragung zum einen sehr effizient und zum anderen sind die Herstellungskosten niedrig.
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Die Wärmequelle 25 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als elektrische Heizpatrone 29 ausgebildet, welche über eine elektrische Spannungsversorgung 31 mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Der hier dargestellte Wärmetauscher, also der Metallblock 27, weist vorzugsweise überwiegend Stahl, Kupfer, Aluminium, Eisen, insbesondere Gusseisen, und/oder Legierungen dieser Materialien auf. Besonders bevorzugt besteht der Metallblock 27 aus einem solchen Material, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, welche hier hinsichtlich ihrer hier genannten relevanten Eigenschaften, insbesondere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, besonders vorteilhaft sind.
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Ferner weist der Metallblock 27 vorzugsweise ein Gewicht von zumindest 2 kg vorzugsweise ein Gewicht zwischen 2 und 5 kg auf. Dadurch ist die Wärmekapazität einerseits und die Wärmeleitfähigkeit andererseits hoch und eine Erwärmung des Öls erfolgt schnell und gleichmäßig. Das Gewicht und damit die Wärmekapazität wird dabei derart gewählt, dass bei einem Startvorgang, insbesondere in den ersten 20 bis 60 Sekunden nach Start einer Brennkraftmaschine das Öl nach dessen Erwärmung, insbesondere nach Durchströmen des Metallblocks, auf die gewünschte Temperatur, insbesondere zumindest 60°C, vorzugsweise zumindest 80°C, vorzugsweise zumindest 100°C erwärmt ist.
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In einem alternativen hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 23 als ein wasserführender Wärmetauscher ausgebildet, wobei der Wärmetauscher 23 zumindest einen Wasserspeicher und/oder zumindest eine Wasserleitung aufweist. Auch dadurch ist die Erwärmung des Öls verbessert und der Betrieb der Verdichter-Turbinen-Anordnung effizient.
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Ferner zeigt 1 eine Brennkraftmaschine 33, welche die Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 umfasst. Dabei ist der Verdichter 3 in einem hier nicht dargestellten Zuströmpfad zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine 33 und die Turbine 5 in einem Abströmpfad von einem Brennraum der Brennkraftmaschine 33 angeordnet. Dadurch ist der Betrieb der Brennkraftmaschine insbesondere auch während eines Startvorgangs, also einem Hochlaufen der Brennkraftmaschine, sehr effizient, wobei zum einen ein Ladedruck hoch ist und zum anderen reibungsbedingt Energieverluste, insbesondere im Bereich der Welle 7, niedrig sind.
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Anhand von 1 wird im Folgenden ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichter-Turbinen-Anordnung 1, insbesondere des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 und/oder der Brennkraftmaschine 33, beschrieben. Dabei wird der Lagervorrichtung 9 der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 ein Öl zugeführt. Das Öl wird dabei vor und/oder während des Zuführens von der Heizvorrichtung 15 der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 erwärmt. Dadurch ist eine Reibung zwischen der Welle 7 und der Lagervorrichtung 9 reduziert und somit reibungsbedingte Energieverluste vermieden.
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Das Öl wird hier also insbesondere der Welle 7, welche die Turbine 5 mit dem Verdichter 3 verbindet, zugeführt, wobei die beiden die Welle umgreifenden Lagerbereiche 16 mit dem Öl gefüllt werden. Dadurch dass das Öl bei der Befüllung erwärmt ist, ist stets die Reibung zwischen der Welle 7 und der Lagervorrichtung 9 niedrig.
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Vorzugsweise wird das Öl vor einem Starten der Brennkraftmaschine 33 und/oder während eines Hochlaufens der Brennkraftmaschine 33 erwärmt und den beiden Lagerbereichen 16 zugeführt. Somit ist auch während des Hochlaufens der Energieverlust minimiert.
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In dem hier dargestellten Verfahren wird das Öl vorzugsweise auf eine Temperatur von zumindest 60 °C, vorzuweisen 80 °C, vorzugsweise 100 °C erwärmt. Dabei zeigt sich, dass die Viskosität des erwärmten Öls einen guten Wert erreicht und die Reibung reduziert ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zudem ein weiteres Öl erwärmt und der Brennkraftmaschine 33, insbesondere einer weiteren Welle der Brennkraftmaschine 33 und/oder einem hier nicht dargestellten Zylinderkolben der Brennkraftmaschine 33 zugeführt.
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Dadurch ist eine separate Ölversorgung für die Welle 7 der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 einerseits und andere Komponenten der Brennkraftmaschine 33 andererseits geschaffen, sodass die jeweilige Ölversorgung auf die jeweiligen Anwendungszwecke optimiert ist.
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Besonders bevorzugt wird nach einem Hochlaufen der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 und/oder der Brennkraftmaschine 33 die Heizvorrichtung 15 abgeschaltet und/oder in ihrer Heizleistung reduziert, sodass das Öl - nachdem die Brennkraftmaschine 33 und/oder die Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 hochgelaufen ist - weniger stark und/oder nicht mehr erwärmt wird. Dadurch wird Energie, welche zum Betrieb der Heizvorrichtung 15 erforderlich ist, eingespart, sodass das Verfahren insgesamt effizienter ist. Zudem ist nach dem Hochlaufen das Erwärmen mittels der Heizvorrichtung 15 insoweit entbehrlich, als das Öl von den aufgeheizten Komponenten der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 und/oder der Brennkraftmaschine 33 erwärmt wird und somit eine zusätzliche Erwärmung nicht erforderlich ist und/oder reduziert werden kann, ohne dass reibungsbedingte Energieverluste signifikant ansteigen.
