DE19960762A1 - Energiegewinnung aus der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung verbessert die Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren, indem der Verbrennungsmotor, ein Verdichter, ein Wärmetauscher und eine Turbine geschickt miteinander kombiniert werden. Der Wärmetauscher entzieht dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors Energie in Form von Wärme, die dem Arbeitsmedium eines offenen Gasturbinensystems zugeführt wird, daß mit dem Arbeitsmedium Umgebungsluft betrieben wird. Das Gasturbinensystem besteht aus einem Verdichter, der im Turbinengasstrom vor dem Wärmetauscher angeordnet ist und das Arbeitsmedium des Gasturbinensystems vor Eintritt in den Wärmetauscher verdichtet, und einer Turbine, die im Turbinengasstrom hinter dem Wärmetauscher angeordnet ist, und die durch das im Wärmetauscher aufgeheizte und beschleunigte Arbeitsmedium angetrieben wird. Der Verdichter und die Turbine sind energetisch miteinander verbunden, so daß ein Energieaustausch zwischen beiden Komponenten stattfindet. Die nutzbare Energie ergibt sich aus der Differenz der bei Entspannung in der Turbine gewonnenen Energie und der für die Verdichtung des Arbeitsmediums aufgewendeten Energie.

Description

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis und ein Verfahren nach den Oberbegriffen der unabhän­ gigen Ansprüche.

Bekannte Techniken zur Energiegewinnung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors sind der Abgas-Turbolader und die Heizungsanlagen für Kraftfahrzeuge. Beim Abgasturbo­ lader treibt der Abgasstrom eine Turbine an. Die Energie, die die Turbine liefert, nutzt ein Verdichter, um die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft zu verdichten. Die Verdichtung der Luft erhöht den Wirkungsgrad der Verbrennung und führt so zu einer Leistungssteigerung des Motors. Im Gegensatz zum Gasturbinenprozeß mit Wärmetauscher, der die Abgaswärme als Energiequelle nutzt, dient dem Abgasturbolader die Strömungsenergie des Abgases als wesentliche Energiequelle.

Bei Kraftfahrzeugen mit luftgekühlten Verbrennungsmotoren dient ein im Abgasstrom be­ findlicher Luft-Luft-Wärmetauscher als Energiequelle zur Erwärmung des Fahrgastinnen­ raums.

Allgemein wandeln Fahrzeuge nur etwa 1/3 der chemischen Energie des Brennstoffs in me­ chanische Energie. 1/3 der Energie geht über die Motorkühlung und Wärmeabstrahlung ver­ loren und 1/3 der Energie fließt in den Abgasstrom, wobei sich die Energie des Abgasstroms hauptsächlich aus Strömungsenergie und Wärmeenergie zusammensetzt. Die Anteile der bei­ den erwähnten Energiearten verschieben sich je nach Betriebszustand des Verbrennungsmo­ tors. Der Anteil der Strömungsenergie an der gesamten Abgasenergie ist vornehmlich von der Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängig und steigt mit zunehmender Drehzahl an. Abga­ sturbolader nutzen bei hohen Motordrehzahlen diese Strömungsenergie im Abgasstrom aus. Die Wirkung von Abgasturbolader setzt deshalb erst bei höheren Drehzahlen des Verbren­ nungsmotors merklich ein. Im Teillastbereich bei niedrigen Drehzahlen überwiegt der Anteil der Wärmeenergie im Abgas deutlich. Dieser thermische Energieinhalt im Teillastbereich von Verbrennungsmotoren bleibt bisher, außer bei luftgekühlten Motoren für die erwähnten Heiz­ zwecke, ungenutzt.

Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, die beim Teillastbetrieb von Verbrennungsmotoren im Abgasstrom enthaltene Energie für die mechanische Energierückgewinnung nutzbar zu machen und damit die mechanische Energieausbeutung der Brennkraftmaschine zu steigern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen An­ spruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung verbessert die Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom von Verbren­ nungsmotoren indem der Verbrennungsmotor, ein Verdichter, ein Wärmetauscher und eine Turbine geschickt miteinander kombiniert werden. Der Wärmetauscher entzieht dem Ab­ gasstrom des Verbrennungsmotors Energie in Form von Wärme, die dem Arbeitsmedium eines offenen Gasturbinensystems zugeführt wird, das mit dem Arbeitsmedium Umgebungs­ luft betrieben wird. Das Gasturbinensystem besteht aus einem Verdichter, der im Turbinen­ gasstrom vor dem Wärmetauscher angeordnet ist und das Arbeitsmedium des Gasturbinensy­ stems vor Eintritt in den Wärmetauscher verdichtet, und einer Turbine, die im Turbinen­ gasstrom hinter dem Wärmetauscher angeordnet ist, und die durch das im Wärmetauscher aufgeheizte und beschleunigte Arbeitsmedium angetrieben wird. Der Verdichter und die Tur­ bine sind energetisch miteinander verbunden, so daß ein Energieaustausch zwischen beiden Komponenten stattfindet. Die nutzbare Energie ergibt sich aus der Differenz der bei Entspan­ nung in der Turbine gewonnenen Energie und der für die Verdichtung des Arbeitsmediums aufgewendeten Energie.

Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:

Die energetische Koppelung von Verdichter und Turbine ermöglicht mit Hilfe des Wärme­ tauschers eine mechanische Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom des Verbrennungs­ motors, die bereits im Teillastbereich des Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Die auf diese Weise erzeugte mechanische Energie ermöglicht, wenn sie in den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs eingespeist wird oder zum Antrieb von Nebenaggregaten oder Hilfsaggre­ gaten eingesetzt wird und auf diese Weise die Brennkraftmaschine entlastet, Treibstoffeinspa­ rungen bis zu 10% gegenüber einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit vergleichbarer Nennleistung.

Moderne PKW mit Ottomotoren sind mit Katalysatoren ausgestattet, die den Schadstoffaus­ stoß reduzieren. Diese Katalysatoren benötigen zum optimalen Betrieb Abgasmindesttempe­ raturen je nach Bauart von ca. 200-400°C und Abgashöchsttemperaturen von ca. 700-1100°C. Bei Überschreitung der Höchsttemperatur können z. T. irreversible Schäden auftreten. Heute werden teilweise treibstoffverbrauchende Maßnahmen, wie gezielte Gemischanfettung eingesetzt, um die Abgastemperatur zu begrenzen. Die erfindungsgemäße Entnahme von Wärmeenergie aus dem Abgasstrom führt zu einer erheblichen Reduktion der Abgastempe­ ratur, so daß auf andere Kühlungsmechanismen zum Schutz der Abgaskatalysatoren mit Vorteil verzichtet werden kann.

Fahrzeuge mit Wasserkühlung nutzen im allgemeinen die Wärme des Kühlwassers zur Tem­ perierung des Fahrgastinnenraums. Bei heutigen verbrauchsarmen Fahrzeugen liegt die Auf­ heizphase des Kühlwassers bei ca. 15-30 min. Aus Komfortgründen besitzen deshalb manche Fahrzeuge eine elektrische Heizung des Kühlwassers, um die Heizphase zu verkürzen. Die erfindungsgemäße Wärmeentnahme aus dem Abgasstrom und die Wärmeübertragung auf die frische Zuluft des offenen Turbinengasstrom, stellt einen Strom erwärmter Frischluft zur Ver­ fügung, der mit Vorteil direkt zur Temperierung der Fahrgastzelle genutzt werden kann. Hierdurch kann mit Vorteil auf treibstoffkonsumierende aufwendige elektrische Heizsysteme verzichtet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen darge­ stellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem Verdichter und Turbine energetisch miteinander gekoppelt sind und mindestens ein Nebenaggregat antreiben,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem Verdichter und Turbine energetisch miteinander gekoppelt sind und zusammen mit dem Verbrennungsmotor auf ein Getriebe wirken,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem Verdichter und Turbine energetisch miteinander gekoppelt sind und der Turbi­ nengasstrom einer Heizung zugeführt wird,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem Verdichter und Turbine energetisch miteinander gekoppelt sind und bei dem der Ansaugluft des Verdichters Wasser zugesetzt wird,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem der Verbrennungsmotor über einen Abgasturbolader aufgeladen wird, und die Energierückgewinnung der Turbine des Abgasturboladers nachgeordnet ist,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem der Verbrennungsmotor über einen Abgasturbolader aufgeladen wird, und die Energierückgewinnung der Turbine des Abgasturboladers vorgeordnet ist,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem der Verbrennungsmotor mit einem angetriebenen Verdichter aufgeladen wird,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem das Gasturbinensystem einen zweistufigen Verdichter hat und das Gasturbinen­ system zusätzlich zur Aufladung des Verbrennungsmotors genutzt wird,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem die Abluft des Gasturbinensystems zur Aufladung des Verbrennungsmotors ge­ nutzt wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem Verdichter und Turbine energetisch miteinander gekoppelt sind und mindestens ein Nebenaggregat antreiben. Ein Verbrennungsmotor 1 wird über einen Luftfilter 2 mit Frisch­ luft versorgt und betrieben. Die heißen Abgase des Verbrennungsmotors werden mittels eines Abgasrohres 3 der Sekundärseite eines Wärmetauschers 4 zugeführt und verlassen schließlich den Wärmetauscher durch einen Abgasaustritt 5. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ebenfalls über den Luftfilter 2 mittels der Frischluftzuführung 6 ein Verdichter 7 mit Frisch­ luft versorgt. Im Verdichter wird die Frischluft verdichtet und der Primärseite des Wärmetau­ schers 4 zugeführt. Im Wärmetauscher wird die verdichtete Frischluft durch die heißen Abga­ se des Verbrennungsmotors erwärmt und beschleunigt. Hierdurch entsteht ein Turbinen­ gasstrom der einen deutlich höheren Energieinhalt hat, als die ursprünglich angesaugte Frischluft. Besonders vorteilhaft ist die durch die Erwärmung im Wärmetauscher hervorgeru­ fenen Beschleunigung des Frischluftstromes. Hierdurch erhöht sich der Strömungsenergie­ anteil, wodurch es möglich wird, unter Gewinnung von mechanischer Energie eine Turbine 8 anzutreiben, die am stromabwärtseitigen Austritt des Primärstroms des Wärmetauschers 4 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist im Frischluftstrom ein Verdichter 7 vor dem Wärme­ tauscher 4, und die Turbine 8 nach dem Wärmetauscher 4 geschaltet. In der Turbine 8 wird der zuvor verdichtete und erwärmte Turbinengasstrom entspannt und schließlich über eine Austrittsleitung 11 dem Abgasrohrendstück 12 zugeführt.

Turbine 8 und Verdichter 7 sind über eine energetische Verbindung 9 miteinander gekoppelt, so daß ein Energieaustausch zwischen beiden Komponenten stattfindet. Die energetische Verbindung 9 kann im einfachsten Fall z. B. aus einer Welle bestehen. Die nutzbare Energie ergibt sich aus der Differenz der bei der Entspannung in der Turbine gewonnenen Energie und der für die Verdichtung aufgewendeten Energie. Durch den zwischengeschalteten Wär­ metauscher 4 ist sichergestellt, daß diese Energiedifferenz während des Betriebs des Ver­ brennungsmotors positiv ist. Damit steht an der angetriebenen Turbine eine mechanische Energieform zur Verfügung, die zu Antriebszwecken weiter genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, daß diese mechanische Energie alleine aus der thermischen Abwärme des Verbrennungsmotors gewonnen wird. Damit ist eine mechanische Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom möglich, die weitgehend unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit im Abgasstrom arbeitet. Dies ermöglicht im Gegensatz zum bekannten Turbolader eine mecha­ nische Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom auch bei niedrigen Motordrehzahlen. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die derart gewonnene Energie genutzt, um mittels einer mechanischen Wirkverbindung 10 mindestens ein Nebenaggregat G anzutreiben, das z. B. ein Generator sein kann. Vorteilhafterweise stehen somit Turbine, Verdichter und Gene­ rator miteinander in Wirkverbindung. Die Wirkverbindung kann über eine mechanische Welle hergestellt sein, die falls notwendig noch über Getriebe umgelenkt oder geschaltet oder in der Drehzahl übersetzt sein kann. Dadurch daß Turbine, Verdichter und Generator in Wirkverbindung miteinander stehen, ist es möglich während der Anfahrphase des Gasturbi­ nensystems, bestehend aus Verdichter 7, Wärmetauscher 4 und Turbine 8, mit dem Generator Verdichter 7 und Turbine 8 motorisch anzutreiben. Liefert das Gasturbinensystem nach dem Anfahren des Verbrennungsmotor und dem damit verbundenen Aufheizen des Wärmetau­ schers 4 Energie, arbeitet der Generator G generatorisch. Die Kopplung des Generators G an das Gasturbinensystem ermöglicht zusätzlich über eine Drehzahlregelung des Generators eine Steuerung oder Regelung der Energierückgewinnung. Je nach Betriebspunkt der Verbren­ nungsmaschine entstehen unterschiedliche Abgastemperaturen, die den im Wärmetauscher 4 übertragenen Leistungsfluß verändern. Bei konstanter Drehzahl von Turbine, Verdichter und Generator schlägt sich die Leistungsschwankung im Drehmoment an der Generatorwelle bzw. der mechanischen Wirkverbindung 10 nieder. Eine Drehzahlregelung des Generators G ermöglicht dann, das Gasturbinensystem am Bestpunkt der Energierückgewinnung zu betrei­ ben oder die Temperatur des Gasturbinenstroms am Austritt aus der Turbine zu regeln. Letz­ teres ist besonders vorteilhaft bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 oder wenn eine Tem­ peraturregelung des Abgasstromes erfolgen soll.

Eine Temperaturregelung des Abgasstrom ist besonders dann sinnvoll, wenn im Abgasstrom ein Katalysator Kat nachgeschaltet ist. Um eine den Katalysator schädigende Überhitzung zu vermeiden hat die erfindungsgemäße Anordnung eines Wärmetauschers bereits im ungere­ gelten Betrieb positive Auswirkung, denn der Wärmetauscher 4 entzieht dem Abgasstrom auf jeden Fall Wärmeenergie und trägt daher zur einer Absenkung der Temperatur derjenigen Abgase, die den Katalysator erreichen bei. Im Falle einer Temperaturregelung des Turbinen­ gasstromes kann darüber hinaus durch eine Einspeisung des Turbinengasstromes in das Ab­ gasrohrendstück 12 die Betriebstemperatur des Katalysators gezielt beeinflußt werden.

Typische Betriebsparameter für die erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind, daß die Temperatur der Frischluft entsprechend der Umgebungsbedingungen vorliegt. Im Verdichter 7 wird die Luft mittels Energiezufuhr auf den Betriebsdruck von 3 bar bis 10 bar verdichtet. Dabei steigt die Temperatur der Luft auf 150°C bis 300°C an. Im Wärmetauscher 4 findet eine Erwärmung der Luft auf 300°C bis 750°C statt. Hierdurch nehmen Volumen und Entropie der Luft zu, so daß die Luft beschleunigt wird. In der Turbine 8 schließlich wird die Luft unter Energieabgabe entspannt. Der Druck wird wieder auf Umgebungsdruck entspannt und die Temperatur der entspannten Luft nach Austritt aus der Turbine liegt typischerweise zwischen 80°C und 250°C, je nach Anwendung und Betriebsbedingungen. Im Ruhezustand liefern Turbine und Verdichter keine Energie. Sie benötigen eine gewisse, je nach Bauform unterschiedliche Drehzahl um das zur Energiegewinnung notwendige Druckgefälle aufzubau­ en. Um den Gasturbinenprozeß in Gang zu setzen, ist daher eine anfängliche Energiezufuhr notwendig. Im Betrieb können dann Drehzahlen der Turbine bis zu 100000 Umdrehungen pro Minute erreicht werden.

Turbine 8 und Verdichter 7 weisen in der Regel abhängig vom Betriebspunkt veränderliche Wirkungsgrade auf. Um möglichst viel Energie gewinnen zu können, müssen Turbine und Verdichter im Bestpunkt betrieben werden. Hierzu ist es vorteilhaft die Drehzahl von Turbine und Verdichter zu regeln. Zusatzfunktionen, wie eine Temperaturregelung des Katalysators oder die Beheizung der Fahrgastzelle erfordern darüber hinaus eine Variation der Antriebs­ drehzahl vom Verdichter 7. Um die Aufheizphase des Katalysators durch Energieentzug aus dem Abgas nicht zu verlängern, muß der Prozeß der Energierückgewinnung zeitversetzt zum Fahrzeugkaltstart in Gang gesetzt werden.

Die Vorrichtung in Fig. 2 unterscheidet sich von der Vorrichtung in Fig. 1 durch eine energe­ tische Kopplung von Turbine 8 und Verdichter 7 mit einem Getriebe 13. Hierzu ist die me­ chanische Wirkverbindung (10) als Getriebewelle (15) ausgebildet. Das Getriebe 13 ist mit der Getriebewelle 15 mit der Turbine 8 verbunden. Das Getriebe 13 überträgt die aus dem Abgasstrom gewonnene Energie mit Hilfe des Getriebes 13 auf den Antriebsstrang 14 des Verbrennungsmotors. Die aus dem Abgasstrom gewonnene Energie wird in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel also mit dem Antriebsstrang des Verbrennungsmotors gekoppelt. Das Getriebe kann hierzu beispielsweise auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors wirken. Das Getrie­ be kann jedoch auch auf Antriebselemente einwirken, die im Antriebsstrang der Kurbelwelle nachgeordnet sind. In der Regel ist ein Getriebe notwendig, um die hohen Drehzahlen der Turbine 8 an die niedrige des Verbrennungsmotors anzupassen. Bei direkter Koppelung zwi­ schen Verbrennungsmotor und Turbine wird der Prozeß der Energierückgewinnung mit dem Anlassen des Motors gestartet. Die Realisation einer zeitlichen Verzögerung bedarf einer nicht gezeigten schaltbaren Kupplung, die die Getriebewelle 15 zunächst vom Antriebsstrang 14 des Verbrennungsmotors trennt und erst bei Erreichen eines gewünschten Betriebspunktes die Getriebewelle 15 auf den Antriebsstrang 14 zuschaltet.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem Verdichter und Turbine energetisch miteinander gekoppelt sind und der Turbinen­ gasstrom zu Heizzwecken einer Fahrgastzelle H zugeführt wird. Fahrzeuge mit Wasserküh­ lung nutzen im allgemeinen die Wärme des Kühlwassers zur Temperierung des Fahrgastin­ nenraums. Bei heutigen verbrauchsarmen Fahrzeugen liegt die Aufheizphase des Kühlwas­ sers bei ca. 15-30 min. Aus Komfortgründen besitzen deshalb manche Fahrzeuge eine elektri­ sche Heizung des Kühlwassers, um die Heizphase zu verkürzen. Die erfindungsgemäße Wärmeentnahme aus dem Abgasstrom und die Wärmeübertragung auf die frische Zuluft des offenen Turbinengasstrom, stellt einen Strom erwärmter Frischluft zur Verfügung, der mit Vorteil direkt zur Temperierung der Fahrgastzelle H genutzt werden kann. Hierdurch kann mit Vorteil auf treibstoffkonsumierende aufwendige elektrische Heizsysteme verzichtet wer­ den.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem Verdichter und Turbine energetisch miteinander gekoppelt sind und bei dem der An­ saugluft des Verdichters Wasser zugesetzt wird. Je nach Bauart und Betriebspunkt der Ver­ brennungsmaschine treten unterschiedliche Abgastemperaturen auf. Ist die Temperaturdiffe­ renz zwischen Abgas und verdichteter Luft gering, führt der Wärmetauscher 4 nur wenig Energie dem Gasturbinenprozeß zu. Die Ausbeute an nutzbarer Energie ist damit niedrig. Um die Effektivität der Energierückgewinnung bei diesen Betriebspunkten des Verbrennungs­ motors zu steigern, muß die Temperatur der aus dem Verdichter 7 austretenden Luft abge­ senkt werden. Bei mehrstufigen Verdichtern kann man dies durch Kühlung der Luft zwischen den Stufen erreichen. Eine andere Möglichkeit ist der Zusatz von Wasser in die Ansaugluft des Verdichters 7, dies führt aufgrund der Verdampfung des Wassers ebenfalls zu einer Kühlung der Luft während der Verdichtung. Hierzu wird mit Hilfe einer Wasserpumpe 16 aus dem Wasserreservoir eines Wasserabscheiders 17 über eine Förderleitung 18 Wasser in die Frischluftzuführung 6 eingespritzt. Die Wasserpumpe kann hierbei durch eine Generator­ welle 10 angetrieben sein oder auch mit dem Verdichter 7 und der Turbine 8 energetisch ge­ koppelt sein. Nach Verlassen der Turbine 8 wird das dem Primärluftstrom zugesetzte Wasser in dem Wasserabscheider 17 abgeschieden und dem Wasserreservoir des Wasserabscheiders zugeführt.

Die folgenden Ausführungsbeispiele der Fig. 5 bis 9 sind besonders bevorzugte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung, die jeweils eine Aufladung des Verbrennungsmotors mit ver­ dichteter Ladeluft zum Inhalt haben. Das Gasturbinensystem aus Turbine 8, Verdichter 7 und Wärmetauscher 4, sowie die energetische Wirkverbindung 9 zwischen Turbine 8 und Ver­ dichter 7 sind allen folgenden Ausführungsbeispielen gemeinsam und deshalb lediglich ge­ genüber den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 vereinfacht dargestellt. Insbesondere ist der Wärmetauscher 4 mit seinen Anschlußleitungen im folgenden vereinfacht dargestellt, jedoch ist stets mit gleichen Bezugsziffern das gleiche Merkmal bezeichnet. Insbesondere ist der Wärmetauscher 4 in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 der gleiche wie in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 5 bis 9. D. h. die Primärseite und die Sekundärseite des Wärmetauschers 4 sind in allen Ausführungsbeispielen jeweils mit den gleichen An­ schlußleitungen verbunden, so daß stets ein Wärmetausch zwischen angesaugter verdichteter Frischluft und dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors stattfindet.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, das an einen Verbrennungsmotor mit Turboaufladung angekoppelt ist. Der Prozeß der Ab­ gaswärmegewinnung erfolgt wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 bereits beschrieben. Zusätzlich zu den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist in dem Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 5 der Verbrennungsmotor 1 mit einem an sich bekannten Abgasturbo­ lader ausgestattet. Der Abgasturbolader besteht im wesentlichen aus einer zusätzlichen Tur­ bine 27, die über eine mechanische Verbindung 23 einen zusätzlichen Verdichter 19 antreibt. Hierzu wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors zunächst über eine Abgasleitung 3a zu der Turbine 27 geleitet und anschließend von der Turbine 27 mit dem Abgasrohr 3 dem Wärmetauscher 4 zugeführt. Der Abgasstrom des Verbrennungsmotors treibt hierdurch die Turbine 27 an, so daß die Turbine wiederum über die Verbindung 23 den Verdichter 19 an­ treibt. Der Verdichter 19 verdichtet schließlich die Ansaugluft des Verbrennungsmotors, die über eine Ansaugleitung 24 angesaugt wird. Die Ansaugluft ist symbolisch mit einem Pfeil dargestellt. Der Vollständigkeit halber ist schematisch gezeigt, daß der Verbrennungsmotor 1 über einen Antriebstrang 14 mit einem Energiewandler E1 verbunden ist, der dem Verbren­ nungsmotor sowohl Leistung entziehen als auch zuführen kann.

Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 unterscheidet sich von der Vorrich­ tung aus Fig. 5 durch eine andere Anordnung der Turbine 27 des Abgasturboladers. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1 zunächst dem Wärmetauscher 4 zugeführt bevor der Abgasstrom über den Abgasaustritt 5 des Wär­ metauschers 4 zu der Turbine 27 weitergeleitet wird. Die Turbine 27 des Abgasturboladers ist also in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Abgasaustritt 5 des Wärmetauschers 4 verbun­ den.

Fig. 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die An­ saugluft des Verbrennungsmotors 1 mit einem Verdichter 19 komprimiert wird und der Ver­ dichter mit einer getrennten Energiequelle E2 angetrieben wird. Die Energiequelle E2 ist über eine mechanische Wirkverbindung 27 mit dem Verdichter 19 verbunden. Die Energiequelle E2 kann mechanischer oder elektrischer Art sein. Insbesondere kann die Energiequelle E2 ein gesteuerter Elektromotor sein. Die Energiequelle E2 kann jedoch auch durch einen Riemen­ trieb oder ein sonstiges Getriebe gebildet werden, mit dessen Hilfe der Verdichter 19 indirekt vom Verbrennungsmotor 1 angetrieben wird.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 8 ist eine besonders hoch integrierte Ausführungsform der Erfindung. Hierzu ist der Verdichter 7 des Gasturbinensystems, bestehend aus Verdichter 7, Turbine 8 und Wärmetauscher 4, zweistufig ausgebildet. Die Turbine 8, ein Verdichter 7a, ein Verdichter 7b sowie der Generator G sind über die Wirkverbindung 9 und die Generator­ welle 10 miteinander verbunden. Der Verdichter 7b saugt zunächst über die Frischluftzufüh­ rung 6 Frischluft an und verdichtet diese in einer ersten Stufe. Diese vorverdichtete Frischluft wird über eine Leitung 21 zu einem Volumenstromteiler 26 geführt. Der Volumenstromteiler 26 teilt die vorverdichtete Frischluft auf die Leitungen 24 und 25 auf. Die Leitung 24 bildet die Ansaugleitung 24 des Verbrennungsmotors. Die Leitung 25 verbindet den Volumen­ stromteiler 26 mit dem Verdichter 7a, der die zweite Verdichterstufe bildet und die vorver­ dichtete Frischluft weiter verdichtet. Der Verdichter 7a ist wie bereits in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben mit dem Wärmetauscher 4 verbunden. Dieses Ausfüh­ rungsbeispiel hat den Vorteil, daß das Gasturbinensystem bestehend aus der Turbine 8, dem Verdichter 7a, dem Verdichter 7b und dem Wärmetauscher 4 zur Aufladung des Verbren­ nungsmotors 1 mit verdichteter Frischluft genutzt wird. Ein zusätzlicher Abgasturbolader oder ein zusätzlicher Kompressor zur Aufladung des Verbrennungsmotors kann bei dieser Ausführungsform mit Vorteil entfallen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst mit dem Verdichter 7 über die Frischluftzufüh­ rung 6 Frischluft angesaugt und verdichtet. Die verdichtete Frischluft wird über den Wärme­ tauscher 4 in vorbeschriebener Weise der Turbine 8 zugeführt. Wieder sind Turbine 8, Ver­ dichter 7 und Generator G über die mechanische Wirkverbindung 9 und die Generatorwelle 10 miteinander verbunden. Die in der Turbine 8 zum Teil entspannte Frischluft wird über die Austrittsleitung 11 der Turbine einem variabel regelbaren Volumenstromteiler 26 zugeführt. Der Volumenstromteiler 26 teilt den Frischluftstrom auf auf die Abluftleitung 11a und die Ansaugleitung 24 des Verbrennungsmotors. Überschüssige Frischluft, die vom verbren­ nungsmotor je nach dessen Betriebszustand nicht benötigt wird, wird über die Abluftleitung 11a and die Umgebung abgegeben. Zwar wird in der Turbine 8 die zuvor in dem Verdichter 7 komprimierte und in dem Wärmetauscher 4 beschleunigte Frischluft zur Energiegewinnung entspannt, jedoch erfolgt diese Entspannung in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 nicht bis auf Umgebungsdruck, so daß die gegenüber dem Umgebungsdruck nach wie vor verdich­ tete Frischluft nach Verlassen der Turbine 8 zur Aufladung des Verbrennungsmotors 1 mit verdichteter Ladeluft genutzt wird.

Optional kann in den jedem und in allen Ausführungsbeispielen der Fig. 5 bis 9 in der Lade­ luftleitung 24 ein Ladeluftkühler 22 vorgesehen sein, der die Ladeluft vor Eintritt in den Ver­ brennungsmotor abkühlt.

Kombinationen aus den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 9 sind ebenfalls möglich.

Claims (32)

1. Gasturbinensystem zur mechanischen Energierückgewinnung bei einem Verbrennungs­ motor (1) aus mindestens einem Verdichter (7, 7a, 7b), einem Wärmetauscher (4) und einer Turbine (8), bei dem
mindestens einer der Verdichter (7, 7a, 7b) und die Turbine (8) über eine energetische Ver­ bindung (9) miteinander gekoppelt sind,
mindestens einer der Verdichter (7, 7a, 7b) vor dem Wärmetauscher (4) und die Turbine (8) nach dem Wärmetauscher angeordnet ist und dieser Verdichter (7, 7a, 7b) und die Tur­ bine (8) mit der Primärseite des Wärmetauschers (4) verbunden sind,
die Sekundärseite des Wärmetauschers (4) mit einem Abgasrohr (3) des Verbrennungs­ motors (1) verbunden ist,
die Primärseite des Wärmetauschers (4) über mindestens einen der Verdichter (7, 7a, 7b) mit einer Frischluftzuführung (6) verbunden ist,
die Turbine mit einer Austrittsleitung (11) verbunden ist,
die energetische Verbindung (9) mit weiteren Aggregaten (13, 14, 16, G) mechanisch verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die energetische Verbindung (9) mit einer mechanischen Wirkverbindung (10) zum Antrieb mechanischer Aggregate (13, G, 16, 14) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die energe­ tische Verbindung (9) mit einer Generatorwelle (10) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die energe­ tische Verbindung (9) mit einer Getriebewelle (15) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebewelle (15) mit einem Getriebe (13) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (13) mit einem Antriebsstrang (14) des Verbrennungsmotors (1) verbindbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis G, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ trittsleitung (11) zu Heizzwecken mit einer Fahrgastzelle (H) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Turbine (8) und Abgasendstück (12) in der Austrittsleitung (11) ein Wasserabscheider (17) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserreservoire des Wasserabscheiders (17) über eine Wasserpumpe (16) und eine Förderleitung (18) mit der Frischluftzuführung (6) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ brennungsmotor (1) eine zusätzliche Turbine (27) und einen zusätzlichen Verdichter (19) als Abgasturbolader enthält und der Wärmetauscher (4) der Turbine (27) des Abgastur­ boladers nachgeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ brennungsmotor (1) eine zusätzliche Turbine (27) und einen zusätzlichen Verdichter (19) als Abgasturbolader enthält und der Wärmetauscher (4) der Turbine (27) des Abgastur­ boladers vorgeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ brennungsmotor (1) einen zusätzlichen Verdichter (19), der durch eine getrennte Energie­ quelle (E2) angetrieben ist, zur Kompression der Ladeluft enthält.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Verdichter (7b) oder eine erste Verdichterstufe (7b) mit der Frischluftzuführung 6 ver­ bunden ist, diesem ersten Verdichter (7b) oder dieser ersten Verdichterstufe (7b) ein Vo­ lumenstromteiler (26) nachgeordnet ist, der mit einer Leitung (25) mit einem zweiten Verdichter (7a) oder einer zweiten Verdichterstufe (7a) verbunden ist und der mit einer Ladeluftleitung (24) des Verbrennungsmotors (1) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ trittsleitung (11) der Turbine (8) mit einem nachgeordneten Volumenstromteiler (26) ver­ bunden ist und der Volumenstromteiler (26) über eine Leitung (11a) mit der Umgebung verbunden ist und über eine Ladeluftleitung (24) mit dem Verbrennungsmotor (1) ver­ bunden ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ladeluftleitung (24) des Verbrennungsmotors (1) ein Ladeluftkühler (22) angeordnet ist.

16. Verfahren zur mechanischen Energierückgewinnung aus den Abgasen eines Verbren­ nungsmotors (1) mit mindestens einem Verdichter (7, 7a, 7b), der vor einem Wärmetau­ scher (4) angeordnet ist, und einer Turbine (8), die nach dem Wärmetauscher (4) ange­ ordnet ist, bei dem
die heißen Abgase des Verbrennungsmotors (1) der Sekundärseite des Wärmetauschers (4) zugeführt werden,
mindestens einem der Verdichter (7, 7a, 7b) Frischluft zugeführt wird, die Frischluft ver­ dichtet wird und der Primärseite des Wärmetauschers (4) zugeführt wird,
die verdichtete Frischluft im Wärmetauscher erhitzt und beschleunigt wird und an die Turbine (8) weitergeführt wird,
die erhitzte und beschleunigte Frischluft in der Turbine (8) unter Energieabgabe entspannt wird,
mindestens einer der Verdichter (7, 7a, 7b) und die Turbine (8) mit einer energetischen Verbindung (9) gekoppelt sind und eine Wirkverbindung (10, 14, 15) mit weiteren Ag­ gregaten (G, H, 13, 14, 4, 1, Kat) besteht.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch die energetische Ver­ bindung (9) von Verdichter (7, 7a, 7b) und Turbine (8) und den zwischengeschalteten Wärmetauscher (4) eine mechanische Energierückgewinnung bereits im Teillastbereich des Verbrennungsmotors (1) möglich ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die energetische Ver­ bindung (9) mit mindestens einem Nebenaggregat (G, 16) der Verbrennungsmaschine (1) in Wirkverbindung steht.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die energe­ tische Verbindung (9) in Wirkverbindung mit dem Antriebsstrang (14) des Verbren­ nungsmotors (1) steht.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rest­ wärme der in der Turbine (8) entspannten Frischluft zu Heizzwecken einer Fahrgastzelle (H) zugeführt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Wärmetauscher (4) dem Abgasstrom Wärme entzogen wird und dadurch die Überhitzung von nachgeschalteten Katalysatoren (Kat) vermieden wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Gene­ rator (G) zur Drehzahlregelung von Turbine (8) und Verdichter (7) eingesetzt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ver­ besserung des Wärmeübergangs im Wärmetauscher (4), die Frischluft vor Eintritt in den Wärmetauscher gekühlt wird.

24. Verfahren Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in die Frischluftzuführung (6) Wasser eingespritzt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß während der Anfahrphase des Gasturbinensystems aus Verdichter (7), Wärmetauscher (4) und Turbine (8) die Turbine (8) und der Verdichter (7, 7a, 7b) vom Generator (G) angetrieben werden.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (8) mittels einer Kupplung auf den Antriebsstrang (14) des Verbrennungsmotors (1) ge­ schaltet wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ brennungsmotor (1) mit einem Abgasturbolader (19, 23, 27) aufgeladen wird und die Energierückgewinnung der Turbine (27) des Abgasturboladers nachgeschaltet ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ brennungsmotor (1) mit einem Abgasturbolader (19, 23, 27) aufgeladen wird und die Energierückgewinnung der Turbine (27) des Abgasturboladers vorgeschaltet ist.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ brennungsmotor mit einem angetriebenen Verdichter (19) aufgeladen wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gastur­ binensystem (4, 7, 8) einen zweistufigen Verdicher (7a, 7b) oder zwei Verdichter (7a, 7b) hat und das Gasturbinensystem zusätzlich zur Aufladung des Verbrennungsmotors (1) genutzt wird.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluft des Gasturbinensystems (4, 7, 8) zur Aufladung des Verbrennungsmotors (1) genutzt wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Lade­ luft des Verbrennungsmotors (1) mit einem Ladeluftkühler (22) gekühlt wird.