DE202020102832U1

DE202020102832U1 - System for supplying operating gas to a drive of a motor vehicle

Info

Publication number: DE202020102832U1
Application number: DE202020102832.4U
Authority: DE
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-06-08
Anticipated expiration: 2030-05-19

Abstract

System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend
einen atmosphärenseitigen Saugeinlass (2a) für Luft unter Atmosphärendruck, und eine Zuleitung (2) für das Betriebsgas zu dem Antrieb (1) unter einem Betriebsdruck, wobei das dem Antrieb (1) zugeleitete Betriebsgas zumindest einen Teil der angesaugten Luft umfasst,
wobei der Betriebsdruck in zumindest einem regulären Betriebszustand, insbesondere einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Betriebszustand zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs (1) durch eine Strömungsmaschine (3) geführt wird, und die Strömungsmaschine (3) einen elektrischen Generator (4) umfasst.

System for supplying operating gas to a drive (1) of a motor vehicle, comprising
an atmosphere-side suction inlet (2a) for air under atmospheric pressure, and a feed line (2) for the operating gas to the drive (1) under an operating pressure, the operating gas supplied to the drive (1) comprising at least a portion of the intake air,
the operating pressure in at least one regular operating state, in particular a partial load range of the drive, being less than the atmospheric pressure by a differential pressure,
characterized,
that in the operating state at least part of the operating gas is passed upstream of the drive (1) through a turbomachine (3), and the turbomachine (3) comprises an electrical generator (4).

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a system for supplying operating gas to a drive of a motor vehicle according to the preamble of claim 1.

Hintergrundbackground

DE 60 2004 000 194 T2 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei als eine weitere Komponente ein zweiter Turbolader vorgesehen ist. Der zweite Turbolader umfasst auf einer Welle eine mit Frischluft beschickbare Turbine, einen Verdichter und einen elektrischen Antrieb. Sowohl die Turbine als auch der separate Verdichter werden dabei jederzeit in derselben Strömungsrichtung durchströmt. DE 60 2004 000 194 T2 describes an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, a second turbocharger being provided as a further component. The second turbocharger comprises on a shaft a turbine which can be fed with fresh air, a compressor and an electric drive. Both the turbine and the separate compressor are flowed through in the same direction of flow at all times.

DE 20 2017 107 685 U1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei als eine weitere Komponente ein Expandierer vorgesehen ist. Der Expandierer wird genutzt, um zuvor im Abgasturbolader überhöht aufgeladene Frischluft zu expandieren und dadurch zu kühlen. Der Expandierer kann dabei mit einem elektrischen Generator gekoppelt sein. DE 20 2017 107 685 U1 describes an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, an expander being provided as a further component. The expander is used to expand fresh air that was previously supercharged in the exhaust gas turbocharger, thereby cooling it. The expander can be coupled to an electrical generator.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs anzugeben, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad mit einfachen Mitteln verbessert wird.It is the object of the invention to provide a system for supplying operating gas to a drive of a motor vehicle, in which an overall efficiency is improved with simple means.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes System erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass in dem Betriebszustand zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs durch eine Strömungsmaschine geführt wird, und die Strömungsmaschine einen elektrischen Generator umfasst, kann thermodynamisch eine Umwandlung in elektrischer Energie erfolgen, die sonst überwiegend für das System nicht nutzbar wäre.This object is achieved according to the invention for a system mentioned at the outset with the characterizing features of claim 1. Characterized in that in the operating state at least a portion of the operating gas is passed upstream of the drive through a turbomachine and the turbomachine comprises an electrical generator, a thermodynamic conversion into electrical energy can take place which would otherwise otherwise not be usable for the system.

Unter dem Betriebsgas wird im Sinne der Erfindung jedes Gas oder Gasgemisch verstanden, das dem Antrieb zur Umwandlung von Energie zugeführt wird. Je nach Anordnung des Systems kann das Betriebsgas reine Luft, ein Luft-Abgas-Gemisch oder ein sonstiges Gemisch der angesaugten Luft mit weiteren Bestandteilen sein. Allgemein bevorzugt kann das Betriebsgas mit der angesaugten Luft identisch sein. Der Betriebsdruck ist dabei der Druck, mit dem das Betriebsgas dem Antrieb unmittelbar zugeführt wird.For the purposes of the invention, the operating gas is understood to mean any gas or gas mixture which is fed to the drive for converting energy. Depending on the arrangement of the system, the operating gas can be pure air, an air-exhaust gas mixture or another mixture of the intake air with other components. In general, the operating gas can be identical to the intake air. The operating pressure is the pressure with which the operating gas is fed directly to the drive.

Im Sinne der Erfindung ist der Betriebsdruck in zumindest einem regulären Betriebszustand, bevorzugt einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck. Dies bedeutet zum Beispiel für den Fall eines Verbrennungsmotors, dass der Verbrennungsmotor in dem Betriebszustand als Saugmotor betrieben wird. Unter einem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung wird dabei verstanden, dass der Antrieb sich regelmäßig und in einem nennenswerten zeitlichen Betriebsanteil, bevorzugt einem durchschnittlichen zeitlichen Betriebsanteil von mehr als 1%, in dem Betriebszustand befindet.For the purposes of the invention, the operating pressure in at least one regular operating state, preferably in a partial load range of the drive, is lower than the atmospheric pressure by a differential pressure. In the case of an internal combustion engine, for example, this means that the internal combustion engine is operated in the operating state as a naturally aspirated engine. A regular operating state in the sense of the invention is understood to mean that the drive is in the operating state regularly and in a notable temporal operating proportion, preferably an average temporal operating proportion of more than 1%.

Es versteht sich, dass eine Umwandlung in elektrische Energie durch die Strömungsmaschine je nach Anforderungen zusätzlich zu dem regulären Betriebszustand auch in anderen Betriebszuständen erfolgen kann, insbesondere kann in den anderen Betriebszuständen ein Betriebsdruck höher als der Atmosphärendruck sein.It goes without saying that, depending on the requirements, a conversion into electrical energy by the turbomachine can also take place in other operating states in addition to the regular operating state, in particular in the other operating states an operating pressure can be higher than the atmospheric pressure.

Eine Strömungsmaschine ist im Sinne der Erfindung jede Maschine, die durch Energiewandlung von dem Betriebsgas Energie entnimmt, insbesondere nach Art einer Turbine, und/oder dem Betriebsgas Energie zuführt, insbesondere nach Art eines Verdichters.In the sense of the invention, a turbomachine is any machine that takes energy from the operating gas by energy conversion, in particular in the manner of a turbine, and / or supplies energy to the operating gas, in particular in the manner of a compressor.

Strömt dabei das Betriebsgas in einer Turbinenrichtung, so wird im Regelfall Energie aus dem Betriebsgas in mechanische Energie gewandelt, welche in weitere, den Gesamtwirkungsgrad erhöhende, nutzbare Energieformen gewandelt werden kann. Die Strömungsmaschine wird bevorzugt als Expander für das Betriebsgas verwendet, wobei mittels des Generators elektrische Energie gewonnen bzw. rekuperiert wird. Das Betriebsgas wird dabei gemäß einem über der Strömungsmaschine anliegenden Druckgefälle expandiert. Regelmäßig tritt bei der Expansion des Betriebsgases eine Kühlung bzw. Temperaturreduzierung des Betriebsgases auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden freie Betriebsparameter so gewählt, dass die Gewinnung elektrischer Energie optimiert wird und Vorrang vor einer eventuellen Kühlung des Betriebsgases durch die Strömungsmaschine hat.If the operating gas flows in a turbine direction, energy from the operating gas is generally converted into mechanical energy, which can be converted into other usable forms of energy which increase the overall efficiency. The turbomachine is preferably used as an expander for the operating gas, electrical energy being obtained or recuperated by means of the generator. The operating gas is expanded in accordance with a pressure drop across the turbomachine. A cooling or temperature reduction of the operating gas occurs regularly during the expansion of the operating gas. For the purposes of the present invention, free operating parameters are selected in such a way that the generation of electrical energy is optimized and has priority over any cooling of the operating gas by the turbomachine.

Bei dem Antrieb kann es sich allgemein um einen alleinigen oder auch ergänzenden Antrieb des Kraftfahrzeugs handeln. Beispiele sind Verbrennungsmotoren für einen Direktantrieb, einen Hybridantrieb mit zusätzlichem Elektromotor oder als Range-Extender für einen Elektromotor als Antrieb. Grundsätzlich werden auch Brennstoffzellen als Antriebe im Sinne der Erfindung verstanden.The drive can generally be a sole or also supplementary drive of the motor vehicle. Examples are internal combustion engines for a direct drive, a hybrid drive with an additional electric motor or as a range extender for an electric motor as a drive. In principle, fuel cells are also understood as drives in the sense of the invention.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein ansteuerbares Ventilglied vorgesehen, wobei die Zuführung des Betriebsgases zu der Strömungsmaschine durch das Ventilglied regelbar ist.In a preferred embodiment of the invention, a controllable valve member is provided, the supply of the operating gas to the Turbomachine is controllable by the valve member.

In einer ersten bevorzugten Weiterbildung ist dabei das Ventilglied als Drosselklappe ausgebildet, wobei die Drosselklappe in einem die Strömungsmaschine umgehenden Bypasskanal angeordnet ist. Dies erlaubt insbesondere die Verwendung üblicher und vorhandener Baugruppen wie zum Beispiel ansteuerbar verstellbare Drosselklappen.In a first preferred development, the valve member is designed as a throttle valve, the throttle valve being arranged in a bypass channel that bypasses the turbomachine. In particular, this allows the use of customary and existing assemblies, such as controllably adjustable throttle valves.

Bei einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist das Ventilglied als Doppelventil ausgebildet ist, wobei ein Ventilkörper des Doppelventils sowohl in einem Zutritt zu der Strömungsmaschine als auch in einem die Strömungsmaschine umgehenden Bypasskanal wirkt. Durch ein solches Doppelventil ist eine gleichzeitige Versperrung und Öffnung der Wege durch die Strömungsmaschine und durch den Bypasskanal ermöglicht. Dies kann im Interesse einer kostengünstigen Bauform das Vorsehen zusätzlicher stellbarer Ventilglieder verzichtbar machen. Bevorzugt kann es sich bei dem Doppelventil um das einzige Ventilglied handeln, das den Betriebsgasstrom durch Strömungsmaschine und Bypasskanal steuert.In an alternative development of the invention, the valve member is designed as a double valve, with a valve body of the double valve acting both in an access to the turbomachine and in a bypass channel bypassing the turbomachine. Such a double valve enables simultaneous blocking and opening of the paths through the turbomachine and through the bypass channel. In the interest of a cost-effective design, this can make the provision of additional adjustable valve members unnecessary. The double valve can preferably be the only valve member that controls the operating gas flow through the turbomachine and bypass channel.

Besonders bevorzugt kann ein solches Doppelventil zur weiteren Kostenreduzierung mit einer Strömungsmaschine nach Art einer radialen Turbine kombiniert werden, die keine weiteren stationären oder verstellbaren Leitschaufeln aufweist.Such a double valve can particularly preferably be combined with a turbomachine in the manner of a radial turbine, which has no further stationary or adjustable guide vanes, for further cost reduction.

Allgemein vorteilhaft kann die Strömungsmaschine eine Turbine, bevorzugt von radialer Bauart, aufweisen. Solche Turbinen sind insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren gut optimierbar.The turbomachine can generally have a turbine, preferably of a radial type. Such turbines can be optimized particularly well in connection with internal combustion engines.

Zur strömungsmechanischen Optimierung kann es allgemein vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine stationäre Leitschaufeln aufweist. Solche Leitschaufeln sind kostengünstig herstellbar und erlauben eine Steigerung der Effizienz.For fluid-mechanical optimization, it can generally be advantageously provided that the turbomachine has stationary guide vanes. Such guide vanes are inexpensive to manufacture and allow an increase in efficiency.

Weiterhin kann es dabei vorgesehen sein, dass die Leitschaufeln verstellbar ausgebildet sind. Dies erlaubt eine besonders gute Optimierung. Insbesondere kann hierdurch die Anpassung an die verschiedenen Betriebsmodi verbessert werden, da hier oft verschiedene Drücke und Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen.Furthermore, it can be provided that the guide vanes are designed to be adjustable. This allows particularly good optimization. In particular, this can improve the adaptation to the different operating modes, since there are often different pressures and flow velocities.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist es dabei vorgesehen, dass die Leitschaufeln mechanisch mit einem Ventilglied zur Drosselung und/oder Umleitung des Betriebsgases gekoppelt sind, wobei ein Aktuator zur gemeinsamen Steuerung von Ventilglied und Leitschaufeln vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist dabei insgesamt genau ein Aktuator vorgesehen. Die kombinierte Verwendung desselben Aktuators erlaubt eine Reduzierung von Kosten, baulichem Aufwand und Fehleranfälligkeit,In a particularly preferred development, it is provided that the guide vanes are mechanically coupled to a valve member for throttling and / or redirecting the operating gas, an actuator being provided for joint control of the valve member and guide vanes. It is particularly preferred that exactly one actuator is provided overall. The combined use of the same actuator allows a reduction in costs, construction effort and susceptibility to errors,

Im Interesse einer strömungsmechanischen und energetischen Effizienzsteigerung kann die Strömungsmaschine zumindest zwei Turbinen umfassen, wobei die Turbinen auf derselben Welle angeordnet sind. Bevorzugt sind die Turbinen dabei auf entgegengesetzten Seiten des Generators angeordnet, was eine einfache Wellenlagerung und einen guten Wartungszugang ermöglicht. Jede der Turbinen weist bevorzugt jeweils genau ein strömungsmechanisches Rad bzw. Turbinenrad auf.In the interest of a fluid mechanical and energetic increase in efficiency, the turbomachine can comprise at least two turbines, the turbines being arranged on the same shaft. The turbines are preferably arranged on opposite sides of the generator, which enables simple shaft mounting and good maintenance access. Each of the turbines preferably has exactly one fluid-mechanical wheel or turbine wheel.

In bevorzugter Detailgestaltung kann es vorgesehen sein, dass das Betriebsgas die Turbinen seriell nacheinander durchströmt. Besonders bevorzugt können die Turbinen dabei für verschiedene Arbeitsbereiche ausgelegt sein. Dies bedeutet in der Regel eine verschiedene Dimensionierung und Formgebung der strömungsmechanisch wirksamen Bauteile der zumindest zwei Turbinen.In a preferred detailed design it can be provided that the operating gas flows through the turbines in series one after the other. The turbines can particularly preferably be designed for different work areas. As a rule, this means a different dimensioning and shape of the components of the at least two turbines that are effective in terms of fluid mechanics.

Allgemein vorteilhaft kann eine Turbine einer Strömungsmaschine im Wesentlichen aus Leichtmetall wie etwa einer Aluminiumlegierung oder sonstigen bedingt temperaturfesten Materialien bestehen, da das Betriebsgas keine hohen Temperaturen aufweist. Dies gilt sowohl für ein Gehäuse als auch für ein strömungsmechanisches Rad der Turbine. Hierdurch können im Vergleich zur Bauweise von Abgasturbinen Kosten und Gewicht eingespart werden.In a generally advantageous manner, a turbine of a turbomachine can consist essentially of light metal such as an aluminum alloy or other conditionally temperature-resistant materials, since the operating gas does not have high temperatures. This applies to both a housing and a fluid-mechanical wheel of the turbine. This can save costs and weight compared to the construction of exhaust gas turbines.

Bei einer allgemein vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt stromaufwärts der Strömungsmaschine ein Verdichter, bevorzugt ein Turbolader, zur Verdichtung des angesaugten Betriebsgases vorgesehen. In bevorzugter Weiterbildung kann es sich dabei um einen Abgasturbolader handeln. Der Abgasturbolader ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems, indem er im Abgas enthaltene Energie nutzt.In a generally advantageous development of the invention, a compressor, preferably a turbocharger, is preferably provided upstream of the turbomachine for compressing the intake operating gas. In a preferred development, this can be an exhaust gas turbocharger. The exhaust gas turbocharger enables the efficiency of the overall system to be optimized by using the energy contained in the exhaust gas.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antrieb als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Insbesondere Verbrennungsmotoren weisen in vielen Betriebszuständen, zum Beispiel im Teillastbetrieb, einen Druckabfall auf, der zur strömungsmechanischen Rekuperation geeignet ist.In a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that the drive is designed as an internal combustion engine. Internal combustion engines in particular have a pressure drop in many operating states, for example in part-load operation, which is suitable for fluid-mechanical recuperation.

Bei einer möglichen Detailgestaltung kann dabei der Verbrennungsmotor als Saugmotor ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass kein Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.In the case of a possible detailed design, the internal combustion engine can be designed as a naturally aspirated engine. This means that no compressor is provided for charging the internal combustion engine.

In anderen Ausführungsformen können aber auch Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen sein, zum Beispiel ein Abgasturbolader oder ein elektrisch angetriebener Verdichter. In dem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung ist ein solcher Verdichter im Regelfall nicht aktiv oder läuft nur mit einer geringen Leistung, so dass der unteratmosphärische Betriebsdruck eingangsseitig des Antriebs vorliegen kann. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Strömungsmaschine so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für ein Druckgefälle hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Strömungsmaschine gegeben ist.In other embodiments, however, compressors can also be provided for charging the internal combustion engine, for example a Exhaust gas turbocharger or an electrically driven compressor. In the regular operating state in the sense of the invention, such a compressor is generally not active or only runs at a low output, so that the subatmospheric operating pressure can be present on the input side of the drive. With such a design of the system, the turbomachine is designed in such a way that there is good efficiency for a pressure drop towards a subatmospheric pressure on the outlet side of the turbomachine.

Allgemein kann es auch vorgesehen sein, dass der Antrieb eines erfindungsgemäßen Systems als Brennstoffzelle ausgebildet ist. Insbesondere kann eine Zuführung von Betriebsgas zu der Brennstoffzelle mittels eines Verdichters unterstützt werden. Je nach Betriebsbedingungen und Lastwechseln können auch hier Druckgefälle im Betriebsgas auftreten, die eine Rekuperation bzw. Energiegewinnung aus dem Betriebsgas mittels der Strömungsmaschine erlauben.In general, it can also be provided that the drive of a system according to the invention is designed as a fuel cell. In particular, supply of operating gas to the fuel cell can be supported by means of a compressor. Depending on the operating conditions and load changes, pressure drops can also occur in the operating gas, which allow recuperation or energy generation from the operating gas by means of the turbomachine.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantages and features of the invention result from the exemplary embodiments described below and from the dependent claims.

Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.Several preferred exemplary embodiments of the invention are described below and explained in more detail with reference to the accompanying drawings.

FigurenlisteFigure list

1 shows a general diagram for operating states of a chargeable internal combustion engine.
2nd shows a schematic overall representation of a system according to the invention.
3rd shows a turbomachine of a system according to the invention according to a first embodiment.
4th shows a turbomachine of a system according to the invention according to a second embodiment.
5 shows the turbomachine 4th with a schematically illustrated connection of flow paths.
6 shows a turbomachine of a system according to the invention according to a third embodiment.
7 shows a cross section through the turbomachine 6 along the line XX.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

Das in 1 gezeigte Diagramm beschreibt allgemein Betriebszustände eines Antriebs für ein Kraftfahrzeug in Form eines Verbrennungsmotors 1, bei dem das Betriebsgas über einen Verdichter komprimiert und der Verbrennungsmotor aufgeladen werden kann. Dabei ist das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 1 über der Motordrehzahl n aufgetragen.This in 1 The diagram shown generally describes operating states of a drive for a motor vehicle in the form of an internal combustion engine 1 , in which the operating gas can be compressed by a compressor and the internal combustion engine can be charged. The torque M of the internal combustion engine 1 plotted against the engine speed n.

Der Bereich A entspricht einem Saugbetrieb des Motors 1, bei dem der Verdichter gar nicht oder nur mit geringer Leistung in Betrieb ist. Ein Massenstrom des Betriebsgases wird dabei über eine Drosselklappe geregelt. Der Betriebsgasdruck eingangsseitig des Verbrennungsmotors 1 liegt unterhalb des Atmosphärendrucks. Der Atmosphärendruck ist der äußere Luftdruck, bei dem durch das System äußere Luft als Hauptbestandteil des Betriebsgases angesaugt wird.The area A corresponds to a suction operation of the engine 1 , in which the compressor is not in operation or only at low output. A mass flow of the operating gas is regulated via a throttle valve. The operating gas pressure on the input side of the internal combustion engine 1 is below atmospheric pressure. Atmospheric pressure is the external air pressure at which the system draws in external air as the main component of the process gas.

Die gestrichelte Linie B kennzeichnet als obere Drehmomentgrenze des Bereichs A die Kurve maximaler Leistung des Verbrennungsmotors 1 im Saugbetrieb.The dashed line B indicates the maximum torque limit of area A as the maximum power curve of the internal combustion engine 1 in suction mode.

Der Bereich D entspricht einem aufgeladenen Betrieb des Verbrennungsmotors 1, bei dem der Verdichter den Druck des Betriebsgases erhöht. Entsprechend wird der Massenstrom des Betriebsgases durch die Leistung des Verdichters bestimmt. Im Normalfall findet in diesem Bereich kein Einsatz der Drosselklappe statt.The area D corresponds to a charged operation of the internal combustion engine 1 , where the compressor increases the pressure of the process gas. The mass flow of the operating gas is correspondingly determined by the performance of the compressor. Normally, the throttle valve is not used in this area.

Die Linie C kennzeichnet als obere Drehmomentgrenze des Bereichs D die Kurve maximaler Leistung des Verbrennungsmotors 1 im aufgeladenen Betrieb.The line C. indicates the maximum torque limit of area D as the maximum power curve of the internal combustion engine 1 in charged operation.

Der als Rechteck eingetragene Bereich E zeigt den für die vorliegende Erfindung vorrangig relevanten Betriebsbereich. Es handelt sich um den Betrieb bei Teillast und niedriger Motordrehzahl. In diesem Bereich E liegt ein Druckgefälle im einlassseitigen Betriebsgasstrom vor, das zur Expansion des Betriebsgases und Rekuperation von Energie genutzt werden kann, wobei der Gesamtwirkungsgrad des Motors 1 gesteigert wird.The area entered as a rectangle E shows the operating range which is primarily relevant for the present invention. It is operation at partial load and low engine speed. In this area E there is a pressure drop in the inlet-side operating gas flow, which can be used to expand the operating gas and recuperate energy, the overall efficiency of the engine 1 is increased.

2 zeigt zur Veranschaulichung eine Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Zuführung von Betriebsgas zu einem vorliegend als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antrieb 1 eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt). 2nd shows by way of illustration an overall representation of a system according to the invention for supplying operating gas to a drive embodied here as an internal combustion engine 1 a motor vehicle (not shown).

Das System umfasst einen atmosphärenseitigen Saugeinlass 2a für Luft unter Atmosphärendruck und eine Zuleitung 2 für das Betriebsgas zu dem Antrieb 1 unter einem Betriebsdruck. Das dem Antrieb 1 zugeleitete Betriebsgas umfasst zumindest einen Teil der angesaugten Luft,The system includes a suction inlet on the atmosphere side 2a for air under atmospheric pressure and a supply line 2nd for the operating gas to the drive 1 under an operating pressure. The drive 1 supplied operating gas comprises at least part of the air drawn in,

Der Betriebsdruck des Betriebsgases ist in einem regulären Betriebszustand des Antriebs 1, vorliegend einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck. Dieser Betriebsbereich entspricht dem vorstehend beschriebenen Bereich E des Diagramms nach 1.The operating pressure of the operating gas is in a regular operating state of the drive 1 , in the present case a partial load range of the drive, by a differential pressure less than the atmospheric pressure. This operating range corresponds to the range described above E according to the diagram 1 .

Zumindest in diesem Betriebszustand wird zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs bzw. Verbrennungsmotors 1 durch eine Strömungsmaschine 3 geführt. Die Strömungsmaschine 3 umfasst einen elektrischen Generator 4.At least in this operating state, at least part of the operating gas is upstream of the drive or internal combustion engine 1 through a fluid machine 3rd guided. The fluid machine 3rd includes an electric generator 4th .

Das beispielhafte System umfasst zudem einen Einlasskrümmer 15 und einen Abgaskrümmer 16 des Verbrennungsmotors 1.The exemplary system also includes an intake manifold 15 and an exhaust manifold 16 of the internal combustion engine 1 .

Die Strömungsmaschine 3 mit dem elektrischen Generator 4 ist vorliegend stromabwärts eines Ladeluftkühlers 17 angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen kann die Strömungsmaschine 3 auch stromaufwärts, insbesondere unmittelbar stromaufwärts, des Ladeluftkühlers 17 vorgesehen sein.The fluid machine 3rd with the electric generator 4th is downstream of an intercooler 17th arranged. In other embodiments, the fluid machine 3rd also upstream, in particular immediately upstream, of the charge air cooler 17th be provided.

In der vorliegenden schematischen Darstellung ist eine betriebsgasseitige Drosselklappe integriert mit der Strömungsmaschine 3 ausgeführt und daher nicht gesondert dargestellt. Je nach Anforderungen kann dabei eine Drosselklappe als separates Bauteil, zum Beispiel in einem Zweigkanal zu der Strömungsmaschine 3, vorgesehen sein.In the present schematic representation, a throttle valve on the operating gas side is integrated with the turbomachine 3rd executed and therefore not shown separately. Depending on the requirements, a throttle valve can be used as a separate component, for example in a branch duct to the turbomachine 3rd , be provided.

Ein Abgasturbolader 14 ist turbinenseitig stromaufwärts einer Abgasreinigung mit einem Dreiwegekatalysator 18 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 18 ist eine Abgasrückführung mit einem Abgasrückführventil 19, einem Abgaskühler 20 und einem Abgasdrosselventil 21 vorgesehen. Der Abgasturbolader 14 ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems, indem er im Abgas enthaltene Energie nutzt.An exhaust gas turbocharger 14 is on the turbine side upstream of an exhaust gas cleaning system with a three-way catalytic converter 18th arranged. Downstream of the particle filter 18th is an exhaust gas recirculation with an exhaust gas recirculation valve 19th , an exhaust gas cooler 20 and an exhaust throttle valve 21 intended. The exhaust gas turbocharger 14 enables the efficiency of the overall system to be optimized by using the energy contained in the exhaust gas.

Es versteht sich, dass je nach Anforderungen andere oder zusätzliche Komponenten und/oder Verbindungen der Gasströme in dem System vorgesehen sein können. Beispiele sind Katalysatoren verschiedener Bauart, eine Hochdruck-Abgasrückführung oder Ähnliches.It goes without saying that, depending on the requirements, other or additional components and / or connections of the gas streams can be provided in the system. Examples are catalysts of various types, high-pressure exhaust gas recirculation or the like.

Unter dem Betriebsgas wird im Sinne der Erfindung jedes Gas oder Gasgemisch verstanden, das dem Antrieb zur Umwandlung von Energie zugeführt wird. Im gezeugten System kann das Betriebsgas reine Luft oder durch die Abgasrückführung auch ein Luft-Abgas-Gemisch sein. Der Betriebsdruck ist dabei der Druck, mit dem das Betriebsgas dem Verbrennungsmotor 1 als Antrieb unmittelbar zugeführt wird.For the purposes of the invention, the operating gas is understood to mean any gas or gas mixture which is fed to the drive for converting energy. In the generated system, the operating gas can be pure air or, through the exhaust gas recirculation, can also be an air / exhaust gas mixture. The operating pressure is the pressure with which the operating gas flows to the internal combustion engine 1 is fed directly as a drive.

Der Betriebsdruck ist in zumindest dem regulären Betriebszustand, welcher ein Teillastbereich des Verbrennungsmotors 1 ist, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck. Dies bedeutet, dass der Verbrennungsmotor 1 in dem Betriebszustand als Saugmotor betrieben wird. Unter dem regulären Betriebszustand wird dabei verstanden, dass der Verbrennungsmotor 1 sich regelmäßig und in einem nennenswerten zeitlichen Betriebsanteil, vorliegend einem durchschnittlichen zeitlichen Betriebsanteil von mehr als 1%, in dem Betriebszustand befindet.The operating pressure is in at least the regular operating state, which is a partial load range of the internal combustion engine 1 is a differential pressure less than atmospheric pressure. This means that the internal combustion engine 1 is operated in the operating state as a naturally aspirated engine. The regular operating state is understood to mean that the internal combustion engine 1 is in the operating state regularly and in a notable temporal operating share, in the present case an average temporal operating share of more than 1%.

Bei einer zu 2 alternativen Detailgestaltung kann der Verbrennungsmotor 1 als Saugmotor ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass kein Verdichter 14 zur Aufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.With one too 2nd The internal combustion engine can provide alternative details 1 be designed as a naturally aspirated engine. This means that no compressor 14 is provided for charging the internal combustion engine.

Allgemein bevorzugt ist aber ein Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen, vorliegend in Form des Abgasturboladers 14. Es kann sich aber auch um einen elektrisch angetriebenen Verdichter handeln. In dem regulären Betriebszustand im Sinne der Erfindung ist ein solcher Verdichter 14 im Regelfall nicht aktiv oder läuft nur mit einer geringen Leistung, so dass der unteratmosphärische Betriebsdruck eingangsseitig des Antriebs 1 vorliegen kann. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Strömungsmaschine 3 so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für ein Druckgefälle hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Strömungsmaschine 3 gegeben ist.However, a compressor for charging the internal combustion engine is generally preferred 1 provided, in the form of the exhaust gas turbocharger 14 . But it can also be an electrically driven compressor. Such a compressor is in the regular operating state in the sense of the invention 14 generally not active or only runs at low power, so that the subatmospheric operating pressure on the input side of the drive 1 can be present. With such a design of the system is the turbomachine 3rd designed in such a way that good efficiency for a pressure drop to a subatmospheric pressure on the outlet side of the turbomachine 3rd given is.

Die in 2 schematisch dargestellte Strömungsmaschine 3 mit dem Generator 4 kann unter anderem jede der nachfolgend beschriebenen, konkreten Bauformen aufweisen.In the 2nd schematically illustrated turbomachine 3rd with the generator 4th can, among other things, have any of the specific designs described below.

3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 3, die eine Turbine und einen Generator 4 aufweist. 3rd shows a first embodiment of a turbomachine according to the invention 3rd that have a turbine and a generator 4th having.

Die Turbine umfasst ein Gehäuse 10, in dem ein durch den Betriebsgasstrom antreibbar drehbares, strömungsmechanisches Rad 6 bzw. Turbinenrad 6 angeordnet ist. Das Turbinenrad 6 ist auf einer Welle 7 festgelegt, die zugleich eine gemeinsame Welle mit dem Generator 4 ausbildet. In dem Generator 4 ist eine Leistungselektronik 8 vorgesehen, mittels der eine Leistungsentnahme bzw. Aufladung einer Batterie oder eines sonstigen Energiespeichers (nicht dargestellt) gesteuert wird.The turbine comprises a housing 10th , in which a fluid mechanical wheel that can be driven by the operating gas flow 6 or. Turbine wheel 6 is arranged. The turbine wheel 6 is on a wave 7 set, which is also a common shaft with the generator 4th trains. In the generator 4th is power electronics 8th provided, by means of which a power withdrawal or charging of a battery or other energy storage device (not shown) is controlled.

Dadurch, dass in dem regulären Betriebszustand zumindest ein Teil des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs 1 durch die Strömungsmaschine 3 geführt wird, und die Strömungsmaschine 3 den elektrischen Generator 4 umfasst, kann thermodynamisch eine Gewinnung von elektrischer Energie erfolgen, die sonst überwiegend für das System verloren wäre.Characterized in that in the regular operating state at least part of the operating gas upstream of the drive 1 through the fluid machine 3rd is performed, and the fluid machine 3rd the electric generator 4th includes, thermodynamically electrical energy can be obtained, which would otherwise be mostly lost to the system.

Das Betriebsgas durchströmt die Strömungsmaschine dabei in einer Turbinenrichtung T, so dass Energie aus dem Betriebsgas in mechanische Energie gewandelt wird. Diese Energie wird über die Welle 7 und den Generator 4 in elektrische Energie als weitere, den Gesamtwirkungsgrad erhöhende, nutzbare Energieform gewandelt. Die Strömungsmaschine 3 wird dabei als Expander für das Betriebsgas verwendet, wobei mittels des Generators 4 elektrische Energie gewonnen bzw. rekuperiert wird. Das Betriebsgas wird dabei gemäß einem über der Strömungsmaschine 3 anliegenden Druckgefälle expandiert. Regelmäßig tritt bei der Expansion des Betriebsgases eine Kühlung bzw. Temperaturreduzierung des Betriebsgases auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden freie Betriebsparameter so gewählt, dass die Gewinnung elektrischer Energie optimiert wird und Vorrang vor einer eventuellen Kühlung des Betriebsgases durch die Strömungsmaschine 3 hat.The operating gas flows through the turbomachine in a turbine direction T , so that energy from the operating gas is converted into mechanical energy. This energy is through the wave 7 and the generator 4th converted into electrical energy as a further, usable form of energy that increases the overall efficiency. The fluid machine 3rd is used as an expander for the operating gas, by means of the generator 4th electrical energy is obtained or recuperated. The operating gas is in accordance with one above the turbomachine 3rd pressure drop expands. A cooling or temperature reduction of the operating gas occurs regularly during the expansion of the operating gas. For the purposes of the present invention, free operating parameters are selected in such a way that the generation of electrical energy is optimized and takes priority over any cooling of the operating gas by the turbomachine 3rd Has.

An der Strömungsmaschine 3 ist ein ansteuerbares Ventilglied 5 vorgesehen, wobei die Zuführung des Betriebsgases zu der Strömungsmaschine 3 durch das Ventilglied 5 regelbar ist.On the turbomachine 3rd is a controllable valve element 5 provided, the supply of the operating gas to the turbomachine 3rd through the valve member 5 is adjustable.

Vorliegend ist das Ventilglied 5 als Drosselklappe ausgebildet, wobei die Drosselklappe 5 in einem die Strömungsmaschine umgehenden Bypasskanal 9 angeordnet ist. Dies erlaubt insbesondere die Verwendung üblicher und vorhandener Baugruppen wie zum Beispiel ansteuerbar verstellbare Drosselklappen. Der Bypasskanal 9 zweigt unmittelbar vor der Turbine 6, 10 ab und mündet unmittelbar nach der Turbine 6, 10 wieder in den Betriebsgasweg, zum Beispiel in die Zuleitung 2. In der schematischen Darstellung nach 2 ist der Bypasskanal 9 daher als integrales Element der Strömungsmaschine 3 enthalten.The valve member is present 5 formed as a throttle valve, the throttle valve 5 in a bypass duct that bypasses the turbomachine 9 is arranged. In particular, this allows the use of customary and existing assemblies, such as controllably adjustable throttle valves. The bypass channel 9 branches immediately in front of the turbine 6 , 10th and opens immediately after the turbine 6 , 10th back into the process gas path, for example into the supply line 2nd . In the schematic representation 2nd is the bypass channel 9 therefore as an integral element of the turbomachine 3rd contain.

Vorliegend ist die Turbine 6, 10 der Strömungsmaschine 3 von radialer Bauart. Solche Turbinen sind insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren gut optimierbar. Bei Durchströmung in Turbinenrichtung T tritt das Betriebsgas dabei in einem Winkel von etwa 90° zu der Welle 7 in einem radial äußeren Bereich in das Gehäuse 10 ein. Nach Antrieb des Turbinenrades 6 tritt das Betriebsgas im Wesentlichen parallel zu der Welle 7 in einem zentralen, axialen Bereich aus dem Gehäuse 10 aus.The turbine is here 6 , 10th the turbomachine 3rd of radial design. Such turbines can be optimized particularly well in connection with internal combustion engines. With flow in the direction of the turbine T the operating gas occurs at an angle of approximately 90 ° to the shaft 7 in a radially outer area into the housing 10th a. After driving the turbine wheel 6 the operating gas occurs substantially parallel to the shaft 7 in a central, axial area from the housing 10th out.

Zur strömungsmechanischen Optimierung umfasst die Strömungsmaschine 3 stationäre Leitschaufeln 12. Solche Leitschaufeln sind kostengünstig herstellbar und erlauben eine Steigerung der Effizienz. Die stationären Leitschaufeln 12 sind vorliegend zudem verstellbar ausgebildet. Dies erlaubt eine besonders gute Optimierung. Insbesondere wird hierdurch die Anpassung an die verschiedenen Betriebsmodi verbessert, da hier oft verschiedene Drücke und Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen.The fluid machine includes for fluid mechanical optimization 3rd stationary guide vanes 12th . Such guide vanes are inexpensive to manufacture and allow an increase in efficiency. The stationary guide vanes 12th are also adjustable in the present case. This allows particularly good optimization. In particular, this improves the adaptation to the different operating modes, since different pressures and flow velocities are often present here.

Die Leitschaufeln 12 sind zudem mechanisch mit dem Ventilglied 5 zur Drosselung und/oder Umleitung des Betriebsgases gekoppelt. Hierzu ist ein Aktuator 13 zur gemeinsamen Steuerung von Ventilglied 5 und Leitschaufeln 12 vorgesehen. Es handelt sich dabei um genau einen Aktuator 13. Eine Stellmechanik 13a verbindet dabei den Aktuator 13 sowohl mit dem Ventilglied 5 als auch mit den verstellbaren Leitschaufeln 12. Die kombinierte Verwendung desselben Aktuators 13 erlaubt eine Reduzierung von Kosten, baulichem Aufwand und Fehleranfälligkeit,The guide vanes 12th are also mechanical with the valve member 5 coupled for throttling and / or redirection of the process gas. There is an actuator for this 13 for joint control of valve member 5 and guide vanes 12th intended. It is exactly one actuator 13 . An actuating mechanism 13a connects the actuator 13 both with the valve member 5 as well as with the adjustable guide vanes 12th . The combined use of the same actuator 13 allows a reduction of costs, construction effort and susceptibility to errors,

Die Verwendung von verstellbaren Leitschaufeln 12 ist im Prinzip unter dem Begriff „VTG“ = Variable Turbine Geometry aus dem Bau von Turboladern für Kraftfahrzeuge bekannt. Die bei dieser Technologie etablierten mechanischen Lösungen für eine simultane Verstellung der Leitschaufeln durch einen zentralen Aktuator 13 können vorliegend übernommen werden.The use of adjustable guide vanes 12th is known in principle under the term "VTG" = Variable Turbine Geometry from the construction of turbochargers for motor vehicles. The mechanical solutions established with this technology for simultaneous adjustment of the guide vanes by a central actuator 13 can be adopted here.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei umfasst die Strömungsmaschine 3 im Interesse einer strömungsmechanischen und energetischen Effizienzsteigerung zwei Turbinen mit jeweils einem Turbinenrad 6, 6a und jeweils einem Turbinengehäuse 10, 10a. 4th shows a further embodiment of the invention. The turbomachine includes 3rd in the interest of a fluid mechanical and energetic efficiency increase two turbines with one turbine wheel each 6 , 6a and one turbine casing each 10th , 10a .

Die Turbinen 6, 6a, 10, 10a sind beide auf derselben Welle 7 angeordnet, auf der auch der Generator 4 angeordnet ist. Die erste Turbine 6, 10 und die zweite Turbine 6a, 10a sind dabei auf entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seiten des Generators 4 angeordnet. Dies ermöglicht eine einfache Wellenlagerung und einen guten Wartungszugang. Jede der beiden Turbinen hat jeweils genau ein strömungsmechanisches Rad bzw. Turbinenrad 6, 6a.The turbines 6 , 6a , 10th , 10a are both on the same wave 7 arranged on which also the generator 4th is arranged. The first turbine 6 , 10th and the second turbine 6a , 10a are on opposite sides of the generator 4th arranged. This enables simple shaft bearings and good maintenance access. Each of the two turbines has exactly one fluid mechanical wheel or turbine wheel 6 , 6a .

Wie insbesondere 5 verdeutlicht ist es vorliegend vorgesehen, dass das Betriebsgas die Turbinen 6, 6a, 10, 10a seriell nacheinander durchströmt. Die beiden Turbinen 6, 6a, 10, 10a sind dabei jeweils für verschiedene Arbeitsbereiche ausgelegt. Dies bedeutet eine verschiedene Dimensionierung und Formgebung der strömungsmechanisch wirksamen Bauteile der zumindest zwei Turbinen 6, 6a, 10, 10a.How in particular 5 It is provided in the present case that the operating gas is the turbines 6 , 6a , 10th , 10a flowed through sequentially. The two turbines 6 , 6a , 10th , 10a are there each designed for different work areas. This means a different dimensioning and shape of the fluid mechanically effective components of the at least two turbines 6 , 6a , 10th , 10a .

Bei der seriellen Durchströmung der Turbinen ist ein Eingangskanal 11, von dem der Bypasskanal 9 stromaufwärts der Drosselklappe 5 verzweigt, mit einem radialen Einlassbereich der ersten Turbine 6, 10 verbunden. Ein axialer Auslassbereich der ersten Turbine 6, 10 ist über einen Verbindungskanal 11a mit einem radialen Einlassbereich der zweiten Turbine 6a, 10a verbunden. Ein axialer Auslassbereich der zweiten Turbine 6a, 10a ist über einen Auslasskanal 11b stromabwärts der Drosselklappe 5 wieder mit dem Bypasskanal 9 verbunden.In the case of the serial flow through the turbines, there is an inlet channel 11 from which the bypass channel 9 upstream of the throttle valve 5 branches, with a radial inlet area of the first turbine 6 , 10th connected. An axial outlet area of the first turbine 6 , 10th is via a connecting channel 11a with a radial inlet area of the second turbine 6a , 10a connected. An axial outlet area of the second turbine 6a , 10a is through an outlet duct 11b downstream of the throttle valve 5 again with the bypass channel 9 connected.

Wie im vorhergehenden Beispiel nach 3 sind die beiden Turbinen 6, 6a, 10, 10a jeweils mit verstellbaren Leitschaufeln 12 ausgestattet, wobei ein einzelner Aktuator 13 über eine Stellmechanik 13a simultan die Leitschaufeln 12, 12a jeder der beiden Turbinen 6, 6a, 10, 10a verstellt. Die Stellmechanik 13a ist zudem analog zu 3 mit der Drosselklappe 5 (in 4 nicht dargestellt) verbunden.As in the previous example 3rd are the two turbines 6 , 6a , 10th , 10a each with adjustable guide vanes 12th equipped with a single actuator 13 via an actuating mechanism 13a the guide vanes simultaneously 12th , 12a each of the two turbines 6 , 6a , 10th , 10a adjusted. The actuating mechanism 13a is also analogous to 3rd with the throttle valve 5 (in 4th not shown) connected.

Das vorstehend beschriebene Beispiel mit zwei Turbinen kann je nach Anforderungen abgewandelt werden. Zum Beispiel kann nur eine der Turbinen 6, 6a, 10, 10a oder keine der Turbinen 6, 6a, 10, 10a Leitschaufeln 12, 12a aufweisen. Alternativ oder ergänzend können die Turbinen 6, 6a, 10, 10a auch parallel statt seriell durchströmt werden.The example described above with two turbines can be modified depending on the requirements. For example, only one of the turbines 6 , 6a , 10th , 10a or none of the turbines 6 , 6a , 10th , 10a Guide vanes 12th , 12a exhibit. Alternatively or in addition, the turbines can 6 , 6a , 10th , 10a flow in parallel instead of serial.

6 und 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel ist das Ventilglied 5 als ein Doppelventil ausgebildet. Ein Ventilkörper 5a des Doppelventils wirkt dabei sowohl in einem Zutritt zu der Strömungsmaschine 3 als auch in einem die Strömungsmaschine 3 umgehenden Bypasskanal 9. 6 and 7 show a further embodiment of the invention. In this example is the valve member 5 designed as a double valve. A valve body 5a the double valve acts both in one access to the turbomachine 3rd as well in a the fluid machine 3rd bypass channel 9 .

Durch ein solches Doppelventil 5a ist eine gleichzeitige Versperrung und Öffnung der Wege durch die Strömungsmaschine 3 und durch den Bypasskanal 9 ermöglicht. Dies erfolgt im Interesse einer kostengünstigen Bauform. Zusätzliche stellbare Ventilglieder sind im Bereich der Strömungsmaschine 3 vorliegend nicht vorgesehen. Bei dem Doppelventil 5a handelt es sich um das einzige Ventilglied 5, das den Betriebsgasstrom durch die Strömungsmaschine 3 und den Bypasskanal 9 steuert.With such a double valve 5a is a simultaneous blocking and opening of the paths by the turbomachine 3rd and through the bypass channel 9 enables. This is done in the interest of an inexpensive design. Additional adjustable valve members are in the area of the turbomachine 3rd not provided in the present case. With the double valve 5a it is the only valve member 5 that the operating gas flow through the turbomachine 3rd and the bypass channel 9 controls.

Der Ventilkörper 5a des Doppelventils ist im Wesentlichen schmetterlingsförmig. Er umfasst einen ersten Flügel 5b, der den Bypasskanal 9 versperren kann, und einen zweiten Flügel 5c, der einen Zutritt 10b zu der Turbine 6, 10 der Strömungsmaschine versperren kann. Die beiden Flügel 5b, 5c sind auf einer Welle des Ventilglieds 5 festgelegt, die über einen einzelnen Aktuator 13 analog zu den vorstehend beschriebenen Beispielen verstellbar ist.The valve body 5a the double valve is essentially butterfly-shaped. It includes a first wing 5b that the bypass channel 9 can block, and a second wing 5c who have an admission 10b to the turbine 6 , 10th which can block the turbomachine. The two wings 5b , 5c are on a shaft of the valve member 5 set that over a single actuator 13 is adjustable analogously to the examples described above.

Das Doppelventil 5a ist vorliegend zur weiteren Kostenreduzierung mit einer Strömungsmaschine 3 nach Art einer radialen Turbine 6, 10 kombiniert, die keine weiteren stationären oder verstellbaren Leitschaufeln aufweist. Entsprechend sind im Beispiel nach 6 weder Leitschaufeln noch eine entsprechende Stellmechanik zur Verbindung mit dem Aktuator 13 vorhanden. Dafür bewirkt die gleichzeitige Querschnittsveränderung von Bypasskanal 9 und Zutritt 10b der Turbine 6, 10 eine Optimierung der Strömungsverhältnisse je nach Lastzustand. Hierdurch wird der günstige Effekt von Leitschaufeln zwar nicht vollständig ersetzt, aber eine gute Relation von Kosten und Nutzen geschaffen.The double valve 5a is available for further cost reduction with a turbomachine 3rd like a radial turbine 6 , 10th combined, which has no further stationary or adjustable guide vanes. The following are corresponding in the example 6 neither guide vanes nor a corresponding actuating mechanism for connection to the actuator 13 available. The simultaneous change in cross-section of the bypass channel does this 9 and access 10b the turbine 6 , 10th an optimization of the flow conditions depending on the load condition. This does not completely replace the beneficial effect of guide vanes, but creates a good relationship between costs and benefits.

Insbesondere begünstigt das Doppelventil 5a eine integrierte Bauweise von Bypasskanal 9 und Turbinengehäuse 10.In particular, the double valve favors 5a an integrated bypass channel design 9 and turbine housing 10th .

Es versteht sich, dass einzelne Merkmale der vorstehend beschriebenen Detailgestaltungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können. Zum Beispiel kann auch eine Turbine mit Leitschaufeln 12 mit einem Doppelventil 5a kombiniert werden. Zudem kann eine integrierte Bauweise von Bypasskanal 9 und Turbinengehäuse 10 auch im Fall einer herkömmlichen Drosselklappe 5 (siehe 3) realisiert werden.It goes without saying that individual features of the detailed configurations described above can be meaningfully combined with one another. For example, a turbine with guide vanes can also be used 12th with a double valve 5a be combined. In addition, an integrated construction of bypass channel 9 and turbine housing 10th also in the case of a conventional throttle valve 5 (please refer 3rd ) will be realized.

Die Turbinengehäuse 10, 10a und Turbinenräder 6, 6a der vorstehend beschriebenen Varianten von Strömungsmaschinen bestehen im Wesentlichen aus Leichtmetall, vorliegend einer Aluminiumlegierung oder sonstigen bedingt temperaturfesten Materialien. Dies ist unproblematisch, da das Betriebsgas, anders als auf der Turbinenseite eines Abgasturboladders 14, keine hohen Temperaturen aufweist.The turbine housing 10th , 10a and turbine wheels 6 , 6a The variants of fluid-flow machines described above essentially consist of light metal, in the present case an aluminum alloy or other conditionally temperature-resistant materials. This is not a problem because the operating gas is different than on the turbine side of an exhaust gas turbocharger 14 , does not have high temperatures.

BezugszeichenlisteReference list

11: Antrieb, VerbrennungsmotorDrive, internal combustion engine
22nd: Zuleitung für BetriebsgasSupply line for process gas
2a2a: Saugeinlass unter AtmosphärendruckSuction inlet under atmospheric pressure
33rd: StrömungsmaschineFluid machine
44th: Generatorgenerator
55: Ventilglied, DrosselklappeValve element, throttle valve
66: strömungsmechanisches Rad, Turbinenradfluid mechanical wheel, turbine wheel
6a6a: strömungsmechanisches Rad, Turbinenrad (zweite Turbine)fluid mechanical wheel, turbine wheel (second turbine)
77: Wellewave
88th: SteuerelektronikControl electronics
9 9: Bypasskanal der StrömungsmaschineBypass channel of the turbomachine
1010th: Gehäuse von TurbinenradTurbine wheel housing
10a10a: Gehäuse von Turbinenrad (zweite Turbine)Turbine wheel housing (second turbine)
10b10b: Zutritt zur TurbineAccess to the turbine
1111: Eingangskanal erste TurbineFirst turbine inlet channel
11a11a: Verbindungskanal zur zweiten TurbineConnection channel to the second turbine
11b11b: Ausgangskanal zweite TurbineSecond turbine output channel
1212th: verstellbare Leitschaufelnadjustable guide vanes
12a12a: verstellbare Leitschaufeln zweite Turbineadjustable guide vanes second turbine
1313: Aktuator für LeitschaufelnActuator for guide vanes
13a13a: StellmechanikActuator mechanism
1414: AbgasturboladerExhaust gas turbocharger
1515: EinlasskrümmerIntake manifold
1616: AuslasskrümmerExhaust manifold
1717th: LadeluftkühlerIntercooler
1818th: PartikelfilterParticle filter
1919th: AbgasrückführventilExhaust gas recirculation valve
2020: AbgaskühlerExhaust gas cooler
2121: AbgasdrosselklappeExhaust throttle valve
AA: Bereich Saugbetrieb (saugmotorische Teillast)Suction mode (suction motor partial load)
BB: Linie maximaler Leistung SaugbetriebLine of maximum power suction
CC.: Linie maximaler Leistung aufgeladener BetriebLine of maximum power charged operation
DD: Bereich aufgeladener BetriebSupercharged area
EE: Bereich für Expansion / RekuperationArea for expansion / recuperation
TT: TurbinenrichtungTurbine direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 602004000194 T2 [0002]
DE 202017107685 U1 [0003]

Claims

System for supplying operating gas to a drive (1) of a motor vehicle, comprising an atmosphere-side suction inlet (2a) for air under atmospheric pressure, and a feed line (2) for the operating gas to the drive (1) under an operating pressure, whereby the drive ( 1) supplied operating gas comprises at least part of the intake air, the operating pressure in at least one regular operating state, in particular a part-load range of the drive, being less than atmospheric pressure by a differential pressure, characterized in that in the operating state at least part of the operating gas is upstream of the Drive (1) is guided by a turbomachine (3), and the turbomachine (3) comprises an electrical generator (4).

System according to Claim 1 , characterized in that a controllable valve member (5) is provided, the supply of the operating gas to the turbomachine (3) being controllable by the valve member (5).

System according to Claim 2 characterized in that the valve member (5) is designed as a throttle valve, the throttle valve (5) being arranged in a bypass channel (9) bypassing the turbomachine (3).

System according to Claim 2 , characterized in that the valve member (5) is designed as a double valve, a valve body (5a) of the double valve both in an access (10b) to the turbomachine (3) and in a bypass channel (9) bypassing the turbomachine (3) works.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the turbomachine (3) has a turbine (6, 10), in particular of a radial type.

System according to a Claim 5 , characterized in that the turbomachine (3) has stationary guide vanes (12).

System according to Claim 6 , characterized in that the guide vanes (12) are adjustable.

System according to Claim 7 , characterized in that the guide vanes (12) are mechanically coupled to a valve member (5) for throttling and / or diverting the operating gas, in particular exactly one actuator (13) being provided for joint control of the valve member (5) and guide vanes (12) is.

System according to one of the Claims 5 to 8th characterized in that the turbomachine (3) comprises at least two turbines (6, 6a, 10, 10a), the turbines (6, 6a, 10, 10a) on the same shaft (7), in particular on opposite sides of the generator ( 4), are arranged.

System according to Claim 9 , characterized in that the operating gas flows through the turbines (6, 6a, 10, 10a) in series one after the other, the turbines (6, 6a, 10, 10a) in particular being designed for different work areas.

System according to one of the preceding claims, characterized in that in particular upstream of the turbomachine (3) a compressor (14), in particular a turbocharger (14), is provided for compressing the intake operating gas.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the drive is designed as an internal combustion engine (1).

System according to Claim 12 , characterized in that the internal combustion engine (1) is designed as a naturally aspirated engine.

System according to one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the drive (1) is designed as a fuel cell.