CH709469A1 - Turboverdichterantrieb mit Hydraulikmotor und hydraulischem Kopplungspfad. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turboverdichterantrieb (1) mit Verbrennungskraftmaschine und je wenigstens einem Niederdruckverdichter (3) und einem Hochdruckverdichter (4), wobei der Niederdruckverdichter (3) über einen Hydraulikmotor (5) mit Getriebe (6) antreibbar ist, und wobei die vom Hydraulikmotor (5) benötigte Energie wenigstens abschnittsweise über einen hydraulischen Kopplungspfad (7) zum Hydraulikmotor (5) übertragbar ist.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turboverdichterantrieb mit Hydraulikmotor und einem hydraulischen Kopplungspfad.

[0002] Derartige Weiterbildungen von Turboverdichterantrieben finden beim sogenannten Downspeeding von beispielswiese Dieselmotoren Anwendung. Durch die dabei als Langsamläufer konfigurierten Dieselmotoren führt das Downspeeding im Allgemeinen zu besseren Systemwirkungsgraden, aber auch zu einer Verschlechterung der Motordynamik. Zur Kompensation dieser Verschlechterung ist es bekannt, aktive Turboverdichter einzusetzen.

[0003] Das Downspeeding führt zu einer Absenkung des Kraftstoffverbrauchs aber verschlechtert auch die Dynamik einer Verbrennungskraftmaschine, die letztlich ausschlaggebend für den nicht zu unterschreitenden Schwellenwert der (energetisch vorteilhaften) Drehzahlabsenkung ist. Das hat die folgenden Gründe und die damit verbundenen Nachteile:

[0004] Bei gleicher mechanischer Abgabeleistung verringert sich die Rotationsenergie einer im Downspeeding Mode bzw. im Downspeedingmodus betriebenen Verbrennungskraftmaschine gegenüber der einer konventionell betriebenen ansonsten gleichen Verbrennungskraftmaschine. Bekanntermassen ist die Rotationsenergie linear abhängig zum quadratischen Wert der Drehzahl. Dieser Sachverhalt verschlechtert das Lastaufschalt/abwurf Verhalten, was sich bei Offroad Anwendungen besonders nachteilig bemerkbar macht, z.B. in einer Reduzierung des Materialumschlags.

[0005] Bei niedriger Motordrehzahl steht abgasseitig ein vergleichsweise geringer Massenstrom und damit dem Turboverdichter nur eine geringe Leistung für die zur Verbrennung benötigte Luftzufuhr bzw. Luftkompression zur Verfügung. Zur Einhaltung der Abgasvorschriften (beispielsweise hinsichtlich der Russpartikel-Emissionen) darf die Kraftstoff zufuhr bei Dieselmotoren erst dann erhöht werden, wenn die Luftzufuhr entsprechend hoch ist, d. h. die Luftzufuhr durch das Aufladesystem entsprechend gesteigert werden kann. In Bezug auf die eigentlich gewünschte Steigerung dauert diese relativ lange, insbesondere im unteren Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine, weil das vorhandene Massenträgheitsmoment der rotierenden Teile des Turboladers bzw. des Turboverdichters der Beschleunigung der Turboladerdrehzahl und damit der Erhöhung der Luftzufuhr entgegen wirkt. Üblicherweise wird die an der Lufteingangsseite erforderliche Leistung zur Betätigung des Verdichters aus der Energie (thermische und kinetische) des Abgases mittels einer Turbine bezogen.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Turboverdichterantrieb bereitzustellen, der beispielsweise auch bei vergleichsweise niedrigen Kurbelwellendrehzahlen die Möglichkeit hat, innerhalb einer kurzen Zeitspanne die Luftzufuhr auf hohe Werte zu steigern.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Turboverdichterantrieb mit Verbrennungskraftmaschine und je wenigstens einem Niederdruckverdichter und einem Hochdruckverdichter nach Anspruch 1 gelöst, wobei der Niederdruckverdichter über einen Hydraulikmotor mit Getriebe antreibbar ist, und wobei die vom Hydraulikmotor benötigte Energie wenigstens abschnittsweise über einen hydraulischen Kopplungspfad zum Hydraulikmotor übertragbar ist.

[0008] Ein derartiger hydraulischer Kopplungspfad zum Hydraulikmotor ermöglicht es, den Hydraulikmotor ohne Rückgriff auf die in den Verbrennungsgasen der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie anzutreiben. Somit ist es möglich, je nach den Gegebenheiten des Turboverdichterantriebs alternative Energiequellen bzw. -Speicher zum Antrieb des Niederdruckverdichters heranzuziehen.

[0009] In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dabei denkbar, dass der hydraulische Kopplungspfad wenigstens eine Hydraulikpumpe umfasst, insbesondere eine Hydraulikpumpe, deren mechanische Seite an eine erste Kupplung angebunden ist.

[0010] In diesem Ausführungsbeispiel ist die zum Betrieb des Hydraulikmotors des Niederdruckverdichters benötigte Energie der Hydraulikpumpe entnommen, die Bestandteil des gesamten Turboverdichterantriebs sein kann. Der Turboverdichterantrieb ist damit nicht auf externe Hydraulikquellen angewiesen und kann die zum Betrieb des Hydraulikmotors benötigte mit Druck beaufschlagte Hydraulikflüssigkeit selbst bereitstellen.

[0011] Alternativ ist selbstverständlich ein Turboverdichterantrieb denkbar, der keine Hydraulikpumpe umfasst und bei dem eine mit Druck beaufschlagte Hydraulikflüssigkeit von aussen zugeführt werden muss.

[0012] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Hydraulikpumpe ihre Eingangsleistung von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine und/oder von einem Nebenabtrieb bezieht.

[0013] Die Energie zum Betrieb der Hydraulikpumpe kann somit direkt von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine und damit unabhängig vom Massestrom der Abgase der Verbrennungskraftmaschine bezogen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Energie aber auch von einem Nebenabtrieb bezogen werden, welcher in Verbindung mit der Verbrennungskraftmaschine stehen kann, aber auch ein von der Verbrennungskraftmaschine unabhängiger Antrieb sein kann. Der Nebenabtrieb kann beispielsweise einer zweiten Kraftmaschine zugeordnet oder mit dieser gekoppelt sein.

[0014] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die mechanische Seite des Hydraulikmotors an eine zweite Kupplung angebunden ist.

[0015] Die Kupplung kann dabei einem Getriebe des Hydraulikmotors vor- oder nachgeschaltet sein. Sie dient dazu, bei Bedarf den Hydraulikmotor vom Niederdruckverdichter abzukoppeln, so dass der Hydraulikmotor beispielsweise eine freie Bewegung des Niederdruckverdichters nicht behindert. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der hydraulische Kopplungspfad wenigstens ein Pumpenverteilergetriebe umfasst, insbesondere ein Pumpenverteilergetriebe, welches neben dem Hydraulikmotor weitere Verbraucher mit Hydraulikflüssigkeit versorgt.

[0016] Ein derartiges Pumpenverteilergetriebe kann dabei an der Vorrichtung, in welcher der Turboverdichterantrieb eingesetzt wird, beispielsweise einer Baumaschine oder einem Kran, bereits vorgesehen sein. Üblicherweise kann es dabei zum Ansteuern bzw. Betreiben von weiteren an der Vorrichtung vorgesehenen Verbrauchern bereitgestellt sein.

[0017] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der hydraulische Kopplungspfad wenigstens einen Druckspeicher umfasst.

[0018] In dem Druckspeicher ist es dabei möglich, Energie bzw. Druckenergie zu speichern und bei Bedarf an den Niederdruckverdichter bzw. den diesen antreibenden Hydraulikmotor abzugeben. Dies bietet den Vorteil, dass die Entnahme der Energie aus dem Antriebsstrang zur späteren Leistungszufuhr in den Turboverdichter zeitlich unabhängig vom Leistungsbedarf des Turboverdichters erfolgen kann.

[0019] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Druckspeicher zwischen Hydraulikpumpe und Hydraulikmotor vorgesehen ist. Weiterhin vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Druckspeicher und dem Hydraulikmotor eine Drossel vorgesehen ist und/oder ein Hydraulikventil vorgesehen ist. Durch die entsprechende Anordnung ist es möglich, die Abgabe von Hydraulikflüssigkeit bzw. Druckenergie aus dem Druckspeicher an den Hydraulikmotor entsprechend dem bestehenden Energiebedarf zu regeln/steuern.

[0020] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass wenigstens zwei der Komponenten Hydraulikmotor, Niederdruckverdichter und Getriebe in einem einzigen Aggregat vorgesehen sind. Eine derartige verbundene Ausführung der Komponenten bedeutet eine vereinfachte und damit günstigere Bauweise des entsprechenden Aggregats.

[0021] In einem weiterhin bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass auf der hochdrehenden Seite des Getriebes ein Schwungrad-Energiespeicher vorgesehen ist, und/oder dass der Niederdruckverdichter mittels einer Niederdruck-Bypassventilanordnung überbrückbar ist, und/oder dass der Hochdruckverdichter mittels einer Hochdruck-Bypassventilanordnung überbrückbar ist, und/oder dass zwischen Niederdruckverdichter und Hochdruckverdichter eine Zwischenkühleranordnung vorgesehen ist, und/oder dass zwischen Hochdruckverdichter und Verbrennungskraftmaschine eine Ladeluftkühleranordnung vorgesehen ist, und/oder dass dem Niederdruckverdichter eine Saugdrossel vorgeschaltet ist, und/oder dass der Hydraulikmotor ein verstellbarer Hydraulikmotor ist.

[0022] Vorteile dieser und weiterer Ausführungsbeispiele sowie der Stand der Technik werden anhand der folgenden Figuren genannt. Dabei zeigen: <tb>Fig. 1 :<SEP>Luftpfad mit Turbo-Aufladung, gewöhnliche Ausführung; <tb>Fig. 2 :<SEP>Luftpfad mit 2-facher Turbo-Aufladung; <tb>Fig. 3 :<SEP>Luftpfad mit 2-facher Turbo-Aufladung, Zwischenkühler und Bypass; <tb>Fig. 4 :<SEP>Luftpfad mit einstufiger Aufladung, Ausstattung mit VTG-Turbine; <tb>Fig. 5 :<SEP>Luftpfad mit zweistufiger Aufladung, Ausstattung mit VTG-Turbine auf der HD-Seite; <tb>Fig. 6 :<SEP>Luftpfad mit zweistufiger Aufladung, Ausstattung mit VTG-Turbine auf der ND-Seite; <tb>Fig. 7 :<SEP>Luftpfad mit zweistufiger Aufladung, Ausstattung mit mech. betriebenem Verdichter auf der ND-Seite, erste Version; <tb>Fig. 8 :<SEP>Luftpfad mit zweistufiger Aufladung, Ausstattung mit mech. betriebenem Verdichter auf der ND-Seite, zweite Version; <tb>Fig. 9 :<SEP>Luftpfad mit zweistufiger Aufladung, Ausstattung mit mech. betriebenem Verdichter auf der ND-Seite, dritte Version; <tb>Fig. 10 .-<SEP>Luftpfad mit zweistufiger Aufladung, Ausstattung mit mech. betriebenem Verdichter auf der ND-Seite, vierte Version; <tb>Fig. 11 :<SEP>Luftpfad mit Turbo-Aufladung, Antrieb des Verdichters durch Elektromotor, Energierekuperation im Abgaspfad; <tb>Fig. 12 :<SEP>Luftpfad mit zweistufiger Turbo-Aufladung, Antrieb des Verdichters durch Elektromotor, Energierekuperation im Abgaspfad; <tb>Fig. 13 :<SEP>Luftpfad mit Turbo-Aufladung und einem System zum pneumatisch getriebenen Boosten; <tb>Fig. 14 :<SEP>Luftpfad mit Turbo-Aufladung, Antrieb des Verdichters über Nebenabtrieb der Verbrennungskraftmaschine, erste Version; <tb>Fig. 15 :<SEP>Luftpfad mit 2-facher erfindungsgemässer Turbo-Aufladung, erste Version; <tb>Fig. 16 :<SEP>Luftpfad mit Turbo-Aufladung, Antrieb des Verdichters über Nebenabtrieb der Verbrennungskraftmaschine, zweite Version; <tb>Fig. 17 :<SEP>Luftpfad mit Turbo-Aufladung, Antrieb des Verdichters über Nebenabtrieb der Verbrennungskraftmaschine, dritte Version; <tb>Fig. 18 :<SEP>Luftpfad mit 2-facher erfindungsgemässer Turbo-Aufladung, zweite Version; <tb>Fig. 19 :<SEP>Luftpfad mit 2-facher erfindungsgemässer Turbo-Aufladung, dritte Version; und <tb>Fig. 20 :<SEP>Luftpfad mit Turbo-Aufladung, Antrieb des Verdichters über Nebenabtrieb der Verbrennungskraftmaschine, vierte Version.

[0023] Es entspricht dem Stand der Technik, nahezu alle Verbrennungskraftmaschinen ab einer gewissen Leistung mit komprimierter Luft zu versorgen. Letzteres ermöglicht eine Reduzierung des Hubraums der Verbrennungskraftmaschine, was wiederum den Vorteil einer hohen Kraftstoffeinsparung hat. Das Verzichten auf die Aufladung von Verbrennungskraftmaschinen zu Gunsten eines Downspeeding wäre energetisch extrem ungünstig.

[0024] Fig. 1 zeigt das Schema einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen dem Motorblock 29 entspricht:

[0025] Auf der Lufteintrittsseite 100 (Lufteintritt, bei allen Figuren analog) wird die Luft (in Bezug auf die Strömungsrichtung) hinter dem Luftfilter 23 mittels eines Verdichters 28 komprimiert. Die durch ihre Verdichtung stark angewärmte Luft muss über einen Ladeluftkühler 21 abgekühlt werden, bevor diese über den Ansaugverteiler bzw. Ansaugluftsammler 24 der Verbrennung in einem Motorblock 29 zugeführt wird. Das durch die Verbrennung entstehende Abgas hat thermische und kinetische Energie. Ein hoher Energieanteil wird dem Abgas entzogen, indem dieses (in Bezug auf die Strömungsrichtung) zwischen dem Abgassammler 25 und der Abgasnachbehandlung 26 durch eine Turbine 27 geleitet wird. Die hierdurch angetriebene Turbine 27 überträgt Ihre Drehbewegung an den zuvor erwähnten Verdichter 28. Die Abgase verlassen den Turboverdichterantrieb 1 durch den Abgasaustritt 200 (bei allen Figuren analog).

[0026] Daraus ist ersichtlich, dass die Bereitstellung eines hohen Luftmassenstroms bzw. dessen schnelle Erhöhung auf der Lufteintrittsseite erst dann möglich ist, wenn auf der Abgasseite ein entsprechend hohes kinetisches Energievorkommen besteht.

[0027] Die durch Downspeeding bewirkte Verschlechterung der Motordynamik lässt sich durch eine Änderung oder eine Erweiterung des Aufladesystems, mit der die Zufuhr von Ladeluft speziell in den für die einfache Aufladung kritischen Betriebssituationen verbessert wird, kompensieren. Dies kann beispielsweise durch die Hinzunahme von in den folgenden Figuren zumindest zum Teil gezeigten Turboladern 30, 30 ́ umgesetzt werden. Darüber hinaus existiert eine Vielzahl anderer technischer Lösungen mit der Gemeinsamkeit, dass die Leistungszuführung an dem bzw. einem weiteren Verdichter 28 über einen Kopplungspfad erfolgt, der sich von der gewöhnlichen Wirkungskette, Entnahme von Leistung des Abgases mittels Turbine 27 und Übertragung der Leistung zum Verdichter 28 mittels mechanischer Kopplung, unterscheidet.

[0028] Eine neuartige Systemlösung und Ergänzung bzw. Modifikation bestehender Systemlösungen, die für bestimmte Anwendungen (insbesondere im Bereich Mobiler Arbeitsmaschinen) Vorteile gegenüber den bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Systemlösungen, in der Erfüllung der beschriebenen Funktionen hat, ist Gegenstand der weiter unten beschriebenen erfindungsgemässen Ausführungsbeispiele.

[0029] Zunächst sollen noch einige gemäss dem Stand der Technik bekannte technische Massnahmen aufgezeigt werden, mit denen die Anforderung, bei vergleichsweise niedrigen Kurbelwellendrehzahlen innerhalb einer kurzen Zeitspanne die Luftzufuhr zum Motorblock 29 auf hohe Werte zu steigern, mehr oder weniger gut in die Praxis umgesetzt wird. Es ist für den Fachmann denkbar, diese Massnahmen mit den als erfindungswesentlich bezeichneten Merkmalen gegebenenfalls zu kombinieren. In den Figuren bedeuten kleine Pfeile einen Luftpfad mit entsprechender Strömungsrichtung, grosse Pfeile bedeuten eine Hydrauliköl-Leitung mit entsprechender Strömungsrichtung und Mehrfachlinien bedeuten eine mechanische Kopplung.

[0030] Eine bekannte Massnahme stellt die in Fig. 2 gezeigte sogenannte mehrfache Aufladung durch konventionelle Turbolader 30, 30 ́ dar. Hierzu zeigt Fig. 2 exemplarisch eine zweistufige Aufladung. Dort existieren zwei Turbolader 30, 30 ́ (Niederdruck- und Hochdruck-Turbinen-Verdichter-Einheit), die beide hinsichtlich ihres Wirkungsgrades auf unterschiedliche Drehzahlbereiche der Verbrennungskraftmaschine angepasst sind. Der Turboverdichterantrieb 1 umfasst hierbei einen Niederdruckverdichter 3 und einen Hochdruckverdichter 4, die über Wellen mit je einer Turbine 27 verbunden sind. Die angesaugte Luft wird über Luftfilter 23, die beiden Verdichter 3, 4, den Ladeluftkühler 21 und den Ansaugluftsammler 24 dem Motorblock 29 bzw. der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführt. Die verbrannten Abgase verlassen den Motorblock 29 über den Abgassammler 25, die Turbinen 27 sowie die Abgasnachbehandlung 26 und den Abgasaustritt 200. Restenergie wird den Abgasen über die Turbinen 27 entzogen und über Wellen und Verdichter 3, 4 zum Komprimieren der Luft genutzt. Die Bezugszeichen und Bauteile entsprechen einander in den folgenden Figuren.

[0031] Fig. 3 zeigt eine ebenfalls zweistufige Aufladung mit den optionalen Ergänzungen Zwischenkühler 20 und Hochdruck-Bypassventil 19. Bei einer zweistufigen Aufladung muss nicht zwangsläufig zu jeder Betriebssituation Abgasenergie durch jeweils beide Turbinen 27 (Niederdruck- und Hochdruckturbine) entnommen werden mit einhergehender Komprimierung der Luft über beide Verdichter 3, 4 auf der Lufteintrittsseite.

[0032] Stattdessen können die Turbolader 30, 30 ́ zumindest in gewissen Grenzen selektiv eingesetzt werden. Damit dies möglich ist, werden im Luft-Abgas-System Bypassventile bzw. Ventilanordnungen 18, 19 eingesetzt. Bei der Anordnung der Fig. 3 wird die Luft auf der Eintrittsseite im Niederdruckverdichter 3 (ND) komprimiert und durchströmt im fortgesetzten Luftpfad wahlweise den Hochdruckverdichter 4 (mit ggf. vorgeschaltetem Zwischenkühler 20) oder wird über ein geöffnetes Hochdruck-Bypassventil 19 direkt dem Ladeluftkühler 21 zugeleitet. Die Funktion des Zwischenkühlers 20 ist eine Abkühlung der durch die Kompression im Niederdruckverdichter 3 erhitzten Luft bevor diese den Hochdruckverdichter 4 durchströmt. Es sind entsprechende Systemlösungen mit unterschiedlichen Anordnungen der Bypassventile bekannt.

[0033] Fig. 4 zeigt die Verwendung eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie (VTG) 27 ́. Eine weitere zum Stand der Technik zählende Massnahme ist der Einsatz von Verdichtern mit variabler Turbinengeometrie. Bei diesem Prinzip erfolgt während des Betriebs (Onboard) eine Anpassung der Turbinenschaufelrad-Geometrie, so dass je nach den bestehenden Strömungsbedingungen im Abgaspfad noch eine möglichst hohe kinetisch Energie entnommen werden kann.

[0034] Fig. 5 und 6 zeigen den Einsatz eines VTG Turboladers 27 ́ in einer mehrstufigen Aufladung. Bekanntermassen können die beiden zuletzt beschriebenen Massnahmen (mehrstufige Aufladung und Verwendung eines VTG’s) kombiniert werden. Dabei kann der VTG-Lader 27 ́ sowohl auf der Niederdruck- als auch auf der Hochdruckseite installiert sein.

[0035] Fig. 7 bis 10 zeigen die Anwendung eines rein mechanisch angetriebenen Niederdruckverdichters 3. Es sind zweistufige Aufladungskonzepte für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei denen auf der Hochdruckseite ein gewöhnlicher Turbolader 30 ́ installiert ist, und sich auf der Niederdruckseite ein rein mechanisch angetriebener Niederdruckverdichter 3 befindet. Dabei kann die mechanische Leistung direkt von der Kurbelwelle oder einem Nebenabtrieb 10 der Verbrennungskraftmaschine entnommen werden. Da die drehenden Teile im Antriebsstrang deutlich geringere Drehzahlen aufweisen als die vom Niederdruckverdichter 3 Benötigten, wird bei einem solchen Aufladekonzept ein Getriebe 6 mit hoher Übersetzung benötigt.

[0036] Es sind bereits Turboverdichter mit integriertem Planetengetriebe bekannt, mit dem ein ausreichend hohes Übersetzungsverhältnis erzielt wird. Damit ein solches Aufladungskonzept aus Sicht der Energieeffizienz sinnvoll ist, muss eine Vorkehrung dafür getroffen werden, dass dem Niederdruckverdichter 3 nur im Bedarfsfall Leistung zugeführt wird, denn letztlich wird der Niederdruckverdichter 3 mit einer Leistung versorgt, die direkt dem Antriebssystem entzogen wird. Folglich führt eine nicht benötigte Aktivierung des Niederdruckverdichters 3 zu einem nachteiligen Kraftstoffmehrverbrauch.

[0037] Durch den Einbau einer Kupplung K1 (z.B. in der Ausführung einer Magnetkupplung) gemäss der Fig. 7 kann der Niederdruckverdichter 3 je nach Bedarf aktiviert oder deaktiviert werden. Anstelle oder zusätzlich zu der Kupplung K1 kann eine Niederdruck-Bypassventilanordnung 18 installiert werden (siehe Fig. 9 ), bei deren Öffnung die Kompressionsarbeit im mechanisch getriebenen Niederdruckverdichter 3 entfällt.

[0038] Eine andere Erweiterung zeigt Fig. 8 . Hier befindet sich auf der hochdrehenden Seite des Getriebes 6 ein Schwungrad-Energiespeicher bzw. ein Schwungrad 17. Aufgrund der dort herrschenden extrem hohen Drehzahlen lässt sich der Schwungradspeicher 17 mit einem vergleichsweise kleinen Bauvolumen darstellen. Es besteht die Möglichkeit, den Schwungradspeicher 17 in das Gehäuse des hochübersetzenden Getriebes 6 zu integrieren. Auf der Eingangsseite des Getriebes 6 wird eine trennbare Kupplung K1 benötigt, mit der eine Trennung und Kopplung zum Antriebsstrang oder zu einem Nebenabtrieb 10 möglich ist. Eine zweite Kupplung K2 wird – bezogen auf die Drehmomentenübertragung zwischen dem Schwungrad 17 und dem Niederdruckverdichter 3 – benötigt. Durch die Ergänzung des Systems mit Bypassventilen 18, 19 und der Saugdrossel 22 (vgl. Fig. 10 ) besteht die Möglichkeit eines kontinuierlichen Übergangs zwischen dem 0% und 100% aktiven ND-Verdichter 3, was einen bedarfsgerechten Betrieb erlaubt.

[0039] Ferner besteht wie in Fig. 9 gezeigt die Möglichkeit, zusätzlich zu der besagten Niederdruck-Bypassventilanordnung 18, (in Bezug auf die Strömungsrichtung) vor dem mechanisch getriebenen Niederdruckverdichter 3 eine Saugdrossel 22 zu installieren. Die Verwendung einer Kupplung K1 führt im betrachteten Teilsystem zu einer Minimierung der Reibleistung. Die Anordnung mit der besagten Niederdruck-Bypassventilanordnung 18 erfordert einen geringen Aufwand. Die Variante mit der Niederdruck-Bypassventilanordnung 18 und der Saugdrossel 22 ermöglicht im Gegensatz zu den beiden anderen Systemlösungen einen kontinuierlichen Übergang zwischen einem zu 0% und 100% aktiven Niederdruckverdichter 3 und damit einen bedarfsgerechten Betrieb. Die aufwendigste Variante bestehend aus Kupplung K1, Saugdrossel 22 und Niederdruckverdichter 3 und kombiniert alle benannten Vorteile.

[0040] Fig. 11 zeigt den Einsatz einer elektrisch gekoppelten Turbinen-Verdichter-Einheit. Dabei ist das Antreiben des Verdichters 28 durch einen Elektromotor 32 (vorzugsweise in der Ausführung eines Bürstenlosen Elektromotors 32) über ein Getriebe 6 mit hoher Übersetzung. Aus dem Abgas erfolgt eine Rekuperation über einen Turbogenerator 33. Alternativ ist diese Ausführungsform auch durch einen integrierten Organic Rankine Cycle darstellbar.

[0041] Mittels dieser Rekuperation kann elektrische Leistung in das bereits vorhandene Bordnetz (oder prinzipiell in ein extra dafür installiertes Bordnetz) eingespeist werden. Eine solche Anordnung hat den grossen Vorteil, dass der Verdichter 28 vollkommen bedarfsgerecht betrieben werden kann und bei bestehendem Leistungsüberschuss bezogen auf das Luft-Abgas-Teilsystem eine Bordnetz-Batterie geladen werden kann. Der Pluspol des elektrischen Bordnetzes ist dabei mit dem Bezugszeichen 150 angegeben.

[0042] Fig. 12 zeigt eine elektrifizierte Turbolader-Einheit in einer mehrstufigen Aufladung. In einer davon vereinfachten Variante kann der Turbogenerator 33 entfallen. Das führt im Vergleich mit der zuvor beschriebenen Variante zu einer Reduzierung der Zusatzkosten und einem geringeren Mehrbedarf an Bauraum, aber hat den Nachteil einer geringeren Energieeffizienz.

[0043] Fig. 13 zeigt eine weitere Variante einer bekannten Systemlösung. Aus dem Antriebsstrang z.B. von einem Nebenabtrieb 10 der Verbrennungskraftmaschine wird mechanische Leistung entzogen, mit der ein Kompressor 34 solange betrieben wird, bis ein Druckspeicher 14 aufgeladen ist. Wird von der Verbrennungskraftmaschine ein schlagartig zunehmendes Drehmoment abverlangt, für das durch die gewöhnliche Aufladegruppe nicht genügend Ladedruck (bzw. nicht die benötigte Ladedruckerhöhung innerhalb der erforderlichen Zeitspanne) aufgebracht werden kann, so kann bei geladenem Druckspeicher 14 über eine Komponente PBS (Pneumatisches Boost System) 35 kurzfristig ein Ladedruck aus dem Speicher 14 bereitgestellt werden. Bei einem solchen Boost-Vorgang stellt die Komponente PBS 35 in Richtung Ladeluftkühler 21 die Funktion eines Rückschlagventils in Sperrrichtung dar und in Richtung zur Ansaugluftsammler 24 wirkt die Komponente PBS 35 wie eine geöffnete Drosselklappe.

[0044] Bei der Verwendung eines mechanisch betriebenen Verdichters 28 bzw. Niederdruckverdichter 3 bezieht dieser gemäss den Fig. 14 bis 20 seine Leistung nicht aus dem Abgaspfad, sondern kann die Leistung aus dem Antriebsstrang bzw. Motorblock 29 oder einem Nebenabtrieb 10 beziehen. Dabei kann bei Vorhandensein eines (in den Figuren nicht gezeigten) Pumpenverteilergetriebes eine ohnehin bestehende, für die Grundfunktionen/Arbeitsfunktionen des Gesamtsystems (z.B. einer Mobilen Arbeitsmaschine) erforderliche Übersetzung genutzt werden, um auf der Abtriebsseite diejenige mechanische Leistung zu entnehmen, die dem Niederdruckverdichter 3 zugeführt wird. Dieses könnte erstens Bauraumvorteile bieten. Zweitens könnte es zu einer Systemvereinfachung führen:

[0045] Aufgrund der erwähnten Tatsache, dass die Drehzahlen im Antriebsstrang bzw. Motorblock 29 deutlich (um Grössenordnungen) niedriger als die eines Turboverdichters sind, könnte eine ggf. am Pumpenverteilergetriebe vorhandene Übersetzung (hin zu höheren Drehzahlen), als erste Stufe für das ND-Aufladesystem (Niederdruck-Aufladesystem) genutzt werden, wodurch das Übersetzungsverhältnis eines exklusiv für das N D-Aufladesystem erforderlichen Getriebes 6 geringer wird, was eine Kosten- und Bauraumreduzierung nach sich zieht. Ein dritter ggf. ausschöpfbarer Vorteil besteht darin, dass auf der Seite der Verbrennungskraftmaschine zur Umsetzung des besagten Aufladekonzepts kein Nebenabtrieb 10 beansprucht werden muss, der möglicherweise für das Betreiben anderer Nebenaggregate benötigt wird.

[0046] Erfindungsgemäss wird die vom Niederdruckverdichter 3 benötigte Leistung über einen hydraulischen Kopplungspfad 7 zugeführt wird. Eine Grundanordnung dieser Systemlösung zeigt Fig. 14 . In den Fig. 14 bis 20 ist ein offener Ölkreislauf gezeigt, es kann alternativ auch ein geschlossener Hydraulikreis vorgesehen sein. Bei Stellung 1 des (optionalen) Bypass-Ventils bzw. der Niederdruck-Bypassventilanordnung 18 entspricht der wirksame Luft-Abgas-Pfad der Verbrennungskraftmaschine dem einer gewöhnlichen einstufigen Aufladung. Wird von der Verbrennungskraftmaschine ein nahezu sprunghaft zunehmendes Drehmoment abverlangt, für das durch die gewöhnliche Aufladegruppe nicht genügend Ladedruck (bzw. nicht die benötigte Ladedruckerhöhung innerhalb der erforderlichen Zeit) aufgebracht werden kann, dann nimmt das Bypassventil die Stellung 2 an. Dadurch wird die Frischluft zunächst über den Niederdruckverdichter 3 geleitet. Anschliessend strömt die Luft in den Hochdruckverdichter 4. Zwischen den beiden Verdichterstufen kann (optional) ein Zwischenkühler 20 angeordnet sein. Der Niederdruckverdichter 3 wird über ein hochübersetztes Getriebe 6 von einem Hydraulikmotor 5 betrieben.

[0047] Es ist dabei denkbar, dass alle die drei Komponenten Hydraulikmotor 5, hochübersetzendes Getriebe 6 und Niederdruckverdichter 3 in einem einzigen Aggregat verbaut sind oder sein können. Der besagte Hydraulikmotor 5 bezieht seine Eingangsleistung von einer Hydraulikpumpe 8, die an einer nahezu beliebigen anderen Stelle im Gesamtsystem zum Beispiel einer Mobilen Arbeitsmaschine angeordnet sein kann. Die Zuführung von Leistung über eine Hydraulikleitung bzw. einen hydraulischen Kopplungspfad 7 stellt geringere Anforderungen an verfügbarem Bauraum im Gesamtsystem (z.B. einer Mobilen Arbeitsmaschine) als eine mechanische Leistungszuführung (vgl. flexible Hydraulikleitung versus Riementriebe oder Schaffung von Bauraum, der eine Drehmomentenübertragung über eine Welle oder Kardanwelle ermöglicht). Mit dem hydraulischen Kopplungspfad 7 ist jeder Pfad gemeint, der eine energetische Anbindung des Niederdruckverdichters 3 an eine Energiequelle ermöglicht und wenigstens eine hydraulische Komponente wie beispielsweise den Hydraulikmotor 5 umfasst. In Fig. 14 ist ein möglicher Kopplungspfad gezeigt, die daran anschliessenden Figuren sind analog zu betrachten.

[0048] Die Hydraulikpumpe 8 kann ihre Eingangsleistung z.B. direkt von der Kurbelwelle und alternativ oder zusätzlich von einem Nebenabtrieb 10 der Verbrennungskraftmaschine beziehen. Darüber hinaus könnte bei Vorhandensein eines Pumpenverteilergetriebes eine bestehende, für die Grundfunktionen/Arbeitsfunktionen des Gesamtsystems (z.B. einer Mobilen Arbeitsmaschine) erforderliche Übersetzung genutzt werden, um auf der Abtriebsseite diejenige mechanische Leistung zu entnehmen, die der Hydraulikpumpe 8 zugeführt wird. Das kann erstens den Vorteil haben, dass eine solche Übersetzung im Pumpenverteilergetriebe verwendet werden kann, die einen Betrieb der besagten Hydraulikpumpe 8 in einem energetisch günstigeren Drehzahl-Drehmomentenkennfeld Bereich ermöglicht. Zweitens könnte dieses Konzept Bauraumvorteile bieten. Drittens könnte es zu einer Systemvereinfachung führen:

[0049] Die Anbindung der mechanischen Seite der Hydraulikpumpe 8 über eine trennbare Kupplung K1 (z.B. in der Ausführung einer Magnetkupplung) bietet den Vorteil, dass die Hydraulikpumpe 8 zwecks Energieersparnis abgekoppelt werden kann, sofern die benötigte Ladeluft auch ohne Unterstützung des Niederdruckverdichters 3 bereitgestellt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, dass das System mit einem Bypass-Ventil bzw. einer Niederdruck-Bypassventilanordnung 18 und ohne die Kupplung K1 ausgestattet ist.

[0050] Fig. 15 zeigt eine weitere Variante der Systemlösung. Zusätzlich zu dem besagten Bypassventil bzw. der Niederdruck-Bypassventilanordnung 18, ist (in Bezug auf die Strömungsrichtung) vor dem mechanisch getriebenen Niederdruckverdichter 3 eine Saugdrossel 22 installiert. In der Figur ist ein zweites optionales Bypassventil bzw. eine Hochdruck-Bypassventilanordnung 19 enthalten, mit dem die Ladeluft direkt zum Ladeluftkühler bzw. zur Ladeluftkühleranordnung 21 geführt werden kann, ohne den Hochdruckverdichter 4 zu durchströmen. Auf der mechanischen Seite der Hydraulikpumpe 8 kann sich eine Kupplung K1 befinden. Innerhalb der Zeiträume, in denen der Niederdruckverdichter 3 nicht benötigt wird, ist diese Kupplung K1 geöffnet. Dadurch wird innerhalb dieser Zeiträume das Auftreten von Verlustleistung in dem besagten Teilsystem vermieden. Die Anordnung mit dem Bypassventil bzw. der Niederdruck-Bypassventilanordnung 18 und ohne Kupplung K1 erfordert den geringsten Aufwand.

[0051] Die Variante mit der Niederdruck-Bypassventilanordnung 18 und der Saugdrossel 22 ermöglicht im Gegensatz zu den beiden anderen Systemlösungen einen kontinuierlichen Übergang zwischen dem 0% und 100% aktiven Niederdruckverdichter 3 und damit einen bedarfsgerechten Betrieb. Die aufwendigste Variante bestehend aus der Kupplung K1, der Saugdrossel 22 sowie dem Niederdruckverdichter 3 kombiniert alle benannten Vorteile. Bei Verfügbarkeit und Einsatz einer Kolbenpumpe könnte der Niederdruckverdichter 3 auch ohne Einsatz einer Saugdrossel 22 bedarfsgerecht betrieben werden.

[0052] Sofern das Gesamtsystem (z.B. eine Mobile Arbeitsmaschine, mobiles Arbeitsgerät) zur Erfüllung seiner Grundfunktionen (z.B. der Betätigung von Arbeitswerkzeugen) ohnehin (mindestens) einen Hydraulikkreis hat, kann der Hydraulikmotor 5 auch aus diesem Hydraulikkreis bzw. einem dieser Hydraulikkreise des bestehenden Arbeitsgerätes gespeist werden. Hierbei kann eine bereits vorhandene Hydraulikpumpe 8 verwendet werden, indem der zur Betätigung des Niederdruckverdichters 3 eingesetzte Hydraulikmotor 5 in einen Parallelpfad zu dem bereits bestehenden entsprechenden Hydraulikpfad angeordnet wird.

[0053] Die Fig. 16 bis 20 zeigen Varianten der Erfindung mit Hinzunahme eines Energiespeichers bzw. Druckspeichers 14, welcher aus energetischer Sicht für das Konzept des hydraulisch betriebenen Verdichters vorteilhaft ist.

[0054] In der Erweiterung (s. Fig. 16 ) wird in den Hydraulikkreis, über den die Leistungseinspeisung zur Betätigung des Niederdruckverdichters 3 erfolgt, zwischen der Hydraulikpumpe 8 und dem Hydraulikmotor 5 ein Druckspeicher 14 integriert. Damit die hydraulische Leistung vom Druckspeicher 14 in den Hydraulikmotor 5 bedarfsgerecht zugeführt werden kann, befindet sich zwischen diesen beiden letztgenannten Komponenten eine Drossel 22 oder ein Hydraulikventil. Alternativ dazu kann anstelle der Drossel 22 bzw. des Ventils ein stellbarer Hydraulikmotor 5 verwendet werden (vgl. Fig. 17 ). Mit diesen Systemlösungen wird die zur unterstützenden Betätigung der Aufladung benötigte Leistungseinspeisung in den Niederdruckverdichter 3 von der Leistungsentnahme aus dem Antriebsstrang entkoppelt. Dem Druckspeicher 14 kann somit Energie zugeführt werden, bevor die Aktivierung des Niederdruckverdichters 3 erforderlich ist. Das ist besonders vorteilhaft, da dem Niederdruckverdichter 3 immer dann Leistung zugeführt werden muss, wenn zumindest tendenziell zu wenig Leistung im Antriebsstrang zur Verfügung steht.

[0055] Diese Systemerweiterung bietet dabei noch weitere Vorteile. Sofern die Speicherkapazität des Druckspeichers 14 entsprechend hoch genug ist, kann die Leistungszufuhr in den Druckspeicher 14 überwiegend innerhalb von Zeiträumen erfolgen, in denen die Leistungseinspeisung energetisch günstig ist; z.B. durch eine Lastpunktanhebung des Dieselmotors bzw. Motorblocks 29 zwecks Erhöhung des Dieselmotor-Wirkungsgrades. Bei einer entsprechend ausgeführten Topologie des Hydrauliksystems kann die Leistungseinspeisung in den Druckspeicher 14 aus einer Rekuperation im Antriebsstrang bezogen werden. Bei einem entsprechenden Lastprofil wäre eine Lastpunktanhebung energetisch vorteilhaft, wenn dadurch ein reiner Dieselmotor-Leerlaufbetrieb reduziert werden kann, d. h. anstelle von zeitlich kurzen Leerlaufbetriebsphasen erfolgt eine Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine zur Energiezufuhr in den Druckspeicher 14.

[0056] Hydraulische Motoren weisen eine deutlich höhere Leistungsdichte als Elektromotoren auf. Hierdurch lässt sich ein erheblicher Packaging-Vorteil erreichen. Vorteile der hydraulischen Systemlösung bei der Integration ergeben sich auch dadurch, dass die Verlegung von Hydraulikleitungen bei dem noch vorhandenen Raumangebot einfacher als der Einbau einer mechanischen Leistungsübertragung ist (Aufwendige Auslegung und Platzbedarf des Riementriebes). Hydraulische Antriebe weisen eine besonders hohe Lebensdauer auf und werden durch ihr eigenes Arbeitsmedium, nämlich das Hydrauliköl gekühlt und geschmiert.

[0057] In Mobilen Arbeitsmaschinen ist bereits ein Hydraulikkreislauf vorhanden. In einem solchen Fall entfällt der Nachteil, dass aufgrund des besonderen Aufladungskonzepts der Verbrennungskraftmaschine Komponenten einer anderen Domäne (in diesem Fall der Domäne Hydraulik) in das Gesamtsystem zu integrieren sind.

Claims (10)

1. Turboverdichterantrieb (1) mit Verbrennungskraftmaschine und je wenigstens einem Niederdruckverdichter (3) und einem Hochdruckverdichter (4), wobei der Niederdruckverdichter (3) über einen Hydraulikmotor (5) mit Getriebe (6) antreibbar ist, und wobei die vom Hydraulikmotor (5) benötigte Energie wenigstens abschnittsweise über einen hydraulischen Kopplungspfad (7) zum Hydraulikmotor (5) übertragbar ist.

2. Turboverdichterantrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Kopplungspfad (7) wenigstens eine Hydraulikpumpe (8) umfasst, insbesondere eine Hydraulikpumpe (8), deren mechanische Seite an eine erste Kupplung (K1) angebunden ist.

3. Turboverdichterantrieb (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (8) ihre Eingangsleistung von einer Kurbelwelle (9) der Verbrennungskraftmaschine und/oder von einem Nebenabtrieb (10) bezieht.

4. Turboverdichterantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Seite des Hydraulikmotors (5) an eine zweite Kupplung (K2) angebunden ist.

5. Turboverdichterantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Kopplungspfad (7) wenigstens ein Pumpenverteilergetriebe umfasst, insbesondere ein Pumpenverteilergetriebe, welches neben dem Hydraulikmotor (5) weitere Verbraucher mit Hydraulikflüssigkeit versorgt.

6. Turboverdichterantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Kopplungspfad (7) wenigstens einen Druckspeicher (14) umfasst.

7. Turboverdichterantrieb (1) nach wenigstens den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (14) zwischen Hydraulikpumpe (8) und Hydraulikmotor (5) vorgesehen ist.

8. Turboverdichterantrieb (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Druckspeicher (14) und dem Hydraulikmotor (5) eine Drossel (22) vorgesehen ist und/oder ein Hydraulikventil (16) vorgesehen ist.

9. Turboverdichterantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Komponenten Hydraulikmotor (5), Niederdruckverdichter (3) und Getriebe (6) in einem einzigen Aggregat vorgesehen sind.

10. Turboverdichterantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der hochdrehenden Seite des Getriebes (6) ein Schwungrad-Energiespeicher (17) vorgesehen ist, und/oder dass der Niederdruckverdichter (3) mittels einer Niederdruck-Bypassventilanordnung (18) überbrückbar ist, und/oder dass der Hochdruckverdichter (4) mittels einer Hochdruck-Bypassventilanordnung (19) überbrückbar ist, und/oder dass zwischen Niederdruckverdichter (3) und Hochdruckverdichter (4) eine Zwischenkühleranordnung (20) vorgesehen ist, und/oder dass zwischen Hochdruckverdichter (4) und Verbrennungskraftmaschine eine Ladeluftkühleranordnung (21) vorgesehen ist, und/oder dass dem Niederdruckverdichter (3) eine Saugdrossel (22) vorgeschaltet ist, und/oder dass der Hydraulikmotor (5) ein verstellbarer Hydraulikmotor (5) ist.