DE10139526A1

DE10139526A1 - Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10139526A1
Application number: DE10139526A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Geisse; Karl-Ernst Noreikat; Alfons Rennefeld
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-02-20

Abstract

Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einem Turbolader (4). Der Turbolader (4) ist mit einer elektrischen Maschine (18) versehen, die wahlweise als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist. Der Turbine (8) des Turboladers (4) ist von einer Gaserzeugungseinheit, z. B. einem Brenner (50), Abgas zuführbar zum Antrieb der Turbine (8) und damit zum Antrieb der elektrischen Maschine (18) als Generator zur Stromerzeugung bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor (2). Ein Frischluftbypass (60) kann die Ausgangsseite des Verdichters (12) mit der Gaseingangsseite des Brenners (50) verbinden. Vorzugsweise ist ein Wärmetauscher (68) zwischen den Abgasen der Turbine (8) und der Frischluft im Frischluftbypass (60) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein Kraftfahrzeug dieser Art ist aus der DE 195 18 317 C2 bekannt. Eine Regelungselektronik steuert eine Leistungselektronik, welche über ein Bündel von elektrischen Leitungen mit einer elektrischen Maschine verbunden ist. Die Leistungselektronik ist über Leitungen mit einer Batterie als Energiespeicher verbunden. Die elektrische Maschine kann wahlweise als Elektromotor oder als Generator betrieben werden. Sie ist vorzugsweise eine mehrpolige Asynchronmaschine. Ferner ist es aus der EP 0 141 634 A2 bekannt, zwei Turbinen in Serie nacheinander anzuordnen, von welchen die in Strömungsrichtung der Abgase des Verbrennungsmotors erste Turbine mit einem Generator antriebsmäßig verbunden ist zur Stromerzeugung und von welchen die zweite Turbine einen Verdichter antreibt zum Verdichten von Frischluft für den als Fahrantrieb des Kraftfahrzeuges dienenden Verbrennungsmotor.

Die Erfindung betrifft die elektrische Energieerzeugung für die Versorgung des Bordnetzes und für die Versorgung der Verbraucher in einem Kraftfahrzeug bei abgestelltem Fahrantriebsmotor, welches normalerweise ein Verbrennungsmotor ist. Der Verbrennungsmotor kann ein Benzinmotor oder ein Dieselmotor sein.

Die Notwendigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie beim Stillstand des Verbrennungsmotors resultiert aus dem gestiegenen Umfang des Bordnetzes und den gestiegenen Anforderungen des Kunden. In modernen und gut ausgestatteten Kraftfahrzeugen existieren eine Reihe elektrischer Verbraucher, die in der Summe einen erheblichen Stromverbrauch verursachen: Beispielsweise eine Klimaanlage zur Klimatisierung des Kraftfahrzeuges während des Stillstandes; Computer- und Informationssysteme, Displays; Bordelektronik; Kühlschrank, insbesondere bei Luxusfahrzeugen und Lastkraftwagen. Beim Stillstand des Kraftfahrzeuges führt dies leicht zu einem Bedarf von ca. 3 bis 5 kW und damit zu einer sehr schnellen Entladung der Kraftfahrzeugbatterie, so dass bei entsprechend ausgestatteten Fahrzeugen mehrere Batterien mit entsprechend hoher Kapazität verwendet werden müssen. Dies führt zu höheren Kosten und zu erheblichem Mehrgewicht bei zeitlich begrenzter elektrischer Leistung.

Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten, elektrische Dauerleistung zur Verfügung zu stellen:

1. Man läßt den Verbrennungsmotor, welcher der Fahrantriebsmotor ist, laufen und lädt über den Generator die Batterien. Neben dem sehr schlechten Wirkungsgrad des im Stand laufenden Verbrennungsmotors (Schleppleistung allein des Motors übertrifft die erforderliche elektrische Leistung) und des mit geringer Drehzahl drehenden Generators wird eine solche Lösung vom Kunden schon psychologisch nicht akzeptiert (laufender Motor wird mit unnötigem Kraftstoffverbrauch gleichgesetzt).
2. Eine autarke Stromerzeugung wird in das Fahrzeug eingebaut, die mit Hilfe eines Antriebsaggregates und eines Generators eine elektrische Dauerleistung von ca. 3-5 kW zu Verfügung stellt.

Kleine Stromerzeugungseinheiten, basierend auf Verbrennungsmotoren (ICE = Internal Combustion Engine) oder Brennstoffzellen, würden zu erheblichen Problemen im Fahrzeug führen, von denen nur einige genannt werden:

- Die Anforderungen an Geräusch- und Vibrationsarmut können von kleinen ICE nicht erfüllt werden.
- Brennstoffzellen erfordern einen komplexen und voluminösen Reformer, um Wasserstoff aus Methanol oder konventionellen Kraftstoffen zu erzeugen.
- Stirlingmotoren haben nur geringe Leistungsdichten und führen zu schweren Aggregaten. Weiterhin sind sie aufgrund des Arbeitsgases Wasserstoff oder Helium nicht wartungsfrei.

Alle autarken Aggregate benötigen eine eigene

- Kraftstoffversorgung,
- Frischluftzufuhr und Abgasführung,
- Geräusch- und Vibrationsdämmung,
- Integration des Aggregates und der Leistungs- und Steuerelektronik in einem Modul.

Dies führt zu erheblichen Packaging-Problemen (im heutigen PKW ist kein Platz für eine zusätzliche Bordstromversorgung in einem eigenen Modul vorhanden), sowie einer erheblichen Erhöhung des Gewichtes und der Kosten. Diese Probleme sind unabhängig von der Tatsache, dass für einen Fahrzeugeinsatz geeignete Aggregate in der geforderten Leistungsklasse nach heutigem technischen Stand auf dem Markt nicht zur Verfügung stehen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lösung zur Umgehung dieser Probleme. Sie basiert auf der Möglichkeit, die vorhandene Infrastruktur moderner turboaufgeladener Motoren so zu nutzen, dass durch relativ geringe Modifikation die Motorinfrastruktur auch für eine Stromerzeugung im Stillstand des Verbrennungsmotors genutzt werden kann, und zwar mit zusätzlichen positiven Wechselwirkungen für den Fahrbetrieb wie beispielsweise zusätzliche Energie für den Fahrbetrieb und zusätzliche rekuperative Bremsleistung mit Stromrückgewinnung.

Demgemäß soll durch die Erfindung die Aufgabe gelöst werden, auf einfache und preiswerte Weise Strom auch während des Fahrzeugstillstandes bei abgestelltem Fahrantriebsmotor mit gutem Wirkungsgrad zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 geläst.

Demgemäß betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug enthaltend einen Fahrantriebsmotor in Form eines Verbrennungsmotors, einen Turbolader für den Verbrennungsmotor, wobei der Rotationsteil des Turboladers eine im Abgasweg des Verbrennungsmotors angeordnete und von dessen Abgasen antreibbare Turbine und einen mit der Turbine antriebsmäßig verbundenen Verdichter zur Verdichtung der Frischluft des Verbrennungsmotors in dessen Frischluftweg aufweist, eine elektrische Maschine, welche mit dem Rotationsteil des Turboladers antriebsmäßig verbunden ist und von einer elektronischen Steuereinrichtung alternativ als Elektromotor oder als Elektrogenerator betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner zum Verbrennen von Kraftstoff vorgesehen ist, mit dessen Abgasen die Turbine antreibbar ist, dass die Turbine im Abgasweg des Brenners liegt, und dass der Brenner bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor einschaltbar ist, um durch seine Abgase die Turbine und mit ihr die elektrische Maschine als Generator zur Stromerzeugung anzutreiben.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Das Prinzip der Erfindung läßt sich wie folgt beschreiben:

1. Als Basis für ein Fahrzeug mit einer Bordstromerzeugung bei Fahrzeugstillstand dient ein Turbomotor (Otto- oder Dieselmotor mit Turbolader).
2. Der Turbolader wird durch eine elektrische Maschine (Motor- Generator-Maschine) zu einem Turbogenerator erweitert. Die elektrische Maschine kann sowohl als Elektromotor die Welle des Turboladers antreiben als auch als Generator durch den Turbolader angetrieben werden. Durch diese Ergänzung wird aus dem konventionellen Turbolader ein elektrisch unterstützter Turbolader, der u. a. auch im Fahrbetrieb zur Erhöhung der Dynamik des Verbrennungsmotors genutzt werden kann. Die elektrische Maschine wird dabei vorzugsweise in den Turbolader integriert, wobei die Welle des Turboladers nach entsprechender Modifikation den Rotor der elektrischen Maschine bildet.
3. Der Turbogenerator ist mit einer Leistungselektronik zur Energiezufuhr und Spannungswandlung sowie einer Batterie als Pufferspeicher verknüpft.
4. In den Abgasweg des Verbrennungsmotors, z. B. in den Auslasskrümmer, wird eine Gaserzeugungseinheit, z. B. eine Brennkammer mit Kraftstoffeinspritzung, Zündung sowie Flammenkontrolle integriert, d. h. der Auslasskrümmer wird um eine Brennkammer mit den notwendigen Funktionen erweitert.
5. Das für den Antrieb des Turboladers notwendige heiße Abgas kann gemäß einer alternativen Lösung auch mit einem in den Abgasstrang integrierten katalytischen Porenbrenner als Gaserzeugungseinheit mit der erforderlichen Leistung erzeugt werden. Ein katalytischer Porenbrenner bietet für die Heißgaserzeugung eine Reihe von Vorteilen:
- - niedrige Emissionen;
- - extrem hohe Leistungsdichte;
- - hohe Leistungsmodulation (5%-100%);
- - Freiformbarkeit;
- - keine Ausbrandstrecke notwendig;
- - vielstofffähig.
Ein katalytischer Porenbrenner besteht ähnlich wie ein Katalysator aus einer Vielzahl von Poren, welche mit einem Katalysatormaterial beschichtet sind. Die Verbrennung eines Gasgemisches erfolgt nicht durch eine offene Flamme, sondern großflächig durch eine Art Glühen. Gemäß einer bekannten Ausführungsform eines Porenbrenners strömt ein brennbares Gasgemisch zunächst in ein feinporiges Medium des Porenbrenners, in welcher das Gasgemisch vorgewärmt wird (Vorwärmzone, Flammensperre), wo es auf Zündtemperatur gebracht wird. Danach strömt es durch ein grobporiges Medium (Verbrennungsgebiet), in welcher die Verbrennung stattfindet. Hierfür ist keine Fremdzündung erforderlich, sondern das auf Zündtemperatur erwärmte Gasgemisch wird in dem grobporigen Medium durch die Katalysatorwirkung selbstständig verbrannt. Die Verbrennung wird durch die Katalysatorwirkung in Gang gehalten.
6. Die Steuerung der Leistungselektronik erfolgt über ein Steuergerät, welches die Betriebsstrategie zur Steuerung der notwendigen Operationen wie Startvorgang, Kraftstoffeinspritzung, Zündung, Flammenkontrolle, und Leistungsregelung des Brenners und Messung des Ladezustandes der Batterie enthält. Die Funktionen dieses Steuergerätes können prinzipiell auch in die Fahrzeugsteuerung (VCU = Vehicle Control Unit) oder in das Motorsteuergerät (MCU = Motor Control Unit) integriert werden.
7. Ein Luftkanal wird integriert, vorzugsweise als ein Bypass, welcher die Verdichterseite mit der Gaserzeugungseinheit auf der Abgasseite verbindet. Über ein Sperrelement, z. B. eine Klappe, kann dieser Bypass während des normalen Betriebes des Verbrennungsmotors geschlossen bleiben.
8. Im Stromerzeugungs-Betrieb kann die Frischluft vor Eintritt in die Gaserzeugungseinheit über einen zusätzlichen Wärmetauscher durch die Abgasenergie der Anlage aufgeheizt werden. Diese Vorerhitzung der Verbrennungsluft führt zu einer erheblichen Einsparung an Kraftstoff und damit zu einer Wirkungsgrad-Steigerung.
9. Der Turbolader kann eine unabhängige elektrische Ölpumpe für die Schmierölversorgung haben, die vorzugsweise an den Ölsumpf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Die Ölpumpe ist dabei an einer geeigneten Stelle des Motorblockes an die Öl-Saugleitung angeschlossen. Das Öl fliesst nach dem Turbolader über das vorhandene Ölrücklaufrohr in die Ölwanne zurück.
10. Das Motoröl wird neben der Schmierung des Turboladers gleichzeitig zur Kühlung der in den Turbolader integrierten elektrischen Maschine verwendet. Die Abführung der Wärme erfolgt dabei auf 2 Arten: Durch Strahlungsverluste über die Ölwanne des Verbrennungsmotors, sowie über einen vor dem Turbolader in den Ölkanal integrierten, wasser- oder luftgekühlten Wärmetauscher.
11. Bei Notwendigkeit kann die in den Turbolader integrierte elektrische Maschine auch zusätzlich über den Wasserkreislauf des Verbrennungsmotors mit einer unabhängigen Wasserpumpe gekühlt werden. Der gesamte Verbrennungsmotor kann dabei durch seine Masse und Oberfläche als Kühler für die elektrische Maschine verwendet werden. Statt dessen, oder falls eine zusätzliche Kühlung notwendig sein sollte, kann durch die Steuereinrichtung der Fahrzeugkühler und gegebenenfalls auch dessen Lüfter zugeschaltet werden.

Die Funktion dieser nun in den Verbrennungsmotor integrierten Stromversorgung ist wie folgt:

1. Der Turbolader wird aus dem Stillstand durch die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine bis auf eine Drehzahl gebracht, bei der zwischen Verdichter und Turbine ein positives Druckgefälle aufgebaut wird. Der Fahrantriebsmotor ist abgeschaltet.
2. Nun wird der Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und darin gezündet, oder der katalytische Porenbrenner gezündet.
3. Beim Erreichen der Nenndrehzahl und -temperatur wird die elektrische Maschine auf generatorischen Betrieb umgeschaltet und erzeugt nun die geforderte elektrische Leistung.
4. Über die zugeführte Kraftstoffmenge (und bei VTG-Ladern über die Leitschaufelverstellung; VTG = Variable Turbine Geometrie) wird die Leistung des Turbogenerators kennfeldabhängig geregelt.
5. Eine eigene Schmierölpumpe versorgt die Lagerung des Turboladers unabhängig vom Verbrennungsmotor.
6. Eine eigene Wasserpumpe kühlt die elektrische Maschine über den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors.

Durch diese Anordnung und Integration ergeben sich folgende Vorteile:

- Der Platzbedarf bzw. die Packaging-Anforderungen sind erheblich geringer als bei allen anderen autarken Lösungen.
- Der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (E-ATL) kann sowohl für den Fahrbetrieb als auch im Stillstand des Verbrennungsmotors verwendet werden.
- Die bereits vorhandene Abgasführung des Verbrennungsmotors mitsamt katalytischer Abgasreinigung kann für die Erfindung verwendet werden.
- Geräusch- und Vibrationsdämmung sind durch die Motorlagerung der ICE und die Motorraumdämmung bereits erfüllt.
- Das System ist ebenso wartungsfrei wie ein konventioneller Lader.
- Für die Turbolader-Funktionen im Fahrbetrieb (Boost, Energierekuperation) wie im Motorstillstand (Stromerzeugung) kann dieselbe Infrastruktur (Leistungselektronik, Batterie) verwendet werden.
- Die Zusatzkosten sind der Bordstromerzeugung nur zum Teil zuzuordnen, weil die Mehrzahl der benötigten Komponenten (Turbolader, Leistungselektronik, Batterie, Luft- und Abgasführung) überwiegend im Motorbetrieb des Verbrennungsmotors verwendet werden. Nur Gaserzeugungseinheit und Bypass, gegebenenfalls mit Luftwärmetauscher fallen als echte Zusatzkomponenten an; die Regelung (Software) kann weitgehend in die vorhandenen Steuergeräte integriert werden.
- Im Vergleich zu Fahrzeugen, welche eine hohe Batteriekapazität mit sich führen müssen, um elektrische Leistung über einen längeren Zeitraum zur Verfügung zu stellen, kann die Batteriekapazität und damit das Gewicht erheblich verringert werden. Dies wirkt sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch im Fahrbetrieb aus.
- Bei schwacher, aber noch nicht leerer Batterie kann das Fahrzeug die Batterie selbstständig und autark wieder aufladen. Dies erhöht die Betriebssicherheit.

Weiterhin ergeben sich folgende nützliche Wechselwirkungen mit dem Verbrennungsmotor:

1. Ein erhebliches Problem ist die nach dem Abstellen der ICE von der heissen Abgasturbine in die Laderwelle strömende Wärme, die durch Überhitzung der Lager zur Ölkohlebildung und damit zu Lagerschäden führen kann. Dies kann dadurch verhindert werden, indem nach Abstellen des Verbrennungsmotors der Turbolader durch den Elektromotor weiter angetrieben und kühlere Luft vom Verdichter über den Bypass auf die Abgasturbine geleitet wird. Dadurch wird der Abgasturbine sehr schnell Wärme entzogen und sie auf ein erheblich niedrigeres Temperaturniveau abgekühlt. So kann gleichzeitig mit der Ölkühlung der Laderwelle durch die Schmierung die Überhitzung der Laderwelle effektiv verhindert werden.
2. Bei schnellen Laständerungen von hoher auf niedrige Last besteht die Gefahr einer Überschreitung der Pumpgrenze des Verdichters, weil bei einer gegebenen Verdichterdrehzahl der Volumenstrom (durch Schließen der Drosselklappe und/oder durch schnelles Absinken der Motordrehzahl) stark zurückgeht, was zu einem Druckanstieg vor dem Verdichter und damit einem Überschreiten der Pumpgrenze führt. Das dabei auftretende Pumpen des Verdichters (Verdichterpumpen, Strömungsabriss im Laufrad) führt zu sehr hohen mechanischen Belastungen des Verdichter-Laufrades. Dies kann mit vorliegender Anordnung sehr einfach verhindert werden, indem bei plötzlicher Laständerung die Drosselklappe im Bypass kurzzeitig geöffnet wird. Der dabei über die Abgasturbine abströmende Volumenstrom stabilisiert den Verdichter und verhindert das Überschreiten der Pumpgrenze. Ein Umluftventil zum Druckabbau, wie bei Ottomotoren üblich, wird dadurch überflüssig. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein solches integriertes System einem eigenständigen Energieerzeugungsmodul in den folgenden drei Hauptmerkmalen immer überlegen sein wird:
- - Packaging;
- - Gewicht;
- - Kosten.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 schematisch einen Teil eines Kraftfahrzeuges nach der Erfindung mit einer integrierten Einrichtung zur Bordstromerzeugung,

Fig. 2 ein Schema einer vereinfachten Ausführungsform des Kraftfahrzeuges von Fig. 1.

Fig. 3 eine Änderungsmöglichkeit der Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2.

In den Fig. 1, 2 und 3 sind einander entsprechende oder identische Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Der Unterschied in den beiden Fig. 1 und 2 besteht lediglich darin, dass in Fig. 1 ein Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher in Fig. 2 nicht vorhanden ist, und welcher in Fig. 3 nicht gezeigt ist, aber ebenfalls vorhanden sein kann.

Das Kraftfahrzeug enthält einen Fahrantriebsmotor 2 in Form eines Verbrennungsmotors, einen Turbolader 4 für den Verbrennungsmotor 2, wobei der Rotationsteil des Turboladers eine im Abgasweg 6 des Verbrennungsmotors 2 angeordnete und von dessen Abgasen antreibbare Turbine 8 und einen mit der Turbine 8 antriebsmäßig, z. B. durch eine Turboladerwelle 10, verbundenen Verdichter 12 zur Verdichtung der Frischluft des Verbrennungsmotors 2 in dessen Frischluftweg 16 aufweist. Der Verdichter 4 hat saugseitig einen Verdichtereinlaß 13, an welchen eine Frischluftleitung 15 angeschlossen sein kann, und druckseitig einen Verdichterauslaß 17.

Eine elektrische Maschine 18 ist mit der Turboladerwelle 10 antriebsmäßig verbunden und von einer elektronischen Steuereinrichtung 20, 22 alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbar.

Die elektronische, vorzugsweise computerunterstützte Steuereinrichtung 10, 22 besteht aus einer Steuereinheit 20 (Vehicle Control Unit = VCU) und aus einer mit dieser steuerungsmäßig über elektrische Leitungen 24 verbundenen Leistungselektronik 22. Die Leistungselektronik 22 ist über elektrische Leitungen 23 mit der elektrischen Maschine 18 und über weitere elektrische Leitungen 25 mit einem Stromspeicher, beispielsweise einer Batterie 26, elektrisch verbunden. Die elektrische Maschine 18 liefert als Generator Strom in die Batterie 26 und erhält von der Batterie 26 Strom, wenn sie als Elektromotor betrieben wird. Die Batteriespannung beträgt vorzugsweise 100 V oder mehr, beispielsweise 250 V. Die elektrische Maschine 18 ist vorzugsweise eine mehrphasige Wechselstrommaschine.

Die elektrische Maschine 18 hat einen von der Turboladerwelle 10 antreibbaren, vorzugsweise auf ihr sitzenden, Rotor 18-1 und einen Stator 18-2.

Der Verbrennungsmotor 2 wird über elektrische Leitungen 28 von der Steuereinheit 20 gesteuert und/oder geregelt.

Eine weitere elektrische Maschine 30, welche als Generator, als Elektromotor und/oder Stator für den Verbrennungsmotor 2 dienen kann, ist mit dem Verbrennungsmotor 2 antriebsmäßig verbunden, beispielsweise mit dessen Kurbelwelle 32. Die weitere elektrische Maschine 30 ist über einen Wechselstrom/Gleichstrom-Konverter 34 und elektrische Leitungen 36 ebenfalls an den Stromspeicher 26 angeschlossen, jedoch vorzugsweise nicht direkt, sondern wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, über die Leistungselektronik 22. Der Konverter 34 kann über elektrische Leitungen 38 von der Steuereinheit 20 gesteuert oder geregelt werden.

Der Verbrennungsmotor 2 ist vorzugsweise durch Kühlwasser gekühlt, welches von einer vom Verbrennungsmotor 2 angetriebenen Kühlwasserpumpe 40 durch den Motorblock und einen Kühler 42 gefördert wird. Zur Belüftung des Kühlers 42 ist ein vom Verbrennungsmotor 2 antreibbarer Lüfter 44 vorgesehen.

Gemäß der Erfindung ist eine Gaserzeugungseinheit, vorzugsweise ein Brenner 50 zum Verbrennen von Kraftstoff vorgesehen, mit deren Gas bzw. dessen Abgasen die Turbine 8 antreibbar ist, wobei die Turbine 8 im Abgasweg der Gaserzeugungseinheit, z. B. des Brenners 50 liegt und die Gaserzeugungseinheit bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 2 einschaltbar ist, um durch ihre Abgase die Turbine 8 und damit auch die elektrische Maschine 10 als Generator zur Stromerzeugung anzutreiben. Es wird hier immer nur "ein" Brenner 50 beschrieben, dieser Begriff soll jedoch auch eine oder mehrere beliebige Gaserzeugungseinheiten, z. B. mehrere Brenner umfassen, die gleichzeitig vorgesehen sein können. Die Gaserzeugungseinheit bzw. der Brenner 50 ist über elektrische Leitungen 46 mit der Steuereinheit 20 verbunden und steuerbar und/oder regelbar.

Zur Vereinfachung wird im folgenden der Brenner 50 stellvertretend auch für andere Gaserzeugungseinheiten beschrieben.

Der Brenner 50 kann getrennt vom Abgasweg 6 des Verbrennungsmotors 2 angeordnet sein. Sein Gasauslass 63 für seine Verbrennungsgase kann entweder in den Abgasweg 6 des Verbrennungsmotors 2 stromaufwärts der Turbine 8 münden oder getrennt von diesem Abgasweg 6 in die Eingangsseite der Turbine 8 münden. Eine Ausführungsform, bei welcher der Brenner 50 nicht seriell im Abgasweg 6 angeordnet ist, sondern parallel zu diesem, ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.

Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 ist der Brenner 50 im Abgasweg 6 des Verbrennungsmotors 2 stromaufwärts der Turbine 8 angeordnet und damit in Serie zum Verbrennungsmotor 2 geschaltet.

Demgemäß liegt bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 eine Brennkammer 52 des Brenners 50 im Abgasweg 6 des Verbrennungsmotors 2, beispielsweise in dessen Auslasskrümmer. Die Brennkammer 52 hat einen Gaseinlaß 62 und den Gasauslaß 63. Es können verschiedene Arten von Brennern 50 verwendet werden. Beispielsweise kann es ein Brenner 50 sein, dessen Brennkammer 52 mindestens eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 54 und eine Zündeinrichtung 56, vorzugsweise mit einer Flammkontrolleinrichtung, enthält zum Einspritzen und Verbrennen von füssigem oder gasförmigem Kraftstoff bzw. einem Kraftstoffgemisch, vorzugsweise dem gleichen Kraftstoff, welcher auch dem Verbrennungsmotor 2 zuführbar ist, und Luft.

Gemäß einer anderen Art eines Brenners 50 kann dieser ein sog. katalytischer Porenbrenner sein, welchem Kraftstoff in flüssiger oder vorzugsweise gasförmiger Form (z. B. zerstäubter flüssiger Kraftstoff angereichert mit Sauerstoff) in eine Vorwärmzone zugeführbar ist, um dort auf Zündtemperatur gebracht zu werden, und dann in ein Verbrennungsgebiet des Brenners gelangt, wo die Verbrennung unter katalytischer Wirkung stattfindet.

Vorzugsweise ist stromabwärts des Verdichters 12 ein Frischluftbypass 60 vorgesehen, welcher die Ausgangsseite des Verdichters 12 (parallel zum Verbrennungsmotor 2) mit der Gaseingangsseite des Brenners 50 verbindet entweder direkt mit dessen Gaseingang 62 oder entsprechend den Fig. 1 und 2 über einen Abschnitt des Abgasweges 6. Der Frischluftbypass 60 ist mit einem Absperrelement 64 versehen, beispielsweise einem steuerbaren Ventil oder einer steuerbaren Drossel. Durch das Absperrelement 64 ist der Frischluftbypass 60 für den "normalem Betrieb" des Verbrennungsmotors 2 teilweise oder vorzugsweise vollständig schließbar und für den Betrieb des Brenners (50) bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 2 (oder in Sondersituationen vorzugsweise auch bei eingeschaltetem Verbrennungsmotor 2) aufmachbar für die Zufuhr von verdichteter Frischluft vom Verdichter 12 in die Brennkammer 52 des Brenners 50. Ein nicht "normaler Betrieb", sondern Sonderbetrieb des Verbrennungsmotors 2 kann beispielsweise darin bestehen, dass zur Erzeugung einer besonders hohen Leistung des Turboladers 4 und/oder dessen elektrischen Maschine 18 die Turbine 8 sowohl von den Abgasen des Brenners 50 als auch von den Abgasen des Verbrennungsmotors 2 angetrieben wird. Eine solche Sondersituation kann beispielsweise sein, wenn vom Verbrennungsmotor 2 eine besonders hohe Fahrzeugs-Antriebsleistung gefordert wird. In einem solchen Fall kann der Verdichter 12 zusätzlich auch (oder alternativ) von der elektrischen Maschine 18 angetrieben werden, indem diese als Elektromotor betrieben wird.

Je heißer die Abgase sind, desto mehr expandieren sie und desto schneller kann die Turbine 8 angetrieben werden.

Zur bestmöglichen Ausnutzung von Abgaswärme ist vorzugsweise mindestens ein Wärmetauscher 68 vorgesehen, in welchem die Frischluft, welche dem Brenner 50 zugeführt wird, von den Abgasen vorgewärmt werden, welche von der Turbine 8 abströmen. Die Abgase werden der Turbine 8 über einen Turbineneingang 70 zugeleitet und über einen Turbinenausgang 72 abgeleitet. Der Turbinenausgang 72 ist über eine Abgasleitung 74 (Teil des Abgasweges 6) mit einem Eingang 76 des Wärmetauschers 68 verbunden, so dass die aus der Turbine 8 austretenden Abgase einen Warmteil 78 des Wärmetauschers 68 durchströmen, dabei vom Verdichter 12 komprimierte Frischluft in einem Kaltteil 80 des Frischluftbypasses 60 erwärmen, welcher sich durch den Wärmetauscher 68 erstreckt, und dann über einen Wärmetauscherauslass 82 durch eine Abgasleitung 84 abströmen, welche vorzugsweise einen Katalysator (nicht gezeigt) enthält.

Gemäß den Fig. 1 und 2 wird der Turbolader durch Öl aus einem Ölsumpf 86 des Verbrennungsmotors 2 geschmiert. Hierzu ist vorzugsweise eine vom Verbrennungsmotor 2 unabhängige und damit auch bei dessen Abschaltung wirksame elektrische Ölpumpe 88 vorgesehen, welche den Turbolader 4 aus dem Ölsumpf 86 des Verbrennungsmotors 2 mit Öl versorgt. Das Öl hat zusätzlich zur Schmierwirkung auch eine Kühlwirkung zur Kühlung des Turboladers.

Zusätzlich oder alternativ hierzu kann der Turbolader, insbesondere die vorzugsweise in ihn integrierte, elektrische Maschine 18 vom Kühlwasser des Verbrennungsmotors 2 gekühlt werden. Hierfür ist eine, vorzugsweise vom Verbrennungsmotor 2 unabhängig betreibbare, elektrische Kühlwasserpumpe 90 vorgesehen, welche das Kühlwasser des Verbrennungsmotors 2 durch Kühlkanäle der elektrischen Maschine 18 und durch den Verbrennungsmotor 2 hindurch (Kühlkanäle im Motorblock des Verbrennungsmotors) rezirkuliert. Diese elektrische Kühlwasserpumpe 90 befindet sich somit in einem zusätzlichen Kühlwasserkreislauf 92, welcher zur Kühlung der elektrischen Maschine 18 (und/oder des Turboladers 4) ausgebildet ist und dem Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors 2 Kühlwasser entnimmt und wieder zurückführt. Die Rezirkulation des Kühlwassers im zusätzlichen Kühlwasserkreislauf 92 kann entsprechend den Zeichnungen durch die Kühlkanäle des Verbrennungsmotors 2 hindurch erfolgen und dadurch gekühlt werden. Gemäß anderen Ausführungsformen kann der zusätzliche Kühlwasserkreislauf den Kühler 42 enthalten, wie dies durch gestrichelt gezeichnete Pumpen 40-1 und 90-1 gezeichnet ist, oder sowohl den Kühler 42 und den Verbrennungsmotor 2. In beiden Fällen kann der Lüfter 44 eingeschaltet oder ausgeschaltet sein.

Die elektronische Steuereinrichtung 20, 22 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass automatisch folgende Verfahrensschritte ausführbar sind:

1. Anfahren des Turboladers 4 aus dem Stillstand durch die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine 18 bis auf eine Drehzahl, bei welcher auf dem Frischluftweg 60 zwischen dem Verdichter 12 und der Turbine 8 ein positives Druckgefälle aufgebaut wird;
2. Bei diesem positiven Druckgefälle Zünden des Brenners 50;
3. danach beim Erreichen einer vorbestimmten Nenndrehzahl des Turboladers 4 Umschalten der elektrischen Maschine 18 von Motorbetrieb auf Generatorbetrieb zur Erzeugung der geforderten elektrischen Leistung.

Hierbei kann vorgesehen werden, dass das Umschalten auf Generatorbetrieb erst erfolgt, wenn außer der vorbestimmten Nenndrehzahl des Turboladers 4 auch eine vorbestimmte Nenntemperatur der Gase des Brenners 50 erreicht ist.

Ferner kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass bei abgestelltem Verbrennungsmotor 2 die elektrische Maschine 18 als Elektromotor betreibbar ist zum Antrieb des Verdichters 12, so dass dieser Frischluft durch den Frischluftbypass zur Turbine 8 fördert, um diese kühlen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht ferner darin, dass die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass, in Abhängigkeit von Laständerungen am Verdichter 12, bei plötzlicher Laständerung das Verschlußelement 64 im Frischluftbypass 60 kurzfristig geöffnet wird zur Stabilisierung der Strömungssituation im Verdichter 12 und damit zur Verhinderung, dass eine vorbestimmte Pumpgrenze des Verdichters 12 überschritten wird.

Claims

1. Kraftfahrzeug enthaltend einen Fahrantriebsmotor in Form eines Verbrennungsmotors (2), einen Turbolader (4) für den Verbrennungsmotor (2), wobei der Rotationsteil (8, 10, 12) des Turboladers (4) eine im Abgasweg (6) des Verbrennungsmotors (2) angeordnete und von dessen Abgasen antreibbare Turbine (8) und einen mit der Turbine (8) antriebsmäßig verbundenen Verdichter (12) zur Verdichtung der Frischluft des Verbrennungsmotors (2) in dessen Frischluftweg (16) aufweist, eine elektrische Maschine (18), welche mit dem Rotationsteil (8, 10, 12) des Turboladers (4) antriebsmäßig verbunden ist und von einer elektronischen Steuereinrichtung (20, 22) alternativ als Elektromotor oder als Elektrogenerator betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaserzeugungseinheit (50) vorgesehen ist, mit deren Abgas die Turbine(8) antreibbar ist, dass die Turbine im Abgasweg der Gaserzeugungseinheit (50) liegt, und dass die Gaserzeugungseinheit (50) bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor (2) einschaltbar ist, um durch ihre Abgase die Turbine (8) und mit ihr die elektrische Maschine (18) als Generator zur Stromerzeugung anzutreiben.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaserzeugungseinheit (50) ein Brenner ist.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaserzeugungseinheit (50) im Abgasweg (6) des Verbrennungsmotors (2) liegt.

4. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaserzeugungseinheit (50) eine Brennkammer (52) aufweist, die mit einer Kraftstoffeinlassvorrichtung (54) und einer Zündvorrichtung (56) versehen ist.

5. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaserzeugungseinheit (50) ein katalytischer Porenbrenner ist.

6. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frischluftbypass (60) vorgesehen ist, welcher die Ausgangsseite des Verdichters (12) mit einer Gaseingangsseite der Gaserzeugungseinheit (50) verbindet, und dass der Frischluftbypass (60) mit einem Absperrelement (64) versehen ist, durch welches der Frischluftbypass für den normalen Betrieb des Verbrennungsmotors (2) schließbar und für den Betrieb der Gaserzeugungseinheit (50) aufmachbar ist.

7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (64) eine Drosselklappe ist.

8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (68) zum Wärmetausch zwischen den Abgasen einer Abgasleitung (74) auf der Ausgangsseite der Turbine (8) und der Frischluft des Frischluftbypasses (60) an einer zwischen dessen Absperrelement (64) und der Gaserzeugungseinheit (50) gelegenen Stelle vorgesehen ist.

9. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (4) über eine vom Verbrennungsmotor (2) unabhängige elektrische Ölpumpe (88) an einen Ölsumpf (86) des Verbrennungsmotors (2) angeschlossen ist, durch welche der Turbolader (4) mit Schmieröl versorgbar ist auch wenn der Verbrennungsmotor (2) abgeschaltet ist.

10. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) einen Kühlwasserkreislauf (40, 42) hat, dass ein weiterer Kühlwasserkreislauf zum Kühlen der elektrischen Maschine (18) vorgesehen ist, welcher eine vom Betrieb des Verbrennungsmotors (2) unabhängige elektrische Kühlwasserpumpe (90; 90-1) enthält, dass ein Kreislaufabschnitt des weiteren Kühlwasserkreislaufes durch einen Kreislaufabschnitt (2; 42) des Verbrennungsmotor-Kühlwasserkreislaufes gebildet ist, welcher zur Wärmeabfuhr ausgebildet ist.

11. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (18) über eine Leistungselektronik (22) mit einem Stromspeicher (26) verbunden ist.

12. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20, 22) so ausgebildet ist, dass zur Stromerzeugung bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor folgende Verfahrensschritte automatisch ausführbar sind:

1. Anfahren des Turboladers (4) aus dem Stillstand durch die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine (18) bis auf eine Drehzahl, bei welcher auf dem Frischluftweg (60) zwischen dem Verdichter (12) und der Turbine (8) ein positives Druckgefälle aufgebaut wird;

2. dann bei diesem positiven Druckgefälle Einschalten der Gaserzeugungseinheit (50);

3. danach beim Erreichen einer vorbestimmte Nenndrehzahl des Turboladers (4) Umschalten der elektrischen Maschine (18) von Motorbetrieb auf Generatorbetrieb zur Erzeugung der geforderten elektrischen Leistung.

13. Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten der elektrischen Maschine (18) von Motorbetrieb auf Generatorbetrieb erst erfolgt, wenn außer der vorbestimmten Nenndrehzahl des Turboladers (4) auch eine vorbestimmte Nenntemperatur der Gase der Gaserzeugungseinheit (50) und ein vorbestimmter Nenndruck vor der Turbine (8) erreicht ist.

14. Kraftfahrzeug nach Anspruch 12 oder 13 in Kombination mit einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20, 22) derart ausgebildet ist, dass bei abgestelltem Verbrennungsmotor (2) die elektrische Maschine (18) als Elektromotor betreibbar ist zum Antrieb des Verdichters (12), so dass er Frischluft durch den Frischluftbypass (60) zur Turbine (8) fördert, um diese kühlen.

15. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 14 in Kombination mit einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20, 22) derart ausgebildet ist, dass, in Abhängigkeit von Laständerungen am Verdichter (12), bei plötzlicher Laständerung das Verschlußelement (64) im Frischluftbypass (60) kurzfristig geöffnet wird zur Stabilisierung der Strömungssituation im Verdichter (12) und damit zur Verhinderung, dass eine vorbestimmte Pumpgrenze des Verdichters (12) überschritten wird.