DE102006034825A1 - Vorrichtung zur Energieumsetzung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Energieumsetzung angegeben, bei der eine mit einer elektrischen Maschine in Verbindung stehende Abgasturbine eines Turboladers dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine ausgesetzt wird und die vom Abgasstrom aufgenommene kinetische Energie der Abgasturbine mit Hilfe der elektrischen Maschine in elektrische Energie umgewandelt wird. Vorzugsweise wird die Vorrichtung bzw. das Verfahren in Verbindung mit einem Hybridfahrzeug zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Fahrzeugs eingesetzt.

Description

  • Vorrichtung zur Energieumsetzung
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Energieumsetzung nach der Gattung des Hauptanspruchs und betrifft insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, insbesondere einem Abgasturbolader bzw. einer Abgasturbine, der bzw. die dazu benutzt wird, kinetische Energie bzw. thermische Energie im Abgas der Brennkraftmaschine in elektrische Energie umzuwandeln.
  • Bei der Energieumsetzung oder Energiewandlung soll diese in allen technischen Bereichen mit möglichst optimalem Wirkungsgrad erfolgen. Dies gilt auch für Kraftfahrzeuge, bei denen unter anderem auch kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden soll. Besonders bei Hybridfahrzeugen, also Fahrzeugen, die sowohl mit Hilfe einer Brennkraftmaschine als auch mit Hilfe einer elektrischen Maschine antreibbar sind, spielt die Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Energieumsetzung bzw. Energiewandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt eine große Rolle.
  • Üblicherweise wird in solchen Hybridfahrzeugen die elektrische Energie mit Hilfe einer elektrischen Maschine gewonnen, die als Generator betrieben wird, der entweder über den Verbrennungsmotor bzw. die Brennkraftmaschine angetrieben wird, oder die kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen in elektrische Energie umsetzt.
  • Aus der DE 41 02 882 A1 sind verschiedene Möglichkeiten zum Betrieb von Hybridfahrzeugen bekannt. Dabei wird zur Energiewandlung bzw. zur Energieumsetzung ein Schwungmassenenergiespeicher eingesetzt, beispielsweise ein Schwungrad, das in sich schnell drehendem Zustand einen hohen Energieinhalt aufweist, der beim Abbremsen des Schwungrades mit Hilfe einer elektrischen Maschine in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Mit der erhaltenen elektrischen Energie können Verbraucher betrieben werden, oder die Fahrzeugbatterie geladen werden. Durch geeignete Ansteuerung des Schwungmassenenergiespeichers können kurzzeitig auftretende elektrische Spitzenbelastungen im Fahrzeugbordnetz in ihrer Wirkung kompensiert werden.
  • Es sind auch bereits Kraftfahrzeuge im Einsatz, die einen elektrisch angetriebenen Turbolader aufweisen, der im Abgaskanal des Motors bzw. der das Fahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine angeordnet ist. In der DE 102 29 133 A1 wird ein solches System mit einem Abgasturbolader beschrieben, bei dem eine Verbindung zwischen Verdichterteil des Abgasturboladers und einem elektrischen Zusatzantrieb besteht. Der elektrische Zusatzantrieb, der eine elektrische Maschine umfasst, wird im Bedarfsfall, z.B. innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs zugeschaltet., wobei weitere Mittel, beispielsweise eine Kupplung zum Einsatz kommen. Mit einer solchen Anordnung aus Abgasturbolader und elektrischer Maschine zum zusätzlichen Antrieb des Turboladers kann die Leistung der Brennkraftmaschine gesteigert werden, die Verwendung der elektrischen Maschine zur Rückgewinnung von Energie aus der kinetischen Energie des Turboladers ist nicht vorgesehen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieumsetzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad bei der Energieumsetzung, bzw. bei der Energiewandlung verbessert wird. Erzielt wird dieser Vorteil, indem bei einer Brennkraftmaschine im Abgastrakt eine Abgasturbine eingebaut wird, die mit einer elektrischen Maschine in Verbindung steht und insbesondere Bestandteil eines Turboladers ist. Bei geeigneter Ansteuerung arbeitet die elektrische Maschine als Generator, der von der Abgasturbine angetrieben wird und dabei kinetische Energie bzw. zusätzliche Energie aus dem Abgas zurückgewinnt und in elektrische Energie umwandelt, mit deren Hilfe Verbraucher gespeist bzw. betrieben werden können, oder die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden kann. Durch die Ausnutzung der im Abgas vorhandenen Restenergie wird so der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs in besonders vorteilhafter Weise verbessert.
  • Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die Erfindung in einem Hybridfahrzeug eingesetzt wird und so den Wirkungsgrad des Hybridfahrzeuges mit Verbrennungsmotor bzw. Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine verbessert.
  • Bei einem Fahrzeug, das ohnehin einen Turbolader bzw. eine Abgasturbine aufweist bzw. benötigt, kann in besonders vorteilhafter Weise anstelle des Generators eine elektrische Maschine eingesetzt werden, die sowohl in generatorischem Betrieb elektrische Energie erzeugen kann, als auch im motorischen Betrieb die Abgasturbine bzw. den Turbolader oder Verdichter antreiben kann. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich, im motorischen Betrieb bei Lastwechsel das so genannte Turboloch zu vermeiden und die Verdichtung mittels geeigneter Ansteuerung der elektrischen Maschine zu optimieren. Es ist dabei auch möglich, dass bei Lastsprüngen der Ladedruck schneller aufgebaut wird.
  • Die Abgasturbine kann besonders vorteilhaft so ausgelegt werden, dass die maximal verfügbare Energie aus dem Abgas entnommen wird und außerdem das Ansprechverhalten des Turboladers verbessert wird. Durch eine vorteilhafte Regelung der elektrischen Maschine kann die Maximaldrehzahl des Turboladers begrenzt werden und damit die Abgasklappe ersetzt werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Lösung möglich, bei der die Turbine des Turboladers mit einem Generator und der Verdichter des Turboladers mit einem Elektromotor verbunden sind, so dass einerseits über die Drehzahl des Verdichters der Ladedruck einstellbar ist und unabhängig von dieser Einstellung die Drehzahl der Abgasturbine einstellbar ist. Durch diese getrennte Einstellbarkeit der beiden Komponenten kann ein optimaler Arbeitspunkt des Gesamtsystems eingestellt werden. Bei getrennter Ausführung des Gesamtsystems kann die Flexibilität bei den Einbauraumanforderungen erhöht werden.
  • Spezielle vorteilhafte Ansteuer- bzw. Regelverfahren lassen weitere Optimierungen des Gesamtsystems zu.
  • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    •
  • Beschreibung
  • In 1 sind die erfindungswesentlichen Komponenten eines Fahrzeugs dargestellt. Im Einzelnen handelt es sich um einen Turbolader 10, der in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs angeordnet ist und wenigstens eine Abgasturbine 10a umfasst und über eine Welle 11 mit einer elektrischen Maschine 12 in Verbindung steht. Die elektrische Maschine 12 wird entweder vom Turbolader 10 bzw. der Abgasturbine 10a angetrieben und arbeitet dann als Generator oder sie treibt den Turbolader 10 bzw. die Abgasturbine 10a an. Dazu steht die elektrische Maschine 12 über einen Wechselrichter 13 mit einem Energiespeicher 14 in Verbindung. Der Wechselrichter umfasst in üblicher Weise eine Anzahl von ansteuerbaren Wechselrichterelementen, beispielsweise MOSFETs, die beispielsweise von einer Steuereinrichtung 16 angesteuert werden. Die Ansteuerung ist dabei so einstellbar, dass die elektrische Maschine 12 als Generator oder als Motor betrieben werden kann.
  • Der Fahrantrieb ist mit 15 bezeichnet und steht sowohl mit dem Wechselrichter 13 als auch mit dem Energiespeicher 14 in Verbindung. Der Fahrantrieb ist beispielsweise ein geeigneter Elektromotor, der mit der nicht dargestellten Brennkraftmaschine zusammenarbeiten kann.
  • Mit der in der 1 dargestellten Anordnung ist der Turbolader 10 bzw. eine zugehörige Abgasturbine 10a dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine ausgesetzt. Die Abgasturbine 10a wird einerseits bei bestimmten Betriebsbedingungen von der zugeordneten elektrischen Maschinen auf hohe Drehzahl gebracht und ist andererseits dem Abgasstrom ausgesetzt, wobei die im Abgas vorhandene Restenergie dabei im erfindungsgemäßen Sinn die Abgasturbine antreibt. Durch Abbremsen der Abgasturbine 10a mit Hilfe der elektrischen Maschine 12, die dabei im generatorischen Betrieb arbeitet, kann elektrische Energie gewonnen werden, die über den Wechselrichter 13 in den Energiespeicher 14 eingespeichert wird oder direkt zur Versorgung von Verbrauchern herangezogen wird. Durch die Ausnützung der Restenergie, die im Abgas enthalten ist und Umwandlung der kinetischen Energie der Abgasturbine 10a, kann der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs verbessert werden.
  • Bei einem Fahrzeug, das ohnehin einen Turbolader aufweist, kann dieser zur Rückgewinnung der im Abgas vorhandenen Restenergie eingesetzt werden. Dann ist es möglich, anstelle des Generators eine elektrische Maschine einzusetzen, die sowohl elektrische Energie erzeugen wie auch den Verdichter bzw. Turbolader antreiben kann. Damit ist es auch möglich, bei Lastwechseln das sogenannte Turboloch zu vermeiden. Dabei lässt sich die Abgasturbine dann auch so auslegen, dass die maximal verfügbare Energie aus dem Abgas entnommen wird, wobei der Kompromiss bezüglich des Ansprechverhaltens des Turboladers vermieden wird. Zusätzlich kann durch eine entsprechende Regelung der elektrischen Maschine die Maximaldrehzahl des Turboladers begrenzt werden. Damit kann die ansonsten bei Fahrzeugen mit Turbolader benötigte Abgasklappe ersetzt werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbine mit einem Generator verbunden und der Verdichter mit einem Elektromotor. Mit einer derartigen Ausgestaltung mit zwei elektrischen Maschinen ist es möglich, dass der Ladedruck, der von der Drehzahl des Verdichters abhängt und die Drehzahl der Abgasturbine unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dadurch lässt sich ggf. ein optimaler Arbeitspunkt einstellen. Außerdem wird die Flexibilität bei den Einbauraumanforderungen im Fahrzeug erhöht.
  • Mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen lassen sich verschiedene Verfahren zur Energieumsetzung bei einer dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine ausgesetzten Abgasturbine, die mit einer elektrischen Maschine zusammen wirkt, realisieren. Diese Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die elektrische Maschine bei vorgebbaren Bedingungen als Generator arbeitet und die von der Abgasturbine 10a gelieferte bzw. in ihr enthaltene kinetische Energie, in elektrische Energie umwandelt. Damit kann auch die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Restenergie noch in elektrische Energie gewandelt werden.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Energieumsetzung mit einer dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine ausgesetzten Abgasturbine (10a), die mit einer elektrischen Maschine (12) zusammen wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (15) vorhanden sind, die einen Betrieb der elektrische Maschine (12) bei vorgebbaren Bedingungen als Generator ermöglichen, wobei die kinetische Energie der Abgasturbine (10a) in elektrische Energie umgewandelt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (10a) Bestandteil eines Turboladers (10) ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) über einen Wechselrichter (13) mit einem Energiespeicher (14) in Verbindung steht.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrantrieb (15) mit dem Wechselrichter (13) und dem Energiespeicher (14) in Verbindung steht.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (13) ein steuerbarer Wechselrichter ist und die Ansteuerung des Wechselrichters insbesondere mittels einer Steuereinrichtung (16) so erfolgt, dass die mit ihm verbundene elektrische Maschine (12) als Motor oder als Generator betreibbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (10a) mit einer elektrischen Maschine (12), die als Generator arbeitet, in Verbindung steht und der Verdichter mit einer elektrischen Maschine (12), die als Elektromotor betrieben wird, verbunden ist.
  7. Verfahren zur Energieumsetzung mit einer dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine ausgesetzten Abgasturbine (10a), die mit einer elektrischen Maschine (12) zusammen wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) bei vorgebbaren Bedingungen als Generator arbeitet und die von der Abgasturbine gelieferte kinetische Energie, die der im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Restenergie entspricht, in elektrische Energie umwandelt
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) so geregelt wird, dass eine Maximaldrehzahl des Turboladers (10) oder der Abgasturbine (10a) nicht überschritten wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Lastwechseln der Brennkraftmaschine die elektrische Maschine (12) so angesteuert wird, dass ein Drehzahleinbruch des Turboladers vermieden wird und/oder dass bei Lastsprüngen der Ladedruck schneller aufgebaut wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Abgasturbine verbundene Generator und der mit dem Verdichter verbundene Elektromotor jeweils so angesteuert wird, dass die Drehzahl des Verdichters und die Drehzahl der Abgasturbine unabhängig voneinander einstellbar sind.
  11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Hybridfahrzeug mit wenigstens einer Brennkraftmaschine und wenigstens einer elektrischen Maschine (12) zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der kinetischen Energie der Abgasturbine.
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