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Die
Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung, insbesondere in oder
für ein Kraftfahrzeug, sowie eine turboaufladbare Brennkraftmaschine
mit einer solchen Turboladeranordnung.
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Bei
herkömmlichen, nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen (Otto-
oder Dieselmotor) wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im
Ansaugtrakt erzeugt, der mit wachsender Drehzahl ansteigt und der
die theoretisch erreichbare Leistung des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit,
dem entgegenzuwirken und damit eine Leistungssteigerung zu erzielen, ist
die Verwendung eines Abgasturboladers (ATL). Ein Abgasturbolader
oder kurz Turbolader ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine,
mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten
Ladeluftdruck beaufschlagt werden.
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Der
detaillierte Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Turboladers
ist vielfach bekannt und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert.
Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom (Abströmpfad),
die typischerweise über eine gemeinsame Welle mit einem
Verdichter im Ansaugtrakt mechanisch starr verbunden ist. Die Turbine
wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so
den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt
(Anströmpfad) des Motors, sodass durch diese Verdichtung
während des Ansaugtaktes eine größere
Menge Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelangt als bei
einem herkömmlichen Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff
zur Verbrennung zur Verfügung. Dadurch steigen der Mitteldruck
des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe signifikant
erhöht. Das Zuführen einer größeren
Menge an Frischluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt
man Aufladen. Die Energie für die Aufladung wird durch die
Abgasturbine den schnell strömenden, heißen Abgasen
entnommen. Diese Energie, die sonst durch das Abgassystem verloren
ginge, wird zur Verringerung der Ansaug verluste benutzt. Durch diese Art
der Aufladung steigt der Gesamtwirkungsgrad einer turboaufgeladenen
Brennkraftmaschine.
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An
die Betriebsweise von mit Turboladern ausgestatteten Antriebseinheiten
werden die gleichen hohen Anforderungen wie an leistungsgleiche herkömmliche
Brennkraftmaschinen gestellt. Dies führt dazu, dass zum
Erreichen einer geforderten Motorleistung der volle Ladeluftdruck
des Abgasturboladers auch bereits bei sehr niedrigen Motordrehzahlen
zur Verfügung stehen muss. Das ist aber nicht immer möglich.
Beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen fehlt im Abströmpfad
zunächst die richtige Abgasmenge, um den im Anströmpfad
gewünschten Ladedruck für die angesaugte Frischluft
zu erzeugen. Erst wenn zum Beispiel mit steigender Drehzahl ein
ausreichend starker Abgasstrom zur Verfügung steht, setzen
die gewünschte Verdichtung der angesaugten Frischluft und
damit die gewünschte Aufladung ein. Diesen Leistungsmangel
bei niedrigen Drehzahlen bezeichnet man im Allgemeinen als Turboloch.
Dieses Turboloch ergibt sich im Wesentlichen aufgrund der typischerweise
starren mechanischen Kopplung zwischen Turbine und Verdichter.
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Zur
Vermeidung des Turbolochs können eigens dafür
vorgesehene Regelsysteme verwendet werden, wie zum Beispiel eine
variable Turbinengeometrie (VTG). Allerdings sind diese Systeme
herstellungs- und konstruktionstechnisch aufwändig.
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Eine
weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines zwei-
oder mehrstufigen Turboladers. Jede dieser Turboladerstufen weist
eine eigene Turbine und einen eigenen Verdichter auf, die gemeinsam über
eine Welle miteinander gekoppelt sind. Das Problem eines Turbolochs
ist zwar bei solchen Turboladern reduziert, jedoch dennoch vorhanden.
Dies liegt an der nach wie vor vorhandenen, starren mechanischen
Kopplung von Turbine und Verdichter.
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Moderne
Turbolader verwenden zwar ein zweistufiges Aufladungssystem, jedoch
weist eine Turboladerstufe lediglich einen Verdichter auf, der statt
von einer Turbine von einem zuschaltbaren Elektromotor (so genannter
E-Booster) angetrieben wird. Auch hier ist aber eine starre mechanische Kopplung
vorhanden. Aufgrund des Fehlens einer Turbine für den elektrisch
antreibbaren Verdichter wird zudem die Energie im Abgassystem des
Turboladers nicht optimal genutzt. Ein solcher, über einen Elektromotor
angetriebener Verdichter ist beispielsweise in der Deutschen Patentanmeldung
DE 100 23 022 A1 beschrieben.
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Bei
modernen Kraftfahrzeugen besteht immer der Bedarf, den im Motorraum
vorhandenen Platz effektiv zu nutzen. Dadurch bedingt werden auch
kompaktere Turbolader benötigt. Allerdings ist der Freiheitsgrad
bei der Auslegung und dem Design des Turboladers und dabei insbesondere
dessen Frischluft- und Abgaskanäle innerhalb des Turboladergehäuses
begrenzt. Dies liegt u. a. an der starren mechanischen Kopplung
zwischen Verdichter und Turbine.
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Bei
modernen turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen besteht zusätzlich
das Problem, dass der Turbolader entweder auf der Seite des Ansaugkrümmers
oder auf der Seite des Abgaskrümmers des Motors angeordnet
ist. Je nach dem, auf welcher Seite der Turbolader angeordnet ist,
sind auch mehr oder weniger lange Rohrleitungen für das
Verbinden des Turboladers mit dem Motor vorhanden. Dies ist zum
einen aus strömungstechnischen Gründen nachteilig.
Außerdem ergibt sich durch sehr lange Rohrleitungen auch
ein reduzierter, zur Verfügung stehender Raum innerhalb
des Motorraums.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
einen Turbolader bereitzustellen, dessen Anström-Pfad und
Abströmpfad weitgehend unabhängig voneinander
ausgelegt werden können.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, einen Turbolader anzugeben, dessen
Verbindungsrohrleitungen zu dem Abgaskrümmer und Ansaugkrümmer der
Brennkraftmaschine möglichst kurz ausgebildet ist.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, bei einem Turbolader den unerwünschten
Effekt des Turbolochs zu verringern.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, einen Turbolader bereitzustellen,
dessen Konstruktion an den Kreislauf der Arbeitsmedien einer Brennkraftmaschine
angepasst und optimiert ist.
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Erfindungsgemäß wird
zumindest eine der genannten Aufgaben durch einen Turbolader mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.
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Demgemäß ist
vorgesehen:
- – Eine Turboladeranordnung,
insbesondere in oder für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens
einer Turboladerstufe, die eine Turbine und einen Verdichter aufweist,
welche mechanisch voneinander entkoppelt sind.
- – Eine turboaufladbare Brennkraftmaschine, mit einem
Motor, der eine Kurbelwelle sowie einen Ansaugkrümmer und
einen Abgaskrümmer aufweist, mit einer erfindungsgemäßen
Turboladeranordnung, die mit ihrem Anströmpfad mit dem
Ansaugkrümmer über entsprechende Saugrohrleitungen
verbunden ist und die mit ihrem Abströmpfad mit dem Abgaskrümmer über
Abgasrohrleitungen verbunden ist.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
bei einem Turbolader bzw. einer entsprechend turboaufgeladenen Brennkraftmaschine
die Abströmseite und die Anströmseite des Turboladers
mechanisch voneinander zu entkoppeln. Durch diese mechanische Entkopplung
weist der Turbolader einen zusätzlichen Freiheitsgrad auf,
der insbesondere beim Design und der Auslegung der Ab- und Anströmseite
des Turboladergehäuses genutzt werden kann.
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Insbesondere
müssen die Turbine und der Verdichter des Turboladers nun
nicht mehr sehr eng beieinander angeordnet sein, um einen kompakten Turbolader
bereitzustellen. Vielmehr kann z. B. die Turbine des Turboladers
möglichst nahe am Abgaskrümmer montiert sein und
zugleich kann der Verdichter des Turboladers ebenfalls nahe an dem
Ansaugkrümmer des Motors angeordnet sein. Sowohl zwischen
Turbine und Abgaskrümmer einerseits wie auch zwischen Verdichter
und Ansaugkrümmer andererseits ist somit lediglich eine
kurze Rohrleitung erforderlich, so dass diese Teile des Turboladers
effizient eben auf die jeweilige Motorkonstruktion ausgelegt sein
können und insofern auch rohrleitungsbedingte Strömungsverluste
weitgehend vermieden werden können.
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Insbesondere
auf der Anströmseite ist dies von besonderem Vorteil, da
hier der Verdichter für die Druckaufladung möglichst
nahe an der Ansaugseite des Motors angeordnet sein sollte. Vor allem
auf dieser Seite ist es für einen hohen Wirkungsgrad des Turboladers
wesentlich, dass zwischen dem Auslass des Verdichters und dem Ansaugkrümmer
des Motors eine möglichst kurze Rohrleitung vorhanden ist, damit
der Verdichter in der Lage ist, den erforderlichen Ansaugdruck für
den Motor sehr schnell zur Verfügung zu stellen. Durch
die erfindungsgemäße mechanische Entkopplung von
Turbine und Verdichter ist dies nun möglich. Es lässt
sich nun ein minimales Volumen in der ansaugseitigen Rohrleitung
realisieren, in welchem der von dem Verdichter erzeugte Druck sehr
schnell aufgebaut werden kann. Das Turboloch kann so effektiv vermieden
oder zumindest weitgehend beseitigt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der mechanischen Entkopplung besteht darin, dass
Verdichter und Turbine eines Turboladers nun besser auf die Konstruktion des
Motors, dabei dessen Ansaugkrümmer und Abgaskrümmer,
ausgelegt werden können.
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Eine
weitere Anforderung bei einem Turbolader besteht darin, dass die
von dem Verdichter verdichtete Frischluft möglichst kühl
ist, um dadurch einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei
der Verbrennung von Kraftstoff im Motor bereitzustellen. Bei der Verbrennung
des Kraftstoffes wird heißes Abgas erzeugt, welches die
Turbinen des Turboladers antreibt und dabei die turbinenseitigen
Elemente des Turboladers gleichsam erhitzt. Durch die bisherige
mechanische Kopplung wirkt die gemeinsame Welle gewissermaßen
als Hitzebrücke und trägt dazu bei, die turbinenseitige
Hitze unerwünschterweise auf den Verdichter zu übertragen,
was zu einer unerwünschten Erwärmung der frischluftseitig
zugeführten Luft führt. Durch die erfindungsgemäße
mechanische Entkopplung von Verdichter und Turbine ist dieser Effekt
nicht mehr existent. Der Verdichter kann mangels einer gemeinsamen
Welle nicht mehr von der Turbine erhitzt werden. Die von dem Verdichter
erzeugte verdichtete Luft ist daher kühler und sorgt so
für einen besseren Wirkungsgrad im Motor der Brennkraftmaschine.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung
in Zusammenschau mit der Zeichnung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Turbine und der Verdichter
einer Turboladerstufe miteinander elektromechanisch gekoppelt. Elektromechanisch
in dem Sinne, dass keine direkte mechanische Verbindung zwischen
der Turbine und dem entsprechenden Verdichter vorhanden ist, sondern
lediglich eine elektrische Verbindungs- oder Koppeleinrichtung vorhanden
ist.
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In
einer Ausgestaltung weist die Turbine eine erste Welle und der Verdichter
eine zweite Welle, die von der ersten Welle mechanisch entkoppelt
ist, auf. Die erste Welle und die zweite Welle sind lediglich durch
eine elektrische Koppeleinrichtung miteinander gekoppelt.
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In
einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist die Turbine über
die erste Welle direkt mit einem Generator gekoppelt, wobei der
Generator dazu ausgelegt ist, aus der Bewegungsenergie des Turbinenrads,
welches von dem heißen Abgas angetrieben wird, elektrische
Energie zu erzeugen. Zusätzlich oder alternativ kann auch
vorgesehen sein, dass die Turbine über ein erstes Getriebe
mit dem Generator gekoppelt ist. Die Verwendung eines Übersetz-
oder Untersetzgetriebes ist zweckmäßig, um den
Generator optimal auf dessen Nenndrehzahl und damit auf den besten
Wirkungsgrad des Generators anzupassen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Verdichter über
die zweite Welle mit einem Elektromotor mechanisch gekoppelt. Der
Elektromotor ist dazu ausgelegt, aus der ihm zugeführten
elektrischen Energie den Verdichter und insbesondere dessen Verdichterrad
anzutreiben. Zusätzlich oder alternativ kann ein zweites
Getriebe vorgesehen sein, über welches der Elektromotor
mit dem Verdichter gekoppelt ist. Hier sorgt das zweite Getriebe
dafür, eine entsprechende Drehzahl für das Verdichterrad
bereit zu stellen.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Generator mit dem Elektromotor über
eine elektrische Koppeleinrichtung, beispielsweise eine Versorgungsleitung,
verbunden ist. Der Generator ist dazu ausgelegt, den Elektromotor über
diese Koppeleinrichtung bzw. Versorgungsleitung mit elektrischer Energie
zu versorgen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Generator als
Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet. In diesem
Falle kann der Generator als regelbarer Generator wirken.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist auch der Elektromotor
als Asynchronmotor oder als Synchronmotor ausgebildet. In diesem
Falle kann der Elektromotor sowohl als Antriebsmotor zum Antreiben
des Verdichters heran gezogen werden als auch als Bremsvorrichtung
genutzt werden. Im letzte ren Falle kann der Elektromotor den Verdichter
abbremsen, so dass der Verdichter gewissermaßen als Drosselklappe
wirkt und somit zum Abbremsen des Motors beiträgt. Der
Verdichter würde in diesem Falle nicht mehr den gewünschten
Ladedruck für den Motor erzeugt, so dass dem Motor der
Brennkraftmaschine nicht mehr ausreichend Frischluft zugeführt wird,
was letztlich zum Abbremsen des Motors führt.
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Üblicherweise
weist der Verdichter eine höhere Drehzahl auf als herkömmliche
Elektromotoren bereitstellen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
ist daher das zweite (Elektromotor-)Getriebe als Übersetzungsgetriebe
ausgebildet, um die hohen Drehzahlen des Verdichters zu erzeugen.
In gleicher Weise weist die Turbine meist eine höhere Drehzahl auf,
als herkömmliche Generatoren verarbeiten können.
In einer alternativen Ausgestaltung ist daher das erste (Generator)Getriebe
als Untersetzungsgetriebe ausgebildet. In jedem Falle sind das erste
und das zweite Getriebe auf den jeweils zugeordneten Generator bzw.
Elektromotor abgestimmt und dabei insbesondere auf deren Nenndrehzahlen
und Nennleistungen. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Generators
bzw. des Elektromotors optimal auf die jeweiligen Umdrehungsgeschwindigkeiten
des Turbinenrades bzw. des Verdichterrades abgestimmt werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein Energiespeicher – als
Bestandteil der elektrischen Koppeleinrichtung – vorgesehen.
Der Energiespeicher wird in diesem Falle durch den Generator gespeist.
Dieser Energiespeicher kann bei Bedarf den Elektromotor über
eine eigens dafür vorgesehene Versorgungsleitung mit elektrischer
Energie versorgen und damit ein Antreiben des Verdichters durch
den Elektromotor ermöglichen. Somit kann der Verdichter
eben genau dann mit Energie versorgt werden, wenn der Verdichter
die gewünschte Verdichterleistung bereitstellen muss. Auf
diese Weise ist eine Entkopplung der Drehzahlen der Turbine und des
Verdichters realisiert, was unter anderem auch zu einer Minimierung
des unerwünschten Effektes des Turbolochs führt.
Zugleich wird da durch auch verhindert, dass die Turbine und damit
auch der Verdichter immer höher drehen und aufgrund einer Rückkopplung
der Umdrehungsgeschwindigkeit des Verdichters auf die Turbine der
Verdichter seine Fördergrenze erreicht und die mechanischen
und thermischen Grenzen des Motors überschritten werden. Vorteilhafterweise
wird eine zu große Turbinenleistung im Energiespeicher
zwischengespeichert. Diese Energie wird von dem Elektromotor abgerufen,
wenn der Verdichter die gewünschte Verdichterleistung bereitstellen
soll.
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In
einer Ausgestaltung ist der Energiespeicher als Akkumulator, Supercap-Kondensator
(oder kurz Supercap) und/oder Hochleistungskondensator ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist in diesem Falle ein Supercap, da er in der
Lage ist, große elektrische Energien in kurzer Zeit zu
speichern. Auch die Lebensdauer eines solchen Supercap ist signifikant
höher als die eines entsprechenden Akkumulators.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Turbine und der
mit dieser Turbine mechanisch entkoppelte Verdichter in einem gemeinsamen
Turboladergehäuse integriert. Diese Ausgestaltung erlaubt
eine sehr kompakte Realisierung des Turboladers.
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In
einer dazu alternativen, ebenfalls sehr vorteilhaften Ausgestaltung
ist ein erstes Turboladergehäuse vorgesehen, in dem der
Verdichter angeordnet ist. Zusätzlich ist ein zweites,
von dem ersten Turboladergehäuse verschiedenes und typischerweise
getrenntes Turboladergehäuse vorgesehen, innerhalb dem
die Turbine angeordnet ist. In dem ersten Gehäuse ist der
Elektromotor und in dem zweiten Gehäuse ist der Generator
angeordnet. Die Turbine und der Verdichter sind miteinander über
elektrische Verbindungsleitung gekoppelt. Auf diese Weise kann der Verdichter
des Turboladers in relativer Nähe zu dem Ansaugkrümmer
der Brennkraftmaschine positioniert werden. Zudem kann auch die
Turbine des Turboladers in relativer Nähe zu dem Abgaskrümmer
positioniert werden. Auf diese Weise werden die Rohrleitungen zwischen
Verdichter und Ansaugkrümmer bzw. zwischen Abgaskrümmer
und Turbine sehr kurz, wodurch Strömungsverluste minimal
werden. Der Wirkungsgrad eines solchen Turboladers wird dadurch
optimiert. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine an die Konstruktion
der Brennkraftmaschine optimierte und kompakte Konstruktion des
Turboladers.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist für den Abströmpfad
des Turboladers keine Waste-Gate-Bypasseinrichtung erforderlich.
Ein solches Waste-Gate ist bei herkömmlichen Turboladern erforderlich,
um ein allzu großes Ansteigen der Turbinendrehzahl zu unterbinden,
um – wie oben ausgeführt – zu verhindern,
dass die Turbine und damit auch der Verdichter des Turboladers immer
höher drehen, was aufgrund deren mechanischer Kopplung dazu
führen kann, dass der Motor über seine mechanischen
und thermischen Grenzen gelangt. Da nun die Turbine und der Verdichter
mechanisch voneinander entkoppelt sind, besteht diese Gefahr nicht mehr.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Turboladeranordnung
zweistufig ausgebildet, wobei eine erste Turboladerstufe als Hochdruckstufe
mit einer Hochdruckturbine und einem Hochdruckverdichter ausgebildet
ist. Die zweite Turboladerstufe ist als Niederdruckstufe mit einer
Niederdruckturbine und einem Niederdruckverdichter-ausgebildet.
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In
einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
sind die Turbine und der Verdichter derselben Turboladerstufe miteinander zumindest
teilweise pneumatisch und/oder hydraulisch miteinander gekoppelt.
Zumindest teilweise bedeutet in diesem Zusammenhang, dass durchaus mechanische
Elemente vorgesehen sind, dass jedoch die Turbine und der Verdichter
einer jeweiligen Turboladestufe nicht ausschließlich miteinander
mechanisch gekoppelt sind.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Brennkraftmaschine
ist der Generator der Turboladeranordnung Bestandteil der Lichtmaschine.
Auf diese Weise kann auf einen eige nen Generator für die
Turbine der Turboladeranordnung verzichtet werden.
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Vorzugsweise
weist die Brennkraftmaschine einen integrierten Startergenerator
auf, der mit der Kurbelwelle bzw. der Antriebswelle des Motors verbunden
ist. Ein solcher Startergenerator ist eine Drehstrom-Asynchronmaschine,
die sowohl als Anlasser wie auch als Generator arbeiten kann.
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Vorzugsweise
sind der Generator und/oder der Elektromotor der Turboladeranordnung über
jeweilige Versorgungsleitungen mit dem Startergenerator verbunden.
Vorzugsweise kann der Startergenerator, sofern er als Anlasser fungiert, über
die Versorgungsleitung zu dem Generator des Turboladers von diesem
mit elektrischer Energie versorgt werden. Zusätzlich oder
alternativ kann der Startergenerator, sofern er in diesem Falle
als Generator wirkt, über eine weitere Versorgungsleitung
zu dem Elektromotor des Turboladers den Elektromotor gleichsam mit Energie
versorgen. In diesem Fall kann auf einen eigens dafür vorgesehenen
Energiespeicher verzichtet werden.
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Vorzugsweise
wird allerdings ein intelligentes Energiemanagement verwendet, welches
den Startergenerator, die Energieversorgung, den Generator des Turboladers
und/oder den Elektromotor des Turboladers miteinander mit einbezieht,
wobei dies vorzugsweise über eine eigens dafür
vorgesehene Steuereinrichtung gesteuert wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst auch die turboaufladbare
Brennkraftmaschine einen zusätzlichen elektrischen Antrieb zum
Antreiben der Kurbelwelle und ist somit als Hybridmotor ausgebildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren der Zeichnungen
angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen dabei:
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1 eine
vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Turboladers;
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2 eine
vereinfachte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Turboladers;
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3 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
-
4 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
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5 eine
schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
-
6 eine
schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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In
den Figuren der Zeichnungen sind gleiche und funktionsgleiche Elemente,
Merkmale und Größen – sofern nichts Anderes
angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen, stark vereinfachten Turboladers,
der lediglich die wesentlichen Bestandteile eines Turboladers aufweist.
Der mit Bezugszeichen 10 bezeichnete Turbolader 10 weist
einen Verdichter 11 und eine Turbine 12 auf. Der
Turbolader 10 in 1 ist einstufig ausgebildet,
das heißt er weist lediglich eine Turboladerstufe 13 auf.
Der Verdichter 11 ist in einem Anströmpfad 14 und
die Turbine 12 in einem Anströmpfad 15 angeordnet.
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Der
Anströmpfad 14 des Turboladers 10 ist definiert
zwischen einem Frischlufteinlass 16, über den
Frischluft angesaugt wird, und einem Frischluftauslass 17, über
den durch den Verdichter 11 verdichtete Frischluft vom
Turbolader 10 bereitgestellt wird. Diese abgegebene, verdichtete
Frischluft wird einer Frischlufteinlassseite einer (in der 1 nicht dargestellten)
Brennkraftmaschine zugeführt. Der Abströmpfad 15 des
Turboladers 10 ist definiert zwischen einem Abgaseinlass 18, über
den von der (in 1 nicht dargestellten) Brennkraftmaschine
erzeugtes Abgas in den Turbolader 10 eingeleitet wird, und
einem Abgasauslass 19, über das das Abgas ausströmen
kann. Der Anströmpfad 14 wird häufig auch
als Ansaugtrakt, Frischluftseite, Verdichterseite oder Ladeluftseite
bezeichnet. Der Abströmpfad 15 wird häufig
auch als Abgaspfad oder Abgasseite bezeichnet.
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Hinsichtlich
der in der vorliegenden Patentanmeldung gewählten Terminologie
weist ein jeweiliger Verdichter 11 eingangsseitig einen
Einlass und ausgangsseitig ein Auslass auf. Die Strömungsrichtung
wird im Anströmpfad 14 und Abströmpfad 15 durch
die Strömungsluft der Frischluft 20 bzw. des Abgases 21 bestimmt.
In sämtlichen Figuren ist die Strömungsrichtung
der Frischluft 20 bzw. des Abgases 21 durch entsprechende
Pfeile dargestellt.
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Zwischen
dem Frischlufteinlass 16 und dem Einlass des Verdichters 11 ist
eine erste Rohrleitung 20a vorgesehen. Ferner ist eine
weitere Rohrleitung 20b zwischen dem Auslass des Verdichters 11 und dem
Frischluftauslass 17 vorgesehen. In gleicher Weise ist
zwischen dem Abgaseinlass 18 und der Turbine 12 eine
Rohrleitung 21b und zwischen der Turbine 12 und
dem Abgasauslass 19 eine zweite Rohrleitung 21a vorgesehen.
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Die
Turbine 12 bzw. dessen Turbinenrad ist fest mit einer ersten
Welle 22 gekoppelt. Das Turbinenrad treibt somit die erste
Welle 22 an. Ferner ist der Verdichter 11 bzw.
dessen Verdichterrad fest mit einer zweiten Welle 23 gekoppelt.
Der Verdichter 11 wird über die zweite Welle 23 angetrieben.
Die erste Welle 22 der Turbine 12 ist somit von
der zweiten Welle 23 des Verdichters 11 mechanisch
vollständig entkoppelt. Al lerdings sind die Turbine 12 und
der Verdichter 11 über eine elektrische Koppeleinrichtung 24 miteinander
elektrisch gekoppelt. Die Ausgestaltung dieser Koppeleinrichtung 24 wird
nachfolgend mit Bezug auf die 3–6 noch
detailliert beschrieben.
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In
dem Ausführungsbeispiel in der 1 ist der
Verdichter 11 und die Turbine 12 und vorzugsweise
auch die Koppeleinrichtung 24 vollständig in einem
gemeinsamen Turboladergehäuse 25 integriert.
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Im
Unterschied dazu ist in dem Ausführungsbeispiel in 2 der
Verdichter 11 sowie die zweite Welle 23 in einem
ersten Turboladergehäuse 26 angeordnet. Die Turbine 12 mit
der ersten Welle 22 ist in einem davon verschiedenen und
ggfs. auch von dem ersten Turboladergehäuse 26 getrennten
zweiten Turboladergehäuse 27 angeordnet. Die elektrische
Koppeleinrichtung 24 kann, wie im gezeigten Beispiel, außerhalb
des ersten und zweiten Turboladergehäuses 26, 27 angeordnet
sein oder auch alternativ in dem ersten Gehäuse 26 und/oder
dem zweiten Gehäuse 27.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Im
Unterschied zu 1 ist in dem Ausführungsbeispiel
in 3 zusätzlich die Brennkraftmaschine 30 dargestellt.
Der Motor 31 weist eine Antriebswelle 35, die
so genannte Kurbelwelle 35 auf. Der Motorblock 31 oder
kurz Motor 31 der Brennkraftmaschine 30 weist
im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Zylinder 34 auf, was
allerdings lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Auch ist die
Brennkraftmaschine 30 sowie die Ankopplung an den Turbolader 10 hier
stark vereinfacht dargestellt.
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Der
Motor 31 der Brennkraftmaschine 30 weist eine
Lufteinlassseite 32 (Ansaugkrümmer) und eine Abgasauslassseite 33 (Abgaskrümmer)
auf. Die Lufteinlassseite 32 ist hier mit dem Frischluftauslass 17 des
Turboladers 10 verbunden und die Ab gasauslassseite 33 ist
mit dem Abgaseinlass 18 des Turboladers 10 verbunden.
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In
dem Ausführungsbeispiel in der 3 ist im
Abströmpfad 15 ein Generator 40 (z. B.
als Bestandteil des Turboladers oder auch außerhalb dessen
Gehäuse vorgesehen, der über die erste Welle 22 mechanisch
starr mit der Turbine 12 verbunden ist. Wird das Turbinenrad
der Turbine 12 über den Abgasstrom 21 angetrieben,
dann treibt dieses Turbinenrad den Generator 40 über
die erste Welle 22 an. Der Generator 40 erzeugt
aus dieser Bewegungsenergie elektrische Energie.
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Der
Generator 40 kann beispielsweise auch der Generator einer
in einem Kraftfahrzeug ohnehin vorhandenen Lichtmaschine sein. In
diesem Falle kann auf einen eigens für die Turbine 12 vorgesehenen
Generator verzichtet werden.
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Im
Anströmpfad 14 ist ein Elektromotor 41 vorgesehen.
Der Elektromotor 41 ist über die zweite Welle 23 mechanisch
mit dem Verdichterrad des Verdichters 11 verbunden. Der
Elektromotor 41 ist dazu ausgelegt, über die zweite
Welle 23 das Verdichterrad anzutreiben, welches in der
Folge die dem Verdichter 11 zugeführte Frischluft 20 verdichtet
und dem Motor 31 der Brennkraftmaschine 30 zuführt. Die
elektrische Energie, die der Elektromotor 41 hierzu benötigt,
wird ihm im Ausführungsbeispiel der 3 über
eine Versorgungsleitung 42 direkt von dem Generator 40 zugeführt.
Beispielsweise erzeugt der Generator 40 einen Strom 43,
der dem Elektromotor 41 über die Versorgungsleitung 42 zugeführt wird
und der den Elektromotor 41 und damit das Verdichterrad
antreibt.
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Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 3 weist
die Brennkraftmaschine in 4 zusätzlich
einen wieder aufladbaren Energiespeicher 44 auf. Der Energiespeicher 44 ist
in 4 als Supercap ausgebildet, der dazu ausgelegt
ist, die gespeicherte Energie sehr schnell wieder abzugeben. Der
Energiespeicher 44 ist versorgungsseitig über eine
erste Versorgungsleitung 42a mit dem Generator 40 verbunden.
Ferner ist der aufladbare Energiespeicher 44 ausgangsseitig über
eine zweite Versorgungsleitung 42b mit dem Elektromotor 41 verbunden.
Dem Energiespeicher 44 wird somit über die Versorgungsleitung 42a ein
Strom 43a und/oder eine Spannung 43a zugeführt, über
welchen der Energiespeicher 44 aufgeladen wird. Über
die Versorgungsleitung 42b gibt der Energiespeicher 44 einen
Strom oder eine Spannung 43b an den Elektromotor 41 ab.
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Der
Vorteil liegt hier darin, dass sämtliche Bewegungsenergie
der Turbine 12 nun in elektrische Energie umgewandelt werden
kann und erst bei Bedarf, sofern der Verdichter 11 die
entsprechende Verdichterleistung benötigt, über
den Elektromotor 41 aus dem Energiespeicher 44 abgerufen
werden kann. Es erfolgt hier somit eine hinsichtlich des Wirkungsgrades
des Verdichters 11 und der Turbine 12 optimale
Ausnutzung der Bewegungsenergie der Turbine 12.
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4 zeigt
ferner eine Steuereinrichtung 50. Die Steuereinrichtung 50 kann
Bestandteil des Turboladers 10 oder der Brennkraftmaschine 30 sein oder
auch als davon unabhängige Steuereinrichtung, beispielsweise
als Bestandteil der Motorsteuerung, ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 50 ist
dazu ausgebildet, den Elektromotor 41, den Generator 40 und
die Energieversorgung 44 über Steuersignale S1–S3
zu steuern, so dass durch den Generator 40 und den Elektromotor 41 ein
optimaler Wirkungsgrad erzielt wird.
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Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in der 3 ist
in dem Ausführungsbeispiel in 5 zwischen
dem Generator 40 und der Turbine 12 ein erstes
Getriebe 45 vorgesehen. Dieses Getriebe 45 ist
dazu ausgelegt, die Umdrehungen des Turbinenrades auf eine gewünschte
Nennumdrehung des Generators 40 umzusetzen. Vorzugsweise
kann hier beispielsweise auch eine Kupplung vorgesehen sein, über
die beispielsweise unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeiten
der Turbine 12 umgesetzt werden können. In gleicher
Weise ist zwischen dem Verdichter 11 und dem Elektromotor 41 ein
zweites Getriebe 46 vorgesehen. Das Getriebe 46 ist
dazu ausgelegt, eine von dem Elektromotor 41 bereitgestellte
Umdrehungsgeschwindigkeit auf eine gewünschte Umdrehungsgeschwindigkeit
des Verdichterrades 11 umzusetzen.
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Das
Turbinenrad weist typischerweise eine sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeit
von beispielsweise 50–200.000 Umdrehungen pro Minute auf,
während gängige Generatoren auf Nenndrehzahlen
im Bereich von einigen 10.000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt sind.
In diesem Falle ist es zweckmäßig, die hohe Umdrehungszahl
des Turbinenrades mittels eines Getriebes eben auf die optimale
Drehzahl des Generators umzusetzen bzw. in diesem Falle herabzusetzen.
Aus diesem Grunde ist das erste Getriebe 45 vorzugsweise
als Untersetzgetriebe ausgebildet. Aus einem ähnlichen
Grund ist das zweite Getriebe 46 vorzugsweise als Übersetzgetriebe
ausgebildet.
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Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 3 ist
in dem Ausführungsbeispiel in 6 ein zusätzlicher
Motor 47 vorgesehen, der über die Kurbelwelle 35 gekoppelt
ist. Im Beispiel in 6 ist der zusätzliche
Motor als integrierter Startergenerator 47 ausgebildet,
der sowohl als Anlasser wie auch als Generator wirken kann. Der
Startergenerator 47 ist über eine Versorgungsleitung 48 mit
dem Generator 40 verbunden. Wirkt der Startergenerator
als Anlasser, dann kann er zum Starten des Motors 31 über den
Generator 40 und die Versorgungsleitung 48 mit Energie
versorgt werden. Der integrierte Startergenerator 47 ist über
eine zweite Versorgungsleitung 49 ferner mit dem Elektromotor 41 verbunden.
Wirkt der Startergenerator als Generator, dann kann er die gewonnene
elektrische Energie über die Versorgungsleitung 49 dem
Elektromotor 41 zuführen.
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Die
vorliegende Erfindung sei nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern lässt sich selbstverständlich
auf mannigfaltige Art und Weise modifizieren.
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In
den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen eines Turboladers 10 (1 und 2) und
einer Brennkraftmaschine 30 (3 bis 6) wurden
diese zur besseren Erläuterung der Erfindung relativ einfach
dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass eine turboaufgeladene
Brennkraftmaschine selbstverständlich auch einen Ladeluftkühler, ein
Abgasauslasssystem, welches z. B. einen Katalysator, einen Abgasfilter
und einen Auspuff enthält, Drosselklappen, Rückschlagventile
und dergleichen aufweisen kann, auch wenn diese hier nicht explizit beschrieben
sind. In gleicher Weise kann ein Turbolader abgasseitig ein so genanntes
Waste-Gate-Ventil, welches Bestandteil einer entsprechenden Bypasseinrichtung
ist, aufweisen, über welches in an sich bekannter Weise
zmindest eine der Turbinen überbrückbar ist, auch
wenn dies, wie vorstehend beschrieben, hier nicht unbedingt erforderlich
ist. In gleicher Weise kann im Anströmpfad auch eine Bypasseinrichtung
vorgesehen sein, die z. B. der Überbrückung zumindest
eines Verdichters dient.
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Es
versteht sich auch von selbst, dass die in den Ausführungsbeispielen
in den 3–6 dargestellten
Elemente selbstverständlich auch miteinander kombiniert
werden können. Auch sind die die vorstehenden Zahlenangaben
lediglich beispielhaft zu verstehen. Wenngleich lediglich in 4 eine Steuereinrichtung
dargestellt ist, versteht es sich von selbst, dass in den 3, 5 und 6 ebenfalls Steuereinrichtungen
zum Steuern der Turboladeranordnung sowie der Brennkraftmaschine
vorgesehen sein können.
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In
allen Ausführungsbeispielen wurde stets von einem einstufigen
Turbolader ausgegangen. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung
selbstverständlich auch auf mehrstufige Turboladeranordnungen
erweiterbar ist. In diesem Falle könnten alle Turbinen
und Verdichter voneinander jeweils mechanisch entkoppelt sein. Ebenfalls
vorteilhaft wäre es, wenn beispielsweise die Turbine und
der Verdichter zumindest der ersten Turboladerstufe mechanisch miteinander
gekoppelt sind und die Turbine und der Verdichter zumindest der
zweiten Turboladerstufe mechanisch – wie in den 1 bis 6 dargestellt wurde – voneinander
entkoppelt sind.
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Die
Erfindung wurde vorstehend anhand einer mechanischen Entkopplung
der Turbinen und des Verdichters derselben Turboladerstufe erläutert, indem
diese mechanische Entkopplung mittels einer elektromechanischen
Kopplung realisiert wird. Diese elektromechanische Kopplung sieht
auf der Turbinenseite einen Generator und auf der Verdichterseite einen
Elektromotor als mechanische Elemente vor, die durch eine elektrische
Kopplung miteinander gekoppelt sind. Statt dieser elektromechanischen Kopplung
wäre auch eine (zumindest teilweise) pneumatische, hydraulische
oder andersartige nicht ausschließlich mechanische Kopplung
denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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