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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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Die
DE 199 24 918 A1 bezieht
sich auf einen Abgasturbolader, bei dem die Turbine und der Verdichter über eine
schaltbare mechanische Kupplung voneinander trennbar und wieder
miteinander verbindbar sind. Der Turbolader weist ferner einen mechanischen
Energiespeicher auf. Mittels dieses Energiespeichers lässt sich
Abgasenergie speichern, welche der Welle des Ladeluftverdichters
bei Bedarf wieder zuführbar
ist. Wesentlich bei der
DE
199 24 918 A1 ist, dass die Turbine und der Verdichter
für diese Energiezuführung mechanisch
voneinander entkoppelt und für
die Energiespeicherung und den Turboladerbetrieb miteinander mechanisch
gekoppelt sein müssen.
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In
der Druckschrift
DE
195 18 317 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betrieb eines elektrisch unterstützten
Turboladers beschrieben. Der Turbolader weist hierzu einen Elektromotor
auf.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Turbolader bereitzustellen, dessen Anströmpfad 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:
Turboladeranordnung,
mit mindestens einer Turboladerstufe, die eine Turbine und einen
Verdichter aufweist, welche im Turboladerbetrieb mechanisch stets vollständig voneinander entkoppelt
sind und hier über
eine elektrische Koppeleinrichtung miteinander gekoppelt sind.
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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 Abströmpfad 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. Ober 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.