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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasturboaufladung
eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
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Zur
Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren wird das Mittel der
so genannten Aufladung verwendet. Dabei wird auf der Ansaugseite
des Motors den Zylindern Luft mit Überdruck zugeführt,
um mit einer erhöhten Luftmasse und einer entsprechend
höheren Kraftstoffmasse bei gleichem Hubraum und gleicher
Motordrehzahl eine höhere Leistungsdichte zu erzielen.
Häufig wird ein hierzu Abgasturbolader eingesetzt. Solche
Aufladegeräte erzeugen die Verdichterleistung zur Komprimierung
der Verbrennungsluft aus dem verbrannten Abgas. Herkömmliche
Abgasturbolader bestehen aus einer Abgasturbine und einem Strömungsverdichter,
dem Lader, die auf einer gemeinsamen Triebwelle angeordnet sind.
Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors angetrieben und treibt
ihrerseits den Verdichter an, der die ihm zugeführte Frischluft
komprimiert und dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zur Verfügung
stellt.
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Eine
Steigerung des Wirkungsgrades wird durch eine mehrstufige Aufladung,
beispielsweise mit zwei hintereinander geschalteten, für
unterschiedliche Abgasdrücke ausgelegten Turboladern, sowie durch
eine nachgeschaltete Ladeluftkühlung, die die Zylinderfüllmenge
weiter erhöht, ermöglicht. Da Kraftfahrzeugmotoren
ein relativ breites Drehzahlband aufweisen, ist der Abgasturbolader
meist so ausgelegt, dass eine Ladedruckregelung erforderlich ist,
um einen maximal zulässigen Ladedruck einzuhalten. Dies
wird beispielsweise über einen abgasseitgen Bypass, als
Wastegate bekannt, und/oder über eine verstellbare Turbinenblattgeometrie
erreicht.
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Die
Drehzahlen und damit der Ladedruck eines Abgasturboladers hängen
nicht direkt von der Motordrehzahl ab, sondern vom Abgasmassenstrom. Dadurch
ergibt sich ein verzögertes Ansprechverhalten des Turboladers,
welches, insbesondere bei Anfahr- und Beschleunigungsvorgängen
eines mit einem Abgasturbolader ausgestatteten Fahrzeuges aus niedrigen
Drehzahlen heraus, als so genanntes Turboloch bekannt ist. Zur Überwindung
dieser Hochlaufschwäche bei geringer Abgasenergie können
Antriebs- bzw. Beschleunigungshilfen eingesetzt werden. Die Antriebshilfe
kann entweder direkt auf der Verbindungswelle angeordnet sein oder
als ein separates zuschaltbares Aggregat ausgebildet sein. Neben
einem auf der Triebwelle sitzenden Pelton-Turbinenrad, das mit Drucköl
beaufschlagt wird, sind bereits auch elektrisch unterstützte
Abgasturbolader bekannt geworden.
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Die
WO 1997/011 263 A1 (
DE 696 36 906 T ) zeigt
einen Abgasturbolader, bei dem ein Elektromotor zwischen einer Turbine
und einem Verdichter angeordnet ist. Der Rotor des Elektromotors
sitzt direkt auf der Verbindungswelle von Turbine und Verdichter.
Bei einer solchen Anordnung sind aufgrund der Nähe zur
Turbine meist besondere Kühlungsmaßnahmen erforderlich.
Die
WO 1997/011
263 A1 schlägt dazu beispielsweise einen Luftdurchlass
in der Verbindungswelle vor.
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Die
EP 0 367 406 B1 zeigt
einen weiteren elektrisch unterstützten Abgasturbolader,
bei dem mit Hilfe von Sensoren, welche Motor-, Kupplungs- und Getriebedaten
erfassen, eine auf einer Verbindungswelle von Turbine und Verdichter
angeordnete Elektromaschine angesteuert wird, um bei einem Anfahrvorgang
eine Ansprechzeit des Turboladers zu verkürzen.
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Weiterhin
sind so genannte eBooster bekannt. Solche Hilfsaggregate bestehen
aus einem Strömungsverdichter mit einem Elektroantrieb.
Der eBooster ist üblicherweise mit dem Turbolader in Reihe
geschaltet und ist über einen Bypass überbrückbar.
Bei Bedarf, d. h. insbesondere im Niederlastbereich des Motors,
wird er zugeschaltet, so dass sich die Staudrücke von Turbo lader
und eBooster addieren, wodurch schon bei geringen Abgasströmen
relativ hohe Ladedrücke zur Verfügung gestellt
werden können. Ein solches separates Zusatzaggregat ist zwar
thermisch unkritischer, benötigt jedoch einen entsprechenden
Bauraum und weist ein entsprechendes Zusatzgewicht auf.
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Insgesamt
erreichen die elektrisch unterstützten Abgasturbolader
in Wirkverbindung mit einer Ladedruckregelung und einer Ladeluftkühlung
eine effektive Leistungssteigerung eines Verbrennungsmotors über
die gesamte Drehzahlbandbreite. Insbesondere ermöglichen
sie eine merkliche Reduzierung des störenden Turbolochs.
Besonders zu beachten ist bei ihrer Auslegung der Verbrauch an elektrischer Energie,
die dem Bordnetz entzogen wird, die thermische Belastbarkeit bei
Umgebungstemperaturen von bis zu 1000°C und die Verschleißfestigkeit
bei Drehzahlen von typischerweise 100.000 min–1.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die
bekannten Abgasturbolader und Verfahren zur Abgasturboaufladung
weiter zu verbessern, insbesondere die Nachteile hinsichtlich ihres
Ansprechverhaltens weitgehend zu beseitigen und gleichzeitig eine
hohe Effizienz und einen hohen Komfort im Betrieb zu erreichen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der
unabhängigen Ansprüche, während vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den zugeordneten
Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Abgasturbolader
eines Verbrennungsmotors ein Antriebskonzept, wie es für
elektrodynamische Anfahrelemente (EDA) in Hybrid-Antriebssträngen
von Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, integriert werden kann, um
eine variable Abgasturboaufladung zu ermöglichen.
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Demnach
geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung zur Abgasturboaufladung,
eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader, der eine Abgasturbine,
die als treibendes Element die Energie eines Abgasstromes des Verbrennungsmotors
aufnimmt, und einen Strömungsverdichter, der als angetriebenes
Element einen angesaugten Frischluftstrom verdichtet, aufweist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor,
dass die Abgasturbine und der Strömungsverdichter über
ein Planetengetriebe gekoppelt sind, welches mit einer Elektromaschine
wirkverbunden ist.
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Weiterhin
geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Abgasturboaufladung
eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader, der eine Abgasturbine,
die als treibendes Element die Energie eines Abgasstromes des Verbrennungsmotors
aufnimmt, und einen Strömungsverdichter, der als angetriebenes
Element einen angesaugten Frischluftstrom verdichtet, aufweist.
Die Erfindung sieht zur Lösung der gestellten Aufgabe bezüglich
des Verfahrens vor, dass über ein Planetengetriebe, welches
die Abgasturbine, den Strömungsverdichter und eine zugeordnete
Elektromaschine in Wirkverbindung setzt, eine Drehzahlregelung des
Strömungsverdichters erfolgt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung wird die herkömmliche
starre mechanische Antriebsverbindung zwischen Turbine und Verdichter
vorteilhaft durch eine variable Verbindung mit einem Planetengetriebe
ersetzt. Das Planetengetriebe setzt die Turbine, den Verdichter
und eine elektrische Maschine miteinander in Eingriff.
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Eine
solche Konstellation, bei der eine Elektromaschine über
ein Planetengetriebe ein Drehmoment an eine Antriebswelle und/oder
eine Abtriebswelle abgibt oder von diesen aufnimmt, wird bei elektrodynamischen
Anfahrelementen in Hybridfahrzeugen, beispielsweise für
die Funktionen Generator, Start/Stopp, Rekuperieren, Boosten oder
rein elektrisches Fahren, verwendet. Beispielhaft sei dazu die
DE 101 52 471 A1 der
Anmelderin genannt.
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Die
Erfindung nutzt dieses Konzept, um die Antriebsbeziehung zwischen
einer Abgasturbine und einem Strömungsverdichter in einem
Abgasturbolader mit Hilfe einer Elektromaschine zu überlagern. Ein
geeignetes Planetengetriebe weist dazu beispielsweise ein Hohlrad,
ein Sonnenrad und einen Planetenträger mit Planetenrädern
auf, wobei ein erstes der drei Elemente mit der Turbine, ein zweites Element
mit dem Verdichter und das dritte Element mit einem Rotor der Elektromaschine
verbunden ist, so dass ein Turbinenzweig, ein Verdichterzweig und ein
Elektromaschinenzweig gebildet und zueinander in Beziehung gesetzt
werden.
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Die
Elektromaschine kann vorteilhaft zwischen einem motorischen Betrieb
und einem generatorischen Betrieb umgeschaltet werden. Im Motorbetrieb
kann eine Drehmomentabstützung des Elektromaschinenzweiges über
den Turbinenzweig, d. h. über den Abgasunterdruck, der
sich an einem Turbineneinlass aufgrund der Abgasexpansion beim Durchgang
des Abgasstromes durch einen Turbinenläufer entwickelt,
erfolgen. Im Generatorbetrieb kann die Drehmomentabstützung über
den Verdichterzweig erfolgen, an dessen Verdichterrad zugeführte
Frischluft komprimiert wird.
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Die
Erfindung ermöglicht insbesondere eine gesteuerte Drehzahlregelung
der Verdichterstufe, wobei das Drehzahlverhältnis zwischen
Turbine und Verdichter über die Elektromaschine und den
Planetensatz frei variiert werden kann. Dadurch ist eine gezielte
Beeinflussung des Drehzahlniveaus bzw. des daraus folgenden Ladedruckniveaus
auf der Verdichterseite möglich.
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Zur
Erhöhung der Drehzahl des Strömungsverdichters
wird die Elektromaschine motorisch betrieben, wobei die Bestromung
der Elektromaschine einer vorgegebenen Zieldrehzahl oder einem vorgegebenen
Drehzahlverlauf vorteilhaft angepasst ist. Dadurch leistet die Elektromaschine
eine elektromechanische Unterstützung bei der Verdichtungsarbeit, beispielsweise
als Booster zur Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors in dynamischen
Teillastbereichen und bei der Unterstützung des dynamischen Drehzahlaufbaus
an Tur bine und Verdichter zur Verkürzung des Turbolochs
und zur Verbesserung des Ansprechverhaltens beim Anfahren, wodurch
sich der Fahrkomfort erhöht.
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Zur
Verringerung oder Begrenzung der Drehzahl des Strömungsverdichters
wird die Elektromaschine generatorisch betrieben, wobei die erzeugte elektrische
Energie einen Energiespeicher auflädt oder/und in ein Bordnetz
eingespeist wird. Dadurch wird eine höhere Effizienz erreicht.
Insbesondere kann die anfallende Abgasenergie bei hohen Abgasdrücken
bzw. Abgasströmen durch eine intelligente Leistungsverzweigung
annähernd voll genutzt werden. Dabei wird vom Verdichter
nicht benötigte Abgasenergie über die Elektromaschine
im Generatorbetrieb weitgehend zurück gewonnen. Eine erweiterte Nutzung
der Abgasenergie ist beispielsweise auch im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors
durch eine Funktion des Verdichterrades als Motorbremse mit Energierückgewinnung
denkbar. Da durch den Generatorbetrieb überschüssige
Abgasenergie verwertbar ist, kann die Turbine stets den vollständigen Abgasstrom
aufnehmen. Ein üblicherweise vorgesehener Turbolader-Bypass
zur Ladedruckregelung kann daher wegfallen, was sich Kosten senkend
auswirkt.
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Weiterhin
kann die generatorische bzw. motorische Drehzahlregelung der Verdichterstufe über die
erfindungsgemäße Anordnung von Elektromotor und
Planetengetriebe vorteilhaft dazu genutzt werden, den Abgasturbolader
stets zuverlässig innerhalb eines aus Bauteilschutz- und
Funktionssicherheitsgründen vorgegebenen Betriebsbereiches
zu betreiben, wobei eine untere Pumpgrenze bei minimalem Durchsatz
und eine obere Stopfgrenze bei maximalem Durchsatz eingehalten werden.
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Grundsätzlich
ist das Drehzahlverhältnis zwischen Turbine und Verdichter
bei der erfindungsgemäßen Anordnung frei variierbar.
Dementsprechend sind zusätzliche Kupplungen und/oder Bremsen
an der Anordnung nicht erforderlich, aber möglich. Insbesondere
kann am Elektromaschinenzweig des Planetengetriebes eine Bremseinrichtung
angeordnet sein, durch welche die zu gehörige Planetengetriebekomponente
festhaltbar ist. Dadurch kann bedarfsweise ein nicht direktes, festes Übersetzungsverhältnis
i ≠ 1 zwischen der Abgasturbine und dem Strömungsverdichter
geschaltet werden.
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Schließlich
kann zwischen dem Elektromaschinenzweig und dem Abgasturbinenzweig
des Planetengetriebes oder zwischen dem Elektromaschinenzweig und
dem Strömungsverdichterzweig des Planetengetriebes eine
Kupplungseinrichtung angeordnet sein, durch die das Planetengetriebe
verblockbar ist. Dies ermöglicht eine Direktübersetzung i
= 1, so dass der Verdichter ohne Verzahnungsverluste mit der Turbinendrehzahl
läuft.
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Zur
Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung
mit drei Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser
zeigt
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1 ein
Schema eines Abgasturboladers mit einem Planetengetriebe und einer
Elektromaschine,
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2 ein
Schema eines Abgasturboladers mit einem Planetengetriebe, einer
Elektromaschine und einer Getriebebremse, und
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3 ein
Schema eines Abgasturboladers mit einem Planetengetriebe, einer
Elektromaschine und einer Getriebekupplung:
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Demnach
ist in 1 ein Abgasturbolader 1 eines Verbrennungsmotors
dargestellt. Der Abgasturbolader 1 weist als antreibendes
Element eine Abgasturbine 2 mit einem Einlass 3 für
zuströmendes Abgas und einem Auslass 4 für
abströmendes Abgas auf. Als angetriebenes Element ist ein
Strömungsverdichter 5 angeordnet, der einen Frischlufteinlass 7 und
einen Auslass 6 für vorverdichtete Frischluft
zur Versorgung der Zylinder des Verbrennungsmotors besitzt. Der
Aufbau und die Funktionsweise von Turbine 2 und Verdichter 5 sind
in an sich bekannter Weise ausgeführt.
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Erfindungsgemäß stehen
die Turbine 2 und der Verdichter 5 über
einen Triebstrang 8 in Wirkverbindung. Der Triebstrang 8 weist
ein Planetengetriebe 9 mit einem üblichen, nicht
näher dargestellten dreigliedrigen Planetensatz mit Hohlrad,
Sonnenrad und Planetenträger mit Planetenrädern
auf, woraus sich drei Leistungszweige 11, 12 und 13 ergeben.
Ein erster Leistungszweig 11 ist beispielsweise über
das Hohlrad mit der Turbine 2, ein zweiter Leistungszweig 12 über
den Planetenträger mit dem Verdichter 5 und ein
dritter Leistungszweig 13 über das Sonnenrad mit
einer elektrischen Maschine 10 im Eingriff.
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Die
möglichen Wechselbeziehungen der Leistungszweige 11, 12 und 13 sind
an vergleichbare Aufbauten von elektrodynamischen Anfahrelementen
in Antriebssträngen von Hybridfahrzeugen angelehnt. Die
Elektromaschine 10 ist zwischen einem Motorbetrieb und
einem Generatorbetrieb über eine nicht dargestellte Steuerungseinrichtung
umschaltbar und regelbar, und steht mit einer ebenfalls nicht dargestellten
elektrischen Energieversorgung bzw. einem elektrischen Energiespeicher
in Verbindung.
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Die 2 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines Abgasturboladers 1',
bei dem an einem Elektromaschinenzweig 13' eine Bremseinrichtung 14 angeordnet
ist. Über die Bremseinrichtung 14 lässt
sich der Elektromaschinenzweig 13' feststellen, so dass ein
Antriebsmoment der Turbine 2 über die beiden anderen
Leistungszweige 11, 12 mit einem festen Übersetzungsverhältnis
des Planetengetriebes 9 übertragen wird.
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Die 3 zeigt
eine dritte Ausführungsform eines Abgasturboladers 1'',
bei dem zwischen einem Elektromaschinenzweig 13'' und einem
Turbinenzweig 11' eine Kupplungseinrichtung 14 angeordnet
ist. Alternativ dazu kann eine Kupplungseinrichtung auch zwischen
einem Elektromaschinenzweig und einem Verdichterzweig angeordnet
sein. Durch Schließen der Kupplung 14 werden die
beiden entsprechenden Zweige 11, 13, also beispielsweise
das Hohlrad und das Sonnenrad gekoppelt, so dass das Planetengetriebe 9 im
Block umläuft. Turbine 2 und Verdichter 5 sind
dadurch in Direktübersetzung, d. h. ohne Relativbewegung
miteinander verbunden.
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Im
Betrieb erfolgt eine aktive Drehzahlregelung, bei der über
die Elektromaschine 10 und das Planetengetriebe 9 das
Drehzahlverhältnis zwischen der Turbine 2 und
dem Verdichter 5 bedarfsweise variiert wird. Bei Anfahrvorgängen
wird zur Überwindung und Verkürzung eines Turbolochs
die durch die Turbine 2 hervorgerufene unzureichende Drehbewegung
des Verdichters 5 durch motorisches Ansteuern der Elektromaschine 10 elektromechanisch
unterstützt, d. h. effektiver positiv beschleunigt, und
damit der Ladedruckaufbau verkürzt und ggf. zu höheren Ladedrücken
hin gesteigert, wobei eine Drehmomentabstützung des Elektromaschinenzweiges 13 über ein
Abgasunterdruck vor der Turbine 2, d. h. am Abgaseinlass 3,
erfolgt. Im Teillastbereich des Verbrennungsmotors kann bedarfsweise
eine vergleichbare elektromechanische Unterstützung abgefordert
werden.
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Bei
einem Überschuss an Abgasenergie, der insbesondere bei Überschreiten
einer so genannten Stopfgrenze anfällt, also beispielsweise
im Volllastbereich, schaltet die Elektromaschine 10 auf
Generatorbetrieb um und stützt sich über den Verdichterzweig 12 ab.
Die Turbine 2 nimmt weiterhin den vollen Abgasstrom auf.
Ein nicht zum Frischluftaufladen des Verbrennungsmotors benötigter
Anteil der Abgasstromenergie wird zum Antrieb des Generators 10 verwendet,
der seinerseits den angeschlossenen Energiespeicher oder gegebenenfalls
angeschlossene elektrische Verbraucher versorgt.
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- 1,
1', 1''
- Abgasturbolader
- 2
- Abgasturbine
- 3
- Abgaseinlass
- 4
- Abgasauslass
- 5
- Strömungsverdichter
- 6
- Frischluftauslass
- 7
- Frischlufteinlass
- 8
- Triebstrang
- 9
- Planetengetriebe
- 10
- Elektromaschine
- 11,
11'
- Turbinenzweig
- 12
- Verdichterzweig
- 13,
13', 13''
- Elektromaschinenzweig
- 14
- Bremseinrichtung
- 15
- Kupplungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 1997/011263
A1 [0005, 0005]
- - DE 69636906 T [0005]
- - EP 0367406 B1 [0006]
- - DE 10152471 A1 [0015]