DE102010011027A1

DE102010011027A1 - Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010011027A1
Application number: DE102010011027A
Authority: DE
Inventors: Stephan Rubbert; Timo Kresse
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: DE102010011027B4

Abstract

Aufladevorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus einer von einem Abgas der Brennkraftmaschine in Drehbewegung antreibbaren, in einem Turbinengehäuse (2) angeordneten Turbinenrad mit einer Turbinenwelle (2') und einem in einem Verdichtergehäuse (3) angeordneten, über eine Verdichterwelle (3') antreibbaren Verdichterrad zur Verdichtung einer, der Brennkraftmaschine zuführbaren Frischluft, wobei die Turbinenwelle (2') und/oder die Verdichterwelle (3') von einer als Antriebsmotor oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine (4) über zumindest eine Maschinenwelle (5) antreibbar sind oder die elektrische Maschine (4) von der Turbinenwelle (2') antreibbar ist und wobei die Maschinenwelle (5) über eine erste Kupplung (6) mit der Turbinenwelle (2') und/oder über eine zweite Kupplung (7) mit der Verdichterwelle (3') verbindbar und lösbar ist. Das erfindungsgemäße System erreicht im Vergleich zu einem konventionellen Abgasturbolader ein besseres Instationärverhalten und einen höheren Wirkungsgrad durch Expansion des gesamten Abgasmassenstroms über der Turbine. Ein Wastegate für die Turbine kann in vorteilhafter Weise entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Aufladevorrichtung mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 3.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 02 414 A1 ist ein Abgasturbolader bekannt, der über eine Vorrichtung verfügt zur Erhöhung der Ladeleistung von Abgasturboladern bei Verbrennungsmotoren im unteren Drehzahlbereich. Die Erhöhung der Ladeleistung von Abgasturboladern bei Verbrennungsmotoren im unteren Drehzahlbereich ist gemäß dieser Offenlegungsschrift dadurch gekennzeichnet, dass die Turboladerwelle mit einem Elektromotor gekoppelt wird, der bei Bedarf (z. B. niedrige Drehzahl, Beschleunigen) über eine Steuereinrichtung aktiviert wird und die Turboladerwelle, unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors beschleunigt und dadurch optimalen Ladedruck aufbaut und gleichzeitig die Gaswechselarbeit des Verbrennungsmotors erleichtert. Weiter weist der Elektromotor eine Freilaufvorrichtung oder mechanische/hydraulische Kupplung auf, die ausgekoppelt und abgestellt werden kann, wenn der Ladedruck durch die Abgasturbine ausreichend aufgebaut ist oder die Drehzahl der Turboladerwelle höher ist als die des Elektromotors.
Ein ähnliches System ist aus dem US-Patent 6,647,724 B1 bekannt, bei dem ein Generator von der Turbine angetrieben und der Verdichter von der elektrischen Maschine angetrieben werden kann. Die von dem Generator erzeugte Energie wird in einem Speicher zwischengespeichert und bei Bedarf wieder abgerufen.
Weiter ist aus der weltweiten Patentanmeldung WO 2008/125552 A1 eine Turboladeranordnung bekannt, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Turboladerstufe, die eine Turbine und einen Verdichter aufweist, welche mechanisch voneinander entkoppelt sind. Weiter weist die Turbine eine erste Welle und der Verdichter eine von der ersten Welle mechanisch entkoppelte zweite Welle auf. Darüber hinaus ist die Turbine über eine erste Welle und/oder ein erstes Getriebe mit einem Generator mechanisch gekoppelt und der Generator ist dazu ausgelegt, aus der Bewegungsenergie der Turbine elektrische Energie zu erzeugen, die wiederum zwischengespeichert oder direkt in ein elektrisches System eingespeist werden kann.
Zusammengefasst kann zum allgemeinen Stand der Technik folgendes gesagt werden:

• Bei konventionellen Aufladesystemen sind die Turbine und der Verdichter üblicherweise starr gekoppelt.
• Bei einer elektrischen Aufladung wird der Verdichter elektrisch angetrieben und die Abgasturbine treibt einen Generator an.
• Beim elektrisch unterstützten, konventionellen Abgasturbolader ist auf der Verbindungswelle zwischen Turbine und Verdichter ein Elektromotor bzw. Generator angeordnet.

Die starre, mechanische Kopplung beim konventionellen Abgasturbolader erfordert eine Ladedruckregelung mit einem Bypassventil, so dass nur ein Teil des Abgasmassenstroms in der Abgasturbine expandiert. Für ein ansatzweise befriedigendes Instationärverhalten ist die Abgasturbine für einen Volllastabgasdurchsatz bei maximaler Leistung zu klein und der Abgasgegendruck ist sehr hoch. Dennoch erfordert der schnelle Aufbau des Ladedrucks weitere Maßnahmen, wie das „Vorspannen” des Abgasturboladers, dies bedeutet das Schließen des Wastegate-Ventils im Teilllastbetrieb der Brennkraftmaschine mit Drosselung des Ladedrucks, was erhebliche Wirkungsgradnachteile verursacht.
Bei der elektrischen Aufladung wird die von der Abgasturbine bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie überführt und anschließend zum Antrieb des Verdichters erneut in mechanische Energie umgewandelt. Diese Energieumwandlung und die erforderliche elektronische Regelung verursachen einen Wirkungsgradnachteil von ca. 15%. Da die gesamte Leistung der Abgasturbine als elektrische Leistung aufgenommen werden soll, ist ein vergleichsweise großer Generator erforderlich und entsprechend ein großer Elektromotor zum Antrieb des Verdichters.
Beim elektrisch unterstützten Abgasturbolader vergrößert der Elektromotor/Generator das Massenträgheitsmoment des gesamten Systems und begrenzt damit die Wirkung des Elektromotors auf das Instationärverhalten. Durch den Direktantrieb des Elektromotors/Generators ist die verfügbare elektrische Leistung begrenzt. Beim Übergang zum Leerlauf- oder Schubbetrieb wird das Gesamtsystem abgebremst und muss anschließend erneut in der Drehzahl hochgefahren werden. Dabei muss neben dem Verdichter auch die Abgasturbine beschleunigt werden, was wiederum zu Wirkungsgradverlusten führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die o. g. Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 1 und verfahrensmäßig mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 3 gelöst.
Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung erreicht im Vergleich zu einem konventionellen Abgasturbolader ein besseres Instationärverhalten und einen höheren Wirkungsgrad durch Expansion des gesamten Abgasmassenstroms über die Abgasturbine. In vorteilhafter Weise kann das Bypassventil (Wastegate) entfallen.
Auch im Vergleich zum elektrischen Aufladesystem ist der Wirkungsgrad höher, da die Energieumwandlung und elektrische Regelung entfällt. Ferner ist nur eine elektrische Maschine erforderlich, die alternierend als Antriebsmotor oder Generator betrieben wird. Da die Antriebsenergie überwiegend direkt von der Abgasturbine auf den Verdichter übertragen wird, kann die elektrische Maschine erheblich kleiner dimensioniert werden als bei der bekannten elektrischen Aufladung.
Im Vergleich zum elektrisch unterstützen Abgasturbolader ist die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung vorteilhafter durch ein geringeres Massenträgheitsmoment und eine höhere verfügbare elektrische Leistung. Beim Übergang in den Leerlauf- oder Schubbetrieb wird nicht die gesamte Aufladevorrichtung abgebremst und die Drehzahl der elektrischen Maschine nimmt nur langsam ab. Beim erneuten Hochfahren der Drehzahl der Aufladevorrichtung wird der Verdichter durch das Massenträgheitsmoment der elektrischen Maschine zusätzlich beschleunigt.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 erlaubt eine Drehzahlanpassung zwischen dem Verdichterrad, dem Turbinenrad und der elektrischen Maschine.
Mit den Verfahren gemäß den Patentansprüchen 3 bis 6 werden die erfindungsgemäßen Vorteile erzielt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
1 zeigt sehr schematisch eine erfindungsgemäße Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
1 zeigt sehr schematisch eine erfindungsgemäße Aufladevorrichtung 1 für eine nicht dargestellt Brennkraftmaschine. Die vorgeschlagene Aufladevorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem nicht dargestellten Verdichterrad mit einer Verdichterwelle 3' in einem Verdichtergehäuse 3, einem nicht dargestellten Turbinenrad mit einer Turbinenwelle 2' in einem Turbinengehäuse 2, sowie einer elektrischen Maschine 4, die einerseits als Elektromotor und andererseits als Generator betreibbar ist. Die elektrische Maschine 4 ist in diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel über ein Getriebe 8 sowie zwei Maschinenwellen 5 mit einer ersten, abgasturbinenseitigen Kupplung 6 und einer zweiten, verdichterseitigen Kupplung 7 in Wirkverbindung. Mit Hilfe dieses Getriebes ist eine Drehzahlanpassung zwischen elektrischer Maschine 4 und Verdichterrad bzw. Abgasturbinenrad möglich. In einem einfacheren Ausführungsbeispiel kann das Getriebe 8 auch entfallen, so dass die Maschinenwelle 5 als durchgehende Welle der elektrischen Maschine 4 mit den zwei Kupplungen 6, 7 in Wirkverbindung steht. Eine Strömungsrichtung des Abgases ist im Bereich des Turbinengehäuses 2 schematisch mit zwei Pfeilen dargestellt, verdichterseitig ist eine Strömungsrichtung der Frischluft ebenfalls mit zwei Pfeilen schematisch dargestellt ist.
Im Instationärbetrieb, beim Übergang vom Leerlauf zum aufgeladenen Betrieb ist erfindungsgemäß zunächst die abgasturbinenseitige Kupplung, die erste Kupplung 6 geöffnet und die verdichterseitige Kupplung, die zweite Kupplung 7 wird geschlossen. Der Verdichter wird mit der elektrischen Maschine 4 in seiner Drehzahl hochgefahren. Dabei kann das Massenträgheitsmoment der elektrischen Maschine 4 zur Beschleunigung des Verdichters eingesetzt werden. Sobald das Abgasturbinenrad eine entsprechende Drehzahl erreicht hat, wird die abgasturbinenseitige Kupplung, die erste Kupplung 6 geschlossen und die Verdichterleistung wird durch die Abgasturbine und die elektrische Maschine 4 erzeugt.
Sobald der gewünschte Ladedruck erreicht ist, wird die Überschussleistung des Abgasturbinenrades durch den als Generator betriebene elektrische Maschine 4 abgenommen und beispielsweise dem Fahrzeuggesamtsystem zur Verfügung gestellt. Dieses Fahrzeuggesamtsystem kann beispielsweise ein elektrischer Speicher (Kondensator, Batterie, etc.) sein oder auch in Form von elektrischer Energie, die von anderen elektrischen Verbrauchern direkt verbraucht wird.
Beim Übergang vom aufgeladenen Betrieb zum Leerlauf oder Schubbetrieb werden beide Kupplungen 5, 6 geöffnet und die elektrische Maschine 4 läuft als Elektromotor/Generator lastfrei.
Das erfindungsgemäße System erreicht im Vergleich zum konventionellen Abgasturbolader ein besseres Instationärverhalten und einen höheren Wirkungsgrad durch Expansion des gesamten Abgasmassenstroms über der Abgasturbine. In vorteilhafter Weise kann das Bypassventil (Wastegate) entfallen.
Auch im Vergleich zum elektrischen Aufladesystem ist der Wirkungsgrad höher, da die Energieumwandlung und die elektrische Regelung entfallen. Ferner ist nur eine elektrische Maschine 4 erforderlich, die alternierend als Antriebsmotor oder Generator betrieben wird. Da die Antriebsenergie überwiegend direkt von der Abgasturbine auf den Verdichter übertragen wird, kann die elektrische Maschine 4 erheblich kleiner dimensioniert werden als bei der bekannten elektrischen Aufladung.
Im Vergleich zum elektrisch unterstützten Abgasturbolader ist die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung 1 vorteilhafter durch ein geringeres Massenträgheitsmoment und eine höhere verfügbare elektrische Leistung. Beim Übergang in den Leerlauf- oder Schubbetrieb wird nicht die gesamte Aufladevorrichtung 1 abgebremst und die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 nimmt nur langsam ab. Beim erneuten Hochfahren bzw. Beschleunigen der Aufladevorrichtung 1 wird der Verdichter durch das Massenträgheitsmoment der elektrischen Maschine 4 zusätzlich beschleunigt.
Bezugszeichenliste

1: Aufladevorrichtung
2: Turbinengehäuse
2': Turbinenwelle
3: Verdichtergehäuse
3': Verdichterwelle
4: elektrische Maschine
5: Maschinenwelle
6: Erste Kupplung
7: Zweite Kupplung
8: Getriebe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4102414 A1 [0002]
US 6647724 B1 [0003]
WO 2008/125552 A1 [0004]

Claims

Aufladevorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus einer von einem Abgas der Brennkraftmaschine in Drehbewegung antreibbaren, in einem Turbinengehäuse (2) angeordneten Turbinenrad mit einer Turbinenwelle (2') und einem in einem Verdichtergehäuse (3) angeordneten, über eine Verdichterwelle (3') antreibbaren Verdichterrad zur Verdichtung einer, der Brennkraftmaschine zuführbaren Frischluft, wobei die Turbinenwelle (2') und/oder die Verdichterwelle (3') von einer als Antriebsmotor oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine (4) über zumindest eine Maschinenwelle (5) antreibbar sind, oder die elektrische Maschine (4) von der Turbinenwelle (2') antreibbar ist und wobei die Maschinenwelle (5) über eine erste Kupplung (6) mit der Turbinenwelle (2') und/oder über eine zweite Kupplung (7) mit der Verdichterwelle (3') verbindbar ist.
Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenwelle (5) über ein Getriebe (8) und einer verdichterseitigen und/oder turbinenseitigen Antriebswelle (5) mit der ersten und/oder der zweiten Kupplung (7) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Aufladevorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – bei einem Übergang von einem Leerlauf zu einem aufgeladenen Betrieb der Brennkraftmaschine – die erste Kupplung (6) geöffnet und die zweite Kupplung (7) geschlossen wird und – das Verdichterrad von der elektrischen Maschine (4) angetrieben wird, – bis das Turbinenrad eine definierte Drehzahl erreicht hat und – anschließend die erste Kupplung (6) geschlossen wird.
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – nach dem Schließen der ersten Kupplung (6) das Verdichterrad von dem Turbinenrad und der elektrischen Maschine (4) angetrieben wird.
Verfahren nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – bei Erreichen eines definierten Ladedrucks die elektrische Maschine (4) auf einen Generatorbetrieb umgestellt wird und – eine Überschussleistung des Turbinenrades einem elektrischen System zugeführt wird.
Verfahren nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – bei einem Übergang von einem aufgeladenen Betrieb zu einem Leerlauf oder Schubbetrieb der Brennkraftmaschine – die erste Kupplung (6) und die zweite Kupplung (7) geöffnet werden und die elektrische Maschine (4) frei läuft.