DE102011108194A1

DE102011108194A1 - Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102011108194A1
Application number: DE102011108194A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Sumser Siegfried Dipl-Ing De
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (18) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftwagens, mit einem ersten Abgasturbolader (20), welcher eine erste Turbine (23) mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbaren ersten Turbinenrad (24) umfasst, und mit einem zweiten Abgasturbolader (38), welcher eine stromab der ersten Turbine (23) angeordnete zweite Turbine (36) mit einem von Abgas antreibbaren zweiten Turbinenrad (40) umfasst, wobei wenigstens einer der Turbinen (23, 36) eine Umgehungseinrichtung (78) zugeordnet ist, mittels welcher das Turbinenrad (24, 40) der der Umgehungseinrichtung (78) zugeordneten Turbine (23, 36) von Abgas zu umgehen ist und welche eine von dem das Turbinenrad (24, 40) der der Umgehungseinrichtung (78) zugeordneten Turbine (23, 36) umgehenden Abgas antreibbare dritte Turbine (82) umfasst, wobei der dritten Turbine (82) zumindest eine Stelleinrichtung (86) zugeordnet ist, mittels welcher Strömungsbedingungen der dritten Turbine (82) für das Abgas variabel einstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 10 2008 064 521 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer, einer Abgasleitung, einem Abgasturbolader, durch den ein für die Aufladung von Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine vorgesehener Verdichter angetrieben wird, und mit einer von der Abgasleitung abgezweigten Bypassleitung, in der eine Nutzturbine angeordnet ist. Dabei zweigt von der Bypassleitung eine Kurzschlussleitung ab und mündet in einen Abgasleitungsabschnitt hinter dem Abgasturbolader. Ferner ist vorgesehen, dass im Abgasleitungsabschnitt hinter dem Abgasturbolader ein erstes Ventil derart positioniert ist, dass aus dem Abgasturbolader ausströmendes Abgas in die Kurzschlussleitung und danach zur Nutzturbine umgeleitet wird.
Der DE 38 07 372 C2 ist ein Verbrennungsmotor als bekannt zu entnehmen, welcher einen zweistufigen Abgasturbolader und eine Nutzturbine umfasst. Es ist eine von den Hochdruckabgasen des Verbrennungsmotors beaufschlagte Hochdruck-Turbine vorgesehen, die mit einem Hochdruckverdichter in Antriebsverbindung steht. Ferner ist eine mit der Hochdruck-Turbine in Reihe nachgeschaltete Niederdruck-Turbine vorgesehen, die über eine Niederdruck-Abgasleitung mit der Hochdruck-Turbine leitend verbunden ist. Ferner ist ein mit dem Hochdruckverdichter über eine Niederdruck-Ladeluftleitung in Reihe vorgeschalteter Niederdruckverdichter vorgesehen, mit dem die Niederdruck-Turbine in Antriebsverbindung steht. Die Nutzturbine ist dazu bestimmt, bei Betriebszuständen, in denen der vom Verbrennungsmotor gelieferte Abgasstrom die Schluckfähigkeit der beiden Ladeturbinen übertrifft, den dann überschüssigen Teil des Abgasstroms in Abtriebsleistung zur Unterstützung des Verbrennungsmotors oder zum Antrieb eines Generators umzusetzen. Beide Brennkraftmaschinen weisen weiteres Potential auf, ihren Kraftstoffverbrauch und damit ihre CO₂-Emissionen zu reduzieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein reduzierter Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens weist einen ersten Abgasturbolader auf. Der erste Abgasturbolader umfasst eine erste Turbine mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren ersten Turbinenrad. Die Aufladeeinrichtung weist ferner einen zweiten Abgasturbolader auf. Der zweite Abgasturbolader umfasst eine zweite Turbine mit einem von Abgas antreibbaren zweiten Turbinenrad. Die zweite Turbine und damit das zweite Turbinenrad sind dabei in Strömungsrichtung des Abgases durch einen Abgastrakt der Aufladeeinrichtung stromab der ersten Turbine bzw. des ersten Turbinenrads angeordnet. Mit anderen Worten ist die zweite Turbine der ersten Turbine in Reihe nachgeschaltet.
Da die erste Turbine das Abgas der Verbrennungskraftmaschine expandiert, liegt bei der zweiten Turbine ein niedrigerer Druck des Abgases an als bei der ersten Turbine. Daher wird die erste Turbine auch als Hochdruck-Turbine bezeichnet, während die zweite Turbine als Niederdruck-Turbine bezeichnet wird. Dazu korrespondierend wird der erste Abgasturbolader auch als Hochdruck-Abgasturbolader bezeichnet, während der zweite Abgasturbolader auch als Niederdruck-Abgasturbolader bezeichnet wird.
Bei der Aufladeeinrichtung ist wenigstens einer der Turbinen eine Umgehungseinrichtung zugeordnet, mittels welcher das Turbinenrad der der Umgehungseinrichtung zugeordneten Turbine von Abgas zu umgehen ist. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad der der Umgehungseinrichtung zugeordneten Turbine von dem umgehenden Abgas nicht beaufschlagt und somit nicht angetrieben wird.
Die Umgehungseinrichtung umfasst dabei eine dritte Turbine, die von dem das Turbinenrad der der Umgehungseinrichtung zugeordneten Turbine umgehenden Abgas antreibbar ist. Mit anderen Worten, wird das Turbinenrad der der Umgehungseinrichtung zugeordneten Turbine mittels der Umgehungseinrichtung von Abgas umgangen, so dass dieses Turbinenrad nicht angetrieben wird, so kann dieses umgehende Abgas die dritte Turbine antreiben.
Erfindungsgemäß ist der dritten Turbine zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet, mittels welcher Strömungsbedingungen der dritten Turbine für das Abgas variabel einstellbar sind. Bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Otto-Motoren, kann es erforderlich sein, Turbinen von Abgasturboladern zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschinen mit relativ kleinen Strömungsquerschnitten zu versehen, über welche jeweilige Turbinenräder der Turbinen vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine angeströmt werden und/oder über welche die Turbinenräder von dem Abgas abgeströmt werden. Dies ist der Fall, um insbesondere Anforderungen hinsichtlich eines agilen Fahrverhaltens sowie hinsichtlich geforderter und stationärer sowie hoher Drehmomente zu erfüllen. Dabei ist ausgehend von niedrigen Drehzahlen und/oder Lasten hin zu höheren Drehzahlen und/oder Lasten der Verbrennungskraftmaschinen eine Strömungsflächenvergrößerung notwendig bzw. wünschenswert, um eine erwünscht hohe Durchsatzspreizung der Turbinen erzeugen zu können. Insbesondere bei Otto-Motoren reichen Eintrittsvariabilitäten, d. h. Stelleinrichtungen zum Beeinflussen von Strömungsbedingungen des die Turbinen antreibenden Abgases am Turbineneintritt nicht für die gesamte Volllastlinie der Verbrennungskraftmaschinen aus, weshalb auch zusätzlich aufgrund der eingeschränkten Durchsatzfähigkeit der Turbinenräder ein nicht kleiner Abblasebereich im Kennfeld notwendig werden kann, indem die Turbinen zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschinen von nicht unerheblichen Mengen an Abgas zu umgehen sind.
Eine solche Strömungsflächenvergrößerung ist bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung durch die Umgebungseinrichtung nötig, bei welcher in bestimmten Betriebspunkten wenigstens ein Umgehungskanal der Umgehungseinrichtung zumindest teilweise fluidisch freigebbar ist. Dadurch kann die der Umgehungseinrichtung zugeordnete Turbine bzw. deren Turbinenrad, die zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine dienen, von einer besonders hohen Abgasmenge umgangen werden. Die Umgehungseinrichtung stellt somit eine Abblaseeinrichtung der Aufladeeinrichtung dar, mittels welcher die Durchsatzspreizung der Aufladeeinrichtung bzw. der zum Aufladen dienenden ersten Turbine und der zweiten Turbine besonders groß gestaltet werden kann. Mittels der Abblaseeinrichtung ist eine bedarfsgerechte Einstellung des Durchsatzparameters der Aufladeeinrichtung ermöglicht. Dadurch ist ein agiles Fahrverhalten sowie ein effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, was ihren Kraftstoffverbrauch sowie ihre CO₂-Emissionen gering hält.
Die zweistufige Aufladung der Verbrennungskraftmaschine durch den ersten Abgasturbolader und den zweiten Abgasturbolader der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung ist insbesondere bei solchen Verbrennungskraftmaschinen vorteilhaft, welche nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip gestaltet sind. Dabei weisen die Verbrennungskraftmaschinen ein relativ geringes Hubvolumen auf und können aufgrund der hohen Aufladung dennoch hohe spezifische Leistungen und Drehmomente bereitstellen.
Dabei kann es jedoch vorkommen, dass die Hochdruck-Turbine schon bei relativ gering größeren Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine bezogen auf die Drehzahl des maximalen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine mit sehr hohen Abblaseraten bzw. bei Bypassierungsraten (Menge des umgehenden Abgases) zu betreiben ist, insbesondere zur Darstellung eines befriedigenden Fahrverhaltens der stark aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine. Aufgrund der relativ geringen Strömungsquerschnitte der Hochdruckturbine, insbesondere bei Dieselmotoren, können Abblaseraten von bis zu 80% im Nennpunkt der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Die Folgen können ein relativ schlechter Ladungswechsel sowie hohe Kraftstoffverbrauche insbesondere in der zweiten Hälfte des Drehzahlbereichs der Verbrennungskraftmaschine bei Überlastung sein.
Um dieser Problematik entgegenzutreten, ist die erwünschte Strömungsflächenvergrößerung mittels der Umgehungseinrichtung bewirkbar, was den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen der der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung zugeordneten Verbrennungskraftmaschine besonders gering hält.
Für den geringen Kraftstoffverbrauch weiterhin vorteilhaft ist es, dass die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung in dem umgehenden Abgas enthaltene Energie nutzt. Die als Abblaseeinrichtung fungierende Umgehungseinrichtung ist ein Element, das normalerweise zur Exergievernichtung dient, um die Drehzahlgrenzen des Turbinenrads der der Umgehungseinrichtung zugeordneten Turbine auf der Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine sowie eine Luftmassenstrom-Grenze auf eine Luftseite der Verbrennungskraftmaschine einzuhalten. Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ermöglicht es nun, die mitunter auch sehr hohen Mengen von umgehendem Abgas zu nutzen, indem die in dem Abgas enthaltene Energie mittels der dritten Turbine rekuperiert und genutzt werden kann.
Dabei ermöglicht die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung eine besonders effiziente Nutzung der in dem umgehenden Abgas enthaltenen Energie, da die Strömungsbedingungen der dritten Turbine für das umgehende Abgas mittels der Verstelleinrichtung variabel einstellbar sind. Mit anderen Worten kann die dritte Turbine durch ihre Stelleinrichtung an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine und damit an unterschiedliche Abblaseraten, d. h. das Turbinenrad der der Umgebungseinrichtung zugeordneten Turbine umgehende Abgasmassenströme bzw. Abgasvolumenströme angepasst werden. Dies bedeutet, dass die dritte Turbine bzw. ihre Strömungsbedingungen sowohl an sehr geringe Abgasmassenströme sowie auch an sehr hohe Abgasmassenströme des umgehenden Abgases angepasst werden kann bzw. können, so dass sie zumindest in nahezu jedem Kennfeldpunkt der Verbrennungskraftmaschine zumindest nahezu optimal betrieben und die in dem umgehenden Abgas enthaltene Energie genutzt werden kann.
Die Stelleinrichtung stellt einen variablen Drallerzeuger dar, mittels welchem ein dem Drallerzeuger nachgeschaltetes drittes Turbinenrad der dritten Turbine zumindest im Wesentlichen optimal von dem umgehenden Abgas angeströmt und somit angetrieben werden kann. So ist es möglich, die in dem umgehenden Abgas enthaltene Energie sowie die Energie des durch den Drallerzeuger erzeugten Strömungsdralls des Abgases effizient in mechanische Arbeit umzuwandeln, um diese anschließend nutzen zu können. Dies hält den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine besonders gering.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Stelleinrichtung als Ventileinrichtung ausgebildet, mittels welcher die Menge des das Turbinenrad der der Umgebungseinrichtung zugeordneten Turbine umgehenden Abgases variabel einstellbar ist. Bevorzugt ist die Menge des umgehenden Abgases ausschließlich mittels der als Ventileinrichtung ausgebildeten Stelleinrichtung einstellbar. Zusätzliche Ventileinrichtungen zum Einstellen des Massenstroms bzw. Volumenstroms des umgehenden Abgases sind somit nicht vorgesehen und nicht vonnöten. Dies hält die Teileanzahl und die Kosten der Aufladeeinrichtung gering. Zudem kann dadurch das Gewicht der Aufladeeinrichtung gering gehalten werde, was wiederum zu einem geringen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine führt.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ist bei einem Otto-Motor, einem Diesel-Motor, einem Diesotto-Motor, einem Gas-Motor sowie bei anderweitigen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen, verwendbar. Bevorzugt sind die erste Turbine und/oder die zweite Turbine und/oder die dritte Turbine als Radialturbine ausgebildet, was den Bauraumbedarf und das Gewicht gering hält.
Die Stelleinrichtung kann dabei als variable Turbinengeometrie der dritten Turbine ausgebildet sein. Beispielsweise ist die variable Turbinengeometrie als Drehschaufler ausgebildet. Dabei sind um jeweilige Drehachsen drehbare Leitschaufeln und/oder Laufradschaufeln in einem Turbineneintrittsbereich der dritten Turbine vorgesehen, mittels welchen die Strömungsbedingungen der dritten Turbine für das umgehende Abgas variabel einstellbar sind. Alternativ ist es möglich, dass die variable Turbinengeometrie (die Stelleinrichtung) als Zungenschieber ausgebildet ist. Der Zungenschieber umfasst eine Mehrzahl von tragflächenförmigen bzw. zungenförmigen Sperrkörpern, welche in Umfangsrichtung des dritten Turbinenrads über dessen Umfang insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Sperrkörper sind dabei um eine Drehachse, um welche auch das dritte Turbinenrad drehbar ist, drehbar, wobei durch Drehen der Sperrkörper ein effektiver Strömungsquerschnitt der dritten Turbine, der von dem umgehenden Abgas zu durchströmen ist, variabel einstellbar ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass die variable Turbinengeometrie als Axialschieber ausgebildet ist. Dabei ist wenigstens ein in axialer Richtung der Turbine verschiebbares Element vorgesehen, mittels welchem der effektive Strömungsquerschnitt der dritten Turbine variabel einstellbar ist. Die variable Turbinengeometrie ermöglicht es somit, den effektiven Strömungsquerschnitt und damit das Durchsatzverhalten der dritten Turbine variabel einstellen zu können, um somit eine besonders große Durchsatzspreizung auch der dritten Turbine realisieren zu können.
Bevorzugt ist die Umgehungseinrichtung mittels der Stelleinrichtung vollständig fluidisch versperrbar. Dies bedeutet, dass die Stelleinrichtung wenigstens eine Stellung aufweist, in der die Umgehungseinrichtung (bis auf etwaige Leckagen) nicht von Abgas durchströmt werden kann. Das Abgas strömt somit zumindest nahezu vollständig durch die erste Turbine. Dadurch weist die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung eine besonders vorteilhafte Anpassbarkeit an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten und insbesondere auch an besonders geringe Abgasmassenströme auf.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Umgehungseinrichtung der ersten Turbine zugeordnet. Dies bedeutet, dass das erste Turbinenrad der ersten Turbine mittels der Umgehungseinrichtung vom Abgas zu umgehen ist. Dadurch kann die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung besonders flexibel an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden. Insbesondere lassen sich dadurch besonders hohe Abblaseraten (d. h. Abgasmengen des zu umgehenden Abgases) darstellen, um ein erwünschtes und vorteilhaftes Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine und damit des durch diese angetriebenen Kraftwagens zu realisieren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei eine erste Einleitstelle, an welcher das das erste Turbinenrad der ersten Turbine umgehende Abgas in den Abgastrakt der Aufnahmeeinrichtung einleitbar ist, stromab des ersten Turbinenrads sowie stromab des zweiten Turbinenrads der zweiten Turbine angeordnet. Dadurch kann eine besonders hohe Druckdifferenz zwischen dem Turbineneintrittsbereich und dem Turbinenaustrittsbereich der dritten Turbine dargestellt werden. Bei dieser Ausführungsform, bei der eine Abzweigstelle, an der das das erste Turbinenrad umgehende Abgas stromauf des ersten Turbinenrads abgezweigt wird und an der erstem Einleitstelle eingeleitet wird, kann somit das Druckverhältnis der dritten Turbine besonders gewichtig beeinflusst werden, so dass diese besonders effizient betrieben werden und besonders hohe Turbinenleistungen bereitstellen kann.
Alternativ oder besonders vorteilhafterweise zusätzlich kann eine weitere Einleitstelle, an welcher das das erste Turbinenrad der ersten Turbine umgehende Abgas in den Abgastrakt der Aufladeeinrichtung einleitbar ist, stromab des ersten Turbinenrads der ersten Turbine und stromauf des zweiten Turbinenrads der zweiten Turbine angeordnet sein. Auch dadurch ist eine vorteilhafte Einflussmöglichkeit geschaffen, das Druckverhältnis der dritten Turbine darzustellen und damit einen effizienten und für die Verbrennungskraftmaschine kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb zu realisieren.
Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn eine Verteileinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Menge des an der ersten Einleitstelle und an der weiteren Einleitstelle in den Abgastrakt einströmenden Abgases einstellbar ist. Dabei ist die Verteileinrichtung beispielsweise als weitere Ventileinrichtung bzw. weitere Abblaseeinrichtung ausgebildet. Die Verteileinrichtung ermöglicht es dabei, das das erste Turbinenrad umgehende und das dritte Turbinenrad antreibende Abgas aufzuteilen bzw. zu verteilen und bedarfsgerecht der ersten Einleitstelle und/oder der weiteren Einleitstelle zuzuteilen.
Beispielsweise ist es möglich, in einer ersten Stellung der Verteileinrichtung lediglich Abgas an der ersten Einleitstelle in den Abgastrakt einströmen zu lassen, während an der weiteren Einleitstelle kein Abgas in den Abgastrakt einströmt. In einer zweiten Stellung ist es beispielsweise möglich, das das dritte Turbinenrad antreibende Abgas lediglich an der weiteren Einleitstelle in den Abgastrakt einströmen zu lassen, während kein umgehendes Abgas an der ersten Einleitstelle in den Abgastrakt einströmt. Ferner kann in wenigstens einer dritten Stellung vorgesehen sein, in der das das dritte Turbinenrad antreibende Abgas teilweise an der ersten Einleitstelle und teilweise an der weiteren Einleitstelle in den Abgastrakt einströmen zu lassen. Dadurch kann mittels der Verteileinrichtung der Gegendruck der dritten Turbine sowie ein Abblasstrom der zweiten Turbine variabel eingestellt werden. Die erste Einleitstelle stellt nämlich bezogen auf die zweite Turbine bzw. deren zweiten Turbinenrad eine weitere Abzweigstelle dar, an welcher Abgas stromab des ersten Turbinenrads und stromauf des zweiten Turbinenrads abgezweigt und an der weiteren Einleitstelle in den Abgastrakt eingeleitet werden kann, wobei dieses abgezweigte Abgas das zweite Turbinenrad nicht antreibt sondern es umgeht.
Dadurch ist durch die Verteileinrichtung eine weitere Umgehungseinrichtung für die zweite Turbine bzw. deren zweites Turbinenrad dargestellt. Durch diese hochvariable Einstellbarkeit ist eine breite Optimierungsbasis der gesamten Aufladeeinrichtung hinsichtlich des Fahrverhaltens der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Verbrauchs- und Emissionsbeeinflussung dargestellt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der dritten Turbine ein von der dritten Turbine antreibbarer Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie zugeordnet. Dadurch ist eine Rückgewinnung (Rekuperation) der in dem das dritte Turbinenrad antreibenden Abgas enthaltenen Energie möglich, indem die Energie mittels der dritten Turbine in mechanische Energie und die mechanische Energie mittels des Generators in elektrische Energie umgewandelt wird. Dadurch kann elektrische Energie gewonnen werden, und zwar ohne zur Gewinnung der elektrischen Energie zusätzlichen Kraftstoff aufwenden und mittels der Verbrennungskraftmaschine verbrennen zu müssen. Die so gewonnene elektrische Energie kann dann zum Betreiben wenigstens eines elektrischen Verbrauchers genutzt werden. So kann der Verbraucher betrieben werden, ohne zusätzlichen Kraftstoff aufwenden zu müssen. Dadurch weißt die Verbrennungskraftmaschine einen besonders geringen Kraftstoffverbrauch auf, was mit besonders geringen CO₂-Emissionen einhergeht.
Bevorzugt ist dem Generator ein Starter-Generator zum Starten der Verbrennungskraftmaschine als ein elektrischer Verbraucher zugeordnet, welcher mit der elektrischen Energie des Generators versorgbar ist. Der Starter-Generator ist beispielsweise mit einer Abtriebswelle, insbesondere einer Kurbelwelle, der Verbrennungskraftmaschine drehfest verbindbar, beispielsweise über eine Kopplungseinrichtung, bzw. verbunden. So ist zum Starten der Verbrennungskraftmaschine die Abtriebswelle derselbigen von dem Starter-Generator antreibbar, bis in wenigstens einem Brennraum, insbesondere Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine Verbrennungsvorgänge ablaufen können und die Verbrennungskraftmaschine ohne Zutun des Starter-Generators betrieben werden kann. Dieses als Anlassen der Verbrennungskraftmaschine bezeichnete Starten kann dabei mit elektrischer Energie erfolgen, welche aus dem Abgas rekuperiert wurde. Dies hält den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen gering.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dem Generator wenigstens ein elektrischer Verbraucher zugeordnet, welcher zumindest im Wesentlichen direkt mit der elektrischen Energie des Generators versorgbar ist. Dies bedeutet, dass der elektrische Verbraucher ohne Zwischenspeicherung der elektrischen Energie in einer entsprechenden Speichereinrichtung, beispielsweise einer Batterie, mit elektrischer Energie versorgbar ist. So kann die mittels des Generators gewonnene elektrische Energie direkt und wirkungsgradgünstig genutzt werden, um den elektrischen Verbraucher zu betreiben. Dabei ist es nicht notwendig und nicht vorgesehen, weiteren Kraftstoff durch die Verbrennungskraftmaschine zum Betreiben des elektrischen Verbrauchers zu verbrennen. Auch dies hält den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine gering.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Prinzipdarstellung einer als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine mit einer zweistufigen Aufladeeinrichtung, welche einen ersten Abgasturbolader mit einer ersten Turbine sowie einen zweiten Abgasturbolader mit einer zweiten Turbine umfasst, wobei der ersten Turbine eine Umgehungseinrichtung zugeordnet ist, die eine dritte Turbine mit einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen von Strömungsbedingungen der dritten Turbine umfasst;
2 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine mit der zweistufigen Aufladeeinrichtung gemäß 1; und
3 eine schematische Längsschnittansicht einer möglichen Ausführungsform der dritten Turbine der Umgebungseinrichtung gemäß den 1 und 2.
Die 1 zeigt eine als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 mit vier Zylindern 12. Die Verbrennungskraftmaschine 10 dient dabei zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Hybridfahrzeugs. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 saugt diese Luft aus der Umgebung an. Die Luft durchströmt zunächst einen in einem Ansaugtrakt 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordneten Luftfilter 16, mittels welchem die Luft gereinigt wird.
Zur Darstellung einer zweistufigen Aufladung der Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine Aufladeeinrichtung 18 vorgesehen. Die Aufladeeinrichtung 18 ermöglicht dabei eine besonders starke Aufladung der Verbrennungskraftmaschine 10, so dass diese besonders ausgeprägt nach dem sog. Downsizing-Prinzip ausgebildet werden kann. So weist die Verbrennungskraftmaschine 10 ein nur sehr geringes Gewicht und ein geringes Hubvolumen auf, kann infolge der starken Aufladung jedoch besonders hohe spezifische Drehmomente und Leistungen bereitstellen. Die Aufladeeinrichtung 18 umfasst einen ersten Abgasturbolader 20, der eine in einem Abgastrakt 22 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnete erste Turbine 23 mit einem ersten Turbinenrad 24 umfasst.
Während des verbrennungsmotorischen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 wird aus Verbrennungsvorgängen, die in den Zylindern 12 ablaufen, resultierendes Abgas durch einen in dem Abgastrakt 22 angeordneten Abgaskrümmer 26 gesammelt und über Abgasverrohrungen 28 zu der ersten Turbine 23 geführt. So kann das erste Turbinenrad 24 der ersten Turbine 23 von dem Abgas angeströmt und angetrieben werden.
Das erste Turbinenrad 24 ist dabei in einem ersten Turbinengehäuse der ersten Turbine 23 um eine erste Drehachse 29 relativ zu dem ersten Turbinengehäuse drehbar gelagert. Das erste Turbinenrad 24 ist dabei mit einer ersten Welle 30 des ersten Abgasturboladers 20 drehfest verbunden. Mit der ersten Welle 30 ist auch ein erstes Verdichterrad 32 eines ersten Verdichters 34 des ersten Abgasturboladers 20 drehfest verbunden, so dass das erste Verdichterrad 32 und damit der erste Verdichter 34 von der ersten Turbine 23 angetrieben werden kann. Dadurch wird die von der Verbrennungskraftmaschine 10 angesaugte Luft verdichtet.
Nach dem Durchströmen der ersten Turbine 23 und dem Antreiben des ersten Turbinenrads 24 wird das Abgas mittels der Abgasverrohrungen 28 zu einer zweiten Turbine 36 eines zweiten Abgasturboladers 38 der Aufladeeinrichtung 18 geführt. Auch die zweite Turbine 36 weist ein zweites Turbinenrad 40 auf, welches in einem zweiten Turbinengehäuse der zweiten Turbine 36 um eine zweite Drehachse 42 relativ zu dem zweiten Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Das zweite Turbinenrad 40 ist dabei mit einer zweiten Welle 44 des zweiten Abgasturboladers 38 drehfest verbunden. Mit der zweiten Welle 44 ist auch ein zweites Verdichterrad 46 eines zweiten Verdichters 48 des zweiten Abgasturboladers 38 drehfest verbunden, so dass das zweite Verdichterrad 46 und damit der zweite Verdichter 48 über die zweite Welle 44 von der zweiten Turbine 36 angetrieben werden kann. Auch dadurch ist die angesaugte Luft zu verdichten.
Da der zweite Verdichter 48 in Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 14 stromauf des ersten Verdichters 34 angeordnet ist, wird die Luft zunächst auf einer ersten Stufe durch den zweiten Verdichter 48 und anschließend auf einer zweiten Stufe durch den ersten Verdichter 34 verdichtet. Dadurch ist die zweistufige Aufladung der Verbrennungskraftmaschine 10 realisiert.
Stromauf der ersten Turbine 23 bzw. des ersten Turbinenrads 24 herrscht in dem Abgastrakt 22 ein erster Druck p_3H des Abgases. Mittels der ersten Turbine 23 wird das Abgas expandiert, so dass in dem Abgastrakt 22 stromab der ersten Turbine 23 bzw. des ersten Turbinenrads 24 und stromauf der zweiten Turbine 36 bzw. des zweiten Turbinenrads 40 ein zweiter Druck p_3N herrscht, welcher geringer ist als der erste Druck P_3H. Daher wird die erste Turbine 23 auch als Hochdruck-Turbine bezeichnet, während die zweite Turbine 36 als Niederdruck-Turbine bezeichnet wird. Entsprechend wird der erste Abgasturbolader 20 als Hochdruck-Abgasturbolader bezeichnet, während der zweite Abgasturbolader 38 als Niederdruck-Abgasturbolader bezeichnet wird. Der die erste Turbine 23 durchströmende effektive Abgasmassenstrom wird auch als erster Durchsatzparameter Φ_TH,ATL bezeichnet. Entsprechend dazu wird der die zweite Turbine 36 durchströmende effektive Abgasmassenstrom auch als zweiter Durchsatzparameter Φ_TH,ATL bezeichnet.
Auf Seiten des Ansaugtrakts 14 weist die aus der Umgebung angesaugte Luft stromauf des zweiten Verdichters 48, welcher als Niederdruck-Verdichter bezeichnet wird, den dritten Druck p₁ auf, der Umgebungsdruck ist. Durch die Verdichtung mittels des zweiten Verdichters 48 wird die Luft auf einen demgegenüber höheren vierten Druck p_2N auf der ersten Stufe verdichtet. Durch die Verdichtung auf der zweiten Stufe mittels des ersten Verdichters 34 wird die Luft auf einen demgegenüber wiederum höheren fünften Druck p_2H verdichtet. Dabei wird der erste Verdichter 34 auch als Hochdruck-Verdichter bezeichnet.
Stromab des ersten Verdichters 34 ist in dem Ansaugtrakt 14 ein Ladeluftkühler 50 angeordnet, mittels welchem die zweistufig verdichtete und dadurch erwärmte Luft zu kühlen ist. Durch diese Kühlung weist die Luft ihren Ladedruck p_2s auf. Die auf diesen Ladedruck p_2s verdichtete Luft wird mittels eines in dem Ansaugtrakt 14 angeordneten Ladeluftverteilers 52 auf die Zylinder 12 verteilt.
Die erste Turbine 23 und die zweite Turbine 36 sind beispielsweise als sogenannte Festgeometrieturbinen ausgebildet. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die erste Turbine 23 und/oder die zweite Turbine 36 als sogenannte Varioturbinen ausgebildet sind und eine jeweilige Stelleinrichtung umfassen, mittels welcher Strömungsbedingungen der ersten Turbine 23 bzw. der zweiten Turbine 36 für das entsprechend durchströmende Abgas variabel einstellbar sind. Bei einer solchen Stelleinrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Axialschieber, einen Zungenschieber oder einen Drehschaufler. Mittels einer solchen Stelleinrichtung ist es möglich, die erste Turbine 23 bzw. die zweite Turbine 36 variabel und bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 und damit an unterschiedliche Abgasmassenströme anzupassen, so dass ein besonders effizienter und besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb der ersten Turbine 23 bzw. der zweiten Turbine 36 möglich ist. Dadurch kann die beispielsweise als Diesel-Motor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 besonders effizient mit einem nur geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden, woraus geringe CO₂-Emissionen resultieren.
Darüber hinaus umfasst die Aufladeeinrichtung 18 eine Abgasrückführungseinrichtung 54, die eine Abgasrückführleitung 56 umfasst. Die Abgasrückführleitung 56 ist dabei auf Seiten des Abgastrakts 22 an einer ersten Abzweigstelle 58 fluidisch mit den Abgasverrohrungen 28 verbunden. An der ersten Abzweigstelle 58 kann Abgas aus dem Abgastrakt 22 abgezweigt und zu dem Ansaugtrakt 14 rückgeführt werden. Dazu ist die Abgasrückführleitung 56 an einer ersten Einleitstelle 60 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 14 verbunden. Die erste Einleitstelle 60 kann auch als Mischstelle M bezeichnet werden, da an der ersten Einleitstelle 60 bzw. an der Mischstelle M das vom Abgastrakt 22 dem Ansaugtrakt 14 rückgeführte und in den Ansaugtrakt 14 eingeleitete Abgas mit der angesaugten und verdichtenden Luft vermischt wird. Durch die so dargestellte Abgasrückführung können insbesondere die Stickoxyd-Emissionen (NO_x-Emissionen) der Verbrennungskraftmaschine 10 sowie ihre Partikel-Emissionen gering gehalten werden.
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die erste Abzweigstelle 58 dabei stromauf der ersten Turbine 23 sowie stromauf der zweiten Turbine 36 angeordnet. Somit handelt es sich bei der durch die Abgasrückführungseinrichtung 54 bereitgestellten Abgasrückführung um eine Hochdruck-Abgasrückführung, bei welcher das Abgas unter hohem Druck zum Ansaugtrakt 14 rückgeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Niederdruck-Abgasrückführung mittels einer Niederdruck-Abgasrückführungsrichtung darstellbar. Die Niederdruck-Abgasrückführung umfasst beispielsweise wenigstens eine weitere Abgasrückführleitung, welche stromab der ersten Turbine 23 und stromauf der zweiten Turbine 36 oder stromab der ersten Turbine 23 und stromab der zweiten Turbine 36 fluidisch mit dem Abgastrakt 22 verbunden ist. Die weitere Abgasrückführleitung ist dabei beispielsweise auf Seiten des Ansaugtrakts 14 stromab des zweiten Verdichters 48 und stromauf des ersten Verdichters 34 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 14 verbunden.
In der Abgasrückführleitung 56 ist ein Abgasrückführventil 62 angeordnet, mittels welchem eine Menge des rückzuführenden Abgases variabel eingestellt werden kann. In Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases durch die Abgasrückführleitung 56 ist stromab des Abgasrückführventils 62 ein Abgasrückführkühler 64 der Abgasrückführungseinrichtung 54 angeordnet. Mittels des Abgasrückführkühlers 64 kann das rückzuführende Abgas gekühlt werden.
Zum Steuern bzw. Regeln des Abgasrückführventils 62 sowie der gegebenenfalls vorgesehenen Stelleinrichtung der zweiten Turbine 36 ist eine Regelungseinrichtung 66 der Aufladeeinrichtung 18 vorgesehen.
Nach dem Antreiben der zweiten Turbine 36 ist das Abgas auf einen gegenüber dem zweiten Druck p_3N auf einen sechsten Druck p₄ expandiert. Zum Reinigen des Abgases ist wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 68 vorgesehen.
In der Abgasrückführleitung 56 ist stromab des Abgasrückführkühlers 64 und stromauf der ersten Einleitstelle 60 ein Druckmodulator 70 vorgesehen, mittels welchem Druckschwingungsanregungen, verursacht durch Auslasspulsationen der Verbrennungskraftmaschine 10, in der Abgasrückführleitung 56 so weit moduliert und reduziert werden, dass im Bereich der ersten Einleitstelle 60 keine oder nur sehr geringe wirksame Anregungsintensitäten mehr vorhanden sind. Der Druckmodulator 70 umfasst dabei ein Dämpfungsvolumen 72 sowie einen angepassten effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blonde, gebildeten Zuströmquerschnitt 74 sowie einen angepassten effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten Abströmquerschnitt 76. Der Zuströmquerschnitt 74 und der Abströmquerschnitt 76 verursachen in Verbindung mit der Größe des Dämpfungsvolumens 72 eine starke Dämpfung der Druckschwingungen und damit von Druckpulsationen an der Einleitstelle 60.
Wie der 1 ferner zu entnehmen ist, ist der ersten Turbine 23 eine Umgehungseinrichtung 78 mit einer ersten Umgehungsleitung 80 zugeordnet. Die erste Umgehungsleitung 80 ist dabei an einer zweiten Abzweigstelle A fluidisch mit den Abgasverrohrungen 28 verbunden. Ferner ist die erste Umgehungsleitung 80 an einer zweiten Einleitstelle B fluidisch mit den Abgasverrohrungen 28 verbunden. Dabei ist die zweite Abzweigstelle A stromauf des ersten Turbinenrads der ersten Turbine 23 angeordnet, während die zweite Einleitstelle B stromab des ersten Turbinenrads 24 und stromauf des zweiten Turbinenrads 40 angeordnet ist. Dadurch kann Abgas an der zweiten Abzweigstelle A stromauf des ersten Turbinenrads 24 abgezweigt werden, so dass das abgezweigte Abgas das erste Turbinenrad 24 umströmen und somit nicht beaufschlagen und nicht antreiben kann. Das abgezweigte Abgas wird auch als Abblasemenge m_Abbl bezeichnet.
Die Umgehungseinrichtung 78 umfasst dabei eine dritte Turbine 82, die ein drittes Turbinenrad 84 aufweist. Dem dritten Turbinenrad 84 ist dabei über die erste Umgehungsleitung 80 das abgezweigte Abgas zuführbar, so dass das dritte Turbinenrad 84 von dem abgezweigten bzw. von dem das erste Turbinenrad 24 umgehenden Abgas angeströmt und so angetrieben werden kann.
Die dritte Turbine 82 umfasst dabei eine variable Turbinengeometrie 86, welche eine Stelleinrichtung der dritten Turbine 82 darstellt. Mittels der variablen Turbinengeometrie 86 (Stelleinrichtung) sind Strömungsbedingungen der dritten Turbine 82 für das die Turbine 82 durchströmende und antreibende Abgas variabel einstellbar. Mittels der variablen Turbinengeometrie 86 kann die dritte Turbine 82 bedarfsgerecht und variabel auf unterschiedliche, das erste Turbinenrad 24 umgehende Abgasmassenströme angepasst werden, so dass ein besonders effizienter und wirkungsgradgünstiger Betrieb der dritten Turbine 82 möglich ist. Dies kommt wiederum dem geringen Kraftstoffverbrauch und den geringen CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 zugute. Zum Steuern bzw. Regeln der variablen Turbinengeometrie 86 ist diese mit der Regelungseinrichtung 66 gekoppelt.
Die variable Turbinengeometrie 86 ermöglicht es dabei, dass das dritte Turbinenrad 84 besonders strömungsgünstig von dem das erste Turbinenrad 24 umgehenden Abgas angeströmt wird. Dadurch und aufgrund der bedarfsgerechten Verstellbarkeit der variablen Turbinengeometrie 86 stellt die variable Turbinengeometrie 86 ein aktives Drallventil dar, welches strömungstechnisch parallel zur Hochdruck-Turbine (erste Turbine 23) angeordnet ist. Die variable Turbinengeometrie 86 fungiert dabei als Ventileinrichtung, mittels welcher die Menge des das erste Turbinenrad 24 umgehenden Abgases einstellbar ist. Diese das erste Turbinenrad 24 umgehende Menge des Abgases ist dabei die die dritte Turbine 82 durchströmende Abgasmenge, welche als effektive Abblasemenge oder auch als dritter Durchsatzparameter Φ_T,Abbl bezeichnet wird. Somit sind keine weiteren Ventileinrichtungen zum Einstellen der Abblasemenge vorgesehen und vonnöten, was den Teileanteil, das Gewicht und den Bauraumbedarf der Aufladeeinrichtung 18 gering hält.
Vorteilhafterweise kann die erste Umgehungsleitung 80 mittels der variablen Turbinengeometrie 86 (bis auf etwaige Leckagen) zumindest im Wesentlichen vollständig fluidisch versperrt werden, so dass die erste Umgehungsleitung 80 nicht mehr von Abgas durchströmt werden kann. Somit kommt das aktive Drallventil einer voll verschließbaren variablen Turbine gleich, die weitgehend die Querschnittöffnungsfunktionen eines Abblaseventils besitzt.
Das aktive Drallventil ist gegebenenfalls an Otto-Motoren mit Abgastemperaturen von bis zu 1.100°C und an Diesel-Motoren bis zu 800°C anzupassen, um eine erwünschte Funktionsfähigkeit auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zu gewährleisten und um eine erwünschte Strömungsflächenspreizung von dem zumindest im Wesentlichen vollständigen fluidischen Versperren der ersten Umgehungsleitung 80 bis zum Freigeben eines Strömungsquerschnittes der ersten Umgehungsleitung 80 von bis zu mehr als dem halben effektiven Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 23 zu ermöglichen. Um diese hohen Abgastemperaturen werkstoffseitig zu beherrschen, ist bevorzugt eine Keramifizierung der dritten Turbine 82 und insbesondere ihrer variablen Turbinengeometrie 86 vorgesehen. Dabei kann insbesondere das dritte Turbinenrad 84 keramifiziert und beispielsweise aus Si₃N₄ gebildet sein. Ebenso möglich ist es, Leitelemente wie beispielsweise Drallgitterteile sowie Gehäuseteile der dritten Turbine 82 zumindest im Wesentlichen aus einer Keramik zu bilden. Diese Keramifizierung ist dabei auch ohne weiteres auf die erste Turbine 23 und/oder auf die zweite Turbine 36 anzuwenden, so dass auch die erste Turbine 23 und die zweite Turbine 36 die hohen Abgastemperaturen auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen können.
Um die in der Abblasemenge enthaltene Energie nutzen zu können, ist der dritten Turbine 82 ein Generator 88 zugeordnet. Zum Antreiben des Generators 88 ist eine Eingangswelle 90 des Generators 88 drehfest mit dem dritten Turbinenrad 84 verbunden, so dass das von der Abblasemenge angetriebene dritte Turbinenrad 84 über die Eingangswelle 90 den Generator 88 antreiben kann. Dadurch wird die in der Abblasemenge enthaltene Energie zunächst mittels des dritten Turbinenrads 84 in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird dem Generator 88 über die Eingangswelle 90 zugeführt, wobei der Generator 88 dann die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dadurch ist es möglich, die in der Abblasemenge enthaltene Energie zu rekuperieren und zu nutzen, was dem geringen Kraftstoffverbrauch und dem geringen CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 zugute kommt. Die gewonnene elektrische Energie wird beispielsweise einer Elektronik 92 des Generators 88 und über die Elektronik 92 einer Speichereinrichtung wie beispielsweise einer Batterie 94 zugeführt. Die elektrische Energie kann somit in der Batterie 94 gespeichert und dann abgerufen und beispielsweise wenigstens einem elektrischen Verbraucher 96 zugeführt werden, wenn der Bedarf daran besteht. So ist es möglich, den wenigstens einen elektrischen Verbraucher 96 mit elektrischer Energie bedarfsgerecht zu versorgen, ohne zum Versorgen des elektrischen Verbrauchers 96 mit elektrischer Energie zusätzlichen Kraftstoff aufwenden und mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 verbrennen zu müssen.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den wenigstens einen elektrischen Verbraucher 96 zumindest im Wesentlichen direkt mit dem Generator 88 bzw. mit der Elektronik 92 zu koppeln, so dass dem elektrischen Verbraucher 96 die gewonnene elektrische Energie zumindest im Wesentlichen direkt, d. h. ohne Zwischenspeicherung in der Batterie 94, zugeführt werden kann.
Der elektrische Verbraucher 96 ist beispielsweise als Starter-Generator ausgebildet, mittels welchem die Verbrennungskraftmaschine 10 zu starten ist. Dazu ist der Starter-Generator beispielsweise mit einer Kurbelwelle 98 der Verbrennungskraftmaschine 10 gekoppelt oder über eine Kupplungseinrichtung koppelbar. Durch diese Kopplung bzw. Koppelbarkeit ist es auch möglich, den Starter-Generator als Elektromotor zu nutzen, um mittels des Starter-Generators in einem Motorbetrieb den Kraftwagen elektrisch und damit emissionslos anzutreiben. Darüber hinaus ist durch die Kopplung bzw. Koppelbarkeit des Starter-Generators mit der Kurbelwelle 98 der Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise eine sogenannte Lastpunktverschiebung der Verbrennungskraftmaschine 10 darstellbar, so dass diese zumindest im Wesentlichen stets in verbrauchsgünstigen Kennfeldpunkten ihres Kennfelds betrieben werden kann.
Vorteilhafterweise ist der Generator 88 thermisch isoliert und/oder mit einer Flüssigkeitskühlung versehen, so dass er vor einer allzu hohen thermischen Belastung geschützt ist. Die Eingangswelle 90 wird unter dem Gesichtspunkt der Wärmeleitung hinsichtlich eines minimalen Wärmeflusses von der Werkstoffseite wie auch von der geometrischen Festlegung des Rad-Wellen-Verbandes des dritten Turbinenrads 84 mit der Eingangswelle 90 optimiert. Analoges kann auf die erste Welle 30 und/oder die zweite Welle 44 und deren jeweilige Verbindung mit dem ersten Turbinenrad 24 bzw. mit dem zweiten Turbinenrad 40 zutreffen.
Die 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform der dritten Turbine 82. Dabei ist das beispielsweise aus einer Keramik gebildete dritte Turbinenrad 84 in einem dritten Turbinengehäuse 100 der dritten Turbine 82 drehbar aufgenommen. Wie bei der ersten Turbine 23 und der zweiten Turbine 36 handelt es sich bei der dritten Turbine 82 um eine Radialturbine. Entsprechend handelt es sich bei dem ersten Verdichter 34 und dem zweiten Verdichter 48 um einen Radialverdichter.
Wie der 3 zu entnehmen ist, ist die Eingangswelle 90 drehfest mit einem Rotor des Generators 88 verbunden, welcher zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie mit einem Stator des Generators 88 zusammenwirkt. Zum Antreiben des Generators 88 wird ein Spiralkanal 102 des dritten Turbinengehäuses 100 von Abgas durchströmt. Das Abgas weist stromauf der dritten Turbine 82 einen siebten Druck p_3Ht und eine Temperatur T_3Ht auf. Nach Antreiben des dritten Turbinenrads 84 weist das Abgas, je nach Anordnung der zweiten Einleitstelle B, den zweiten Druck p_3N oder den sechsten Druck p₄ auf.
Die variable Turbinengeometrie 86 der dritten Turbine 82 ist beispielsweise durch einen sogenannten Axialschieber dargestellt, welcher ein stromauf des dritten Turbinenrads 84 angeordnetes Leitgitter sowie ein in Axialeinrichtung des dritten Turbinenrads 84 verschiebbares Abdeckelement umfasst. Das Abdeckelement dient dabei dazu, einen effektiven Strömungsquerschnitt stromauf des dritten Turbinenrads 84 variabel einstellen zu können, indem er beispielsweise das Leitgitter abdecken und demgegenüber freigegeben kann. In einer Schließposition ist der Strömungsquerschnitt stromauf des dritten Turbinenrads 84 der dritten Turbine 82 auf ein Minimum, insbesondere auf Null (bis auf etwaige Leckagen), reduziert, sodass zumindest im Wesentlichen kein Abgas die dritte Turbine 82 durchströmen und das erste Turbinenrad 24 umgehen kann.
Zur Darstellung der Flüssigkeitskühlung, insbesondere Wasserkühlung, des Generators 88 weist ein Gehäuse 104 des Generators 88 einen Anschlussstutzen 106 auf, über welchen Kühlkanäle 108 des Gehäuses 104 mit dem Wasser zur Kühlung des Generators 88 versorgt werden können.
Wird das aktive Drallventil, welches auch als aktive Abblaseventil bezeichnet wird, zumindest teilweise geöffnet, so dass Abgas die erste Umgehungsleitung 80 durchströmen kann, so wird das erste Turbinenrad 24 von Abgas umgangen, d. h. bypassiert. Der Massenstrom des das erste Turbinenrad 24 umgehenden Abgases wird dabei durch den mittels der variablen Turbinengeometrie 86 einstellbaren engsten Strömungsquerschnitt der dritten Turbine 82 eingestellt, der vorteilhafterweise direkt vor dem dritten Turbinenrad 84 angeordnet ist. Dieser variabel einstellbare, engste und effektive Strömungsquerschnitt, welcher auch als engster Turbineneintrittsquerschnitt bezeichnet wird, stromauf des dritten Turbinenrads 84 kann über den Axialschieber (3) sowie über einen Drehschaufler oder einen Zungenschieber dargestellt werden.
In der 2 ist eine dritte Einleitstelle C dargestellt, an welcher die Abblasemenge wieder in die Abgasverrohrungen 28 des Abgastrakts 22 eingeleitet werden kann. Die dritte Einleitstelle C ist dabei stromab der ersten Turbine 23 bzw. des ersten Turbinenrads 24 sowie stromab der zweiten Turbine 36 bzw. des zweiten Turbinenrads 40 angeordnet. Durch diese Anordnung kann das Druckverhältnis der dritten Turbine 82 über die dritte Einleitstelle C gewichtig beeinflusst werden.
Die dritte Einleitstelle C kann dabei alternativ zur zweiten Einleitstelle B vorgesehen sein. Ferner besteht die in der 2 gezeigte Möglichkeit, sowohl die dritte Einleitstelle C als auch die zweite Einleitstelle B vorzusehen. Dabei ist eine Verzweigungsstelle VZ vorgesehen, von welcher aus das Abgas zur zweiten Einleitstelle B und/oder zur dritten Einleitstelle C strömen kann. Es kann ein Abblasventil 110 in Strömungsrichtung von der Verzweigungsstelle VZ zur dritten Einleitstelle C zwischen der dritten Einleitstelle C und der Verzweigungsstelle VZ vorgesehen sein, mittels welchem der Gegendruck der dritten Turbine 82 sowie ein Abblasstrom bzw. eine Abblasemenge der zweiten Turbine 36 (Niederdruck-Turbine) variabel eingestellt werden kann. Wie der 2 zu entnehmen ist, stellt die fluidische Verbindung der Verzweigungsstelle VZ mit der dritten Einleitstelle C eine weitere Umgehungseinrichtung 112 mit einer weiteren Umgehungsleitung 114 dar, über welche auch die zweite Turbine 36 von Abgas umgangen, d. h. bypassiert, werden kann, so dass das zweite Turbinenrad 40 nicht von diesem umgehenden Abgas angetrieben wird. Dadurch ist eine breite Optimierungsbasis des Gesamtsystems hinsichtlich des Fahrverhaltens der Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. der Verbrauchs- und Emissionsbeeinflussung ermöglicht.
In der 2 ist eine dritte Umgehungseinrichtung 116 erkennbar, welche dem Hochdruck-Verdichter (erster Verdichter 34) zugeordnet ist. Die dritte Umgehungseinrichtung 116 umfasst eine dritte Umgehungsleitung 118, über welche der Hochdruck-Verdichter von Luft zu umgehen ist, so dass diese umgehende Luft nicht von dem Hochdruck-Verdichter auf der zweiten Stufe verdichtet wird. Dadurch ist eine Bypassierung des ersten Verdichters 34 gegeben, die besonders im Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine 10 über einem Drittel der Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10 große Bedeutung gewinnt. Dadurch ist es vermieden, dass die Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine 10 durch enge Verdichterquerschnitte des Hochdruck-Verdichters behindert wird. In dieser Phase wird die variable Turbinengeometrie 86 der dritten Turbine 82 durch eine weite Öffnung des engsten Strömungsquerschnitts der dritten Turbine 82 die Leistungsabgabe der parallel dazu angeordneten Hochdruck-Turbine so weit als möglich absenken, damit eine Ventilation des Hochdruck-Verdichters während seiner Bypassierung nicht allzu große Verluste erzeugen kann.
Die Aufladeeinrichtung 18 bei integrierter variabler dritter Turbine 82 mit dem Generator 88 bietet im Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10 viele Optionen, gerade bei der als Diesel-Motor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 einen Luftüberschuss hinsichtlich optimaler Verbrennung sowie die Stromlieferung über den Generator 88 entsprechend dem Bedarf in die eine wie in die andere Richtung optimal einzustellen.
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 102008064521 A1 [0002]
DE 3807372 C2 [0003]

Claims

Aufladeeinrichtung (18) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftwagens, mit einem ersten Abgasturbolader (20), welcher eine erste Turbine (23) mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbaren ersten Turbinenrad (24) umfasst, und mit einem zweiten Abgasturbolader (38), welcher eine stromab der ersten Turbine (23) angeordnete zweite Turbine (36) mit einem von Abgas antreibbaren zweiten Turbinenrad (40) umfasst, wobei wenigstens einer der Turbinen (23, 36) eine Umgehungseinrichtung (78) zugeordnet ist, mittels welcher das Turbinenrad (24, 40) der der Umgehungseinrichtung (78) zugeordneten Turbine (23, 36) von Abgas zu umgehen ist und welche eine von dem das Turbinenrad (24, 40) der der Umgehungseinrichtung (78) zugeordneten Turbine (23, 36) umgehenden Abgas antreibbare dritte Turbine (82) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der dritten Turbine (82) zumindest eine Stelleinrichtung (86) zugeordnet ist, mittels welcher Strömungsbedingungen der dritten Turbine (82) für das Abgas variabel einstellbar sind.
Aufladeeinrichtung (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (86) als Ventileinrichtung ausgebildet ist, mittels welcher die Menge (Φ_T,Abbl) des das Turbinenrad (24, 40) der der Umgehungseinrichtung (78) zugeordneten Turbine (23, 36) umgehenden Abgases einstellbar ist.
Aufladeeinrichtung (18) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungseinrichtung (78) der ersten Turbine (23) zugeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (18) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Einleitstelle (B), an welcher das das erste Turbinenrad (24) der ersten Turbine (23) umgehende Abgas in einen Abgastrakt (22) der Aufladeeinrichtung (18) einleitbar ist, stromab des ersten Turbinenrads (34) und stromauf des zweiten Turbinenrads (40) angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (18) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Einleitstelle (C), an welcher das das erste Turbinenrad (24) der ersten Turbine (23) umgehende Abgas in einen Abgastrakt (22) der Aufladeeinrichtung (18) einleitbar ist, stromab des ersten Turbinenrads (24) und stromab des zweiten Turbinenrads (40) angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (18) nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteileinrichtung (110) vorgesehen ist, mittels welcher die Menge des an der ersten Einleitstelle (B) und an der weiteren Einleitstelle (C) in den Abgastrakt (22) einströmenden Abgases einstellbar ist.
Aufladeeinrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritten Turbine (82) ein von der dritten Turbine (82) antreibbarer Generator (88) zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie zugeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (18) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (88) ein Starter-Generator (96) zum Starten der Verbrennungskraftmaschine (10) als ein elektrischer Verbraucher (96) zugeordnet ist, welcher mit der elektrischen Energie des Generators (88) versorgbar ist.
Aufladeeinrichtung (18) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (88) ein elektrischer Verbraucher (96) zugeordnet ist, welcher zumindest im Wesentlichen direkt mit der elektrischen Energie des Generators (88) versorgbar ist.
Aufladeeinrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungseinrichtung (78) mittels der Stelleinrichtung (86) zumindest im Wesentlichen vollständig fluidisch versperrbar ist.