-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Zum Aufladen eines Verbrennungsmotors sind prinzipiell Abgasturbolader aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Diese bestehen aus einem Verdichter, typischerweise einem Verströmungsverdichter, sowie einer Turbine, welche die Energie im Abgas des Verbrennungsmotors nutzt. Der Verdichter, welcher die dem Verbrennungsmotor zugeführte Frischluft verdichtet, und die Abgasturbine beziehungsweise Turbine sind über eine gemeinsame Welle drehbar gelagert. Die von der Turbine aus dem Abgas zurückgewonnene Leistung wird damit unmittelbar dem Verdichter zugeführt und dient zum Verdichten der Frischluft. Derartige Aufbauten haben bekanntermaßen den Nachteil, dass diese nicht über den gesamten Leistungsbereich gleichmäßig den benötigten Luftstrom verdichten, wodurch ein sogenanntes „Turboloch” entsteht. In diesem Bereich wird – für den Fahrer eines derart ausgestatteten Fahrzeugs wahrnehmbar – der Anstieg der Leistung beim Beschleunigen kurzzeitig reduziert, um dann schlagartig wieder anzusteigen.
-
Des Weiteren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik elektrisch unterstützte Turbolader bekannt, welche auf der gemeinsamen Welle von Verdichter und Turbine zusätzlich eine elektrische Maschine aufweisen, um die Leistung des Verdichters beeinflussen zu können und so beispielsweise dem sogenannten Turboloch entgegenzuwirken. Außerdem kann die elektrische Maschine generatorisch betrieben werden, um für den Fall, dass im Bereich der Turbine mehr Leistung anfällt als vom Verdichter benötigt wird, elektrische Leistung zu generieren und beispielsweise in eine Batterie einzuspeichern.
-
Diese Aufbauten haben im Wesentlichen drei Nachteile. Ein erster Nachteil ist der Eintrag von thermischer Energie vom Abgas in die zugeführte Zuluft über diesen Aufbau unvermeidlich. Dies führt zu einer weiteren Erwärmung der durch das Verdichten bereits erwärmten Zuluft. Der Verbrennungsprozess in dem Verbrennungsmotor wird dadurch nachteilig beeinflusst. Um dies zu vermeiden, kann ein Ladeluftkühler vorgesehen werden, welcher dann jedoch eine vergleichsweise große Kühlleistung erfordert. Als weiterer Nachteil führt die Lagerung der gemeinsamen Welle des Verdichters und des Turbinenrades sowie der elektrischen Maschine häufig zu einem Öleintrag in die zugeführte Frischluft zu dem Verbrennungsmotor und/oder des Abgases. Dies führt zu einem unsauberen Verbrennungsprozess mit erhöhten Schadstoffemissionen im Abgas des Verbrennungsmotors. Um eine annehmbare Funktionalität zu gewährleisten, ist außerdem der Gestaltungsspielraum bei der Turbine entsprechend eingeschränkt, da diese so gestaltet werden muss, dass sie die idealerweise für die Verdichtung im jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine maximale Energie liefert.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und einen sehr energieeffizienten und emissionsarmen Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Turbine wenigstens einen Generator zumindest mittelbar antreibt. Dieser mit der Turbine gekoppelte Generator ist unabhängig von einem mit einem Elektromotor gekoppelten Verdichter ausgebildet. Verdichter und Turbine liegen somit nicht mehr auf einer Welle, sondern sind getrennt voneinander ausgeführt. Durch den Antrieb über den Elektromotor ist es damit möglich, den Verdichter elektrisch, insbesondere im Zusammenspiel mit der Steuerungselektronik des Fahrzeugs beziehungsweise des Verbrennungsmotors so anzusteuern, dass das eingangs beschriebene „Turboloch” nicht mehr auftritt. Gleichzeitig ist eine optimale Regelung des Aufladeprozesses und der Kraftstoffinjektion sowie des Luftladungswechsels in dem Verbrennungsmotor durch eine abgestimmte Regelung zwischen den durch den Elektromotor angetriebenen Verdichter und der Regelung des Verbrennungsmotors möglich. Hierdurch lässt sich die Leistung des Verbrennungsmotors bei hoher Energieeffizienz optimieren.
-
Durch die permanente elektrische Energieerzeugung über die wenigstens eine Turbine und den mit ihr gekoppelten Generator kann außerdem während des gesamten Betriebs des Verbrennungsmotors elektrische Energie über den Aufbau aus Turbine und Generator erzeugt werden. Dies ermöglicht eine sehr effiziente Nutzung der Abgasenergie. Dies kann insbesondere durch eine auf diesen Anwendungszweck hin optimierte Ausgestaltung der Turbine hinsichtlich Größe, Bauweise, Mehrstufigkeit und so weiter optimiert werden. Da die an der Turbine generierte Leistung nicht mehr unmittelbar für den Verdichter benötigt wird, muss die Turbine jetzt nicht mehr so ausgelegt werden, dass sie die jeweils optimale Leistung für den Verdichter liefert, sondern kann auf eine optimale Energieerzeugung über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors hinweg optimiert werden. Dadurch lässt sich sehr viel mehr Energie aus dem Abgas zurückgewinnen, als dies bei einem als Freiläufer ausgebildeten Abgasturbolader der Fall wäre.
-
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dabei die Drehachsen des wenigstens einen Verdichters und des wenigstens einen Elektromotors getrennt von der Drehachse der wenigstens einen Turbine und des wenigstens einen Generators ausgebildet. Ein solches Trennen der Drehachse ermöglicht entscheidende Vorteile hinsichtlich der räumlichen Anordnung von Verdichter und Turbine, welche nunmehr getrennt voneinander platziert und entsprechend den Packaging-Vorgaben im Aufbau um den Verbrennungsmotor angeordnet werden können. Hierdurch entstehen größere Freiheiten bei der Ausgestaltung der Luftzufuhr und der Abgasabfuhr von dem Verbrennungsmotor, welche letztlich ebenfalls zu einer optimierten Ausnutzung des vorhandenen Bauraums führen. Außerdem kann durch den Verzicht auf eine durchgehende Welle ein unabhängiger Betrieb des Verdichters und der Elektromaschine in der oben bereits beschriebenen Art und Weise besonders effizient realisiert werden. Letztlich kommt es außerdem durch die getrennte Welle nicht mehr zu einem Wärmeübertrag von der im heißen Abgas laufenden Turbine hin zu dem Verdichter. Eine übermäßige Erwärmung der verdichteten Zuluft, welche den Verbrennungsprozess typischerweise nachteilig beeinflusst, kann somit effizient vermieden werden.
-
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus kann es außerdem vorgesehen sein, dass zwischen der wenigstens einen Turbine und dem wenigstens einen Generator und/oder zwischen dem wenigstens einen Verdichter und dem wenigstens einen Elektromotor ein Getriebe angeordnet ist. Ein solches Getriebe, insbesondere zwischen Turbine und Generator, kann von Vorteil sein, da dann die typischerweise sehr hohen Drehzahlen der Turbine entsprechend untersetzt werden können, um den Antrieb des Generators auf einer niedrigeren Drehzahl zu erreichen. Hierdurch lässt sich typischerweise bei einem einfacheren und kostengünstigeren Aufbau des Generators eine höhere Energieeffizienz desselben erzielen.
-
Neben dem optionalen Getriebe kann es in einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Turbinen und/oder wenigstens einer der Verdichter ölfrei gelagert ist. Eine solche ölfreie Lagerung, welche gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung in der Art einer Magnetlagerung ausgebildet ist, ist von besonderem Vorteil hinsichtlich der durch den Verbrennungsmotor erzeugten Emissionen. Kommt Öl auf der Verdichterseite in die Zuluft, stört dies den Verbrennungsprozess und erhöht die Schadstoffemissionen. Gelangt Öl auf der Turbinenseite in das heiße Abgas, kommt es ebenfalls zu einem Verdampfen oder Verbrennen des Öls in dem heißen Abgas, welches ebenfalls zu unkontrollierten und unerwünschten Abgasemissionen führt.
-
Insbesondere die beschriebene vorteilhafte Ausgestaltung der ölfreien Lagerung als Magnetlagerung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung so ausgebildet sein, dass diese als aktive Magnetlagerung realisiert ist, welche in ihren magnetischen Eigenschaften aktiv veränderbar ist. Eine solche aktive Magnetlagerung bietet die besondere Möglichkeit einer Ansteuerung der magnetischen Veränderbarkeit. Dadurch lassen sich Lagerparameter verändern und die Lagerung der Turbine und/oder des Verdichters kann hierdurch beeinflusst werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es zu Schwingungen oder einer Taumelbewegung der Achse des Verdichters beziehungsweise der Turbine kommt. Dies ist bei Turboladern vergleichsweise häufig zu beobachten. Über eine geeignete Sensorik kann eine solche Schwingung der Welle, auf welcher beziehungsweise mit welcher die Turbine und/oder der Verdichter umläuft, erfasst werden. Durch die aktive magnetische Lagerung kann dieser Schwingung entgegengewirkt werden, indem die Lagerung beispielsweise in einer vergleichbaren oder derselben Frequenz aktiv angesteuert wird. Hierdurch kann eine aktiv gesteuerte beziehungsweise geregelte Dämpfung erreicht werden. Wirkungsgrad und Lebensdauereinbußen aufgrund von Schwingungen lassen sich somit vermeiden oder zumindest stark minimieren.
-
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass diese magnetische Lagerung in den Elektromotor und/oder den Generator integriert ausgebildet ist. Im Bereich des Elektromotors oder des Generators kommt es ohnehin zu einer magnetischen Aktivität zwischen einem umlaufenden Rotor und einem stillstehenden Stator. Hier sind also entsprechende Wicklungen und Magnete typischerweise ohnehin vorhanden. Ohne nennenswerten Mehraufwand lässt sich eine magnetische Lagerung, und insbesondere auch eine aktive magnetische Lagerung, somit ideal in den Elektromotor beziehungsweise den Generator oder zumindest in den Bereich des Elektromotors und/oder des Generators integrieren. Hierdurch wird nochmals Bauraum eingespart und eine eigene Versorgung einer aktiven magnetischen Lagerung beispielsweise mit elektrischer Leistung kann aufgrund der ohnehin vorhandenen elektrischen Anbindung des Elektromotors und/oder Generators eingespart werden.
-
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der wenigstens eine Generator und der wenigstens eine Elektromotor mit wenigstens einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher verbunden sind. Ein solcher elektrischer Energiespeicher kann beispielsweise als Batterie, Kondensator oder als Kombination hiervon ausgebildet sein. Auch andere elektrische Energiespeicher sind prinzipiell denkbar und möglich. Die Kopplung des Elektromotors und des Generators über den elektrischen Energiespeicher ermöglicht ein Einspeichern der im Bereich der Turbine angefallenen Leistung in Form von elektrischer Energie in dem elektrischen Energiespeicher. Diese Energie kann dann später zeitlich unabhängig von ihrem Anfall für den Betrieb des Verdichters verwendet werden. Der elektrische Energiespeicher kann insbesondere mit weiteren Komponenten des Fahrzeugs verbunden sein, beispielsweise weiteren elektrischen Energieverbrauchern oder auch elektrischen Energieerzeugern, beispielsweise einem Generator zur Rekuperation von Bremsenergie, einer Lichtmaschine oder dergleichen. Durch den elektrischen Energiespeicher, insbesondere wenn dieser in ein elektrisches Gesamtsystem des Fahrzeugs eingebunden ist, kann so immer genügend Energie bereitgestellt werden, um den Verdichter über den Elektromotor in der gewünschten Art und Weise so anzutreiben, dass die beste und energieeffizienteste Leistungsentfaltung des Verbrennungsmotors erzielt werden kann. Gleichzeitig kann die im Abgas enthaltene Energie über die Turbine und den Generator ideal zurückgewonnen und eingespeichert werden. Energiebedarf im Bereich des Verdichters und Energieanfall im Bereich der Turbine können zeitlich entkoppelt werden, da der elektrische Energiespeicher Leistungsspitzen auf beiden Seiten entsprechend ausgleicht und damit für eine sehr hohe Energieeffizienz der Vorrichtung sorgt.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
-
Dabei zeigen:
-
1 einen Prinzipaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
2 eine mögliche Darstellung einer Lagerung am Beispiel einer Turbine der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
-
3 eine mögliche Ausführungsform der Anbindung der Turbine an den Generator der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
In der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Aufladen eines Verbrennungsmotors 2 prinzipmäßig dargestellt. Der Verbrennungsmotor 2 erhält seine Ansaugluft über einen Luftfilter 3 und einen als Strömungsverdichter 4 ausgebildeten Verdichter, welcher für die Aufladung sorgt. Dieser Verdichter 4 ist über einen Elektromotor 5 angetrieben. Dieser Elektromotor 5 ist mit einer Steuerungselektronik 6 versehen, welche mit einem Steuergerät 7 des Fahrzeugs beziehungsweise des Verbrennungsmotors 2 korrespondiert. Die elektrische Energie für den Elektromotor 5 stammt aus einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 8, welche mit einem symbolisch angedeuteten Bordnetz 9 des Fahrzeugs mit dem Verbrennungsmotor 2 verbunden ist. Außerdem ist die Energiespeichereinrichtung 8 mit einem Generator 10 verbunden, welcher seinerseits von einer Turbine 11 angetrieben wird. Diese Turbine 11 ist in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 2 angeordnet und nutzt die im heißen Abgas vorhandene Energie. Hierdurch wird der Generator 10 angetrieben. Auch der Generator 10 verfügt über eine eigene Steuerungselektronik 12, welche ebenfalls mit dem Steuergerät 7 in Verbindung steht. Neben dem Generator 10 können weitere energieerzeugende Aggregate, welche hier beispielhaft dargestellt und mit dem Bezugszeichen 13 versehen sind, optional mit dem elektrischen Energiespeicher 8 verbunden sein. Dies kann beispielsweise eine Lichtmaschine oder ein Generator zur Rekuperation von Bremsenergie sein.
-
Die elektrische Energiespeichereinrichtung 8 kann insbesondere als Batterie aufgebaut sein. Ebenso wäre der Aufbau als Kondensator, insbesondere durch eine Verschaltung mehrerer Hochleistungskondensatoren beziehungsweise Superkondensatoren, denkbar. Auch eine Kombination aus Batterie und Kondensator ist möglich. Diese hat den entscheidenden Vorteil, dass Leistungsspitzen zuerst im Kondensator eingespeichert und aus diesem abgegeben werden und nur langsam in die Batterie eingeladen beziehungsweise aus dieser abgegeben werden. Hierdurch wird die Dynamik des elektrischen Energiespeichers erhöht und ein bei hoher Dynamik unweigerlich auftretender Leistungsverlust in dem elektrischen Energiespeicher wird minimiert.
-
Bei dem hier dargestellten Aufbau sind der Strömungsverdichter 4 mit seinem Elektromotor 5 und die Turbine 11 mit ihrem Generator 10 unabhängig voneinander ansteuerbar. Dies ermöglicht eine ideale Aufladung des Verbrennungsmotors 2, da der Elektromotor 5 und über diesen der Verdichter 4 in Abhängigkeit der Anforderung des Verbrennungsmotors 2 und der Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 2 durch die Steuerungselektronik 6 und das Steuergerät 7 individuell geregelt wird. Unabhängig hiervon wird über die Abgasturbine 11 die maximal mögliche Menge an Energie aus dem Abgas des Verbrennungsmotors 2 zurückgewonnen. Da die zurückgewonnene Energie, anders als bei einem herkömmlichen Turbolader, nicht unmittelbar zum Antrieb des Verdichters benötigt wird, lässt sich sowohl der Verdichter 4 als auch die Turbine 11 hinsichtlich ihrer ureigenen Aufgabe, also hinsichtlich des Verdichtens und des Rückgewinnens von Energie optimieren. Die Verdichtung wird dabei über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors 2 optimiert und die Energieausbeute durch die Energierückgewinnung über die Turbine 11 wird verbessert, insbesondere da die Turbine sich hinsichtlich ihres Designs besser an die jeweiligen Anforderungen anpassen lässt.
-
Daneben lässt sich über den hier dargestellten Aufbau außerdem der thermische Energieeintrag aus dem Abgas in den Zuluftstrom minimieren, was ebenfalls Vorteile hinsichtlich der Verbrennungen im Verbrennungsmotor 2 hat.
-
In der Darstellung der 2 ist am Beispiel der Turbine 11 eine magnetische Lagerung dargestellt. Eine solche magnetische Lagerung kann insbesondere als berührungsfreie Lagerung der Turbine 11 beziehungsweise einer Welle 14 der Turbine 11 realisiert sein. Sie besteht beispielsweise aus einer mit der Welle 14 verbundenen Lagerscheibe 15, welche mit Permanentmagneten 16 versehen ist. Ebenso können Permanentmagneten 17 im Bereich der Welle 14 angeordnet werden. Über entsprechende Magneten 18, 19, welche drehfest um die Welle positioniert sind, lässt sich so die Lagerung realisieren. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind dies zwei mit dem Bezugszeichen 18 versehene Magneten für die axiale Lagerung der Lagerscheibe 15 sowie einen mit dem Bezugszeichen 19 versehener Magneten, welcher mit den Permanentmagneten 17 auf der Welle 14 zusammenwirkt. Eine solche Lagerung hat den Vorteil, dass diese sehr energieeffizient realisiert werden kann. Sie ist außerdem verschleißfrei, da sie berührungslos arbeitet. Zusätzlich kann auf Schmieröl im Bereich der Lagerung verzichtet werden. Somit kann dieses Schmieröl nicht in den Bereich der Turbine 11 und damit in das Abgas gelangen kann. Hierdurch werden Emissionen von verbranntem Schmieröl im Abgas reduziert beziehungsweise beim Einsatz einer entsprechenden Lagerung beim Verdichter 4 ein Verbrennen des Schmieröls in dem Verbrennungsmotor 2 verhindert.
-
Die in 2 beschriebene magnetische Lagerung kann einerseits passiv ausgebildet sein, also mit einer statischen Ansteuerung der äußeren Magneten 18, 19 beziehungsweise ihrer Ausbildung als Permanentmagneten. Ebenso ist es denkbar, die magnetische Lagerung aktiv auszuführen. Dann wären zumindest einer der Magneten im Bereich der Lagerung, insbesondere die mit 18 und 19 bezeichneten Magneten, elektrisch angesteuert. Die Ausbildung als Elektromagneten 18, 19 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die magnetische Lagerung in den Bereich des Generators 10 oder, im Falle der Verwendung bei dem Verdichter 4, in den Bereich des Elektromotors 5 integriert wird, da hier eine Stromversorgung vorhanden ist. In der Darstellung der 2 ist eine solche aktive magnetische Lagerung sehr stark schematisiert angedeutet. Sie besteht im Wesentlichen aus einer elektrischen Anbindung der einzelnen Magnete 18, 19, welche hier über eine Stromversorgungsschiene 20 prinzipmäßig angedeutet ist. Zusätzlich wird die dem jeweiligen Magneten 18, 19 zugeführte elektrische Leistung über jeweils ein mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnetes Steuergerät angesteuert. Dieses Steuergerät 21 nutzt die Daten eines im Bereich der Welle 14 angebrachten Sensors 22, welcher dafür sorgt, dass die elektrischen und damit magnetischen Eigenschaften der Magnete 18, 19 so variiert werden, dass die aktive magnetische Lagerung einer drohenden Schwingung mit einem entsprechenden Aufschwingen der Welle 14 aktiv entgegenwirkt und Schwingungen somit gezielt dämpft beziehungsweise gänzlich eliminiert. Dadurch läuft die Turbine 11 beziehungsweise beim Einsatz im Bereich des Verdichters 4 der Verdichter 4 ruhiger, erzielt eine höhere Energieeffizienz und insbesondere eine höhere Lebensdauer.
-
Prinzipiell ist es denkbar, die Turbine 11 beziehungsweise den Verdichter 4 unmittelbar mit dem Elektromotor 5 beziehungsweise dem Generator 10 zu koppeln. Elektromotor 5 und Generator 10 müssen dabei den benötigten Drehzahlen entsprechend angepasst aufgebaut sein. Eine alternative Möglichkeit ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Um die typischerweise sehr hohen Drehzahlen der Turbine 11 beziehungsweise des Verdichters 4 zu untersetzen, ist – in der Darstellung der 3 am Beispiel der Turbine 11 – zwischen der Turbine 11 und dem Generator 10 ein Getriebe 23 angeordnet, welches die sehr schnelle Drehzahl der Turbine 11 auf eine entsprechend langsamere und für den Generator 10 besser zu verarbeitende Drehzahl reduziert. Das Getriebe 23 ist hier schematisch als Stirnradgetriebe mit zwei Zahnrädern dargestellt. Selbstverständlich wäre es ebenso denkbar, diese beispielsweise als Planetengetriebe auszubilden und gegebenenfalls baulich in den Generator 10 mit zu integrieren. Dies dient insgesamt dazu, einen kostenoptimierten Generator 10 einsetzen zu können, welcher mit geringerer Drehzahl als die Turbine 11 umläuft. Hierdurch wird der Aufbau des Generators 10 einfacher und die Energieeffizienz bei der Erzeugung von elektrischer Leistung durch den Generator 10 typischerweise gesteigert. Ein vergleichbarer Aufbau ist selbstverständlich auch im Bereich des Verdichters 4 denkbar.
