DE102013001662A1

DE102013001662A1 - Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102013001662A1
Application number: DE201310001662
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Ansaugtrakt (24), in welchem ein erster Verdichter (30) und in Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt (24) stromab des ersten Verdichters (30) ein zweiter Verdichter (34) zum Verdichten der Luft angeordnet sind, wobei einer der Verdichter (30, 34) einem Abgasturbolader (50) zugeordnet ist, der eine in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (42) angeordnete und vom Abgas antreibbare Turbine (44) umfasst, mittels welcher der eine Verdichter (30) des Abgasturboladers (50) antreibbar ist, und wobei dem anderen Verdichter (34) ein Elektromotor (52) zum Antreiben des anderen Verdichters (52) zugeordnet ist, wobei der eine Verdichters (30) des Abgasturboladers (50) der erste Verdichter (30) und der andere Verdichter (34) der zweite Verdichter (34) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 2.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine, d. h. eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art und der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art ist aus der DE 10 2010 008 118 A1 bekannt. Die Verbrennungskraftmaschine weist einen von Luft für die Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Ansaugtrakt auf, in welchem ein erster Verdichter und in die Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt stromab des ersten Verdichters ein zweiter Verdichter zum Verdichten der Luft angeordnet sind. Einer der Verdichter ist einem Abgasturbolader zugeordnet, der eine Turbine umfasst. Die Turbine ist in. einem vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt angeordnet und von dem Abgas antreibbar. Mittels der Turbine ist der eine Verdichter des Abgasturboladers antreibbar. Dem anderen Verdichter ist ein Elektromotor zum Antreiben des anderen Verdichters zugeordnet.
Bei dem ersten Verdichter handelt es sich um einen sogenannten Niederdruck-Verdichter (ND-Verdichter), welcher die den Ansaugtrakt durchströmende Luft von einem ersten Druckniveau auf ein demgegenüber höheres, zweites Druckniveau verdichtet. Der zweite, in Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt stromab des ersten Verdichters angeordnete Verdichter verdichtet die Luft weiter auf ein drittes Druckniveau, welches höher als das erste und das zweite Druckniveau ist. Der zweite Verdichter wird üblicherweise als Hochdruck-Verdichter (HD-Verdichter) bezeichnet.
Der DE 10 2011 012 575 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem sogenannten einstufigen Aufladesystem als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei einen Ansaugtrakt auf, in welchem ein Verdichter zum Verdichten von Luft für die Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Dem Verdichter ist eine Turbine zugeordnet, welche in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt angeordnet ist. Der Verdichter ist dabei von der Turbine antreibbar, wobei die Turbine von dem den Abgastrakt durchströmenden Abgas antreibbar ist.
Der Turbine ist eine Umgehungseinrichtung mit einer mit einer Umgehungsleitung zugeordnet. Über die Umgehungsleitung ist die Turbine von Abgas zu umgehen. Dies bedeutet, dass in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt stromauf der Turbine zumindest ein Teil des Abgases abgezweigt und an der Turbine vorbeigeleitet werden kann, so dass das die Umgehungsleitung durchströmende Abgas die Turbine nicht antreibt. Der Umgehungseinrichtung ist dabei ein Generator zum Bereitstellen von elektrischem Strom zugeordnet, welcher über eine in der Umgehungsleitung angeordnete und von dem die Umgehungsleitung durchströmende Abgas antreibbare Turbine antreibbar ist.
Bei mittels Verdichtern mit verdichteter Luft versorgbaren und dadurch aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen ist es aufgrund der Anforderungen hinsichtlich der Realisierung eines agilen Fahrverhalten sowie hinsichtlich der Bereitstellung von hohen, stationären Drehmomenten häufig erforderlich, Turbinen von Abgasturboladern mit relativ kleinen Eintrittsdüsenflächen und Ausströmungsflächen von jeweiligen Turbinenrädern einzusetzen sowie eine notwendige Strömungsflächenvergrößerung insbesondere bei höheren Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine durch relativ verbrauchsungünstige und sogenannte Abblasevorrichtungen zu bewirken.
Bei einer solchen Abblasevorrichtung handelt es sich beispielsweise um die genannte Umgehungseinrichtung. Mittels einer solchen Abblasevorrichtung ist es möglich, das Abgas in Strömungsrichtung des Abgastraktes stromauf der der Abblasevorrichtung zugeordneten Turbine zumindest teilweise abzuzweigen und an der zugeordneten Turbine vorbeizuleiten, so dass die der Abblasevorrichtung zugeordnete Turbine von einem Abgas umgangen und von dem die zugeordnete Turbine umgehenden Abgas nicht angetrieben wird.
Bei Ottomotoren reicht im Allgemeinen eine Eintrittsvariabilität, d. h. eine stromauf des Turbinenrads angeordnete Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines stromauf des Turbinenrads angeordneten, engsten Strömungsquerschnitts der Turbine üblicherweise nicht für die gesamte Volllastlinie aus, weshalb auch zusätzlich aufgrund von eingeschränkten Durchsatzfähigkeiten des Turbinenrads ein kleiner Abblasebereich im Kernfeld der Verbrennungskraftmaschine notwendig wird. Bei einer solchen Eintrittsvariabilität handelt es sich beispielsweise um einen sogenannten Drehschaufler mit um eine jeweilige Drehachse drehbaren Leitschaufeln zum Ablenken oder Umlenken des Abgases.
Besonders bei Verbrennungskraftmaschinen, die besonders ausgeprägt nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet sind, werden häufig zweistufige Aufladesysteme verwendet. Ein solches, zweistufiges Aufladesystem umfasst – wie eingangs geschildert – die zwei im Abgastrakt seriell zueinander angeordneten Verdichter, mittels welchem die Luft zweimalig, d. h. in zwei Stufen verdichtet werden kann.
Bei einem solchen herkömmlichen, zweistufigen Aufladesystem ist dem Niederdruck-Verdichter eine sogenannte Niederdruck-Turbine zum Antreiben des Niederdruck-Verdichters zugeordnet, während dem Hochdruck-Verdichter eine sogenannte Hochdruck-Turbine zum Antreiben des Hochdruck-Verdichters zugeordnet ist. Bei solchen Hochdruck-Turbinen können schon bei relativ geringen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine, bezogen auf die Drehzahl des maximalen Drehmoments, sehr große Abblaseraten bzw. Bypassierungsraten notwendig sein, um ein befriedigendes Fahrverhalten der stark aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine zu realisieren.
Bei heutigen, zweistufigen Aufladesystemen von Dieselmotoren kann aufgrund der hinsichtlich ihrer Strömungsquerschnitte kleinen Hochdruck-Turbinen eine Umgehung, d. h. eine Bypassierung dieser bis weit über 80% im Nennpunkt des Dieselmotors erfolgen. Dies kann zu relativ schlechten Ladungswechseln der Verbrennungskraftmaschine mit hohen Verbräuchen in der zweiten Hälfte des Drehzahlbereichs hoher Last führen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, um sowohl einen besonders effizienten und somit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb als auch ein besonders agiles Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher sich ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb sowie ein besonders agiles Fahrverhalten realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der eine Verdichter des Abgasturboladers der erste Verdichter und der andere Verdichter der zweite Verdichter ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem dem Abgasturbolader zugeordneten Verdichter um den Niederdruck-Verdichter. Somit ist der Niederdruck-Verdichter mittels der Turbine des Abgasturboladers antreibbar. Der mittels des Elektromotors antreibbare Verdichter ist der Hochdruck-Verdichter.
Hierdurch kann eine sehr hohe Agilität der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine mit hohen Nennleistungen realisiert werden, wobei gleichzeitig eine Abblasung von druckexergiehaltigem Abgas vor der Turbine vermieden oder zumindest gering gehalten werden kann. Bei der Verbrennungskraftmaschine kann insbesondere mittels des Elektromotors besonders schnell ein hoher Ladedruck aufgebaut werden, so dass beispielsweise, plötzliche, vom Fahrer des Kraftwagens angeforderte Erhöhungen des von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellten Drehmoments zum Antreiben des Kraftwagens ohne oder mit einer nur sehr geringfügigen Verzögerung befriedigt werden können. Dadurch kann das sogenannte Turboloch vermieden oder in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden. Die Bereitstellung besonders hoher Drehmomente ist mittels der Verbrennungskraftmaschine auch schon bei geringen Abgasmengen möglich, da der Elektromotor Hochdruck-Verdichter unabhängig von der den Abgastrakt durchströmenden Abgasmenge antreiben kann.
Insbesondere die Zuordnung des Elektromotors zum Hochdruck-Verdichter ermöglicht es dabei, besonders hohe Ladedrücke und somit besonders hohe Drehmomente der Verbrennungskraftmaschine zumindest im Wesentlichen unabhängig von der den Abgastrakt durchströmende Abgasmenge bereitzustellen.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher sich ein besonders effizienter und somit besonders kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb sowie ein besonders agiles Fahrverhalten realisieren lassen, ist erfindungsgemäß eine Umgehungseinrichtung mit wenigstens einer Umgehungsleitung vorgesehen. Die Turbine des Abgasturboladers ist dabei über die Umgehungsleitung von dem Abgas zu umgehen. Mit anderen Worten wird die Turbine nicht von dem die Umgehungsleitung durchströmenden Abgas angetrieben. Der Umgehungsleitung ist dabei der Generator zugeordnet, welcher zumindest mittelbar von die Umgehungsleitung durchströmendem Abgas antreibbar ist. Dazu ist es beispielsweise vorgesehen, dass dem Generator eine in der Umgehungsleitung angeordnete und von dem die Umgehungsleitung durchströmenden Abgas antreibbare, zweite Turbine zugeordnet ist, über welche der Generator antreibbar ist.
Die zweite Turbine kann somit von dem die Umgehungsleitung durchströmenden und somit die erste Turbine umgehenden Abgas angetrieben werden, so dass der Generator über die zweite Turbine antreibbar ist. Anstelle das Abgas stromauf der ersten Turbine einfach abzublasen und in der Folge einen übermäßigen Exergieverlust in Kauf zu nehmen, kann das die erste Turbine umgehende, exergiehaltige Abgas genutzt werden, um die zweite Turbine anzutreiben. Hierdurch kann ein besonders effizienter und kraftstoffarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden. Darüber hinaus sind hohe Motorleistungen sowie günstige Ladungswechsel und eine optimale Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine darstellbar, insbesondere da der andere Verdichter zumindest im Wesentlichen unabhängig von der den Abgastrakt durchströmenden Abgasmenge mittels des Elektromotors antreibbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der zweiten Verbrennungskraftmaschine anzusehen und umgekehrt.
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 schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem zweistufigen Aufladesystem, welches zwei in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine seriell zueinander geschaltete bzw. angeordnete Verdichter umfasst, wobei dem als Hochdruck-Verdichter ausgebildete der Verdichter ein Elektromotor zum Antreiben des Hochdruck-Verdichters zugeordnet ist und wobei ein von Abgas zumindest mittelbar antreibbarer Generator zum Bereitstellen von elektrischem Strom vorgesehen ist, mittels welchem der Elektromotor antreibbar ist; und
2 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei welcher dem als Niederdruck ausgebildete Verdichter der Elektromotor zum Antreiben des Niederdruck-Verdichters zugeordnet ist.
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst Brennräume in Form von Zylindern 12. Wie aus 1 erkennbar ist, ist die Verbrennungskraftmaschine 10 vorliegend als 4-Zylinder-Reihenmotor ausgebildet. In den Zylindern 12 sind jeweilige Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen, wobei die Kolben über jeweilige Pleuel mit einer Kurbelwelle 14 der als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 gekoppelt sind. Wie durch eine Richtungspfeil 16 erkennbar ist, ist die Kurbelwelle 14 um eine Drehachse drehbar.
Mit der Kurbelwelle 14 ist ein Rotor eines sogenannten Startergenerators 18 der Verbrennungskraftmaschine 10 gekoppelt. Mittels des Startergenerators 18 ist die Kurbelwelle 14 zumindest zeitweise antreibbar, so dass die Verbrennungskraftmaschine 10 mittels des Startergenerators 18 in einem Motorbetrieb dieses gestartet, d. h. angelassen werden kann. In einem Generatorbetrieb ist der Startergenerator 18 über die Kurbelwelle antreibbar, so dass von der Kurbelwelle 14 bereitgestellte, mechanische Energie mittels des Startergenerators 18 in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Der Startergenerator 18 ist mit einer Elektronik 20 elektrisch gekoppelt. Bei der Elektronik 20 kann es sich um eine Leistungselektronik handeln. Über die Elektronik 20 ist der Startergenerator 18 mit einer elektrischen Speichereinrichtung in Form einer Batterie 22 gekoppelt. Dadurch kann vom Startergenerator 18 bereitgestellte, elektrische Energie in die Batterie 22 eingespeist und dort gespeichert werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 24 auf, welcher – wie durch einen Richtungspfeil 26 angedeutet ist – von Luft für die Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar ist. Im Ansaugtrakt 24 ist ein Luftfilter 28 zum Filtern der angesaugten Luft angeordnet. Darüber hinaus ist im Ansaugtrakt 24 ein erster Verdichter 30 mit einem ersten Verdichterrad 32 angeordnet. In Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 24 ist stromab des ersten Verdichters 30 ein zweiter Verdichter 34 mit einem zweiten Verdichterrad 36 angeordnet. Die Verdichter 30, 34 sind somit seriell zueinander geschaltet oder angeordnet und dienen zum zweistufigen Verdichten der Luft. Der erste Verdichter 30 wird üblicherweise auch als Niederdruck-Verdichter, während der zweite Verdichter 34 als Hochdruck-Verdichter bezeichnet wird. Die Verdichter 30, 34 sind als Radialverdichter ausgebildet.
Durch die Verdichter 30, 34 ist ein zweistufiges Aufladesystem der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet. Dabei dient der erste Verdichter 30 zum Verdichten der Luft von einem ersten Druck P1 auf einen zweiten Druck P2N, wobei der zweite Druck P2N größer ist als der erste Druck P1 und wobei der erste Druck P1 der Umgebungsdruck ist. Danach wird die Luft vom zweiten Druck P2N mittels des zweiten Verdichters 34 auf einen dritten Druck P2H ein zweites Mal verdichtet, wobei der dritte Druck P2H größer ist als der zweite Druck P2N und als der erste Druck P1.
Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Daher ist im Ansaugtrakt 24 ein Ladeluftkühler 38 zum Kühlen der Luft angeordnet. Mittels dieser Kühlung kann der Aufladegrad der Luft erhöht werden, so dass die Luft stromab des Ladeluftkühlers 38 einen vierten Druck aufweist, welcher als Ladedruck p_2s bezeichnet wird und größer als die übrigen Drücke P2H, P2N und P1 ist. Die auf den Ladedruck p_2s verdichtete Luft wird mittels eines Ladeluftverteilers 40 im Ansaugtrakt 24 auf die einzelnen Zylinder 12 verteilt.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist auch einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbaren Abgastrakt 42 auf. Der Abgastrakt 42 dient dazu, das Abgas aus den Zylindern 12 von diesen abzuführen. Wie aus 1 erkennbar ist, ist im Abgastrakt 42 eine erste Turbine 44 mit einem ersten Turbinenrad 46 zugeordnet.
Die erste Turbine 44 bzw. ihr Turbinenrad 46 ist von dem den Abgastrakt 42 durchströmende Abgas antreibbar und vorliegend dem ersten Verdichter 30 (Niederdruck-Verdichter) zugeordnet. Die erste Turbine 44 dient somit zum Antreiben des ersten Verdichters 30. Dazu sind das Turbinenrad 46 und das Verdichterrad 32 mit einer Welle 48 drehfest gekoppelt. Der erste Verdichter 30 mit dem ersten Verdichterrad 32 und die erste Turbine mit dem ersten Turbinenrad 46 sowie die Welle 48 sind einem Abgasturbolader 50 zugeordnet.
Durch das Antreiben der Turbine 44 wird das Abgas entspannt. So herrscht in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 42 stromauf der Turbine 44 ein fünfter Druck p₃, welcher üblicherweise auch als Turbineneintrittsdruck bezeichnet wird. Stromab der Turbine 44 herrscht ein sechster Druck p₄, welcher üblicherweise als Turbinenaustrittsdruck bezeichnet wird. Hierbei ist der Turbineneintrittsdruck größer als der Turbinenaustrittsdruck.
Dem zweiten Verdichter 34 ist ein Elektromotor 52 zum Antreiben des zweiten Verdichters 34 zugeordnet. Dabei ist das zweite Verdichterrad 36 mit einer Welle 54 drehfest gekoppelt, mit welcher auch ein Rotor des Elektromotors 52 drehfest gekoppelt ist. Dadurch kann das zweite Verdichterrad 36 über die Welle 54 von dem Rotor des Elektromotors 52 angetrieben werden.
Der Elektromotor 52 ist mit der Elektronik 20 und über diese mit der Batterie 22 elektrisch verbunden, so dass der Elektromotor 52 mit elektrischem Strom versorgt und dadurch angetrieben werden kann. Der Elektromotor 52 kann das zweite Verdichterrad 36 somit zumindest im Wesentlichen unabhängig von der den Abgastrakt 42 durchströmenden Abgasmenge antreiben und insbesondere beschleunigen, so dass ein besonders agiles Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine 10 realisierbar ist.
Darüber hinaus kann insbesondere mittels der ersten Turbinen 44 im Abgas enthaltene Energie genutzt werden, um den ersten Verdichter 30 anzutreiben. Hierdurch ist ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 darstellbar.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Abgasrückführeinrichtung 55 mit einer Abgasrückführleitung 56, mittels welcher Abgas aus dem Abgastrakt 42 an einer ersten Abzweigstelle 58 abzweigbar und zu einer Zuführstelle 60 des Ansaugtrakts 24 rückführbar ist. An der Zuführstelle 60 wird das rückgeführte Abgas in den Ansaugtrakt 24 eingeführt und somit der verdichteten Luft zugemischt, weshalb die Zuführstelle 60 auch als Mischstelle M bezeichnet wird.
Zum Einstellen der Menge des rückzuführenden Abgases umfasst die Abgasrückführeinrichtung 55 ein Abgasrückführventil 62. In Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases durch die Abgasrückführleitung 56 ist stromauf der Mischstelle M und stromab des Abgasrückführventils 62 ein Abgasrückführkühler 64 der Abgasrückführeinrichtung 55 angeordnet. Der Abgasrückführkühler 64 dient zum Kühlen des rückzuführenden Abgases.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist auch eine Regelungseinrichtung 66 zum Steuern oder Regeln der Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. ihrer Komponenten auf. Vorliegend dient die Regelungseinrichtung 66, welche beispielsweise durch ein Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet ist, auch zum Steuern oder Regeln des Abgasrückführventils 62.
Im Ansaugtrakt 24 ist auch ein Ventilelement vorliegend in Form einer Drosselklappe 41 angeordnet. Die Drosselklappe 41 dient beispielsweise dazu, die den Zylindern 12 zuzuführende Luftmenge und somit das von der Kurbelwelle 14 bereitzustellende Drehmoment zum Antreiben des Kraftwagens bedarfsgerecht einstellen zu können. Alternativ oder zusätzlich dient die Drosselklappe 41 dazu, im Ansaugtrakt 24 ein bedarfsgerechtes Druckgefälle oder vorgebbare Druckverhältnisse einzustellen, um erwünschte Abgasrückführraten, d. h. um gewünschte Mengen des rückzuführenden Abgases darzustellen.
Des Weiteren ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 67 im Abgastrakt 42 angeordnet. Mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 67 wird das Abgas entsprechend nachbehandelt, bevor es an die Umgebung entlassen wird.
Darüber hinaus wenigstens ein elektrischer Verbraucher 68 vorgesehen, welcher mit elektrischem Strom aus der Batterie 22 versorgbar ist. Hierzu ist der elektrische Verbraucher 68 über die Elektronik 20 mit der Batterie 22 elektrisch verbunden.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist auch eine Umgehungseinrichtung 70 mit einer Umgehungsleitung 72 auf. Die Umgehungsleitung 72 ist an einer Abzweigstelle A und an einer Zuführstelle B fluidisch mit einer entsprechenden Abgasverrohrung des Abgastrakts 42 verbunden. An der Abzweigstelle A ist zumindest ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt 42 abzweigbar, wobei das abgezweigte und die Umgehungsleitung 72 durchströmende Abgas an der Zuführstelle B wieder in den Abgastrakt 42 bzw. in die Abgasverrohrung einführbar ist. Das abgezweigte und die Umgehungsleitung 72 durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad 46. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad 46 nicht von dem die Umgehungsleitung 72 durchströmende Abgas angetrieben wird. Durch bedarfsgerechtes Einstellen der Menge des die Umgehungsleitung 72 durchströmenden Abgases und durch entsprechendes, bedarfsgerechtes Antreiben des zweiten Verdichterrads 36 mittels des Elektromotors 52 kann der Ladedruck p_2s bedarfsgerecht eingestellt werden.
Um im die Umgehungsleitung 72 durchströmenden Abgas enthaltene Energie, insbesondere Exergie, nicht ungenutzt zu lassen, ist ein Generator 74 vorgesehen, welcher als Turbogenerator ausgebildet ist. Der Generator 74 ist zumindest mittelbar von dem die Umgehungsleitung 72 durchströmenden Abgas antreibbar und kann dadurch elektrische Energie bereitstellen. Die von dem Generator 74 bereitgestellte elektrische Energie kann wahlweise über die Elektronik 20, mit welchem der Generator 74 elektrisch verbunden ist, in die Batterie 22 eingespeist und/oder zumindest im Wesentlichen direkt dem Elektromotor 52 zugeführt werden. Dies bedeutet, dass der Elektromotor 52 zumindest mittelbar mittels der vom Generator 74 bereitgestellten, elektrischen Energie betreibbar ist. Ebenso kann der wenigstens eine elektrische Verbraucher 68 mit der vom Generator 74 bereitgestellten Energie zumindest mittelbar versorgt werden.
Zum Antreiben des Generators 74 ist eine zweite Turbine 76 vorgesehen, welche in der Umgehungsleitung 72 angeordnet ist. Die zweite Turbine 76 umfasst ein zweites Turbinenrad 78, welches mit einer Welle 80 drehfest verbunden ist. Mit der Welle 80 ist auch ein Rotor des Generators 74 drehfest verbunden. Das die Umgehungsleitung durchströmende Abgas kann nun das zweite Turbinenrad 78 und über die Welle 80 den Generator 74 antreiben. In 1 ist der Durchsatzparameter der zweiten Turbine 76 mit Φ_TG bezeichnet, während die die Umgehungsleitung 72 durchströmende Masse des Abgases mit m_TG bezeichnet wird. Dementsprechend ist der Durchsatzparameter der ersten Turbine 44 in 1 mit Φ_TN, während die die erste Turbine 44 durchströmende Masse des Abgases mit m_TN bezeichnet ist. Da die erste Turbine 44 dem Niederdruck-Verdichter in Form des ersten Verdichters 30 zugeordnet ist, wird die erste Turbine 44 auch als Niederdruck-Turbine bezeichnet.
Bei der ersten Turbine 44 kann es sich um eine sogenannte Festgeometrie-Turbine handeln. Mit anderen Worten sind bei einer solchen Festgeometrie-Turbine von der Festgeometrie-Turbine bereitgestellte Strömungsbedingungen für das die Festgeometrie-Turbine durchströmende Abgas nicht veränderbar bzw. unveränderbar. Alternativ dazu kann die erste Turbine 44 auch als sogenannte Vario-Turbine ausgebildet sein und wenigstens eine Stelleinrichtung 82 umfassen, durch welche eine variable Turbinen-Geometrie der ersten Turbine 44 gebildet ist. Mittels der Stelleinrichtung 82 können die von der ersten Turbine 44 bereitgestellten Strömungsbedingungen für das Abgas variabel und bedarfsgerecht eingestellt und beispielsweise an die die erste Turbine 44 durchströmende Abgasmenge angepasst werden. Die Stelleinrichtung 82 ist dabei mit der Regelungseinrichtung 66 gekoppelt und von dieser regelbar oder steuerbar. Als Stelleinrichtung 82 kann ein sogenannter Zungenschieber und/oder ein Versperrklappe vor oder nach der ersten Turbine 44, d. h. stromauf oder stromab dieser, vorgesehen werden.
Auch die zweite Turbine 76 weist vorliegend eine Stelleinrichtung 84 zum variablen Einstellen von von der zweiten Turbine 76 bereitgestellten Strömungsbedingungen für das Abgas auf, wobei auch die Stelleinrichtung 84 mit der Regelungseinrichtung 66 gekoppelt und demzufolge mittels der Regelungseinrichtung 66 steuerbar oder regelbar ist. Mittels der Stelleinrichtungen 82, 84 ist es möglich, die Durchsatzparameter Φ_TG und Φ_TN sowie ein Verhältnis dieser bedarfsgerecht einzustellen.
Vorzugsweise sind der Generator 74 und der Elektromotor 52 darauf ausgelegt, dass der vom Generator 74 bereitgestellte, elektrische Strom zumindest teilweise direkt dem Elektromotor 52 zugeführt werden kann. Falls ein Stromüberschuss am Generator 74 entsteht, erfolgt eine Einspeicherung des überschüssigen, elektrischen Stroms in die Batterie 22. Darüber hinaus ist es möglich, den überschüssigen, elektrischen Strom in den Startergenerator 18 permanent einzuspeisen, der dann seine Leistung auf die Kurbelwelle 14 leitet. Darüber hinaus können Hilfsaggregate wie der wenigstens eine elektrische Verbraucher 68 mit dem überschüssigen, elektrischen Strom versorgt werden.
Grundsätzlich ist es denkbar, das Aufladesystem auch derart zu konzipieren, dass der elektrische Strom des Generators 74 nur innerhalb des Aufladesystems zwischen dem Generator 74 und dem Elektromotor 52 sowie der Batterie 22 fließt, so dass das elektrische Aufladesystem umfassenden den Generator 74, den Elektromotor 52 und die Batterie 22 bis auf die Mitnutzung der Batterie 22 autark wäre.
Zwischen dem Generator 74 und dem elektrisch angetriebenen, zweiten Verdichter 34 besteht somit eine steuerbare oder regelbare, elektrische, nicht starre Welle bzw. Stromverbindung für die von der zweiten Turbine 76 bewirkte Energieumwandlung des die Umgehungsleitung 72 durchströmenden Abgases.
Bei dem Elektromotor 52 handelt es sich um einen schnell drehenden Elektromotor, mittels welchem sehr hohe Drehzahlen der Welle 54 und somit des zweiten Verdichterrads 36 realisierbar sind. Erfolgt eine sprungförmige Anforderung und somit Erhöhung des von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitzustellenden Drehmoments, beispielsweise durch den Fahrer des Kraftwagens, so wird dem Elektromotor 52 und somit dem elektrisch angetriebenen, zweiten Verdichter 34 unmittelbar elektrische Energie bzw. elektrischer Strom aus der Batterie 22 zugeleitet, wodurch die für die Befriedigung der sprungförmigen Anforderung erforderliche Luftlieferungen in sehr kurzer Zeit von beispielsweise ca. 1 Sekunde nahezu verzögerungsfrei durch einen schnellen Ladedruckaufbau bewältigt wird. Auch der als Niederdruck-Abgasturbolader ausgebildet Abgasturbolader 50 springt durch die steigende Abgasmenge ebenfalls schnell an und bewirkt einen Vordruck vor dem Hochdruck-Verdichter.
Falls der Abgasturbolader 50 zunehmend bei der Ladedruckerzeugung mitwirkt, kann der elektrisch angetriebene, zweite Verdichter 34 energiesparend hinsichtlich seiner Leistungsaufnahme zurückgefahren werden, wobei die Verbrennungsluft dann durch einen beispielsweise selbstöffnenden Bypasskanal 86 des zweiten Verdichters 34 strömt.
Bei dem Bypasskanal 86 handelt es sich um eine Umgehungsleitung, über die der zweite Verdichter 34 und insbesondere das zweite Verdichterrad 36 von der den Ansaugtrakt 24 durchströmenden Luft zu umgehen ist. In dem Bypasskanal 86 ist ein Ventilelement 88 angeordnet, welches – wie geschildert – beispielsweise selbst öffnet und so den Bypasskanal 86 selbsttätig freigibt, so dass das zweite Verdichterrad 36 von der Luft umgangen werden kann.
Durch eine entsprechende Regelungsstrategie des Aufladesystems werden die Stelleinrichtungen 82, 84, welche üblicherweise auch als Variabilitäten bezeichnet werden, vorteilhafterweise so betätigt, dass eine optimale Luftversorgung, Energiespeicherung in der Batterie 22 und die Versorgung der beteiligten Verbraucher bei angeforderten Motorleistungen durchgeführt wird. Im mittleren und oberen Drehzahlbereich und im oberen Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine 10 wird die zweite Turbine 76, welche zur ersten Turbine 44 des Abgasturboladers 50 parallel geschaltet ist, im Allgemeinen durchströmt und bewirkt eine zumindest im Wesentlichen vollständige Verwertung der im Abgas enthaltenen Exergie ohne eine Abblasung, wobei die unmittelbare Verwertung und Speicherung der elektrischen Energie innerhalb eines Gesamtenergie-Managements Berücksichtigung findet.
2 zeigt die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei der Elektromotor 52 nun dem ersten Verdichter 30 (Niederdruck-Verdichter) zugeordnet ist, während der zweite Verdichter 34 (Hochdruck-Verdichter) nun dem Abgasturbolader 50 mit der ersten Turbine 44 zugeordnet ist. Die erste Turbine 44 ist nun als Hochdruck-Turbine ausgebildet, wobei die sie durchströmende Masse des Abgases mit m_TH und der der Hochdruck-Turbine zugeordnete Durchsatzparameter mit Φ_TH bezeichnet ist.
Die anhand von 1 beschriebene elektrische und nicht starre Welle ist nun zwischen dem elektrisch angetriebenen Niederdruck-Verdichter und dem Generator 74 vorgesehen. Die Hochdruck-Turbine ist hier als Vario-Turbine ausgebildet und umfasst somit die Stelleinrichtung 82. Mittels der Stelleinrichtungen 82, 84 ist eine Durchsatzaufteilung
zwischen den beiden, zueinander parallel geschalteten Turbinen 44, 76 einstellbar. Je nach Anforderung der Verbrennungskraftmaschine an das Aufladesystem kann diese Durchsatzaufteilung in einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 1 sein. Mit anderen Worten kann gelten:
Im Falle, dass der elektrisch angetriebene Niederdruck-Verdichter inaktiv ist, findet üblicherweise eine Durchströmung des nun dem Niederdruck-Verdichter zugeordneten Bypasskanals 86 statt, über welchen der Niederdruck-Verdichter von der Luft zu umgehen ist. Hierbei wird die Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine 10 allein durch den Abgasturbolader 50 mit der Hochdruck-Turbine dargestellt, welcher als Vario-Turbine ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylinder
14: Kurbelwelle
16: Richtungspfeil
18: Startergenerator
20: Elektronik
22: Batterie
24: Ansaugtrakt
26: Richtungspfeil
28: Luftfilter
30: erster Verdichter
32: erstes Verdichterrad
34: zweiter Verdichter
36: zweites Verdichterrad
38: Ladeluftkühler
40: Ladeluftverteiler
41: Drosselklappe
42: Abgastrakt
44: erste Turbine
46: erstes Turbinenrad
48: Welle
50: Abgasturbolader
52: Elektromotor
54: Welle
55: Abgasrückführeinrichtung
56: Abgasrückführleitung
58: Abzweigstelle
60: Zuführstelle
62: Abgasrückführventil
64: Abgasrückführkühler
66: Regelungseinrichtung
67: Abgasnachbehandlungseinrichtung
68: elektrischer Verbraucher
70: Umgehungseinrichtung
72: Umgehungsleitung
74: Generator
76: zweite Turbine
78: zweites Turbinenrad
80: Welle
82: Stelleinrichtung
84: Stelleinrichtung
86: Bypasskanal
88: Ventilelement
A: Abzweigstelle
B: Zuführstelle
M: Mischstelle
P1: erster Druck
P2N: zweiter Druck
P2H: dritter Druck
p_2s: Ladedruck
p₃: fünfter Druck
p₄: sechster Druck
Φ_TG: Durchsatzparameter
Φ_TH: Durchsatzparameter
Φ_TN: Durchsatzparameter
m_TG: Masse
m_TH: Masse
m_TN: Masse

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 102010008118 A1 [0002]
DE 102011012575 A1 [0004]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Ansaugtrakt (24), in welchem ein erster Verdichter (30) und in Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt (24) stromab des ersten Verdichters (30) ein zweiter Verdichter (34) zum Verdichten der Luft angeordnet sind, wobei einer der Verdichter (30, 34) einem Abgasturbolader (50) zugeordnet ist, der eine in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (42) angeordnete und vom Abgas antreibbare Turbine (44) umfasst, mittels welcher der eine Verdichter (30) des Abgasturboladers (50) antreibbar ist, und wobei dem anderen Verdichter (34) ein Elektromotor (52) zum Antreiben des anderen Verdichters (52) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Verdichters (30) des Abgasturboladers (50) der erste Verdichter (30) und der andere Verdichter (34) der zweite Verdichter (34) ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (42), in welchem ein von dem Abgas antreibbarer Generator (74) zum Bereitstellen von elektrischem Strom angeordnet ist, und mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Ansaugtrakt (24), in welchem ein erster Verdichter (30) und in Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt (24) stromab des ersten Verdichters (30) ein zweiter Verdichter (34) zum Verdichten der Luft angeordnet sind, wobei einer der Verdichter (30, 34) einem Abgasturbolader (50) zugeordnet ist, der eine in dem Abgastrakt (42) angeordnete und vom Abgas antreibbare Turbine (44) umfasst, mittels welcher der eine Verdichter (30) des Abgasturboladers (50) antreibbar ist, und wobei dem anderen Verdichter (34) ein mittels des von dem Generator (74) bereitgestellten, elektrischen Stroms zumindest mittelbar antreibbarer Elektromotor (52) zum Antreiben des anderen Verdichters (34) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umgehungseinrichtung (70) mit wenigstens einer Umgehungsleitung (72) vorgesehen ist, über welche die Turbine (44) von dem Abgas zu umgehen ist und welcher der Generator (74) zugeordnet ist, der zumindest mittelbar von die Umgehungsleitung (72) durchströmendem Abgas antreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (74) eine in der Umgehungsleitung (72) angeordnete und von dem die Umgehungsleitung (72) durchströmendem Abgas antreibbare, zweite Turbine (76) zugeordnet ist, über welche der Generator (74) antreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Turbinen (44, 76) eine Stelleinrichtung (82, 84) aufweist, mittels welcher ein engster, von Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt der zur Stelleinrichtung (82, 84) gehörenden Turbine (44, 76) variabel einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (30), dem der Elektromotor (52) zugeordnet ist, eine Umgehungseinrichtung (86) zugeordnet ist, über welche der Verdichter (30), dem der Elektromotor (52) zugeordnet ist, von der den Ansaugtrakt (24) durchströmende Luft zu umgehen ist.