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Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem ersten und einem zweiten Turbolader, von denen mindestens einer zusätzlich einen elektrischen Energiewandler aufweist, und ein Verfahren zur Verwendung der Anordnung.
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Turbolader dienen der Aufladung der Zylinder von Brennkraftmaschinen mit einer unter Überdruck stehenden Verbrennungsluft. Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die ähnlich aufgebaut sein können und auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Der Massenstrom des Abgases versetzt das Turbinenrad im Abgastrakt in Rotation. Über die gemeinsame Welle wird das Drehmoment auf das Verdichterrad im Ansaugtrakt übertragen, wodurch der Verdichter Verbrennungsluft komprimiert (
US6920755B2 ,
US8225608B2 ). So lange genügend Abgas anströmt, reicht die Drehzahl aus, um auf der Ansaugseite einen Überdruck zu bewirken. Ausreichendes Abgas wird jedoch nur bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine erreicht, so dass Turbomotoren im unteren Drehzahlbereich und beim plötzlichen Gasgeben auch im höheren Drehzahlbereich verzögert reagieren (Turboloch).
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Werden parallel zwei Turbolader verwendet, bezeichnet man diese als Zwillingsturbo, oder auf Englisch als Twin Turbo. Bei sequentiellen Zwillingsturboladern werden parallel zwei Turbolader verwendet, wobei jedoch nur die erste Turbine des ersten Turboladers ständig im Abgasstrom angetrieben, die zweite Turbine des zweiten Turboladers jedoch erst bei entsprechendem Leistungsbedarf zugeschaltet wird, die dann den zweiten Verdichter antreibt. Ist das geschehen, arbeiten die Lader nach dem Prinzip des „klassischen“ Zwillingsturboladers parallel. Dabei sind im oberen Drehzahlbereich die Vorteile der größeren Fördermenge zweier Turbolader nutzbar, während in den unteren Drehzahlbereichen bei nur einer verwendeten Turbine diese schneller einen Ladedruck aufbauen kann.
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Probleme bei der Verwendung von sequentiellen Zwillingsturboladern sind die Steuerung von Drehmomentschwankungen bei der Zu- oder Abschaltung des zweiten Turboladers und entsprechende Leistungsschwankungen sowie ein kostspieliger Abgasklappenventilsteuerungsmechanismus, um den zweiten Turbolader zu- oder abzuschalten. Weiterhin wird auch bei der Verwendung sequentieller Zwillingsturbolader immer noch ein Teil der Abgasenergie nicht genutzt, und ist die Steuerung einer Niederung- und/oder Hochdruck-Abgasrückrührung schwierig.
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Es besteht damit die Aufgabe, einen sequentiellen Zwillingsturbolader bereitzustellen, der eine effektive Turboaufladung einer Brennkraftmaschine unter Vermeidung der erwähnten Nachteile ermöglicht. Es besteht weiterhin die Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
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Die erste Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die zweite Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem Nebenanspruch, den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten Turbolader, welcher mindestens eine erste Turbine und mindestens einen ersten Verdichter aufweist, und einem zweiten Turbolader, welcher mindestens eine zweite Turbine und mindestens einen zweiten Verdichter aufweist, und bei der mindestens einem der Turbolader mindestens ein erster elektrischer Energiewandler zugeordnet ist.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn der erste elektrische Energiewandler auf einer Welle zwischen einer Turbine und einem Verdichter des Turboladers angeordnet ist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in einer Abgasquerleitung vom Abgastrakt zur zweiten Turbine mindestens eine Ventileinrichtung angeordnet und ausgebildet ist, die Abgasquerleitung mindestens teilweise zu öffnen oder zu schließen, und der erste elektrische Energiewandler auf einer zweiten Welle zwischen der zweiten Turbine und dem zweiten Verdichter angeordnet ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des ersten elektrischen Energiewandlers im zweiten Turbolader besteht darin, während des laufenden Betriebs des ersten Turboladers bei Zuschaltung des zweiten Turboladers die normalerweise auftretenden Drehmomentschwankungen zu überbrücken, indem er den zweiten Verdichter elektrisch antreibt, bis ein ausreichender Abgasdruck für den Antrieb der zweiten Turbine aufgebaut ist. Weiterhin kann der zweite Verdichter durch den ersten elektrischen Energiewandler auch angetrieben werden, ohne dass der zweite Turbolader zum Aufbauen von Ladedruck zugeschaltet werden soll, um vorteilhafterweise Dichtungsprobleme zu vermeiden, die beim Betrieb des ersten Turboladers und vollständigem Ruhen des zweiten entstehen können. Weiterhin kann der erste elektrische Energiewandler auch als Generator betrieben werden, indem Abgas aus dem Wastegate der ersten Turbine in die zweite Turbine geleitet wird, die dann den Generator antreibt. Auf diese Weise kann vorteilhaft normalerweise ungenutztes Abgas zur Energieerzeugung genutzt werden. Vorteilhafterweise kann durch den ersten elektrischen Energiewandler auch die Erzeugung von Ladedruck bei Abgasrückführung in den zweiten Verdichter durch Kontrolle der Rotor-Geschwindigkeit des zweiten Verdichters gesteuert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist zusätzlich auf einer ersten Welle zwischen der ersten Turbine und dem ersten Verdichter mindestens ein zweiter elektrischer Energiewandler angeordnet. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, weil so die Verdichter beider Turbolader elektrisch angetrieben werden können, so lange in den unteren Drehzahlbereichen nicht genügend Abgas für den Antrieb der Turbinen bereitsteht. Weiterhin kann so ein elektrischer Energiewandler im Generatormodus betrieben werden, währende der andere im Motormodus betrieben wird. Vorteilhafterweise kann so auch die Rotor-Geschwindigkeit beider Verdichter gesteuert werden.
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Bevorzugt ist in der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich eine mit dem ersten elektrischen Energiewandler oder den elektrischen Energiewandlern in elektrischer Verbindung stehende Batterie angeordnet. Die Batterie dient zum Bereitstellen elektrischer Energie für den bzw. die elektrischen Energiewandler für den Betrieb im Motormodus. Weiterhin kann die Batterie aufgeladen werden, wenn der oder die elektrischen Energiewandler im Generatormodus betrieben werden. Es ist in diesem Sinne auch bevorzugt, wenn in der erfindungsgemäßen Anordnung der erste elektrische Energiewandler oder die elektrischen Energiewandler wahlweise als Elektromotor oder Generator betreibbar sind.
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Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Anordnung eine Steuereinrichtung vorhanden, die ausgebildet ist, die Steuerparameter der Turbolader zu überwachen und einzustellen. Die Steuereinrichtung steuert vor allem die Geschwindigkeit der Verdichter der Turbolader.
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Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Anordnung über ein Abgasrückführungssystem (AGR) Abgas in den ersten und/oder zweiten Verdichter einleitbar. Die AGR dient zur Minderung der Emission von Stickoxiden im Abgas und zur Senkung der Ladungswechselverluste. Dabei handelt es sich idealerweise um ein Niederdruck-AGR. Alternativ kann auch Abgas über ein Hochdruck-AGR in den Ansaugtrakt eingeleitet werden, wobei dabei das Einleiten hinter dem oder den Verdichtern erfolgt.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Turbolader parallel angeordnet. Somit können beide Turbolader als klassische Zwillingsturbolader betrieben werden, wenn die Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl läuft und von beiden Turboladern Verdichtung angefordert wird. Die Abgasenergie der Brennkraftmaschine wird dabei zwischen den beiden Turboladern geteilt.
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Weiterhin ist in der erfindungsgemäßen Anordnung eine Wastegate-Leitung vom Wastegate der ersten Turbine zur zweiten Turbine angeordnet. Durch diese Wastegateleitung kann vorteilhaft normalerweise ungenutzte Abgasenergie für den Betrieb der zweiten Turbine genutzt werden, indem diese den ersten elektrischen Energiewandler im Generatormodus antreibt.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. Das Kraftfahrzeug umfasst gemäß der Erfindung damit eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem ersten Turbolader, welcher mindestens eine erste Turbine und mindestens einen ersten Verdichter aufweist, und einem zweiten Turbolader, welcher mindestens eine zweite Turbine und mindestens einen zweiten Verdichter aufweist, und bei der mindestens einem der Turbolader mindestens ein erster elektrischer Energiewandler zugeordnet ist.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei der oder die elektrischen Energiewandler wahlweise als Elektromotoren zum Antrieb der Verdichter oder als Generatoren zum Aufladen der Batterie verwendet werden. Die Vorteile entsprechen dabei denen der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren während des laufenden Betriebs des ersten Turboladers durch Leiten von Abgas in die erste Turbine und Verdichten von Ansaugluft durch den ersten Verdichter bei Zuschaltung des zweiten Turboladers durch Öffnung der Ventileinrichtung in einer Abgasquerleitung zum Leiten von Abgas in die zweite Turbine zum zusätzlichen Verdichten von Ansaugluft durch den zweiten Verdichter der zweite Verdichter solange durch den im Motormodus eingesetzten ersten elektrischen Energiewandler betrieben, bis der Massenstrom des Abgases zum Betrieb der zweiten Turbine eine ausreichende Dichte erreicht hat. Dabei wird vorteilhafterweise eine Drehmomentschwankung durch langsames Anlaufen des zweiten Verdichters vermieden. Weiterhin können, wenn in beiden Turboladern ein elektrischer Energiewandler angeordnet ist, der erste und der zweite Verdichter solange durch den zweiten bzw. ersten im Motormodus eingesetzten Energiewandler betrieben werden, bis der Massenstrom des Abgases zum Betrieb der ersten bzw. zweiten Turbine eine ausreichende Dichte erreicht hat.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des laufenden Betriebs des ersten Turboladers durch Leiten von Abgas in die erste Turbine und Verdichten von Ansaugluft durch den ersten Verdichter in Phasen, in denen der zweite Turbolader nicht zum Verdichten benötigt wird und die Ventileinrichtung in der Abgasquerleitung geschlossen ist, Abgas vom Wastegate der ersten Turbine durch die Wastegate-Leitung zur zweiten Turbine geleitet, und der erste elektrische Energiewandler im Generatormodus betrieben wird. Dadurch kann vorteilhaft sonst ungenutzte Abgasenergie zum Aufladen einer an den ersten elektrischen Energiewandler und ggf. auch an den zweiten elektrischen Energiewandler angeschlossenen Batterie verwendet werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn während des laufenden Betriebs des ersten Turboladers durch Leiten von Abgas in die erste Turbine und Verdichten von Ansaugluft durch den ersten Verdichter bei Zuschaltung des zweiten Turboladers durch Öffnung der Ventileinrichtung in der Abgasquerleitung zum Leiten von Abgas in die zweite Turbine der erste elektrische Energiewandler im Generatormodus betrieben wird. Auf diese Weise kann ebenfalls vorteilhaft die an den ersten und ggf. auch an den zweiten elektrischen Energiewandler angeschlossene Batterie aufgeladen werden.
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Vorzugsweise kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Abgas in die erste und zweite Turbine geleitet werden, und der zweite und der erste elektrische Energiewandler im Generatormodus betrieben werden. Auf diese Weise kann ebenfalls vorteilhaft die an die elektrischen Energiewandler angeschlossene Batterie aufgeladen werden, wenn beispielsweise keine Aufladung des Ansaugtrakts durch die Turbolader benötigt wird, oder wenn die Batterie schnell aufgeladen werden muss.
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Zum Abgastrakt gehören die Leitungen von der Brennkraftmaschine bis zu den Turbinen.
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Zum Ansaugtrakt gehören die Leitungen von den Verdichtern bis zur Brennkraftmaschine.
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Der Massenstrom gibt die Masse des Abgases an, die sich einer Zeitspanne durch den Abgastrakt bewegt.
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Ein Wastegate ist ein Bypassventil, welches dazu dient, bei ausreichend hohem Ladedruck im Ansaugtrakt Abgas an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff abzuleiten, wodurch ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbunden wird.
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Im Motormodus wandelt ein elektrischer Energiewandler elektrische Energie in mechanische um.
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Im Generatormodus wandelt ein elektrischer Energiewandler mechanische Energie in elektrische um.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erklärt. Es zeigen:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem ersten elektrischen Energiewandler
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2 die Anordnung gemäß 1 mit einem zusätzlichen zweiten elektrischen Energiewandler
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3 die Anordnung gemäß 1 mit einem zusätzlichen zweiten elektrischen Energiewandler
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4 die Anordnung gemäß 1 mit einem zusätzlichen zweiten elektrischen Energiewandler
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In der Darstellung von 1 ist eine beispielhafte Anordnung 20 einer Brennkraftmaschine 6 mit sequentiell-parallelen Zwillings-Turboladern 15a, 15b dargestellt. Der erste und der zweite Turbolader 15a bzw. 15b weisen jeweils eine Welle 1a bzw. 1b auf, der eine Turbine 2a bzw. 2b mit einem Verdichter 3a bzw. 3b verbindet. Das Abgas der Brennkraftmaschine 6 wird durch den Abgastrakt 7a geleitet und dient zum Antrieb der Turbinen 2a, 2b. Der zweite Turbolader 15b weist einen ersten elektrischen Energiewandler 4b auf, der auf der zweiten Welle 1b zwischen zweiter Turbine 2b und zweitem Verdichter 3b angeordnet ist. Der Energiewandler 4b wird im Motormodus M betrieben. Alternativ kann der Energiewandler 4b auch im Generatormodus G betrieben werden. In der Anordnung 20 ist weiterhin eine Steuereinrichtung 18 vorhanden, die ausgebildet ist, die Steuerparameter der Turbolader 15a, 15b, besonders der elektrischen Energiewandler 4a, 4b und der Verdichter 3a, 3b zu überwachen und einzustellen.
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Beide Turbinen 2a, 2b weisen jeweils ein erstes und zweites Wastegate 5a bzw. 5b auf. Das erste Wastegate 5a des ersten Turboladers 2a kann durch eine Wastegate-Abgasleitung 7c mit der zweiten Turbine 2b verbunden sein und Abgas vom Wastegate 5a zur zweiten Turbine 2b geleitet werden, um die sonst nicht verwendete Energie des abgeleiteten Abgases zum Antrieb der zweiten Turbine und damit des ersten Energiewandlers 4b zu nutzen, wenn der erste Energiewandler 4b im Generatormodus G betrieben wird. Zur Kontrolle des Abgasstroms vom Wastegate 5a ist idealerweise eine Ventileinrichtung 17 in der Wastegate-Abgasleitung 7c vorhanden.
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Der im Ansaugtrakt 14 angeordnet Ladeluftkühler 10 dient zum Abführen eines Teils der Wärme der der Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft, die durch das Verdichten der Luft entsteht. Die im Ansaugtrakt 14 direkt vor der Brennkraftmaschine 6 angeordnete Drosselklappe 11 dient zur Regulation der Luftmenge zum Zwecke der Leistungssteuerung der Brennkraftmaschine 6.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 wird für eine Niederdruck-Abgasrückführung (AGR) Abgas nach der ersten Turbine 2a entnommen, durch einen Kühler 12c geleitet und in den ersten Verdichter 3a geleitet. Das Abgas kann auch in den zweiten Verdichter 3b geleitet werden, oder in beide Verdichter 3a, 3b. Zum Kühlen könnte das Abgas auch durch den Ladeluftkühler 10 geleitet werden. Optional ist auch eine Hochdruck-AGR 12b (gestrichelte Linie) verwendbar, wobei die Entnahme hier vor der ersten Turbine 2a entnommen, durch den Kühler 12c geleitet und nach Ladeluftkühler 10 und Drosselklappe 11 wieder eingeleitet wird.
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In der Abgasquerleitung 7b zum Leiten von Abgas von der Brennkraftmaschine 6 zur zweiten Turbine 2b ist eine Ventileinrichtung 16 angeordnet. Durch Öffnen der Ventileinrichtung 16 ist Abgas zur zweiten Turbine 2b leitbar und diese durch das Abgas antreibbar, d.h. ist der zweite Turbolader 15b zum Betrieb des ersten Turboladers 15a zuschaltbar. Durch Schließen der Ventileinrichtung 16 ist der zweite Turbolader 15b wieder abschaltbar. Ein weiteres Steuerventil 13 dient zum Steuern der Menge an Ladeluft vom zweiten Verdichter 3b zum Ansaugtrakt 7b.
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Soll während des laufenden Betriebs des ersten Turboladers 15a durch Leiten von Abgas in die erste Turbine 2a und Verdichten von Ansaugluft durch den ersten Verdichter 3a zusätzlich Ansaugluft durch den zweiten Verdichter 3b generiert werden, wird entsprechend 1 der zweite Turbolader 15b durch Öffnen der Ventileinrichtung 16 in der Abgasquerleitung 7b dazugeschaltet. Der erste elektrische Energiewandler 4b entsprechend der Ausführungsform von 1 im Motormodus M betrieben und so lange zum Antrieb des zweiten Verdichters 3b verwendet, bis das durch die Abgasquerleitung 7b geleitete Abgas zum Betrieb der zweiten Turbine 2b eine für das Verdichten von Ansaugluft ausreichenden Massestrom erreicht hat.
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Sind elektrische Energiewandler 4a, 4b in beiden Turboladern 15a bzw. 15b angeordnet und werden diese wie in 2 beide im Motormodus M betrieben, können sie beide die entsprechenden Verdichter 3a bzw. 3b antreiben, bis der Massestrom des Abgases dicht genug ist, um über die Turbinen 2a, 2b die Verdichter 3a bzw. 3b ausreichend für die erforderliche Verdichtung von Ladeluft anzutreiben.
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Wird nur der erste Turbolader 15a zum Verdichten von Ansaugluft genutzt, kann während des laufenden Betriebs des ersten Turboladers 15a die Batterie 9 durch den im Generatormodus G betriebenen ersten elektrischen Energiewandler 4b im zweiten Turbolader 15b aufgeladen werden, indem Abgas vom Wastegate 5a zur zweiten Turbine 2b zu leiten, die den ersten elektrischen Energiewandler 4b antreibt. Dazu ist die Ventileinrichtung 16 in der Abgasquerleitung 7b geschlossen. Alternativ kann die Ventileinrichtung 16 in der Abgasquerleitung 7b auch geöffnet sein oder geöffnet werden, um Abgas zur zweiten Turbine 2b zu leiten, wenn der erste Energiewandlers 4b im Generatormodus G betrieben werden soll, um die Batterie 9 aufzuladen.
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In 2 weist die dargestellte beispielhafte Ausführungsform der Anordnung 20 der Brennkraftmaschine 6 mit den Zwillingsturboladern 15a, 15b zusätzlich zur Anordnung von 1 einen zweiten elektrischen Energiewandler 4a auf, der im ersten Turbolader 15a auf der ersten Welle 1a zwischen erster Turbine 2a und erstem Verdichter 3a angeordnet ist. Der zweite elektrische Energiewandler 4a wird im Motormodus M betrieben.
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In 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Anordnung 20 der Brennkraftmaschine 6 mit den Zwillingsturboladern 15a, 15b ähnlich der gemäß 2 dargestellt, wobei der erste elektrische Energiewandler 4b im Generatormodus G und der zweite elektrische Energiewandler 4a im Motormodus M betrieben wird. Mit dem elektrischen Energiewandler 4b ist eine Batterie 9 elektrisch verbunden. Energiewandler 4b und Batterie 9 bilden einen Stromkreis, wobei die Batterie 9 durch den Energiewandler 4b aufladbar ist, wenn dieser im Generatormodus G betrieben wird, und die Batterie 9 den Energiewandler 4b antreiben kann, wenn dieser im Motormodus M betrieben wird. In dem Stromkreis von Energiewandler 4b und Batterie 9 ist eine variable Generatorlast 8 angeordnet. Dies kann z.B. ein Widerstand sein, um die Kapazität des im Generatormodus G betriebenen Energiewandlers 4b oder den Ladezustand der Batterie 9 zu testen oder einzustellen. RG ist dabei der Widerstand der variablen Last, und VG die vom Energiewandler 4b generierte Spannung.
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In der 4 dargestellten beispielhaften Ausführungsform weist die Anordnung 20 der Brennkraftmaschine 6 mit den Zwillingsturboladern 15a, 15b weist im Unterschied zur Anordnung 20 von 3 einen erweiterten Stromkreis auf, der zusätzlich zum ersten Energiewandler 4b, Batterie 9 und variabler Generatorlast 8 den zweiten Energiewandler 4a einschließt. Weiterhin wird auch der zweite elektrische Energiewandler 4a im Generatormodus G betrieben. Damit ist die Batterie 9 durch beide elektrischen Energiewandler 4a, 4b aufladbar.
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Sollen sowohl der zweite als auch der erste elektrische Energiewandler 4a, 4b im Generatormodus G betrieben werden, wird Abgas durch die Abgasstränge 7 und 7b (bei geöffneter Ventileinrichtung 16) auf die Turbinen 2a bzw. 2b geleitet. Auf diese Weise wird die an die elektrischen Energiewandler 4a, 4b angeschlossene Batterie 9 aufgeladen werden, wenn beispielsweise keine Aufladung des Ansaugtrakts durch die Turbolader 15a, 15b benötigt wird, oder wenn einen schnelle Aufladung der Batterie erforderlich ist.
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Für einen Fachmann naheliegende Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- erste Welle
- 1b
- zweite Welle
- 2a
- erste Turbine
- 2b
- zweite Turbine
- 3a
- erster Verdichter
- 3b
- zweiter Verdichter
- 4a
- zweiter elektrischer Energiewandler
- 4b
- erster elektrischer Energiewandler
- 5a
- erstes Wastegate
- 5b
- zweites Wastegate
- 6
- Brennkraftmaschine
- 7a
- Abgastrakt
- 7b
- Abgasquerleitung
- 7c
- Wastegateleitung
- 8
- variable Last
- 9
- Batterie
- 10
- Ladeluftkühler
- 11
- Drosselklappe
- 12a
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 12b
- Hochdruck-Abgasrückführung
- 12c
- Kühler der Abgasrückführung
- 13
- Steuerventil
- 14
- Ansaugtrakt
- 15a
- erster Turbolader
- 15b
- zweiter Turbolader
- 16
- Ventileinrichtung in Abgasquerleitung
- 17
- Ventileinrichtung in Wastegateleitung
- 18
- Steuereinrichtung
- 20
- erfindungsgemäße Anordnung
- G
- Generatormodus
- M
- Motormodus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6920755 B2 [0002]
- US 8225608 B2 [0002]
