DE102015121463A1 - Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor sowie Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung (10) für einen Verbrennungsmotor (40), aufweisend einen Antriebsstrang (11), einen Verdichter (12) und eine über den Antriebsstrang (11) mit dem Verbrennungsmotor (40) mechanisch koppelbare erste elektrische Maschine (20). Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor (40) mit einer Verdichteranordnung (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor, aufweisend einen Antriebsstrang, einen Verdichter und eine über den Antriebsstrang mit dem Verbrennungsmotor mechanisch koppelbare erste elektrische Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer Verdichteranordnung.
  • Der Einsatz von Verdichtern bei Verbrennungsmotoren ist grundsätzlich bekannt. Durch den Einsatz derartiger Verdichter, oftmals als Teil eines Turboladers des Verbrennungsmotors, kann die dem Verbrennungsmotor zugeführte Ladeluft komprimiert werden. Eine höhere Leistung des Verbrennungsmotors bei gleichzeitig geringerem Verbrauch kann dadurch erreicht werden. Neben einem möglichen Antrieb über eine Abgasturbine, wie es bei einem Turbolader der Fall ist, ist alternativ oder zusätzlich auch ein elektrischer Antrieb des Verdichters bekannt. Durch einen zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Verdichter ist beispielsweise auch eine Verbesserung eines Ansprechverhaltens des Verbrennungsmotors möglich. Derartige zumindest teilweise elektrisch angetriebene Verdichter, insbesondere als Teil eines Abgasturboladers, sind beispielsweise aus der DE 100 22 113 A1 , der DE 10 2012 004 394 A1 oder der DE 36 02 543 A1 bekannt.
  • Als nachteilig hat sich jedoch bei Verdichtern herausgestellt, dass insbesondere bei mechanisch angetriebenen Verdichtern das Beschleunigen insbesondere bei einem Beginn des Betriebs einen hohen Energieverbrauch aufweist. Bei einem elektrischen Betrieb kann sich zusätzlich eine hohe Verlustleistung insbesondere in einem Dauerbetrieb des Verdichters nachteilig auswirken.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise einen energieeffizienten Betrieb des Verdichters ermöglichen, wobei gleichzeitig eine Beeinträchtigung des Betriebs insbesondere des Verbrennungsmotors vermieden werden kann.
  • Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor, aufweisend einen Antriebsstrang, einen Verdichter und eine über den Antriebsstrang mit dem Verbrennungsmotor mechanisch koppelbare erste elektrische Maschine. Eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang eine Getriebevorrichtung aufweist und eine zweite elektrische Maschine vorgesehen ist, wobei die Getriebevorrichtung im Antriebstrang derart angeordnet ist, dass die zweite elektrische Maschine jeweils über die Getriebevorrichtung mit der ersten elektrischen Maschine und mit dem Verdichter mechanisch koppelbar ist.
  • Eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung ist für eine Unterstützung eines Verbrennungsmotors ausgebildet. Dafür weist die Verdichteranordnung einen Verdichter auf, der insbesondere zum Verdichten einer Ladeluft des Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Selbstverständlich weist die erfindungsgemäße Verdichteranordnung auch alle dafür nötigen Verbindungselemente auf, wie beispielsweise eine Luftzuführung, um die verdichtete Luft im eingebauten Zustand dem Verbrennungsmotor zuführen zu können. Ferner weist die Verdichteranordnung einen Antriebsstrang auf, über den eine erste elektrische Maschine mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist. Eine derartige mechanische Kopplung kann dabei beispielsweise durch einen Riemen-, Räder- und/oder Kettenantrieb bereitgestellt werden. Durch den Antriebsstrang kann somit ein Transport einer mechanischen Energie, beispielsweise in Form einer Rotationsenergie, innerhalb der Verdichteranordnung und nach außen zum Verbrennungsmotor ermöglicht werden. Der Transport der mechanischen Energie kann dabei insbesondere in beiden Richtungen erfolgen, insbesondere sowohl vom Verbrennungsmotor zur Verdichteranordnung als auch von der Verdichteranordnung zum Verbrennungsmotor. Eine elektrische Maschine im Sinne der Erfindung kann dabei sowohl als ein Elektromotor als auch als ein Generator betrieben werden. So ist insbesondere bei einer mechanischen Kopplung der ersten elektrischen Maschine mit dem Verbrennungsmotor über den Antriebsstrang sowohl ein Antreiben des Verbrennungsmotors, beispielsweise bei einem Startvorgang des Verbrennungsmotors, durch eine als Elektromotor betriebene erste elektrische Maschine als auch das Erzeugen elektrischer Energie durch eine vom Verbrennungsmotor angetriebene und als Generator betriebene erste elektrische Maschine ermöglicht.
  • Eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung weist ferner eine zweite elektrische Maschine auf. Diese zweite elektrische Maschine kann ebenfalls sowohl als Elektromotor als auch als Generator betrieben werden. Über eine Getriebevorrichtung, die im Antriebsstrang angeordnet ist, ist die zweite elektrische Maschine mit der ersten elektrischen Maschine koppelbar. Ferner ist die zweite elektrische Maschine über die Getriebevorrichtung auch mit dem Verdichter mechanisch koppelbar. Dadurch ist auch eine zumindest indirekte mechanische Kopplung zwischen der ersten elektrischen Maschine und dem Verdichter bzw. insbesondere zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Verdichter über insbesondere die Getriebevorrichtung und die zweite elektrische Maschine ermöglicht.
  • Eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung ermöglicht es somit, den Verdichter der Verdichteranordnung auf verschiedene Weise anzutreiben. So ist es beispielsweise möglich, den Verdichter nur durch die erste und/oder die zweite Elektromaschine anzutreiben, die dann jeweils als Elektromotor betriebenen werden. Insbesondere bei einem Start eines Betriebs der Verdichteranordnung kann dadurch vermieden werden, dass dem Verbrennungsmotor die zum Anfahren des Verdichters nötige mechanische Energie entzogen wird. Eine Beeinträchtigung der Leistung des Motors, der insbesondere während eines Betriebsbeginns beispielsweise durch eine zu niedrige Betriebstemperatur oftmals nur mit einem verringerten Wirkungsgrad betrieben werden kann, kann dadurch vermieden werden. In einem späteren Betriebszeitpunkt kann es dagegen vorteilhaft sein, den Verdichter durch eine zumindest indirekte mechanische Kopplung über den Antriebsstrang durch den Verbrennungsmotor anzutreiben. Der Verbrennungsmotor läuft dann zumeist mit einem hohen Wirkungsgrad, so dass die mechanische Energie, die zum Antreiben des Verdichters benötigt wird, durch den Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt werden kann, ohne dass eine Beeinträchtigung für den Benutzer des Verbrennungsmotors, beispielsweise ein Fahrer eines durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs, dies als störend empfindet. Auch stellt dies insbesondere für einen stationären Betrieb einen Vorteil dar, da dadurch eine hohe elektrische Dauerlast, die bei einem durchgehenden Antreiben des Verdichters durch eine oder beide der elektrische Maschinen auftreten würde, vermieden werden kann. Durch beide Beispiele für Antriebsarten des Verdichters, elektrisch bei Betriebsbeginn und durch den Verbrennungsmotor im stationären Betrieb, kann somit insgesamt eine Reduktion des Verbrauchs bzw. eine Erhöhung der Effizienz beim Betreiben des Verbrennungsmotors ermöglicht werden.
  • Insgesamt kann bei einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung durch die verschiedenen Kopplungsmöglichkeiten und Betriebsarten der beiden elektrischen Maschinen eine besonders hohe Flexibilität bezüglich eines Betriebs der Verdichteranordnung bereitgestellt werden. Es können beispielsweise eine oder beide elektrische Maschinen als Elektromotor betrieben werden und den Verbrennungsmotor antreiben oder diesen zumindest unterstützen. Insbesondere kann dies bei einem Betriebsstart des Verbrennungsmotors vorteilhaft sein, da dadurch auf zusätzliche Elektromotoren als Starter verzichtet werden kann. Ein hoher Startkomfort für einen Benutzer des Verbrennungsmotors, der insbesondere als Antrieb in einem Fahrzeug angeordnet sein kann, kann dadurch bereitgestellt werden. Im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors kann auch durch eine oder beide als Elektromotor betriebene(n) Elektromaschine(n) eine insgesamt bereitstellbare Leistung und/oder ein bereitstellbares Drehmoment vergrößert werden. Dies kann wenn sinnvoll und/oder nötig auch dauerhaft erfolgen. Dabei kann diese Steigerung der Leistung und/oder des Drehmoments einerseits dadurch ermöglicht werden, dass der Verbrennungsmotor unterstützend direkt durch die jeweils als Elektromotor betriebene(n) Elektromaschine(n) zusätzlich angetrieben wird. Andererseits kann auch durch eine oder beide Elektromaschinen der Verdichter angetrieben werden, wobei durch die dadurch erreichbare Aufladung einer Ladeluft des Verbrennungsmotors ebenfalls eine Steigerung einer insgesamt bereitstellbaren Leistung und/oder eines Drehmoments ermöglicht werden kann. Alternativ und/oder zusätzlich kann eine oder beide Elektromaschinen als Generator betrieben werden. Eine Rekuperation von nicht benötigter mechanischer Energie, gespeichert sowohl im Verbrennungsmotor als auch im Verdichter, durch Umwandlung in elektrische Energie kann so flexibel bereitgestellt werden. Auch eine Einsparung eines zusätzlichen Generators, beispielsweise einer Lichtmaschine, kann dadurch durch eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung ermöglicht werden. Insbesondere kann bei einem Betrieb beider Elektromaschinen als Generatoren eine rekuperierte Leistung nochmals gesteigert werden.
  • Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung vorgesehen sein, dass eine Batterie vorgesehen ist, wobei die Batterie elektrisch mit der ersten und/oder der zweiten elektrischen Maschine verbunden ist. Eine Batterie stellt dabei eine besonders einfache Quelle elektrischer Energie dar. Durch die elektrische Verbindung kann diese elektrische Energie zwischen der Batterie und der ersten und/oder zweiten elektrischen Maschine transportiert werden, insbesondere in beide Richtungen. Durch eine, insbesondere auch bauliche, Integration der Batterie in die Verdichteranordnung kann darüber hinaus eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung besonders kompakt aufgebaut sein.
  • Gemäß einer Weiterentwicklung kann eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung ferner dahingehend ausgebildet sein, dass die erste und/oder die zweite elektrische Maschine als Motor betreibbar sind, wobei die Batterie die erste und/oder die zweite elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt. Ein Betreiben der ersten und/oder der zweiten elektrischen Maschine als Elektromotor ermöglicht die Umsetzung von elektrischer in mechanische Energie. In einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung kann dadurch insbesondere ein Antreiben des Verdichters aber auch ein Antreiben des Verbrennungsmotors, beispielsweise während eines Betriebsstarts des Verbrennungsmotors, ermöglicht werden. Durch eine Batterie kann die dafür nötige elektrische Energie besonders einfach bereitgestellt werden. Dabei sind gemäß der Erfindung neben einer Batterie selbstverständlich auch andere elektrische Energiequellen denkbar, wie beispielsweise eine oder mehrere Brennstoffzellen, Solarzellen oder ein Generator, wie beispielsweise eine Lichtmaschine. Besonders bevorzugt können dabei beide elektrische Maschinen gleichzeitig als Elektromotoren betrieben und aus einer gemeinsamen Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden. Ein besonders einfacher Aufbau einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung kann dadurch ermöglicht werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann bei einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung ferner vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite elektrische Maschine als Generator betreibbar sind, wobei die erste und/oder die zweite elektrische Maschine die Batterie aufladen. Durch ein Betreiben der ersten und/oder der zweiten elektrischen Maschine ist es möglich, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei kann beispielsweise während eines Betriebs mechanische Energie, die durch den Verbrennungsmotor erzeugt wird und die gleichzeitig aber zum Antreiben des Verdichters nicht benötigt wird, durch eine oder beide elektrische Maschinen in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese überschüssige mechanische Energie kann somit zumindest teilweise genutzt werden und geht dadurch zumindest nicht vollständig verloren. Auch kann bei einem Ende eines Betriebs des Verbrennungsmotors und damit der Verdichteranordnung eine mechanische Energie, die zu diesem Zeitpunkt im Verdichter gespeichert ist, durch eine als Generator betriebene Elektromaschine ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt werden. Die derart erzeugte elektrische Energie kann erfindungsgemäß insbesondere dazu verwendet werden, um die Batterie aufzuladen. Ein Speichern dieser erzeugten elektrischen Energie ist dadurch ermöglicht. Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, die beiden elektrischen Maschinen unabhängig voneinander zu betreiben und somit eine der beiden elektrischen Maschinen als Elektromotor und die andere als Generator einzusetzen. Besonders vielseitige Anwendungs- und/oder Betriebsmöglichkeiten für eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung können dadurch geschaffen werden.
  • Auch kann eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung dahingehend ausgebildet sein, dass im Antriebsstrang zumindest eine Kupplungsvorrichtung zum Trennen einer mechanischen Kopplung vorgesehen ist. Durch eine derartige Kupplungsvorrichtung ist es insbesondere möglich, eine Übertragung von mechanischer Energie durch den Antriebsstrang an einer Stelle zu unterbrechen. Selbstverständlich können dabei auch mehrere derartiger Kupplungsvorrichtungen im Antriebsstrang vorgesehen sein. Einzelne Teile einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung können dadurch unabhängig voneinander betrieben werden. Eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung kann dadurch erreicht werden.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung kann ferner vorgesehen sein, dass die Kupplungsvorrichtung im Antriebsstrang zwischen zwei der folgenden Vorrichtungen angeordnet ist:
    • – Verbrennungsmotor,
    • – Erste elektrische Maschine,
    • – Getriebevorrichtung,
    • – Zweite elektrische Maschine,
    • – Verdichter.
  • Selbstverständlich können im Antriebsstrang auch mehrere Kupplungsvorrichtungen angeordnet sein. Auf diese Weise ist der Antriebsstrang einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung derart durch die Kupplungsvorrichtung trennbar ausgebildet, dass die wichtigsten Bauelemente jeweils unabhängig voneinander betreibbar sind. Beispielsweise können bei einer Anordnung der Kupplung im Antriebsstrang unmittelbar vor dem Verdichter bei einem Startvorgang des Verbrennungsmotors beide elektrische Maschinen zum Antreiben des Verbrennungsmotors verwendet werden, ohne dass gleichzeitig der Verdichter, der zu diesem Zeitpunkt noch nicht benötigt wird, angetrieben wird. Ein unnötiger Energieverbrauch, der durch ein Antreiben des Verdichters zu diesem Zeitpunkt auftreten würde, kann so verhindert werden. Selbstverständlich können durch eine entsprechende Anordnung einer Kupplungsvorrichtung im Antriebsstrang direkt im Anschluss an den Verbrennungsmotor bzw. zwischen der Getriebevorrichtung und der zweiten elektrischen Maschine auch eine oder beide elektrische Maschinen mit dem Verdichter mechanisch verbunden bleiben, wobei eine mechanische Verbindung zum Verbrennungsmotor unterbrochen ist. Auf diese Weise ist beispielsweise zum einen ein Anfahren des Verdichters unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors und zum anderen bei einem Betriebsende eine Rückgewinnung der im Verdichter gespeicherten mechanischen Energie durch eine oder beide als Generator betriebene elektrischen Maschinen ermöglicht. Ferner kann eine Kupplungsvorrichtung beispielsweise im Antriebsstrang auch zwischen den beiden elektrischen Maschinen angeordnet sein. Eine Trennung des Betriebs der ersten elektrischen Maschine, die mit dem Verbrennungsmotor mechanisch verbunden ist, vom Betrieb der zweiten elektrischen Maschine, die mit dem Verdichter mechanisch verbunden ist, kann dadurch ermöglicht werden. Je nach Betriebszustand können dabei selbstverständlich die beiden elektrischen Maschinen unabhängig voneinander als Elektromotor oder als Generator betrieben werden. Insgesamt kann durch eine derartige Anordnung einer oder mehrerer Kupplungsvorrichtungen im Antriebsstrang eine Vielzahl von Möglichkeiten für einen Betrieb einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung geschaffen oder zumindest verbessert werden.
  • Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung vorgesehen sein, dass die Getriebevorrichtung ein Planetengetriebe umfasst, wobei das Planetengetriebe zumindest ein Sonnenrad, ein Planetenkäfig und ein Hohlrad aufweist. Ein Planetengetriebe stellt durch seinen Aufbau aus zumindest einem Sonnenrad, einem Planetenkäfig und einem Hohlrad, wobei im Planetenkäfig insbesondere selbstverständlich Planetenräder angeordnet sein können, eine besonders vielseitige Getriebevorrichtung dar. Insbesondere kann durch ein Planetengetriebe eine stufenlose Drehzahlveränderung ermöglicht werden. Auch können beispielsweise durch eine Blockierung eines der Elemente des Planetengetriebes verschiedene Varianten eines Betriebs einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung besonders einfach ermöglicht werden. Darüber hinaus kann durch ein Planetengetriebe auch eine koaxiale Anordnung eines antreibenden und eines abtreibenden Abschnitts des Antriebsstrangs, insbesondere einer Welle des Antriebsstrangs, ermöglicht werden. Ein besonders kompakter Aufbau einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung kann dadurch erreicht werden.
  • Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Sonnenrad mit dem Verdichter, der Planetenkäfig mit der zweiten elektrischen Maschine und das Hohlrad mit der ersten elektrischen Maschine jeweils, insbesondere direkt, mechanisch gekoppelt sind. In dieser Ausgestaltungsform ist beispielsweise die erste elektrische Maschine direkt mit dem Verbrennungsmotor verbindbar, wobei selbstverständlich in dieser Verbindung eine Kupplungsvorrichtung angeordnet sein kann. Bei einer Blockade des Verdichters und dadurch des Sonnenrads sind beispielsweise beide elektrische Maschinen mit dem Verbrennungsmotor verbindbar und können diesen antreiben bzw. durch diesen angetrieben werden. Bei einer Blockade des Planetenkäfigs wird die zweite elektrische Maschine ebenfalls blockiert. Das Sonnenrad und das Hohlrad drehen sich jedoch weiterhin, wodurch beispielsweise die erste elektrische Maschine als Generator betrieben werden kann und/oder der Verdichter direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Bei einem blockierten Hohlrad, beispielsweise bei stehendem Verbrennungsmotor nach Ende eines Betriebs des Verbrennungsmotors, können sich das Sonnenrad und der Planetenkäfig weiterhin drehen. Dies ermöglicht zum Beispiel einen Betrieb der zweiten elektrischen Maschine als Generator zur Rückgewinnung der im Verdichter gespeicherten mechanischen Energie. Zuletzt ist selbstverständlich auch ein Betrieb des Planetengetriebes denkbar, in dem keines der Bauteile des Planetengetriebes blockiert ist. Eine vollständig variable Verdichterleistung, beispielsweise einstellbar über eine Drehzahl des Verdichters, kann in diesem Fall insbesondere durch beispielsweise die zweite elektrische Maschine eingestellt werden. Auch ein gleichzeitiger Betrieb einer elektrischen Maschine als Generator und der anderen als Elektromotor kann dadurch ermöglicht werden.
  • In einer weiteren möglichen Ausgestaltungsform kann alternativ vorgesehen sein, dass das Sonnenrad über die erste elektrische Maschine mit dem Verdichter, der Planetenkäfig mit der zweiten elektrischen Maschine, und das Hohlrad mit dem Verbrennungsmotor jeweils, insbesondere direkt, mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind. In dieser Ausgestaltungsform ist die erste elektrische Maschine direkt mit dem Verdichter verbindbar, wobei selbstverständlich auch in dieser Verbindung eine Kupplungsvorrichtung angeordnet sein kann. Bei einer Blockade des Verdichters und dadurch des Sonnenrads ist hier auch die erste elektrische Maschine blockiert. Dadurch ist nur die zweite elektrische Maschine mit dem Verbrennungsmotor verbindbar und kann diesen antreiben bzw. durch diesen angetrieben werden. Bei einer Blockade des Planetenkäfigs wiederum wird nur die zweite elektrische Maschine blockiert. Das Sonnenrad und das Hohlrad drehen sich jedoch weiterhin, wodurch beispielsweise die erste elektrische Maschine als Generator betrieben werden kann und der Verdichter direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Bei einem blockierten Hohlrad, beispielsweise bei stehendem Verbrennungsmotor vor Beginn eines Betriebs des Verbrennungsmotors, können sich das Sonnenrad und der Planetenkäfig weiterhin drehen. Dies ermöglicht zum Beispiel ein Antreiben des Verbrennungsmotors durch beide elektrische Maschinen oder bei entsprechender zusätzlicher Blockierung des Planetenkäfigs oder des Sonnenrads durch eine der beiden elektrischen Maschinen. Auch in dieser Ausgestaltungsform ist selbstverständlich ein Betrieb des Planetengetriebes denkbar, in dem keines der Bauteile des Planetengetriebes blockiert ist. Eine vollständig variable Verdichterleistung, beispielsweise einstellbar über eine Drehzahl des Verdichters, kann in diesem Fall insbesondere durch beispielsweise die zweite elektrische Maschine eingestellt werden. Auch ein gleichzeitiger Betrieb einer elektrischen Maschine als Generator und der anderen als Elektromotor kann dadurch ermöglicht werden.
  • Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung dahingehend ausgebildet sein, dass eine Bremsvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Bremsvorrichtung zum Blockieren des Verdichters und/oder der zweiten elektrischen Maschine ausgebildet ist. Ein Blockieren eines Bauelements der Verdichteranordnung, insbesondere des Verdichters und/oder der zweiten elektrischen Maschine, das wie oben ausgeführt für verschiedene Betriebsarten einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung erforderlich sein kann, kann durch eine derartige Bremsvorrichtung besonders einfach vorgenommen werden. Selbstverständlich kann eine Bremsvorrichtung auch für andere Bauelemente einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung oder beispielsweise auch eines Teils nur der Getriebevorrichtung, bevorzugt eines Planetengetriebes, verwendet werden. Auch ein Abbremsen des Bauelements, ohne die Bauelemente der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung vollständig zu blockieren, ist denkbar.
  • Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung vorgesehen sein, dass der Verdichter als Teil eines Turboladers des Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Ein Turbolader weist insbesondere eine Turbine auf, die oftmals durch Abgase des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Auch dies stellt eine Möglichkeit dar, einen Verdichter einer Verdichteranordnung anzutreiben. Dabei kann dieser Antrieb selbstverständlich alternativ oder zusätzlich zu einem Antrieb durch eine elektrische Maschine und/oder direkt durch den Verbrennungsmotor erfolgen. Durch eine Ausgestaltung des Verdichters einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung als ein Teil eines Turboladers können somit die Anwendungsmöglichkeiten und Betriebsvarianten einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung nochmals erweitert werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit einer Verdichteranordnung. Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:
  • 1 ein Verbrennungsmotor mit einer Verdichteranordnung in einem ersten Betriebszustand,
  • 2 ein Verbrennungsmotor mit einer Verdichteranordnung in einem zweiten Betriebszustand,
  • 3 ein Verbrennungsmotor mit einer Verdichteranordnung in einem dritten Betriebszustand,
  • 4 ein Verbrennungsmotor mit einer Verdichteranordnung in einem vierten Betriebszustand,
  • 5 ein Verbrennungsmotor mit einer Verdichteranordnung in einem vierten Betriebszustand, und
  • 6 ein Verbrennungsmotor mit einer Verdichteranordnung und einem Turbolader.
  • In den 1, 2, 3, 4, 5 und 6 ist schematisch eine mögliche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 40 mit einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 gezeigt. Dabei befindet sich die erfindungsgemäße Verdichteranordnung 10 in den einzelnen Figuren in verschiedenen Zuständen. Im Folgenden werden daher die einzelnen Figuren zusammen beschrieben, wobei auf die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der einzelnen Zustände der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 jeweils eingegangen wird.
  • Die erfindungsgemäße Verdichteranordnung 10 weist dabei jeweils einen Verdichter 12 auf, der beispielsweise zum Verdichten einer Ladeluft für den Verbrennungsmotor 40 ausgebildet ist. Ferner ist ein Antriebsstrang 11 vorgesehen ist, der insbesondere eine mechanische Kopplung der einzelnen Bauelemente der Verdichteranordnung 10 untereinander und darüber hinaus zum Verbrennungsmotor 40 ermöglicht und bereitstellt. So ist beispielsweise in der abgebildeten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 eine erste elektrische Maschine 20 direkt über den Antriebsstrang 11 mit dem Verbrennungsmotor 40 mechanisch gekoppelt. Im Anschluss an die erste elektrische Maschine 20 ist im Antriebsstrang 11 eine erste Kupplungsvorrichtung 13 angeordnet, die eine Unterbrechung der mechanischen Kopplung an dieser Stelle ermöglicht. Dann folgt ein erster Teil einer Getriebevorrichtung 30, die in der abgebildeten Ausgestaltungsform insbesondere als ein Teil eines Planetengetriebes 31 ausgebildet ist. Vorteile eines derartigen Planetengetriebes 31 sind dabei beispielsweise die Möglichkeit einer stufenlosen Drehzahlvariation oder die Möglichkeit, eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle des Antriebsstrangs 11 koaxial auszubilden. So kann beispielsweise der Antriebsstrang 11 an dieser Stelle mit einem Hohlrad des Planetengetriebes 31 mechanisch koppelbar sein.
  • Anschließend ist im Antriebsstrang 11 eine zweite elektrische Maschine 21 angeordnet. Hier ist zum Beispiel auch eine Kopplung der zweiten elektrischen Maschine 21 an einen Planetenkäfig des Planetengetriebes 31 denkbar. Nach einer weiteren Kupplungsvorrichtung 13 folgt eine weitere Getriebevorrichtung 30, beispielsweise ein Sonnenrad eines Planetengetriebes 31, das über einen weiteren Abschnitt des Antriebsstrangs 11 mit dem Verdichter 12 mechanisch gekoppelt ist. In den 4, 5 ist zusätzlich eine Bremsvorrichtung 14 gezeigt, wobei in 4 die Bremsvorrichtung 14 geöffnet ist und in 5 der Verdichter 12 durch die geschlossene Bremsvorrichtung 14 blockiert ist. Ferner weist die abgebildete Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 eine Batterie 22 auf, die mit den beiden elektrischen Maschinen 20, 21 elektrisch leitend verbunden ist. Dabei können beide elektrische Maschinen 20, 21 unabhängig voneinander als Elektromotor betrieben werden und dabei von der Batterie 22 mit elektrischer Energie versorgt werden. Alternativ ist selbstverständlich auch ein Betrieb als Generator möglich, wodurch die Batterie 22 aufgeladen werden kann. Selbstverständlich sind bei einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 auch weitere, nicht mit abgebildete Ausgestaltungsformen möglich. So kann beispielsweise die erste elektrische Maschine 20 auch zwischen der Getriebevorrichtung 30 und dem Verdichter 12 angeordnet sein und/oder der Verbrennungsmotor 40 direkt oder über eine Kupplungsvorrichtung 13 mit der Getriebevorrichtung 30 mechanisch gekoppelt sein. Auch eine alternative oder zusätzliche Anordnung einer Bremsvorrichtung 14, beispielsweise zum Abbremsen und/oder Blockieren der zweiten elektrischen Maschine 21, ist selbstverständlich möglich.
  • In 1 sind beide Kupplungsvorrichtungen 13 geöffnet. Dadurch besteht in der abgebildeten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 eine mechanische Kopplung lediglich zwischen der ersten elektrischen Maschine 20 und dem Verbrennungsmotor 40. Der Verdichter 12 wird in diesem Zustand nicht über die Verdichteranordnung 10 angetrieben. Ein Antrieb des Verdichters 12 kann in diesem Fall jedoch von außerhalb vorgenommen werden, beispielsweise durch die Ausgestaltung des Verdichters 12 als Teil eines Turboladers 43 (nicht mit abgebildet) des Verbrennungsmotors 40. Die mechanische Kopplung des Verbrennungsmotors 40 und der ersten elektrischen Maschine 20 sowie die elektrische Kopplung der ersten elektrischen Maschine 20 mit der Batterie 22 ermöglichen dabei insbesondere zwei Betriebsvarianten. Zum einen ist ein Unterstützen des Verbrennungsmotors 40 durch die erste elektrische Maschine 20 denkbar.
  • In diesem Fall wird die erste elektrische Maschine 20 als Elektromotor betrieben und von der Batterie 22 mit elektrischer Energie versorgt. Alternativ dazu kann die erste elektrische Maschine 20 als Generator betrieben werden und die Batterie 22 aufladen. In diesem Fall wird die erste elektrische Maschine 20 vom Verbrennungsmotor 40 angetrieben.
  • 2 zeigt einen weiteren möglichen Zustand einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10. Hier ist weiterhin die mechanische Kopplung durch eine geöffnete Kupplungsvorrichtung 13 zwischen der ersten elektrischen Maschine 20 und einem Teil der Getriebevorrichtung 30 unterbrochen. Die zweite Kupplungsvorrichtung 13 zwischen der zweiten elektrischen Maschine 21 und einem Teil der Getriebevorrichtung 30 ist nun jedoch geschlossen. In diesem Zustand einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 ist es möglich, die beiden elektrischen Maschinen 20, 21 unabhängig voneinander zu betreiben, insbesondere auch bezüglich eines Betriebs als Elektromotor oder Generator. So kann beispielsweise die erste elektrische Maschine 20 wie bereits zu 1 beschrieben den Verbrennungsmotor 40 unterstützen oder alternativ von diesem angetrieben werden. Gleichzeitig ist ein reiner elektrischer Antrieb des Verdichters 12 durch eine als Elektromotor betriebene zweite elektrische Maschine 21 darstellbar. Selbstverständlich müssen dabei nicht beide elektrische Maschinen 20, 21 betrieben werden. So ist in diesem Zustand einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 beispielsweise direkt im Anschluss an einen Betriebsstop des Verbrennungsmotors 40 eine Rückgewinnung von noch im Verdichter 12 gespeicherter mechanischer Energie durch eine als Generator betriebene zweite elektrische Maschine 21 denkbar, wobei gleichzeitig die erste elektrische Maschine 20 nicht mehr betrieben wird.
  • In 3 ist ein Zustand dargestellt, in dem beide elektrische Maschinen 20, 21 mit dem Verbrennungsmotor 40 mechanisch gekoppelt sind. Eine mechanische Kopplung des Verdichters 12 an eine der elektrischen Maschinen 20, 21 oder an den Verbrennungsmotor 40 besteht durch eine Öffnung der entsprechenden Kopplungsvorrichtung 13 jedoch nicht. Dies kann beispielsweise für einen Startvorgang des Verbrennungsmotors 40 von Vorteil sein, bei dem der Verbrennungsmotor 40 durch die Kraft und insbesondere das Drehmoment beider als Elektromotor betriebener elektrischen Maschinen 20, 21 besonders schnell gestartet werden kann. Umgekehrt kann selbstverständlich auch ein Aufladen der Batterie 22 besonders schnell erfolgen, wenn beide elektrische Maschinen 20, 21 als Generatoren vom Verbrennungsmotor 40 angetrieben werden. Insbesondere bei einer Getriebevorrichtung 30, die als Planetengetriebe 31 ausgebildet ist, können diese Betriebsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 auch durch eine Blockade beispielsweise des mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes 31 mechanisch gekoppelten Verdichters 12 bereitgestellt werden. Dies ist in 4 gezeigt. Hier sind die Kupplungsvorrichtungen 13 alle geschlossen, jedoch der Verdichter 12 durch eine Bremsvorrichtung 14 blockiert. Durch die Eigenschaften des Planetengetriebes 31 können dennoch beide elektrischen Maschinen 20, 21 betrieben werden, jeweils als Elektromotor oder als Generator, mit den oben in Bezug auf 3 bereits beschriebenen Einsatzmöglichkeiten und Vorteilen.
  • 5 zeigt eine weitere mögliche Betriebsart einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 und eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 40. In diesem Zustand sind alle Kupplungsvorrichtungen 13 geschlossen. Dadurch kann beispielsweise ein direkter Antrieb des Verdichters 12 durch den Verbrennungsmotor 40 ermöglicht werden. Die beiden elektrischen Maschinen 20, 21 können wahlweise und je nach Bedarf als Generator und/oder Elektromotor betrieben werden. So kann beispielsweise bei einer als Elektromotor betriebenen zweiten elektrischen Maschine 21 durch eine Variation der Geschwindigkeit des Elektromotors eine Geschwindigkeit und damit eine Verdichterleistung des Verdichters 12 stufenlos eingestellt und geregelt werden. Der dafür nötige Strom kann von der Batterie 22 geliefert werden aber selbstverständlich auch durch die erste elektrische Maschine 20 erzeugt werden, die dafür als Generator betrieben werden kann. Darüber hinaus ist selbstverständlich auch eine Unterstützung des Verbrennungsmotors 40 durch einen oder beide als Elektromotor betriebene elektrische Maschinen 20, 21 denkbar.
  • In 6 ist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor 40 gezeigt, der zusätzlich zur erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 einen Turbolader 43 aufweist. Die Batterie 22 der Verdichteranordnung 10 ist in dieser 6 nicht mit abgebildet. Der Turbolader 43 weist dabei eine Turboladerturbine 44 auf, die in einer Abgasabführung 42 des Verbrennungsmotors 40 angeordnet ist und durch ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 angetrieben wird. Über eine mechanische Wirkverbindung, beispielsweise eine Welle, treibt dieser Turboladerturbine 44 einen Turboladerverdichter 45 an, der in einer Luftzuführung 41 des Verbrennungsmotors 40 angeordnet ist. Eine Verdichtung beziehungsweise Aufladung einer Ladeluft des Verbrennungsmotors 40 kann dadurch bereitgestellt werden, wodurch wiederum eine Steigerung einer durch den Verbrennungsmotor 10 bereitstellbaren Leistung und/oder eines bereitstellbaren Drehmoments ermöglicht werden kann. Insbesondere kann diese Verdichtung beziehungsweise Aufladung durch den Verdichter 12 der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 ergänzt werden. Dafür ist der Verdichter 12 ebenfalls in der Luftzuführung 41 angeordnet, wobei durch Ventilvorrichtungen 46 ein alternatives oder zusätzliches Zuschalten des Verdichters 12 der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 10 bereitgestellt werden kann. Der Verdichter 12 kann für diesen Zweck auf eine der oben beschriebenen Arten angetrieben werden, wobei in 6 ein direktes Antreiben durch den Verbrennungsmotor 40 abgebildet ist, erkennbar an den beiden geschlossenen Kupplungen 13. Alternativ ist selbstverständlich auch ein Antrieb des Verdichters 12 durch eine oder beide Elektromaschinen 20, 21 realisierbar. Insgesamt kann dadurch eine noch bessere Verdichtung beziehungsweise Aufladung der Ladeluft des Verbrennungsmotors 40 bereitgestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Verdichteranordnung
    11
    Antriebsstrang
    12
    Verdichter
    13
    Kupplungsvorrichtung
    14
    Bremsvorrichtung
    20
    erste elektrische Maschine
    21
    zweite elektrische Maschine
    22
    Batterie
    30
    Getriebevorrichtung
    31
    Planetengetriebe
    40
    Verbrennungsmotor
    41
    Luftzuführung
    42
    Abgasabführung
    43
    Turbolader
    44
    Turboladerturbine
    45
    Turboladerverdichter
    46
    Ventilvorrichtung
  • 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
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    • DE 102012004394 A1 [0002]
    • DE 3602543 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Verdichteranordnung (10) für einen Verbrennungsmotor (40), aufweisend einen Antriebsstrang (11), einen Verdichter (12) und eine über den Antriebsstrang (11) mit dem Verbrennungsmotor (40) mechanisch koppelbare erste elektrische Maschine (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (11) eine Getriebevorrichtung (30) aufweist und eine zweite elektrische Maschine (21) vorgesehen ist, wobei die Getriebevorrichtung (30) im Antriebsstrang (11) derart angeordnet ist, dass die zweite elektrische Maschine (21) jeweils über die Getriebevorrichtung (30) mit der ersten elektrischen Maschine (20) und mit dem Verdichter (12) mechanisch koppelbar ist.
  2. Verdichteranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie (22) vorgesehen ist, wobei die Batterie (22) elektrisch mit der ersten (20) und/oder der zweiten elektrischen Maschine (21) verbunden ist.
  3. Verdichteranordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (20) und/oder die zweite elektrische Maschine (21) als Motor betreibbar sind, wobei die Batterie (22) die erste (20) und/oder die zweite elektrische Maschine (21) mit elektrischer Energie versorgt.
  4. Verdichteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (20) und/oder die zweite elektrische Maschine (21) als Generator betreibbar sind, wobei die erste (20) und/oder die zweite elektrische Maschine (21) die Batterie (22) aufladen.
  5. Verdichteranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang (11) zumindest eine Kupplungsvorrichtung (13) zum Trennen einer mechanischen Kopplung vorgesehen ist.
  6. Verdichteranordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsvorrichtung (13) im Antriebsstrang (11) zwischen zwei der folgenden Vorrichtungen angeordnet ist: – Verbrennungsmotor (40), – Erste elektrische Maschine (20), – Getriebevorrichtung (30), – Zweite elektrische Maschine (21), – Verdichter (12).
  7. Verdichteranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebevorrichtung (30) ein Planetengetriebe (31) umfasst, wobei das Planetengetriebe (31) zumindest ein Sonnenrad, ein Planetenkäfig und ein Hohlrad aufweist.
  8. Verdichteranordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad mit dem Verdichter (12), der Planetenkäfig mit der zweiten elektrischen Maschine (21) und das Hohlrad mit der ersten elektrischen Maschine (20) jeweils, insbesondere direkt, mechanisch gekoppelt sind.
  9. Verdichteranordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad über die erste elektrische Maschine (20) mit dem Verdichter (12), der Planetenkäfig mit der zweiten elektrischen Maschine (21), und das Hohlrad mit dem Verbrennungsmotor (40) jeweils, insbesondere direkt, mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind.
  10. Verdichteranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsvorrichtung (14) vorgesehen ist, wobei die Bremsvorrichtung (14) zum Blockieren des Verdichters (12) und/oder der zweiten elektrischen Maschine (21) ausgebildet ist.
  11. Verdichteranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (12) als Teil eines Turboladers des Verbrennungsmotors (40) ausgebildet ist.
  12. Verbrennungsmotor (40) mit einer Verdichteranordnung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist.
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