DE102015200136B4 - Drive system of a motor vehicle and a method for operating a drive system - Google Patents

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Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor und einen Turbolader mit einer Turbine (20) und einem Verdichter (10) aufweist, wobeiFlügelräder (11) des Verdichters (10) und Flügelräder (21) der Turbine (20) zum Betrieb mit gleicher Drehrichtung auf einem gemeinsamen Rad bzw. Rotor angeordnet sind, wobei die Turbine (20) in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors als Drosselung für den Verbrennungsmotor betrieben wird, wobeidas Kraftfahrzeug ferner einen Generator sowie eine Batterie aufweist, wobei die Turbine (20) in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors mechanische Energie an den Generator zum Laden der Batterie liefert,dadurch gekennzeichnet, dassder Turbolader ferner ein Statorrad aufweist, wobei eine Steuerung der Generatorleistung des Generators über dieses Statorrad erfolgt.A method for operating a drive system of a motor vehicle, the motor vehicle having an internal combustion engine and a turbocharger with a turbine (20) and a compressor (10), the impellers (11) of the compressor (10) and impellers (21) of the turbine (20) being used for Operation with the same direction of rotation are arranged on a common wheel or rotor, the turbine (20) being operated in partial load operation of the internal combustion engine as a throttle for the internal combustion engine, the motor vehicle also having a generator and a battery, the turbine (20) in supplies mechanical energy to the generator for charging the battery during partial load operation of the internal combustion engine, characterized in that the turbocharger furthermore has a stator wheel, the generator output of the generator being controlled via this stator wheel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 6.The invention relates to a drive system of a motor vehicle and a method for operating a drive system according to the preambles of claims 1 and 6, respectively.

Moderne Systeme zur Erhöhung des Ladedrucks in Kraftfahrzeugen, welche einen Turbolader mit einer Turbine und einem Verdichter aufweisen, verfolgen u.a. den Ansatz, elektrische Energie zum Betreiben des Verdichters zu nutzen. Dies gilt insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Ottomotoren. Bei solchen Ottomotoren erfolgt die Laderegelung mittels einer Drosselung des Luftstroms, was jedoch mit einer Verschwendung an Pumpenergie infolge des an den Drosselelementen auftretenden, vergleichsweise großen Druckabfalls einhergeht.Modern systems for increasing the boost pressure in motor vehicles, which have a turbocharger with a turbine and a compressor, pursue, among other things, the approach of using electrical energy to operate the compressor. This applies in particular to motor vehicles with gasoline engines. In such gasoline engines, the charge is regulated by throttling the air flow, which, however, is associated with a waste of pump energy as a result of the comparatively large pressure drop occurring at the throttle elements.

Aus DE 10 2012 218 259 A1 bzw. US 2013 / 0 092 125 A1 ist u.a. ein Motorsystem bekannt, welches eine in einem Drosselklappenbypass angeordnete Turbine aufweist, wobei die Turbine dazu konfiguriert ist, einen Zusatzgenerator, der mit einer Batterie in elektrischer Verbindung steht, anzutreiben, und wobei die Batterie ferner mit einem Primärgenerator in elektrischer Verbindung steht. Hierbei ist eine Steuerung dazu konfiguriert, den Ladezustand der Batterie zu identifizieren und die Batterie basierend auf diesem Ladezustand und einem Betriebszustand mit dem Primärgenerator und/oder dem Zusatzgenerator zu laden. Hierbei nutzt der Drossel-klappenturbinengenerator Energie, die in der Regel durch Drosseln von Motoreinlassluft verschwendet wird.Out DE 10 2012 218 259 A1 or. US 2013/0 092 125 A1 For example, an engine system is known which includes a turbine disposed in a throttle bypass, the turbine being configured to drive an auxiliary generator in electrical communication with a battery, and the battery also being in electrical communication with a primary generator. In this case, a controller is configured to identify the state of charge of the battery and to charge the battery with the primary generator and / or the auxiliary generator based on this state of charge and an operating state. The throttle valve turbine generator uses energy that is typically wasted by throttling engine intake air.

Aus US 6 931 850 B2 ist u.a. ein Verfahren zur Leistungsregelung in einem Hybrid-Elektrofahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor und einer Batterie bekannt, wobei der Turbolader zur Kompensation von in dem Verbrennungsmotor auftretenden Leistungsverlusten genutzt wird. Von dem Turbolader gelieferte Energie wird zum Antrieb des Generators genutzt, welcher zur Aufladung der Batterie konfiguriert ist.Out US 6,931,850 B2 is known, inter alia, a method for power control in a hybrid electric vehicle with an internal combustion engine, an electric motor and a battery, the turbocharger being used to compensate for power losses occurring in the internal combustion engine. Energy supplied by the turbocharger is used to drive the generator, which is configured to charge the battery.

Die gattungsgemäße DE 60 2004 000 194 T2 offenbart einen Motor mit einem ersten Turbolader und einem zweiten Turbolader, wobei Turbine und Verdichter des zweiten, elektrisch unterstützten Turboladers im Lufteinlasskanal eingebaut sind und es ermöglichen sollen, bei geringer Belastung Energie im Einlassluftstrom zurückzugewinnen.The generic DE 60 2004 000 194 T2 discloses an engine with a first turbocharger and a second turbocharger, the turbine and compressor of the second, electrically assisted turbocharger being installed in the air inlet duct and intended to enable energy to be recovered in the inlet air flow when the load is low.

Aus der US 5 577 385 A ist Kraftfahrzeug mit einem elektrisch betriebenen Turbolader mit kombiniertem Turbinen-/Verdichterrad bekannt.From the U.S. 5,577,385 A motor vehicle with an electrically operated turbocharger with a combined turbine / compressor wheel is known.

In der US 2012 / 0 174 577 A1 ist ein nicht-elektrisch unterstützter Turbolader mit Turbine und Kompressor auf einer gemeinsamen Welle beschrieben, bei dem die Turbine in einem Teillastbetrieb als Drosselung für den Verbrennungsmotor betrieben werden kann, und bei dem ein Ventil zum Verdichter bei Volllast geöffnet wird.In the US 2012/0 174 577 A1 describes a non-electrically assisted turbocharger with turbine and compressor on a common shaft, in which the turbine can be operated in partial load operation as a throttle for the internal combustion engine, and in which a valve to the compressor is opened at full load.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems bereitzustellen, welche eine verbesserte Energieausnutzung beim Antrieb des Kraftfahrzeuges ermöglichen.It is an object of the present invention to provide a drive system of a motor vehicle and a method for operating a drive system which enable improved energy utilization when driving the motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie das Antriebssystem gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 6 gelöst.This object is achieved by the method according to the features of independent claim 1 and the drive system according to the features of the independent claim 6.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen erläutert.Advantageous embodiments of the invention are explained in the dependent claims.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor und einen Turbolader mit einer Turbine und einem Verdichter aufweist, wobei Flügelräder des Verdichters und Flügelräder der Turbine zum Betrieb mit gleicher Drehrichtung auf einem gemeinsamen Rad bzw. Rotor angeordnet sind, wird die Turbine in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors als Drosselung für den Verbrennungsmotor betrieben.In a method according to the invention for operating a drive system of a motor vehicle, the motor vehicle having an internal combustion engine and a turbocharger with a turbine and a compressor, the impellers of the compressor and impellers of the turbine being arranged on a common wheel or rotor for operation with the same direction of rotation, the turbine is operated in partial load operation of the internal combustion engine as a throttle for the internal combustion engine.

Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine elektrische Maschine mit einem Turbolader, welcher eine Turbine und einen Verdichter aufweist, zu kombinieren, wobei die Flügel- bzw. Schaufelräder des Verdichters und die Flügel- bzw. Schaufelräder der Turbine bei gleicher Drehrichtung auf einem gemeinsamen Rad bzw. Rotor angeordnet sind, wobei die Turbine in einem Teillastbetrieb als Drosselung für den Verbrennungsmotor betrieben wird.The present invention is based in particular on the concept of combining an electrical machine with a turbocharger, which has a turbine and a compressor, with the impeller or impeller of the compressor and the impeller or impeller of the turbine in the same direction of rotation on one common wheel or rotor are arranged, wherein the turbine is operated in a partial load operation as a throttle for the internal combustion engine.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass es die übereinstimmende Drehrichtung sowohl der Flügel- bzw. Schaufelräder des Verdichters als auch der Flügel- bzw. Schaufelräder der Turbine ermöglicht, den Übergang vom Betrieb unter Teillast zum Betrieb unter Volllast zu beschleunigen, da die Turbomaschine bereits eine signifikante Drehzahl aufweist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zur Drosselung aufgewendete Energie nicht vollständig verloren geht, da sie in elektrische Energie umgewandelt wird, was zu einer Treibstoffersparnis beiträgt. Die Turbine kann bei einem Betrieb unter Teillast als Drossel für den Verbrennungsmotor dienen und liefert mechanische Energie an den Generator, welcher die Batterie auflädt. Des Weiteren erfolgt eine Drosselung sowie Regelung der Generatorleistung dadurch, dass ein Statorrad des Turboladers (als feststehender Laufschaufelkranz) Wirbelströmungen im Rotorabschnitt erzeugt.An advantage of the present invention is that it enables the matching direction of rotation of both the impellers or impellers of the compressor and the impellers or impellers of the turbine to accelerate the transition from operation under partial load to operation under full load, since the turbomachine already has a significant speed. Another advantage is that the energy used for throttling is not completely lost, as it is converted into electrical energy, which helps to save fuel. When operating under partial load, the turbine can serve as a throttle for the internal combustion engine and supplies mechanical energy to the generator, which charges the battery. In addition, the generator output is throttled and regulated in that a stator wheel of the turbocharger (as a stationary rotor blade ring) generates eddy currents in the rotor section.

Erfindungsgemäß liefert die Turbine in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors mechanische Energie an einen Generator zum Laden der Batterie.According to the invention, when the internal combustion engine is operating at part load, the turbine supplies mechanical energy to a generator for charging the battery.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Verdichter für eine vorübergehende Ladedruckerhöhung über einen Elektromotor angetrieben.According to one embodiment, the compressor is driven by an electric motor for a temporary increase in charge pressure.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Turbinendurchlass der Turbine für einen Betrieb unter Volllast geschlossen.According to one embodiment, a turbine passage of the turbine is closed for operation under full load.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verdichterdurchlass des Verdichters für einen Betrieb unter Volllast geöffnet.According to one embodiment, a compressor passage of the compressor is opened for operation under full load.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verdichterdurchlass des Verdichters für einen Betrieb unter Teillast geschlossen.According to one embodiment, a compressor passage of the compressor is closed for operation under partial load.

Erfindungsgemäß weist der Turbolader ferner ein Statorrad auf, wobei eine Steuerung der Generatorleistung über dieses Statorrad erfolgt.According to the invention, the turbocharger also has a stator wheel, the generator power being controlled via this stator wheel.

Die Erfindung betrifft weiter ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6.The invention further relates to a drive system of a motor vehicle having the features according to patent claim 6.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Antriebssystem dazu ausgelegt, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auszuführen. Zu Vorteilen und bevorzugten Ausgestaltungen des Antriebssystems wird auf die vorstehenden Ausführungsformen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.According to one embodiment, the drive system is designed to carry out a method with the features described above. With regard to advantages and preferred configurations of the drive system, reference is made to the above embodiments in connection with the method according to the invention.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.Further refinements of the invention can be found in the description and in the subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the accompanying figure.

Die einzige 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Ausführungsform.The only 1 shows a schematic representation to explain the structure of an arrangement according to the invention in one embodiment.

1 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung eines (Axial-) Verdichters 10 sowie einer (Axial-)Turbine 20 auf einer gemeinsamen Welle, wobei die Flügel- bzw. Schaufelräder 11 des Verdichters 10 und die Flügel- bzw. Schaufelräder 21 der Turbine 20 bei gleicher Drehrichtung auf einem gemeinsamen Rad bzw. Rotor angeordnet sind. Der Verdichter 10 wird für eine vorübergehende schnelle Ladedruckerhöhung über einen Elektromotor angetrieben. 1 shows a schematic representation of the arrangement of an (axial) compressor 10 as well as an (axial) turbine 20th on a common shaft, the impellers or paddle wheels 11th of the compressor 10 and the impellers 21 the turbine 20th are arranged on a common wheel or rotor with the same direction of rotation. The compressor 10 is driven by an electric motor for a temporary rapid increase in boost pressure.

Die Turbine 20 dient zur Drosselung des Verbrennungsmotors und führt dem Generator mechanische Energie zu. Eine Drosselung sowie Regelung der Generatorleistung erfolgt dadurch, dass mittels eines Stators (als feststehendem Laufschaufelkranz) des Turboladers Wirbelströmungen erzeugt werden, welche dem rotierenden Teil zugeführt werden. Des Weiteren wird der Turbinendurchlass der Turbine 20 für einen Betrieb unter Volllast geschlossen.The turbine 20th serves to throttle the combustion engine and supplies mechanical energy to the generator. The generator output is throttled and regulated by using a stator (as a stationary blade ring) of the turbocharger to generate eddy currents which are fed to the rotating part. Furthermore, the turbine passage of the turbine 20th closed for operation under full load.

In dem Aufbau gemäß 1 kann der Verdichter 10 für eine schnelle vorübergehende bzw. transiente Ladedruckerhöhung mittels eines Elektromotors angetrieben werden. Für einen Betrieb unter Teillast kann der Verdichterdurchlass des Verdichters 10 geschlossen werden. Des Weiteren kann der Verdichterdurchlass des Verdichters 10 für einen Betrieb unter Volllast geöffnet werden.In the structure according to 1 can the compressor 10 be driven by means of an electric motor for a quick, temporary or transient boost pressure increase. For operation under partial load, the compressor passage of the compressor 10 getting closed. Furthermore, the compressor passage of the compressor 10 can be opened for operation under full load.

Claims (6)

Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor und einen Turbolader mit einer Turbine (20) und einem Verdichter (10) aufweist, wobei Flügelräder (11) des Verdichters (10) und Flügelräder (21) der Turbine (20) zum Betrieb mit gleicher Drehrichtung auf einem gemeinsamen Rad bzw. Rotor angeordnet sind, wobei die Turbine (20) in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors als Drosselung für den Verbrennungsmotor betrieben wird, wobei das Kraftfahrzeug ferner einen Generator sowie eine Batterie aufweist, wobei die Turbine (20) in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors mechanische Energie an den Generator zum Laden der Batterie liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader ferner ein Statorrad aufweist, wobei eine Steuerung der Generatorleistung des Generators über dieses Statorrad erfolgt.Method for operating a drive system of a motor vehicle, wherein the motor vehicle has an internal combustion engine and a turbocharger with a turbine (20) and a compressor (10), with impellers (11) of the compressor (10) and impellers (21) of the turbine (20) are arranged for operation with the same direction of rotation on a common wheel or rotor, the turbine (20) being operated in partial load operation of the internal combustion engine as a throttle for the internal combustion engine, the motor vehicle also having a generator and a battery, the turbine (20 ) supplies mechanical energy to the generator for charging the battery in partial load operation of the internal combustion engine, characterized in that the turbocharger also has a stator wheel, the generator output of the generator being controlled via this stator wheel. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug einen Elektromotor aufweist, wobei der Verdichter (10) für eine vorübergehende Ladedruckerhöhung über diesen Elektromotor angetrieben wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the motor vehicle has an electric motor, the compressor (10) being driven by this electric motor for a temporary increase in charge pressure. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbinendurchlass der Turbine (20) für einen Betrieb unter Volllast geschlossen wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a turbine passage of the turbine (20) is closed for operation under full load. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichterdurchlass des Verdichters (10) für einen Betrieb unter Volllast geöffnet wird.The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a Compressor passage of the compressor (10) is opened for operation under full load. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichterdurchlass des Verdichters (10) für einen Betrieb unter Teillast geschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a compressor passage of the compressor (10) is closed for operation under partial load. Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor und einen Turbolader mit einer Turbine (20) und einem Verdichter (10) aufweist, Flügelräder (11) des Verdichters (10) und Flügelräder (21) der Turbine (20) bei gleicher Drehrichtung auf einem gemeinsamen Rad bzw. Rotor angeordnet sind, das Kraftfahrzeug einen Generator sowie eine Batterie aufweist, wobei die Turbine (20) in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors mechanische Energie an den Generator zum Laden der Batterie liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader ferner ein Statorrad aufweist, wobei eine Steuerung der Generatorleistung des Generators über dieses Statorrad erfolgt.Drive system of a motor vehicle, the motor vehicle having an internal combustion engine and a turbocharger with a turbine (20) and a compressor (10), impellers (11) of the compressor (10) and impellers (21) of the turbine (20) with the same direction of rotation on one common wheel or rotor are arranged, the motor vehicle has a generator and a battery, wherein the turbine (20) supplies mechanical energy to the generator for charging the battery in a partial load operation of the internal combustion engine, characterized in that the turbocharger also has a stator wheel, the generator power of the generator is controlled via this stator wheel.
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