DE102015206068A1

DE102015206068A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Kompressor und Elektromaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015206068A1
Application number: DE102015206068.3A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Franz J. Brinkmann; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Alain Marie Roger Chevalier; Simon Petrovic
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, – einem Kompressor (1), der im Ansaugsystem (2) angeordnet ist und der mindestens ein in einem Kompressorgehäuse (1b) auf einer drehbaren Welle (1a) angeordnetes und mit Laufschaufeln (1d) ausgestattetes Laufrad (1c) umfasst, und – einer Elektromaschine (3), die als Antriebsmotor (3a) mit der Welle (1a) des Kompressors (1) zumindest antriebsverbindbar ist. Es soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über einen verbesserten Wirkungsgrad verfügt. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (1c) eine verstellbare Leiteinrichtung (4) angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln (4a) umfasst, und – die Elektromaschine (3) zur Energiegewinnung als Generator (3b) betreibbar ist, der Leistung aufnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases,
– einem Kompressor, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der mindestens ein in einem Kompressorgehäuse auf einer drehbaren Welle angeordnetes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, und
– einer Elektromaschine, die als Antriebsmotor mit der Welle des Kompressors zumindest antriebsverbindbar ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art mit einem mechanischen Lader und einer Elektromaschine beschreibt die US 2008/0173017 A1 , wobei die Elektromaschine als elektrischer Hilfsantrieb den Lader antreiben kann oder als Generator zur Energierückgewinnung verwendet wird, der mittels der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und via einem Zugmitteltrieb angetrieben wird. Es sind mehrere Kupplungen vorgesehen, um die Elektromaschine mit dem Lader und die Kurbelwelle mit dem Lader zu verbinden.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine fremdgezündete Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, bei dem die Einstellung der angeforderten Last bzw. Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aber aufgrund der Drosselverluste im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zum Einsatz kommt. So lässt sich mittels Direkteinspritzung eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
Eine weitere Maßnahme, den Wirkungsgrad eines Ottomotors zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu mindern, besteht in der Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Vorteil eines mechanischen Laders, d. h. eines Kompressors, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über einen Kompressor, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über einen verbesserten Wirkungsgrad verfügt.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases,
– einem Kompressor, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der mindestens ein in einem Kompressorgehäuse auf einer drehbaren Welle angeordnetes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, und
– einer Elektromaschine, die als Antriebsmotor mit der Welle des Kompressors zumindest antriebsverbindbar ist,

– stromaufwärts des mindestens einen Laufrades eine verstellbare Leiteinrichtung angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst, und
– die Elektromaschine zur Energiegewinnung als Generator betreibbar ist, der Leistung aufnimmt.

Der Kompressor der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann als Turbine verwendet, d. h. im Turbinenmodus betrieben werden.
Um dies zu ermöglichen, ist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine stromaufwärts des mindestens einen Laufrades mit einer verstellbaren Leiteinrichtung ausgestattet, mit der auf die Anströmung des mindestens einen Laufrades Einfluss genommen werden kann.
Zum einen kann die Leiteinrichtung gemäß einer ersten Arbeitsposition eingestellt werden, bei der das mindestens eine Laufrad von der Ladeluft im Wesentlichen axial, d. h. in Richtung der Drehachse des Kompressors, angeströmt wird. Dann arbeitet der Kompressor im Verdichtermodus, nimmt zwecks Antrieb Leistung von der Elektromaschine auf und verdichtet die ihm zugeführte Ladeluft, weshalb der Druck im Ansaugsystem stromabwärts des Kompressors höher ist als stromaufwärts des Kompressors.
Zum anderen kann die Leiteinrichtung gemäß einer zweiten Arbeitsposition in der Art eingestellt werden, dass der Ladeluftströmung ein Drall aufgezwungen wird, d. h. ein Luftwirbel um die Drehachse des Kompressors, welcher der Anströmung eine Geschwindigkeitskomponente quer zur Welle bzw. in Umfangsrichtung verleiht. Dann arbeitet der Kompressor im Turbinenmodus. Die Ladeluft wird beim Durchströmen des mindestens einen Laufrades umgelenkt, während sich gleichzeitig der Druck in der Ladeluftströmung vermindert. Der Druck im Ansaugsystem stromabwärts des Kompressors ist niedriger als stromaufwärts des Kompressors. Im Rahmen dieser Druckminderung wird der Ladeluftströmung Energie entzogen und der Kompressor gibt Leistung an die Elektromaschine ab.
Wie vorstehend beschrieben kann der Ladedruck im Ansaugsystem stromabwärts des Kompressors durch Verstellen der Leiteinrichtung verändert, insbesondere auch abgesenkt werden.
Damit bietet die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Möglichkeit zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens. Durch Verstellen der Leiteinrichtung kann der Druck in der Ladeluft stromabwärts des Kompressors mehr oder weniger stark reduziert werden. Auf diese Weise kann auf die einem Zylinder zugeführte Luftmasse, d. h. die Füllung des Brennraumes, Einfluss genommen werden. Die verstellbare Leiteinrichtung kann folglich eine zwecks Quantitätsregelung im Ansaugsystem angeordnete Drosselklappe beim Einstellen der angeforderten Last bzw. Leistung unterstützen bzw. eine derartige Drosselklappe ersetzen.
Während aber die mittels Drosselklappe generierte Druckminderung ungenutzt bleibt, einen Drosselverlust darstellt und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine mindert, wird die Druckminderung erfindungsgemäß beim Durchströmen des mindestens einen Laufrades zur Energiegewinnung genutzt. Die der Ladeluft entzogene Energie wird dabei mittels Elektromaschine bzw. Generator nutzbar gemacht, gegebenenfalls zwischengespeichert, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert, d. h. erhöht wird.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über einen verbesserten Wirkungsgrad verfügt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Kompressor mit einer Bypassleitung ausgestattet ist, die stromabwärts des Kompressors in das Ansaugsystem mündet und vorzugsweise stromaufwärts des Kompressors vom Ansaugsystem abzweigt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Bypassleitung ein Absperrelement vorgesehen ist. Falls der Kompressor der Hochdruckverdichter einer zweistufigen Aufladung ist, übernimmt der Kompressor die Verdichtung der Ladeluft bei kleinen Ladeluftmengen bzw. niedrigen Drehzahlen zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich. Bei größeren Ladeluftmengen könnte der Kompressor via Bypassleitung umgangen werden.
Wird der Kompressor größer ausgelegt und als Niederdruckstufe einer zweistufigen Aufladung verwendet, übernimmt der Kompressor die Vorverdichtung der Ladeluft bei größeren Ladeluftmengen bzw. höheren Drehzahlen. Bei kleineren Ladeluftmengen könnte der Kompressor dann mittels Bypassleitung umgangen werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Kompressors eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem angeordnet ist. Trotz verstellbarer Leiteinrichtung kann es vorteilhaft und sinnvoll sein, zwecks Quantitätsregelung eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem vorzusehen, um die Last in weiten Bereichen einstellen zu können, insbesondere bei sehr kleinen Ladeluftmengen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Drosselvorrichtung eine Drosselklappe ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Kompressors ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Die Temperatur der Ladeluft wird durch Kühlung abgesenkt und damit die Dichte gesteigert. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung. Der Kühler trägt auf diese Weise zu einer besseren Füllung der Zylinder bei.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Kompressor ein Axialkompressor ist, der im Wesentlichen axial angeströmt wird. Im Wesentlichen axial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Kompressor einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Kompressors verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuführung der Ladeluft zum Kompressor im Wesentlichen axial erfolgt. Die Ladeluft muss dann beim Durchströmen des Eintrittsbereichs nicht umgelenkt werden, um dem Kompressor axial zugeführt zu werden. Da eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Eintrittsbereich unterbleibt, werden unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden. Der Wirkungsgrad und das Ladedruckverhältnis können gesteigert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die verstellbare Leiteinrichtung im Eintrittsbereich des Kompressors angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Kompressor ein Radialkompressor ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging der Aufladung und damit der gesamten Brennkraftmaschine. Das Kompressorgehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Laufschaufeln symmetrisch ausgebildet sind. Damit die Laufschaufeln einerseits den Druck in der Ladeluft im Verdichtermodus erhöhen und auf diese Weise die Ladeluft komprimieren können und andererseits im Turbinenmodus der Ladeluft durch Umlenken und Druckabbau Energie entziehen können, müssen die Laufschaufeln des mindestens einen Laufrades entsprechend, d. h. in geeigneter Weise ausgebildet, d. h. ausgeformt werden. Eine symmetrische Ausbildung der Laufschaufeln ist eine Möglichkeit, die beiden Szenarien Rechnung trägt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Batterie vorgesehen ist, die vom Generator aufgenommene Leistung als elektrische Energie speichert und/oder elektrische Energie für den Antrieb des Kompressors liefert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.
Wie eingangs bereits ausgeführt leidet eine mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine unter einem Drehmomentabfall, sobald die Motordrehzahl verringert wird und der Abgasmassenstrom abnimmt.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch einen zusätzlich vorgesehenen mechanischen Lader, d. h. Kompressor, verbessert werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromabwärts des Kompressors im Ansaugsystem angeordnet ist.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromaufwärts des Kompressors im Ansaugsystem angeordnet ist.
Werden der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und der Kompressor in Reihe angeordnet, kann der Verdichter stromabwärts oder stromaufwärts des Kompressors im Ansaugsystem angeordnet sein.
Dient der Verdichter des Abgasturboladers als Hochdruckstufe, ist ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Ladeluftströmen möglich, so dass auch bei kleinen Ladeluftströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können und die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich deutlich verbessert wird.
Dient der Kompressor als Hochdruckstufe, kann der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers als Niederdruckstufe auf große Verdichterströme ausgelegt werden.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Kompressor erfindungsgemäß elektrisch angetrieben wird und die verfügbare elektrische Energie bei einem Kraftfahrzeug begrenzt ist, ist die Ausführungsform, bei der der Kompressor als Hochdruckstufe dient, für die Praxis von besonderer Relevanz.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts des Kompressors in das Ansaugsystem mündet.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Kühler vorgesehen ist, der die Temperatur im heißen Abgasstrom senkt und damit die Dichte der Abgase steigert. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch abgesenkt, wodurch auch dieser Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Ladedruck im Ansaugsystem stromabwärts des Kompressors durch Verstellen der Leiteinrichtung verändert wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die unterschiedlichen Brennkraftmaschinen erfordern teils verschiedene Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Leiteinrichtung gemäß einer ersten Arbeitsposition in der Art eingestellt wird, dass das mindestens eine Laufrad von der Ladeluft im Wesentlichen axial, vorzugsweise axial, angeströmt wird, wobei der Kompressor in einem Verdichtermodus betrieben wird und Leistung von der als Antriebsmotor dienenden Elektromaschine aufnimmt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Leiteinrichtung gemäß einer zweiten Arbeitsposition zwecks Ausbildung eines Dralls in der Art eingestellt wird, dass das mindestens eine Laufrad von der Ladeluft quer angeströmt wird, wobei der Kompressor in einem Turbinenmodus betrieben wird und Leistung an die als Generator dienende Elektromaschine abgibt. Vorliegend hat der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung eine axiale Komponente und eine tangentiale Komponente, quer zur Welle des mindestens einen Laufrades.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch den Kompressor einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten,
2a schematisch die Strömungsbedingungen im Kompressor anhand der Geschwindigkeitsvektoren in einem Verdichtermodus, und
2b schematisch die Strömungsbedingungen im Kompressor anhand der Geschwindigkeitsvektoren in einem Turbinenmodus.
1 zeigt schematisch den Kompressor 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.
Der Kompressor 1 ist im Ansaugsystem 2 der Brennkraftmaschine angeordnet und verfügt über ein Laufrad 1c, welches in einem Kompressorgehäuse 1b auf einer drehbaren Welle 1a angeordnet und mit Laufschaufeln 1d ausgestattet ist.
Der Kompressor 1 ist elektrisch antreibbar. Hierzu ist als Antriebsmotor 3a eine Elektromaschine 3 vorgesehen, die mit der Welle 1a des Kompressors 1 zumindest verbindbar ist.
Der Kompressor 1 weist einen Eintrittsbereich 1e auf, der koaxial zur Welle 1a des Kompressors 1 verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuführung der Ladeluft zum Kompressor 1 axial erfolgt. Im Eintrittsbereich 1e stromaufwärts des Laufrades 1c ist eine verstellbare Leiteinrichtung 4 angeordnet, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln 4a umfasst. Durch Verstellen der Leiteinrichtung 4 bzw. der Schaufeln 4a lässt sich der Ladedruck im Ansaugsystem 2 stromabwärts des Kompressors 1 verändern. Auf diese Weise lässt sich der Kompressor 1 von einem Verdichtermodus in einen Turbinenmodus überführen und umgekehrt.
Die 2a und 2b zeigen die unterschiedlichen Strömungsbedingungen in den verschiedenen Betriebsmodi des Kompressors.
2a zeigt schematisch die Strömungsbedingungen im Kompressor 1 anhand der Geschwindigkeitsvektoren in einem Verdichtermodus.
Die Leitschaufeln 4a der Leiteinrichtung 4 sind gemäß einer ersten Arbeitsposition eingestellt, so dass das Laufrad 1c von der Ladeluft axial, d. h. in Richtung der Drehachse des Kompressors, angeströmt wird. Die Absolutgeschwindigkeit der Ladeluftströmung ist durchgehend mit c bezeichnet.
Stromabwärts der Leiteinrichtung 4, stromaufwärts des Laufrades 1c ergibt sich die relevante Relativgeschwindigkeit w der Anströmung zu den Laufschaufeln 1d unter Berücksichtigung der Umfangsgeschwindigkeit u infolge der Drehbewegung des Laufrades 1c.
Der Kompressor arbeitet im Verdichtermodus, nimmt zwecks Antrieb Leistung von der Elektromaschine auf und verdichtet die ihm zugeführte Ladeluft, weshalb der Druck im Ansaugsystem stromabwärts des Kompressors höher ist als stromaufwärts des Kompressors.
2b zeigt schematisch die Strömungsbedingungen im Kompressor anhand der Geschwindigkeitsvektoren in einem Turbinenmodus.
Die Leitschaufeln 4a der Leiteinrichtung 4 sind gemäß einer zweiten Arbeitsposition eingestellt, so dass der Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftströmung eine Umfangskomponente aufgezwungen wird. Die Ladeluftströmung weist nach Durchströmen der Leiteinrichtung 4 einen Drall auf, weshalb das Laufrad 1c von der Ladeluft quer angeströmt wird, d. h. quer zur Drehachse des Kompressors. Die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit c wird durch die Umfangsgeschwindigkeit u infolge der Drehbewegung des Laufrades 1c nahezu kompensiert, so dass die relevante Relativgeschwindigkeit w der Anströmung zu den Laufschaufeln 1d eine nahezu axiale Geschwindigkeit ist.
Der Kompressor arbeitet im Turbinenmodus und gibt zwecks Energiegewinnung Leistung an die als Generator dienende Elektromaschine ab.
Bezugszeichenliste

1: Kompressor
1a: Welle
1b: Kompressorgehäuse
1c: Laufrad
1d: Laufschaufeln
1e: Eintrittsbereich
2: Ansaugsystem
3: Elektromaschine
3a: Antriebsmotor
3b: Generator
4: Leiteinrichtung
4a: Leitschaufeln
c: Absolutgeschwindigkeit der Anströmung
u: Umfangsgeschwindigkeit infolge der Drehbewegung des Laufrades
w: Relativgeschwindigkeit der Anströmung zu den Laufschaufeln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0173017 A1 [0003]

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, – einem Kompressor (1), der im Ansaugsystem (2) angeordnet ist und der mindestens ein in einem Kompressorgehäuse (1b) auf einer drehbaren Welle (1a) angeordnetes und mit Laufschaufeln (1d) ausgestattetes Laufrad (1c) umfasst, und – einer Elektromaschine (3), die als Antriebsmotor (3a) mit der Welle (1a) des Kompressors (1) zumindest antriebsverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (1c) eine verstellbare Leiteinrichtung (4) angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln (4a) umfasst, und – die Elektromaschine (3) zur Energiegewinnung als Generator (3b) betreibbar ist, der Leistung aufnimmt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) mit einer Bypassleitung ausgestattet ist, die stromabwärts des Kompressors (1) in das Ansaugsystem (2) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Kompressors (1) eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtung eine Drosselklappe ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Kompressors (1) ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) einen Eintrittsbereich (1e) aufweist, der koaxial zur Welle (1a) des Kompressors (1) verläuft und ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Leiteinrichtung (4) im Eintrittsbereich (1e) des Kompressors (1) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) ein Radialkompressor ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (1d) symmetrisch ausgebildet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie vorgesehen ist, die vom Generator (3b) aufgenommene Leistung als elektrische Energie speichert und/oder elektrische Energie für den Antrieb des Kompressors (1) liefert.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromabwärts des Kompressors (1) im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromaufwärts des Kompressors (1) im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck im Ansaugsystem (2) stromabwärts des Kompressors (1) durch Verstellen der Leiteinrichtung (4) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (4) gemäß einer ersten Arbeitsposition in der Art eingestellt wird, dass das mindestens eine Laufrad (1c) von der Ladeluft im Wesentlichen axial angeströmt wird, wobei der Kompressor (1) in einem Verdichtermodus betrieben wird und Leistung von der als Antriebsmotor (3a) dienenden Elektromaschine (3) aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (4) gemäß einer zweiten Arbeitsposition zwecks Ausbildung eines Dralls in der Art eingestellt wird, dass das mindestens eine Laufrad (1c) von der Ladeluft quer angeströmt wird, wobei der Kompressor (1) in einem Turbinenmodus betrieben wird und Leistung an die als Generator (3b) dienende Elektromaschine (3) abgibt.