DE102017110855B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Einrichtung, Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1000, 1000") mit einem Motor (1200, 1200"), der eine Kurbelwelle (400, 400") aufweist, wobei ein dem Motor (1200, 1200") zugeführter Ladeluftstrom (L, L") mittels eines Verdichters (300, 300") über eine zweite rotatorische Bewegung (RV) verdichtet und eine Nutzturbine (200, 200") zur Erzeugung einer ersten rotatorischen Bewegung (RT) mit einem aus dem Motor (1200, 1200") ausgeleiteten Abgasstrom (A, A") beaufschlagt wird, gekennzeichnet durch die Schritte:
- in einem ersten Betriebsmodus Betreiben der Brennkraftmaschine (1000, 1000") im Viertakt-Betrieb,
- in einem zweiten Betriebsmodus Betreiben der Brennkraftmaschine (1000, 1000") im Zweitakt-Betrieb, wobei
- die Kurbelwelle (400, 400") von der Nutzturbine (200, 200") antreibbar ist über die erste rotatorische Bewegung (RV),
- der Verdichter (300, 300") von der Kurbelwelle (400, 400") antreibbar ist über die zweite rotatorische Bewegung (RV) wobei
- sich die zweite rotatorische Bewegung (RV) für den Verdichter (300, 300") unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung (RT) der Nutzturbine (200, 200") einstellen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Motor, der eine Kurbelwelle aufweist, wobei ein dem Motor zugeführter Ladeluftstrom mittels eines Verdichters über eine zweite rotatorische Bewegung verdichtet und eine Nutzturbine zur Erzeugung einer ersten rotatorischen Bewegung mit einem aus dem Motor ausgeleiteten Abgasstrom beaufschlagt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine, die gemäß dem Verfahren betrieben wird sowie eine Einrichtung zum Betrieb der Brennkraftmaschine.
  • Vorteilhafte Lösungen zur verbesserten Aufladung von Brennkraftmaschinen sind im Stand der Technik bekannt. So beschreibt DE 10 2010 043 027 A1 eine Brennkraftmaschine mit einem Kompressor, der von einem vom Brennkraftmotor separaten Antrieb antreibbar ist.
    Weiter ist in DE 10 2011 079 036 A1 eine Brennkraftmaschine beschrieben, aufweisend einen Brennkraftmotor mit einer Abgasseite und einer Ladefluidseite und ein Aufladesystem umfassend einen Abgasturbolader zur Aufladung des Brennkraftmotors, mit einer Verdichteranordnung auf der Ladefluidseite und einer Turbinenanordnung auf der Abgasseite sowie einen Kompressor, dessen Primärseite auf der Ladefluidseite und dessen Sekundärseite auf der Abgasseite angeschlossen ist. Dabei ist eine als Motor/Generator ausgelegte Elektromaschine vorgesehen, die an den Brennkraftmotor gekoppelt ist, wobei die Elektromaschine als Generator von dem Brennkraftmotor antreibbar ist oder als Motor den Brennkraftmotor antreiben kann und wobei der Kompressor über eine mechanische Antriebskopplung direkt von der Elektromaschine antreibbar ist.
  • Ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ergibt sich bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine gemäß einer in DE 10 2008 008 859 A1 vorgeschlagenen Option - desweiteren wird grundsätzlich erkannt, dass es der Weiterentwicklung von einem Brennkraftaggregat bedarf, das definitiv passive und aktive Prozesse separiert: d.h. (1) eine separate Brennkraftmaschine, die nur aktive Arbeit in alle zyklischen Arbeitstufen produziert und (2) eine separate Kompressionseinheit, welche die Systemluft durch polyvalente Rekuperation produziert und in einem Strukturtank speichert. Dieser Strukturtank soll die einzige und diskrete bedingungslose Verbindung zwischen zwei separaten Prozessen sein. So verbessert, soll ein aktives Brennkraftaggregat einen sehr hohen Wirkungsgrad und Leistungspotenzial erreichen und in einer nächsten Stufe eine Migration von fossilen Kraftstoffen zu Wasserstoff ermöglichen.
  • Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine unabhängig von einer Aufladung, insbesondere zum Umschalten eines Motors von Viertakt-Betrieb auf Zweitakt-Betrieb, sind ebenfalls allgemein bekannt.
  • So beschreibt US 7,421,981 B2 einen Schaltmechanismus, der zwischen einem Zweitakt-Betrieb und einem Viertakt-Betrieb eines Motors wählbar umschalten kann, wobei der Schaltmechanismus umschaltbar ist zwischen dem Eingriff mit einer ersten Nockenerhebung für einen Viertakt-Betrieb und dem Eingriff mit einer zweiten Nockenerhebung für einen Zweitakt-Betrieb.
  • Dieser grundsätzlich vorteilhafte Ansatz zeichnet sich aus durch eine selektive Umschaltbarkeit zwischen Zweitakt-Betrieb und Viertakt-Betrieb je nach Randbedingungen und Anforderungen im Betrieb.
  • Eine Umschaltung ist grundsätzlich auch aus JP 2004 - 211 618 A bekannt; diese zeigt jedoch einen Turbolader, bei dem die Turbine mechanisch starr mit dem Verdichter gekoppelt ist. Wünschenswert ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere hinsichtlich technischer und wirtschaftlicher Aspekte, noch weiter zu verbessern.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, in verbesserter Weise ein Verfahren anzugeben, das mindestens eines der oben genannten Probleme, insbesondere betreffend eine Möglichkeit des Umschaltens zwischen Zweitakt-Betrieb und Viertakt-Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, adressiert.
  • Die Aufgabe, betreffend das Verfahren, wird durch die Erfindung mit einem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Motor, der eine Kurbelwelle aufweist, wobei ein dem Motor zugeführter Ladeluftstrom mittels eines Verdichters über eine zweite rotatorische Bewegung verdichtet und eine Nutzturbine zur Erzeugung einer ersten rotatorischen Bewegung mit einem aus dem Motor ausgeleiteten Abgasstrom beaufschlagt wird.
  • Das Verfahren weist erfindungsgemäß weiter die Schritte auf: in einem ersten Betriebsmodus Betreiben der Brennkraftmaschine im Viertakt-Betrieb, in einem zweiten Betriebsmodus Betreiben der Brennkraftmaschine im Zweitakt-Betrieb.
  • Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren weiter vorgesehen, dass die Kurbelwelle von der Nutzturbine antreibbar ist über die erste rotatorische Bewegung, der Verdichter von der Kurbelwelle antreibbar ist über die zweite rotatorische Bewegung wobei sich die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen kann.
  • Dies bedeutet insbesondere, dass Nutzturbine und Verdichter sozusagen „mechanisch entkoppelt“ --das heißt vor allem „nicht direkt mechanisch miteinander verbunden“-- sind. Damit sind Nutzturbine und Verdichter an eine Kurbelwelle des Motors mechanisch und momentenübertragend unabhängig voneinander kuppelbar.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Möglichkeit des Umschaltens zwischen Zweitakt-Betrieb und Viertakt-Betrieb beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit signifikanten Vorteilen verbunden ist. Diese Vorteile betreffen insbesondere die größere Flexibilität zum Erreichen optimaler Betriebszustände des Motors, insbesondere hinsichtlich Verbrauch, Leistung und Schadstoffemissionen. Bei einem Zweitakt-Motor ist die reale Leistung bei gleichem Bauraum und Gewicht des Motors um bis zu ca. 70 % höher als bei einem Viertakt-Motor. Demgegenüber stehen bauartbedingte Nachteile des Zweitakt-Motors, insbesondere der höhere Kraftstoffverbrauch und höhere Schadstoffemissionen. Insbesondere können durch eine Möglichkeit des Umschaltens zwischen Zweitakt-Betrieb und Viertakt-Betrieb die Vorteile beider Betriebsarten kombiniert werden.
  • Die Erfindung hat nun darüberhinaus erkannt, dass unter dem Einsatz geeigneter Spülverfahren im Zweitakt-Betrieb auch der Motor einer aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft für die Umsetzung beider Betriebsarten, nämlich Viertakt-Betrieb und Zweitakt-Betrieb geeignet ist. Die Erfindung hat weiterhin erkannt, dass für beide Betriebsarten, nämlich den Zweitakt- und den Viertakt-Betrieb, unterschiedliche Spüldrücke bzw. Spülgefälle benötigt werden. Das Spülgefälle bezeichnet hierbei die Druckdifferenz zwischen verdichteter Frisch- bzw. Ladeluft nach dem Verdichten und dem aus dem Motor ausgeleiteten Abgas vor dem Eintritt in die Nutzturbine.
  • Bei einem Zweitakt-Betrieb ist ein günstiges Spülgefälle in der Regel höher, da der Vorgang des Ladens von Frischgas in einen Zylinder und der Vorgang des Ausstoßens von Abgas aus einem Zylinders nicht - im Gegensatz zum Viertakt-Betrieb - in jeweils separaten Takten erfolgt, sondern zusammen während eines Takts. Für diesen auch als Spülen bezeichneten Vorgang muss das in den Zylinder eingehende Frischgas insbesondere mit einem ausreichend hohen Druck beaufschlagt sein, um das sich im Zylinder befindliche Abgas auf effektive Weise zu verdrängen. Dies trifft --hier nur beispielsweise aufgeführt-- insbesondere für eine besonders vorteilhafte Kopfumkehrspülung zu. Bei etwaigen nachgeschalteten Abgasturboladern (ATL) wird der Abgasgegendruck weiter erhöht und die Verdichtung des Frischgases muss zur Sicherstellung einer effektiven Spülung des Zylinders weiter erhöht werden.
  • Da moderne Motoren in der Regel mit einem Abgasturbolader betrieben werden, können sie, insbesondere aufgrund der starren, bzw. mechanisch-unmittelbar gekoppelten, Verbindung zwischen ATL-Turbine und ATL-Verdichter, im Kennfeld des Motors zuweilen nur relativ kleine Differenzdrücke bzw. Spülgefälle von insbesondere ca. 0,6 bar realisieren. Dieser Wert liegt insbesondere für einen Zweitakt-Betrieb in einem nicht optimalen Bereich. Daher ist das Umschalten zwischen Zweitakt-Betrieb und Viertakt-Betrieb in einer zu technischen und wirtschaftlichen Vorteilen führenden Weise bislang nur begrenzt möglich.
  • Die Erfindung hat von diesen Sachzusammenhängen ausgehend vor allem erkannt, dass ein leistungsmäßig variabel einstellbarer Verdichter das Einstellen eines für ein bestimmtes Spülgefälle benötigten Ladedrucks in vorteilhafter Weise ermöglicht, da der Ladedruck unabhängig vom Abgasgegendruck eingestellt werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass die Kurbelwelle von der Nutzturbine antreibbar ist über die erste rotatorische Bewegung, der Verdichter von der Kurbelwelle antreibbar ist über die zweite rotatorische Bewegung wobei sich die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen kann.
  • Das Konzept der Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf eine Einrichtung nach Anspruch 14 zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 15.
  • Entsprechend ist die Einrichtung vorgesehen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Motor und einer Laderanordnung, wobei ein dem Motor zugeführter Ladeluftstrom mittels mindestens eines Verdichters verdichtet und mindestens eine Turbine mit einem aus dem Motor ausgeleiteten Abgasstrom beaufschlagt werden kann, insbesondere ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem Konzept der Erfindung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei
    • - die Kurbelwelle von der Nutzturbine antreibbar ist über die erste rotatorische Bewegung,
    • - der Verdichter von der Kurbelwelle antreibbar ist über die zweite rotatorische Bewegung wobei
    • - sich die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen kann.
  • Die Brennkraftmaschine weist einen Motor und eine Laderanordnung auf, wobei die Laderanordnung aufweist:
    • - eine Nutzturbine zur Wandlung von Energie eines Abgasstromes des Motors in eine rotatorische Bewegung,
    • - einen Verdichter zum Verdichten eines Ladeluftstroms für den Motor,

    wobei die Brennkraftmaschine ausgebildet ist zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem Konzept der Erfindung und/oder eine Einrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine aufweist.
    Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
  • Insbesondere ist gemäß einem Konzept einer Weiterbildung der Verdichter nicht direkt mechanisch mit der Nutzturbine gekoppelt ist, sondern nur mittelbar, nämlich sowohl Verdichter als auch Nutzturbine an die Kurbelwelle des Motors gekuppelt werden können mittels einer Kupplungsanordnung, wird weiterhin eine vorteilhafte Möglichkeit der Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom erreicht.
  • Die „mittelbare Kupplung“ bedeutet insbesondere, dass Nutzturbine und Verdichter über die Kurbelwelle (statt direkt und starr, beispielsweise über eine Turboladerwelle) gekuppelt sind; damit sind sie sozusagen „mechanisch entkoppelt“ --das heißt vor allem „nicht direkt mechanisch miteinander verbunden“-- „Mittelbar“ in diesem Sinn bedeutet somit, dass Nutzturbine und Verdichter an die Kurbelwelle des Motors mechanisch und momentenübertragend kuppelbar sind.
  • Die durch die Nutzturbine aus dem Abgasstrom zurückgewonnene Energie wird somit nicht direkt, bzw. nicht ausschließlich zur Verdichtung der Ladeluft verwendet, sondern gemäß dem Konzept der Erfindung zunächst durch Kupplung der Nutzturbine mit der Kurbelwelle des Motors in Form einer Drehbewegung und somit in Form kinetischer Energie in den Motor zurückgeführt.
  • Von der Kurbelwelle wird diese zurückgeführte kinetische Energie zusammen mit der vom Motor erzeugten kinetischen Energie und der sich aus der Massenträgheit der bewegten Motorkomponenten ergebenden, gespeicherten kinetischen Energie durch ein entgegengesetztes Abtriebsmoment, welches sich aus der Primärbewegung des Motors, beispielsweise der Vortriebsbewegung eines Fahrzeugs, und weiteren triebführend verbundenen Aggregaten ergibt, verbraucht. Zu derartigen Aggregaten zählt gemäß dem Konzept der Erfindung insbesondere auch der Verdichter, welcher mittels einer Verdichterkupplung an die Kurbelwelle angeschlossen werden kann. Auf diese Weise kann der Zeitpunkt der Energierückgewinnung durch die Nutzturbine und der Zeitpunkt der Energiebereitstellung für den Verdichter vorteilhaft entkoppelt werden, dies insbesondere im Gegensatz zu einem herkömmlichen Abgasturbolader (ATL).
  • Insbesondere wird --anstelle einer herkömmlichen, zumindest teilweisen, direkten Nutzung der Abgasenergie zur Verdichtung von Ladeluft bei einer üblichen mechanisch-unmittelbar gekoppelten Nutzturbine und Verdichter (beispielsweise über eine starre Turboladerwelle)-- eine Nutzung der Abgasenergie zur Rückgewinnung von mechanischer Energie bzw. Bewegungsenergie durch Speisung der Kurbelwelle des Motors durch eine Nutzturbine vorteilhaft genutzt; und zwar von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine. Diese erste rotatorische Bewegung der Nutzturbine kann gemäß dem Konzept der Erfindung --infolge der über den lediglich mittelbaren Antrieb definierten Entkopplung von Nutzturbine und Verdichter-- abgenommen werden durch die Kurbelwelle und/oder den Verdichter oder eben nicht abgenommen werden; so kann sich allgemein die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen.
  • Demnach ist dann der Verdichter von der Nutzturbine mittelbar antreibbar über eine zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter in dem Sinne, dass sich die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen kann. Insbesondere kann die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unabhängig von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine eingestellt werden oder stellt sich nach dem Betrieb des Motors ein. Diese zweite rotatorische Bewegung wird ggf. von der Kurbelwelle über deren Ankopplung an den Verdichter und/oder die Nutzturbine zur Verfügung gestellt. Die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter ist demnach unabhängig von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellbar, beispielweise mit einem geeigneten Übersetzungsverhältnis oder frei infolge des aktuellen Betriebs des Motors. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn für einen Zweitakt-Betrieb ein relativ hohes Spülgefälle erreicht werden soll.
  • Das Konzept bietet vorzugsweise die Basis für eine in verbesserter Weise funktionierende Brennkraftmaschine, da die Umschaltmöglichkeit von Zweitakt-Betrieb auf Viertakt-Betrieb sowie die Laderanordnung gemäß der Erfindung in synergetischer Weise zusammenwirken und einen effizienten, insbesondere ressourceneffizienten, Betrieb ohne wesentliche Leistungseinbußen, die bei einem herkömmlichen Turbolader auftreten würden, zu ermöglichen.
  • Weiterhin ist bei diesem Ansatz gemäß dem Konzept vorteilhaft, dass die von der Nutzturbine gewonnene kinetische Energie nicht wie bei bestehenden Ansätzen zur Speicherung und späterer Nutzung verlustbehaftet in eine andere Energieform, insbesondere elektrische Energie, umgewandelt werden muss, sondern direkt, d. h. in kinetischer Form der Kurbelwelle zugeführt wird. Dasselbe gilt für Umwandlungsverluste bei der späteren Rückumwandlung insbesondere bei elektrischen Energiespeichern von elektrischer in kinetische Energie, die bei diesem Ansatz gemäß dem Konzept nicht auftreten.
  • Somit wird bei einer Rückführung der kinetischen Energie über die Nutzturbine in die Kurbelwelle gemäß dem Konzept der Motor entlastet, was zu einer vorteilhaften Einsparung von Treibstoff führt.
  • Analog kann gemäß dem Konzept zwecks Antriebs des Verdichters die Kurbelwelle, insbesondere bei einem spontanen Leistungsbedarf, an den Verdichter gekoppelt werden. Durch das Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle und gegebenenfalls sämtlicher momentenübertragend verbundenen Komponenten des Antriebsstrangs (einschließlich der Trägheit des sich bewegenden Fahrzeugs) kann der Verdichter vergleichsweise sprunghaft auf Nenndrehzahl gebracht werden, um den spontanen Leistungsbedarf zu erfüllen - dies insbesondere im Vergleich zu einem herkömmlichen, erst durch Anströmung mit Abgas zu beschleunigenden Abgasturbolader.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass das Verfahren weiter den Schritt aufweist: Umschalten von einem Viertakt-Betrieb des ersten Betriebsmodus in einen Zweitakt-Betrieb des zweiten Betriebsmodus. Konkret beinhaltet diese Weiterbildung insbesondere das Umschalten während des Betriebs von einem Viertakt-Betrieb in einen Zweitakt-Betrieb, um insbesondere gemäß dem Konzept der Erfindung auf vorteilhafte Weise kurzfristig eine höhere Leistung des Motors zu erreichen. Dies ist insbesondere vorteilhaft möglich, da durch die mechanische Entkopplung von Nutzturbine und Verdichter gemäß dem Konzept der Erfindung trotz des Zweitakt-Betriebs ein ausreichend hohes Spülgefälle erzeugt werden kann.
  • Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Verfahren weiter den Schritt aufweist: Umschalten von einem Zweitakt-Betrieb des zweiten Betriebsmodus in einen Viertakt-Betrieb des ersten Betriebsmodus. Dies kann konkret bedeuten, dass der Motor der Brennkraftmaschine, nachdem er bereits in einem vorherigen Schritt von einem Viertakt-Betrieb in einen Zweitakt-Betrieb umgeschaltet wurde, wieder zurück in einen Viertakt-Betrieb umgeschaltet wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die höhere Leistung des Zweitakt-Betrieb, die bei transienten Anforderungen wie beispielsweise während des Beschleunigens vorteilhaft genutzt wird, in einem momentanen Betriebszustand des Motors nicht benötigt wird. In einem derartigen, insbesondere stationären Betriebszustand, kann die Brennkraftmaschine daher gemäß dem Konzept der Erfindung zu Gunsten eines niedrigeren Kraftstoffverbrauchs sowie niedrigeren Schadstoffemissionen in einen Viertakt-Betrieb geschaltet werden.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass die Nutzturbine über eine Turbinenkupplung an die Kurbelwelle des Motors kuppelbar ist. Dies beinhaltet konkret insbesondere, dass die Triebverbindung zwischen Nutzturbine und Kurbelwelle des Motors geschlossen und geöffnet werden kann. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Übertragung der von der Nutzturbine erzeugten Drehbewegung auf die Kurbelwelle des Motors je nach Bedarf herzustellen, zu unterbrechen, oder sogar graduell bzw. teilweise einzustellen. Auf diese Weise kann beispielsweise gewährleistet werden, dass eine langsamer drehende, von der Nutzturbine angetriebene Welle, von der Kurbelwelle getrennt wird, um eine bremsende Wirkung auf den Motor zu vermeiden.
  • Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Turbinenkupplung als hydrodynamische Kupplung, insbesondere als füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung, ausgebildet ist. Dies beinhaltet konkret insbesondere, dass eine Turbinen-Abtriebswelle der Nutzturbine über eine hydrodynamische Kupplung mit der Kurbelwelle des Motors, insbesondere weiterhin über ein Getriebe, verbunden ist. Gemäß dem Prinzip einer hydrodynamischen Kupplung wird das Drehmoment insbesondere nicht direkt, sondern durch das Antreiben eines beide Kupplungspartner umgebenden Fluids übertragen. Hierdurch wird auf vorteilhafter Weise erreicht, dass insbesondere Drehzahlsprünge eines Kupplungspartners durch das kontinuierliche Angleichen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids praktisch ruckfrei auf den anderen Kupplungspartner übertragen werden. Allgemein werden Drehschwingungen durch ein hydrodynamisches Getriebe gedämpft, was somit positiv zur Laufruhe beiträgt. Weiterhin beinhaltet eine derartige Weiterbildung insbesondere, dass das Fluid zur Kupplung beider Kupplungspartner in gesteuerter bzw. geregelter Weise in den beide Kupplungspartner umschließenden Kupplungsraum der hydrodynamischen Kupplung eingefüllt bzw. aus dem Kupplungsraum ausgelassen werden kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Übertragungsleistung der hydrodynamischen Kupplung - und insbesondere die übertragene Drehzahl - im Betrieb kontinuierlich angepasst werden.
  • Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verdichter über eine Verdichterkupplung an die Kurbelwelle des Motors kuppelbar ist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass die Triebverbindung zwischen Kurbelwelle des Motors und Verdichter je nach Bedarf geschlossen und geöffnet werden kann. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Übertragung der von der Kurbelwelle des Motors erzeugten Drehbewegung auf den Verdichter je nach Bedarf herzustellen, zu unterbrechen, oder sogar graduell bzw. teilweise einzustellen. Somit kann auf vorteilhafte Weise die Leistung des Verdichters und somit der Grad der Verdichtung der Ladeluft je nach momentaren Anforderungen und aktuell vorherrschenden Betriebsbedingungen, insbesondere kontinuierlich oder quasikontinuierlich in der Art eines Regelkreises, eingestellt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft verglichen mit einer herkömmlichen starren Triebverbindung zwischen Turbine und Verdichter, bei der eine derartige Einstellung nicht ohne Weiteres möglich ist.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass die Verdichterkupplung als hydrodynamische Kupplung, insbesondere als füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung, ausgebildet ist. Dies beinhaltet konkret insbesondere, dass eine Antriebswelle des Verdichters über eine hydrodynamische Kupplung mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist. Gemäß dem Prinzip einer hydrodynamischen Kupplung wird das Drehmoment insbesondere nicht direkt, sondern durch das Antreiben eines beide Kupplungspartner umgebenden Fluids übertragen. Hierdurch wird auf vorteilhafter Weise erreicht, dass insbesondere Drehzahlsprünge eines Kupplungspartners durch das kontinuierliche Angleichen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids praktisch ruckfrei auf den anderen Kupplungspartner übertragen werden. Allgemein werden Drehschwingungen durch ein hydrodynamisches Getriebe gedämpft, was somit positiv zur Laufruhe beiträgt. Konkret bedeutet dies insbesondere, dass das Fluid zur Kupplung beider Kupplungspartner in gesteuerter bzw. geregelter Weise in den beide Kupplungspartner umschließenden Kupplungsraum der hydrodynamischen Kupplung eingefüllt bzw. aus dem Kupplungsraum ausgelassen werden kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Übertragungsleistung der hydrodynamischen Kupplung im Betrieb kontinuierlich angepasst werden und insbesondere die Drehzahl des Verdichters im Betrieb gesteuert bzw. geregelt werden. Weiterhin beinhaltet eine derartige Weiterbildung insbesondere, dass das Fluid zur Kupplung beider Kupplungspartner in gesteuerter bzw. geregelter Weise in den beide Kupplungspartner umschließenden Kupplungsraum der hydrodynamischen Kupplung eingefüllt bzw. aus dem Kupplungsraum ausgelassen werden kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Übertragungsleistung der hydrodynamischen Kupplung im Betrieb kontinuierlich angepasst werden und insbesondere die Drehzahl des Verdichters im Betrieb gesteuert bzw. geregelt werden.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass die Nutzturbine weiterhin über ein Nutzturbinen-Getriebe zwischen Turbinenkupplung und Kurbelwelle angeordnet, mit der Kurbelwelle kuppelbar ist. Konkret bedeutet dies, dass die Drehzahl der Nutzturbine vor dem Einspeisen in den Motor verändert, insbesondere reduziert werden kann. Hierzu kann die Drehzahl der in der Regel höher drehenden Nutzturbine durch ein Getriebe, insbesondere mit einem Übersetzungsverhältnis von i = 25 - 30, reduziert werden. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Nutzung rückgewonnener Abgasenergie in mechanischer Form durch die direkte Übertragung auf die Kurbelwelle des Motors ermöglicht.
  • Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verdichter weiterhin über ein Verdichter-Getriebe zwischen Verdichterkupplung und Kurbelwelle angeordnet, mit der Kurbelwelle kuppelbar ist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors mittels eines Verdichter-Getriebes verändert, insbesondere gesteigert, wird, um den Verdichter mit einer angepassten, insbesondere zur Verdichtung der Ladeluft ausreichend hohen Drehzahl anzutreiben. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, die rotatorische Bewegung des Motors mittels einer entsprechenden Übersetzung für die Ladeluftverdichtung direkt zu nutzen.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung hat die Erfindung erkannt, dass sich für den Einsatz als Spülverfahren im Zweitakt-Betrieb insbesondere eine Kopfumkehrspülung als vorteilhaft erweist im Vergleich zu einem Zweitakt-Betrieb mit einer Längsspülung; besonders vorteilhaft bedarf eine Kopfumkehrspülung nur geringfügiger konstruktiver Anpassungen der Brennkraftmaschine. Insbesondere ist demnach vorgesehen, dass beim Betreiben der Brennkraftmaschine im Zweitakt-Betrieb die Zylinder durch eine Kopfumkehrspülung gespült werden. Konkret bedeutet dies insbesondere, dass der aus Zylinder und Kolben gebildete Brennraum über Öffnungen bzw. Ventile gespült, d.h. geflutet und entleert, wird, welche an einer Seite des Brennraums, insbesondere an der oberen Innenseite bzw. Kopfseite des Zylinders, angeordnet sind. Eine derartige Weiterbildung führt insbesondere zu dem Vorteil, dass der Aufbau des Triebwerks und insbesondere der einzelnen Zylinder dem Aufbau eines Viertakt-Motors gleich bzw. ähnlich sind und somit eine Anpassung zur Ermöglichung beider Betriebsmodi nur geringfügiger konstruktiver Änderungen der Brennkraftmaschine bedarf. Auf diese Weise ist es möglich, im Wesentlichen insbesondere durch Anpassung der Ventilsteuerung, beispielsweise durch hydraulisches Verstellen der Nockenwelle, zwischen Zweitakt-Betrieb und Viertakt-Betrieb umzuschalten.
  • Weiterhin werden bei einer Kopfumkehrspülung vorteilhaft der Kolben, bzw. etwaige Kolbenringe und/oder Kolbendichtungen, nicht durch das Überlaufen von Einlassschlitzen, die zur Umsetzung anderer Spülverfahren, wie beispielsweise bei einer Längsspülung bzw. Gleichstromspülung, insbesondere im unteren Zylinderbereich angeordnet sind, mechanisch beansprucht. Dadurch wird die Gefahr der Beschädigung bzw. ein erhöhtes Verschleißen des Kolbens, bzw. etwaiger Kolbenringe und/oder Kolbendichtungen, vorteilhaft reduziert.
  • Die Möglichkeit zur Einstellung eines höheren Spülgefälles, welche bei einer Kopfumkehrspülung insbesondere im Vergleich zu einer Längsspülung benötigt wird, wird durch die Kuppelbarkeit von Nutzturbine und Verdichter über die Kurbelwelle des Motors gemäß dem Konzept der Erfindung auf vorteilhafte Weise erreicht.
  • Bezüglich der Brennkraftmaschine ist bei einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Kupplungsanordnung elektromechanisch ausgebildet ist, insbesondere dass eine Drehbewegung in einen Generatorstrom beziehungsweise der Generatorstrom in eine Drehbewegung umwandelbar ist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass sowohl turbinen- als auch verdichterseitig eine Anordnung bestehend aus Generator, Regler und Motor eine Umwandlung von kinetischer, insbesondere rotatorischer Energie in elektrische Energie, weiterhin eine Regelung und eine anschließende Rückumwandlung von elektrischer Energie in kinetische Energie ermöglicht. Durch eine derartige Weiterbildung kann durch die Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie und umgekehrt insbesondere vorteilhaft sowohl turbinenseitig als auch verdichterseitig eine Drehzahlumwandlung erfolgen. Weiterhin ist es auch möglich, die in elektrische Energie umgewandelte Bewegungsenergie durch geeignete Energiespeicher, insbesondere Akkus, zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder in Bewegungsenergie zurückzuwandeln.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass die Abgasturbine einen Generator antreibt. Der von diesem Generator erzeugte Strom treibt einen Elektromotor an, der über eine geeignete Übersetzung mechanisch mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist. Somit wird die von der Abgasturbine erzeugte Energie auf den Motor übertragen. Durch Steuerung/Regelung des Elektromotors kann im gesamten Kennfeld des Motors die maximal verfügbare Energie aus dem Motor übertragen werden.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle des Motors mechanisch einen Generator antreibt. Der von diesem Generator erzeugte Strom treibt einen Elektromotor an, der über eine geeignete Übersetzung mechanisch mit dem Verdichter verbunden ist. Somit wird die vom Motor erzeugte Energie (unabhängig von der verfügbaren Abgasenthalpie) auf den Verdichter übertragen. Durch Steuerung/Regelung des Elektromotors kann im gesamten Kennfeld des Motors die optimale Drehzahl für den Verdichter eingestellt werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
    • 1A-B eine schematische Darstellung der Abfolge eines Zweitakt-Verbrennungsprozesses,
    • 2A - D eine schematische Darstellung der Abfolge eines Viertakt-Verbrennungsprozesses,
    • 3 eine schematische Darstellung einer Weiterbildung einer Laderanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung,
    • 4 eine schematische Darstellung einer alternativen Umsetzung nach dem Konzept der Erfindung,
    • 5 eine schematische Darstellung einer Spülung eines Zylinders im Zweitakt-Betrieb gemäß dem Konzept der Erfindung,
    • 6 ein Motorkennfeld.
  • 1A und 1B zeigen eine schematische Darstellung der Abfolge eines Zweitakt-Verbrennungsprozesses. In 1A ist ein Zylinder 420 dargestellt, in dem ein in Richtung der Zylinderachse des Zylinders 420 translatorisch beweglicher Kolben 424 angeordnet ist. Der Kolben 424 befindet sich in der Darstellung in der Nähe eines unteren Totpunkts UT. Nach dem Prinzip der Kopfumkehrspülung strömt Gas, insbesondere ein Zweitakt-Ladeluftstrom L2T, in den im Wesentlichen aus einer Zylinderwand 422 des Zylinders 420 sowie dem Kolben 424 gebildeten Brennraum 432. Die Ladeluft L2T wird hierzu durch mindestens ein Einlassventil 426E in den Brennraum 432 befördert.
  • Der Zweitakt-Ladeluftstrom L2T wird dazu vorher durch einen Verdichter 300, welcher gemäß dem Konzept der Erfindung angetrieben wird, auf einen für den Zweitakt-Betrieb ausreichend hohen Druck verdichtet. Gleichzeitig wird mit dem Einströmen des Ladeluftstrom L2T im Brennraum 432 befindliches Abgas verdrängt. Dieses Abgas verlässt in Form eines Zweitakt-Abgasstromes A2T durch mindestens ein Auslassventil 426A, welches vorliegend an der oberen Seite des Zylinders 420 in der Nähe eines oberen Totpunkts OT angeordnet ist, den Brennraum 432.
  • Der in 1A dargestellte Vorgang beinhaltet also ein Laden des Brennraums 432 mit Ladeluft L2T und praktisch gleichzeitig ein Ausstoßen des Abgases A2T.
  • In 2B befindet sich der Kolben 424 in der Nähe des oberen Totpunkts OT, d.h. dass der Brennraum 432 beinahe sein Minimalvolumen erreicht hat. Dies bedeutet, dass die zuvor in den Brennraum 432 geströmte Ladeluft L2T durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 424 und somit die Verkleinerung des Brennraums 432 verdichtet worden ist. Das Einlassventil 426E und das Auslassventil 426A sind dabei geschlossen, um ein Austreten der Ladeluft L2T zu verhindern. Der dargestellte Zustand stellt praktisch das Ende des Verdichtungsvorgangs dar.
  • Durch eine Zündung ZUE des verdichteten Gases im Brennraum 432 wird der Kolben 424 anschließend in der auch als Arbeitsphase bezeichneten Phase von dem expandierenden Gas abwärts in Richtung eines unteren Totpunkts UT bewegt. Praktisch bei Erreichen des unteren Totpunkts UT durch den Kolben 424 beginnt der Zyklus durch den in 1A dargestellten Lade- bzw. Ausstoßvorgang erneut.
  • 2A bis 2D zeigen eine schematische Darstellung der Abfolge eines Viertakt-Verbrennungsprozesses. In 2A ist der Vorgang des Ladens in einem Zylinder 420 dargestellt. Durch die Position eines Kolbens 424 nahe des unteren Totpunkts UT weist der Brennraum 432 praktisch sein größtmögliches Volumen auf. Ein Viertakt-Ladeluftstrom L4T strömt, insbesondere durch vorherige Druckbeaufschlagung durch einen hier nicht näher dargestellten Verdichter 300 und/oder durch einen durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 424 erzeugten Unterdruck, durch das geöffnete Einlassventil 426E in den Brennraum 432. Im Gegensatz zu dem im 1A dargestellten Zweitakt-Betrieb ist vorliegend das Auslassventil 426A geschlossen.
  • In 2B befindet sich der Kolben 424 nahe des oberen Totpunkts OT. Das Einlassventil 426E und das Auslassventil 426A sind geschlossen; das im vorherigen, in 2A dargestellten, Schritt eingeströmte Gas ist zu dem vorliegend dargestellten Zeitpunkt also bereits verdichtet.
  • Der in 2B dargestellte Zustand stellt praktisch das Ende des Verdichtens dar. Es erfolgt eine Zündung ZUE.
  • In 2C befindet sich der Kolben 424 wieder am unteren Totpunkt UT. Diesem Zustand ist eine Expansion durch die Zündung ZUE des verdichteten Gases vorangegangen, welche wiederum im Anschluss an den in 2B dargestellten Endzustand des Verdichtens erfolgt ist. Der in 2C dargestellte Zustand stellt somit praktisch das Ende des Arbeitens bzw. der Arbeitsphase dar, in welcher insbesondere eine Antriebsbewegung eines Motors 1200 erzeugt wird.
  • In 2D erfolgt schließlich das Ausstoßen eines Abgases, welches bei der vorangegangenen Expansion bzw. Zündung entstanden ist. Hierzu wird das Auslassventil 426A geöffnet, so dass bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 424 bzw. bei einer Verkleinerung des Brennraums 432 das Abgas den Brennraum 432 in Form eines Viertakt-Abgasstromes A4T verlässt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Weiterbildung einer Laderanordnung 100 gemäß dem Konzept der Erfindung. Die Laderanordnung 100 weist hierbei insbesondere eine Nutzturbine 200 sowie einen Verdichter 300 auf. Ein aus einem Motor 1200 ausgeleiteter Abgasstrom A wird insbesondere vollständig durch die Nutzturbine 200 geleitet, in der die Energie des Abgases in Bewegungsenergie, insbesondere in eine erste rotatorische Bewegung RT, umgewandelt wird. Die Laderanordnung 100 weist weiterhin eine Kupplungsanordnung 150 auf. Über eine Turbinen-Abtriebswelle 202 wird vorliegend die von der Nutzturbine erzeugte rotatorische Bewegung an eine Turbinenkupplung 250 übertragen, welche bevorzugt als hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist.
  • Durch die hydrodynamische Kupplung können insbesondere Drehzahlsprünge ruckfrei bzw. ruckmindernd angepasst werden und Drehschwingungen vorteilhaft gedämpft werden. Von der Turbinenkupplung 250 wird die Drehbewegung weiter über eine Nutzturbinen-Getriebe-Antriebswelle 204 an ein Nutzturbinen-Getriebe 280 übertragen, welches insbesondere der Drehzahlanpassung der von der Nutzturbine 200 erzeugten rotatorischen Bewegung dient. Die Drehzahlanpassung erfolgt insbesondere zur Reduzierung bzw. Untersetzung der in der Regel höheren Drehzahl der Nutzturbine 200 zu einer für eine Einkopplung in eine Kurbelwelle 400 des Motors 1200 geeigneten Drehzahl. Typische Übersetzungs- bzw Untersetzungsverhältnisse liegen hierbei zwischen 25 und 30.
  • Von dem Nutzturbinen-Getriebe 280 wird die untersetzte Drehbewegung auf die Kurbelwelle 400 des Motors 1200 übertragen. Auf diese Weise wird die aus dem Abgasstrom A gewonnene Energie in mechanischer Form in den Motor 1200 zurückgeführt. Besonders bevorzugt weist das Nutzturbinen-Getriebe 280 weiterhin einen Freilauf auf, um den Leistungsfluss im Falle, dass die Drehzahl der Nutzturbinen-Getriebe-Antriebswelle 204 geringer ist als die Drehzahl der Kurbelwelle 400, zu unterbinden.
  • Von der Kurbelwelle 400 des Motors 1200 wird weiterhin gemäß dem Konzept der Erfindung ein Verdichter-Getriebe 380 angetrieben. Das Verdichter-Getriebe 380 ändert die Drehzahl der von der Kurbelwelle 400 ausgehenden rotatorischen Bewegung derart, dass sie zum Antreiben des Verdichters 300 geeignet, insbesondere ausreichend hoch, ist.
  • Die entsprechend übersetzte Drehbewegung wird anschließend über eine Verdichter-Getriebe-Abtriebswelle 304 vom Verdichter-Getriebe 380 an eine Verdichterkupplung 350 übertragen, welche wiederum eine zweite rotatorische Bewegung RV für den Verdichter 300 bereitstellt, die über eine Verdichter-Antriebswelle an diesen übertragen wird. Die Verdichterkupplung 350 hat, analog zu der Turbinenkupplung 250, den Vorteil, dass Drehzahlsprünge insbesondere ruckfrei angeglichen werden und Drehschwingungen durch die Funktionsweise einer hydrodynamischen Kupplung gedämpft werden. Insbesondere wird durch eine füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung erreicht, dass durch Anpassung des Füllstandes eines Kupplungsfluids innerhalb eines Kupplungsraumes 258 die Übertragungsleistung der Verdichterkupplung gesteuert bzw. geregelt werden kann. Insbesondere kann auf diese Weise eine jeweils für einen momentanen Betriebszustand des Motors 1200 optimale Drehzahl des Verdichters 300 regelnd eingestellt werden.
  • Der Verdichter 300, der vorliegend als Strömungsverdichter ausgebildet ist, wird auf diese Weise von der rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle 400 mechanisch angetrieben. Somit kann der Verdichter 300 einen dem Motor 1200 zugeführten Ladeluftstrom L auf vorteilhafte Weise verdichten.
  • Weiterhin ist schematisch eine Einrichtung 900 zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1000 dargestellt, welche vorliegend ein Regel- und Prozessormittel 910 aufweist. Dieses Regel- und Prozessormittel 910 ist, wie vorliegend durch gestrichelte Linien dargestellt, signalführend mit der Turbinenkupplung 250, dem Nutzturbinen-Getriebe 280, der Verdichterkupplung 350 und dem Verdichter-Getriebe 380 verbunden. Auf diese Weise kann das Konzept der Erfindung beispielsweise im Sinne eines bei dieser bevorzugten Ausführungsform dargestellten automatischen Systems bzw. Regelkreises umgesetzt werden. Insbesondere können die rotatorischen Bewegungen, das heißt hier die rotatorischen Bewegungen RT und RV, gemäß dieser Ausführungsform eingestellt werden. Diese rotatorischen Bewegungen RT und RV können durch Ansteuerung des Nutzturbinen-Getriebes 280 und/oder des Verdichter-Getriebes 380 übersetzt bzw. untersetzt werden.
  • Es kann zusätzlich oder alternativ die Übertragung der Drehbewegung durch Ansteuerung der Turbinenkupplung 250 und/oder der Verdichterkupplung 350 unterbrochen bzw. eingesetzt werden.
  • Weiterhin steht das Regel- und Prozessormittel 910 signalführend mit einer hier nur angedeuteten, jedoch nicht näher dargestellten, insbesondere übergeordneten, Steuerung der Brennkraftmaschine 1000 in Verbindung. Es kann zusätzlich oder alternativ auch Teil dieser sein, um das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung, insbesondere das Umschalten des Motors 1200 vom Zweitakt-Betrieb in den Viertakt-Betrieb beziehungsweise vom Viertakt-Betrieb in den Zweitakt-Betrieb, umzusetzen.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Umsetzung nach dem Konzept der Erfindung. Gezeigt ist eine Brennkraftmaschine 1000" mit einer Laderanordnung 100", die eine Nutzturbine 200" und einen Verdichter 300" aufweist. Die Nutzturbine 200" wird mit einem aus einem Motor 1200" stammenden Abgasstrom A" beaufschlagt.
  • Die so erzeugte Bewegungsenergie bzw. Drehbewegung RT wird über eine Generator-Antriebswelle 212 an einen turbinenseitigen Generator 220 übertragen. Dieser turbinenseitige Generator 220 wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um, welche über eine turbinenseitige Generatorleitung 221 insbesondere in Form eines turbinenseitigen Generatorstroms 242 an einen Turbinen-Regler 240 übertragen wird.
  • In dem Turbinen-Regler 240 wird der turbinenseitige Generatorstrom 242 gemäß Sollwerten 241, welche insbesondere aus einer übergeordneten Steuerung, insbesondere einer Motorelektronik, stammen, geregelt. Ein auf diese Weise geregelter turbinenseitiger Generatorstrom 243 wird dann über eine turbinenseitige Motorleitung 222 an einen turbinenseitigen Motor 230 übertragen. Dieser ist momentenübertragend mit einer Kurbelwelle 400" des Motors 1200" verbunden, so dass eine von dem turbinenseitigen Motor 230 erzeugte Drehbewegung RM, zum Antrieb der Kurbelwelle 400", insbesondere zur Unterstützung der Drehbewegung RK der Kurbelwelle 400", eingesetzt werden kann.
  • Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Weiterbildung findet vorliegend also keine vollständige mechanische Rückgewinnung der Abgasenergie statt. Stattdessen erfolgt durch eine Umwandlung in elektrische Energie, eine Regelung, und eine anschließende Rückumwandlung in mechanische Energie, eine elektromechanische Rückgewinnung der Abgasenergie.
  • Die Kurbelwelle 400" ist weiterhin gemäß dem Konzept der Erfindung in dieser Weiterbildung momentenübertragend mit einem verdichterseitigen Generator 224 verbunden.
  • Dieser verdichterseitige Generator 224 wandelt die von der Kurbelwelle 400" in Form einer Drehbewegung übertragene Bewegungsenergie in elektrische Energie um, welche insbesondere in Form eines verdichterseitigen Generatorstromes 246 über eine verdichterseitige Generatorleitung 225 an einen Verdichter-Regler 244 übertragen wird. In diesem Verdichter-Regler 244 wird der verdichterseitige Generatorstrom 246, gemäß Sollwerten 245 für den Verdichter-Regler 244, geregelt. Analog zum Turbinen-Regler 240 stammen die Sollwerte 245 ebenfalls insbesondere aus einer übergeordneten Steuerung, insbesondere einer Motorelektronik.
  • Ein geregelter verdichterseitiger Generatorstrom 247 wird anschließend über eine verdichterseitige Motorleitung 226 an einen verdichterseitigen Motor 234 geleitet. Dieser verdichterseitige Motor 234 ist über eine Verdichter-Antriebswelle 312 momentenübertragend mit dem Verdichter 300" verbunden. Durch das Antreiben des Verdichters 300" durch den verdichterseitigen Motor 234 wird folglich ein Ladeluftstrom L", welcher dem Motor 1200" zugeführt wird, verdichtet.
  • Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Weiterbildung wird vorliegend eine Drehbewegung von der Kurbelwelle 400" zum Verdichter 300" also nicht vollständig mechanisch, sondern durch eine Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie, eine Regelung, und eine Rückumwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie, elektromechanisch übertragen. Es handelt sich vorliegend also um eine elektromechanische Kupplungsanordnung 150'.
  • Durch eine derartige Weiterbildung kann durch die Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie und umgekehrt insbesondere vorteilhaft sowohl turbinenseitig als auch verdichterseitig eine Drehzahlumwandlung erfolgen. Weiterhin ist es auch möglich, die in elektrische Energie umgewandelte Bewegungsenergie durch geeignete Energiespeicher, insbesondere Akkus, zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder in Bewegungsenergie zurückzuwandeln.
  • 5 zeigt weiterhin das Prinzip der Spülung eines Zylinders 420 insbesondere im Zweitakt-Betrieb. Hierzu ist der Zylinder in einem Zustand analog zu dem in 1A gezeigten Zustand dargestellt. Der Brennraum 432 ist dabei praktisch größtmöglichst ausgeprägt, d.h. der Kolben 424 befindet sich praktisch am unteren Totpunkt UT. Ein Ladeluftstrom L2T strömt durch mindestens ein Einlassventil 426E in den Brennraum 432. Ein Ladeluftstrom L wird gemäß dem Konzept der Erfindung durch einen Verdichter 300 verdichtet und über einen Ladeluftkühler 440 und einen hier nicht näher dargestellten Verteiler in mindestens einen Zuführkanal 434 geleitet. Dabei ist der Verdichter 300 gemäß dem Konzept der Erfindung nicht direkt mechanisch mit der Nutzturbine 200 verbunden, wie dies im übertragenen Sinne bei einem Abgasturbolader der Fall wäre. Vorliegend wird eine momentenübertragene Verbindung zwischen Nutzturbine 200 und Verdichter 300 im Wesentlichen über eine hier nicht dargestellte Kupplungsanordnung 150 und eine Kurbelwelle 400 hergestellt. Hierdurch besteht insbesondere die Möglichkeit, die momentenübertragene Verbindung zu schließen oder zu öffnen oder insbesondere durch eine füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung lediglich teilweise herzustellen, dies insbesondere zur Beeinflussung der Drehzahl der übertragenen Drehbewegung. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Drehbewegung durch hier nicht weiter dargestellte Getriebe zu übersetzen bzw. zu untersetzen.
  • Weiterhin erfolgt mit dem Einströmen des Ladeluftstroms L2T in die Brennkammer 432 gemäß des Konzepts eines Zweitakt-Motors das gleichzeitige Ausstoßen eines Abgasstroms A2T über mindestens ein geöffnetes Auslassventile 426A und weiterhin einen Abgaskrümmer 430. Der Abgasstrom A wird weiterhin auf die Nutzturbine 200 geleitet, in der die restliche im Abgasstrom A enthaltene Energie weiter in eine mechanische Drehbewegung umgewandelt wird. Diese Energie ist allerdings geringer im Vergleich zu einem im Viertakt-Betrieb ausgeleiteten Abgasstrom A4T.
  • 6 zeigt schematisch das Kennfeld eines Motors. Auf der Ordinate ist hierbei der effektive Mitteldruck pme aufgetragen, welcher wiederum über folgende Beziehung proportional zum Drehmoment Md des Motors ist: p m e = M d * 2 π V H * i
    Figure DE102017110855B4_0001
  • Dabei ist weiterhin VH das Gesamthubvolumen des Motors und i die Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung (0,5 für Viertakt-, 1 für Zweitakt-Betrieb).
    Auf der Abszisse ist die Motordrehzahl nMot aufgetragen. Weiterhin kennzeichnen die Isolinien B1 - B7 jeweils Betriebspunkte gleicher effektiver Motorleistung Pe . Der Betriebspunkt B1 ensprichte vorliegend einer Motorleistung von 10%, der Betriebspunkt B2 einer Motorleistung von 20%, der Betriebspunkt B3 einer Motorleistung von 30%, der Betriebspunkt B4 einer Motorleistung von 50%, und der Betriebspunkt B5 einer Motorleistung von 70%. In diesen Betriebspunkten B1 - B5 ist gemäß dem Konzept der Erfindung jederzeit ein Umschalten in den 2-Takt-Betrieb möglich bzw. sinnvoll, insbesondere um kurzfristig die Motorleistung zu erhöhen und einen Betriebspunkt in einem weiter rechts oben liegenden Bereich im hier dargestellten Diagramm zu erreichen. Die als durchgehende Linien dargestellten Isolinien B6 und B7 zeigen bestimmte Betriebspunkte des Motors. Hierbei entspricht die Isolinie B6 einer Motorleistung von 80 % und die Isolinie B7 einer Motorleistung von 100 %. Derartige Betriebspunkte werden insbesondere im stationären Betrieb angefahren, wo ein Betrieb im Zweitakt-Betrieb nicht vorteilhaft ist. Ein Zweitakt-Betrieb ist folglich immer dann sinnvoll, wenn - insbesondere im transienten Bereich - schnelle Leistungssprünge erreicht werden sollen. Die Fläche K kennzeichnet weiterhin den gesamten Leistungsbereich des Motors, welcher durch die den Leistungsbereich K umschließende Grenze G begrenzt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 100, 100"
    Laderanordnung
    150, 150'
    Kupplungsanordnung
    200, 200"
    Nutzturbine
    202
    Turbinen-Abtriebswelle
    204
    Nutzturbinen-Getriebe-Antriebswelle
    212
    Generator-Antriebswelle
    220
    Turbinenseitiger Generator
    221
    Turbinenseitige Generatorleitung
    222
    Turbinenseitige Motorleitung
    224
    Verdichterseitiger Generator
    225
    Verdichterseitige Generatorleitung
    226
    Verdichterseitige Motorleitung
    230
    Turbinenseitiger Motor
    234
    Verdichterseitiger Motor
    240
    Turbinen-Regler
    241
    Sollwerte für den Turbinen-Regler
    242
    Turbinenseitiger Generatorstrom
    243
    Geregelter turbinenseitiger Generatorstrom
    244
    Verdichter-Regler
    245
    Sollwerte für den Verdichter-Regler
    246
    Verdichterseitiger Generatorstrom
    247
    Geregelter verdichterseitiger Generatorstrom
    250
    Turbinenkupplung
    258
    Kupplungsraum
    280
    Nutzturbinen-Getriebe
    300, 300"
    Verdichter
    302
    Verdichter-Antriebswelle
    304
    Verdichter-Getriebe-Abtriebswelle
    312
    Verdichter-Antriebswelle
    350
    Verdichterkupplung
    380
    Verdichter-Getriebe
    400, 400"
    Kurbelwelle
    420
    Zylinder
    422
    Zylinderwand
    424
    Kolben
    426
    Ventil
    426A
    Auslassventil
    426E
    Einlassventil
    430
    Abgaskrümmer
    432
    Brennraum
    434
    Zuführkanal
    440
    Ladeluftkühler
    900
    Einrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
    910
    Regel- und Prozessormittel
    1000, 1000"
    Brennkraftmaschine
    1200, 1200"
    Motor
    A, A"
    Abgasstrom
    A2T
    Zylinder-Abgasstrom im 2-Takt-Betrieb
    A4T
    Zylinder-Abgasstrom im 4-Takt-Betrieb
    B1 - B7
    Isolinien mit Betriebspunkten jeweils gleicher effektiver Motorleistung
    G
    Grenze des Leistungsbereichs
    K
    Leistungsbereich
    L, L"
    Ladeluftstrom
    L2T
    Zylinder-Ladeluftstrom im 2-Takt-Betrieb
    L4T
    Zylinder-Ladeluftstrom im 4-Takt-Betrieb
    OT
    Oberer Totpunkt
    RK
    Rotatorische Bewegung der Kurbelwelle
    RM
    Rotatorische Bewegung des turbinenseitigen Motors
    RT
    Rotatorische Bewegung der Nutzturbine, Erste rotatorische Bewegung
    RV
    Rotatorische Bewegung für den Verdichter, Zweite rotatorische Bewegung
    UT
    Unterer Totpunkt
    ZUE
    Zündung

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1000, 1000") mit einem Motor (1200, 1200"), der eine Kurbelwelle (400, 400") aufweist, wobei ein dem Motor (1200, 1200") zugeführter Ladeluftstrom (L, L") mittels eines Verdichters (300, 300") über eine zweite rotatorische Bewegung (RV) verdichtet und eine Nutzturbine (200, 200") zur Erzeugung einer ersten rotatorischen Bewegung (RT) mit einem aus dem Motor (1200, 1200") ausgeleiteten Abgasstrom (A, A") beaufschlagt wird, gekennzeichnet durch die Schritte: - in einem ersten Betriebsmodus Betreiben der Brennkraftmaschine (1000, 1000") im Viertakt-Betrieb, - in einem zweiten Betriebsmodus Betreiben der Brennkraftmaschine (1000, 1000") im Zweitakt-Betrieb, wobei - die Kurbelwelle (400, 400") von der Nutzturbine (200, 200") antreibbar ist über die erste rotatorische Bewegung (RV), - der Verdichter (300, 300") von der Kurbelwelle (400, 400") antreibbar ist über die zweite rotatorische Bewegung (RV) wobei - sich die zweite rotatorische Bewegung (RV) für den Verdichter (300, 300") unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung (RT) der Nutzturbine (200, 200") einstellen kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend den Schritt: - Umschalten von einem Viertakt-Betrieb des ersten Betriebsmodus in einen Zweitakt-Betrieb des zweiten Betriebsmodus.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter aufweisend den Schritt: - Umschalten von einem Zweitakt-Betrieb des zweiten Betriebsmodus in einen Viertakt-Betrieb des ersten Betriebsmodus.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzturbine (200) über eine Turbinenkupplung (250) an die Kurbelwelle (400) des Motors (1200) kuppelbar ist.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (300) über eine Verdichterkupplung (350) an die Kurbelwelle (400) des Motors (1200) kuppelbar ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzturbine (200) weiterhin über ein Nutzturbinen-Getriebe (280), das zwischen der Turbinenkupplung (250) und Kurbelwelle (400) angeordnet ist, mit der Kurbelwelle (400) kuppelbar ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (300) weiterhin über ein Verdichter-Getriebe (380), das zwischen der Verdichterkupplung (350) und Kurbelwelle (400) angeordnet ist, mit der Kurbelwelle (400) kuppelbar ist.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betreiben der Brennkraftmaschine im Zweitakt-Betrieb die Zylinder (420) durch eine Kopfumkehrspülung gespült werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenkupplung (250) als hydrodynamische Kupplung oder als füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterkupplung (350) als hydrodynamische Kupplung oder als füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplungsanordnung (150') elektromechanisch ausgebildet ist, wobei eine Drehbewegung (RT, RK) in einen Generatorstrom (242, 243, 246, 247) beziehungsweise der Generatorstrom (242, 243, 246, 247) in eine Drehbewegung (RM, RV) umwandelbar ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzturbine (200") einen Generator (220) antreibt.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (400") des Motors (1200") einen Generator (224) antreibt.
  14. Einrichtung (900) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1000, 1000") mit einem Motor (1200, 1200") und einer Laderanordnung (100, 100"), wobei ein dem Motor (1200, 1200") zugeführter Ladeluftstrom (L, L") mittels mindestens eines Verdichters (300, 300") verdichtet und mindestens eine Turbine (200, 200") mit einem aus dem Motor (1200, 1200") ausgeleiteten Abgasstrom (A, A") beaufschlagt werden kann, ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1000, 1000"), wobei - die Kurbelwelle (400, 400") von der Nutzturbine (200, 200") antreibbar ist über die erste rotatorische Bewegung (RV), - der Verdichter (300, 300") von der Kurbelwelle (400, 400") antreibbar ist über die zweite rotatorische Bewegung (RV), wobei - sich die zweite rotatorische Bewegung (RV) für den Verdichter (300, 300") unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung (RT) der Nutzturbine (200, 200") einstellen kann.
  15. Brennkraftmaschine (1000, 1000") mit einem Motor (1200, 1200") und mit einer Laderanordnung (100, 100"), wobei die Laderanordnung (100, 100") aufweist: - eine Nutzturbine (200, 200") zur Wandlung von Energie eines Abgasstromes (A, A") des Motors (1200, 1200") in eine rotatorische Bewegung, - einen Verdichter (300, 300") zum Verdichten eines Ladeluftstroms (L, L") für den Motor (1200, 1200"), wobei die Brennkraftmaschine (1000, 1000") ausgebildet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder eine Einrichtung (900) nach Anspruch 14 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1000, 1000") aufweist.
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