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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2013 000 040 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Antriebseinrichtung umfasst eine Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen als beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum auf. Die Antriebseinrichtung umfasst ferner einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt, wobei die Luft den Brennraum zuzuführen ist. Außerdem ist wenigstens ein Abgasturbolader vorgesehen, welcher einer von Abgas aus dem Brennraum antreibbares Turbinenrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten und von dem Turbinenrad antreibbares Verdichterrad zum Verdichten der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft aufweist. Des Weiteren umfasst die Antriebseinrichtung einen in dem Ansaugtrakt angeordneten Ladeluftkühler zum Kühlen der verdichteten Luft. Des Weiteren weist die Antriebseinrichtung einen elektrischen Zusatzverdichter auf, welcher eine elektrische Maschine und ein Laufrad aufweist. Das Laufrad ist zum Verdichten der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft ausschließlich mittels der elektrischen Maschine antreibbar. Mit anderen Worten, um mittels des elektrischen Zusatzverdichters diesen Ansaugtrakt durchströmende Luft zu verdichten, wird das Laufrad mittels der elektrischen Maschine angetrieben, wobei das Laufrad ausschließlich mittels der elektrischen Maschine antreibbar ist, um dadurch die den Ansaugtrakt durchströmende Luft zu verdichten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb auf einfache Weise realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Antriebseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb auf besonders einfache, insbesondere auf besonders bauraum-, gewichts- und kostengünstige Weise realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der elektrische Zusatzverdichter, dessen Laufrad in Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft stromab des Ladeluftkühlers angeordnet ist, einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand aufweist. In dem ersten Betriebszustand treibt die elektrische Maschine als Elektromotor das Laufrad an, welches dadurch die Luft verdichtet. Mit anderen Worten wird in dem ersten Betriebszustand die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben, mittels welchem das Laufrad in dem ersten Betriebszustand angetrieben wird. Hierdurch wird in dem ersten Betriebszustand mittels des Laufrads des elektrischen Zusatzverdichters die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet.
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In dem zweiten Betriebszustand drosselt das Laufrad die Luft und treibt die elektrische Maschine an, welche als Generator elektrische Energie bereitstellt. Mit anderen Worten wird in dem zweiten Betriebszustand die elektrische Maschine in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betrieben, welcher in dem zweiten Betriebszustand von dem Laufrad angetrieben wird. Hierdurch wird die den Ansaugtrakt durchströmende Luft in dem zweiten Betriebszustand mittels des Laufrads gedrosselt. Die Betriebszustände unterscheiden sich somit insbesondere in jeweiligen Funktionen des Laufrads voneinander. In dem ersten Betriebszustand wird das Laufrad als zweites Verdichterrad genutzt, welches von der elektrischen Maschine angetrieben wird und dadurch die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet. In dem zweiten Betriebszustand wird das Laufrad als Drossel und als Turbinenrad verwendet, welches von der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft angetrieben wird und die den Ansaugtrakt durchströmende Luft drosselt. Dabei wird in dem zweiten Betriebszustand die elektrische Maschine von dem Turbinenrad angetrieben wodurch die elektrische Maschine von dem Turbinenrad bereitgestellte mechanische Energie in die genannte elektrische Energie umwandelt, die von dem Generator in dem zweiten Betriebszustand bereitgestellt wird. Wird beispielsweise in dem zweiten Betriebszustand die den Ansaugtrakt durchströmende Luft mittels des ersten Verdichterrads des Abgasturboladers verdichtet, so wird beispielsweise die verdichtete Luft mittels des als Turbinenrad fungierenden Laufrads in dem zweiten Betriebszustand expandiert, sodass das Laufrad als Expansionseinrichtung verwendet wird.
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Da das Laufrad in Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft stromab des Ladeluftkühlers angeordnet wird, kann beispielsweise durch den Ladeluftkühler eine erste Abkühlung der Luft bewirkt werden. Daran anschließend kann beispielsweise mittels des als Turbinenrad beziehungsweise als Expansionseinrichtung fungierenden Laufrads eine zweite Abkühlung der auch als Ansaugluft oder Verbrennungsluft bezeichneten Luft bewirkt werden, insbesondere durch zumindest im Wesentlichen ideale Expansion nach der durch den Ladeluftkühler bewirkten Abkühlung. Hierdurch kann eine besonders tiefe Temperatur der Luft stromab des Laufrads realisiert werden, sodass ein besonders effizienter Betrieb darstellbar ist. Die Luft wird insbesondere dann, wenn sie verdichtet wird, auch als Ladeluft bezeichnet, sodass die zuvor genannte Temperatur der Luft auch als Ladelufttemperatur bezeichnet wird.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass bei Verbrennungskraftmaschinen wie beispielsweise Ottomotoren üblicherweise eine Lastregelung durch eine Quantitätsregelung dargestellt wird. Hierzu kommt in dem Ansaugtrakt eine stark strömungsverlustbehaftete Drosselkappe zum Einsatz. Des Weiteren wird bei modernen Verbrennungskraftmaschinen zur Effizienzsteigerung die Turboaufladung eingesetzt. Bei einem solchen reziproken System ist eine der grundlegenden Herausforderungen, der Verbrennungskraftmaschine zu jeder Zeit einen vorteilhaften Ladedruck zur Verfügung zu stellen. Bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung ist es nun möglich, das Schließen der stark strömungsverlustbehaftete Drosselklappe in dem Ansaugtrakt zu vermeiden, und gleichzeitig einen besonders vorteilhaften, auch als Ladedruck bezeichneten Druck der dem Brennraum zuzuführenden Luft einzustellen. Hierzu wird beispielsweise in dem zweiten Betriebszustand und somit beispielsweise in Teillastbereichen das Laufrad beziehungsweise der elektrische Zusatzverdichter insgesamt zur Drosselung und Energierückgewinnung genutzt. Die genannte Energierückgewinnung ist dadurch realisierbar, dass dadurch, dass die elektrische Maschine von dem Laufrad und das Laufrad von der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft angetrieben wird, in der Luft enthaltene Energie zum Antreiben des Generators und somit zum Bereitstellen der elektrischen Energie genutzt werden kann. Im ersten Betriebszustand und somit beispielsweise bei hoher Last werden das Laufrad und somit der elektrische Zusatzverdichter insgesamt zur Verdichtung, insbesondere zur Zusatzverdichtung, der Luft verwendet, da die den Ansaugtrakt durchströmende Luft beispielsweise sowohl mittels des Verdichterrads als auch mittels des Laufrads verdichtet wird. Somit können beispielsweise in niedrigen Lastbereichen die Verluste an der Drosselklappe zumindest weitgehend vermieden werden, und bei hohen Lasten kann ein hinreichender Ladedruck dargestellt werden, ohne hierfür zusätzliche Bauteile einsetzen zu müssen.
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Außerdem gibt es den speziellen Fall des zweiten Betriebszustandes, wo die Verbrennungskraftmaschine eine hohe Last bei sehr hohem Abgasmassenstrom bereitstellt. In diesem Fall steht der Turbine des Abgasturboladers mehr Enthalpie zur Verfügung als zum Antrieb des Verdichters des Abgasturboladers zum Einstellen des gewünschten Ladedrucks notwendig ist. Üblicherweise wird in diesem Fall eine Regelung des über die Abgasturbine geleiteten Abgasmassenstroms durch eine Abblasevorrichtung (Wastegate) dargestellt. In diesem speziellen Fall kann durch diese Erfindung die Einstellung des Ladedruckes zumindest teilweise durch das Laufrad beziehungsweise der elektrische Zusatzverdichter stattfinden und somit über den Generator Energie zurückgewonnen werden, die sonst über das Wastegate verloren gehen würde.
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Da ferner das Laufrad zum Verdichten der Luft ausschließlich von der elektrischen Maschine antreibbar ist, ist beispielsweise eine von Abgas antreibbare Turbine zum Antreiben des Laufrads nicht vorgesehen und nicht erforderlich, sodass die Teileanzahl, der Bauraumbedarf, das Gewicht und die Kosten besonders gering gehalten werden können. Ferner können Vorteile im Kraftstoffverbrauch aufgrund einer Rekuperation von Drosselverlusten realisiert werden, insbesondere kombiniert mit reduzierter Systemkomplexität und Bauteil-/Kostenaufwand im Vergleich zu einer Drosselaufladung mittels einer dedizierten Expansionsmaschine.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung stellt die Verbrennungskraftmaschine in dem ersten Betriebszustand eine erste Last und in dem zweiten Betriebszustand eine gegenüber der ersten Last geringere zweite Last bereit. Mit anderen Worten wird die Verbrennungskraftmaschine in dem ersten Betriebszustand mit einer höheren Last als in dem zweiten Betriebszustand betrieben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das Verdichterrad und das Laufrad sowohl in dem ersten Betriebszustand als auch in dem zweiten Betriebszustand in Reihe geschaltet beziehungsweise seriell zueinander geschaltet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung.
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Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine Antriebseinrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst eine beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 12, welche wenigstens einen oder mehrere Brennräume insbesondere in Form von Zylindern 14 aufweist. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner eine von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 16, wobei die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft den Zylindern 14 zuzuführen ist beziehungsweise mittels des Ansaugtrakts 16 zugeführt wird. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner wenigstens einen Abgasturbolader 18, welcher eine in einem Abgastrakt 20 der Antriebseinrichtung 10 angeordnete Turbine 22 mit einem in dem Abgastrakt 20 angeordneten Turbinenrad 24 aufweist. Der Abgastrakt 20 ist dabei von Abgas aus den Zylindern 14 durchströmbar. Dabei ist das Turbinenrad 24 von dem den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgas antreibbar.
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Der Abgasturbolader 18 umfasst ferner einen Verdichter 26, welcher ein in dem Ansaugtrakt 16 angeordnetes Verdichterrad 28 aufweist. Das Verdichterrad 28 kann, insbesondere über eine Welle 30, von dem Turbinenrad 24 angetrieben werden, wodurch das Verdichterrad 28 die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft verdichtet. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst des Weiteren einen Ladeluftkühler 32, welcher in Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt 16 durchströmenden Luft stromab des Verdichterrads 28 angeordnet ist. Mittels des Ladeluftkühlers 32 kann die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt werden. Die verdichtete Luft wird auch als Ladeluft bezeichnet.
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Des Weiteren umfasst die Antriebseinrichtung 10 einen elektrischen Zusatzverdichter 34, welcher auch als EZV bezeichnet wird. der elektrische Zusatzverdichter 34 umfasst eine elektrische Maschine 36 und ein in dem Ansaugtrakt 16 angeordnetes Laufrad 38, mittels welchem die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft verdichtet werden kann. Dabei ist zum Verdichten der den Ansaugtrakt 16 durchströmenden Luft das Laufrad 38 ausschließlich von der elektrischen Maschine 36 antreibbar, sodass das Laufrad 38 ausschließlich mittels der elektrischen Maschine 36 nicht etwa mittels einer von Abgas antreibbaren Turbine angetrieben werden kann, um die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft zu verdichten.
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Um nun einen besonders effizienten Betrieb auf einfache Weise, insbesondere auf kosten-, gewichts- und bauraumgünstige Weise, realisieren zu können, ist das Laufrad 38 in Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt 16 durchströmenden Luft stromab des Verdichterrads 28 und stromab des stromab des Verdichterrads 28 angeordneten Ladeluftkühlers 32 angeordnet. Dadurch kann eine besonders geringe Temperatur der den Zylindern 14 zuzuführenden und somit in die Zylinder 14 einströmenden Luft gewährleistet werden.
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Außerdem weist der elektrische Zusatzverdichter 34 einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand auf. In dem ersten Betriebszustand treibt die elektrische Maschine 36 als Elektromotor das Laufrad 38 an, wodurch das Laufrad 38 die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft verdichtet. Insbesondere ist also vorgesehen, dass in dem ersten Betriebszustand die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft sowohl mittels des Verdichterrads 28 als auch mittels des Laufrads 38 verdichtet wird, wodurch ein besonders vorteilhafter Ladedruck der Luft eingestellt werden kann.
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In dem zweiten Betriebszustand drosselt das Laufrad 38 die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft und treibt dadurch die elektrische Maschine 36 an, welche als Generator elektrische Energie bereitstellt. Die von dem Generator beziehungsweise von der elektrischen Maschine 36 in dem zweiten Betriebszustand bereitgestellte Energie kann beispielsweise wenigstens einem elektrischen Verbraucher zugeführt und/oder in einer zum Speichern von elektrischer Energie ausgebildeten Speichereinrichtung wie beispielsweise einer Hochvoltbatterie gespeichert werden.
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Das Laufrad 38 wird beispielsweise in dem ersten Betriebszustand und/oder dem zweiten Betriebszustand zum Einstellen einer den Zylindern 14 zuzuführenden Menge der Luft verwendet werden, sodass beispielsweise auf die Verwendung einer Drosselklappe in dem Ansaugtrakt 16 verzichtet werden kann oder aber Drosselungseffekte einer solchen Drosselklappe und somit durch Drosselungseffekte bewirkte Strömungsverluste in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebseinrichtung
- 12
- Verbrennungskraftmaschine
- 14
- Zylinder
- 16
- Ansaugtrakt
- 18
- Abgasturbolader
- 20
- Abgastrakt
- 22
- Turbine
- 24
- Turbinenrad
- 26
- Verdichter
- 28
- Verdichterrad
- 30
- Welle
- 32
- Ladeluftkühler
- 34
- elektrischer Zusatzverdichter
- 36
- elektrische Maschine
- 38
- Laufrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013000040 A1 [0002]
