DE102019000995A1

DE102019000995A1 - Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102019000995A1
Application number: DE102019000995.9A
Authority: DE
Inventors: René Ernst
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2019-02-11
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2020-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (16), mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (18), mit einem ersten Abgasturbolader (20), welcher eine in dem Abgastrakt (18) angeordnete und von dem Abgas antreibbare erste Turbine (22) und einen in dem Ansaugtrakt (16) angeordneten und von der ersten Turbine (22) antreibbaren ersten Verdichter (26) zum Verdichten der den Ansaugtrakt (16) durchströmenden Luft aufweist, und mit einem zweiten Abgasturbolader (32), welcher eine in dem Abgastrakt (18) angeordnete und von dem Abgas parallel zur ersten Turbine (22) antreibbare zweite Turbine (34) und einen in dem Ansaugtrakt (16) angeordneten, von der zweiten Turbine (34) antreibbaren und seriell zu dem ersten Verdichter (26) betreibbaren zweiten Verdichter (32) zum Verdichten der den Ansaugtrakt (16) durchströmenden Luft aufweist, wobei wenigstens einer der Abgasturbolader (20, 32) eine elektrische Maschine (60, 62) aufweist, mittels welcher zumindest der Verdichter (26, 32) des wenigstens einen Abgasturboladers (20, 32) elektrisch antreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Kraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Die jeweilige Verbrennungskraftmaschine weist einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende Luft beispielsweise zu wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine geführt werden kann. Die Verbrennungskraftmaschine weist auch einen Abgastrakt auf, welcher von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Das Abgas wird beispielsweise von dem Brennraum bereitgestellt.
Die Verbrennungskraftmaschine weist darüber hinaus einen ersten Abgasturbolader auf, welcher eine in dem Abgastrakt angeordnete und von dem Abgas antreibbare erste Turbine aufweist. Außerdem umfasst der Abgasturbolader einen in dem Ansaugtrakt angeordneten und von der ersten Turbine antreibbaren ersten Verdichter, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet werden kann. Des Weiteren umfasst die Verbrennungskraftmaschine einen zweiten Abgasturbolader, welcher eine in dem Abgastrakt angeordnete und von dem Abgas parallel zur ersten Turbine antreibbare zweite Turbine aufweist. Dies bedeutet, dass die Turbinen parallel zueinander geschaltet oder schaltbar sind, sodass die Turbinen parallel zueinander betreibbar sind. Dies bedeutet, dass die Turbinen gleichzeitig von dem den Abgastrakt durchströmenden Abgas angetrieben werden können.
Der zweite Abgasturbolader umfasst außerdem einen in dem Ansaugtrakt angeordneten und von der zweiten Turbine antreibbaren zweiten Verdichter zum Verdichten der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft, wobei der zweite Verdichter seriell zu dem ersten Verdichter betreibbar ist. Mit anderen Worten sind die Verdichter seriell zueinander schaltbar oder geschaltet und somit seriell zueinander betreibbar, sodass mittels der Verdichter die den Ansaugtrakt durchströmende Luft nacheinander und somit zumindest zweistufig beziehungsweise mehrstufig verdichtet werden kann. Unter dem seriellen Betrieb der Verdichter ist insbesondere zu verstehen, dass die den Ansaugtrakt durchströmende Luft zunächst mittels des ersten Verdichters und danach mittels des zweiten Verdichters verdichtet werden kann.
Außerdem offenbart die DE 10 2009 013 040 A1 eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Darüber hinaus ist der DE 10 2014 221 331 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders vorteilhafte Aufladung der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders vorteilhafte Aufladung der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens einer der Abgasturbolader eine elektrische Maschine aufweist, mittels welcher zumindest der Verdichter des wenigstens einen Abgasturboladers elektrisch antreibbar ist. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar ist, mittels welchem zumindest der Verdichter des wenigstens einen Abgasturboladers elektrisch angetrieben werden kann. Hierdurch kann zumindest der Verdichter des wenigstens einen Abgasturboladers auf eine besonders vorteilhafte Drehzahl gebracht beziehungsweise auf einer besonders vorteilhaften Drehzahl gehalten werden, insbesondere unabhängig davon, ob oder wie stark die Turbine des wenigstens einen Abgasturboladers von dem Abgas angetrieben wird.
Unter der Aufladung der Verbrennungskraftmaschine ist zu verstehen, dass die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere wenigstens ein oder mehrere Brennräume der Verbrennungskraftmaschine, mit verdichteter Luft versorgbar ist beziehungsweise versorgt wird, wobei die Luft mittels zumindest eines der Verdichter oder mittels beider Verdichter verdichtet wird. Mit anderen Worten ist unter der Aufladung die Versorgung der Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu verstehen.
Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine eine sogenannte Registeraufladung realisiert werden. Dabei kann besonders vorteilhaft zwischen einem Ein-Abgasturbolader-Betrieb und einem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb umgeschaltet werden. Während des Ein-Abgasturbolader-Betriebs wird bezogen auf die Turbinen lediglich eine der Turbinen von dem Abgas angetrieben, sodass die Luft bezogen auf die Verdichter mittels lediglich eines der Verdichter verdichtet wird. Bei dem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb werden beide Verdichter angetrieben, sodass die Luft mittels beider Verdichter verdichtet wird. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Bei einer herkömmlichen Registeraufladung stellt ein Umschalten zwischen dem Ein-Abgasturbolader-Betrieb und dem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb ein großes Problemfeld dar. Das Umschalten, insbesondere von dem Ein-Abgasturbolader-Betrieb zu dem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb sollte ohne einen Drehmomenteinbruch und ohne Verdichterpumpen erfolgen, was herkömmlicherweise nur sehr aufwendig zu realisieren ist und insbesondere Schwierigkeiten im Bereich der Regelung der Abgasturbolader sorgt. Diese Probleme können nun durch die Erfindung vermieden werden. Die Erfindung ermöglicht somit eine besonders vorteilhafte Regelbarkeit, insbesondere hinsichtlich einer Umschaltung zwischen dem Ein- und dem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb. Ferner ermöglicht die Erfindung die Realisierung von vorteilhaften Betriebspunktverschiebungen sowie eine Durchführung eines besonders vorteilhaften, sogenannten Ladermatchings, das heißt eines aufeinander abgestimmten Betriebs der Abgasturbolader, sodass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
3 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Kraftfahrzeug, welches mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 angetrieben werden kann. Das Kraftfahrzeug kann dabei als Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Das Kraftfahrzeug ist mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein Gehäuseelement 12 auf, welches beispielsweise als ein Motorblock ausgebildet ist. Das Gehäuseelement 12 kann als ein Kurbelgehäuse, insbesondere als ein Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildet sein. Das Gehäuseelement 12 weist mehrere Zylinder 14 auf, welche insbesondere bei einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 und mit Luft versorgt werden. Dabei begrenzt der jeweilige Zylinder 14 einen jeweiligen Brennraum, in welchem während des befeuerten Betriebs Verbrennungsvorgänge ablaufen.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt 16 auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft zu den und insbesondere in die Zylinder 14 führbar ist beziehungsweise geführt wird. Dadurch, dass während des befeuerten Betriebs der jeweilige Zylinder 14 mit der Luft und mit dem Kraftstoff versorgt wird, wird innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 in dem jeweiligen Zylinder 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird, insbesondere durch Fremdzündung oder durch Selbstzündung, gezündet und dadurch verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist dabei einen von Abgas aus den Zylindern 14 durchströmbaren Abgastrakt 18 auf, welcher auch als Abgasanlage oder Abgassystem bezeichnet wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist dabei einen ersten Abgasturbolader 20 auf, welcher eine in dem Abgastrakt 18 angeordnete und von dem Abgas antreibbare erste Turbine 22 umfasst. Darunter ist zu verstehen, dass die Turbine 22 ein in dem Abgastrakt 18 angeordnetes erstes Turbinenrad 24 umfasst, welches von dem Abgas antreibbar ist. Des Weiteren umfasst der erste Abgasturbolader 20 einen ersten Verdichter 26, welcher in dem Ansaugtrakt 16 angeordnet ist. Mittels des Verdichters 26 ist die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft zu verdichten. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass der Verdichter 26 ein erstes Verdichterrad 28 aufweist, mittels welchem die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft verdichtet werden kann. Der Verdichter 26 ist dabei von der Turbine 22 antreibbar. Darunter ist zu verstehen, dass das Verdichterrad 28 von dem Turbinenrad 24 angetrieben werden kann. Hierzu umfasst der Abgasturbolader 20 eine erste Welle 30, welche beispielsweise drehfest mit dem Turbinenrad 24 und drehfest mit dem Verdichterrad 28 verbunden ist. Dadurch kann das Verdichterrad 28 und die Welle 30 von dem Turbinenrad 24 angetrieben werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst darüber hinaus einen zweiten Abgasturbolader 32, welcher eine in dem Abgastrakt 18 angeordnete und von dem Abgas parallel zur ersten Turbine 22 antreibbare zweite Turbine 34 aufweist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die zweite Turbine 34 ein zweites Turbinenrad 36 aufweist, welches in dem Abgastrakt 18 angeordnet und von dem Abgas antreibbar ist. Die Turbinen 22 und 34 beziehungsweise die Turbinenräder 24 und 36 sind parallel betreibbar. Dies bedeutet, dass die Turbinen 22 und 34 beziehungsweise die Turbinenräder 24 und 36 parallel, das heißt gleichzeitig von dem Abgas aus den Zylindern 14 antreibbar sind. Der zweite Abgasturbolader 32 umfasst darüber hinaus einen zweiten Verdichter 38, welcher in dem Ansaugtrakt 16 angeordnet ist. Mittels des Verdichters 38 ist die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft zu verdichten. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass der zweite Verdichter 38 ein zweites Verdichterrad 40 aufweist, welches in dem Ansaugtrakt 16 angeordnet ist. Mittels des Verdichterrads 40 ist die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft zu verdichten. Der Verdichter 38 ist dabei von der Turbine 34 antreibbar. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass das Verdichterrad 40 von dem Turbinenrad 36 angetrieben werden kann. Hierzu umfasst der Abgasturbolader 32 eine zweite Welle 42, welche beispielsweise drehfest mit dem Turbinenrad 36 und drehfest mit dem Verdichterrad 40 verbunden ist. Hierdurch kann das Verdichterrad 40 über die Welle 42 von dem Turbinenrad 36 angetrieben werden. Die Verdichter 26 und 38 beziehungsweise die Verdichterräder 28 und 40 sind seriell, das heißt in Reihe zueinander betreibbar, sodass die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft beispielsweise zunächst mittels des Verdichterrads 40 und daraufhin mittels des Verdichterrads 28 verdichtet werden kann beziehungsweise verdichtet wird. Mit anderen Worten sind die Verdichter 26 und 32 seriell zueinander schaltbar oder geschaltet.
Aus 1 ist erkennbar, dass der Abgastrakt 18 eine erste Abgasleitung 44 aufweist, in welcher die Turbine 22 beziehungsweise das Turbinenrad 24 angeordnet ist. Die Abgasleitung 44 ist von dem Abgas aus den Zylindern 14 durchströmbar, sodass das Turbinenrad 24 über die Abgasleitung 44 mit dem Abgas aus den Zylindern 14 versorgt werden kann. Dadurch kann das Turbinenrad 24 von dem die Abgasleitung 44 durchströmenden Abgas angetrieben werden.
Der Abgastrakt 18 umfasst darüber hinaus eine zweite Abgasleitung 46, in welcher die Turbine 34 und somit das Turbinenrad 36 angeordnet sind. Die Abgasleitung 46 ist an einer Verbindungsstelle V fluidisch mit der Abgasleitung 44 verbunden, wobei die Verbindungsstelle V stromab der Zylinder 14 und stromauf des Turbinenrads 24 angeordnet ist. Dadurch kann mittels der Abgasleitung 46 zumindest ein Teil des die Abgasleitung 44 durchströmenden Abgases an der Verbindungsstelle V aus der Abgasleitung 44 abgezweigt und in die Abgasleitung 46 eingeleitet werden. Das an der Verbindungsstelle V aus der Abgasleitung 44 abgezweigte und in die Abgasleitung 46 eingeleitete Abgas kann die Abgasleitung 46 durchströmen und umgeht dabei das Turbinenrad 24, da das die Abgasleitung 46 durchströmende Abgas nicht durch die Turbine 22 strömt und somit nicht das Turbinenrad 24 antreibt. Daher stellt die Abgasleitung 46 für die Turbine 22 beziehungsweise für das Turbinenrad 24 eine auch als Bypass-Leitung bezeichnete Umgehungsleitung dar. Dabei ist das Turbinenrad 36 von dem die Abgasleitung 46 durchströmenden Abgas antreibbar, sodass das Turbinenrad 36 über die Abgasleitung 46 mit dem Abgas aus den Zylindern 14 versorgbar ist. In dem Ansaugtrakt 16 ist stromab der Verdichter 26 und 32 ein Ladeluftkühler 48 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt werden kann, bevor sie in den Zylinder 14 einströmt. Das Versorgen der Zylinder 14 mit der verdichteten Luft wird auch als Aufladen oder Aufladung der Verbrennungskraftmaschine 10 bezeichnet. Somit bilden die Abgasturbolader 20 und 32 ein Aufladesystem, mittels welchem eine Registeraufladung realisiert werden kann.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise das Aufladesystem ist dabei zwischen einem Ein-Abgasturbolader-Betrieb und einem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb umschaltbar. In dem Ein-Abgasturbolader-Betrieb wird die Luft, die den Zylindern 14 zugeführt wird, bezogen auf die Abgasturbolader 20 und 32 ausschließlich mittels des Abgasturboladers 20 verdichtet. In dem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb wird die Luft, mit der die Zylinder 14 versorgt werden, sowohl mittels des Verdichters 26 als auch mittels des Verdichters 38 verdichtet. Um beispielsweise zwischen dem Ein- und dem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb umschalten zu können, ist in der Abgasleitung 46 ein auch als Bypass-Ventil oder Umgehungsventilelement bezeichnetes Ventilelement 50 angeordnet, mittels welchem eine die Abgasleitung 46 durchströmende und das Turbinenrad 36 antreibende Menge des Abgases eingestellt werden kann. Im Ein-Abgasturbolader-Betrieb ist das Ventilelement 50 beispielsweise geschlossen, sodass das Turbinenrad 36 nicht von Abgas angetrieben wird.
Die auch als Verbrennungsmotor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine wird beispielsweise in ihrem Teillastbetrieb in dem Ein-Abgasturbolader-Betrieb betrieben, sodass die Zylinder 14 bezogen auf die Abgasturbolader 20 und 32 ausschließlich mittels des Abgasturboladers 20 mit verdichteter Luft versorgt werden. Vorliegend ist der Abgasturbolader 20 als ein herkömmlicher beziehungsweise konventioneller Abgasturbolader ausgebildet. Das Abgas aus den Zylindern 14 wird über beziehungsweise durch die Turbine 22 des Abgasturboladers 20 geführt, wodurch die Turbine 22 von dem Abgas angetrieben wird.
Soll nun beispielsweise von dem Ein-Abgasturbolader-Betrieb auf den Zwei-Abgasturbolader-Betrieb und somit auf einen turbinenseitigen Parallelbetrieb der Abgasturbolader 20 und 32 umgeschaltet werden, was verdichterseitig einer zweistufigen Aufladung entspricht, wurde bisher bei herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen zunächst das Ventilelement 50, welches zunächst geschlossen ist, sukzessive geöffnet. Hierdurch wurde die Turbine 34 sukzessive mit Abgas beaufschlagt, wodurch der Abgasturbolader 32 seine Drehzahl erhöhte und begann, mittels des Verdichters 38 Luft zu verdichten. Bisher wurde jedoch herkömmlicherweise am bisher solitär im Betrieb befindlichen Abgasturbolader 20 Abgas- und somit Turbinenenergie abgezweigt, da durch das Öffnen des Ventilelements 50 zumindest ein Teil des die Abgasleitung 44 durchströmenden Abgases an der Verbindungsstelle V der Abgasleitung 44 abgezweigt wurde. Das abgezweigte Abgas wurde genutzt, um den Abgasturbolader 32 zu beschleunigen. Ein solches Umschalten von dem Ein- zu dem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb ist üblicherweise nur sehr aufwendig realisierbar und regelungstechnisch nicht trivial. Beispielsweise kann die jeweilige Turbine 22 beziehungsweise 34 als eine Festgeometrie-Turbine, als eine Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie (VTG-Turbine) und/oder als Umgehungs-Turbine ausgebildet sein, der eine auch als Wastegate oder Wastegate-Leitung bezeichnete Umgehungsleitung zugeordnet ist. Ferner ist es denkbar, dass der jeweilige Verdichter 26 beziehungsweise 38 umgehbar beziehungsweise bypassierbar ist, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist.
1 zeigt eine erste Ausführungsform, bei welcher dem Verdichter 26 beziehungsweise dem Verdichterrad 28 eine Umgehungsleitung 52 zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist dem Verdichter 38 beziehungsweise dem Verdichterrad 40 eine Umgehungsleitung 54 zugeordnet. Die Umgehungsleitung 54 ist zumindest von einem Teil des den Ansaugtrakt 16 durchströmenden Luft durchströmbar, wobei die die Umgehungsleitung 54 durchströmende Luft das Verdichterrad 40 beziehungsweise den Verdichter 38 umgeht und somit nicht mittels des Verdichters 38 verdichtet wird. Außerdem ist die Umgehungsleitung 52 von zumindest einem Teil der den Ansaugtrakt 16 durchströmenden Luft durchströmbar, wobei die die Umgehungsleitung 52 durchströmende Luft den Verdichter 26 beziehungsweise das Verdichterrad 28 umgeht, da die die Umgehungsleitung 52 durchströmende Luft nicht mittels des Verdichterrads 28 verdichtet wird.
In der Umgehungsleitung 52 ist ein Ventilelement 56 angeordnet, mittels welchem eine Menge der die Umgehungsleitung 52 durchströmenden Luft eingestellt werden kann. Ferner ist in der Umgehungsleitung 54 ein Ventilelement 58 angeordnet, mittels welchem eine die Umgehungsleitung 54 durchströmende Menge der Luft eingestellt werden kann. Die die Umgehungsleitung 54 durchströmende Luft kann an einer Einleitstelle in den Ansaugtrakt 16 einströmen, wobei diese Einleitstelle stromab des Turbinenrads 24 und stromauf des Turbinenrads 36 angeordnet ist. Die die Umgehungsleitung 52 durchströmende Luft kann an einer zweiten Einleitstelle in den Ansaugtrakt 16 einströmen, wobei die zweite Einleitstelle stromab des Verdichterrads 28 und stromauf des Ladeluftkühlers 48 angeordnet ist. Insgesamt ist erkennbar, dass der zweite Abgasturbolader 32 ein sogenannter zuzuschaltender Abgasturbolader ist, da ausgehend vom Ein-Abgasturbolader-Betrieb bei einer Umschaltung von dem Ein-Abgasturbolader-Betrieb zu dem Zwei-Abgasturbolader-Betrieb der Abgasturbolader 32 zu dem sich bereits im Betrieb befindlichen Abgasturbolader 20 zugeschaltet wird.
Um nun eine besonders vorteilhafte Aufladung der Verbrennungskraftmaschine 10 realisieren zu können, ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass der zuzuschaltende Abgasturbolader 32 eine elektrische Maschine 60 aufweist, während der Abgasturbolader 20 als konventioneller Abgasturbolader ausgebildet und somit frei von einer elektrischen Maschine ist. Mittels der elektrischen Maschine 60 sind das Verdichterrad 40 und das Turbinenrad 36 elektrisch antreibbar, insbesondere über die Welle 42. Mit anderen Worten ist der Abgasturbolader 32 als elektrisch unterstützter Abgasturbolader ausgeführt, wobei die elektrische Maschine 60 beispielsweise auf der Welle 42 angeordnet ist. Hierdurch können die Welle 42 und somit das Turbinenrad 36 und das Verdichterrad 40 elektrisch angetrieben werden.
Wird nun beispielsweise von dem Ein- auf den Zwei-Abgasturbolader-Betrieb umgeschaltet, kann das Ventilelement 50 zunächst geschlossen bleiben, wodurch der erste Abgasturbolader 20 keinen Drehzahl- und somit keinen Ladedruckeinbruch erfährt. Der zweite, elektrisch unterstützte Abgasturbolader 32 wird mittels der elektrischen Maschine 60 auf eine insbesondere vorgebbare oder vorgegebene Drehzahl gebracht, sodass ein gewünschter Ladedruck von beiden Abgasturbolader 20 und 32 bereitgestellt wird. Hierbei ist es unerheblich, ob die Energie zum Betreiben der elektrischen Maschine 60 durch eine Batterie beziehungsweise durch einen zum Speichern von elektrischer Energie ausgebildeten Energiespeicher oder direkt per Rekuperation an einer Antriebswelle über ein Hybridmodul bereitgestellt und der elektrischen Maschine 60 zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere mit zumindest im Wesentlichen konstanten Abgasdruck kann das auch als Turbinenbypassventil bezeichnete Ventilelement 50 dann sukzessive geöffnet werden, jedoch immer mit dem Fokus, den ersten Abgasturbolader 20 auf einem gewünschten Ladedruckniveau zu halten. Die dem zweiten Abgasturbolader 32 zum Erreichen beziehungsweise Halten des Ladedrucks fehlende Turbinenenergie wird durch die elektrische Maschine 60 auf der Welle 42 bereitgestellt. Zum Antreiben der Welle 42 wird die elektrische Maschine 60 in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben, sodass die elektrische Maschine 60 auch als Elektromotor bezeichnet werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Aufladesystemen kann hierdurch eine bessere Regelbarkeit insbesondere bei der Umschaltung zwischen Ein- und Zwei-Abgasturbolader-Betrieb realisiert werden. Neben der besseren Regelbarkeit durch die aktiven Eingriffsmöglichkeiten am Abgasturbolader 32 wird diesem auch ein schnelleres Hochdrehen durch die elektrische Unterstützung ermöglicht.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass nun der erste Abgasturbolader 20 eine elektrische Maschine 62 aufweist, mittels welcher die Welle 30 und über diese das Turbinenrad 24 und das Verdichterrad 28 elektrisch angetrieben werden können. Dabei ist der zweite Abgasturbolader 32 als herkömmlicher Abgasturbolader ausgebildet und somit frei von einer elektrischen Maschine. Mit anderen Worten ist bei der zweiten Ausführungsform der erste Abgasturbolader 20 als elektrisch unterstützter Abgasturbolader ausgebildet, während der zweite Abgasturbolader 32 als konventioneller Abgasturbolader ausgeführt ist. Wird ein Umschalten von dem Ein- auf den Zwei-Abgasturbolader-Betrieb notwendig beziehungsweise gewünscht, kann das Turbinenbypassventil sukzessive geöffnet werden, um den zweiten Abgasturbolader 32 mit Abgasenergie zu versorgen. Um ein Einbrechen der Drehzahl und somit des Ladedrucks des ersten Abgasturboladers 20 zu verhindern, wird diesem über die als Elektromotor fungierende elektrische Maschine 62 eine Leistung auf die Welle 30 aufgeprägt, wodurch die Welle 30 und somit das Verdichterrad 28 und das Turbinenrad 24 mittels der elektrischen Maschine 62 elektrisch angetrieben werden.
Schließlich zeigt 3 eine dritte Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Die dritte Ausführungsform ist sozusagen eine Kombination der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform, da bei der dritten Ausführungsform der zweite Abgasturbolader 32 die elektrische Maschine 60 und der erste Abgasturbolader 20 die elektrische Maschine 62 aufweisen. Somit sind beide Abgasturbolader 20 und 32 als elektrisch unterstützte Abgasturbolader ausgeführt. Das Öffnen und Schließen des Turbinenbypassventils verläuft beispielsweise analog zu den ersten und zweiten Ausführungsformen, jedoch bietet sich hierbei eine deutlich bessere Regelbarkeit, da beiden Abgasturboladern 20 und 32 bei Bedarf eine elektrische Leistung auf die jeweilige Welle 30 beziehungsweise 42 aufgeprägt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Gehäuseelement
14: Zylinder
16: Ansaugtrakt
18: Abgastrakt
20: erster Abgasturbolader
22: erste Turbine
24: erstes Turbinenrad
26: erster Verdichter
28: erstes Verdichterrad
30: erste Welle
32: zweiter Abgasturbolader
34: zweite Turbine
36: zweites Turbinenrad
38: zweiter Verdichter
40: zweites Verdichterrad
42: zweite Welle
44: erste Abgasleitung
46: zweite Abgasleitung
48: Ladeluftkühler
50: Ventilelement
52: Umgehungsleitung
54: Umgehungsleitung
56: Ventilelement
58: Ventilelement
60: elektrische Maschine
62: elektrische Maschine
V: Verbindungsstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009013040 A1 [0005]
DE 102014221331 A1 [0005]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (16), mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (18), mit einem ersten Abgasturbolader (20), welcher eine in dem Abgastrakt (18) angeordnete und von dem Abgas antreibbare erste Turbine (22) und einen in dem Ansaugtrakt (16) angeordneten und von der ersten Turbine (22) antreibbaren ersten Verdichter (26) zum Verdichten der den Ansaugtrakt (16) durchströmenden Luft aufweist, und mit einem zweiten Abgasturbolader (32), welcher eine in dem Abgastrakt (18) angeordnete und von dem Abgas parallel zur ersten Turbine (22) antreibbare zweite Turbine (34) und einen in dem Ansaugtrakt (16) angeordneten, von der zweiten Turbine (34) antreibbaren und seriell zu dem ersten Verdichter (26) betreibbaren zweiten Verdichter (32) zum Verdichten der den Ansaugtrakt (16) durchströmenden Luft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Abgasturbolader (20, 32) eine elektrische Maschine (60, 62) aufweist, mittels welcher zumindest der Verdichter (26, 32) des wenigstens einen Abgasturboladers (20, 32) elektrisch antreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Abgasturbolader (20, 32) eine zweite elektrische Maschine (60, 62) aufweist, mittels welcher zumindest der Verdichter (26, 32) des anderen Abgasturboladers (30, 32) elektrisch antreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Turbine (22, 34) des anderen Abgasturboladers (30, 32) mittels der zweiten elektrischen Maschine (60, 62) des anderen Abgasturboladers (22, 34) elektrisch antreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Turbine (22, 34) des wenigstens einen Abgasturboladers (20, 32) mittels der elektrischen Maschine (60, 62) des wenigstens einen Abgasturboladers (20, 32) elektrisch antreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Verdichter (26, 38) eine Luft-Umgehungsleitung (52, 54) zugeordnet ist, über welche der zumindest eine Verdichter (26, 38) zumindest von einem Teil der Luft zu umgehen ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Turbinen (22, 34) eine Abgas-Umgehungsleitung (46) zugeordnet ist, über welche die zumindest eine Turbine (22, 34) zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist.