DE102020004926A1 - Turbolader für einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs, Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Turboladers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (10) für einen Energiewandler (12) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichterrad (38) als erstem Laufrad zum Verdichten von dem Energiewandler (12) zuzuführender Luft, und mit einem von Abgas des Energiewandlers (12) antreibbaren Turbinenrad (42) als zweitem Laufrad, wobei eine dem Verdichterrad (38) zugeordnete, erste elektrische Maschine (68), mittels welcher eine erste Drehzahl des Verdichterrads (38) einstellbar ist und eine zusätzlich zur ersten elektrischen Maschine (68) vorgesehene und dem Turbinenrad (42) zugeordnete, zweite elektrische Maschine (70) vorgesehen sind, mittels welcher eine von der ersten Drehzahl unterschiedliche, zweite Drehzahl des Turbinenrads (42) einstellbar ist, wodurch das Verdichterrad (38) mit der ersten Drehzahl und gleichzeitig das Turbinenrad (42) mit der von der ersten Drehzahl unterschiedlichen, zweiten Drehzahl betreibbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Turbolader sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers.
• Die DE 103 06 234 B4 offenbart ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle mit einem Expander und einem zumindest teilweise davon angetriebenen Verdichter, wobei der Expander zumindest zeitweise von einem heißen Abgas von einer Verbrennung in einem Verbrenner durchströmt wird.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Turbolader für einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Turbolader sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers zu schaffen, sodass ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
• Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs, welches vorzugsweise als Kraftwagen ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand den Energiewandler und den Turbolader aufweist. Vorzugsweise ist das Kraftfahrzeug als ein Nutzfahrzeug ausgebildet. Das Kraftfahrzeug kann jedoch ohne weiteres als ein anderer Kraftwagen wie beispielsweise als ein Personenkraftwagen ausgebildet sein.
• Der Turbolader weist ein Verdichterrad auf, welches auch als erstes Laufrad bezeichnet wird beziehungsweise ein erstes Laufrad des Turboladers ist. Mittels des Verdichterrads kann Luft, die dem Energiewandler zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird, verdichtet werden. Außerdem umfasst der Turbolader ein Turbinenrad, welches von Abgas des Energiewandlers antreibbar ist. Das Turbinenrad wird auch als zweites Laufrad bezeichnet oder ist ein zweites Laufrad des Turboladers.
• Das Kraftfahrzeug weist in seinem vollständig hergestellten Zustand den Turbolader und den Energiewandler auf. Der Energiewandler ist beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, welche insbesondere als Hubkolbenmaschine ausgebildet sein kann. Insbesondere kann die Verbrennungskraftmaschine ein Ottomotor oder aber ein Dieselmotor sein. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Brennraum auf, welchem die mittels des Verdichters verdichtete Luft zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird. Dabei ist beziehungsweise wird das Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar beziehungsweise angetrieben. Ferner ist es denkbar, dass der Energiewandler eine Brennstoffzelle ist beziehungsweise wenigstens eine oder mehrere Brennstoffzellen umfasst, wobei mittels der Brennstoffzelle eine chemische Reaktionsenergie eines, insbesondere kontinuierlich, der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelbar ist beziehungsweise umgewandelt wird. Bei dem Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff (H₂), Als das Oxidationsmittel wird vorzugsweise Sauerstoff aus der Luft verwendet, die der Brennstoffzelle zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird. Somit kann das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Brennstoffzelle umfassen. Außerdem kann das Kraftfahrzeug beispielsweise wenigstens eine elektrische Traktionsmaschine aufweisen, welche mit der von der Brennstoffzelle bereitgestellten elektrischen Energie versorgbar ist. Hierdurch kann die Traktionsmaschine als ein elektrischer Antriebsmotor betrieben werden, mittels welchem das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist oder angetrieben wird. Das Kraftfahrzeug kann somit als rein verbrennungsmotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, als Hybridfahrzeug oder aber als Elektrofahrzeug, insbesondere als wasserstoffelektrisches Fahrzeug, ausgebildet sein. Die auch als Verbrennungsmotor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine kann ferner einen Wasserstoffmotor, das heißt einen Wasserstoffverbrennungsmotor, sein, in welchem während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine Wasserstoff als der Kraftstoff mit der Luft verbrannt wird.
• Bei dem Abgas kann es sich um von dem Energiewandler bereitgestellte und auch als Abluft bezeichnete Luft handeln, insbesondere dann, wenn der Energiewandler die zuvor genannte Brennstoffzelle ist beziehungsweise umfasst. Ferner kann es sich bei dem Abgas beispielsweise um ein solches Abgas handeln, welches aus Verbrennungsvorgängen resultiert, die in dem Energiewandler, insbesondere in der Verbrennungskraftmaschine und ganz insbesondere in dem zuvor genannten Brennraum, ablaufen. Im Rahmen des jeweiligen Verbrennungsvorgangs wird beispielsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt, woraus das Abgas resultiert beziehungsweise entsteht. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch umfasst beispielsweise die dem Energiewandler, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine und ganz insbesondere dem Brennraum, zugeführte Luft und einen insbesondere flüssigen oder aber gasförmigen Kraftstoff, der dem Energiewandler, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine und ganz insbesondere dem Brennraum, zugeführt wird. Bei dem Kraftstoff kann es sich um einen Ottokraftstoff oder um einen Dieselkraftstoff oder aber um Wasserstoff handeln. Durch die Verbrennungsvorgänge werden beispielsweise ein den Brennraum teilweise begrenzender Kolben und über diesen eine beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle des Energiewandlers, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, angetrieben, wodurch der Energiewandler das Kraftfahrzeug über die Abtriebswelle antreiben kann beziehungsweise antreibt.
• Um nun einen besonders vorteilhaften und insbesondere effizienten Betrieb des Turboladers und somit des Energiewandlers insgesamt realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Turbolader eine dem Verdichterrad zugeordnete, erste elektrische Maschine aufweist, mittels welcher eine erste Drehzahl des Verdichterrads einstellbar ist. Außerdem umfasst der Turbolader eine zusätzlich zur ersten elektrischen Maschine vorgesehene und dem Turbinenrad zugeordnete, zweite elektrische Maschine, mittels welcher eine von der ersten Drehzahl unterschiedliche, zweite Drehzahl des Turbinenrads einstellbar ist, wodurch das Verdichterrad mit der ersten Drehzahl und gleichzeitig das Turbinenrad mit der von der ersten Drehzahl unterschiedlichen, zweiten Drehzahl betreibbar beziehungsweise drehbar ist.
• Der Turbolader weist außerdem eine Koppeleinrichtung auf. Bei einer ersten Ausführungsform ist die Koppeleinrichtung als ein Freilauf ausgebildet. Bei einer zweiten, alternativen Ausführungsform ist die Koppeleinrichtung zwischen einem Koppelzustand und einem Entkoppelzustand umschaltbar.
• Der Freilauf lässt eine in eine erste Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad erfolgende Drehung des Turbinenrads zu, koppelt jedoch das Turbinenrad in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung drehfest mit dem Verdichterrad. Somit kann das Turbinenrad in die erste Drehrichtung relativ zum Verdichterrad gedreht werden, jedoch ist das Turbinenrad in die zweite Drehrichtung drehfest mit dem Verdichterrad mittels des Freilaufs verbunden. Somit kann sich das Verdichterrad in die zweite Drehrichtung schneller als das Turbinenrad beziehungsweise relativ zu dem Turbinenrad drehen, während beispielsweise das Turbinenrad stillsteht oder langsamer als das Verdichterrad in die zweite Drehrichtung gedreht wird. Das Turbinenrad kann insbesondere über den Freilauf das Verdichterrad in die zweite Drehrichtung mitnehmen und somit in die zweite Drehrichtung antreiben, sodass beispielsweise das Verdichterrad von dem Turbinenrad in die zweite Drehrichtung antreibbar und dadurch in die zweite Drehrichtung drehbar ist. Wird somit beispielsweise das Turbinenrad von dem Abgas angetrieben und dadurch in die zweite Drehrichtung gedreht, so kann dadurch das Verdichterrad von dem Turbinenrad in die zweite Drehrichtung angetrieben und somit gedreht werden, sodass im Abgas enthaltene Energie genutzt werden kann, um das Turbinenrad und über dieses das Verdichterrad anzutreiben und somit die Luft zu verdichten. Ferner ist es dabei denkbar, dass das Verdichterrad mittels der ersten elektrischen Maschine angetrieben und dadurch in die zweite Drehrichtung gedreht wird, insbesondere derart, dass das Verdichterrad schneller als das Turbinenrad in die zweite Drehrichtung gedreht wird. Somit kann beispielsweise die erste elektrische Maschine das Verdichterrad auch dann antreiben und mittels des Verdichterrads kann insbesondere auch dann besonders vorteilhaft die dem Energiewandler zuzuführende Luft verdichtet werden, wenn der Energiewandler kein Abgas oder nur eine geringe Menge von Abgas zum Antreiben des Turbinenrads bereitstellt. Durch Verwendung des Freilaufs kann somit auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein besonders effizienter Betrieb gewährleistet werden.
• Im Hinblick auf die zweite Ausführungsform sind in dem Koppelzustand die Laufräder sowohl in die erste Drehrichtung als auch in die der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung mittels der Koppeleinrichtung drehfest miteinander verbunden. In dem Entkoppelzustand sind die Laufräder, insbesondere vollständig, voneinander entkoppelt und dadurch sowohl in die erste Drehrichtung als auch in die zweite Drehrichtung relativ zueinander frei und somit grenzenlos beziehungsweise unbegrenzt drehbar. Somit kann das Turbinenrad in die erste Drehrichtung und in die zweite Drehrichtung frei und somit unbegrenzt beziehungsweise grenzenlos relativ zu dem Verdichterrad gedreht werden.
• Durch Verwendung der Koppeleinrichtung können die Laufräder somit bedarfsgerecht miteinander drehfest verbunden und voneinander entkoppelt werden. Somit können die Laufräder gleichzeitig mit voneinander unterschiedlichen Drehzahlen und somit relativ zueinander gedreht werden, insbesondere in die gleiche Drehrichtung. Die Koppeleinrichtung kann dabei besonders bedarfsgerecht zwischen dem Koppelzustand und dem Entkoppelzustand umgeschaltet werden, sodass der Turbolader besonders bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebs- beziehungsweise Lastpunkte des Energiewandlers angepasst werden kann.
• Die Koppeleinrichtung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, in dem Koppelzustand beziehungsweise zur Realisierung des Koppelzustands ein Magnetfeld und somit magnetische Kräfte bereitzustellen, sodass die Laufräder in dem Koppelzustand mittels des Magnetfelds miteinander verbunden sind. Hierdurch kann die Koppeleinrichtung besonders einfach, kosten- und gewichtsgünstig zwischen dem Koppelzustand und dem Entkoppelzustand umgeschaltet werden. In dem Entkoppelzustand unterbleibt das Bereitstellen des Magnetfelds, sodass die Laufräder voneinander entkoppelt sind.
• Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: In konventionellen Antriebseinrichtungen, die wenigstens einen Energiewandler wie beispielsweise eine auch als Verbrennungsmotor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Brennstoffzelle sowie gegebenenfalls wenigstens ein oder mehrere, weitere Aggregate aufweisen, kommt eine Luftversorgungseinrichtung zum Einsatz, um den Energiewandler mit Luft, insbesondere mit verdichteter Luft, zu versorgen. Bei einer solchen, herkömmlichen Luftversorgungseinrichtung sind der Verdichter und die Turbine beziehungsweise ihre Laufräder mechanisch miteinander verbunden, derart, dass die Laufräder mechanisch und permanent drehfest miteinander verbunden sind, sodass sich die Laufräder stets mit derselben Drehzahl und somit gemeinsam relativ zu dem Turboladergehäuse drehen. Dies kann Nachteile bringen, da eine Auslegung der Turbine und eine Auslegung des Verdichters in gegenseitiger Abhängigkeit stehen und somit unter Kompromissen durchgeführt werden. Dies kann nun vermieden werden, da das Verdichterrad und das Turbinenrad bedarfsgerecht relativ zueinander gedreht werden können, wobei das Turbinenrad zumindest in die erste Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad gedreht werden kann beziehungsweise das Verdichterrad kann sich mit einer höheren Drehzahl als das Turbinenrad in die zweite Drehrichtung drehen.
• Beispielsweise ist eine elektrische Kopplung der Laufräder vorgesehen, worunter insbesondere zu verstehen ist, dass die elektrischen Maschinen elektrisch miteinander gekoppelt sind. Unter dieser elektrischen Kopplung der elektrischen Maschinen und somit der Laufräder ist insbesondere zu verstehen, dass die elektrischen Maschinen, insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, in Abhängigkeit voneinander betrieben werden, sodass es denkbar ist, dass die Drehzahlen der Laufräder mittels der elektrischen Maschinen in Abhängigkeit voneinander eingestellt werden. Durch die teilweise mechanische Trennung beziehungsweise Entkopplung der Laufräder können der Verdichter und die Turbine im Hinblick auf die Drehzahlen der Laufräder besonders vorteilhaft an jeweilige, unterschiedliche Betriebspunkte des Energiewandlers angepasst werden. Dies bedeutet, dass die jeweiligen Drehzahlen und somit die jeweiligen Schnelllaufzahlen des Verdichters und der Turbine voneinander abweichen können, sodass ein besonders hoher Wirkungsgrad des Turboladers und somit des Energiewandlers darstellbar ist.
• Die elektrische Kopplung erfolgt beispielsweise über eine elektrische Schnittstelle, über welche die elektrischen Maschinen beispielsweise von der den elektrischen Maschinen gemeinsamen, elektronischen Recheneinrichtung angesteuert und somit betrieben, insbesondere geregelt oder gesteuert, werden. Vorzugsweise ist die elektronische Recheneinrichtung Bestandteil des Kraftfahrzeugs. Da die Drehzahlen voneinander unterschiedlich sind oder sein können, kann der Verdichter beziehungsweise das Verdichterrad langsamer oder schneller laufen beziehungsweise drehen als die Turbine beziehungsweise das Turbinenrad. Die Drehzahlen werden beispielsweise einzig und allein durch beziehungsweise in Abhängigkeit von Kennzahlen eingestellt.
• Als vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die jeweilige elektrische Maschine eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebs- oder Nennspannung, aufweist, welche größer als 12 Volt, insbesondere größer als 30 Volt, ist. Vorzugsweise beträgt die elektrische Spannung, insbesondere die elektrische Betriebs- oder Nennspannung, der jeweiligen elektrischen Maschine mindestens 48 Volt. Als ganz besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die elektrische Spannung, insbesondere die elektrische Betriebs- oder Nennspannung, der jeweiligen elektrischen Maschine größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Mit anderen Worten hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die elektrischen Maschinen gleichzeitig mit jeweiligen elektrischen Spannungen, insbesondere elektrischen Betriebs- oder Nennspannungen, betrieben werden, wobei die elektrische Spannung, insbesondere die elektrische Betriebs- oder Nennspannung, der ersten elektrischen Maschine und gleichzeitig die elektrische Spannung, insbesondere die elektrische Betriebs- oder Nennspannung, der zweiten elektrischen Maschine größer als 12 Volt, insbesondere größer als 30 Volt, ist und vorzugsweise mindestens oder genau 48 Volt beträgt, oder größer als 48 Volt ist, vorzugsweise größer als 50 Volt, ganz vorzugsweise größer als 60 Volt, ist und ganz besonders vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Insbesondere kann die elektrische Spannung, insbesondere die elektrische Betriebs- oder Nennspannung, 12 Volt, 24 Volt, 48 Volt, 400 Volt oder 800 Volt sein. Ferner ist es denkbar, dass die elektrische Spannung mindestens oder genau 12 Volt, insbesondere mindestens oder genau 24 Volt, beträgt. Somit kann die elektrische Maschine elektrische Energie aus einem Bordnetz beziehen und/oder in das Bordnetz einspeisen, dessen elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- oder Nennspannung, vorzugsweise größer als 12 Volt, insbesondere größer als 30 Volt, ist und ganz vorzugsweise 48 Volt beträgt oder größer als 48 Volt, insbesondere größer als 50 Volt und ganz insbesondere größer als 60 Volt, ist oder vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die jeweilige elektrische Maschine eine Hochvolt-Komponente ist, welche auch als Hochspannungskomponente bezeichnet wird. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die jeweilige elektrische Maschine mittels Hochspannung von zum Beispiel 800 Volt betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Dadurch können der Bauraumbedarf, die Kosten und das Gewicht der elektrischen Maschine besonders gering gehalten werden, und elektrische Verluste können insbesondere im Vergleich mit Niederspannungssystemen besonders gering gehalten werden. Durch die mechanische Entkopplung beziehungsweise Trennung der Laufräder können jeweilige Kennfelder der Turbine und des Verdichters besonders vorteilhaft genutzt werden, wodurch der Turbolader und somit der Energiewandler besonders effektiv und effizient betrieben werden können. Dadurch können der Energieverbrauch, insbesondere der Kraftstoffverbrauch, des Energiewandlers, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, besonders gering gehalten werden.
• Der Turbolader, insbesondere wenigstens eine der elektrischen Maschinen, kann beispielsweise als ein Generator betrieben werden, dessen elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- oder Nennspannung, beispielsweise mindestens 12 Volt oder mindestens 24 Volt oder mindestens 48 Volt oder mehr betragen kann, wobei der Generator elektrische Energie bereitstellen kann, mit welcher wenigstens ein oder mehrere Nebenaggregate wie beispielsweise eine elektrische Wasserpumpe und/oder eine elektrische Ölpumpe insbesondere unter Umgehung des Bordnetzes versorgt werden kann. Somit kann das Nebenaggregat, welches beispielsweise mit einer ersten elektrischen Spannung versorgbar das heißt mittels der ersten elektrischen Spannung betreibbar ist, mittels des Generators mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei gleichzeitig das Bordnetz eine gegenüber der ersten elektrischen Spannung wesentlich größere und beispielsweise wenigstens zehnmal so hohe, zweite elektrische Spannung aufweisen kann. Insbesondere kann es sich bei der einen elektrischen Maschine, die als Generator betrieben werden kann, um die zweite elektrische Maschine handeln, welche beispielsweise von dem Turbinenrad antreibbar ist, das wiederum von dem Abgas antreibbar ist. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie mittels des Generators in elektrische Energie umgewandelt werden, die von dem Generator bereitgestellt wird.
• Vorzugsweise ist der Turbolader als einstufiger Turbolader ausgebildet, mittels welchem die Luft genau einmal, das heißt auf einer einzigen Stufe, verdichtet werden kann. Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Kraftfahrzeug insgesamt eine mittels des Turboladers realisierte, einstufige Verdichtung aufweist, sodass das gesamte Kraftfahrzeug die dem Energiewandler zuzuführende Luft lediglich genau einmal, das heißt auf genau einer Stufe, mittels des Verdichters verdichten kann.
• Das Kraftfahrzeug kann wenigstens einen zum Speichern von elektrischer Energie ausgebildeten Energiespeicher aufweisen, welcher auch als elektrischer Energiespeicher bezeichnet wird. Der elektrische Energiespeicher kann eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, sein, sodass die vorigen und folgenden Ausführungen zur elektrischen Spannung, insbesondere zur elektrischen Betriebs- oder Nennspannung, der jeweiligen elektrischen Maschine ohne weiteres auch auf den Energiespeicher übertragen werden können und umgekehrt. Somit ist es denkbar, dass die elektrische Energie, die von dem Turbolader, insbesondere von der einen elektrischen Maschine, bereitgestellt und dabei beispielsweise in das Bordnetz eingespeist wird, insbesondere über das Bordnetz dem Energiespeicher zugeführt und in dem Energiespeicher gespeichert werden kann. Somit ist es beispielsweise denkbar, dass eine der elektrischen Maschinen oder beide elektrischen Maschinen, insbesondere das Bordnetz, mit der in dem Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie versorgt werden können, um dadurch die jeweilige elektrische Maschine als einen Elektromotor zu betreiben.
• Insgesamt ist erkennbar, dass der Verdichter und die Turbine im Hinblick auf die Drehzahlen der Laufräder mechanisch unabhängig voneinander betrieben werden können oder betrieben werden, sodass besonders vorteilhafte thermisch-dynamische Bedingungen eingestellt werden können. Dadurch kann im gesamten Kennfeld des Energiewandlers dessen Energie- beziehungsweise Kraftstoffverbrauch besonders gering gehalten werden und/oder in speziellen betriebsrelevanten Bereichen. Außerdem kann die jeweilige elektrische Maschine für eine elektrische Unterstützung sorgen und dabei das jeweilige Laufrad antreiben, sodass ein besonders schnelles Ansprech- oder Anspringverhalten des Turboladers realisiert werden kann. Außerdem kann ein vorteilhaftes Wärme- beziehungsweise Thermomanagement des Energiewandlers dargestellt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Abgasturboladern kann zudem auf die Verwendung einer auch als Waste-Gate oder Waste-Gate-Ventil bezeichneten Umgehungseinrichtung, über welche beispielsweise das Turbinenrad von zumindest einem Teil des Abgases umgangen werden kann, verzichtet werden, sodass die Kosten, der Bauraumbedarf und das Gewicht in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Koppeleinrichtung ein Getriebe aufweist, über welches eines der Laufräder, insbesondere das Verdichterrad, von dem anderen Laufrad, insbesondere von dem Turbinenrad, antreibbar ist. Dabei ist es denkbar, dass das andere Laufrad von dem einen Laufrad über das Getriebe antreibbar sein kann. Das Getriebe ermöglicht es insbesondere, dass dann, wenn das eine Laufrad von dem anderen Laufrad angetrieben wird, dass sich das andere Laufrad beispielsweise mit einer dritten Drehzahl dreht, während sich das eine Laufrad mit einer von der dritten Drehzahl unterschiedlichen vierten Drehzahl dreht, welche insbesondere durch eine Übersetzung des Getriebes aus der dritten Drehzahl resultiert, insbesondere derart, dass das Getriebe beziehungsweise dessen Übersetzung die dritte Drehzahl in die vierte Drehzahl umwandelt. Dadurch kann ein besonders effizienter, insbesondere energieeffizienter Betrieb sichergestellt werden.
• Die Koppeleinrichtung kann eine Kupplung umfassen, welche beispielsweise als Reibkupplung, insbesondere als Lamellenkupplung oder als formschlüssige Kupplung, insbesondere als Klauenkupplung, ausgebildet sein kann. Somit ist es denkbar, dass die Laufräder beispielsweise in ihrem Koppelzustand reibschlüssig oder kraftschlüssig drehfest miteinander verbunden sind. Ferner kann ein direkter Durchtrieb zwischen den Laufrädern insbesondere durch die Koppeleinrichtung realisiert werden, sodass das eine Laufrad vorteilhaft mechanisch von dem anderen Laufrad angetrieben werden kann, insbesondere derart, dass das eine Laufrad über die Koppeleinrichtung mechanisch mit dem anderen Laufrad zumindest vorübergehend gekoppelt ist. Das Getriebe ermöglicht dabei bei mechanischer Kopplung der Laufräder, dass die Laufräder gleichzeitig mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen, wobei das eine Laufrad von dem anderen Laufrad über die Koppeleinrichtung und dabei insbesondere das Getriebe angetrieben wird. Dadurch kann ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden.
• Um den Turbolader besonders bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte des Energiewandlers anpassen und somit einen besonders energieeffizienten Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Freilauf als ein schaltbarer Freilauf ausgebildet ist. Der Freilauf ist dabei zwischen einem Sperrzustand und einem Freigabezustand umschaltbar. In dem Sperrzustand lässt der Freilauf eine in die erste Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad erfolgende, vorzugsweise freie und somit unbegrenzte Drehung des Turbinenrads zu in dem Sperrzustand koppelt der Freilauf das Turbinenrad in die der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung drehfest mit dem Verdichterrad. In dem Freigabezustand lässt der Freilauf sowohl eine in die erste Drehrichtung als auch eine in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad erfolgende und vorzugsweise freie Drehung des Turbinenrads zu.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Laufräder drehbar in einem Turboladergehäuse des Turboladers aufgenommen. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass auch die elektrischen Maschinen in dem Turboladergehäuse aufgenommen sind.
• Um dabei auf besonders vorteilhafte Weise einen besonders vorteilhaften und insbesondere energieeffizienten Betrieb des Turboladers und somit des Energiewandlers realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass auch die elektronische Recheneinrichtung zum Ansteuern der elektrischen Maschinen in dem Turboladergehäuse aufgenommen ist. Unter dem Ansteuern ist insbesondere zu verstehen, dass die elektronische Recheneinrichtung, insbesondere elektrische, Signale bereitstellt, die von den elektrischen Maschinen empfangen werden. Hierdurch werden die elektrischen Maschinen angesteuert und dadurch betrieben, insbesondere gesteuert oder geregelt.
• Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Turboladergehäuse auch ein Spannungswandler aufgenommen ist. Über den Spannungswandler kann beispielsweise zumindest eine der elektrischen Maschinen, insbesondere die erste elektrische Maschine, mit von einer Energiequelle bereitgestellter, elektrischer Energie versorgt werden. Bei der Energiequelle handelt es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle. Insbesondere kann es sich bei der Energiequelle um einen zum Speichern von elektrischer Energie ausgebildeten Energiespeicher handeln, welcher beispielsweise als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie, ausgebildet sein kann. Mittels des Spannungswandlers kann beispielsweise eine erste, von der Energiequelle bereitgestellte Energie- beziehungsweise Spannungsart in eine von der ersten Energie- beziehungsweise Spannungsart unterschiedliche, zweite Energie- beziehungsweise Spannungsart umgewandelt werden. Beispielsweise kann die Energiequelle Gleichspannung bereitstellen, welche mittels des Spannungswandlers in Wechselspannung umgewandelt werden kann. Dabei kann die zumindest eine elektrische Maschine beispielsweise mit der von dem Spannungswandler bereitgestellten, elektrischen Wechselspannung versorgt werden.
• Alternativ oder zusätzlich kann über den Spannungswandler von wenigstens einer der elektrischen Maschinen bereitgestellte und an den Spannungswandler übertragene Energie bereitgestellt werden. Die über den Spannungswandler bereitgestellte elektrische Energie kann beispielsweise dem Energiespeicher zugeführt und somit in dem Energiespeicher gespeichert werden und/oder mittels der über den Spannungswandler bereitgestellten Energie kann wenigstens eine von den elektrischen Maschinen unterschiedliche, zusätzlich dazu vorgesehene Komponenten, wie beispielsweise ein Nebenaggregat, elektrisch betrieben werden, indem die Komponente mit der über den Spannungswandler bereitgestellten elektrischen Energie versorgt wird.
• Um einen besonders bedarfsgerechten und effizienten Betrieb des Turboladers realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest eine elektrische Maschine mittels der elektrischen Energie, mit welcher die zumindest eine elektrische Maschine über den Spannungswandler versorgbar ist, in einem Motorbetrieb und dadurch als Elektromotor betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Beispielsweise ist die zumindest eine, als Elektromotor betreibbare elektrische Maschine die erste elektrische Maschine, mittels welcher das Verdichterrad elektrisch angetrieben werden kann. Dadurch kann mittels des Verdichterrads insbesondere auch dann besonders vorteilhaft die Luft verdichtet werden, wenn das Verdichterrad nicht oder nur sehr geringfügig von dem Turbinenrad angetrieben werden kann beziehungsweise wenn der Energiewandler kein oder eine nur geringe Menge an Abgas bereitstellt. Da die Laufräder vollständig mechanisch voneinander entkoppelt sind, kann beispielsweise die erste elektrische Maschine das Verdichterrad antreiben, ohne dabei auch das Turbinenrad anzutreiben. Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, dass sich das Verdichterrad schneller oder langsamer dreht als das Turbinenrad. Ferner ist es möglich, dass sich die Laufräder mit dergleichen Drehzahl und/oder in die gleiche Drehrichtung drehen.
• Als weiterhin als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine elektrische Maschine, welche dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie bereitzustellen, die an den Spannungswandler übertragbar und über den Spannungswandler bereitstellbar ist, in einem Generatorbetrieb und dadurch als Generator betreibbar ist. Die als Generator betreibbare, wenigstens eine elektrische Maschine ist vorzugsweise die zweite elektrische Maschine, welche von dem Turbinenrad und somit über das Turbinenrad von dem Abgas antreibbar ist. Somit kann im Abgas enthaltene Energie genutzt werden, um das Turbinenrad und über das Turbinenrad den Generator anzutreiben. Somit kann im Abgas enthaltene Energie mittels des Generators in elektrische Energie umgewandelt werden, die von dem Generator bereitgestellt und beispielsweise in dem Energiespeicher gespeichert und/oder verwendet wird, um die zuvor genannte Komponente elektrisch zu betreiben. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, die Laufräder drehzahlunabhängig voneinander zu betreiben, so dass die Laufräder hinsichtlich ihrer Drehzahlen unabhängig voneinander und bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte des Energiewandlers bedarfsgerecht angepasst werden können.
• Um einen besonders vorteilhaften Betrieb zu realisieren, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Laufräder koaxial zueinander oder desachsiert voneinander angeordnet sind.
• Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, mit einem Energiewandler und mit einem erfindungsgemäßen Turbolader. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
• Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Turboladers. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung und des zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
• 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 Schnittansicht eines Turboladers für einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs;
• 2 eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs, dessen Antriebseinrichtung den Energiewandler und den Turbolader gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst;
• 3 eine schematische Darstellung des Turboladers gemäß der ersten Ausführungsform;
• 4 eine schematische Darstellung des Turboladers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
• 5 eine schematische Darstellung des Turboladers gemäß einer dritten Ausführungsform; und
• 6 eine schematische Darstellung des Turboladers gemäß einer vierten Ausführungsform.
• In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Turbolader 10 für einen in 2 besonders schematisch dargestellten Energiewandler 12 eines vorzugsweise als Kraftwagen ausgebildeten Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand eine in 2 besonders schematische darstellte Antriebseinrichtung 14 umfasst, mittels welcher das Kraftfahrzeug angetrieben werden kann. Die Antriebseinrichtung 14 umfasst den Energiewandler 12 und den Turbolader 10, welcher im Folgenden noch genauer erläutert wird. Bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Energiewandler 12 als eine auch als Verbrennungsmotor bezeichnete und als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, welche ein beispielsweise als Zylindergehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Gehäuseelement 16 aufweist, welches mehrere und vorliegend genau sechs Zylinder 18 aufweist, begrenzt beziehungsweise bildet. Im vorliegenden Beispiel sind die Zylinder 18 in Reihe angeordnet, sodass die Verbrennungskraftmaschine als ein Reihenmotor, insbesondere als ein Sechs-Zylinder-Reihenmotor, ausgebildet ist. Der Energiewandler 12 weist außerdem eine Abtriebswelle 20 auf, über welche der Energiewandler 12 Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann. In dem jeweiligen Zylinder 18 ist ein jeweiliger Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen, welcher gelenkig mit der vorzugsweise als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle 20 verbunden ist. Hierdurch können die translatorischen Bewegungen des Kolbens in eine rotatorische Bewegung der Abtriebswelle 20 umgewandelt werden. Der jeweilige Zylinder 18 und der jeweilige, darin angeordnete Kolben begrenzen einen jeweiligen Brennraum 22 des Energiewandlers 12. Während eines befeuerten Betriebs des Energiewandlers 12 laufen in dem jeweiligen Brennraum 22 Verbrennungsvorgänge ab, in deren Rahmen ein jeweiliges Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Hieraus resultiert Abgas des Energiewandlers 12. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch umfasst zumindest einen Kraftstoff und Luft. Bei dem Kraftstoff kann es sich um einen flüssigen Kraftstoff wie beispielsweise um Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff handeln. Ferner kann es sich bei dem Kraftstoff um einen gasförmigen Kraftstoff wie insbesondere Wasserstoff (H₂) handeln. Somit kann die Verbrennungskraftmaschine als ein Ottomotor oder als ein Dieselmotor oder aber als ein Gasmotor, insbesondere als ein Wasserstoffverbrennungsmotor, ausgebildet sein.
• Der Energiewandler 12 weist einen von dem Abgas aus dem Brennraum 22 durchströmbaren Abgastrakt 24 auf, welcher zwei Fluten 26a, b aufweisen kann. Die Fluten 26a, b sind zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennt, wobei das Abgas aus genau drei ersten der Brennräume 22 zu der Flut 26a und das Abgas aus genau drei zweiten der Brennräume 22 zu der Flut 26b zusammengeführt wird. Der Turbolader 10, welcher vorliegend als Abgasturbolader ausgebildet ist, weist einen Verdichter 28 und eine Turbine 30 auf. Außerdem umfasst der Turbolader 10 ein Turboladergehäuse 32, welches vorzugsweise mehrteilig ausgebildet ist und somit wenigstens ein erstes Gehäuseteil und wenigstens ein zweites Gehäuseteil aufweist. Die Gehäuseteile können separat voneinander ausgebildet und miteinander verbunden sein.
• Das erste Gehäuseteil ist beispielsweise ein Verdichtergehäuse 34 des Verdichters 28, wobei das zweite Gehäuseteil beispielsweise ein Turbinengehäuse 36 der Turbine 30 ist. Der Verdichter 28 umfasst dabei ein in dem Verdichtergehäuse 34 drehbar angeordnetes Verdichterrad 38, welches um eine Verdichterraddrehachse 40 relativ zu dem Turboladergehäuse 32 drehbar ist. Die Turbine 30 umfasst ein in dem Turbinengehäuse 36 drehbar angeordnetes Turbinenrad 42, welches um eine Turbinenraddrehachse 44 relativ zu dem einfach auch als Gehäuse bezeichneten Turboladergehäuse 32 drehbar ist. Aus 1 ist erkennbar, dass das Verdichterrad 38 und das Turbinenrad 42, welche zusammenfassend auch als Laufräder bezeichnet werden, koaxial zueinander angeordnet sind, sodass die Verdichterraddrehachse 40 mit der Turbinenraddrehachse 44 zusammenfällt beziehungsweise umgekehrt. Dies bedeutet, dass die Verdichterraddrehachse 40 und die Turbinenraddrehachse 44 auf einer gemeinsamen Drehachse liegen, um welche die Laufräder relativ zu dem Turboladergehäuse 32 drehbar sind.
• Das Verdichterrad 38 ist beispielsweise Bestandteil eines ersten Rotors 46 des Verdichters 28. Dabei ist der Rotor 46 um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 drehbar an dem Turboladergehäuse 32 gelagert. Hierzu sind beispielsweise Lager 48 vorgesehen, welche als Wälzlager ausgebildet sein können. Über die Lager 48 ist der Rotor 46 drehbar an dem Turboladergehäuse 32 gelagert. Die Lager 48 sind dabei in axialer Richtung des Rotors 46 voneinander beabstandet, wobei die axiale Richtung des Rotors 46 mit der Drehachse zusammenfällt. Der Rotor 46 kann dabei eine erste Welle 50 aufweisen, wobei das Verdichterrad 38 drehfest mit der Welle 50 verbunden ist. Insbesondere kann das Verdichterrad 38 einstückig mit der Welle 50 ausgebildet sein. Es ist erkennbar, dass der Rotor 46 über die Welle 50 drehbar an dem Turboladergehäuse 32 gelagert ist.
• Das Turbinenrad 42 kann Bestandteil eines zweiten Rotors 52 der Turbine 30 sein. Der Rotor 52 umfasst eine zweite Welle 54, wobei das Turbinenrad 42 drehfest mit der Welle 54 verbunden ist. Insbesondere kann das Turbinenrad 42 einstückig mit der Welle 54 ausgebildet sein. Der Rotor 52 ist über seine Welle 54 um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 drehbar an dem Turboladergehäuse 32 gelagert. Dabei ist die Welle 54 über weitere Lager 56 drehbar an dem Turboladergehäuse 32 gelagert, wobei die Lager 56 als Wälzlager ausgebildet sein können. Auch die Lager 56 sind in axialer Richtung des Rotors 52 voneinander beabstandet, wobei die axiale Richtung des Rotors 52 mit der Drehachse und somit mit der axialen Richtung des Rotors 46 zusammenfällt.
• Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 28 als Radialverdichter ausgebildet, sodass das Verdichterrad 38 als Radialverdichterrad ausgebildet ist. Mittels des Verdichterrads 38 kann die zuvor genannte Luft, die dem Energiewandler 12 zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird, verdichtet werden. Hierzu wird das Verdichterrad 38 um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 gedreht. Aus 2 ist erkennbar, dass die Antriebseinrichtung 14 einen von der Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 58 aufweist, mittels welchem die den Ansaugtrakt 58 durchströmende Luft zu den und in die Brennräume 22 und somit zu dem und in den Energiewandler 12 geführt wird. Dabei wird die den Ansaugtrakt 58 durchströmende Luft mittels des Verdichterrads 38 verdichtet.
• Dabei ist in dem Ansaugtrakt 58 stromauf des Verdichterrads 38 ein Luftfilter 60 angeordnet, mittels welchem die den Ansaugtrakt 58 durchströmende Luft gefiltert wird. Stromauf des Verdichterrads 38 und stromab des Luftfilters 60 weist die Luft einen ersten Druck p1 auf. Mittels des Verdichterrads 38 wird die den Ansaugtrakt 58 durchströmende Luft verdichtet und dadurch erwärmt. Um dennoch besonders hohe Aufladegrade zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 58 stromauf der Brennräume 22 und stromab des Verdichterrads 38 ein Ladeluftkühler 62 in dem Ansaugtrakt 58 angeordnet. Mittels des Ladeluftkühlers 62 wird die den Ladeluftkühler 62 durchströmende Luft gekühlt, nachdem sie verdichtet wurde. Mittels des Verdichterrads 38 wird die Luft von dem Druck p1 auf einen gegenüber dem Druck p1 herrschenden, zweiten Druck p2 verdichtet, welche stromab des Verdichterrads 38 und stromauf des Ladeluftkühlers 62 in dem Ansaugtrakt 58 herrscht.
• Aus 2 ist erkennbar, dass der Verdichter 28 und somit das Verdichterrad 38 in dem Ansaugtrakt 58 angeordnet sind, und zwar stromab des Luftfilters 60 und stromauf des Ladeluftkühlers 62.
• Wie in 1 durch einen Pfeil 64 veranschaulicht ist, strömt die mittels des Verdichterrads 38 zu verdichtende Luft in axialer Richtung des Verdichterrads 38 das Verdichterrad 38 an. Die mittels des Verdichterrads 38 verdichtete Luft strömt in radialer Richtung des Verdichterrads 38 von dem Verdichterrad 38 ab. Dabei strömt die Luft durch das Verdichtergehäuse 34. Des Weiteren ist aus 1 und 2 erkennbar, dass die Turbine 30 und somit das Turbinenrad 42 in dem Abgastrakt 24 angeordnet sind, und zwar stromab der Brennräume 22. Die Turbine 30, insbesondere das Turbinengehäuse 36, ist von dem Abgas aus den Brennräumen 22 durchströmbar, wobei das Turbinenrad 42 von dem Abgas aus den Brennräumen 22 angetrieben und dadurch um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 gedreht werden kann. Die Turbine 30 ist dabei als Radialturbine ausgebildet, sodass das Turbinenrad 42 auch als Radialturbinenrad ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Abgas aus den Brennräumen 22 in radialer Richtung des Turbinenrads 42 das Turbinenrad 42 anströmt und dadurch antreibt, wonach das Abgas in axialer Richtung des Turbinenrads 42 von dem Turbinenrad 42 abströmt. Dies ist in 1 durch einen Pfeil 66 veranschaulicht. Es ist erkennbar, dass darunter, dass sich das jeweilige Laufrad um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 dreht, insbesondere zu verstehen ist, dass sich der jeweilige Rotor 46 beziehungsweise 52 um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 dreht.
• Um nun einen besonders vorteilhaften und insbesondere effizienten Betrieb des Turboladers 10 realisieren zu können, weist der Turbolader 10 eine erste elektrische Maschine 68 und eine zusätzlich zu der ersten elektrischen Maschine 68 vorgesehene, zweite elektrische Maschine 70 auf. Die elektrischen Maschinen 68 und 70 sind in dem Turboladergehäuse 32 aufgenommen. Die jeweilige elektrische Maschine 68 beziehungsweise 70 weist einen jeweiligen Stator 72 beziehungsweise 74 auf, welcher in dem Turboladergehäuse 32 angeordnet und zumindest mittelbar, insbesondere direkt, an dem Turboladergehäuse 32 festgelegt ist, insbesondere derart, dass um die Drehachse erfolgende Relativdrehungen zwischen dem jeweiligen Stator 72 beziehungsweise 74 und dem Turboladergehäuse 32 unterbleiben. Außerdem weist die jeweilige elektrische Maschine 68 beziehungsweise 70 einen jeweiligen Maschinenrotor auf, welcher um die Drehachse relativ zu dem jeweiligen Stator 72 beziehungsweise 74 und somit relativ zu dem Turboladergehäuse 32 drehbar ist. Dabei kann der Maschinenrotor der elektrischen Maschine 68 zumindest einen Teil des Rotors 46 oder den gesamten Rotor 46 umfassen. Beispielsweise umfasst der Maschinenrotor der elektrischen Maschine 68 zumindest die Welle 50. Demzufolge kann der Maschinenrotor der elektrischen Maschine 70 zumindest einen Teil des Rotors 52 oder den gesamten Rotor 52 umfassen. Insbesondere kann der Maschinenrotor der elektrischen Maschine 70 zumindest die Welle 54 umfassen. Die Maschinenrotoren beziehungsweise die Rotoren 46 und 52 sind dabei zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Turboladergehäuse 32 aufgenommen.
• Darüber hinaus ist eine elektronische Recheneinrichtung 76 vorgesehen, welche beispielsweise eine den elektrischen Maschinen 68 und 70 gemeinsame elektronische Recheneinrichtung ist. Es ist erkennbar, dass die elektronische Recheneinrichtung 76 in dem Turboladergehäuse 32 aufgenommen ist. Die elektronische Recheneinrichtung 76 ist zumindest signalübertragungstechnisch mit den elektrischen Maschinen 68 und 70 gekoppelt, sodass die elektronische Recheneinrichtung 76 die elektrischen Maschinen 68 und 70 ansteuern und somit betreiben, insbesondere regeln oder steuern kann. Somit wird die elektronische Recheneinrichtung 76 beispielsweise auch als Regelung oder Steuerung bezeichnet. Unter dem Merkmal, dass die Regelung beziehungsweise Steuerung zumindest signaltechnisch oder signalübertragungstechnisch mit den elektrischen Maschinen 68 und 70 gekoppelt ist, kann insbesondere verstanden werden, dass die Regelung beziehungsweise Steuerung elektrischer Signale zum Ansteuern der elektrischen Maschinen 68 und 70 bereitstellen kann. Die einfach auch als Elektromaschinen bezeichneten elektrischen Maschinen 68 und 70 können die von der Regelung beziehungsweise Steuerung bereitgestellten Signale empfangen, wodurch die Elektromaschinen angesteuert und somit betrieben, insbesondere gesteuert oder geregelt werden. Beispielsweise sind die Elektromaschinen mit der Regelung beziehungsweise Steuerung über wenigstens eine jeweilige, körperliche beziehungsweise physisch vorhandene Leitung und/oder leitungslos und somit beispielsweise per Funk gekoppelt, sodass das jeweilige Signal über die Leitung oder leitungslos bereitgestellt und empfangen werden kann.
• Des Weiteren kann ein Spannungswandler 78 vorgesehen sein, welcher beispielsweise dazu ausgebildet ist, eine elektrische Gleichspannung in eine elektrische Wechselspannung umzuwandeln. Alternativ oder zusätzlich kann der Spannungswandler 78 dazu ausgebildet sein, eine beziehungsweise die elektrische Wechselspannung in eine beziehungsweise die elektrische Gleichspannung umzuwandeln. Es ist denkbar, dass wenigstens eine der elektrischen Maschinen 68 und 70, insbesondere die elektrische Maschine 68 und/oder die elektrische Maschine 70, über den Spannungswandler 78 mit elektrischer Energie, das heißt mit elektrischem Strom, versorgbar ist, die beziehungsweise der beispielsweise von einer Spannungsquelle wie beispielsweise einem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Dabei kann die Spannungsquelle die elektrische Energie mit der zuvor genannten Gleichspannung bereitstellen, die mittels des Spannungswandlers 78 in eine Wechselspannung umgewandelt wird, mit der die elektrische Maschine 68 und/oder 70 versorgbar ist beziehungsweise versorgt wird, um hierdurch beispielsweise die jeweilige elektrische Maschine 68 und/oder 70 in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor zu betreiben. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass wenigstens eine der elektrischen Maschinen 68 und 70, insbesondere die elektrische Maschine 70 und/oder die elektrische Maschine 70 und/oder die elektrische Maschine 68, in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betreibbar ist oder betrieben wird, welcher elektrische Energie bereitstellt. Beispielsweise kann die von dem Generator bereitgestellte elektrische Energie über den Spannungswandler 78 dem Energiespeicher zugeführt und dadurch in dem Energiespeicher gespeichert werden und/oder die von dem Generator bereitgestellte elektrische Energie kann, insbesondere über den Spannungswandler 78, wenigstens einer weiteren elektrisch betreibbaren Komponente des Kraftfahrzeugs zugeführt werden, um dadurch die wenigstens eine weitere, elektrische Komponente elektrisch zu betreiben. Beispielsweise kann der Generator die elektrische Energie als Wechselspannung bereitstellen, die mittels des Spannungswandlers 78 in die Gleichspannung umwandelbar ist beziehungsweise umgewandelt wird. Dieses Versorgen der elektrischen Maschine 68 und/oder 70 über den Spannungswandler 78 mit elektrischer Energie sowie das jeweilige Bereitstellen von elektrischer Energie mittels der elektrischen Maschine 70 und/oder 68 über den Spannungswandler 78 ist in 1 durch Doppelpfeile 80 veranschaulicht. Mit anderen Worten veranschaulichen die Doppelpfeile 80 einen bidirektionalen Fluss an elektrischer Energie, die von der Spannungs- beziehungsweise Energiequelle über den Spannungswandler 78 zu zumindest einer der elektrischen Maschinen 68 und 70 fließt und/oder von der zumindest einen der elektrischen Maschinen 70 und 68 bereitgestellt wird und über den Spannungswandler 78 zu dem Energiespeicher und/oder zu der Komponente fließt. Es ist aus 1 erkennbar, dass die elektrische Energie von dem Spannungswandler 78 über die Recheneinrichtung 76 der elektrischen Maschine 68 und/oder 70 zuführbar ist oder zugeführt wird und/oder die von der elektrischen Maschine 70 und/oder 68 bereitgestellte elektrische Energie kann dem Spannungswandler 78 über die Recheneinrichtung 76 zugeführt werden. Insbesondere kann mittels der Recheneinrichtung 76 die elektrische Energie, die der elektrischen Maschine und/oder 70 zugeführt wird und/oder die elektrische Energie, die von der elektrischen Maschine 70 und/oder 68 bereitgestellt wird, eingestellt werden.
• Durch Pfeile 82 ist veranschaulicht, dass eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Turboladers 10 vorgesehen sein kann. Die Kühleinrichtung umfasst beispielsweise einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf, in welchem der Turbolader 10 angeordnet sein kann. Über den Kühlkreislauf kann der Turbolader 10 mittels des Kühlmittels gekühlt werden. Bei dem Kühlmittel handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, welche zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, Wasser umfassen kann. Das Kühlmittel kann dem Turbolader 10 über den Kühlkreislauf zugeführt werden. Der Turbolader 10 kann Wärme an das Kühlmittel abgeben, woraufhin das Kühlmittel dem Turbolader 10 über den Kühlkreislauf wieder abgeführt werden kann.
• Außerdem ist in 1 durch Pfeile 84 eine Schmiermittelversorgung, insbesondere eine Ölversorgung, des Turboladers 10 veranschaulicht. Die Schmiermittelversorgung wird auch als Schmiermittelversorgungseinrichtung bezeichnet und umfasst beispielsweise einen Schmiermittelkreislauf, welcher von einem Schmiermittel wie beispielsweise Öl durchströmbar ist. Dabei ist der Turbolader 10 in dem Schmiermittelkreislauf angeordnet. Mittels des Schmiermittelkreislaufs kann das Schmiermittel dem Turbolader 10 zugeführt werden, sodass zumindest zwei Bauelemente des Turboladers 10 mittels des Schmiermittels geschmiert und/oder gekühlt werden können. Daraufhin kann das Schmiermittel über den Schmiermittelkreislauf von dem Turbolader 10 abgeführt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schmiermittel um eine Flüssigkeit, insbesondere um Öl. Vorzugsweise ist das Schmiermittel elektrisch nicht leitend.
• Um nun einen besonders vorteilhaften und insbesondere energieeffizienten Betrieb des Turboladers 10 und somit des Energiewandlers 12 realisieren zu können, ist es bei einem Verfahren zum Betreiben des Turboladers 10 vorgesehen, dass in wenigstens einem Betriebszustand des Turboladers 10 mittels der ersten elektrischen Maschine 68 eine erste Drehzahl des Verdichterrads 38 und mittels der elektrischen Maschine 70 eine von der ersten Drehzahl unterschiedliche, zweite Drehzahl des in wenigstens eine Drehrichtung um die Drehachse relativ zu dem Verdichterrad 38 drehbaren Turbinenrads 42 eingestellt wird, wodurch das Verdichterrad 38 mit der ersten Drehzahl und gleichzeitig das Turbinenrad 42 mit der von der ersten Drehzahl unterschiedlichen, zweiten Drehzahl betrieben, das heißt um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 gedreht wird.
• Beispielsweise wird in dem wenigstens einen Betriebszustand die elektrische Maschine 68 in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben, mittels welchem das Verdichterrad 38 angetrieben wird, wodurch die erste Drehzahl des Verdichterrads 38 eingestellt und die Luft mittels des Verdichterrads 38 verdichtet wird und beispielsweise das Verdichterrad 38 in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte, zweite Drehrichtung relativ zu dem Turboladergehäuse 32 und relativ zu dem Turbinenrad 42 um die Drehachse gedreht wird. Somit wird beispielsweise in dem wenigstens einen Betriebszustand der elektrischen Maschine 68 über den Spannungswandler 78 mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie versorgt und dadurch in dem Motorbetrieb betrieben. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in dem wenigstens einen Betriebszustand die elektrische Maschine 70 in einem Generatorbetrieb und dadurch als Generator betrieben wird, welcher unter Einstellen der zweiten Drehzahl des Turbinenrads 42 mittels des Turbinenrads 42 angetrieben wird, welches von dem Abgas des Energiewandlers 12 angetrieben wird. Unter dem Einstellen der jeweiligen Drehzahl ist insbesondere zu verstehen, die jeweilige Drehzahl aus einem jeweiligen Betrieb der jeweiligen elektrischen Maschine resultiert. Beispielsweise kann unter dem Einstellen der jeweiligen Drehzahl insbesondere verstanden werden, dass die jeweilige elektrische Maschine 68 beziehungsweise 70 derart betrieben, das heißt beispielsweise derart angesteuert und dadurch geregelt oder gesteuert wird, dass aus dem Betrieb der elektrischen Maschine 68 beziehungsweise 70, das heißt insbesondere aus dem Ansteuern, die jeweilige Drehzahl resultiert. Dies kann insbesondere für die elektrische Maschine 68 gelten, welche, insbesondere durch Ansteuern der elektrischen Maschine 68, in dem Motorbetrieb betrieben wird, sodass mittels der elektrischen Maschine 68 das Verdichterrad 38 beispielsweise aktiv angetrieben wird. Im Hinblick auf die elektrische Maschine 70 kann unter dem Einstellen der jeweiligen Drehzahl insbesondere verstanden werden, das die elektrische Maschine 70, insbesondere durch Ansteuern der elektrischen Maschine 70, in dem Generatorbetrieb betrieben wird, woraus die Drehzahl des Turbinenrads 42 resultiert. Hierbei wird beispielsweise das Turbinenrad 42 in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Turboladergehäuse 32 um die Drehachse gedreht, wobei jedoch beispielsweise das Verdichterrad 38 mittels der elektrischen Maschine 68 gegenüber dem Turbinenrad 42 mit einer größeren Drehzahl in die zweite Drehrichtung um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 gedreht wird. Da das Turbinenrad 42 in die wenigstens eine Drehrichtung, welche auch als erste Drehrichtung bezeichnet wird, relativ zu dem Verdichterrad 38 um die Drehachse gedreht werden kann, nimmt dann, wenn das Verdichterrad 38 mit einer größeren Drehzahl als das Turbinenrad 42 in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Turboladergehäuse 32 gedreht wird, das Verdichterrad 38 das Turbinenrad 42 nicht mit, sodass die elektrische Maschine 68 zwar das Verdichterrad 38, nicht jedoch das Turbinenrad 42 antreibt.
• Vorzugsweise ist das Turbinenrad 42 sowohl in die erste Drehrichtung als auch in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad 38, insbesondere frei, drehbar ist, sodass die Laufräder in beide Drehrichtungen relativ zueinander, insbesondere frei und somit unbegrenzt, gedreht werden können. Somit sind das Verdichterrad 38 und das Turbinenrad 42 permanent vollständig mechanisch voneinander entkoppelt, sodass das Verdichterrad 38 und das Turbinenrad 42 sowohl in die erste Drehrichtung als auch in die zweite Drehrichtung relativ zueinander unbegrenzt um die Drehachse gedreht werden können.
• Alternativ könnte der Turbolader 10 optional derart ausgebildet sein, dass die Laufräder teilweise mechanisch miteinander gekoppelt sind. Hierunter ist insbesondere folgendes zu verstehen: Der Turbolader 10 kann optional eine in 1 besonders schematisch dargestellte Koppeleinrichtung 86 aufweisen, welche beispielsweise als ein Freilauf, insbesondere zwischen den Laufrädern, ausgebildet ist. Dabei ist das Turbinenrad 42 in die erste Drehrichtung, insbesondere frei, relativ zu dem Verdichterrad 38 drehbar, wobei das Turbinenrad 42 in die der ersten Drehrichtung entgegengesetzte, zweite Drehrichtung drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mittels der Koppeleinrichtung 86 mit dem Verdichterrad 38 gekoppelt ist. Dies bedeutet, dass die beispielsweise als Freilauf ausgebildete Koppeleinrichtung 86 das Turbinenrad 42 für eine in die erste Drehrichtung um die Drehachse relativ zu dem Verdichterrad 38 erfolgende Drehung freigibt. Jedoch verbindet die Koppeleinrichtung 86 das Turbinenrad 42 drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit dem Verdichterrad 38 für eine in die zweite Drehrichtung um die Drehachse erfolgende Drehung. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist das Turbinenrad 42 in die zweite Drehrichtung um die Drehachse mittels der Koppeleinrichtung 86 drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit dem Verdichterrad 38 gekoppelt. Wird somit beispielsweise das Turbinenrad 42 von dem Abgas des Energiewandlers 12 angetrieben und dadurch in die zweite Drehrichtung um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 gedreht, während es unterbleibt, dass das Verdichterrad 38 in die zweite Drehrichtung schneller als das Turbinenrad 42 gedreht wird, so nimmt das Turbinenrad 42 das Verdichterrad 38 mit, mithin treibt das Turbinenrad 42 das Verdichterrad 38 an. Dadurch kann im Abgas des Energiewandlers 12 enthaltene Energie genutzt werden, um über das Verdichterrad 38 die den Brennräumen 22 zuzuführende Luft zu verdichten. Außerdem kann das Turbinenrad 42 den Generator antreiben, sodass im Abgas enthaltene Energie zumindest zum Teil mittels des Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Stellt der Energiewandler 12 jedoch kein Abgas oder nur eine geringe Menge des Abgases bereit, so kann das Verdichterrad 38 mittels der elektrischen Maschine 68 angetrieben und dadurch schneller in die zweite Drehrichtung gedreht werden, als es alleinig mittels des Abgases über das Turbinenrad 42 möglich wäre. Gleichzeitig kann das Turbinenrad 42 von dem Abgas angetrieben werden, sodass mittels des Generators im Abgas enthaltene Energie in elektrische Energie umwandeln kann.
• Ferner ist es denkbar, dass die Koppeleinrichtung 86 zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umschaltbar ist. In einem der Zustände gibt die Koppeleinrichtung 86 das Turbinenrad 42 zumindest für eine in die wenigstens eine, erste Drehrichtung und vorzugsweise auch für eine in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad 38 erfolgende, insbesondere freie, Drehung frei, sodass es vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Laufräder in dem einen Zustand vollständig mechanisch voneinander entkoppelt sind. Somit kann das Turbinenrad 42 in dem einen Zustand sowohl in die erste Drehrichtung als auch in die zweite Drehrichtung um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 und relativ zu dem Verdichterrad 38 gedreht werden. In dem anderen Zustand jedoch ist das Turbinenrad 42 mit dem Verdichterrad 38 mittels der Koppeleinrichtung 86 derart gekoppelt, dass das Turbinenrad 42 mit dem Verdichterrad 38 mittels der Koppeleinrichtung 86 zumindest in die erste Drehrichtung und vorzugsweise auch in die zweite Drehrichtung drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, gekoppelt ist. Dadurch kann beispielsweise das Verdichterrad 38 von dem Turbinenrad 42 zumindest in die zweite Drehrichtung sowie vorzugsweise auch in die erste Drehrichtung angetrieben und somit gedreht werden.
• Treibt beispielsweise das Turbinenrad 42 das Verdichterrad 38 in die zweite Drehrichtung an, so drehen sich die Laufräder mit der gleichen Drehzahl um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32, insbesondere in die zweite Drehrichtung. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem weiteren Betriebszustand des Turboladers 10 mittels der ersten elektrischen Maschine 68 eine dritte Drehzahl des Verdichterrads 38 und mittels der zweiten elektrischen Maschine 70 eine der dritten Drehzahl entsprechende, vierte Drehzahl des Turbinenrads 42 eingestellt wird, wodurch das Verdichterrad 38 mit der dritten Drehzahl und gleichzeitig das Turbinenrad 42 mit der vierten Drehzahl betrieben wird. Dabei ist es denkbar, dass sich in dem wenigstens einen weiteren Betriebszustand die Laufräder in die gleiche Drehrichtung und dabei beispielsweise in die zweite Drehrichtung mit der gleichen Drehzahl und somit gleichschnell drehen.
• 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Turboladers 10, wobei die erste Ausführungsform beispielsweise bei der Antriebseinrichtung 14 gemäß 2 zum Einsatz kommt. Bei der ersten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Laufräder permanent vollständig mechanisch voneinander entkoppelt sind. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug insgesamt frei von der Koppeleinrichtung 86, das heißt vollständig frei von einer Koppeleinrichtung ist, mittels welcher die Laufräder in die erste Drehrichtung oder in die zweite Drehrichtung drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, miteinander gekoppelt werden könnten. In 3 ist durch einen Block 88 eine elektrische Kopplung der elektrischen Maschinen 68 und 70 veranschaulicht, wobei die Elektromaschinen durch die elektrische Kopplung beispielsweise im Hinblick ihrer Leistungen miteinander gekoppelt sind. Insbesondere kann unter elektrischer Kopplung verstanden werden, dass die Elektromaschinen mittels der Regelung beziehungsweise Steuerung in Abhängigkeit voneinander betrieben werden und/oder die Elektromaschinen werden mittels der den Elektromaschinen gemeinsamen, elektronischen Recheneinrichtung 76, insbesondere gleichzeitig, betrieben. Außerdem ist in 3 durch einen Block 90 ein Motor und/oder ein weiteres Aggregat und/oder ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs veranschaulicht, über dessen Bordnetz beispielsweise die in dem Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie der jeweiligen Elektromaschinen zugeführt werden kann und/oder über das Bordnetz kann die von der jeweiligen Elektromaschine bereitgestellte elektrische Energie dem Energiespeicher zugeführt und in dem Energiespeicher gespeichert werden. Durch einen Block 92 ist eine Steuerung des Turboladers 10 veranschaulicht, und durch einen Block 94 ist eine Steuerung des Aggregats veranschaulicht. Alternativ zur Steuerung kann eine Regelung zum Einsatz kommen. Bei der in 3 gezeigten, ersten Ausführungsform sind der Block 88 und somit die durch den Block 88 veranschaulichte, elektrische Kopplung Bestandteil des Turboladers 10 und dabei beispielsweise in dem Turboladergehäuse 32 angeordnet, während jedoch beispielsweise der Block 92 und der Block 94 und der Block 90 keine Bestandteile des Turboladers 10 sind beziehungsweise außerhalb des Turboladergehäuses 32 angeordnet sein können. Alternativ dazu ist es denkbar, dass auch der Block 92 Bestandteil des Turboladers 10 ist beziehungsweise in dem Turboladergehäuse 32 angeordnet ist.
• In 2 ist durch einen Block 96 eine Leistungselektronik und/oder der beispielsweise als eine Batterie ausgebildete Energiespeicher veranschaulicht. Insbesondere aus 2 ist erkennbar, dass beispielsweise die von der elektrischen Maschine 70 in ihrem Generatorbetrieb bereitgestellte elektrische Energie in dem Energiespeicher gespeichert werden kann. Außerdem kann die in dem Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie der elektrischen Maschine 68 zugeführt werden, um die elektrische Maschine 68 in dem Motorbetrieb zu betreiben.
• In dem Abgastrakt 24 ist stromab des Turbinenrads 42 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 98 angeordnet, mittels welcher das Abgas des Energiewandlers 12, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, nachbehandelt wird. Dabei herrscht stromab des Turbinenrads 42 und beispielsweise stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 98 ein Druck p4 des Abgases. Stromauf des Turbinenrads 42 und stromab der Brennräume 22 herrscht in dem Abgastrakt 24 ein Druck p3 beziehungsweise p31 und p32 des Abgases, wobei der Druck p4 geringer als der Druck p3 beziehungsweise p31 und p32 ist. Somit wird das Abgas mittels des Turbinenrads 42 entspannt. Der Druck p31 herrscht beispielsweise in der Flut 26a, und der Druck p32 herrscht beispielsweise in der Flut 26b.
• 4 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei welcher ein Block 101 den Spannungswandler veranschaulicht. Dabei ist es denkbar, dass der Block 88 und der Block 101 (Spannungswandler 78) sowie vorzugsweise der Block 92 (Steuerung beziehungsweise Regelung des Turboladers 10) Bestandteil des Turboladers 10 und dabei insbesondere in dem Turboladergehäuse 32 angeordnet sind, insbesondere während der Block 90 und der Block 94 kein Bestandteil des Turboladers 10 beziehungsweise außerhalb des Turboladergehäuses 32 angeordnet sind. Im Übrigen entspricht die zweite Ausführungsform der ersten Ausführungsform, sodass bei der ersten Ausführungsform und bei der zweiten Ausführungsform die Laufräder permanent vollständig mechanisch voneinander entkoppelt sind. Somit ist keine Koppeleinrichtung wie beispielsweise die Koppeleinrichtung 86 vorgesehen.
• 5 zeigt eine dritte Ausführungsform, welche im Grunde der ersten Ausführungsform gemäß 3 entspricht, mit dem Unterschied, dass bei der dritten Ausführungsform die Koppeleinrichtung 86 vorgesehen ist.
• Schließlich zeigt 6 eine vierte Ausführungsform, welche im Grunde der zweiten Ausführungsform gemäß 4 entspricht, mit dem Unterschied, dass bei der vierten Ausführungsform die Koppeleinrichtung 86 vorgesehen ist. Da das Turbinenrad 42 zumindest in dem wenigstens einen Betriebszustand und zumindest in die erste Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad 38 drehbar ist oder gedreht wird, was insbesondere dadurch realisierbar ist, dass das Verdichterrad 38 gegenüber dem Turbinenrad 42 mit einer größeren Drehzahl in die zweite Drehrichtung um die Drehachse relativ zu dem Turboladergehäuse 32 gedreht wird, kann eine durch eine permanent drehfeste Kopplung der Laufräder bewirkte Limitierung des Betriebs des Turboladers 10 vermieden werden. Bei herkömmlichen Systemen laufen Verdichter und Turbine mit gleicher Drehzahl, wobei die Turbine einen gewünschten Betriebspunkt des Verdichters ermöglicht beziehungsweise der Betriebspunkt des Verdichters durch eine Leistung der Turbine bestimmt ist. Hierbei ergeben sich abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt des Energiewandlers 12 Zwangsbedingungen sowohl für die Turbine als auch für den Verdichter, wobei diese Zwangsbedingungen optimale Auslegungen und somit einen optimalen Betrieb ausschließen.
• Aus 2 ist erkennbar, dass die Antriebseinrichtung 14 außerdem eine Abgasrückführeinrichtung 100 umfasst, welche wenigstens eine Abgasrückführleitung 102 aufweist. Die Abgasrückführleitung 102 ist an einer Abzweigstelle fluidisch mit dem Abgastrakt 24, insbesondere mit der Flut 26a, und an einer Einleitstelle fluidisch mit dem Ansaugtrakt 58 verbunden. Dadurch kann an der Abzweigstelle zumindest ein Teil des den Abgastrakt 24, insbesondere die Flut 26a, durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt 24, insbesondere aus der Flut 26a, abgezweigt und in die Abgasrückführleitung 102 eingeleitet werden. Das abgezweigte und in die Abgasrückführleitung 102 eingeleitete Abgas kann die Abgasrückführleitung 102 durchströmen und wird mittels der Abgasrückführleitung 102 von der Abzweigstelle zu der Einleitstelle geleitet. Das die Abgasrückführleitung 102 durchströmende Abgas kann an der Einleitstelle in den Ansaugtrakt 58 einströmen beziehungsweise eingeleitet werden und von der den Ansaugtrakt 58 durchströmenden Luft in die Brennräume 22 mitgenommen werden. Dabei ist die Abzweigstelle stromab der Brennräume 22 und stromauf des Turbinenrads 42 angeordnet. Die Einleitstelle ist stromab des Ladeluftkühlers 62 und stromauf der Brennräume 22 angeordnet. Die Abgasrückführeinrichtung 100 umfasst ein Abgasrückführventil 104, mittels welchem eine Menge des die Abgasrückführleitung 102 durchströmenden Abgases einstellbar ist. Des Weiteren umfasst die Abgasrückführeinrichtung 100 einen in der Abgasrückführleitung 102 angeordneten Abgasrückführkühler 106, mittels welchem das die Abgasrückführleitung 102 durchströmende und rückzuführende oder rückgeführte Abgas zu kühlen ist.
• Für eine Radialturbine stellt sich ein vorteilhafter Wirkungsgrad bei einer Schnelllaufzahl ein, die größer oder gleich 0,6 und kleiner oder gleich 0,8 ist. Eine solche Schnelllaufzahl wird jedoch herkömmlicherweise im Betrieb in relevanten Betriebspunkten durch die Drehzahl-Limitierung eher unterschritten. Eine Vergrößerung eines Eintrittsradius ist aufgrund von mechanischen Limitierungen häufig nicht möglich.
• Durch die mechanische Trennung von Verdichterrad 38 und Turbinenrad 42 und durch eine intelligente Steuerung oder Regelung des Verdichters 28 und der Turbine 30 beziehungsweise der Elektromaschinen können in relevanten Betriebspunkten besonders hohe Wirkungsgrade des Verdichters 28 und der Turbine 30 erreicht werden, da eine beziehungsweise die spezifische Drehzahl des Verdichters 28 beziehungsweise des Verdichterrads 38 und gleichzeitig die beziehungsweise eine von der spezifischen Drehzahl unterschiedliche Schnelllaufzahl der Turbine 30 beziehungsweise des Turbinenrads 42 eingestellt werden können, und zwar für einen jeweiligen Last- oder Betriebspunkt. Die spezifische Drehzahl des Verdichters 28 ist beispielsweise größer oder gleich 0,5 und kleiner oder gleich 0,7, wobei die Schnelllaufzahl vorzugsweise größer oder gleich 0,6 und kleiner oder gleich 0,8 ist. Die spezifische Drehzahl des Verdichters 28 wird auch als Ns bezeichnet, wobei die Schnelllaufzahl beispielsweise mit u/c0 bezeichnet wird. Somit werden der Verdichter 28 und die Turbine 30 drehzahlunabhängig voneinander betrieben, das heißt das Verdichterrad 38 kann langsamer, schneller oder aber gleich schnell wie das Turbinenrad 42 laufen, die jeweilige Drehzahl des Laufrads wird beispielsweise einzig und allein durch die oben genannten Kennzahlen in Form der spezifischen Drehzahlen der Schnelllaufzahl eingestellt.
• Bezugszeichenliste

10

Turbolader

12

Energiewandler

14

Antriebseinrichtung

16

Gehäuseelement

18

Zylinder

20

Abtriebswelle

22

Brennraum

24

Abgastrakt

26a, b

Flut

28

Verdichter

30

Turbine

32

Turboladergehäuse

34

Verdichtergehäuse

36

Turbinengehäuse

38

Verdichterrad

40

Verdichterraddrehachse

42

Turbinenrad

44

Turbinenraddrehachse

46

Rotor

48

Lager

50

Welle

52

Rotor

54

Welle

56

Lager

58

Ansaugtrakt

60

Luftfilter

62

Ladeluftkühler

64

Pfeil

66

Pfeil

68

elektrische Maschine

70

elektrische Maschine

72

Stator

74

Stator

76

elektronische Recheneinrichtung

78

Spannungswandler

80

Doppelpfeil

82

Pfeile

84

Pfeile

86

Koppeleinrichtung

88

Block

90

Block

92

Block

94

Block

96

Block

98

Abgasnachbehandlungseinrichtung

100

Abgasrückführeinrichtung

101

Block

102

Abgasrückführleitung

104

Abgasrückführventil

106

Abgasrückführkühler

p1

Druck

p2

Druck

p3

Druck

p4

Druck

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10306234 B4 [0002]

Claims (9)

1. Turbolader (10) für einen Energiewandler (12) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichterrad (38) als erstem Laufrad zum Verdichten von dem Energiewandler (12) zuzuführender Luft, und mit einem von Abgas des Energiewandlers (12) antreibbaren Turbinenrad (42) als zweitem Laufrad, gekennzeichnet durch: - eine dem Verdichterrad (38) zugeordnete, erste elektrischen Maschine (68), mittels welcher eine erste Drehzahl des Verdichterrads (38) einstellbar ist; - eine zusätzlich zur ersten elektrischen Maschine (68) vorgesehene und dem Turbinenrad (42) zugeordnete, zweite elektrische Maschine (70), mittels welcher eine von der ersten Drehzahl unterschiedliche, zweite Drehzahl des Turbinenrads (42) einstellbar ist, wodurch das Verdichterrad (38) mit der ersten Drehzahl und gleichzeitig das Turbinenrad (42) mit der von der ersten Drehzahl unterschiedlichen, zweiten Drehzahl betreibbar ist; und - eine Koppeleinrichtung (86), welche: o als ein Freilauf ausgebildet ist, welcher eine in eine erste Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad (38) erfolgende Drehung des Turbinenrads (42) zulässt und das Turbinenrad (38) in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung drehfest mit dem Verdichterrad (38) koppelt; oder o zwischen einem Koppelzustand, in welchem die Laufräder sowohl in eine erste Drehrichtung als auch in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung mittels der Koppeleinrichtung (86) drehfest miteinander verbunden sind, und einem Entkoppelzustand umschaltbar ist, in welchem die Laufräder sowohl in die erste Drehrichtung als auch in die zweite Drehrichtung frei relativ zueinander drehbar sind.
2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf als ein schaltbarer Freilauf ausgebildet ist, welcher umschaltbar ist zwischen: - einem Sperrzustand, in welchem der Freilauf eine in die erste Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad (38) erfolgende Drehung des Turbinenrads (42) zulässt und das Turbinenrad (38) in die der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung drehfest mit dem Verdichterrad (38) koppelt; und - einem Freigabezustand umschaltbar ist, in welchem der Freilauf sowohl eine in die erste Drehrichtung als auch eine in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad (38) erfolgende Drehung des Turbinenrads (42) zulässt.
3. Turbolader (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufräder drehbar in einem Turboladergehäuse (32) des Turboladers aufgenommen sind.
4. Turbolader (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch eine elektronische Recheneinrichtung (76) zum Ansteuern der elektrischen Maschinen (68, 70) in dem Turboladergehäuse (32) aufgenommen ist.
5. Turbolader (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Turboladergehäuse (32) auch ein Spannungswandler (78) aufgenommen ist, über welchen: - zumindest eine der elektrischen Maschinen (68, 70) mit von einer Energiequelle bereitgestellter, elektrischer Energie versorgbar ist; und/oder - von wenigstens einer der elektrischen Maschinen (68, 70) bereitgestellte und an den Spannungswandler (78) übertragene Energie bereitstellbar ist.
6. Turbolader (10) nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass: - die zumindest eine elektrische Maschine (68, 70) mittels der elektrischen Energie, mit welcher die zumindest eine elektrische Maschine (68. 70) über den Spannungswandler (78) versorgbar ist, in einem Motorbetrieb und dadurch als Elektromotor betreibbar ist; und - die wenigstens eine elektrische Maschine (68, 70), welche dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie bereitzustellen, die an Spannungswandler (78) übertragbar und über den Spannungswandler (78) bereitstellbar ist, in einem Generatorbetrieb und dadurch als Generator betreibbar ist.
7. Turbolader (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufräder koaxial zueinander oder desachsiert voneinander angeordnet sind.
8. Kraftfahrzeug, mit einem Energiewandler, und mit einem Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Verfahren zum Betreiben eines Turboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

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