DE102020004928A1 - Method for operating a turbocharger of a motor vehicle, in particular a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers (10) eines Kraftfahrzeugs, bei welchem der Turbolader (10) ein Verdichterrad (38) zum Verdichten von einem Energiewandler (12) des Kraftfahrzeugs zuzuführender Luft und ein von Abgas des Energiewandlers (12) antreibbares Turbinenrad (42) aufweist, wobei in wenigstens einem Betriebszustand des Turboladers (10) mittels einer ersten elektrischen Maschine (68) des Turboladers (10) eine erste Drehzahl des Verdichterrads (38) und mittels einer zusätzlich zur ersten elektrischen Maschine (68) vorgesehenen, zweiten elektrischen Maschine (70) des Turboladers (10) eine von der ersten Drehzahl unterschiedliche, zweite Drehzahl des in wenigstens eine Drehrichtung 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 wird. The invention relates to a method for operating a turbocharger (10) of a motor vehicle, in which the turbocharger (10) has a compressor wheel (38) for compressing air to be supplied to an energy converter (12) of the motor vehicle and a turbine wheel that can be driven by exhaust gas from the energy converter (12). (42), wherein in at least one operating state of the turbocharger (10) a first speed of the compressor wheel (38) is set by means of a first electric machine (68) of the turbocharger (10) and by means of a second speed provided in addition to the first electric machine (68). electrical machine (70) of the turbocharger (10), a second speed, different from the first speed, of the turbine wheel (42), which can be rotated in at least one direction of rotation relative to the compressor wheel (38), is set, whereby the compressor wheel (38) rotates at the first speed and at the same time the turbine wheel (42) is operated at the second speed, which is different from the first speed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for operating a turbocharger of a motor vehicle, in particular a motor vehicle, according to the preamble of
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, sodass ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden kann.The object of the present invention is to create a method for operating a turbocharger of a motor vehicle, so that particularly advantageous operation can be implemented.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens. Vorzugsweise ist der Kraftwagen als ein Nutzfahrzeug ausgebildet, der Kraftwagen könnte jedoch alternativ als ein Personenkraftwagen ausgebildet sein. Bei dem Verfahren weist der Turbolader ein Verdichterrad auf, mittels welchem Luft verdichtet wird oder zu verdichten ist, die einem Energiewandler des Kraftfahrzeugs zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand den Turbolader und den Energiewandler aufweist. 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.The invention relates to a method for operating a turbocharger of a motor vehicle, in particular a motor vehicle. The motor vehicle is preferably designed as a commercial vehicle, but the motor vehicle could alternatively be designed as a passenger car. In the method, the turbocharger has a compressor wheel, by means of which air is compressed or is to be compressed, which air is to be supplied or is being supplied to an energy converter of the motor vehicle. This means that the motor vehicle has the turbocharger and the energy converter in its fully manufactured state. The energy converter is, for example, an internal combustion engine, which can be designed in particular as a reciprocating piston engine. In particular, the internal combustion engine can be an Otto engine or else a diesel engine. In this case, the internal combustion engine has at least one combustion chamber, to which the air compressed by means of the compressor is or is to be supplied. In this case, the motor vehicle can be or is driven by means of the internal combustion engine. It is also conceivable that the energy converter is a fuel cell or comprises at least one or more fuel cells, with chemical reaction energy of a fuel fed, in particular continuously, to the fuel cell and an oxidizing agent being convertible or being converted into electrical energy by means of the fuel cell. The fuel is preferably hydrogen (H 2 ). Oxygen from the air that is to be or is being supplied to the fuel cell is preferably used as the oxidizing agent. Thus, the motor vehicle can include the fuel cell in its fully manufactured state. In addition, the motor vehicle can have at least one electric traction machine, for example, which can be supplied with the electrical energy provided by the fuel cell. As a result, the traction machine can be operated as an electric drive motor, by means of which the motor vehicle, in particular purely electrically, can be driven or is driven. The motor vehicle can thus be designed as a motor vehicle that can be driven purely by an internal combustion engine, as a hybrid vehicle or as an electric vehicle, in particular as a hydrogen-electric vehicle. The internal combustion engine, also referred to as an internal combustion engine, can also be a hydrogen engine, ie a hydrogen internal combustion engine, in which hydrogen as the fuel is combusted with the air during fired operation of the internal combustion engine.
Der Turbolader weist auch ein von Abgas des Energiewandlers antreibbares Turbinenrad auf. 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. The turbocharger also has a turbine wheel that can be driven by exhaust gas from the energy converter. The exhaust gas can be air provided by the energy converter and also referred to as exhaust air, in particular when the energy converter is or includes the aforementioned fuel cell. Furthermore, the exhaust gas can be, for example, an exhaust gas that results from combustion processes that take place in the energy converter, in particular in the internal combustion engine and very particularly in the aforementioned combustion chamber. As part of the respective combustion process, a fuel-air mixture is burned, for example, from which the exhaust gas results or is formed.
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.The fuel-air mixture includes, for example, the air supplied to the energy converter, in particular the internal combustion engine and in particular the combustion chamber, and an in particular liquid or gaseous fuel which is supplied to the energy converter, in particular the internal combustion engine and in particular the combustion chamber. The fuel can be an Otto fuel or a diesel fuel or else hydrogen. The combustion processes drive, for example, a piston that partially delimits the combustion chamber and uses it to drive an output shaft of the energy converter, in particular the internal combustion engine, embodied as a crankshaft, whereby the energy converter can or does drive the motor vehicle via the output shaft.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb des Turboladers und somit des Energiewandlers insgesamt realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in wenigstens einem Betriebszustand des Turboladers mittels einer ersten elektrischen Maschine des Turboladers eine erste Drehzahl des Verdichterrads eingestellt und somit bewirkt wird. In dem wenigstens einen Betriebszustand des Turboladers wird mittels einer zusätzlich zur ersten elektrischen Maschine vorgesehenen, zweiten elektrischen Maschine des Turboladers eine von der ersten Drehzahl unterschiedliche, zweite Drehzahl des in wenigstens eine Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad drehbaren Turbinenrads eingestellt und somit bewirkt, wodurch das Verdichterrad mit der ersten Drehzahl und gleichzeitig das Turbinenrad mit der von der ersten Drehzahl unterschiedlichen, zweiten Drehzahl betrieben wird. Dies bedeutet, dass zumindest in dem wenigstens einen Betriebszustand das Verdichterrad und das Turbinenrad, die zusammenfassend auch als Laufräder bezeichnet werden, zumindest derart mechanisch voneinander entkoppelt oder getrennt sind, dass das Turbinenrad zumindest in die wenigstens eine Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad drehbar ist, insbesondere gedreht wird. Somit drehen sich die Laufräder zumindest in dem wenigstens einen Betriebszustand gleichzeitig mit voneinander unterschiedlichen Drehzahlen. Dadurch können die Drehzahlen der Laufräder vorteilhaft an jeweilige Betriebspunkte des Energiewandlers angepasst werden, insbesondere derart, dass sich die Drehzahlen voneinander unterscheiden. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die zweite Drehzahl größer oder kleiner als die erste Drehzahl ist, sodass sich während des wenigstens einen Betriebszustands die Laufräder gleichzeitig mit den voneinander unterschiedlichen Drehzahlen und somit insbesondere relativ zueinander drehen. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad des Turboladers und somit des Energiewandlers geschaffen werden.To now a particularly advantageous operation of the turbocharger and thus the energy To be able to realize the converter as a whole, it is provided according to the invention that in at least one operating state of the turbocharger a first speed of the compressor wheel is set and thus effected by means of a first electric machine of the turbocharger. In the at least one operating state of the turbocharger, a second electric machine of the turbocharger, which is provided in addition to the first electric machine, sets a second speed, which differs from the first speed, of the turbine wheel, which can be rotated in at least one direction of rotation relative to the compressor wheel, and thus causes the compressor wheel to rotate is operated at the first speed and at the same time the turbine wheel is operated at the second speed, which is different from the first speed. This means that at least in the at least one operating state, the compressor wheel and the turbine wheel, which are also referred to collectively as impellers, are mechanically decoupled or separated from one another at least in such a way that the turbine wheel can be rotated at least in at least one direction of rotation relative to the compressor wheel, in particular is rotated. Thus, at least in the at least one operating state, the impellers rotate simultaneously at speeds that differ from one another. As a result, the speeds of the running wheels can advantageously be adapted to the respective operating points of the energy converter, in particular in such a way that the speeds differ from one another. This means in particular that the second speed is greater or less than the first speed, so that during the at least one operating state the impellers rotate simultaneously at different speeds and thus in particular relative to one another. As a result, a particularly high degree of efficiency of the turbocharger and thus of the energy converter can be created.
Das Turbinenrad ist beispielsweise Bestandteil einer Turbine des Turboladers, dessen Turbine von dem Abgas durchströmbar ist. Dabei kann die Turbine ein von dem Abgas durchströmbares Turbinengehäuse umfassen, in welchem das Turbinenrad drehbar angeordnet ist. Somit kann sich beispielsweise das Turbinenrad um eine Turbinenraddrehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehen. Ferner ist es denkbar, dass der Turbolader einen Verdichter aufweist, welcher von der zu verdichtenden Luft durchströmbar ist. Dabei kann der Verdichter ein Verdichtergehäuse aufweisen, in welchem das Verdichterrad drehbar angeordnet ist. Somit kann sich das Verdichterrad um eine Verdichterraddrehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehen. Vorzugsweise verlaufen die Turbinenraddrehachse und die Verdichterraddrehachse parallel zueinander. Vorzugsweise sind die Laufräder koaxial zueinander angeordnet, sodass die Turbinenraddrehachse mit der Verdichterraddrehachse zusammenfällt beziehungsweise umgekehrt. Ferner ist es denkbar, dass das Verdichtergehäuse und das Turbinengehäuse Bestandteile eines Turboladergehäuses sind, wobei das Turbinengehäuse und das das Verdichtergehäuse separat voneinander ausgebildet und miteinander verbunden sein können. Somit sind die Laufräder beispielsweise in dem gemeinsamen Turboladergehäuse angeordnet. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die elektrischen Maschinen ebenfalls in dem Turboladergehäuse angeordnet sind. Da sich nun zumindest in dem wenigstens einen Betriebszustand die Laufräder mit den voneinander unterschiedlichen Drehzahlen gleichzeitig drehen, insbesondere um die Turbinenraddrehachse beziehungsweise um die Verdichterraddrehachse und relativ zu dem Turboladergehäuse, werden der Verdichter und die Turbine zumindest in dem wenigstens einen Betriebszustand drehzahlunabhängig, das heißt im Hinblick auf die Drehzahlen der Laufräder unabhängig voneinander betrieben.The turbine wheel is, for example, part of a turbine of the turbocharger, through which the exhaust gas can flow. The turbine can include a turbine housing through which the exhaust gas can flow and in which the turbine wheel is rotatably arranged. Thus, for example, the turbine wheel can rotate about a turbine wheel axis of rotation relative to the turbine housing. It is also conceivable for the turbocharger to have a compressor through which the air to be compressed can flow. The compressor can have a compressor housing in which the compressor wheel is rotatably arranged. Thus, the compressor wheel can rotate about a compressor wheel axis of rotation relative to the compressor housing. The turbine wheel axis of rotation and the compressor wheel axis of rotation preferably run parallel to one another. The impellers are preferably arranged coaxially with one another, so that the axis of rotation of the turbine wheel coincides with the axis of rotation of the compressor wheel, or vice versa. It is also conceivable for the compressor housing and the turbine housing to be components of a turbocharger housing, with the turbine housing and the compressor housing being able to be designed separately from one another and connected to one another. The impellers are thus arranged, for example, in the common turbocharger housing. It is preferably provided that the electrical machines are also arranged in the turbocharger housing. Since, at least in the at least one operating state, the impellers rotate simultaneously at different speeds, in particular around the turbine wheel axis of rotation or around the compressor wheel axis of rotation and relative to the turbocharger housing, the compressor and the turbine are speed-independent at least in the at least one operating state, i.e. in With regard to the speeds of the impellers operated independently.
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. The invention is based in particular on the following findings: In conventional drive devices that have at least one energy converter such as an internal combustion engine, also referred to as an internal combustion engine, and/or a fuel cell and, if appropriate, at least one or more other units, an air supply device is used to convert the energy converter to be supplied with air, in particular with compressed air. In such a conventional air supply device, the compressor and the turbine or its impellers are mechanically connected to one another in such a way that the impellers are mechanically and permanently non-rotatably connected to one another, so that the impellers always rotate at the same speed and thus together relative to the turbocharger housing.
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 zumindest in dem wenigstens einen Betriebszustand derart mechanisch voneinander getrennt sind, dass sich das Turbinenrad zumindest in die wenigstens eine Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad drehen kann. 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 in Abhängigkeit voneinander eingestellt werden. Durch die 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.This can bring disadvantages, since the design of the turbine and the design of the compressor are mutually dependent and are therefore carried out with compromises. This can now be avoided since the compressor wheel and the turbine wheel are mechanically separated from one another at least in the at least one operating state such that the turbine wheel can rotate at least in the at least one direction of rotation relative to the compressor wheel. For example, an electrical coupling of the running wheels is provided, which means in particular that the electrical machines are electrically coupled to one another. This electrical coupling of the electrical machines and thus the wheels is to be understood in particular that the electrical machines, in particular by means of an electronic computing device, are operated in dependence on each other, so it is conceivable that the speeds of the wheels in dependence be set by each other. Due to the mechanical separation or decoupling of the impellers, the compressor and the turbine can be particularly advantageously adapted to respective, different operating points of the energy converter with regard to the speeds of the impellers. This means that the respective speeds and thus the respective high-speed ratios of the compressor and the turbine can deviate from one another, so that a particularly high degree of efficiency of the turbocharger and thus of the energy converter can be achieved.
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, 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.The electrical coupling takes place, for example, via an electrical interface, via which the electrical machines are actuated, for example, by the electronic computing device common to the electrical machines, and are thus operated, in particular regulated or controlled. The electronic computing device is preferably part of the motor vehicle. Since the speeds are different from one another, the compressor or the compressor wheel can run or rotate slower or faster than the turbine or the turbine wheel. The speeds are set, for example, solely by or as a function of key figures.
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 zumindest in dem wenigstens einen Betriebszustand 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 zumindest in dem wenigstens einen Betriebszustand und zumindest in die wenigstens eine Drehrichtung 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.It has proven to be advantageous if the respective electrical machine has an electrical voltage, in particular an electrical operating or nominal voltage, which is greater than 12 volts, in particular greater than 30 volts. The electrical voltage, in particular the electrical operating or nominal voltage, of the respective electrical machine is preferably at least 48 volts. It has proven to be particularly advantageous if the electrical voltage, in particular the electrical operating or nominal voltage, of the respective electrical machine is greater than 50 volts, in particular greater than 60 volts, and preferably amounts to several hundred volts. In other words, it has proven to be particularly advantageous if the electrical machines are operated at least in the at least one operating state simultaneously with respective electrical voltages, in particular electrical operating or nominal voltages, with the electrical voltage, in particular the electrical operating or nominal voltage, of the first electrical machine and at the same time the electrical voltage, in particular the electrical operating or nominal voltage, of the second electrical machine is greater than 12 volts, in particular greater than 30 volts, and is preferably at least or exactly 48 volts, or is greater than 48 volts, preferably greater than 50 volts, more preferably greater than 60 volts, and most preferably several hundred volts. In particular, the electrical voltage, in particular the electrical operating or nominal voltage, can be 12 volts, 24 volts, 48 volts, 400 volts or 800 volts. It is also conceivable that the electrical voltage is at least or exactly 12 volts, in particular at least or exactly 24 volts. The electrical machine can thus draw electrical energy from and/or feed it into the vehicle electrical system, the electrical voltage of which, in particular electrical operating or nominal voltage, is preferably greater than 12 volts, in particular greater than 30 volts, and is very preferably 48 volts or is greater than 48 volts, in particular greater than 50 volts and most particularly greater than 60 volts, or is preferably several hundred volts. It is therefore preferably provided that the respective electrical machine is a high-voltage component, which is also referred to as a high-voltage component. It is therefore preferably provided that the respective electric machine can be operated or is operated by means of high voltage of, for example, 800 volts. As a result, the space requirement, the costs and the weight of the electrical machine can be kept particularly low, and electrical losses can be kept particularly low, in particular in comparison with low-voltage systems. Due to the mechanical decoupling or separation of the impellers at least in the at least one operating state and at least in the at least one direction of rotation, respective characteristic diagrams of the turbine and the compressor can be used particularly advantageously, as a result of which the turbocharger and thus the energy converter can be operated particularly effectively and efficiently. As a result, the energy consumption, in particular the fuel consumption, of the energy converter, in particular of the internal combustion engine, can be kept particularly low.
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.The turbocharger, in particular at least one of the electrical machines, can be operated, for example, as a generator whose electrical voltage, in particular electrical operating or nominal voltage, can be, for example, at least 12 volts or at least 24 volts or at least 48 volts or more, with the generator being electrical Can provide energy with which at least one or more ancillaries such as an electric water pump and / or an electric oil pump can be supplied in particular bypassing the vehicle electrical system. Thus, the ancillary unit, which can be supplied, for example, with a first electrical voltage, i.e. can be operated using the first electrical voltage, can be supplied with electrical energy by means of the generator, with the vehicle electrical system simultaneously having a voltage that is significantly greater than the first electrical voltage and, for example, at least ten times higher , second may have electrical voltage. In particular, the one electrical machine that can be operated as a generator can be the second electrical machine that can be driven, for example, by the turbine wheel, which in turn can be driven by the exhaust gas. As a result, energy contained in the exhaust gas can be converted into electrical energy, which is provided by the generator, by means of the generator.
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.The turbocharger is preferably designed as a single-stage turbocharger, by means of which the air can be compressed exactly once, ie on a single stage. It has proven to be advantageous if the motor vehicle as a whole has a single-stage compression implemented by means of the turbocharger, so that the entire motor vehicle can compress the air to be supplied to the energy converter only exactly once, i.e. at exactly one stage, by means of the compressor.
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.The motor vehicle can have at least one energy store designed to store electrical energy, which is also referred to as an electrical energy store. The electrical energy store can be a battery, in particular a high-voltage battery, so that the previous and following statements on the electrical voltage, in particular on the electrical operating or nominal voltage, of the respective electrical machine can also be easily applied to the energy store and vice versa. It is therefore conceivable that the electrical energy that is provided by the turbocharger, in particular by one electric machine and is fed into the vehicle electrical system, for example, can be supplied to the energy storage device in particular via the vehicle electrical system and stored in the energy storage device. It is thus conceivable, for example, that one of the electrical machines or both electrical machines, in particular the vehicle electrical system, can be supplied with the electrical energy stored in the energy store in order to operate the respective electrical machine as an electric motor.
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 könnenOverall, it can be seen that the compressor and the turbine can be or are being operated mechanically independently of one another with regard to the speeds of the rotors, so that particularly advantageous thermal-dynamic conditions can be set. As a result, its energy or fuel consumption can be kept particularly low in the entire characteristic map of the energy converter and/or in special operationally relevant areas. In addition, the respective electric machine can provide electrical support and thereby drive the respective impeller, so that a particularly fast response or starting behavior of the turbocharger can be implemented. In addition, an advantageous heat or thermal management of the energy converter can be presented. In comparison to conventional exhaust gas turbochargers, there is also no need to use a bypass device, also known as a waste gate or waste gate valve, via which at least part of the exhaust gas can bypass the turbine wheel, for example, so that the costs, the installation space requirement and the weight can be kept to a particularly low level
Um einen besonders vorteilhaften Betrieb realisieren zu können, ist es in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in dem wenigstens einen Betriebszustand die erste elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und dadurch als Elektromotor betrieben wird. Hierzu wird beispielsweise die erste elektrische Maschine mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie versorgt. Mittels des Elektromotors wird das Verdichterrad angetrieben, wodurch die erste Drehzahl des Verdichterrads eingestellt und die Luft mittels des Verdichterrads verdichtet wird. Hierdurch kann die Luft auch dann besonders vorteilhaft verdichtet und in der Folge der Energiewandler auch dann besonders vorteilhaft mit mittels des Verdichters verdichteter Luft versorgt werden, wenn der Energiewandler keine oder nur eine geringe Menge an Abgas bereitstellt, das heißt wenn das Verdichterrad nicht oder nur mit einer geringen Leistung mittels des Turbinenrads angetrieben werden kann.In order to be able to implement particularly advantageous operation, one embodiment of the invention provides that, in the at least one operating state, the first electric machine is operated in motor mode and thereby as an electric motor. For this purpose, for example, the first electrical machine is supplied with electrical energy stored in the energy store. The compressor wheel is driven by the electric motor, as a result of which the first rotational speed of the compressor wheel is set and the air is compressed by means of the compressor wheel. As a result, the air can also be compressed in a particularly advantageous manner and, as a result, the energy converter can also be supplied with air compressed by means of the compressor in a particularly advantageous manner when the energy converter provides no or only a small amount of exhaust gas, i.e. when the compressor wheel does not or only with a low power can be driven by the turbine wheel.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in dem wenigstens einen Betriebszustand die zweite elektrische Maschine in einem Generatorbetrieb und dadurch als Generator betrieben wird, welcher unter Einstellen der zweiten Drehzahl des Turbinenrads mittels des Turbinenrads angetrieben wird, welches von dem Abgas des Energiewandlers angetrieben wird. Dadurch kann im Abgas des Energiewandlers enthaltene Energie genutzt werden, um das Turbinenrad und über dieses die zweite elektrische Maschine anzutreiben. Somit wird mittels des Turbinenrads und mittels des Generators im Abgas des Energiewandlers enthaltene Energie in elektrische Energie umgewandelt, die von dem Generator bereitgestellt wird und beispielsweise in dem Energiespeicher gespeichert und/oder direkt genutzt werden kann, um wenigstens eine oder mehrere elektrisch betreibbare Komponenten wie beispielsweise die erste elektrische Maschine und/oder eine Pumpe elektrisch zu betreiben. Dadurch kann ein besonders energieeffizienter Betrieb realisiert werden.A further embodiment is characterized in that in the at least one operating state the second electrical machine is operated in generator mode and thereby as a generator, which is driven by means of the turbine wheel, setting the second speed of the turbine wheel, which is driven by the exhaust gas of the energy converter . As a result, energy contained in the exhaust gas of the energy converter can be used to drive the turbine wheel and, via this, the second electrical machine. Thus, by means of the turbine wheel and by means of the generator, energy contained in the exhaust gas of the energy converter is converted into electrical energy, which is provided by the generator and stored, for example, in the energy store and/or can be used directly to generate at least one or more electrically operable components, such as to operate the first electrical machine and/or a pump electrically. As a result, particularly energy-efficient operation can be implemented.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn sich in dem wenigstens einen Betriebszustand das Verdichterrad und das Turbinenrad in die gleiche Drehrichtung drehen. Hierdurch kann ein besonders effizienter und effektiver Betrieb dargestellt werden. Bei dieser gleichen Drehrichtung, in die sich die Laufräder gleichzeitig drehen, insbesondere mit den voneinander unterschiedlichen Drehzahlen, handelt es sich insbesondere um eine der wenigstens einen Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung.It has also been shown to be particularly advantageous if, in the at least one operating state, the compressor wheel and the turbo rotate the wheel in the same direction of rotation. In this way, a particularly efficient and effective operation can be achieved. This same direction of rotation, in which the running wheels rotate simultaneously, in particular at different speeds, is in particular a second direction of rotation opposite to the at least one direction of rotation.
Um einen besonders effizienten Betrieb des Turboladers und somit des Energiewandlers auf besonders kostengünstige Weise realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Verdichterrad und das Turbinenrad, insbesondere permanent, vollständig mechanisch voneinander entkoppelt sind, sodass das Turbinenrad sowohl in die wenigstens eine Drehrichtung als auch in die der wenigstens einen Drehrichtung entgegengesetzte, zweite Drehrichtung, insbesondere frei, das heißt unbegrenzt, grenzenlos beziehungsweise unendlich oft, relativ zu dem Verdichterrad drehbar ist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass der Turbolader und insbesondere das Kraftfahrzeug insgesamt frei von einer Koppeleinrichtung ist, mittels welcher die Laufräder drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, miteinander gekoppelt oder koppelbar sind. Dadurch können die Drehzahlen der Laufräder besonders bedarfsgerecht eingestellt werden, sodass der Turbolader besonders bedarfsgerecht an jeweilige Betriebspunkte des Energiewandlers angepasst werden kann.In order to be able to implement a particularly efficient operation of the turbocharger and thus of the energy converter in a particularly cost-effective manner, it is provided in a further embodiment of the invention that the compressor wheel and the turbine wheel are completely mechanically decoupled from one another, in particular permanently, so that the turbine wheel can be at least one direction of rotation and in the at least one direction of rotation opposite, second direction of rotation, in particular freely, that is unlimited, limitless or infinitely often, is rotatable relative to the compressor wheel. This is to be understood in particular as meaning that the turbocharger and in particular the motor vehicle as a whole is free of a coupling device, by means of which the running wheels are or can be coupled to one another in a torque-transmitting, in particular non-rotatable manner. As a result, the speeds of the impellers can be set as required, so that the turbocharger can be adapted to the respective operating points of the energy converter as required.
Um einen besonders energieeffizienten Betrieb des Turboladers und somit des Energiewandlers realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Turbinenrad in die wenigstens eine Drehrichtung, insbesondere frei und somit unbegrenzt, grenzenlos beziehungsweise unendlich oft, relativ zu dem Verdichterrad drehbar ist, wobei das Turbinenrad in die der wenigstens einen Drehrichtung entgegengesetzte, zweite Drehrichtung drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit dem Verdichterrad gekoppelt ist. Mit anderen Worten, wird das Turbinenrad beispielsweise in die wenigstens eine Drehrichtung, welche auch als erste Drehrichtung bezeichnet wird, gedreht, beispielsweise derart, dass eine Drehung des Verdichterrads in die erste Drehrichtung unterbleibt oder dass das Verdichterrad mit einer geringeren Drehzahl als das Turbinenrad in die erste Drehrichtung gedreht wird, so wird das Turbinenrad in die erste Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad gedreht beziehungsweise das Turbinenrad dreht sich in die erste Drehrichtung mit einer größeren Drehzahl und somit schneller als das Verdichterrad. Wird jedoch das Turbinenrad in die zweite Drehrichtung, in die das Turbinenrad drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit dem Verdichterrad gekoppelt ist, gedreht, so nimmt das Turbinenrad das Verdichterrad mit, mithin treibt das Turbinenrad das Verdichterrad an, sodass das Verdichterrad mit dem Turbinenrad in die zweite Drehrichtung mitgedreht wird. Dies bedeutet auch, dass sich das Verdichterrad in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Turbinenrad drehen kann, sodass sich beispielsweise die Laufräder gleichzeitig in die zweite Drehrichtung drehen können, derart, dass sich das Verdichterrad mit einer größeren Drehzahl als das Turbinenrad in die zweite Drehrichtung dreht, und das Verdichterrad kann sich in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Turbinenrad drehen, während eine Drehung des Turbinenrads in die zweite Drehrichtung dreht. Wird somit das Verdichterrad in die zweite Drehrichtung gedreht, so nimmt das Verdichterrad das Turbinenrad nicht in die zweite Drehrichtung mit, mithin unterbleibt ein durch das Verdichterrad bewirktes Antreiben beziehungsweise Drehen des Turbinenrads in die zweite Drehrichtung.In order to be able to implement a particularly energy-efficient operation of the turbocharger and thus of the energy converter, it is provided in a further embodiment of the invention that the turbine wheel can be rotated in the at least one direction of rotation, in particular freely and therefore unlimitedly, limitlessly or infinitely often, relative to the compressor wheel , wherein the turbine wheel is coupled to the compressor wheel in a torque-transmitting manner, in particular in a rotationally fixed manner, in the second direction of rotation, which is opposite to the at least one direction of rotation. In other words, the turbine wheel is rotated, for example, in the at least one direction of rotation, which is also referred to as the first direction of rotation, for example in such a way that the compressor wheel does not rotate in the first direction of rotation or that the compressor wheel rotates at a lower speed than the turbine wheel in the first direction first direction of rotation is rotated, the turbine wheel is rotated in the first direction of rotation relative to the compressor wheel or the turbine wheel rotates in the first direction of rotation at a higher speed and thus faster than the compressor wheel. However, if the turbine wheel is rotated in the second direction of rotation, in which the turbine wheel is coupled to the compressor wheel in a torque-transmitting manner, in particular in a torque-proof manner, the turbine wheel takes the compressor wheel with it, and the turbine wheel therefore drives the compressor wheel, so that the compressor wheel with the turbine wheel rotates in the second direction of rotation is also rotated. This also means that the compressor wheel can rotate in the second direction of rotation relative to the turbine wheel, so that, for example, the impellers can rotate simultaneously in the second direction of rotation, such that the compressor wheel rotates in the second direction of rotation at a greater speed than the turbine wheel , and the compressor wheel may rotate in the second direction of rotation relative to the turbine wheel while rotating the turbine wheel in the second direction of rotation. If the compressor wheel is rotated in the second direction of rotation, the compressor wheel does not take the turbine wheel with it in the second direction of rotation, and the turbine wheel is therefore not driven or rotated in the second direction of rotation by the compressor wheel.
Wieder mit anderen Worten ausgedrückt kann insbesondere nach Art eines zwischen den Laufrädern angeordneten Freilaufs das Verdichterrad das Turbinenrad in die zweite Drehrichtung überholen, sodass ein durch das Verdichterrad bewirktes Antreiben des Turbinenrads unterbleibt. Das Verdichterrad nimmt das Turbinenrad nicht mit, wenn das Verdichterrad in die zweite Drehrichtung gedreht wird. Wird jedoch das Turbinenrad in die der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung gedreht, so treibt das Turbinenrad das Verdichter an beziehungsweise das Turbinenrad nimmt das Verdichterrad mit. Umgekehrt bedeutet dies, dass dann, wenn das Turbinenrad in die erste Drehrichtung gedreht wird, das Turbinenrad das Verdichterrad nicht mitnimmt, sodass das Turbinenrad das Verdichterrad in die erste Drehrichtung nicht antreibt. Somit kann das Turbinenrad das Verdichterrad in die zweite Drehrichtung antreiben, sodass beispielsweise das Verdichterrad über das Turbinenrad mittels des Abgases des Energiewandlers angetrieben werden und in die zweite Drehrichtung gedreht werden kann. Jedoch kann beispielsweise die erste elektrische Maschine das Verdichterrad antreiben und dadurch in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Turbinenrad drehen, ohne dass das Turbinenrad von dem Verdichterrad beziehungsweise von der ersten elektrischen Maschine angetrieben wird. Das Verdichterrad kann sich dabei schneller in die zweite Drehrichtung drehen als das Turbinenrad, sodass dann, wenn der Energiewandler das Abgas bereitstellt, das Turbinenrad mittels des Abgases angetrieben und dabei in die zweite Drehrichtung gedreht werden kann, jedoch beispielsweise mit einer gegenüber dem Verdichterrad geringeren Drehzahl. Somit können sich die Laufräder gleichzeitig in die zweite Drehrichtung drehen, jedoch mit voneinander unterschiedlichen, gegenüber null größeren Drehzahlen oder Drehgeschwindigkeiten.In other words, the compressor wheel can overtake the turbine wheel in the second direction of rotation, in particular in the manner of a freewheel arranged between the running wheels, so that the turbine wheel is not driven by the compressor wheel. The compressor wheel does not take the turbine wheel with it when the compressor wheel is rotated in the second direction of rotation. However, if the turbine wheel is rotated in the second direction of rotation, which is opposite to the first direction of rotation, the turbine wheel drives the compressor or the turbine wheel takes the compressor wheel with it. Conversely, this means that when the turbine wheel is rotated in the first direction of rotation, the turbine wheel does not take the compressor wheel with it, so that the turbine wheel does not drive the compressor wheel in the first direction of rotation. The turbine wheel can thus drive the compressor wheel in the second direction of rotation, so that, for example, the compressor wheel can be driven via the turbine wheel by means of the exhaust gas of the energy converter and can be rotated in the second direction of rotation. However, for example, the first electrical machine can drive the compressor wheel and thereby rotate in the second direction of rotation relative to the turbine wheel, without the turbine wheel being driven by the compressor wheel or by the first electrical machine. The compressor wheel can rotate faster in the second direction of rotation than the turbine wheel, so that when the energy converter provides the exhaust gas, the turbine wheel can be driven by the exhaust gas and rotated in the second direction of rotation, but for example at a lower speed than the compressor wheel . Thus, the impellers can rotate simultaneously in the second direction of rotation, but at different speeds or rotational speeds that are greater than zero.
Diese drehmomentübertragende beziehungsweise drehfeste Kopplung der Laufräder kann beispielsweise über den zuvor genannten Freilauf realisiert werden. Somit gibt beispielsweise der Freilauf das Turbinenrad für eine relativ zu dem Verdichterrad in die erste Drehrichtung erfolgende Drehung frei, wobei der Freilauf das Turbinenrad gegen eine in die zweite Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad erfolgende Drehung sperrt. Hierdurch kann auf besonders kostengünstige Weise realisiert werden, dass einerseits das Verdichterrad von dem Turbinenrad mittels des Abgases des Energiewandlers angetrieben werden kann und andererseits die erste elektrische Maschine das Verdichterrad antreiben kann, ohne dabei das Turbinenrad anzutreiben, während das Turbinenrad von Abgas des Energiewandlers antreibbar ist beziehungsweise angetrieben wird. Hierdurch kann ein besonders vorteilhafter Betrieb gewährleistet werden.This torque-transmitting or non-rotatable coupling of the wheels can be realized, for example, via the aforementioned freewheel. Thus, for example, the freewheel releases the turbine wheel for rotation relative to the compressor wheel in the first direction of rotation, with the freewheel locking the turbine wheel against rotation in the second direction of rotation relative to the compressor wheel. This makes it possible to realize in a particularly cost-effective manner that, on the one hand, the compressor wheel can be driven by the turbine wheel using the exhaust gas from the energy converter and, on the other hand, the first electric machine can drive the compressor wheel without driving the turbine wheel, while the turbine wheel can be driven by exhaust gas from the energy converter or is driven. A particularly advantageous operation can be ensured in this way.
Um einen besonders bedarfsgerechten und somit vorteilhaften Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine Koppeleinrichtung des Turboladers von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand umgeschaltet wird. In einem der Zustände gibt die Koppeleinrichtung das Turbinenrad zumindest für eine in die wenigstens eine Drehrichtung relativ zu dem Verdichterrad erfolgende, vorzugsweise freie, Drehung frei, sodass in dem einen Zustand das Turbinenrad zumindest in die erste Drehrichtung, und vorzugsweise auch in die zweite Drehrichtung, frei und somit unbegrenzt relativ zu dem Verdichterrad gedreht werden kann. In dem anderen Zustand jedoch ist das Turbinenrad mit dem Verdichterrad mittels der Koppeleinrichtung derart gekoppelt, dass das Turbinenrad mit dem Verdichterrad mittels der Koppeleinrichtung zumindest in die wenigstens eine Drehrichtung und vorzugsweise auch in die der wenigstens einen Drehrichtung entgegengesetzte, zweite Drehrichtung drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, gekoppelt ist. Vorzugsweise gibt in dem einen Zustand die Koppeleinrichtung das Verdichterrad und das Turbinenrad auch für eine in die zweite Drehrichtung relativ zueinander erfolgende, insbesondere freie, Drehung frei. Die Koppeleinrichtung kann beispielsweise in dem anderen Zustand ein Magnetfeld und somit magnetische Kräfte bereitstellen, sodass in dem anderen Zustand mittels des Magnetfelds beziehungsweise mittels der Magnetkräfte die Laufräder wie beschrieben miteinander gekoppelt sind. In dem einen Zustand unterbleibt das Bereitstellen des Magnetfelds durch die Koppeleinrichtung, sodass in dem einen Zustand die Laufräder zumindest in die wenigstens eine Drehrichtung und vorzugsweise auch in die zweite Drehrichtung relativ zueinander gedreht werden können. Dadurch können die Laufräder besonders bedarfsgerecht mechanisch miteinander gekoppelt und voneinander entkoppelt werden, sodass ein besonders bedarfsgerechter und somit effektiver und effizienter Betrieb darstellbar ist.In order to be able to implement a particularly needs-based and thus advantageous operation, it is provided in a further embodiment of the invention that a coupling device of the turbocharger is switched over from a first state to a second state. In one of the states, the coupling device releases the turbine wheel at least for one, preferably free, rotation in the at least one direction of rotation relative to the compressor wheel, so that in one state the turbine wheel rotates at least in the first direction of rotation, and preferably also in the second direction of rotation. can be rotated freely and thus indefinitely relative to the compressor wheel. In the other state, however, the turbine wheel is coupled to the compressor wheel by means of the coupling device in such a way that the turbine wheel transmits torque to the compressor wheel by means of the coupling device at least in the at least one direction of rotation and preferably also in the second direction of rotation opposite to the at least one direction of rotation, in particular non-rotatably. is coupled. In one state, the coupling device preferably also releases the compressor wheel and the turbine wheel for rotation, in particular free rotation, relative to one another in the second direction of rotation. The coupling device can, for example, provide a magnetic field and thus magnetic forces in the other state, so that in the other state the running wheels are coupled to one another as described by means of the magnetic field or by means of the magnetic forces. In one state, the magnetic field is not provided by the coupling device, so that in one state the running wheels can be rotated relative to one another at least in the at least one direction of rotation and preferably also in the second direction of rotation. As a result, the impellers can be mechanically coupled to one another and decoupled from one another in a particularly need-based manner, so that operation that is particularly needs-based and therefore more effective and efficient can be represented.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass in wenigstens einem weiteren Betriebszustand des Turboladers mittels der ersten elektrischen Maschine eine dritte Drehzahl des Verdichterrads und mittels der zweiten elektrischen Maschine eine der dritten Drehzahl entsprechende, vierte Drehzahl des Turbinenrads eingestellt wird, wodurch das Verdichterrad mit der dritten Drehzahl und gleichzeitig das Turbinenrad mit der vierten Drehzahl betrieben wird. Die dritte beziehungsweise vierte Drehzahl kann der ersten oder der zweiten Drehzahl entsprechen, wobei die dritte Drehzahl und die vierte Drehzahl gleich sind. Somit ist der Turbolader vorzugsweise auch dazu ausgebildet, die Turbine und den Verdichter im Hinblick auf ihre Drehzahlen gleich und somit drehzahlgleich zu betreiben, sodass sich die Laufräder zumindest in dem wenigstens einen weiteren Betriebszustand gleichzeitig mit der gleichen beziehungsweise mit derselben Drehzahl, insbesondere relativ zu dem Turboladergehäuse, drehen. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Turbinenrad das Verdichterrad antreibt und dadurch beispielsweise in die wenigstens eine Drehrichtung dreht.In a particularly advantageous embodiment of the invention, it is provided that in at least one further operating state of the turbocharger, a third speed of the compressor wheel is set by means of the first electric machine and a fourth speed of the turbine wheel, which corresponds to the third speed, is set by means of the second electric machine, whereby the Compressor wheel with the third speed and at the same time the turbine wheel is operated with the fourth speed. The third and fourth speeds may correspond to the first or the second speed, with the third speed and the fourth speed being the same. Thus, the turbocharger is preferably also designed to operate the turbine and the compressor in terms of their speeds at the same speed and thus at the same speed, so that the impellers, at least in the at least one other operating state, rotate at the same time or at the same speed, in particular relative to the Turbocharger housing, rotate. This can be the case in particular when the turbine wheel drives the compressor wheel and thereby rotates, for example, in the at least one direction of rotation.
Somit hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn sich in dem wenigstens einen weiteren Betriebszustand das Verdichterrad und das Turbinenrad in die gleiche Drehrichtung, insbesondere in die zweite Drehrichtung, drehen.It has thus proven to be advantageous if, in the at least one further operating state, the compressor wheel and the turbine wheel rotate in the same direction of rotation, in particular in the second direction of rotation.
Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die zuvor genannte, elektronische Recheneinrichtung vorgesehen, mittels welcher die elektrischen Maschinen angesteuert werden, wodurch die Drehzahlen eingestellt werden. 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.In a further advantageous embodiment of the invention, the aforementioned electronic computing device is provided, by means of which the electrical machines are controlled, as a result of which the speeds are set. Controlling is to be understood in particular as meaning that the electronic computing device provides signals, in particular electrical signals, which are received by the electrical machines. As a result, the electrical machines are controlled and thereby operated, in particular controlled or regulated.
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.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:
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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.
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1 a schematic sectional view of a turbocharger for an energy converter of a motor vehicle; -
2 a schematic representation of a drive device of the motor vehicle, the drive device of which comprises the energy converter and the turbocharger according to a first embodiment; -
3 a schematic representation of the turbocharger according to the first embodiment; -
4 a schematic representation of the turbocharger according to a second embodiment; -
5 a schematic representation of the turbocharger according to a third embodiment; and -
6 a schematic representation of the turbocharger according to a fourth embodiment.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.Elements that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in the figures.
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
The
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.The
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.The
Bei dem in
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.In this case, an
Aus
Wie in
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.In order to now be able to implement a particularly advantageous and particularly efficient operation of the
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.In addition, an
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
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
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.In order to be able to implement a particularly advantageous and particularly energy-efficient operation of
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. Es ist denkbar, dass 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 ist es denkbar, dass das Verdichterrad 38 und das Turbinenrad 42 permanent vollständig mechanisch voneinander entkoppelt sind, 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.For example, in the at least one operating state,
Der Turbolader 10 kann 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
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.Furthermore, it is conceivable that the
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.For example, if the
In
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.An exhaust
Schließlich zeigt
Aus
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.For a radial turbine, an advantageous degree of efficiency is achieved with a speed ratio that is greater than or equal to 0.6 and less than or equal to 0.8. However, such a high-speed number is usually undercut during operation at relevant operating points due to the speed limitation. An increase in an entry radius is often not possible due to mechanical limitations.
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.The mechanical separation of the
BezugszeichenlisteReference List
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- Gehäuseelementhousing element
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- 3434
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