DE102020117321B4 - Abgasturbolader und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Abgasturbolader, mit folgenden Merkmalen:
- der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter (14), eine erste und eine zweite Axialturbine (19), einen elektrischen Generator (17) und einen Elektromotor (18),
- die Axialturbinen (19) sind dazu eingerichtet, den Generator (17) anzutreiben,
- der Generator (17) ist dazu eingerichtet, den Elektromotor (18) zu speisen und
- der Elektromotor (18) ist dazu eingerichtet, den Verdichter (14) anzutreiben, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die erste Axialturbine (19) und die zweite Axialturbine (19) weisen eine gemeinsame Abtriebswelle und einen gemeinsamen Austritt auf,
- der Austritt ist fluidtechnisch mit einem Abgaskatalysator (13) verbunden,
- der Generator (17) ist auf der Abtriebswelle zwischen der ersten Axialturbine (19) und der zweiten Axialturbine (19) angeordnet,
- die Axialturbinen (19) umfassen jeweils ein Turbinengehäuse (11) und ein innerhalb des Turbinengehäuses (11) drehbar gelagertes Turbinenrad (12) und
- die Axialturbinen (19) sind dazu eingerichtet, die Turbinenräder (12) in entgegengesetzten Richtungen entlang der Abtriebswelle anzuströmen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Hinlänglich bekannt ist es, Verbrennungsmotoren für Straßenfahrzeuge mit einem oder mehreren Turboladern auszustatten.
  • Herkömmliche Turbolader zeichnen sich durch einen über eine Welle mit einer Radialturbine verbundenen Radialverdichter aus.
  • Anstelle von Radialturbinen (1), bei denen das heiße Abgas radial auf das Turbinenrad geströmt wird, werden mitunter sogenannte Mixed-Flow-Turbinen ( 2) oder Axialturbinen (3) eingesetzt, bei denen die Strömung axial oder teilaxial auf das Rad geleitet wird.
  • Bei einem Motor mit sechs oder mehr Zylindern werden häufig die Abgase von drei oder mehr Zylindern zusammengeführt und auf eine Turbine geleitet. Das bedeutet, dass der Motor mit zwei Abgasturboladern ausgestattet wird (Biturbo), seltener auch mit vier Turboladern.
  • Jede Turbine ist hierbei üblicherweise über eine eigene Welle mit einem Verdichter verbunden. US 2397941A beschreibt zudem die Koppelung zweier Axialturbinen mittels einer gemeinsamen Welle.
  • Grundsätzlich bekannt ist es auch, Turbine und Verdichter eines Aufladesystems nicht mittels einer Welle miteinander zu koppeln, sondern die Turbine mit einem Generator und den Verdichter mit einer elektrischen Maschine (im Folgenden kurz: „E-Maschine“) zu verbinden. Hierzu sei beispielhaft auf DE10 2007 017 777B4 verwiesen.
  • Es wurde ferner vorgeschlagen, mit einer Welle zwei Turbinen zu verbinden, welche die von ihnen aufgenommene Leistung über eine E-Maschine abgeben, die ebenfalls auf der Welle montiert ist. Zwei Verdichter werden hierbei ebenfalls auf einer Welle mit einer E-Maschine verbunden. Dadurch können Verdichter und Turbine getrennt voneinander mit ihren jeweiligen E-Maschinen betrieben werden (4).
  • DE 10 2009 053 490 A1 offenbart den Gegenstand der Präambel des Anspruchs 1.
  • DE 10 2018 109 138 A1 betrifft einen Turbolader, welcher eine Turboladerturbine und einen Turboladerverdichter aufweist, wobei die Turboladerturbine ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes Turboladerturbinenrad aufweist, welches über eine erste Welle mit einem Turboladerverdichterrad des Turboladerverdichters verbunden ist, und wobei im Turbinengehäuse des Weiteren ein Nutzturbinenrad einer Nutzturbine angeordnet ist, welches über eine zweite Welle mit einem Verbraucher verbunden ist, und wobei das Nutzturbinenrad durch einen Diffusorkanal der Turboladerturbine mit Abgas anströmbar ist.
  • In einer Turbolader-Anordnung gemäß 5 sind die Turbine und der Verdichter auf einer gemeinsamen Welle verbunden. Die Turbinenleistung wird üblicherweise durch ein Bypass-Ventil gesteuert, sodass der Verdichter genügend Leistung aufnehmen kann, um den erforderlichen Ladedruck zu erzeugen. Bei solch einer radialen Anordnung der Turbine wird deren Größe derart festgelegt, dass ein wesentlicher Teil der Abgase nicht durch die Turbine, sondern durch das Bypass-Ventil strömt, weil das Leistungsangebot sonst zu hoch wäre.
  • Wenn das Bypass-Ventil geschlossen bliebe und der gesamte Abgasmassenstrom durch die Abgasturbine strömen würde, stiege damit der Druck vor der Turbine derart stark an, dass die Leistung des Verbrennungsmotors beeinträchtigt würde.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt einen Abgasturbolader sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Ein Vorzug dieser Lösung liegt darin, dass die Geschwindigkeit von Turbine und Verdichter unabhängig voneinander eingestellt werden kann, um für Generator und Elektromotor den jeweils optimalen Betriebspunkt einzustellen.
  • Zudem kann, um dem Abgas die größtmögliche Energie zu entziehen, das Bypass-Ventil komplett geschlossen und der gesamte Abgasmassenstrom über die Turbine geleitet werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So werden zwei Möglichkeiten aufgezeigt, um dem negativen Effekt einer starken Druckerhöhung vor der Turbine entgegenzuwirken. Zu diesem Zweck kommt einerseits eine Vergrößerung der Radialturbine, andererseits die Veränderung des „Schluckvermögens“ der Turbine durch die Verwendung einer Axialturbine in Betracht, welche hohe Wirkungsgrade erzielen kann, ohne dafür ein großes Druckverhältnis zu benötigen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
    • 1 zeigt eine Radialturbine.
    • 2 zeigt eine Mixed-Flow-Turbine.
    • 3 zeigt eine Axialturbine.
    • 4 zeigt eine Biturbolader-Anordnung.
    • 5 zeigt eine herkömmliche Turbolader-Anordnung.
    • 6 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung.
    • 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
    • 8 zeigt eine Einzelheit der zweiten Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Gemäß 6 werden die Abgasturbine (15) und der Verdichter (14) nicht durch eine gemeinsame Welle, sondern jeweils mit einer elektrischen Maschine (17, 18) verbunden.
  • 7 veranschaulicht ein Motorkonzept mit sechs auf zwei Zylinderbänke verteilten Zylindern. Die dargestellte Anordnung sieht vor, dass ein Verdichter (14) von einem Elektromotor (18) angetrieben wird und den für den Verbrennungsmotor erforderlichen Ladedruck bereitstellt.
  • Auf der Abgasseite ist vorgesehen, zwei Axialturbinen (19) und einen Generator (17) auf einer gemeinsamen Welle anzuordnen, wobei der Generator (17) zwischen den Axialturbinen (19) angeordnet wird. Diese Anordnung wird im Folgenden anhand der 8 beschrieben.
  • Wie der Abbildung zu entnehmen ist, werden die Axialturbinen (19) anders als üblich von außen angeströmt, sodass eine optimale Anströmung der Schaufeln (12) erfolgen kann und keine Umlenkung erfolgen muss. Jede Bank des Motors durchströmt somit eine Axialturbine (19).
  • Am Turbinenaustritt werden die beiden Abgasströme zusammengeführt und können weiter auf einen gemeinsamen Abgaskatalysator (13) geführt werden.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend anhand von Axialturbinen (19) beschriebene Anordnung unter geeigneten Anpassungen mit zwei Radial- oder anderweitigen Abgasturbinen (15) umgesetzt werden mag, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (3)

  1. Abgasturbolader, mit folgenden Merkmalen: - der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter (14), eine erste und eine zweite Axialturbine (19), einen elektrischen Generator (17) und einen Elektromotor (18), - die Axialturbinen (19) sind dazu eingerichtet, den Generator (17) anzutreiben, - der Generator (17) ist dazu eingerichtet, den Elektromotor (18) zu speisen und - der Elektromotor (18) ist dazu eingerichtet, den Verdichter (14) anzutreiben, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die erste Axialturbine (19) und die zweite Axialturbine (19) weisen eine gemeinsame Abtriebswelle und einen gemeinsamen Austritt auf, - der Austritt ist fluidtechnisch mit einem Abgaskatalysator (13) verbunden, - der Generator (17) ist auf der Abtriebswelle zwischen der ersten Axialturbine (19) und der zweiten Axialturbine (19) angeordnet, - die Axialturbinen (19) umfassen jeweils ein Turbinengehäuse (11) und ein innerhalb des Turbinengehäuses (11) drehbar gelagertes Turbinenrad (12) und - die Axialturbinen (19) sind dazu eingerichtet, die Turbinenräder (12) in entgegengesetzten Richtungen entlang der Abtriebswelle anzuströmen.
  2. Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Kraftfahrzeug weist einen Abgasturbolader nach Anspruch 1 sowie den Abgaskatalysator (13) auf.
  3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kraftfahrzeug weist ferner einen Ladeluftkühler (16) auf und - der Verdichter (14) ist fluidtechnisch mit dem Ladeluftkühler (16) verbunden.
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