DE102020124094B4

DE102020124094B4 - System für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102020124094B4
Application number: DE102020124094.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Kersten
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2040-09-17
Also published as: DE102020124094A1

Abstract

System für einen Verbrennungsmotor (2), der mit einem Luftzufuhrkanal verbunden und über den Luftzufuhrkanal mit Luft, die in einer Strömungsrichtung strömt, zu versorgen ist, wobei das System (90) mindestens drei Verdichter aufweist, die in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet sind, wobei das System (90) mindestens zwei als Zusatzverdichter (92, 100) ausgebildete elektrisch angetriebene Verdichter und einen als Turboverdichter (10) ausgebildeten Verdichter aufweist, die in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet sind, wobei das System einen Abgasturbolader (12) mit dem als Turboverdichter (10) ausgebildeten Verdichter umfasst, wobei der in dem Luftzufuhrkanal des Systems (90) angeordnete Turboverdichter (10) des Abgasturboladers (12) über eine Welle mit einer Turbine (14) des Abgasturboladers (12) verbunden ist, wobei diese Turbine (14) in einem Abgasabfuhrkanal des Systems (90) angeordnet ist, wobei in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft hintereinander ein erster Zusatzverdichter (92), der Turboverdichter (10) und ein zweiter Zusatzverdichter (100) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein System für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors.
Durch effizienten Betrieb eines Verbrennungsmotors können dessen Abgase reduziert werden.
Die Druckschrift DE 10 2009 026 469 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ladedruckregelung einer Aufladeeinrichtung.
Ein Verbrennungsmotor ist aus der Druckschrift DE 10 2013 111 002 A1 bekannt.
In der Druckschrift DE 10 2019 115 180 A1 sind ein System und Verfahren zum Beschleunigen der Motorerwärmung beschrieben.
Die Druckschrift DE 11 2017 002 878 T5 beschreibt ein Ansaugsystem für einen Verbrennungsmotor, das zwei Superlader umfasst, die Luft, die durch das Ansaugsystem strömt, vor der Abgabe an den Verbrennungsmotor verdichten. Die Superlader sind miteinander und mit einem Turbolader in Reihe angeordnet. Das Ansaugsystem umfasst zudem eine erste Umgehungsleitung mit einem Umgehungsventil, um den ersten elektrischen Superlader zu umgehen, und eine separate zweite Umgehungsleitung mit einem Umgehungsventil, um den zweiten elektrischen Superlader zu umgehen. Dabei ist es möglich, beide Superlader durch Halten der Umgehungsventile in offenen Positionen zu umgehen, oder sie in geschlossene Positionen zu bewegen, um Luft, die durch das Ansaugsystem an den Verbrennungsmotor abgegeben wird, weiter zu verdichten.
Ein Vier-Zylinder-Reihenmotor als aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung ist aus der Druckschrift DE 10 2016 201 464 A1 bekannt und verfügt über ein Ansaugsystem zur Versorgung von Zylindern mit Ladeluft und über ein Abgasabführsystem zur Abführung von Abgasen verfügt.
In der Druckschrift DE 10 2010 007 601 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladegruppe beschrieben. Die Aufladegruppe umfasst drei Aufladestufen, nämlich eine Niederdruckstufe mit zwei Abgasturboladern, eine Hochdruckstufe mit einem Abgasturbolader und einen Kompressor. Jeder Abgasturbolader besteht aus einem Verdichter zur Förderung von Ladeluft und eine von Abgas beaufschlagte Turbine.
In der Druckschrift JP S55-109727 A ist ein Dieselmotor mit niedriger Ausgangsleistung beschrieben. Dabei sind ein Hochdrucklader und ein Niederdrucklader vorgesehen, die mit einem von dem Dieselmotor angetriebenen Hilfsgebläse verbunden sind.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, einen Verbrennungsmotor effektiv zu betreiben.
Diese Aufgabe wird durch ein System und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des Systems und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
Das erfindungsgemäße System ist für einen Verbrennungsmotor ausgebildet, der mit einem Luftzufuhrkanal verbunden und über den Luftzufuhrkanal mit Luft, die in einer Strömungsrichtung strömt, zu versorgen bzw. versorgbar ist, wobei das System mindestens drei Verdichter aufweist, die in dem Luftzufuhrkanal bzw. entlang des Luftkanals in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Verbrennungsmotor hintereinander angeordnet sind.
Das System weist mindestens zwei als Zusatzverdichter ausgebildete Verdichter, die üblicherweise elektrisch angetrieben sind bzw. werden, und einen als Turboverdichter ausgebildeten Verdichter eines Abgasturboladers auf, wobei diese Verdichter in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Verbrennungsmotor hintereinander angeordnet sind.
In dem Luftzufuhrkanal sind in der Strömungsrichtung der Luft hintereinander ein erster elektrisch angetriebener Zusatzverdichter, der Turboverdichter und ein zweiter elektrisch angetriebener Zusatzverdichter angeordnet.
Weiterhin ist es möglich, dass das System mindestens einen Ladeluftkühler aufweist, der in dem Luftzufuhrkanal bzw. entlang des Luftzufuhrkanals vor dem Verbrennungsmotor angeordnet ist.
Dabei ist es möglich, dass ein erster Ladeluftkühler zwischen einem zweiten Verdichter, bspw. dem Turboverdichter und einem dritten Verdichter, bspw. dem zweiten Zusatzverdichter angeordnet ist.
Weiterhin ist ein zweiter Ladeluftkühler zwischen dem letzten, in der Regel dem dritten Verdichter, bspw. dem zweiten Zusatzverdichter, und dem Verbrennungsmotor angeordnet. Der Verbrennungsmotor ist üblicherweise zum Antreiben eines Fahrzeugs, bspw. eines Kraftfahrzeugs ausgebildet, wobei das Kraftfahrzeug neben dem Verbrennungsmotor auch das hier vorgestellte System aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Verbrennungsmotors ausgebildet, der mit einem Luftzufuhrkanal verbunden und über den Luftzufuhrkanal mit Luft, die in einer Strömungsrichtung strömt, versorgt wird, wobei in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Verbrennungsmotor mindestens drei Verdichter angeordnet sind.
Das vorgestellte Verfahren wird mit dem vorgestellten System durchgeführt, wobei Komponenten des Systems, d. h. die drei Verdichter und mindestens ein optional vorgesehener Ladeluftkühler, in dem Luftzufuhrkanal bzw. entlang des Luftzufuhrkanals vor dem Verbrennungsmotor hintereinander angeordnet sind.
Dabei ist es möglich, dass die in dem Luftzufuhrkanal strömende Luft von den drei Verdichtern dreimal und/oder dreistufig verdichtet wird. Außerdem wird die Luft bei dem Verfahren dreistufig geregelt aufgeladen.
Mit dem Verfahren und/oder mit dem System ist es u. a. möglich, eine Leistungsdichte des Verbrennungsmotors bzw. einer entsprechenden Verbrennungskraftmaschine zu erhöhen. Dabei wird mit den drei Verdichtern bzw. drei Verdichterstufen eine elektrifizierte dreistufig geregelte Aufladung der Luft für den Verbrennungsmotor durchgeführt. Es wird neben zwei bereits vorhandenen Verdichterstufen eine zusätzliche elektrische Verdichterstufe für den Luftzufuhrkanal bereitgestellt. Somit ist es u. a. möglich, thermodynamische Potentiale für die strömende Luft zu erhöhen. Dabei ist eine thermodynamische Auslegung der Verdichter und deren Anordnung in dem Luftzufuhrkanal von Bedeutung, wodurch das thermodynamische Potential angehoben wird. Dabei werden durch gezielte Auslegung die zwei elektrischen Zusatzverdichter auch in Relation zu dem Turboverdichter aufeinander und auf eine jeweilige Einbauposition innerhalb des Luftzufuhrkanals aufeinander abgestimmt, wobei Vorteile der einzelnen Verdichter, also der Zusatzverdichter und des Turboverdichters, in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebspunkt genutzt werden. Dabei ist es möglich, neben dem einen Turboverdichter des Abgasturboladers die zwei elektrischen Zusatzverdichter einzusetzen. Hierzu können funktionale Synergieeffekte in jeweiligen Betriebspunkten genutzt werden, wobei Vorteile eines jeweiligen Zusatzverdichters genutzt werden können, ohne etwaige Nachteile hinsichtlich einer jeweiligen Einbauposition hinnehmen zu müssen. Dabei kann u. a. eine Komplexität in einer Ladeluftkühlung reduziert werden.
Die in dem Luftzufuhrkanal vor dem Verbrennungsmotor angeordneten Verdichter, also der Turboverdichter und die Zusatzverdichter, können als elektrische Verdichter ausgebildet sein, wobei insbesondere einem jeweiligen als Zusatzverdichter ausgebildeten Verdichter eine Elektromaschine bzw. ein Elektromotor zugeordnet ist, die bzw. der dazu ausgebildet ist, den jeweiligen elektrischen Verdichter anzutreiben.
In Ausgestaltung des Verfahrens und/oder des Systems ist es möglich, einen jeweiligen Verdichter, insbesondere Zusatzverdichter, auch bei geringer Drehzahl und kleinen Durchsätzen zu betreiben, ohne dass ein Wirkungsgrad oder eine Verbrennung in dem Verbrennungsmotor verschleppt wird. Dabei ist es auch möglich, durch Berücksichtigung mindestens eines Ladeluftkühlers eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. Ein jeweiliger Verdichter in dem Luftzufuhrkanal kann auch als Volumenförderer für die Luft ausgebildet sein bzw. bezeichnet werden. Bei dem Verfahren ist es möglich, die zu fördernde Luft für den Verbrennungsmotor hinreichend zu komprimieren und somit zu verdichten, weshalb auch ein jeweiliger Verdichter auch ein schmales Kennfeld mit geringem Durchsatz aufweisen kann. Mit dem Verfahren und dem System wird eine Synergie von drei Verdichtern genutzt.
In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein jeweiliger Verdichter, insbesondere ein elektrischer Zusatzverdichter, eine dynamische elektrische Spitzenleistung von 100% aufnehmen kann. Durch Nutzung mehrerer, insbesondere von zwei elektrisch angetriebenen drei Verdichtern, wird eine die jeweilige aufgenommene elektrische Leistung um bis zu 35% reduziert, wobei es möglich ist, aufgrund einer dynamischen Summenleistung von bspw. 150% (exemplarische Reduzierung von Δ25%) die motorische Performance (u. a. effektive Nennleistung bei konstantem Ansprechverhalten) um bspw. 75% deutlich zu steigern. Dies wäre mit einem einzelnen elektrischen Zusatzverdichter mit einer elektrischen Spitzenleistung von 150% nicht möglich. Außerdem ist es mit dem vorgestellten System möglich, auf eine zweistufige komplexe Ladeluftkühlung bzw. ein entsprechendes Aufladekonzept mit minimalen Funktionsnachteilen in den Eigenschaften zu verzichten.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Anlage, auf der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems beruht, und ein Diagramm zu einem Betrieb dieser Anlage.
2 zeigt in schematischer Darstellung weitere Beispiele für Anlagen auf denen die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems beruht.
3, 4 und 5 zeigen Diagramme mit Betriebsparametern zu einem Betrieb der Anlagen aus den 1 und 2.
6 zeigt in schematischer Darstellung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
7, 8, 9, 10 und 11 zeigen Diagramme zu Betriebsparametern der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Bezugszeichen sind dieselben Komponenten zugeordnet.
Eine Weiterentwicklung und Optimierung von verbrennungsmotorischen Antriebskonzepten mit effizienteren und umweltfreundlicheren Aggregaten ist von zentraler Bedeutung. In Verbindung mit Downsizing stellt eine Aufladung als Schlüsseltechnologie einen vielversprechenden Ansatz zur nachhaltigen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei einem in 1 gezeigten Verbrennungsmotor 2 dar.
Für diesen Verbrennungsmotor 2 als Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug ist das erste Beispiel der Anlage 4 vorgesehen. Diese Anlage 4 umfasst einen Luftzufuhrkanal, in den frische Luft (Pfeil 6) der Anlage 4 zugeführt wird, und einen Abgasabfuhrkanal, aus dem Abgas aus der Anlage 4 abgeführt wird (Pfeil 8). Entlang des Luftzufuhrkanals ist hier ein Turboverdichter 10 eines Abgasturboladers 12 angeordnet, der nachfolgend auch mit der Abkürzung „ATL“ bezeichnet wird. Außerdem umfasst der Abgasturbolader 12 eine Turbine 14 im Abgasabfuhrkanal der Anlage 4, wobei der Turbine 14 hier eine Bypassklappe 16 als sog. Wastegate bzw. Bypassventil parallel geschaltet ist, mit der ein einstellbarer Massenstrom des Abgases um die Turbine 14 herum geführt werden kann. Entlang des Luftzufuhrkanals ist hinter dem Turboverdichter 10 des Abgasturboladers 12 ein erster Ladeluftkühler 18 angeordnet, wobei für derartige Ladeluftkühler 18 nachfolgend auch die Abkürzung „LLK“ verwendet wird. Weiterhin ist entlang des Luftzufuhrkanals eine weitere Bypassklappe 20 als sog. Wastegate und/oder Bypassventil angeordnet, zu der ein elektrisch angetriebener Zusatzverdichter 22 parallel geschaltet ist, der nachfolgend auch abgekürzt als „EAV“ bezeichnet wird. Dabei ist diesem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 22 eine elektrische Energiequelle 24 zugeordnet. Weiterhin ist entlang des Luftzufuhrkanals ein zweiter Ladeluftkühler 26 angeordnet, dem wiederum eine Drosselklappe 28 nachgeschaltet ist. Zwischen dieser Drosselklappe 28 und dem Abgasabfuhrkanal sind die hier exemplarisch vier Zylinder des Verbrennungsmotors 2 angeordnet. Dabei sind diese Zylinder des Verbrennungsmotors 2 über den Abgasabfuhrkanal mit der Turbine 14 des Abgasturboladers 12 verbunden. Im Fall eines als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotors 2 wird mit der Drosselklappe eine Quantitätsregelung für die Menge an Luft eingestellt. Dabei ist es möglich, einem Lambdawert λ einzustellen, bspw. λ = 1.
Mit dieser Anlage 4 wird eine konventionelle Abgas- bzw. Wastegas(WG)-Turboaufladung 30 mit dem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 22 kombiniert. Hierzu zeigt das Diagramm aus 1 eine Abszisse 32, entlang der hier die Zeit aufgetragen ist, und eine Ordinate 34, entlang der hier ein Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 in Nm aufgetragen ist. In dem Diagramm zur Darstellung einer Dynamik von zwei leistungsgleichen Aggregaten im unteren Drehzahlbereich (LowEndTorque) bei 1500 U/min eines Verbrennungsmotors verdeutlicht eine erste Kurve 36 (Verbrennungsmotor 2.0ITFSI; Mono-ATL) das zeitabhängige Drehmoment bei alleiniger Nutzung des Abgasturboladers 12 und eine zweite Kurve 38 bzw. Kurvenschar mit einer Fläche (Verbrennungsmotor 2.01 TFSI, ATL+EAV) mögliche zeitabhängige Werte für das Drehmoment bei Kombination des Abgasturboladers 12 mit dem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 22. Eine gestrichelte Kurve 39 (hubraumstarker Verbrennungsmotor 3.01 TFSI) gibt hier ein Zieldrehmoment an.
1 verdeutlicht hierbei eine deutliche Verbesserung eines dynamischen Aufbaus des Drehmoments bei elektrischer Zusatzaufladung durch den elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 22.
Die Darstellung hoher Literleistung mit Hilfe einer Hochaufladung limitiert erheblich das Ansprechverhalten der konventionellen Abgasturboaufladung 30 bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors 2 und beeinträchtigt das Fahrverhalten mit dem sogenannten „Turboloch“ negativ (Kurve 36).
Eine Elektrifizierungsoffensive des konventionellen Antriebsstrangs durch Kombination des Verbrennungsmotors 2 mit einem Riemen-Startergenerator in Verbindung mit bordnetzstabilisierenden Maßnahmen zu einem Mild-Hybrid-Antriebskonzept und der daraus resultierende schrittweise Übergang zu höheren Spannungsniveaus auf 48V bietet eine geeignete Möglichkeit, das konventionelle Aufladesystem weiterzuentwickeln. Gegenüber einer 12V-Spannungsebene ermöglicht das Spannungsniveau von 48V höhere Leistungsausbeuten, gesteigerte Effizienz und geringere Leitungsquerschnitte, was sich positiv auf Package und Gewicht auswirkt. Speziell im Low-End-Bereich kann das Ladedruckangebot des Abgasturboladers 12 durch Zuschaltung des elektrisch angetriebenen Zusatzverdichters 22 (EAV) signifikant verbessert werden (Fläche der Kurve 38).
Für eine erzielbare Leistungsfähigkeit eines zweistufigen, teilelektrifizierten Aufladesystems spielen thermodynamische Randbedingungen, wie z. B. eine Peripherie einer Ladeluftstrecke, eine entscheidende Rolle. Hierbei beeinflusst besonders die Gastemperatur der Ladeluft sowie das Volumen der Hochdruckstrecke die Effizienz des Zusatzverdichters 22 sowie den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2. Die Integration des elektrisch angetriebenen Zusatzverdichters 22 in eine bestehende Ansaug- bzw. Hochdruckstrecke ist daher eine Herausforderung, da diese im Hinblick auf Verbaubarkeit, verschiedene Motorperipherien, Abgasanlagen und unterschiedliche Plattformen zu betrachten ist.
2a zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Beispiel der Anlage 40, mit der eine doppelte Ladeluftkühlung möglich ist. Mit den weiteren Anlagen 42, 44, 46 ist eine einfache Ladeluftkühlung möglich. Dabei beruhen sämtliche Anlagen 40, 42, 44, 46 auf der Anlage 4 aus 1. Mit diesen vier Beispielen für Anlagen 40, 42, 44, 46 sind unterschiedliche Varianten einer möglichen elektrifizierten Ladeluftstrecke bzw. eines entsprechenden Luftzufuhrkanals möglich. Dabei ist bei der zweiten Anlage 40 aus 2a im Unterschied zu der ersten Anlage 4 aus 1 der zweite Ladeluftkühler 26 zwischen der Drosselklappe 28 in den Luftzufuhrkanal und den exemplarischen vier Zylindern des Verbrennungsmotors 2 angeordnet. Dabei sind hierbei die aus 1 und 2a gezeigten Varianten für Positionen der Ladeluftkühler 18, 26 im Luftzufuhrkanal möglich. Beide Ladeluftkühler 18, 26 sind hier als Niedertemperatur bzw. NT-Ladeluftkühler 18, 26 ausgebildet.
Die dritte, vierte und fünfte Anlage 42, 44, 46 weisen im Unterschied zu der ersten und zweiten Anlage 4, 40 lediglich einen Ladeluftkühler 18, bspw. einen Luft-Luft-direkt-Ladeluftkühler, auf, wobei u. a. auch ein NT-Ladeluftkühler umsetzbar ist. Dabei ist bei der dritten Anlage 42 der einzige Ladeluftkühler 18 im Luftzufuhrkanal vor dem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 22 angeordnet. Bei der vierten Anlage 44 aus 2c ist der elektrisch angetriebene Zusatzverdichter 22 in dem Luftzufuhrkanal zwischen dem Turboverdichter 10 des Abgasturboladers 12 und dem einzigen Ladeluftkühler 18 angeordnet. Bei der fünften Anlage 46 aus 2d ist der elektrisch angetriebene Zusatzverdichter 22 in dem Luftzufuhrkanal noch vor dem Turboverdichter 10 des Abgasturboladers 12 angeordnet, wobei hier der einzige Ladeluftkühler 18 zwischen dem Turboverdichter 10 des Abgasturboladers 12 und der Drosselklappe 28 angeordnet ist, die an die Zylinder des Verbrennungsmotors 2 angeschlossen ist.
Weiterhin umfasst ein Diagramm aus 3a eine Abszisse 48, entlang der die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute aufgetragen ist, und eine Ordinate 34, entlang der ein Drehmoment in Nm aufgetragen ist. Das Diagramm aus 3b umfasst eine Abszisse 52, entlang der eine prozentuale elektrische Zusatzleistung bezüglich einer dynamischen elektrischen Spitzenleistung von 100% aufgetragen ist, und eine Ordinate 54, entlang der ein Delta einer normierten effektiven Leistung ohne Einheit aufgetragen ist. Das Diagramm aus 4a umfasst ebenfalls eine Abszisse 32 mit der Zeit und eine Ordinate 34 mit dem Drehmoment. Entlang einer Abszisse 56 des Diagramms aus 4b ist eine Leistung in kW aufgetragen, wobei entlang einer Ordinate 58 dieses Diagramms aus 4b ein prozentuales relatives Drehmomentintegral bei einer Sekunde angegeben ist. Das Diagramm aus 5 umfasst eine Abszisse, entlang der die Drehzahl pro Minute angeordnet ist, und eine Ordinate 58 mit dem prozentualen relativen Drehmomentintegral pro Sekunde.
Eine Basis bildet hier die doppelte Ladeluftkühlung („ATL-LLK-EAV-LLK“) gemäß dem zweiten Beispiel der Anlage 40 aus 2a mit zwei wassergekühlten indirekten Ladeluftkühlern 18, 26. Hierbei wird jeweils ein LLK 18, 26 zwischen dem ATL 18 und dem EAV 22 sowie dem EAV 22 und dem Verbrennungsmotor 2 geschaltet. Zum einen stellt der erste LLK 18 niedrige Eingangstemperaturen für den elektrischen Zusatzverdichter 22 sicher, zum anderen gewährleistet eine zusätzliche Kühlung der Ladeluft im nachgeschalteten LLK 26 eine bestmögliche Verbrennungseffizienz.
In der Betrachtung einer einstufigen Ladeluftkühlung für ein zweistufiges, teilelektrifiziertes Aufladesystem sind unterschiedliche Varianten für die Anordnung des Ladeluftkühlers 18 (LLK) und des EAV 22 in der Ansaug- und Hochdruckstrecke bzw. im Luftzufuhrkanal und Abgasabfuhrkanal umsetzbar. Das Einbinden des EAV 22 in eine bestehende Hochdruckstrecke kann hierbei bei der dritten Anlage 42 aus 2b („ATL-LLK-EAV“) nach dem Ladeluftkühler 18 oder bei der vierten Anlage 44 aus 2c („ATL-EAV-LLK“) vor dem einstufigen Ladeluftkühler 18 erfolgen. Alternativ kann eine elektrisch angetriebene Strömungsmaschine in dem Luftzufuhrkanal bzw. einer Reinluftstrecke zwischen Luftfilterkasten und Turboverdichter („EAV-ATL-LLK“) gemäß der fünften Anlage 46 aus 2d positioniert werden.
Die Anordnung des LLKs 18 zwischen dem Abgasturbolader 12 und dem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 22 („ATL-LLK-EAV“) bei der dritten Anlage 42 ermöglicht optimale Randbedingungen für die Zusatzaufladung. Gekühlte, verdichtete Ladeluft in Verbindung mit einer Positionierung des EAV 22 direkt vor dem Saugrohr beeinflusst das Systemverhalten des EAV 22 positiv. Die höhere Dichte des Frischluftmassenstroms und das geringe, zu füllende kompressible Luftvolumen steigern den Systemwirkungsgrad. Bei Betrieb des EAV 22 wird eine hohe Saugrohrtemperatur erreicht. Aus der höheren Ladungstemperatur resultiert ein Anstieg des Ladedruckbedarfs, eine Zunahme der Klopfneigung und somit eine Verschlechterung eines Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors 2.
Die Verlagerung des EAV 22 vor den LLK 18 („ATL-EAV-LLK“ gemäß 2c) verbessert die motorischen Randbedingungen während des Betriebs des EAV 22 aufgrund kühlerer Saugrohrtemperaturen. Allerdings führt die Position direkt nach dem ATL 12 zu einer extrem hohen thermischen Belastung der Aufladekomponente sowie zu einer deutlichen Zunahme des Volumens in der Hochdruckstrecke nach dem EAV 22. Diese Variante erhöht nicht nur die Anforderungen an die Bauteilkühlung des elektrischen Zusatzverdichters 22, sondern verändert aufgrund der hohen Verdichteraustrittstemperaturen des ATL 12 zusätzlich die Randbedingungen des EAV 22. Aus der Zunahme des zu fordernden Luftvolumens resultiert ein direkter Anstieg des Leistungsbedarfs des EAV 22.
Aus einer Platzierung des EAV 22 in der Reinluftstrecke vor dem Turboverdichter 10 des Turboladers 12 („EAV-ATL-LLK“) gemäß der fünften Anlage 46 aus 2d resultieren gute Umgebungsbedingungen für das Auflademodul bezüglich einer Eintrittstemperatur der Luft. Hierbei ergibt sich vor dem EAV 22 ein niedriges, annähernd konstantes Druckniveau der Luft, wodurch ein zu fordernder Volumenstrom der Luft und die benötigte Energie für den elektrischen Zusatzverdichter 22 proportional zum Luftmassenbedarf zunehmen. Der höhere Eintrittsdruck verlagert zusätzlich den Betriebspunkt des Turboverdichters 10 des ATL 12 in Richtung einer Pumpgrenze, was eine Anforderung an eine benötigte Verdichterkennfeldbreite erhöht.
Hierzu zeigt das Diagramm aus 3a zur Darstellung einer stationären Wunsch-Volllast eines Verbrennungsmotors (Zieldrehmoment) eine erste strichpunktierte Kurve 60. Hiervon unterscheidet sich die vierte Kurve 66 (Verbrennungsmotor 2.01 R4-TFSI, WG-ATL), bei der dem Verbrennungsmotor 2 lediglich ein wassergekühlter Abgasturbolader zugeordnet ist. Die zweite und dritte Kurve 64 (Verbrennungsmotor 2.01 R4-TFSI, WG-ATL, 245 kW) ergeben sich jeweils für einen Verbrennungsmotor mit einer Leistung von 245 kW, wobei diesem bei der dritten Kurve 64 lediglich ein wassergekühlter Abgasturbolader zugeordnet ist. Dabei zeigt dieses Diagramm, dass eine Zunahme der motorischen Leistung von exemplarisch 245 kW auf bspw. 368 (+66,5%) deutlich das stationäre Drehmoment im unteren Drehzahlbereich verschlechtert. Im Vergleich zur Wunschvolllast gemäß Kurve 60 für das Zieldrehmoment mit einer Normierung von 1 sinkt das LowEndTorque um 0,35 (245 kW) bzw. 0,44 (368 kW). Um das normierte Delta zur Zielleistung aufzulösen, wird eine elektrische Leistung über die Zusatzaufladung eingespeist. Bei einer Verwendung von zwei Ladeluftkühlern 18, 26 (2a) mit optimaler Randbedingung für die Zusatzaufladung und für den Verbrennungsmotor 2 (best case) ist eine relative Leistungsaufnahme im Bereich 31% (245KW) und 54% (368 kW) von der dynamischen elektrischen Spitzenleistung notwendig. Bei einer thermodynamischen Wort-Case Variante ohne zweiten LLK nach dem EAV und vor dem Saugrohr steigt der Leistungsbedarf auf 49% (245kW) und 79% (368 kW) von der dynamischen elektrischen Spitzenleistung.
In dem Diagramm aus 3b für eine stationäre Last bei 1500 U/min und 350 Nm deuten Quadrate hier Werte für das Delta der effektiven Leistung bei der zweiten Anlage 40 aus 2a an. Kreise deuten das Delta der effektiven Leistung für die dritte Anlage 42 aus 2b an.
Im Detail veranschaulicht das Diagramm aus 3a dementsprechend die stationären Volllast-Drehmomente bis 3500 U/min am 2.0I-R4-TFSI unter Verwendung des 245 kW-WG-ATL (Kurve 64) und des 368 kW-WG-ATL (Kurve 60) im Vergleich zur stationären Wunschvolllastdefinition. In dem Diagramm aus 3b wird die resultierende Ziellücke auf ein normiertes Zieldrehmoment von 1 als effektive Leistung über der notwendigen elektrischen Zusatzleistung bei 1500 U/min aufgezeigt.
Mit Hilfe der untersuchten Ladeluftstrecken „ATL-LLK-EAV-LLK“ der zweiten Anlage 40 und „ATL-LLK-EAV“ der dritten Anlage 42 als thermodynamische Grenzsysteme für das System mit dem EAV 22 wird ein Streuband eines minimalen und maximalen elektrischen Leistungsbedarfs im stationären Betrieb ermittelt.
Das größte thermodynamische Potential und der effiziente Energieeinsatz kann hierbei im stationären Betrieb durch die Ausführung eines zweistufigen Aufladesystems mit doppelter Ladeluftkühlung „ATL-LLK-EAV-LLK“ gemäß der zweiten Anlage 40 realisiert werden. Die einstufige Turboaufladung des 2,0I-R4-TFSI mit 245 kW kann im direkten Vergleich zur normierten Wunschvolllast von 1 bei 1500 U/min lediglich ein reduziertes Drehmoment von 0,65 darstellen. Um die Ziellücke zur Volllastdefinition von 0,35 normierter, effektiver Leistung bei 1500 U/min zu schließen, werden die ermittelten Leistungswerte von 31% der dynamischen elektrischen Spitzenleistung „ATL-LLK-EAV-LLK“ bei der zweiten Anlage 40 und 49% „ATL-LLK-EAV“ bei der dritten Anlage 42 aufgetragen. Im Bereich niedriger Drehzahlen (1500 U/min) mit einem hohen Bedarf an Unterstützung des ATL 12 durch einen elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 22 zeigt die Positionierung des EAV 22 direkt vor dem Saugrohr ohne zusätzliche Zwischenkühlung „ATL-LLK-EAV“ bei der dritten Anlage 42 eine stark erhöhte Leistungsaufnahme um 18%-Pkt.
Um die Ziellücke des 368 kW-Konzepts zur normierten Volllastdefinition von 0,44 effektiver Leistung bei 1500 U/min zu schließen, muss dem EAV 22 unter Einsatz einer doppelten Ladeluftkühlung „ATL-LLK-EAV-LLK“ gemäß der zweiten Anlage 40 eine elektrische Leistung von 54% der dynamischen elektrischen Spitzenleistung zugeführt werden. Im Worst-Case mit einer Variante der Hochdruckstrecke „ATL-LLK-EAV“ bei der dritten Anlage 42 ohne zusätzliche Wärmeabfuhr der vorverdichteten Frischluft ist ein Leistungsbedarf in Höhe von bis zu 79% der dynamischen elektrischen Spitzenleistung (+25%-Pkt.) notwendig, um das geforderte Nennmoment darzustellen. Je höher die Anforderung an die Zusatzmaßnahme ist, desto sensitiver reagiert das Aufladesystem und das Brennverfahren bei einem einstufigen LLK-Konzept infolge steigender Temperaturzunahme bei zunehmender isentroper Zustandsänderung mit erhöhter Klopfneigung und somit einer Verschlechterung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors 2Nimmt man zukünftige Weiterentwicklungspotentiale bei der Dauerleistung des EAV 22 vorweg und steigert die elektrische Leistungsaufnahme auf ca. 45% der maximalen der dynamischen elektrischen Spitzenleistung, so ist die Darstellung der Zieldrehmomente mit den hohen elektrischen Leistungsaufnahmen auf 48V-Basis trotz mehrstufiger LLK-Ausführung dennoch nicht für ein 368 kW-Aufladekonzept umsetzbar. Eine Absenkung des Low-End-Torque ist die Folge.
Das Diagramm aus 4a umfasst eine Abszisse 32, entlang der die Zeit in Sekunden aufgetragen ist, und eine Ordinate 34, entlang der das Drehmoment in Nm aufgetragen ist. Bei dem Diagramm aus 4b ist entlang einer Abszisse 32 eine Leistung in kW und entlang einer Ordinate 34 ein prozentuales relatives Drehmomentintegral bei einer Sekunde aufgetragen. Dabei umfasst das Diagramm aus 4a für eine Dynamik bei 1500 U/min fünf weitere Kurven 74, 75, 76, 77, 78, nämlich ein erste Kurve 74 (Verbrennungsmotor 3.01 V6-TFSI), eine zweite Kurve 75 (ATL-LLK-EAV-LLK bzw. für die zweite Anlage 40 bei 245 kW), eine dritte Kurve 76 (ATL-LLK-EAV-LLK bzw. für die zweite Anlage 40 bei 368 kW), eine vierte Kurve 77 (Verbrennungsmotor 245 kW, WG-ATL) und eine fünfte Kurve 78 (Verbrennungsmotor 368 kW, WG-ATL). Das Diagramm aus 4b umfasst vier Balken 80, 81, 82, 83, nämlich zwei Balken 80, 82 (WG-Mono-ATL) und zwei weitere Balken 81, 83 (ATL-LLK-EAV-LLK bzw. zweite Anlage 40 aus 2a). Mit diesen beiden Diagrammen aus den 4a und 4b wird ein Dynamikpotential in Abhängigkeit einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 bei 1500 U/min mit einem elektrisch angetriebenen Verbraucher mit 48V bei Leistungen von 245 kW im Vergleich zu 368 kW dargestellt.
Im Gegensatz zum stationären Low-End-Torque, bei dem durch Weiterentwicklung der EAV-Komponente mit höherer Dauerleistung die bestehende Ziellücke zur Ziel-Volllast reduziert werden kann, limitiert in der Dynamik der EAV-Hochlaufgradient und die maximale EAV-Drehzahl im Wesentlichen das relative Drehmomentintegral. Die beiden Diagramme aus den 4a und 4b zeigen das Dynamikpotential des Hochleistungsaggregats mit 368 kW (Kurve 76) im Vergleich zum 245 kW-Modul (Kurve 75) mit EAV-Unterstützung auf Basis von 48 V und zweistufiger Ladeluftkühlung an einem exemplarischen Lastsprung bei 1500 U/min.
Dem Spontanmoment nach Öffnen der bspw. als Drosselklappe ausgebildeten Klappe folgt unabhängig vom ATL-System ein harmonischer und fülliger Drehmomentanstieg auf 0,83, welcher ausschließlich durch den EAV-Hochlauf definiert wird. Diesem Initialmoment ist nach 0,3 s ein deutlich zeitlich verzögerter Lastaufbau, welcher durch den ATL-Hochlauf charakterisiert ist, nachgeschaltet. Das 368 kW-Aufladekonzept mit EAV-Unterstützung erzielt bei der Auswertung des relativen Drehmomentintegrals ein Ansprechen von 73%, obwohl eine Lastsprungzeit bis Erreichen des Nennmomentes von 2,1 s benötigt wird. Der Anteil des leistungsorientierten Abgasturboladers 12 am dynamischen Performanceergebnis in diesem Betriebspunkt ist aufgrund des flachen Drehmomentgradienten sehr gering. Die extrem hohe spezifische Leistung des 2.0I-R4-TFSI beeinträchtigt den dynamischen Drehmomentverlauf des Motors maßgeblich. Die sehr große Turbinenstufe mit einem deutlich erhöhten Durchsatzbereich im Vergleich zum 245 kW-ATL kann mit dem zur Verfügung stehenden Abgasmassenstrom kein nennenswertes Druck- bzw. Enthalpiegefälle zwischen Turbineneintritt und -austritt aufbauen, um mit ausreichend Turbinenleistung das um einen Faktor 3,6 im Massenträgheitsmoment schwerere Laufzeug des ATL 12 zu beschleunigen. Nach einer Sekunde kann der 368 kW 2.0I-R4-TFSI lediglich 8% des Dynamikwerts eines 3.011-V6-TFSI erreichen. Die Auswertung zeigt, dass durch die Erhöhung der motorischen Leistungsklasse mit angepasstem ATL-System von 245 kW auf 368 kW die Lastsprungzeit um das Dreifache auf 2,1 s verlängert und das Drehmomentangebot innerhalb der ersten Sekunde um 14 Prozentpunkte verschlechtert wird. Dieses Hochleistungskonzept stellt an die erzielbare Leistungsfähigkeit des elektrischen Zusatzverdichters hohe Anforderungen.
Für ein Hochdrehzahlkonzept ist ein agiles Ansprechen bei niedrigen Drehzahlen eine gute Basis. Eine größere Herausforderung für das Hochleistungstriebwerk besteht jedoch in der Sicherstellung einer spontanen und kraftvollen Leistungsentfaltung im Bereich der höheren Drehzahlen. Mit zunehmender Drehzahl und steigendem Luftmassenstrom wird die darstellbare Dynamikperformance eines leistungsbegrenzten EAVs 22 infolge reduzierter Vorverdichtung mit einem geringeren Eingangsdruckniveau für die Zusatzaufladung signifikant beeinträchtigt.
Das Diagramm aus 5 umfasst eine Abszisse 48, entlang der die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 in Umdrehungen pro Minute aufgetragen ist, und eine Ordinate 58, entlang der das prozentuale relative Drehmomentintegral pro Sekunde aufgetragen ist. In diesem Diagramm aus 5 sind eine erste Kurve 84 (ATL-LLK-EAV-LLK bzw. für die erste Anlage 4 bei 48 V und 100% dynamische elektrische Spitzenleistung), eine zweite Kurve 85 (Verbrennungsmotor 2.01 R4-TFSI, Mono-ATL, 368 kW) und eine schraffierte Fläche 86 dargestellt. Dieses Diagramm basiert auf einer Lastsprungmessung bei einer konstanten Drehzahl an einem Prüfstand des Verbrennungsmotors 2 bei einer Leistung von 368 kW.
Eine Ansprechzeit von einer Sekunde zur Erreichung der definierten Mindestanforderung von 65% kann im mittleren und höheren Drehzahlbereich ab 2750 U/min, trotz einem Fokus auf maximale Performance mit zweistufiger Ladeluftkühlung, nicht mehr sichergestellt werden. Die dargestellten Performance-Defizite (schraffierte Fläche 86) beeinträchtigen die Dynamik bzw. die Fahrbarkeit nachhaltig. Bei Betrachtung des instationären Dynamikverhaltens bei 4000 U/min kann bereits lediglich ein relatives Drehmomentintegral von 57% erreicht werden.
Die Leistungsbegrenzung auf 100% elektrische Spitzenleistung und maximale Drehzahl des hochdrehenden Elektromotors für einen Verdichter, bspw. Zusatzverdichter, von über 70.000 U/min sind die limitierenden Faktoren.
Die anhand von 6 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 90 ist ebenfalls für einen Verbrennungsmotor 2 mit bspw. vier Zylindern bzw. Brennkammern vorgesehen. Dieses System 90 umfasst einen Abgasturbolader 12 mit einem als Turboverdichter 10 ausgebildeten Verdichter, der in einem Luftzufuhrkanal des Systems 90 angeordnet ist, wobei der Turboverdichter 10 des Abgasturboladers 12 über eine Welle mit einer Turbine 14 des Abgasturboladers verbunden ist, wobei diese Turbine 14 in einem Abgasabfuhrkanal des Systems 90 angeordnet ist, wobei parallel zu der Turbine 14, bspw. in einer Umleitung bzw. einem Bypass, eine Bypassklappe 16 geschaltet ist. Entlang des Luftzufuhrkanals ist in Strömungsrichtung der Luft ein erster elektrisch angetriebener Zusatzverdichter 92 als zusätzlicher Verdichter angeordnet, dem eine Klappe 94 als sog. Wastegate und eine elektrische Energiequelle 96 zugeordnet sind. Dabei ist diese Klappe 94 in einer Umleitung bzw. einem Bypass des Luftzufuhrkanals zu dem ersten Zusatzverdichter 92 parallel geschaltet. Dabei ist dieser elektrische Zusatzverdichter 92 innerhalb des Luftzufuhrkanals in der Strömungsrichtung der Luft noch vor dem Turboverdichter 10 des Abgasturboladers 12 angeordnet. Hinter dem Zusatzverdichter 92 ist in Strömungsrichtung der Luft hier an einer ersten Position ein erster Ladeluftkühler 98 angeordnet. Hinter dem ersten Ladeluftkühler 98 an der ersten Position ist in dem Luftzufuhrkanal in Strömungsrichtung ein zweiter elektrisch angetriebener Zusatzverdichter 100 als zusätzlicher Verdichter angeordnet, dem ebenfalls eine elektrische Energiequelle 102 zugeordnet ist, wobei dieser zweite Zusatzverdichter 100 hier parallel zu einer weiteren Klappe 104 als sog. Wastegate geschaltet ist, wobei diese Klappe 104 in einer Umleitung bzw. einem Bypass der Luftzufuhrleitung angeordnet ist. Hinter dem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 100 ist hier in der Strömungsrichtung an einer zweiten Position ein in Ausgestaltung optionaler zweiter Ladeluftkühler 106 angeordnet. Hinter dem zweiten Ladeluftkühler 106 und der Klappe 104, die dem zweiten elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 100 zugeordnet ist, ist eine Drosselklappe 28 vorgesehen, die mit den vier Zylindern des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist, wobei diese vier Zylinder weiterhin auch mit dem Abgasabfuhrkanal und der darin angeordneten Turbine 14 verbunden sind. Dabei ist hier vorgesehen, dass mit diesem System 90 eine Verschiebung von technischen Grenzen des Verbrennungsmotors 2 möglich ist.
Dabei ist die erste Klappe 94, die hier zu dem ersten elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 92 innerhalb des Luftzufuhrkanals parallel geschaltet ist, als Bypassklappe mit drosselverlustoptimiertem Querschnitt ausgebildet. Die in dem Luftzufuhrkanal dahinter angeordnete zweite Klappe 104, die als Bypass parallel zu dem zweiten elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 100 geschaltet ist, ist als Bypassklappe ausgebildet. Die erste Klappe 94 für den ersten Zusatzverdichter 92, der in der Strömungsrichtung vor dem zweiten Zusatzverdichter 100 angeordnet ist, weist hierbei einen größeren Durchmesser als die zweite Klappe 104 auf, die parallel zu dem zweiten Zusatzverdichter 100 geschaltet ist.
Anhand der vorangegangenen 1 bis 5 wurden mögliche Konzepte von Zusatzmaßnahmen mit unterschiedlichen peripheren Positionen eines elektrisch angetriebenen Zusatzverdichters 22 in der Ansaugstrecke zur Erweiterung des transienten Ansprechverhaltens und Steigerung des stationären Drehmomentangebots voneinander losgelöst analysiert und bewertet. Zusätzlich wurde die Grenze der zweistufigen Aufladung mit einem elektrischen Zusatzverdichter bei höchsten Leistungsanforderungen (368 kW) herausgestellt. Anhand der 6 ff. des Verbrennungsmotors 2 wird das maximale Potential zur Performancesteigerung durch geeignete Verschaltung des Systems 90 mit zwei elektrisch angetriebenen Zusatzverdichtern 92, 100 numerisch herausgearbeitet.
Aus der Untersuchung potentieller Anordnungskonfigurationen für elektrisch angetriebene Zusatzverdichter 92, 100 bei einer zweistufigen, teilelektrifizierten Hochaufladung kann abgeleitet werden, dass Aufladekonzepte mit elektrisch angetriebenen Zusatzverdichtern 92, 100 mit einstufiger Ladeluftkühlung in Abhängigkeit der Anforderungen funktionale Nachteile aufweisen können. Im Hinblick auf die Gesamtperformance definiert die Anordnung des EAV bei der vierten Anlage 44 aus 2c zwischen Abgasturbolader 12 und Ladeluftkühler 18 „ATL-EAV-LLK“ die beste Kompromisslösung. Die Varianten „EAV-ATL-LLK“ in der fünften Anlage 46 aus 2d und „ATL-LLK-EAV“ der dritten Anlage 42 aus 2b zeigen hingegen in unterschiedlichen Drehzahlbereichen des Motorkennfelds des Verbrennungsmotors 2 eine maximale Performance. 6 zeigt als Resultat der gewonnenen Erkenntnisse und der konsequenten Überlegung vorangegangener Untersuchungen die Kombination beider EAV-Varianten mit zwei Zusatzverdichtern 92, 100 in einem Aufladekonzept in schematischer Darstellung.
Mit dem System 90 aus 6 ist unter Nutzung von drei Verdichtern, also dem Turboverdichter 10 und den beiden Zusatzverdichtern 92, 100, erstmalig eine elektrifizierte dreistufig geregelte Aufladung eines hier als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotors 2 möglich.
Die sogenannte elektrifizierte dreistufig geregelte Aufladung vereint die besten Eigenschaften der voranstehend untersuchten Konzepte bzw. Anlagen 4, 40, 42, 44, 46, um mit einer intelligenten Verschaltung technische Grenzen am Hochleistungskonzept 2.01 R4-TFSI mit 368 kW zu verschieben. Für einen spontanen initialen Ladedruckaufbau über einem breiten Drehzahlbereich wird das Totvolumen nach dem zweiten EAV 100 möglichst gering gehalten. Die Anordnung des LLK 98 an der ersten Position zwischen dem Abgasturbolader 12 und dem zweiten elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 100 ermöglicht optimale Randbedingungen für die Zusatzaufladung. Gekühlte vorverdichtete Ladeluft in Verbindung mit einer Positionierung des EAV 100 direkt vor dem Saugrohr des Verbrennungsmotors 2 beeinflussen das Verhalten des EAV 100 positiv. Die höhere Dichte des Frischluftmassenstroms und das geringe zu füllende kompressible Luftvolumen steigern den Wirkungsgrad des Systems 100. Weiterhin kommt der zusätzliche Ladeluftkühler 106 an der zweiten Position zum Einsatz.
Aus rein thermodynamischer Sicht wirkt sich eine Anordnung des elektrischen Zusatzverdichters 22 und der Bypassklappe in der Upstream-Variante („EAV-ATL-LLK“) gemäß der fünften Anlage 46 aus 2d als Einzellösung nachteilig auf die benötigte Durchsatzbreite des Verdichterkennfelds des Zusatzverdichters 22, auf das Betriebsverhalten des Turboverdichters 12 sowie auf den Ansaugdruckverlust im Nennleistungsbereich aus.
Mit einer Platzierung der Zusatzverdichter 92, 100 (EAV) in der Reinluftstrecke (Upstream) im Luftzufuhrkanal wird die thermische Belastung auf die Komponente inklusive der benötigten Anbauteile, wie z. B. der als Bypassklappen ausgebildeten Klappen 94, 104, hingegen auf ein Minimum reduziert. Daraus eröffnen sich potentielle Möglichkeiten, gewichtssparende und kostengünstigere Werkstoffe, z. B. Kunststoff für Gehäuse und Verdichterräder der Zusatzverdichter bzw. der EAVs 92, 100 bei der Entwicklung zu verwenden, um z. B. mehr Freiheitsgrade bei der Auslegung der EAVs 92, 100 in Bezug auf Durchsatz- und Ansprechverhalten zu erhalten. Neben thermodynamischen Vorteilen kann das System 90 in diesem Ambiente u. a. durch reduzierte Einzelkühlmaßnahmen einer Leistungs- und Steuerelektronik kompakter und leichter gestaltet werden, um trotz kritischer Bauraumverfügbarkeit eine flexible Integration in die Fahrzeugarchitektur zu realisieren.
Die guten Umgebungsbedingungen bezüglich Temperatur und Druckdifferenzen sowie die Anforderungen an das Package ermöglichen zudem den Einsatz von elektrisch ansteuerbaren Klappen 94, 102 mit großem Klappendurchmesser, um mit konsequenter Einhaltung definiert großer Rohluftquerschnitte niedrige Strömungsgeschwindigkeiten und geringe Druckverluste im Ansaugsystem zu realisieren. Messergebnisse vom stationären Motorprüfstand belegen, dass keine nennenswerte Zunahme des Ansaugdruckverlusts bis zum ATL-Eintritt erfolgt. Der Einfluss des EAV 92, 100 mit einer Regelklappe in der Reinluftperipherie auf die Nennleistung kann mit einer optimierten Auslegung somit vernachlässigt werden.
Bei dem System 90 ist eine Verschaltung mehrstufiger elektrifizierter Zusatzverdichter 92, 100 zur dreistufig geregelten Aufladung des Verbrennungsmotors 2 möglich. Vor dem Hintergrund einer begrenzten Leistungsaufnahme des elektrifizierten Aufladesystems wird mit einer maßgeschneiderten Auslegung und Anpassung der einzelnen Verdichterstufen bzw. Zusatzverdichter 92, 100 die von einem Hochleistungsmotor als Verbrennungsmotor 2 benötigte Ladedruck- und Durchsatzcharakteristik in allen wesentlichen Eigenschaften deutlich verbessert.
Das Diagramm aus 7 umfasst eine Abszisse 56, entlang der Werte für eine Leistung aufgetragen sind, und eine Ordinate 58, entlang der ein prozentuales relatives Drehmomentintegral bei einer Sekunde aufgetragen ist. In diesem Diagramm aus 7 sind mehrere Balken 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124 gezeigt, die jeweils ein von der Leistung abhängiges relatives Drehmomentintegral darstellen, um die durchgeführten Anpassungen den jeweiligen elektrischen Verdichterstufen in den Einzelpotentialen aufzuzeigen. Dabei wird durch die Balken 110, 111, 112, 113, 114, 115 jeweils das relative Drehmomentintegral für die zweite Anlage 40 aus 2a bei 368 kW dargestellt. Mit den Balken 116, 117, 118 wird jeweils ein relatives Drehmomentintegral für die dritte Anlage 42 aus 2b bei 368 kW dargestellt. Die weiteren Balken 119, 120, 121, 122, 123, 124 zeigen relative Drehmomentintegrale bei 368 kW für die fünfte Anlage 46, wie sie in 2d dargestellt ist. Dieser fünften Anlage 46 ist in dem Diagramm aus 7 auch ein Verdichterkennfeld 125, bei dem entlang einer Abszisse ein Massendurchsatz und entlang einer Ordinate ein Druckverhältnis aufgetragen ist zugeordnet, bei dem entlang einer Abszisse ein Drehmoment des elektrischen Zusatzverdichters 22 und entlang einer Ordinate eine weitere Größe des Zusatzverdichters 22 dargestellt ist. Dabei betrifft das Diagramm aus 7 eine Entwicklung der Dynamik bei 1500 Umdrehungen pro Minute und einer Leistung von 368 kW.
Mit den dargestellten Balken 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124 werden die einzelnen Anpassungen an den Zusatzverdichtern 92, 100 (EAV) und deren Einfluss auf das transiente Ansprechverhalten in einer Übersicht von relativen Drehmomentintegralen zusammengefasst. Die linken Balken 110, 111, 112, 113, 114, 115 repräsentieren die Ausgangsbasis bei 1500 U/min (73%) und 4000 U/min (57%) in der bereits bekannten zweiten Anlage 40 unter Verwendung der Ladeluftstrecke „ATL-LLK-EAV-LLK“ (Balken 110, 111, 112, 113, 114, 115). Positive Werte von relativen Drehmomentdifferenzen (Balken 123) kennzeichnen hierbei jeweils einen Dynamikvorteil der dargestellten Variante, negative Drehmomentdifferenzen (Balken 112, 114, 116, 121) kennzeichnen hingegen einen Nachteil gegenüber der Absprungbasis.
Aus der Verschaltung von zwei u. a. 48 Volt Zusatzverdichtern 92, 100 resultiert bei synchronem Hochlauf eine kumulierte Spitzenleistung von bis zu 200% im Vergleich der bereits vorstellten elektrische Spitzenleistung eines EAVs. Die elektrische Leistungsfähigkeit der verwendeten 48V-Bordnetzarchitektur mit bordnetzstabilisierenden Maßnahmen kann diesen Bedarf nicht abdecken. Die Leistungsaufnahme auf maximal 150% limitiert. Im ersten Schritt erfolgt aus diesem Grund eine Reduzierung der maximalen Drehzahl eines jeweiligen Zusatzverdichters 92, 100 und eine Anpassung des Hochlaufgradienten, um die Spitzenleistung auf 75% zu drosseln.
Eine Folge ist eine Verschlechterung des instationären Betriebsverhaltens um 11%-Punkte (Balken 112) bei 1500 U/min bzw. 4%-Punkte (Balken 114) bei 4000 U/min. Zur Reduzierung der Komplexität und einer verbesserten Systemintegration in eine angespannte Bauraumsituation wird als weitere Maßnahme ein Entfall der mehrstufigen Ladeluftkühlung geprüft. Ohne nachgeschaltete Ladeluftkühlung vor oder im Saugrohr des Verbrennungsmotors 2 sinkt das relative Drehmomentintegral im Low-End-Torque um weitere 12 Prozentpunkte (Balken 116) auf 51% (Balken 117). Im Vergleich zur Basis-Variante mit 100% elektrischer Spitzenleistung hilft das abgesenkte Druckverhältnis über die Drehzahllimitierung mit einhergehender Verbesserung der Klopfneigung durch die Absenkung der Saugrohrtemperatur bzw. der Temperatur im Luftzufuhrkanal während des Betriebs des Zusatzverdichters 100, um die Ergebnisbreite zwischen den beiden thermodynamischen Extremvarianten zu reduzieren.
Auf Grundlage der Ergebnisse wird zudem deutlich, dass die Verdichterauslegung für eine Platzierung eines EAVs 92 in der Reinluftstrecke vor dem Turboverdichter 10, wie bei der fünften Anlage 46 „EAV-ATL-LLK“ optimiert werden muss, um ausreichend Ladedruckanhebung auch bei höheren Fördervolumen zu realisieren. Es erfolgt eine thermodynamische und aerodynamische Auslegung jeweils eines Zusatzverdichters 92 durch Skalierung des bestehenden EAV-Verdichterkennfelds (Basis) mit einhergehender Vergrößerung des Durchsatzbereichs sowie einer Absenkung des erreichbaren Druckverhältnisses. Eine angepasste Auslegung eines Rads des Zusatzverdichters 92 reduziert das relative Drehmomentintegral im Lastsprung im Low-End-Torque bei 1500 U/min um hohe 21 Prozentpunkte (Balken 121) auf verhältnismäßig geringe 39% (Balken 122). Im Bereich der höheren Drehzahlen kann hingegen ein Dynamikgewinn um 12%-Punkte (Balken 123) auf 59% (Balken 124) erzielt werden. Zudem entspannt das abgesenkte Druckniveau vor dem Turboverdichter 10 die Pumpgefahr und gewährleistet ein stabiles Betriebsverhalten des Abgasturboladers 12 im Verdichterkennfeld.
Anhand der dargestellten Einzelpotentiale im Diagramm aus 7 wird deutlich, dass die durchgeführten Anpassungen unabhängig voneinander betrachtet zunächst eine zunehmende Verschlechterung der erreichbaren Dynamik im niedrigen Drehzahlbereich bewirken. Die Auswertung zeigt, dass das Drehmomentangebot innerhalb der ersten Sekunde um bis zu 34 Prozentpunkte variiert. Das zur Verfügung stehende Ladedruckangebot kann hingegen durch Optimierungen eines Designs des Rads des Zusatzverdichtern 92, 100, trotz reduzierter Leistungsaufnahme, in einem deutlich breiteren und in Richtung höherer Massenströme erweiterten Kennfeldbereich verbessert werden. Der darstellbare Drehmomentaufbau (59%) (Balken 124) erreicht mit einer Einbauposition der Zusatzaufladung vor dem Turboverdichter 10 des Turboladers 12 gemäß der fünften Anlage 46 „EAV-ATL-LLK“ mit anschließender Zwischenkühlung im Bereich von 4000 U/min vergleichbarere Ergebnisse zur Ausgangsvariante mit Ladeluftkühlern 18, 26 jeweils vor und nach dem Zusatzverdichter 22 in der Hochdruckstrecke bei der zweiten Anlage 40 („ATL-LLK-EAV-LLK“) mit 100% Spitzenleistung (Balken 111).
Aus der differenzierten Betrachtung von Einzelpotentialen kann keine abschließende Prognose für eine vorteilhafte thermodynamische Ergänzung abgeleitet werden. Die funktionalen Eigenschaften sind direkt voneinander abhängig und werden im kombinierten Betrieb proportional verstärkt.
Das Diagramm aus 8a umfasst eine Abszisse 32, entlang der die Zeit in Sekunden aufgetragen ist, und eine Ordinate 34, entlang der das Drehmoment in Nm aufgetragen ist. In diesem Diagramm sind mehrere zeitabhängige Kurven 175, 176, 177, 178, 179, 180 für das zeitabhängige Drehmoment der zweiten Anlage 40 aus 2a dargestellt. Das Diagramm aus 8b umfasst eine Abszisse 56, entlang der die Leistung aufgetragen ist, und eine Ordinate 58, entlang der ein prozentuales elektrisches Drehmomentintegral bei einer Sekunde aufgetragen ist. In diesem Diagramm sind mehrere Balken 132, 133, 134, 135, 136 dargestellt, nämlich ein zweiter Balken 133 für die zweite Anlage 40 aus 2a und drei weitere Balken 133, 134, 135 für Varianten des Systems zur dreistufigen Aufladung mit einem Turbolader 12 (ATL), mit zwei elektrisch angetriebenen Zusatzverdichtern 92, 100 (EAV) und mit mindestens einem Ladeluftkühler 98, 106 (LLK). Dabei ist mit den beiden Diagrammen aus den 8a und 8b eine Einordnung von transienten Untersuchungsergebnissen möglich. Dabei greifen diese beiden Diagramme aus den 8a und 8b Diagramme aus voranstehenden Figuren, u. a. aus den 4a und 4b, auf und vervollständigen diese mit Ergebnissen aus der Potenzialanalyse.
Der Einsatz einer dreistufig geregelten Aufladung (e3S) mit drei Verdichtern im Luftzufuhrkanal bietet erhebliches Potential, die Dynamik gegenüber der konventionellen Turboaufladung und einer seriellen ATL-EAV-Kombination zu steigern. Insbesondere eine Verschaltung von zwei Zusatzverdichtern 92, 100 mit jeweils 75% Spitzenleistung, bei dem die thermodynamische Auslegung des Strömungsverdichters trotz unterschiedlicher Einbaupositionen nicht angepasst wurde, ermöglicht bei 1500 U/min einen praktisch verzögerungsfreien harmonischen Ladedruck- bzw. Lastaufbau (98%) (Balken 134) und stellt somit ein herausragendes Ansprechverhalten (0,4 s) bei einem Übergang von Teillast- auf Volllastniveau sicher.
Durch den Einsatz eines angepassten Zusatzverdichters 92, 100 bzw. einer angepassten Verdichterstufe in dem Luftzufuhrkanal bzw. einer Reinluftstrecke wird das dynamische Motorverhalten von der dreistufig geregelten Aufladung (e3S) bei 1500 U/min um lediglich 5 Prozentpunkte negativ beeinflusst (Balken 135. Ein erhöhtes Eingangsdruckniveau für den EAV 92, 100 in der Hochdruckstrecke verlagert die Betriebspunkte in dessen Verdichterkennfeld zu geringeren Volumenströmen bzw. höheren Druckverhältnissen und kompensiert im seriellen EAV-Betrieb die abgesenkte Ladedrucksteigerung des EAV 92 vor den ATL 12 (-21 Prozentpunkte vgl. 6 und 7). Mit einem Ergebnis von 93% erreicht das Hochleistungskonzept mit 368 kW nach wie vor ein sehr gutes Ansprechverhalten mit spontaner und kraftvoller Leistungsentfaltung und minimiert die Dynamikziellücke zum hubraumstärkeren und mechanisch aufgeladenen Basismotor mit 245 kW auf 7%.
Weiterhin zeigt ein potentieller Entfall des LLK 98 vor oder im Saugrohr gegenüber dem ursprünglichen ausgewiesenen Einzelpotential von 12 Prozentpunkten eine ebenfalls geringere Verschlechterung der Dynamik von 5 Prozentpunkten. Aus rein thermodynamischer Sicht ist der zusätzliche Ladeluftkühler 106 an Position zwei für das Hochleistungskonzept uneingeschränkt zu empfehlen. Für einen nachgeschalteten LLK 106 des elektrischen Zusatzverdichters 100, dessen elektrische Leistungsaufnahme limitiert ist, resultiert ein deutlich kleinerer LLK 116. Damit ist die Kompensation von Temperaturspitzen der Ladeluft durch eine hinreichende Wärmekapazität und Wärmeabfuhr des LLKs 106 (Luftvolumen) im zeitlich begrenzten Betrieb des Zusatzverdichters 100 und im Nennleistungsbereich möglich. Neben der Funktionalität wird auch die Umsetzbarkeit bzw. der Aufwand gesamtheitlich bewertet. Mitentscheidend für die Wahl der Ladeluftkühler-Topologie sind Bauraumverfügbarkeiten und die zur Verfügung stehende Fahrzeugarchitektur, z. B. Verfügbarkeit eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs.
Das Diagramm aus 9a umfasst eine Abszisse 32, entlang der die Zeit in Sekunden aufgetragen ist, und eine Ordinate 34, entlang der das Drehmoment in Nm aufgetragen ist. In diesem Diagramm sind mehrere Kurven 137, 138, 139, 140, 141, 142 dargestellt. Das Diagramm aus 9b umfasst eine Abszisse 56, entlang der die Leistung aufgetragen ist, und eine Ordinate 58, entlang der ein prozentuales relatives Drehmomentintegral bei einer Sekunde aufgetragen ist. Dabei sind in diesem Diagramm mehrere Balken 143, 144, 145, 146, 147 gezeigt. Mit den beiden Diagrammen aus den 9a und 9b werden Dynamikpotentiale bei 4000 Umdrehungen pro Minute und einer Leistung von 368 kW bei der dreistufig geregelten Aufladung (e3S) bei einer bespielhaften Bordnetzspannung von 48V und einer Bordnetzleistung von 150% dargestellt.
Im Hinblick auf die Diagramme der 9a und 9b und die dargestellten erreichten Potentiale zum instationären Dynamikverhalten bei 4000 U/min zeigt sich, dass eine optimale Auslegung und Abstimmung der beiden EAV 92, 100 aufeinander das Ansprechverhalten des Versuchsträgers um 16 Prozentpunkte auf 83% (Balken 146, 147) verbessert. Zudem weist die angepasste e35-Variante mit dreistufiger geregelter Aufladung mit einer Lastsprungzeit von knapp einer Sekunde auf ein Zieldrehmoment bei Analyse des Drehmomentaufbaus einen deutlich harmonischen und fülligeren Verlauf auf. Der optionale Entfall des zweiten LLK 106 hat in diesem Drehzahlbereich keinen Einfluss auf die Dynamik.
Das Diagramm aus 10 beruht auf dem Diagramm aus 5 und ergänzt die beiden Kurven 84, 85 sowie die Fläche 86 durch zwei weitere Kurven 148, 149 für das System 90 mit der dreistufig geregelten Aufladung, wobei eine Kurve 148 den Fall mit einem Ladeluftkühler 92 (LLK) und eine Kurve 149 den Fall mit zwei Ladeluftkühlern 92, 106 (LLK) berücksichtigt. Dabei zeigen die Kurven 148, 149 entsprechend die Dynamikpotenziale der elektrifizierten dreistufig geregelten Aufladung in Abhängigkeit der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2.
Eine Auswertung zeigt, dass mit einer maßgeschneiderten Auslegung und Abstimmung der einzelnen Verdichterstufen bzw. Zusatzverdichter 92, 100 aufeinander die Performance in einem weiten Drehzahl-Lastbereich signifikant verbessert und die definierte Mindestanforderung von 65% bis zu einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 von 6000 U/min sichergestellt werden kann. In dem Diagramm aus 10 ergibt sich bei konstanter Drehzahl ein Lastsprung.
Eine Einordnung von stationären Untersuchungsergebnissen zeigt, dass das normierte Leistungsdefizit des einstufig extrem hochaufgeladenen 2,0I-R4-TFSI mit 368 kW zur Volllastdefinition bei 1500 U/min mit 0,44 effektiver Leistung (vgl. 3) entspricht. Das Diagramm aus 11 umfasst eine Abszisse 150 und eine Ordinate 151, entlang derer jeweils eine Zusatzleistung aufgetragen ist. In diesem Diagramm sind mehrere Kurven 152, 153 für einen oder zwei Ladeluftkühler 98, 106 in dem System 90 dargestellt. Ferner sind hier zwei zusätzliche Kurven 154, 155 vorgesehen. Dieses Diagramm veranschaulicht anhand der beiden stationären Betriebspunkte den experimentell und numerisch ermittelten elektrischen Leistungsbedarf an Zusatzleistung über den Luftzufuhrkanal bzw. Luftpfad, um die definierte Ziel-Volllastcharakteristik (1500 U/min - Quadrat-Symbol) (Kurven 152, 153) sicherzustellen. Mit diesem Diagramm wird ein stationärer Leistungssplit am e3S zur Darstellung des Low-End-Torque verdeutlicht.
Die Ordinate 151 bildet die elektrische Leistungsaufnahme des EAV in der Hochdruckstrecke im Layout der Ladeluftstrecke „ATL-LLK-EAV_II“ gemäß der dritten Anlage 42 sowie mit einem zusätzlichen Ladeluftkühler als Variante „ATL-LLK-EAV_II-LLK“ gemäß der zweiten Anlage 40 ab. Die Abszisse 150 beschreibt die notwendige Zusatzleistung des im Verdichterkennfeld angepassten Systems 90 des Zusatzverdichters 92, in der Reinluftstrecke. Unter Einsatz eines seriellen zweistufigen Aufladesystems mit doppelter Ladeluftkühlung („ATL-LLK-EAV_II-LLK“) können die Volllastkennwerte mit einer elektrischen Leistung von 54% (1500 U/min) dargestellt werden. Entfällt der Ladeluftkühler 106 an der Position nach dem zweiten EAV 100 bzw. Zusatzverdichter und vor der Drosselklappe erhöht sich der Leistungsbedarf infolge des Temperaturanstiegs im Saugrohr am Beispiel 1500 U/min auf bis zu 79% vgl. 3). Erfolgt die Darstellung des definierten Low-End-Torque ausschließlich über einen EAV in der Reinluftstrecke mit dem Layout „EAV*_I-ATL-LLK“ gemäß der fünften Anlage 46 werden Leistungen von bis zu 64% der elektrischen Spitzenleistung bei 1500 U/min benötigt.
Mit einem 48V-EAV-System bspw. können diese hohen Leistungsanforderungen dauerhaft nicht abgerufen werden. Zum Schutz der Elektronik bzw. der Komponenten wird die elektrische Leistungsaufnahme im stationären Betrieb auf ca. 45 % der maximalen Spitzenleistung limitiert. Das Diagramm aus 11 veranschaulicht den zulässigen Arbeitsbereich der EAV-Systeme als weiße Fläche 156.
Die Kurvenschar eines möglichen Leistungssplits von zwei verschalteten EAVs 92, 100 im e3S-Konzept mit dreistufig geregelter Aufladung kann die Koordinatenachse bzw. Abszisse 150 nicht schneiden, sondern nähert sich bei einer Grenzbetrachtung dem Bedarf an einer notwendigen Verdichterleistung zur Förderung des Volumenstroms bei geschlossener Bypassklappe an, um im jeweiligen Betriebspunk ein Druckverhältnis gleich Eins über den EAVs 92, 100 zu realisieren.
Am Beispiel von 1500 U/min mit einem normierten Leistungsmalus von 0,44 wird deutlich, dass mit Hilfe des Systems 90 mit dreistufig geregelter Aufladung die stationären Volllastdrehmomente innerhalb der technischen Grenzen der EAVs 92, 100 dargestellt werden können. Unter Einsatz einer doppelten Ladeluftkühlung kann zudem die Leistungsaufnahme, trotz Verwendung von zwei EAVs 92, 100 mit entsprechenden Wirkungsgraden, auf bis zu 50% der elektrischen Leistung bei einem Leistungssplit von 50:50 reduziert werden. Das ermöglicht einen effizienten Energieeinsatz innerhalb der technischen Grenzen auf Basis des thermodynamischen Leistungshebels (Fläche 156). Zudem kann ein potentieller Entfall des zweiten LLK 106 vor oder im Saugrohr durch Anhebung der Leistungsanforderung und Verschiebung der Aufteilungsverhältnisse von zwei EAV, z. B. 71% EAV_I und 29% EAV_II mit einer Summenleistung von 53% , kompensiert werden. Das entspricht gegenüber einer elektrifizierten zweistufigen Aufladung mit einem LLK gemäß der dritten Anlage 42 einer Absenkung der Leistungsaufnahme um 33%.
Wird die maximale Performance gegenüber Package und Kosten in den Vordergrund gestellt, zeigt die Variante mit zweistufiger Ladeluftkühlung jeweils vor und nach dem EAV 100 in der Hochdruckstrecke („EAV'_I-ATL-LLK-EAV_II-LLK“) das größte thermodynamische Potential und wird für das System 90 mit dreistufig geregelter Aufladung klar bevorzugt, um niedrigere Saugrohrtemperaturen im Betrieb des Zusatzverdichters 100 sicherzustellen. Die Realisierung dieses Aufladesystems führt durch die Einbindung einer größeren kaskadierten Ladeluftkühlung zu einer Zunahme der Komplexität. Neben einem erhöhten Bauraumbedarf beeinflussen erhebliche Mehrkosten und die Gewichtszunahme das Konzept negativ. Bei einer gesamtheitlichen Bewertung kombiniert die e3S-Variante mit einem einstufigen Ladeluftkühlungskonzept die sehr guten funktionalen Systemeigenschaften mit einer guten Umsetzbarkeit bzw. Fahrzeugintegration.
Abschließend kann festgestellt werden, dass mit einer elektrifizierten dreistufig geregelten Aufladung (e35) trotz wesentlich höherer Leistungsdichte des 2.01 R4-TFSI-Motors (bspw. 184 kW/I), die Performancewerte des hubraumstärkeren Verbrennungsmotors 2 erreicht und übertroffen werden können.
Das Aufladekonzept wurde voranstehend am Beispiel eines R4-Ottomotors vorgestellt. Die hier vorgesehene Anwendung ist unabhängig von einer konkreten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 2 realisierbar und allgemein für einen Ottomotor oder Dieselmotor gültig, der als V6-, V8- oder V10-Motor bzw. Grundmotor ausgebildet sein kann. Weiterhin ist das Aufladekonzept für unterschiedliche Spannungsniveaus bzw. Spannungslagen, bspw. für 12V oder 48V realisierbar. Der Turbolader 12 bzw. Abgasturbolader (ATL) ist in Ausgestaltung bspw. als Wastegate-ATL oder VTG-ATL und somit als Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie ausgebildet.
Bezugszeichenliste

2: Verbrennungsmotor
4: Anlage
6, 8: Pfeil
10: Verdichter
12: Abgasturbolader
14: Turbine
16: Bypassklappe
18: Ladeluftkühler
20: Bypassklappe
22: Verdichter
24: Energiequelle
26: Ladeluftkühler
28: Drosselklappe
30: Abgasturboaufladung
32: Abszisse
34: Ordinate
36, 38, 39: Kurve
40, 42, 44, 46: Anlage
48, 52: Abszisse
54: Ordinate
56: Abszisse
58: Ordinate
60, 64, 66: Kurve
68: Gerade
74, 75, 76: Kurve
77, 78: Kurve
80, 81, 82, 83: Balken
84, 85: Kurve
86: Fläche
90: System
92: Verdichter
94: Klappe
96: Energiequelle
98: Ladeluftkühler
100: Verdichter
102: Energiequelle
104: Klappe
106: Ladeluftkühler
110,111,112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124: Balken
125: Verdichterkennfeld
132, 133, 134,: Balken
135, 136: Balken
137, 138, 139, 140, 141, 142: Kurve
143, 144, 145, 146, 147: Balken
148, 149: Kurve
150: Abszisse
151: Ordinate
152, 153, 154, 155: Kurve
156: Fläche
175, 176, 177 178, 179, 180: Kurve

Claims

System für einen Verbrennungsmotor (2), der mit einem Luftzufuhrkanal verbunden und über den Luftzufuhrkanal mit Luft, die in einer Strömungsrichtung strömt, zu versorgen ist, wobei das System (90) mindestens drei Verdichter aufweist, die in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet sind, wobei das System (90) mindestens zwei als Zusatzverdichter (92, 100) ausgebildete elektrisch angetriebene Verdichter und einen als Turboverdichter (10) ausgebildeten Verdichter aufweist, die in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet sind, wobei das System einen Abgasturbolader (12) mit dem als Turboverdichter (10) ausgebildeten Verdichter umfasst, wobei der in dem Luftzufuhrkanal des Systems (90) angeordnete Turboverdichter (10) des Abgasturboladers (12) über eine Welle mit einer Turbine (14) des Abgasturboladers (12) verbunden ist, wobei diese Turbine (14) in einem Abgasabfuhrkanal des Systems (90) angeordnet ist, wobei in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft hintereinander ein erster Zusatzverdichter (92), der Turboverdichter (10) und ein zweiter Zusatzverdichter (100) angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, das mindestens einen Ladeluftkühler (98, 106) aufweist, der in dem Luftzufuhrkanal vor dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet ist.
System nach Anspruch 2, bei dem ein erster Ladeluftkühler (98) zwischen einem zweiten Verdichter und einem dritten Verdichter angeordnet ist.
System nach Anspruch 2 oder 3, bei dem ein zweiter Ladeluftkühler (106) zwischen dem letzten Verdichter und dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2), das mit einem System (90) durchgeführt wird, wobei der Verbrennungsmotor (2) mit einem Luftzufuhrkanal des Systems (90) verbunden und über den Luftzufuhrkanal mit Luft, die in einer Strömungsrichtung strömt, versorgt wird, wobei das System (90) mindestens zwei als Zusatzverdichter (92, 100) ausgebildete elektrisch angetriebene Verdichter und einen als Turboverdichter (10) ausgebildeten Verdichter aufweist, die in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet werden, wobei das System einen Abgasturbolader (12) mit dem als Turboverdichter (10) ausgebildeten Verdichter umfasst, wobei der in dem Luftzufuhrkanal des Systems (90) angeordnete Turboverdichter (10) des Abgasturboladers (12) über eine Welle mit einer Turbine (14) des Abgasturboladers (12) verbunden ist, wobei diese Turbine (14) in einem Abgasabfuhrkanal des Systems (90) angeordnet ist, wobei in dem Luftzufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Luft hintereinander ein erster Zusatzverdichter (92), der Turboverdichter (10) und ein zweiter Zusatzverdichter (100) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die in dem Luftzufuhrkanal strömende Luft von den drei Verdichtern dreimal verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Luft geregelt aufgeladen wird.