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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund
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DE 60 2004 000 194 T2 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei als eine weitere Komponente ein zweiter Turbolader vorgesehen ist. Der zweite Turbolader umfasst auf einer Welle eine mit Frischluft beschickbare Turbine, einen Verdichter und einen elektrischen Antrieb. Sowohl die Turbine als auch der separate Verdichter werden dabei jederzeit in derselben Strömungsrichtung durchströmt.
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DE 20 2017 107 685 U1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei als eine weitere Komponente ein Expandierer vorgesehen ist. Der Expandierer wird genutzt, um zuvor im Abgasturbolader überhöht aufgeladene Frischluft zu expandieren und dadurch zu kühlen. Der Expandierer kann dabei mit einem elektrischen Generator gekoppelt sein.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs anzugeben, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad mit einfachen Mitteln verbessert wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes System erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die ansteuerbare Ventilanordnung, wobei in einer ersten Stellung der Ventilanordnung die angesaugte Luft in einer Turbinenrichtung durch die Strömungsmaschine geleitet wird, und wobei in einer zweiten Stellung der Ventilanordnung die angesaugte Luft in einer umgekehrten Verdichterrichtung durch die Strömungsmaschine geleitet wird, kann ein flexibler Betrieb mit wenigen Komponenten erfolgen. Insgesamt kann hierdurch der Wirkungsgrad des Antriebs verbessert werden.
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Unter dem Betriebsgas wird im Sinne der Erfindung jedes Gas oder Gasgemisch verstanden, das dem Antrieb zur Umwandlung von Energie zugeführt wird. Je nach Anordnung des Systems kann das Betriebsgas reine Luft, ein Luft-Abgas-Gemisch oder ein sonstiges Gemisch der angesaugten Luft mit weiteren Bestandteilen sein. Allgemein bevorzugt kann das Betriebsgas mit der angesaugten Luft identisch sein. Der Betriebsdruck ist dabei der Druck, mit dem das Betriebsgas dem Antrieb unmittelbar zugeführt wird.
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Eine Strömungsmaschine ist im Sinne der Erfindung jede Maschine, die durch Energiewandlung von dem Betriebsgas Energie entnimmt, insbesondere nach Art einer Turbine, und/oder dem Betriebsgas Energie zuführt, insbesondere nach Art eines Verdichters.
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Strömt dabei das Betriebsgas in der ersten Betriebsart in Turbinenrichtung, so wird im Regelfall Energie aus dem Betriebsgas in mechanische Energie gewandelt, welche in weitere, den Gesamtwirkungsgrad erhöhende, nutzbare Energieformen gewandelt werden kann. Die Strömungsmaschine wird in dieser Betriebsart bevorzugt als Expander für das Betriebsgas verwendet, wobei mittels des Generators elektrische Energie gewonnen bzw. rekuperiert wird. Das Betriebsgas wird dabei gemäß einem über der Strömungsmaschine anliegenden Druckgefälle expandiert. Regelmäßig tritt bei der Expansion des Betriebsgases eine Kühlung bzw. Temperaturreduzierung des Betriebsgases auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden freie Betriebsparameter so gewählt, dass die Gewinnung elektrischer Energie optimiert wird und Vorrang vor einer eventuellen Kühlung des Betriebsgases durch die Strömungsmaschine hat.
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Unter einer ansteuerbaren Ventilanordnung im Sinne der Erfindung handelt es sich um jede durch eine Steuerung verstellbare Anordnung von einem oder mehreren Ventilen, die eine Verstellung des Betriebsgasstroms zwischen zumindest den beiden Betriebsarten ermöglicht.
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Bei dem Antrieb kann es sich allgemein um einen alleinigen oder auch ergänzenden Antrieb des Kraftfahrzeugs handeln. Beispiele sind Verbrennungsmotoren für einen Direktantrieb, einen Hybridantrieb mit zusätzlichem Elektromotor oder als Range-Extender für einen Elektromotor als Antrieb. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Ottomotor. Grundsätzlich werden auch Brennstoffzellen als Antriebe im Sinne der Erfindung verstanden, wobei eine Zuführung von Betriebsgas zu der Brennstoffzelle mittels des Verdichters unterstützt wird. Je nach Betriebsbedingungen und Lastwechseln können auch hier Druckgefälle im Betriebsgas auftreten, die eine Rekuperation bzw. Energiegewinnung aus dem Betriebsgas mittels der Strömungsmaschine erlauben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft die Drehrichtung des elektrischen Generators in den beiden Betriebsarten entgegengesetzt. Dies erlaubt eine einfache Realisierung, insbesondere durch Anbringen des Generators und eines Verdichter- und/oder Turbinenrads auf derselben Welle. Bei alternativen Ausführungsformen könnte aber auch ein Umkehrgetriebe vorgesehen sein, so dass der Generator bzw. Motor immer in derselben Richtung dreht. Hierdurch kann ein Moment bei einer Änderung der Betriebsart verringert werden.
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Allgemein vorteilhaft ist der Generator in der zweiten Betriebsart mittels einer Steuerelektronik als elektrischer Motor der Strömungsmaschine geschaltet. Dies erlaubt die Verwendung derselben bewegten Massen als Generator und als Motor. Bei alternativen Ausführungsformen können aber auch ein getrennter Motor und Generator, bevorzugt auf derselben Welle, vorgesehen sein.
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Zur Verringerung der Anzahl von Bauteilen und im Interesse einer kompakten Bauform kann die Ventilanordnung allgemein vorteilhaft ein Mehrwegeventil umfassen. Besonders bevorzugt besteht die Ventilanordnung vollständig aus einem Mehrwegeventil. Ein besonders bevorzugtes Mehrwegeventil umfasst nur einen einzigen Ventilschieber, durch den die Strömungswege der verschiedenen Betriebsarten erzielt werden.
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Die Ventilanordnung kann je nach Betriebsart auch als eine Drosselklappe mit einstellbarem Querschnitt für die Luftmassenregelung des Antriebs wirken.
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Allgemein vorteilhaft umfasst die Strömungsmaschine genau ein strömungsmechanisches Rad, wobei das Rad je nach Betriebsart als Turbine oder als Verdichter für das Betriebsgas wirkt. Dies erlaubt eine kostengünstige und einfache Herstellung. Bei alternativen Ausführungsformen können aber auch mehrere Räder vorgesehen sein. Zum Beispiel können diese Räder nacheinander durchströmt werden, um zum Beispiel die strömungsmechanische Effizienz zu erhöhen. Je nach Anforderungen kann auch in einer der Betriebsarten, zum Beispiel der ersten Betriebsart, nur die Durchströmung eines der Räder vorgesehen sein, während in der zweiten Betriebsart zwei oder mehr Räder durchströmt werden.
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Bei einer einfachen und allgemein bevorzugten Realisierung der Erfindung umfasst die Strömungsmaschine eine Turbine von radialer Bauart. Solche Turbinen sind insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren gut optimierbar.
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Zur strömungsmechanischen Optimierung kann es allgemein vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine stationäre Leitschaufeln aufweist. Solche Leitschaufeln sind kostengünstig herstellbar und erlauben eine Steigerung der Effizienz.
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Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine verstellbare Leitschaufeln umfasst. Dies erlaubt eine besonders gute Optimierung der Effizienz. Insbesondere kann hierdurch die Anpassung an die verschiedenen Betriebsmodi verbessert werden, da hier oft verschiedene Drücke, Massenstromzielwerte und Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antrieb als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Insbesondere Verbrennungsmotoren weisen in vielen Betriebszuständen, zum Beispiel im Teillastbetrieb, eine Druckdifferenz des Einlasskrümmers auf, der zur strömungsmechanischen Rekuperation geeignet ist. Häufig wird bereits ein elektrisch angetriebener Verdichter, bekannt zum Beispiel unter der Bezeichnung „eBOOSTER“, eingesetzt, um die angesaugte Luft bzw. das Betriebsgas auf ein höheres Druckniveau zu verdichten. Ein solches Modul kann erfindungsgemäß in Verbindung mit der Ventilanordnung zugleich als Turbine zur Rekuperation verwendet werden. Hierzu sind allenfalls geringe Modifikationen erforderlich. Diese betreffen zum einen die elektronische Verschaltung, die neben einem Motorbetrieb auch einen Generatorbetrieb ermöglicht. Je nach Anforderungen kann auch eine Optimierung und/oder Verstellbarkeit von strömungsmechanisch relevanten Komponenten (Verdichter- und Turbinenrad sowie deren Leitapparate) erfolgen, um in den verschiedenen Betriebsmodi jeweils effizient zu arbeiten.
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In bevorzugter Weiterbildung kann dabei ein Abgasturbolader zusätzlich zu der Strömungsmaschine vorgesehen sein. Der Abgasturbolader ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems, indem er im Abgas enthaltene Energie nutzt und den Verbrennungsmotor auflädt. Der Abgasturbolader ist dabei bevorzugt eine separate Komponente mit eigenem Turbinenrad und Verdichterrad.
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Bei einer hierzu alternativen Ausführungsform der Erfindung ist kein weiterer Verdichter, insbesondere kein weiterer Abgasturbolader, zusätzlich zu der Strömungsmaschine vorgesehen. Dies erlaubt eine Kosteneinsparung und Verringerung von Bauteilen. Grundsätzlich kann die Strömungsmaschine dabei als im Lastbetrieb permanent wirkender, elektrisch angetriebener Verdichter bzw. Lader wirken. Alternativ kann die Strömungsmaschine auch nur zeitweise als Lader wirken, um kurze Spitzenlasten z.B. beim Beschleunigen zu ermöglichen, so dass der Verbrennungsmotor bei normaler Last als Saugmotor betrieben wird. Die Auslegung eines solchen Systems ist je nach Anforderungen anpassbar.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Strömungsmaschine ein durch Abgas des Verbrennungsmotors angetriebenes Turbinenrad umfasst. Das Abgas-Turbinenrad kann dabei auf derselben Welle wie der Generator angeordnet sein. In der einfachsten baulichen Variante umfasst die Strömungsmaschine somit ein betriebsgasseitiges Rad, das je nach Betriebsart als betriebsgasseitiges Verdichterrad oder betriebsgasseitiges Turbinenrad durchströmt wird, einen elektrischen Motor, der je nach Betriebsart auch als elektrischer Generator betrieben werden kann, und ein abgasseitiges Turbinenrad. Diese Komponenten können sämtlich auf derselben Welle angeordnet sein.
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In der ersten Betriebsart ist dann zu berücksichtigen, dass das abgasseitige Turbinenrad nicht bremsend auf die Strömungsmaschine wirkt. Hierzu kann das abgasseitige Turbinenrad strömungsfrei bzw. außerhalb des Abgasstroms leerlaufend geschaltet werden. Alternativ oder ergänzend kann eine lösbare Kupplung auf einer gemeinsamen Welle vorgesehen sein.
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Wiederum alternativ oder ergänzend kann ein Umkehrgetriebe vorgesehen sein. Zum Beispiel können mittels des Umkehrgetriebes der Generator bzw. Motor und das abgasseitige Turbinenrad immer in derselben Richtung drehen, während sich nur die Drehrichtung eines betriebsgasseitigen Verdichter-/Turbinenrads je nach Betriebsart umkehrt.
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Allgemein vorteilhaft kann es im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass der Betriebsdruck in zumindest einem regulären Betriebszustand, bevorzugt einem Teillastbereich des Antriebs, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck ist. Dies erlaubt zum Beispiel einen Betrieb als Saugmotor oder auch einen Betrieb in Verbindung mit einem Abgasturbolader bei geringer Leistung. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Strömungsmaschine in der ersten Betriebsart so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für ein Druckgefälle hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Strömungsmaschine im Turbinenbetrieb gegeben ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein allgemeines Diagramm für Betriebszustände eines aufladbaren Verbrennungsmotors.
- 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Strömungsmaschine eines erfindungsgemäßen Systems.
- 3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb eines Kraftfahrzeugs in einem ersten Betriebszustand.
- 4 zeigt das System aus 3 in einem zweiten Betriebszustand.
- 5 zeigt das System aus 3 in einem dritten Betriebszustand.
- 6 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems.
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Ausführliche Beschreibung
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Das in 1 gezeigte Diagramm beschreibt allgemein Betriebszustände eines Antriebs für ein Kraftfahrzeug in Form eines Verbrennungsmotors 1, bei dem das Betriebsgas über einen Verdichter aufgeladen werden kann. Dabei ist das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 1 über der Motordrehzahl n aufgetragen.
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Der Bereich A entspricht einem Saugbetrieb des Motors 1, bei dem der Verdichter gar nicht oder nur mit geringer Leistung in Betrieb ist. Ein Massenstrom des Betriebsgases wird dabei über eine Drosselklappe geregelt. Der Betriebsgasdruck eingangsseitig des Verbrennungsmotors 1 liegt unterhalb des Atmosphärendrucks. Der Atmosphärendruck ist der äußere Luftdruck, bei dem durch das System äußere Luft als Hauptbestandteil des Betriebsgases angesaugt wird.
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Die gestrichelte Linie B kennzeichnet als obere Drehmomentgrenze des Bereichs A die Kurve maximaler Leistung des Verbrennungsmotors 1 im Saugbetrieb.
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Der Bereich D entspricht einem aufgeladenen Betrieb des Verbrennungsmotors 1, bei dem der Verdichter den Druck des Betriebsgases erhöht. Entsprechend wird der Massenstrom des Betriebsgases durch die Leistung des Verdichters bestimmt. Im Normalfall findet in diesem Bereich kein Einsatz der Drosselklappe statt.
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Die Linie C kennzeichnet als obere Drehmomentgrenze des Bereichs D die Kurve maximaler Leistung des Verbrennungsmotors 1 im aufgeladenen Betrieb.
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Der als Rechteck eingetragene Bereich E zeigt den für die vorliegende Erfindung vorrangig relevanten Betriebsbereich. Es handelt sich um den Betrieb bei Teillast und niedriger Motordrehzahl. In diesem Bereich E liegt ein Druckgefälle im einlassseitigen Betriebsgasstrom vor, das zur Expansion des Betriebsgases und Rekuperation von Energie genutzt werden kann, wobei der Gesamtwirkungsgrad des Motors 1 gesteigert wird.
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3 bis 5 zeigen jeweils ein System zur Zuführung von Betriebsgas zu einem Antrieb in Form eines Verbrennungsmotors 1 eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen atmosphärenseitigen Saugeinlass 2a für Luft unter Atmosphärendruck, und eine Zuleitung 2 für das Betriebsgas zu dem Antrieb 1 unter einem Betriebsdruck, wobei das dem Antrieb 1 zugeleitete Betriebsgas zumindest einen Teil der angesaugten Luft umfasst.
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In einer ersten Betriebsart gemäß 3 wird zumindest ein Teil, vorzugsweise aber die Gesamtmenge des Betriebsgases stromaufwärts des Antriebs 1 durch eine Strömungsmaschine 3 geführt, die einen elektrischen Generator 4 umfasst.
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Die Strömungsmaschine 3 wird in einer zweiten Betriebsart gemäß 4 als Verdichter für das Betriebsgas betrieben.
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In dem System ist eine ansteuerbare Ventilanordnung 5 vorgesehen, mittels der der Betriebsgasstrom steuerbar ist.
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In einer ersten Stellung der Ventilanordnung 5 gemäß 3 wird zumindest ein Teil der angesaugten Luft in einer Turbinenrichtung T durch die Strömungsmaschine 3 geleitet.
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In einer zweiten Stellung der Ventilanordnung 5 gemäß 4 wird zumindest ein Teil der angesaugten Luft in einer umgekehrten Verdichterrichtung V durch die Strömungsmaschine 3 geleitet.
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In einer dritten Stellung der Ventilanordnung 5 gemäß 5 strömt kein Betriebsgas durch die Strömungsmaschine. Der Betriebsgasstrom wird an der Strömungsmaschine 3 vorbeigeführt.
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Die Ventilanordnung 5 kann je nach Betriebsart auch als eine Drosselklappe mit einstellbarem Querschnitt für den Antrieb wirken.
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Die Drehrichtung des elektrischen Generators 4 verläuft in den beiden Betriebsarten entgegengesetzt. Dies erlaubt eine einfache Realisierung, wobei vorliegend der Generator 4 und ein Verdichter- und/oder Turbinenrad 6 auf derselben Welle 7 angebracht sind. Bei einem Wechsel der Betriebsarten wird der Generator bzw. Motor 4 zunächst zum Stillstand gebracht und dann in entgegengesetzter Drehrichtung wieder beschleunigt.
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Bei alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann auch ein Umkehrgetriebe vorgesehen sein, so dass der Generator bzw. Motor 4 immer in derselben Richtung dreht. Hierdurch kann ein Moment bei einer Änderung der Betriebsart verringert werden.
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Allgemein vorteilhaft ist der Generator 4 in der zweiten Betriebsart mittels einer Steuerelektronik 8 als elektrischer Motor der Strömungsmaschine 3 geschaltet. Dies erlaubt die Verwendung derselben bewegten Massen als sowohl als Generator als auch als Motor 4.
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Bei alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) können aber auch ein getrennter Motor und Generator, bevorzugt auf derselben Welle 7, vorgesehen sein.
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Zur Verringerung der Anzahl von Bauteilen und im Interesse einer kompakten Bauform umfasst die Ventilanordnung 5 vorliegend ein Mehrwegeventil. In der gezeigten Ausführungsform besteht die Ventilanordnung vollständig aus einem Mehrwegeventil 5. Das Mehrwegeventil 5 umfasst vorliegend nur einen einzigen Ventilschieber, durch den die Strömungswege der verschiedenen Betriebsarten erzielt werden.
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Die Strömungsmaschine umfasst vorliegend genau ein strömungsmechanisches Rad 6, wobei das Rad 6 je nach Betriebsart als Turbine oder als Verdichter für das Betriebsgas wirkt. Dies erlaubt eine kostengünstige und einfache Herstellung.
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Bei alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) können aber auch mehrere Räder vorgesehen sein. Zum Beispiel können diese Räder nacheinander durchströmt werden, um zum Beispiel die strömungsmechanische Effizienz zu erhöhen. Je nach Anforderungen kann auch in einer der Betriebsarten, zum Beispiel der ersten Betriebsart, nur die Durchströmung eines der Räder vorgesehen sein, während in der zweiten Betriebsart zwei oder mehr Räder durchströmt werden.
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In der ersten Betriebsart nach 3 wirkt das Rad 6 als Turbinenrad. Dabei strömt das Betriebsgas zunächst in einem ersten Kanal 9 zu dem Turbinenrad 6, wo es in einen radial außen gelegenen Bereich eines Gehäuses 10 des Turbinenrades 6 eintritt. Nach Durchströmung und Antrieb des Turbinenrades 6 unter Expansion tritt das Betriebsgas in einem zentralen Bereich und in axialer Richtung aus dem Gehäuse 10 in einen zweiten Kanal 11 aus. Der zweite Kanal 11 ist von der Ventilanordnung 5 mit der Zuleitung 2 verbunden, so dass das expandierte Betriebsgas zu dem Antrieb 1 geführt wird. Durch die Energieabgabe bei Expansion des Betriebsgases wird der Generator 4 über die Welle 7 angetrieben, und es wird elektrische Energie erzeugt bzw. aus mechanischer Energie gewandelt. Die elektrische Energie wird einem Energiespeicher (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs zugeführt. Die Strömungsrichtung des Betriebsgases durch die Strömungsmaschine 3 ist in dieser Betriebsart die Turbinenrichtung T.
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In der zweiten Betriebsart nach 4 wirkt dasselbe Rad 6 als Verdichterrad. Dabei strömt bei entsprechend anderer Stellung der Ventilanordnung 4 das Betriebsgas zunächst in dem zweiten Kanal 11 zu dem Verdichterrad 6, wo es in dem zentralen Bereich des Gehäuses 10 in axialer Richtung des Rades 6 eintritt. Der Generator 4 ist über die Steuerelektronik 8 nun als Motor geschaltet und treibt die Welle 7 und das Verdichterrad 6 an. Bei der Durchströmung des Rades 6 wird das Betriebsgas entsprechend verdichtet und tritt dann aus dem radial außen gelegenen Bereich des Gehäuses 10 aus. Von dort wird es über den ersten Kanal 9 über die Ventilanordnung 5 zu der Zuleitung 2 und dem Antrieb 1 geführt. Die Strömungsrichtung des Betriebsgases durch die Strömungsmaschine 3 ist in dieser Betriebsart die Verdichterrichtung V. Die Verdichterrichtung V und die Turbinenrichtung T sind umgekehrt bzw. entgegengesetzt.
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Eine dritte Betriebsart ist in 5 dargestellt. Die Ventilanordnung 5 ist dabei so gestellt, dass das Betriebsgas die Strömungsmaschine 3 bzw. das Rad 6 gar nicht durchströmt und/oder nach Art eines Bypasses umgeht.
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Die Strömungsmaschine 3 umfasst vorliegend eine Turbine von radialer Bauart. Solche Turbinen sind insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren gut optimierbar. Das Rad 6 in dem Gehäuse 10 ist dabei als radiale Turbine bzw. als radialer Verdichter ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Betriebsgas am Eintritt (erste Betriebsart) bzw. am Austritt (zweite Betriebsart) im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse des Rades 6 bzw. der Welle 7 strömt.
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Zur strömungsmechanischen Optimierung ist es vorgesehen, dass die Strömungsmaschine 3 verstellbare Leitschaufeln 12 (siehe 2) umfasst. Dies erlaubt eine besonders gute Optimierung. Insbesondere kann hierdurch die Anpassung an die verschiedenen Betriebsmodi des Verbrennungsmotors 1 verbessert werden, der je nach Betriebspunkt unterschiedliche Massenströme des Betriebsgases benötigt. Die Leitschaufeln 12 ermöglichen hierbei die effizientere Gasführung auf die Laufschaufeln der Turbine, als dies bei einer druckseitigen Drosselung über das Ventil 5 möglich wäre, und eine gleichzeitige Massenstromregelung des Motors. Zugleich dienen sie im Verdichterbetrieb als eine Nachleitbeschaufelung, die ebenfalls eine Effizienzsteigerung ermöglicht. Die Verwendung von verstellbaren Leitschaufeln 12 ist auch unter dem Begriff „VTG“ = Variable Turbine Geometry aus dem Bau von Turboladern für Kraftfahrzeuge bekannt. Die verstellbaren Leitschaufeln 12 werden mittels eines ansteuerbaren Aktuators 13 verstellt.
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Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine 3 stationäre Leitschaufeln aufweist. Solche Leitschaufeln sind kostengünstig herstellbar und erlauben dennoch eine Steigerung der Effizienz, allerdings keine Regelung des Gesamtmassenstroms des Verbrennungsmotors 1.
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Vorliegend ist der Antrieb als Verbrennungsmotor 1 ausgebildet. Insbesondere Verbrennungsmotoren weisen in vielen Betriebszuständen, zum Beispiel im Teillastbetrieb E, einen Druckabfall auf, der zur strömungsmechanischen Rekuperation geeignet ist. Die vorliegende Strömungsmaschine 3 ist der Bauart nach weitgehend ein elektrisch angetriebener Verdichter, wie er zum Beispiel unter der Bezeichnung „eBOOSTER“, eingesetzt wird, um die angesaugte Luft bzw. das Betriebsgas aufzuladen. Ein solches Modul kann erfindungsgemäß in Verbindung mit der Ventilanordnung 5 zugleich als Turbine zur Rekuperation verwendet werden. Hierzu sind allenfalls geringe Modifikationen erforderlich. Diese betreffen zum einen die elektronische Verschaltung, die neben einem Motorbetrieb (zweite Betriebsart im Sinne der Erfindung) auch einen Generatorbetrieb (erste Betriebsart im Sinne der Erfindung) ermöglicht.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zudem ein Abgasturbolader 14 zusätzlich zu der Strömungsmaschine 3 vorgesehen. Der Abgasturbolader 14 ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems, indem er im Abgas enthaltene Energie zur Aufladung des Verbrennungsmotors nutzt. Der Abgasturbolader 14 ist dabei eine separate Komponente mit eigenem Turbinenrad und Verdichterrad.
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Der zusätzliche Abgasturbolader 14 lädt das Betriebsgas bzw. die angesaugte Luft in der dritten Betriebsart nach 3 auf. Diese dritte Betriebsart entspricht insbesondere einem Betrieb bei hoher konstanter Last (Bereich D in 1) oder auch bei konstanter Volllast (Linie C in 1).
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Bei einer hierzu alternativen Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt) ist kein weiterer Verdichter, insbesondere kein Abgasturbolader 10, zusätzlich zu der Strömungsmaschine 3 vorgesehen. Dies erlaubt eine Kosteneinsparung und Verringerung von Bauteilen. Grundsätzlich kann die Strömungsmaschine 3 dabei als im Lastbetrieb (Aufladebetrieb, Bereich D in 1) permanent wirkender, elektrisch angetriebener Verdichter bzw. Lader wirken. Alternativ kann die Strömungsmaschine auch nur zeitweise als Lader wirken, um kurze Spitzenlasten z.B. beim Beschleunigen zu ermöglichen, so dass der Verbrennungsmotor 1 bei normaler Last als Saugmotor betrieben wird. Die Auslegung eines solchen Systems ist je nach Anforderungen anpassbar.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt) ist es vorgesehen, dass die Strömungsmaschine 3 ein durch Abgas des Verbrennungsmotors 1 angetriebenes Turbinenrad umfasst. Das Abgas-Turbinenrad kann dabei auf derselben Welle 7 wie der Generator 4 angeordnet sein. In der einfachsten baulichen Variante umfasst die Strömungsmaschine somit ein betriebsgasseitiges Rad, das je nach Betriebsart als betriebsgasseitiges Verdichterrad oder betriebsgasseitiges Turbinenrad 6 durchströmt wird, einen elektrischen Motor 4, der je nach Betriebsart auch als elektrischer Generator 4 betrieben werden kann, und ein abgasseitiges Turbinenrad. Diese Komponenten können sämtlich auf derselben Welle angeordnet sein.
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In der ersten Betriebsart ist dann zu berücksichtigen, dass das abgasseitige Turbinenrad nicht bremsend auf die Strömungsmaschine 3 wirkt. Hierzu kann das abgasseitige Turbinenrad strömungsfrei bzw. außerhalb des Abgasstroms leerlaufend geschaltet werden. Alternativ oder ergänzend kann eine lösbare Kupplung auf einer gemeinsamen Welle 7 vorgesehen sein. Wiederum alternativ oder ergänzend kann ein Umkehrgetriebe vorgesehen sein. Zum Beispiel können mittels des Umkehrgetriebes der Generator bzw. Motor und das abgasseitige Turbinenrad immer in derselben Richtung drehen, während sich nur die Drehrichtung eines betriebsgasseitigen Verdichter-/Turbinenrads 6 je nach Betriebsart umkehrt.
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Allgemein vorteilhaft ist es für sämtliche der beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass der Betriebsdruck in zumindest einem regulären Betriebszustand, bevorzugt einem Teillastbereich E des Antriebs 1, um einen Differenzdruck kleiner als der Atmosphärendruck ist. Dies erlaubt zum Beispiel einen Betrieb als Saugmotor oder auch eine Auslegung in Verbindung mit einem Abgasturbolader 14 bei geringer Leistung. Bei einer solchen Auslegung des Systems ist die Strömungsmaschine in der ersten Betriebsart so ausgelegt, dass eine gute Effizienz für eine Durchströmung auf Basis eines Druckgefälles hin zu einem unteratmosphärischen Druck ausgangsseitig der Strömungsmaschine im Turbinenbetrieb gegeben ist.
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6 zeigt zur Veranschaulichung eine Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems. Der Verbrennungsmotor 1 mit einem Einlasskrümmer 15 und einem Abgaskrümmer 16 ist in einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) verbaut. Bevorzugt handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor 1 um einen Ottomotor.
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Die Strömungsmaschine 3 ist vorliegend stromabwärts eines Ladeluftkühlers 17 angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen kann die Strömungsmaschine auch stromaufwärts, insbesondere unmittelbar stromaufwärts, des Ladeluftkühlers 17 vorgesehen sein.
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In der vorliegenden schematischen Darstellung ist eine betriebsgasseitige Drosselklappe integriert mit der Strömungsmaschine 3 ausgeführt und daher nicht gesondert dargestellt. Je nach Anforderungen kann aber auch eine Drosselklappe als separates Bauteil, zum Beispiel in einem Zweigkanal zu der Strömungsmaschine 3, vorgesehen sein.
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Der Abgasturbolader 14 ist turbinenseitig stromaufwärts einer Abgasreinigung mit Katalysator 18 angeordnet. Stromabwärts des Katalysators 18 ist eine Abgasrückführung mit Abgasrückführventil 19, Abgaskühler 20 und Abgasdrosselventil 21 vorgesehen.
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Es versteht sich, dass je nach Anforderungen andere oder zusätzliche Komponenten und/oder Verbindungen der Gasströme in dem System vorgesehen sein können. Beispiele sind Katalysatoren verschiedener Bauart, eine Hochdruck-Abgasrückführung oder Ähnliches.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antrieb, Verbrennungsmotor
- 2
- Zuleitung für Betriebsgas
- 2a
- Saugeinlass unter Atmosphärendruck
- 3
- Strömungsmaschine
- 4
- Generator, elektrischer Motor
- 5
- Ventilanordnung
- 6
- strömungsmechanisches Rad, Verdichter- und/oder Turbinenrad
- 7
- Welle
- 8
- Steuerelektronik
- 9
- erster Kanal der Strömungsmaschine
- 10
- Gehäuse von Verdichter- und/oder Turbinenrad
- 11
- zweiter Kanal der Strömungsmaschine
- 12
- verstellbare Leitschaufeln
- 13
- Aktuator für Leitschaufeln
- 14
- Abgasturbolader
- 15
- Einlasskrümmer
- 16
- Auslasskrümmer
- 17
- Ladeluftkühler
- 18
- Katalysator
- 19
- Abgasrückführventil
- 20
- Abgaskühler
- 21
- Abgasdrosselklappe
- A
- Bereich Saugbetrieb (saugmotorische Teillast)
- B
- Linie maximaler Leistung Saugbetrieb
- C
- Linie maximaler Leistung aufgeladener Betrieb
- D
- Bereich aufgeladener Betrieb
- E
- Bereich für Expansion / Rekuperation
- T
- Turbinenrichtung
- V
- Verdichterrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602004000194 T2 [0002]
- DE 202017107685 U1 [0003]
