DE102021000310A1

DE102021000310A1 - Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102021000310A1
Application number: DE102021000310.1A
Authority: DE
Inventors: Billy Hesse
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Abtriebswelle (18), über welche Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs von der Verbrennungskraftmaschine (10) bereitstellbar sind, mit einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (24) zum Einleiten der Luft in wenigstens einen Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem von Abgas aus dem Brennraum (16) durchströmbaren Abgastrakt (28), und mit wenigstens einer Aufladeeinrichtung (30), welche ein in dem Abgastrakt (28) angeordnetes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad (34) als erstes Laufrad und ein in dem Ansaugtrakt (24) angeordnetes und von dem Turbinenrad (34) antreibbares Verdichterrad (38) zum Verdichten der Luft aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der DE 10 2009 038 772 A1 als bekannt zu entnehmen. . Die Verbrennungskraftmaschine weist eine Abtriebswelle auf, über welche die Verbrennungskraftmaschine Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann. Die Verbrennungskraftmaschine weist des Weiteren einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende Luft in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet werden kann. Des Weiteren umfasst die Verbrennungskraftmaschine einen von Abgas von dem Brennraum durchströmbaren Ansaugtrakt sowie eine Aufladeeinrichtung, welche ein in dem Ansaugtrakt angeordnetes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad aufweist. Die Aufladeeinrichtung weist außerdem ein in dem Ansaugtrakt angeordnetes und von dem Abgas antreibbares Verdichterrad auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet werden kann. Das Turbinenrad und das Verdichterrad werden auch als Laufräder bezeichnet.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2009 043 721 A1 eine Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Strömungsverdichter, einer Strömungsmaschine und einer Hubkolbenmaschine, welche alle drei mechanische oder elektrisch gekoppelt sind und bei der die Verbrennung eines Kraftstoffes in der Brennkammer der Hubkolbenmaschine stattfindet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Aufladeeinrichtung eine erste elektrische Maschine aufweist, welche in einem ersten Motorbetrieb und somit als ein erster Elektromotor und in einem ersten Generatorbetrieb und somit als ein erster Generator betreibbar ist. In dem Motorbetrieb ist beziehungsweise wird mittels der ersten elektrischen Maschine zumindest eines der Laufräder antreibbar beziehungsweise angetrieben, insbesondere unter Nutzung von elektrischer Energie, insbesondere elektrischem Strom, die beziehungsweise der der ersten elektrischen Maschine in dem ersten Motorbetrieb zugeführt wird. In dem ersten Generatorbetrieb ist beziehungsweise wird die erste elektrische Maschine von zumindest einem der Laufräder antreibbar beziehungsweise angetrieben, insbesondere mechanisch, sodass die erste elektrische Maschine in dem ersten Generatorbetrieb elektrische Energie, insbesondere elektrischen Strom, bereitstellt, die beziehungsweise der beispielsweise in einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere in einem Akkumulator, zu speichern ist oder gespeichert wird.
Die Verbrennungskraftmaschine umfasst außerdem erfindungsgemäß eine zusätzlich zu der ersten elektrischen Maschine vorgesehene, zweite elektrische Maschine, welche in einem zweiten Motorbetrieb und somit als zweiter Elektromotor und in einem zweiten Generatorbetrieb und somit als zweiter Generator betreibbar ist. In dem zweiten Motorbetrieb ist beziehungsweise wird mittels der zweiten elektrischen Maschine die beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle der auch als Verbrennungsmotor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine mechanisch antreibbar beziehungsweise angetrieben. In dem zweiten Generatorbetrieb ist beziehungsweise wird die zweite elektrische Maschine mechanisch von der Abtriebswelle antreibbar beziehungsweise angetrieben. Somit wird beispielsweise die zweite elektrische Maschine in dem zweiten Motorbetrieb mit elektrischer Energie, insbesondere elektrischem Strom, versorgt, sodass die zweite elektrische Maschine die elektrische Energie, mit welcher die zweite elektrische Maschine in dem zweiten Motorbetrieb versorgt wird, in mechanische Energie umwandelt, mittels welcher die Abtriebswelle angetrieben wird. In dem zweiten Generatorbetrieb stellt die zweite elektrische Maschine elektrische Energie bereit, die beispielsweise in dem Energiespeicher gespeichert werden kann.
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abgastrakt eine von dem Abgas aus dem Brennraum, insbesondere aus allen Brennräumen, der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Abgasleitung aufweist, mittels welcher das die Abgasleitung durchströmende Abgas zu dem Turbinenrad geführt werden kann, wodurch das Turbinenrad mit dem die Abgasleitung durchströmenden Abgas versorgbar ist beziehungsweise versorgt wird. Der Ansaugtrakt umfasst außerdem eine in der Abgasleitung und dadurch stromab des Brennraums, insbesondere stromab aller Brennräume, der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Brennkammer, in welcher Verbrennungsvorgänge durchführbar sind. Unter den jeweiligen, in der Brennkammer durchgeführten und somit stattfindenden Verbrennungsvorgang ist zu verstehen, dass bei dem Verbrennungsvorgang außerhalb des Brennraums, insbesondere außerhalb aller Brennräume der Verbrennungskraftmaschine , ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, insbesondere unter Freisetzung von Wärme. Somit kann mittels der Brennkammer beziehungsweise mittels des jeweiligen, in der Brennkammer stattfindenden Verbrennungsvorgangs das Abgas, insbesondere stromauf der Turbine, effektiv und effizient aufgeheizt werden.
Der Ansaugtrakt umfasst außerdem eine auch als Bypass oder Bypass-Leitung bezeichnete Umgehungsleitung, welche sowohl die Brennkammer als auch das Turbinenrad umgeht. Somit sind über die Umgehungsleitung sowohl die Brennkammer als auch das Turbinenrad von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen. Dies bedeutet, dass das die Umgehungsleitung umströmende Abgas nicht durch die Brennkammer und nicht durch das Turbinenrad hindurchströmt und somit das Turbinenrad nicht antreibt.
Vorzugsweise ist die Verbrennungskraftmaschine als direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Verbrennungskraftmaschine eine Kraftstoff-Direkteinspritzung auf, welche auch als Direkteinspritzung bezeichnet wird und dazu ausgebildet ist, Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine in ihrem befeuerten Betrieb direkt in den Brennraum beziehungsweise in alle Brennräume einzuspritzen. Die Aufladeeinrichtung wird auch als Aufladeaggregat bezeichnet. Dadurch, dass die zwei elektrischen Maschinen vorgesehen sind, ist die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine als ein elektrifizierter Turbo-Verbundmotor, insbesondere mit Direkteinspritzung ausgebildet, sodass sich insbesondere die folgenden Vorteile realisieren lassen:

- besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten des Aufladeaggregats
- Steigerung der Leistungsdichte des Gesamtsystems
- Rekuperation von elektrischer Energie aus Verbrennungsabgasen der vorzugsweise als Kolbenmaschine, insbesondere Hubkolbenmaschine, ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine
- reiner Turbinenbetrieb mit quasi-statischen Verbrennungszuständen zur Stabilisierung von Abgasemissionen
- Reduktion von Geräuschemissionen durch reinen Turbinen-/Akkubetrieb in Niedrig- oder Teillastzuständen
- Verlängerung der Reichweite im elektrischen Betrieb, insbesondere nach Art eines Reichweitenverlängerers (ränge extender)
- Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
- Reduzierung von Abgasrohemissionen in bestimmten Betriebszuständen
- Mehrfachnutzung der Abgasenergie (Aufladung der Verbrennungskraftmaschine und Erzeugen von elektrischer Energie für den Energiespeicher)
- Abgas aus dem Brennraum sowie Energie beziehungsweise Abgas aus der zusätzlichen Brennkammer können das Turbinenrad und somit das Verdichterrad antreiben.

Die zuvor genannte Mehrfachnutzung der Abgasenergie kann insbesondere dazu genutzt werden, die Verbrennungskraftmaschine aufzuladen, mithin die den Ansaugtrakt durchströmende Luft zu verdichten, sowie elektrische Energie zu erzeugen beziehungsweise bereitzustellen, die in dem Energiespeicher gespeichert werden kann. Geräuschemissionen können besonders gering gehalten werden, insbesondere dadurch, dass die Verbrennungskraftmaschine insbesondere im Hinblick auf ihren befeuerten Betrieb deaktiviert wird, das Turbinenrad aktiviert wird und beispielsweise ein elektrischer Antrieb von Rädern des Kraftfahrzeugs mittels der zweiten elektrischen Maschine in deren zweiten Motorbetrieb erfolgt. Somit ist es insbesondere denkbar, dass die zweite elektrische Maschine dazu ausgebildet ist, in ihrem zweiten Motorbetrieb, insbesondere über ein Getriebe, die Räder des Kraftfahrzeugs und das Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisch, anzutreiben, insbesondere während ein durch die zweite elektrische Maschine bewirktes Antreiben der Abtriebswelle unterbleibt. Hierzu wird beispielsweise eine Kupplung zwischen der zweiten elektrischen Maschine und der Abtriebswelle geöffnet. Ferner kann die zweite elektrische Maschine dazu genutzt werden, die zunächst deaktivierte Verbrennungskraftmaschine, das heißt deren Abtriebswelle, anzutreiben, sodass beispielsweise eine so genannte Boost-Funktion realisiert werden kann, in deren Rahmen das Kraftfahrzeug stark beschleunigt werden kann. Ferner kann die zweite elektrische Maschine dazu genutzt werden, die zunächst deaktivierte Verbrennungskraftmaschine zu starten, das heißt anzulassen, wobei hierfür die zunächst stillstehende Abtriebswelle mittels der zweiten elektrischen Maschine angetrieben, das heißt in Rotation versetzt wird.
Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine energetische Kopplung des Aufladeaggregats, insbesondere der Turbine, mit der Abtriebswelle und somit mit der Verbrennungskraftmaschine an sich über das Abgas, insbesondere über dessen Massenstrom, sowie über elektrische Energie. Eine Regeltechnik zum Betreiben, insbesondere Steuern oder Regeln der elektrischen Maschine kann dabei einen vorteilhaften Betrieb sicherstellen, um beispielsweise Boost-Effekte über die elektrischen Maschinen erzielen zu können. Dies bedeutet insbesondere, dass durch die genannten Regeltechnik jeweilige Betriebe der elektrischen Maschinen vorteilhaft aufeinander abgestimmt werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen.
Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen und ganz vorzugsweise für einen Personenkraftwagen. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst und mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen auch als Zylindergehäuse bezeichneten Motorblock 12, welcher mehrere Zylinder 14 aufweist. Die Zylinder 14 begrenzen jeweilige Brennräume 16 der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 in den Brennräumen 16 Verbrennungsvorgänge ablaufen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst eine vorliegend als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle 19, welche zumindest mittelbar drehbar an dem Motorblock 12 gelagert ist. Über die Abtriebswelle 18 kann die Verbrennungskraftmaschine 10 Drehmomente zum Antreiben des KZFs bereitstellen. Insbesondere können mittels der Drehmomente Räder des Kraftfahrzeugs und somit das Kraftfahrzeug insgesamt angetrieben werden. Dabei kann ein Getriebe 20 vorgesehen werden, über welches die Räder von der Abtriebswelle 18 und somit von der Verbrennungskraftmaschine 10 angetrieben werden können. Ein Pfeil 22 veranschaulicht, dass das jeweilige, von der Verbrennungskraftmaschine 10 über ihre Abtriebswelle 18 bereitgestellte Drehmoment beziehungsweise ein aus dem Drehmoment resultierendes Antriebsdrehmoment auf das jeweilige Rad übertragen werden kann, wodurch die Räder und somit das Kraftfahrzeug antreibbar sind.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt 24 auf, welcher von Luft durchströmbar ist. Durch einen Pfeil 26 ist veranschaulicht, dass die Luft, beispielsweise aus einer Umgebung des Kraftfahrzeugs und somit als Umgebungsluft, in den Ansaugtrakt 24 einströmen kann. Mittels des Ansaugtrakts 24 wird die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft zu dem und in die Brennräume 16 geführt. Somit wird die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft mittels des Ansaugtrakts 24 in die Brennräume 16 eingeleitet. Aus den jeweiligen, in den jeweiligen Brennraum 16 ablaufenden Verbrennungsvorgängen resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Abgastrakt 28 auf, welcher von dem Abgas aus dem beziehungsweise allen Brennräumen 16 durchströmbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ferner eine vorliegend als Abgasturbolader ausgebildete Aufladeeinrichtung 30 auf, welche auch als Aufladeaggregat bezeichnet wird. Die Aufladeeinrichtung 30 weist eine in dem Abgastrakt 28 angeordnete Turbine 32 mit einem in dem Abgastrakt 28 angeordneten Turbinenrad 34 auf, welches von dem den Abgastrakt Abgastrakt 28 durchströmenden Abgas antreibbar ist. Des Weiteren umfasst die Aufladeeinrichtung 30 einen in dem Ansaugtrakt 24 angeordneten Verdichter 36 mit einem in den Ansaugtrakt 24 angeordneten Verdichterrad 38, welches, insbesondere über eine Welle 39 der Aufladeeinrichtung 30, von dem Turbinenrad 34 antreibbar ist. Durch Antreiben des Verdichterrads 38 wird mittels des Verdichterrads 38 die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft verdichtet. Um besonders hohe Aufladegrade zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 24 stromab des Verdichterrads 38 und stromauf der Brennräume 16 ein Ladeluftkühler 40 angeordnet, mittels welchem die verdichtete Luft gekühlt wird. Das Turbinenrad 34 wird auch als erstes Laufrad bezeichnet, wobei das Verdichterrad 38 auch als zweites Laufrad bezeichnet wird. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad 34 und das Verdichterrad 38 Laufräder der Aufladeeinrichtung 30 sind.
Um nun einen besonders effizienten und somit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 realisieren zu können, weist die Aufladeeinrichtung 30 einen erste elektrische Maschine 42 auf. Die elektrische Maschine 42 ist in einem ersten Motorbetrieb und somit als erster Elektromotor und in einem ersten Generatorbetrieb und somit als erster Generator betreibbar. In dem ersten Motorbetrieb wird die elektrische Maschine 42 mit elektrischer Energie aus einem beispielsweise als Akkumulator ausgebildeten, elektrischen Energiespeicher 43 versorgt, sodass in dem ersten Motorbetrieb der elektrischen Maschine 42 zumindest eines der Laufräder, insbesondere über die Welle 39, antreibt. Insbesondere kann die elektrische Maschine 42 in ihrem ersten Motorbetrieb das Verdichterrad 38, insbesondere über die Welle 39, antreiben, sodass die Luft, insbesondere auch dann vorteilhaft verdichtet werden kann, wenn kein Abgas oder ein nur sehr geringer Massenstrom des Abgases durch den Abgastrakt 28 strömt und somit zum Antreiben des Turbinenrads 34 zur Verfügung steht. In dem ersten Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine 42 von zumindest einem der Laufräder angetrieben. Beispielsweise wird, insbesondere über die Welle 39, die elektrische Maschine 42 in dem ersten Generatorbetrieb von dem Turbinenrad 34 und/oder von dem Verdichterrad 38 angetrieben, wodurch die elektrische Maschine 42 mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, die von der elektrischen Maschine 42 bereitgestellt und dabei beispielsweise in dem Energiespeicher 43 gespeichert werden kann.
Zusätzlich zu der ersten elektrischen Maschine 42 ist eine zweite elektrische Maschine 44 vorgesehen, die in einem zweiten Motorbetrieb und somit als zweiter Elektromotor und in einem zweiten Generatorbetrieb und somit als zweiter Generator betreibbar ist. In dem zweiten Motorbetrieb kann die elektrische Maschine 44, insbesondere über das Getriebe 20, die Räder und somit das Kraftfahrzeug insgesamt, insbesondere elektrisch, antreiben. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine 44 in einem zweiten Motorbetrieb die Abtriebswelle 18 mechanisch antreiben. In dem zweiten Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine 44 von der Abtriebswelle 18 mechanisch angetrieben und/oder die elektrische Maschine 44 wird, insbesondere über das Getriebe 20, von den sich drehenden Rädern des beispielsweise rollenden Kraftfahrzeugs angetrieben. Hierdurch kann die elektrische Maschine 44 in ihrem zweiten Generatorbetrieb mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, die von der elektrischen Maschine 44 bereitgestellt und beispielsweise in dem Energiespeicher 43 gespeichert werden kann.
Darüber hinaus weist der Abgastrakt 28 eine von dem Abgas durchströmbare Abgasleitung 46 auf, mittels welcher das die Abgasleitung 46 durchströmende Abgas zu dem Turbinenrad 34 geführt werden kann. Hierdurch kann das Turbinenrad 34 mit dem die Abgasleitung 46 durchströmenden Abgas aus den Brennräumen 16 versorgt werden. In die Abgasleitung 46 ist stromauf der beziehungsweise aller Brennräume 16 in dem Motorblock 12 und stromauf des Turbinenrads 34 eine Brennkammer 48 angeordnet, in welcher außerhalb der Brennräume 16 und somit außerhalb des Motorblocks 12 Verbrennungsvorgänge ablaufen. Bei einem jeweiligen, in der Brennkammer 48 ablaufenden Verbrennungsvorgang wird beispielsweise ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt, welches einfach auch als Gemisch bezeichnet wird. Das Gemisch umfasst dabei Luft und einen Brennstoff, wobei die Luft des Gemisches - wie im Folgenden noch genauer erläutert wird - vorzugsweise aus dem Ansaugtrakt 24 stammt. Durch die in der Brennkammer 48 ablaufenden Verbrennungsvorgänge kann das die Abgasleitung 46 durchströmende Abgas effektiv und effizient aufgeheizt werden.
Der Abgastrakt 28 weist außerdem eine auch als Bypass oder Bypass-Leitung bezeichnete Umgehungsleitung 50 auf, welche sowohl die Brennkammer 48 als auch das Turbinenrad 34 umgeht. Somit können sowohl die Brennkammer 48 als auch das Turbinenrad 34 über die Umgehungsleitung 50 von zumindest einem Teil des Abgases umgangen werden. Dies bedeutet, dass das Abgas, welches durch die Umgehungsleitung 50 hindurchströmt, die Brennkammer 48 und das Turbinenrad 34 und dabei insbesondere die Abgasleitung 46 umgeht. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst eine Ventileinrichtung 52 mit Ventilelementen 54 und 56, mittels welchen eine jeweilige, die Abgasleitung 46 beziehungsweise die Umgehungsleitung 50 durchströmende Menge des Abgases einstellbar ist.
Die Brennkammer 48 ist über eine Verbindungsleitung 58 mit dem Ansaugtrakt 24 fluidisch verbunden oder verbindbar, sodass mittels der Verbindungsleitung 58 zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 24 durchströmenden Luft aus dem Ansaugtrakt 24 abzweigbar und in die Verbindungsleitung 58 einleitbar ist. Die in die Verbindungsleitung 58 eingeleitet Luft kann die Verbindungsleitung 58 durchströmen und wird mittels der Verbindungsleitung 58 zu der und insbesondere in die Brennkammer 48 geleitet, wodurch die Brennkammer 48 mit der Luft aus dem Ansaugtrakt 24 versorgt wird. Dabei ist ein insbesondere in der Verbindungsleitung 58 angeordnetes Ventilelement 60 vorgesehen, mittels welchem eine Menge der die Verbindungsleitung 58 durchströmenden und der Brennkammer 48 zuzuführenden Luft aus dem Ansaugtrakt 24 einstellbar ist. Schließlich sind in der Fig. besonders schematisch Regler 62 und 64 zum Betreiben, insbesondere Regeln, der jeweiligen elektrischen Maschine 42 beziehungsweise 44 dargestellt. Die Regler 62 und 64 bilden somit eine Regeltechnik zum Betreiben, insbesondere Regeln, der elektrischen Maschinen 42 und 44.
Im Folgenden wird ein Startvorgang beschrieben, in dessen Rahmen die zunächst deaktivierte Verbrennungskraftmaschine 10 gestartet, das heißt in ihren befeuerten Betrieb überführt wird. Die Ventilelemente 54 und 60 sind geschlossen, und das als Bypassventil fungierende Ventilelement 56 ist vollständig geöffnet. Ein Anschleppen der auch als Kolbenmaschine bezeichneten Verbrennungskraftmaschine 10, welche vorzugsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildet ist, das heißt ein Anschleppen der zunächst stillstehenden Abtriebswelle 18 erfolgt über die angeschlossene elektrische Maschine 44, insbesondere in deren zweiten Motorbetrieb, wobei sich anschließend die auch als Kolbenmaschine bezeichnete Verbrennungskraftmaschine 10 in einem Nulllastbetrieb ohne wesentliche Aufladung befindet. Daraufhin erfolgen ein Schließen des Ventilelements 56 und ein simultanes Öffnen des Ventilelements 54, sodass ein Abgasvolumenstrom der Kolbenmaschine das Turbinenrad 34 passiert, das heißt antreibt. Es erfolgt außerdem ein Anschleppen des Turbinenrads 34 mittels der angeschlossenen elektrischen Maschine 42, insbesondere während gleichzeitigem Öffnen des als Stellventil fungierenden Ventilelements 60 und einer Befeuerung der Brennkammer 48, bis eine Nulllastdrehzahl der Turbine 32 beziehungsweise des Turbinenrads 34 angefahren ist. Dann erfolgt ein Nachregeln der Kolbenmaschine für bisher kleinen, aber vorhandenen Ladedruck durch Überschuss aus dem Verdichter 36.
Im Folgenden wird ein Nulllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 beschrieben: Das Ventilelement 54 ist vollständig geöffnet, und das Ventilelement 56 ist vollständig geschlossen. Es erfolgt ein Antrieb der Turbine 32 beziehungsweise des Turbinenrads 34 durch Abgas der Kolbenmaschine, mithin aus den Brennräumen 16, wobei gegebenenfalls ein Öffnen des Ventilelements 60 erfolgt, falls eine Befeuerung der Brennkammer 48 notwendig beziehungsweise vorgesehen ist. Es erfolgt ein Nachregeln der Turbinendrehzahl über die zusätzliche Brennkammer 48, da ein Abgasvolumenstrom der Kolbenmaschine, das heißt aus den Brennräumen 16 in Nulllastbetrieb zumindest nahezu konstant ist. Die elektrischen Maschinen 42 und 44 werden als Generatoren betrieben, sodass der Energiespeicher 43 nicht wesentlich entladen wird, ähnlich einer konventionellen Lichtmaschine. Ladeströme und Spannungen werden durch die Regler 62 und64 eingestellt, insbesondere gesteuert oder geregelt.
Im Folgenden wird ein Niedriglastbetrieb beschrieben: Es erfolgt ein rein elektrisches Fahren, insbesondere indem die elektrische Maschine 44 in ihrem zweiten Motorbetrieb betrieben und somit zum Antrieb der Räder über das Getriebe 20 genutzt wird, wobei vorzugsweise die elektrische Maschine 42 und die Verbrennungskraftmaschine 10 im Hinblick auf ihren befeuerten Betrieb deaktiviert sind. Sollte der Energiespeicher 43 entleert sein, so erfolgt ein Betrieb der Turbine 32 über einen zusätzlichen Massenstrom aus der Brennkammer 48 und einen Massenstrom aus Abgasen aus den Brennräumen 16 in einem Nulllast-/Niedriglastbetrieb, wobei eine Versorgung des Energiespeichers 43 über durch den Regler 62 und den Regler 64 geregelte Ladeströme erfolgt. Die Ventilelemente 60 und 54 sind teilweise oder ganz geöffnet, wobei das auch als Bypass bezeichnete Ventilelement 56 zur Abgasabblasung vollständig geschlossen ist. Der Verdichter 36 versorgt die Brennräume 16 mit einer geforderten Aufladung sowie die Brennräume 48 mit Luft, das heißt mit Frischgas, sodass beispielsweise eine Verbrennung mit Sauerstoffüberschuss in der Brennkammer 48 und in den Brennräumen 16 erfolgt, wobei ein Abgasüberschuss über die Turbine 32 erfolgt.
Im Folgenden wird ein Teillastbetrieb beschrieben: Es erfolgt ein Antrieb der Räder durch die elektrische Maschine 44 in ihrem zweiten Motorbetrieb über das Getriebe 20. Bei höherer Teillast erfolgt ein Umschalten der elektrischen Maschine 44 von ihrem zweiten Motorbetrieb auf ihren zweiten Generatorbetrieb, wobei die Räder sowie der zweite Generator (elektrische Maschine 44) von der Abtriebswelle 18 angetrieben werden. Ein Abgasmassenstrom aus den Brennräumen 16 wird durch zusätzliche Befeuerung der Brennkammer 48 unterstützt, sodass die Turbine 32 den Verdichter 36 sowie die elektrische Maschine 42 in deren ersten Generatorbetrieb antreiben kann. Somit erfolgt ein Bereitstellen von Ladedruck sowie gegebenenfalls ein Laden des Energiespeichers 43. Die Ventilelemente 60 und 54 sind teilweise oder ganz geöffnet, wobei das Ventilelement 56 zur Abgasabladung vollständig geschlossen ist. Somit ist ein kombinierter Betrieb mit einem Boost-Effekt möglich, wobei über das Getriebe 20 die Räder von der Abtriebswelle 18 und von der elektrischen Maschine 22 in den zweiten Motorbetrieb angetrieben werden. Ein kombinierter Betrieb wird bei abfallendem niedrigerem Teillastbetrieb wieder abgestellt, und ein rein elektrischer Betrieb wird wieder aufgenommen.
Im Folgenden wird ein Volllastbetrieb beschrieben: Es erfolgt ein kombinierter Betrieb, insbesondere derart, dass insbesondere das Getriebe 20 die Räder von der elektrischen Maschine 44 in den zweiten Motorbetrieb und von der Abtriebswelle 18 angetrieben werden. Die Turbine 32 diente zum Antrieb des Verdichters 36. Somit erfolgt eine Bereitstellung eines Frischgasmassenstroms sowohl für die Brennräume 16 als auch für die zusätzliche Brennkammer 48. Es erfolgt gegebenenfalls ein Boost, das heißt eine Unterstützung oder Beschleunigung durch die elektrische Maschine 44, insbesondere in dem zweiten Motorbetrieb, und es kann eine Unterstützung der Turbine 32 zum Antrieb des Verdichters 36 über die elektrische Maschine 42 in dem ersten Motorbetrieb erfolgen, ansonsten werden die elektrischen Maschinen 42 und 44 in ihrem Generatorbetrieb betrieben, um insbesondere über die Regler 62 und 64 den Energiespeicher 43 aufzuladen. Bei einem schnellen Lastwechsel zum Volllastbetrieb kann die Welle 39 mittels der elektrischen Maschine 42 in dem ersten Motorbetrieb schnell auf eine erforderliche beziehungsweise benötigte Drehzahl geschleppt werden, wodurch ein Unterstützungs- beziehungsweise Boost-Effekt darstellbar ist. Die Ventilelemente 60 und 54 sind teilweise oder ganz geöffnet, und das Ventilelement 56 zur Abgasabblasung ist vollständig geschlossen. Bei einem Wechsel von dem Volllastbetrieb in einen Teillastbetrieb oder Niedriglastbetrieb erfolgt ein Abblasen von Abgas aus den Brennräumen 16 über das Ventilelement 56, und es erfolgt ein Einregeln der Drehzahl der Turbine 32 und somit des Verdichters 36 zur Reduzierung des Aufladeeffekts der Verbrennungskraftmaschine 10.
Im Folgenden wird ein Ausschaltvorgang beschrieben: Es erfolgt ein Öffnen des Ventilelements 56 zur Abblasung des Abgasmassenstroms aus den Brennräumen 16. Es erfolgt ein langsames Schließen der Frischgaszufuhr zur Brennkammer 48 über das Ventilelement 60, und es erfolgt ein Herunterfahren der Turbine 32. Außerdem erfolgt ein vollständiges Öffnen des als Zuströmventil fungierenden Ventilelements 54, sodass das Abgas aus den Brennräumen 16 noch über die Turbine 32 läuft. Zum Schluss erfolgt ein Ausschalten der Verbrennungskraftmaschine 10 um einen Öldruck aufrecht zu erhalten. Die Ventilelemente 60, 54 und 56 werden in einen Startzustand zurückgefahren für einen nächsten Betrieb, das heißt beispielsweise für einen darauffolgenden Startvorgang.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Motorblock
14: Zylinder
16: Brennraum
18: Abtriebswelle
20: Getriebe
22: Pfeil
24: Ansaugtrakt
26: Pfeil
28: Abgastrakt
30: Aufladeeinrichtung
32: Turbine
34: Turbinenrad
36: Verdichter
38: Verdichterrad
39: Welle
40: Ladeluftkühler
42: elektrische Maschine
43: Energiespeicher
44: elektrische Maschine
46: Abgasleitung
48: Brennkammer
50: Umgehungsleitung
52: Ventileinrichtung
54: Ventilelement
56: Ventilelement
58: Verbindungsleitung
60: Ventilelement
62: Regler
64: Regler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009038772 A1 [0002]
DE 102009043721 A1 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Abtriebswelle (18), über welche Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs von der Verbrennungskraftmaschine (10) bereitstellbar sind, mit einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (24) zum Einleiten der Luft in wenigstens einen Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem von Abgas aus dem Brennraum (16) durchströmbaren Abgastrakt (28), und mit wenigstens einer Aufladeeinrichtung (30), welche ein in dem Abgastrakt (28) angeordnetes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad (34) als erstes Laufrad und ein in dem Ansaugtrakt (24) angeordnetes und von dem Turbinenrad (34) antreibbares Verdichterrad (38) als zweites Laufrad zum Verdichten der Luft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: - die Aufladeeinrichtung (30) eine erste elektrische Maschine (42) aufweist, welche in einem ersten Motorbetrieb, in welchem mittels der ersten elektrischen Maschine (42) zumindest eines der Laufräder antreibbar ist, und in einem ersten Generatorbetrieb betreibbar ist, in welchem die erste elektrische Maschine (42) von zumindest einem der Laufräder antreibbar ist; - eine zusätzlich zur ersten elektrischen Maschine (42) vorgesehene, zweite elektrische Maschine (44) vorgesehen ist, welche in einem zweiten Motorbetrieb, in welchem mittels der zweiten elektrischen Maschine (44) die Abtriebswelle (18) mechanisch antreibbar ist, und in einem zweiten Generatorbetrieb betreibbar ist, in welchem die zweite elektrische Maschine (44) mechanisch von der Abtriebswelle (18) antreibbar ist; - der Abgastrakt (28) eine von dem Abgas durchströmbare Abgasleitung (46) zum Führen des Abgases zu dem Turbinenrad (34) und eine in der Abgasleitung (46) und dadurch stromab des Brennraums (16) angeordnete Brennkammer (48) aufweist, in welcher Verbrennungsvorgänge durchführbar sind; und - der Abgastrakt (28) eine Umgehungsleitung (50) aufweist, über welche die Brennkammer (48) und das Turbinenrad (34) von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ventileinrichtung (52), mittels welchem eine die Abgasleitung (46) durchströmende, erste Menge und eine die Umgehungsleitung (50) durchströmende, zweite Menge des Abgases einstellbar sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch einen elektrischen Energiespeicher (43), in welchem von der jeweiligen elektrischen Maschine (42, 44) in deren jeweiligen Generatorbetrieb bereitgestellte, elektrische Energie zu speichern ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (48) mit dem Ansaugtrakt (24) fluidisch verbunden oder verbindbar und dadurch mit zumindest einem Teil der den Ansaugtrakt (24) durchströmenden Luft zum Durchführen der Verbrennungsvorgänge versorgbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Ventilelement (60), mittels welchem eine Menge der aus dem Ansaugtrakt (24) abzuzweigenden und der Brennkammer (48) zuzuführenden Luft einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) als direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine (10) ausgebildet ist.