DE102021117188A1 - Compressor-turbine arrangement, internal combustion engine and method for operating a compressor-turbine arrangement - Google Patents

Compressor-turbine arrangement, internal combustion engine and method for operating a compressor-turbine arrangement Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) mit einem in einem Verdichtergehäuse gelagerten Verdichter (3) und einer in einem Turbinengehäuse gelagerten Turbine (5), wobei der Verdichter (3) und die Turbine (5) über eine Welle (7) miteinander drehfest verbunden sind, wobei die Welle (7) in zumindest einer Lagervorrichtung (9) der Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) drehbar gelagert ist, wobei die Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) eine Ölversorgungsvorrichtung (11) aufweist, welche mit der Lagervorrichtung (9) verbunden ist, wobei die Ölversorgungsvorrichtung (11) zumindest eine Ölversorgungsleitung (13) und eine Heizvorrichtung (15) aufweist, wobei ein erstes Ende (17) der Ölversorgungsleitung (13) mit der Lagervorrichtung (9) verbunden und ein zweites Ende (19) der Ölversorgungsleitung (13) mit einem Ölreservoir (21) verbindbar ist, und wobei die Heizvorrichtung (15) zum Erwärmen eines in der Ölversorgungsleitung (13) geführten Öls ausgebildet und eingerichtet ist.

Figure DE102021117188A1_0000
The invention relates to a compressor-turbine arrangement (1) with a compressor (3) mounted in a compressor housing and a turbine (5) mounted in a turbine housing, the compressor (3) and the turbine (5) being connected via a shaft (7 ) are connected to one another in a rotationally fixed manner, the shaft (7) being rotatably mounted in at least one bearing device (9) of the compressor-turbine arrangement (1), the compressor-turbine arrangement (1) having an oil supply device (11) which connected to the bearing device (9), the oil supply device (11) having at least one oil supply line (13) and a heating device (15), a first end (17) of the oil supply line (13) being connected to the bearing device (9) and a second end (19) of the oil supply line (13) can be connected to an oil reservoir (21), and wherein the heating device (15) is designed and set up to heat an oil conveyed in the oil supply line (13).
Figure DE102021117188A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichter-Turbinen-Anordnung, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichter-Turbinen-Anordnung.The invention relates to a compressor-turbine arrangement, an internal combustion engine and a method for operating a compressor-turbine arrangement.

Verdichter-Turbinen-Anordnungen, Brennkraftmaschinen und Verfahren zum Betreiben von solchen Verdichter-Turbinen-Anordnungen und Brennkraftmaschinen sind bekannt. Dabei wird die Verdichter-Turbinen-Anordnung typischerweise als ein Abgasturbolader verwendet, um eine thermische Energie eines Verbrennungsgases, welche nach dem Verbrennungsprozesses in dem Verbrennungsgas enthalten ist, zu nutzen, um in einem Abströmpfad der Brennkraftmaschine eine Turbine der Verdichter-Turbinen-Anordnung anzutreiben. Da die Turbine über eine Welle mit einem Verdichter der Verdichter-Turbinen-Anordnung verbunden ist, wird dadurch der Verdichter, welcher in einem Zuströmpfad der Brennkraftmaschine angeordnet ist, ebenfalls in Rotation versetzt. Dadurch wird ein in dem Zuströmpfad geführtes Frischgas verdichtet und somit ein Ladedruck erhöht, insbesondere also eine Leistungsfähigkeit des Verbrennungsprozesses in einem Brennraum der Brennkraftmaschine erhöht. Da die in dem Abgas enthaltene Energie im Wesentlichen von dessen Temperatur und Druck abhängt, steht insbesondere beim Starten einer solchen Brennkraftmaschine oftmals nicht genügend Energie zur Verfügung, um die Turbine derart anzutreiben, dass die Gesamteffizienz optimal ist. Dabei kommt es insbesondere in den noch kalten Abgasleitungen und Zylinderköpfen der Brennkraftmaschine zu Wärmeverlusten, welche die Restenergie in dem Abgas reduzieren.Compressor turbine assemblies, internal combustion engines and methods for operating such compressor turbine assemblies and internal combustion engines are known. The compressor-turbine arrangement is typically used as an exhaust gas turbocharger in order to use thermal energy of a combustion gas, which is contained in the combustion gas after the combustion process, in order to drive a turbine of the compressor-turbine arrangement in an outflow path of the internal combustion engine. Since the turbine is connected to a compressor of the compressor-turbine arrangement via a shaft, the compressor, which is arranged in an inflow path of the internal combustion engine, is also set in rotation. As a result, a fresh gas guided in the inflow path is compressed and thus a charging pressure is increased, ie in particular an efficiency of the combustion process in a combustion chamber of the internal combustion engine is increased. Since the energy contained in the exhaust gas essentially depends on its temperature and pressure, there is often not enough energy available to drive the turbine in such a way that the overall efficiency is optimal, especially when starting such an internal combustion engine. This leads to heat losses, particularly in the still cold exhaust gas lines and cylinder heads of the internal combustion engine, which reduces the residual energy in the exhaust gas.

Insbesondere ist dadurch eine Reibung der Welle, welche üblicherweise ölgelagert in einem Lagergehäuse angeordnet ist, sehr hoch, wodurch es infolge der Reibung zu weiteren Energieverlusten bei der Übertragung eines Drehmoments von der Turbine auf den Verdichter kommt. Der somit insgesamt reduzierte Ladedruck der Brennkraftmaschine verlängert darüber hinaus insbesondere auch Hochlaufzeiten, also den Startvorgang der Brennkraftmaschine insgesamt.In particular, as a result, the friction of the shaft, which is usually arranged in an oil bearing in a bearing housing, is very high, as a result of which further energy losses occur when torque is transmitted from the turbine to the compressor as a result of the friction. The boost pressure of the internal combustion engine, which is thus reduced overall, also lengthens run-up times, ie the starting process of the internal combustion engine as a whole.

Um diese Probleme zu reduzieren, ist es bekannt, Öle zu verwenden, die insbesondere bei Raumtemperatur bereits möglichst dünnflüssig sind, wodurch Reibungsverluste reduziert werden können.In order to reduce these problems, it is known to use oils that are already as thin as possible, particularly at room temperature, as a result of which friction losses can be reduced.

Ebenfalls bekannt zu Verbindung von Verdichter und Turbine sind kugelgelagerte Wellen, sodass auch hierdurch Reibungsverluste, insbesondere beim Startvorgang reduziert sind.Shafts with ball bearings are also known for connecting compressors and turbines, so that this also reduces friction losses, particularly during the starting process.

Schließlich ist es auch bekannt, die Turbine als solche zu verkleinern, wodurch zwar einerseits ein erhöhter Antriebsdruck erzeugt wird. Andererseits ist dadurch jedoch ein Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine reduziert.Finally, it is also known to downsize the turbine as such, whereby on the one hand an increased drive pressure is generated. On the other hand, however, this reduces the overall efficiency of the internal combustion engine.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verdichter-Turbinen-Anordnung, einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben der Verdichter-Turbinen-Anordnung und/oder der Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile vermieden sind. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung reibungsbedingte Energieverluste während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine zu reduzieren und/oder die Dauer eines Hochlaufens der Verdichter-Turbinen-Anordnung und/oder der Brennkraftmaschine als Ganzes zu verkürzen, sodass der optimale Drehzahlbereich frühzeitiger erreicht wird.The object of the present invention is to create a compressor-turbine arrangement, an internal combustion engine and a method for operating the compressor-turbine arrangement and/or the internal combustion engine, the disadvantages mentioned being avoided. In particular, the object of the invention is to reduce friction-related energy losses during a starting process of the internal combustion engine and/or to shorten the duration of a run-up of the compressor-turbine arrangement and/or the internal combustion engine as a whole, so that the optimum speed range is reached earlier.

Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.The object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims and the embodiments disclosed in the dependent claims and the description.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Verdichter-Turbinen-Anordnung geschaffen wird, die einen in einem Verdichtergehäuse gelagerten Verdichter und eine in einem Turbinengehäuse gelagerte Turbine aufweist, wobei der Verdichter und die Turbine über eine Welle miteinander drehfest verbunden sind, wobei die Welle in zumindest einer Lagervorrichtung der Verdichter-Turbinen-Anordnung drehbar gelagert ist, wobei die Verdichter-Turbinen-Anordnung eine Ölversorgungsvorrichtung aufweist, welche mit der Lagervorrichtung verbunden ist, wobei die Ölversorgungsvorrichtung zumindest eine Ölversorgungsleitung und eine Heizvorrichtung aufweist, wobei ein erstes Ende der Ölversorgungsleitung mit der Lagervorrichtung verbunden und ein zweites Ende der Ölversorgungsleitung mit einem Ölreservoir verbindbar, insbesondere verbunden, ist, und wobei die Heizvorrichtung zum Erwärmen eines in der Ölversorgungsleitung geführten Öls ausgebildet und eingerichtet ist. Dadurch ist das Öl, welches der Lagervorrichtung zugeführt wird und vorzugsweise zur Schmierung der Welle verwendet wird, vorgewärmt und dessen Zähigkeit reduziert. Dadurch geht bei einer Rotation der Welle weniger Energie durch Reibung verloren. Somit ist insgesamt ein von dem Verdichter erzeugbarer Ladedruck für einen Brennkraftmaschine erhöht. Zudem ist dadurch eine Solldrehzahl der Verdichter-Turbinen-Anordnungen und/oder der Brennkraftmaschine schneller erreicht und die Dauer eines Hochlaufens ist verkürzt.The object is achieved in particular by creating a compressor-turbine arrangement which has a compressor mounted in a compressor housing and a turbine mounted in a turbine housing, the compressor and the turbine being connected to one another in a torque-proof manner via a shaft, the shaft being at least one bearing device of the compressor-turbine arrangement is rotatably mounted, the compressor-turbine arrangement having an oil supply device which is connected to the bearing device, the oil supply device having at least one oil supply line and a heating device, a first end of the oil supply line being connected to the Bearing device connected and a second end of the oil supply line can be connected to an oil reservoir, in particular connected, and wherein the heating device is designed and configured for heating a guided in the oil supply line oil. As a result, the oil that is supplied to the bearing device and is preferably used to lubricate the shaft is preheated and its viscosity is reduced. As a result, less energy is lost through friction when the shaft rotates. Thus, overall, a boost pressure that can be generated by the compressor for an internal combustion engine is increased. In addition, as a result, a setpoint speed of the compressor-turbine arrangements and/or the internal combustion engine is reached more quickly and the run-up time is shortened.

Vorzugsweise ist dabei die Ölversorgungsvorrichtung separat zu der Lagervorrichtung ausgebildet. Insbesondere die Heizvorrichtung ist in diesem Fall separat zu der Lagervorrichtung ausgebildet, wodurch die Heizvorrichtung unabhängig der Lagervorrichtung beheizbar ist. Bevorzugt ist die Lagervorrichtung mit der Ölversorgungsvorrichtung dabei allein durch die Ölversorgungsleitung, insbesondere dessen erstes Ende, verbunden. Aufgrund der separaten Ausbildung ist ein Wärmeaustausch zwischen Ölversorgungsrichtung, insbesondere Heizvorrichtung, und Lagervorrichtung reduziert. Dadurch lässt sich das zu erwärmende Öl mit geringem Energieaufwand erwärmen. Zudem ist bei der separaten Ausbildung eine flexiblere Anordnung der einzelnen Bauteile möglich. Auch ein Nachrüsten einer bekannten, insbesondere betriebsfertig verbauten Verdichter-Turbinen-Anordnung ist hiermit auf einfache Weise möglich, indem die von der Heizvorrichtung beheizbare Ölversorgungsleitung der Ölversorgungsvorrichtung mit einem vorzugsweise bereits vorhandenen Anschlussbereich der bekannten Verdichter-Turbinen-Anordnung verbunden wird.The oil supply device is preferably designed separately from the bearing device forms. In particular, the heating device is designed separately from the bearing device in this case, as a result of which the heating device can be heated independently of the bearing device. The bearing device is preferably connected to the oil supply device solely through the oil supply line, in particular its first end. Because of the separate design, heat exchange between the oil supply direction, in particular the heating device, and the bearing device is reduced. As a result, the oil to be heated can be heated with little energy input. In addition, a more flexible arrangement of the individual components is possible with the separate design. Retrofitting a known, in particular ready-to-use, compressor-turbine arrangement is hereby easily possible by connecting the oil supply line of the oil supply device, which can be heated by the heating device, to a preferably already existing connection area of the known compressor-turbine arrangement.

Alternativ ist die Ölversorgungsvorrichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig integral mit der Lagervorrichtung ausgebildet. Insbesondere die Heizvorrichtung ist hierbei als Teil der Lagervorrichtung ausgebildet. Bevorzugt weist die Lagervorrichtung in diesem Fall die Heizvorrichtung auf. Besonders bevorzugt sind dabei Ölversorgungsvorrichtung und Lagervorrichtung zusammen als ein integrales Lagergehäuse ausgebildet, welches sowohl die Lagerung der Welle als auch die Heizung des Öls bereitstellt. Dadurch ist die Bauweise insgesamt sehr kompakt. Insbesondere aufgrund dieser kompakten Bauweise lassen sich zudem diffusive Wärmeverluste reduzieren und Wärmeschwankungen vermeiden.Alternatively, the oil supply device is formed at least partially, preferably completely, integrally with the bearing device. In particular, the heating device is designed as part of the bearing device. In this case, the storage device preferably has the heating device. The oil supply device and the bearing device are particularly preferably designed together as an integral bearing housing, which provides both the bearing of the shaft and the heating of the oil. As a result, the overall design is very compact. Due to this compact design in particular, diffusive heat losses can also be reduced and heat fluctuations avoided.

Die hierbei erwähnte Turbine, der Verdichter, die Lagervorrichtung, welche insbesondere als Lagergehäuse ausgebildet ist, die Welle, dass Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse sind vorzugsweise zusammen als Abgasturbolader ausgebildet. Grundsätzlich ist das hier erläuterte erfinderische Prinzip aber auf jede Verdichter-Turbinen-Anordnung und insbesondere auf andere ölgelagerte Wellen vorteilhaft übertragbar.The turbine mentioned here, the compressor, the bearing device, which is designed in particular as a bearing housing, the shaft, the turbine housing and the compressor housing are preferably designed together as an exhaust gas turbocharger. In principle, however, the inventive principle explained here can advantageously be transferred to any compressor-turbine arrangement and in particular to other oil-bearing shafts.

Die in der Lagervorrichtung gelagerte Welle ist also vorzugsweise ölgelagert. Unter einer Öllagerung wird hier insbesondere verstanden, dass die Welle mit dem Öl in Kontakt insbesondere von dem Öl umgeben ist und - zumindest während einer Rotation der Welle - in diesem Öl derart schwimmt, dass die Welle zumindest abschnittsweise in alle radialen Richtungen von dem Öl umgeben ist. Dadurch wird eine Reibung zwischen der Welle und dem Bauteil, welches die Welle lagert, hier die Lagervorrichtung, reduziert.The shaft mounted in the bearing device is therefore preferably oil-bearing. An oil bearing is understood here in particular to mean that the shaft in contact with the oil is in particular surrounded by the oil and—at least during rotation of the shaft—floats in this oil in such a way that the shaft is surrounded by the oil at least in sections in all radial directions is. This reduces friction between the shaft and the component that supports the shaft, here the bearing device.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung einen Wärmetauscher und eine Wärmequelle aufweist. Eine solche Heizvorrichtung stellt somit ein effizientes Mittel dar, um das Öl zu erwärmen.According to a development of the invention, it is provided that the heating device has a heat exchanger and a heat source. Such a heater thus provides an efficient means of heating the oil.

Dabei ist der Wärmetauscher vorzugsweise zum Austausch von Wärme, insbesondere zum Übertragen von Wärme, an die Ölversorgungsleitung gekoppelt. Die Wärmequelle ist dabei zum Heizen, also zum Erwärmen, des Wärmetauschers ausgebildet und eingerichtet, insbesondere an den Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme gekoppelt.In this case, the heat exchanger is preferably coupled to the oil supply line for exchanging heat, in particular for transferring heat. The heat source is designed and set up for heating, ie for heating, the heat exchanger, in particular coupled to the heat exchanger for the transfer of heat.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher, die Ölversorgungsleitung zumindest abschnittsweise umgreift. Dadurch ist eine einfache und effiziente Erwärmung des Öls möglich.According to a development of the invention, it is provided that the heating device, in particular the heat exchanger, encompasses the oil supply line at least in sections. This allows the oil to be heated easily and efficiently.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher als Metallblock und/oder als Teil eines die Lagervorrichtung umfassenden Lagergehäuses ausgebildet ist. Die Ausbildung als Metallblock ist besonders kostengünstig, wobei die Übertragung von Wärme mittels des Metallblocks, insbesondere aufgrund dessen hoher Wärmeleitfähigkeit, verbessert ist. Durch die integrale Ausbildung als Teil des Lagergehäuses ist die Bauweise insgesamt sehr kompakt und platzsparend.According to a development of the invention, it is provided that the heat exchanger is designed as a metal block and/or as part of a bearing housing that includes the bearing device. The design as a metal block is particularly cost-effective, with the transfer of heat by means of the metal block being improved, in particular due to its high thermal conductivity. Due to the integral design as part of the bearing housing, the overall design is very compact and space-saving.

Unter einem Metallblock wird hier insbesondere ein zumindest im Wesentlichen unbearbeiteter Metallklotz verstanden, welcher vorzugsweise separat zu der Lagervorrichtung ausgebildet und angeordnet ist.A metal block is understood here in particular as an at least essentially unmachined metal block, which is preferably designed and arranged separately from the bearing device.

Grundsätzlich sind auch andere Materialien als Metall und/oder andere Bauformen als die erwähnte blockförmige Form möglich. Wichtig ist, dass der Wärmetauscher eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und damit eine guter Wärmeübertragung zwischen Wärmetauscher und Ölversorgungsleitung und insbesondere dem darin geführten Öl gegeben ist.In principle, materials other than metal and/or designs other than the block-shaped form mentioned are also possible. It is important that the heat exchanger has a high level of thermal conductivity and that there is therefore good heat transfer between the heat exchanger and the oil supply line and in particular the oil carried in it.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmequelle ein Elektroheizelement aufweist. Dadurch ist die Heizvorrichtung und die Wärmequelle insbesondere unabhängig von einem Betrieb der Brennkraftmaschine und/oder einer Rotation der Welle funktionsfähig. Zudem kann dadurch die Heizvorrichtung und/oder die Wärmequelle bereits in Betrieb genommen werden, bevor die Brennkraftmaschine gestartet und/oder die Welle in Rotation versetzt wurde.According to a development of the invention, it is provided that the heat source has an electric heating element. As a result, the heating device and the heat source can function, in particular, independently of an operation of the internal combustion engine and/or a rotation of the shaft. In addition, as a result, the heating device and/or the heat source can already be put into operation before the internal combustion engine has been started and/or the shaft has been set in rotation.

Vorzugsweise ist die Wärmequelle als elektrische Heizpatrone ausgebildet, wodurch eine besonders effiziente Erwärmung des Öls geschaffen ist, die unabhängig von einem Betrieb der Brennkraftmaschine und/oder der Rotation der Welle ist.The heat source is preferably designed as an electric heating cartridge, as a result of which the oil is heated particularly efficiently, which is independent of the operation of the internal combustion engine and/or the rotation of the shaft.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher, insbesondere der Metallblock, vorzugsweise überwiegend Stahl, Kupfer, Aluminium, Eisen, insbesondere Gusseisen, und/oder Legierungen dieser Materialien aufweist, insbesondere daraus besteht. Dadurch ist die Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers hoch und die Erwärmung des Öls sehr effizient, wodurch Energieverluste bei der Erwärmung reduziert sind.According to a development of the invention, it is provided that the heat exchanger, in particular the metal block, preferably predominantly has steel, copper, aluminum, iron, in particular cast iron, and/or alloys of these materials, in particular consists of them. As a result, the thermal conductivity of the heat exchanger is high and the heating of the oil is very efficient, which reduces energy losses during heating.

Vorzugsweise wird das Material des Wärmetauschers also derart gewählt, dass die Wärmeleitfähigkeit hoch ist.The material of the heat exchanger is therefore preferably chosen in such a way that the thermal conductivity is high.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Metallblock ein Gewicht von zumindest 2 kg aufweist. Dadurch ist eine Wärmekapazität des Metallblocks sehr hoch und eine über die Wärmequelle zugeführte Wärmemenge kann zum einen sehr gut zwischengespeichert und zum anderen über einen größeren Bereich verteilt und an die Ölversorgungsleitung übertragen werden.According to a development of the invention, it is provided that the metal block has a weight of at least 2 kg. As a result, the thermal capacity of the metal block is very high and a quantity of heat supplied via the heat source can be temporarily stored very well on the one hand and distributed over a larger area on the other hand and transferred to the oil supply line.

Vorzugsweise weist der Metallblock ein Gewicht von zumindest 3 kg, vorzugsweise 4 kg, vorzugsweise 5 kg auf. Bevorzugt wiegt der Metallblock zwischen 2 kg und 5 kg. Dadurch ist die Wärmekapazität weiter erhöht. Zudem ist auch dadurch eine Weiterleitung der Wärme von der Wärmequelle an die Ölversorgungsleitung und insbesondere an das darin geführte Öl weiter verbessert.The metal block preferably has a weight of at least 3 kg, preferably 4 kg, preferably 5 kg. The metal block preferably weighs between 2 kg and 5 kg. This further increases the heat capacity. In addition, this also further improves the transfer of heat from the heat source to the oil supply line and in particular to the oil conveyed therein.

Wichtig ist, dass die Dimensionierung, insbesondere die Größe und/oder das Gewicht und damit die Wärmekapazität des Metallblocks derart gewählt ist, dass das von dem Metallblock erwärmte Öl insbesondere in einer Startphase der Brennkraftmaschine, ganz besonders in den ersten 20 bis 60 Sekunden nach Start der Brennkraftmaschine, nach der Erwärmung auf zumindest 60°C, vorzugsweise zumindest 80°C, vorzugsweise zumindest 100°C erwärmt ist.It is important that the dimensioning, in particular the size and/or weight and thus the heat capacity of the metal block, is selected in such a way that the oil heated by the metal block, in particular in a starting phase of the internal combustion engine, especially in the first 20 to 60 seconds after starting of the internal combustion engine, after heating to at least 60°C, preferably at least 80°C, preferably at least 100°C.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher zumindest einen Wasserspeicher und/oder zumindest eine Wasserleitung aufweist. Hierdurch ist es möglich, den Wärmetauscher als wasserführenden Wärmetauscher zu verwenden, sodass die Wärmekapazität des Wärmetauschers hoch ist und eine Übertragung der Wärme an das Öl sehr effizient ist. Durch die hohe Wärmekapazität kann insbesondere auch eine Restwärme der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung von einem vorangehenden Betrieb, der also zeitlich vor dem Startvorgang liegt, gespeichert und zum Erwärmen des Öls genutzt werden.According to a development of the invention, it is provided that the heat exchanger has at least one water reservoir and/or at least one water line. This makes it possible to use the heat exchanger as a water-carrying heat exchanger, so that the thermal capacity of the heat exchanger is high and heat transfer to the oil is very efficient. Due to the high heat capacity, residual heat from the internal combustion engine and/or the compressor-turbine arrangement from previous operation, which is before the starting process, can also be stored and used to heat the oil.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verdichter-Turbinen-Anordnung ein Ölreservoir aufweist, welches mit dem zweiten Ende der Ölversorgungsleitung verbunden ist. Dadurch ist eine insgesamt kompakte Verdichter-Turbinen-Anordnung geschaffen, die unabhängig von einem externen, separat ausgebildeten Ölspeicher verwendet werden kann.According to a development of the invention, it is provided that the compressor-turbine arrangement has an oil reservoir which is connected to the second end of the oil supply line. This creates an overall compact compressor-turbine arrangement that can be used independently of an external, separately designed oil reservoir.

Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit einer Verdichter-Turbinen-Anordnung nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele geschaffen wird, wobei der Verdichter in einem Zuströmpfad zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine und die Turbine in einem Abströmpfad von einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Hierdurch ist die Brennkraftmaschine insbesondere bei einem Hochfahren, also einem Startvorgang der Brennkraftmaschine, effizient betreibbar, wobei ganz besonders ein Ladedruck beim Hochfahren sehr hoch ist.The object is also achieved in particular by creating an internal combustion engine with a compressor-turbine arrangement according to one of the preceding exemplary embodiments, the compressor being arranged in an inflow path to a combustion chamber of the internal combustion engine and the turbine being arranged in an outflow path from a combustion chamber of the internal combustion engine. As a result, the internal combustion engine can be operated efficiently, in particular during a run-up, ie a starting process of the internal combustion engine, with a boost pressure being very particularly high during run-up.

Unter einem Zuströmpfad wird hier insbesondere eine Versorgungsleitung für Frischgas verstanden, welche ausgebildet und eingerichtet ist, um dem Brennraum der Brennkraftmaschine das Frischgas zur Verbrennung mit einem Brennstoff zuzuführen. Unter einem Abströmpfad wird hier insbesondere eine Abgasleitung verstanden, welche ausgebildet und eingerichtet ist, um ein aus der Verbrennung hervorgehendes Abgas aus dem Brennraum abzuführen.An inflow path is understood here in particular as a supply line for fresh gas, which is designed and set up to supply the fresh gas to the combustion chamber of the internal combustion engine for combustion with a fuel. An outflow path is understood here in particular to mean an exhaust gas line which is designed and set up to discharge exhaust gas resulting from the combustion from the combustion chamber.

Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichter-Turbinen-Anordnung insbesondere nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele und ganz besonders zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele geschaffen wird, wobei einer Lagervorrichtung der Verdichter-Turbinen-Anordnung ein Öl zugeführt wird, wobei das Öl vor und/oder während des Zuführens von einer Heizvorrichtung der Verdichter-Turbinen-Anordnung erwärmt wird. Dadurch sind reibungsbedingte Energieverluste beim Betreiben der Verdichter-Turbinenanordnung niedrig.The object is also achieved in particular by creating a method for operating a compressor-turbine arrangement in particular according to one of the preceding exemplary embodiments and very particularly for operating an internal combustion engine according to one of the preceding exemplary embodiments, with a bearing device of the compressor-turbine arrangement containing an oil is supplied, the oil being heated before and/or during the supply by a heating device of the compressor-turbine arrangement. As a result, friction-related energy losses when operating the compressor-turbine arrangement are low.

Vorzugsweise wird das Öl dabei in einer Ölversorgungsleitung der Verdichter-Turbinen-Anordnung erwärmt, sodass das zugeführte Öl in der Lagervorrichtung bereits erwärmt ist. Dadurch ist eine zuverlässige Bereitstellung von erwärmtem Öl sichergestellt und reibungsbedingte Energieverluste sind besonders niedrig.The oil is preferably heated in an oil supply line of the compressor-turbine arrangement, so that the oil supplied is already heated in the bearing device. This ensures a reliable supply of heated oil and friction-related energy losses are particularly low.

Vorzugsweise ist dabei ein Verdichter der Verdichter-Turbinen-Anordnung in einem Zuströmpfad der Brennkraftmaschine angeordnet, und ausgebildet und eingerichtet, um einen in dem Zuströmpfad geführtes Frischgas zu verdichten. Eine in einem Abströmpfad Brennkraftmaschine angeordnete Turbine der Verdichter-Turbinen-Anordnung ist hier vorzugsweise ausgebildet und eingerichtet, um ein in dem Abströmpfad geführtes Abgas zu expandieren und diesem somit Energie zu entnehmen. Besonders bevorzugt sind also Turbine und Verdichter und insbesondere die Verdichter-Turbinen-Anordnung als Abgasturbolader ausgebildet, welcher eingerichtet ist, um dass der Brennkraftmaschine zugeführte Frischgas zu verdichten.A compressor of the compressor-turbine arrangement is preferably arranged in an inflow path of the internal combustion engine and is designed and set up to compress a fresh gas that is guided in the inflow path. A turbine of the compressor-turbine arrangement that is arranged in an outflow path of the internal combustion engine is preferably designed and set up here to expand an exhaust gas that is guided in the outflow path and thus to extract energy from it. The turbine and compressor and in particular the compressor-turbine arrangement are therefore particularly preferably designed as an exhaust gas turbocharger, which is set up to compress the fresh gas supplied to the internal combustion engine.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Öl einer die Turbine mit dem Verdichter verbindenden Welle zugeführt wird. Dadurch ist eine Reibung der Welle, insbesondere zwischen der Welle und der Lagervorrichtung, reduziertAccording to a development of the invention, it is provided that the oil is supplied to a shaft connecting the turbine to the compressor. As a result, friction of the shaft, in particular between the shaft and the bearing device, is reduced

Vorzugsweise wird also das erwärmte Öl zur Lagerung der Welle verwendet und dadurch die Reibung reduziert.The heated oil is therefore preferably used to support the shaft, thereby reducing friction.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Öl vor einem Starten einer mit der Verdichter-Turbinen-Anordnung wirkverbunden Brennkraftmaschine und/oder während eines Hochlaufens der Brennkraftmaschine erwärmt und/oder zugeführt wird. Dadurch sind Energieverluste beim Hochlaufen reduziert und eine Dauer des Hochlaufens ist verkürzt.According to a development of the invention, it is provided that the oil is heated and/or supplied before starting an internal combustion engine that is operatively connected to the compressor-turbine arrangement and/or during a run-up of the internal combustion engine. As a result, energy losses during startup are reduced and the duration of the startup is shortened.

Unter einem Hochlaufen wird hier insbesondere ein Vorgang beim Starten der Verdichter-Turbinen-Anordnung, insbesondere der Brennkraftmaschine, verstanden, wobei eine Drehzahl der Verdichter-Turbinen-Anordnung, insbesondere der Welle, und/oder eine weitere Drehzahl eines weiteren Bauteils der Brennkraftmaschine, insbesondere eine Motordrehzahl, mit der Zeit zunimmt, insbesondere um eine Solldrehzahl zu erreichen.A run-up is understood here in particular as a process when starting the compressor-turbine arrangement, in particular the internal combustion engine, with a speed of the compressor-turbine arrangement, in particular the shaft, and/or a further speed of a further component of the internal combustion engine, in particular an engine speed, increases over time, particularly to reach a target speed.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Öl zumindest auf eine Temperatur von 60 °C, vorzugsweise 80 °C, vorzugsweise 100 °C, erwärmt wird. Dadurch sind eine Reibung und damit einhergehende reibungsbedingte Energieverluste besonders niedrig.According to a development of the invention, it is provided that the oil is heated to at least a temperature of 60°C, preferably 80°C, preferably 100°C. As a result, friction and the associated friction-related energy losses are particularly low.

Vorzugsweise wird die Temperatur derart gewählt, dass eine Viskosität des Öls nur noch 1/10, vorzugsweise 1/15, vorzugsweise 1/18, vorzugsweise 1/20 der ursprünglichen Viskosität des Öls beträgt. Unter einer ursprünglichen Viskosität wird hier insbesondere die Viskosität des Öls vor dem Erwärmen verstanden und ganz besonders die Viskosität des Öls bei Raumtemperatur verstanden. Dadurch ist die Reibung besonders niedrig.The temperature is preferably selected in such a way that the viscosity of the oil is only 1/10, preferably 1/15, preferably 1/18, preferably 1/20 of the original viscosity of the oil. An original viscosity is understood here in particular to mean the viscosity of the oil before heating and very particularly to mean the viscosity of the oil at room temperature. As a result, the friction is particularly low.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiteres Öl erwärmt wird, wobei das erwärmte weitere Öl der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Dadurch ist eine separate Erwärmung von zwei verschiedenen Ölen, insbesondere auf zwei verschiedene Temperaturen möglich, sodass das eine Öl und dessen Eigenschaften derart gewählt werden können, dass diese für den Betrieb der Verdichter-Turbinen-Anordnung, insbesondere der Welle, optimal sind, wobei das andere, weitere Öl derart gewählt werden kann, dass dessen Eigenschaften optimal für den Betrieb der Brennkraftmaschine sind.According to a development of the invention, provision is made for another oil to be heated, with the heated additional oil being supplied to the internal combustion engine. This enables two different oils to be heated separately, in particular to two different temperatures, so that one oil and its properties can be selected in such a way that they are optimal for the operation of the compressor-turbine arrangement, in particular the shaft, with the other, more oil can be selected such that its properties are optimal for the operation of the internal combustion engine.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das weitere Öl nicht der Verdichter-Turbinen-Anordnung zugeführt wird.It is preferably provided that the additional oil is not supplied to the compressor-turbine arrangement.

Das der Verdichter-Turbinen-Anordnung zugeführte Öl wird vorzugsweise separat zu dem weiteren Öl, welches insbesondere ein Motoröl ist, zugeführt.The oil supplied to the compressor-turbine arrangement is preferably supplied separately from the other oil, which is in particular engine oil.

Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.The internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating piston engine. It is possible for the internal combustion engine to be set up to drive a passenger car, a truck or a commercial vehicle. In a preferred exemplary embodiment, the internal combustion engine is used to drive heavy land or water vehicles in particular, for example mining vehicles, trains, with the internal combustion engine being used in a locomotive or a railcar, or ships. It is also possible to use the internal combustion engine to drive a vehicle used for defense, for example a tank. An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also used in a stationary manner, for example for stationary energy supply in emergency power operation, continuous load operation or peak load operation, with the internal combustion engine preferably driving a generator in this case. A stationary use of the internal combustion engine for driving auxiliary units, for example fire pumps on oil platforms, is also possible. Furthermore, the internal combustion engine can be used in the field of extracting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and/or gas. It is also possible to use the internal combustion engine in the industrial sector or in the construction sector, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator. The internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas forms. In particular, when the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a block-type thermal power station for stationary power generation.

Die Beschreibungen des Verfahrens, der Verdichter-Turbinen-Anordnung und der Brennkraftmaschine sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung. Bevorzugt ist die Brennkraftmaschine und/oder die Verdichter-Turbinen-Anordnung ausgebildet zur Durchführung wenigstens eines der in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Verfahrensschritte. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Insbesondere ist im Rahmen des Verfahrens bevorzugt wenigstens ein Schritt vorgesehen, der sich aus wenigstens einem Merkmal der Brennkraftmaschine und/oder der Verdichter-Turbinen-Anordnung ergibt.The descriptions of the method, the compressor-turbine arrangement and the internal combustion engine are to be understood as complementary to one another. In particular, features of the internal combustion engine and/or the compressor-turbine arrangement that have been described explicitly or implicitly in connection with the method are preferably individually or combined features of the internal combustion engine and/or the compressor-turbine arrangement. The internal combustion engine and/or the compressor-turbine arrangement is/are preferably designed to carry out at least one of the method steps described in connection with the method. Method steps that have been described explicitly or implicitly in connection with the internal combustion engine and/or the compressor-turbine arrangement are preferably individually or in combination with one another steps of a preferred embodiment of the method. In particular, as part of the method, at least one step is preferably provided which results from at least one feature of the internal combustion engine and/or the compressor-turbine arrangement.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Verdichter-Turbinen-Anordnung und eine Brennkraftmaschine.

  • 1 zeigt eine Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 mit einem Verdichter 3 und eine Turbine 5, wobei der Verdichter 3 und die Turbine 5 über eine Welle 7 miteinander drehfest verbunden sind. Die Welle 7 ist dabei in einer Lagervorrichtung 9, welche hier als Lagergehäuse ausgebildet ist, um eine Rotationsachse A drehbar gelagert.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The only figure shows a schematic representation of a compressor-turbine arrangement and an internal combustion engine.
  • 1 shows a compressor-turbine arrangement 1 with a compressor 3 and a turbine 5, the compressor 3 and the turbine 5 being connected to one another in a torque-proof manner via a shaft 7. The shaft 7 is rotatably mounted about an axis of rotation A in a bearing device 9, which is designed here as a bearing housing.

Ferner weist die Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 eine Ölversorgungsvorrichtung 11 auf, die mit der Lagervorrichtung 9 mittels einer Ölversorgungsleitung 13 verbunden ist. Die Ölversorgungsvorrichtung 11 weist also die Ölversorgungsleitung 13 und darüber hinaus eine Heizvorrichtung 15 auf. Ein erstes Ende 17 der Ölversorgungsleitung 13 ist hier mit der Lagervorrichtung 9 verbunden, wobei ein zweites Ende 19 der Ölversorgungsleitung 13 mit einem Ölreservoir 21 verbindbar und hier insbesondere verbunden ist. Dabei ist die Heizvorrichtung 15 zum Erwärmen eines in der Ölversorgungsleitung 13 geführten Öls ausgebildet und eingerichtet. Dadurch kann ein der Welle zugeführtes Öl vorab und insbesondere bevor die Welle und/oder ein Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eine Betriebstemperatur erreicht haben erwärmt werden. Damit sind insbesondere eine Reibung der Welle und damit einhergehende Energieverluste reduziert, ein Ladedruck, welcher mittels der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 erzeugt werden kann, erhöht und eine Dauer eines Hochlaufens der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 verkürzt.Furthermore, the compressor-turbine arrangement 1 has an oil supply device 11 which is connected to the bearing device 9 by means of an oil supply line 13 . The oil supply device 11 thus has the oil supply line 13 and also a heating device 15 . A first end 17 of the oil supply line 13 is connected to the bearing device 9 here, with a second end 19 of the oil supply line 13 being able to be connected to an oil reservoir 21 and being connected here in particular. In this case, the heating device 15 is designed and set up for heating an oil carried in the oil supply line 13 . As a result, oil fed to the shaft can be heated in advance and in particular before the shaft and/or an exhaust line of an internal combustion engine has reached an operating temperature. This reduces in particular shaft friction and associated energy losses, increases boost pressure that can be generated by means of the compressor-turbine arrangement 1 and shortens the duration of a run-up of the compressor-turbine arrangement 1 .

Durch das der Lagervorrichtung 9 zugeführte Öl ist die Welle 7 hier insbesondere in der Lagervorrichtung 9 ölgelagert, wobei zumindest ein, hier insbesondere zwei die Welle 7 in Umfangsrichtung umgreifende Lagerbereiche 16 insbesondere als Aussparungen in der Lagervorrichtung 9 ausgebildet sind, wobei die Lagerbereiche 16 mit dem erwärmten Öl befüllt werden.The oil supplied to the bearing device 9 means that the shaft 7 is oil-bearing here, in particular in the bearing device 9, with at least one, here in particular two, bearing areas 16 encompassing the shaft 7 in the circumferential direction being designed in particular as recesses in the bearing device 9, with the bearing areas 16 being connected to the heated oil.

Zudem ist ferner bevorzugt eine das Öl abführende Leitung vorgesehen, welche das Öl aus dem Lagerbereich und/oder Ölleckagen sammelt und aus der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 abführt und/oder der Ölversorgungsleitung 13 erneut zuführt, insbesondere in einem Abschnitt, der strömungstechnisch oberhalb der Heizvorrichtung 15 angeordnet ist. Somit ist insgesamt ein Ölkreislauf geschaffen und der Bedarf an Öl ist niedrig.In addition, a line that drains the oil is preferably provided, which collects the oil from the bearing area and/or oil leaks and drains it out of the compressor-turbine assembly 1 and/or feeds it back to the oil supply line 13, particularly in a section that is fluidically above the Heating device 15 is arranged. Thus, an oil circuit is created overall and the need for oil is low.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 weist die Heizvorrichtung 15 einer Wärmetauscher 23 und eine Wärmequelle 25 auf. Der Wärmetauscher 23 ist hier insbesondere als ein Metallblock 27 ausgebildet, sodass die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit hoch sind und eine Wärmeübertragung auf das Öl somit sehr effizient erfolgt. Dieser Metallblock 27 umgreift dabei einen Abschnitt der Ölversorgungsleitung 13, insbesondere indem die Ölversorgungsleitung 13 durch Aussparungen in dem Metallblock 27 hindurchgeführt ist. Dadurch ist die Wärmeübertragung zum einen sehr effizient und zum anderen sind die Herstellungskosten niedrig.In the exemplary embodiment of the compressor-turbine arrangement 1 shown here, the heating device 15 has a heat exchanger 23 and a heat source 25 . The heat exchanger 23 is designed here in particular as a metal block 27, so that the heat capacity and the thermal conductivity are high and heat transfer to the oil therefore takes place very efficiently. This metal block 27 encloses a section of the oil supply line 13, in particular in that the oil supply line 13 is led through recesses in the metal block 27. As a result, the heat transfer is very efficient on the one hand and the production costs are low on the other.

Die Wärmequelle 25 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als elektrische Heizpatrone 29 ausgebildet, welche über eine elektrische Spannungsversorgung 31 mit elektrischer Energie versorgt wird.In the exemplary embodiment shown here, the heat source 25 is in the form of an electrical heating cartridge 29 which is supplied with electrical energy via an electrical voltage supply 31 .

Der hier dargestellte Wärmetauscher, also der Metallblock 27, weist vorzugsweise überwiegend Stahl, Kupfer, Aluminium, Eisen, insbesondere Gusseisen, und/oder Legierungen dieser Materialien auf. Besonders bevorzugt besteht der Metallblock 27 aus einem solchen Material, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, welche hier hinsichtlich ihrer hier genannten relevanten Eigenschaften, insbesondere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, besonders vorteilhaft sind.The heat exchanger shown here, that is to say the metal block 27, is preferably predominantly made of steel, copper, aluminum, iron, in particular cast iron, and/or alloys of these materials. The metal block 27 particularly preferably consists of such a material, in particular aluminum and/or copper, which are particularly advantageous here with regard to their relevant properties mentioned here, in particular thermal conductivity and heat capacity.

Ferner weist der Metallblock 27 vorzugsweise ein Gewicht von zumindest 2 kg vorzugsweise ein Gewicht zwischen 2 und 5 kg auf. Dadurch ist die Wärmekapazität einerseits und die Wärmeleitfähigkeit andererseits hoch und eine Erwärmung des Öls erfolgt schnell und gleichmäßig. Das Gewicht und damit die Wärmekapazität wird dabei derart gewählt, dass bei einem Startvorgang, insbesondere in den ersten 20 bis 60 Sekunden nach Start einer Brennkraftmaschine das Öl nach dessen Erwärmung, insbesondere nach Durchströmen des Metallblocks, auf die gewünschte Temperatur, insbesondere zumindest 60°C, vorzugsweise zumindest 80°C, vorzugsweise zumindest 100°C erwärmt ist.Furthermore, the metal block 27 preferably has a weight of at least 2 kg, preferably a weight between 2 and 5 kg. As a result, the heat capacity on the one hand and the thermal conductivity on the other hand are high and the oil is heated quickly and evenly. The weight and thus the thermal capacity is selected in such a way that during a starting process, in particular in the first 20 to 60 seconds after starting an internal combustion engine, the oil, after it has been heated, in particular after flowing through the metal block, is brought to the desired temperature, in particular at least 60°C , preferably at least 80°C, preferably at least 100°C.

In einem alternativen hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 23 als ein wasserführender Wärmetauscher ausgebildet, wobei der Wärmetauscher 23 zumindest einen Wasserspeicher und/oder zumindest eine Wasserleitung aufweist. Auch dadurch ist die Erwärmung des Öls verbessert und der Betrieb der Verdichter-Turbinen-Anordnung effizient.In an alternative embodiment not shown here, the heat exchanger 23 is designed as a water-carrying heat exchanger, the heat exchanger 23 having at least one water reservoir and/or at least one water line. This also improves the heating of the oil and the operation of the compressor-turbine arrangement is efficient.

Ferner zeigt 1 eine Brennkraftmaschine 33, welche die Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 umfasst. Dabei ist der Verdichter 3 in einem hier nicht dargestellten Zuströmpfad zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine 33 und die Turbine 5 in einem Abströmpfad von einem Brennraum der Brennkraftmaschine 33 angeordnet. Dadurch ist der Betrieb der Brennkraftmaschine insbesondere auch während eines Startvorgangs, also einem Hochlaufen der Brennkraftmaschine, sehr effizient, wobei zum einen ein Ladedruck hoch ist und zum anderen reibungsbedingt Energieverluste, insbesondere im Bereich der Welle 7, niedrig sind.Furthermore shows 1 an internal combustion engine 33 which includes the compressor-turbine arrangement 1 . The compressor 3 is arranged in an inflow path, not shown here, to a combustion chamber of the internal combustion engine 33 and the turbine 5 is arranged in an outflow path from a combustion chamber of the internal combustion engine 33 . As a result, the operation of the internal combustion engine is very efficient, especially during a starting process, i.e. a run-up of the internal combustion engine, with boost pressure being high and energy losses due to friction, particularly in the area of shaft 7, being low.

Anhand von 1 wird im Folgenden ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichter-Turbinen-Anordnung 1, insbesondere des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 und/oder der Brennkraftmaschine 33, beschrieben. Dabei wird der Lagervorrichtung 9 der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 ein Öl zugeführt. Das Öl wird dabei vor und/oder während des Zuführens von der Heizvorrichtung 15 der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 erwärmt. Dadurch ist eine Reibung zwischen der Welle 7 und der Lagervorrichtung 9 reduziert und somit reibungsbedingte Energieverluste vermieden.Based on 1 a method for operating a compressor-turbine arrangement 1, in particular the previously described exemplary embodiment of the compressor-turbine arrangement 1 and/or the internal combustion engine 33, is described below. In this case, the bearing device 9 of the compressor-turbine arrangement 1 is supplied with an oil. The oil is heated by the heating device 15 of the compressor-turbine arrangement 1 before and/or during the supply. This reduces friction between the shaft 7 and the bearing device 9 and thus avoids energy losses caused by friction.

Das Öl wird hier also insbesondere der Welle 7, welche die Turbine 5 mit dem Verdichter 3 verbindet, zugeführt, wobei die beiden die Welle umgreifenden Lagerbereiche 16 mit dem Öl gefüllt werden. Dadurch dass das Öl bei der Befüllung erwärmt ist, ist stets die Reibung zwischen der Welle 7 und der Lagervorrichtung 9 niedrig.The oil is thus fed here in particular to the shaft 7, which connects the turbine 5 to the compressor 3, with the two bearing areas 16 encompassing the shaft being filled with the oil. Because the oil is heated during filling, the friction between the shaft 7 and the bearing device 9 is always low.

Vorzugsweise wird das Öl vor einem Starten der Brennkraftmaschine 33 und/oder während eines Hochlaufens der Brennkraftmaschine 33 erwärmt und den beiden Lagerbereichen 16 zugeführt. Somit ist auch während des Hochlaufens der Energieverlust minimiert.The oil is preferably heated before the internal combustion engine 33 is started and/or during the run-up of the internal combustion engine 33 and supplied to the two bearing areas 16 . Thus, the energy loss is also minimized during the run-up.

In dem hier dargestellten Verfahren wird das Öl vorzugsweise auf eine Temperatur von zumindest 60 °C, vorzuweisen 80 °C, vorzugsweise 100 °C erwärmt. Dabei zeigt sich, dass die Viskosität des erwärmten Öls einen guten Wert erreicht und die Reibung reduziert ist.In the method presented here, the oil is preferably heated to a temperature of at least 60 °C, preferably 80 °C, preferably 100 °C. This shows that the viscosity of the heated oil reaches a good value and friction is reduced.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zudem ein weiteres Öl erwärmt und der Brennkraftmaschine 33, insbesondere einer weiteren Welle der Brennkraftmaschine 33 und/oder einem hier nicht dargestellten Zylinderkolben der Brennkraftmaschine 33 zugeführt.According to a particularly preferred embodiment of the method, another oil is also heated and supplied to internal combustion engine 33, in particular to another shaft of internal combustion engine 33 and/or to a cylinder piston of internal combustion engine 33 (not shown here).

Dadurch ist eine separate Ölversorgung für die Welle 7 der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 einerseits und andere Komponenten der Brennkraftmaschine 33 andererseits geschaffen, sodass die jeweilige Ölversorgung auf die jeweiligen Anwendungszwecke optimiert ist.This creates a separate oil supply for the shaft 7 of the compressor-turbine arrangement 1 on the one hand and other components of the internal combustion engine 33 on the other hand, so that the respective oil supply is optimized for the respective application.

Besonders bevorzugt wird nach einem Hochlaufen der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 und/oder der Brennkraftmaschine 33 die Heizvorrichtung 15 abgeschaltet und/oder in ihrer Heizleistung reduziert, sodass das Öl - nachdem die Brennkraftmaschine 33 und/oder die Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 hochgelaufen ist - weniger stark und/oder nicht mehr erwärmt wird. Dadurch wird Energie, welche zum Betrieb der Heizvorrichtung 15 erforderlich ist, eingespart, sodass das Verfahren insgesamt effizienter ist. Zudem ist nach dem Hochlaufen das Erwärmen mittels der Heizvorrichtung 15 insoweit entbehrlich, als das Öl von den aufgeheizten Komponenten der Verdichter-Turbinen-Anordnung 1 und/oder der Brennkraftmaschine 33 erwärmt wird und somit eine zusätzliche Erwärmung nicht erforderlich ist und/oder reduziert werden kann, ohne dass reibungsbedingte Energieverluste signifikant ansteigen.Particularly preferably, after the compressor-turbine arrangement 1 and/or the internal combustion engine 33 has started up, the heating device 15 is switched off and/or its heating output is reduced, so that the oil - after the internal combustion engine 33 and/or the compressor-turbine arrangement 1 has started up is - is less strong and/or no longer warmed up. This saves energy that is required to operate the heating device 15, so that the method is more efficient overall. In addition, heating by means of the heating device 15 is not necessary after the start-up insofar as the oil is heated by the heated components of the compressor-turbine arrangement 1 and/or the internal combustion engine 33 and additional heating is therefore not required and/or can be reduced , without significantly increasing energy losses due to friction.

Claims (15)

Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) mit einem in einem Verdichtergehäuse gelagerten Verdichter (3) und einer in einem Turbinengehäuse gelagerten Turbine (5), wobei der Verdichter (3) und die Turbine (5) über eine Welle (7) miteinander drehfest verbunden sind, wobei die Welle (7) in zumindest einer Lagervorrichtung (9) der Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) drehbar gelagert ist, wobei die Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) eine Ölversorgungsvorrichtung (11) aufweist, welche mit der Lagervorrichtung (9) verbunden ist, wobei die Ölversorgungsvorrichtung (11) zumindest eine Ölversorgungsleitung (13) und eine Heizvorrichtung (15) aufweist, wobei ein erstes Ende (17) der Ölversorgungsleitung (13) mit der Lagervorrichtung (9) verbunden und ein zweites Ende (19) der Ölversorgungsleitung (13) mit einem Ölreservoir (21) verbindbar ist, und wobei die Heizvorrichtung (15) zum Erwärmen eines in der Ölversorgungsleitung (13) geführten Öls ausgebildet und eingerichtet ist.Compressor-turbine arrangement (1) with a compressor (3) mounted in a compressor housing and a turbine (5) mounted in a turbine housing, the compressor (3) and the turbine (5) being non-rotatably connected to one another via a shaft (7). are, wherein the shaft (7) is rotatably mounted in at least one bearing device (9) of the compressor-turbine arrangement (1), the compressor-turbine arrangement (1) having an oil supply device device (11) which is connected to the bearing device (9), the oil supply device (11) having at least one oil supply line (13) and a heating device (15), a first end (17) of the oil supply line (13) being connected to the Bearing device (9) is connected and a second end (19) of the oil supply line (13) can be connected to an oil reservoir (21), and the heating device (15) is designed and set up to heat oil carried in the oil supply line (13). Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (15) einen Wärmetauscher (23) und eine Wärmequelle (25) aufweist.Compressor-turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device (15) has a heat exchanger (23) and a heat source (25). Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (15) die Ölversorgungsleitung (13) zumindest abschnittsweise umgreift.Compressor turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device (15) surrounds the oil supply line (13) at least in sections. Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (23) als Metallblock (27) und/oder als Teil eines die Lagervorrichtung (9) umfassenden Lagergehäuses ausgebildet ist.Compressor-turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (23) is designed as a metal block (27) and/or as part of a bearing housing which includes the bearing device (9). Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (25) ein Elektroheizelement aufweist.Compressor-turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat source (25) has an electric heating element. Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (23) Stahl, Kupfer, Aluminium, Eisen, insbesondere Gusseisen, und/oder Legierungen dieser Materialien aufweist.Compressor-turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (23) has steel, copper, aluminium, iron, in particular cast iron, and/or alloys of these materials. Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallblock (27) ein Gewicht von zumindest 2 kg aufweist.Compressor-turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the metal block (27) has a weight of at least 2 kg. Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (23) zumindest einen Wasserspeicher und/oder zumindest eine Wasserleitung aufweist.Compressor-turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (23) has at least one water reservoir and/or at least one water line. Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) ein Ölreservoir (21) aufweist, welches mit dem zweiten Ende (19) der Ölversorgungsleitung (13) verbunden ist.Compressor-turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor-turbine arrangement (1) has an oil reservoir (21) which is connected to the second end (19) of the oil supply line (13). Brennkraftmaschine (33) mit einer Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (3) in einem Zuströmpfad zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine (33) und die Turbine (5) in einem Abströmpfad von dem Brennraum der Brennkraftmaschine (33) angeordnet ist.Internal combustion engine (33) with a compressor-turbine arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the compressor (3) in an inflow path to a combustion chamber of the internal combustion engine (33) and the turbine (5) in an outflow path from the combustion chamber of the Internal combustion engine (33) is arranged. Verfahren zum Betreiben einer Verdichter-Turbinen-Anordnung (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ganz besonders zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (33) nach Anspruch 10, wobei einer Lagervorrichtung (9) der Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) ein Öl zugeführt wird, wobei das Öl vor und/oder während des Zuführens von einer Heizvorrichtung (15) der Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) erwärmt wird.Method for operating a compressor-turbine arrangement (1), in particular according to one of Claims 1 until 9 , especially for operating an internal combustion engine (33). claim 10 wherein an oil is supplied to a bearing device (9) of the compressor-turbine arrangement (1), the oil being heated before and/or during the supply by a heating device (15) of the compressor-turbine arrangement (1). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl einer die Turbine (5) mit dem Verdichter (3) verbindenden Welle (7) zugeführt wird.procedure after claim 11 , characterized in that the oil is supplied to a shaft (7) connecting the turbine (5) to the compressor (3). Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl vor einem Starten einer mit der Verdichter-Turbinen-Anordnung (1) wirkverbundenen Brennkraftmaschine (33) und/oder während eines Hochlaufens der Brennkraftmaschine (33) erwärmt und/oder zugeführt wird.Procedure according to one of Claims 11 until 12 , characterized in that the oil is heated and/or supplied prior to starting an internal combustion engine (33) operatively connected to the compressor-turbine arrangement (1) and/or during run-up of the internal combustion engine (33). Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl auf eine Temperatur von zumindest 60 °C erwärmt wird.Procedure according to one of Claims 11 until 13 , characterized in that the oil is heated to a temperature of at least 60 °C. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Öl erwärmt wird, wobei das erwärmte weitere Öl der Brennkraftmaschine (33) zugeführt wird.Procedure according to one of Claims 11 until 14 , characterized in that a further oil is heated, wherein the heated further oil of the internal combustion engine (33) is supplied.
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