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Die Erfindung betrifft eine Turbolader-Anordnung, eine Steuervorrichtung für eine solche Turbolader-Anordnung, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Turbolader-Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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Insbesondere Brennkraftmaschinen mit breiten Kennfeldern und/oder hohem Beschleunigungspotenzial bedürfen hoher Aufladegrade für einen leistungsstarken und effizienten Betrieb insbesondere über dem gesamten Kennfeld. Um solche Aufladegrade bereitzustellen, hat sich beispielsweise im Pkw-Bereich die zweistufig geregelte Aufladung etabliert. Bei Marinemotoren spielt hingegen die Registeraufladung eine bedeutende Rolle. Beide Konzepte haben allerdings den Nachteil, eine Mehrzahl von Ladern und damit einhergehend eine komplexe Heißgasverrohrung zu benötigen. Sie sind daher bauraumintensiv, weisen eine Vielzahl von tendenziell ausfallgefährdeten Bauteilen auf und sind teuer. Um die Drehzahl des Verdichters bei hohen Aufladegraden nicht zu sehr ansteigen zu lassen, werden typischerweise Turbinen-Umgehungspfade genutzt, die auch als Wastegates bezeichnet werden. Da im Gegenzug die Turbinen zum Zweck der hohen Aufladung entsprechend klein ausgelegt werden, besteht insbesondere bei kalten Randbedingungen die Gefahr des Verdichterpumpens aufgrund eines zu hohen Ladedrucks bei kleinen Durchsätzen. Um dieses Problem zu lösen, kann ein Verdichter-Umgehungspfad eingesetzt werden, um bedarfsweise den Verdichter zu umblasen und somit das Verdichterpumpen zu vermeiden. Hiermit geht allerdings nachteilhaft ein Verlust an Ladedruck und damit eine Begrenzung der möglichen Mitteldrücke des Motors einher. Insgesamt kann somit das Potenzial eines Turboladers mit Turbinen-Umgehungspfad und Verdichter-Umgehungspfad nicht vollständig ausgeschöpft werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbolader-Anordnung, eine Steuervorrichtung für eine solche Turbolader-Anordnung, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Turbolader-Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
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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 bevorzugten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Turbolader-Anordnung geschaffen wird, die einen Ladeluft-Leitungsabschnitt aufweist, in dem ein Verdichter zur Förderung von Ladeluft entlang des Ladeluft-Leitungsabschnitts angeordnet ist. Die Turbolader-Anordnung weist außerdem einen Abgas-Leitungsabschnitt auf, in dem eine Turbine derart angeordnet ist, dass die Turbine von Abgas angetrieben wird, welches den Abgas-Leitungsabschnitt im Betrieb der Turbolader-Anordnung durchströmt. Die Turbine ist mit dem Verdichter antriebswirkverbunden. Die Turbolader-Anordnung weist außerdem einen Verdichter-Entlastungspfad auf, der angeordnet und eingerichtet ist, um Ladeluft von einer Hochdruckseite des Verdichters abzuführen. Ein Teil der Ladeluft kann somit bei Freigabe des Verdichter-Entlastungspfads über den Verdichter-Entlastungspfad von der Hochdruckseite des Verdichters weggeleitet werden, wodurch der Verdichter entlastet wird. Die Turbolader-Anordnung weist außerdem eine erste Strömungsleitvorrichtung auf, die zwischen einem ersten Funktionszustand und einem zweiten Funktionszustand schaltbar und eingerichtet ist, um den Verdichter-Entlastungspfad in dem ersten Funktionszustand zu sperren, und um den Verdichter-Entlastungspfad in dem zweiten Funktionszustand freizugeben. Außerdem weist die Turbolader-Anordnung einen Turbinen-Umgehungspfad auf, der angeordnet und eingerichtet ist, um Abgas an der Turbine vorbei zu leiten. Die Turbine wird somit durch den Turbinen-Umgehungspfad umgangen; der Turbinen-Umgehungspfad bildet einen Abgas-Bypass um die Turbine. Die Turbolader-Anordnung weist außerdem eine zweite Strömungsleitvorrichtung auf, die zwischen einem dritten Funktionszustand und einem vierten Funktionszustand schaltbar und eingerichtet ist, um den Turbinen-Umgehungspfad in dem dritten Funktionszustand zu sperren, und um den Turbinen-Umgehungspfad in dem vierten Funktionszustand freizugeben, so dass Abgas unter Umgehung der Turbine entlang des Turbinen-Umgehungspfads strömen kann und damit quasi abgesteuert wird. Der Turbinen-Umgehungspfad und die zweite Strömungsleiteinrichtung bilden somit ein Wastegate. Außerdem weist die Turbolader-Anordnung eine elektrische Maschine auf, die mit dem Verdichter antriebswirkverbunden ist. Somit sind in der Turbolader-Anordnung vorteilhaft eine Verdichter-Entlastung, ein Wastegate und eine elektrische Unterstützung für den Turbolader miteinander kombiniert. Dies ermöglicht einen Betrieb der Turbolader-Anordnung, bei dem an einem Ende des Verdichterkennfelds das Problem des Verdichterpumpens mittels Entlasten des Verdichters gelöst wird, wobei zugleich damit einhergehende Ladedruck-Verluste durch elektrische Unterstützung des Verdichters ausgeglichen werden können. Das Wastegate ermöglicht quasi am anderen Ende des Verdichterkennfelds einen Schutz vor Überdrehzahl und damit einen Verbleib des Verdichters im optimalen Kennfeldbereich auch bei hohen Aufladegraden. Im Ergebnis werden damit Kennfelder für eine mit der Turbolader-Anordnung ausgestattete Brennkraftmaschine möglich, die ansonsten nur mit einer zweistufigen Aufladung erreicht werden könnten. Die hier vorgeschlagene Turbolader-Anordnung macht diese Kennfelder dagegen für sich genommen, das heißt als einstufige Aufladung, zugänglich, woraus sich große Vorteile in Bezug auf Bauraum, Ausfallsicherheit und Kosten ergeben. Weiterhin kann vorteilhaft eine komplexe Heißgasverrohrung vermieden werden. Insbesondere der Verdichter-Entlastungspfad ist ein Kaltteil und kann somit kostengünstig und zugleich dicht ausgeführt sein.
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Unter einer Überdrehzahl wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass der Verdichter eine Drehzahl aufweist, die größer ist als ein vorbestimmter Drehzahlschwellenwert.
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Die Turbolader-Anordnung ist insbesondere eingerichtet für den Einsatz bei einer Brennkraftmaschine. Auch andere geeignete Einsatzmöglichkeiten sind selbstverständlich möglich.
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Dass die Turbine und der Verdichter miteinander antriebswirkverbunden sind, bedeutet insbesondere, dass die Turbine und der Verdichter derart miteinander wirkverbunden sind, dass der Verdichter durch die Turbine antreibbar ist. Die Turbine und der Verdichter sind vorzugsweise durch eine Antriebswelle miteinander wirkverbunden.
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Die erste Strömungsleitvorrichtung ist insbesondere als ansteuerbare Strömungsleitvorrichtung ausgebildet. In bevorzugter Ausgestaltung ist die erste Strömungsleitvorrichtung als Ventil oder als Klappe ausgebildet.
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Dass die erste Strömungsleitvorrichtung zwischen dem ersten Funktionszustand und dem zweiten Funktionszustand schaltbar ist, bedeutet insbesondere, dass die erste Strömungsleitvorrichtung den ersten Funktionszustand und den zweiten Funktionszustand, sowie in bevorzugter Ausgestaltung wenigstens einen Zwischenzustand zwischen dem ersten Funktionszustand und dem zweiten Funktionszustand einnehmen kann. In dem ersten Funktionszustand ist ein Strömungsquerschnitt des Verdichter-Entlastungspfads vollständig gesperrt. In dem zweiten Funktionszustand ist der Strömungsquerschnitt des Verdichter-Entlastungspfads vollständig freigegeben. In dem wenigstens einen Zwischenzustand ist der Strömungsquerschnitt des Verdichter-Entlastungspfads nicht vollständig, sondern nur teilweise freigegeben. Vorzugsweise kann die erste Strömungsleitvorrichtung eine Mehrzahl von solchen Zwischenzuständen insbesondere mit variierenden Anteilen des vollen Strömungsquerschnitts des Verdichter-Entlastungspfads einnehmen. In bevorzugter Ausgestaltung ist die erste Strömungsleitvorrichtung kontinuierlich zwischen dem ersten Funktionszustand und dem zweiten Funktionszustand verlagerbar. Alternativ ist es möglich, dass die erste Strömungsleitvorrichtung eine Anzahl diskreter Zwischenzustände zwischen dem ersten Funktionszustand und dem zweiten Funktionszustand einnehmen kann.
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Die zweite Strömungsleitvorrichtung ist insbesondere als ansteuerbare Strömungsleitvorrichtung ausgebildet. In bevorzugter Ausgestaltung ist die zweite Strömungsleitvorrichtung als Ventil oder als Klappe ausgebildet. Vorzugsweise ist die zweite Strömungsleitvorrichtung in ein Turbinengehäuse der Turbine integriert. Besonders bevorzugt ist die zweite Strömungsleitvorrichtung als Tellerventil, insbesondere als in das Turbinengehäuse integriertes Tellerventil, ausgebildet. Die zweite Strömungsleitvorrichtung kann auf diese Weise besonders kompakt und bauraumsparend ausgebildet sein.
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Dass die zweite Strömungsleitvorrichtung zwischen dem dritten Funktionszustand und dem vierten Funktionszustand schaltbar ist, bedeutet insbesondere, dass die zweite Strömungsleitvorrichtung den dritten Funktionszustand und den vierten Funktionszustand, sowie in bevorzugter Ausgestaltung wenigstens einen Zwischenzustand zwischen dem dritten Funktionszustand und dem vierten Funktionszustand einnehmen kann. In dem dritten Funktionszustand ist ein Strömungsquerschnitt des Turbinen-Umgehungspfads vollständig gesperrt. In dem vierten Funktionszustand ist der Strömungsquerschnitt des Turbinen-Umgehungspfads vollständig freigegeben. In dem wenigstens einen Zwischenzustand wird das Abgas anteilig entlang des Turbinen-Umgehungspfads geführt, wobei der verbleibende Anteil über die Turbine geführt wird. Vorzugsweise kann die zweite Strömungsleitvorrichtung eine Mehrzahl von solchen Zwischenzuständen insbesondere mit variierenden Anteilen von entlang des Turbinen-Umgehungspfads geführtem Abgasmassenstrom einnehmen. In bevorzugter Ausgestaltung ist die zweite Strömungsleitvorrichtung kontinuierlich zwischen dem dritten Funktionszustand und dem vierten Funktionszustand verlagerbar. Alternativ ist es möglich, dass die zweite Strömungsleitvorrichtung eine Anzahl diskreter Zwischenzustände zwischen dem dritten Funktionszustand und dem vierten Funktionszustand einnehmen kann.
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Dass die elektrische Maschine mit dem Verdichter antriebswirkverbunden ist, bedeutet insbesondere, dass die elektrische Maschine und der Verdichter derart miteinander wirkverbunden sind, dass die elektrische Maschine den Verdichter antreiben kann. Die elektrische Maschine ist insbesondere als Motor betreibbar, um den Verdichter anzutreiben. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine auf einer dem Verdichter zugeordneten Antriebswelle, insbesondere auf der die Turbine und den Verdichter verbindenden Antriebswelle, angeordnet.
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Die Turbolader-Anordnung weist insbesondere genau einen Verdichter und genau eine Turbine auf. Insbesondere ist die Turbolader-Anordnung als einstufige Aufladung ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verdichter-Entlastungspfad als Verdichter-Umgehungspfad ausgebildet ist. Der Verdichter-Umgehungspfad ist insbesondere angeordnet und eingerichtet ist, um Ladeluft um den Verdichter herum zu leiten. Ladeluft kann somit bei Freigabe des Verdichter-Entlastungspfads über den als Verdichter-Umgehungspfad ausgebildeten Verdichter-Entlastungspfad von einer Hochdruckseite des Verdichters zurück zu dessen Niederdruckseite strömen, was auch als Umblasen des Verdichters bezeichnet wird; der Verdichter-Umgehungspfad bildet somit einen Ladeluft-Bypass um den Verdichter.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass der Verdichter-Entlastungspfad als Abluftpfad ausgebildet ist. Unter einem Abluftpfad wird dabei im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Strömungspfad verstanden, über den Ladeluft von der Hochdruckseite des Verdichters aus dem Ladepfad abgeleitet, insbesondere abgesteuert wird. Insbesondere wird die über den Abluftpfad abgeleitete Ladeluft - insbesondere im Unterschied zu dem Verdichter-Umgehungspfad - nicht in den Ladepfad zurückgeführt.
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Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass der Verdichter-Entlastungspfad als Abblaspfad ausgebildet ist. Der Abblaspfad verbindet - insbesondere als eine spezifische Ausgestaltung eines Abluftpfads - insbesondere den Ladeluft-Leitungsabschnitt auf der Hochdruckseite des Verdichters strömungstechnisch mit einer äußeren Umgebung der Turbolader-Anordnung, insbesondere einer äußeren Umgebung der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann Ladeluft von der Hochdruckseite des Verdichters gleichsam ins Freie geleitet werden, wodurch der Verdichter entlastet wird. Insbesondere ist also der Abblaspfad ein Abluftpfad, bei dem die Ladeluft ins Freie abgeleitet wird.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass der Verdichter-Entlastungspfad als Verbindungspfad zwischen dem Ladeluft-Leitungsabschnitt und dem Abgas-Leitungsabschnitt ausgebildet ist. Der Verbindungspfad stellt - insbesondere als eine spezifische Ausgestaltung eines Abluftpfads - insbesondere eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Ladeluft-Leitungsabschnitt auf der Hochdruckseite des Verdichters und dem Abgas-Leitungsabschnitt bereit, sodass Ladeluft von der Hochdruckseite des Verdichters in den Abgas-Leitungsabschnitt geführt und der Verdichter auf diese Weise entlastet werden kann. Der Verbindungspfad mündet bevorzugt stromabwärts der Turbine in den Abgas-Leitungsabschnitt, das heißt in einen Niederdruckabschnitt des Abgas-Leitungsabschnitts, sodass insbesondere unabhängig von einem Betriebspunkt der Turbolader-Anordnung ein hinreichendes Druckgefälle zur Ableitung von Ladeluft über den Verbindungspfad gegeben ist. Insbesondere ist also der Verbindungspfad ein Abluftpfad, bei dem die Ladeluft in den Abgas-Leitungsabschnitt überführt und damit abgeleitet wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine mit der Turbine antriebswirkverbunden ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die elektrische Maschine und die Turbine derart miteinander wirkverbunden sind, dass die Turbine die elektrische Maschine antreiben kann. Vorteilhaft sind damit breitere Einsatzmöglichkeiten der elektrischen Maschine verbunden. In bevorzugter Ausgestaltung ist die elektrische Maschine auf einer gemeinsamen Antriebswelle mit dem Verdichter und der Turbine angeordnet. Insbesondere ist die elektrische Maschine als Generator betreibbar. Vorteilhaft kann auf diese Weise - insbesondere anderweitig ungenutzte - Energie aus dem Abgasmassenstrom rekuperiert werden. Insbesondere kann die elektrische Maschine vorteilhaft in Kombination mit dem Turbinen-Umgehungspfad eingesetzt werden, um die Turbine - und damit auch den Verdichter - zu bremsen und einer Überdrehzahl vorzubeugen. Eine einfache, überschlägige Rechnung illustriert das Potenzial des Einsatzes der elektrischen Maschine: Diese kann insbesondere unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraums typischerweise eine Leistung von ungefähr 20 kW bis 30 kW bereitstellen, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einer Nennleistung von 0,8 MW bis 1 MW, was im motorischen Betrieb zur Unterstützung des Verdichters angemessen ist. Im hohen Lastbereich müssen allerdings über den Turbinen-Umgehungspfad typischerweise 200 kW abgesteuert werden, sodass die zur Verfügung stehende generatorische Leistung der elektrischen Maschine alleine hierfür nicht ausreicht. Allerdings kann - wie oben beschrieben - die elektrische Maschine unterstützend eingesetzt werden und zumindest einen Teil der ansonsten über den Turbinen-Umgehungspfad abgesteuerten Leistung rekuperieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Turbolader-Anordnung eine Steuervorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um den Verdichter auf ein Einhalten einer ersten Betriebsgrenze zu überwachen, wobei die Steuervorrichtung mit der ersten Strömungsleitvorrichtung und mit der elektrischen Maschine zu deren jeweiligen Ansteuerung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die erste Strömungsleitvorrichtung zumindest teilweise ausgehend von dem ersten Funktionszustand in Richtung des zweiten Funktionszustands und zugleich die elektrische Maschine zum Antreiben des Verdichters anzusteuern, wenn ein Betrieb des Verdichters sich der ersten Betriebsgrenze bis auf einen vorbestimmten ersten Grenzabstand annähert oder die erste Betriebsgrenze überschreitet. Insbesondere ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um den Verdichter auf ein Verdichterpumpen zu überwachen. Dies kann unmittelbar durch Überwachung von wenigstens einem Verdichter-Parameter am Verdichter, insbesondere der Verdichter-Drehzahl, geschehen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Steuervorrichtung eingerichtet ist, um wenigstens einen Brennkraftmaschinen-Parameter einer die Turbolader-Anordnung aufweisenden Brennkraftmaschine zu überwachen, wobei der wenigstens eine Brennkraftmaschinen-Parameter eine Aussage über ein bevorstehendes oder auftretendes Verdichterpumpen erlaubt. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um einen Betriebspunkt des Verdichters im Verdichterkennfeld zu überwachen, insbesondere auf Überschreiten einer vorbestimmten ersten Grenzkurve, insbesondere einer Pumpgrenze. Die erste Betriebsgrenze ist insbesondere die Pumpgrenze. Insbesondere ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um ein Verdichter-Druckverhältnis, das heißt insbesondere ein Verhältnis des Ladedrucks stromabwärts des Verdichters zu einem Druck stromaufwärts des Verdichters, und einen Ladeluft-Massenstrom über den Verdichter zu überwachen. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um ein Überschreiten der Pumpgrenze zu verhindern, oder um zumindest zu verhindern, dass die Pumpgrenze länger als eine vorbestimmte Pump-Zeitdauer überschritten wird. Droht der Verdichter die Pumpgrenze zu erreichen oder überschreitet er diese - gegebenenfalls zumindest für die vorbestimmte Pump-Zeitdauer -, löst die Steuervorrichtung in vorteilhafter Weise ein Entlasten des Verdichters über den Verdichter-Entlastungspfad aus; zugleich werden Ladedruck-Verluste durch Ansteuerung der elektrischen Maschine - insbesondere als Motor - zur Unterstützung des Verdichters kompensiert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung eingerichtet ist, um den Verdichter auf ein Einhalten einer zweiten Betriebsgrenze zu überwachen, wobei die Steuervorrichtung zusätzlich mit der zweiten Strömungsleitvorrichtung zu deren Ansteuerung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die zweite Strömungsleitvorrichtung zumindest teilweise ausgehend von dem dritten Funktionszustand in Richtung des vierten Funktionszustands anzusteuern, wenn ein Betrieb des Verdichters sich der zweiten Betriebsgrenze bis auf einen vorbestimmten zweiten Grenzabstand annähert oder die zweite Betriebsgrenze überschreitet, wobei die Steuervorrichtung vorzugsweise außerdem eingerichtet ist, um zugleich die elektrische Maschine zum Verzögern der Turbine anzusteuern. Insbesondere ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die Turbine auf Überdrehzahl zu überwachen. Dies kann unmittelbar durch Überwachung von wenigstens einem Turbinen-Parameter an der Turbine, insbesondere der Turbinen-Drehzahl, geschehen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Steuervorrichtung eingerichtet ist, um wenigstens einen Brennkraftmaschinen-Parameter der die Turbolader-Anordnung aufweisenden Brennkraftmaschine zu überwachen, wobei der wenigstens eine Brennkraftmaschinen-Parameter eine Aussage über eine bevorstehende oder auftretende Überdrehzahl erlaubt. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um einen Betriebspunkt des Verdichters im Verdichterkennfeld zu überwachen, insbesondere auf Überschreiten einer vorbestimmten zweiten Grenzkurve, insbesondere einer Stopfgrenze. Die zweite Betriebsgrenze ist insbesondere die Stopfgrenze. Insbesondere ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um ein Verdichter-Druckverhältnis, das heißt insbesondere ein Verhältnis des Ladedrucks stromabwärts des Verdichters zu einem Druck stromaufwärts des Verdichters, und einen Ladeluft-Massenstrom über den Verdichter zu überwachen. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um eine Überdrehzahl oder ein Überschreiten der Stopfgrenze zu verhindern, oder um zumindest zu verhindern, dass die Stopfgrenze länger als eine vorbestimmte Stopf-Zeitdauer überschritten wird, oder die Überdrehzahl länger als die vorbestimmte Stopf-Zeitdauer anhält. Droht der Verdichter die Stopfgrenze zu erreichen oder überschreitet er diese - gegebenenfalls zumindest für die vorbestimmte Stopf-Zeitdauer -, löst die Steuervorrichtung in vorteilhafter Weise eine Absteuerung von Abgas über den Turbinen-Umgehungspfad aus; zugleich wird bevorzugt Energie aus dem Abgasmassenstrom durch Ansteuerung der elektrischen Maschine - insbesondere als Generator - unter Bremsung der Turbine rekuperiert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zu dem Stator drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei der Rotor mit einem Verdichterrad des Verdichters auf einer gemeinsamen Welle, insbesondere der Antriebswelle, derart angeordnet ist, dass der Rotor das Verdichterrad auf der Welle mechanisch fixiert. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Funktionsintegration erreicht, indem nämlich die Funktion der mechanischen Fixierung des Verdichterrads auf der Welle einerseits sowie die Funktion des Rotors der elektrischen Maschine andererseits von einem einzigen Bauteil übernommen werden. Dies bringt erhebliche Bauraum-Vorteile mit sich und erlaubt eine äußerst kompakte Gestaltung der Turbolader-Anordnung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdichterrad durch eine Gewindemutter auf der Welle mechanisch fixiert ist. Der Rotor ist dabei vorzugsweise als die Gewindemutter ausgebildet ist. Alternativ ist bevorzugt die Gewindemutter als der Rotor der elektrischen Maschine ausgebildet. Insbesondere ist die Gewindemutter als magnetische Gewindemutter, das heißt als Magnetmutter ausgebildet. Die entsprechende Ausgestaltung ist ganz besonders kompakt und benötigt kaum nennenswerten Bauraum.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Steuervorrichtung für eine Turbolader-Anordnung geschaffen wird, die eingerichtet ist, um einen Verdichter der Turbolader-Anordnung auf ein Einhalten einer ersten Betriebsgrenze, insbesondere im Verdichterkennfeld, insbesondere der Pumpgrenze, zu überwachen, und um, wenn ein Betrieb des Verdichters sich der ersten Betriebsgrenze bis auf einen vorbestimmten ersten Grenzabstand annähert oder die erste Betriebsgrenze überschreitet, eine erste Strömungsleitvorrichtung zur Entlastung des Verdichters anzusteuern, und zugleich eine elektrische Maschine der Turbolader-Anordnung zum Antreiben des Verdichters anzusteuern. Die Steuervorrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Steuerung oder Regelung einer Turbolader-Anordnung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Turbolader-Anordnung oder einer Turbolader-Anordnung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere weist die Steuervorrichtung wenigstens ein Merkmal auf, welches zuvor explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Turbolader-Anordnung erläutert wurde. In Zusammenhang mit der Steuervorrichtung ergeben sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Turbolader-Anordnung beschrieben wurden.
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Die Steuervorrichtung ist insbesondere mit wenigstens einem ersten Sensor wirkverbindbar, der eine Überwachung der ersten Betriebsgrenze erlaubt, insbesondere wenigstens einem Drehzahlsensor, wenigstens einem Drucksensor, und/oder wenigstens einem Massenstrom-Sensor. Insbesondere weist die Steuervorrichtung bevorzugt wenigstens eine Schnittstelle zur Verbindung der Steuervorrichtung mit dem wenigstens einen ersten Sensor auf.
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Die Steuervorrichtung ist insbesondere mit der ersten Strömungsleitvorrichtung wirkverbindbar. Insbesondere weist die Steuervorrichtung bevorzugt wenigstens eine Schnittstelle zur Verbindung der Steuervorrichtung mit der ersten Strömungsleitvorrichtung auf.
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Die Steuervorrichtung ist insbesondere mit der elektrischen Maschine wirkverbindbar. Insbesondere weist die Steuervorrichtung bevorzugt wenigstens eine Schnittstelle zur Verbindung der Steuervorrichtung mit der elektrischen Maschine auf. Insbesondere ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die elektrische Maschine als Motor anzusteuern, wenn der Betrieb des Verdichters sich der ersten Betriebsgrenze bis auf den vorbestimmten ersten Grenzabstand annähert oder die erste Betriebsgrenze überschreitet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung zusätzlich eingerichtet ist, um den Verdichter auf ein Einhalten einer zweiten Betriebsgrenze, insbesondere im Verdichterkennfeld, insbesondere der Stopfgrenze, zu überwachen, und um, wenn ein Betrieb des Verdichters sich der zweiten Betriebsgrenze bis auf einen vorbestimmten zweiten Grenzabstand annähert oder die zweite Betriebsgrenze überschreitet, eine zweite Strömungsleitvorrichtung der Turbolader-Anordnung zur Umgehung einer Turbine der Turbolader-Anordnung anzusteuern, und zugleich die elektrische Maschine zum Verzögern der Turbine anzusteuern.
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Die Steuervorrichtung ist insbesondere mit wenigstens einem zweiten Sensor wirkverbindbar, der eine Überwachung der zweiten Betriebsgrenze erlaubt, insbesondere wenigstens einem Drehzahlsensor, wenigstens einem Drucksensor, und/oder wenigstens einem Massenstrom-Sensor. Insbesondere weist die Steuervorrichtung bevorzugt wenigstens eine Schnittstelle zur Verbindung der Steuervorrichtung mit dem wenigstens einen zweiten Sensor auf. Es ist möglich, dass der wenigstens eine erste Sensor für die Überwachung der ersten Betriebsgrenze identisch ist mit dem wenigstens einen zweiten Sensor zur Überwachung der zweiten Betriebsgrenze. Es ist aber auch möglich, dass der wenigstens eine zweite Sensor von dem wenigstens einen ersten Sensor verschieden ist.
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Die Steuervorrichtung ist insbesondere mit der zweiten Strömungsleitvorrichtung wirkverbindbar. Insbesondere weist die Steuervorrichtung bevorzugt wenigstens eine Schnittstelle zur Verbindung der Steuervorrichtung mit der zweiten Strömungsleitvorrichtung auf.
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Insbesondere ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die elektrische Maschine als Generator anzusteuern, wenn der Betrieb des Verdichters sich der zweiten Betriebsgrenze bis auf den vorbestimmten zweiten Grenzabstand annähert oder die zweite Betriebsgrenze überschreitet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung als Steuervorrichtung einer die Turbolader-Anordnung aufweisenden Brennkraftmaschine ausgebildet ist. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung als zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine, insbesondere als sogenannte Engine Control Unit (ECU), ausgebildet. Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung eingerichtet zur Überwachung von wenigstens einem Brennkraftmaschinen-Parameter der Brennkraftmaschine, um wenigstens eine Betriebsgrenze des Verdichters, ausgewählt aus der ersten Betriebsgrenze und der zweiten Betriebsgrenze, zu überwachen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Turbolader-Anordnung oder einer Turbolader-Anordnung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geschaffen wird. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere diejenigen Vorteile, die zuvor bereits in Zusammenhang mit der Turbolader-Anordnung oder der Steuervorrichtung beschrieben wurden. Besondere Vorteile entfaltet die hier vorgeschlagene Brennkraftmaschine bei Hochleistungsanwendungen, bei denen hohe Leistungen, beispielsweise zum Beschleunigen schwerer Fahrzeuge, gefordert sind, sowie insbesondere bei einer Ausbildung der Brennkraftmaschine als Großmotor. Insbesondere erweist sich die hier vorgeschlagene Brennkraftmaschine bei solchen Anwendungen als vorteilhaft, bei denen zugleich eine hohe Leistung gefordert ist als auch nur geringer Bauraum zur Verfügung steht, also insgesamt eine hohe Leistungsdichte verlangt wird. Dies ist in besonderer Weise bei einer Anwendung der Brennkraftmaschine als Unterflur-Motor für ein Schienenfahrzeug der Fall.
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Der Ladeluft-Leitungsabschnitt der Turbolader-Anordnung ist insbesondere Teil einer Ladeluft-Leitung der Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist, um wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine Ladeluft, das heißt insbesondere Verbrennungsluft, zuzuführen. Der Verdichter der Turbolader-Anordnung ist demnach insbesondere eingerichtet und angeordnet, um Ladeluft, das heißt insbesondere Verbrennungsluft, für den Betrieb der Brennkraftmaschine zu verdichten.
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Der Abgas-Leitungsabschnitt der Turbolader-Anordnung ist insbesondere Teil einer AbgasLeitung der Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist, um Abgas aus wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine abzuführen. Die Turbine der Turbolader-Anordnung ist demnach insbesondere eingerichtet und angeordnet, um im Betrieb der Brennkraftmaschine durch Abgas aus dem wenigstens einen Brennraum angetrieben zu werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung oder eine Steuervorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufweist. Die Steuervorrichtung ist mit der ersten Strömungsleitvorrichtung, mit der zweiten Strömungsleitvorrichtung und mit der elektrischen Maschine wirkverbunden. Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise mit wenigstens einem Sensor, insbesondere ausgewählt aus dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor, zur Überwachung des Betriebs des Verdichters wirkverbunden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine die Turbolader-Anordnung als einstufige Aufladung aufweist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Brennkraftmaschine keine zweistufige Aufladung, insbesondere keine zweite Ladestufe, und keine Registeraufladung aufweist. Die Turbolader-Anordnung weist - insbesondere für jede Brennraumgruppe oder Zylinderbank - insbesondere genau einen Verdichter und genau eine Turbine auf. Die Brennkraftmaschine weist - insbesondere für jede Brennraumgruppe oder Zylinderbank - insbesondere neben der Turbolader-Anordnung keinen weiteren Verdichter und keine weitere Turbine auf. Dies schließt nicht aus, dass die Brennkraftmaschine für den Fall, dass sie eine Mehrzahl separater Brennraumgruppen oder Zylinderbänke aufweist, für jede der Brennraumgruppen oder Zylinderbänke jeweils genau einen Verdichter und genau eine Turbine und damit insgesamt eine Mehrzahl von Verdichtern und Turbinen aufweist; für jede Brennraumgruppe oder Zylinderbank wird dann gleichwohl jeweils eine einstufige Aufladung verwirklicht. Die Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit einer einstufigen Aufladung hat Vorteile insbesondere mit Blick auf die Ausfallsicherheit, die Kosten und den Bauraum. Die hier vorgeschlagene Turbinen-Anordnung eröffnet für die Brennkraftmaschine vorteilhaft ein Kennfeld, das ansonsten nur mit einer zweistufigen Aufladung oder einer Registeraufladung - dann aber mit den bereits beschriebenen Nachteilen - möglich wäre.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei ein Verdichter einer Turbolader-Anordnung der Brennkraftmaschine auf ein Einhalten einer ersten Betriebsgrenze, insbesondere im Verdichterkennfeld, insbesondere der Pumpgrenze, überwacht wird, wobei, wenn ein Betrieb des Verdichters sich der ersten Betriebsgrenze bis auf einen vorbestimmten ersten Grenzabstand annähert oder die erste Betriebsgrenze überschreitet, der Verdichter entlastet wird, und wobei zugleich eine elektrische Maschine der Turbolader-Anordnung - insbesondere als Motor - zum Antreiben des Verdichters angesteuert wird. Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine oder eine Brennkraftmaschine nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen betrieben. Die im Rahmen des Verfahrens betriebene Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine erfindungsgemäße Turbolader-Anordnung oder eine Turbolader-Anordnung gemäß einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf. Vorzugsweise weist die im Rahmen des Verfahrens betriebene Brennkraftmaschine eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung oder eine Steuervorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf. Insbesondere umfasst das Verfahren bevorzugt wenigstens einen Verfahrensschritt, der explizit oder implizit zuvor in Zusammenhang mit der Turbolader-Anordnung, der Steuervorrichtung oder der Brennkraftmaschine erläutert wurde. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Turbolader-Anordnung, der Steuervorrichtung und der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
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Der Verdichter wird insbesondere entlastet, indem er umblasen wird, das heißt indem Ladeluft von einer Hochdruckseite des Verdichters zu einer Niederdruckseite des Verdichters zurückgeführt wird, oder indem Ladeluft von der Hochdruckseite des Verdichters abgesteuert, insbesondere in eine äußere Umgebung abgeleitet oder in einen Abgas-Leitungsabschnitt überführt wird.
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Insbesondere wird der Verdichter vorteilhaft im Betrieb der Brennkraftmaschine bei kleinen Drehzahlen und zugleich hohem Druckverhältnis am Verdichter entlastet, sodass ein Verdichterpumpen effektiv vermieden wird. Zugleich wird der mit dem Entlasten des Verdichters verbundene Verlust an Ladedruck durch Ansteuerung der elektrischen Maschine als Motor und somit elektrische Unterstützung des Verdichters ausgeglichen. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass der Verdichter innerhalb seines optimalen Kennfeldbereichs bleibt und zugleich kein Verlust an Ladedruck in Kauf genommen werden muss.
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Dass der Verdichter entlastet wird, bedeutet insbesondere, dass die erste Strömungsleitvorrichtung zur Abführung von Ladeluft von der Hochdruckseite des Verdichters angesteuert wird. Der Anteil der abgeführten Ladeluft kann dabei durch entsprechende Einstellung der ersten Strömungsleitvorrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Funktionszustand eingestellt werden.
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Dass der Verdichter umblasen wird, bedeutet vorzugsweise, dass Ladeluft um den Verdichter herum entlang des Verdichter-Umgehungspfads von der Hochdruckseite zu der Niederdruckseite des Verdichters zurückgeführt wird. Der Anteil der rückgeführten Ladeluft kann dabei durch entsprechende Einstellung der ersten Strömungsleitvorrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Funktionszustand eingestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verdichter auf ein Einhalten einer zweiten Betriebsgrenze, insbesondere im Verdichterkennfeld, insbesondere der Stopfgrenze, überwacht wird, wobei, wenn ein Betrieb des Verdichters sich der zweiten Betriebsgrenze bis auf einen vorbestimmten zweiten Grenzabstand annähert oder die zweite Betriebsgrenze überschreitet, ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine zumindest teilweise an einer Turbine der Turbolader-Anordnung vorbei geleitet wird, und wobei zugleich die elektrische Maschine - insbesondere als Generator - zum Verzögern der Turbine angesteuert wird.
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Dass der der Abgasstrom zumindest teilweise an der Turbine vorbei geleitet wird, bedeutet insbesondere, dass die zweite Strömungsleitvorrichtung zur Umgehung der Turbine angesteuert wird. Dabei wird zumindest ein Teil des Abgases um die Turbine herum entlang des Turbinen-Umgehungspfads geleitet wird. Es ist möglich, dass die Turbine vollständig umgangen wird, das heißt, dass der gesamte Abgasmassenstrom entlang des Turbinen-Umgehungspfads um die Turbine herumgeleitet wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Turbolader-Anordnung und einem Ausführungsbeispiel einer Steuervorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Brennkraftmaschine mit der Turbolader-Anordnung in drei Diagrammen;
- 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Turbolader-Anordnung, und
- 4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer Turbolader-Anordnung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Turbolader-Anordnung 3 und einem Ausführungsbeispiel einer Steuervorrichtung 5. Die Turbolader-Anordnung 3 weist einen Ladeluft-Leitungsabschnitt 7 auf, in dem ein Verdichter 9 zur Förderung von Ladeluft entlang des Ladeluft-Leitungsabschnitts 7 in wenigstens einen Brennraum 10 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. Außerdem weist die Turbolader-Anordnung 3 einen Abgas-Leitungsabschnitt 11 auf, in dem eine Turbine 13 angeordnet ist, wobei die Turbine 13 durch Abgas aus dem wenigstens einen Brennraum 10 angetrieben wird, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 durch den Abgas-Leitungsabschnitt 11 strömt. Die Turbine 13 ist mit dem Verdichter 9 - insbesondere über eine Antriebswelle 15 - antriebswirkverbunden, sodass der Verdichter 9 von der Turbine 13 angetrieben werden kann. Die Turbolader-Anordnung 3 weist außerdem einen Verdichter-Entlastungspfad 16 auf, der angeordnet und eingerichtet ist, um Ladeluft von einer Hochdruckseite 18 des Verdichters 9 abzuführen und damit den Verdichter 9 zu entlasten. Insbesondere ist der Verdichter-Entlastungspfad 16 bei dem ersten Ausführungsbeispiel als Verdichter-Umgehungspfad 17 ausgebildet, der angeordnet und eingerichtet ist, um Ladeluft um den Verdichter 9 herum zu leiten.
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Außerdem weist die Turbolader-Anordnung 3 eine erste Strömungsleitvorrichtung 19 auf, die zwischen einem ersten Funktionszustand und einem zweiten Funktionszustand schaltbar und eingerichtet ist, um den Verdichter-Entlastungspfad 16 in dem ersten Funktionszustand zu sperren, und um den Verdichter-Entlastungspfad 16 in dem zweiten Funktionszustand freizugeben. Die Turbolader-Anordnung 3 weist außerdem einen Turbinen-Umgehungspfad 21 auf, der angeordnet und eingerichtet ist, um Abgas an der Turbine 13 vorbei zu leiten. Außerdem weist die Turbolader-Anordnung 3 eine zweite Strömungsleitvorrichtung 23 auf, die zwischen einem dritten Funktionszustand und einem vierten Funktionszustand schaltbar und eingerichtet ist, um in dem dritten Funktionszustand Abgas entlang des Abgas-Leitungsabschnitts 11 durch die Turbine 13 zu leiten, und um in dem vierten Funktionszustand Abgas unter Umgehung der Turbine 13 entlang des Turbinen-Umgehungspfads 21 zu leiten. Weiterhin weist die Turbolader-Anordnung 3 eine elektrische Maschine 25 auf, die mit dem Verdichter 9 antriebswirkverbunden ist. Insbesondere ist die elektrische Maschine 25 bevorzugt auf der Antriebswelle 15 angeordnet. Mit der Turbolader-Anordnung 3 ist es in vorteilhafter Weise möglich, insbesondere im Niedriglastbereich eines Verdichterkennfelds ein Verdichterpumpen zu vermeiden, indem der Verdichter 9 über den Verdichter-Entlastungspfad 16 entlastet, insbesondere über den Verdichter-Umgehungspfad 17 umblasen wird, wobei zugleich hierdurch entstehende Ladedruck-Verluste durch elektrische Unterstützung des Verdichters 9 mittels der als Motor betriebenen elektrischen Maschine 25 ausgeglichen werden.
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Stromabwärts des Verdichters 9 ist vorzugsweise ein Ladeluftkühler 26 angeordnet.
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Die elektrische Maschine 25 ist vorzugsweise auch mit der Turbine 13 antriebswirkverbunden, insbesondere durch die Anordnung auf der Antriebswelle 15. Dabei ist die elektrische Maschine 25 bevorzugt als Generator betreibbar und durch die Turbine 13 antreibbar.
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Die Steuervorrichtung 5 ist bevorzugt eingerichtet, um den Verdichter 9 auf ein Einhalten einer ersten Betriebsgrenze, insbesondere einer Pumpgrenze, zu überwachen. Die Steuervorrichtung 5 ist außerdem mit der ersten Strömungsleitvorrichtung 19 und mit der elektrischen Maschine 25 zu deren jeweiliger Ansteuerung wirkverbunden und eingerichtet, um die erste Strömungsleitvorrichtung 19 zumindest teilweise ausgehend von dem ersten Funktionszustand in Richtung des zweiten Funktionszustands - um den Verdichter 9 zu entlasten - und zugleich die elektrische Maschine 25 - als Motor - zum Antreiben des Verdichters 9 anzusteuern, wenn ein Betrieb des Verdichters 9 sich der ersten Betriebsgrenze bis auf einen vorbestimmten ersten Grenzabstand annähert oder die erste Betriebsgrenze überschreitet. Auf diese Weise ist es möglich, durch Entlasten des Verdichters 9 ein Verdichterpumpen zu verhindern und zugleich die hierdurch entstehenden Ladedruck-Verluste durch Antreiben des Verdichters 9 mittels der als Motor betriebenen elektrischen Maschine 25 auszugleichen. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 5 mit der ersten Strömungsleitvorrichtung 19 und mit der elektrischen Maschine 25 wirkverbunden.
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Die Steuervorrichtung 5 ist außerdem bevorzugt eingerichtet, um den Verdichter 9 auf ein Einhalten einer zweiten Betriebsgrenze, insbesondere einer Stopfgrenze, zu überwachen, wobei die Steuervorrichtung 5 zusätzlich mit der zweiten Strömungsleitvorrichtung 23 wirkverbunden und eingerichtet ist, um die zweite Strömungsleitvorrichtung 23 zumindest teilweise ausgehend von dem dritten Funktionszustand in Richtung des vierten Funktionszustands - zur Absteuerung von Abgas, das heißt zur Umgehung der Turbine 13 beziehungsweise um den Abgasstrom zumindest teilweise an der Turbine 13 vorbei zu leiten - anzusteuern, wenn ein Betrieb des Verdichters 9 sich der zweiten Betriebsgrenze bis auf einen vorbestimmten zweiten Grenzabstand annähert oder die zweite Betriebsgrenze überschreitet, wobei die Steuervorrichtung 5 vorzugsweise außerdem eingerichtet ist, um zugleich die elektrische Maschine 25 - als Generator - anzusteuern, um die Turbine 13 zu verzögern und derart insbesondere Energie aus dem Abgasmassenstrom zu rekuperieren.
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Um den Verdichter 9 auf Einhalten zumindest einer Betriebsgrenze, ausgewählt aus der ersten Betriebsgrenze und der zweiten Betriebsgrenze, zu überwachen, ist die Steuervorrichtung 5 bevorzugt mit wenigstens einem Sensor 27 wirkverbunden, wobei der wenigstens eine Sensor 27 insbesondere ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Drehzahlsensor, einem Drucksensor, und einem Massenstrom-Sensor. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuervorrichtung 5 vorzugsweise mit einem ersten Drucksensor 27.1 in dem Ladeluft-Leitungsabschnitt 7 stromaufwärts des Verdichters 9, einem zweiten Drucksensor 27.2 in dem Ladeluft-Leitungsabschnitt 7 stromabwärts Verdichter 9, einem dritten Drucksensor 27.3 in dem Abgas-Leitungsabschnitt 11 stromaufwärts der Turbine 13 und einem vierten Drucksensor 27.4 in dem Abgas-Leitungsabschnitt 11 stromabwärts der Turbine 13 wirkverbunden. Eine Drehzahl des Verdichters 9, insbesondere der Antriebswelle 15, kann bevorzugt über die Wirkverbindung der Steuervorrichtung 5 mit der elektrischen Maschine 25 ermittelt werden, wobei die elektrische Maschine 25 selbst als Drehzahlsensor fungieren kann. Es ist aber auch möglich, dass die Steuervorrichtung 5 mit einem separaten Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl der Antriebswelle 15, der Turbine 13 und/oder des Verdichters 9 wirkverbunden ist.
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Die elektrische Maschine 25 weist bevorzugt einen Stator 29 und einen relativ zu dem Stator 29 drehbar gelagerten Rotor 31 auf. Der Rotor 31 ist in hier nicht explizit dargestellter Weise bevorzugt mit einem Verdichterrad 33 des Verdichters 9 auf der Antriebswelle 15 als einer gemeinsamen Welle 34 derart angeordnet, dass der Rotor 31 das Verdichterrad 33 auf der Antriebswelle 15 mechanisch fixiert. Insbesondere ist der Rotor 31 in ebenfalls hier nicht explizit dargestellter Weise bevorzugt als eine Gewindemutter 35 ausgebildet, durch welche das Verdichterrad 33 auf der Antriebswelle 15 mechanisch fixiert ist.
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Die Steuervorrichtung 5 ist bevorzugt als Steuervorrichtung 5, insbesondere als zentrales Steuergerät, insbesondere als sogenannte Engine Control Unit (ECU), der Brennkraftmaschine 1 ausgebildet.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist die Turbolader-Anordnung 3 insbesondere als einstufige Aufladung auf.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Brennkraftmaschine 1 mit der Turbolader-Anordnung 3 gemäß 1 in drei Diagrammen.
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Dabei ist in 2a) ein erstes Diagramm dargestellt, bei dem auf der Ordinate das Druckverhältnis π des Verdichters 9 aufgetragen ist, wobei auf der Abszisse der Massenstrom ṁ durch den Verdichter 9 aufgetragen ist. Somit ist in dem ersten Diagramm insbesondere ein Verdichterkennfeld aufgespannt, wobei eine Grenzkurve G1 eingezeichnet ist, die zu kleinen Werten des Massenstroms ṁ hin eine Pumpgrenze P und zu großen Werten des Massenstroms ṁ hin eine Stopfgrenze S darstellt. Überschreitet ein Betriebspunkt des Verdichters 9 die Pumpgrenze P zu höheren Druckverhältnissen π und/oder niedrigeren Massenströmen ṁ hin, tritt Verdichterpumpen auf. Überschreitet ein Betriebspunkt des Verdichters 9 die Stopfgrenze S zu höheren Druckverhältnissen π und/oder höheren Massenströmen m hin, tritt eine Überdrehzahl des Verdichters 9 auf. Insbesondere liegt die Stopfgrenze S dort, wo die Strömungsgeschwindigkeit der Ladeluft in dem Verdichter 9 die Schallgeschwindigkeit erreicht oder überschreitet.
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In dem ersten Diagramm ist ein erster Betriebspunkt B1 des Verdichters 9 dargestellt, der jenseits der Pumpgrenze P liegt, sodass in diesem ersten Betriebspunkt B1 Verdichterpumpen auftritt. Wird dies festgestellt, wird die erste Strömungsleitvorrichtung 19 angesteuert, um den Verdichter 9 über den Verdichter-Entlastungspfad 16 zu entlasten. Der Effekt dieser Maßnahme ist in dem ersten Diagramm durch einen ersten Pfeil P1 dargestellt: Die Pumpgrenze P wird unterschritten, indem der Massenstrom m durch den Verdichter 9 erhöht wird, wobei jedoch zugleich der Ladedruck und damit das Druckverhältnis π abfällt. Gemäß der hier offenbarten technischen Lehre wird nun zugleich allerdings die elektrische Maschine 25 zur Unterstützung des Verdichters 9 als Motor angesteuert, wodurch - wie hier symbolisch durch einen zweiten Pfeil P2 dargestellt - der Ladedruck und damit das Druckverhältnis π, vorzugsweise auf denselben Wert wie in dem ersten Betriebspunkt B1, bei festgehaltenem Massenstrom ṁ ansteigt. Im Ergebnis wird somit ein zweiter Betriebspunkt B2 erreicht, bei dem das Verdichterpumpen bei erhöhtem Massenstrom ṁ und ohne Verlust an Ladedruck unterbunden wird, sodass der Verdichter 9 im Verdichterkennfeld innerhalb der Pumpgrenze P betrieben werden kann.
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In dem ersten Diagramm ist außerdem ein dritter Betriebspunkt B3 dargestellt, bei dem die Stopfgrenze S überschritten ist. Wird dies festgestellt, wird bevorzugt die zweite Strömungsleitvorrichtung 23 angesteuert, um Abgas entlang des Turbinen-Umgehungspfads 21 unter Umgehung der Turbine 13 abzusteuern. Der Effekt dieser Maßnahme ist schematisch mit einem dritten Pfeil P3 dargestellt. Dabei sinkt der Massenstrom ṁ durch den Verdichter 9, und zugleich sinkt auch das Druckverhältnis π, wobei sich ein vierter Betriebspunkt B4 im Verdichterkennfeld innerhalb der Stopfgrenze S ergibt. Bevorzugt wird zugleich die elektrische Maschine 25 als Generator angesteuert, um Energie aus dem Abgasmassenstrom zu rekuperieren.
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In 2b) ist ein zweites Diagramm dargestellt, bei dem auf der Ordinate der effektive Mitteldruck pme der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen ist, wobei auf der Abszisse die Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen ist. Eine erste, durchgezogene Kurve K1 entspricht einer Volllastkurve für die Brennkraftmaschine 1, die sich bei der Anwendung der vorliegenden technischen Lehre ergibt. Eine zweite, gestrichelte Kurve K2 beschreibt eine erste Grenzlinie, oberhalb der in einem ersten schraffierten Bereich des Kennfelds der Brennkraftmaschine 1 der Verdichter 9 entlastet und die elektrische Maschine 25 zur Unterstützung des Verdichters 9 als Motor angesteuert wird. Eine dritte gestrichelte Kurve K3 beschreibt eine zweite Grenzlinie, oberhalb der in einem zweiten schraffierten Bereich des Kennfelds ein Teil des Abgasmassenstroms über den Turbinen-Umgehungspfad 23 abgesteuert wird. Insgesamt ergibt sich für die Brennkraftmaschine 1 ein Kennfeld, welches demjenigen bei einer zweistufig geregelten Aufladung vergleichbar ist. Insbesondere ergibt sich für die erste Kurve K1, also bei Volllast, ein erstes Plateau PL1 bei zumindest annäherungsweise konstantem Mitteldruck pme über einen breiten Drehzahlbereich.
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In 2c) ist ein drittes Diagramm dargestellt, in dem wiederum auf der Ordinate das Druckverhältnis π des Verdichters 9 aufgetragen ist, wobei auf der Abszisse der Massenstrom ṁ durch den Verdichter 9 aufgetragen ist. Ebenfalls ist wiederum die Grenzkurve G1 aus 2a) als strichpunktierte Linie dargestellt. Diese Grenzkurve G1 beschreibt das Verhalten des Verdichters eines Abgasturboladers, wenn weder eine Verdichterentlastung, noch ein Wastegate, noch eine elektrische Maschine zum Einsatz kommen. Eine als durchgezogene Linie dargestellte vierte Kurve K4 ist eine Volllast-Trajektorie des Verdichters 9 gemäß der vorliegenden technischen Lehre. Das dargestellte zweite Plateau PL2 bei nahezu konstantem Druckverhältnis π über einen breiten Massenstrom-Bereich korrespondiert mit dem entsprechenden ersten Plateau PL 1 des Mitteldrucks pme im Kennfeld der Brennkraftmaschine 1 gemäß 2b). Die Volllast-Trajektorie K4 überschreitet an keiner Stelle die Grenzkurve G1. Zum Vergleich ist noch eine als gestrichelte Linie dargestellte fünfte Kurve K5 eingezeichnet, die das Verhalten des Verdichters eines ungeregelten, einstufigen Abgasturboladers beschreibt. Aus dem dritten Diagramm wird insbesondere deutlich, dass mittels der hier offenbarten technischen Lehre in vorteilhafter Weise ein stabiler Ladedruck quasi über das gesamte Kennfeld der Brennkraftmaschine 1 erreicht werden kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Turbolader-Anordnung 3.
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Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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In 3 sind der besseren Übersichtlichkeit wegen die Steuervorrichtung 5 samt ihrer Wirkverbindungen und die verschiedenen Drucksensoren 27 nicht dargestellt. Gleichwohl weist selbstverständlich bevorzugt auch das zweite Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 und der Turbolader-Anordnung 3 diese Elemente auf.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter-Entlastungspfad 16 als Abluftpfad 36, insbesondere als Abblaspfad 37 ausgebildet. Durch den Abluftpfad 36 wird Ladeluft von der Hochdruckseite 18 des Verdichters 9 aus dem Ladepfad 7 abgeleitet, insbesondere abgesteuert.
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Insbesondere verbindet der Abblaspfad 37 den Ladeluft-Leitungsabschnitt 7 auf der Hochdruckseite 18 des Verdichters 9 strömungstechnisch mit einer äußeren Umgebung 38 der Turbolader-Anordnung 3 und der Brennkraftmaschine 1. Auf diese Weise wird Ladeluft von der Hochdruckseite 18 des Verdichters 9 ins Freie geleitet, wodurch der Verdichter 9 entlastet wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1 mit einem dritten Ausführungsbeispiel der Turbolader-Anordnung 3.
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In 4 sind ebenfalls der besseren Übersichtlichkeit wegen die Steuervorrichtung 5 samt ihrer Wirkverbindungen und die verschiedenen Drucksensoren 27 nicht dargestellt. Gleichwohl weist selbstverständlich bevorzugt auch das dritte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 und der Turbolader-Anordnung 3 diese Elemente auf.
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Bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter-Entlastungspfad 16 ebenfalls als Abluftpfad 36, hier allerdings insbesondere als Verbindungspfad 39 zwischen dem Ladeluft-Leitungsabschnitt 7 und dem Abgas-Leitungsabschnitt 11 ausgebildet ist. Der Verbindungspfad 39 stellt eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Ladeluft-Leitungsabschnitt 7 auf der Hochdruckseite 18 des Verdichters 9 und dem Abgas-Leitungsabschnitt 11 bereit, sodass Ladeluft von der Hochdruckseite 18 des Verdichters 9 in den Abgas-Leitungsabschnitt 11 geführt und der Verdichter 9 auf diese Weise entlastet werden kann. Der Verbindungspfad 39 mündet insbesondere stromabwärts der Turbine 13 in den Abgas-Leitungsabschnitt 11, das heißt in einen Niederdruckabschnitt 41 des Abgas-Leitungsabschnitts 11.
