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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Aufladeanordnung für einen Verbrennungsmotor.
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Hintergrund der Erfindung
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Immer mehr Fahrzeuge der neueren Generation werden mit Aufladevorrichtungen ausgestattet. Um die Anforderungsziele und gesetzliche Auflagen zu erreichen, gilt es die Entwicklung im gesamten Antriebsstrang voranzutreiben und sowohl die einzelnen Komponenten als auch das System als Ganzes bezüglich ihrer Zuverlässigkeit und Effizienz zu optimieren.
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Bekannt sind zum Beispiel Abgasturbolader, bei denen eine Turbine mit einem Turbinenrad vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Ein Verdichter mit einem Verdichterrad, das mit dem Turbinenrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, verdichtet die für den Motor durch ein Ansaugrohr angesaugte Frischluft. Dadurch wird die Luft- bzw. Sauerstoffmenge, die der Motor zur Verbrennung zur Verfügung hat erhöht, was wiederum zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors führt.
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Verdichter und Turbinen können auch in elektrisch unterstützten Abgasturboladern oder entkoppelt voneinander mit entsprechenden elektrischen Maschinen zum Einsatz kommen.
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Bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader wird je nach Betriebspunkt des Verbrennungsmotors eine spezifische Aufladung der Frischluft für den Verbrennungsmotor benötigt und über entsprechende Regelmechanismen eingestellt. Die Regelung kann zum Beispiel über die Menge an Abgas erfolgen, die der Turbine des Turboladers zugeführt bzw. an der Turbine über entsprechende Bypassanordnungen vorbeigeleitet wird. Je mehr Abgas an der Turbine vorbeigeleitet wird, umso weniger Energie wird dem Abgas entzogen und geht letztendlich verloren.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Aufladeanordnung bereitzustellen, die die Energie der Abgase des Verbrennungsmotors unabhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors effizienter nutzen kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Aufladeanordnung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Aufladeanordnung für einen Verbrennungsmotor weist einen Abgasturbolader, der eine erste Turbine und einen ersten Verdichter umfasst, und einen Expandierer auf, der stromabwärts des ersten Verdichters angeordnet ist. Der Expandierer wird genutzt, um die vorher im Abgasturbolader überhöht aufgeladene Frischluft (auch überladene Frischluft genannt) zu expandieren und dadurch zu kühlen. Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass durch die überhöhte Aufladung der Frischluft für den Verbrennungsmotor die im Abgasstrom verfügbare Energie besser genutzt werden kann. Diesbezügliche wird die Energie dem Abgas entzogen, um die verdichtete Frischluft effizienter zu kühlen. Die effizientere Kühlung kann ermöglicht werden, da die Zusatzkühlleistung, die neben der Expansion zum Kühlen der überhöht aufgeladenen Frischluft benötigt wird, geringer ist als die Kühlleistung, die man aufbringen müsste, wenn man die Frischluft nur auf den vom Verbrennungsmotor benötigten Verdichtungsgrad verdichten und dann über eine entsprechende Kühlvorrichtung kühlen würde. Somit muss dem Verbrennungsmotor in Summe weniger Leistung für das Kühlen der Frischluft über ein Kühlsystem (z. B. mit Kühlflüssigkeit) entzogen werden. Daraus ergibt sich eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Des Weiteren können die verwendeten Kühlvorrichtungen im Vergleich zu bekannten Lösungen kleiner ausgestaltet werden, wodurch sich weiteres Einsparpotential ergibt.
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In Ausgestaltungen kann der Expandierer eine zweite Turbine umfassen. Die zweite Turbine kann als Turbine mit variablem Expansionsverhältnis ausgestaltet sein.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann zwischen dem ersten Verdichter und dem Expandierer ein erster Kühler zum Kühlen der vom ersten Verdichter verdichteten Frischluft angeordnet sein.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Expandierer mit einer ersten elektrischen Maschine gekoppelt sein. Insbesondere kann die erste elektrische Maschine als Generator betreibbar sein. Die im Expandierer gewonnene Energie kann über den Generator durch Rekuperation in elektrische Energie umgewandelt werden, die dann wiederum an Verbraucher des Kraftfahrzeugs oder für einen Hybridantrieb genutzt werden kann. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt werden. Außerdem gewinnt man mehr Freiheiten bei der Auswahl der Größe des Expandierers, da die beim Expandieren entnommene Energie über den Generator eingestellt werden kann.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann ein Expandierer-Bypasskanal vorgesehen sein, wobei im Expandierer-Bypasskanal ein erstes Ventil zum Regeln des Expandierer-Bypasskanals angeordnet sein kann. Das erste Ventil kann stufenlos regelbar sein.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann ein zweiter Verdichter vorgesehen sein. Der zweite Verdichter kann dafür verwendet werden, die im Expandierer gewonnene Energie zumindest zum Teil dazu einzusetzen, die Frischluft noch stärker zu verdichten. Der zweite Verdichter kann in Strömungsrichtung zwischen dem ersten Verdichter und dem Expandierer angeordnet sein. Der Expandierer kann mit dem zweiten Verdichter insbesondere über eine mechanische Verbindung gekoppelt sein. Die erste elektrische Maschine kann zwischen dem Expandierer und dem zweiten Verdichter angeordnet sein. Insbesondere kann die erste elektrische Maschine auch als Motor betreibbar sein. Alternativ zur mechanischen Koppelung, kann der zweite Verdichter mit einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt sein. Insbesondere kann die zweite elektrische Maschine als Motor betreibbar sein. Durch diese Anordnung wird eine kombinierte und eine getrennte Anwendung des Aufladens (Verdichtens) durch den zweiten Verdichter mit der zweiten elektrischen Maschine und des Rekuperierens von Energie durch den Expandierer mit der ersten elektrischen Maschine ermöglicht. Somit ergeben sich weitere Freiheitsgrade bezüglich der Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Aufladeanordnung. Außerdem ermöglicht diese Ausgestaltung eine räumliche Trennung des zweiten Verdichters und des Expandieres, wodurch sich erweiterte Möglichkeiten für die Anordnung und Positionierung der Komponenten der Aufladeanordnung ergeben. Zwischen dem zweiten Verdichter und dem Expandierer kann in Strömungsrichtung ein zweiter Kühler angeordnet sein.
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In Ausgestaltungen kann der zweite Verdichter in Strömungsrichtung vor dem ersten Verdichter angeordnet sein.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen mit einem zweiten Verdichter kombinierbar sind, kann ein Verdichter-Bypasskanal zum Umgehen des zweiten Verdichters vorgesehen sein. Im Verdichter-Bypasskanal kann ein zweites Ventil angeordnet sein. Das zweite Ventil kann stufenlos regelbar sein.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen mit einem zweiten Verdichter kombinierbar sind, kann ein Systembypasskanal zum direkten Umgehen des zweiten Verdichters und des Expandierers vorgesehen sein. Im Systembypasskanal kann ein Systembypassventil angeordnet sein. Das Systembypassventil kann stufenlos regelbar sein.
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In Ausgestaltungen kann sich ein Frischluftzuführkanal in Strömungsrichtung nach dem ersten Verdichter in einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig aufspalten, wobei der Expandierer in dem ersten Zweig angeordnet ist und strömungstechnisch parallel zum Expandierer ein zweiter Verdichter in dem zweiten Zweig angeordnet sein kann. Durch diese Anordnung kann auf einfache Weise zwischen dem ersten Zweig zum Expandieren der Frischluft und dem zweiten Zweig zum weiteren Verdichtern der Frischluft umgeschaltet bzw. diese beiden stufenlos miteinander kombiniert werden. Die elektrische Maschine kann in diesem Fall je nach Anwendung als Motor oder als Generator betrieben werden. Der Expandierer und der zweite Verdichter können miteinander gekoppelt sein. Insbesondere können der Expandierer und der zweite Verdichter mechanisch miteinander gekoppelt sein. Die erste elektrische Maschine kann zwischen dem Expandierer und dem zweiten Verdichter angeordnet sein.
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Alternativ kann der Expandierer zwischen der ersten elektrischen Maschine und dem zweiten Verdichter angeordnet sein; oder der zweite Verdichter zwischen der ersten elektrischen Maschine und dem Expandierer angeordnet sein. Die zweite Turbine kann ein Turbinenrad umfassen und der zweite Verdichter kann ein Verdichterrad umfassen, wobei das Turbinenrad und das Verdichterrad als ein integrales Bauteil ausgebildet sein können. In dem ersten Zweig kann in Strömungsrichtung vor dem Expandierer ein Expandierer-Ventil angeordnet sein. Das Expandierer-Ventil kann stufenlos regelbar sein. Zusätzlich oder alternativ kann in dem zweiten Zweig in Strömungsrichtung vor dem zweiten Verdichter ein Verdichter-Ventil angeordnet sein. Das Verdichter-Ventil kann stufenlos regelbar sein. Der erste Kühler kann in Strömungsrichtung nach dem ersten Verdichter und vor der Aufspaltung des Frischluftzuführkanals in den ersten Zweig und den zweiten Zweig angeordnet sein. Außerdem kann ein Systembypasskanal zum direkten Umgehen des zweiten Verdichters und des Expandierers vorgesehen sein. Im Systembypasskanal kann ein Systembypassventil angeordnet sein. Das Systembypassventil kann stufenlos regelbar sein.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Expandierer als radial Expandierer, halbaxial Expandierer oder axial Expandierer ausgestaltet sein.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Aufladeanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Aufladeanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Aufladeanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Aufladeanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Aufladeanordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
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6 zeigt eine erfindungsgemäße Aufladeanordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Aufladeanordnung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Aufladeanordnung 10 beschrieben. Die Strömungsrichtung 500 bezieht sich dabei auf der Frischluftseite auf die Richtung, in die sich die Frischluft startend von außerhalb der Aufladeanordnung 10 durch die einzelnen Komponenten der Aufladeanordnung 10 bis in den nachgelagerten Verbrennungsmotor 20 bewegt. Die Strömungsrichtung auf der Abgasseite wäre dementsprechend die Richtung, in die sich die Abgase startend vom Verbrennungsmotor durch die entsprechenden Komponenten im Abgasstrang bis zu einem Auslass in die Umgebung bewegen. Stromabwärts bedeutet somit in Strömungsrichtung nachgelagert, stromaufwärts in Strömungsrichtung vorgelagert.
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Alle im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Aufladeanordnung 10 für einen Verbrennungsmotor 20 weisen einen Abgasturbolader 100, der eine erste Turbine 110 und einen ersten Verdichter 120 umfasst, und einen Expandierer 200 auf, der stromabwärts des ersten Verdichters 120 angeordnet ist. Die Anordnung des Expandierers 200 stromabwärts des ersten Verdichters 120 bedeutet, dass der Expandierer 200 im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors in Strömungsrichtung 500 (siehe 1) nach dem ersten Verdichter 120 und vor dem Verbrennungsmotor 20 angeordnet ist. In anderen Worten, der Expandierer 200 ist zwischen dem ersten Verdichter 120 des Abgasturboladers 1000 und dem Verbrennungsmotor 20 angeordnet.
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Die Aufladeanordnung 10 ist fluidisch mit dem Verbrennungsmotor 20 gekoppelt. Die erste Turbine 110 des Abgasturboladers 100 ist im Abgasstrang (auch Abgasleitungssystem genannt) des Verbrennungsmotors 20 angeordnet und wird von den Abgasen des Verbrennungsmotors 20 angetrieben. Das heißt, das Turbinenrad der ersten Turbine 110 wird von den Abgasen des Verbrennungsmotors 20 in Drehung versetzt. Über eine gemeinsame Welle wird dadurch auch der erste Verdichter 120, noch genauer das Verdichterrad des ersten Verdichters 120, angetrieben. Der erste Verdichter 120, der im Ansaugtrakt (auch Einlassluft-Leitungssystem oder Frischluft-Leitungssystem genannt) angeordnet ist, verdichtet die ihm zugeführte Frischluft und leitet sie Richtung Verbrennungsmotor 20 weiter. Erfindungsgemäß wird die Frischluft im ersten Verdichter 120 höher aufgeladen (verdichtet) als dies für den spezifischen Betriebspunkt des nachgelagerten Verbrennungsmotors nötigt ist. Beim Verdichten erhöht sich die Temperatur der Frischluft. Bevor die verdichtete Luft den Verbrennungsmotor 20 erreicht, wird sie erfindungsgemäß dem Expandierer 200 zugeführt, wodurch die Luft auf den (für den spezifischen Betriebspunkt) gewünschten Aufladedruck expandiert und gleichzeitig abgekühlt wird.
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Der Expandierer 200 wird genutzt, um die vorher im Abgasturbolader 100 überhöht aufgeladene Frischluft (auch überladene Frischluft genannt) zu expandieren und dadurch zu kühlen. Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass durch die überhöhte Aufladung der Frischluft für den Verbrennungsmotor 20 die im Abgasstrom verfügbare Energie besser genutzt werden kann. Diesbezügliche wird die Energie dem Abgas entzogen, um die verdichtete Frischluft effizienter zu kühlen. Die effizientere Kühlung kann ermöglicht werden, da die Zusatzkühlleistung, die neben der Expansion zum Kühlen der überhöht aufgeladenen Frischluft benötigt wird, geringer ist als die Kühlleistung, die man aufbringen müsste, wenn man die Frischluft nur auf den vom Verbrennungsmotor 20 benötigten Verdichtungsgrad verdichten und dann über eine entsprechende Kühlvorrichtung kühlen würde. Somit muss dem Verbrennungsmotor 20 in Summe weniger Leistung für das Kühlen der Frischluft über ein Kühlsystem (z. B. mit Kühlflüssigkeit) entzogen werden. Daraus ergibt sich eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Des Weiteren können die verwendeten Kühlvorrichtungen im Vergleich zu bekannten Lösungen kleiner ausgestaltet werden, wodurch sich weiteres Einsparpotential ergibt.
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Für alle im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt außerdem, dass der Expandierer 200 eine zweite Turbine 210 umfassen kann. Insbesondere kann die zweite Turbine 210 als Turbine mit variablem Expansionsverhältnis ausgestaltet sein.
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Bezugnehmend auf 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aufladeanordnung 10 beschrieben. Neben den schon bereits erwähnten Komponenten Abgasturbolader 100 mit erster Turbine 110 und erstem Verdichter 120 sowie Expandierer 200 umfasst die Aufladeanordnung der 1 einen ersten Kühler 300. Der erste Kühler 300 ist zwischen dem ersten Verdichter 120 und dem Expandierer 200 angeordnet und wird zum Kühlen der vom ersten Verdichter 120 verdichteten Frischluft verwendet.
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Der Expandierer 200 ist außerdem mit einer ersten elektrischen Maschine 230 gekoppelt. Insbesondere kann die erste elektrische Maschine 230 als Generator betreibbar sein. Die im Expandierer 200 gewonnene Energie kann über den Generator durch Rekuperation in elektrische Energie umgewandelt werden, die dann wiederum an Verbraucher des Kraftfahrzeugs oder für einen Hybridantrieb genutzt werden kann. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt werden. Außerdem gewinnt man mehr Freiheiten bei der Auswahl der Größe des Expandierers 200, da die beim Expandieren entnommene Energie über den Generator eingestellt werden kann.
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Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Aufladeanordnung 10 weist außerdem einen Expandierer-Bypasskanal 240 auf. Im Expandierer-Bypasskanal ist ein erstes Ventil 242 zum Regeln des Expandierer-Bypasskanals 240 angeordnet. Das erste Ventil 242 kann zum Beispiel stufenlos regelbar sein. Über das Ventil 242 kann die Menge an Frischluft geregelt werden, die dem Expandierer 200 zugeführt bzw. am Expandierer 200 vorbeigeleitet wird.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aufladeanordnung 10, wobei die gleichen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dies gilt auch für alle weiteren Ausführungsbeispiele der 3 bis 7.
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Wie 2 zu entnehmen ist, umfasste das zweite Ausführungsbeispiel einen zweiten Verdichter 220. Der zweite Verdichter 220 kann dafür verwendet werden, die im Expandierer 200 gewonnene Energie zumindest zum Teil dazu einzusetzen, die Frischluft noch stärker zu verdichten. Der zweite Verdichter 220 ist in Strömungsrichtung zwischen dem ersten Verdichter 120 und dem Expandierer 200 angeordnet. Der zweite Verdichter 220 ist also stromabwärts des ersten Verdichters 120 und stromaufwärts des Expandierers 200 angeordnet.
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Der Expandierer 200 ist mit dem zweiten Verdichter 220 über eine mechanische Verbindung, zum Beispiel eine gemeinsame Welle, gekoppelt. Die erste elektrische Maschine 230 ist zwischen dem Expandierer 200 und dem zweiten Verdichter 120 angeordnet. Insbesondere kann die erste elektrische Maschine 230 auch als Motor betreibbar sein. Die erste elektrische Maschine 230 kann ebenfalls auf der gemeinsamen Welle angeordnet sein. Der Expandierer 200, die erste elektische Maschine 230 und der zweiter Verdichter 220 können also zum Beispiel nach dem Prinzip eines elektrisch unterstützten Turboladers ausgebildet sein.
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Zwischen dem zweiten Verdichter 220 und dem Expandierer 200 ist in Strömungsrichtung ein zweiter Kühler 400 angeordnet. Wie in 2 zu erkennen, ist in diesem Fall der erste Kühler 300, zwischen dem ersten Verdichter 120 und dem zweiten Verdichter 220 angeordnet.
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Außerdem ist ein Verdichter-Bypasskanal 250 zum Umgehen des zweiten Verdichters 220 vorgesehen. Im Verdichter-Bypasskanal 250 ist ein zweites Ventil 252 angeordnet. Das zweite Ventil 252 kann stufenlos regelbar sein. Über das zweite Ventil 252 kann die Menge an Frischluft geregelt werden, die dem zweiten Verdichter 220 zugeführt bzw. am zweiten Verdichter 220 vorbeigeleitet wird.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aufladeanordnung 10, bei dem statt des Verdichter-Bypasskanals 250 und des Expandierer-Bypasskanals 240 ein Systembypasskanal 260 vorgesehen ist. Der Systembypasskanal 260 dient zum direkten Umgehen des zweiten Verdichters 220 und des Expandierers 200. Im Systembypasskanal 260 ist ein Systembypassventil 262 angeordnet. Das Systembypassventil 262 kann stufenlos regelbar sein. Der Systembypasskanal 260 ermöglicht eine Verbindung im Ansaugtrakt von einer Position stromabwärts des ersten Verdichters 120 aber stromaufwärts des zweiten Verdichters 220 mit einer Position stromabwärts des Expandierers 200. Zwischen dem ersten Verdichter 120 und der Abzweigung des Systembypasskanals 260 ist der erste Kühler 300 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann im Systembypasskanal 260 ein Kühler angeordnet sein (in den Figuren nicht dargestellt).
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aufladeanordnung 10, wobei wiederum zusätzlich zum ersten Verdichter 120 ein zweiter Verdichter 220 vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung zwischen dem ersten Verdichter 120 und dem Expandierer 200 angeordnet ist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist für den Expandierer 200 der Expandierer-Bypasskanal 240 mit dem ersten Ventil 242 und für den zweiten Verdichter 220 der Verdichter-Bypasskanal 250 mit dem zweiten Ventil 252 vorgesehen. Der erste Kühler 300 ist wiederum zwischen dem ersten Verdichter 120 und dem zweiten Verdichter 220 angeordnet. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 2 sind der Expandierer 200 und der zweite Verdichter 220 nicht mechanisch miteinander gekoppelt. Der Expandierer 200 ist wiederum mit der ersten elektrischen Maschine 230 gekoppelt, wohingegen der zweite Verdichter 220 mit einer zweiten elektrischen Maschine 270 gekoppelt ist. Insbesondere ist die zweite elektrische Maschine 270 als Motor betreibbar. Zwischen dem zweiten Verdichter 220 und dem Expandierer 200 kann in Strömungsrichtung wiederum ein zweiter Kühler 400 angeordnet sein, wie dies für das Ausführungsbeispiel der 2 gezeigt ist. Der erste Kühler 300 ist wiederum zwischen dem ersten Verdichter 120 und dem zweiten Verdichter 220 angeordnet.
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Durch diese Anordnung ohne mechanische Verbindung zwischen dem Expandierer 200 und dem zweiten Verdichter 220 wird eine kombinierte und eine getrennte Anwendung des Aufladens (Verdichtens) durch den zweiten Verdichter 220 mit der zweiten elektrischen Maschine 270 und des Rekuperierens von Energie durch den Expandierer 200 mit der ersten elektrischen Maschine 230 ermöglicht. Somit ergeben sich weitere Freiheitsgrade bezüglich der Anwendungsmöglichkeiten für die Aufladeanordnung 10. Außerdem ermöglicht diese Ausgestaltung eine räumliche Trennung des zweiten Verdichters 220 und des Expandieres 200, wodurch sich erweiterte Möglichkeiten für die Anordnung und Positionierung der Komponenten der Aufladeanordnung 10 ergeben.
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Eine derartige räumliche Trennung ist in dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aufladeanordnung 10 der 5 gezeigt. Der zweite Verdichter 220 ist in diesem Beispiel in Strömungsrichtung vor dem ersten Verdichter 120 angeordnet. Der zweite Verdichter 220 ist also stromaufwärts des ersten Verdichters 120 angeordnet. Der zweite Verdichter 220 ist wiederum mit der zweiten elektrischen Maschine 270 gekoppelt, die als Motor betreibbar ist. Neben dem ersten Kühler 300, der wiederum zwischen dem ersten Verdichter 120 und dem Expandierer 200 angeordnet ist, kann in Strömungsrichtung außerdem zwischen dem zweiten Verdichter 220 und dem ersten Verdichter 120 ein weiterer Kühler angeordnet sein (in 5 nicht dargestellt). Auch bei dem Ausführungsbeispiel der 5 sind wiederum der Expandierer-Bypasskanal 240 mit dem ersten Ventil 242 und der Verdichter-Bypasskanal 250 mit dem zweiten Ventil 252 zum Regeln der Durchflussmengen durch den Expandierer 200 und den zweiten Verdichter 220 vorgesehen.
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Im Folgenden wird auf 6 und 7 Bezug genommen. Bei diesen Ausführungsbeispielen spaltet sich der Frischluftzuführkanal in Strömungsrichtung nach dem ersten Verdichter 120 in einen ersten Zweig 280 und einen zweiten Zweig 290 auf, wobei der Expandierer 200 in dem ersten Zweig 280 angeordnet ist und strömungstechnisch parallel zum Expandierer 200 der zweiter Verdichter 220 in dem zweiten Zweig 290 angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann auf einfache Weise zwischen dem ersten Zweig 280 zum Expandieren der Frischluft und dem zweiten Zweig 290 zum weiteren Verdichtern der Frischluft umgeschaltet bzw. diese beiden stufenlos miteinander kombiniert werden. Die erste elektrische Maschine 230 kann in diesem Fall je nach Anwendung als Motor oder als Generator betrieben werden.
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Der Expandierer 200 und der zweite Verdichter 220 können miteinander gekoppelt sein. Wie in 6 und 7 dargestellt können der Expandierer 200 und der zweite Verdichter 220 zum Beispiel mechanisch über eine gemeinsame Welle miteinander gekoppelt sein.
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In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist die erste elektrische Maschine 230 zwischen dem Expandierer 200 und dem zweiten Verdichter 220 angeordnet. Der Expandierer 200, zum Beispiel mit Turbine 210, ist über die gemeinsame Welle mit dem zweiten Verdichter 220 gekoppelt. Die elektrische Maschine 230 ist ebenfalls auf dieser gemeinsamen Welle angeordnet. Die elektrische Maschine 230 ist in diesem Fall wiederum als Motor und als Generator betreibbar. Alternativ könnte die Koppelung auch nicht mechanisch sein und der zweite Verdichter 220 mit einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt sein, ähnlich wie dies zum Beispiel in 4 dargestellt ist.
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In dem Ausführungsbeispiel der 7 ist der Expandierer 200 zwischen der ersten elektrischen Maschine 230 und dem zweiten Verdichter 220 angeordnet. Alternativ könnte auch der zweite Verdichter 220 zwischen der ersten elektrischen Maschine 230 und dem Expandierer 200 angeordnet sein. Für beide Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die zweite Turbine 210 des Expandierers 200 ein Turbinenrad umfasst und der zweite Verdichter 220 ein Verdichterrad umfasst. In diesem Fall können das Turbinenrad und das Verdichterrad als ein integrales Bauteil ausgebildet sein können. In anderen Worten, das Turbinenrad der zweiten Turbine 210 und das Verdichterrad des zweiten Verdichters 220 teilen sich einen gemeinsamen Radrücken.
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In den Ausführungsbeispielen der 6 und der 7 ist in dem ersten Zweig 280 in Strömungsrichtung vor dem Expandierer 200 ein Expandierer-Ventil 282 angeordnet. Das Expandierer-Ventil 282 kann wiederum stufenlos regelbar sein. Zusätzlich ist in dem zweiten Zweig 290 in Strömungsrichtung vor dem zweiten Verdichter 220 ein Verdichter-Ventil 292 angeordnet. Das Verdichter-Ventil 292 kann ebenfalls stufenlos regelbar sein. Der erste Kühler 300 ist in Strömungsrichtung nach dem ersten Verdichter 120 und vor der Aufspaltung des Frischluftzuführkanals in den ersten Zweig 280 und den zweiten Zweig 290 angeordnet. Neben dem ersten Kühler 300 kann auch noch ein weiterer Kühler vorgesehen sein, zum Beispiel stromabwärts des zweiten Verdichters 220 zwischen dem zweiten Verdichter 220 und dem Verbrennungsmotor 20 (in den Figuren nicht dargestellt).
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Außerdem ist ein Systembypasskanal 260 zum direkten Umgehen des zweiten Verdichters 220 und des Expandierers 200 vorgesehen. Im Systembypasskanal 260 ist ein Systembypassventil 262 angeordnet sein. Das Systembypassventil 262 kann stufenlos regelbar sein. Über das Expandierer-Ventil 282, das Verdichter-Ventil 292 und/oder das Systembypassventil 262 kann die Durchflussmenge an Frischluft durch die jeweiligen nachgelagerten Komponenten Expandierer 200 und zweiter Verdichter 220 bzw. den Systembypasskanal 260 variabel geregelt werden und somit an den jeweiligen Betriebspunkt des nachgelagerten Verbrennungsmotors 20 angepasst werden.
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Für alle hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Aufladeanordnung 10 gilt, dass der Expandierer 200 als radial Expandierer, halbaxial Expandierer oder axial Expandierer ausgestaltet sein kann.
