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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Brennkraftmaschinen und insbesondere
die Turboladung in solchen Brennkraftmaschinen.
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Ein
Turbolader ist eine Vorrichtung, die aus einer Turbine und einem
Verdichter gebildet wird, der durch die Turbine über eine Welle, die das Turbinenrad
mit dem Verdichterrad verbindet, drehangetrieben wird; in der Folge
werden die Begriffe Turbine oder Verdichter verwendet, um das Turbinenrad
oder das Verdichterrad zu bezeichnen. Die Turbine ist in der Bahn
der Auspuffgase einer Brennkraftmaschine angeordnet und wird durch
die aus dem Motor austretenden Auspuffgase drehangetrieben. Der
Verdichter ist in der Bahn der in den Motor eingelassenen Luft angeordnet.
Er verdichtet die in den Motor eingespritzte Luft, was eine Aufladung
des Motors im Vergleich zu einem Verfahren des Einlasses mit Atmosphärendruck
ermöglicht.
Die mit Hilfe einer solchen Vorrichtung aufgeladenen Motoren weisen
den Nachteil auf, dass sie eine Reaktionszeit von nicht null beim
Anstieg des Drehmoments des Motors haben. Diese Reaktionszeit ist
auf den Geschwindigkeitsanstieg der sich drehenden Einheit des Turboladers – Turbinenrad,
Welle und Verdichterradzurückzuführen, der
nicht sofort erfolgt. Daraus ergibt sich eine Verzögerung beim
Auftreten des vom Motor entwickelten Drehmoments in Reaktion auf
einen Befehl zur Drehzahlbeschleunigung.
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Es
ist eine Lösung
bekannt, um diesem Problem der Reaktionszeit beim Anstieg des Drehmoments
eines durch einen Turbolader aufgeladenen Motors abzuhelfen. Sie
besteht darin, den Turbolader elektrisch zu unterstützen, indem
ein Elektromotor an der Welle der sich drehenden Einheit des Turboladers
vorgesehen ist. Diese Lösung
ist unter dem Akronym „EAT" für das englische „Electric
Assist Turbocharger",
d.h. elektrisch unterstützter
Turbolader, bekannt. Wenn der Fahrer auf das Gaspedal tritt, wird
durch den Elektromotor elektrische Energie vom Bordnetz abgenommen,
um die sich drehende Einheit des Turboladers anzutreiben. Das vom
Elektromotor erzeugte zusätzliche
Drehmoment beschleunigt die sich drehende Einheit und reduziert
die Zeit des Geschwindigkeitsanstiegs der Letztgenannten. Der Anstieg
des Drehmoments des aufgeladenen Motors ist rascher: Der Fahrer
nimmt eine deutliche Zunahme des Drehmoments in Reaktion auf einen Beschleunigungsbefehl
wahr. Diese Lösung
ermöglicht
es darüber
hinaus, einen Teil der in den Auspuffgasen enthaltenen Energie rückzugewinnen,
wenn der von der Turbine angetriebene Elektromotor im Generatormodus
funktionieren kann.
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Eines
der Probleme bei der Anwendung dieser Lösung ist es, dass der Elektromotor
an das Gehäuse
der Turbine angebaut werden muss, das hohe Temperaturen – in der
Größenordnung
von 950°C – erreichen
kann.
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Eine
andere bekannte Lösung
besteht darin, am Lufteinlasskanal in Serie mit dem Turbolader ein Verdichterrad
vorzusehen, das von einem Elektromotor angetrieben wird. Diese Lösung ist
unter dem englischen Namen Electric Booster oder Ebooster, d.h.
elektrische Schubvorrichtung, bekannt. Wenn der Fahrer in einer
Phase des Bedarfs an Drehmoment auf das Gaspedal tritt, wird der
Elektromotor der Schubvorrichtung eingeschaltet, was eine Verdichtung
mit einer Zeit des Drehzahlanstiegs hervorruft, die im Vergleich
zu jener des Turboladers kurz ist. Während der Phase des Geschwindigkeitsanstiegs des
Turboladers, wird der Druckbedarf des Motors durch die Schubvorrichtung
gedeckt; wenn der Turbolader seine Betriebsdrehzahl erreicht hat,
wird der Motor der Schubvorrichtung gestoppt. Wie in der vorhergehenden
Lösung
ermöglicht
es die Verwendung einer elektrischen Schubvorrichtung, eine Verzögerung beim
Drehmomentanstieg zu vermeiden, wenn vom Fahrer der Beschleunigungsbefehl
gegeben wird.
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Diese
Lösung
weist nicht die Nachteile eines elektrisch unterstützten Turboladers
auf; sie ermöglicht
es jedoch nicht, die Energie der Auspuffgase rückzugewinnen.
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DE-A-32
05 722 schlägt
vor, das Drosselventil im Lufteinlasskanal eines Verbrennungsmotors durch
eine Maschine zu ersetzen, um die durch dieses Drosselventil verursachten
Verluste zu vermeiden. Die Maschine ist eine Elektromaschine, die durch
den Luftstrom angetrieben wird, wenn der Motor mit einer Belastung
betrieben wird, die unter der vollen Belastung mit Atmosphärendruck
liegt. Die Maschine liefert auf diese Weise Energie an die Batterie
des Fahrzeugs. Bei höheren
Belastungen wird die Maschine vom Elektromotor angetrieben und fungiert
als Lader. Diese Lösung
ermöglicht
es, die Verluste an kinetischer Energie zu vermeiden, die durch das
Drosselventil hervorgerufen werden. Das Dokument zeigt auch Ausführungsformen,
in denen die Maschine am Lufteinlasskanal in Serie oder parallel zu
einem Drosselventil eingebaut ist: Die Gegenwart eines Drosselventils
ermöglicht
es in diesem Fall, den Luftstrom besser zu kontrollieren.
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Es
besteht somit der Bedarf nach einer einfachen Lösung, die es ermöglicht,
in einem aufgeladenen Motor die Verzögerung beim Hochlauf zu vermeiden,
wenn der Fahrer auf das Gaspedal tritt.
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In
einer Ausführungsform
schlägt
die Erfindung daher einen aufgeladenen Motor vor, umfassend
- – eine
Brennkraftmaschine mit einem Lufteinlasskanal, einem Auslasskanal
und einem Ventil am Lufteinlasskanal;
- – einen
ersten Turbolader mit einer ersten Turbine am Auslasskanal und einem
ersten Verdichter am Lufteinlasskanal,
- – einen
zweiten Turbolader mit einer zweiten Turbine am Lufteinlasskanal
parallel zum Ventil, einen zweiten Verdichter am Lufteinlasskanal
und einem Elektromotor, der geeignet ist, die Rotation der zweiten
Turbine und des zweiten Verdichters zu bewirken.
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Der
Motor kann darüber
hinaus eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
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- – Der
zweite Verdichter ist am Lufteinlasskanal parallel zu einem zweiten
Ventil eingebaut;
- – eine
Drosselklappe ist in Serie mit der zweiten Turbine eingebaut, wobei
die Gesamtheit von Drosselklappe und zweiter Turbine parallel zum
Ventil eingebaut ist;
- – der
erste Verdichter befindet sich am Lufteinlasskanal zwischen dem
zweiten Verdichter und der Brennkraftmaschine;
- – der
zweite Verdichter befindet sich am Lufteinlasskanal zwischen dem
ersten Verdichter und der Brennkraftmaschine;
- – ein
Einlassluftkühler
ist am Lufteinlasskanal oberhalb der Abzweigung der zweiten Turbine
eingebaut;
- – ein
Einlassluftkühler
ist am Lufteinlasskanal parallel zur zweiten Turbine eingebaut.
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In
einer anderen Ausführungsform
schlägt die
Erfindung ein Kraftfahrzeug vor, das mit einem solchen aufgeladenen
Motor ausgestattet ist. Das Fahrzeug kann einen Hauptstromkreis
umfassen, der mit dem Elektromotor des aufgeladenen Motors verbunden
ist. Es kann auch ein Hauptstromkreis und ein zweiter Stromkreis
vorgesehen werden, der mit dem Elektromotor verbunden ist und mindestens eine
Batterie umfasst.
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Die
Erfindung schlägt
schließlich
ein Verfahren zum Betrieb eines solchen aufgeladenen Motors vor,
umfassend eine Phase zum Drehantrieb der ersten Turbine durch die
Auspuffgase und zum Drehantrieb der zweiten Turbine durch die vom
ersten Verdichter komprimierte Luft, wobei der Elektromotor nicht
betrieben wird. Es kann vorgesehen werden, dass die Phase zum Drehantrieb
auch die Öffnung des
zweiten Ventils umfasst.
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Es
kann auch eine Phase der Stromversorgung des Elektromotors vorgesehen
werden, vorzugsweise mit Schließung
der Drosselklappe.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Lektüre der folgenden
Beschreibung ersichtlich, die als Beispiel und unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen gegeben wird, wobei
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors
zeigt;
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2 ein
Diagramm der Betriebsbereiche des Motors von 1 zeigt;
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3, 4 und 5 ähnliche
schematische Ansichten anderer Ausführungsformen der Erfindung
zeigen.
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Die
Erfindung schlägt
vor, in einem mit einem Turbolader (oder ersten Turbolader) ausgestatteten Motor
einen zweiten, elektrisch unterstützten Turbolader zu verwenden,
dessen Turbine und Verdichter am Lufteinlasskanal eingebaut sind.
Bei geringer Belastung ermöglicht
es die Turbine des zweiten Turboladers (oder zweite Turbine), Energie
im Einlassluftstrom rückzugewinnen.
Bei steigender Leistung wird der Motor des zweiten Turboladers eingeschaltet,
so dass der Verdichter des zweiten Turboladers (oder zweiter Verdichter)
für die
Aufladung des Motors während
des Zeitraums des Belastungsanstiegs des ersten Turboladers sorgt.
Wenn der erste Turbolader für
die Aufladung sorgt, kann es der zweite Turbolader, wenigstens in
bestimmten Ausführungsformen, auch
ermöglichen,
Energie rückzugewinnen.
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Die 1 zeigt
eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors;
in der Figur sind nur die zum Verständnis der Erfindung nützlichen
Elemente dargestellt. In der Figur ist der eigentliche Motor 2 mit
dem Lufteinlasskanal 4 zu erkennen, der mit dem Verteiler 6 endet.
Auf der Auspuffseite ist am Auslasskanal 8 die Turbine 10 des
ersten Turboladers 12 vorgesehen, die parallel zu einem
Auslassventil 14 eingebaut ist. Der Verdichter 16 des
Turboladers 12 ist am Lufteinlasskanal eingebaut und wird
durch die Turbine 10 angetrieben, wie dies an sich bekannt
ist. Am Lufteinlasskanal 4 wurden auch der Einlassluftkühler 18 sowie
das Drosselventil 20 dargestellt.
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Die
Figur zeigt auch den elektrisch unterstützten Turbolader 22,
der eine zweite Turbine 24, einen zweiten Verdichter 26 und
einen Motor 28 umfasst. In dem Beispiel von 1 ist
der zweite Verdichter am Lufteinlasskanal 4 in Serie zwischen
dem ersten Verdichter 16 und dem Einlassluftkühler 18 eingebaut.
Die Vorteile dieser Konfiguration werden in der Folge diskutiert.
Die Figur zeigt auch, dass der zweite Verdichter parallel zu einer
ersten Abzweigung 30 eingebaut ist, in der ein Ventil 32 zum
Kurzschluss des zweiten Verdichters angeordnet ist. Dieses Ventil
ermöglicht
es, wie weiter unten beschrieben wird, den Anteil des Luftstroms
zu kontrollieren, der durch den zweiten Verdichter 26 strömt.
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Die
zweite Turbine 24 ist an einer zweiten Abzweigung 34 parallel
zum Drosselventil 20 eingebaut. In dieser Abzweigung ist
eine Drosselklappe 36 angeordnet. Die Drosselklappe ist
derart geregelt, dass sie einen Eigendruckverlust aufweist, der
größer ist
als jener des parallelen Lufteinlasskanals, wenn das Drosselventil
offen ist. In dem Beispiel von 1 mündet die
zweite Abzweigung unterhalb des Einlassluftkühlers; anders gesagt befindet
sich der Einlass der zweiten Abzweigung zwischen dem Einlassluftkühler 18 und
dem Drosselventil, während sich
der Auslass der zweiten Abzweigung zwischen dem Drosselventil 20 und
dem Verteiler 6 befindet.
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Die 2 zeigt
eine Graphik der Belastung des Motors; auf der Abszissenachse ist
die Anzahl der Umdrehungen des Motors pro Minute aufgetragen. Auf
der Ordinatenachse ist das vom Motor gelieferte Drehmoment aufgetragen.
In der Graphik ist die Kurve 40 der vollen Belastung bei
Aufladung dargestellt, die dem Betrieb des Motors entspricht, wenn der
erste Turbolader nach dem Belastungsanstieg in Betrieb ist. Die
Graphik zeigt auch die Kurve 42 der vollen Belastung bei
Atmosphärendruck,
die der maximalen Belastung des Motors ohne Turbolader entspricht.
Die Figur zeigt schließlich
drei Betriebsbereiche des Motors, die mit 44, 46 und 48 bezeichnet werden.
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Der
erste Betriebsbereich 44 entspricht einem Betrieb des Motors
mit geringer Belastung. In diesem Fall wird der zweite Turbolader
verwendet, um Energie im Lufteinlasskanal 4 rückzugewinnen. Der
erste Verdichter verdichtet wie im Fall eines Turbomotors des Stands
der Technik leicht die Luft des Lufteinlasskanals, was einen Druckanstieg
im Lufteinlasskanal bewirkt, der weiter unten diskutiert wird.
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Das
Kurzschlussventil des zweiten Verdichters ist offen. Das Drosselventil
ist geschlossen oder lässt
einen geringen restlichen Luftstrom passieren. In dem Maße, wie
das Drosselventil geschlossen ist oder nur einen restlichen Luftstrom
passieren lässt, ist
die Drosselklappe 36 offen. Der Luftstrom strömt somit über die
zweite Abzweigung und versetzt die zweite Turbine in Drehung. Der
Motor 28 des zweiten Turboladers funktioniert als Generator
und liefert eine Leistung, die zum Laden der Hauptbatterie des Fahrzeugs
verwendet werden kann. Dies bewirkt eine Entladung der Wechselstromlichtmaschine
und ermöglicht
es, die Stromaufrufe für
die Stromversorgung des Motors des zweiten Turboladers im zweiten Betriebsbereich
zu kompensieren, der weiter unten beschrieben wird.
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Die
Drehung des zweiten Verdichters bewirkt keine Verdichtung der Luft
im Lufteinlasskanal 4, wenn das Kurzschlussventil 32 offen
ist; dies hat auch zur Folge, dass die durch die Drehung des zweiten
Verdichters verbrauchte Leistung gering ist.
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Auf
Grund der Expansion der Luft, die die zweite Turbine antreibt, ist
der Druck im Verteiler unter dem Umgebungsdruck, und der Motor kann
mit dem Luftdurchsatz versorgt werden, der an geringe Belastungen
angepasst ist. In diesem ersten Betriebsbereich kann der Motordurchsatz
durch die Öffnung
des Verteilers mit variabler Geometrie der zweiten Turbine und/oder
durch die mehr oder weniger große Öffnung des
Drosselventils geregelt werden.
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In
diesem Betriebsbereich steigt die durch die zweite Turbine rückgewinnbare
Energie, wenn das Expansionsverhältnis
steigt. Die Beziehung zwischen der im Bereich der zweiten Turbine
rückgewinnbaren
Leistung und dem Entspannungsverhältnis ist folgende:
wobei d der Durchsatz im
Lufteinlasskanal, T die Temperatur am Eingang der zweiten Turbine,
C die Wärmekapazität der Luft, η die Leistung
der Turbine, P
16 der Druck am Ausgang des
zweiten Verdichters
16, P
6 der
Druck im Verteiler und Y der Adiabatenexponent der Luft ist. Diese
Formel zeigt, dass die in der Turbine rückgewonnene Luft eine Funktion
des Expansionsverhältnisses
in der zweiten Turbine ist.
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Die
in diesem Betriebsmodus durch die Turbine rückgewonnene Energie stammt
zum einen Teil aus der Energie der Expansion der Luft auf Umgebungsdruck
in der zweiten Turbine. Zum anderen Teil stammt sie auch aus der
Rückgewinnung
eines Teils der Energie der Auspuffgase, die dank des Hauptverdichters
eine Druckerhöhung
im Lufteinlasskanal erzeugen. Die Gegenwart des elektrisch unterstützten zweiten
Turboladers ermöglicht
somit eine Rückgewinnung
von Energie bei der Expansion der Luft beim Einlass und bei der
Expansion beim Auspuff. Die Erfindung ermöglicht es daher in diesem ersten
Betriebsmodus, einen Teil der Expansionsenergie der Auspuffgase
rückzugewinnen,
selbst wenn es nicht notwendig ist, die Einlassluft zu verdichten.
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Darüber hinaus
hat der Antrieb der zweiten Turbine in diesem ersten Betriebsbereich
auch den Vorteil, die sich drehende Einheit des zweiten Turboladers
in Drehung zu halten; ein solcher, Antrieb ist günstig, da er die Energie begrenzt,
die notwendig ist, um die sich drehende Einheit des zweiten Turboladers
beim Hochlauf des unten beschriebenen zweiten Betriebsbereichs zu
beschleunigen. Vom Standpunkt der kinetischen Energie her ausgedrückt, muss die
kinetische Energie, die aus der – durch die Auspuffgase gelieferten-Vordrehung resultiert,
nicht mehr für
den Drehantrieb der sich drehenden Einheit ausgegeben werden. Dies
begrenzt die Stromspitze, die in den Schubvorrichtungen des Stands
der Technik zu Beginn der Beschleunigung vorhanden ist.
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Der
zweite Betriebsbereich 46 von 2 entspricht
dem Leistungsanstieg des Motors, wenn der Fahrer auf das Gaspedal
tritt. In diesem Fall tritt im Stand der Technik auf Grund der allmählichen
Beschleunigung des ersten Turboladers das Problem der Verzögerung bei
der Lieferung des Drehmoments auf. Um diesem Problem abzuhelfen,
wird in dem Beispiel von 1 der elektrisch unterstützte zweite Turbolader
durch den Motor angetrieben, so dass die Verdichtung der Luft im
Lufteinlasskanal gewährleistet
wird. In diesem Betriebsbereich ist das Kurzschlussventil 32 des
zweiten Verdichters 36 geschlossen. Auf diese Weise trägt die Drehung
des zweiten Verdichters unter der Einwirkung des Motors zum Druckanstieg
im Verteiler bei, und zwar ergänzend
zum Druckanstieg durch den ersten Verdichter.
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Da
das Treten des Gaspedals das Drosselventil öffnet, schließt sich
die Drosselklappe 36 der zweiten Turbine, wobei ihr Druckverlust
größer ist
als jener des Hauptlufteinlasskanals, wenn sich das Drosselventil öffnet. Die
zweite Turbine ist kurzgeschlossen, und aus diesem Grund ist das
Widerstandsmoment der zweiten Turbine gering, da der Durchsatz null
ist. Auf diese Weise vermeidet man einen Anstieg des Stromverbrauchs
des zweiten Turboladers in diesem Betriebsmodus.
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Wenn
die Belastung des ersten Turboladers steigt, nähert er sich seinem Betriebssoll
und wird fähig,
die Aufladung des Motors zu gewährleisten.
Die durch den zweiten Turbolader gewährleistete Verdichtung wird
nun verringert, indem die Stromversorgung des Motors 28 kontrolliert
wird. Die Stromversorgung des zweiten Turboladers wird gestoppt, wenn
die Drehgeschwindigkeit des ersten Turboladers ausreichend ist,
um für
die Aufladung zu sorgen. Nun öffnet
sich das Kurzschlussventil 32 des zweiten Verdichters,
und man gelangt in den dritten Betriebsbereich 48, der
in 2 dargestellt ist.
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Der Übergang
vom ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich kann einfach
auf der Basis einer Ermittlung der Öffnung des Drosselventils oder
der Ermittlung einer Betätigung
des Gaspedals erfolgen. Die Darstellung von 2 ist schematisch, und
die Graphik könnte
vereinfacht werden, damit sie beiden Bereiche getrennt sind.
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Im
dritten Betriebsbereich 48 von 2 ist das
Kurzschlussventil des zweiten Verdichters offen, so dass die Luft
in den Lufteinlasskanal und nicht in den zweiten Verdichter gelangt.
Da das Drosselventil geöffnet
ist, ist die Drosselklappe der Abzweigung der zweiten Turbine geschlossen.
Die Turbine sowie der Verdichter des elektrisch unterstützten Turboladers
sind daher kurzgeschlossen, und der Motor funktioniert wie ein herkömmlicher
aufgeladener Motor.
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In
dem Beispiel von 1 ist es darüber hinaus möglich, auf
Grund der Position der zweiten Turbine unterhalb der ersten Turbine
am Lufteinlasskanal 4 einen weiteren Teil der Expansionsenergie
der Auspuffgase rückzugewinnen.
Bei hohen Belastungen des Motors in einem aufgeladenen Motor des Stands
der Technik ist nämlich
das Auslassventil 14 geöffnet;
dies verhindert die zu starke Verdichtung der Luft im Lufteinlasskanal,
die stattfinden könnte, wenn
der gesamte Abgasdurchsatz die Turbine des ersten Turboladers durchströmen würde.
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Bei
derartigen Belastungen ist es in dem Beispiel von 1 möglich, das
Auslassventil zu schließen.
Dies bewirkt eine Erhöhung
der Drehgeschwindigkeit des ersten Turboladers über die Geschwindigkeit hinaus,
die notwendig ist, um die Verdichtung der Luft im Lufteinlasskanal
zu gewährleisten.
Um einen geeigneten Luftdruck im Verteiler aufrechtzuerhalten, wird
nun das Drosselventil geschlossen. Wie im ersten Betriebsbereich
expandiert nun die Luft in der zweiten Turbine, deren Drosselklappe
sich öffnet;
der Motor der zweiten Turbine wird angetrieben und funktioniert
als Generator; wenn das Kurzschlussventil des zweiten Verdichters
geöffnet
wird, verbraucht die Drehung des zweiten Verdichters keine Energie
vom zweiten Turbolader und ruft keine zusätzliche Verdichtung hervor.
Die von der zweiten Turbine hervorgerufene Verdichtung kann angepasst
werden, indem das Drosselventil mehr oder weniger geschlossen wird.
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Diese
Lösung
ermöglicht
es auf diese Weise, bei hohen Belastungen des Motors einen weiteren Teil
der Energie der Auspuffgase rückzugewinnen. Darüber hinaus
ermöglicht
es diese Lösung,
die Einlassluft in zwei Schritten zu kühlen: Die Luft wird zuerst
im Einlassluftkühler 18 gekühlt – der sich
unterhalb der zweiten Abzweigung befindet – und dann durch Expansion
in der zweiten Turbine gekühlt.
Auf diese Weise wird eine noch niedrigere Lufttemperatur garantiert
als jene, die einzig mit dem Einlassluftkühler erzielt worden wäre; diese
Senkung der Lufttemperatur beim Einlass begünstigt die Verbrennung des Motors
und senkt somit den Verbrauch des Letztgenannten für ein gegebenes
Drehmoment.
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Die
Gegenwart des elektrisch unterstützten zweiten
Turboladers ermöglicht
es daher, bei geringen Belastungen einen Teil der Energie der Auspuffgase
rückzugewinnen;
beim Leistungsanstieg verhindert der zweite Turbolader die Verzögerung zwischen dem
Beschleunigungsbefehl und dem Anstieg des Drehmoments. Bei hohen
Belastungen ist der zweite Turbolader schließlich entweder für den Betrieb
des Motors durchlässig,
oder er ermöglicht es,
einen Teil der Energie der Auspuffgase rückzugewinnen, und zwar mit
einer Senkung des Verbrauchs des Motors.
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Die 3 zeigt
eine schematische Darstellung, die analog zu jener von 1 ist
und ein anderes Anordnungsbeispiel des elektrisch unterstützten zweiten
Turboladers zeigt. Im Unterschied zum Beispiel von 1 sind
das Kurzschlussventil und die Abzweigung, die den zweiten Verdichter
enthält,
am Lufteinlasskanal oberhalb des ersten Verdichters eingebaut. Diese
Lösung
weist den Vorteil auf, dass sie nicht nur die Modularität der Anordnung
verbessern, sondern auch garantieren kann, dass der zweite Verdichter
in Kontakt mit kalter Luft ist, um die Kühlung der Gesamtheit zu gewährleisten.
Vom Standpunkt der Verdichtung der Luft im zweiten Betriebsbereich-Drehmomentanstieg – her gesehen,
hat die Reihenfolge der beiden Verdichter wenig Einfluss auf die
Gesamtleistung des Systems. Die relative Position der beiden Verdichter
hat daher keinen entscheidenden Einfluss auf den Verbrauch an elektrischer Leistung
oder auf die Reaktionszeit beim Belastungsanstieg. In den anderen
Betriebsmodi des Motors befindet sich das Kurzschlussventil des
zweiten Verdichters in der geöffneten
Position, und die Position des zweiten Verdichters ist daher gleichgültig.
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Die 4 zeigt
eine schematische Darstellung, die analog zu jener von 1 ist
und ein anderes Anordnungsbeispiel des elektrisch unterstützten zweiten
Turboladers zeigt. Im Unterschied zum Beispiel von 1 ist
die Abzweigung, die die zweite Turbine und ihre Drosselklappe enthält, am Lufteinlasskanal
parallel zum Einlassluftkühler
eingebaut, anders gesagt, der Eingang der Abzweigung der zweiten
Turbine 24 befindet sich oberhalb des Einlassluftkühlers. Diese
Lösung
ermöglicht
es, mehr Energie im Bereich der zweiten Turbine rückzugewinnen,
da die Luft nicht durch den Ladeluftkühler gekühlt wird. Tatsächlich ist
aus der Formel der Turbine bekannt, dass die gelieferte Leistung
direkt proportional zur Temperatur der Luft oberhalb der Letztgenannten
ist. Funktional ist das Beispiel von 4 gleichwertig
mit jenem von 1, abgesehen von der Einlassluftkühlung; wenn
das Drosselventil geschlossen ist und die Luft in die zweite Turbine
gelangt, durchquert sie daher nicht mehr den Einlassluftkühler. Dies
schränkt
die Wirksamkeit der Kühlung im
ersten und im dritten Betriebsbereich ein, wenn das Auslassventil
geschlossen wird, um einen Teil der Energie der Auspuffgase rückzugewinnen.
Der im Einlassluftkühler
erzeugte Druckverlust ist bei geringen Luftdurchsätzen minimal,
und es ist daher nicht störend,
dass er wie in dem Beispiel von 1 in Serie
mit der zweiten Turbine eingebaut wird.
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Wenn
die Expansion in der zweiten Turbine ausreicht, um die Einlassluft
zu kühlen,
ist das Fehlen des Passierens des Einlassluftkühlers kein unüberwindliches
Hindernis. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass die Einlassluft
im dritten Betriebsbereich nicht unterkühlt werden kann wie in den
Konfigurationen 1 und 3, da es nicht mehr die
Möglichkeit gibt,
die Luft zu expandieren und sie somit durch die zweite Turbine nach
dem zweiten Luftkühler
zu kühlen.
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Die 5 zeigt
eine schematische Darstellung, die analog zu jener von 1 ist
und ein anderes Anordnungsbeispiel des elektrisch unterstützten zweiten
Turboladers zeigt. In dem Beispiel von 5 ist der
zweite Verdichter wie in 3 eingebaut, während die
zweite Turbine wie in 4 eingebaut ist. Die Vor- und
Nachteile des Beispiels von 5 leiten sich
daher aus der Diskussion der Beispiele von 3 und 4 ab.
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In
allen Beispielen befinden sich der erste und zweite Verdichter 16 und
22 am Lufteinlasskanal 4 oberhalb des Einlassluftkühlers am
Lufteinlasskanal 4. Diese Konfiguration ist vom Standpunkt
der Motorleistung her gesehen insofern vorteilhaft, als sie eine
Erwärmung
der Luft durch Verdichtung nach dem Kühler vermeidet. In allen Beispielen
befindet sich die Abzweigung der Turbine 24 des zweiten
Turboladers 22 nach dem Verdichter 16 des ersten
Turboladers 12; diese Anordnung ermöglicht es, die Energie der
Auspuffgase rückzugewinnen,
wie dies oben bezugnehmend auf den ersten und dritten Betriebsbereich
des Motors erklärt
wurde. Man könnte jedoch
die Turbine 24 des zweiten Turboladers 22 vor dem
Verdichter 16 des ersten Turboladers 12 anordnen;
diese Konfiguration würde
es auch ermöglichen, eine
Lösung
des Problems der Verzögerung
beim Hochlauf des Motors zu liefern; man könnte jedoch die Energie der
Auspuffgase nicht mehr rückgewinnen.
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In
allen unter Bezugnahme auf die Figuren beschriebenen Beispielen
kann die in den Auspuffgasen rückgewonnene
Energie verwendet werden, um die Wechselstromlichtmaschine zu entladen und/oder
um die vom zweiten Turbolader im zweiten Betriebsbereich verbrauchte
Energie zu kompensieren. Die erste Lösung ermöglicht es, den Verbrauch eines
Fahrzeugs im Stadtzyklus zu senken; tatsächlich funktioniert der Motor
im Wesentlichen im ersten Betriebsbereich. Der zweite Turbolader 22 kann
nun einen Teil der Stromlieferung des Bordnetzes an Stelle der Wechselstromlichtmaschine
gewährleisten. Wenn
die Wechselstromlichtmaschine umkehrbar ist, kann darüber hinaus
diese Energie wiedergewonnen werden, wenn die Wechselstromlichtmaschine
im Antriebsmodus funktioniert.
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Die
zweite Lösung
ermöglicht
es, im Lauf einer Motorbremsphase die elektrische Energie, die im Lauf
einer Phase des Drehmomentanstiegs des Motors für die Versorgung des elektrisch
unterstützten Turboladers
verbraucht wird, teilweise rückzugewinnen.
Wenn ein Motor im Bremsmodus verwendet wird, funktioniert er mit
geringen Belastungen – wobei die
Belastung sogar negativ sein kann. Der Motor funktioniert in diesem
Fall im ersten Betriebsbereich von 2. Die im
Lauf dieses Betriebsmodus rückgewinnbare
Energie ist insofern nicht zu vernachlässigen, als die forcierte Drehung
des Motors zu relativ großen
zu expandierenden Luftdurchsätzen
im Einlasskanal führt.
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Es
ist möglich,
den Motor des zweiten Turboladers mit einem Stromnetz zu verbinden,
das unabhängig
vom Hauptnetz des Fahrzeugs ist. Dieses Netz kann eine einfache
Batterie und gegebenenfalls andere Elemente umfassen; diese Lösung weist
den Vorteil auf, dass sie es ermöglicht,
das Hauptversorgungsnetz zu konzipieren, ohne die Zwänge im Zusammenhang
mit der Stromversorgung des zweiten Turboladers integrieren zu müssen. Man
vermeidet zum Beispiel, die Stromschwankungen steuern zu müssen, die
für die
Versorgung des zweiten Turboladers notwendig sind. Darüber hinaus
ermöglicht
es ein unabhängiges
Netz, die Sollspannung freier wählen
zu können:
Eine Sollspannung von 14 V ist klassisch für das Hauptstromnetz eines
Fahrzeugs. Wenn das Netz zur Versorgung des zweiten Turboladers
unabhängig
ist, kann eine höhere
Sollspannung gewählt
werden – zum
Beispiel 24 V, 36 V oder sogar 48 V. Eine höhere Sollspannung ist für die Dimensionierung
des Elektromotors des zweiten Turboladers günstiger.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die oben gegebenen Ausführungsformen beschränkt. So
wird in den beschriebenen Ausführungsformen
eine Drosselklappe in der zweiten Abzweigung verwendet. Die Verwendung
einer solchen Drosselklappe, die in Abhängigkeit vom Druckverlust im
Hauptkanal austariert ist, der parallel zur zweiten Abzweigung ist,
vermeidet das Vorsehen eines zusätzlichen
Ventils; man könnte
jedoch auch ein einfaches Ventil verwenden, das in Abhängigkeit
von der Öffnung
des Drosselventils oder sogar unabhängig davon gesteuert wird.
Ebenso wurde eine Lösung
beschrieben, in der der zweite Verdichter sowie die zweite Turbine
in Abzweigungen des Lufteinlasskanals eingebaut sind; es könnte die
Form der Montage verändert
werden, zum Beispiel indem das Kurzschlussventil in einer Abzweigung
und der zweite Verdichter im Lufteinlasskanal eingebaut wird, ohne dass
dies den Betrieb der oben beschriebenen Beispiele verändern würde. Dies
gilt auch für
die zweite Turbine und ihre Drosselklappe: Man könnte das Drosselventil in einer
Abzweigung und die zweite Turbine und ihre Drosselklappe im Hauptlufteinlasskanal
anordnen.
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In
dem beschriebenen Beispiel wurde der Fall einer Turbine des zweiten
Verdichters mit einem Verteiler mit variabler Geometrie behandelt;
ein solcher Verteiler ermöglicht
es, den durch die zweite Turbine strömenden Durchsatz zu kontrollieren
und folglich den im Verteiler eintreffenden Luftdurchsatz zu regeln.
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Man
kann auch den Luftdurchsatz durch die Steuerung der Drehgeschwindigkeit
des sich drehenden Elements des zweiten Turboladers kontrollieren. Man
könnte
des Weiteren alternierend oder zusätzlich zu den oben beschriebenen
Lösungen
eine Drosselklappe oder ein Ventil als Mittel zur Kontrolle des Durchsatzes
verwenden.
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Oben
wurde das Beispiel eines Drosselventils gegeben, um den Lufteinlass
in den Lufteinlasskanal zu kontrollieren; es können auch andere Kontrollmittel
verwendet werden, die allgemein mit dem Begriff „Ventil" bezeichnet werden.
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Schließlich ist
die Expansion der Gase im Bereich der zweiten Turbine von einer
Abkühlung
der Luft begleitet; die am Ausgang der zweiten Turbine Luft expandierte
Luft kann verwendet werden, um die Kühlung der elektrischen Bauteile
des Motors und der Leistungselektronik zu gewährleisten.
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- 2
- Motor
- 4
- Lufteinlasskanal
- 6
- Verteiler
- 8
- Auslasskanal
- 10
- erste
Turbine
- 12
- erster
Turbolader
- 14
- Auslassventil
- 16
- erster
Verdichter
- 18
- Einlassluftkühler
- 20
- Drosselventil
- 22
- zweiter
Turbolader
- 24
- zweite
Turbine
- 26
- zweiter
Verdichter
- 28
- Elektromotor
- 30
- erste
Abzweigung (zweiter Verdichter)
- 32
- Kurzschlussventil
des zweiten Verdichters
- 34
- zweite
Abzweigung (zweite Turbine)
- 36
- Drosselklappe
(zweite Turbine)
- 40
- Vollbelastungskurve
mit Aufladung
- 42
- Vollbelastungskurve
mit Atmosphärendruck
- 44
- erster
Betriebsbereich
- 46
- zweiter
Betriebsbereich
- 48
- dritter
Betriebsbereich
