EP2140118A1

EP2140118A1 - Turboladeranordnung und turboaufladbare brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP2140118A1
Application number: EP08735962A
Authority: EP
Inventors: Dick Amos; Ulrich Bast; Andre Kaufmann; Udo Schwerdel; Francis Heyes; Norbert Huber; Achim Koch; Georg Mehne; Gerhard Schopp; Markus Teiner
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2010-01-06
Also published as: US20100170245A1; DE102007017777B4; DE102007017777A1; WO2008125552A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung, insbesondere in oder für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Turboladerstufe, die eine Turbine und einen Verdichter aufweist, welche mechanisch voneinander entkoppelt sind. Die Erfindung betrifft ferner eine turboauf ladbare Brennkraftmaschine mit einer solchen Turboladeranordnung.

Description

Beschreibung

Turboladeranordnung und turboaufladbare Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung, insbesondere in oder für ein Kraftfahrzeug, sowie eine turboaufladbare Brennkraftmaschine mit einer solchen Turboladeranordnung.

Bei herkömmlichen, nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen (Otto- oder Dieselmotor) wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt, der mit wachsender Drehzahl ansteigt und der die theoretisch erreichbare Leistung des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken und damit eine Leistungssteigerung zu erzielen, ist die Verwendung eines Abgasturboladers (ATL) . Em Abgasturbolader oder kurz

Turbolader ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine, mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Ladeluftdruck beaufschlagt werden.

Der detaillierte Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Turboladers ist vielfach bekannt und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert. Em Turbolader besteht aus einer Abgas- turbine im Abgasstrom (Abstrompfad) , die typischerweise über eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt me- chanisch starr verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt (Anstrom- pfad) des Motors, sodass durch diese Verdichtung wahrend des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelangt als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfugung. Dadurch steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe signifikant erhöht. Das Zufuhren einer größeren Menge an Frischluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Die Energie für die

Aufladung wird durch die Abgasturbine den schnell stromenden, heißen Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch das Abgassystem verloren ginge, wird zur Verringerung der Ansaug- Verluste benutzt. Durch diese Art der Aufladung steigt der Gesamtwirkungsgrad einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine .

An die Betriebsweise von mit Turboladern ausgestatteten An- triebsemheiten werden die gleichen hohen Anforderungen wie an leistungsgleiche herkömmliche Brennkraftmaschinen ge^¬ stellt. Dies fuhrt dazu, dass zum Erreichen einer geforderten Motorleistung der volle Ladeluftdruck des Abgasturboladers auch bereits bei sehr niedrigen Motordrehzahlen zur Verfugung stehen muss. Das ist aber nicht immer möglich. Beim Beschleu^¬ nigen aus niedrigen Drehzahlen fehlt im Abstrompfad zunächst die richtige Abgasmenge, um den im Anstrompfad gewünschten Ladedruck für die angesaugte Frischluft zu erzeugen. Erst wenn zum Beispiel mit steigender Drehzahl ein ausreichend starker Abgasstrom zur Verfugung steht, setzen die gewünschte Verdichtung der angesaugten Frischluft und damit die gewünschte Aufladung ein. Diesen Leistungsmangel bei niedrigen Drehzahlen bezeichnet man im Allgemeinen als Turboloch. Die- ses Turboloch ergibt sich im Wesentlichen aufgrund der typischerweise starren mechanischen Kopplung zwischen Turbine und Verdichter .

Zur Vermeidung des Turbolochs können eigens dafür vorgesehene Regelsysteme verwendet werden, wie zum Beispiel eine variable Turbinengeometrie (VTG) . Allerdings sind diese Systeme herstellungs- und konstruktionstechnisch aufwandig.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines zwei- oder mehrstufigen Turboladers. Jede dieser Turboladerstufen weist eine eigene Turbine und einen eigenen Verdichter auf, die gemeinsam über eine Welle miteinander gekoppelt sind. Das Problem eines Turbolochs ist zwar bei solchen Turboladern reduziert, jedoch dennoch vorhanden. Dies liegt an der nach wie vor vorhandenen, starren mechanischen Kopplung von Turbine und Verdichter. Moderne Turbolader verwenden zwar ein zweistufiges Aufladungssystem, jedoch weist eine Turboladerstufe lediglich ei^¬ nen Verdichter auf, der statt von einer Turbine von einem zu^¬ schaltbaren Elektromotor (so genannter E-Booster) angetrieben wird. Auch hier ist aber eine starre mechanische Kopplung vorhanden. Aufgrund des Fehlens einer Turbine für den elekt^¬ risch antreibbaren Verdichter wird zudem die Energie im Ab^¬ gassystem des Turboladers nicht optimal genutzt. Em solcher, über einen Elektromotor angetriebener Verdichter ist bei- spielsweise in der Deutschen Patentanmeldung DE 100 23 022 Al beschrieben .

Bei modernen Kraftfahrzeugen besteht immer der Bedarf, den im Motorraum vorhandenen Platz effektiv zu nutzen. Dadurch be- dingt werden auch kompaktere Turbolader benotigt. Allerdings ist der Freiheitsgrad bei der Auslegung und dem Design des Turboladers und dabei insbesondere dessen Frischluft- und Ab- gaskanale innerhalb des Turboladergehauses begrenzt. Dies liegt u.a. an der starren mechanischen Kopplung zwischen Ver- dichter und Turbine.

Bei modernen turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen besteht zusätzlich das Problem, dass der Turbolader entweder auf der Seite des Ansaugkrummers oder auf der Seite des Abgaskrummers des Motors angeordnet ist. Je nach dem, auf welcher Seite der Turbolader angeordnet ist, sind auch mehr oder weniger lange Rohrleitungen für das Verbinden des Turboladers mit dem Motor vorhanden. Dies ist zum einen aus stromungstechnischen Gründen nachteilig. Außerdem ergibt sich durch sehr lange Rohr- leitungen auch ein reduzierter, zur Verfugung stehender Raum innerhalb des Motorraums.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Turbolader bereitzustellen, dessen Anstrom- pfad und Abstrompfad weitgehend unabhängig voneinander ausge^¬ legt werden können. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Turbolader anzugeben, dessen Verbindungsrohrleitungen zu dem Abgaskrümmer und Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine möglichst kurz aus^¬ gebildet ist.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, bei einem Turbolader den unerwünschten Effekt des Turbolochs zu verringern.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Turbolader bereit- zustellen, dessen Konstruktion an den Kreislauf der Arbeitsmedien einer Brennkraftmaschine angepasst und optimiert ist.

Erfindungsgemäß wird zumindest eine der genannten Aufgaben durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelost.

Demgemäß ist vorgesehen:

- Eine Turboladeranordnung, insbesondere in oder für ein

Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Turboladerstufe, die eine Turbine und einen Verdichter aufweist, welche mechanisch voneinander entkoppelt sind.

- Eine turboaufladbare Brennkraftmaschine, mit einem Motor, der eine Kurbelwelle sowie einen Ansaugkrümmer und einen Abgaskrümmer aufweist, mit einer erfindungsgemäßen Turboladeranordnung, die mit ihrem Anströmpfad mit dem Ansaugkrummer über entsprechende Saugrohrleitungen verbunden ist und die mit ihrem Abströmpfad mit dem Abgaskrümmer über Abgasrohrleitungen verbunden ist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, bei einem Turbolader bzw. einer entsprechend turboauf- geladenen Brennkraftmaschine die Abströmseite und die An^¬ strömseite des Turboladers mechanisch voneinander zu entkoppeln. Durch diese mechanische Entkopplung weist der Turbolader einen zusätzlichen Freiheitsgrad auf, der insbesondere beim Design und der Auslegung der Ab- und Anstromseite des Turboladergehauses genutzt werden kann.

Insbesondere müssen die Turbine und der Verdichter des Turbo- laders nun nicht mehr sehr eng beieinander angeordnet sein, um einen kompakten Turbolader bereitzustellen. Vielmehr kann z.B. die Turbine des Turboladers möglichst nahe am Abgaskrum^¬ mer montiert sein und zugleich kann der Verdichter des Turboladers ebenfalls nahe an dem Ansaugkrummer des Motors ange- ordnet sein. Sowohl zwischen Turbine und Abgaskrummer einerseits wie auch zwischen Verdichter und Ansaugkrummer anderer^¬ seits ist somit lediglich eine kurze Rohrleitung erforderlich, so dass diese Teile des Turboladers effizient eben auf die jeweilige Motorkonstruktion ausgelegt sein können und in- sofern auch rohrleitungsbedingte Stromungsverluste weitgehend vermieden werden können.

Insbesondere auf der Anstromseite ist dies von besonderem Vorteil, da hier der Verdichter für die Druckaufladung mog- liehst nahe an der Ansaugseite des Motors angeordnet sein sollte. Vor allem auf dieser Seite ist es für einen hohen Wirkungsgrad des Turboladers wesentlich, dass zwischen dem Auslass des Verdichters und dem Ansaugkrummer des Motors eine möglichst kurze Rohrleitung vorhanden ist, damit der Verdich- ter in der Lage ist, den erforderlichen Ansaugdruck für den

Motor sehr schnell zur Verfugung zu stellen. Durch die erfin- dungsgemaße mechanische Entkopplung von Turbine und Verdich^¬ ter ist dies nun möglich. Es lasst sich nun ein minimales Volumen in der ansaugseitigen Rohrleitung realisieren, in wel- ehern der von dem Verdichter erzeugte Druck sehr schnell aufgebaut werden kann. Das Turboloch kann so effektiv vermieden oder zumindest weitgehend beseitigt werden.

Em weiterer Vorteil der mechanischen Entkopplung besteht darin, dass Verdichter und Turbine eines Turboladers nun bes^¬ ser auf die Konstruktion des Motors, dabei dessen Ansaugkrummer und Abgaskrummer, ausgelegt werden können. Eine weitere Anforderung bei einem Turbolader besteht darin, dass die von dem Verdichter verdichtete Frischluft möglichst kühl ist, um dadurch einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Verbrennung von Kraftstoff im Motor bereitzustellen. Bei der Verbrennung des Kraftstoffes wird heißes Abgas erzeugt, welches die Turbinen des Turboladers antreibt und dabei die turbinenseitigen Elemente des Turboladers gleichsam erhitzt. Durch die bisherige mechanische Kopplung wirkt die gemeinsame Welle gewissermaßen als Hitzebrucke und tragt dazu bei, die turbinenseitige Hitze unerwunschterweise auf den Verdichter zu übertragen, was zu einer unerwünschten Erwärmung der fπschluftseitig zugefuhrten Luft fuhrt. Durch die erfin- dungsgemaße mechanische Entkopplung von Verdichter und Turbine ist dieser Effekt nicht mehr existent. Der Verdichter kann mangels einer gemeinsamen Welle nicht mehr von der Turbine erhitzt werden. Die von dem Verdichter erzeugte verdichtete Luft ist daher kuhler und sorgt so für einen besseren Wirkungsgrad im Motor der Brennkraftmaschine.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteranspruchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit der Zeichnung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Turbine und der Verdichter einer Turboladerstufe miteinander elektromecha- nisch gekoppelt. Elektromechanisch in dem Sinne, dass keine direkte mechanische Verbindung zwischen der Turbine und dem entsprechenden Verdichter vorhanden ist, sondern lediglich eine elektrische Verbmdungs- oder Koppeleinrichtung vorhan- den ist.

In einer Ausgestaltung weist die Turbine eine erste Welle und der Verdichter eine zweite Welle, die von der ersten Welle mechanisch entkoppelt ist, auf. Die erste Welle und die zwei- te Welle sind lediglich durch eine elektrische Koppeleinrich^¬ tung miteinander gekoppelt. In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist die Turbine u- ber die erste Welle direkt mit einem Generator gekoppelt, wo^¬ bei der Generator dazu ausgelegt ist, aus der Bewegungsener^¬ gie des Turbinenrads, welches von dem heißen Abgas angetπe- ben wird, elektrische Energie zu erzeugen. Zusatzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Turbine über ein erstes Getriebe mit dem Generator gekoppelt ist. Die Ver^¬ wendung eines Übersetz- oder Untersetzgetriebes ist zweckmäßig, um den Generator optimal auf dessen Nenndrehzahl und da- mit auf den besten Wirkungsgrad des Generators anzupassen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Verdichter über die zweite Welle mit einem Elektromotor mechanisch gekoppelt. Der Elektromotor ist dazu ausgelegt, aus der ihm zugefuhrten elektrischen Energie den Verdichter und insbesondere dessen Verdichterrad anzutreiben. Zusätzlich oder alternativ kann ein zweites Getriebe vorgesehen sein, über welches der Elektromotor mit dem Verdichter gekoppelt ist. Hier sorgt das zweite Getriebe dafür, eine entsprechende Drehzahl für das Verdichterrad bereit zu stellen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Generator mit dem Elektromotor über eine elektrische Koppeleinrichtung, beispielsweise eine Versorgungsleitung, verbunden ist. Der Generator ist dazu ausgelegt, den Elektromotor über diese Koppeleinrichtung bzw. Versorgungsleitung mit elektrischer Energie zu versorgen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Genera- tor als Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet. In diesem Falle kann der Generator als regelbarer Generator wirken.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist auch der E- lektromotor als Asynchronmotor oder als Synchronmotor ausgebildet. In diesem Falle kann der Elektromotor sowohl als Antriebsmotor zum Antreiben des Verdichters heran gezogen werden als auch als Bremsvorrichtung genutzt werden. Im letzte- ren Falle kann der Elektromotor den Verdichter abbremsen, so dass der Verdichter gewissermaßen als Drosselklappe wirkt und somit zum Abbremsen des Motors beitragt. Der Verdichter wurde in diesem Falle nicht mehr den gewünschten Ladedruck für den Motor erzeugt, so dass dem Motor der Brennkraftmaschine nicht mehr ausreichend Frischluft zugeführt wird, was letztlich zum Abbremsen des Motors fuhrt.

Üblicherweise weist der Verdichter eine höhere Drehzahl auf als herkömmliche Elektromotoren bereitstellen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist daher das zweite (E- lektromotor-) Getriebe als Übersetzungsgetriebe ausgebildet, um die hohen Drehzahlen des Verdichters zu erzeugen. In gleicher Weise weist die Turbine meist eine höhere Drehzahl auf, als herkömmliche Generatoren verarbeiten können. In einer alternativen Ausgestaltung ist daher das erste (Generator- ) Getriebe als Untersetzungsgetriebe ausgebildet. In jedem Falle sind das erste und das zweite Getriebe auf den jeweils zugeordneten Generator bzw. Elektromotor abgestimmt und dabei insbesondere auf deren Nenndrehzahlen und Nennleistungen. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Generators bzw. des E- lektromotors optimal auf die jeweiligen Umdrehungsgeschwindigkeiten des Turbinenrades bzw. des Verdichterrades abge^¬ stimmt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein Energiespeicher - als Bestandteil der elektrischen Koppeleinrichtung - vorgesehen. Der Energiespeicher wird in diesem Falle durch den Generator gespeist. Dieser Energiespeicher kann bei Be- darf den Elektromotor über eine eigens dafür vorgesehene Versorgungsleitung mit elektrischer Energie versorgen und damit ein Antreiben des Verdichters durch den Elektromotor ermöglichen. Somit kann der Verdichter eben genau dann mit Energie versorgt werden, wenn der Verdichter die gewünschte Verdich- terleistung bereitstellen muss. Auf diese Weise ist eine Ent^¬ kopplung der Drehzahlen der Turbine und des Verdichters realisiert, was unter anderem auch zu einer Minimierung des unerwünschten Effektes des Turbolochs fuhrt. Zugleich wird da- durch auch verhindert, dass die Turbine und damit auch der Verdichter immer hoher drehen und aufgrund einer Ruckkopplung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Verdichters auf die Turbine der Verdichter seine Fordergrenze erreicht und die mechani- sehen und thermischen Grenzen des Motors überschritten werden. Vorteilhafterweise wird eine zu große Turbinenleistung im Energiespeicher zwischengespeichert. Diese Energie wird von dem Elektromotor abgerufen, wenn der Verdichter die gewünschte Verdichterleistung bereitstellen soll.

In einer Ausgestaltung ist der Energiespeicher als Akkumula^¬ tor, Supercap-Kondensator (oder kurz Supercap) und/oder Hochleistungskondensator ausgebildet. Besonders bevorzugt ist in diesem Falle ein Supercap, da er in der Lage ist, große e- lektπsche Energien in kurzer Zeit zu speichern. Auch die Lebensdauer eines solchen Supercap ist signifikant hoher als die eines entsprechenden Akkumulators.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Turbine und der mit dieser Turbine mechanisch entkoppelte Verdichter in einem gemeinsamen Turboladergehause integriert. Diese Ausgestaltung erlaubt eine sehr kompakte Realisierung des Turboladers .

In einer dazu alternativen, ebenfalls sehr vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Turboladergehause vorgesehen, in dem der Verdichter angeordnet ist. Zusätzlich ist ein zweites, von dem ersten Turboladergehause verschiedenes und typischerweise getrenntes Turboladergehause vorgesehen, innerhalb dem die Turbine angeordnet ist. In dem ersten Gehäuse ist der Elektromotor und in dem zweiten Gehäuse ist der Generator angeordnet. Die Turbine und der Verdichter sind miteinander u- ber elektrische Verbindungsleitung gekoppelt. Auf diese Weise kann der Verdichter des Turboladers in relativer Nahe zu dem Ansaugkrummer der Brennkraftmaschine positioniert werden. Zu^¬ dem kann auch die Turbine des Turboladers in relativer Nahe zu dem Abgaskrummer positioniert werden. Auf diese Weise werden die Rohrleitungen zwischen Verdichter und Ansaugkrummer bzw. zwischen Abgaskrummer und Turbine sehr kurz, wodurch Stromungsverluste minimal werden. Der Wirkungsgrad eines sol^¬ chen Turboladers wird dadurch optimiert. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine an die Konstruktion der Brennkraftmaschine optimierte und kompakte Konstruktion des Turboladers.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist für den Ab- strompfad des Turboladers keine Waste-Gate-Bypassemπchtung erforderlich. Ein solches Waste-Gate ist bei herkömmlichen Turboladern erforderlich, um ein allzu großes Ansteigen der Turbinendrehzahl zu unterbinden, um - wie oben ausgeführt - zu verhindern, dass die Turbine und damit auch der Verdichter des Turboladers immer hoher drehen, was aufgrund deren mechanischer Kopplung dazu fuhren kann, dass der Motor über seine mechanischen und thermischen Grenzen gelangt. Da nun die Turbine und der Verdichter mechanisch voneinander entkoppelt sind, besteht diese Gefahr nicht mehr.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Turbola- deranordnung zweistufig ausgebildet, wobei eine erste Turboladerstufe als Hochdruckstufe mit einer Hochdruckturbine und einem Hochdruckverdichter ausgebildet ist. Die zweite Turboladerstufe ist als Niederdruckstufe mit einer Niederdrucktur- bine und einem Niederdruckverdichter -ausgebildet.

In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Turbine und der Verdichter derselben Turboladerstufe miteinander zumindest teilweise pneumatisch und/oder hydraulisch miteinander gekoppelt. Zumindest teil- weise bedeutet in diesem Zusammenhang, dass durchaus mechanische Elemente vorgesehen sind, dass jedoch die Turbine und der Verdichter einer jeweiligen Turboladestufe nicht ausschließlich miteinander mechanisch gekoppelt sind.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Brennkraftmaschine ist der Generator der Turboladeranordnung Bestandteil der Lichtmaschine. Auf diese Weise kann auf einen eige- nen Generator für die Turbine der Turboladeranordnung verzichtet werden.

Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine einen integrierten Startergenerator auf, der mit der Kurbelwelle bzw. der Antriebswelle des Motors verbunden ist. Ein solcher Starterge^¬ nerator ist eine Drehstrom-Asynchronmaschine, die sowohl als Anlasser wie auch als Generator arbeiten kann.

Vorzugsweise sind der Generator und/oder der Elektromotor der Turboladeranordnung über jeweilige Versorgungsleitungen mit dem Startergenerator verbunden. Vorzugsweise kann der Startergenerator, sofern er als Anlasser fungiert, über die Versorgungsleitung zu dem Generator des Turboladers von diesem mit elektrischer Energie versorgt werden. Zusatzlich oder alternativ kann der Startergenerator, sofern er in diesem Falle als Generator wirkt, über eine weitere Versorgungsleitung zu dem Elektromotor des Turboladers den Elektromotor gleichsam mit Energie versorgen. In diesem Fall kann auf einen eigens dafür vorgesehenen Energiespeicher verzichtet werden.

Vorzugsweise wird allerdings ein intelligentes Energiemanagement verwendet, welches den Startergenerator, die Energieversorgung, den Generator des Turboladers und/oder den Elektro- motor des Turboladers miteinander mit einbezieht, wobei dies vorzugsweise über eine eigens dafür vorgesehene Steuereinrichtung gesteuert wird.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst auch die turboaufladbare Brennkraftmaschine einen zusatzlichen elektrischen Antrieb zum Antreiben der Kurbelwelle und ist somit als Hybridmotor ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausfuhrungsbeispiele naher erläutert. Es zeigen dabei: Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines ersten Ausfuhrungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Turboladers;

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung eines zweiten Ausfuh- rungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Turboladers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ersten Ausfuh- rungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Brennkraftmaschine;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausfuh- rungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Brennkraftmaschine;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausfuh- rungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Brennkraftmaschine;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines vierten Ausfuh- rungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Brennkraftmaschine .

In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche und funktions- gleiche Elemente, Merkmale und Großen - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Aus- fuhrungsbeispiels eines erfindungsgemaßen, stark vereinfachten Turboladers, der lediglich die wesentlichen Bestandteile eines Turboladers aufweist. Der mit Bezugszeichen 10 bezeichnete Turbolader 10 weist einen Verdichter 11 und eine Turbine 12 auf. Der Turbolader 10 in Fig. 1 ist einstufig ausgebildet, das heißt er weist lediglich eine Turboladerstufe 13 auf. Der Verdichter 11 ist in einem Anstrompfad 14 und die Turbine 12 in einem Abstrompfad 15 angeordnet.

Der Anstrompfad 14 des Turboladers 10 ist definiert zwischen einem Frischlufteinlass 16, über den Frischluft angesaugt wird, und einem Frischluftauslass 17, über den durch den Verdichter 11 verdichtete Frischluft vom Turbolader 10 bereitge^¬ stellt wird. Diese abgegebene, verdichtete Frischluft wird einer Frischluftemlassseite einer (in der Fig. 1 nicht dar- gestellten) Brennkraftmaschine zugeführt. Der Abstrompfad 15 des Turboladers 10 ist definiert zwischen einem Abgasemlass 18, über den von der (in Fig. 1 nicht dargestellten) Brenn^¬ kraftmaschine erzeugtes Abgas m den Turbolader 10 eingeleitet wird, und einem Abgasauslass 19, über das das Abgas aus- strömen kann. Der Anstrompfad 14 wird häufig auch als Ansaug^¬ trakt, Frischluftseite, Verdichterseite oder Ladeluftseite bezeichnet. Der Abstrompfad 15 wird häufig auch als Abgaspfad oder Abgasseite bezeichnet.

Hinsichtlich der in der vorliegenden Patentanmeldung gewählten Terminologie weist ein jeweiliger Verdichter 11 emgangs- seitig einen Einlass und ausgangsseitig ein Auslass auf. Die Stromungsrichtung wird im Anstrompfad 14 und Abstrompfad 15 durch die Stromungsluft der Frischluft 20 bzw. des Abgases 21 bestimmt. In sämtlichen Figuren ist die Stromungsrichtung der Frischluft 20 bzw. des Abgases 21 durch entsprechende Pfeile dargestellt .

Zwischen dem Frischlufteinlass 16 und dem Einlass des Ver- dichters 11 ist eine erste Rohrleitung 20a vorgesehen. Ferner ist eine weitere Rohrleitung 20b zwischen dem Auslass des Verdichters 11 und dem Frischluftauslass 17 vorgesehen. In gleicher Weise ist zwischen dem Abgaseinlass 18 und der Turbine 12 eine Rohrleitung 21b und zwischen der Turbine 12 und dem Abgasauslass 19 eine zweite Rohrleitung 21a vorgesehen.

Die Turbine 12 bzw. dessen Turbinenrad ist fest mit einer ersten Welle 22 gekoppelt. Das Turbinenrad treibt somit die erste Welle 22 an. Ferner ist der Verdichter 11 bzw. dessen Verdichterrad fest mit einer zweiten Welle 23 gekoppelt. Der Verdichter 11 wird über die zweite Welle 23 angetrieben. Die erste Welle 22 der Turbine 12 ist somit von der zweiten Welle 23 des Verdichters 11 mechanisch vollständig entkoppelt. Al- lerdings sind die Turbine 12 und der Verdichter 11 über eine elektrische Koppeleinrichtung 24 miteinander elektrisch gekoppelt. Die Ausgestaltung dieser Koppeleinrichtung 24 wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 3 - 6 noch detailliert be- schrieben.

In dem Ausfuhrungsbeispiel in der Fig. 1 ist der Verdichter 11 und die Turbine 12 und vorzugsweise auch die Koppeleinrichtung 24 vollständig in einem gemeinsamen Turboladergehau- se 25 integriert.

Im Unterschied dazu ist in dem Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 2 der Verdichter 11 sowie die zweite Welle 23 in einem ersten Turboladergehause 26 angeordnet. Die Turbine 12 mit der ers- ten Welle 22 ist in einem davon verschiedenen und ggfs. auch von dem ersten Turboladergehause 26 getrennten zweiten Turboladergehause 27 angeordnet. Die elektrische Koppeleinrichtung 24 kann, wie im gezeigten Beispiel, außerhalb des ersten und zweiten Turboladergehauses 26, 27 angeordnet sein oder auch alternativ in dem ersten Gehäuse 26 und/oder dem zweiten Gehäuse 27.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Aus- fuhrungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Brennkraftmaschine. Im Unterschied zu Fig. 1 ist in dem Ausfuhrungsbeispiel in

Fig. 3 zusatzlich die Brennkraftmaschine 30 dargestellt. Der Motor 31 weist eine Antriebswelle 35, die so genannte Kurbel^¬ welle 35 auf. Der Motorblock 31 oder kurz Motor 31 der Brennkraftmaschine 30 weist im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel vier Zylinder 34 auf, was allerdings lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Auch ist die Brennkraftmaschine 30 sowie die Ankopplung an den Turbolader 10 hier stark vereinfacht dargestellt .

Der Motor 31 der Brennkraftmaschine 30 weist eine Luftein^¬ lassseite 32 (Ansaugkrummer) und eine Abgasauslassseite 33 (Abgaskrummer) auf. Die Lufteinlassseite 32 ist hier mit dem Frischluftauslass 17 des Turboladers 10 verbunden und die Ab- gasauslassseite 33 ist mit dem Abgaseinlass 18 des Turboladers 10 verbunden.

In dem Ausfuhrungsbeispiel in der Fig. 3 ist im Abstrompfad 15 ein Generator 40 (z.B. als Bestandteil des Turboladers oder auch außerhalb dessen Gehäuse vorgesehen, der über die erste Welle 22 mechanisch starr mit der Turbine 12 verbunden ist. Wird das Turbinenrad der Turbine 12 über den Abgasstrom 21 angetrieben, dann treibt dieses Turbinenrad den Generator 40 über die erste Welle 22 an. Der Generator 40 erzeugt aus dieser Bewegungsenergie elektrische Energie.

Der Generator 40 kann beispielsweise auch der Generator einer in einem Kraftfahrzeug ohnehin vorhandenen Lichtmaschine sein. In diesem Falle kann auf einen eigens für die Turbine 12 vorgesehenen Generator verzichtet werden.

Im Anstrompfad 14 ist ein Elektromotor 41 vorgesehen. Der E- lektromotor 41 ist über die zweite Welle 23 mechanisch mit dem Verdichterrad des Verdichters 11 verbunden. Der Elektromotor 41 ist dazu ausgelegt, über die zweite Welle 23 das Verdichterrad anzutreiben, welches in der Folge die dem Verdichter 11 zugefuhrte Frischluft 20 verdichtet und dem Motor 31 der Brennkraftmaschine 30 zufuhrt. Die elektrische Ener- gie, die der Elektromotor 41 hierzu benotigt, wird ihm im

Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 3 über eine Versorgungsleitung 42 direkt von dem Generator 40 zugeführt. Beispielsweise er^¬ zeugt der Generator 40 einen Strom 43, der dem Elektromotor 41 über die Versorgungsleitung 42 zugeführt wird und der den Elektromotor 41 und damit das Verdichterrad antreibt.

Im Unterschied zu dem Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 3 weist die Brennkraftmaschine in Fig. 4 zusätzlich einen wieder aufladbaren Energiespeicher 44 auf. Der Energiespeicher 44 ist in Fig. 4 als Supercap ausgebildet, der dazu ausgelegt ist, die gespeicherte Energie sehr schnell wieder abzugeben. Der Energiespeicher 44 ist versorgungsseitig über eine erste Versorgungsleitung 42a mit dem Generator 40 verbunden. Ferner ist der aufladbare Energiespeicher 44 ausgangsseitig über eine zweite Versorgungsleitung 42b mit dem Elektromotor 41 verbunden. Dem Energiespeicher 44 wird somit über die Versorgungs^¬ leitung 42a ein Strom 43a und/oder eine Spannung 43a zuge- fuhrt, über welchen der Energiespeicher 44 aufgeladen wird. Über die Versorgungsleitung 42b gibt der Energiespeicher 44 einen Strom oder eine Spannung 43b an den Elektromotor 41 ab.

Der Vorteil liegt hier darin, dass samtliche Bewegungsenergie der Turbine 12 nun in elektrische Energie umgewandelt werden kann und erst bei Bedarf, sofern der Verdichter 11 die ent^¬ sprechende Verdichterleistung benotigt, über den Elektromotor 41 aus dem Energiespeicher 44 abgerufen werden kann. Es erfolgt hier somit eine hinsichtlich des Wirkungsgrades des Verdichters 11 und der Turbine 12 optimale Ausnutzung der Be^¬ wegungsenergie der Turbine 12.

Fig. 4 zeigt ferner eine Steuereinrichtung 50. Die Steuereinrichtung 50 kann Bestandteil des Turboladers 10 oder der Brennkraftmaschine 30 sein oder auch als davon unabhängige Steuereinrichtung, beispielsweise als Bestandteil der Motorsteuerung, ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 50 ist dazu ausgebildet, den Elektromotor 41, den Generator 40 und die Energieversorgung 44 über Steuersignale Sl - S3 zu steu- ern, so dass durch den Generator 40 und den Elektromotor 41 ein optimaler Wirkungsgrad erzielt wird.

Im Unterschied zu dem Ausfuhrungsbeispiel in der Fig. 3 ist in dem Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 5 zwischen dem Generator 40 und der Turbine 12 ein erstes Getriebe 45 vorgesehen. Dieses Getriebe 45 ist dazu ausgelegt, die Umdrehungen des Tur^¬ binenrades auf eine gewünschte Nennumdrehung des Generators 40 umzusetzen. Vorzugsweise kann hier beispielsweise auch eine Kupplung vorgesehen sein, über die beispielsweise unter- schiedliche Umdrehungsgeschwindigkeiten der Turbine 12 umgesetzt werden können. In gleicher Weise ist zwischen dem Verdichter 11 und dem Elektromotor 41 ein zweites Getriebe 46 vorgesehen. Das Getriebe 46 ist dazu ausgelegt, eine von dem Elektromotor 41 bereitgestellte Umdrehungsgeschwindigkeit auf eine gewünschte Umdrehungsgeschwindigkeit des Verdichterrades 11 umzusetzen.

Das Turbinenrad weist typischerweise eine sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeit von beispielsweise 50 - 200.000 Umdre^¬ hungen pro Minute auf, wahrend gangige Generatoren auf Nenn^¬ drehzahlen im Bereich von einigen 10.000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt sind. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die hohe Umdrehungszahl des Turbinenrades mittels eines Getriebes eben auf die optimale Drehzahl des Generators umzusetzen bzw. in diesem Falle herabzusetzen. Aus diesem Grunde ist das erste Getriebe 45 vorzugsweise als Untersetzgetriebe ausgebildet. Aus einem ähnlichen Grund ist das zweite Getriebe 46 vorzugsweise als Ubersetzgetπebe ausgebildet.

Im Unterschied zu dem Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 3 ist in dem Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 6 ein zusätzlicher Motor 47 vorgesehen, der über die Kurbelwelle 35 gekoppelt ist. Im Beispiel in Fig. 6 ist der zusätzliche Motor als integrierter Startergenerator 47 ausgebildet, der sowohl als Anlasser wie auch als Generator wirken kann. Der Startergenerator 47 ist über eine Versorgungsleitung 48 mit dem Generator 40 verbunden. Wirkt der Startergenerator als Anlasser, dann kann er zum Starten des Motors 31 über den Generator 40 und die Versorgungsleitung 48 mit Energie versorgt werden. Der integrierte Startergenerator 47 ist über eine zweite Versorgungs^¬ leitung 49 ferner mit dem Elektromotor 41 verbunden. Wirkt der Startergenerator als Generator, dann kann er die gewonne- ne elektrische Energie über die Versorgungsleitung 49 dem E- lektromotor 41 zufuhren.

Die vorliegende Erfindung sei nicht auf die vorstehenden Ausfuhrungsbeispiele beschrankt, sondern lasst sich selbstver- standlich auf mannigfaltige Art und Weise modifizieren.

In den vorstehend genannten Ausfuhrungsbeispielen eines Turboladers 10 (Fig. 1 und 2) und einer Brennkraftmaschine 30 (Fig. 3 bis 6) wurden diese zur besseren Erläuterung der Erfindung relativ einfach dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine selbst^¬ verständlich auch einen Ladeluftkuhler, ein Abgasauslasssys- tem, welches z.B. einen Katalysator, einen Abgasfilter und einen Auspuff enthalt, Drosselklappen, Rückschlagventile und dergleichen aufweisen kann, auch wenn diese hier nicht expli^¬ zit beschrieben sind. In gleicher Weise kann ein Turbolader abgasseitig ein so genanntes Waste-Gate-Ventil, welches Be- standteil einer entsprechenden Bypasseinπchtung ist, aufweisen, über welches in an sich bekannter Weise zmmdest eine der Turbinen uberbruckbar ist, auch wenn dies, wie vorstehend beschrieben, hier nicht unbedingt erforderlich ist. In gleicher Weise kann im Anstrompfad auch eine Bypasseinπchtung vorgesehen sein, die z.B. der Uberbruckung zumindest eines Verdichters dient.

Es versteht sich auch von selbst, dass die in den Ausfuh- rungsbeispielen in den Fig. 3 - 6 dargestellten Elemente selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden können. Auch sind die die vorstehenden Zahlenangaben lediglich beispielhaft zu verstehen. Wenngleich lediglich in Fig. 4 eine Steuereinrichtung dargestellt ist, versteht es sich von selbst, dass in den Fig. 3, 5 und 6 ebenfalls Steueremrich- tungen zum Steuern der Turboladeranordnung sowie der Brennkraftmaschine vorgesehen sein können.

In allen Ausfuhrungsbeispielen wurde stets von einem einstufigen Turbolader ausgegangen. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung selbstverständlich auch auf mehrstufige

Turboladeranordnungen erweiterbar ist. In diesem Falle konnten alle Turbinen und Verdichter voneinander jeweils mechanisch entkoppelt sein. Ebenfalls vorteilhaft wäre es, wenn beispielsweise die Turbine und der Verdichter zumindest der ersten Turboladerstufe mechanisch miteinander gekoppelt sind und die Turbine und der Verdichter zumindest der zweiten Turboladerstufe mechanisch - wie in den Figuren 1 bis 6 dargestellt wurde - voneinander entkoppelt sind. Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer mechanischen Ent^¬ kopplung der Turbinen und des Verdichters derselben Turbola^¬ derstufe erläutert, indem diese mechanische Entkopplung mit- tels einer elektromechanischen Kopplung realisiert wird. Diese elektromechanische Kopplung sieht auf der Turbinenseite einen Generator und auf der Verdichterseite einen Elektromo^¬ tor als mechanische Elemente vor, die durch eine elektrische Kopplung miteinander gekoppelt sind. Statt dieser elektrome- chanischen Kopplung wäre auch eine (zumindest teilweise) pneumatische, hydraulische oder andersartige nicht aus^¬ schließlich mechanische Kopplung denkbar.

Claims

Patentansprüche

1. Turboladeranordnung (10), insbesondere in oder für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Turboladerstufe (13), die eine Turbine (12) und einen Verdichter (11) aufweist, welche mechanisch voneinander entkoppelt sind.

2. Turboladeranordnung nach Anspruch 1, dadu rch ge ke nn z e i chne t , dass die Turbine (12) und der Verdichter (11) derselben Turboladerstufe (13) miteinander elektro-mechanisch gekoppelt sind.

3. Turboladeranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (12) eine erste Welle (22) und der Verdichter (11) eine von der ersten Welle (22) mechanisch entkoppelte zweite Welle (23) aufweist.

4. Turboladeranordnung nach Anspruch 3, dadu rch ge ke nn z e i chne t , dass die Turbine (12) über die erste Welle (22) und/oder ein erstes Getriebe (45) mit einem Generator (40) mechanisch ge^¬ koppelt ist und dass der Generator (40) dazu ausgelegt ist, aus der Bewegungsenergie der Turbine (12) elektrische Energie (43, 43a, 43b) zu erzeugen.

5. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) über die zweite Welle (23) und/oder ein zweites Getriebe (46) mit einem Elektromotor (41) mecha^¬ nisch gekoppelt ist und dass der Elektromotor (41) dazu ausgelegt ist, aus der ihm zugefuhrten elektrischen Energie (43, 43a, 43b) den Verdichter (11) anzutreiben.

6. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadu rch ge ke nn z e i chne t , dass der Generator (40) mit dem Elektromotor (41) über eine elektrische Koppeleinrichtung (42, 42a, 42b, 44) verbunden ist und der Generator (40) dazu ausgelegt ist, den Elektromo^¬ tor (41) mit elektrischer Energie (43, 43a, 43b) zu versor- gen.

7. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (40) als Synchronmaschine oder als Asyn- chronmaschine ausgebildet ist.

8. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (41) als Synchronmaschine oder als A- Synchronmaschine ausgebildet ist.

9. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Getriebe (45) als Untersetzgetriebe (45) und/oder dass das zweite Getriebe (46) als Ubersetzgetriebe (46) ausgebildet ist.

10. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher (44) vorgesehen ist, der durch den

Generator (40) gespeist ist und der den Elektromotor (41) mit elektrischer Energie (43, 43a, 43b) versorgt.

11. Turboladeranordnung nach Anspruch 10, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Energiespeicher (44) als Akkumulator und/oder als Supercap-Kondensator und/oder als Hochleistungskondensator ausgebildet ist.

12. Turboladeranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verdichter (11) und die Turbine (12) in einem gemeinsamen Turboladergehause (25) integriert sind.

13. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Gehäuse (26) vorgesehen ist, in dem der Ver- dichter (11) angeordnet ist, und dass ein davon verschiedenes zweites Gehäuse (26) vorgesehen ist, innerhalb dem die Turbi^¬ ne (12) angeordnet ist.

14. Turboladeranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstrompfad (15) der Turboladeranordnung (19), in^¬ nerhalb dem die Turbine (12) angeordnet ist, ohne Bypass- Wastegate ausgebildet ist.

15. Turboladeranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turboladeranordnung (10) zweistufig ausgebildet ist, wobei eine erste Turboladerstufe als Hochdruckstufe mit einer Hochdruckturbine und einem Hochdruckverdichter und eine zwei- te Turboladerstufe als Niederdruckstufe mit einer Nieder- druckturbme und einem Niederdruckverdichter ausgebildet ist.

16. Turboladeranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Turbine (12) und der Verdichter (11) derselben Turboladestufe (13) miteinander zumindest teilweise hydraulisch oder pneumatisch gekoppelt sind.

17. Turboaufladbare Brennkraftmaschine (30),

mit einem Motor (31), der eine Kurbelwelle (35) sowie einen Ansaugkrummer (32) und einen Abgaskrummer (33) aufweist,

mit einer Turboladeranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, die mit ihrem Anstrompfad (14) mit dem Ansaugkrum^¬ mer (32) über entsprechende Saugrohrleitungen (20b) verbunden ist und die mit ihrem Abstrompfad (15) mit dem Abgaskrummer (33) über Abgasrohrleitungen (21b) verbunden ist.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Generator (40) Bestandteil der Lichtmaschine ist.

19. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein integrierter Startergenerator (47) vorgesehen ist, der mit der Kurbelwelle (35) verbunden ist.

20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Generator (40) und/oder der Elektromotor (41) über Versorgungsleitungen (48, 49) mit dem Startergenerator (47) verbunden sind.

21. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (50) zur Steuerung des Elektr- omotors (41) und/oder des Generators (40) vorgesehen ist.

22. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Hybridmotors ist.