WO2008125552A1 - Turboladeranordnung und turboaufladbare brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2008125552A1
WO2008125552A1 PCT/EP2008/054236 EP2008054236W WO2008125552A1 WO 2008125552 A1 WO2008125552 A1 WO 2008125552A1 EP 2008054236 W EP2008054236 W EP 2008054236W WO 2008125552 A1 WO2008125552 A1 WO 2008125552A1
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WO
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turbocharger
compressor
turbine
generator
internal combustion
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PCT/EP2008/054236
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dick Amos
Ulrich Bast
Andre Kaufmann
Udo Schwerdel
Francis Heyes
Norbert Huber
Achim Koch
Georg Mehne
Gerhard Schopp
Markus Teiner
Original Assignee
Napier Turbochargers Limited
Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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Priority to EP08735962A priority patent/EP2140118A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
    • F02B39/08—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio
    • F02B39/10—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/04—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump
    • F02B37/10—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump at least one pump being alternatively or simultaneously driven by exhaust and other drive, e.g. by pressurised fluid from a reservoir or an engine-driven pump
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger arrangement, in particular in or for a motor vehicle, as well as a turbochargeable internal combustion engine with such a turbocharger arrangement.
  • Turbocharger is a charging system for an internal combustion engine, by means of which the cylinders of the internal combustion engine are subjected to an increased charge air pressure.
  • the turbocharger consists of an exhaust gas turbine in the exhaust gas flow (discharge path), which is typically mechanically connected to a compressor in the intake tract via a common shaft.
  • the turbine is set in rotation by the exhaust gas flow of the engine and thus drives the compressor.
  • the compressor increases the pressure in the intake tract (intake path) of the engine, so that through this compression during the intake stroke, a larger amount of air enters the cylinders of the internal combustion engine than in a conventional naturally aspirated engine. This provides more oxygen for combustion.
  • This increases the mean pressure of the engine and its torque, which significantly increases the power output.
  • the supply of a larger amount of fresh air associated with the compression process is called charging.
  • variable turbine geometry VVTG
  • these systems are expensive in terms of manufacturing and construction engineering.
  • turbocharger Another possibility is the use of a two- or multi-stage turbocharger.
  • Each of these turbocharger stages has its own turbine and its own compressor, which are coupled together via a shaft.
  • the problem of a turbo lag is indeed reduced in such turbochargers, but still present. This is due to the still existing rigid mechanical coupling of turbine and compressor.
  • modern Turbochargers use a two-stage supercharging system, but has a turbocharger stage only ei ⁇ NEN compressor on, which takes from a turbine of a switchable to ⁇ electric motor (so-called e-booster) is driven. Again, however, a rigid mechanical coupling is present.
  • turbocharger housing This is u.a. on the rigid mechanical coupling between compressor and turbine.
  • turbocharger is disposed either on the side of the intake manifold or on the side of the exhaust manifold of the engine.
  • more or less long pipes are available for connecting the turbocharger to the engine.
  • this is disadvantageous for reasons of current engineering.
  • very long pipelines result in a reduced, available space within the engine compartment.
  • turbocharger the Anstrom- path and Abstrompfad can be ⁇ largely independent of ⁇ sets.
  • Another object is to provide a turbocharger, the connecting pipes to the exhaust manifold and intake manifold of the internal combustion engine as short as possible ⁇ is formed.
  • Another object is to reduce the undesirable effect of the turbo lag in a turbocharger.
  • a further object is to provide a turbocharger whose construction is adapted and optimized to the circuit of the working media of an internal combustion engine.
  • At least one of said objects is achieved by a turbocharger having the features of patent claim 1 and / or by an internal combustion engine having the features of patent claim 17.
  • a turbocharger arrangement in particular in or for a
  • At least one turbocharger stage which has a turbine and a compressor, which are mechanically decoupled from each other.
  • a turbo-superchargeable internal combustion engine comprising an engine having a crankshaft and an intake manifold and an exhaust manifold, with a turbocharger assembly according to the invention, which is connected with its Anströmpfad to the intake manifold via respective intake manifolds and which is connected with its discharge path to the exhaust manifold via exhaust pipes.
  • the present invention is based the idea is to decouple at a turbocharger or of a correspondingly turboemployed- charged internal combustion engine, the downstream side and the on ⁇ strömseite the turbocharger mechanically from one another. Due to this mechanical decoupling, the turbocharger has an additional degree of freedom, in particular can be used in the design and layout of the downstream and upstream side of the turbocharger housing.
  • turbocharger turbine and compressor no longer need to be very close together to provide a compact turbocharger.
  • the turbine of the turbocharger can be mounted as close to the Abgaskrum ⁇ mer and at the same time the compressor of the turbocharger can also be arranged close to the intake manifold of the engine.
  • Em further advantage of the mechanical decoupling is that the compressor and turbine of a turbocharger bes ⁇ ser can now be adapted to the design of the engine, while the intake manifold and exhaust manifold.
  • Another requirement with a turbocharger is that the fresh air compressed by the compressor be as cool as possible to thereby provide the highest possible efficiency in the combustion of fuel in the engine.
  • hot exhaust gas is generated which drives the turbocharger's turbines while at the same time heating the turbine-side elements of the turbocharger.
  • the common shaft acts as a heat bridge to some extent and contributes to undesirably transferring the turbine-side heat to the compressor, which leads to an undesired heating of the air supplied to the air flow side.
  • the turbine and the compressor of a turbocharger stage are coupled to each other electromechanically. Electromechanical in the sense that no direct mechanical connection between the turbine and the corresponding compressor is present, but only an electrical connection or coupling device is present.
  • the turbine has a first shaft and the compressor has a second shaft that is mechanically decoupled from the first shaft.
  • the first shaft and the two TE wave are merely coupled to one another by an electrical Koppeleinrich ⁇ processing.
  • u- is coupled via the first wave directly to a generator where ⁇ is designed in the generator therefor, of the movement Sener ⁇ energy of the turbine wheel, which anget ⁇ e- from the hot exhaust gas is ben, electric power to produce.
  • the turbine is coupled to the generator via a first transmission.
  • the use of a ⁇ Ver Koch- or step-down gear is expedient to adjust the optimal generator to its rated speed and data with the best efficiency of the generator.
  • the compressor is mechanically coupled via the second shaft with an electric motor.
  • the electric motor is designed to drive the compressor and in particular its compressor wheel from the electrical energy supplied to it.
  • a second transmission may be provided, via which the electric motor is coupled to the compressor.
  • the second gearbox provides for providing a corresponding speed for the compressor wheel.
  • a preferred embodiment provides that the generator is connected to the electric motor via an electrical coupling device, for example a supply line.
  • the generator is designed to supply the electric motor via this coupling device or supply line with electrical energy.
  • the generator is designed as a synchronous machine or as an asynchronous machine.
  • the generator can act as a controllable generator.
  • the electric motor is designed as an asynchronous motor or as a synchronous motor.
  • the electric motor can both be used as a drive motor for driving the compressor zoom used as a braking device.
  • the electric motor can decelerate the compressor, so that the compressor acts as a kind of throttle valve and thus contributes to the braking of the engine.
  • the compressor was not generated in this case, the desired boost pressure for the engine, so that the engine of the internal combustion engine is no longer supplied with sufficient fresh air, which ultimately leads to deceleration of the engine.
  • the compressor has a higher speed than conventional electric motors provide.
  • the second (E- lektromotor-) transmission is designed as a transmission gear to produce the high speeds of the compressor.
  • the turbine usually has a higher speed than conventional generators can handle.
  • the first (generator) transmission is designed as a reduction gear.
  • the first and the second gear are matched to the respectively associated generator or electric motor and in particular to their rated speeds and rated power. In this way, the efficiency of the generator or the E can be Tar ⁇ true to the respective rotational speeds of the turbine wheel or the compressor wheel lektromotors optimal.
  • an energy storage - as part of the electrical coupling device - provided.
  • the energy storage is fed in this case by the generator.
  • this energy store can supply the electric motor with electrical energy via a supply line provided for this purpose and thus enable the compressor to be driven by the electric motor.
  • the compressor can be supplied with energy just when the compressor has to provide the desired compressor capacity.
  • a Ent ⁇ coupling of the rotational speeds of the turbine and the compressor is implemented, which also leads inter alia to minimize the adverse effect of the turbo lag.
  • It also prevents the turbine and thus also the compressor from turning ever higher and, due to a feedback of the rotational speed of the compressor to the compressor turbine, reaching its delivery limit and exceeding the mechanical and thermal limits of the engine.
  • an excessive turbine power is stored temporarily in the energy store. This energy is retrieved by the electric motor when the compressor is to provide the desired compressor performance.
  • the energy store is designed as an accumulator ⁇ tor, supercap capacitor (or short supercap) and / or high performance capacitor.
  • a supercap is particularly preferred since it is able to store large electrical energies in a short time. The lifetime of such a supercap is significantly higher than that of a corresponding accumulator.
  • the turbine and the compressor mechanically decoupled with this turbine are integrated in a common turbocharger housing. This embodiment allows a very compact implementation of the turbocharger.
  • a first turbocharger housing is provided, in which the compressor is arranged.
  • a second, different from the first turbocharger housing and typically separate turbocharger housing is provided, within which the turbine is arranged.
  • the electric motor and in the second housing the generator is arranged.
  • the turbine and the compressor are coupled to each other via electrical connection line.
  • the compressor of the turbocharger can be positioned in relative proximity to the intake manifold of the internal combustion engine.
  • the turbine of the turbocharger can be positioned in relative proximity to the Abgaskrummer.
  • the piping between compressor and Ansaugkrummer or between exhaust manifold and turbine very short, making flow losses are minimal.
  • the efficiency of a sol ⁇ Chen turbocharger is thereby optimized. This embodiment allows for a construction of the engine optimized and compact design of the turbocharger.
  • no wastegate bypass arrangement is required for the flow path of the turbocharger.
  • a waste gate is required in conventional turbochargers to prevent an excessive increase in the turbine speed, to prevent - as stated above - that the turbine and thus the compressor of the turbocharger rotate higher and higher, due to their mechanical coupling to it can cause the motor to go beyond its mechanical and thermal limits. Since now the turbine and the compressor are mechanically decoupled from each other, this danger no longer exists.
  • the turbocharger is deran himself-stage, wherein a first turbocharger stage is designed as a high pressure stage with a high pressure turbine and a high pressure compressor.
  • the second turbocharger stage is designed as a low-pressure stage with a low-pressure turbine and a low-pressure compressor.
  • the turbine and the compressor of the same turbocharger stage are at least partially pneumatically and / or hydraulically coupled to each other. At least partially in this context means that mechanical elements are provided, but that the turbine and the compressor of a respective turbocharging stage are not exclusively mechanically coupled to each other.
  • the generator of the turbocharger arrangement is part of the generator. In this way, you can rely on your own NEN generator for the turbine of the turbocharger assembly can be omitted.
  • the internal combustion engine has an integrated starter generator, which is connected to the crankshaft or the drive shaft of the engine.
  • a Starterge ⁇ generator is a three-phase asynchronous machine that can work both as a starter as well as a generator.
  • the generator and / or the electric motor of the turbocharger assembly are connected via respective supply lines to the starter generator.
  • the starter generator if it acts as a starter, are supplied via the supply line to the generator of the turbocharger of this with electrical energy.
  • the starter generator if it acts as a generator in this case, supply the electric motor via a further supply line to the electric motor of the turbocharger as it were with energy. In this case, can be dispensed with a dedicated energy storage.
  • an intelligent energy management which includes the starter generator, the power supply, the generator of the turbocharger and / or the electric motor of the turbocharger with each other, this being preferably controlled by a dedicated control device.
  • the turbo-superchargeable internal combustion engine also includes an additional electric drive for driving the crankshaft and is thus designed as a hybrid engine.
  • FIG. 2 shows a simplified representation of a second exemplary embodiment of a turbocharger according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of a first embodiment of an exemplary embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of a second embodiment of an exemplary embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a third exemplary embodiment of an inventive internal combustion engine
  • FIG. 6 is a schematic representation of a fourth embodiment of an exemplary embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an inventive, greatly simplified turbocharger, which has only the essential components of a turbocharger.
  • the turbocharger 10, designated by reference numeral 10 has a compressor 11 and a turbine 12.
  • the turbocharger 10 in Fig. 1 is formed in one stage, that is, it has only one turbocharger stage 13.
  • the compressor 11 is arranged in a Anstrompfad 14 and the turbine 12 in a Abstrompfad 15.
  • the Anstrompfad 14 of the turbocharger 10 is defined between a fresh air inlet 16, sucked on the fresh air is, and a fresh air outlet 17, on the compressed by the compressor 11 fresh air from the turbocharger 10 simplyge ⁇ provides. This discharged, compressed fresh air is fed to a fresh air inlet side of an internal combustion engine (not shown in FIG. 1).
  • the Abstrompfad 15 of the turbocharger 10 is defined between a Abgasemlass 18 via the by the internal ⁇ combustion engine (in Fig. 1 not shown), exhaust gas generated m the turbocharger 10 is introduced, and an exhaust gas outlet 19 through which can flow the exhaust gas Removing ,
  • the Anstrompfad 14 is often referred to as intake ⁇ tract, fresh air side, compressor side or charge air side.
  • the Abstrompfad 15 is often referred to as exhaust path or exhaust gas side.
  • a respective compressor 11 has an inlet on the outlet side and an outlet on the outlet side.
  • the flow direction is determined in the Anstrompfad 14 and Abstrompfad 15 by the flow of air fresh air 20 and the exhaust gas 21.
  • the flow direction of the fresh air 20 and the exhaust gas 21 is shown by corresponding arrows.
  • a first pipe 20a is provided between the fresh air inlet 16 and the inlet of the compressor 11. Further, another pipe 20 b is provided between the outlet of the compressor 11 and the fresh air outlet 17. In the same way, a pipeline 21b is provided between the exhaust gas inlet 18 and the turbine 12, and a second pipeline 21a is provided between the turbine 12 and the exhaust gas outlet 19.
  • the turbine 12 or its turbine wheel is fixedly coupled to a first shaft 22.
  • the turbine wheel thus drives the first shaft 22.
  • the compressor 11 or its compressor wheel is fixedly coupled to a second shaft 23.
  • the compressor 11 is driven via the second shaft 23.
  • the first shaft 22 of the turbine 12 is thus completely mechanically decoupled from the second shaft 23 of the compressor 11.
  • the turbine 12 and the compressor 11 are electrically coupled to one another via an electrical coupling device 24.
  • the configuration of this coupling device 24 will be described in more detail below with reference to FIGS. 3-6.
  • the compressor 11 and the turbine 12 and preferably also the coupling device 24 are completely integrated in a common turbocharger housing 25.
  • the compressor 11 and the second shaft 23 are arranged in a first turbocharger housing 26.
  • the turbine 12 with the first shaft 22 is arranged in a second turbocharger housing 27, which is different therefrom and may also be separate from the first turbocharger housing 26.
  • the electrical coupling device 24 may, as in the example shown, be arranged outside the first and second turbocharger housings 26, 27 or alternatively in the first housing 26 and / or the second housing 27.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
  • Fig. 1 is in the exemplary embodiment in
  • Fig. 3 in addition to the internal combustion engine 30 shown.
  • the motor 31 has a drive shaft 35, the so-called crank ⁇ shaft 35.
  • the engine block 31 or short engine 31 of the internal combustion engine 30 has four cylinders 34 in the present exemplary embodiment, which, however, is only to be understood as an example. Also, the internal combustion engine 30 and the coupling to the turbocharger 10 is shown here greatly simplified.
  • the motor 31 of the engine 30 has an air inlet 32 ⁇ outlet side (intake manifold) and an exhaust gas outlet 33 (exhaust manifold).
  • the air inlet side 32 is here connected to the fresh air outlet 17 of the turbocharger 10 and the exhaust Gas outlet side 33 is connected to the exhaust gas inlet 18 of the turbocharger 10.
  • a generator 40 is provided in the discharge path 15 (eg as part of the turbocharger or else outside the housing, which is mechanically rigidly connected to the turbine 12 via the first shaft 22.) the exhaust gas flow 21 is driven, then this turbine wheel drives the generator 40 via the first shaft 22. The generator 40 generates electrical energy from this kinetic energy.
  • the generator 40 may also be, for example, the generator of an alternator already present in a motor vehicle. In this case, it is possible to dispense with a generator provided specifically for the turbine 12.
  • an electric motor 41 is provided in the Anstrompfad 14.
  • the electric motor 41 is mechanically connected to the compressor wheel of the compressor 11 via the second shaft 23.
  • the electric motor 41 is designed to drive the compressor wheel via the second shaft 23, which subsequently compresses the fresh air 20 supplied to the compressor 11 and supplies it to the engine 31 of the internal combustion engine 30.
  • the electrical energy required by the electric motor 41 for this purpose, is in the
  • Exemplary embodiment of FIG. 3 is supplied via a supply line 42 directly from the generator 40.
  • ⁇ generator 40 a current 43 which is supplied to the electric motor 41 via the supply line 42 and which drives the electric motor 41 and thus the compressor wheel.
  • the internal combustion engine in FIG. 4 additionally has a rechargeable energy store 44.
  • the energy store 44 is formed in FIG. 4 as a supercap, which is designed to deliver the stored energy very quickly again.
  • the energy store 44 is connected to the generator 40 on the supply side via a first supply line 42a. Further is the rechargeable energy store 44 on the output side connected via a second supply line 42 b to the electric motor 41.
  • the energy accumulator 44 is thus on the supply line 42a ⁇ a stream 43a and / or a voltage 43a conces- leads, via which the energy storage device 44 charged. Via the supply line 42b, the energy store 44 outputs a current or a voltage 43b to the electric motor 41.
  • control device 50 also shows a control device 50.
  • the control device 50 can be part of the turbocharger 10 or the internal combustion engine 30 or can also be designed as a control device independent therefrom, for example as part of the engine control.
  • the control device 50 is configured to control the electric motor 41, the generator 40 and the power supply 44 via control signals S 1 -S 3, so that optimal efficiency is achieved by the generator 40 and the electric motor 41.
  • a first transmission 45 is provided in the exemplary embodiment in FIG. 5 between the generator 40 and the turbine 12.
  • This transmission 45 is designed to convert the rotations of the door ⁇ binenrades to a desired nominal revolution of the generator 40th
  • a coupling can also be provided here, via which, for example, different rotational speeds of the turbine 12 can be implemented.
  • a second gear 46 is provided between the compressor 11 and the electric motor 41.
  • the transmission 46 is adapted to one of the Electric motor 41 provided rotational speed to a desired rotational speed of the compressor wheel 11 implement.
  • the turbine typically has a very high rotation speed, for example 50 - 200,000 Flip Cellphone ⁇ relations per minute, while gangige generators to nominal ⁇ speeds in the range of several 10,000 revolutions per minute are designed.
  • the first gear 45 is preferably designed as a reduction gear.
  • the second gear 46 is preferably designed as a translating belt.
  • an additional motor 47 is provided, which is coupled via the crankshaft 35.
  • the additional motor is designed as an integrated starter generator 47, which can act both as a starter and as a generator.
  • the starter generator 47 is connected to the generator 40 via a supply line 48. If the starter generator acts as a starter, then it can be energized to start the engine 31 via the generator 40 and the supply line 48.
  • the integrated starter generator 47 is further connected via a second supply ⁇ line 49 to the electric motor 41. If the starter generator acts as a generator, then it can feed the generated electrical energy via the supply line 49 to the electric motor 41.
  • a turbocharger on the exhaust side a so-called waste gate valve, which is part of a corresponding Bypassein ⁇ chtung have, over which in a conventional manner zmmdest one of the turbines is überbruckbar, even if this, as described above, here is not essential.
  • a Bypassein ⁇ chtung be provided in the Anstrompfad, which serves as the bridging at least one compressor.
  • FIGS. 3 to 6 can of course also be combined with one another. Also, the above figures are to be understood as exemplary only. Although a control device is shown only in FIG. 4, it goes without saying that control devices for controlling the turbocharger arrangement as well as the internal combustion engine can also be provided in FIGS. 3, 5 and 6.
  • Turbocharger arrangements is expandable.
  • all turbines and compressors could be mechanically decoupled from each other.
  • the turbine and the compressor of at least the first turbocharger stage are mechanically coupled together and the turbine and the compressor of at least the second turbocharger stage mechanically - as shown in Figures 1 to 6 - are decoupled from each other.
  • the invention has been explained above on the basis of a mechanical Ent ⁇ coupling the turbine and compressor same Turbola ⁇ dernote by these mechanical decoupling is implemented with- means of an electromechanical coupling.
  • This electromechanical coupling sees on the turbine side in front of a generator and on the compressor side a Elektromo ⁇ tor as mechanical elements coupled to each other by an electrical coupling.
  • this electro-mechanical coupling would also be (at least partially) of pneumatic, hydraulic or other types of inconceivable from ⁇ finally mechanical coupling.

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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.
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