WO2016087125A1 - Aufladeeinrichtung für einen verbrennungsmotor und betriebsverfahren für die aufladeeinrichtung - Google Patents

Aufladeeinrichtung für einen verbrennungsmotor und betriebsverfahren für die aufladeeinrichtung Download PDF

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WO2016087125A1
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compressor
exhaust gas
turbine
line
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PCT/EP2015/074694
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Jan Ehrhard
Nisar Al-Hasan
Hong Zhang
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • 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
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    • 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 charging device for an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and an operating method for this charging device.
  • Exhaust gas turbochargers are increasingly used to increase performance in internal combustion engines, especially in motor vehicles. This happens more and more often with the goal of the United ⁇ brennungsmotor with the same or even increased performance in size and weight to reduce the same time, in this regard to reduce consumption, and thus C02 emissions in view of increasingly stringent legal requirements.
  • the operating principle is to use the energy contained in the exhaust stream to increase the pressure in the intake of the engine and thus to better fill the combustion chamber with air-oxygen and thus more fuel, for
  • Example gasoline or diesel to convert per combustion process, so to increase the performance of the internal combustion engine.
  • An exhaust gas turbocharger has to building up the pressure with a brennungsmotors arranged in the exhaust line of the comparison with a turbine driven by the gas stream from ⁇ turbine impeller and a compressor arranged in the intake duct
  • Turbine and compressor impeller are rotatably secured to the opposite ends of a rotor shaft and thus form the turbocharger rotor, which is rotatably mounted with its rotor shaft in a bearing assembly arranged between the turbine and compressor.
  • the turbine runner and the rotor shaft in turn driven the compressor impeller and the exhaust gas energy used to build up pressure in the intake.
  • Turbines and compressors are turbomachines and have due to the physical laws of each of Size and design dependent optimal operating range is characterized by the mass flow rate, the pressure ratio and the speed of the respective impeller.
  • the operation of an internal combustion engine in a motor vehicle is characterized by dynamic changes of the load and the operating range.
  • VGT variable turbine geometries
  • Wastegate facilities on the exhaust or turbine side and recirculation or blower devices on the supply air or compressor side equipped. These serve to minimize the sluggish behavior and thus the delayed response of the turbocharger and to avoid damaging operating conditions.
  • turbochargers in parallel or sequential arrangement or additional mechanically or electromotively operated compressors, so-called compressors or superchargers, to cope with the different operating conditions of the internal combustion engine, the power in each speed range and especially during acceleration operations efficiently increase and in particular the dreaded turbo lag, caused by too low boost pressure in low speed ranges of the turbocharger in conjunction with the inertia of the turbocharger ⁇ Lader ceremoniesrs to avoid.
  • Such a charging device the a conventional exhaust gas turbocharger and arranged in the fresh air mass flow in series or parallel to the turbocharger compressor auxiliary compressor with an independent of the exhaust gas flow, for example has electromotive drive, is disclosed for example in DE 100 23 022 AI.
  • compressor pumps refer to an operating condition in which already compressed air flows back in periodic bursts from the high-pressure side of the compressor via the compressor impeller and thus generates undesirable vibrations in the intake tract.
  • exhaust gas is routed past the turbine of the turbocharger, for example via a wastegate device, into the exhaust gas tract, and already compressed fresh air is blown off after the compressor or expanded and returned to the intake region via a propulsion air device.
  • the arrangement and operation of such a diverter valve is known for example from the documents DE 28 23 067 C2 and DE 197 12 850 AI.
  • a corresponding internal combustion engine inherently has a suction side, via which it receives fresh air or a combustion-material ⁇ fresh air mixture, and an exhaust side through which it delivers the resulting exhaust gas after combustion at.
  • Such an internal combustion engine may be a single or multi-cylinder reciprocating engine powered by fuels such as gasoline, diesel or a combustible gas.
  • the charging device for an internal combustion engine having a suction side arranged on its intake duct and, arranged on its exhaust side from ⁇ gas tract, has an exhaust gas turbocharger with an exhaust gas turbine disposed in the exhaust system, and a
  • the fresh air compressor is connected to a Frischluftzutax adopted on its low pressure side and is connected on its high pressure side via a charge air supply line, for guiding a charge air mass flow generated by the fresh air compressor, with the intake side of the engine, for example via a throttle valve and a charge air manifold.
  • the charging device is characterized by the additional arrangement of a recuperation loader, which has a compressor turbine with a high-pressure side and a low-pressure side and an electromechanical motor generator coupled thereto.
  • the compressor turbine viaönsver ⁇ compounds and valve devices on the one hand on their low der umanseite coupled both to the charge air supply line and to a blow-off and on the other hand on its high-pressure side both to the charge air supply line and to a Abgasabloomtechnisch in the exhaust system.
  • the recuperation charger can be operated, depending on the settings of the valve devices mentioned, at least in two different operating modes.
  • recuperation loader is understood to mean a device which combines a paddle wheel turbine with a connected generator and a paddle wheel compressor with a connected electric motor in one device. So are one
  • the electric motor and the generator are in one
  • Rotary field machine to a so-called above and also referred to as hereinafter motor-generator combined as a unit.
  • the compressor turbine and the motor-generator are coupled together directly or via an intermediate gear and form as a unit the Rekuperationslader.
  • the property of electric induction machines is used, that these can be driven on the one hand when exposed to a voltage and current as an electric motor and on the other hand powered by an external torque generate voltage itself and can deliver power.
  • the design of the corresponding induction machine for use as a motor generator must therefore take into account both purposes.
  • Compressor in an amplifier mode or as a turbine driving the generator in a Rekuperations worriessart.
  • Another possibility is in the neutral circuit of the Mo ⁇ gate generator, which corresponds to a freewheel of the compressor turbine and can be used in a here and hereinafter so-called standard mode.
  • An advantageous embodiment of the decorated Aufladeein ⁇ device is characterized in that the low-pressure side of the compressor-turbine branch point via a low pressure branch line and a first valve means in a first Ladeluftverzwei- with the charge air supply line is connected.
  • the low-pressure branch line is moreover connected in a low-pressure branch point via the first valve device or a further valve device to a discharge line.
  • the high-pressure branch line is connected in a high-pressure branch point via an exhaust gas recirculation line and at least one third valve device in an exhaust branch point to an exhaust discharge line in the exhaust gas tract.
  • the charge air supply line between the first charge air branching point and the second charge air branching point can be blocked by means of the first or second valve device or at least one further valve device.
  • This configuration has the advantage that the charging device can be operated both in an amplifier mode for increasing the pressure in the intake tract and in at least one recuperation mode for the recovery of temporarily excess energy of the charge air mass flow or the exhaust gas mass flow.
  • This is made possible by can be reversed by appropriate adjustment of the valve means on the one hand, the flow direction of the charge air mass flow through the compaction ⁇ ter-turbine in a particularly simple manner and on the other hand at the same time branched an exhaust mass flow from the exhaust gas tract of the internal combustion engine and simultaneously with the charge air mass flow or instead on the compressor Turbine can be routed.
  • a further embodiment of the charging device is characterized in that one or more charge air coolers are arranged at one or more positions in the charge air supply line in the charge air mass flow upstream or downstream of the compressor turbine. This has an advantageous effect on the Operating temperatures of the arranged in the charge air mass flow function components and causes a further improved filling of the cylinders of the engine with oxygen.
  • the compressor-turbine of the Rekuperationsladers to a compaction ⁇ ter-turbine housing with a therein arranged fixedly ⁇ or variable vane assembly for optimizing the Abström s or Anström s of the charge-air mass flow.
  • a variable vane arrangement has the advantage that, for example, by adjusting the flow direction of the charge air mass flow, the power and efficiency of the compressor turbine can be increased in the respective Be ⁇ mode.
  • the operating method according to the invention for a charging device of an internal combustion engine is characterized in that the charging device in operation depending on the operating behavior of the internal combustion engine and with the help of the line connections, the valve devices and the motor generator of the recuperation, at least between an amplifier mode and a first Rekuperations istsart can be switched. Furthermore, in an advantageous manner additionally
  • Charging device can be reacted very flexibly to different operating conditions of the internal combustion ⁇ engine on the one hand to achieve maximum operating dynamics and on the other hand to make optimal use of the available energy.
  • the operating method according to the invention is switched, for example, when requested rotation ⁇ number increase or increased load of the engine in the amplifier mode of the charging device, which is also referred to as "booster mode".
  • valve devices and the recuperation supercharger are each set so that the charge air mass flow are passed from the high pressure side of the fresh air compressor to the low pressure side of the compressor ⁇ ter turbine and from the high pressure side of the compressor turbine under increased pressure back into the charge air supply line and so to the suction side of the engine wherein the motor generator is switched to a motor mode, driving the compressor turbine to increase the pressure in the charge air supply line.
  • the recuperation loader can be used in other ways, ie switched to a first recuperation mode, which is also referred to below as a pure "exhaust gas recuperation operation" .
  • the valve devices and the recuperation supercharger are each set so that the charge air mass flow is passed from the high pressure side of the fresh air compressor via the charge air ⁇ supply line directly to the intake of the engine and at the same time an exhaust gas mass flow diverted from the exhaust tract and directed to the high pressure side of the compressor turbine.
  • the exhaust gas mass flow is expanded via the compressor turbine and introduced from the low-pressure side of the Ver ⁇ dichter turbine via a blow-off as Abblasmassenstrom in Frischluftzu211 adopted or blown off via the exhaust system, the motor-generator in a generator mode, from the compressor turbine to energy ⁇ recuperation driven, is switched.
  • the charging means may in the default mode, which is also referred to below as simply "standard operation", vice ⁇ switches become.
  • standard operation the charge-air mass flow is directed from the high-pressure side of the fresh-air compressor via the charge-air supply line directly to the intake side of the internal combustion engine, the exhaust-gas mass flow being completely discharged via an exhaust-gas discharge line and not routed via the compressor turbine of the recuperation loader.
  • This standard mode of operation can be used advantageously if, for example, shortly after the start of the internal combustion engine, with a moderate load request, the energy contained in the exhaust gas for rapid heating of the exhaust system, in particular one
  • Catalyst or a soot particulate filter to be used Catalyst or a soot particulate filter to be used.
  • the portion or the entire charge air mass flow that is not required by the internal combustion engine is conducted under high pressure to the compressor turbine and thus drives the motor generator, which in turn converts the applied torque into electrical energy directly to another consumer in the vehicle or engine can be supplied to a memory.
  • the excess energy in the charging device is not released unused into the environment but can be a more meaningful use, possibly supplied at a later date.
  • the undesired operating state of the compressor pumping of the exhaust-gas turbocharger is reliably prevented.
  • further Rekuperations reiteratesart is pre ⁇ see hereinafter referred wide Erten as mixed "exhaust charge air recuperation" and in the operational Internal combustion engine can be switched.
  • the exhaust-air charge-recuperation is particularly present ⁇ geous when rapid power reduction is turned demanded from the current pure exhaust recuperation and in these circumstances a significant excess of charge is air mass flow corresponding available and the operating state of the compressor pumping of Exhaust gas turbocharger threatens.
  • To carry out the exhaust gas charge air recuperation of the charge air is mass flow at least partially derived from the high pressure side of the fresh air compressor to the high pressure side of the compressor-turbine and at the same time at least diverted part of the Abgasmas ⁇ senstrom from the exhaust gas duct and directed to the high pressure side of the compressor-turbine.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Charging device in conjunction with an internal combustion engine in booster mode
  • FIG 2 shows an embodiment of the charging device according to the invention with respect to the figure 1 different valve devices in booster mode.
  • FIG. 3 shows the exemplary embodiment of the charging device according to the invention essentially as in FIG. 2, but in the exhaust gas recuperation operation;
  • FIG. 4 shows the embodiment of the charging device according to the invention as in FIG. 3, but in standard operation
  • FIG. 5 shows the embodiment of the charging device according to the invention as in FIG. 3, but in FIG.
  • FIG. 6 shows the exemplary embodiment of the charging device according to the invention essentially as in FIG. 3, but in the exhaust gas charge air recuperation operation;
  • FIG. 6 shows the exemplary embodiment of the charging device according to the invention essentially as in FIG. 3, but in the exhaust gas charge air recuperation operation;
  • FIG. 1 shows a schematic simplified representation of an internal combustion engine 1, shown schematically as a four-cylinder inline reciprocating engine, arranged on the intake side 9 intake tract 2 and arranged on the exhaust side 19 exhaust tract 3. Furthermore, an exhaust gas turbocharger. 4 with an exhaust gas turbine 5 in the exhaust tract 3 and a fresh air ⁇ compressor 6 in the intake tract 2 and a so-called recuperation tion loader 12, which has a compressor-turbine 13 and an electromechanical motor-generator 14.
  • For exhaust tract 3 include an exhaust manifold 19 a, which is connected to the exhaust gas side 19 on the engine 1, the exhaust gas turbine 5, which is connected on its high-pressure side HD by means of Abgasab2020 Gustav 20 at the exhaust manifold 19 a and which continues on the low-pressure side ND of the exhaust gas turbine 5, as well as an exhaust gas catalyst 21, a soot particle filter 22 and a muffler 23, which are arranged along the Abgasab2020 Gustav 20.
  • Exhaust gas mass flow 24 (shown with blackened arrows) emitted from internal combustion engine 1 is exhausted from exhaust manifold 19a and exhaust gas exhaust duct 20 via exhaust turbine 5 and exhaust catalyst 21, particulate filter 22, and muffler 23 into the environment.
  • For intake 2 includes a charge air manifold 9a, which is connected to the intake side 9 on the engine 1, the fresh air compressor 6 of the exhaust gas turbocharger 4 and a La ⁇ de KunststoffZutechnisch 8, which is connected via a throttle valve 10 with the charge air manifold 9a and the other with the high pressure side HD of the fresh air compressor 6 is connected. Further comprises the intake section 2, a supply of fresh air guide device 7 with a Frisch mobiliszulite Gustav 7a and a fresh air filter means 7b FrischluftzuWORK 7a is connected both to the low pressure side ND of the fresh air ⁇ compressor 6 and the other with the Frischluftfilterein ⁇ direction 7b. Also associated with the intake tract 2 is a recuperation loader 12 having a compressor turbine 13 and a motor generator 14 coupled thereto.
  • the low-pressure side ND of the compressor turbine 13 is connected to the charge-air supply line 8 via a low-pressure branch line IIa in a first charge air branching point 8a. Furthermore, a blow-off line 16 is connected to the low-pressure branch line IIa in a low-pressure branch point 11c, between the low-pressure side ND of the compressor turbine 13 and the first charge air branch point 8a.
  • a high-pressure branch line IIb is connected, which in turn is connected to the charge air supply line 8 in a second charge air injection point 8b, in the charge air mass flow 26 downstream of the first charge air branch point 8a.
  • an exhaust gas recirculation line 30 is connected to the high-pressure branch line IIb in a low-pressure branch point 11c, between the high-pressure side HD of the compressor turbine 13 and the second charge air splitter point 8b, which in turn has its other end in an exhaust branch point 20a, between the low-pressure side ND of the exhaust gas turbine 5 and the catalytic converter, with the Abgasabriostechnisch 20 is in communication.
  • a charge air cooler is arranged in the charge air mass flow 26 upstream of the first charge air branch point 8a and downstream of the second charge air branch point. Furthermore, in the
  • Exhaust gas recirculation line 30, an exhaust gas cooler 32 is arranged.
  • valve devices 15a - 15f arranged to control the Ladeluftmassentroms 26 and the Abgasmas ⁇ senstromes 24th
  • a first valve means 15a in the low-pressure branch line IIa, between the first charge air branching point 8a and the Niederbuchver ⁇ branch point 11c, a first valve means 15a, and in the high-pressure branch line IIb between the high-pressure branch point lld and the second Ladeluftverze Trentstician 8b, a second valve means 15b.
  • a third valve ⁇ device 15 c is disposed in the exhaust gas recirculation line 30.
  • the charge air supply line 8 between the first and the second charge air branch point 8a, 8b, there is a further valve device 15d and between the low pressure branch point 11c and the discharge line 16 a further valve device 15e is arranged.
  • Another valve device 15f which is also referred to below as the exhaust branch valve 15f, is arranged in the exhaust gas discharge line 20, in the exhaust gas mass flow 24 downstream of the exhaust branch point 20a.
  • valve devices 15a-15f may in principle all be designed as simple shut-off valves, which are the two States “locked” or “open” can take. With such a valve design and valve arrangement, it is possible to switch over between the operating modes booster mode, exhaust gas recuperation mode, standard mode, charge air recuperation mode and exhaust gas charge air recuperation mode.
  • the second valve means 15b is a Proportio ⁇ nalventil 15b, so can from the closed in the pure Standardbe ⁇ mode valve position out, by controlled partial opening in any valve intermediate position a variable Share of the charge air mass flow 26 are passed to the compressor turbine.
  • Exhaust branch valve 15f in the Abgasabriostechnisch 20 by means of which controlled variable partial closing in any valve intermediate position, a variable proportion of the exhaust gas mass flow 26 can be passed through the exhaust gas recirculation line 30 to the compressor turbine.
  • the embodiment of the charging device according to FIG. 1 has the advantage that mechanically and control-technically particularly simple valve devices can be used which permit a robust and cost-effective construction.
  • FIG 1 the embodiment of the charging device is shown with a valve position according to the booster operation, which is set when a rapid load increase requires this or a fast speed increase of the engine is requested.
  • Exhaust gas recirculation line 30 and the other valve devices 15 d and 15 e in the charge air supply line 8 and in the discharge line 16 are closed. At the same time, the exhaust branch valve 15f in the exhaust discharge pipe 20 is fully opened.
  • the passage from the first charge air branch point 8a to the low pressure side ND of the compressor turbine 13 is thus opened and the passage to the blow-off line 16 is blocked.
  • the passage from the high-pressure branch line IIb to the charge air supply line 8 is opened and the passage of the charge air supply line 8 between the first and second charge air branch point 8a, 8b and the passage of the exhaust gas return line 30 is blocked.
  • a fresh air mass flow 25 represented by triple arrows in FIG. 1, is drawn in via the fresh air filter device 7b and the fresh air feed line 7a.
  • the fresh air compressor 6 of the exhaust gas turbocharger 4 the fresh air mass flow 25 is compressed and pumped on the high pressure side HD of the fresh air compressor 6 under elevated pressure into the charge air supply line 8.
  • the air mass flow discharged on the high pressure side HD of the fresh air compressor 6 is then referred to as charge air mass flow 26 in this context, whereby the increased pressure level is to be identified.
  • the charge air mass flow 26 is directed from the high-pressure side HP of the fresh air compressor 6 to the low-pressure side LP of the compaction ⁇ ter-turbine 13, is further compressed by the latter and of the high-pressure side HP of the compressor turbine 13 back into the
  • the motor generator 14 drives the compressor turbine 13 during engine operation to increase the pressure in the charge air supply line 8.
  • the embodiment of the charging device shown in Figure 2 differs from the embodiment in Figure 1 only by the design and arrangement of the valve means and is characterized in that the first valve means 15a, the second valve means 15b, the third valve means 15c and the exhaust branch valve 15f in the Abgasabrios Gustav 20 are each designed as a changeover valve 15a, 15b, 15c and 15f, whereby the other valve means 15d and 15e can be saved.
  • the second valve means 15b and executed the branch exhaust valve 15f as proportional valves 15b, 15f (by diagonal arrow), thereby being ⁇ enables also a partial switching, and thus the division of the exhaust gas mass flow 24 and the charge air mass flow 26th
  • the use of proportional valves is not absolutely necessary if a complete switching between the operating modes is sufficient.
  • the first valve device 15a is arranged in the low-pressure branch point 11c, wherein in a valve position, which is shown in FIG.
  • the second valve device 15b is arranged in the second charge air branch point 8b, wherein in a valve position when the passage of the charge air supply line 8 to the intake side 9 of the internal combustion engine 1 and to the high-pressure branch line IIb, the passage from the high-pressure branch line IIb to the intake side 9 of the internal combustion engine 1 is open (as in FIG shown in Figure 2), and in a further valve position with open passage of the charge air supply line 8 to the intake 9 of the engine 1, the passage from the charge air supply line 8 to the high-pressure branch line IIb is blocked (as shown in Figure 3), and in a further valve position with the passage open the charge air supply line 8 from the high pressure side HD of the fresh air compressor 6 to the high-pressure branch line IIb, the passage of the charge air supply line 8 to the suction side 9 of the internal combustion engine 1, is locked (as shown in Figure 5).
  • the second valve device 15b is designed as a proportional valve 15b, so intermediate positions of the valve can be adjusted in which at partially open passage of the charge air supply line (8) to the high-pressure branch line (IIb), the passage of the Charge air supply line (8) to the suction side (9) of the internal combustion engine (1), to the same extent partially blocked to split the charge air mass flow 26 between the intake side 9 of the internal combustion engine 1 and the compressor turbine 13.
  • the third valve device 15c is arranged at the high-pressure branch point lld of the high-pressure branch line IIb, wherein in a valve position with the passage blocked from the exhaust gas recirculation line 30 to the high-pressure branch line IIb, the passage from the high-pressure side HD of the compressor turbine 13 to the second charge air branch point 8b is opened (as in FIG Figure 2 and Figure 5 shown).
  • a further valve ⁇ position the passage of the exhaust gas recirculation line 30 is back locked to the second charge air branch point 8b (as shown in Figure 3 and 4) is open the passage of the exhaust gas recirculation line 30 to the high-pressure side HP of the compressor turbine 13 side.
  • both the passage from the exhaust gas recirculation line 30 and the passage from the second charge air branch point 8b to the high pressure side HD of the compressor turbine 13 are opened (as shown in FIG. 6).
  • the exhaust branch valve 15f is arranged in the exhaust branch point 20a of the Abgasabtechnologie Gustav 20 and is, as indicated in Figure 2 with a diagonal arrow, as a proportional valve 15f out ⁇ leads, in Figure 2 with locked passage from the exhaust gas discharge line 20 to the exhaust gas recirculation line 30, the passage of Abgasabdiestechnisch 20 downstream of the Abgasverzwei ⁇ tion point 20 a is completely open.
  • the design as a proportional valve allows for intermediate positions of the exhaust branch valve 15f is at least partially blocked with at ⁇ least partially open passage from the Abgasab2020 Gustav 20 to the exhaust gas recirculation line 30, the passage of the Abgasab2020 Gustav 20 downstream of the exhaust branch point 20a to a part of the ex ⁇ gas mass flow 24 to branch off into the exhaust gas recirculation line 30.
  • the embodiment of the charging device according to FIG. 2 has the advantage that the number of required mechanical components and thus also the required installation space for the charging device are reduced.
  • FIG. 3 shows the structure and arrangement of the charging device as in FIG. 2.
  • the compressor turbine 13 is represented symbolically with a fixed or variable turbine geometry 13a, ie with a stationary or variable guide vane arrangement 13a in the housing the compressor turbine 13 equipped.
  • This has the advantage, in particular in the case of a movable vane arrangement 13a, that, depending on the operating mode of the recuperation loader, engine operation or generator operation, and thus on the inflow direction of the charge air mass flow or exhaust gas mass flow, the flow, in particular the flow angle, of the compressor turbine 13 or Outflow of Abblasmassenstromes can be optimized respectively.
  • FIG. 3 furthermore shows an adjustment of the valve devices 15a, 15b, 15c and 15f, which corresponds to a first recuperation mode, also referred to below as "exhaust gas recuperation mode" for a better distinction.
  • the third change-over valve 15c is set so that when the passage of the high-pressure branch line IIb to the charge air supply line 8 is blocked, the passage from the exhaust gas return line 30 to the high-pressure branch line IIb is opened.
  • the exhaust ⁇ branch valve 15f is set so that at least partially open passage from the Abgasabschreibtechnisch 20 for
  • the charge air mass flow 8 is directed 26 of the high-pressure side HP of the fresh air compressor 6 via the charging ⁇ air supply line directly to the suction side 9 of the internal combustion engine for the implementation of the ex ⁇ gas recuperation, while at least a part of the Abgasmas- senstrom 24 branched off from the exhaust gas duct 3 and led to the high pressure side HD of the compressor turbine 13 and relaxed over the compressor ter ⁇ turbine.
  • the motor generator 14 is switched to a generator mode in which it is driven by the compressor turbine 13 for energy recovery, and generates electrical energy stored in a corresponding memory, such as a battery or a storage capacitor (both not shown).
  • a vehicle driven by the internal combustion engine where it is available for use for a variety of purposes in the vehicle.
  • valve means 15a, 15b, 15c and 15f are shown in a setting which corresponds to the so-called standard operation.
  • the setting of the first order ⁇ switching valve 15a, the second switching valve 15b and the third switching valve 15c corresponds to each of the setting as in the exhaust gas recuperation (see Figure 3 and related description), only the branch exhaust valve 15f is set so that the passage of the Abgasabdiestechnisch 20 to the exhaust gas recirculation line 30 is locked.
  • Fresh air filter device 7b and the fresh air supply 7a sucked.
  • the fresh air mass flow 25 is compressed and pumped on the high pressure side HD of the fresh air compressor 6 under increased pressure in the charge air supply line 8 and the at least partially open throttle valve 10 and the charge air manifold 9a in the cylinder of the engine 1.
  • the air mass flow discharged on the high pressure side HD of the fresh air compressor 6 is then referred to as the charge air mass flow 26 in this context, whereby the increased pressure level is to be identified.
  • the exhaust gas mass flow 24 is discharged completely unused via the Abgasabrios Koch 20 and the motor generator 14 of the Rekuperationsladers 12 is neutral, which is characterized in Figure 4, characterized in that both the "motor” marking and the “generator” marking is shown deleted.
  • the first changeover valve 15a in Niederbuchver ⁇ branch point 11c of the low-pressure branch line IIa is so ⁇ sets that when the passage is blocked from the first charge air branch point 8a to the low pressure side ND of the compressor turbine 13, the passage from the low pressure side ND of the compressor turbine 13th is opened to the discharge line 16.
  • the second switching valve 15b is set in the second charge air branching point 8b such that at least partially or completely open passage of the charge air supply line 8 to the high-pressure branch line IIb, the passage of the charge air supply line 8 to the suction side 9 of the internal combustion engine 1, at least partially or completely blocked.
  • the exhaust branch valve 15f remains in the same setting as in the standard mode, with the passage from the exhaust discharge line 20 to the exhaust gas recirculation line 30 remaining blocked and the motor generator 14 of the recuperation loader 12 being switched to generator mode.
  • the charge air mass flow 26 from the high-pressure side HD of the fresh air compressor 6, at least partially, to the high-pressure side HD of the compressor turbine 13 is thus carried out to perform the charge-air recuperation shown in Figure 5, is relaxed by the compressor turbine 13 and of the low-pressure side ND of the compressor turbine 13 via a discharge line 16 preferably in the Frischluftzu Glassein- direction 7 introduced.
  • the exhaust gas mass flow 24 remains unused by the recuperation loader 12 and is completely discharged via an exhaust gas discharge line 20.
  • the opening can be made progressively or even partially regulated in order to divert exactly the portion of the charge air mass flow 26, which is currently not required by the internal combustion engine.
  • valve devices 15a, 15b and 15c By appropriate valve position of the valve devices 15a, 15b and 15c, therefore, the flow direction of the charge air mass flow 26 can be switched over the compressor turbine 13.
  • an adjustment of the valve devices 15a, 15b, 15c and 15f corresponding to a further recuperation mode, which is also referred to as mixed "charge air exhaust recuperation operation" is essentially based on the same arrangement of the charging device as in FIGS. can be designated.
  • the first switching valve is set 15a so that branch point in a Ven ⁇ tilwolf with blocked passage from the first Ladeluftver- 8a is opened 13, the passage of the low pressure side ND of the compressor turbine 13 to the vent line 16 to the low pressure side ND of the compressor-turbine ,
  • the second switching valve 15b is set as in the charge ⁇ air recuperation operation (see Figure 5), wherein at least partially or completely open passage of the charge air supply line 8 to the high-pressure branch line IIb, the passage of the charge air supply line 8 to the suction side 9 of the internal combustion engine 1, at least partially or completely blocked.
  • the third switching valve 15c is set so that both the passage from the high-pressure branch line IIb to the charge air supply line 8 and the passage from the exhaust gas recirculation line 30 to the high-pressure branch line IIb are opened.
  • the exhaust ⁇ branch valve 15f is set so that at least partially open passage from the Abgasabloomtechnisch 20 for
  • Exhaust gas recirculation line 30 the passage of Abgasab2020 Gustav 20 downstream of the exhaust branch point 20a is at least partially blocked. Notwithstanding the representation of FIGS. 1 to 5, the exhaust gas recirculation line 30 is connected in an exhaust branch point 20 a of the exhaust gas removal line 20, which lies on the high pressure side HD of the exhaust gas turbine 5 of the exhaust gas turbocharger 4.
  • the exhaust branch valve 15f quasi be operated as a conventional wastegate valve, in which case the exhaust gas mass flow is not simply passed around the exhaust gas turbine 5 around again in the Abgasab2020technisch 20 but for recuperation via the compressor turbine 13 of the
  • Recuperation loader 12 is performed. This is particularly advantageous in the charge air exhaust recuperation as the to ⁇ recirculated exhaust gas is at a higher pressure level and so can be more easily merged with the charge-air mass flow, which also has an increased pressure level.
  • the charge air mass flow 26 is thus at least partially directed from the high pressure side HD of the fresh air compressor 6 to the high pressure side HD of the compressor turbine 13 and at the same time at least part of the exhaust gas mass flow 24 is branched off before the exhaust gas turbine 5 in the exhaust gas tract 3 and likewise led to the high-pressure side HD of the compressor turbine 13, whereby a mixed exhaust charge air mass flow is formed, which is relaxed via the compressor turbine and blown off the low-pressure side ND of the compressor turbine 13 via a discharge line 16 via the exhaust system or can be introduced into the Frischluftzucited sensible 7.
  • the exhaust gas cooler 32 arranged in the exhaust gas recirculation line 30 the exhaust gas mass flow 24 diverted for recuperation is also cooled before it is conducted via the compressor turbine 13 in the exhaust gas recuperation mode or in the charge air exhaust gas recuperation mode.
  • An expensive design of the compressor turbine 13 for increased operating temperatures is not required.
  • the invention thus relates to a charging device and an operating method for this charging device for an internal combustion engine.
  • the charging device has an exhaust gas turbocharger and a recuperation charger, the recuperation charger having a compressor turbine and an electromechanical motor generator coupled thereto.
  • the compressor turbine on its low pressure side downstream of the fresh air compressor of the exhaust gas turbocharger to the charge air supply line and on her
  • High pressure side can be connected both to the charge air supply line and to the exhaust tract.
  • Said recuperation loader 12 can be connected by means of the valve devices and the motor generator. at least between an amplifier mode and a

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung und ein Betriebsverfahren für diese Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor (1), die einen Abgasturbolader (4) und einen Rekuperationslader (12) aufweist, wobei der Rekuperationslader (12) eine Verdichter-Turbine (13) und einen damit gekoppelten elektromechanischen Motor-Generator (14) aufweist. Dabei ist mittels Leitungsverbindungen und Ventileinrichtungen (15a-f) die Verdichter-Turbine (13) auf ihrer Niederdruckseite ND stromabwärts des Frischluftverdichters (6) des Abgasturboladers (4) an die Ladeluftzuleitung 8 und auf ihrer Hochdruckseite HD sowohl an die Ladeluftzuleitung (8) als auch an den Abgastrakt (3) anschließbar, wobei der genannte Rekuperationslader (12) mittels der Ventileinrichtungen (15a-f) und dem Motor-Generator (14) zumindest zwischen einer Verstärkerbetriebsart und einer Rekuperationsbetriebsart umgeschaltet werden kann. Dabei kann der Rekuperationslader (12) einerseits in einer Verstärkerbetriebsart vom Motor-Generator 14angetrieben als Verdichter zur Druckerhöhung in der Ladeluftzuleitung (8) oder andererseits vom zumindest jeweils einem Teil des Ladeluftmassenstroms (26) und/oder Abgasmassenstroms (24) angetrieben als Turbine zur Energierückgewinnung mittels des Motor-Generators (14) betrieben werden.

Description

Beschreibung
Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor und Betriebsverfahren für die Aufladeeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader und ein Betriebsverfahren für diese Aufladeeinrichtung . Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Ver¬ brennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den C02-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, zum
Beispiel Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Ver- brennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Ab¬ gasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden
Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Rotorwelle befestigt und bilden so den Turboladerläufer, der mit seiner Rotorwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Ab¬ gasmassenstroms das Turbinenlaufrad und über die Rotorwelle wiederum das Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist. Im Gegensatz dazu ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet .
Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten, werden Abgasturbolader mit zusätzlichen Funktionen, wie zum Beispiel sogenannten variablen Turbinengeometrien (VTG) oder
Wastegate-Einrichtungen (WG) auf der Abgas- oder Turbinenseite und Schubumluft- oder Abblas-Einrichtungen auf der Zuluft- oder Verdichterseite ausgestattet. Diese dienen dazu das träge Verhalten und somit das verzögerte Ansprechverhalten des Turboladers zu minimieren und schädliche Betriebszustände zu vermeiden.
Auch ist es bekannt Kombinationen von mehreren Turboladern in paralleler oder sequenzieller Anordnung oder zusätzliche mechanisch oder elektromotorisch betriebene Verdichter, soge- nannte Kompressoren oder Supercharger, einzusetzen um den unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors gerecht zu werden, die Leistung in jedem Drehzahlbereich und insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen effizient zu steigern und insbesondere das gefürchtete Turboloch, verursacht durch zu geringen Ladedruck in niedrigen Drehzahlbereichen des Turboladers in Verbindung mit der Massenträgheit des Turbo¬ laderläufers, zu vermeiden.
Eine solche Aufladeeinrichtung, die einen herkömmlichen Ab- gasturbolader und einen im Frischluftmassenstrom in Reihe oder parallel zu dem Turbolader-Verdichter angeordneten Zusatzverdichter mit einem vom Abgasstrom unabhängigen, beispielsweise elektromotorischen Antrieb aufweist, ist zum Beispiel in der DE 100 23 022 AI offenbart.
Andererseits besteht in Betriebsphasen, in denen die Leistung des Verbrennungsmotors schnell heruntergefahren wird, ebenfalls durch die Trägheit des Turboladers bedingt, ein Überangebot an Verdichterleistung, was zum sogenannten Verdichterpumpen führen kann. Verdichterpumpen bezeichnet einen Betriebszustand bei dem bereits verdichtete Luft in periodischen Schüben von der Hochdruckseite des Verdichters über das Verdichterlaufrad zurückströmt und so unerwünschte Schwingungen im Ansaugtrakt erzeugt. Um solche Betriebszustände zu vermeiden, wird zum Beispiel über eine Wastegate-Einrichtung Abgas an der Turbine des Turboladers vorbei in den Abgastrakt geleitet und bereits verdichtete Frischluft wird nach dem Verdichter abgeblasen oder über eine Schubumluft-Einrichtung entspannt und in den Ansaugbereich zurückgeführt. Die Anordnung und die Funktionsweise eines solchen Schubumluftventils ist beispielsweise aus den Dokumenten DE 28 23 067 C2 und DE 197 12 850 AI bekannt.
Auf diese Weise wird die zur Verfügung stehende Energie ungenutzt in die Umgebung entlassen, was sich negativ auf die Gesamtenergiebilanz und somit den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors auswirkt .
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Aufladeeinrichtung und ein Betriebsverfahren dafür, für einen Verbrennungsmotor anzugeben, die gleichermaßen dazu geeignet sind den Ladedruckaufbau durch den Abgasturbolader in Be- schleunigungs- oder Spitzenlastphasen des Verbrennungsmotors zu unterstützen als auch die überschüssige Energie im Aufladesystem in Abbrems- oder Niederlastphasen des Verbrennungsmotors zu nutzen beziehungsweise im Gesamtsystem Kraftfahrzeug nutzbar zu machen und so den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu steigern.
Diese Aufgabe wird durch eine mit den Merkmalen gemäß
tentanspruch 1 sowie durch ein Betriebsverfahren für Aufladeeinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 11 gelöst .
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Al¬ ternativen handelt, in Kombination miteinander mit dem Erfindungsgegenstand eingesetzt werden können, sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche. Ein entsprechender Verbrennungsmotor weist naturgemäß eine Ansaugseite, über die er Frischluft oder ein Brenn¬ stoff-Frischluftgemisch aufnimmt, und eine Abgasseite, über die er nach der Verbrennung das entstandene Abgas abgibt, auf. Ein solcher Verbrennungsmotor kann eine ein- oder mehrzylindrige Hubkolbenmaschine sein, die mit Kraftstoffen wie zum Beispiel Benzin, Diesel oder einem brennbaren Gas betrieben wird.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor, der einen auf seiner Ansaugseite angeordneten Ansaugtrakt und einem auf seiner Abgasseite angeordneten Ab¬ gastrakt aufweist, weist einen Abgasturbolader mit einer Ab- gasturbine, die im Abgastrakt angeordnet ist, und einen
Frischluftverdichter mit einer Niederdruckseite und einer Hochdruckseite, der im Ansaugtrakt angeordnet ist, auf.
Der Frischluftverdichter ist auf seiner Niederdruckseite an eine Frischluftzuführeinrichtung angeschlossen und ist auf seiner Hochdruckseite über eine LadeluftZuleitung, zur Führung eines vom Frischluftverdichter erzeugten Ladeluftmassenstroms , mit der Ansaugseite des Verbrennungsmotors, beispielsweise über ein Drosselklappenventil und einen Ladeluftkrümmer, verbunden.
Die Aufladeeinrichtung zeichnet sich durch die zusätzliche Anordnung eines Rekuperationsladers aus, der eine Verdich- ter-Turbine mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite und einen damit gekoppelten elektromechanischen Motor-Generator aufweist. Dabei ist die Verdichter-Turbine über Leitungsver¬ bindungen und Ventileinrichtungen einerseits auf ihrer Nie- derdruckseite sowohl an die LadeluftZuleitung als auch an eine Abblasleitung und andererseits auf ihrer Hochdruckseite sowohl an die LadeluftZuleitung als auch an eine Abgasabführleitung im Abgastrakt gekoppelt. Auf Basis dieser Anordnung ist der Rekuperationslader in Abhängigkeit von den Einstellungen der genannten Ventileinrichtungen, zumindest in zwei unterschiedlichen Betriebsarten betreibbar. Eine dieser Betriebsarten ist eine sogenannte Verstärkerbetriebsart, in der der Rekuperationslader vom Motor-Generator angetrieben als Ver- dichter zur Druckerhöhung des Ladeluftmassenstromes in der LadeluftZuleitung wirkt. Eine zweite Betriebsart ist eine sogenannte Rekuperationsbetriebsart , in der der Rekupera¬ tionslader von zumindest einem Teil des Ladeluftmassenstroms oder von zumindest einem Teil eines Abgasmassenstroms oder von zumindest einem Teil des Ladeluftmassenstroms und zumindest einem Teil eines Abgasmassenstroms gemeinsam angetrieben als Turbine zur Energierückgewinnung mittels des Motor-Generators betreibbar ist. Unter dem Begriff Rekuperationslader ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, die eine Schaufelradturbine mit angeschlossenem Generator und einen Schaufelradverdichter mit angeschlossenem Elektromotor in einer Vorrichtung vereint. So sind eine
Schaufelradturbine und ein Schaufelradverdichter in einem Laufrad und einem zugehörigen Gehäuse zu einer oben sogenannten und auch im Weiteren so bezeichneten Verdichter-Turbine als Einheit zusammengefasst .
Ebenso sind der Elektromotor und der Generator in einer
Drehfeldmaschine zu einem oben sogenannten und auch im Weiteren so bezeichneten Motor-Generator als Einheit zusammengefasst . Die Verdichter-Turbine und der Motor-Generator sind direkt oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe miteinander gekoppelt und bilden als Einheit den Rekuperationslader.
Bei der Konzeption der Verdichter-Turbine wird die Eigenschaft von Schaufelrädern genutzt, dass diese einerseits bei Anströmung durch ein Fluid mit erhöhtem Druck von der Hochdruckseite her als Turbine wirken und ein Abtriebsmoment erzeugen können und andererseits bei Antrieb durch ein Antriebsmoment selbst einen Fluidstrom unter Erhöhung des Drucks erzeugen können und so als Verdichter wirken. Die Auslegung des entsprechenden Schau- felrades und die Strömungsführung im Laufradgehäuse zum Einsatz als Verdichter-Turbine muss also beiden Einsatzzwecken Rechnung tragen. Dies kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Verdichter-Turbine mittels einer festen oder einer variablen Anordnung von strömungsführenden Leitschaufeln optimiert werden.
Bei der Konzeption des Motor-Generators wird die Eigenschaft von elektrischen Drehfeldmaschinen genutzt, dass diese einerseits bei Beaufschlagung mit einer Spannung und Strom als Elektromotor antreibend betrieben werden können und andererseits von einem externen Drehmoment angetrieben selbst Spannung erzeugen und Strom abgeben können. Die Auslegung der entsprechenden Drehfeldmaschine zum Einsatz als Motor-Generator muss also beiden Einsatzzwecken Rechnung tragen.
Die vorteilhafte Kombination von Verdichter-Turbine und Mo¬ torgenerator zu einem oben sogenannten und auch im Weiteren so bezeichneten Rekuperationslader ermöglicht in vorteilhafter Weise einen Betrieb der Verdichter-Turbine in beiden Strö- mungsrichtungen, nämlich elektromotorisch angetrieben als
Verdichter in einer Verstärkerbetriebsart oder als Turbine den Generator antreibend in einer Rekuperationsbetriebsart . Eine weitere Möglichkeit besteht in der Neutralschaltung des Mo¬ tor-Generators, was einem Freilauf der Verdichter-Turbine entspricht und in einer hier und im Folgenden sogenannten Standardbetriebsart genutzt werden kann.
Eine vorteilhaft eingerichtete Ausführung der Aufladeein¬ richtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Niederdruckseite der Verdichter-Turbine über eine Niederdruckzweigleitung und eine erste Ventileinrichtung in einem ersten Ladeluftverzwei- gungspunkt mit der LadeluftZuleitung in Verbindung steht. Gleichzeitig steht die Hochdruckseite der Verdichter-Turbine zumindest über eine Hochdruckzweigleitung und eine zweite Ventileinrichtung in einem zweiten Ladeluftverzeigungspunkt , im Ladeluftstrom stromabwärts des ersten Ladeluftverzeigungs- punktes mit der Ladeluftzuführleitung in Verbindung.
Die Niederdruckzweigleitung steht darüber hinaus in einem Niederdruckverzweigungspunkt über die erste Ventileinrichtung oder eine weitere Ventileinrichtung mit einer Abblasleitung in Verbindung .
Die Hochdruckzweigleitung steht in einem Hochdruckverzweigungspunkt über eine Abgasrückführleitung und zumindest eine dritte Ventileinrichtung in einem Abgasverzweigungspunkt mit einer Abgasabführleitung im Abgastrakt in Verbindung.
Dabei ist die LadeluftZuleitung zwischen dem ersten Ladeluftverzweigungspunkt und dem zweiten Ladeluftverzweigungspunkt mittels der ersten oder zweiten Ventileinrichtung oder zumindest einer weiteren Ventileinrichtung sperrbar. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass die Aufladeeinrichtung sowohl in einer Verstärkerbetriebsart zur Druckerhöhung im Ansaugtrakt als auch in zumindest einer Rekuperationsbetriebsart zur Rückgewinnung von zeitweise überschüssiger Energie des Ladeluftmassenstromes oder des Abgasmassenstromes betrieben werden kann. Dies wird ermöglicht, indem durch entsprechende Einstellung der Ventileinrichtungen einerseits die Strömungsrichtung des Ladeluftmassenstromes über die Verdich¬ ter-Turbine in besonders einfacher Weise umgekehrt werden kann und andererseits gleichzeitig ein Abgasmassenstrom aus dem Abgastrakt des Verbrennungsmotors abgezweigt und gleichzeitig mit dem Ladeluftmassenstrom oder stattdessen auf die Verdichter-Turbine geleitet werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Aufladeeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ladeluftkühler an einer oder mehreren Positionen in der LadeluftZuleitung im Ladeluftmassenstrom stromaufwärts oder stromabwärts der Verdichter-Turbine angeordnet sind. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Betriebstemperaturen der im Ladeluftmassenstrom angeordneten Funktionskomponenten aus und bewirkt eine weiter verbesserte Befüllung der Zylinder des Verbrennungsmotors mit Sauerstoff. In weiterer Ausgestaltung der Aufladeeinrichtung weist die Verdichter-Turbine des Rekuperationsladers ein Verdich¬ ter-Turbinen-Gehäuse auf mit einer darin angeordneten fest¬ stehenden oder variablen Leitschaufelanordnung zur Optimierung des Abströmverhaltens oder Anströmverhaltens des Ladeluft- massenstroms . Insbesondere eine variable Leitschaufelanordnung bietet den Vorteil, dass zum Beispiel durch Anpassung der Strömungsrichtung des Ladeluftmassenstromes die Leistung und der Wirkungsgrad der Verdichter-Turbine in der jeweiligen Be¬ triebsart gesteigert werden kann.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für eine Aufladeeinrichtung eines Verbrennungsmotors gemäß der obigen Beschreibung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung im Betrieb in Abhängigkeit vom Betriebsverhalten des Verbren- nungsmotors und mit Hilfe der Leitungsverbindungen, der Ventileinrichtungen sowie dem Motor-Generator des Rekuperationsladers, zumindest zwischen einer Verstärkerbetriebsart und einer ersten Rekuperationsbetriebsart umgeschaltet werden kann. Weiterhin können in vorteilhafter Weise zusätzlich eine
Standardbetriebsart und weitere unterschiedliche Rekuperations- betriebsarten vorgesehen sein, in die ebenfalls in Abhängigkeit vom Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors umgeschaltet werden kann.
Der Vorteil der oben genannten Ausführungen des Betriebsverfahrens liegt darin, dass mittels der beschriebenen
Aufladeeinrichtung sehr flexibel auf unterschiedliche Be¬ triebsbedingungen des Verbrennungsmotors reagiert werden kann um einerseits ein Maximum an Betriebsdynamik zur erzielen und andererseits die zur Verfügung stehende Energie optimal zu nutzen . In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird zum Beispiel bei angeforderter Dreh¬ zahlerhöhung oder bei erhöhter Last des Verbrennungsmotors in die Verstärkerbetriebsart der Aufladeeinrichtung geschaltet, die im Weiteren auch als "Boosterbetrieb" bezeichnet wird. Dazu werden die Ventileinrichtungen sowie der Rekuperationslader jeweils so eingestellt, dass der Ladeluftmassenstrom von der Hochdruckseite des Frischluftverdichters zur Niederdruckseite der Verdich¬ ter-Turbine und von der Hochdruckseite der Verdichter-Turbine unter erhöhtem Druck zurück in die LadeluftZuleitung und so zur Ansaugseite des Verbrennungsmotors geleitet werden, wobei der Motor-Generator in einen Motorbetrieb, die Verdichter-Turbine zur Druckerhöhung in der LadeluftZuleitung antreibend, geschaltet wird. So wird eine hohe Betriebsdynamik insbesondere bei Lastsprüngen, also beispielsweise in Beschleunigungsphasen des Verbrennungsmotors, erzielt.
Läuft der Verbrennungsmotor nun in einem Lastbereich in dem der vom Abgasturbolader erzeugte Ladeluftmassenstrom ausreichend und keine zusätzliche Verstärkung erforderlich ist, so kann der Rekuperationslader anderweitig genutzt, also in eine erste Rekuperationsbetriebsart umgeschaltet werden, die im Weiteren auch als reiner "Abgas-Rekuperationsbetrieb" bezeichnet wird. Dazu werden die Ventileinrichtungen sowie der Rekuperationslader jeweils so eingestellt, dass der Ladeluftmassenstrom von der Hochdruckseite des Frischluftverdichters über die Ladeluft¬ zuleitung direkt zur Ansaugseite des Verbrennungsmotors geleitet wird und gleichzeitig ein Abgasmassenstrom vom Abgastrakt abgezweigt und zur Hochdruckseite der Verdichter-Turbine ge- leitet wird. Der Abgasmassenstrom wird über die Verdichter-Turbine entspannt und von der Niederdruckseite der Ver¬ dichter-Turbine über eine Abblasleitung als Abblasmassenstrom in die Frischluftzuführeinrichtung eingeleitet oder über den Abgastrakt abgeblasen, wobei der Motor-Generator in einen Generatorbetrieb, von der Verdichter-Turbine zur Energie¬ rückgewinnung angetrieben, geschaltet wird. Wird der
Abblasmassenstrom abgeblasen, so geschieht dies durch erneute Einleitung in den Abgastrakt, um der geltenden Umwelt- schutz-Gesetzgebung Rechnung zu tragen. Das Einleiten in die Frischluftzuführeinrichtung kann nur in dem Maß durchgeführt werden dass der abgezweigte Abgasmassenstrom der ohnehin für die aktuellen Betriebsbedingungen erforderlichen Abgasrückführung entspricht.
So kann in vorteilhafter Weise Abgasenergie, die sonst ungenutzt in die Umgebung abgegeben werden müsste, zurückgewonnen und in anderer Weise im Fahrzeug genutzt werden.
Ist in einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens als weitere Betriebsart eine Standardbe¬ triebsart vorgesehen und wird der Verbrennungsmotor beispielsweise bei mittlerer, gleichbleibender Last betrieben, so kann die Aufladeeinrichtung in die Standardbetriebsart, die im Weiteren auch einfach "Standardbetrieb" genannt wird, umge¬ schaltet werden. Zur Durchführung des Standardbetriebs wird der Ladeluftmassenstrom durch entsprechende Einstellung der Ventileinrichtungen von der Hochdruckseite des Frischluftver- dichters über die LadeluftZuleitung direkt zur Ansaugseite des Verbrennungsmotors geleitet, wobei der Abgasmassenstrom vollständig über eine Abgasabführleitung abgeführt und nicht über die Verdichter-Turbine des Rekuperationsladers geleitet wird. Gleichzeitig wird der Motor-Generator des
Rekuperationsladers neutral, also in Freilauf geschaltet.
Diese Standardbetriebsart kann vorteilhaft genutzt werden, wenn zum Beispiel kurz nach Start des Verbrennungsmotors, bei mo- derater Lastanforderung, die im Abgas enthaltene Energie zur schnellen Aufheizung des Abgassystems, insbesondere eines
Katalysators oder auch eines Rußpartikelfilters genutzt werden soll .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Betriebs- Verfahrens ist eine weitere Rekuperationsbetriebsart vorge¬ sehen, die im Weiterten auch als reiner "Ladeluft-Rekuperations- betrieb" bezeichnet wird und in die im Betrieb des Verbren¬ nungsmotors umgeschaltet werden kann. Der Ladeluft- Rekuperationsbetrieb ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine schnelle Leistungsreduzierung des Verbrennungsmotors erforderlich ist oder der vom Frischluftverdichter des Abgasturboladers erzeugte oder erzeugbare Ladeluftmassenstrom im Niedriglastbetrieb des Verbrennungsmotors nicht vollständig benötigt wird. Zur Durchführung des Ladeluft-Rekuperations- betriebs wird der Ladeluftmassenstrom von der Hochdruckseite des Frischluftverdichters, zumindest teilweise, zur Hochdruckseite der Verdichter-Turbine des Rekuperationsladers geleitet, über die Verdichter-Turbine entspannt und von der Niederdruckseite der Verdichter-Turbine über eine Abblasleitung wieder in die Frischluftzuführeinrichtung eingeleitet wobei der Motor-Generator in einen Generatorbetrieb, in dem er von der Verdichter-Turbine zur Energierückgewinnung angetrieben wird, geschaltet wird. Das Zurückführen des Ladeluftmassenstroms in die Frischluftzuführeinrichtung entspricht somit quasi einer konventionellen Schubumluftschaltung mit zwischengeschalteter Verdichter-Turbine . Der Abgasmassenstrom wird dabei ungenutzt vollständig über eine Abgasabführleitung (20) abgeführt.
Somit wird der vom Verbrennungsmotor nicht benötigte Anteil oder der ganze Ladeluftmassenstrom unter hohem Druck auf die Ver- dichter-Turbine geleitet und treibt so den Motor-Generator an, der seinerseits das aufgebrachte Drehmoment in elektrische Energie umsetzt, die direkt einem anderen Verbraucher im Fahrzeug oder einem Speicher zugeführt werden kann. So wird die überschüssige Energie in der Aufladeeinrichtung nicht ungenutzt in die Umgebung abgegeben sondern kann einer sinnvolleren Nutzung, ggf. zu einem späteren Zeitpunkt zugeführt werden. Gleichzeitig wird der unerwünschte Betriebszustand des Verdichterpumpens des Abgasturboladers zuverlässig vermieden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Betriebsverfahrens ist eine weitere Rekuperationsbetriebsart vorge¬ sehen, die im Weiterten auch als gemischter "Abgas-Ladeluft- Rekuperationsbetrieb" bezeichnet wird und in die im Betrieb des Verbrennungsmotors umgeschaltet werden kann. Der Ab- gas-Ladeluft-Rekuperationsbetrieb ist insbesondere dann vor¬ teilhaft, wenn aus dem laufenden reinen Abgas-Rekupe- rationsbetrieb heraus eine schnelle Leistungsreduzierung an- gefordert wird, somit ein erheblicher Überschuss des Lade- luftmassenstromes vorhanden ist und der Betriebszustand des Verdichterpumpens des Abgasturboladers droht. Zur Durchführung des Abgas-Ladeluft-Rekuperationsbetriebs wird der Ladeluft- massenstrom von der Hochdruckseite des Frischluftverdichters zumindest teilweise zur Hochdruckseite der Verdichter-Turbine abgeleitet und gleichzeitig zumindest ein Teil des Abgasmas¬ senstrom vom Abgastrakt abgezweigt und zur Hochdruckseite der Verdichter-Turbine geleitet. Dadurch bildet sich ein gemischter Abgas-Ladeluft-Massenstrom aus, der über die Verdichter-Turbine entspannt wird und von der Niederdruckseite der Verdich¬ ter-Turbine über eine Abblasleitung (in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors) abgeblasen oder in die Frischluftzuführ- einrichtung eingeleitet wird. Der Motor-Generator wird dabei in einen Generatorbetrieb, von der Verdichter-Turbine zur Ener- gierückgewinnung angetrieben, geschaltet.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung sowie des entsprechenden Betriebsverfahrens liegen vor allem darin, dass je nach Betriebssituation des Verbrennungsmotors im
Boosterbetrieb oder in einer der Rekuperationsbetriebsarten, zum Einen eine schnelle Drehmoment- und somit Drehzahlerhöhung unter Vermeidung eines "Turboloches" ermöglicht und zum Anderen im umgekehrten Fall des Leistungsüberschusses oder der schnellen Leistungsreduzierung überschüssige Energie des Abgasmassen- Stromes oder des Ladeluftmassenstromes nicht ungenutzt abge¬ leitet werden muss sondern nutzbar gemacht werden kann.
Anhand der Figuren werden, mittels vereinfachter schematischer Darstellungen, im Folgenden besonders vorteilhafte Ausfüh- rungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung gemäß der abhängigen Ansprüche näher erläutert, obgleich der Gegenstand der Erfindung nicht auf diese Beispiele und insbesondere die darin gezeigten Merkmalskombinationen begrenzt ist. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Aufladeeinrichtung in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor im Boosterbetrieb;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung mit gegenüber der Figur 1 unterschiedlichen Ventileinrichtungen im Boosterbetrieb;
Fig. 3 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auflade¬ einrichtung im Wesentlichen wie in Figur 2, jedoch im Abgas-Rekuperationsbetrieb ;
Fig. 4 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auflade¬ einrichtung wie in Figur 3, jedoch im Standardbetrieb;
Fig. 5 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auflade¬ einrichtung wie in Figur 3, jedoch im
Ladeluft-Rekuperationsbetrieb ;
Fig. 6 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auflade¬ einrichtung im Wesentlichen wie in Figur 3, jedoch im Abgas-Ladeluft-Rekuperationsbetrieb; .
Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren durchgehend mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung in Figur 1 zeigt in schematischer vereinfachter Darstellung einen Verbrennungsmotor 1, hier schematisch als vierzylindriger Reihen-Hubkolbenmotor dargestellt, mit einem auf der Ansaugseite 9 angeordneten Ansaugtrakt 2 und einem auf der Abgasseite 19 angeordneten Abgastrakt 3. Weiterhin dargestellt ist ein Abgasturbolader 4 mit einer Abgasturbine 5 im Abgastrakt 3 und einem Frischluft¬ verdichter 6 im Ansaugtrakt 2 und ein sogenannter Rekupera- tionslader 12, der eine Verdichter-Turbine 13 sowie einen elektromechanischen Motor-Generator 14 aufweist.
Zum Abgastrakt 3 gehören ein Abgaskrümmer 19a, der auf der Abgasseite 19 am Verbrennungsmotor 1 angeschlossen ist, die Abgasturbine 5, die auf ihrer Hochdruckseite HD mittels der Abgasabführleitung 20 am Abgaskrümmer 19a angeschlossen ist und die sich auf der Niederdruckseite ND der Abgasturbine 5 fortsetzt, sowie ein Abgaskatalysator 21, ein Rußpartikelfilter 22 sowie ein Schalldämpfer 23, die entlang der Abgasabführleitung 20 angeordnet sind. Der Abgasmassenstrom 24 (mit geschwärzten Pfeilen dargestellt) der vom Verbrennungsmotor 1 ausgestoßen wird, wird vom Abgaskrümmer 19a und der Abgasabführleitung 20 über die Abgasturbine 5 und durch Abgaskatalysator 21, Rußpartikelfilter 22 und Schalldämpfer 23 in die Umgebung ausgestoßen .
Zum Ansaugtrakt 2 gehören ein Ladeluftkrümmer 9a, der auf der Ansaugseite 9 am Verbrennungsmotor 1 angeschlossen ist, der Frischluftverdichter 6 des Abgasturboladers 4 sowie eine La¬ deluftZuleitung 8, die einerseits über ein Drosselklappenventil 10 mit dem Ladeluftkrümmer 9a verbunden ist und die andererseits mit der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 verbunden ist. Weiterhin umfasst der Ansaugtrakt 2 eine Frischluftzu- führeinrichtung 7 mit einer Frischluftzuführleitung 7a und einer Frischluftfiltereinrichtung 7b, die Frischluftzuführleitung 7a ist einerseits mit der Niederdruckseite ND des Frischluft¬ verdichters 6 und andererseits mit der Frischluftfilterein¬ richtung 7b verbunden. Ebenfalls dem Ansaugtrakt 2 zugeordnet ist ein Rekuperationslader 12, der eine Verdichter-Turbine 13 und einen damit gekoppelten Motor-Generator 14 aufweist. Die Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 ist über eine Niederdruckzweigleitung IIa in einem ersten Ladeluftverzwei- gungspunkt 8a mit der LadeluftZuleitung 8 verbunden. Weiterhin ist an die Niederdruckzweigleitung IIa in einem Niederdruckverzweigungspunkt 11c, zwischen der Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 und dem ersten Ladeluftabzweigpunkt 8a eine Abblasleitung 16 angeschlossen.
An der Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 ist eine Hochdruckzweigleitung IIb angeschlossen, die wiederum in einem zweiten Ladeluftverzeigungspunkt 8b, im Ladeluftmassenstrom 26 stromabwärts des ersten Ladeluftverzweigungspunktes 8a, an die Ladeluftzuführleitung 8 angeschlossen ist. Weiterhin ist an die Hochdruckzweigleitung IIb in einem Niederdruckverzweigungspunkt 11c, zwischen der Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 und dem zweiten Ladeluftverzwei- gungspunkt 8b, eine Abgasrückführleitung 30 angeschlossen, die wiederum mit ihrem anderen Ende in einem Abgasverzweigungspunkt 20a, zwischen der Niederdruckseite ND der Abgasturbine 5 und dem Abgaskatalysator, mit der Abgasabführleitung 20 in Verbindung steht . In der LadeluftZuleitung 8 sind im Ladeluftmassenstrom 26 stromaufwärts des ersten Ladeluftverzweigungspunktes 8a und stromabwärts des zweiten Ladeluftverzweigungspunktes jeweils ein Ladeluftkühler angeordnet. Weiterhin ist in der
Abgasrückführleitung 30 ist ein Abgaskühler 32 angeordnet.
Weiterhin sind in den oben genannten Leitungsverbindungen 8, IIa, IIb, 20 und 30 mehrere Ventileinrichtungen 15a - 15f angeordnet zur Steuerung des Ladeluftmassentroms 26 und des Abgasmas¬ senstromes 24.
So ist in der Niederdruckzweigleitung IIa, zwischen dem ersten Ladeluftverzweigungspunkt 8a und dem Niederdruckver¬ zweigungspunkt 11c eine erste Ventileinrichtung 15a, sowie in der Hochdruckzweigleitung IIb zwischen dem Hochdruckverzwei- gungspunkt lld und dem zweiten Ladeluftverzeigungspunkt 8b eine zweite Ventileinrichtung 15b angeordnet. Eine dritte Ventil¬ einrichtung 15c ist in der Abgasrückführleitung 30 angeordnet. In der LadeluftZuleitung 8, zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeluftverzweigungspunkt 8a, 8b ist eine weitere Ventilein- richtung 15d und zwischen dem Niederdruckverzweigungspunkt 11c und der Abblasleitung 16 ist eine weitere Ventileinrichtung 15e angeordnet. Eine weitere Ventileinrichtung 15f, die im Weiteren auch als Abgaszweigventil 15f bezeichnet wird, ist in der Abgasabführleitung 20, im Abgasmassenstrom 24 stromabwärts des Abgasverzweigungspunktes 20a angeordnet.
Die genannten Ventileinrichtungen 15a - 15f können prinzipiell allesamt als einfache Sperrventile ausgeführt sein, die die zwei Zustände "gesperrt" oder "offen" einnehmen können. Mit einer solchen Ventilausführung und Ventilanordnung kann zwischen den Betriebsarten Boosterbetrieb, Abgas-Rekuperationsbetrieb, Standardbetrieb, Ladeluft-Rekuperationsbetrieb und Ab- gas-Ladeluft-Rekuperationsbetrieb umgeschaltet werden. Ein
Übergangsbetrieb, bei dem nur ein Teil des Abgasmassenstromes 24 oder Ladeluftmassentromes 26 zur Energie-Rekuperation über die Verdichter-Turbine 13 geleitet wird ist damit nicht möglich. Wenn jedoch, wie in Fig. 1 schematisch durch einen Diagonalpfeil dargestellt, die zweite Ventileinrichtung 15b ein Proportio¬ nalventil 15b ist, so kann aus der in der reinen Standardbe¬ triebsart gesperrten Ventilstellung heraus, durch geregeltes teilweises Öffnen in beliebiger Ventil-Zwischenstellung ein veränderbarer Anteil des Ladeluftmassenstromes 26 auf die Verdichter-Turbine geleitet werden. Gleiches gilt für das
Abgaszweigventil 15f in der Abgasabführleitung 20, mit dessen Hilfe durch geregeltes teilweises Schließen in beliebiger Ventil-Zwischenstellung ein veränderbarer Anteil des Abgasmassenstromes 26 über die Abgasrückführleitung 30 auf die Verdichter-Turbine geleitet werden kann.
Die Ausführung der Aufladeeinrichtung gemäß Figur 1 hat dabei den Vorteil, dass mechanisch und Steuerungstechnisch besonders einfache Ventileinrichtungen zum Einsatz kommen können, die einen robusten sowie kostengünstigen Aufbau erlauben.
In Figur 1 ist das Ausführungsbeispiel der Aufladeeinrichtung mit einer Ventilstellung gemäß dem Boosterbetrieb dargestellt, die eingestellt wird, wenn eine schnelle Lasterhöhung dies erfordert oder eine schnelle Drehzahlerhöhung des Verbrennungsmotors angefordert wird.
Dabei sind die erste und die zweite Ventileinrichtung 15a, 15b und somit der Durchgang der Niederdruckzweigleitung IIa sowie der Hochdruckzweigleitung IIb vollständig geöffnet, wobei
gleichzeitig die dritte Ventileinrichtung 15c in der
Abgasrückführleitung 30 und die weiteren Ventileinrichtungen 15d und 15e in der LadeluftZuleitung 8 und in der Abblasleitung 16 geschlossen sind. Gleichzeitig ist das Abgaszweigventil 15f in der Abgasabführleitung 20 vollständig geöffnet.
In dem in Figur 1 dargestellten Boosterbetrieb sind somit der Durchgang vom ersten Ladeluftabzweigpunkt 8a zur Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 geöffnet sowie der Durchgang zur Abblasleitung 16 gesperrt. Gleichzeitig sind der Durchgang von der Hochdruckzweigleitung IIb zur Ladeluftzuleitung 8 geöffnet sowie der Durchgang der LadeluftZuleitung 8 zwischen dem ersten und zweiten Ladeluftverzweigungspunkt 8a, 8b und der Durchgang der Abgasrückführleitung 30 gesperrt.
Gleichzeitig wird der Motor-Generator 14 auf Motorbetrieb geschaltet (nur die "Generator"-Bezeichnung ist gestrichen) . Somit wird im Boosterbetrieb ein Frischluftmassenstrom 25, in Figur 1 durch Dreifachpfeile dargestellt, über die Frisch- luftfiltereinrichtung 7b und die Frischluftzuführleitung 7a angesaugt. Im Frischluftverdichter 6 des Abgasturboladers 4 wird der Frischluftmassenstrom 25 verdichtet und auf der Hoch- druckseite HD des Frischluftverdichters 6 unter erhöhtem Druck in die LadeluftZuleitung 8 gepumpt. Der auf der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 abgegebene Luftmassenstrom wird in diesem Zusammenhang dann als Ladeluftmassenstrom 26 bezeichnet, wodurch das erhöhte Druckniveau gekennzeichnet werden soll.
Der Ladeluftmassenstrom 26 wird von der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 zur Niederdruckseite ND der Verdich¬ ter-Turbine 13 geleitet, von dieser weiter verdichtet und von der Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 zurück in die
LadeluftZuleitung 8 und zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1 geleitet. Der Motor-Generator 14 treibt im Motorbetrieb die Verdichter-Turbine 13 zur Druckerhöhung in der LadeluftZuleitung 8 an .
Die in Figur 2 gezeigte Ausführung der Aufladeeinrichtung unterscheidet sich von der Ausführung in Figur 1 lediglich durch die Ausführung und Anordnung der Ventileinrichtungen und ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventileinrichtung 15a, die zweite Ventileinrichtung 15b, die dritte Ventileinrichtung 15c sowie das Abgaszweigventil 15f in der Abgasabführleitung 20 jeweils als Umschaltventil 15a, 15b, 15c und 15f ausgeführt sind, wodurch die weiteren Ventileinrichtungen 15d und 15e eingespart werden können. Zusätzlich sind die zweite Ventileinrichtung 15b und das Abgaszweigventil 15f als Proportionalventile 15b, 15f (durch Diagonalpfeil gekennzeichnet) ausgeführt, wodurch auch ein teilweises Umschalten und somit die Aufteilung des Ab- gasmassenstromes 24 sowie des Ladeluftmassenstromes 26 er¬ möglicht wird. Der Einsatz von Proportionalventilen ist jedoch nicht zwingend erforderlich, sofern ein jeweils vollständiges Umschalten zwischen den Betriebsarten ausreichend ist. Dabei ist die erste Ventileinrichtung 15a im Niederdruckverzweigungspunkt 11c angeordnet, wobei in einer Ventilstellung, die in Figur 2 dargestellt ist, bei geöffnetem Durchgang vom ersten Ladeluftabzweigpunkt 8a zur Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13, der Durchgang zur Abblasleitung 16 gesperrt ist und in einer weiteren Ventilstellung (in Figur 2 nicht dargestellt) bei gesperrtem Durchgang vom ersten Ladeluftverzweigungspunkt 8a zur Niederdruckseite ND der Ver¬ dichter-Turbine 13 der Durchgang von der Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 zur Abblasleitung 16 geöffnet ist (siehe Figur 3) .
Die zweite Ventileinrichtung 15b ist im zweiten Ladeluftver- zweigungspunkt 8b angeordnet, wobei in einer Ventilstellung bei gesperrtem Durchgang der LadeluftZuleitung 8 zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1 und zur Hochdruckzweigleitung IIb, der Durchgang von der Hochdruckzweigleitung IIb zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1 geöffnet ist (wie in Figur 2 dargestellt) , und in einer weiteren Ventilstellung bei geöffnetem Durchgang der LadeluftZuleitung 8 zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1 der Durchgang von der LadeluftZuleitung 8 zur Hochdruckzweigleitung IIb gesperrt ist (wie in Figur 3 gezeigt) , und in einer weiteren Ventilstellung bei geöffnetem Durchgang der LadeluftZuleitung 8 von der Hochdruckseite HD des Frisch- luftverdichters 6 zur Hochdruckzweigleitung IIb, der Durchgang der LadeluftZuleitung 8 zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1, gesperrt ist (wie in Figur 5 gezeigt) . Sofern die zweite Ventileinrichtung 15b, wie in Figur 2 mit einem Diagonalpfeil angedeutet, als Proportionalventil 15b ausgeführt ist, so können auch Zwischenstellungen des Ventils eingestellt werden, bei denen bei teilweise geöffnetem Durchgang der LadeluftZuleitung (8) zur Hochdruckzweigleitung (IIb), der Durchgang der LadeluftZuleitung (8) zur Ansaugseite (9) des Verbrennungsmotors (1), im gleichen Maß teilweise gesperrt ist, um den Lade- luftmassenstrom 26 zwischen der Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1 und der Verdichter-Turbine 13 aufzuteilen.
Die dritte Ventileinrichtung 15c ist im Hochdruckverzwei- gungspunkt lld der Hochdruckzweigleitung IIb angeordnet, wobei in einer Ventilstellung bei gesperrtem Durchgang von der Abgasrückführleitung 30 zur Hochdruckzweigleitung IIb der Durchgang von der Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 zum zweiten Ladeluftverzweigungspunkt 8b hin geöffnet ist (wie in Figur 2 und Figur 5 dargestellt) . In einer weiteren Ventil¬ stellung ist bei geöffnetem Durchgang von der Abgasrück- führleitung 30 zur Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 hin, der Durchgang von der Abgasrückführleitung 30 zum zweiten Ladeluftverzweigungspunkt 8b hin gesperrt (wie in Figur 3 und 4 dargestellt) . In einer weiteren Ventilstellung schließlich ist sowohl der Durchgang von der Abgasrückführleitung 30 als auch der Durchgang vom zweiten Ladeluftverzweigungspunkt 8b her zur Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 hin geöffnet (wie in Figur 6 dargestellt) .
Das Abgaszweigventil 15f ist im Abgasverzweigungspunkt 20a der Abgasabführleitung 20 angeordnet und ist, wie in Figur 2 mit einem Diagonalpfeil angedeutet, als Proportionalventil 15f ausge¬ führt, wobei in Figur 2 bei gesperrtem Durchgang von der Ab- gasabführleitung 20 zur Abgasrückführleitung 30, der Durchgang der Abgasabführleitung 20 stromabwärts des Abgasverzwei¬ gungspunktes 20a vollständig geöffnet ist. Die Ausführung als Proportionalventil ermöglicht jedoch auch Zwischenstellungen des Abgaszweigventils 15f, wobei bei zu¬ mindest teilweise geöffnetem Durchgang von der Abgasabführleitung 20 zur Abgasrückführleitung 30, der Durchgang der Abgasabführleitung 20 stromabwärts des Abgasverzweigungspunktes 20a zumindest teilweise gesperrt ist, um einen Teil des Ab¬ gasmassenstromes 24 in die Abgasrückführleitung 30 abzuzweigen.
Die Ausführung der Aufladeeinrichtung gemäß der Figur 2 hat dabei den Vorteil, dass die Anzahl der benötigten mechanischen Komponenten und somit auch der benötigte Bauraum für die Aufladeeinrichtung reduziert sind.
Figur 3 zeigt Aufbau und Anordnung der Aufladeeinrichtung wie Figur 2. Im Unterscheid zu Figur 2 ist hier jedoch die Verdichter-Turbine 13, symbolisch dargestellt, mit einer festen oder variablen Turbinengeometrie 13a, das heißt mit einer feststehenden oder variablen also beweglichen Leitschaufelanordnung 13a im Gehäuse der Verdichter-Turbine 13 ausgestattet. Dies hat insbesondere bei einer beweglichen Leitschaufelanordnung 13a den Vorteil, dass in Abhängigkeit von der Betriebsart des Rekuperationsladers , Motorbetrieb oder Generatorbetrieb, und somit von der Anströmrichtung des Ladeluftmassenstromes oder Abgasmassenstromes, die Anströmung, insbesondere der An- Strömwinkel, der Verdichter-Turbine 13 oder das Abströmen des Abblasmassenstromes jeweils optimiert werden kann.
Weiterhin ist in Figur 3 zusätzlich ein freies Leitungsende an dem Niederdruckverzweigungspunkt 11c mit gestrichelter Linie angedeutet. Dies stellt eine Alternative Abblasleitung 16 dar, die es ermöglicht, den Abblasmassenstrom 27, statt in die Frischluftzuführeinrichtung einzuspeisen, in die Umgebung abzublasen. Dies erfolgt jedoch in sinnvoller Weise über einen Anschluss an den Abgastrakt 3, in Strömungsrichtung vor den Komponenten zur Abgasnachbehandlung, wie den Abgaskatalysator 21 und den Rußpartikelfilter 22. Damit wird gewährleistet, dass das zur Rekuperation abgezweigte Abgas nicht unbehandelt in die Umgebung abgeblasen wird und den gesetzlichen Vorschriften für die Abgaswerte Rechnung getragen werden kann. Diese Rückführung des Abblasmassenstromes 27 in den Abgastrakt 3 ist in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Figur 3 zeigt darüber hinaus eine Einstellung der Ventileinrichtungen 15a, 15b, 15c und 15f, die einer ersten Rekupera- tionsbetriebsart , im Weiteren zur besseren Unterscheidung auch "Abgas-Rekuperationsbetrieb" genannt, entspricht.
Zur Durchführung des Abgas-Rekuperationsbetriebs ist das erste Umschaltventil 15a im Niederdruckverzweigungspunkt 11c so eingestellt, dass bei gesperrtem Durchgang vom ersten Lade- luftverzweigungspunkt 8a zur Niederdruckseite ND der Ver¬ dichter-Turbine 13 der Durchgang von der Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 zur Abblasleitung 16 geöffnet ist, wobei das zweite Umschaltventil 15b im zweiten Ladeluftverzwei¬ gungspunkt 8b so eingestellt ist, dass bei geöffnetem Durchgang der LadeluftZuleitung 8 zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1 der Durchgang von der LadeluftZuleitung 8 zur Hochdruckzweigleitung IIb gesperrt ist. Weiterhin ist das dritte Um- schaltventil 15c so eingestellt, dass bei gesperrtem Durchgang der Hochdruckzweigleitung IIb zur LadeluftZuleitung 8, der Durchgang von der Abgasrückführleitung 30 zur Hochdruckzweigleitung IIb geöffnet ist. Schließlich ist das Abgas¬ zweigventil 15f so eingestellt, dass bei zumindest teilweise geöffnetem Durchgang von der Abgasabführleitung 20 zur
Abgasrückführleitung 30, der Durchgang der Abgasabführleitung 20 stromabwärts des Abgasverzweigungspunktes 20a zumindest teilweise gesperrt ist. Auf diese Weise wird zur Durchführung des Ab¬ gas-Rekuperationsbetriebs der Ladeluftmassenstrom 26 von der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 über die Lade¬ luftZuleitung 8 direkt zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors geleitet und gleichzeitig zumindest ein Teil des Abgasmas- senstrom 24 vom Abgastrakt 3 abgezweigt und zur Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 geleitet und über die Verdich¬ ter-Turbine entspannt. Im Anschluss daran wird der Abblas¬ massenstrom 24 als Abblasmassenstrom 27 von der Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 über eine Abblasleitung 16 in den Abgastrakt 3 abgeblasen oder in die Frischluftzuführeinrichtung 7 eingeleitet. Dabei ist der Motor-Generator 14 in einen Generatorbetrieb, in dem er von der Verdichter-Turbine 13 zur Energierückgewinnung angetrieben wird, geschaltet und erzeugt elektrische Energie, die in einen entsprechenden Speicher, wie zum Beispiel eine Batterie oder einen Speicherkondensator (beide nicht dargestellt) eines vom Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs eingespeist werden kann, wo zur Verwendung für vielfältige Zwecke im Fahrzeug zur Verfügung steht.
In der Figur 4 ist wiederum die gleiche Anordnung der
Aufladeeinrichtung gemäß Figur 3 dargestellt, wobei der Unterschied darin besteht, dass die Ventileinrichtungen 15a, 15b, 15c und 15f in einer Einstellung gezeigt sind die dem sogenannten Standardbetrieb entspricht. Die Einstellung des ersten Um¬ schaltventils 15a, des zweiten Umschaltventils 15b und des dritten Umschaltventils 15c entspricht dabei jeweils der Einstellung wie im Abgas-Rekuperationsbetrieb (siehe Figur 3 und zugehörige Beschreibung) , lediglich das Abgaszweigventil 15f ist so eingestellt, dass der Durchgang von der Abgasabführleitung 20 zur Abgasrückführleitung 30 gesperrt ist.
In der Standardbetriebsart wird somit ein Frischluftmassenstrom 25, in Figur 4 durch Dreifachpfeile dargestellt, über die
Frischluftfiltereinrichtung 7b und die Frischluftzuführleitung 7a angesaugt. Im Frischluftverdichter 6 des Abgasturboladers 4 wird der Frischluftmassenstrom 25 verdichtet und auf der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 unter erhöhtem Druck in die LadeluftZuleitung 8 und über das zumindest teilweise geöffnete Drosselklappenventil 10 und den Ladeluftkrümmer 9a in die Zylinder des Verbrennungsmotors 1 gepumpt. Der auf der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 abgegebene Luftmassenstrom wird in diesem Zusammenhang dann als Lade- luftmassenstrom 26 bezeichnet, wodurch das erhöhte Druckniveau gekennzeichnet werden soll. Der Abgasmassenstrom 24 wird ungenutzt vollständig über die Abgasabführleitung 20 abgeführt und der Motor-Generator 14 des Rekuperationsladers 12 ist neutral geschaltet, was in Figur 4 dadurch gekennzeichnet ist, dass sowohl die "Mo- tor"-Kennzeichnung als auch die "Generator"-Kennzeichnung gestrichen dargestellt ist.
Aus der Standardbetriebsart heraus kann auf einfache Weise in den Abgas-Rekuperationsbetrieb umgeschaltet werden indem durch das Abgaszweigventil 15f der Durchgang zur Abgasrückführleitung 30 zumindest teilweise geöffnet und gleichzeitig den Durchgang der Abgasabführleitung 20 stromabwärts des Abgasverzweigungspunktes 20a zumindest teilweise gesperrt wird. Figur 5 zeigt wiederum die gleich Anordnung der
Aufladeeinrichtung wie Figur 3. Die Einstellung der Umschaltventile 15a, 15b, 15c und 15f entspricht jedoch einer weiteren Rekuperationsbetriebsart , die auch als reiner
"Ladeluft-Rekuperationsbetrieb" bezeichnet werden kann.
Dabei ist das erste Umschaltventil 15a im Niederdruckver¬ zweigungspunkt 11c der Niederdruckzweigleitung IIa so einge¬ stellt, dass bei gesperrtem Durchgang vom ersten Ladeluft- verzweigungspunkt 8a zur Niederdruckseite ND der Verdich- ter-Turbine 13 der Durchgang von der Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 zur Abblasleitung 16 geöffnet ist.
Gleichzeitig ist das zweite Umschaltventil 15b im zweiten Ladeluftverzweigungspunkt 8b so eingestellt, dass bei zumindest teilweise oder ganz geöffnetem Durchgang der LadeluftZuleitung 8 zur Hochdruckzweigleitung IIb, der Durchgang der Ladeluftzuleitung 8 zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1, zumindest teilweise oder ganz gesperrt ist. Das Abgaszweigventil 15f verharrt dabei in der gleichen Einstellung wie im Standartbetrieb, wobei der Durchgang von der Abgasabführleitung 20 zur Abgasrückführleitung 30 gesperrt bleibt und der Motor-Generator 14 des Rekuperationsladers 12 in den Generatorbetrieb geschaltet ist . Gemäß der beschriebenen Ventileinstellungen wird also zur Durchführung des in Figur 5 dargestellten Ladeluft- Rekuperationsbetriebs der Ladeluftmassenstrom 26 von der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6, zumindest teilweise, zur Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 geleite, wird über die Verdichter-Turbine 13 entspannt und von der Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 über eine Abblasleitung 16 vorzugsweise in die Frischluftzuführein- richtung 7 eingeleitet. Dabei ist der Motor-Generator 14 in einen Generatorbetrieb, von der Verdichter-Turbine 13 zur Energie¬ rückgewinnung angetrieben, geschaltet ( "Motor"-Bezeichnung gestrichen dargestellt) . Der Abgasmassenstrom 24 bleibt dabei vom Rekuperationslader 12 ungenutzt und wird vollständig über eine Abgasabführleitung 20 abgeführt.
Bei Verwendung eines Proportionalventils 15b kann die Öffnung fortschreitend oder auch nur teilweise geregelt erfolgen, um genau den Anteil des Ladeluftmassenstroms 26 abzuzweigen, der vom Verbrennungsmotor aktuell nicht benötigt wird.
Durch entsprechende Ventilstellung der Ventileinrichtungen 15a, 15b und 15c ist also die Strömungsrichtung des Ladeluftmas- senstromes 26 über die Verdichter-Turbine 13 umschaltbar. In Figur 6 ist schließlich im Wesentlichen auf Grundlage der gleichen Anordnung der Aufladeeinrichtung wie in den Figuren 3 bis 5 eine Einstellung der Ventileinrichtungen 15a, 15b, 15c und 15f dargestellt die einer weiteren Rekuperationsbetriebsart entspricht, die auch als gemischter "Ladeluft-Abgas- Rekuperationsbetrieb" bezeichnet werden kann. Dabei ist das erste Umschaltventil 15a so eingestellt, dass in einer Ven¬ tilstellung bei gesperrtem Durchgang vom ersten Ladeluftver- zweigungspunkt 8a zur Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 der Durchgang von der Niederdruckseite ND der Verdich- ter-Turbine 13 zur Abblasleitung 16 geöffnet ist. Das zweite Umschaltventil 15b ist dagegen so eingestellt wie im Lade¬ luft-Rekuperationsbetrieb (siehe Figur 5) , wobei bei zumindest teilweise oder ganz geöffnetem Durchgang der LadeluftZuleitung 8 zur Hochdruckzweigleitung IIb, der Durchgang der Ladeluftzuleitung 8 zur Ansaugseite 9 des Verbrennungsmotors 1, zumindest teilweise oder ganz gesperrt ist. Das dritte Umschaltventil 15c ist dabei so eingestellt, dass sowohl der Durchgang von der Hochdruckzweigleitung IIb zur LadeluftZuleitung 8 als auch der Durchgang von der Abgasrückführleitung 30 zur Hochdruckzweigleitung IIb geöffnet ist. Gleichzeitig ist das Abgas¬ zweigventil 15f so eingestellt, dass bei zumindest teilweise geöffnetem Durchgang von der Abgasabführleitung 20 zur
Abgasrückführleitung 30 , der Durchgang der Abgasabführleitung 20 stromabwärts des Abgasverzweigungspunktes 20a zumindest teilweise gesperrt ist. Abweichend von den Darstellung der Figuren 1 bis 5 ist die Abgasrückführleitung 30 in einem Abgasverzweigungspunkt 20a der Abgasabführleitung 20 ange- schlössen, der auf der Hochdruckseite HD der Abgasturbine 5 des Abgasturboladers 4 liegt. Somit kann das Abgaszweigventil 15f quasi wie ein herkömmliches Wastegateventil betrieben werden, wobei hier der Abgasmassenstrom nicht einfach um die Abgasturbine 5 herum wieder in die Abgasabführleitung 20 geleitet wird sonder zur Rekuperation über die Verdichter-Turbine 13 des
Rekuperationsladers 12 geführt wird. Dies ist insbesondere im Ladeluft-Abgas-Rekuperationsbetrieb vorteilhaft, da das zu¬ rückgeführte Abgas auf höherem Druckniveau steht und so auf einfachere Weise mit dem Ladeluftmassenstrom, der ebenfalls ein erhöhtes Druckniveau aufweist, zusammengeführt werden kann.
Zur Durchführung des Ladeluft-Abgas-Rekuperationsbetriebs wird also der Ladeluftmassenstrom 26 von der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 zumindest teilweise zur Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 geleitet und gleichzeitig wird zumindest ein Teil des Abgasmassenstrom 24 vor der Abgasturbine 5 im Abgastrakt 3 abgezweigt und ebenfalls zur Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 geleitet, wodurch sich ein gemischter Abgas-Ladeluft-Massenstrom bildet, der über die Verdich- ter-Turbine entspannt wird und von der Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 über eine Abblasleitung 16 über den Abgastrakt abgeblasen oder in die Frischluftzuführeinrichtung 7 eingeleitet werden kann. Dabei ist der Motor-Generator 14 des Rekuperationsladers 12 in den Generatorbetrieb, von der Ver¬ dichter-Turbine 13 zur Energierückgewinnung angetrieben, geschaltet . Die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Aufladeeinrichtungen weisen, wie schon erwähnt, zwei Ladeluftkühler 17 auf, die an zwei unterschiedlichen Positionen in der LadeluftZuleitung 8 im Ladeluftmassenstrom 26 angeordnet sind. Ein Ladeluftkühler 17 ist zwischen der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 und dem ersten Ladeluftverzeigungspunkt 8a angeordnet und der zweite Ladeluftkühler 17 ist zwischen dem zweiten Ladeluft- verzweigungspunkt 8b und dem Drosselklappenventil 10 angeordnet. In vorteilhafter Weise ergibt sich so für den Standardbetrieb und den Boosterbetrieb eine zweistufige Ladeluftkühlung und im Ladeluft-Rekuperationsbetrieb wird ein gekühlter Ladeluft- massenstrom 26 auf die Verdichter-Turbine 13 geleitet.
Zusätzlich wird mittels des in der Abgasrückführleitung 30 angeordneten Abgaskühlers 32 auch der zur Rekuperation abge- zweigte Abgasmassenstrom 24 gekühlt, bevor er im Ab- gas-Rekuperationsbetrieb oder im Ladeluft-Abgas- Rekuperationsbetrieb über die Verdichter-Turbine 13 geleitet wird. Eine teure Auslegung der Verdichter-Turbine 13 für erhöhte Betriebstemperauren ist dadurch nicht erforderlich.
In Kürze noch einmal zusammengefasst betrifft die Erfindung also eine Aufladeeinrichtung und ein Betriebsverfahren für diese Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor. Dabei weist die Aufladeeinrichtung einen Abgasturbolader und einen Rekupera- tionslader auf, wobei der Rekuperationslader eine Verdichter-Turbine und einen damit gekoppelten elektromechanischen Motor-Generator aufweist. Dabei ist mittels Leitungsverbindungen und Ventileinrichtungen die Verdichter-Turbine auf ihrer Niederdruckseite stromabwärts des Frischluftverdichters des Abgasturboladers an die LadeluftZuleitung und auf ihrer
Hochdruckseite sowohl an die LadeluftZuleitung als auch an den Abgastrakt anschließbar. Der genannte Rekuperationslader 12 kann mittels der Ventileinrichtungen und dem Motor-Generator zu- mindest zwischen einer Verstärkerbetriebsart und einer
Rekuperationsbetriebsart umgeschaltet werden, wobei er ei¬ nerseits in der Verstärkerbetriebsart vom Motor-Generator angetrieben als Verdichter zur Druckerhöhung in der Ladeluftzuführleitung oder andererseits vom zumindest jeweils einem Teil des Ladeluftmassenstroms und/oder des Abgasmassenstroms angetrieben als Turbine zur Energierückgewinnung mittels des Motor-Generators betrieben werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Ansaugseite (9) und einer Abgasseite (19) und einem auf der Ansaugseite (9) angeordneten Ansaugtrakt (2) und einem auf der Abgasseite angeordneten Abgastrakt (3) , die aufweist,
- einen Abgasturbolader (4) mit einer Abgasturbine (5), die im Abgastrakt (3) angeordnet ist und einen Frischluftverdichter (6) mit einer Niederdruckseite (ND) und einer Hochdruckseite (HD) , der im Ansaugtrakt (2) angeordnet ist;
- eine Frischluftzuführeinrichtung (7), an die der Frisch- luftverdichter (6) auf seiner Niederdruckseite (ND) ange¬ schlossen ist und
- eine LadeluftZuleitung (8), die die Hochdruckseite (HD) des Frischluftverdichters (6) zur Führung eines vom Frischluft¬ verdichter (6) erzeugten Ladeluftmassenstroms (26) mit der Ansaugseite des Verbrennungsmotors (1) verbindet,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Aufladeeinrichtung einen Rekuperationslader (12) aufweist, der eine Verdichter-Turbine (13) mit einer Hochdruckseite (HD) und einer Niederdruckseite (ND) und einen damit gekoppelten elektromechanischen Motor-Generator (14) aufweist und dass
- die Verdichter-Turbine (13) über Leitungsverbindungen (IIa, IIb, lle) und Ventileinrichtungen (15a - 15e) einerseits auf ihrer Niederdruckseite (ND) sowohl an die LadeluftZuleitung (8) als auch an eine Abblasleitung (16) und andererseits auf ihrer Hochdruckseite (HD) sowohl an die LadeluftZuleitung (8) als auch an eine Abgasabführleitung (20) im Abgastrakt (3) so gekoppelt ist,
dass der Rekuperationslader (12) in Abhängigkeit von den
Einstellungen der Ventileinrichtungen (15a - 15e) , zumindest einerseits in einer Verstärkerbetriebsart, vom Motor-Generator (14) angetrieben als Verdichter zur Druckerhöhung des Ladeluftmassenstromes (26) in der LadeluftZuleitung (8) und an- dererseits in einer Rekuperationsbetriebsart , vom zumindest einem Teil des Ladeluftmassenstroms (26) und/oder von zumindest einem Teil eines Abgasmassenstroms (24) angetrieben als Turbine zur Energierückgewinnung mittels des Motor-Generators (14) betreibbar ist.
2. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Niederdruckseite (ND) der Verdichter-Turbine (13) über eine Niederdruckzweigleitung (IIa) und eine erste Ventileinrichtung (15a) in einem ersten Ladeluftverzweigungspunkt (8a) mit der LadeluftZuleitung (8) in Verbindung steht und
- dass die Hochdruckseite (HD) der Verdichter-Turbine (13) über eine Hochdruckzweigleitung (IIb) und eine zweite Ventilein- richtung (15b), in einem zweiten Ladeluftverzeigungspunkt (8b), stromabwärts des ersten Ladeluftverzeigungspunktes (8a) mit der Ladeluftzuführleitung (8) in Verbindung steht und
- dass die Niederdruckzweigleitung (IIa) in einem Niederdruckverzweigungspunkt (11c) über die erste Ventileinrichtung (15a) oder eine weitere Ventileinrichtung (15e) mit einer Abblasleitung (16) in Verbindung steht und
- dass die Hochdruckzweigleitung (IIb) in einem Hochdruckverzweigungspunkt (lld) über eine Abgasrückführleitung (30) und zumindest eine dritte Ventileinrichtung (15c) in einem Ab- gasverzweigungspunkt (20a) mit einer Abgasabführleitung (20) im Abgastrakt (3) in Verbindung steht,
wobei die LadeluftZuleitung (8) zwischen dem ersten Ladeluftverzweigungspunkt (8a) und dem zweiten Ladeluftverzwei¬ gungspunkt (8b) mittels der zweiten Ventileinrichtung (15b) oder zumindest einer weiteren Ventileinrichtung (15d) sperrbar ist.
3. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventileinrichtung (15a) ein Umschaltventil (15a) ist, das im Niederdruckverzweigungspunkt (11c) angeordnet ist, wobei
-in einer Ventilstellung bei gesperrtem Durchgang vom ersten Ladeluftverzweigungspunkt (8a) zur Niederdruckseite (ND) der Verdichter-Turbine (13) der Durchgang von der Niederdruckseite (ND) der Verdichter-Turbine (13) zur Abblasleitung (16) geöffnet ist und
- in einer weiteren Ventilstellung bei geöffnetem Durchgang vom ersten Ladeluftabzweigpunkt (8a) zur Niederdruckseite (ND) der Verdichter-Turbine (13), der Durchgang zur Abblasleitung (16) gesperrt ist.
4. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ventileinrichtung (15b) ein Umschaltventil (15b) ist, das im zweiten Ladeluftverzwei- gungspunkt (8b) angeordnet ist, wobei
- in einer Ventilstellung bei gesperrtem Durchgang der LadeluftZuleitung (8) zur Ansaugseite (9) des Verbrennungsmotors (1) und zur Hochdruckzweigleitung (IIb), der Durchgang von der Hochdruckzweigleitung (IIb) zur Ansaugseite (9) des Verbrennungsmotors (1) geöffnet ist und
- in einer weiteren Ventilstellung bei geöffnetem Durchgang der LadeluftZuleitung (8) zur Ansaugseite (9) des Verbrennungsmotors (1) der Durchgang von der LadeluftZuleitung (8) zur Hoch- druckzweigleitung (IIb) gesperrt ist und
- in einer weiteren Ventilstellung bei zumindest teilweise oder ganz geöffnetem Durchgang der LadeluftZuleitung (8) zur
Hochdruckzweigleitung (IIb), der Durchgang der Ladeluftzuleitung (8) zur Ansaugseite (9) des Verbrennungsmotors (1), zumindest teilweise oder ganz gesperrt ist
5. Aufladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Ventileinrichtung (15c) ein Umschaltventil (15c) ist, das im Hochdruckverzweigungspunkt (lld) angeordnet ist, wobei
- in einer Ventilstellung bei geöffnetem Durchgang der Hochdruckzweigleitung (IIb) zur Ladeluftzuleitung (8), der Durchgang von der Abgasrückführleitung (30) zur Hochdruckzweigleitung (IIb) gesperrt ist und
- in einer weiteren Ventilstellung bei gesperrtem Durchgang der Hochdruckzweigleitung (IIb) zur LadeluftZuleitung (8), der Durchgang von der Abgasrückführleitung (30) zur Hochdruckzweigleitung (IIb) geöffnet ist und
- in einer weiteren Ventilstellung sowohl der Durchgang von der Hochdruckzweigleitung (IIb) zur LadeluftZuleitung (8) als auch der Durchgang von der Abgasrückführleitung (30) zur Hochdruckzweigleitung (IIb) geöffnet ist.
6. Aufladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasverzeigungspunkt (20a) ein weiteres Umschaltventil (15f) angeordnet ist,
wobei bei zumindest teilweise geöffnetem Durchgang von der Abgasabführleitung (20) zur Abgasrückführleitung (30), der Durchgang der Abgasabführleitung (20) stromabwärts des Abgasverzweigungspunktes (20a) zumindest teilweise gesperrt ist.
7. Aufladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasleitung (16) an die
Frischluftzuführeinrichtung (7) angeschlossen ist, zur Rückführung eines Abblasmassenstromes (27) in die Frischluftzu¬ führeinrichtung (7) .
8. Aufladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ladeluftkühler (17) an einer oder mehreren Positionen in der LadeluftZuleitung (8) im Ladeluftmassenstrom (26) stromaufwärts oder stromabwärts der Verdichter-Turbine (13) angeordnet sind.
9. Aufladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Abgaskühler (32) an einer oder mehreren Positionen in der Abgasrückführleitung (32) im Abgasmassenstrom (24) angeordnet sind.
10. Aufladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter-Turbine (13) des Rekuperationsladers (12) ein Verdichter-Turbinen-Gehäuse aufweist mit einer darin angeordneten feststehenden oder va- riablen Leitschaufelanordnung (13a) zur Optimierung des
Abströmverhaltens oder Anströmverhaltens des Ladeluftmassen- stroms (26) und/oder des Abgasmassenstromes (24).
11. Betriebsverfahren für eine Aufladeeinrichtung eines Ver- brennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung im Betrieb in Abhängigkeit vom Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors (1) und mit Hilfe der Leitungsverbindungen (IIa - lld, 30), der Ventileinrichtungen (15a - 15f) sowie dem Motor-Generator (14) des Rekuperationsladers (12), zumindest zwischen einer Ver¬ stärkerbetriebsart und einer ersten Rekuperationsbetriebsart umgeschaltet werden kann.
12. Betriebsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung zusätzlich in eine Standardbetriebsart und weitere unterschiedliche
Rekuperationsbetriebsarten umgeschaltet werden kann.
13. Betriebsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtungen (15a - 15f) sowie der
Rekuperationslader (12) jeweils so eingestellt werden, - dass zur Durchführung der Verstärkerbetriebsart, der Lade- luftmassenstrom (26) von der Hochdruckseite (HD) des Frisch- luftverdichters (6) zur Niederdruckseite (ND) der Verdich¬ ter-Turbine (13) geleitet wird, von der Verdichter-Turbine (13) weiter verdichtet wird und von der Hochdruckseite (HD) der Verdichter-Turbine (13) unter erhöhtem Druck zurück in die LadeluftZuleitung (8) und zur Ansaugseite (9) des Verbrennungsmotors (1) geleitet wird, sowie der Motor-Generator (14) in einen Motorbetrieb, die Verdichter-Turbine (13) zur Drucker¬ höhung in der LadeluftZuleitung (8) antreibend, geschaltet wird und
- dass zur Durchführung der ersten Rekuperationsbetriebsart, der Ladeluftmassenstrom (26) von der Hochdruckseite (HD) des Frischluftverdichters (6) über die LadeluftZuleitung (8) direkt zur Ansaugseite (9) des Verbrennungsmotors geleitet wird und gleichzeitig ein Abgasmassenstrom (24) vom Abgastrakt abgezweigt und zur Hochdruckseite (HD) der Verdichter-Turbine (13) geleitet und über die Verdichter-Turbine entspannt wird und von der Niederdruckseite (ND) der Verdichter-Turbine (13) über eine Abblasleitung (16) über den Abgastrakt 3 abgeblasen oder in die Frischluftzuführeinrichtung (7) eingeleitet wird,
wobei der Motor-Generator (14) in einen Generatorbetrieb, von der Verdichter-Turbine (13) zur Energierückgewinnung angetrieben, geschaltet wird.
14. Betriebsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtungen (15a - 15f) sowie der
Rekuperationslader (12) jeweils so eingestellt werden,
- dass zur Durchführung der Standardbetriebsart, der Lade- luftmassenstrom (26) von der Hochdruckseite (HD) des Frisch- luftverdichters (6) über die LadeluftZuleitung (8) direkt zur Ansaugseite (9) des Verbrennungsmotors geleitet und der Mo- tor-Generator (14) des Rekuperationsladers (12) neutral ge¬ schaltet wird, wobei der Abgasmassenstrom (24) ungenutzt vollständig über eine Abgasabführleitung (20) abgeführt wird.
15. Betriebsverfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Ventileinrichtungen (15a - 15f) sowie der Rekuperationslader (12) jeweils so eingestellt werden,
- dass zur Durchführung einer weiteren Rekuperationsbetriebsart, der Ladeluftmassenstrom (26) von der Hochdruckseite (HD) des Frischluftverdichters (6,) zumindest teilweise, zur Hoch- druckseite (HD) der Verdichter-Turbine (13) geleitet wird, über die Verdichter-Turbine entspannt wird und von der Nieder¬ druckseite (ND) der Verdichter-Turbine (13) über eine
Abblasleitung (16) wieder in die Frischluftzuführeinrichtung (7) eingeleitet wird, sowie der Motor-Generator (14) in einen Generatorbetrieb, von der Verdichter-Turbine (13) zur Ener¬ gierückgewinnung angetrieben, geschaltet wird,
wobei der Abgasmassenstrom (24) ungenutzt vollständig über eine Abgasabführleitung (20) abgeführt wird.
16. Betriebsverfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtungen (15a - 15f) sowie der Rekuperationslader (12) jeweils so eingestellt werden,
- dass zur Durchführung einer weiteren Rekuperationsbetriebsart, der Ladeluftmassenstrom (26) von der Hochdruckseite (HD) des Frischluftverdichters (6) zumindest teilweise zur Hochdruck¬ seite (HD) der Verdichter-Turbine (13) geleitet wird und gleichzeitig zumindest ein Teil des Abgasmassenstrom (24) vom Abgastrakt abgezweigt und zur Hochdruckseite (HD) der Ver- dichter-Turbine (13) geleitet wird, wodurch sich ein gemischter Abgas-Ladeluft-Massenstrom bildet, der über die Verdichter-Turbine entspannt wird und von der Niederdruckseite (ND) der Verdichter-Turbine (13) über eine Abblasleitung (16) über den Abgastrakt 3 abgeblasen oder in die Frischluftzuführeinrichtung (7) eingeleitet wird,
wobei der Motor-Generator (14) in einen Generatorbetrieb, von der Verdichter-Turbine (13) zur Energierückgewinnung angetrieben, geschaltet wird.
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