WO2018197622A1 - Verbrennungskraftmaschine für ein kraftfahrzeug, insbesondere für einen kraftwagen - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine für ein kraftfahrzeug, insbesondere für einen kraftwagen Download PDF

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WO2018197622A1
WO2018197622A1 PCT/EP2018/060748 EP2018060748W WO2018197622A1 WO 2018197622 A1 WO2018197622 A1 WO 2018197622A1 EP 2018060748 W EP2018060748 W EP 2018060748W WO 2018197622 A1 WO2018197622 A1 WO 2018197622A1
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internal combustion
combustion engine
air
exhaust gas
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René Ernst
Thomas Kuhn
Siegfried Weber
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Daimler Ag
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    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
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    • 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 an internal combustion engine for a motor vehicle
  • the internal combustion engine has at least one exhaust gas turbocharger, which comprises at least one of exhaust gas of the internal combustion engine drivable turbine and a drivable by the turbine first compressor for compressing at least one combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied air.
  • an electrically operable second compressor is provided, by means of which the air to be supplied to at least one combustion chamber is to be compressed parallel to the first compressor.
  • the compressors are connected or arranged in parallel to one another, so that air can be compressed in parallel or simultaneously by means of the compressors, which is to be supplied to the at least one combustion chamber designed as a cylinder, for example.
  • the compressors are operable parallel to one another and can thus compress air in parallel or simultaneously and convey it to the combustion chamber.
  • DE 10 2014 206 552 A1 discloses a method of operating an internal combustion engine, in which in response to a pedal pressure of the driver, a throttle valve is opened, which is arranged in a Ansaugströmungskanal downstream of a compressor of an exhaust gas turbocharger.
  • Object of the present invention is to develop an internal combustion engine of the type mentioned in such a way that a particularly high performance of the internal combustion engine can be implemented in a particularly efficient manner.
  • This object is achieved by an internal combustion engine having the features of patent claim 1.
  • the second compressor is formed at least two stages and thus at least two
  • Compressor stages which are connected or arranged, for example, serially or in series with each other. Compared to conventional internal combustion engines thereby a significant increase in performance, in particular the rated power, can be realized, especially at constant cycle real consumption, so that the average fuel consumption of
  • Internal combustion engine can be kept very low.
  • the second compressor is used as a so-called electric nominal power compressor, which, at least temporarily or as needed, is operated in parallel to the first compressor of the exhaust gas turbocharger, so that the compressor can compress and convey air in parallel or simultaneously.
  • the at least one, for example, designed as a cylinder combustion chamber can be efficiently supplied with a particularly high air mass, so that particularly high performance realized and the fuel consumption of the internal combustion engine can be kept very low.
  • the invention is based in particular on the following finding:
  • the solution according to the invention differs significantly.
  • the low-end torque range is covered by the use of the optimized exhaust gas turbocharger, since, for example, its turbine or turbine wheel with only small
  • Mass inertia can be equipped.
  • the exhaust gas turbocharger on a very good transient behavior.
  • the second compressor which acts then in parallel with the exhaust-gas turbocharger or to the first compressor, becomes one-stage or preferably multi-stage and therefore at least two-stage
  • the second compressor is designed in one stage and thus has exactly one compressor stage.
  • the second compressor is designed in two or more stages. Due to the increased air mass, a higher amount of fuel can be introduced, in particular injected, into the at least one combustion chamber while maintaining the same fuel / air ratio, resulting in an increased torque and power profile.
  • the electrical energy for driving the electric second compressor may be via a belt starter generator (RSG), an integrated starter generator (ISG) and / or at least one, for example of a particular crankshaft
  • RSG belt starter generator
  • ISG integrated starter generator
  • crankshaft crankshaft
  • Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine for a
  • Fig. 2 is a schematic representation of an internal combustion engine for a
  • Motor vehicle with an exhaust gas turbocharger with a first compressor, and with an electrically operable second compressor, which is formed at least two stages.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a designated as a whole with 10 internal combustion engine for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle such as a passenger car.
  • the motor vehicle is drivable by means of the internal combustion engine 10.
  • the internal combustion engine 10 has a cylinder housing 12 designed, for example, as a cylinder crankcase, through which a plurality of combustion chambers in the form of cylinders 14 of the internal combustion engine 10 are formed.
  • a cylinder housing 12 designed, for example, as a cylinder crankcase, through which a plurality of combustion chambers in the form of cylinders 14 of the internal combustion engine 10 are formed.
  • the cylinders 14 are supplied with fuel, in particular liquid fuel, for operating the internal combustion engine 10 and air, so that in the respective cylinder 14, a fuel-air mixture is received.
  • the respective fuel-air mixture is burned, from which the exhaust gas
  • the internal combustion engine 10 has an exhaust gas tract 16, through which the exhaust gas can flow, by means of which the exhaust gas is discharged from the cylinders 14.
  • the internal combustion engine 10 comprises at least or preferably exactly one exhaust gas turbocharger 18, which is also referred to as a turbocharger.
  • Exhaust gas turbocharger 18 has a arranged in the exhaust system 16 and driven by the exhaust turbine 20 and a first compressor 22, which can be driven by the turbine 20 and in an air-flowable through intake 24 of the
  • the turbine 20 has a turbine wheel which can not be identified in the figures and can be driven by the exhaust gas.
  • the compressor 22 has a compressor wheel not visible in the figures.
  • Exhaust gas turbocharger 18 in this case comprises a shaft 26, with which the turbine wheel and the compressor wheel of the compressor 22 are rotatably connected. As a result, the compressor wheel of the compressor 22 can be driven by the turbine wheel via the shaft 26.
  • arrows 28 illustrate the air flowing through the intake tract 24, which is directed by means of the intake tract 24 to the and in particular into the cylinder 14.
  • the air flowing through the intake tract 24 can be compressed. This compression of the air is also referred to as charging or charging.
  • energy contained in the exhaust gas can be used for compressing the air.
  • the internal combustion engine 10 further includes one in the intake tract 24
  • the compressors 22 and 30 are arranged or connected in parallel with each other. Expressed again in other words, the compressors 22 and 30 can be operated in parallel, so that the compressors 22 and 30 compress the air flowing through the intake tract 24 in parallel or simultaneously and convey it to the cylinders 14.
  • a charge air cooler 32 through which the compressed air can flow is arranged, by means of which the compressed and thus heated air is cooled.
  • the electric operable compressor 22 is formed in one stage and thus has exactly one compressor stage, on or by means of which the air is compressed. From Fig. 1 it can be seen that the compressed by means of the compressor 22 Air is discharged by means of a first line member 34 of the intake manifold 24 of the compressor 22 and the first conduit member 34 can flow through.
  • the compressed air by means of the compressor 30 by means of a second conduit member 36 of the intake tract 24 is discharged from the second compressor 30, so that the compressed by means of the second compressor 30 air can flow through the conduit member 36.
  • the line elements 34 and 36 are fluidly connected to one another at a connection point V or merged and open at the connection point V in a line elements 34 and 36 common third line element 38 of the intake 24. Mit dem
  • Conduit member 38 in which the intercooler 32 is arranged, the then compressed air is fed to the cylinders 14.
  • a valve element 40 is arranged, for example, in the line element 36 and in particular upstream of the connection point V, by means of which, for example, the line element 36 and thus the second compressor 30 are fluidically separated from the connection point V or from the line element 34 and / or from the line element 38 can.
  • Compressor 30 flows. In other words, by means of the valve element 40, an undesirable flow of compressed air by means of the compressor 22 can be avoided.
  • Fig. 2 shows an internal combustion engine 42 for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle such as a passenger car, wherein the motor vehicle by means of the internal combustion engine 42 is drivable.
  • the internal combustion engine 42 differs in particular from the internal combustion engine 10 in that the second compressor 30 is designed in multiple stages.
  • the second compressor 30 is designed in multiple stages.
  • the second compressor 30 is formed in exactly two stages and thus comprises exactly two compressor stages 44 and 46, by means of which the air can be compressed in each case.
  • the compressor stages 44 and 46 are connected in series or in series with each other, wherein the second compressor stage 46 is arranged in the flow direction of the air flowing through the compressor 30 downstream of the first compressor stage 44.
  • the air is first compressed by the first compressor stage 44 to a first pressure.
  • the first pressure having air by means of the second Compressor 46 compressed to a greater pressure than the first second pressure.
  • the compressor stage 44 has a first compressor wheel which, for example, is also used in the second compressor 30 according to FIG.
  • the first compressor By means of the first compressor, the air is compressed, in particular to the first pressure.
  • the second compressor stage 46 has a second compressor wheel, by means of which the air, in particular to the second pressure, is compressed.
  • the second compressor 30 according to FIG. 2 comprises a shaft 48 which is common to the compressor wheels and to which the first compressor wheel and the second compressor wheel are non-rotatably connected.
  • the electrically operable or driven or driven compressor 30 has a particularly schematic in FIGS. 1 and 2
  • the second compressor 30 is also referred to as a compressor or nominal power compressor, in particular as a nominal electric power compressor (eNK), since 30 by means of the addition to the compressor 22 provided compressor particularly high
  • Achievements of the internal combustion engine 10 can be realized in an efficient manner. Thereby, the fuel consumption of the internal combustion engine 10 can be kept low especially in the cycle and real operation.
  • the internal combustion engine 10 has an output shaft which is not recognizable in the figures and designed, for example, as a crankshaft.
  • at least one generator 52 is preferably provided, which is mechanically drivable by the output shaft.
  • electrical energy is provided as a result of its mechanical driving, with which the second compressor 30, in particular the electric motor 50, is supplied directly.
  • at least one line 54 is provided, via which the electrical power provided by the generator 52 directly, that is without the intermediary of a battery or other energy storage, to the compressor 30, in particular to the electric motor 50, out.
  • the generator 52 provides an electrical voltage, by means of which the second compressor 30, in particular the electric motor 50, is operated.
  • this electrical voltage is 48 volts.
  • the compressor 30 has, for example, in the figures not recognizable and
  • the electric motor 50 associated power electronics, by means of which the electric motor 50 is operated or via which the electric motor 50 is supplied with the electrical energy.
  • Charging unit trained compressor 30 is removed by means of the generator 52 on the output shaft.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (42) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Abgasturbolader (20), welcher wenigstens eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbare Turbine (20) und einen von der Turbine (20) antreibbaren ersten Verdichter (22) zum Verdichten von wenigstens einem Brennraum (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) zuzuführender Luft aufweist, und mit einem elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter (30), mittels welchem dem wenigstens einen Brennraum (14) zuzuführende Luft parallel zu dem ersten Verdichter (22) zu verdichten ist, wobei der zweite Verdichter (30) zumindest zweistufig ausgebildet ist.

Description

Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug,
insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 .
Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der EP 1 070 837 A2 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen Abgasturbolader auf, welcher wenigstens eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine und einen von der Turbine antreibbaren ersten Verdichter zum Verdichten von wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft umfasst. Außerdem ist ein elektrisch betreibbarer zweiter Verdichter vorgesehen, mittels welchem dem wenigstens einen Brennraum zuzuführende Luft parallel zu dem ersten Verdichter zu verdichten ist. Mit anderen Worten sind die Verdichter parallel zueinander geschaltet beziehungsweise angeordnet, sodass mittels der Verdichter parallel beziehungsweise gleichzeitig Luft verdichtet werden kann, die dem wenigstens einen, beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt sind die Verdichter parallel zueinander betreibbar und können somit parallel beziehungsweise gleichzeitig Luft verdichten und zu dem Brennraum fördern.
Außerdem offenbart die DE 10 2014 206 552 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welchem in Ansprechen auf einen Pedaldruck des Fahrers eine Drosselklappe vorübergehend geöffnet wird, die in einem Ansaugströmungskanal stromab eines Kompressors eines Abgasturboladers angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine auf besonders effiziente Weise realisiert werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Leistung, insbesondere Nennleistung, der Verbrennungskraftmaschine auf besonders effiziente Weise realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Verdichter zumindest zweistufig ausgebildet ist und somit wenigstens zwei
Verdichterstufen aufweist, welche beispielsweise seriell beziehungsweise in Reihe zueinander geschaltet beziehungsweise angeordnet sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen kann hierdurch eine signifikante Steigerung der Leistung, insbesondere der Nennleistung, realisiert werden, insbesondere bei gleichbleibendem Zyklus-Realverbrauch, sodass der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch der
Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann.
Um besonders hohe Leistungen der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, wird der zweite Verdichter als sogenannter elektrischer Nennleistungskompressor genutzt, welcher, zumindest vorübergehend beziehungsweise bedarfsweise, parallel zu dem ersten Verdichter des Abgasturboladers betrieben wird, sodass die Verdichter parallel beziehungsweise gleichzeitig Luft verdichten und fördern können. Somit kann der wenigstens eine, beispielsweise als Zylinder ausgebildete Brennraum mit einer besonders hohen Luftmasse effizient versorgt werden, sodass besonders hohe Leistungen realisiert und der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Bei
Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere bei Dieselmotoren besteht üblicherweise der Wunsch nach immer höheren Leistungen. Nicht nur die Nennleistung, sondern auch eine hohe transiente Leistungsfähigkeit ist dabei Teil dieses Wunsches. Aktuelle
Konzepte setzen hierfür einen elektrisch unterstützten Verdichter ein, um beispielsweise einen sogenannten Low-End-Torque-Bereich, das heißt den unteren Drehmomentbereich zu verbessern und in der Folge des Abgasturbolader hin zu höheren Spitzenleistungen optimieren zu können. Diese Auslegungsweise birgt jedoch das Problem einer vergleichsweise hohen Belastung des elektrisch unterstützten Aggregats, da es in jedem transienten Vorgang zugeschaltet wird. Bei hochdynamischen Fahrzyklen werden dann die Batterien und in der Folge eine Boostleistung an ihre Grenzen kommen. Außerdem muss die Energiebilanz des elektrisch unterstützten Aggregats in die Zyklusauswertung miteinbezogen werden.
Davon unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung signifikant. Der Low-End- Torque-Bereich wird durch die Verwendung des optimierten Abgasturboladers abgedeckt, da beispielsweise dessen Turbine beziehungsweise Turbinenrad mit nur geringen
Massenträgheiten ausgestattet werden kann. Somit weist der Abgasturbolader ein sehr gutes transientes Verhalten auf. Bei Anforderung der Nennleistung wird der dann parallel zu dem Abgasturbolader beziehungsweise zu dem ersten Verdichter agierende, ein- oder vorzugsweise mehrstufige und somit zumindest zweistufige zweite Verdichter
zugeschaltet. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass der zweite Verdichter einstufig ausgebildet ist und somit genau eine Verdichterstufe aufweist. Vorzugsweise ist der zweite Verdichter jedoch zwei- beziehungsweise mehrstufig ausgestaltet. Durch die erhöhte Luftmasse kann bei gleichbleibendem Kraftstoff-Luft-Verhältnis eine höhere Menge an Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden, woraus ein gesteigerter Drehmoment- und Leistungsverlauf resultiert.
Die elektrische Energie zum Antreiben des elektrischen zweiten Verdichters kann über einen Riemenstartergenerator (RSG), einen integrierten Startergenerator (ISG) und/oder von wenigstens einer, beispielsweise von einer insbesondere als Kurbelwelle
ausgebildeten Abtriebswelle mechanisch antreibbaren Quelle bereitgestellt und dem als Aufladeaggregat fungierenden zweiten Verdichter, insbesondere direkt, zur Verfügung gestellt werden, sodass die zuvor beschriebene Batterieproblematik vermieden werden kann. Da die relevanten Zyklen ohne Volllastanteil gefahren werden, sind ein Zuschalten und ein Bilanzieren des zweiten Verdichters nicht erforderlich. Somit kann im Vergleich zu herkömmlichen Konzepten ein geringerer Energieverbrauch realisiert werden, da im Vergleich zu herkömmlichen Konzepten der zweite Verdichter nur bedarfsweise und nicht ständig zugeschaltet ist. Darüber hinaus kann ein komplexes Batteriesystem mit endlicher Kapazität vermieden werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für ein
Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter, und mit einem elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter, welcher einstufig ausgebildet ist, wobei Fig. 1 der Erläuterung des Hintergrunds der
Erfindung dient; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für ein
Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter, und mit einem elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter, welcher zumindest zweistufig ausgebildet ist.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Das Kraftfahrzeug ist dabei mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildetes Zylindergehäuse 12 auf, durch welches mehrere Brennräume in Form von Zylindern 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet sind. Insbesondere während eines befeuerten Betriebs der
Verbrennungskraftmaschine 10 werden die Zylinder 14 mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 und Luft versorgt, sodass im jeweiligen Zylinder 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aufgenommen ist. Das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der
Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert.
Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 16 auf, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 14 abgeführt wird. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst dabei wenigstens oder vorzugsweise genau einen Abgasturbolader 18, welcher auch als Turbolader bezeichnet wird. Der
Abgasturbolader 18 weist eine in dem Abgastrakt 16 angeordnete und von dem Abgas antreibbare Turbine 20 und einen ersten Verdichter 22 auf, welcher von der Turbine 20 antreibbar und in einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 24 der
Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet ist. Beispielsweise weist die Turbine 20 ein in den Fig. nicht erkennbares, von dem Abgas antreibbares Turbinenrad auf. Ferner weist der Verdichter 22 ein in den Fig. nicht erkennbares Verdichterrad auf. Der
Abgasturbolader 18 umfasst dabei eine Welle 26, mit welcher das Turbinenrad und das Verdichterrad des Verdichters 22 drehfest verbunden sind. Dadurch ist das Verdichterrad des Verdichters 22 über die Welle 26 von dem Turbinenrad antreibbar.
In Fig. 1 veranschaulichen Pfeile 28 die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft, welche mittels des Ansaugtrakts 24 zu den und insbesondere in die Zylinder 14 geleitet wird. Mittels des Verdichters 22 kann die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft verdichtet werden. Dieses Verdichten der Luft wird auch als Aufladen oder Aufladung bezeichnet. Dadurch, dass zum Verdichten der Luft der Verdichter 22 von der Turbine 20 angetrieben wird und die Turbine 20 von dem Abgas antreibbar ist, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ferner einen in dem Ansaugtrakt 24
angeordneten, elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter 30 auf, mittels welchem den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft parallel zu dem ersten Verdichter 22 zu verdichten ist. Dies bedeutet, dass die Verdichter 22 und 30 parallel zueinander angeordnet beziehungsweise geschaltet sind. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt können die Verdichter 22 und 30 parallel zueinander betrieben werden, sodass die Verdichter 22 und 30 parallel beziehungsweise gleichzeitig die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft verdichten und zu den Zylindern 14 fördern.
Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Um dennoch einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 24 stromab der Verdichter 22 und 30 ein von der verdichteten Luft durchströmbarer Ladeluftkühler 32 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird.
Gemäß Fig. 1 ist der elektrische betreibbare Verdichter 22 einstufig ausgebildet und weist somit genau eine Verdichterstufe auf, auf beziehungsweise mittels welcher die Luft verdichtet wird. Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass die mittels des Verdichters 22 verdichtete Luft mittels eines ersten Leitungselements 34 des Ansaugtrakts 24 von dem Verdichter 22 abgeführt wird und das erste Leitungselement 34 durchströmen kann.
Dementsprechend wird die mittels des Verdichters 30 verdichtete Luft mittels eines zweiten Leitungselements 36 des Ansaugtrakts 24 von dem zweiten Verdichter 30 abgeführt, sodass die mittels des zweiten Verdichters 30 verdichtete Luft durch das Leitungselement 36 strömen kann. Die Leitungselemente 34 und 36 sind dabei an einer Verbindungsstelle V fluidisch miteinander verbunden beziehungsweise zusammengeführt und münden an der Verbindungsstelle V in ein den Leitungselementen 34 und 36 gemeinsames drittes Leitungselement 38 des Ansaugtrakts 24. Mittels des
Leitungselements 38, in welchem der Ladeluftkühler 32 angeordnet ist, wird die dann verdichtete Luft zu den Zylindern 14 geführt.
Dabei ist ein beispielsweise in dem Leitungselement 36 und insbesondere stromauf der Verbindungsstelle V angeordnetes Ventilelement 40 vorgesehen, mittels welchem beispielsweise das Leitungselement 36 und somit der zweite Verdichter 30 fluidisch von der Verbindungsstelle V beziehungsweise von dem Leitungselement 34 und/oder von dem Leitungselement 38 getrennt werden kann. Dadurch kann beispielsweise in
Betriebsphasen, in welchen der Verdichter 30 deaktiviert ist und somit Luft nicht verdichtet, vermieden werden, dass die mittels des Verdichters 22 verdichtete Luft aus dem Leitungselement 34 in das Leitungselement 36 einströmt und somit zu dem
Verdichter 30 strömt. Mit anderen Worten kann mittels des Ventilelements 40 eine unerwünschte Strömung der mittels des Verdichters 22 verdichteten Luft vermieden werden.
Fig. 2 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 42 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen, wobei das Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine 42 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 42 unterscheidet sich insbesondere dadurch von der Verbrennungskraftmaschine 10, dass der zweite Verdichter 30 mehrstufig ausgebildet ist. Bei dem in Fig. 2
veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der zweite Verdichter 30 genau zweistufig ausgebildet und umfasst somit genau zwei Verdichterstufen 44 und 46, mittels welchen die Luft jeweils verdichtet werden kann. Dabei sind die Verdichterstufen 44 und 46 seriell beziehungsweise in Reihe zueinander geschaltet, wobei die zweite Verdichterstufe 46 in Strömungsrichtung der den Verdichter 30 durchströmenden Luft stromab der ersten Verdichterstufe 44 angeordnet ist. Somit wird während eines Betriebs des Verdichters 30 die Luft zunächst mittels der ersten Verdichterstufe 44 auf einen ersten Druck verdichtet. Daran anschließend wird die den ersten Druck aufweisende Luft mittels der zweiten Verdichterstufe 46 auf einen gegenüber dem ersten Druck größeren zweiten Druck verdichtet.
Beispielsweise weist die Verdichterstufe 44 ein erstes Verdichterrad auf, welches beispielsweise auch bei dem zweiten Verdichter 30 gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommt. Mittels des ersten Verdichters wird die Luft, insbesondere auf den ersten Druck, verdichtet. Ferner weist die zweite Verdichterstufe 46 ein zweites Verdichterrad auf, mittels welchem die Luft, insbesondere auf den zweiten Druck, verdichtet wird. Dabei umfasst der zweite Verdichter 30 gemäß Fig. 2 eine den Verdichterrädern gemeinsame Welle 48, mit welcher das erste Verdichterrad und das zweite Verdichterrad drehfest verbunden sind. Außerdem weist der elektrisch betreibbare beziehungsweise antreibbare oder angetriebene Verdichter 30 einen in Fig. 1 und 2 besonders schematisch
dargestellten Elektromotor 50 auf, mittels welchem die Welle 48 und über diese die Verdichterräder des Verdichters 30 elektrisch antreibbar sind.
Der zweite Verdichter 30 wird auch als Kompressor oder Nennleistungskompressor, insbesondere als elektrischer Nennleistungskompressor (eNK), bezeichnet, da mittels des zusätzlich zu dem Verdichter 22 vorgesehenen Verdichters 30 besonders hohe
Leistungen der Verbrennungskraftmaschine 10 auf effiziente Weise realisiert werden können. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 besonders im Zyklus und Realbetrieb gering gehalten werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist eine in den Fig. nicht erkennbare und beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle auf. Dabei ist vorzugsweise wenigstens ein Generator 52 vorgesehen, welcher von der Abtriebswelle mechanisch antreibbar ist. Mittels des Generators 52 wird infolge seines mechanischen Antreibens elektrische Energie bereitgestellt, mit welcher der zweite Verdichter 30, insbesondere der Elektromotor 50, direkt versorgt wird. Hierzu ist wenigstens eine Leitung 54 vorgesehen, über welche die von dem Generator 52 bereitgestellte elektrische Leistung direkt, das heißt ohne Vermittlung einer Batterie oder eines anderen Energiespeichers, zu dem Verdichter 30, insbesondere zu dem Elektromotor 50, geführt wird. Dabei stellt beispielsweise der Generator 52 eine elektrische Spannung bereit, mittels welcher der zweite Verdichter 30, insbesondere der Elektromotor 50, betrieben wird. Vorzugsweise beträgt diese elektrische Spannung 48 Volt.
Der Verdichter 30 weist beispielsweise eine in den Fig. nicht erkennbare und
beispielsweise dem Elektromotor 50 zugeordnete Leistungselektronik auf, mittels welcher der Elektromotor 50 betrieben wird beziehungsweise über welche der Elektromotor 50 mit der elektrischen Energie versorgt wird.
Insgesamt ist erkennbar, dass beispielsweise bei hoher Lastanforderung der elektrisch angetriebene Verdichter 30 zu dem Verdichter 22 zugeschaltet wird, sodass dann die Verdichter 22 und 30 parallel agieren. Hierdurch kann eine besonders hohe Nennleistung der beispielsweise als Dieselmotor, insbesondere als Turbodieselmotor, ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 realisiert werden. Gleichzeitig können negative
Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 vermieden werden. Die elektrische Energie zum Betrieb des als elektrisch angetriebenen
Aufladeaggregat ausgebildeten Verdichters 30 wird mittels des Generators 52 an der Abtriebswelle entnommen.
Im Folgenden wird eine mögliche Funktionsweise der Verbrennungskraftmaschine 10 beschrieben: Im üblichen Fahrbetrieb ist der Verdichter 30 ausgeschaltet, sodass die Luftversorgung der Zylinder 14 mittels des konventionellen Abgasturboladers 18 realisiert wird. Findet beispielsweise über ein durch den Fahrer betätigtes Fahrpedal des
Kraftfahrzeugs eine Anforderung der Nennleistung der Verbrennungskraftmaschine 10 statt, so wird ab einer bestimmten Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere der Abtriebswelle, der Verdichter 30 aktiviert, und das beispielsweise zunächst geschlossene Ventilelement 40 wird geöffnet. Dann fördern der Verdichter 22 und der Verdichter 30 parallel die Luft in die Zylinder 14. Die Leistung beziehungsweise elektrische Energie zum Betrieb des Verdichters 30 wird über den Generator 52 an der Abtriebswelle abgegriffen. Durch thermodynamische Prozesse wird die an der
Abtriebswelle abgegriffene Leistung zum Betreiben des Verdichters überkompensiert, sodass im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen eine signifikante Steigerung der Leistungsabgabe an einen übrigen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zu verzeichnen ist. Insbesondere können im Vergleich zu herkömmlichen
Verbrennungskraftmaschine folgende Vorteile realisiert werden:
- signifikante Steigerung der Nennleistung bei gleichbleibendem Kraftstoffverbrauch, sowohl im Realbetrieb als auch in vorgegebenen Zyklen
- geringe Belastung des Verdichters 30, da dieser nur selten beziehungsweise
bedarfsgerecht zum Einsatz kommt
- flexibles Packaging, da der Verdichter 30 nicht zwangsläufig direkt am
Zylindergehäuse 12 platziert werden muss
- sehr gute Notlaufeigenschaften bei etwaigem Ausfall des Verdichters 30. Bezugszeichenliste
10 Verbrennungskraftmaschine
12 Zylindergehäuse
14 Zylinder
16 Abgastrakt
18 Abgasturbolader
20 Turbine
22 Verdichter
24 Ansaugtrakt
26 Welle
28 Pfeil
30 Verdichter
32 Ladeluftkühler
34 Leitungselement
36 Leitungselement
38 Leitungselement
40 Ventilelement
42 Verbrennungskraftmaschine
44 erste Verdichterstufe
46 zweite Verdichterstufe
48 Welle
50 Elektromotor
52 Generator
54 Leitung
V Verbindungsstelle

Claims

Patentansprüche
Verbrennungskraftmaschine (42) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Abgasturbolader (20), welcher wenigstens eine von Abgas der
Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbare Turbine (20) und einen von der Turbine (20) antreibbaren ersten Verdichter (22) zum Verdichten von wenigstens einem Brennraum (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) zuzuführender Luft aufweist, und mit einem elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter (30), mittels welchem dem wenigstens einen Brennraum (14) zuzuführende Luft parallel zu dem ersten Verdichter (22) zu verdichten ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Verdichter (30) zumindest zweistufig ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Verdichter (30) eine erste Verdichterstufe (44) mit einem ersten Verdichterrad und eine seriell zu der der ersten Verdichterstufe (44) geschaltete zweite Verdichterstufe (46) mit einem zweiten Verdichterrad aufweist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Verdichter (30) eine den Verdichterrädern gemeinsame Welle (48), mit welcher die Verdichterräder drehfest verbunden sind, und einen Elektromotor (50) aufweist, mittels welchem die Welle (28) und über die Welle (28) die
Verdichterräder elektrisch antreibbar sind.
4. Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Verdichter (30) ausschließlich elektrisch betreibbar ist.
5. Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Verdichter (22) ausschließlich mittels der Turbine (20) antreibbar ist.
6. Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein von einer Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine (10) mechanisch antreibbarer Generator (52) vorgesehen ist, mittels welchem infolge seine mechanischen Antreibens elektrische Energie bereitstellbar ist, mit welcher der zweite Verdichter (30) direkt versorgbar ist.
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