DE102015207791A1

DE102015207791A1 - Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015207791A1
Application number: DE102015207791.8A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Franz J. Brinkmann; Frank Kraemer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2035-04-29
Also published as: CN106089406B; DE102015207791B4; US20160319730A1; CN106089406A; US10006346B2

Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeug (10) mit einem Verbrennungsmotor (11), einem Zulufttrakt (12), einem Abgastrakt (13) und einem im Zulufttrakt (12) angeordneten Verdichter (16) bereitgestellt. Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug (10) einen Generator (28) und eine im Zulufttrakt (12) stromabwärts des Verdichters (16) angeordnete und mit dem Generator (28) drehmomentübertragend verbundene Zuluftturbine (24) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Zulufttrakt, einem Abgastrakt und einem im Zulufttrakt angeordneten Verdichter.
Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor und Turbolader sind im Stand der Technik bekannt. So zeigt beispielsweise die DE 102013203042 A1 einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor, mit einem ölgeschmierten Lager, einer Zuleitung für das Öl und einem Durchflussbegrenzer für das Öl.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einem hinsichtlich der Aufladung verbesserten Zulufttrakt bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor, einen Zulufttrakt, einen Abgastrakt und einen im Zulufttrakt angeordneten Verdichter. Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug einen Generator und eine im Zulufttrakt stromabwärts des Verdichters angeordnete Zuluftturbine (Air-Turbine) auf. Die Zuluftturbine ist mit dem Generator drehmomentübertragend verbunden. Der Verdichter ist insbesondere Teil eines Abgasturboladers und dabei mit einer im Abgastrakt angeordneten Abgasturbine drehmomentübertragend verbunden.
Mit der Zuluftturbine ist es vorteilhaft ermöglicht, vom Verdichter erzeugten und für eine gegenwärtige Fahrsituation nicht benötigten Ladedruck für eine Rückgewinnung von Energie zu nutzen, insbesondere beim Antrieb des Verdichters durch die Abgasturbine, die dem Abgasstrom Energie entzieht und damit den Verdichter antreibt. Der Generator generiert aus der Rotation einer Turbinenwelle der Zuluftturbine Energie, die für den Antrieb anderer Komponenten benutzt werden kann.
Zudem ist mit der Zuluftturbine die Durchflussmenge der Zuluft beeinflussbar. Damit kann eine Drosselklappe im Zulufttrakt eingespart werden.
Ferner expandiert die Zuluft durch das Betreiben der Zuluftturbine und kühlt ab. Dieser Effekt kommt dem Klopfverhalten und der Verbrennungseffizienz zugute des Verbrennungsmotors.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs umfasst der Zulufttrakt zumindest bereichsweise mehrere parallel zueinander verlaufende Stränge und die Zuluftturbine ist in einem Zuluftturbinenstrang angeordnet.
Damit ist es ermöglicht, den Zuluftstrom bei Bedarf durch die Zuluftturbine zu leiten, beispielsweise im Teillastbetrieb, und bei Nichtbedarf an der Zuluftturbine vorbei zu leiten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs weist die Zuluftturbine verstellbare Leitschaufeln auf.
Damit ist die Zuluftturbine vielfältiger nutzbar und kann effektiver betrieben werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist der Generator in der Weise ausgebildet, dass ein zum Antrieb des Generators notwendiges Drehmoment variierbar ist. Der Generator ist bevorzugt ein elektrischer Generator.
Der Generator kann dadurch als eine veränderbare Last für die Zuluftturbine und damit zu einer definierten Drosselung des Zuluftstroms genutzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs steht der Generator mit einem Energiespeicher in Wirkverbindung.
Damit kann die vom Generator bereitgestellte Energie gespeichert und für andere Anwendungen zur Verfügung gestellt werden. Das Kraftfahrzeug kann somit effizienter und damit kraftstoffsparender betrieben werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist in dem Zulufttrakt stromabwärts des Verdichters ein Zusatzverdichter angeordnet. Der Zusatzverdichter ist bevorzugt von einem Motor antreibbar, der bevorzugt ein Elektromotor ist.
Damit ist es ermöglicht, einen gewünschten Ladedruck nicht allein durch den Verdichter bereitzustellen. Der Zusatzverdichter hat gegenüber einem Turboladerverdichter den Vorteil, unabhängig vom gegenwärtigen Zustand des Abgasstroms betrieben werden zu können. Ein verzögertes Ansprechen des Verdichters kann damit zumindest verringert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs umfasst der Zulufttrakt einen Umführungsstrang.
Damit kann der Zuluftstrom bei Nichtbedarf des Zusatzverdichters um diesen herum geleitet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs steht der Motor mit dem Energiespeicher in Wirkverbindung.
Dadurch kann der Motor mit der im Energiespeicher gespeicherten und zuvor im Generator erzeugten Energie betrieben werden, sodass kein zusätzlicher Energiebedarf für den Betrieb des Zusatzverdichters besteht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in einer beispielhaften Ausgestaltung.
In der 1 ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 in einer beispielhaften Ausgestaltung schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Verbrennungsmotor 11 zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 auf. Zudem verfügt das Kraftfahrzeug 10 über einen Zulufttrakt 12, der ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor 11 Zuluft 32 für dessen Betrieb zuzuleiten. Zum Ableiten eines im Betrieb des Verbrennungsmotors 11 entstehenden Abgases 33 verfügt das Kraftfahrzeug 10 über einen Abgastrakt 13.
Das Kraftfahrzeug 10 weist einen im Zulufttrakt 12 angeordneten Verdichter 16 auf. Der Verdichter 16 ist insbesondere Teil eines Abgasturboladers 14 und dabei mit einer im Abgastrakt 13 angeordneten Abgasturbine 15 drehmomentübertragend verbunden. In dieser Weise ist es in der 1 dargestellt. Insbesondere ist dabei eine Verdichterwelle des Verdichters 16 mit einer Turbinenwelle der Abgasturbine 15 drehmomentübertragend verbunden, insbesondere sind die Verdichterwelle und die Turbinenwelle aus einer einzigen Turboladerwelle 31 gebildet.
In der gezeigten beispielhaften Ausgestaltung weist das Kraftfahrzeug 10 einen im Zulufttrakt 12 stromabwärts des Verdichters 16 angeordneten ersten Ladeluftkühler 17 sowie stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers 17 und stromaufwärts des Verbrennungsmotors 11 einen zweiten Ladeluftkühler 30 auf.
Der Zulufttrakt 12 umfasst zumindest bereichsweise mehrere parallel zueinander angeordnete Stränge 20, 22, 25 auf. Parallel zueinander angeordnete Stränge weisen im Sinne dieser Erfindung dieselbe Durchflussrichtung auf, eine geometrische Parallelität muss dabei nicht zwingend vorliegen. In der dargestellten, beispielhaften Ausgestaltung umfasst der Zulufttrakt 12 drei parallele Stränge 20, 22, 25, einen Zusatzverdichterstrang 20, einen Umführungsstrang 22 sowie einen Zuluftturbinenstrang 25. Der Zulufttrakt 12 zweigt sich stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers 17 in die drei Stränge 20, 22, 25 auf. Stromaufwärts des Verbrennungsmotors 11, insbesondere stromaufwärts des zweiten Ladeluftkühlers 30 vereinen sich die drei Stränge 20, 22, 25. Zudem ist im Zulufttrakt 12 zumindest ein Ventil angeordnet, welches ausgebildet ist, die verschiedenen Stränge 20, 22, 25 jeweils zu sperren beziehungsweise zumindest einen bestimmten Grad freizugeben. Das zumindest eine Ventil ist beispielsweise ein Wegeventil.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 umfasst ein Zusatzsystem 18 mit zumindest einer Zuluftturbine 24. Die Zuluftturbine 24 ist im Zulufttrakt 12 angeordnet. Insbesondere ist die Zuluftturbine 24 im Zuluftturbinenstrang 25 des Zulufttrakts 12 angeordnet. Der Zuluftturbine 24 kann ein Zuluftturbinenventil 26 vorgeschaltet sein, welches ausgebildet ist, den Zuluftturbinenstrang 25 zu sperren beziehungsweise zumindest einen bestimmten Grad freizugeben. Die Zuluftturbine 24 entzieht der Zuluft 32 in der Weise Energie 34, dass die Zuluft 32 stromabwärts der Zuluftturbine 24 einen geringeren Druck aufweist als stromaufwärts der Zuluftturbine 24. Die Zuluft 32 expandiert über der Zuluftturbine 24. Damit ist das Zusatzsystem 18 ist als eine Drossel ausgebildet. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 weist insbesondere keine Drosselklappe im Zulufttrakt auf. Die Zuluftturbine 24 kann verstellbare Leitschaufeln umfassen und damit eine variable Turbinengeometrie aufweisen. Damit ist der Grad der Beeinflussung der Zuluft 32 durch die Zuluftturbine 24 einstellbar.
Das Zusatzsystem 18 umfasst zudem insbesondere einen Zusatzverdichter 19. Der Zusatzverdichter 19 ist im Zulufttrakt 12 insbesondere im Zusatzverdichterstrang 20 angeordnet. Dem Zusatzverdichter 19 kann ein Zusatzverdichterventil 21 vorgeschaltet sein, welches ausgebildet ist, den Zusatzverdichterstrang 20 zu sperren beziehungsweise zumindest einen bestimmten Grad freizugeben. Der Zusatzverdichter 19 ist ausgebildet, den Ladedruck zu erhöhen.
Um die Zuluft 32 am Zusatzverdichter 19 und/oder an der Zuluftturbine 24 vorbeileiten zu können, weist der Zulufttrakt 12 den Umführungsstrang 22 auf. In dem Umführungsstrang 22 kann ein Umführungsventil 23 angeordnet sein, welches ausgebildet ist, den Umführungsstrang 22 zu sperren beziehungsweise zumindest einen bestimmten Grad freizugeben.
Das Zusatzsystem 18 umfasst zudem einen Generator 28, der von der Zuluftturbine 24 antreibbar ist. Der Generator 28 ist drehmomentübertragend mit der Zuluftturbine 24 verbunden. Bevorzugt ist der Generator 28 ein elektrischer Generator 28, der die Rotationsbewegung einer Turbinenwelle der Zuluftturbine 24 in elektrische Energie 34 umwandelt. Der Generator 28 ist insbesondere in der Weise ausgebildet, dass ein zum Antrieb des Generators 28 notwendiges Drehmoment variierbar ist. Der Generator 28 ist damit eine variierbare Last für die Zuluftturbine 24. Der Grad der Beeinflussung der Zuluft 32 durch die Zuluftturbine 24 ist auch hierdurch einstellbar.
Weiterhin umfasst das Zusatzsystem insbesondere einen Motor 29, der ausgebildet ist, den Zusatzverdichter 19 zumindest vorübergehend anzutreiben. Der Motor 29 ist mit dem Zusatzverdichter 19 drehmomentübertragend verbunden. Bevorzugt ist der Motor 29 ein Elektromotor 29.
Das Zusatzsystem 18 umfasst insbesondere einen Energiespeicher 27, der mit dem Generator 28 und dem Motor 29 verbunden ist. Der Generator 28 ist in der Weise mit dem Energiespeicher 27 verbunden, dass die vom Generator 28 generierte Energie 34 zu dem Energiespeicher 27 geleitet werden kann. Der Motor 29 ist in der Weise mit dem Energiespeicher 27 verbunden, dass die im Energiespeicher 27 gespeicherte Energie 34 zum Motor 29 geleitet werden kann. Das Zusatzsystem 18 ist in der Weise ausgebildet, dass die vom Generator 28 generierte Energie 34 in dem Energiespeicher 27 speicherbar ist und für den Betrieb des Motors 29 und somit für den Antrieb des Zusatzverdichters 19 nutzbar ist. Der Energiespeicher 27 ist beispielsweise ein Akkumulator, insbesondere eine Autobatterie, oder ein Kondensator, insbesondere ein Superkondensator. Der Energiespeicher 27 des Zusatzsystems 18 steht insbesondere mit anderen Kraftfahrzeugsystemen in Wirkverbindung.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
11: Verbrennungsmotor
12: Zulufttrakt
13: Abgastrakt
14: Abgasturbolader
15: Abgasturbine
16: Verdichter
17: Erster Ladeluftkühler
18: Zusatzsystem
19: Zusatzverdichter
20: Zusatzverdichterstrang
21: Zusatzverdichterventil
22: Umführungsstrang
23: Umführungsventil
24: Zuluftturbine
25: Zuluftturbinenstrang
26: Zuluftturbinenventil
27: Energiespeicher
28: Generator
29: Motor
30: Zweiter Ladeluftkühler
31: Turboladerwelle
32: Zuluft
33: Abgas
34: Energie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013203042 A1 [0002]

Claims

Kraftfahrzeug (10) mit einem Verbrennungsmotor (11), einem Zulufttrakt (12), einem Abgastrakt (13) und einem im Zulufttrakt (12) angeordneten Verdichter (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (10) einen Generator (28) und eine im Zulufttrakt (12) stromabwärts des Verdichters (16) angeordnete und mit dem Generator (28) drehmomentübertragend verbundene Zuluftturbine (24) aufweist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1, wobei der Zulufttrakt (12) zumindest bereichsweise mehrere parallel zueinander verlaufende Stränge (20, 22, 25) umfasst und die Zuluftturbine (23) in einem Zuluftturbinenstrang (25) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zuluftturbine (24) verstellbare Leitschaufeln aufweist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Generator (28) in der Weise ausgebildet ist, dass ein zum Antrieb des Generators (28) notwendiges Drehmoment variierbar ist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Generator (28) mit einem Energiespeicher (27) in Wirkverbindung steht.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Zulufttrakt (12) stromabwärts des Verdichters (16) ein Zusatzverdichter (19) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 6, wobei der Zulufttrakt (12) einen Umführungsstrang (22) umfasst.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Zusatzverdichter (19) von einem Motor (29) antreibbar ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 8, wobei der Motor (29) mit dem Energiespeicher (27) in Wirkverbindung steht.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verdichter (16) mit einer im Abgastrakt (13) angeordneten Abgasturbine (15) drehmomentübertragend verbunden ist.