DE102017207878A1

DE102017207878A1 - Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102017207878A1
Application number: DE102017207878.2A
Authority: DE
Inventors: Josef Gerold
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-11-15
Also published as: CN110621861A; WO2018206355A1; US20200063648A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (5) für eine Verbrennungskraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Abgasturbolader (9), welcher ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) antreibbares Turbinenrad (12) und ein von dem Turbinenrad (12) antreibbares erstes Verdichterrad (13) aufweist, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine (2) zuzuführende Luft zu verdichten ist, mit wenigstens einem elektrischen Verdichter (16), welcher eine elektrische Maschine (18) und ein von der elektrischen Maschine (18) antreibbares zweites Verdichterrad (17) aufweist, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine (2) zuzuführende Luft zu verdichten ist, und mit einer dem ersten Verdichterrad (13) zugeordneten Schub-Umlufteinrichtung (21), mittels welcher bei einer Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine (2) zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichterrads (13) verdichteten Luft an einer stromab des ersten Verdichterrads (13) angeordneten ersten Stelle (S1) abzweigbar und von der ersten Stelle (S1) zu einer stromauf des ersten Verdichterrads (13) angeordneten zweiten Stelle (S2) rückführbar ist, wobei die Aufladeeinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, das zweite Verdichterrad (17) mit der abgezweigten Luft zu versorgen, sodass das zweite Verdichterrad (17) und über dieses die elektrische Maschine (18) von der abgezweigten Luft antreibbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Eine solche Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie ein solches Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung sind beispielsweise bereits aus der DE 10 2015 216 685 B3 bekannt. Die Aufladeeinrichtung umfasst wenigstens einen Abgasturbolader, welcher ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbares Turbinenrad und ein von dem Turbinenrad antreibbares erstes Verdichterrad aufweist. Mittels des ersten Verdichterrads ist Luft, welche der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen ist, zu verdichten. Die verdichtete Luft wird auch als Ladeluft bezeichnet.
Außerdem umfasst die Aufladeeinrichtung wenigstens einen elektrischen Verdichter, welcher auch als elektrisch angetriebener Verdichter oder elektrisch antreibbarer oder betreibbarer Verdichter bezeichnet wird. Der elektrische Verdichter umfasst eine elektrische Maschine und ein zweites Verdichterrad, welches von der elektrischen Maschine antreibbar ist. Durch Antreiben des zweiten Verdichterrads wird mittels des zweiten Verdichterrads Luft, welche der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen ist, verdichtet. Die elektrische Maschine ist somit beispielsweise als Elektromotor betreibbar, mittels welchem das zweite Verdichterrad angetrieben werden kann beziehungsweise angetrieben wird.
Außerdem ist eine dem ersten Verdichterrad zugeordnete Schub-Umlufteinrichtung vorgesehen, mittels welcher bei einer Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichterrads verdichteten Luft an einer stromab des ersten Verdichterrads angeordneten ersten Stelle abzweigbar und von der ersten Stelle zu einer stromauf des ersten Verdichterrads angeordneten zweiten Stelle rückführbar ist. Insbesondere wird die abgezweigte verdichtete Luft mittels der Schub-Umlufteinrichtung entspannt und kann über das erste Verdichterrad rezirkulieren beziehungsweise wird über das erste Verdichterrad umgewälzt, sodass die abgezweigte Luft nach ihrer Rückführung zur zweiten Stelle wieder mittels des ersten Verdichterrads verdichtet werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Aufladeeinrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, sodass ein besonders effizienter Betrieb realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Aufladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Die Aufladeeinrichtung umfasst wenigstens einen Abgasturbolader, welcher ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbares Turbinenrad und ein von dem Turbinenrad antreibbares erstes Verdichterrad aufweist. Mittels des ersten Verdichterrads kann Luft, die der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, zuzuführen ist, verdichtet werden. Die verdichtete Luft wird auch als Ladeluft bezeichnet.
Außerdem umfasst die Aufladeeinrichtung wenigstens einen elektrischen Verdichter, welcher auch als elektrisch angetriebener Verdichter, elektrisch betreibbarer Verdichter oder elektrisch betriebener Verdichter bezeichnet wird. Der elektrische Verdichter weist eine elektrische Maschine und ein zweites Verdichterrad auf, welches von der elektrischen Maschine antreibbar ist. Durch Antreiben des zweiten Verdichterrads wird beispielsweise mittels des zweiten Verdichterrads Luft, die der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zumindest einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, zuzuführen ist, verdichtet.
Außerdem umfasst die Aufladeeinrichtung eine dem ersten Verdichterrad zugeordnete Schub-Umlufteinrichtung, mittels welcher bei einer Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichterrads verdichteten Luft an einer stromab des ersten Verdichterrads angeordneten ersten Stelle abzweigbar und von der ersten Stelle zu einer stromauf des ersten Verdichterrads angeordneten zweiten Stelle rückführbar ist.
Die elektrische Maschine ist beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar, mittels welchem das zweite Verdichterrad angetrieben werden kann. Die zuvor genannte Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine wird beispielsweise auch als Lastabwurf bezeichnet. Im Rahmen eines solchen Lastabwurfs wird eine von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellte Last zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, insbesondere plötzlich beziehungsweise schlagartig, reduziert. Mit anderen Worten weist beispielsweise die von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellte Last zunächst einen ersten Wert auf. Im Rahmen des Lastabwurfes beziehungsweise der Lastreduzierung wird der erste Wert auf einen gegenüber dem ersten Wert geringeren zweiten Wert reduziert beziehungsweise die Last wird von dem ersten Wert auf den zweiten Wert reduziert. Dies erfolgt beispielsweise derart, dass eine Drosselklappe zumindest teilweise geschlossen wird. Mittels der Drosselklappe kann beispielsweise eine Menge an der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft eingestellt werden. Durch die Schub-Umlufteinrichtung kann das sogenannte Verdichterpumpen des ersten Verdichterrads vermieden werden.
Um nun einen besonders effizienten und somit energieverbrauchsarmen, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmen, Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und somit des Kraftfahrzeugs insgesamt realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Aufladeeinrichtung dazu ausgebildet ist, das zweite Verdichterrad mit der abgezweigten Luft zu versorgen, sodass das zweite Verdichterrad und über dieses die elektrische Maschine von der abgezweigten Luft antreibbar sind. Die erfindungsgemäße Idee ist es somit, die abgezweigte Luft nicht ungenutzt verlorengehen zu lassen, sondern zum Antreiben des zweiten Verdichterrads und der elektrischen Maschine zu nutzen.
Bei üblichen Verbrennungskraftmaschinen ist es vorgesehen, dass die abgezweigte, verdichtete Luft mittels der Schub-Umlufteinrichtung rückgeführt und dabei entspannt wird, sodass die zunächst mittels des ersten Verdichterrads verdichtete und dann entspannte Luft über das erste Verdichterrad zirkulieren beziehungsweise umgewälzt werden kann. Die abgezweigte Luft kann somit nach ihrer Rückführung zu der zweiten Stelle wieder mittels des ersten Verdichterrads verdichtet werden. Herkömmlicherweise geht in der abgezweigten Luft enthaltene Energie, die dadurch in der abgezweigten Luft enthalten ist, dass die abgezweigte Luft mittels des ersten Verdichterrads verdichtet wurde, ungenutzt verloren, was nun jedoch erfindungsgemäß vermieden werden kann.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die elektrische Maschine über das zweite Verdichterrad von der abgezweigten Luft antreibbar und dadurch als Generator betreibbar ist, mittels welchem von dem zweiten Verdichterrad bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Mit anderen Worten ist die elektrische Maschine in dem genannten Generatorbetrieb und somit als Generator betreibbar. Da das zweite Verdichterrad zumindest in einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine von der abgezweigten Luft angetrieben wird, stellt das zweite Verdichterrad, insbesondere über eine von dem zweiten Verdichterrad antreibbare Welle, mechanische Energie bereit. Dabei wird der Generator beziehungsweise die elektrische Maschine mit der von dem Verdichterrad bereitgestellten mechanischen Energie versorgt, wobei der Generator von der mechanischen Energie angetrieben wird. Der Generator wandelt zumindest einen Teil der mechanischen Energie in elektrische Energie um und stellt diese elektrische Energie, die aus der mechanischen Energie gewonnen wurde, bereit. In der Folge ist es beispielsweise möglich, wenigstens einen elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit der von dem Generator bereitgestellten elektrischen Energie, insbesondere zumindest im Wesentlichen direkt, zu versorgen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, die von dem Generator bereitgestellte elektrische Energie in wenigstens einen Energiespeicher, insbesondere in eine Batterie, einzuspeisen und somit in dem Energiespeicher zu speichern.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die elektrische Maschine in ihrem Motorbetrieb mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie versorgbar und dadurch betreibbar ist. Somit kann in der abgezweigten, verdichteten Luft enthaltene Energie zum Betreiben der elektrischen Maschine in dem Motorbetrieb und somit zum Verdichten der Luft genutzt werden, sodass ein besonders energiegünstiger Betrieb realisierbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung ist es somit möglich, zumindest einen Teil der in der mittels des ersten Verdichterrads verdichteten Luft enthaltenen Energie zurückzugewinnen sowie einen Ladedruckabbau besonders schnell durchzuführen, sodass das Verdichterpumpen des ersten Verdichterrads sicher vermieden werden kann. Hierzu wird das zweite Verdichterrad bei dem genannten Lastabwurf von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite von der abgezweigten Luft durchströmt.
Die Verdichterräder sind beispielsweise in einem von der Luft durchströmbaren Ansaugtrakt angeordnet, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise dem jeweiligen Brennraum die Luft zugeführt wird. Dabei umfasst beispielsweise die Schub-Umlufteinrichtung wenigstens eine Rückführleitung, welche an den genannten Stellen fluidisch mit dem Ansaugtrakt verbunden ist. Dadurch kann an der ersten Stelle zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichterrads verdichteten Luft aus dem Ansaugtrakt abgezweigt und in die Rückführleitung eingeleitet werden. Die abgezweigte Luft kann die Rückführleitung durchströmen und wird mittels der Rückführleitung von der stromab des ersten Verdichterrads angeordneten ersten Stelle zu der stromauf des ersten Verdichterrads angeordneten zweiten Stelle geführt. An der zweiten Stelle kann die die Rückführleitung durchströmende Luft aus der Rückführleitung aus- und in den Ansaugtrakt einströmen. Um nun beispielsweise die abgezweigte Luft zum Antreiben der elektrischen Maschine zu nutzen, ist beispielsweise das zweite Verdichterrad in der Rückführleitung angeordnet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung strömt in einem ersten Betriebszustand die abgezweigte Luft durch die Rückführleitung in eine erste Richtung, wodurch die abgezweigte Luft von der ersten Stelle zu der zweiten Stelle rückgeführt wird. In dem ersten Betriebszustand wird somit zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichterrads verdichteten Luft aus dem Ansaugtrakt abgezweigt.
In einem zweiten Betriebszustand, in welchem das zweite Verdichterrad die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet, strömt die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft durch die Rückführleitung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung und wird mittels des zweiten Verdichterrads verdichtet. Mit anderen Worten werden in dem ersten Betriebszustand das zweite Verdichterrad und über dieses die elektrische Maschine mittels der abgezweigten Luft angetrieben, wodurch beispielsweise das zweite Verdichterrad um eine Drehachse in eine erste Drehrichtung gedreht wird und die elektrische Maschine in ihrem Generatorbetrieb betrieben wird. In dem zweiten Betriebszustand jedoch wird das zweite Verdichterrad mittels der elektrischen Maschine, insbesondere in ihrem Motorbetrieb, angetrieben und dadurch um die Drehachse in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung gedreht, wodurch die Luft mittels des zweiten Verdichterrads verdichtet wird. In dem ersten Betriebszustand fungiert das zweite Verdichterrad als Turbine beziehungsweise als zweites Turbinenrad, mittels welchem die elektrische Maschine angetrieben wird.
Um eine besonders bedarfsgerechte Strömung der Luft und insbesondere eine bedarfsgerechte Umschaltung zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand realisieren zu können, ist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform eine Ventileinrichtung vorgesehen, mittels welcher jeweilige Strömungen von Luft durch die Rückführleitung einstellbar sind.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Die Aufladeeinrichtung umfasst dabei wenigstens einen Abgasturbolader, welcher ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbares Turbinenrad und ein von dem Turbinenrad antreibbares erstes Verdichterrad aufweist. Mittels des ersten Verdichterrads ist der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten. Außerdem umfasst die Aufladeeinrichtung wenigstens einen elektrischen Verdichter, welcher eine elektrische Maschine und ein von der elektrischen Maschine antreibbares zweites Verdichterrad aufweist. Mittels des zweiten Verdichterrads ist der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten. Außerdem ist eine dem ersten Verdichterrad zugeordnete Schub-Umlufteinrichtung vorgesehen, mittels welcher bei einer Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichterrads verdichteten Luft an einer stromab des ersten Verdichterrads angeordneten ersten Stelle abgezweigt und von der ersten Stelle zu einer stromauf des ersten Verdichterrads angeordneten zweiten Stelle rückgeführt wird.
Um nun einen besonders effizienten und somit energiegünstigen Betrieb realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in wenigstens einem Betriebszustand das zweite Verdichterrad mit der abgezweigten Luft versorgt wird, sodass das zweite Verdichterrad und über dieses die elektrische Maschine von der abgezweigten Luft angetrieben werden. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Im Rahmen des zweiten Aspekts der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die elektrische Maschine über das zweite Verdichterrad von der abgezweigten Luft angetrieben und dadurch als Generator betrieben wird, welcher von dem Verdichterrad bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und die elektrische Energie bereitstellt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit der zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs; und
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform einer im Ganzen mit 1 bezeichneten Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Die Antriebseinrichtung 1 umfasst dabei eine Verbrennungskraftmaschine 2, welche beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 2 weist ein beispielsweise als Zylindergehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Motorgehäuse 3 auf, durch welches mehrere Brennräume 4 in Form von Zylindern gebildet sind. Außerdem umfasst die Antriebseinrichtung 1 eine Aufladeeinrichtung 5, mittels welcher die Verbrennungskraftmaschine 2, insbesondere die Brennräume 4, mit verdichteter Luft versorgbar ist beziehungsweise sind. Dabei umfasst die Antriebseinrichtung 1, insbesondere die Aufladeeinrichtung 5, einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 6, mittels welchem die Luft zu den und insbesondere in die Brennräume 4 geführt werden kann. Somit ist die Verbrennungskraftmaschine 2 mittels des Ansaugtrakts 6 mit der genannten Luft versorgbar. Die Brennräume 4 werden mit mittels der Aufladeeinrichtung 5 verdichteter Luft und mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 2 versorgt, sodass im jeweiligen Brennraum 4 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 resultiert. Dabei ist ein von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 durchströmbarer Abgastrakt 7 vorgesehen, mittels welchem das Abgas aus den Brennräumen 4 abgeführt werden kann. Im Ansaugtrakt 6 ist ein Luftfilter 8 angeordnet, mittels welchem die zunächst noch nicht verdichtete Luft gefiltert wird.
Die Aufladeeinrichtung 5 umfasst wenigstens einen Abgasturbolader 9, welcher einen in dem Ansaugtrakt 6 angeordneten Verdichter 10 und eine in dem Abgastrakt 7 angeordnete Turbine 11 aufweist. Die Turbine 11 umfasst ein Turbinenrad 12, welches von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 antreibbar ist. Der Verdichter 10 umfasst ein in dem Ansaugtrakt 6 angeordnetes erstes Verdichterrad 13, welches von dem Turbinenrad 12 antreibbar ist. Dabei sind das Turbinenrad 12 und das Verdichterrad 13 Bestandteile eines Rotors 14 des Abgasturboladers 9. Der Rotor 14 umfasst auch eine Welle 15, mit welcher sowohl das Verdichterrad 13 als auch das Turbinenrad 12 drehfest verbunden sind. Dadurch ist das Verdichterrad 13 über die Welle 15 von dem Turbinenrad 12 antreibbar. Durch Antreiben des Verdichterrads 13 wird Luft, welche den Brennräumen 4 zugeführt wird, mittels des Verdichterrads 13 verdichtet, wobei die verdichtete Luft auch als Ladeluft bezeichnet wird.
Außerdem ist ein elektrischer Verdichter 16 vorgesehen, welcher ein zweites Verdichterrad 17 und eine elektrische Maschine 18 aufweist. Die elektrische Maschine 18 weist einen in 1 nicht erkennbaren Stator und einen Rotor auf, welcher um eine Drehachse 19 relativ zu dem Stator drehbar ist. Der Rotor umfasst dabei eine um die Drehachse 19 drehbare Welle 20, mit welcher das zweite Verdichterrad 17 drehfest verbunden ist. Dabei ist das zweite Verdichterrad 17 über die Welle 20 von der elektrischen Maschine 18 elektrisch antreibbar. Durch dieses Antreiben des Verdichterrads 17 wird das Verdichterrad 17 um die Drehachse 19 gedreht, und mittels des Verdichterrads 17 wird Luft, die den Brennräumen 4 zugeführt wird, verdichtet. Beispielsweise sind die Verdichterräder 13 und 17 parallel zueinander geschaltet beziehungsweise angeordnet, sodass die Verdichterräder 13 und 17 beispielsweise parallel zueinander betrieben werden können. Insbesondere ist es denkbar, wenigstens einen ersten der Brennräume 4 mittels des Verdichterrads 13 und parallel wenigstens einen von dem ersten Brennraum unterschiedlichen, zweiten der Brennräume 4 mittels des Verdichterrads 17 mit verdichteter Luft zu versorgen.
Um das sogenannte Verdichterpumpen des Verdichterrads 13 beziehungsweise des Verdichters 10 vermeiden zu können, ist dem ersten Verdichterrad 13 beziehungsweise dem Verdichter 10 eine Schub-Umlufteinrichtung 21 zugeordnet, mittels welcher bei einer Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine 2 zumindest ein Teil der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft an einer stromab des ersten Verdichterrads 13 angeordneten ersten Stelle S1 aus dem Ansaugtrakt 6 abzweigbar und von der ersten Stelle S1 zu einer stromauf des ersten Verdichterrads 13 angeordneten zweiten Stelle S2 rückführbar ist. Mit anderen Worten, kommt es beispielsweise zu einer Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine 2, wobei die Lastreduzierung auch als Lastabwurf bezeichnet wird, so wird an der ersten Stelle S1 die mittels des Verdichterrads 13 verdichtete Luft aus dem Ansaugtrakt 6 abgezweigt und beispielsweise in eine Rückführleitung 22 der Schub-Umlufteinrichtung 21 eingeleitet. Die Rückführleitung 22 ist an den Stellen S1 und S2 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 6, insbesondere mit einer Luftleitung 23 des Ansaugtrakts 6, fluidisch verbunden, sodass beispielsweise an der Stelle S1 die mittels des Verdichterrads 13 verdichtete Luft aus dem Ansaugtrakt 6 beziehungsweise aus der Luftleitung 23 aus- und in die Rückführleitung 22 einströmen kann. Die abgezweigte und die Rückführleitung 22 durchströmende Luft wird mittels der Rückführleitung 22 von der ersten Stelle S1 zu der zweiten Stelle S2 rückgeführt und kann an der zweiten Stelle S2 aus der Rückführleitung 22 aus- und in den Ansaugtrakt 6 beziehungsweise in die Luftleitung 23 einströmen. Hierdurch wird beispielsweise die abgezweigte Luft umgewälzt beziehungsweise die abgezweigte Luft kann rezirkulieren, da die abgezweigte Luft von der Stelle S2 zu dem Verdichterrad 13 strömen und mittels des Verdichterrads 13 wieder verdichtet werden kann.
Beispielsweise wird die Luft mittels des Verdichterrads 13 auf einen Ladedruck verdichtet. Durch das Abzweigen und Rückführen der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft kann ein Abbau des Ladedrucks realisiert werden, sodass das Verdichterpumpen des Verdichters 10 vermieden werden kann. Der Abbau des Ladedrucks wird auch als Ladedruckabbau bezeichnet. Im Rahmen des Ladedruckabbaus wird beispielsweise die abgezweigte und die Rückführleitung 22 durchströmende Luft entspannt.
Da die Verbrennungskraftmaschine 2 mit der Aufladeeinrichtung 5 ausgestattet ist, wird die Verbrennungskraftmaschine 2 auch als Turbo-Motor bezeichnet. Bei einem solchen Turbo-Motor ist es wünschenswert, eine Luftzufuhr in die Brennräume 4 bei einem Lastabwurf möglichst schnell zu reduzieren und somit den zuvor genannten Ladedruckabbau besonders schnell durchzuführen. Der Lastabwurf und somit die Reduzierung der Luftzufuhr erfolgen beispielsweise dadurch, dass eine in dem Ansaugtrakt 6 angeordnete Drosselklappe 24 zumindest teilweise geschlossen wird. Die Drosselklappe 24 ist dabei stromab der Verdichterräder 13 und 17 und stromauf der Brennräume 4 angeordnet und wird genutzt, um eine Menge beziehungsweise Masse der den Brennräumen 4 zuzuführenden Luft einzustellen. Der Ladedruckabbau erfolgt dabei vor beziehungsweise stromauf der Drosselklappe 24 und insbesondere durch Rückströmen der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft beispielsweise über das Verdichterrad 13 entgegen einer Ansaugströmungsrichtung.
Dies kann herkömmlicherweise zu akustischen Auffälligkeiten führen, wodurch entsprechende Fahrzeuganforderungen nicht mehr erfüllt werden können. Außerdem geht üblicherweise in der verdichteten und abgezweigten Luft enthaltene Energie ungenutzt verloren. Je höher der Ladedruck beim Lastabwurf ist, desto länger dauert der Ladedruckabbau und desto wahrscheinlicher kommt es zu akustischen Auffälligkeiten. Aus diesem Grund wird die Schub-Umlufteinrichtung 21 verwendet, welche üblicherweise ein Schubumluftventil aufweist. Durch die Schub-Umlufteinrichtung 21 kann das zum Ladedruckabbau vorgesehene Rückströmen der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft über das Verdichterrad 13 entgegen der Ansaugströmungsrichtung vermieden werden, da die verdichtete Luft über die Rückführleitung 22 rückgeführt werden kann. Dabei umgeht die abgezweigte und rückgeführte Luft das Verdichterrad 13, sodass die abgezweigte Luft, welche zur Stelle S2 rückgeführt wird, nicht durch das beziehungsweise über das Verdichterrad 13 strömt. Jedoch geht bei herkömmlichen Aufladeeinrichtungen bei Nutzung einer Schub-Umlufteinrichtung in der abgezweigten, verdichteten Luft enthaltene Energie ungenutzt verloren. Dies kann jedoch bei der Aufladeeinrichtung 5 nun vermieden werden.
Um somit einen besonders effizienten und energiegünstigen Betrieb zu realisieren, ist die Aufladeeinrichtung 5 dazu ausgebildet, das zweite Verdichterrad 17 mit der abgezweigten Luft zu versorgen, sodass das zweite Verdichterrad 17 und über das zweite Verdichterrad 17 die elektrische Maschine 18 von der abgezweigten, die Rückführleitung 22 durchströmenden Luft antreibbar sind beziehungsweise angetrieben werden. Mit anderen Worten, in wenigstens einem ersten Betriebszustand wird das zweite Verdichterrad 17 mit der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft versorgt, sodass das zweite Verdichterrad 17 und über das zweite Verdichterrad 17 die elektrische Maschine 18 von der abgezweigten, mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft angetrieben werden.
Bei herkömmlicherweise zum Einsatz kommenden Schubumluftventilen findet der Ladedruckabbau durch Umwälzen der Ladeluft über den Verdichter 10 statt. Hierzu wird die verdichtete Ladeluft über das Schubumluftventil zurück zu der Stelle S2 geführt und dabei expandiert, wobei die Stelle S2 in einem Niederdruck-Bereich des Ansaugtrakts 6 angeordnet ist. Demgegenüber ist die Stelle S1 in einem Hochdruck-Bereich des Ansaugtrakts 6 angeordnet, da an der Stelle S1 ein höherer Druck als an der Stelle S2 herrscht. Nach Rückführen der verdichteten Luft zu der Stelle S2 wird die Luft erneut mittels des Verdichters 10 komprimiert. Dabei erfolgt der Ladedruckabbau relativ langsam, und die Energie, welche in der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft enthalten ist, wird nicht weiter genutzt beziehungsweise primär in Wärme umgewandelt.
Im Gegensatz dazu ist bei der Aufladeeinrichtung 5 eine Energierückgewinnung vorgesehen. Im Rahmen der Energierückgewinnung werden das Verdichterrad 17 und über dieses die elektrische Maschine 18 mittels der abgezweigten, die Rückführleitung 22 durchströmenden Luft angetrieben.
In wenigstens einem von dem ersten Betriebszustand unterschiedlichen zweiten Betriebszustand wird die elektrische Maschine 18 beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben. Hierzu wird die elektrische Maschine 18 beispielsweise mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom versorgt, die beziehungsweise der in einem in 1 nicht gezeigten Energiespeicher gespeichert ist. Durch Betreiben der elektrischen Maschine 18 in dem Motorbetrieb wird das Verdichterrad 17 von der elektrischen Maschine 18 angetrieben und dadurch um die Drehachse 19 in eine erste Drehrichtung gedreht, wodurch Luft, die durch die Rückführleitung 22 strömt, verdichtet und den Brennräumen 4 zugeführt wird.
In dem zuvor genannten ersten Betriebszustand jedoch wird das Verdichterrad 17 von Luft angetrieben, die mittels des Verdichterrads 13 verdichtet wird beziehungsweise wurde und die Rückführleitung 22 durchströmt. Dadurch wird in der abgezweigten Luft enthaltene Energie in mechanische Energie umgewandelt, welche von dem Verdichterrad 17 bereitgestellt wird. Hierdurch wird die elektrische Maschine 18 über die Welle 20 von dem Verdichterrad 17 angetrieben. In dem ersten Betriebszustand wird die elektrische Maschine 18 in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betrieben, welcher zumindest einen Teil der von dem Verdichterrad 17 bereitgestellten mechanischen Energie in elektrische Energie umwandelt und diese elektrische Energie bereitstellt. Dabei dreht sich das Verdichterrad 17 in dem ersten Betriebszustand um die Drehachse 19 in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung. In dem ersten Betriebszustand fungiert somit das Verdichterrad 17 als Turbine beziehungsweise als Turbinenrad, mittels welchem die elektrische Maschine 18, insbesondere der Rotor oder elektrischen Maschine 18, angetrieben wird. Mittels des Verdichterrads 17 wird die abgezweigte Luft entspannt, welche dann an der zweiten Stelle S2 in die Luftleitung 23 einströmen und schließlich wieder zu dem Verdichterrad 13 strömen kann.
Zur Realisierung des ersten Betriebszustands wird bei dem Lastabwurf die aufgestaute Ladeluft über das Verdichterrad 17 und somit über den elektrischen Verdichter 16 zu dem Niederdruck-Bereich geführt und expandiert. Dies erfolgt beispielsweise über entsprechende Ventilschaltungen in dem Ansaugtrakt 6. Mit anderen Worten ist vorzugsweise eine Ventileinrichtung 25 vorgesehen, mittels welcher jeweilige Strömungen von Luft durch die Rückführleitung 22 und durch die Luftleitung 23 einstellbar sind. Mit anderen Worten kann beispielsweise mittels der Ventileinrichtung 25 zwischen den genannten Betriebszuständen, welche auch als Betriebsarten bezeichnet werden, umgeschaltet werden.
Insgesamt ist erkennbar, dass bei einem Lastabwurf Energie in Form von elektrischem Strom aus der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Ladeluft gewonnen werden kann. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Schubumluftventil ist es ferner möglich, akustische Störgeräusche zu vermeiden beziehungsweise besonders gering zu halten, da beispielsweise der Ladedruckabbau besonders schnell und vorteilhaft durchgeführt werden kann. Insbesondere kann der Ladedruckabbau im Vergleich zu herkömmlichen Schubumluftventilen besser gesteuert oder geregelt werden, wodurch die Entstehung von unerwünschten Geräuschen vermieden werden kann. Somit können bei der Aufladeeinrichtung 5 eine besonders vorteilhafte Rekuperation von in der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft sowie ein besonders schneller Ladedruckabbau bei einem Lastabwurf realisiert werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Aufladeeinrichtung 5. Bei der ersten Ausführungsform wird vor dem ersten Verdichterrad 13 beziehungsweise stromauf des ersten Verdichterrads 13 zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 6 durchströmenden Luft abgezweigt. Die abgezweigte Luft beziehungsweise der abgezweigten Teil wird nicht mittels des Verdichterrads 13 verdichtet, sondern dem zweiten Verdichterrad 17 zugeführt und mittels des Verdichterrads 17 beziehungsweise mittels des elektrischen Verdichters 16 verdichtet, sodass beispielsweise die Verdichter 10 und 16 parallel arbeiten.
Bei der zweiten Ausführungsform jedoch ist beispielsweise ein serieller Betrieb der Verdichter 10 und 16 vorgesehen. Hierzu wird die den Absaugtrakt 6 durchströmende Luft, insbesondere in einem Aufladebetrieb, welcher in 2 durch Pfeile 28 veranschaulicht ist, zunächst mittels des Verdichterrads 13 verdichtet. Zumindest ein Teil der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft wird dem Verdichterrad 17 über eine Leitung 30 zugeführt und mittels des Verdichterrads 17 nochmalig beziehungsweise weiter verdichtet. Dabei sorgt ein Rückschlagventil 26 dafür, dass die mittels des Verdichterrads 17 verdichtete Luft nicht zu dem ersten Verdichterrad 13 zurückströmen kann. Die Leitung 30 ist dabei mit einer von dem Verdichterrad 13 wegführenden ersten Luftleitung an einer stromab des Verdichterrads 13 angeordneten Stelle fluidisch verbunden. Außerdem ist die Leitung 30 mit einer zu dem Verdichterrad 17 hinführenden zweiten Luftleitung an einer stromab des Verdichterrads 13 angeordneten Stelle fluidisch verbunden. Dadurch kann mittels der Leitung 30 zumindest der genannte Teil der mittels des Verdichterrads 13 verdichteten Luft aus der ersten Luftleitung abgezweigt und zu der beziehungsweise in die zweite Luftleitung eingeleitet werden. Der abgezweigte Teil wird dann mittels der zweiten Luftleitung zu dem Verdichterrad 17 geführt. Dabei, insbesondere während des Aufladebetriebs, ist ein in der Leitung 30 angeordnetes Ventil 27 geöffnet.
In 2 veranschaulichen Pfeile 29 den oben beschriebenen Ladedruckabbau. Bei dem Ladedruckabbau wird mittels der Drosselklappe 24 ein von der Luft durchströmbarer Strömungsquerschnitt des Ansaugtrakts 6 zumindest reduziert beziehungsweise zumindest teilweise versperrt, indem die Drosselklappe 24 zumindest teilweise geschlossen wird. Hierdurch wird die Luftzufuhr zu den Brennräumen 4, insbesondere im Vergleich zu dem dem Ladedruckabbau vorweggehenden Aufladebetrieb, reduziert. Zusätzlich wird dann die Schub-Umlufteinrichtung 21, insbesondere deren Schubumluftventil, geöffnet, und das in der Leitung 30 angeordnetes Ventil 27 wird geschlossen, damit die Luft über das Verdichterrad 17 und somit über den elektrischen Verdichter 16 strömt, sodass die elektrische Maschine 18 des elektrischen Verdichters 16 auf die beschriebene Weise in dem Generatorbetrieb betrieben werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinrichtung
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Motorgehäuse
4: Brennraum
5: Aufladeeinrichtung
6: Ansaugtrakt
7: Abgastrakt
8: Luftfilter
9: Abgasturbolader
10: Verdichter
11: Turbine
12: Turbinenrad
13: erstes Verdichterrad
14: Rotor
15: Welle
16: elektrischer Verdichter
17: zweites Verdichterrad
18: elektrische Maschine
19: Drehachse
20: Welle
21: Schub-Umlufteinrichtung
22: Rückführleitung
23: Luftleitung
24: Drosselklappe
25: Ventileinrichtung
26: Rückschlagventil
27: Ventil
28: Pfeil
29: Pfeil
30: Leitung
S1: erste Stelle
S2: zweite Stelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015216685 B3 [0002]

Claims

Aufladeeinrichtung (5) für eine Verbrennungskraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Abgasturbolader (9), welcher ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) antreibbares Turbinenrad (12) und ein von dem Turbinenrad (12) antreibbares erstes Verdichterrad (13) aufweist, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine (2) zuzuführende Luft zu verdichten ist, mit wenigstens einem elektrischen Verdichter (16), welcher eine elektrische Maschine (18) und ein von der elektrischen Maschine (18) antreibbares zweites Verdichterrad (17) aufweist, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine (2) zuzuführende Luft zu verdichten ist, und mit einer dem ersten Verdichterrad (13) zugeordneten Schub-Umlufteinrichtung (21), mittels welcher bei einer Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine (2) zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichterrads (13) verdichteten Luft an einer stromab des ersten Verdichterrads (13) angeordneten ersten Stelle (S1) abzweigbar und von der ersten Stelle (S1) zu einer stromauf des ersten Verdichterrads (13) angeordneten zweiten Stelle (S2) rückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, das zweite Verdichterrad (17) mit der abgezweigten Luft zu versorgen, sodass das zweite Verdichterrad (17) und über dieses die elektrische Maschine (18) von der abgezweigten Luft antreibbar sind.
Aufladeeinrichtung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (18) über das zweite Verdichterrad (17) von der abgezweigten Luft antreibbar und dadurch als Generator betreibbar ist, mittels welchem von dem zweiten Verdichterrad (17) bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist.
Aufladeeinrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schub-Umlufteinrichtung (21) wenigstens eine von der abgezweigten Luft durchströmbare Rückführleitung (22) aufweist, in welcher das zweite Verdichterrad (17) angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (5) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebszustand die abgezweigte Luft die Rückführleitung (22) in eine erste Richtung durchströmt.
Aufladeeinrichtung (5) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand, in welchem das zweite Verdichterrad (17) die der Verbrennungskraftmaschine (2) zuzuführende Luft verdichtet, die der Verbrennungskraftmaschine (2) zuzuführende Luft die Rückführleitung (22) in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung durchströmt.
Aufladeeinrichtung (5) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventileinrichtung (25) vorgesehen ist, mittels welcher jeweilige Strömungen von Luft durch die Rückführleitung (22) einstellbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung (5) für eine Verbrennungskraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Abgasturbolader (9), welcher ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) antreibbares Turbinenrad (12) und ein von dem Turbinenrad (12) antreibbares erstes Verdichterrad (13) aufweist, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine (2) zuzuführende Luft zu verdichten ist, mit wenigstens einem elektrischen Verdichter (16), welcher eine elektrische Maschine (18) und ein von der elektrischen Maschine (18) antreibbares zweites Verdichterrad (17) aufweist, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine (22) zuzuführende Luft zu verdichten ist, und mit einer dem ersten Verdichterrad (13) zugeordneten Schub-Umlufteinrichtung (21), mittels welcher bei einer Lastreduzierung der Verbrennungskraftmaschine (2) zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichterrads (13) verdichteten Luft an einer stromab des ersten Verdichterrads (13) angeordneten ersten Stelle (S1) abgezweigt und von der ersten Stelle (S1) zu einer stromauf des ersten Verdichterrads (13) angeordneten zweiten Stelle (S2) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Betriebszustand das zweite Verdichterrad (17) mit der abgezweigten Luft versorgt wird, sodass das zweite Verdichterrad (17) und über dieses die elektrische Maschine (18) von der abgezweigten Luft angetrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (18) über das zweite Verdichterrad (17) von der abgezweigten Luft angetrieben und dadurch als Generator betrieben wird, welcher von dem zweiten Verdichterrad (17) bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und die elektrische Energie bereitstellt.