DE102021100844B3 - Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Turbolader sowie Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeug (100), insbesondere Motorsportfahrzeug, aufweisend einen Verbrennungsmotor (1), einen Turbolader (2) mit einem Verdichter (2.1) zum Verdichten von Ladeluft und einer Turbine (2.2) vorgeschlagen, wobei das Kraftfahrzeug (100) ein Umschaltventil (3.1) und ein Wastegate (4) und einen Ladeluftkühler (3) zum Kühlen der verdichteten Ladeluft vor dem Umschaltventil (3.1) aufweist, wobei das Umschaltventil (3.1) und das Wastegate (4) dazu konfiguriert sind, wahlweise die verdichtete Ladeluft oder Verbrennungsabgase aus dem Verbrennungsmotor (1) zur Turbine (2.2) zu leiten. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs (100) vorgeschlagen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Motorsportfahrzeug, aufweisend einen Verbrennungsmotor, einen Turbolader mit einem Verdichter zum Verdichten von Ladeluft und einer Turbine, wobei das Kraftfahrzeug ein Umschaltventil und ein Wastegate aufweist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs.
• Aus der Druckschrift DE 10 2014 114 980 A1 ist bekannt, die Effizienz eines Ladeluftkühlers zu steigern, indem die von dem Ladeluftkühler zu kühlende Ladeluft vor dem Kühlen komprimiert und anschließend entspannt wird. Hierzu ist neben einem ersten Turbolader zum Aufladen des Verbrennungsmotors ein zweiter Turbolader zum Verdichten und Entspannen der Ladeluft vorgesehen. Der verdichteten Ladeluft kann vom Ladeluftkühler eine größere Wärmemenge entnommen werden, so dass dem Verbrennungsmotor kühlere Ladeluft zugeführt wird. Auch aus der DE 10 2008 018 583 A1 ist ein Abgasrückführsystem bekannt bei dem Abgas ohne Energieverlust mit hoher Dynamik zurückgeführt wird.
• Grundsätzlich sind gattungsgemäße Kraftfahrzeuge beispielsweise aus der gattungsgemäßen DE 10 2009 031 845 A1 bekannt.
• Motorsportfahrzeuge unterliegen jedoch einem strikten Reglement, was deren technische Ausführung angeht. So ist beispielsweise für Kraftfahrzeuge für die Teilnahme an Rennen der FIA Formel-1-Weltmeisterschaft vorgeschrieben, dass zum Betrieb des Verbrennungsmotors lediglich ein durch eine elektrische Maschine unterstützter Turbolader verwendet werden darf. Die Turbine und der Verdichter des Turboladers müssen dabei auf einer Welle sitzen, so dass der Verdichter und die Turbine mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehen.
• Je nach Fahrsituation werden unterschiedliche Anforderungen an den Antriebsstrang gestellt. So ist es im normalen Rennbetrieb beispielsweise wünschenswert, den Turbolader als Abgasturbolader zu betreiben, insbesondere vor dem Hintergrund der Ausnutzung des Energy Recovery Systems (ERS), welches mit Hilfe einer Motor-Generator-Unit-Heat (MGU-H) aus dem Abgasstrom elektrische Energie gewinnt, welche wiederum dem Antriebssystem zugeführt wird. Es gibt aber auch Situationen, beispielsweise während der Qualifikationsrunden, in denen die Gewinnung von elektrischer Energie im Hintergrund steht, in denen aber ein geringer Abgasgegendruck mit einer entsprechenden höheren Motorleistung wünschenswert ist.
• Ein effizienter Betrieb des Ladeluftkühlers nach dem Beispiel der DE 10 2014 114 980 A1 ist bei Rennen der Formel-1-Weltmeisterschaft mit nur einem Turbolader nicht möglich. Ferner stellt der zweite Turbolader ein deutliches Mehr an Gewicht dar und kostet wertvollen Bauraum.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeug Verfügung zu stellen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern einen hoch effizienten Einsatz eines Ladeluftkühlers bei geringem Abgasgegendruck beispielsweise für Qualifikationsrunden und den herkömmlichen Betrieb eines Abgasturboladers beispielsweise im Rennen mit nur einem Turbolader ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Umschaltventil und das Wastegate dazu konfiguriert sind, die verdichtete Ladeluft zur Turbine und Verbrennungsabgase aus dem Verbrennungsmotor zu einer Abgasanlage zu leiten oder die Verbrennungsabgase aus dem Verbrennungsmotor zur Turbine und die verdichtete Ladeluft zum Verbrennungsmotor zu leiten.
• Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ermöglicht einen Betrieb mit hoch effizienter Ladeluftkühlung und dadurch erheblich reduzierter Klopfneigung und Steigerung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors für Qualifikationsrunden und einen Betrieb mit Abgasturbolader für Rennrunden.
• Zur Qualifikation wird das Umschaltventil so geschaltet, dass die gekühlte und verdichtete Ladeluft mit der Turbine entspannt wird. Die Verbrennungsabgase werden vom Wastegate an der Turbine vorbei zur Abgasanlage geleitet. So kann eine deutlich höhere Motorleistung erzielt werden. Im Rennbetrieb wird der Turbolader als Abgasturbolader genutzt, indem die Ladeluft an der Turbine vorbei zum Verbrennungsmotor und die Verbrennungsabgase durch die Turbine geleitet werden. Ein Wastegate im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Ventil, vorzugsweise ein weiteres Umschaltventil.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug eine erste Ladeluftstrecke, eine zweite Ladeluftstrecke zwischen dem Verdichter und dem Umschaltventil, eine dritte Turbine-Ladeluftstrecke, eine weitere dritte Verbrennungsmotor-Ladeluftstrecke und eine vierte Ladeluftstrecke aufweist, wobei der Verdichter zwischen der ersten Ladeluftstrecke und der zweiten Ladeluftstrecke angeordnet ist, wobei der Ladeluftkühler in der zweiten Ladeluftstrecke angeordnet ist, wobei das Umschaltventil zum Leiten der Ladeluft zur dritten Ladeluftstrecke oder zur weiteren dritten Ladeluftstrecke konfiguriert ist, wobei zwischen der dritten Ladeluftstrecke und der vierten Ladeluftstrecke die Turbine angeordnet ist, wobei die vierte Ladeluftstrecke in einen Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors mündet, wobei die weitere dritte Turbine-Ladeluftstrecke in den Ansaugkrümmer mündet. Hierdurch ist auf vorteilhafte Weise ein System aus Ladeluftstrecken, Turbolader und Umschaltventil ermöglicht, mit welcher sich die Zuleitung der Ladeluft zum Verbrennungsmotor über den Ansaugkrümmer optimal je nach Anforderung umschalten lässt.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug einen Abgaskrümmer zum Leiten der Verbrennungsabgase vom Verbrennungsmotor zum Wastegate aufweist, wobei das Wastegate zum Leiten der Verbrennungsabgase in eine zur Turbine führende Abgasstrecke oder in eine nicht zur Turbine führende weitere Abgasstrecke konfiguriert ist, wobei die Abgasstrecke in die dritte Verbrennungsmotor-Ladeluftstrecke mündet. Hierdurch ist auf vorteilhafte Weise sichergestellt, dass eine Vermischung aus Ladeluft und Verbrennungsabgasen in der Turbine verhindert wird und durch Öffnen des Wastegates der Abgasgegendruck reduziert wird.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Turbine und der Verdichter so über eine Welle verbunden sind, dass die Turbine und der Verdichter mit der gleichen Drehzahl drehen. Denkbar ist beispielsweise, dass die Turbine, die Welle und der Verdichter, insbesondere ein Verdichterrad des Verdichters, drehfest miteinander verbunden sind. Denkbar ist aber auch, dass die Turbine, die Welle und der Verdichter, insbesondere das Verdichterrad, über Getriebe miteinander verbunden sind, so dass die Turbine und der Verdichter, insbesondere das Verdichterrad, mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehen.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine aufweist, wobei die elektrische Maschine dazu konfiguriert ist, aus einer Drehung der Welle elektrische Energie zu gewinnen und/oder die Welle zu drehen. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, über die Turbine Energie aus dem Abgasstrom in elektrische Energie umzuwandeln und den Verdichter anzutreiben, wenn keine Verbrennungsabgase zur Turbine geleitet werden. Denkbar ist, dass das Kraftfahrzeug einen Energiespeicher aufweist. Denkbar ist, dass die von der elektrischen Maschine gewonnene elektrische Energie im Energiespeicher gespeichert wird. Denkbar ist, dass die elektrische Maschine mit Energie aus dem Energiespeicher zur Drehung der Welle versorgt wird. Denkbar ist, dass ein elektrischer Traktionsantrieb des Kraftfahrzeugs aus dem Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug in einem Qualifikations-Modus oder in einem Renn-Modus betrieben wird, wobei im Qualifikations-Modus von dem Umschaltventil die verdichtete Ladeluft zur Turbine geleitet wird und die Verbrennungsabgase von dem Wastegate nicht zur Turbine geleitet werden und wobei im Renn-Modus von dem Umschaltventil die verdichtete Ladeluft nicht zur Turbine geleitet wird und die Verbrennungsabgase von dem Wastegate zur Turbine geleitet werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein Umschalten zwischen einem Qualifikations-Modus mit hoch effizienter Ladeluftkühlung und dadurch erheblich reduzierter Klopfneigung und Steigerung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors sowie Reduzierung des Abgasgegendrucks für Qualifikationsrunden und einem Renn-Modus mit Verwendung des Turboladers als Abgasturbolader für Rennrunden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die verdichtete Ladeluft von dem Ladeluftkühler gekühlt wird, wobei die vom Ladeluftkühler gekühlte Ladeluft im Qualifikations-Modus von der Turbine entspannt wird. Hierdurch wird dem Verbrennungsmotor deutlich kühlere Ladeluft zugeführt. Denkbar ist, dass der Turbolader im Qualifikations-Modus als Drosselklappe genutzt wird.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im Renn-Modus von der elektrischen Maschine aus der Drehung der Welle elektrische Energie gewonnen wird. Denkbar ist, dass die elektrische Energie im Energiespeicher gespeichert und/oder einem elektrischen Traktionsantrieb zugeführt wird.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im Qualifikations-Modus der Verdichter über die Welle von der elektrischen Maschine angetrieben wird. Denkbar ist, dass hierzu elektrische Energie von dem Energiespeicher bereitgestellt wird.
• Alle zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das erfindungsgemäße Verfahren.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
• 1 illustriert schematisch den Verbrennungsmotor mit den Ladeluftstrecken und den Abgasstrecken eines Kraftfahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 1 illustriert schematisch einen Verbrennungsmotor 1 mit Ladeluftstrecken 5, 6, 7.1, 7.2, 8 und Abgasstrecken 11, 12 eines Kraftfahrzeugs (siehe 2) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Hier dargestellt ist ein Verbrennungsmotor 1 mit einer Zylinderbank. Typischerweise sind jedoch zwei Zylinderbänke vorgesehen. Die folgende Beschreibung anhand der einen Zylinderbank lässt sich vollständig symmetrisch auf ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 1 mit zwei oder mehr Zylinderbänken übertragen.
• Das Kraftfahrzeug kann in einem Qualifikations-Modus und in einem Renn-Modus betrieben werden. Hierzu weist das Kraftfahrzeug einen Turbolader 2 mit einem Verdichter 2.1 und einer mit dem Verdichter 2.1 über eine Welle 2.3 verbundene Turbine 2.2 auf. Über eine erste Ladeluftstrecke 5 wird dem Verdichter 2.1 Ladeluft zugeführt. Die Ladeluft wird von dem Verdichter 2.1 verdichtet und über eine zweite Ladeluftstrecke 6 weitergeleitet. Die zweite Ladeluftstrecke 6 weist einen Ladeluftkühler 3 auf. Im Vergleich zu nicht verdichteter Ladeluft kann der verdichteten Ladeluft von dem Ladeluftkühler 3 eine größere Wärmemenge entzogen werden.
• Im Qualifikations-Modus passiert die verdichtete und gekühlte Ladeluft durch ein Umschaltventil 3.2 eine dritte Turbine-Ladeluftstrecke 7.1 und wird zur Turbine 2.2 des Turboladers 2 geführt. Über die Turbine 2.2 wird die Ladeluft entspannt und anschließend entlang einer vierten Ladeluftstrecke 8 in einen Ansaugkrümmer 9 und schließlich in einen Verbrennungsmotor 1 geleitet.
• Im Qualifikations-Modus ist der Turbolader 2 über eine elektrische Maschine 2.3, welche mechanisch mit der Welle 2.3 verbunden ist, angetrieben. Aus dem Verbrennungsmotor 1 austretende Verbrennungsabgase werden über einen Abgaskrümmer 10 zu einem Wastegate 4 geleitet. Das Wastegate 4 ist so konfiguriert, dass es im Qualifikations-Modus die Verbrennungsabgase nicht über eine Abgasstrecke 11 zur Turbine 2.2, sondern über eine weitere Abgasstrecke 12 zu einer (nicht gezeigten) Abgasanlage leitet. Dies verringert den Abgasgegendruck deutlich, womit im Qualifikations-Modus mehr Leistung zur Traktion bereitsteht.
• Im Renn-Modus leitet das Umschaltventil 3.1 die gekühlte und verdichtete Ladeluft nicht über die dritte Turbine-Ladeluftstrecke 7.1 zur Turbine 2.2, sondern über eine weitere dritte Verbrennungsmotor-Ladeluftstrecke 7.2 durch den Ansaugkrümmer 9 zum Verbrennungsmotor 1. Um den Turbolader 2 anzutreiben, wird das Wastegate 4 geschlossen, so dass die Verbrennungsabgase vom Abgaskrümmer 10 über die Abgasstrecke 11 in die Turbine 2.2 geleitet werden. Die Abgasstrecke 11 mündet vorzugsweise in die dritte Turbine-Ladeluftstrecke 7.1.
• Der Strom der Verbrennungsabgase treibt nun die Turbine 2.2 und mit dieser über die Welle 2.3 den Verdichter 2.1 an. Mit Hilfe der elektrischen Maschine 2.4 gewinnt das Kraftfahrzeug elektrische Energie aus der kinetischen Energie der durch die Turbine 2.2 strömenden Verbrennungsabgase. Die elektrische Energie kann beispielsweise für einen elektrischen Traktionsantrieb zur Unterstützung des Verbrennungsmotors 1 eingesetzt werden.
• 2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eingezeichnet ist der Verbrennungsmotor 1.
• Bezugszeichenliste

1

Verbrennungsmotor

2

Turbolader

2.1

Verdichter

2.2

Turbine

2.3

Welle

2.4

elektrische Maschine

3

Ladeluftkühler

3.1

Umschaltventil

4

Wastegate

5

erste Ladeluftstrecke

6

zweite Ladeluftstrecke

7.1

dritte Turbine-Ladeluftstrecke

7.2

weitere dritte Verbrennungsmotor-Ladeluftstrecke

8

vierte Ladeluftstrecke

9

Ansaugkrümmer

10

Abgaskrümmer

11

Abgasstrecke

12

weitere Abgasstrecke

100

Kraftfahrzeug

Claims (9)

1. Kraftfahrzeug (100) aufweisend einen Verbrennungsmotor (1), einen Turbolader (2) mit einem Verdichter (2.1) zum Verdichten von Ladeluft und einer Turbine (2.2), wobei das Kraftfahrzeug (100) ein Umschaltventil (3.1) und ein Wastegate (4) und einen Ladeluftkühler (3) zum Kühlen der verdichteten Ladeluft vor dem Umschaltventil (3.1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (3.1) und das Wastegate (4) dazu konfiguriert sind, die verdichtete Ladeluft zur Turbine und Verbrennungsabgase aus dem Verbrennungsmotor (1) zu einer Abgasanlage zu leiten oder die Verbrennungsabgase aus dem Verbrennungsmotor (1) zur Turbine (2.2) und die verdichtete Ladeluft zum Verbrennungsmotor (1) zu leiten.
2. Kraftfahrzeug (100) nach Anspruch 1, wobei das Kraftfahrzeug (100) eine erste Ladeluftstrecke (5), eine zweite Ladeluftstrecke (6) zwischen dem Verdichter (2.1) und dem Umschaltventil (3.1), eine dritte Turbine-Ladeluftstrecke (7.1), eine weitere dritte Verbrennungsmotor-Ladeluftstrecke (7.2) und eine vierte Ladeluftstrecke (8) aufweist, wobei der Verdichter (2.1) zwischen der ersten Ladeluftstrecke (5) und der zweiten Ladeluftstrecke (6) angeordnet ist, wobei der Ladeluftkühler (3) in der zweiten Ladeluftstrecke (6) angeordnet ist, wobei das Umschaltventil (3.1) zum Leiten der Ladeluft zur dritten Turbine-Ladeluftstrecke (7.1) oder zur weiteren dritten Verbrennungsmotor-Ladeluftstrecke (7.2) konfiguriert ist, wobei zwischen der dritten Turbine-Ladeluftstrecke (7.1) und der vierten Ladeluftstrecke (8) die Turbine (2.2) angeordnet ist, wobei die vierte Ladeluftstrecke (8) in einen Ansaugkrümmer (9) des Verbrennungsmotors (1) mündet, wobei die weitere dritte Verbrennungsmotor-Ladeluftstrecke (7.2) in den Ansaugkrümmer (9) mündet.
3. Kraftfahrzeug (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug (100) einen Abgaskrümmer (10) zum Leiten der Verbrennungsabgase vom Verbrennungsmotor (1) zum Wastegate (4) aufweist, wobei das Wastegate (4) zum Leiten der Verbrennungsabgase in eine zur Turbine (2.2) führende Abgasstrecke (11) oder in eine nicht zur Turbine (2.2) führende weitere Abgasstrecke (12) konfiguriert ist, wobei die Abgasstrecke (11) in die dritte Turbine-Ladeluftstrecke (7.1) mündet.
4. Kraftfahrzeug (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbine (2.2) und der Verdichter (2.1) so über eine Welle (2.3) verbunden sind, dass die Turbine (2.2) und der Verdichter (2.1) mit der gleichen Drehzahl drehen.
5. Kraftfahrzeug (100) nach Anspruch 4, wobei das Kraftfahrzeug (100) eine elektrische Maschine (2.4) aufweist, wobei die elektrische Maschine (2.4) dazu konfiguriert ist, aus einer Drehung der Welle (2.3) elektrische Energie zu gewinnen und/oder die Welle (2.3) zu drehen.
6. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug (100) in einem Qualifikations-Modus oder in einem Renn-Modus betrieben wird, wobei im Qualifikations-Modus von dem Umschaltventil (3.1) die verdichtete Ladeluft zur Turbine (2.2) geleitet wird und die Verbrennungsabgase von dem Wastegate (4) nicht zur Turbine (2.2) geleitet werden und wobei im Renn-Modus von dem Umschaltventil (3.1) die verdichtete Ladeluft nicht zur Turbine (2.2) geleitet wird und die Verbrennungsabgase von dem Wastegate (4) zur Turbine (2.2) geleitet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die verdichtete Ladeluft von dem Ladeluftkühler (3) gekühlt wird, wobei die vom Ladeluftkühler (3) gekühlte Ladeluft im Qualifikations-Modus von der Turbine (2.2) entspannt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei im Renn-Modus von der elektrischen Maschine (2.4) aus der Drehung der Welle (2.3) elektrische Energie gewonnen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei im Qualifikations-Modus der Verdichter (2.1) über die Welle (2.3) von der elektrischen Maschine (2.4) angetrieben wird.

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