DE102012000512A1

DE102012000512A1 - Device for charging internal combustion engine of vehicle, has turbine arranged in exhaust gas stream of engine arranged and driven by exhaust gas stream, where turbine indirectly drives generator independent of electromotor

Info

Publication number: DE102012000512A1
Application number: DE102012000512A
Authority: DE
Inventors: Silvio Peschke; Dr. Kämmerer Steffen; Tobias Dettmann
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-03-14

Abstract

The device (1) has a compressor (4) for compressing air supplied to an internal combustion engine (2). An electromotor (5) drives the compressor. A turbine (11) is arranged in an exhaust gas stream of the combustion engine and driven by the exhaust gas stream. The turbine indirectly drives a generator (10) that is formed independent of the electromotor. A gear box is arranged between the turbine and the generator and/or between the compressor and the electromotor, where the turbine and/or the compressor are formed in multiple stages.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a device for charging an internal combustion engine according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Zum Aufladen eines Verbrennungsmotors sind prinzipiell Abgasturbolader aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Diese bestehen aus einem Verdichter, typischerweise einem Verströmungsverdichter, sowie einer Turbine, welche die Energie im Abgas des Verbrennungsmotors nutzt. Der Verdichter, welcher die dem Verbrennungsmotor zugeführte Frischluft verdichtet, und die Abgasturbine beziehungsweise Turbine sind über eine gemeinsame Welle drehbar gelagert. Die von der Turbine aus dem Abgas zurückgewonnene Leistung wird damit unmittelbar dem Verdichter zugeführt und dient zum Verdichten der Frischluft. Derartige Aufbauten haben bekanntermaßen den Nachteil, dass diese nicht über den gesamten Leistungsbereich gleichmäßig den benötigten Luftstrom verdichten, wodurch ein sogenanntes „Turboloch” entsteht. In diesem Bereich wird – für den Fahrer eines derart ausgestatteten Fahrzeugs wahrnehmbar – der Anstieg der Leistung beim Beschleunigen kurzzeitig reduziert, um dann schlagartig wieder anzusteigen.In principle, exhaust gas turbochargers of the general state of the art are known for charging an internal combustion engine. These consist of a compressor, typically a Verströmungsverdichter, as well as a turbine, which uses the energy in the exhaust gas of the internal combustion engine. The compressor, which compresses the fresh air supplied to the internal combustion engine, and the exhaust gas turbine or turbine are rotatably supported by a common shaft. The power recovered by the turbine from the exhaust gas is thus fed directly to the compressor and serves to compress the fresh air. Such structures are known to have the disadvantage that they do not even over the entire power range compress the required air flow, creating a so-called "turbo lag" arises. In this area - noticeable to the driver of such a vehicle - the increase in power during acceleration briefly reduced, and then abruptly rise again.

Des Weiteren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik elektrisch unterstützte Turbolader bekannt, welche auf der gemeinsamen Welle von Verdichter und Turbine zusätzlich eine elektrische Maschine aufweisen, um die Leistung des Verdichters beeinflussen zu können und so beispielsweise dem sogenannten Turboloch entgegenzuwirken. Außerdem kann die elektrische Maschine generatorisch betrieben werden, um für den Fall, dass im Bereich der Turbine mehr Leistung anfällt als vom Verdichter benötigt wird, elektrische Leistung zu generieren und beispielsweise in eine Batterie einzuspeichern.Furthermore, electrically assisted turbochargers are known from the general state of the art, which additionally have an electric machine on the common shaft of the compressor and turbine in order to be able to influence the power of the compressor and thus, for example, counteract the so-called turbo lag. In addition, the electric machine can be operated as a generator to generate in the event that in the area of the turbine more power than is required by the compressor to generate electrical power and, for example, to store in a battery.

Diese Aufbauten haben im Wesentlichen drei Nachteile. Ein erster Nachteil ist der Eintrag von thermischer Energie vom Abgas in die zugeführte Zuluft über diesen Aufbau unvermeidlich. Dies führt zu einer weiteren Erwärmung der durch das Verdichten bereits erwärmten Zuluft. Der Verbrennungsprozess in dem Verbrennungsmotor wird dadurch nachteilig beeinflusst. Um dies zu vermeiden, kann ein Ladeluftkühler vorgesehen werden, welcher dann jedoch eine vergleichsweise große Kühlleistung erfordert. Als weiterer Nachteil führt die Lagerung der gemeinsamen Welle des Verdichters und des Turbinenrades sowie der elektrischen Maschine häufig zu einem Öleintrag in die zugeführte Frischluft zu dem Verbrennungsmotor und/oder des Abgases. Dies führt zu einem unsauberen Verbrennungsprozess mit erhöhten Schadstoffemissionen im Abgas des Verbrennungsmotors. Um eine annehmbare Funktionalität zu gewährleisten, ist außerdem der Gestaltungsspielraum bei der Turbine entsprechend eingeschränkt, da diese so gestaltet werden muss, dass sie die idealerweise für die Verdichtung im jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine maximale Energie liefert.These structures have essentially three disadvantages. A first disadvantage is the entry of thermal energy from the exhaust gas in the supplied supply air over this structure inevitable. This leads to a further heating of the supply air already heated by the compression. The combustion process in the internal combustion engine is thereby adversely affected. To avoid this, a charge air cooler can be provided, which then requires a comparatively large cooling capacity. As a further disadvantage, the bearing of the common shaft of the compressor and the turbine wheel as well as the electric machine often leads to an oil entry into the supplied fresh air to the internal combustion engine and / or the exhaust gas. This leads to an unclean combustion process with increased pollutant emissions in the exhaust gas of the internal combustion engine. In addition, to ensure acceptable functionality, the latitude in the turbine is correspondingly limited as it must be designed to provide maximum energy, ideally for compression in the particular operating condition of the internal combustion engine.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und einen sehr energieeffizienten und emissionsarmen Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht.The object of the present invention is now to provide a device for charging an internal combustion engine, which avoids these disadvantages and allows a very energy-efficient and low-emission operation of the internal combustion engine.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments thereof will become apparent from the dependent subclaims.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Turbine wenigstens einen Generator zumindest mittelbar antreibt. Dieser mit der Turbine gekoppelte Generator ist unabhängig von einem mit einem Elektromotor gekoppelten Verdichter ausgebildet. Verdichter und Turbine liegen somit nicht mehr auf einer Welle, sondern sind getrennt voneinander ausgeführt. Durch den Antrieb über den Elektromotor ist es damit möglich, den Verdichter elektrisch, insbesondere im Zusammenspiel mit der Steuerungselektronik des Fahrzeugs beziehungsweise des Verbrennungsmotors so anzusteuern, dass das eingangs beschriebene „Turboloch” nicht mehr auftritt. Gleichzeitig ist eine optimale Regelung des Aufladeprozesses und der Kraftstoffinjektion sowie des Luftladungswechsels in dem Verbrennungsmotor durch eine abgestimmte Regelung zwischen den durch den Elektromotor angetriebenen Verdichter und der Regelung des Verbrennungsmotors möglich. Hierdurch lässt sich die Leistung des Verbrennungsmotors bei hoher Energieeffizienz optimieren.In the device according to the invention for charging an internal combustion engine, it is provided that the at least one turbine drives at least one generator at least indirectly. This turbine-coupled generator is independent of a compressor coupled to an electric motor. Compressor and turbine are thus no longer on a shaft, but are carried out separately. By driving via the electric motor, it is thus possible to control the compressor electrically, in particular in interaction with the control electronics of the vehicle or the internal combustion engine so that the "turbo lag" described above no longer occurs. At the same time an optimal control of the charging process and the fuel injection and the air charge change in the internal combustion engine by a coordinated control between the driven by the electric motor compressor and the control of the internal combustion engine is possible. As a result, the performance of the internal combustion engine can be optimized with high energy efficiency.

Durch die permanente elektrische Energieerzeugung über die wenigstens eine Turbine und den mit ihr gekoppelten Generator kann außerdem während des gesamten Betriebs des Verbrennungsmotors elektrische Energie über den Aufbau aus Turbine und Generator erzeugt werden. Dies ermöglicht eine sehr effiziente Nutzung der Abgasenergie. Dies kann insbesondere durch eine auf diesen Anwendungszweck hin optimierte Ausgestaltung der Turbine hinsichtlich Größe, Bauweise, Mehrstufigkeit und so weiter optimiert werden. Da die an der Turbine generierte Leistung nicht mehr unmittelbar für den Verdichter benötigt wird, muss die Turbine jetzt nicht mehr so ausgelegt werden, dass sie die jeweils optimale Leistung für den Verdichter liefert, sondern kann auf eine optimale Energieerzeugung über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors hinweg optimiert werden. Dadurch lässt sich sehr viel mehr Energie aus dem Abgas zurückgewinnen, als dies bei einem als Freiläufer ausgebildeten Abgasturbolader der Fall wäre.Due to the permanent electrical power generation via the at least one turbine and the generator coupled to it can also be generated throughout the operation of the internal combustion engine electrical energy through the structure of turbine and generator. This allows a very efficient use of the exhaust gas energy. This can be optimized in particular by an optimized design of the turbine in terms of size, design, multi-stage and so on. Because the turbine generated power is no longer needed directly for the compressor, the turbine now no longer needs to be designed to deliver the optimum compressor power, but can rely on optimal power generation over the entire operating range of the engine be optimized. As a result, much more energy can be recovered from the exhaust gas than would be the case with an exhaust gas turbocharger configured as an idler.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dabei die Drehachsen des wenigstens einen Verdichters und des wenigstens einen Elektromotors getrennt von der Drehachse der wenigstens einen Turbine und des wenigstens einen Generators ausgebildet. Ein solches Trennen der Drehachse ermöglicht entscheidende Vorteile hinsichtlich der räumlichen Anordnung von Verdichter und Turbine, welche nunmehr getrennt voneinander platziert und entsprechend den Packaging-Vorgaben im Aufbau um den Verbrennungsmotor angeordnet werden können. Hierdurch entstehen größere Freiheiten bei der Ausgestaltung der Luftzufuhr und der Abgasabfuhr von dem Verbrennungsmotor, welche letztlich ebenfalls zu einer optimierten Ausnutzung des vorhandenen Bauraums führen. Außerdem kann durch den Verzicht auf eine durchgehende Welle ein unabhängiger Betrieb des Verdichters und der Elektromaschine in der oben bereits beschriebenen Art und Weise besonders effizient realisiert werden. Letztlich kommt es außerdem durch die getrennte Welle nicht mehr zu einem Wärmeübertrag von der im heißen Abgas laufenden Turbine hin zu dem Verdichter. Eine übermäßige Erwärmung der verdichteten Zuluft, welche den Verbrennungsprozess typischerweise nachteilig beeinflusst, kann somit effizient vermieden werden.In a particularly favorable and advantageous development of the device according to the invention, the axes of rotation of the at least one compressor and the at least one electric motor are formed separately from the axis of rotation of the at least one turbine and the at least one generator. Such a separation of the axis of rotation allows decisive advantages in terms of the spatial arrangement of the compressor and turbine, which can now be placed separately from each other and arranged according to the packaging specifications in the structure around the engine. This results in greater freedom in the design of the air supply and the exhaust gas removal from the engine, which ultimately also lead to an optimized utilization of the available space. In addition, by omitting a continuous shaft, independent operation of the compressor and the electric machine can be realized particularly efficiently in the manner already described above. Finally, there is also no longer due to the separate shaft to a heat transfer from the turbine running in the hot exhaust gas to the compressor. Excessive heating of the compressed supply air, which typically adversely affects the combustion process, can thus be efficiently avoided.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus kann es außerdem vorgesehen sein, dass zwischen der wenigstens einen Turbine und dem wenigstens einen Generator und/oder zwischen dem wenigstens einen Verdichter und dem wenigstens einen Elektromotor ein Getriebe angeordnet ist. Ein solches Getriebe, insbesondere zwischen Turbine und Generator, kann von Vorteil sein, da dann die typischerweise sehr hohen Drehzahlen der Turbine entsprechend untersetzt werden können, um den Antrieb des Generators auf einer niedrigeren Drehzahl zu erreichen. Hierdurch lässt sich typischerweise bei einem einfacheren und kostengünstigeren Aufbau des Generators eine höhere Energieeffizienz desselben erzielen.In a further very favorable embodiment of the construction according to the invention, it can also be provided that a transmission is arranged between the at least one turbine and the at least one generator and / or between the at least one compressor and the at least one electric motor. Such a transmission, in particular between turbine and generator, may be advantageous because then the typically very high speeds of the turbine can be appropriately reduced in order to achieve the drive of the generator at a lower speed. As a result, a higher energy efficiency of the same can typically be achieved with a simpler and less expensive construction of the generator.

Neben dem optionalen Getriebe kann es in einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Turbinen und/oder wenigstens einer der Verdichter ölfrei gelagert ist. Eine solche ölfreie Lagerung, welche gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung in der Art einer Magnetlagerung ausgebildet ist, ist von besonderem Vorteil hinsichtlich der durch den Verbrennungsmotor erzeugten Emissionen. Kommt Öl auf der Verdichterseite in die Zuluft, stört dies den Verbrennungsprozess und erhöht die Schadstoffemissionen. Gelangt Öl auf der Turbinenseite in das heiße Abgas, kommt es ebenfalls zu einem Verdampfen oder Verbrennen des Öls in dem heißen Abgas, welches ebenfalls zu unkontrollierten und unerwünschten Abgasemissionen führt.In addition to the optional transmission, it can be provided in a further very favorable and advantageous embodiment of the device according to the invention that at least one of the turbines and / or at least one of the compressors is stored oil-free. Such oil-free storage, which is designed according to a particularly favorable and advantageous development in the form of a magnetic bearing, is of particular advantage with respect to the emissions generated by the internal combustion engine. If oil gets into the supply air on the compressor side, this interferes with the combustion process and increases pollutant emissions. If oil on the turbine side in the hot exhaust gas, it also leads to evaporation or burning of the oil in the hot exhaust gas, which also leads to uncontrolled and undesirable exhaust emissions.

Insbesondere die beschriebene vorteilhafte Ausgestaltung der ölfreien Lagerung als Magnetlagerung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung so ausgebildet sein, dass diese als aktive Magnetlagerung realisiert ist, welche in ihren magnetischen Eigenschaften aktiv veränderbar ist. Eine solche aktive Magnetlagerung bietet die besondere Möglichkeit einer Ansteuerung der magnetischen Veränderbarkeit. Dadurch lassen sich Lagerparameter verändern und die Lagerung der Turbine und/oder des Verdichters kann hierdurch beeinflusst werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es zu Schwingungen oder einer Taumelbewegung der Achse des Verdichters beziehungsweise der Turbine kommt. Dies ist bei Turboladern vergleichsweise häufig zu beobachten. Über eine geeignete Sensorik kann eine solche Schwingung der Welle, auf welcher beziehungsweise mit welcher die Turbine und/oder der Verdichter umläuft, erfasst werden. Durch die aktive magnetische Lagerung kann dieser Schwingung entgegengewirkt werden, indem die Lagerung beispielsweise in einer vergleichbaren oder derselben Frequenz aktiv angesteuert wird. Hierdurch kann eine aktiv gesteuerte beziehungsweise geregelte Dämpfung erreicht werden. Wirkungsgrad und Lebensdauereinbußen aufgrund von Schwingungen lassen sich somit vermeiden oder zumindest stark minimieren.In particular, the described advantageous embodiment of the oil-free storage as a magnetic bearing can be designed according to an advantageous development of the device according to the invention that it is realized as an active magnetic bearing, which is actively changeable in their magnetic properties. Such an active magnetic bearing offers the special possibility of controlling the magnetic variability. As a result, bearing parameters can be changed and the storage of the turbine and / or the compressor can be influenced thereby. This is particularly advantageous when it comes to oscillations or a tumbling motion of the axis of the compressor or the turbine. This is comparatively common in turbochargers. By means of a suitable sensor system, such an oscillation of the shaft on which or with which the turbine and / or the compressor revolves can be detected. By active magnetic storage of this vibration can be counteracted by the storage is actively driven, for example, in a comparable or the same frequency. As a result, an actively controlled or regulated attenuation can be achieved. Efficiency and loss of life due to vibrations can thus be avoided or at least greatly minimized.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass diese magnetische Lagerung in den Elektromotor und/oder den Generator integriert ausgebildet ist. Im Bereich des Elektromotors oder des Generators kommt es ohnehin zu einer magnetischen Aktivität zwischen einem umlaufenden Rotor und einem stillstehenden Stator. Hier sind also entsprechende Wicklungen und Magnete typischerweise ohnehin vorhanden. Ohne nennenswerten Mehraufwand lässt sich eine magnetische Lagerung, und insbesondere auch eine aktive magnetische Lagerung, somit ideal in den Elektromotor beziehungsweise den Generator oder zumindest in den Bereich des Elektromotors und/oder des Generators integrieren. Hierdurch wird nochmals Bauraum eingespart und eine eigene Versorgung einer aktiven magnetischen Lagerung beispielsweise mit elektrischer Leistung kann aufgrund der ohnehin vorhandenen elektrischen Anbindung des Elektromotors und/oder Generators eingespart werden.In a further very favorable and advantageous embodiment of the device according to the invention, it can further be provided that this magnetic bearing is integrated in the electric motor and / or the generator. In the area of the electric motor or the generator, there is already a magnetic activity between a revolving rotor and a stationary stator. Here, therefore, corresponding windings and magnets are typically present anyway. Without significant additional expenditure, a magnetic bearing, and in particular also an active magnetic bearing, can thus be ideally integrated into the electric motor or the generator or at least into the region of the electric motor and / or the generator. As a result, space is again saved and own supply of active magnetic storage, for example, with electrical power can be saved due to the already existing electrical connection of the electric motor and / or generator.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der wenigstens eine Generator und der wenigstens eine Elektromotor mit wenigstens einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher verbunden sind. Ein solcher elektrischer Energiespeicher kann beispielsweise als Batterie, Kondensator oder als Kombination hiervon ausgebildet sein. Auch andere elektrische Energiespeicher sind prinzipiell denkbar und möglich. Die Kopplung des Elektromotors und des Generators über den elektrischen Energiespeicher ermöglicht ein Einspeichern der im Bereich der Turbine angefallenen Leistung in Form von elektrischer Energie in dem elektrischen Energiespeicher. Diese Energie kann dann später zeitlich unabhängig von ihrem Anfall für den Betrieb des Verdichters verwendet werden. Der elektrische Energiespeicher kann insbesondere mit weiteren Komponenten des Fahrzeugs verbunden sein, beispielsweise weiteren elektrischen Energieverbrauchern oder auch elektrischen Energieerzeugern, beispielsweise einem Generator zur Rekuperation von Bremsenergie, einer Lichtmaschine oder dergleichen. Durch den elektrischen Energiespeicher, insbesondere wenn dieser in ein elektrisches Gesamtsystem des Fahrzeugs eingebunden ist, kann so immer genügend Energie bereitgestellt werden, um den Verdichter über den Elektromotor in der gewünschten Art und Weise so anzutreiben, dass die beste und energieeffizienteste Leistungsentfaltung des Verbrennungsmotors erzielt werden kann. Gleichzeitig kann die im Abgas enthaltene Energie über die Turbine und den Generator ideal zurückgewonnen und eingespeichert werden. Energiebedarf im Bereich des Verdichters und Energieanfall im Bereich der Turbine können zeitlich entkoppelt werden, da der elektrische Energiespeicher Leistungsspitzen auf beiden Seiten entsprechend ausgleicht und damit für eine sehr hohe Energieeffizienz der Vorrichtung sorgt.In a further very favorable and advantageous embodiment of the invention Device, it is also provided that the at least one generator and the at least one electric motor are connected to at least one common electrical energy storage. Such an electrical energy store can be designed, for example, as a battery, a capacitor or as a combination thereof. Other electrical energy storage are in principle conceivable and possible. The coupling of the electric motor and the generator via the electrical energy store allows storage of the power incurred in the region of the turbine power in the form of electrical energy in the electrical energy storage. This energy can then be used later in time regardless of their attack for the operation of the compressor. The electrical energy storage device may in particular be connected to other components of the vehicle, for example other electrical energy consumers or also electrical energy generators, for example a generator for recuperation of braking energy, an alternator or the like. By the electrical energy storage, in particular if this is integrated into a total electrical system of the vehicle, so enough energy can always be provided to drive the compressor via the electric motor in the desired manner so that the best and most energy-efficient power delivery of the internal combustion engine can be achieved can. At the same time, the energy contained in the exhaust gas can be ideally recovered and stored via the turbine and the generator. Energy demand in the area of the compressor and energy in the area of the turbine can be decoupled in terms of time, since the electrical energy store compensates for power peaks on both sides accordingly and thus ensures a very high energy efficiency of the device.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the remaining dependent subclaims and will be apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 einen Prinzipaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a basic structure of a device according to the invention;

2 eine mögliche Darstellung einer Lagerung am Beispiel einer Turbine der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und 2 a possible representation of a storage using the example of a turbine of the device according to the invention; and

3 eine mögliche Ausführungsform der Anbindung der Turbine an den Generator der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 3 a possible embodiment of the connection of the turbine to the generator of the device according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Aufladen eines Verbrennungsmotors 2 prinzipmäßig dargestellt. Der Verbrennungsmotor 2 erhält seine Ansaugluft über einen Luftfilter 3 und einen als Strömungsverdichter 4 ausgebildeten Verdichter, welcher für die Aufladung sorgt. Dieser Verdichter 4 ist über einen Elektromotor 5 angetrieben. Dieser Elektromotor 5 ist mit einer Steuerungselektronik 6 versehen, welche mit einem Steuergerät 7 des Fahrzeugs beziehungsweise des Verbrennungsmotors 2 korrespondiert. Die elektrische Energie für den Elektromotor 5 stammt aus einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 8, welche mit einem symbolisch angedeuteten Bordnetz 9 des Fahrzeugs mit dem Verbrennungsmotor 2 verbunden ist. Außerdem ist die Energiespeichereinrichtung 8 mit einem Generator 10 verbunden, welcher seinerseits von einer Turbine 11 angetrieben wird. Diese Turbine 11 ist in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 2 angeordnet und nutzt die im heißen Abgas vorhandene Energie. Hierdurch wird der Generator 10 angetrieben. Auch der Generator 10 verfügt über eine eigene Steuerungselektronik 12, welche ebenfalls mit dem Steuergerät 7 in Verbindung steht. Neben dem Generator 10 können weitere energieerzeugende Aggregate, welche hier beispielhaft dargestellt und mit dem Bezugszeichen 13 versehen sind, optional mit dem elektrischen Energiespeicher 8 verbunden sein. Dies kann beispielsweise eine Lichtmaschine oder ein Generator zur Rekuperation von Bremsenergie sein.In the presentation of the 1 is a device 1 for charging an internal combustion engine 2 shown in principle. The internal combustion engine 2 receives its intake air via an air filter 3 and one as a flow compressor 4 trained compressor, which provides for the charge. This compressor 4 is via an electric motor 5 driven. This electric motor 5 is with a control electronics 6 provided, which with a control unit 7 of the vehicle or the internal combustion engine 2 corresponds. The electrical energy for the electric motor 5 comes from an electrical energy storage device 8th , which with a symbolically indicated wiring system 9 of the vehicle with the internal combustion engine 2 connected is. In addition, the energy storage device 8th with a generator 10 connected, which in turn from a turbine 11 is driven. This turbine 11 is in an exhaust stream of the internal combustion engine 2 arranged and uses the energy present in the hot exhaust gas. This will be the generator 10 driven. Also the generator 10 has its own control electronics 12 , which also with the control unit 7 communicates. Next to the generator 10 can further energy-generating aggregates, which are exemplified here and by the reference numeral 13 are provided, optionally with the electrical energy storage 8th be connected. This can be for example an alternator or a generator for recuperation of braking energy.

Die elektrische Energiespeichereinrichtung 8 kann insbesondere als Batterie aufgebaut sein. Ebenso wäre der Aufbau als Kondensator, insbesondere durch eine Verschaltung mehrerer Hochleistungskondensatoren beziehungsweise Superkondensatoren, denkbar. Auch eine Kombination aus Batterie und Kondensator ist möglich. Diese hat den entscheidenden Vorteil, dass Leistungsspitzen zuerst im Kondensator eingespeichert und aus diesem abgegeben werden und nur langsam in die Batterie eingeladen beziehungsweise aus dieser abgegeben werden. Hierdurch wird die Dynamik des elektrischen Energiespeichers erhöht und ein bei hoher Dynamik unweigerlich auftretender Leistungsverlust in dem elektrischen Energiespeicher wird minimiert.The electrical energy storage device 8th can be constructed in particular as a battery. Likewise, the construction as a capacitor, in particular by interconnecting a plurality of high-performance capacitors or supercapacitors, is conceivable. A combination of battery and capacitor is possible. This has the decisive advantage that power peaks are first stored in the capacitor and discharged from it and are only slowly loaded into the battery or discharged from it. As a result, the dynamics of the electrical energy storage is increased and a high dynamic dynamics inevitably occurring loss of power in the electrical energy storage is minimized.

Bei dem hier dargestellten Aufbau sind der Strömungsverdichter 4 mit seinem Elektromotor 5 und die Turbine 11 mit ihrem Generator 10 unabhängig voneinander ansteuerbar. Dies ermöglicht eine ideale Aufladung des Verbrennungsmotors 2, da der Elektromotor 5 und über diesen der Verdichter 4 in Abhängigkeit der Anforderung des Verbrennungsmotors 2 und der Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 2 durch die Steuerungselektronik 6 und das Steuergerät 7 individuell geregelt wird. Unabhängig hiervon wird über die Abgasturbine 11 die maximal mögliche Menge an Energie aus dem Abgas des Verbrennungsmotors 2 zurückgewonnen. Da die zurückgewonnene Energie, anders als bei einem herkömmlichen Turbolader, nicht unmittelbar zum Antrieb des Verdichters benötigt wird, lässt sich sowohl der Verdichter 4 als auch die Turbine 11 hinsichtlich ihrer ureigenen Aufgabe, also hinsichtlich des Verdichtens und des Rückgewinnens von Energie optimieren. Die Verdichtung wird dabei über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors 2 optimiert und die Energieausbeute durch die Energierückgewinnung über die Turbine 11 wird verbessert, insbesondere da die Turbine sich hinsichtlich ihres Designs besser an die jeweiligen Anforderungen anpassen lässt.In the structure shown here are the flow compressor 4 with his electric motor 5 and the turbine 11 with her generator 10 independently controllable. This allows ideal charging of the internal combustion engine 2 because the electric motor 5 and over this the compressor 4 depending on the requirement of the internal combustion engine 2 and the injection of fuel into the internal combustion engine 2 through the control electronics 6 and the controller 7 individually regulated. Regardless of this is about the exhaust gas turbine 11 the maximum possible amount of energy from the exhaust gas of the internal combustion engine 2 recovered. Since the recovered energy, unlike a conventional turbocharger, not directly required to drive the compressor, both the compressor can be 4 as well as the turbine 11 with regard to their very own task, ie with regard to compressing and recovering energy. The compression is over the entire operating range of the internal combustion engine 2 optimized and the energy yield through the energy recovery through the turbine 11 is improved, especially since the turbine can be better adapted to the respective requirements in terms of their design.

Daneben lässt sich über den hier dargestellten Aufbau außerdem der thermische Energieeintrag aus dem Abgas in den Zuluftstrom minimieren, was ebenfalls Vorteile hinsichtlich der Verbrennungen im Verbrennungsmotor 2 hat.In addition, the thermal energy input from the exhaust gas into the supply air flow can also be minimized via the structure shown here, which likewise has advantages with regard to the burns in the internal combustion engine 2 Has.

In der Darstellung der 2 ist am Beispiel der Turbine 11 eine magnetische Lagerung dargestellt. Eine solche magnetische Lagerung kann insbesondere als berührungsfreie Lagerung der Turbine 11 beziehungsweise einer Welle 14 der Turbine 11 realisiert sein. Sie besteht beispielsweise aus einer mit der Welle 14 verbundenen Lagerscheibe 15, welche mit Permanentmagneten 16 versehen ist. Ebenso können Permanentmagneten 17 im Bereich der Welle 14 angeordnet werden. Über entsprechende Magneten 18, 19, welche drehfest um die Welle positioniert sind, lässt sich so die Lagerung realisieren. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind dies zwei mit dem Bezugszeichen 18 versehene Magneten für die axiale Lagerung der Lagerscheibe 15 sowie einen mit dem Bezugszeichen 19 versehener Magneten, welcher mit den Permanentmagneten 17 auf der Welle 14 zusammenwirkt. Eine solche Lagerung hat den Vorteil, dass diese sehr energieeffizient realisiert werden kann. Sie ist außerdem verschleißfrei, da sie berührungslos arbeitet. Zusätzlich kann auf Schmieröl im Bereich der Lagerung verzichtet werden. Somit kann dieses Schmieröl nicht in den Bereich der Turbine 11 und damit in das Abgas gelangen kann. Hierdurch werden Emissionen von verbranntem Schmieröl im Abgas reduziert beziehungsweise beim Einsatz einer entsprechenden Lagerung beim Verdichter 4 ein Verbrennen des Schmieröls in dem Verbrennungsmotor 2 verhindert.In the presentation of the 2 is the example of the turbine 11 shown a magnetic storage. Such a magnetic bearing can in particular be used as non-contact bearing of the turbine 11 or a wave 14 the turbine 11 be realized. It consists for example of one with the shaft 14 connected bearing disc 15 , which with permanent magnets 16 is provided. Likewise, permanent magnets can 17 in the area of the wave 14 to be ordered. About corresponding magnets 18 . 19 , Which are rotatably positioned around the shaft, can be realized as the storage. In the embodiment shown here, these are two with the reference numeral 18 provided magnets for the axial bearing of the bearing disc 15 and one with the reference numeral 19 provided magnet, which with the permanent magnet 17 on the wave 14 interacts. Such storage has the advantage that it can be realized very energy efficient. It is also wear-free because it works without contact. In addition, can be dispensed lubricating oil in the storage area. Thus, this lubricating oil can not reach the area of the turbine 11 and thus can get into the exhaust. As a result, emissions of burnt lubricating oil are reduced in the exhaust gas or when using a corresponding storage at the compressor 4 a burning of the lubricating oil in the internal combustion engine 2 prevented.

Die in 2 beschriebene magnetische Lagerung kann einerseits passiv ausgebildet sein, also mit einer statischen Ansteuerung der äußeren Magneten 18, 19 beziehungsweise ihrer Ausbildung als Permanentmagneten. Ebenso ist es denkbar, die magnetische Lagerung aktiv auszuführen. Dann wären zumindest einer der Magneten im Bereich der Lagerung, insbesondere die mit 18 und 19 bezeichneten Magneten, elektrisch angesteuert. Die Ausbildung als Elektromagneten 18, 19 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die magnetische Lagerung in den Bereich des Generators 10 oder, im Falle der Verwendung bei dem Verdichter 4, in den Bereich des Elektromotors 5 integriert wird, da hier eine Stromversorgung vorhanden ist. In der Darstellung der 2 ist eine solche aktive magnetische Lagerung sehr stark schematisiert angedeutet. Sie besteht im Wesentlichen aus einer elektrischen Anbindung der einzelnen Magnete 18, 19, welche hier über eine Stromversorgungsschiene 20 prinzipmäßig angedeutet ist. Zusätzlich wird die dem jeweiligen Magneten 18, 19 zugeführte elektrische Leistung über jeweils ein mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnetes Steuergerät angesteuert. Dieses Steuergerät 21 nutzt die Daten eines im Bereich der Welle 14 angebrachten Sensors 22, welcher dafür sorgt, dass die elektrischen und damit magnetischen Eigenschaften der Magnete 18, 19 so variiert werden, dass die aktive magnetische Lagerung einer drohenden Schwingung mit einem entsprechenden Aufschwingen der Welle 14 aktiv entgegenwirkt und Schwingungen somit gezielt dämpft beziehungsweise gänzlich eliminiert. Dadurch läuft die Turbine 11 beziehungsweise beim Einsatz im Bereich des Verdichters 4 der Verdichter 4 ruhiger, erzielt eine höhere Energieeffizienz und insbesondere eine höhere Lebensdauer.In the 2 described magnetic bearing can be made passive on the one hand, so with a static control of the outer magnet 18 . 19 or their training as permanent magnets. It is also conceivable to carry out the magnetic storage actively. Then at least one of the magnets in the storage area, especially those with 18 and 19 designated magnet, electrically controlled. The training as electromagnet 18 . 19 is particularly advantageous if the magnetic bearing in the region of the generator 10 or, in the case of use in the compressor 4 , in the area of the electric motor 5 is integrated, since there is a power supply. In the presentation of the 2 is such an active magnetic storage very strongly schematized indicated. It consists essentially of an electrical connection of the individual magnets 18 . 19 , which here over a power supply rail 20 is indicated in principle. In addition, the the respective magnet 18 . 19 supplied electrical power via one each with the reference numeral 21 designated control unit controlled. This controller 21 uses the data one in the area of the wave 14 attached sensor 22 , which ensures that the electrical and thus magnetic properties of the magnets 18 . 19 be varied so that the active magnetic bearing an impending vibration with a corresponding swinging of the shaft 14 Actively counteracts and thus selectively dampens or completely eliminates vibrations. This causes the turbine to run 11 or when used in the area of the compressor 4 the compressor 4 quieter, achieves higher energy efficiency and in particular a longer service life.

Prinzipiell ist es denkbar, die Turbine 11 beziehungsweise den Verdichter 4 unmittelbar mit dem Elektromotor 5 beziehungsweise dem Generator 10 zu koppeln. Elektromotor 5 und Generator 10 müssen dabei den benötigten Drehzahlen entsprechend angepasst aufgebaut sein. Eine alternative Möglichkeit ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Um die typischerweise sehr hohen Drehzahlen der Turbine 11 beziehungsweise des Verdichters 4 zu untersetzen, ist – in der Darstellung der 3 am Beispiel der Turbine 11 – zwischen der Turbine 11 und dem Generator 10 ein Getriebe 23 angeordnet, welches die sehr schnelle Drehzahl der Turbine 11 auf eine entsprechend langsamere und für den Generator 10 besser zu verarbeitende Drehzahl reduziert. Das Getriebe 23 ist hier schematisch als Stirnradgetriebe mit zwei Zahnrädern dargestellt. Selbstverständlich wäre es ebenso denkbar, diese beispielsweise als Planetengetriebe auszubilden und gegebenenfalls baulich in den Generator 10 mit zu integrieren. Dies dient insgesamt dazu, einen kostenoptimierten Generator 10 einsetzen zu können, welcher mit geringerer Drehzahl als die Turbine 11 umläuft. Hierdurch wird der Aufbau des Generators 10 einfacher und die Energieeffizienz bei der Erzeugung von elektrischer Leistung durch den Generator 10 typischerweise gesteigert. Ein vergleichbarer Aufbau ist selbstverständlich auch im Bereich des Verdichters 4 denkbar.In principle, it is conceivable, the turbine 11 or the compressor 4 directly with the electric motor 5 or the generator 10 to pair. electric motor 5 and generator 10 have to be constructed appropriately adapted to the required speeds. An alternative possibility is in the representation of 3 to recognize. To the typically very high speeds of the turbine 11 or the compressor 4 to subordinate is - in the presentation of 3 the example of the turbine 11 - between the turbine 11 and the generator 10 a gearbox 23 arranged, which is the very fast speed of the turbine 11 on a correspondingly slower and for the generator 10 Reduced speed to be processed. The gear 23 is shown schematically as a spur gear with two gears here. Of course, it would also be conceivable to design these, for example, as a planetary gear and possibly structurally in the generator 10 to integrate with. This serves as a whole, a cost-optimized generator 10 to use, which at a lower speed than the turbine 11 circulates. This will be the structure of the generator 10 simpler and more energy efficient in generating electrical power by the generator 10 typically increased. A comparable structure is of course also in the area of the compressor 4 conceivable.

Claims

Contraption ( 1 ) for charging an internal combustion engine ( 2 ), With 1.1 at least one compressor ( 4 ) for compressing the internal combustion engine ( 2 ) supplied air, 1.2 at least one electric motor ( 5 ) for driving the compressor ( 4 ), and 1.3 at least one turbine ( 11 ), which in an exhaust gas flow from the internal combustion engine ( 2 ) and can be driven by this exhaust gas flow, characterized in that 1.4 the at least one turbine ( 11 ) at least one, independently of the electric motor generator ( 10 ) drives at least indirectly.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the at least one compressor ( 4 ) and the at least one electric motor ( 5 ) separated from the axis of rotation of the at least one turbine ( 11 ) and the at least one generator ( 10 ) is trained.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that between the at least one turbine ( 11 ) and the at least one generator ( 10 ) and / or between the at least one compressor ( 4 ) and the at least one electric motor ( 5 ) a gearbox ( 23 ) is arranged.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the turbine ( 11 ) and / or the compressor ( 4 ) are formed in several stages.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the turbines ( 11 ) and / or at least one of the compressors ( 4 ) is stored oil-free.

Contraption ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the oil-free bearing is designed as a magnetic bearing.

Contraption ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the magnetic bearing is designed as an active magnetic bearing, which is actively changeable in their magnetic properties.

Contraption ( 1 ) according to claim 6 or 7, characterized in that the magnetic bearing in the at least one electric motor ( 5 ) and / or the at least one generator ( 10 ) is integrated.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the at least one generator ( 10 ) and the at least one electric motor ( 5 ) with at least one common electrical energy store ( 8th ) are connected.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the at least one generator ( 10 ) and the at least one electric motor ( 5 ) are electrically driven independently.