DE202015103035U1

DE202015103035U1 - Brennkraftmaschine mit elektrisch antreibbarem Abgasturbolader

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Publication number: DE202015103035U1
Application number: DE202015103035.5U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2025-06-12

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft zu dem mindestens einen Zylinder, – einem Abgasabführsystem (3) zum Abführen von Abgas aus dem mindestens einen Zylinder, und – mindestens einem Abgasturbolader (4), der ein Gehäuse (4d), eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete Turbine (4a) mit mindestens einem auf einer drehbaren Welle (4c) gelagerten Turbinenlaufrad und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (4b) mit mindestens einem auf der drehbaren Welle (4c) gelagerten Verdichterlaufrad (5) umfasst, wobei ein elektrischer Hilfsantrieb (9) vorgesehen ist, der einen Stator (9a) und einen Rotor (9b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – der Rotor (9b) des elektrischen Hilfsantriebs (9) ein auf der Welle (4c) des Abgasturboladers (4) angeordnetes und gelagertes Rad (10b) umfasst, wobei dieses Rad (10b) ein in eine Drehrichtung freilaufendes Rad (10b) ist, welches freiläuft, wenn die Drehzahl nshaft der Welle (4c) des Abgasturboladers (4) größer ist als die Drehzahl nwheel des Rades (10b).

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu dem mindestens einen Zylinder,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas aus dem mindestens einen Zylinder, und
– mindestens einem Abgasturbolader, der ein Gehäuse, eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine mit mindestens einem auf einer drehbaren Welle gelagerten Turbinenlaufrad und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter mit mindestens einem auf der drehbaren Welle gelagerten Verdichterlaufrad umfasst, wobei ein elektrischer Hilfsantrieb vorgesehen ist, der einen Stator und einen Rotor umfasst.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Vorliegend wird für die Aufladung mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil des Abgasturboladers gegenüber einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader in der Regel den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle. Das gilt im Besonderen für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
Bei der Abgasturboaufladung bereitet es nämlich häufig Schwierigkeiten, einen ausreichend hohen Ladedruck auch bei niedrigen Drehzahlen bereitzustellen. Bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl wird ein Drehmomentabfall beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet die Abgasmenge eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist. Zudem wird das abgeblasene Abgas nach dem Stand der Technik ohne weitere Verwendung an der Turbine vorbei geführt, ohne dass die im heißen Abgas verfügbare Energie genutzt wird.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
Zusammenfassend muss hinsichtlich der Aufladung von Brennkraftmaschinen festgestellt werden, dass eine Verbesserung der Drehmomentcharakteristik insbesondere bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleinen Abgasmengen von Bedeutung ist, wobei der Einsatz ausschließlich elektrisch angetriebener Lader nicht zielführend sein kann, da die hierfür erforderliche elektrische Leistung bzw. Energie an Bord eines Kraftfahrzeuges nicht zur Verfügung steht.
Ein elektrischer Antrieb kann im Zusammenhang mit der Aufladung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges immer nur ein elektrischer Hilfsantrieb sein, der im Bedarfsfall zur Unterstützung aktiviert und betrieben wird.
Auch die Abgasturboaufladung der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist mit einem elektrischen Hilfsantrieb ausgestattet, der einen Stator und einen Rotor umfasst.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 100 50 161 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine der genannten Art, deren Abgasturboaufladung mit einem elektrischen Hilfsantrieb ausgestattet ist. Der Hilfsantrieb wird dabei entweder durch Verschieben des Rotors aktiviert, wobei der Rotor durch das Verschieben drehfest mit dem Verdichterlaufrad gekoppelt wird, oder aber ein vom eigentlichen Verdichterlaufrad unabhängiger Rotor, der drehfest mit einem stromaufwärts angeordneten Vorläuferrad verbunden ist, treibt nicht den Abgasturbolader als solchen an, sondern vielmehr das Vorläuferrad, welches zur Ladeluftförderung bei niedrigen Drehzahlen beiträgt. Im erstgenannten Fall ist eine komplexe Verschiebemechanik und eine Kupplung bzw. Kopplung vorzusehen.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Aktivierung des elektrischen Hilfsantriebs der Abgasturboaufladung vereinfacht und damit verbessert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu dem mindestens einen Zylinder,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas aus dem mindestens einen Zylinder, und
– mindestens einem Abgasturbolader, der ein Gehäuse, eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine mit mindestens einem auf einer drehbaren Welle gelagerten Turbinenlaufrad und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter mit mindestens einem auf der drehbaren Welle gelagerten Verdichterlaufrad umfasst, wobei ein elektrischer Hilfsantrieb vorgesehen ist, der einen Stator und einen Rotor umfasst,

– der Rotor des elektrischen Hilfsantriebs ein auf der Welle des Abgasturboladers angeordnetes und gelagertes Rad umfasst, wobei dieses Rad ein in eine Drehrichtung freilaufendes Rad ist, welches freiläuft, wenn die Drehzahl n_shaft der Welle des Abgasturboladers größer ist als die Drehzahl n_wheel des Rades.

Der Rotor des elektrischen Hilfsantriebes ist erfindungsgemäß über eine sogenannte Freilaufkupplung auf der Welle des Abgasturboladers gelagert, so dass der Rotor in eine Drehrichtung freiläuft und in die andere Drehrichtung kraftschlüssig mit der Welle des Abgasturboladers verbunden ist, d. h. die Welle mitnimmt und umlaufen lässt.
Der Rotor kann frei umlaufen, wenn die Drehzahl n_shaft der Welle des Abgasturboladers größer ist als die Drehzahl n_wheel des Rotors.
Entweder wird die Welle des Abgasturboladers von der Turbine des Abgasturboladers angetrieben, nämlich wenn genügend Abgas die Turbine durchströmt und die Turbine die Verdichterarbeit leisten kann. Dann ist die Drehzahl n_shaft der Welle des Abgasturboladers größer als die Drehzahl n_wheel des Rotors und der Rotor läuft frei um. Die Welle dreht dabei unter dem Rotor frei hindurch. Etwaige Bremsmomente bzw. Rastmomente des dann vorzugsweise deaktivierten Hilfsantriebs sind unschädlich und ohne Einfluss. Dieser Betrieb bzw. Antrieb der Abgasturboladung bei Verzicht auf den elektrischen Hilfsantrieb wird bevorzugt und angestrebt.
Oder aber die Welle des Abgasturboladers wird vom Rotor des elektrischen Hilfsantriebes angetrieben, nämlich wenn nicht genügend Abgas die Turbine durchströmt und die Turbine die Verdichterarbeit nicht mehr leisten kann. Dies ist in der Regel bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleinen Abgasmengen zu erwarten. Dann ist der Rotor kraftschlüssig mit der Welle des Abgasturboladers verbunden, nimmt die Welle mit und lässt diese mit der Drehzahl n_shaft = n_wheel umlaufen. Der elektrische Hilfsantrieb übernimmt vorliegend den Antrieb des Abgasturboladers. Dies ist vorzugsweise bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleinen Abgasmengen der Fall.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst folglich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Aktivierung des elektrischen Hilfsantriebs der Abgasturboaufladung vereinfacht und damit verbessert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen nur ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Die motornahe Anordnung der Turbine des einzigen Abgasturboladers ist problemlos möglich, weshalb sich die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen lässt und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers gewährleistet werden kann. Der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich durch eine motornahe Anordnung und auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge des Teilstückes des Abgasabführsystems bis hin zur Turbine.
Die Verwendung eines einzelnen Abgasturboladers anstelle mehrerer Turbolader ist hinsichtlich der Reibleistung und des Gesamtwirkungsgrades der Brennkraftmaschine vorteilhafter, weshalb die vorstehende Ausführungsform der Brennkraftmaschine Vorteile im Wirkungsgrad aufweist. Zudem entfällt ein Umschalten zwischen mehreren Abgasturboladern bzw. ein Zuschalten eines Abgasturboladers. Auch dies erweist sich als vorteilhaft hinsichtlich der Drehmomentcharakteristik und verhindert insbesondere einen kurzzeitigen Drehmomenteinbruch.
Die motornahe Anordnung der Turbine des einzigen Abgasturboladers gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.
Dadurch, dass es sich erfindungsgemäß um einen Abgasturbolader handelt, der mit einem elektrischen Hilfsantrieb ausgestattet ist, welcher den Antrieb des Abgasturboladers bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleinen Abgasmengen übernehmen kann, besteht die Möglichkeit, den Abgasturbolader bzw. die zugehörige Turbine auf große bzw. die maximal zu erwartenden Abgasmengen auszulegen und entsprechend zu dimensionieren. Dann kann gegebenenfalls turbinenseitig auf eine Bypassleitung verzichtet werden und sowohl bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleinen Abgasmengen als auch bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen eine zufriedenstellende Drehmomentcharakteristik und ein verbessertes Aufladeverhalten gewährleistet werden.
Bei Verwendung mehrerer Abgasturbolader, beispielsweise einer zweistufigen Aufladung, bereitet die motornahe Anordnung aller Turbinen prinzipbedingt größere Probleme.
Vorteilhaft können nichtsdestotrotz auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst. Die Vorteile, die sich aus der Verwendung mehrerer Abgasturbolader ergeben, wurden bereits erörtert. Auf die entsprechenden Ausführungen wird vorliegend Bezug genommen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des Abgasturboladers keine Bypassleitung aufweist.
Dann wird kein Abgas mehr im Rahmen der Abgasabblasung ungenutzt an der Turbine vorbei geführt. Dadurch verbessert sich nicht nur der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Die fehlende Bypassleitung gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Die variable Turbinengeometrie gestattet eine weitgehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes. Dabei sind stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Verfügt die Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der zur Turbine des mindestens einen Abgasturboladers gehörende Verdichter eine variable Verdichtergeometrie aufweist.
Insbesondere wenn nur eine geringe Abgasmenge durch die Turbine geleitet wird, erweist sich eine variable Verdichtergeometrie als vorteilhaft, da die Pumpgrenze des Verdichters durch Verstellen der Leitschaufeln im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters jenseits der Pumpgrenze vermieden wird.
Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie daher auch, wenn der elektrische Hilfsantrieb den Antrieb des Abgasturboladers bei niedrigen Drehzahlen bzw. geringen Abgasmengen übernimmt.
Verfügt die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers über eine variable Turbinengeometrie kann die variable Verdichtergeometrie auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abgestimmt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist. Die elektrische Energie wird benötigt, um den elektrischen Hilfsantrieb zu versorgen und anzutreiben.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist, wobei dieser Radialverdichter einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Abgasturboladers verläuft und ausgebildet ist.
Ein Radialverdichter ist ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente.
Der koaxial zur Welle des Abgasturboladers verlaufende und ausgebildete Eintrittsbereich sorgt für eine im Wesentlichen axiale Anströmung der Laufschaufeln des Verdichters. Im Wesentlichen axial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Hilfsantrieb im Eintrittsbereich des Radialverdichters angeordnet ist. Dann ist der Hilfsantrieb verdichterseitig und damit beabstandet zur abgasbeaufschlagten Turbine angeordnet, wodurch ein gewisser Schutz vor thermischer Überlastung gegeben ist.
Gegebenenfalls kann dann das entsprechend geformte Rad des Rotors die Ladeluft ähnlich einem Axialverdichter bzw. einem Axialgebläse in Richtung des Radialverdichters fördern.
Die Ladeluft muss nach Durchströmen des Rades nicht umgelenkt werden, um dem Radialverdichter zugeführt zu werden. Unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung werden vermieden und die gegebenenfalls vorkomprimierte Ladeluft kann im Radialverdichter weiter komprimiert werden. Der Wirkungsgrad und das Ladedruckverhältnis der Verdichtung werden gesteigert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt. Bei einer Radialturbine erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln im Wesentlichen radial.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Stator zumindest auch im Gehäuse angeordnet und gehäusefest gelagert ist. Das Gehäuse des mindestens einen Abgasturboladers kann modular aufgebaut, d. h. mehrteilig sein und umfasst neben dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse auch das Verdichtergehäuse.
Der elektrische Hilfsantrieb als Elektromotor umfasst einen Stator und einen Rotor. So kann ein Elektromotor, d. h. ein elektrischer Antrieb, ausgebildet werden mit einem drehfähigen Rotor und einem gehäusefest angeordneten Stator, der den vorzugsweise aus einem magnetischen Material gefertigten radförmig ausgebildeten Rotor umfänglich umgreift. Bei einer Bestromung des Stators, vorzugsweise einer Spule, wird eine den Rotor drehende elektromagnetische Kraft erzeugt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Stator eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Rotor mindestens einen Dauermagneten zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Dauermagnet auf einer radial außenliegenden Kante des Rades des Rotors angeordnet ist und damit in der Nähe des Stators bzw. der bestrombaren Spule.
Vorteilhaft können grundsätzlich auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Rotor eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform, gemäß der der Rotor mindestens einen Dauermagneten umfasst, erfordert eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes eine getaktete Stromzuführung zu der rotierenden Spule des Rotors, welche eine Stromumkehr und damit Bürsten erfordert. Diese Art eines Elektromotors ist komplexer und weist einen höheren Raumbedarf auf, weshalb sie für die vorliegende Anwendung mit wenig Bauraum eher ungeeignet ist, aber dennoch grundsätzlich möglich.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Stator mindestens einen Dauermagneten zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst. Dann muss der Rotor aber eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfassen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das auf der Welle des Abgasturboladers angeordnete und gelagerte Rad des Rotors als Speichenrad ausgebildet ist. Dann bietet das Rad der Ladeluftströmung nur einen geringen Widerstand.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art wird der elektrische Hilfsantrieb aktiviert, um die Welle in Drehung zu versetzen und den Verdichter anzutreiben.
Vorteilhaft ist es, den elektrischen Hilfsantrieb zu aktivieren, falls die Drehzahl n_shaft der Welle des Abgasturboladers eine vorgebbare Drehzahl n_down,1 unterschreitet. Die Drehzahl n_shaft der Laderwelle kann beispielsweise mittels Sensor messtechnisch erfasst werden. Eine zu niedrige Drehzahl n_shaft des Abgasturboladers kann als Indiz dafür gewertet werden, dass die Turbine die Verdichterarbeit nicht mehr leisten kann und der elektrische Hilfsantrieb erforderlich ist, um den Verdichter anzutreiben.
Vorteilhaft ist es auch, den elektrischen Hilfsantrieb zu aktivieren, falls die Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_down,2 unterschreitet. In der Regel induziert eine niedrige Motordrehzahl eine geringe Abgasmenge, die wiederum zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis führt. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentverlust.
Vorteilhaft kann es ebenfalls sein, den elektrischen Hilfsantrieb zu aktivieren, falls die Abgasmenge der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Abgasmenge unterschreitet. Es gilt das im Zusammenhang mit der Motordrehzahl vorstehend Gesagte.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch und fragmentarisch die Aufladung einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, in der Seitenansicht und teilweise im Halbschnitt, und
1b schematisch und fragmentarisch die in 1a dargestellte Aufladung in einer um 90° gedrehten Seitenansicht, senkrecht zur Laderwelle.
1a zeigt schematisch und fragmentarisch den Abgasturbolader 4 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, in der Seitenansicht und teilweise im Halbschnitt.
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 2. Zum Abführen der Abgase aus den Zylindern ist ein Abgasabführsystem 3 vorgesehen. Zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader 4 vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem 3 angeordnete Turbine 4a mit einem auf einer drehbaren Welle 4c gelagerten Turbinenlaufrad und einen im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 4b mit einem auf der drehbaren Welle 4c gelagerten Verdichterlaufrad 5 umfasst. Der Verdichter 4b ist ein Radialverdichter 4b und verfügt über ein Verdichtergehäuse 6, das zum Gehäuse 4d des Abgasturboladers 4 gehört und in dem das Verdichterlaufrad 5 angeordnet ist.
Der Radialverdichter 4b weist einen Eintrittsbereich 7 auf, der koaxial zur Welle 4c des Abgasturboladers 4 verläuft und ausgebildet ist, und einen Austrittsbereich 8, via dem die komprimierte Ladeluft im Wesentlichen radial abgeführt wird.
Zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik ist stromaufwärts des Verdichterlaufrades 5 im Eintrittsbereich 7 des Radialverdichters 4b ein elektrischer Hilfsantrieb 9 angeordnet, der im Bedarfsfall zugeschaltet, d. h. aktiviert werden kann.
Der elektrische Hilfsantrieb 9, d. h. der Elektromotor, umfasst einen Stator 9a und einen Rotor 9b. Der Rotor 9b des elektrischen Hilfsantriebs 9 umfasst ein auf der Welle 4c des Abgasturboladers 4 angeordnetes und mittels Freilaufkupplung 1 gelagertes Rad 10b, das ein in eine Drehrichtung freilaufendes Speichenrad 10b ist, welches freiläuft, wenn die Drehzahl n_shaft der Welle 4c des Abgasturboladers 4 größer ist als die Drehzahl n_wheel des Rades 10b. Der Stator 9a ist im Verdichtergehäuse 4d befestigt angeordnet, d. h. gehäusefest, und umgreift den Rotor 9b umfänglich.
Der Rotor 9b verfügt über mehrere Dauermagneten 11, die auf radial außenliegenden Kanten des Speichenrades 10b angeordnet sind. Bei einer Bestromung des Stators 9a, einer Spule 10a, wird eine den Rotor 9b drehende elektromagnetische Kraft erzeugt.
1b zeigt schematisch und fragmentarisch die in 1a dargestellte Aufladung in einer um 90° gedrehten Seitenansicht, senkrecht zur Laderwelle 4c. Es soll nur ergänzend zu 1a ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
In 1b ist anschaulich dargestellt, dass das Rad 10b des Rotors 9b als Speichenrad 10b ausgebildet ist, auf dessen radial außenliegenden Kanten mehrere Dauermagneten 11 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Freilaufkupplung
2: Ansaugsystem
3: Abgasabführsystem
4: Abgasturbolader
4a: Turbine des Abgasturboladers
4b: Verdichter des Abgasturboladers, Radialverdichter
4c: Welle des Abgasturboladers
4d: Gehäuse des Abgasturboladers
5: Verdichterlaufrad
6: Verdichtergehäuse
7: Eintrittsbereich des Verdichters
8: Austrittsbereich des Verdichters
9: elektrischer Hilfsantrieb
9a: Stator
9b: Rotor
10a: bestrombare Spule
10b: Rad, Speichenrad
11: Dauermagnet
n_shaft: Drehzahl der Welle des Abgasturboladers
n_wheel: Drehzahl des Rotors bzw. Rades

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10050161 A1 [0018]

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft zu dem mindestens einen Zylinder, – einem Abgasabführsystem (3) zum Abführen von Abgas aus dem mindestens einen Zylinder, und – mindestens einem Abgasturbolader (4), der ein Gehäuse (4d), eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete Turbine (4a) mit mindestens einem auf einer drehbaren Welle (4c) gelagerten Turbinenlaufrad und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (4b) mit mindestens einem auf der drehbaren Welle (4c) gelagerten Verdichterlaufrad (5) umfasst, wobei ein elektrischer Hilfsantrieb (9) vorgesehen ist, der einen Stator (9a) und einen Rotor (9b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – der Rotor (9b) des elektrischen Hilfsantriebs (9) ein auf der Welle (4c) des Abgasturboladers (4) angeordnetes und gelagertes Rad (10b) umfasst, wobei dieses Rad (10b) ein in eine Drehrichtung freilaufendes Rad (10b) ist, welches freiläuft, wenn die Drehzahl n_shaft der Welle (4c) des Abgasturboladers (4) größer ist als die Drehzahl n_wheel des Rades (10b).
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Abgasturbolader (4) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete Turbine (4a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (4b) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abgasturbolader (4) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader (4) eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete Turbine (4a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (4b) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) keine Bypassleitung aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Turbine (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) gehörende Verdichter (4b) eine variable Verdichtergeometrie aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4b) des mindestens einen Abgasturboladers (4) ein Radialverdichter (4b) ist, wobei dieser Radialverdichter (4b) einen Eintrittsbereich (7) aufweist, der koaxial zur Welle (4c) des Abgasturboladers (4) verläuft und ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Hilfsantrieb (9) im Eintrittsbereich (7) des Radialverdichters (4b) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (9a) zumindest auch im Gehäuse (4d) angeordnet und gehäusefest gelagert ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (9a) eine bestrombare Spule (10a) zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (9b) mindestens einen Dauermagneten (11) zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dauermagnet (11) auf einer radial außenliegenden Kante des Rades (10b) des Rotors (9b) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Welle (4c) des Abgasturboladers (4) angeordnete und gelagerte Rad (10b) des Rotors (9b) als Speichenrad (10b) ausgebildet ist.