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WO2012113425A1 - Abgasturboladeranordnung - Google Patents

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Publication number
WO2012113425A1
WO2012113425A1 PCT/EP2011/006097 EP2011006097W WO2012113425A1 WO 2012113425 A1 WO2012113425 A1 WO 2012113425A1 EP 2011006097 W EP2011006097 W EP 2011006097W WO 2012113425 A1 WO2012113425 A1 WO 2012113425A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
turbine
exhaust gas
internal combustion
combustion engine
generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/006097
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Sumser
Manfred Stute
Paul Löffler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of WO2012113425A1 publication Critical patent/WO2012113425A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/005—Exhaust driven pumps being combined with an exhaust driven auxiliary apparatus, e.g. a ventilator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/007—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in parallel, e.g. at least one pump supplying alternatively
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a turbine for an exhaust gas turbocharger
  • Exhaust gas turbocharger and a power turbine with an acted upon by the high-pressure exhaust gases of the engine high-pressure turbine, which with a
  • High-pressure compressor is in drive connection, with a high-pressure turbine in series downstream low-pressure turbine, which is conductively connected via a low-pressure exhaust gas line to the high-pressure turbine and with a high-pressure compressor via a low-pressure charge air line in series upstream low-pressure compressor in
  • DE 10 2009 013 040 A1 discloses an internal combustion engine for a motor vehicle having at least one first exhaust gas turbocharger, which has at least one first turbine and a first compressor, with at least one second exhaust gas turbocharger having at least one second turbine and at least one second compressor, wherein the first and second turbine in an exhaust line of the internal combustion engine with respect to an exhaust gas mass flow are arranged parallel to each other, wherein the first and the second compressor in a fresh air train of the internal combustion engine with respect to a fresh air mass flow are arranged parallel to each other, wherein at least one valve device is arranged and formed in the exhaust line such that this in Dependence on an operating state of the internal combustion engine
  • Exhaust gas mass flow through the second turbine selectively reduced and / or interrupts and at the same time allows the exhaust gas mass flow through the first turbine unrestricted, so that essentially only the first exhaust gas turbocharger generates a boost pressure. It is at the second exhaust gas turbocharger in addition to the second turbine
  • Fuel consumption of the internal combustion engine is enabled. It is another object of the present invention to provide a motor vehicle with an internal combustion engine and a method for operating such a motor vehicle, in which the internal combustion engine has a reduced fuel consumption.
  • Patent claim 5 and by a method for operating such a motor vehicle according to claim 10.
  • Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
  • the first aspect of the invention relates to a turbine for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine.
  • the turbine comprises a turbine housing, in which a rotatable about an axis of rotation and with exhaust gas of the internal combustion engine
  • the turbine further comprises a bypass device, which has at least one bypass channel, via which the turbine wheel is to bypass exhaust gas.
  • By-pass device is associated with a further turbine, which can be driven by the turbine wheel via the bypass device immediate exhaust gas.
  • At least one adjusting device is associated with the further turbine, by means of which flow conditions of the further turbine for the exhaust gas are variably adjustable.
  • flow conditions of the further turbine for the exhaust gas are variably adjustable.
  • Internal combustion engine to be provided with relatively small flow cross-sections, via which a turbine wheel of the turbine of exhaust gas of the internal combustion engine is flown and / or via which the turbine wheel is discharged from the exhaust gas. This is the case in particular to meet requirements with regard to an agile driving behavior as well as with regard to required and stationary as well as high torques. It is starting from low speeds and / or loads towards higher
  • bypass device in which at least one bypass channel of the bypass device is at least partially fluidly releasable in certain operating points, so that the turbine can be flowed through by a particularly high amount of exhaust gas.
  • the exhaust gas flowing through the bypass channel bypasses the turbine wheel without acting on it and driving it.
  • By-pass means thus represents a blow-off device of the turbine, by means of which the throughput spread of the turbine according to the invention can be designed to be particularly large and which can be adjusted as required
  • the turbine preferably has a variable turbine geometry, by means of which flow conditions of the turbine for the turbine
  • Turbine geometry in particular along the entire full load line of the map is not sufficient, since the turbine or its turbine wheel a limited
  • bypass device serves to Exergievernichtung.
  • the bypass device is assigned the further turbine, by means of which the energy contained in the exhaust gas flowing through the at least one bypass channel can be recuperated and converted into mechanical energy by means of the further turbine.
  • the adjusting device assigned to the further turbine can have an adjustable
  • the flap in particular be flap pivotable about a pivot axis, by means of which, for example, a narrowest flow cross-section of the other turbine is variably adjustable.
  • the flap is adjustable or movable, for example, between a first and at least one second position. In the first position, the narrowest flow cross section defined by the flap, over which the exhaust gas driving the further turbine flows, has a first cross-sectional value. In the second position, the narrowest flow cross-section has a second cross-sectional value, which is lower than the first flow cross-section.
  • the narrowest flow cross-section can be variably adjusted.
  • the further turbine has a variable
  • Turbine geometry as having its associated adjusting device, by means of which flow conditions of the further turbine for the further turbine driving exhaust gas are variably adjustable. Due to the variable turbine geometry of the further turbine, this can have a particularly high throughput spread and its throughput parameter can be adjusted variably in a particularly wide range of the characteristic map, in particular almost the entire characteristic map of the internal combustion engine, and sent to the operation of the engine
  • a quantity of the exhaust gas bypassing the turbine wheel of the turbine and thus flowing through the bypass duct can be variably adjusted by means of the adjusting device assigned to the further turbine, in particular by means of the variable turbine geometry of the further turbine.
  • the further turbine thus acts as a valve device for adjusting the amount of exhaust gas bypassing the turbine wheel of the turbine by means of its adjusting device or variable turbine geometry.
  • An additional valve device for adjusting this amount is not provided and not needed, what the number of parts, the cost, the weight and the space requirement of
  • the number of parts has the advantage that the turbine according to the invention has a particularly high functional reliability and also over a long service life and at high loads. These loads are
  • the bypass channel by means of the adjusting device, in particular the variable
  • the further turbine advantageously at least substantially completely fluidically closed in the presence of small leaks, so that no exhaust gas can bypass the turbine wheel of the turbine and at least in
  • Turbine geometry of the other turbine to represent particularly large amounts of the turbine wheel of the turbine immediate exhaust gas.
  • These positions of the variable turbine geometry are, for example, end positions in one
  • Adjustment of the variable turbine geometry of the other turbine within which the variable turbine geometry is preferably continuously, in particular continuously variable, adjustable by the amount of the turbine wheel of the turbine bypassing the exhaust gas adjustable and adjusted as needed and adapted to different operating points of the internal combustion engine.
  • a graded setting is also possible.
  • the turbine is assigned to a generator drivable by the further turbine for the conversion of mechanical energy into electrical energy.
  • the further turbine includes, for example
  • Turbine housing in which a turbine wheel of the further turbine is rotatably received about an axis of rotation.
  • the turbine wheel is, for example, rotatably coupled to a shaft of the generator and acted upon by the turbine wheel of the turbine immediate exhaust gas and thus drivable.
  • the energy contained in the exhaust gas bypassing the turbine wheel of the turbine can first be converted into mechanical energy and finally into electrical energy.
  • the energy contained in the exhaust gas bypassing the turbine wheel of the turbine can also be recuperated and utilized if the turbine wheel of the turbine is bypassed by exhaust gas, which is referred to as blowing off.
  • the energy contained in the turbine wheel of the turbine exhaust gas can thus be recuperated during blowing.
  • the adjusting device or the variable turbine geometry of the further turbine has the advantage that thereby the further turbine to a plurality of different volume flows or mass flows of the turbine wheel of the turbine bypassing exhaust gas is adaptable, so that by means of the further turbine and by means of the generator In the exhaust gas contained energy can be converted efficiently and low-loss into electrical energy.
  • the generator is associated, for example, an electrical load to which the electrical energy obtained by means of the generator can be supplied to operate the consumer with electrical energy, in particular electrical current. It can be provided that the electrical energy to the consumer at least in
  • Storage device for example, in a battery, is supplied.
  • the electrical energy obtained by means of the generator can be used directly and efficiently to operate the electrical load.
  • the generator associated with the electrical load as a starter generator for starting the
  • the starter-generator is rotatably connected or coupled, for example via a coupling device, for example, with a crankshaft of the engine designed as a reciprocating engine, so that the crankshaft of the starter generator is driven to start the internal combustion engine, in at least one combustion chamber, in particular in a cylinder , the internal combustion engine, combustion processes can run and the internal combustion engine can be operated without the intervention of the starter-generator. This is called starting the internal combustion engine.
  • the starter-generator can also with a different output shaft than the other
  • Internal combustion engine trained internal combustion engine rotatably connected or be coupled to start the internal combustion engine.
  • starter-generator As a result of this rotationally fixed connection or connectivity of the starter-generator with the crankshaft, it is also possible to use the starter-generator as a generator, in particular in suitable operating points of the internal combustion engine to convert mechanical energy of the crankshaft into electrical energy.
  • Internal combustion engine are additionally loaded by the starter-generator, so that the internal combustion engine is then operated at an operating point with higher load, in which the internal combustion engine a better, i.
  • This load of the internal combustion engine additionally by means of the starter-generator load is then used to gain electrical energy by means of the starter-generator and this electrical energy can then, for example, in a suitable storage unit, in particular stored in a battery, in particular cached, and / / or at least in the
  • the generator associated with the further turbine is thermally insulated and / or can be cooled by means of a cooling medium, in particular a cooling liquid.
  • a cooling medium in particular a cooling liquid.
  • the generator is associated, for example, a cooling device, which has a cooling circuit with the cooling medium, in particular with the cooling liquid.
  • the cooling device comprises, for example, at least one heat exchanger, which can be flowed through by the cooling medium and by means of which the cooling medium itself can be cooled as a result of a corresponding heat transfer, in order subsequently to be able to cool the generator again efficiently.
  • the generator is to be cooled by means of the cooling medium as a result of heat transfer from the generator via walls thereof, for example, a housing of the generator to the cooling medium.
  • the generator is at least partially flowed through by the cooling medium.
  • the housing comprises, for example, at least one cooling channel through which the cooling medium can flow.
  • Heat exchanger flows through and / or around. After that the so cooled flows
  • the further cooling medium flows around the heat exchanger, for example, as a result of driving a motor vehicle, especially a passenger car, with the
  • the heat exchanger is to be arranged at suitable locations and / or suitable guide means are provided to supply the heat exchanger with the air, in particular the airstream.
  • the cooling device comprises at least one fan device, for example with an electric motor and with a fan driven by the electric motor, by means of which the heat exchanger is to be acted upon and supplied with the further cooling medium in the form of air.
  • the cooling medium and thus the generator can be cooled particularly efficiently, so that by means of the generator, the mechanical energy is particularly efficient to convert into electrical energy.
  • the electrical energy obtained by means of the generator in a suitable memory device for example in a battery or the like, stored, in particular cached, is. This makes it possible to use the electrical energy as needed and to use and in case of need of the
  • Turbine wheel of the other turbine arranged a swirl device, by means of which the exhaust gas bypassing the turbine of the turbine and the turbine of the other turbine flowing on the exhaust gas with a preferential movement, in particular a swirling motion is to be provided.
  • a swirl device is, for example, a swirl grating by means of which the preferential movement is to be imparted to the exhaust gas.
  • the other turbine is particularly efficient operable.
  • the amount of the turbine wheel bypassing the turbine exhaust gas is adjustable.
  • it acts Swirl device as the valve means for adjusting the amount of the turbine wheel of the turbine bypassing the exhaust gas, wherein the bypass channel, for example, at least substantially completely fluidly blocked and at least
  • variable turbine geometry of the further turbine is represented, for example, such that the turbine wheel of the further turbine comprises a hub body with at least one impeller blade held on the hub body, which is adjustable relative to the hub body, in particular rotatable about an axis of rotation.
  • the turbine wheel of the further turbine comprises a plurality of impeller blades, which are held on the hub body and movable relative to this, in particular rotatable about an axis of rotation rotatable. So the further turbine can be particularly flexible and
  • variable turbine geometry of the further turbine is represented by a so-called axial slide.
  • the further turbine includes
  • an upstream of the turbine wheel arranged Leitgitter by means of which the turbine wheel of the other turbine driving exhaust gas can be directed in a certain direction before it flows streamlined to the turbine wheel.
  • a movable in the axial direction of the turbine wheel, in particular displaceable, cover is provided by means of which the guide grid is at least partially coverable, said cover of the guide grid is adjustable by the cover by a movement of the cover in the axial direction.
  • a flow cross-section upstream of the turbine wheel can be variably adjusted, ie, released fluidically or, in contrast, fluidly blocked.
  • the throughput parameter of the further turbine is variably adjustable and at different operating points of the internal combustion engine customizable.
  • Other embodiments of the variable turbine geometry of the further turbine are additionally or alternatively possible.
  • the exhaust gas flowing through the turbine and the further turbine has particularly high temperatures.
  • the variable turbine geometry is to be adapted to these high exhaust gas temperatures in order to ensure a functionality of the variable turbine geometry and thus of the entire further turbine over a long service life and to be able to variably set the amount of exhaust gas bypassing the turbine wheel over this long service life ,
  • the turbine wheel of the further turbine is preferably formed at least substantially from a ceramic such as Si 3 N, for example.
  • a ceramic such as Si 3 N, for example.
  • Turbine geometry for example, the swirl device and / or the swirl grid and / or the guide grid and / or the cover and / or housing parts of the turbine and the other turbine at least substantially formed of ceramic.
  • the second aspect of the invention relates to a motor vehicle with an internal combustion engine, which has an exhaust tract in which a first turbine is arranged with a turbine wheel of an exhaust gas turbocharger that can be rotated about an axis of rotation and can be driven by exhaust gas of the internal combustion engine.
  • a bypass device is provided, which has at least one bypass channel over which the turbine wheel is to bypass exhaust gas. This means that exhaust gas of the internal combustion engine can at least partially flow through the bypass channel, whereby the turbine wheel is not acted upon by the exhaust gas flowing through the bypass channel and thus is not driven by this exhaust gas.
  • the bypass device is associated with a second turbine, which can be driven by the turbine wheel via the bypass device immediate exhaust gas.
  • a generator drivable by the second turbine is provided, by means of which mechanical energy can be converted into electrical energy.
  • the turbines are each assigned at least one adjusting device, by means of which a respective narrowest flow cross-section of the turbines adjustable and can be braked by regeneration and conversion of braking energy into electrical energy by the generator of moving vehicles.
  • the turbines of the motor vehicle according to the invention can thus be used, in particular in combination, to decelerate the motor vehicle via the internal combustion engine, the resulting braking energy, which in turn results from kinetic energy of the moving motor vehicle, being utilized and recovered via the internal combustion engine by means of the second turbine ( recuperated) and can be converted into electrical energy by the generator.
  • Advantageous embodiments of the first aspect of the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the second aspect of the invention and vice versa.
  • the first turbine may be formed as the turbine of the first aspect of the invention.
  • the internal combustion engine of the motor vehicle according to the invention has a reduced fuel consumption, which is accompanied by reduced CO 2 emissions.
  • the exhaust gas from which the second turbine, in particular a turbine wheel of the second turbine, can be driven is, for example, an exhaust gas resulting from combustion of a fuel-air mixture in at least one combustion chamber, in particular a cylinder, of the internal combustion engine.
  • This exhaust gas is produced in a so-called fired operation of the internal combustion engine, in which a fuel-air mixture is compressed and ignited by auto-ignition or by means of a third-party ignition device and burned.
  • the exhaust gas which drives the second turbine, from the internal combustion engine or the at least one combustion chamber effluent and in particular unburned air and / or unburned fuel-air mixture.
  • the second turbine during braking of the motor vehicle in the exhaust gas (be it burned air or a burned Air-exhaust mixture, unburned air and / or an unburned air-exhaust mixture) are used and converted by the generator into electrical energy.
  • bypass device Motor vehicle by the bypass device possible, in which at certain operating points of at least one bypass channel of the bypass device is partially fluidly releasable.
  • the first turbine can be flowed through by a particularly high amount of exhaust gas. Exhaust gas flows through the bypass channel, bypassing the turbine wheel. Also, exhaust gas acts on and drives the turbine wheel of the first turbine.
  • the bypass device thus provides a
  • the motor vehicle according to the invention has the advantage that energy can be used and recovered (recuperated) when bypassing the turbine of the first turbine in the exhaust gas bypassing the turbine of the first turbine, since the second turbine or the turbine of the second turbine of the the turbine wheel of the first turbine bypassing exhaust gas can be driven.
  • energy contained in the exhaust gas can first be converted into mechanical energy, which is supplied to the generator.
  • the generator can then convert the mechanical energy supplied to it into electrical energy so as to be able to supply at least one electrical consumer with electrical energy as needed.
  • the aspects of the invention can be combined.
  • a motor vehicle can be created in which conventionally unused energy can be recuperated and utilized when blowing off and / or braking the motor vehicle. This keeps the fuel consumption and thus the C0 2 emissions especially low.
  • this car for example, when braking and the associated recuperation recuperated energy as electrical energy, in particular at least substantially directly, passed into the battery of the motor vehicle and stored there. The recuperated and thus stored electrical energy can then be used as needed, by being discharged from the battery and at least one electrical load is supplied.
  • the recuperated energy in particular at least substantially directly, ie without storage or intermediate storage in the battery, is supplied to at least one electrical load.
  • the electrical load is driven and can be operated at least almost without additional expenditure of fuel.
  • the second turbine has a variable as its associated adjusting device
  • Turbine geometry by means of which flow conditions of the second turbine for the exhaust gas and the narrowest flow cross-section of the second turbine are variably adjustable.
  • Turbine geometry can be arranged at least partially upstream and / or downstream of the turbine wheel of the second turbine to flow conditions at least substantially in a turbine wheel inlet area or in a
  • variable turbine geometry is one
  • Axial slide by means of which the narrowest flow cross-section of the second turbine is variably adjustable.
  • a so-called rotary vane or a tongue slider as the variable turbine geometry.
  • the tongue slider comprises at least one Versperranalysis, which is connected to an adjusting ring.
  • the Versperrintelligence is rotatable with the adjusting ring about an axis of rotation about which the turbine wheel of the second turbine is rotatable, whereby the
  • Flow cross section of the second turbine can be adjusted as needed.
  • Mass flow of the turbine wheel of the first turbine bypassing the exhaust gas is adaptable.
  • the energy contained in the exhaust gas can be efficiently and low-loss converted into electrical energy.
  • the first turbine as its associated adjusting device on a variable turbine geometry, by means of which flow conditions of the first turbine for the exhaust gas and the narrowest flow area of the first turbine are variable adjustable.
  • the description of the variable turbine geometry of the second turbine can apply analogously and in any combination to the variable turbine geometry of the first turbine.
  • the variable turbine geometry of the first turbine makes it possible to be able to set the first turbine to be particularly efficient in terms of demand and at least nearly in the entire characteristic map of the internal combustion engine at different operating points of the internal combustion engine. As a result, a particularly efficient and efficiency-optimal operation of the first turbine can be represented, resulting in efficient and energy-saving operation of the first turbine
  • At least one of the respective turbines of the second aspect of the invention associated adjusting device can also be arranged in the flow direction of the exhaust gas through the corresponding turbine upstream or downstream of the corresponding turbine and / or designed as a flap or other valve element, by means of which the narrowest flow cross-section is variably adjustable. This keeps the cost of the motor car low.
  • the first turbine is associated with a compressor drivable by the first turbine, by means of which the
  • the compressor includes
  • the exhaust gas turbocharger with the first turbine and the compressor associated therewith thus acts as a so-called turbo brake, by means of which the motor vehicle is braked, during braking the kinetic energy of the motor vehicle and thus the braking energy at least partially recuperable by means of the generator and can be converted into electrical energy.
  • This deceleration and the recovery (recuperability) of the kinetic energy or the braking energy is shown in the motor vehicle according to the invention in a simple and cost-effective manner.
  • the car according to the invention has a low weight, which the low fuel consumption and thus the low C0 2 emissions of
  • a combustion is carried out in the internal combustion engine.
  • fuel is introduced into the at least one combustion chamber, in particular into the cylinder.
  • a fuel-air mixture in the at least one combustion chamber which is preferably referred to a rotational position, which is referred to as degree crank angle [° CA], a rotating output shaft, in particular a crankshaft, the
  • a particularly early ignition point in particular ignition time angle
  • a spark-ignition device is preferably set in order to ignite the fuel-air mixture, for example by auto-ignition or by means of a spark-ignition device and thus, in particular by the combustion of the fuel-air mixture, the turbo brake and thus the Braking the motor vehicle to assist.
  • the implementation of a combustion when braking the motor vehicle means an increase of inlet temperatures of the second turbine, so that they are particularly high
  • Turbine services has. Thus, a particularly high amount of electrical energy can be obtained via the second turbine and the electric generator.
  • the generator is associated with at least one electrical load, which
  • the generator in particular at least substantially directly, i. without caching in a corresponding memory device, such as a battery, can be supplied with electrical energy of the generator.
  • the electrical energy obtained by means of the generator can be used directly and efficiently to operate the electrical load. It is not necessary and not intended to burn more fuel by the internal combustion engine to operate the consumer. This allows the fuel consumption and CO 2 emissions of the
  • the electrical load is designed, for example, as a starter generator for starting the internal combustion engine, which can be supplied with the electrical energy of the generator.
  • the starter-generator for example, with the output shaft, in particular the crankshaft, the internal combustion engine rotatably connected or coupled, for example via a coupling device, so that for starting the internal combustion engine, the output shaft of the starter-generator can be driven until run into the combustion chamber of the internal combustion engine combustion processes can and the internal combustion engine can be operated without the intervention of the starter-generator. This is called starting the internal combustion engine.
  • starter-generator As a result of this rotationally fixed connection or connectivity of the starter-generator with the output shaft, it is also possible to use the starter-generator as a generator, in particular in suitable operating points of the internal combustion engine to convert mechanical energy of the output shaft into electrical energy.
  • the internal combustion engine can be additionally loaded by the starter generator, so that the internal combustion engine is then operated at an operating point or load point with higher load, in which the internal combustion engine a better, i. lower, specific
  • Internal combustion engine additionally impressed by the starter generator load is then used to gain electrical energy by means of the starter-generator, and this electrical energy can then, for example, in a suitable storage device, for example in a battery, stored, in particular cached, and / / or at least substantially directly supplied to an electrical consumer to operate this consumer.
  • a particularly efficient operation of the internal combustion engine is possible, which is associated with a particularly low fuel consumption and low C0 2 emissions.
  • the starter generator is in preferably as
  • Electric motor used to supply the electrical energy obtained during the blow directly to the crankshaft of the engine.
  • the internal combustion engine is designed, for example, as a reciprocating piston engine with at least one cylinder acting as a combustion chamber, wherein a piston is received in a translationally movable manner in the cylinder.
  • the piston is articulated via a connecting rod with the crankshaft of the internal combustion engine, which converts translational movements of the piston in a rotational movement of the crankshaft.
  • the internal combustion engine is designed as a gasoline engine, diesel engine or Diesottomotor and is operable according to a liquid fuel.
  • the internal combustion engine is designed as a gasoline engine, diesel engine or Diesottomotor and is operable according to a liquid fuel.
  • the internal combustion engine is designed as a gasoline engine, diesel engine or Diesottomotor and is operable according to a liquid fuel.
  • Internal combustion engine is designed as a gas engine and is operable with an at least substantially gaseous fuel.
  • the motor vehicle according to the invention is designed for example as a passenger car or as a commercial vehicle and in particular as a hybrid vehicle, which
  • Turbine geometry of the second turbine an amount adjustable to the turbine of the first turbine exhaust gas adjustable.
  • a separate and additional adjusting device for example a valve device, for adjusting the exhaust gas bypassing the turbine wheel of the first turbine and thus flowing through the bypass channel is therefore not necessary and not provided. This keeps the number of parts, the cost and weight of the motor vehicle according to the invention low. Furthermore, the space requirement of the bypass device can thereby be kept to a minimum, which contributes to a solution and / or avoidance of package problems, in particular in a space-critical area such as an engine compartment of the motor vehicle.
  • At least one storage device in particular a battery
  • the electrical energy obtained by the generator can be stored in operating phases of the motor vehicle in which the electrical energy obtained is not used to operate the electrical consumer Operating phases, in which the at least one electrical load is to operate, from the storage device off and the consumer are supplied.
  • the electrical energy can be stored and does not have to be dissipated unused elsewhere in the operating phase in which it is not used.
  • the third aspect of the invention relates to a method for operating a motor vehicle with an internal combustion engine having an exhaust tract, in which a first turbine with a rotatable about an axis of rotation and exhaust gas of the
  • Internal combustion engine drivable turbine wheel of an exhaust gas turbocharger is arranged, as well as with a bypass device, which at least one
  • the bypass device is associated with a second turbine, which of the
  • Turbine is driven via the bypass device exhaust gas. According to the invention, it is provided that a generator of the second turbine
  • the moving motor vehicle is braked by corresponding settings of the adjusting devices, wherein the braking energy for braking the motor vehicle, which results from kinetic energy of the moving motor vehicle, recovered (recuperated) and thus can be used to the second Turbine, in particular a turbine wheel of the second turbine to drive, and so as to at least partially convert the braking energy or the electrical energy into electrical energy by the generator.
  • the narrowest flow cross section assigned to the first turbine is reduced by means of the adjusting device to such an extent that the internal combustion engine achieves a high engine brake output due to a high air delivery through a compressor which is assigned to the first turbine and can be driven by the first turbine.
  • a so-called turbo brake is shown, in which the compressor, in particular a compressor wheel of this compressor, is driven particularly strongly by the turbine.
  • the internal combustion engine is supplied with a particularly high volume flow or mass flow of compressed air, so that the internal combustion engine generates a high engine braking power.
  • the narrowest flow cross section of the second turbine by means of the second turbine associated adjusting device in
  • Flow cross section allows at least substantially optimal recuperation of the engine braking power and thus the braking energy, which then on the
  • the Electrical Energy is then stored in a storage device, for example in a battery, in particular temporarily stored, and / or supplied to an electrical load at least substantially directly.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a trained as a reciprocating engine
  • Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger which comprises a turbine with a turbine wheel driven by the exhaust gas of the internal combustion engine, wherein the turbine comprises a bypass device, which bypass the turbine wheel of exhaust gas, and wherein the bypass device is associated with a further turbine, of which the turbine wheel the first turbine bypassing exhaust gas is drivable;
  • Fig. 2 is a schematic longitudinal sectional view of an embodiment of
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 10 with four cylinders 12 designed as a reciprocating piston engine.
  • the internal combustion engine 10 serves for driving a motor vehicle, in particular a hybrid vehicle.
  • this air sucks from the environment, which is shown in Fig. 1 by a directional arrow 14.
  • the air first flows through an air intake 18 arranged in an intake tract 16 of the internal combustion engine 10, by means of which the air is purified. In the direction of flow of air through the
  • Intake tract 16 is downstream of the air filter 18 in the intake manifold 16, a compressor 20 of the internal combustion engine 10 associated exhaust gas turbocharger 22nd arranged.
  • the compressor comprises a compressor wheel 24, which is rotatable about a rotation axis 26.
  • the air is to be compressed from a first pressure level to a contrast higher pressure level. Accordingly, the air downstream of the compressor 20 has a pressure p 2 .
  • Directional arrows 27 indicate in FIG. 1 that the air continues to flow through the intake tract 16 to a throttle valve 28 arranged in the intake tract 16.
  • a torque of the internal combustion engine 10 which is indicated in FIG. 1 by a directional arrow 30 and is delivered by a crankshaft of the internal combustion engine 10 can be adjusted.
  • the throttle valve 28 serve to a Aufstau codo the internal combustion engine 10
  • the compressed and thereby heated air flows on to a charge air cooler 36 arranged in the intake tract 16, by means of which the heated air is again cooled. After cooling by the charge air cooler 36, the air has a boost pressure p 2s . After passing through the intercooler 36, the air, as indicated by directional arrows 38, flows on to a charge air distributor 40 arranged in the intake tract 16, by means of which the compressed and cooled air is distributed to the cylinders 12.
  • the internal combustion engine 10 is, for example, a direct-injection internal combustion engine 10. This means that the air that has flowed into and compressed into the cylinders 12 is supplied with fuel by directly injecting the fuel into the cylinders 12 by means of appropriate injection valves. This results in a fuel-air mixture, which is ignited, for example, by auto-ignition or by ignition by means of a third-party ignition device and burns.
  • the fuel-air mixture expands and moves in the cylinders 12 translationally received pistons whose translatory movement is converted into a rotational movement of the crankshaft 32 by means of the crankshaft 32 with which they are coupled.
  • the combustion results in exhaust gas which is conveyed from the cylinders by means of the pistons and collected by an exhaust manifold 44 arranged in an exhaust tract 42.
  • the internal combustion engine 10 includes an exhaust gas recirculation device 46 with an exhaust gas recirculation line 48, which at a branch point 50 with the exhaust tract 42 and at an introduction point 52 is fluidically connected to the intake tract 16.
  • an exhaust gas recirculation device 46 with an exhaust gas recirculation line 48, which at a branch point 50 with the exhaust tract 42 and at an introduction point 52 is fluidically connected to the intake tract 16.
  • Exhaust gas recirculation line 48 can thus be recirculated exhaust gas from the exhaust tract 42 to the intake manifold 16 and introduced into this.
  • the compressed air can be acted upon with recirculated exhaust gas, whereby the nitrogen oxide and particulate emissions of the internal combustion engine 10 can be kept low.
  • To adjust an amount of recirculating exhaust gas includes the
  • Exhaust gas recirculation device 46 an exhaust gas recirculation valve 54, which is at least partially disposed in the exhaust gas recirculation line 48.
  • an exhaust gas recirculation cooler 56 is arranged downstream of the exhaust gas recirculation valve 54 and upstream of the discharge point 52, by means of which the recirculated exhaust gas is to be cooled.
  • the bypass line 48 is also a
  • Pressure modulator 58 is provided, by means of which pressure oscillation excitations caused by exhaust pulsations of the internal combustion engine 10, in the
  • Exhaust gas recirculation line 48 are modulated so far that in the region of the inlet 52, at which the recirculated exhaust gas mixes with the compressed air, no or only very small effective excitation intensities are no longer present.
  • the pressure modulator 58 is arranged downstream of the exhaust gas recirculation cooler 56 and upstream of the entry point 52 and comprises a damping volume 60 and a matched effective and by a corresponding component, such as a diaphragm formed
  • Inflow cross section 62 and an adapted effective and by a
  • the first turbine 68 includes a turbine wheel 70 which is rotatably received about the rotation axis 26 in a turbine housing of the first turbine 68.
  • the first turbine 68 is, for example, a so-called
  • the first turbine 68 may be a so-called vario turbine with a variable turbine geometry.
  • the first turbine 68 can be adjusted and adapted to different operating points of the internal combustion engine 10 in a particularly demand-oriented manner and can therefore be operated particularly efficiently.
  • the variable turbine geometry of the first turbine 68 may
  • the tongue slider comprises at least one substantially tongue-shaped, i.
  • Versperranalysis which is connected to an adjusting ring.
  • the VersperrAvem is rotatable with and about the adjusting ring about the axis of rotation 26.
  • an effective flow cross-section upstream of the turbine wheel 70 can be set variably, which enables a variable adjustability of the throughput parameter ⁇ ⁇ , A n of the first turbine 68 of the exhaust gas turbocharger 62.
  • the exhaust gas can act on the turbine wheel 70 and thereby drive.
  • Turbine wheel 70 is rotatably connected to a shaft 72 of the exhaust gas turbocharger 72, with the shaft 72 and the compressor 24 of the compressor 20 is rotatably connected.
  • the compressor wheel 24 can be driven by the turbine wheel 70 via the shaft 72 and compress the air.
  • the first turbine 68 thus uses energy contained in the exhaust gas and converts this energy into mechanical energy.
  • the exhaust gas is expanded from a pressure p 3 prevailing upstream of the first turbine 68 to a pressure p 4 prevailing downstream of the first turbine 68.
  • the expanded exhaust gas flows through the exhaust tract 42 further to one located in the exhaust tract 42
  • Exhaust after-treatment device 76 by means of which the exhaust gas is purified before it flows to the environment, which is indicated by a directional arrow 78.
  • Exhaust after-treatment device 76 includes, for example, a catalyst, in particular an oxidation catalyst.
  • the first turbine 68 of the exhaust gas turbocharger 22 comprises one in FIG. 1 very
  • bypass device 80 by means of which the turbine wheel 70 of the first turbine 68 to bypass exhaust gas.
  • the bypass device 80 comprises a bypass channel 82, by means of which exhaust gas can be branched off at a branching point 84.
  • the branched off at the branching point 84 and the bypass channel 82 flowing through the exhaust gas can not act on the turbine wheel 70 and not drive.
  • the bypass device 80 is associated with a further turbine 86, hereinafter referred to as second turbine 86, which is fluidically connected to the bypass channel 82.
  • second turbine 86 the second turbine 86 comprises a further turbine wheel 88, which in a turbine housing of the turbine 86 is rotatably received about a rotation axis 90.
  • the exhaust gas flows, as indicated by a directional arrow 95, to a discharge point 97 in the exhaust gas tract 42, so that the exhaust gas is conducted to the exhaust gas aftertreatment device 76.
  • the second turbine 86 is associated with an adjusting device 87, which is formed in the illustrated embodiment in the form of a variable turbine geometry.
  • the adjusting device 87 could also be positioned upstream of the second turbine 86 in the bypass channel 82, for example in the form of a control flap.
  • Actuator 87 which a change of the exhaust gas flow to the other
  • Turbine wheel 88 result are also possible.
  • variable turbine geometry 87 flow conditions of the second turbine 86 for the exhaust gas flowing through the first turbine 86 are variably adjustable and thus at a multiplicity of different operating points
  • Second turbine 86 can thereby be adapted to a multiplicity of different volume flows or mass flows of the exhaust gas bypassing the turbine wheel 70 in order thus to be able to operate the second turbine 86 in a particularly efficient manner.
  • variable turbine geometry of the first turbine 68 For controlling the throttle valve 28, the exhaust gas recirculation valve 54, the variable turbine geometry of the first turbine 68 and the variable
  • Turbine geometry 87 of the second turbine 86 is a control device 92 is provided.
  • the controlling or regulating the described components is indicated by directional arrows 94.
  • variable turbine geometry 87 of the second turbine 86 Due to the variable turbine geometry 87 of the second turbine 86, a particularly high throughput spread of the second turbine 86 is realized, so that it can be operated in a particularly large area of the characteristic map of the internal combustion engine 10, in particular almost in the entire map of the internal combustion engine 10, with optimum efficiency. Furthermore, it is possible by means of the variable turbine geometry 87 of the second turbine 86 to set its throughput parameter .phi..sub.s variable and thus to adapt to different operating points of the internal combustion engine 10 and thus to different volume flows or mass flows of the exhaust gas flowing through the bypass channel 82.
  • variable turbine geometry 87 of the second turbine 86 it is possible by means of the variable turbine geometry 87 of the second turbine 86, to adjust the bypass passage 82 through the exhaust gas flowing and thus the amount of the turbine wheel 70 bypassing the exhaust gas without additional valve means and thus adjust as required the quantity and thus a mass m A bbiase of ,
  • the variable turbine geometry 87 of the second turbine 86 functions as a valve device.
  • a blow-off device of the second turbine 86 is shown, by means of which a particularly large throughput spread, an effective and flowed through by the exhaust gas of the internal combustion engine 10 flow cross-section, in particular a high load and / or speed range of the internal combustion engine 10, can be increased by the By-pass channel 82 is fluidly released by means of the variable turbine geometry 87 of the second turbine 86. If this enlargement of the flow cross section of the first turbine 68 is not desired, then the bypass channel 82 can at least essentially be fluidly blocked by means of the variable turbine geometry 87 of the second turbine 86, so that less or no exhaust gas flows through the bypass channel 82.
  • the turbine wheel 88 of the second turbine 86 is non-rotatably connected or can be coupled to a shaft 96 which is rotatable about the rotation axis 90 with the turbine wheel 88.
  • the shaft 96 is assigned to a generator 98, by means of which mechanical energy can be converted into electrical energy.
  • the electric generator 98 can be driven by the second turbine 86.
  • a generator 98 associated electronics 100 is provided, via which the recovered electrical energy of a battery 102 can be supplied to store the electrical energy.
  • an electrical load 106 is electrically connected to the battery 102 through a suitable line 104, so that the consumer 106 can be supplied with the electrical energy stored in the battery 102 in order to drive the load 106.
  • the consumer 106 is, for example, a so-called starter generator, which is non-rotatably connected to the crankshaft 32 or can be coupled.
  • torque is from the starter generator to the crankshaft 32 and thus in the internal combustion engine 10 can be introduced to the
  • the starter-generator can also be operated as a generator, by means of which mechanical energy is converted into electrical energy.
  • a torque can be introduced from the crankshaft 32 in the starter-generator, so that mechanical energy of the crankshaft 32 is converted into electrical energy. It can be provided that the electrical energy thus obtained is supplied via the line 104 of the battery 102 in order to store this electrical energy in the battery 102, in particular to buffer it.
  • the starter-generator as the electrical load 106, a hybridization of a motor vehicle, in particular a passenger car, with the internal combustion engine 10 is possible, wherein the starter-generator, for example, can act as an electric motor to that designed as a hybrid vehicle
  • the pistons in the cylinders 12 are also not by means of acting as an electric motor starter generator via the crankshaft 32nd
  • a coupling device is provided, so that a torque transmission from the starter-generator via the crankshaft 32 to the piston to interrupt.
  • the pistons are not driven by the starter-generator, but the electric generator can drive wheels of the motor vehicle and thus the car itself, which are driven in a fired operation of the internal combustion engine 10 via the crankshaft.
  • the turbines 68 and 86 can be operated in this way and used accordingly to the moving forward in particular in the forward direction
  • At least substantially decelerating motor vehicle (recuperation) of a braking energy i. E. to reduce in its speed.
  • the generator 98 to be driven by the second turbine 86 which can be described as a unit as an electric turbo-generator and which are capable of operating in the
  • Recover energy contained in the bypass passage 82 exhaust gas (zu Rekuper Schl), is also used for the recovery of braking energy to brake the motor vehicle.
  • kinetic energy of the moving motor vehicle is thus converted into electrical energy by means of the generator 98.
  • a narrowest flow cross-section assigned to the first turbine 68 is reduced by means of the variable turbine geometry of the first turbine 68 to such an extent that the internal combustion engine 10 generates high engine braking powers and thus high braking energy on the basis of the turbo brake thus illustrated due to high air delivery through the compressor 20.
  • the internal combustion engine 10 generates high engine braking powers and thus high braking energy on the basis of the turbo brake thus illustrated due to high air delivery through the compressor 20.
  • variable turbine geometry 87 of the second turbine 86 which is at least substantially optimal
  • recuperation of the braking energy allows, the so recuperated, i. recovered braking energy stored for example in the battery 102 and / or can be supplied to the electrical load.
  • Internal combustion engine 10 is supplied with compressed air, a ratio between a bypass flow 82 flowing through the mass flow m by pass of the exhaust gas and a first turbine 68 flowing through mass flow m A TL-Turt> ine of the first turbine 68 flowing exhaust gas due to a dependent engine back pressure of the Internal combustion engine 10 and the pressure p 3 upstream of both turbines 68 and 86 prevail. Also, the pressure p 3 upstream of the second turbine 86 is referred to as the turbine inlet pressure of the second turbine 86.
  • an engine brake flap 69 arranged in the exhaust tract 42 can optionally be provided, which is advantageously upstream of the first turbine 68 in the flow direction of the exhaust gas of the turbine wheel 70 or at least substantially directly downstream of the first turbine 68 or the turbine wheel 70 is arranged.
  • Motor brake flap 69 possible to set the corresponding mass flow m A TL turbine variable and needs.
  • the second turbine 86 does not have a variable turbine geometry 87, ie if the second turbine 86 is designed as a solid geometry turbine, a flap such as the engine brake flap 69 can be used analogously to the one described with respect to the first turbine 68. can fulfill the purpose of the variable turbine geometry 87. In this case, this flap is arranged, for example upstream of the second turbine 86 at least partially in the bypass channel 82.
  • this is an uncharged mode of operation of the internal combustion engine 10, in which an intake of the air through the internal combustion engine 10 in the range approximately below the ambient pressure.
  • the exhaust gas may be combustion gases resulting from combustion of a fuel-air mixture in the cylinders 12. This is in a fired operation of
  • Internal combustion engine 10 the case. In particular, it may be in the exhaust gas at Braking the motor vehicle by the representation of a motor brake by the
  • variable turbine geometry happens. If the first turbine 68 is designed as a solid geometry turbine, this closure can be achieved by means of the
  • the quotient Q ß rems in the amount of at least substantially 20%, or 20% of the total mass flow of the exhaust gas flowing through the second turbine 86, is linked to an optionally highly charged Turbo brake p 3 leads to high turbine inlet pressures and a service brake device of the motor vehicle, which is represented for example by a disc brake device, noticeably relieved when braking the motor vehicle.
  • the braking energy becomes the
  • crankshaft 32 Rotary position, which is referred to as degree crank angle, the crankshaft 32 is performed particularly early.
  • the thus induced ignition and a resulting expansion of the fuel-air mixture counteracts a movement of the pistons in the cylinders 12 and a compression of the fuel-air mixture, so that
  • the internal combustion engine 10 and the crankshaft 32 and the crankshaft 32 corresponding wheels of the motor vehicle can be braked.
  • the performance of combustion processes during braking of the motor vehicle in connection with the recuperation of the braking energy leads to an increase of turbine inlet temperatures of the turbine 68 and / or 86, which
  • Fig. 2 shows a possible embodiment of the second turbine 86 with the
  • Turbine 88 which is rotatably received in a turbine housing 108 of the second turbine 86 about the rotation axis 90.
  • the second turbine 86 is one, as shown in FIG. 1 as well as in FIG.
  • the compressor 20 is a centrifugal compressor.
  • the shaft 96 is rotatably connected to a rotor of the
  • Generator 98 which cooperates to convert mechanical energy into electrical energy with a stator of the generator 98. To drive the
  • a spiral channel 1 10 of the turbine housing 108 flows through exhaust gas, which is indicated by a directional arrow 112.
  • the exhaust gas has a pressure p 3t and a temperature T 3t upstream of the second turbine 86.
  • the exhaust gas flows through the turbine wheel 88 via a turbine wheel outlet region 14 and flows out of the turbine housing 108, which is indicated by a directional arrow 16. Downstream of the turbine wheel 88, the exhaust gas has the pressure p and the temperature T 4 .
  • variable turbine geometry 87 of the second turbine 86 is represented by a so-called axial slide, for example, which comprises a guide grid arranged upstream of the turbine wheel 88 and a cover element which can be displaced in the axial direction of the turbine wheel 88.
  • the displaceability of the cover in the axial direction is indicated by a directional arrow 118.
  • the cover serves to variably adjust an effective flow cross-section upstream of the turbine wheel 88 and to be able to variably set a cover of the guide grid by the cover element.
  • the flow area upstream of the turbine wheel 88 of the second turbine 86 is reduced to a minimum, particularly zero, so that no exhaust gas can flow through the second turbine 86 and drive the turbine 88.
  • the generator 98 can be supplied with water, wherein a housing 120 has a connection piece 122, via which cooling channels 123 of the housing 120 can supply the water for cooling the generator 98.
  • FIG. 3 shows a diagram 124, on the abscissa 126 of which a relative rotational speed n engine of the internal combustion engine 10 is plotted.
  • the diagram 124 shows n ⁇
  • a course 128 of the pressure p 2s which is a pressure upstream of gas exchange valves of the internal combustion engine 10, which is also referred to as a charge cycle pressure or as intake manifold pressure.
  • the diagram 124 shows a curve 130 of the pressure p 3 over the relative rotational speed, wherein the pressure p 3 is also referred to as turbine inlet pressure. Accordingly, plotted on an ordinate 132 of the graph 124 are the pressures p 3 and p 2s .
  • FIG. 4 shows a further diagram 134 on the abscissa 136 of which the above-described relative rotational speed n Molor of the internal combustion engine 10 is plotted, n M.iazx
  • m denotes Mot , ges the total amount of the exhaust gas of the
  • blow-off i. the bypass of the turbine wheel 70 by exhaust gas, even from a relative value of at least in
  • FIG. 4 also shows a power potential L of the blow-off quantity m A bbiase, which then by means of the second turbine 86 by means of the variable turbine geometry 87, which has a flow cross-section of the bypass passage 82 for a swirl flow of the exhaust gas, at least substantially directly upstream of the second turbine Turbine wheel 88 releases, can be used.
  • Turbine efficiency rj TU rt) of the second turbine 86 of eg 60% is at least substantially a mechanically recoverable power L, which corresponds to the turbine power P T , given by 20 KW, possibly to an additional net power at the nominal point between 5 to 10% of the rated power for example, designed as a gasoline engine internal combustion engine 10 with respect to a
  • Basic internal combustion engine with a blow-off device without recuperation of the energy contained in the exhaust gas (by the second turbine 86) corresponds.
  • Such an increase in power can be used, for example, in hybrid vehicles by feeding energy into an additional electric motor, which is designed, for example, as a wheel hub motor or as a suitably dimensioned starter generator for the electromotive mode of operation and serves to drive the hybrid vehicle.
  • Diagrams 124 and 136 show the onset of blowdown through a location 142 which, for example, is in a range of relative speeds of at least substantially including 0.2 to at least substantially 0.3, inclusive.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (68) für einen Abgasturbolader (22) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem Turbinengehäuse, in welchem ein um eine Drehachse (26) drehbares und mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) beaufschlagbares Turbinenrad (70) zumindest bereichsweise aufgenommen ist, und mit einer Umgehungseinrichtung (80), welche zumindest einen Umgehungskanal (82) aufweist, über welchen das Turbinenrad (70) von Abgas zu umgehen ist, wobei der Umgehungseinrichtung (80) eine weitere Turbine (86) zugeordnet ist, welche von das Turbinenrad (70) über die Umgehungseinrichtung (80) umgehendem Abgas antreibbar ist, wobei der weiteren Turbine (86) zumindest eine Stelleinrichtung (87) zugeordnet ist, mittels welcher Strömungsbedingungen der weiteren Turbine (86) für das Abgas variabel einstellbar sind, sowie einen Kraftwagen und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwagens.

Description

ABGASTURBOLADERANORDNUNG
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader einer
Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, einen Kraftwagen gemäß Patentanspruch 5 und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwagens gemäß Patentanspruch 10.
Die DE 38 07 372 C2 offenbart einen Verbrennungsmotor mit zweistufigem
Abgasturbolader und einer Nutzturbine, mit einer von den Hochdruckabgasen des Verbrennungsmotors beaufschlagten Hochdruckturbine, die mit einem
Hochdruckverdichter in Antriebsverbindung steht, mit einer der Hochdruckturbine in Reihe nachgeschalteten Niederdruckturbine, die über eine Niederdruckabgasleitung mit der Hochdruckturbine leitend verbunden ist und mit einem dem Hochdruckverdichter über eine Niederdruckladeluftleitung in Reihe vorgeschalteten Niederdruckverdichter in
Antriebsverbindung steht, sowie mit einer Nutzturbine, die dazu bestimmt ist, bei
Betriebszuständen, in denen der vom Motor gelieferte Abgasstrom die Schluckfähigkeit der beiden Ladeturbinen übertrifft, den dann überschüssigen Teil des Abgasstrom in Antriebsleistung zur Unterstützung des Verbrennungsmotors oder zum Antrieb eines Generators umzusetzen.
Die DE 10 2009 013 040 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem ersten Abgasturbolader, welcher wenigstens eine erste Turbine und einen ersten Verdichter aufweist, mit wenigstens einem zweiten Abgasturbolader, welcher wenigstens eine zweite Turbine und wenigstens eines zweiten Verdichter aufweist, wobei die erste und zweite Turbine in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine bezüglich eines Abgasmassenstromes parallel zueinander angeordnet sind, wobei der erste und der zweite Verdichter in einem Frischluftstrang der Brennkraftmaschine bezüglich eines Frischluftmassenstroms parallel zueinander angeordnet sind, wobei im Abgasstrang wenigstens eine Ventileinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine den
Abgasmassenstrom durch die zweite Turbine wahlweise reduziert und/oder unterbricht und gleichzeitig den Abgasmassenstrom durch die erste Turbine uneingeschränkt zulässt, so dass im Wesentlichen nur der erste Abgasturbolader einen Ladedruck erzeugt. Dabei ist an dem zweiten Abgasturbolader neben der zweiten Turbine
wenigstens zusätzlich eine weitere Antriebsvorrichtung angeordnet. Beide
Brennkraftmaschinen weisen weiteres Potential auf, ihren Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, durch welche ein reduzierter
Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftwagen mit einer Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwagens bereitzustellen, bei welchen die Verbrennungskraftmaschine einen reduzierten Kraftstoffverbrauch aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader einer
Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , durch einen Kraftwagen mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 5 und durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwagens gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine. Die Turbine umfasst ein Turbinengehäuse, in welchem ein um eine Drehachse drehbares und mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine
beaufschlagbares Turbinenrad zumindest bereichsweise aufgenommen ist. Die Turbine umfasst ferner eine Umgehungseinrichtung, welche zumindest einen Umgehungskanal aufweist, über welchen das Turbinenrad von Abgas zu umgehen ist. Der
Umgehungseinrichtung ist dabei eine weitere Turbine zugeordnet, welche von das Turbinenrad über die Umgehungseinrichtung umgehendem Abgas antreibbar ist.
Erfindungsgemäß ist der weiteren Turbine zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet, mittels welcher Strömungsbedingungen der weiteren Turbine für das Abgas variabel einstellbar sind. Bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Otto-Motoren, kann es erforderlich sein, eine Turbine eines Abgasturboladers zum Aufladen der
Verbrennungskraftmaschine mit relativ kleinen Strömungsquerschnitten zu versehen, über welche ein Turbinenrad der Turbine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine angeströmt wird und/oder über welche das Turbinenrad von dem Abgas abgeströmt wird. Dies ist der Fall, um insbesondere Anforderungen hinsichtlich eines agilen Fahrverhaltens sowie hinsichtlich geforderter und stationärer sowie hoher Drehmomente zu erfüllen. Dabei ist ausgehend von niedrigen Drehzahlen und/oder Lasten hin zu höheren
Drehzahlen und/oder Lasten der Verbrennungskraftmaschinen eine
Strömungsflächenvergrößerung notwendig bzw. wünschenswert, um eine erwünscht hohe Durchsatzspreizung der Turbinen erzeugen zu können.
Eine solche Strömungsflächenvergrößerung ist bei der erfindungsgemäßen Turbine durch die Umgehungseinrichtung möglich, bei welcher in bestimmten Betriebspunkten der zumindest eine Umgehungskanal der Umgehungseinrichtung zumindest teilweise fluidisch freigebbar ist, so dass die Turbine von einer besonders hohen Abgasmenge durchströmt werden kann. Dabei umgeht das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad ohne dieses zu beaufschlagen und anzutreiben. Die
Umgehungseinrichtung stellt somit eine Abblaseeinrichtung der Turbine dar, mittels welcher die Durchsatzspreizung der erfindungsgemäßen Turbine besonders groß gestaltet werden kann und welche eine bedarfsgerechte Einstellung des
Durchsatzparameters der Turbine ermöglicht. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch der der Turbine zugeordneten Verbrennungskraftmaschine sowie deren C02- Emissionen gering gehalten werden. Die Turbine weist bevorzugt eine variable Turbinengeometrie auf, mittels welcher Strömungsbedingungen der Turbine für das die Turbine
durchströmende Abgas variabel einstellbar sind. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Eintrittsvariabilität, beispielsweise um einen sogenannten Drehschaufler oder einen Zungenschieber, mittels welchem die Turbine an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist.
Bezogen auf das Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine kann diese variable
Turbinengeometrie insbesondere entlang der gesamten Volllastlinie des Kennfelds nicht ausreichen, da die Turbine bzw. deren Turbinenrad eine eingeschränkte
Durchsatzfähigkeit aufweist. Dieser eingeschränkten Durchsatzfähigkeit wird durch die Umgehungseinrichtung entgegengetreten, welche eine Umgehung des Turbinenrads durch eine nicht unwesentliche Menge von Abgas ermöglicht. Besonders bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Otto-Motoren, welche besonders ausgeprägt gemäß dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet sind, werden Abblaseraten von wesentlich über 50% im Nennpunkt des Kennfelds
durchgeführt, um ein vorteilhaftes Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine erzeugen zu können. Dies bedeutet, dass mehr als 50% des Abgases der
Verbrennungskraftmaschine an dem Turbinenrad der Turbine vorbeigeführt wird, so dass das Abgas das Turbinenrad umgehen kann und nicht antreibt. Die Umgehungseinrichtung dient somit zur Exergievernichtung. Um diesem Nachteil entgegenzutreten ist der Umgehungseinrichtung die weitere Turbine zugeordnet, mittels welcher die in dem den zumindest einen Umgehungskanal durchströmenden Abgas enthaltene Energie rekuperiert und mittels der weiteren Turbine in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Dadurch können der Kraftstoffverbrauch sowie die C02-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden.
Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Turbine eine Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs und damit der C02-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine, da der weiteren Turbine die Stelleinrichtung zugeordnet ist. Dadurch kann auch die weitere Turbine an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst und somit besonders effizient und wirkungsgradgünstig betrieben werden, woraus ein effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine resultiert.
Die der weiteren Turbine zugeordnete Stelleinrichtung kann eine verstellbare,
insbesondere um eine Schwenkachse verschwenkbare Klappe sein, mittels welcher zum Beispiel ein engster Strömungsquerschnitt der weiteren Turbine variabel einstellbar ist. Die Klappe ist beispielsweise zwischen einer ersten und zumindest einer zweiten Stellung verstellbar bzw. bewegbar. In der ersten Stellung weist der durch die Klappe definierte engste Strömungsquerschnitt, über welchen das die weitere Turbine antreibende Abgas strömt, einen ersten Querschnittswert auf. In der zweiten Stellung weist der engste Strömungsquerschnitt einen zweiten Querschnittswert auf, welcher gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt geringer ist. So kann der engste Strömungsquerschnitt variabel eingestellt werden.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die weitere Turbine eine variable
Turbinengeometrie als die ihr zugeordnete Stelleinrichtung aufweist, mittels welcher Strömungsbedingungen der weiteren Turbine für das die weitere Turbine antreibende Abgas variabel einstellbar sind. Durch die variable Turbinengeometrie der weiteren Turbine kann diese eine besonders hohe Durchsatzspreizung aufweisen und ihr Durchsatzparameter kann in einem besonders breiten Bereich des Kennfelds, insbesondere nahezu im gesamten Kennfeld, der Verbrennungskraftmaschine, variabel eingestellt und an den Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine bedarfsgerecht angepasst werden.
Vorteilhafterweise ist eine Menge des das Turbinenrad der Turbine umgehenden und somit den Umgehungskanal durchströmenden Abgases mittels der der weiteren Turbine zugeordneten Stelleinrichtung, insbesondere mittels der variablen Turbinengeometrie der weiteren Turbine, variabel einstellbar. Die weitere Turbine fungiert somit durch ihre Stelleinrichtung bzw. variable Turbinengeometrie als Ventileinrichtung zum Einstellen der Menge des das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases. Eine zusätzliche Ventileinrichtung zum Einstellen dieser Menge ist nicht vorgesehen und nicht von Nöten, was die Teileanzahl, die Kosten, das Gewicht und den Bauraumbedarf der
erfindungsgemäßen Turbine gering hält. Das geringe Gewicht führt zu einer weiteren Kraftstoffverbrauchsreduzierung der Verbrennungskraftmaschine. Die geringe
Teileanzahl birgt den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Turbine eine besonders hohe Funktionserfültungssicherheit aufweist und das auch über eine lange Lebensdauer hinweg und bei hohen Belastungen. Bei diesen Belastungen handelt es sich
beispielsweise insbesondere um thermische Belastungen infolge des heißen, die Turbine durchströmenden Abgases. Diese Abgastemperaturen sind insbesondere bei Otto- Motoren besonders hoch und liegen in einem Bereich von bis zu 1050° C.
Zur Einstellung der Menge des das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases ist der Umgehungskanal mittels der Stelleinrichtung, insbesondere der variablen
Turbinengeometrie, der weiteren Turbine vorteilhafterweise bei etwaigem Vorhandensein von geringen Leckagen zumindest im Wesentlichen vollständig fluidisch verschließbar, so dass kein Abgas das Turbinenrad der Turbine umgehen kann und zumindest im
Wesentlichen das gesamte Abgas der Verbrennungskraftmaschine das Turbinenrad der Turbine beaufschlagt und antreibt. Ebenso möglich ist es, den Umgehungskanal zumindest im Wesentlichen vollständig fluidisch freizugeben mittels der variablen
Turbinengeometrie der weiteren Turbine zur Darstellung besonders großer Mengen von das Turbinenrad der Turbine umgehendem Abgas. Bei diesen Stellungen der variablen Turbinengeometrie handelt es sich beispielsweise um Endstellungen in einem
Verstellbereich der variablen Turbinengeometrie der weiteren Turbine, innerhalb welchem die variable Turbinengeometrie bevorzugt kontinuierlich, insbesondere stufenlos, verstellbar ist, um die Menge des das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases variabel und bedarfsgerecht einstellen und an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anpassen zu können. Eine gestufte Einstellung ist jedoch ebenso möglich.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der weiteren Turbine ein von der weiteren Turbine antreibbarer Generator zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie zugeordnet. Die weitere Turbine umfasst beispielsweise ein
Turbinengehäuse, in welchem ein Turbinenrad der weiteren Turbine um eine Drehachse drehbar aufgenommen ist. Das Turbinenrad ist dabei beispielsweise mit einer Welle des Generators drehfest gekoppelt und von das Turbinenrad der Turbine umgehendem Abgas beaufschlagbar und dadurch antreibbar. So kann die in dem das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgas enthaltene Energie zunächst in mechanische Energie und schließlich in elektrische Energie umgewandelt werden. So kann auch die in dem das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgas enthaltene Energie rekuperiert und genutzt werden, wenn das Turbinenrad der Turbine von Abgas umgangen wird, was als Abblasen bezeichnet wird. Mit anderen Worten kann somit beim Abblasen die im das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgas enthaltene Energie rekuperiert werden.
Die Stelleinrichtung bzw. die variable Turbinengeometrie der weiteren Turbine birgt dabei den Vorteil, dass dadurch die weitere Turbine an eine Vielzahl von unterschiedlichen Volumenströmen bzw. Massenströmen des das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases anpassbar ist, so dass mittels der weiteren Turbine und mittels des Generators die in dem Abgas enthaltene Energie effizient und verlustarm in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Dem Generator ist beispielsweise ein elektrischer Verbraucher zugeordnet, welchem die mittels des Generators gewonnene elektrische Energie zuführbar ist, um den Verbraucher mit elektrischer Energie, insbesondere elektrischem Strom, zu betreiben. Dabei kann vorgesehen sein, dass die elektrische Energie dem Verbraucher zumindest im
Wesentlichen direkt, d.h. ohne Zwischenspeichern ng in einer geeigneten
Speichereinrichtung, beispielsweise in einer Batterie, zugeführt wird. So kann die mittels des Generators gewonnene elektrische Energie direkt und wirkungsgradgünstig genutzt werden, um den elektrischen Verbraucher zu betreiben. Somit ist es nicht notwendig und nicht vorgesehen, weiteren Kraftstoff durch die Verbrennungskraftmaschine zum
Betreiben des Verbrauchers zu verbrennen. Mit anderen Worten können damit der Kraftstoffverbrauch und damit die C02-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine weiter reduziert werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der dem Generator zugeordnete elektrische Verbraucher als Starter-Generator zum Starten der
Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Der Starter-Generator ist beispielsweise mit einer Kurbelwelle der als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine drehfest verbunden oder koppelbar, beispielsweise über eine Kupplungseinrichtung, so dass zum Starten der Verbrennungskraftmaschine die Kurbelwelle von dem Starter- Generator antreibbar ist, bis in wenigstens einem Brennraum, insbesondere in einem Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungsvorgänge ablaufen können und die Verbrennungskraftmaschine ohne Zutun des Starter-Generators betrieben werden kann. Dies wird als Anlassen der Verbrennungskraftmaschine bezeichnet. Der Starter- Generator kann auch mit einer anderweitigen Abtriebswelle der als anderweitige
Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine drehfest verbunden bzw. koppelbar sein, um die Verbrennungskraftmaschine anzulassen.
Infolge dieser drehfesten Verbindung bzw. Verbindbarkeit des Starter-Generators mit der Kurbelwelle ist es auch möglich, insbesondere in geeigneten Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine den Starter-Generator als Generator zu nutzen, um mechanische Energie der Kurbelwelle in elektrische Energie umzuwandeln. Im
Gegensatz zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Drehmoment von dem Starter-Generator in die Kurbelwelle eingeleitet wird, wird nun ein Drehmoment von der Kurbelwelle in den Starter-Generator eingeleitet und dazu genutzt, elektrische Energie zu gewinnen.
Dadurch ist beispielsweise eine sogenannte Lastpunktverschiebung der
Verbrennungskraftmaschine durchführbar. Wird die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise in einem Lastpunkt betrieben, in welchem die Verbrennungskraftmaschine nicht ihren optimalen Kraftstoffverbrauch aufweist, so kann die
Verbrennungskraftmaschine durch den Starter-Generator zusätzlich belastet werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine dann in einem Betriebspunkt mit höherer Last betrieben wird, in welchem die Verbrennungskraftmaschine einen besseren, d.h.
niedrigeren spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist als ohne diese
Lastpunktverschiebung. Diese der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich mittels des Starter-Generators aufgeprägte Last wird dann dazu genutzt, um mittels des Starter- Generators elektrische Energie zu gewinnen und diese elektrische Energie kann dann beispielsweise in einer geeigneten Speichereinheit, insbesondere in einer Batterie gespeichert, insbesondere zwischengespeichert, werden und/oder zumindest im
Wesentlichen direkt einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden, um diesen Verbraucher zu betreiben. Somit ist ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, was mit einem besonders geringen
Kraftstoffverbrauch und mit geringen C02-Emissionen einhergeht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der der weiteren Turbine zugeordnete Generator thermisch isoliert und/oder mittels eines Kühlmediums, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, kühlbar. Dadurch kann ein Wärmeeintrag von der von heißem Abgas durchströmten Turbine und/oder weiteren Turbine in den beispielsweise in einem Nahbereich der Turbine angeordneten Generator vermieden oder zumindest gering gehalten und/oder effizient über das Kühlmedium abgeführt werden. Dadurch kann der Generator besonders effizient betrieben werden und besonders effizient mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Dazu ist dem Generator beispielsweise eine Kühleinrichtung zugeordnet, welche einen Kühlkreislauf mit dem Kühlmedium, insbesondere mit der Kühlflüssigkeit, aufweist. Die Kühleinrichtung umfasst beispielsweise zumindest einen Wärmetauscher, welcher von dem Kühlmedium durchströmbar ist und mittels welchem das Kühlmedium selbst infolge eines entsprechenden Wärmeübergangs kühlbar ist, um anschließend den Generator wieder effizient kühlen zu können.
Der Generator ist mittels des Kühlmediums infolge eines Wärmeübergangs von dem Generator über Wandungen desselben, beispielsweise eines Gehäuses des Generators, an das Kühlmedium zu kühlen. Dazu wird der Generator beispielsweise zumindest teilweise von dem Kühlmedium durchströmt. Zu diesem Zweck umfasst das Gehäuse beispielsweise wenigstens einen Kühlkanal, welcher von dem Kühlmedium durchströmbar ist. Nach erfolgter Durchströmung des Generators strömt das Kühlmedium zu dem Wärmetauscher, mit welchem das Kühlmedium infolge eines weiteren Wärmeübergangs von dem erwärmten Kühlmedium an ein weiteres Kühlmedium gekühlt wird. Bei dem weiteren Kühlmedium handelt es sich beispielsweise um Luft, welche den
Wärmetauscher durch- und/oder umströmt. Im Anschluss strömt das so gekühlte
Kühlmedium wieder zum Generator, um diesen wieder erneut kühlen zu können.
Das weitere Kühlmedium umströmt den Wärmetauscher beispielsweise infolge einer Fahrt eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit der
erfindungsgemäßen Turbine. Dazu ist der Wärmetauscher an geeigneten Stellen anzuordnen und/oder es sind geeignete Führungseinrichtungen vorgesehen, um den Wärmetauscher mit der Luft, insbesondere dem Fahrtwind, zu versorgen. θ
Ebenso möglich ist es, dass die Kühleinrichtung wenigstens eine Lüftereinrichtung beispielsweise mit einem Elektromotor und mit einem von dem Elektromotor antreibbaren Ventilator umfasst, mittels welcher der Wärmetauscher mit dem weiteren Kühlmedium in Form der Luft zu beaufschlagen und zu versorgen ist. So können das Kühlmedium und damit der Generator besonders effizient gekühlt werden, so dass mittels des Generators die mechanische Energie besonders effizient in elektrische Energie umzuwandeln ist.
Alternativ oder zusätzlich ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass eine Welle des
Generators, welche über das Turbinenrad der weiteren Turbine von dem Abgas angetrieben wird, unter dem Gesichtspunkt der Wärmeleitung hinsichtlich eines minimalen Wärmeflusses von der Werkstoffseite wie auch von einer geometrischen Festlegung eines Rad-Wellenverbandes des Turbinenrads mit der Welle optimiert ausgestaltet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Turbine kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die mittels des Generators gewonnene elektrische Energie in einer geeigneten Speichereinrichtung, beispielsweise in einer Batterie oder dergleichen, gespeichert, insbesondere zwischengespeichert, wird. Dadurch ist es möglich, die elektrische Energie bedarfsgerecht einzusetzen und zu nutzen und im Bedarfsfall von der
Speichereinrichtung ab- und dem entsprechenden Verbraucher zum Betreiben desselben zuzuführen. Dadurch ist ein besonders bedarfsgerechter und effizienter Betrieb ermöglicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist stromauf des
Turbinenrads der weiteren Turbine eine Dralleinrichtung angeordnet, mittels welcher das das Turbinenrad der Turbine umgehende und das Turbinenrad der weiteren Turbine anströmende Abgas mit einer Vorzugsbewegung, insbesondere einer Drallbewegung, zu versehen ist. Bei einer solchen Dralleinrichtung handelt es sich beispielsweise um ein Drallgitter, mittels welchem dem Abgas die Vorzugsbewegung aufzuprägen ist. Dadurch ist es ermöglicht, bereits stromauf des Turbinenrads der weiteren Turbine zumindest im Wesentlichen optimale Strömungsbedingungen bzw. eine zumindest im Wesentlichen optimale Strömung des Abgases zu gestalten, um das Turbinenrad der weiteren Turbine zumindest im Wesentlichen optimal und strömungsgünstig anströmen zu können.
Dadurch ist die weitere Turbine besonders effizient betreibbar.
Vorteilhafterweise ist mittels der Dralleinrichtung die Menge des das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases einstellbar. Mit anderen Worten fungiert die Dralleinrichtung als die Ventileinrichtung zum Einstellen der Menge des das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases, wobei der Umgehungskanal beispielsweise zumindest im Wesentlichen vollständig fluidisch versperrbar sowie zumindest
bereichsweise fluidisch freigebbar ist. Dadurch kann die Menge des das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases bedarfsgerecht und variabel eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Ventileinrichtungen vorgesehen sind oder von Nöten sind. Dies hält das Gewicht, die Teileanzahl, die Kosten und den Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Turbine gering, was insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens, insbesondere des Personenkraftwagens, zur Lösung und/oder zur Vermeidung von Package-Problemen beiträgt.
Die variable Turbinengeometrie der weiteren Turbine ist beispielsweise derart dargestellt, dass das Turbinenrad der weiteren Turbine einen Nabenkörper mit wenigstens einer an dem Nabenkörper gehaltenen Laufradschaufel umfasst, welche relativ zum Nabenkörper verstellbar, insbesondere um eine Drehachse drehbar, ist. Bevorzugt umfasst das Turbinenrad der weiteren Turbine eine Mehrzahl von Laufradschaufeln, welche an den Nabenkörper gehalten und relativ zu diesem bewegbar, insbesondere um eine Drehachse drehbar drehbar, sind. So kann die weitere Turbine besonders flexibel und
bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte und insbesondere an unterschiedliche Volumenströme bzw. Massenströme des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases angepasst werden, woraus ein besonders effizienter Betrieb der weiteren Turbine resultiert.
Ferner ist es möglich, dass die variable Turbinengeometrie der weiteren Turbine durch einen sogenannten Axialschieber dargestellt ist. Die weitere Turbine umfasst
beispielsweise ein stromauf des Turbinenrads angeordnetes Leitgitter, mittels welchem das das Turbinenrad der weiteren Turbine antreibende Abgas in eine bestimmte Richtung geleitet werden kann, bevor es das Turbinenrad strömungsgünstig anströmt. Ferner ist ein in axialer Richtung des Turbinenrads bewegbares, insbesondere verschiebbares, Abdeckelement vorgesehen, mittels welchem das Leitgitter zumindest bereichsweise abdeckbar ist, wobei diese Abdeckung des Leitgitters durch das Abdeckelement durch eine Bewegung des Abdeckelements in axialer Richtung einstellbar ist. Mit anderen Worten kann mittels des Abdeckelements ein Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads variabel eingestellt, d.h. fluidisch freigegeben oder demgegenüber fluidisch versperrt, werden. Dadurch ist der Durchsatzparameter der weiteren Turbine variabel einstellbar und an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anpassbar. Anderweitige Ausgestaltungen der variablen Turbinengeometrie der weiteren Turbine sind zusätzlich oder alternativ möglich.
Wie bereits geschildert, weist das die Turbine sowie die weitere Turbine durchströmende Abgas besonders hohe Temperaturen auf. Insbesondere bei den Otto-Motoren kann es zu Temperaturen des Abgases von bis zu 1100° kommen, mit welchen das Abgas in die weitere Turbine eintritt. Dementsprechend ist die variable Turbinengeometrie an diese hohen Abgastemperaturen anzupassen, um eine Funktionsfähigkeit der variablen Turbinengeometrie und damit der gesamten weiteren Turbine auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zu gewährleisten und über diese hohe Lebensdauer hinweg die Menge des das Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases variabel einstellen zu können.
Um solch hohe Temperaturen werkstoffseitig zu beherrschen, ist das Turbinenrad der weiteren Turbine bevorzugt zumindest im Wesentlichen aus einer Keramik, wie beispielsweise Si3N , ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist auch die variable
Turbinengeometrie, beispielsweise die Dralleinrichtung und/oder das Drallgitter und/oder das Leitgitter und/oder das Abdeckelement und/oder Gehäuseteile der Turbine sowie der weiteren Turbine zumindest im Wesentlichen aus Keramik ausgebildet. Dies
gewährleistet die Funktion und damit den effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Kraftwagen mit einer Verbrennungskraftmaschine, welche einen Abgastrakt aufweist, in dem eine erste Turbine mit einem um eine Drehachse drehbaren und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbinenrad eines Abgasturboladers angeordnet ist. Ferner ist eine Umgehungseinrichtung vorgesehen, welche zumindest einen Umgehungskanal aufweist, über welchen das Turbinenrad von Abgas zu umgehen ist. Dies bedeutet, dass Abgas der Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise den Umgehungskanal durchströmen kann, wodurch das Turbinenrad nicht mit dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas beaufschlagt und somit nicht von diesem Abgas angetrieben wird. Der Umgehungseinrichtung ist dabei eine zweite Turbine zugeordnet, welche von das Turbinenrad über die Umgehungseinrichtung umgehendem Abgas antreibbar ist.
Erfindungsgemäß ist ein von der zweiten Turbine antreibbarer Generator vorgesehen, mittels welchem mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Ferner ist den Turbinen jeweils zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet, mittels welchen ein jeweiliger engster Strömungsquerschnitt der Turbinen einstellbar und unter Rückgewinnung und Umwandlung von Bremsenergie in elektrische Energie durch den Generator der sich bewegende Kraftwagen abbremsbar ist. Die Turbinen des erfindungsgemäßen Kraftwagens können somit insbesondere in Kombination miteinander dazu genutzt werden, den Kraftwagen über die Verbrennungskraftmaschine abzubremsen, wobei die daraus resultierende Bremsenergie, welche wiederum aus kinetischer Energie des sich bewegenden Kraftwagens resultiert, über die Verbrennungskraftmaschine mittels der zweiten Turbine genutzt und rückgewonnen (rekuperiert) werden und in elektrische Energie durch den Generator umgewandelt werden kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. So kann die erste Turbine als die Turbine des ersten Aspekts der Erfindung ausgebildet sein.
Durch die Rückgewinnung (Rekuperation) der kinetischen Energie kann elektrische Energie gewonnen werden, und zwar ohne zur Gewinnung der elektrischen Energie zusätzlichen Kraftstoff aufwenden und mit der Verbrennungskraftmaschine verbrennen zu müssen. Die so gewonnene elektrische Energie kann dann zum Betreiben wenigstens eines elektrischen Verbrauchers genutzt werden, so dass der Verbraucher betrieben werden kann, ohne zusätzlichen Kraftstoff aufwenden zu müssen. Dadurch weist die Verbrennungskraftmaschine des erfindungsgemäßen Kraftwagens einen reduzierten Kraftstoffverbrauch auf, was mit reduzierten C02-Emissionen einhergeht.
Das Abgas, von welchem die zweite Turbine, insbesondere ein Turbinenrad der zweiten Turbine, antreibbar ist, ist beispielsweise ein aus einer Verbrennung eines Kraftstoff-Luft- Gemisches in wenigstens einem Brennraum, insbesondere einem Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine, resultierendes Abgas. Dieses Abgas entsteht in einem sogenannten befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Kraftstoff-Luft- Gemisch verdichtet und durch Selbstzündung oder mittels einer Fremdzündeinrichtung zündet und verbrannt wird.
Ebenso möglich ist es, dass beim Abbremsen des Kraftwagens das Abgas, welches die zweite Turbine antreibt, aus der Verbrennungskraftmaschine bzw. dem zumindest einen Brennraum ausströmende und insbesondere unverbrannte Luft und/oder ein unverbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch ist. In jeglichem Fall kann mittels der zweiten Turbine beim Abbremsen des Kraftwagens in dem Abgas (sei es verbrannte Luft bzw. ein verbranntes Luft-Abgas-Gemisch, unverbrannte Luft und/oder ein unverbranntes Luft-Abgas- Gemisch) genutzt und mittels des Generators in elektrische Energie umgewandelt werden.
Auch bei dem zweiten Aspekt der Erfindung ist die bezüglich des ersten Aspekts der Erfindung geschilderte, notwendige bzw. wünschenswerte
Strömungsflächenvergrößerung bei der ersten Turbine des erfindungsgemäßen
Kraftwagens durch die Umgehungseinrichtung möglich, bei welcher in bestimmten Betriebspunkten der zumindest eine Umgehungskanal der Umgehungseinrichtung teilweise fluidisch freigebbar ist. So kann die erste Turbine von einer besonders hohen Abgasmenge durchströmt werden. Dabei durchströmt Abgas den Umgehungskanal unter Umgehung des Turbinenrads. Auch beaufschlagt Abgas das Turbinenrad der ersten Turbine und treibt dieses an. Die Umgehungseinrichtung stellt somit eine
Abblaseeinrichtung der ersten Turbine dar, mittels welcher die Durchsatzspreizung der ersten Turbine besonders groß gestaltet werden kann und welche eine bedarfsgerechte Einstellung des Durchsatzparameters der ersten Turbine ermöglicht. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine sowie deren C02-Emissionen gering gehalten werden. Ferner weist der erfindungsgemäße Kraftwagen den Vorteil auf, dass bei Umgehung des Turbinenrads der ersten Turbine in den das Turbinenrad der ersten Turbine umgehenden Abgas enthaltene Energie genutzt und rückgewonnen (rekuperiert) werden kann, da die zweite Turbine bzw. das Turbinenrad der zweiten Turbine von dem das Turbinenrad der ersten Turbine umgehenden Abgas angetrieben werden kann. So kann in dem Abgas enthaltene Energie zunächst in mechanische Energie umgewandelt werden, die dem Generator zugeführt wird. Der Generator kann dann die ihm zugeführte mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, um damit bedarfsgerecht zumindest einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen zu können.
In Zusammenschau mit dem ersten Aspekt der Erfindung bedeutet dies, das bei dem der Turbine des ersten Aspekts der Erfindung Energie, das heißt die im das Turbinenrad der Turbine umströmenden Abgas enthaltene Energie, beim Abblasen rekuperiert wird, während bei dem zweiten Aspekt der Erfindung Energie, das heißt die kinetische Energie des sich bewegenden Kraftwagens zumindest teilweise, rekuperiert wird. Wie bereits erwähnt, können die Aspekte der Erfindung kombiniert werden. Dadurch kann ein Kraftwagen geschafften werden, bei welchem beim Abblasen und/oder beim Abbremsen des Kraftwagens herkömmlicherweise ungenutzte Energie rekuperiert und nutzbar gemacht werden kann. Dies hält den Kraftstoffverbrauch und damit die C02-Emissionen besonders gering. Bei diesem Kraftwagen wird dann beispielsweise beim Abbremsen und der damit einhergehenden Rekuperation die rekuperierte Energie als elektrische Energie, insbesondere zumindest im Wesentlichen direkt, in die Batterie des Kraftwagens geleitet und dort gespeichert. Die rekuperierte und so gespeicherte elektrische Energie kann dann bedarfsgerecht genutzt werden, indem sie von der Batterie abgeführt und wenigstens einem elektrischen Verbraucher zugeführt wird.
Ferner wird bei diesem Kraftwagen beispielsweise beim Abblasen (das Turbinenrad wird von Abgas umgangen) und der damit einhergehenden Rekuperation die rekuperierte Energie, insbesondere zumindest im Wesentlichen direkt, das heißt ohne Speicherung oder Zwischenspeicherung in der Batterie, wenigstens einem elektrischen Verbraucher zugeführt. Dadurch wird der elektrische Verbraucher angetrieben und kann zumindest nahezu ohne Mehraufwand an Kraftstoff betrieben werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung weist die zweite Turbine als die ihr zugeordnete Stelleinrichtung eine variable
Turbinengeometrie auf, mittels welcher Strömungsbedingungen der zweiten Turbine für das Abgas und der engste Strömungsquerschnitt der zweiten Turbine variabel einstellbar sind. Eine entsprechende Versteileinrichtung zur Darstellung der variablen
Turbinengeometrie kann dabei zumindest teilweise stromauf und/oder stromab des Turbinenrads der zweiten Turbine angeordnet sein, um Strömungsbedingungen zumindest im Wesentlichen in einem Turbinenradeintrittsbereich bzw. in einem
Turbinenradaustrittsbereich variabel einstellen und beeinflussen zu können.
Bei dieser variablen Turbinengeometrie handelt es sich beispielsweise um einen
Axialschieber, mittels welchem der engste Strömungsquerschnitt der zweiten Turbine variabel einstellbar ist. Ebenso möglich ist der Einsatz eines sogenannten Drehschauflers oder eine Zungenschiebers als die variable Turbinengeometrie. Der Zungenschieber umfasst zumindest einen Versperrkörper, welcher mit einem Verstellring verbunden ist. Der Versperrkörper ist dabei mit dem Verstellring um eine Drehachse, um welche das Turbinenrad der zweiten Turbine drehbar ist, verdrehbar, wodurch der
Strömungsquerschnitt der zweiten Turbine bedarfsgerecht eingestellt werden kann.
Die variable Turbinengeometrie der zweiten Turbine birgt dabei den Vorteil, dass dadurch die zweiten Turbine an einer Vielzahl von unterschiedlichen Volumenströmen bzw.
Massenströmen des das Turbinenrad der ersten Turbine umgehenden Abgases anpassbar ist. So ist mittels der zweiten Turbine und des Generators die in dem Abgas enthaltene Energie effizient und verlustarm in elektrische Energie umzuwandeln. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste Turbine als die ihr zugeordnete Stelleinrichtung eine variable Turbinengeometrie auf, mittels welcher Strömungsbedingungen der ersten Turbine für das Abgas und der engste Strömungsquerschnitt der ersten Turbine variable einstellbar sind. Dabei kann das bezüglich der variablen Turbinengeometrie der zweiten Turbine Geschilderte analog und in beliebiger Kombination auf die variable Turbinengeometrie der ersten Turbine zutreffen. Die variable Turbinengeometrie der ersten Turbine ermöglicht es dabei, die erste Turbine besonders bedarfsgerecht und zumindest nahezu in dem gesamten Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine wirkungsgradgünstig an unterschiedlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine einstellen zu können. Dadurch kann ein besonders effizienter und wirkungsgradoptimaler Betrieb der ersten Turbine dargestellt werden, was einem effizienten und energieverbrauchsarmen Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine zugute kommt. Dies bedeutet, dass die
Verbrennungskraftmaschine mit einem nur sehr geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden kann, woraus geringe C02-Emissionen resultieren.
Zumindest eine der den jeweiligen Turbinen des zweiten Aspekts der Erfindung zugeordnete Stelleinrichtung kann auch in Strömungsrichtung des Abgases durch die entsprechende Turbine stromauf oder stromab der entsprechenden Turbine angeordnet und/oder als Klappe oder anderweitiges Ventilelement ausgeführt sein, mittels welcher der engste Strömungsquerschnitt variabel einstellbar ist. Dies hält die Kosten des Kraftwagens gering.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der ersten Turbine ein von der ersten Turbine antreibbarer Verdichter zugeordnet, mittels welchem der
Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtbar und die
Verbrennungskraftmaschine zur Darstellung einer Motorbremsleistung zum Abbremsen des Kraftwagens mit verdichteter Luft versorgbar ist. Der Verdichter umfasst
beispielsweise ein in einem Turbinengehäuse zumindest bereichsweise aufgenommenes und um eine Drehachse drehbares Verdichterrad, das mit einer Welle drehfest verbunden ist. Mit dieser Welle ist auch das Turbinenrad der ersten Turbine drehfest verbunden, so dass bei Beaufschlagen des Turbinenrads der ersten Turbine mit Abgas über die Welle das Verdichterrad angetrieben wird, wodurch der Verbrennungskraftmaschine
zuzuführende Luft verdichtet werden kann.
Der Abgasturbolader mit der ersten Turbine und dem dieser zugeordneten Verdichter fungiert somit als sogenannte Turbobremse, mittels welcher der Kraftwagen abzubremsen ist, wobei bei dem Abbremsen die kinetische Energie des Kraftwagens und damit die Bremsenergie zumindest teilweise mittels des Generators rekuperierbar und in elektrische Energie umwandelbar ist. Diese Abbremsbarkeit sowie die Rückgewinnung (Rekuperierbarkeit) der kinetischen Energie bzw. der Bremsenergie ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftwagen auf einfache und kostengünstige Weise dargestellt. Ferner weist der erfindungsgemäße Kraftwagen ein geringes Gewicht auf, was dem geringen Kraftstoffverbrauch und somit den geringen C02-Emissionen der
Verbrennungskraftmaschine weiterhin zugute kommt.
Zur Unterstützung der so realisierten Turbobremse kann vorgesehen sein, dass eine Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird. Dazu wird Kraftstoff in dem zumindest einen Brennraum, insbesondere in den Zylinder, eingebracht. Es liegt dann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem zumindest einen Brennraum vor, welches bevorzugt bezogen auf eine Drehstellung, welche als Gradkurbelwinkel [°KW] bezeichnet wird, einer rotierenden Abtriebswelle, insbesondere einer Kurbelwelle, der
Verbrennungskraftmaschine besonders früh gezündet wird. Mit anderen Worten wird bevorzugt ein besonders früher Zündzeitpunkt, insbesondere Zündzeitwinkel, eingestellt, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch beispielsweise durch Selbstzündung oder mittels einer Fremdzündeinrichtung zu entzünden und so, insbesondere durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die Turbobremse und damit das Abbremsen des Kraftwagens zu unterstützen. Bezogen auf die Rückgewinnung der Bremsenergie bedeutet die Durchführung einer Verbrennung beim Abbremsen des Kraftwagens eine Erhöhung von Eintrittstemperaturen der zweiten Turbine, so dass diese besonders hohe
Turbinenleistungen aufweist. So kann über die zweite Turbine und den elektrischen Generator ein besonders hoher Betrag an elektrischer Energie gewonnen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung des zweiten Aspekts der Erfindung ist dem Generator zumindest ein elektrischer Verbraucher zugeordnet, welcher
insbesondere zumindest im Wesentlichen direkt, d.h. ohne Zwischenspeicherung in einer entsprechenden Speichereinrichtung, beispielsweise einer Batterie, mit elektrischer Energie des Generators versorgbar ist. So kann die mittels des Generators gewonnene elektrische Energie direkt und wirkungsgradgünstig genutzt werden, um den elektrischen Verbraucher zu betreiben. Dabei ist es nicht notwendig und nicht vorgesehen, weiteren Kraftstoff durch die Verbrennungskraftmaschine zum Betreiben des Verbrauchers zu verbrennen. Damit können der Kraftstoffverbrauch und die C02-Emissionen der
Verbrennungskraftmaschine weiter reduziert werden. Der elektrische Verbraucher ist beispielsweise als ein Starter-Generator zum Starten der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, welcher mit der elektrischen Energie des Generators versorgbar ist. Der Starter-Generator ist beispielsweise mit der Abtriebswelle, insbesondere der Kurbelwelle, der Verbrennungskraftmaschine drehfest verbunden oder koppelbar, beispielsweise über ein Kupplungseinrichtung, so dass zum Starten der Verbrennungskraftmaschine die Abtriebswelle von dem Starter-Generator antreibbar ist, bis in dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine Verbrennungsvorgänge ablaufen können und die Verbrennungskraftmaschine ohne Zutun des Starter-Generators betrieben werden kann. Dies wird als Anlassen der Verbrennungskraftmaschine bezeichnet.
In Folge dieser drehfesten Verbindung bzw. Verbindbarkeit des Starter-Generators mit der Abtriebswelle ist es auch möglich, insbesondere in geeigneten Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine den Starter-Generator als Generator zu nutzen, um mechanische Energie der Abtriebswelle in elektrische Energie umzuwandeln. Im
Gegensatz zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Drehmoment von dem Starter-Generator in die Abtriebswelle eingeleitet wird, wird nun ein Drehmoment von der Abtriebswelle in den Starter-Generator eingeleitet und dazu genutzt, elektrische Energie über den Starter-Generator zu gewinnen.
Dadurch ist beispielsweise eine sogenannte Lastpunktverschiebung der
Verbrennungskraftmaschine durchführbar. Wird die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise in einem Lastpunkt in ihrem Kennfeld betrieben, in welchem die
Verbrennungskraftmaschine nicht ihren optimalen, insbesondere spezifischen,
Kraftstoffverbrauch aufweist, so kann die Verbrennungskraftmaschine durch den Starter- Generator zusätzlich belastet werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine dann in einem Betriebspunkt bzw. Lastpunkt mit höherer Last betrieben wird, in welchem die Verbrennungskraftmaschine einen besseren, d.h. niedrigeren, spezifischen
Kraftstoffverbrauch aufweist als ohne die Lastpunktverschiebung. Diese der
Verbrennungskraftmaschine zusätzlich mittels des Starter-Generators aufgeprägte Last wird dann dazu genutzt, um mittels des Starter-Generators elektrische Energie zu gewinnen, und diese elektrische Energie kann dann beispielsweise in einer geeigneten Speichereinrichtung, beispielsweise in einer Batterie, gespeichert, insbesondere zwischengespeichert, werden und/oder zumindest im Wesentlichen direkt einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden, um diesen Verbraucher zu betreiben. Somit ist ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine möglich, was mit einem besonders geringen Kraftstoffverbrauch und geringen C02-Emissionen einhergeht.
Von besonderem Interesse bei der Nutzung des Starter-Generators ist seine optionale elektromotorische Betriebsweise. Der Starter-Generator wird im vorzugsweise als
Elektromotor verwendet, um die gewonnene elektrische Energie während des Abblasens direkt der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zuzuführen.
Ferner ist es möglich, mittels des Starter-Generators eine Rekuperation der kinetischen Energie des Kraftwagens bzw. der Bremsenergie vorzunehmen. Daraus ergibt sich eine zumindest im Wesentlichen parallele Schaltung des von der zweiten Turbine antreibbaren Generators und des Starter-Generators beim Abbremsen des Kraftwagens. Dadurch kann der Kraftwagen besonders effizient und mit einer hohen Bremsleistung abgebremst werden bei gleichzeitiger Rückgewinnung und Nutzung dieser hohen Bremsleistung. So können dann der Kraftstoffverbrauch und die C02-Emissionen gering gehalten werden.
Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Hubkolbenmaschine mit zumindest einem als Brennraum fungierenden Zylinder ausgebildet, wobei in dem Zylinder ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben ist dabei über ein Pleuel mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gelenkig verbunden, welche translatorische Bewegungen des Kolbens in ein rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umwandelt.
Ebenso möglich ist es, dass die Verbrennungskraftmaschine als Otto-Motor, Diesel-Motor oder Diesottomotor ausgebildet und entsprechend mit einem flüssigen Kraftstoff betreibbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die
Verbrennungskraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist und mit einem zumindest im Wesentlichen gasförmigen Kraftstoff betreibbar ist.
Der erfindungsgemäße Kraftwagen ist beispielsweise als Personenkraftwagen oder als Nutzkraftwagen und insbesondere als Hybridfahrzeug ausgebildet, welches
beispielsweise in einem Betriebszustand ausschließlich mittels der
Verbrennungskraftmaschine, in einem weiteren Betriebszustand ausschließlich mit einem Elektromotor und/oder in einem weiteren Betriebszustand sowohl mittels der
Verbrennungskraftmaschine als auch mittels des zumindest einen Elektromotors antreibbar ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels der der zweiten Turbine zugeordneten Stelleinrichtung, insbesondere mittels der variablen
Turbinengeometrie der zweiten Turbine, eine Menge an das Turbinenrad der ersten Turbine umgehenden Abgas einstellbar. Eine separate und zusätzliche Stelleinrichtung, beispielsweise eine Ventileinrichtung, zum Einstellen der das Turbinenrad der ersten Turbine umgehenden und damit den Umgehungskanal durchströmenden Abgases ist somit nicht von Nöten und nicht vorgesehen. Dies hält die Teileanzahl, die Kosten und das Gewicht des erfindungsgemäßen Kraftwagens gering. Ferner kann dadurch der Bauraumbedarf der Umgehungseinrichtung in einem geringen Rahmen gehalten werden, was zu einer Lösung und/oder Vermeidung von Package-Problemen, insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens, beiträgt.
Ist zumindest eine Speichereinrichtung, insbesondere eine Batterie vorgesehen, mittels welcher die elektrische Energie speicherbar ist, so kann die mittels des Generators gewonnene elektrische Energie in Betriebsphasen des Kraftwagens, in welcher die gewonnene elektrische Energie keine Verwendung zum Betreiben des elektrischen Verbrauchers findet, gespeichert und in Betriebsphasen, in welchen der zumindest eine elektrische Verbraucher zu betreiben ist, von der Speichereinrichtung ab- und dem Verbraucher zugeführt werden. Dadurch ist eine besonders bedarfsgerechte
Versorg barkeit des elektrischen Verbrauchers realisiert. Ferner kann die elektrische Energie gespeichert werden und muss nicht etwa in der Betriebsphase, in welcher sie keine Verwendung findet, ungenutzt anderweitig abgeführt werden.
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Abgastrakt aufweist, in welchem eine erste Turbine mit einem um eine Drehachse drehbaren und von Abgas der
Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbinenrad eines Abgasturboladers angeordnet ist, sowie mit einer Umgehungseinrichtung, welche zumindest einen
Umgehungskanal aufweist, über welchen das Turbinenrad von Abgas umgangen wird. Der Umgehungseinrichtung ist eine zweite Turbine zugeordnet, welche von das
Turbinenrad über die Umgehungseinrichtung umgehendem Abgas angetrieben wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Generator von der zweiten Turbine
angetrieben wird, mittels welchem mechanische in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei den Turbinen jeweils zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, mittels welchen ein jeweiliger engster Strömungsquerschnitt der Turbinen variabel eingestellt und unter Rückgewinnung von Bremsenergie in elektrische Energie durch den Generator der sich bewegende Kraftwagen abgebremst wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten beiden Aspekt der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Mit anderen Worten wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der sich bewegende Kraftwagen durch entsprechende Einstellungen der Stelleinrichtungen abgebremst, wobei die Bremsenergie zum Abbremsen des Kraftwagen, welche aus kinetischer Energie des sich bewegenden Kraftwagens resultiert, rückgewonnen (rekuperiert) und somit genutzt werden kann, um die zweite Turbine, insbesondere ein Turbinenrad der zweiten Turbine, anzutreiben, und um so die Bremsenergie bzw. die elektrische Energie zumindest teilweise in elektrische Energie durch den Generator umzuwandeln.
Zum Abbremsen des Kraftwagens und zum Rückgewinnen der Bremsenergie wird beispielsweise der der ersten Turbine zugeordnete engste Strömungsquerschnitt mittels der Stelleinrichtung soweit verringert, dass die Verbrennungskraftmaschine aufgrund einer hohen Luftlieferung durch einen der ersten Turbine zugeordneten und von der ersten Turbine antreibbaren Verdichter eine hohe Motorbremsleistung erzielt. Dadurch ist eine sogenannte Turbobremse dargestellt, bei welcher der Verdichter, insbesondere ein Verdichterrad dieses Verdichters, von der Turbine besonders stark angetrieben wird. Dadurch wird die Verbrennungskraftmaschine mit einem besonders hohen Volumenstrom bzw. Massenstrom an verdichteter Luft versorgt, so dass die Verbrennungskraftmaschine eine hohe Motorbremsleistung erzeugt. Ferner wird der engste Strömungsquerschnitt der zweiten Turbine mittels der der zweiten Turbine zugeordneten Stelleinrichtung in
Kombination mit der entsprechenden Einstellung der Stelleinrichtung der ersten Turbine derart eingestellt, dass der der zweiten Turbine zugeordnete engste
Strömungsquerschnitt eine zumindest im Wesentlichen optimale Rekuperation der Motorbremsleistung und damit der Bremsenergie zulässt, welche dann über den
Generator effizient in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Energie wird dann in einer Speichereinrichtung, beispielsweise in einer Batterie, gespeichert, insbesondere zwischengespeichert, und/oder einem elektrischen Verbraucher zumindest im Wesentlichen direkt zugeführt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils an- gegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer als Hubkolbenmaschine ausgebildeten
Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader, welcher eine Turbine mit einem vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbinenrad umfasst, wobei die Turbine eine Umgehungseinrichtung umfasst, über welche das Turbinenrad von Abgas zu umgehen ist, und wobei der Umgehungseinrichtung eine weitere Turbine zugeordnet ist, welche von dem das Turbinenrad der ersten Turbine umgehenden Abgas antreibbar ist;
Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform der
weiteren Turbine gemäß Fig. 1 , welcher ein elektrischer Generator zugeordnet ist, mittels welchem mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist;
Fig. 3 jeweils einen Verlauf eines Ladungswechseldrucks und eines
Turbineneintrittsdrucks über einer relativen Drehzahl der
Verbrennungskraftmaschine gemäß Fig. 1 ; und
Fig. 4 einen Verlauf einer relativen Abblasemenge der Turbine über einer
relativen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine gemäß Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt eine als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 mit vier Zylindern 12. Die Verbrennungskraftmaschine 10 dient dabei zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Hybridfahrzeugs. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 saugt diese Luft aus der Umgebung an, was in der Fig. 1 durch einen Richtungspfeil 14 dargestellt ist. Die Luft durchströmt zunächst einen in einem Ansaugtrakt 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordneten Luftfilter 18, mittels welchem die Luft gereinigt wird. In Strömungsrichtung der Luft durch den
Ansaugtrakt 16 ist stromab des Luftfilters 18 in dem Ansaugtrakt 16 ein Verdichter 20 eines der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordneten Abgasturboladers 22 angeordnet. Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad 24, welches um eine Drehachse 26 drehbar ist. Mittels des Verdichters 20 ist die Luft von einem ersten Druckniveau auf ein demgegenüber höheres Druckniveau zu verdichten. Dementsprechend weist die Luft stromab des Verdichters 20 einen Druck p2 auf.
Durch Richtungspfeile 27 ist in der Fig. 1 angedeutet, dass die Luft weiter durch den Ansaugtrakt 16 zu einer im Ansaugtrakt 16 angeordneten Drosselklappe 28 strömt. Mit der Drosselklappe kann ein Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine 10, welches in der Fig. 1 durch einen Richtungspfeil 30 angedeutet ist und von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 10 abgegeben wird, eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Drosselklappe 28 dazu dienen, ein Aufstauverhalten des
Ansaugtrakts 16 einzustellen, um eine Menge von rückzuführendem Abgas einzustellen.
Wie durch einen Richtungspfeil 30 angedeutet ist, strömt die verdichtete und dadurch erwärmte Luft weiter zu einem in dem Ansaugtrakt 16 angeordneten Ladeluftkühler 36, mittels welchem die erwärmte Luft wieder gekühlt wird. Nach erfolgter Kühlung durch den Ladeluftkühler 36 weist die Luft einen Ladedruck p2s auf. Nach erfolgtem Durchströmen des Ladeluftkühlers 36 strömt die Luft, wie durch Richtungspfeile 38 angedeutet ist, weiter zu einem im Ansaugtrakt 16 angeordneten Ladeluftverteiler 40, mittels welchem die verdichtete und gekühlte Luft auf die Zylinder 12 aufgeteilt wird.
Bei der Verbrennungskraftmaschine 10 handelt es sich beispielsweise um eine direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine 10. Dies bedeutet, dass die in die Zylinder 12 eingeströmte und verdichtete Luft mit Kraftstoff beaufschlagt wird, indem der Kraftstoff mittels entsprechender Einspritzventile in die Zylinder 12 direkt eingespritzt wird. Daraus resultiert ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches beispielsweise durch Selbstzündung oder durch Zündung mittels einer Fremdzündeinrichtung gezündet wird und verbrennt.
Durch diese Verbrennung expandiert das Kraftstoff-Luft-Gemisch und bewegt in den Zylindern 12 translatorisch bewegbar aufgenommene Kolben, deren translatorische Bewegung mittels der Kurbelwelle 32, mit welcher sie gekoppelt sind, in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 32 umgewandelt wird. Aus der Verbrennung resultiert Abgas, das aus den Zylindern mittels der Kolben gefördert und durch einen in einem Abgastrakt 42 angeordneten Abgaskrümmer 44 gesammelt wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst eine Abgasrückführeinrichtung 46 mit einer Abgasrückführleitung 48, welche an eine Abzweigstelle 50 mit dem Abgastrakt 42 und an einer Einleitstelle 52 mit dem Ansaugtrakt 16 fluidisch verbunden ist. Über die
Abgasrückführleitung 48 kann somit Abgas von dem Abgastrakt 42 zu dem Ansaugtrakt 16 rückgeführt und in diesen eingeleitet werden. So kann die verdichtete Luft mit rückgeführtem Abgas beaufschlagt werden, wodurch die Stickoxid- und Partikel- Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 gering gehalten werden können.
Zur Einstellung einer Menge des rückzuführenden Abgases umfasst die
Abgasrückführeinrichtung 46 ein Abgasrückführventil 54, welches zumindest teilweise in der Abgasrückführleitung 48 angeordnet ist. In Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases durch die Abgasrückführleitung 48 ist stromab des Abgasrückführventils 54 und stromauf der Einleitstelle 52 ein Abgasrückführkühler 56 angeordnet, mittels welchem das rückzuführende Abgas zu kühlen ist. In der Umgehungsleitung 48 ist ferner ein
Druckmodulator 58 vorgesehen, mittels welchem Druckschwingungsanregungen, verursacht durch Auslasspulsationen der Verbrennungskraftmaschine 10, in der
Abgasrückführleitung 48 soweit moduliert werden, dass im Bereich der Einleitstelle 52, an welcher sich das rückgeführte Abgas mit der verdichteten Luft mischt, keine oder nur sehr geringe wirksame Anregungsintensitäten mehr vorhanden sind. Der Druckmodulator 58 ist dabei stromab des Abgasrückführkühlers 56 und stromauf der Eintrittsstelle 52 angeordnet und umfasst ein Dämpfungsvolumen 60 sowie einen angepassten effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten
Zuströmquerschnitt 62 sowie einen angepassten effektiven und durch ein
entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten Abströmquerschnitt 64, welche in Verbindung mit der Größe des Dämpfungsvolumens 60 eine starke Dämpfung der Druckschwingung und damit von Druckpulsationen an der Einleitstelle 52 verursacht.
Wie in der Fig. 1 durch einen Richtungspfeil 66 angedeutet ist, kann zumindest ein Teil des Abgases aus den Zylindern 12 einer ersten Turbine 68 des Abgasturboladers 20 zugeführt werden. Die erste Turbine 68 umfasst ein Turbinenrad 70, welches um die Drehachse 26 drehbar in einem Turbinengehäuse der ersten Turbine 68 aufgenommen ist. Bei der ersten Turbine 68 handelt es sich beispielsweise um eine sogenannte
Festgeometrie-Turbine mit einer nicht-verstellbaren Turbinengeometrie. Ebenso kann es sich bei der ersten Turbine 68 um eine sogenannte Vario-Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie handeln. Dadurch ist die erste Turbine 68 besonders bedarfsgerecht auf unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 einstellbar und anpassbar und so besonders effizient betreibbar. Zur Darstellung der variablen Turbinengeometrie der ersten Turbine 68 kann
beispielsweise ein sogenannter Zungenschieber vorgesehen sein. Der Zungenschieber umfasst dabei zumindest einen im Wesentlichen zungenförmigen, d.h.
tragflächenförmigen, Versperrkörper, welcher mit einem Verstellring verbunden ist. Der Versperrkörper ist dabei mit und über den Verstellring um die Drehachse 26 drehbar. Dadurch kann ein effektiver Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads 70 variabel eingestellt werden, was eine variable Einstellbarkeit des Durchsatzparameters Φτ , An der ersten Turbine 68 des Abgasturboladers 62 ermöglicht.
Das Abgas kann das Turbinenrad 70 beaufschlagen und dadurch antreiben. Das
Turbinenrad 70 ist dabei mit einer Welle 72 des Abgasturboladers 72 drehfest verbunden, wobei mit der Welle 72 auch das Verdichterrad 24 des Verdichters 20 drehfest verbunden ist. So kann das Verdichterrad 24 über die Welle 72 von dem Turbinenrad 70 angetrieben werden und die Luft verdichten. Die erste Turbine 68 nutzt somit in dem Abgas enthaltene Energie und wandelt diese Energie in mechanische Energie um. Dadurch wird das Abgas von einem stromauf der ersten Turbine 68 herrschenden Druck p3 auf einen stromab der ersten Turbine 68 herrschenden Druck p4 expandiert.
Wie durch Richtungspfeile 74 angedeutet ist, strömt das expandierte Abgas durch den Abgastrakt 42 weiter zu einer in dem Abgastrakt 42 angeordneten
Abgasnachbehandlungseinrichtung 76, mittels welcher das Abgas gereinigt wird, bevor es an die Umgebung strömt, was durch einen Richtungspfeil 78 angedeutet ist. Die
Abgasnachbehandlungseinrichtung 76 umfasst beispielsweise einen Katalysator, insbesondere einen Oxidationskatalysator.
Die erste Turbine 68 des Abgasturboladers 22 umfasst eine in der Fig. 1 sehr
schematisch dargestellte Umgehungseinrichtung 80, mittels welcher das Turbinenrad 70 der ersten Turbine 68 von Abgas zu umgehen ist. Die Umgehungseinrichtung 80 umfasst dazu einen Umgehungskanal 82, mittels welchem Abgas an einer Abzweigstelle 84 abzweigbar ist. Das an der Abzweigstelle 84 abgezweigte und den Umgehungskanal 82 durchströmende Abgas kann das Turbinenrad 70 nicht beaufschlagen und nicht antreiben.
Der Umgehungseinrichtung 80 ist eine weitere Turbine 86, im Folgenden zweite Turbine 86 zugeordnet, welche fluidisch mit dem Umgehungskanal 82 verbunden ist. So kann das abgezweigte Abgas der zweiten Turbine 86 zugeführt werden und die zweite Turbine 86 antreiben. Dazu umfasst die zweite Turbine 86 ein weiteres Turbinenrad 88, welches in einem Turbinengehäuse der Turbine 86 um eine Drehachse 90 drehbar aufgenommen ist. Nach Durchströmen der zweiten Turbine 86 strömt das Abgas, wie durch einen Richtungspfeil 95 angedeutet ist, zu einer Einleitstelle 97 im Abgastrakt 42, so dass das Abgas zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 76 geleitet wird.
Der zweiten Turbine 86 ist eine Stelleinrichtung 87 zugeordnet, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer variablen Turbinengeometrie ausgebildet ist. Ebenso könnte die Stelleinrichtung 87 auch stromauf der zweiten Turbine 86 im Umgehungskanal 82 positioniert sein, bspw. in Form einer Regelklappe. Weitere Formen der
Stelleinrichtung 87, welche eine Änderung der Abgasströmung auf das weitere
Turbinenrad 88 zu Folge haben, sind ebenfalls möglich.
Mit Hilfe der variablen Turbinengeometrie 87 sind Strömungsbedingungen der zweiten Turbine 86 für das die erste Turbine 86 durchströmende Abgas variabel einstellbar und somit an einer Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der
Verbrennungskraftmaschine 10 anpassbar sind. Ferner kann dadurch die zweite Turbine 86 auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Volumenströmen bzw. Massenströmen des das Turbinenrad 70 umgehenden Abgases angepasst werden, um somit die zweite Turbine 86 besonders effizient betreiben zu können.
Zum Steuern bzw. Regeln der Drosselklappe 28, des Abgasrückführventils 54, der variablen Turbinengeometrie der ersten Turbine 68 sowie der variablen
Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 ist eine Regelungseinrichtung 92 vorgesehen. Das Steuern bzw. Regeln der geschilderten Komponenten ist dabei durch Richtungspfeile 94 angedeutet.
Durch die variable Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 ist eine besonders hohe Durchsatzspreizung der zweiten Turbine 86 realisiert, so dass diese in einem besonders großen Bereich des Kennfelds der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere nahezu im gesamten Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10, wirkungsgradoptimal betrieben werden kann. Ferner ist es mittels der variablen Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 möglich, ihren Durchsatzparameter ΦΤΑΙΛΙ variabel einzustellen und somit an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 und somit an unterschiedliche Volumenströme bzw. Massenströme des den Umgehungskanal 82 durchströmenden Abgases anzupassen. Darüber hinaus ist es mittels der variablen Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 möglich, die Menge und damit eine Masse mAbbiase des den Umgehungskanal 82 durchströmenden Abgases und damit die Menge des das Turbinenrad 70 umgehenden Abgases ohne zusätzliche Ventileinrichtung einstellen und somit bedarfsgerecht anpassen zu können. Mit anderen Worten fungiert die variable Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 als Ventileinrichtung.
Durch die Umgehungseinrichtung 80 ist eine Abblaseeinrichtung der zweiten Turbine 86 dargestellt, mittels welcher zur Darstellung einer besonders großen Durchsatzspreizung ein effektiver und von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmter Strömungsquerschnitt, insbesondere einer hohen Last und/oder Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine 10, vergrößerbar ist, indem der Umgehungskanal 82 mittels der variablen Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 fluidisch freigegeben wird. Ist diese Vergrößerung des Strömungsquerschnitts der ersten Turbine 68 nicht gewünscht, so kann der Umgehungskanal 82 zumindest im Wesentlichen mittels der variablen Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 fluidisch versperrt werden, so dass weniger oder kein Abgas den Umgehungskanal 82 durchströmt.
Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist das Turbinenrad 88 der zweiten Turbine 86 drehfest mit einer Welle 96 verbunden oder koppelbar, welche um die Drehachse 90 mit dem Turbinenrad 88 drehbar ist. Die Welle 96 ist dabei einem Generator 98 zugeordnet, mittels welchem mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Dies bedeutet, dass der elektrische Generator 98 von der zweiten Turbine 86 antreibbar ist. So kann in dem den Umgehungskanal 82 durchströmenden Abgas enthaltene Energie genutzt und in elektrische Energie umgewandelt werden. Dazu ist eine dem Generator 98 zugeordnete Elektronik 100 vorgesehen, über welche die gewonnene elektrische Energie einer Batterie 102 zur Speicherung der elektrischen Energie zugeführt werden kann.
Wie in der Fig. 1 angedeutet ist, ist mit der Batterie 102 durch eine geeignete Leitung 104 ein elektrischer Verbraucher 106 elektrisch verbunden, so dass dem Verbraucher 106 die in der Batterie 102 gespeicherte elektrische Energie zugeführt werden kann, um den Verbraucher 106 anzutreiben.
Bei dem Verbraucher 106 handelt es sich beispielsweise um einen sogenannten Starter- Generator, welcher drehfest mit der Kurbelwelle 32 verbunden oder koppelbar ist. Mit anderen Worten ist ein Drehmoment von dem Starter-Generator in die Kurbelwelle 32 und damit in die Verbrennungskraftmaschine 10 einleitbar, um die
Verbrennungskraftmaschine 10 zu starten, was als Anlassen bezeichnet wird.
Ebenso kann der Starter-Generator auch als Generator betrieben werden, mittels welchem mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Dazu kann ein Drehmoment von der Kurbelwelle 32 in den Starter-Generator eingeleitet werden, so dass mechanische Energie der Kurbelwelle 32 in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die so gewonnene elektrische Energie über die Leitung 104 der Batterie 102 zugeführt wird, um diese elektrische Energie in der Batterie 102 zu speichern, insbesondere zwischenzuspeichern.
Durch das Vorsehen des Starter-Generators als der elektrische Verbraucher 106 ist eine Hybridisierung eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit der Verbrennungskraftmaschine 10 möglich, wobei der Starter-Generator beispielsweise auch als Elektromotor fungieren kann, um den als ein Hybridfahrzeug ausgebildeten
Kraftwagen mittels elektrischer Energie anzutreiben.
In einem solchen Zustand befindet sich die Verbrennungskraftmaschine 10
beispielsweise in einem sogenannten unbefeuerten Betrieb, bei welchem kein Kraftstoff verbrannt wird. Um in diesem Falle die Kolben in den Zylindern 12 nicht ebenfalls mittels des als Elektromotor fungierenden Starter-Generators über die Kurbelwelle 32
mitbewegen zu müssen, kann vorgesehen sein, dass in Drehmomentenflussrichtung zwischen dem Starter-Generator über die Kurbelwelle 32 und den Kolben in den Zylindern 12 eine Kupplungseinrichtung vorgesehen ist, so dass eine Drehmomentenübertragung von dem Starter-Generator über die Kurbelwelle 32 bis zu den Kolben zu unterbrechen ist. So werden die Kolben nicht mittels des Starter-Generators angetrieben, sondern der Elektro-Generator kann Räder des Kraftwagens und damit den Kraftwagen selbst antreiben, welche in einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 über die Kurbelwelle angetrieben werden.
Die Turbinen 68 und 86 können dabei derart betrieben und dementsprechend dazu genutzt werden, den sich insbesondere in Vorwärtsfahrtrichtung fortbewegenden
Kraftwagen unter Rückgewinnung (Rekuperation) einer Bremsenergie zumindest im Wesentlichen abzubremsen, d.h. in seiner Geschwindigkeit zu reduzieren. Dazu wird der von der zweiten Turbine 86 anzutreibende Generator 98, die als Einheit als elektrischer Turbogenerator zu bezeichnen sind und die in der Lage sind, die in dem
Umgehungskanal 82 durchströmenden Abgas enthaltene Energie rückzugewinnen (zu rekuperieren), auch für die Rückgewinnung der Bremsenergie zum Abbremsen des Kraftwagens genutzt wird. Mit anderen Worten wird damit kinetische Energie des sich bewegenden Kraftwagens mittels des Generators 98 in elektrische Energie umgewandelt.
Dazu wird ein der ersten Turbine 68 zugeordneter engster Strömungsquerschnitt mittels der variablen Turbinengeometrie der ersten Turbine 68 soweit verringert, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 aufgrund einer hohen Luftlieferung durch den Verdichter 20 hohe Motorbremsleistungen und damit eine hohe Bremsenergie anhand der so dargestellten Turbobremse erzeugt. Mit anderen Worten wird in diesem Fall die
Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem besonders hohen Volumenstrom bzw.
Massenstrom an durch den Verdichter 20 verdichteter Luft versorgt, so dass die
Verbrennungskraftmaschine 10 hohe Motorbremsleistungen und damit eine hohe
Bremsenergie erzeugt. In Kombination dazu wird ein der zweiten Turbine 86
zugeordneter engster Strömungsquerschnitt mittels der variablen Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 eingestellt, der eine zumindest im Wesentlichen optimale
Rekuperation der Bremsenergie zulässt, wobei die so rekuperierte, d.h. rückgewonnene Bremsenergie beispielsweise in der Batterie 102 gespeichert und/oder dem elektrischen Verbraucher zugeführt werden kann.
Für die zumindest im Wesentlichen optimale Motorbremsleistungen und die Rekuperation der Bremsenergie ist in einem aufgeladenen Motorbremsbetrieb, bei welchem der Kraftwagen über die Verbrennungskraftmaschine 10 abgebremst und die
Verbrennungskraftmaschine 10 mit verdichteter Luft versorgt wird, ein Verhältnis zwischen einem den Umgehungskanal 82 durchströmenden Massenstrom mBypass des Abgases und einem die erste Turbine 68 durchströmenden Massenstrom mATL-Turt>ine des die erste Turbine 68 durchströmenden Abgases aufgrund eines davon abhängigen Motorgegendrucks der Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. des Drucks p3 stromauf beider Turbinen 68 und 86 maßgebend. Auch der Druck p3 stromauf der zweiten Turbine 86 wird als Turbineneintrittsdruck der zweiten Turbine 86 bezeichnet.
Weist die erste Turbine 68 beispielsweise keine variable Turbinengeometrie auf, wobei die erste Turbine 68 somit als Festgeometrie-Turbine ausgebildet ist, so kann optional eine in dem Abgastrakt 42 angeordnete Motorbremsklappe 69 vorgesehen sein, welche vorteilhafterweise in Strömungsrichtung des Abgases stromauf der ersten Turbine 68 bzw. des Turbinenrads 70 oder zumindest im Wesentlichen direkt stromab der ersten Turbine 68 bzw. dem Turbinenrad 70 angeordnet ist. Analog zu dem bezüglich der variablen Turbinengeometrie der ersten Turbine 68 Geschilderten ist es somit mittels der Motorbremsklappe 69 möglich, den entsprechenden Massenstrom mATL-Turbine variabel und bedarfsgerecht einstellen zu können. Weist die zweite Turbine 86 beispielsweise keine variable Turbinengeometrie 87, ist also die zweite Turbine 86 als Festgeometrie-Turbine ausgebildet ist, so kann analog zu dem bezüglich der ersten Turbine 68 Geschilderten eine Klappe wie die Motorbremsklappe 69 verwendet werden, die die geschilderten Aufgaben bzw. den Zweck der variablen Turbinengeometrie 87 erfüllen kann. Dabei ist diese Klappe zum Beispiel stromauf der zweiten Turbine 86 zumindest teilweise in dem Umgehungskanal 82 angeordnet.
Dadurch ist es möglich, mittels der variablen Turbinengeometrien bzw. mittels der Motorbremsklappe bzw. der Klappe einen Quotienten Qßrems variabel einzustellen, welcher sich wie folgt ergibt: m Bypass
Qßrems = X 100 %.
m Bypass m ATL - Turbine
Je nach Betriebspunkt in einer Motorbremsphase, in welcher der Kraftwagen über die Verbrennungskraftmaschine 10 abgebremst wird, sind Faktoren des Quotienten QBrems vorstellbar, die sich in einem Wertebereich von gegebenenfalls zumindest im
Wesentlichen einschließlich 20% bis zumindest im Wesentlichen einschließlich 100% bewegen können. Dies bedeutet, dass der Massenstrom mßypass zumindest im
Wesentlichen einschließlich 20% bis einschließlich zumindest im Wesentlichen 100% des gesamten Massenstroms des Abgases beträgt, der in Summe die Turbinen 68 und 86 durchströmt.
Im Falle einer Einstellung des Quotienten QBrems mit etwa 100% handelt es sich dabei um eine unaufgeladene Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine 10, bei der sich eine Ansaugung der Luft durch die Verbrennungskraftmaschine 10 im Bereich etwa unterhalb des Umgebungsdrucks einstellt. Dies bedeutet, dass der gesamte Massenstrom des Abgases in dieser Bremsphase, gegebenenfalls bis auf Leckageanteile, ausschließlich durch die zweite Turbine 86 geleitet wird, wobei der engste Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 68 zumindest im Wesentlichen vollständig fluidisch verschlossen ist und die erste Turbine 68 zumindest im Wesentlichen nicht von Abgas durchströmt wird.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei dem Abgas um Verbrennungsgase handeln kann, welches aus einer Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylindern 12 resultiert. Dies ist in einem befeuerten Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine 10 der Fall. Insbesondere kann es sich bei dem Abgas beim Abbremsen des Kraftwagens durch die Darstellung einer Motorbremse durch die
Verbrennungskraftmaschine 10 um unverbrannte Luft handeln, wobei dementsprechend ein unbefeuerter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 durchgeführt wird, bei welchem keine Verbrennungsvorgänge in den Zylindern stattfinden. Dies bedeutet, dass die von dem Verdichter 20 verdichtete Luft die Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. den Zylinder 12 durchströmt und aus diesen unverbrannt in den Abgaskrümmer 44 ausströmt. Dann handelt es sich bei den geschilderten Massenströmen mBypass und iriA-a-Turbine um einen jeweiligen Luftmassenstrom, der die Turbinen 68 und/oder 86 durchströmt. Dabei ist es möglich, in dem die zweite Turbine 86 durchströmenden und diese antreibenden Luftmassenstrom enthaltende Energie zu nutzen und mittels des Generators 98 in elektrische Energie umzuwandeln, analog zur Nutzung der in dem die zweite Turbine 86 durchströmenden Abgas enthaltene Energie.
Damit zum Abbremsen des Kraftwagens in diesen Bremsphasen zumindest im
Wesentlichen der gesamte Abgasmassenstrom die zweite Turbine 86 durchströmt, wird der Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 68 vollständig verschlossen, was
beispielsweise durch die variable Turbinengeometrie geschieht. Ist die erste Turbine 68 als Festgeometrie-Turbine ausgebildet, so kann dieses Verschließen mittels der
Motorbremsklappe 69 erfolgen.
Der Quotient Qßrems in Höhe von zumindest im Wesentlichen 20%, wobei also 20% des gesamten Massenstroms des Abgases durch die zweite Turbine 86 strömt, steht in Zusammenhang mit einer gegebenenfalls hoch aufgeladenen Turbobremse, die zu hohen Turbineneintrittsdrücken p3 führt und eine Betriebsbremseinrichtung des Kraftwagens, welche beispielsweise durch einen Scheibenbremseinrichtung dargestellt ist, merklich entlastet beim Abbremsen des Kraftwagens. Dabei wird die Bremsenergie zum
Abbremsen des Kraftwagens mittels der Motorbremse, d.h. über die
Verbrennungskraftmaschine 10, mittels der zweiten Turbine 86 und des Generators 98 zumindest teilweise rückgewonnen.
Zur Verstärkung der so dargestellten Turbobremse ist es prinzipiell auch möglich, in den Zylindern 12 Verbrennungen durch Kraftstoffeinspritzung durchzuführen, wobei gegebenenfalls eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bezogen auf eine
Drehstellung, welche als Gradkurbelwinkel bezeichnet wird, der Kurbelwelle 32 besonders früh durchgeführt wird. Die so herbeigeführte Zündung und eine daraus resultierende Expansion des Kraftstoff-Luft-Gemisches wirkt einer Bewegung der Kolben in den Zylindern 12 und einer Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entgegen, so dass dadurch die Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. die Kurbelwelle 32 und über die Kurbelwelle 32 entsprechende Räder des Kraftwagens abgebremst werden können. Ferner führt die Durchführung von Verbrennungsvorgängen beim Abbremsen des Kraftwagens in Zusammenhang mit der Rekuperation der Bremsenergie zu einer Erhöhung von Turbineneintrittstemperaturen der Turbine 68 und/oder 86, was
insbesondere zur Darstellung hoher Turbinenleistungen führt
Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der zweiten Turbine 86 mit dem
Turbinenrad 88, welches in einem Turbinengehäuse 108 der zweiten Turbine 86 um die Drehachse 90 drehbar aufgenommen ist. Wie bei der ersten Turbine 68 handelt es sich bei der zweiten Turbine 86 sowohl gemäß Fig. 1 als auch gemäß Fig. 2 um eine
Radialturbine, bei welcher dem entsprechenden Turbinenrad 70 bzw. 88 das Abgas zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung zugeführt wird. Dementsprechend handelt es sich bei dem Verdichter 20 um einen Radialverdichter.
Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die Welle 96 drehfest mit einem Rotor des
Generators 98 verbunden, welcher zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Stator des Generators 98 zusammenwirkt. Zum Antreiben des
Generators 98 wird ein Spiralkanal 1 10 des Turbinengehäuses 108 von Abgas durchströmt, was durch einen Richtungspfeil 112 angedeutet ist. Das Abgas weist dabei stromauf der zweiten Turbine 86 einen Druck p3t und eine Temperatur T3t auf. Nach Antreiben des Turbinenrads 88 strömt das Abgas durch das Turbinenrad 88 über einen Turbinenradaustrittsbereich 1 14 ab und strömt aus dem Turbinengehäuse 108 aus, was durch einen Richtungspfeil 1 16 angedeutet ist. Stromab des Turbinenrads 88 weist das Abgas den Druck p und die Temperatur T4 auf.
Die variable Turbinengeometrie 87 der zweiten Turbine 86 ist beispielsweise durch einen sogenannten Axialschieber dargestellt, welcher ein stromauf des Turbinenrads 88 angeordnetes Leitgitter sowie ein in axialer Richtung des Turbinenrads 88 verschiebbares Abdeckelement umfasst. Die Verschiebbarkeit des Abdeckelements in axialer Richtung ist dabei durch einen Richtungspfeil 118 angedeutet. Das Abdeckelement dient aber dazu, einen effektiven Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads 88 variabel einzustellen sowie eine Abdeckung des Leitgitters durch das Abdeckelement variabel einstellen zu können. In einer Schließposition ist der Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads 88 der zweiten Turbine 86 auf ein Minimum, insbesondere auf Null, reduziert, so dass kein Abgas die zweite Turbine 86 durchströmen und das Turbinenrad 88 antreiben kann. Um den Generator 68 besonders effizient betreiben zu können, ist dieser beispielsweise wassergekühlt. Dem Generator 98 kann dabei Wasser zugeführt werden, wobei ein Gehäuse 120 einen Anschlussstutzen 122 aufweist, über welchen Kühlkanäle 123 des Gehäuses 120 das Wasser zur Kühlung des Generators 98 zuführen können.
Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm 124, auf dessen Abszisse 126 eine relative Drehzahl n Motor der Verbrennungskraftmaschine 10 aufgetragen ist. Das Diagramm 124 zeigt n Μ
dabei einen Verlauf 128 des Drucks p2s, wobei es sich um einen Druck stromauf von Gaswechselventilen der Verbrennungskraftmaschine 10 handelt, welcher auch als Ladungswechseldruck oder auch als Saugrohrdruck bezeichnet wird. Ferner zeigt das Diagramm 124 einen Verlauf 130 des Drucks p3 über der relativen Drehzahl, wobei der Druck p3 auch als Turbineneintrittsdruck bezeichnet wird. Dementsprechend sind auf einer Ordinate 132 des Diagramms 124 die Drücke p3 und p2s aufgetragen.
Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Diagramm 134 auf dessen Abszisse 136 die zuvor geschilderte relative Drehzahl n Molor der Verbrennungskraftmaschine 10 aufgetragen n M.iazx
ist. Auf einer Ordinate 138 des Diagramms ist eine Abblasrate m Abblase aufgetragen.
m Mot,ges
Dabei bezeichnet mMot, ges die gesamte Menge des Abgases der
Verbrennungskraftmaschine 10, welche aus den Zylindern 12 gefördert wird. In dem Diagramm 134 ist dabei ein Verlauf 140 der Abblasrate aufgetragen, welche auch als relative Abblasemenge bezeichnet wird. Die Verläufe 128 und 130 verlaufen dabei entlang der Vollastlinie im Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10.
Wie den Fig. 3 und 4 zu entnehmen ist, beginnt die Abblasung, d.h. die Umgehung des Turbinenrads 70 durch Abgas, schon ab einem Relativwert von zumindest im
Wesentlichen 25% der Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10. Im Nennpunkt des Kennfelds der Verbrennungskraftmaschine 10 sind Abblaseraten von zumindest im Wesentlichen von über 50% der gesamten Abgasmasse der Verbrennungskraftmaschine 10 gegeben.
Die Fig. 4 zeigt ferner ein Leistungspotential L der Abblasemenge mAbbiase, welches dann mittels der zweiten Turbine 86 mittels der variablen Turbinengeometrie 87, die einen als Abblasequerschnitt bezeichneten Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals 82 für eine Drallströmung des Abgases zumindest im Wesentlichen direkt stromauf des Turbinenrads 88 freigibt, genutzt werden kann. Ausgehend im Nennpunkt der
Verbrennungskraftmaschine 10 von einer absoluten Abblasemasse von 100g/s, einer Eintrittstemperatur von 1373 K und einem Druckverhältnis von ca. 3,5, zeigt sich ein Leistungspotential L zwischen 30 bis 40 KW. Unter Annahme eines realen
Turbinenwirkungsgrads rjTUrt) der zweiten Turbine 86 von z.B. 60% ist zumindest im Wesentlichen eine mechanisch verwertbare Leistung L, welcher der Turbinenleistung PT entspricht, von 20 KW gegeben, die gegebenenfalls zu einer zusätzlichen Nutzleistung im Nennpunkt zwischen 5 bis 10% der Nennleistung der beispielsweise als Otto-Motor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 gegenüber einer
Basisverbrennungskraftmaschine mit einer Abblaseeinrichtung ohne eine Rekuperation der in dem Abgas enthaltenen Energie (durch die zweite Turbine 86) entspricht. Eine solche Leistungserhöhung kann man beispielsweise bei Hybridfahrzeugen durch eine Energie-Einspeisung in einen zusätzlichen Elektromotor nutzen, welcher beispielsweise als Radnabenmotor oder als entsprechend dimensionierter Starter-Generator für die elektromotorische Betriebsweise ausgebildet ist und dazu dient, das Hybridfahrzeug anzutreiben.
In den Diagrammen 124 und 136 ist der Beginn des Abblasens durch eine Stelle 142 gezeigt, welche beispielsweise in einem Bereich der relativen Drehzahl von zumindest im Wesentlichen einschließlich 0,2 bis zumindest im Wesentlichen einschließlich 0,3 liegt.

Claims

Patentansprüche
1. Turbine (68) für einen Abgasturbolader (22) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem Turbinengehäuse, in welchem ein um eine Drehachse (26) drehbares und mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) beaufschlagbares Turbinenrad (70) zumindest bereichsweise aufgenommen ist, und mit einer
Umgehungseinrichtung (80), welche zumindest einen Umgehungskanal (82) aufweist, über welchen das Turbinenrad (70) von Abgas zu umgehen ist, wobei der Umgehungseinrichtung (80) eine weitere Turbine (86) zugeordnet ist, welche von das Turbinenrad (70) über die Umgehungseinrichtung (80) umgehendem Abgas antreibbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der weiteren Turbine (86) zumindest eine Stelleinrichtung (87) zugeordnet ist, mittels welcher Strömungsbedingungen der weiteren Turbine (86) für das Abgas variabel einstellbar sind.
2. Turbine (68) nach Anspruch 1 ,
der weiteren Turbine (86) ein von der weiteren Turbine (86) antreibbarer Generator (98) zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie zugeordnet ist.
3. Turbine (68) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Generator (98) ein Starter-Generator (106) zum Starten der
Verbrennungskraftmaschine (10) als ein elektrischer Verbraucher (106) zugeordnet ist, welcher mit der elektrischen Energie des Generators (98) versorgbar ist.
4. Turbine (68) nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Generator (98) ein elektrischer Verbraucher (106) zugeordnet ist, welcher zumindest im Wesentlichen direkt mit der elektrischen Energie des Generators (98) versorg bar ist.
5. Kraftwagen mit einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem Abgastrakt (42), in welchem eine erste Turbine (68) mit einem um eine Drehachse (26) drehbaren und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbaren Turbinenrad (70) eines Abgasturboladers (22) abgeordnet ist, und mit einer Umgehungseinrichtung (80), welche zumindest einen Umgehungskanal (82) aufweist, über welchen das Turbinenrad (70) von Abgas zu umgehen ist, wobei der Umgehungseinrichtung (80) eine zweite Turbine (86) zugeordnet ist, welche von das Turbinenrad (70) über die Umgehungseinrichtung (80) umgehendem Abgas antreibbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein von der zweiten Turbine (86) antreibbarer Generator (98) vorgesehen ist, mittels welchem mechanische in elektrische Energie umwandelbar ist, wobei der ersten und der zweiten Turbine (68, 86) jeweils zumindest eine Stelleinrichtung (69, 87) zugeordnet ist, mittels welchen ein jeweiliger engster Strömungsquerschnitt der ersten und der zweiten Turbine (68, 86) einstellbar und unter Rückgewinnung und Umwandlung von Bremsenergie in elektrische Energie durch den Generator (98) der sich bewegende Kraftwagen abbremsbar ist.
6. Kraftwagen nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Turbine (68) als die Turbine (68) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
7. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Turbine (68) als die ihr zugeordnete Stelleinrichtung (69) eine variable Turbinengeometrie aufweist, mittels welcher Strömungsbedingungen der ersten Turbine (68) für das Abgas und ein engster Strömungsquerschnitt der ersten Turbine (68) variabel einstellbar sind.
8. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine der Stelleinrichtungen (69, 87) in Strömungsrichtung des Abgases stromauf oder stromab der entsprechenden Turbine (68, 86) in dem Abgastrakt (42) angeordnet ist.
9. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der ersten Turbine (68) ein von dieser antreibbarer Verdichter (20) zugeordnet ist, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine (10) zuzuführende Luft verdichtbar und die Verbrennungskraftmaschine (10) zur Darstellung einer Motorbremsleistung zum Abbremsen des Kraftwagens mit verdichteter Luft versorgbar ist.
10. Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens, insbesondere nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, mit einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem Abgastrakt (42), in welchem eine erste Turbine (68) mit einem um eine Drehachse (26) drehbaren und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbaren Turbinenrad (70) eines Abgasturboladers (22) abgeordnet ist, und mit einer
Umgehungseinrichtung (80), welche zumindest einen Umgehungskanal (82) aufweist, über welchen das Turbinenrad (70) von Abgas umgangen wird, wobei der Umgehungseinrichtung (80) eine zweite Turbine (86) zugeordnet ist, welche von einem das Turbinenrad (70) über die Umgehungseinrichtung (80) umgehendem Abgas angetrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Generator (98) von der zweiten Turbine (86) angetrieben wird, mittels welchem mechanische in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei der ersten und der zweiten Turbine (68, 86) jeweils zumindest eine Stelleinrichtung (69, 87) zugeordnet ist, mittels welchen ein jeweiliger engster Strömungsquerschnitt der ersten und der zweiten Turbine (68, 86) variabel eingestellt und unter Rückgewinnung und
Umwandlung von Bremsenergie in elektrische Energie durch den Generator (98) der sich bewegende Kraftwagen abgebremst wird.
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