Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor und Betriebsverfahren für die Aufladeeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader und ein Betriebsverfahren für diese Aufladeeinrichtung . Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Ver ^¬ brennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den C02-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.

Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Ver- brennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Ab ^¬ gasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Rotorwelle befestigt, die in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenrad und über die Rotorwelle wiederum das Verdichterrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.

Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist.

Im Gegensatz dazu ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet .

Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten, werden Abgasturbolader mit zusätzlichen Funktionen, wie zum Beispiel sogenannten variablen Turbinengeometrien (VTG) oder Wastega- te-Einrichtungen (WG) auf der Abgasseite und Schubumluft- oder Abblas-Einrichtungen auf der Zuluftseite ausgestattet. Diese dienen dazu das träge Verhalten und somit das verzögerte An ^¬ sprechverhalten des Turboladers zu minimieren und schädliche Betriebszustände, wie zum Beispiel das sogenannte

Verdichterpumpen zu vermeiden.

Auch ist es bekannt Kombinationen von mehreren Turboladern in paralleler oder sequenzieller Anordnung oder zusätzliche mechanisch oder elektromotorisch betriebene Verdichter, sogenannte Kompressoren oder Supercharger, einzusetzen um den unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors gerecht zu werden, die Leistung in jedem Drehzahlbereich und insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen effizient zu steigern und insbesondere das gefürchtete Turboloch zu vermeiden. Eine solche Aufladeeinrichtung, die einen herkömmlichen Abgasturbolader und einen im Frischluftstrom in Reihe oder parallel zu dem Turbolader-Verdichter angeordneten Zusatzverdichter mit einem vom Abgasstrom unabhängigen, beispielsweise elektromotorischen Antrieb aufweist, ist zum Beispiel in der DE 100 23 022 AI offenbart.

Andererseits besteht in Betriebsphasen, in denen die Leistung des Verbrennungsmotors schnell heruntergefahren wird, ebenfalls durch die Trägheit des Turboladers bedingt, ein Überangebot an Verdichterleistung, was zum Verdichterpumpen führen kann. In solchen Betriebszuständen wird zum Beispiel über eine Waste- gate-Einrichtung Abgas an der Turbine des Turboladers vorbei in den Abgastrakt geleitet und bereits verdichtete Frischluft wird nach dem Verdichter abgeblasen oder über eine Schubumluft-Einrichtung entspannt und in den Ansaugbereich zurückgeführt. Die Anordnung und die Funktionsweise eines solchen Schubumluftventils ist beispielsweise aus den Dokumenten DE 28 23 067 C2 und DE 19712850A1 bekannt.

Auf diese Weise wird die zur Verfügung stehende Energie ungenutzt in die Umgebung entlassen, was sich negativ auf die Gesamtenergiebilanz und somit den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors auswirkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Aufladeeinrichtung und ein Betriebsverfahren dafür für einen Verbrennungsmotor anzugeben, die gleichermaßen dazu geeignet sind den Ladedruckaufbau durch den Abgasturbolader in Be- schleunigungs- oder Spitzenlastphasen des Verbrennungsmotors zu unterstützen als auch die überschüssige Energie im Aufladesystem in Abbrems- oder Niederlastphasen des Verbrennungsmotors zu nutzen beziehungsweise im Gesamtsystem Kraftfahrzeug nutzbar zu machen und so den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu steigern .

Diese Aufgabe wird durch eine mit den Merkmalen gemäß Pa ^¬ tentanspruch 1 sowie durch ein Betriebsverfahren für diese Aufladeeinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9 gelöst .

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Al ^¬ ternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor, der einen Ansaugtrakt und einem Abgastrakt aufweist, weist einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine, die im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist, und einen Frischluftverdichter mit einer Niederdruckseite und einer Hochdruckseite, der im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist, auf.

Der Frischluftverdichter ist auf seiner Niederdruckseite an eine Frischluftzuführleitung angeschlossen und ist auf seiner Hochdruckseite über eine LadeluftZuleitung mit einem Lade- luftkrümmer des Verbrennungsmotors verbunden. Die Aufladee- inrichtung zeichnet sich durch die zusätzliche Anordnung eines Rekuperationslader aus, der eine Verdichter-Turbine mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite und einen damit gekoppelten elektromechanischen Motor-Generator aufweist. Dabei ist die Hochdruckseite der Verdichter-Turbine mittels einer

Ventilanordnung einerseits an die Frischluftzuführleitung und andererseits an die LadeluftZuleitung des Verbrennungsmotors anschließbar, wobei über die Niederdruckseite der Verdichter-Turbine ein Frischluftmassenstrom ansaugbar oder ein La- deluftmassenstrom abblasbar ist. Als Ladeluftmassenstrom wird dabei der auf einen erhöhten Druck gepumpte Frischluftmas ^¬ senstrom in Strömungsrichtung stromabwärts des Frischluftverdichters des Abgasturboladers, also auf dessen Hochdruckseite bezeichnet .

Mittels der Ventilanordnung und dem Motor-Generator ist der Rekuperationslader einerseits, vom Motor-Generator angetrieben, als Verdichter zur Druckerhöhung in der Frischluftzuführleitung und andererseits, vom Ladeluftström angetrieben, als Turbine zur Energierückgewinnung mittels des Motor-Generators oder auch neutral betreibbar.

Unter dem Begriff Rekuperationslader ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, die eine Schaufelradturbine mit angeschlossenem Generator und einen Schaufelradverdichter mit angeschlossenem Elektromotor in einer Vorrichtung vereint. So ist eine

Schaufelradturbine und ein Schaufelradverdichter in einer Einheit zu einer oben sogenannten und auch im Weiteren so bezeichneten Verdichter-Turbine zusammengefasst .

Ebenso ist der Elektromotor und der Generator in einer Einheit zu einem oben sogenannten und auch im Weiteren so bezeichneten Motor-Generator zusammengefasst . Die Verdichter-Turbine und der Motor-Generator sind direkt oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe miteinander gekoppelt. Bei der Konzeption der Verdichter-Turbine wird die Eigenschaft von Schaufelrädern genutzt, dass diese einerseits bei Anströmung durch ein Fluid mit erhöhtem Druck von der Hochdruckseite her als Turbine wirken und ein Abtriebsmoment erzeugen können und andererseits bei Antrieb durch ein Antriebsmoment selbst einen Fluidstrom unter Erhöhung des Drucks erzeugen können und so als Verdichter wirken. Die Auslegung des entsprechenden Schaufelrades und die Strömungsführung im Laufradgehäuse zum Einsatz als Verdichter-Turbine muss also beiden Einsatzzwecken Rechnung tragen. Dies kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Verdichter-Turbine mittels einer festen oder einer variablen Anordnung von strömungsführenden Leitschaufeln optimiert werden .

Bei der Konzeption des Motor-Generators wird die Eigenschaft von elektrischen Drehfeldmaschinen genutzt, dass diese einerseits bei Beaufschlagung mit einer Spannung und Strom als Elektromotor antreibend betrieben werden können und andererseits von einem externen Drehmoment angetrieben selbst Spannung erzeugen und Strom abgeben können. Die Auslegung der entsprechenden Dreh- feldmaschine zum Einsatz als Motor-Generator muss also beiden Einsatzzwecken Rechnung tragen.

Die vorteilhafte Kombination von Verdichter-Turbine und Mo ^¬ torgenerator zu einem oben sogenannten und auch im Weiteren so bezeichneten Rekuperationslader ermöglicht in vorteilhafter Weise einen Betrieb der Verdichter-Turbine in beiden Strö ^¬ mungsrichtungen, nämlich elektromotorisch angetrieben als Verdichter in einer Verstärkerbetriebsart oder als Turbine den _r

Generator antreibend in einer Rekuperationsbetriebsart . Eine weitere Möglichkeit besteht in der Neutralschaltung des Mo ^¬ tor-Generators, was einem Freilauf der Verdichter-Turbine entspricht und in einer Standardbetriebsart genutzt werden kann.

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für eine Aufladeeinrichtung eines Verbrennungsmotors gemäß der obigen Beschreibung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung im Betrieb in Abhängigkeit vom Betriebsverhalten des Verbren- nungsmotors und mit Hilfe der Ventilanordnung sowie dem Mo ^¬ tor-Generator des Rekuperationsladers , zwischen einer Standardbetriebsart oder einer Verstärkerbetriebsart oder einer Rekuperationsbetriebsart umgeschaltet werden kann.

Wird nun bei angeforderter Drehzahlerhöhung oder bei erhöhter Last des Verbrennungsmotors in die Verstärkerbetriebsart der Aufladeeinrichtung umgeschaltet, so wird die Hochdruckseite der Verdichter-Turbine mittels der Ventilanordnung an die

Frischluftzuführleitung angeschlossen und gleichzeitig der Motor-Generator als Antriebsmotor betrieben, so wird Frischluft über die Niederdruckseite der Verdichter-Turbine angesaugt, verdichtet und unter erhöhtem Druck in die Frischluftzuführleitung vor dem Abgasturbolader eingespeist, was eine beschleunigte Druckerhöhung in der Ladeluftleitung und im Ladeluftkrümmer und somit eine Drehmomenterhöhung bereits bei niedriger Drehzahl und somit ein verbessertes Beschleunigungsverhalten des Verbrennungsmotors zur Folge hat.

Wird nun andererseits eine schnelle Leistungsreduzierung des Verbrennungsmotors erforderlich oder der vom Frischluftverdichter des Abgasturboladers erzeugte oder erzeugbare Lade ^¬ luftmassenstrom im Niedriglastbetrieb nicht vollständig be ^¬ nötigt, so kann in die Rekuperationsbetriebsart der Auf ^¬ ladeeinrichtung umgeschaltet werden. Hierbei wird die Hoch- druckseite der Verdichter-Turbine mittels der Ventilanordnung an die LadeluftZuleitung angeschlossen und gleichzeitig der Motor-Generator als Generator betrieben. Nun wird der vom Verbrennungsmotor nicht benötigte Ladeluftmassenstrom unter hohem Druck auf die Verdichter-Turbine geleitet und treibt so den Motor-Generator an, der seinerseits das aufgebrachte Drehmoment in elektrische Energie umsetzt, die direkt einem anderen Verbraucher im Fahrzeug oder einem Speicher zugeführt werden kann. So wird die überschüssige Energie in der Aufladeeinrichtung nicht ungenutzt in die Umgebung abgegeben sondern kann einer sinnvolleren Nutzung, ggf. zu einem späteren Zeitpunkt zugeführt werden . Wird der Verbrennungsmotor beispielsweise bei mittlerer, gleichbleibender Last betrieben, so kann die Aufladeeinrichtung in die Standardbetriebsart umgeschaltet werden. Dabei wird die Hochdruckseite der Verdichter-Turbine mittels der Ventilan ^¬ ordnung an die Frischluftzuführleitung angeschlossen und gleichzeitig der Motor-Generator neutral geschaltet, so kann Frischluft auch über die Verdichter-Turbine angesaugt werden, ohne dass diese zusätzlich verdichtet wird. Der vom Abgas ^¬ turbolader erzeugte Ladedruck ist ausreichend und überschüssige Energie steht im System nicht zur Verfügung.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung sowie des entsprechenden Betriebsverfahrens liegen vor allem darin, dass je nach Betriebssituation des Verbrennungsmotors eine schnelle Drehmoment- und somit Drehzahlerhöhung unter Vermeidung eines "Turboloches" ermöglicht und im umgekehrten Fall der schnellen Leistungsreduzierung überschüssige Energie nicht ungenutzt abgeleitet werden muss sondern nutzbar gemacht werden kann.

Anhand der Figuren werden im Folgenden besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung gemäß der abhängigen Ansprüche näher erläutert, obgleich der Gegenstand der Erfindung nicht auf diese Beispiele und insbesondere die darin gezeigten Merkmalskombinationen begrenzt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Aus ^¬ führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aufladeein- richtung in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor im Standardbetrieb;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines zweiten

Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Auf- ladeeinrichtung in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor im Verstärkerbetrieb;

Fig. 3 das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Aufladeeinrichtung gemäß Figur 2, im Rekuperations- betrieb;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Aufladeeinrichtung, im Rekuperationsbetrieb .

Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren durchgehend mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung in Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor 1, hier als vierzylindriger Reihenmotor dargestellt, mit einem Ansaugtrakt 2 und einem Abgastrakt 3. Weiterhin dargestellt ist ein Ab- gasturbolader 4 mit einer Abgasturbine 5 und einem Frisch- luftverdichter 6 und ein sogenannter Rekuperationslader 12, der einen Turbinenverdichter 13 sowie einen elektromechanischen Motor-Generator 14 aufweist. Zum Abgastrakt 3 gehören ein Abgaskrümmer 19, der am Verbrennungsmotor 1 angeschlossen ist, die Abgasturbine 5, die auf ihrer Hochdruckseite HD am Abgaskrümmer 19 angeschlossen ist, eine Abgasabführleitung 20, die auf den Niederdruckseite ND der Abgasturbine 5 angeschlossen ist, sowie ein Abgaskatalysator 21, ein Rußpartikelfilter 22 sowie ein Schalldämpfer 23, die entlang der Abgasabführleitung 20 angeordnet sind. Der Abgasmassenstrom 25 der vom Verbrennungsmotor 1 ausgestoßen wird, wird vom Abgaskrümmer 19 über die Abgasturbine 5 in die Abgasabführleitung 20 und durch Abgaskatalysator 21, Rußpartikelfilter 22 und Schalldämpfer 23 in die Umgebung ausgestoßen.

Zum Ansaugtrakt 2 gehören ein Ladeluftkrümmer 9, der am Verbrennungsmotor 1 angeschlossen ist, der Frischluftverdichter 6 des Abgasturboladers 4 sowie eine LadeluftZuleitung 8, die einerseits über ein Drosselklappenventil 10 mit dem Lade ^¬ luftkrümmer 9 verbunden ist und die andererseits mit der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 verbunden ist. Weiterhin umfasst der Ansaugtrakt 2 eine Frischluftzuführleitung 7, die einerseits mit der Niederdruckseite ND des Frisch- luftverdichters 6 und andererseits über einen Ansaugstutzen 7a mit einem Frischluftfilterkasten verbunden ist. Ebenfalls dem Ansaugtrakt 2 zugeordnet ist ein Rekuperationslader 12, der eine Verdichter-Turbine 13 und einen damit gekoppelten Mo ^¬ tor-Generator 14 aufweist. Die Niederdruckseite ND der Ver ^¬ dichter-Turbine 13 ist über einen Ansaugstutzen 7b mit dem Frischluftfilterkasten 18 verbunden. An der Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 ist eine Verzweigungsleitung 11 angeschlossen, die sich in dem Verzweigungspunkt lle aufteilt in einen Ladeluftzweig IIa, und einen Frischluftzweig IIb. Der Frischluftzweig IIb ist in einem Frischluftzweiganschlusspunkt 11c an die Frischluftzuführleitung 7 und der Ladeluft zweig IIa ist in einem Ladeluftzweiganschlusspunkt lld an die Lade- luftZuleitung 8 angeschlossen und verbindet somit die Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 sowohl über die Ver ^¬ zweigungsleitung 11, den Frischluftzweig IIb und die Frischluftzuführleitung 7 mit der Niederdruckseite ND des Frisch- luftverdichters 6 des Abgasturboladers 4 als auch über die Verzweigungsleitung 11, den Ladeluftzweig IIa und die Lade ^¬ luftZuleitung 8 mit der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 des Abgasturboladers 4. Weiterhin ist in der La ^¬ deluftZuleitung 8, zwischen der Hochdruckseite HD des

Frischluftverdichters 6 und dem Ladeluftzweiganschlusspunkt lld ein Ladeluftkühler 17 angeordnet.

Im Frischluftzweig IIb sowie im Ladeluftzweig IIa als auch in der Frischluftzuführleitung 7 zwischen dem Frischluftzweiganschlusspunkt 11c und dem Ansaugstutzen 7a der Frischluftzu- leitung 7, also in einem Frischluftmassenstrom 24 stromaufwärts zum Frischluftzweiganschlusspunkt 11c ist je ein Absperrventil (15a, 15b, 15c) angeordnet. Durch entsprechende Ventilstellung der Absperrventile (15a, 15b, 15c) ist die Strömungsrichtung des Frischluftmassenstromes 24, hier durch die hellen Pfeile dargestellt, in der Verzweigungsleitung 11 und über die Verdichter-Turbine 13 umschaltbar. Die in Figur 1 gezeigte Ventilstellung der Absperrventile (15a, 15b, 15c) kennzeichnet die Standardbetriebsart der Aufladee ^¬ inrichtung, die eingestellt wird, wenn der Verbrennungsmotor 1 bei mehr oder weniger gleichbleibender Last in einem mehr oder weniger gleichbleibenden niedrigen bis mittleren Drehzahlband läuft. Dabei ist das Absperrventil 15c und damit die Frisch ^¬ luftzuführleitung 7 in dem Frischluftmassenstrom 24 Richtung stromaufwärts vom Frischluftzweiganschlusspunkt 11c und das Absperrventil 15b und damit der Frischluftzweig IIb geöffnet und das Absperrventil 15a und damit der Ladeluftzweig IIa ge- schlössen. Gleichzeitig ist der Motor-Generator 14 des Reku- perationsladers 14 neutral geschaltet, was dadurch symbolisiert ist, dass sowohl die "Motor"- als auch die "Genera- tor"-Bezeichnung durchgestrichen sind. In der Standardbetriebsart wird somit ein Frischluftmassenstrom 24 über den Ansaugstutzen 7a der Frischluftzuführleitung 7 und gleichermaßen über den Frischluftzweig 11, die freilaufende Verdichter-Turbine 13 und den Ansaugstutzen 7b der Verdichter-Turbine 13 aus dem Frischluftfilterkasten 18 von der Niederdruckseite ND des Frischluftverdichters 6 des Abgas ^¬ turboladers 4 angesaugt. Im Frischluftverdichter 6 des Ab ^¬ gasturboladers 4 wird der Frischluftmassenstrom 24 verdichtet und auf der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 unter erhöhtem Druck in die LadeluftZuleitung 8 und über das zumindest teilweise geöffnete Drosselklappenventil 10 und den Lade- luftkrümmer 9 in die Zylinder des Verbrennungsmotors 1 gepumpt. Der auf der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 abgegebene Frischluftmassenstrom 24 wird in diesem Zusammenhang auch als Ladeluftmassenstrom (24) bezeichnet, wodurch das erhöhte Druckniveau gekennzeichnet werden soll. Mit Hilfe des in der LadeluftZuleitung 8 angeordneten Ladeluftkühlers 17 wird der Ladeluftmassenstrom 24 gekühlt, wodurch die den Zylindern des Verbrennungsmotors 1 zugeführte Sauerstoffmenge und somit die Leistung des Verbrennungsmotors 1 weiter erhöht werden kann. Der Ladeluftkühler 17 ist hier zwischen der Hochdruckseite HD des Frischluftverdichters 6 und dem Ladeluftzweiganschlusspunkt lld angeordnet, was im Falle einer Umschaltung auf die Rekupera- tionsbetriebsart , die anhand von Figur 3 weiter hinten im Text noch näher erläutert wird, bewirkt, dass der überschüssige Ladeluftmassenstrom 24 gekühlt auf die Verdichter-Turbine 13 des Rekuperationsladers 12 geleitet wird. Dies hat den Vorteil, dass die Komponenten der Verdichter-Turbine 13 nicht für erhöhte Temperaturen ausgelegt werden müssen und somit ein kostengünstigerer Aufbau ermöglicht ist.

Figur 2 zeigt im Wesentlichen die gleiche Konfiguration von Verbrennungsmotor 1, Abgastrakt 3 und Ansaugtrakt 2 wie Figur 1. Im Ansaugtrakt 2 unterscheidet sich die Ausführungsvariante jedoch dadurch, dass das Absperrventil 15b im Frischluftzweig IIb und das Absperrventil 15c in der Frischluftzuführleitung 7 zusammengenommen durch ein Umschaltventil 16 im Frischluftzweiganschlusspunkt 11c ersetzt sind. Dies reduziert die Anzahl der erforderlichen Einzelkomponenten vereinfacht die

Ansteuerung der Ventile und reduziert die Gesamt-Baugröße der Aufladeeinrichtung .

Das Umschaltventil 16 ist, wie auch aus der schematischen Darstellung zu erkennen ist, so eingerichtet, dass es in einer von drei Schaltstellungen den Durchgang vom Frischluftzweig IIb zur Frischluftzuführleitung 7 freigibt während es den Durchgang von der Frischluftzuführleitung 7 zum Ansaugstutzen 7a, also die Frischluftzuführleitung 7 stromaufwärts des Frischluftzweig- anschlusspunktes 11c, sperrt, wie in Figur 2 dargestellt. In einer weiteren der drei möglichen Schaltstellungen sperrt das Umschaltventil den Durchgang vom Frischluftzweig IIb zur Frischluftzuführleitung 7 während es den Durchgang von der Frischluftzuführleitung 7 zum Ansaugstutzen 7a, also die Frischluftzuführleitung 7 stromaufwärts des Frischluftzweig- anschlusspunktes 11c, freigibt, wie in Figur 3 dargestellt. In der dritten Schaltstellung des Umschaltventils 16 wird sowohl der Durchgang vom Frischluftzweig IIb zur Frischluftzuführleitung 7 als auch der Durchgang von der Frischluftzuführleitung 7 zum Ansaugstutzen 7a, also die Frischluftzuführleitung 7 stromaufwärts des Frischluftzweiganschlusspunktes 11c, freigegeben, dies entspricht der Ventilstellung der beiden Absperrventile 15b und 15c wie in der Figur 1 dargestellt.

Weiterhin ist der Ladeluftkühler 17 in der LadeluftZuleitung 8 in Strömungsrichtung des Ladeluftmassenstromes 24 stromabwärts des Ladeluftzweiganschlusspunktes lld, also zwischen Lade- luftzweiganschlusspunkt lld und dem Drosselklappenventil 10 angeordnet. Dies bewirkt im Falle einer Umschaltung auf die Rekuperationsbetriebsart , die anhand von Figur 3 weiter hinten im Text noch näher erläutert wird, dass der überschüssige Ladeluftmassenstrom 24 ungekühlt auf die Verdichter-Turbine 13 des Rekuperationsladers 12 geleitet wird. Dies hat den Vorteil, dass der Energiegehalt des Ladeluftmassenstromes 24 für die Rekuperation also die Energierückgewinnung maximal ist, da dem Ladeluftmassenstrom 24 keine Energie durch Kühlung entzogen und in die Umgebung abgegeben wird.

Darüber hinaus ist hier die Verdichter-Turbine 13 mit einer feststehenden oder variablen Leitschaufelanordnung 13a im Verdichter-Turbinen-Gehäuse ausgestattet, was in Figur 2 jedoch nur grob schematisch dargestellt ist. Die Leitschaufelanordnung 13a dient in der in Figur 2 dargestellten Verstärkerbetriebsart der Aufladeeinrichtung zur Optimierung des Abströmverhaltens des Frischluftmassenstromes 24 auf der Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine . Weiterhin kennzeichnet die in Figur 2 gezeigte Ventilstellung von Absperrventil 15a und Umschaltventil 16 die Verstärkerbe ^¬ triebsart der Aufladeeinrichtung, die eingestellt wird, wenn die Last des Verbrennungsmotor 1 dynamisch angehoben oder ein dynamischer Drehzahlanstieg angefordert oder der Verbren- nungsmotor bei oder nahe bei Maximallast betrieben wird.

Dabei ist vom Umschaltventil 16 der Durchgang vom Frischluftzweig IIb zur Frischluftzuführleitung 7 freigegeben, während der Durchgang von der Frischluftzuführleitung 7 zum Ansaugstutzen 7a, also die Frischluftzuführleitung 7 stromaufwärts des Frischluftzweiganschlusspunktes 11c, gesperrt ist. Das Absperrventil 15a und damit der Ladeluftzweig IIa bleibt geschlossen. Gleichzeitig ist der Motor-Generator 14 des Rekuperationsladers 12 auf Motorbetrieb geschaltet, was dadurch symbolisiert ist, dass nur die "Generator"-Bezeichnung, nicht jedoch die "Motor"-Bezeichnung durchgestrichen ist. Im Mo- torbetrieb des Motor-Generators 14 wird die Verdichter-Turbine 13 vom Motor-Generator 14 angetrieben und wirkt somit als Verdichter .

In der Verstärkerbetriebsart wird somit ein Frischluftmas- senstrom 24 nur über den Ansaugstutzen 7b der Verdichter-Turbine 13 des Rekuperationsladers 12 aus dem Frischluftfilterkasten 18 von der Niederdruckseite ND der Verdichter-Turbine 13 angesaugt. In der Verdichter-Turbine 13 des Rekuperationsladers 12 wird der Frischluftmassenstrom 24 vorverdichtet und auf der Hoch- druckseite HD der Verdichter-Turbine 13 unter erhöhtem Druck über die Verzweigungsleitung 11, den Frischluftzweig IIb und das Umschaltventil 16 in die Frischluftzuführleitung 7 eingespeist. Diese Druckerhöhung setzt sich ohne Verzögerung über den Frischluftverdichter 6, den Ladeluftkühler 17 und das in diesem Fall komplett geöffnete Drosselklappenventil 10 fort wodurch der Ladeluftmassenstrom 24 sehr schnell unter erhöhtem Druck im Ladeluftkrümmer 9 zur Verfügung steht und so ein verbessertes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors gewährleistet. Wenn in der weiteren Folge der Abgasturbolader sein Trägheitsmoment überwunden hat wird der vorverdichtete Frisch ^¬ luftmassenstrom 24 durch den Frischluftverdichter 6 weiter verdichtet, also der Druck des Ladeluftmassenstroms 24 weiter erhöht, was zu einer weiteren Leistungserhöhung des Verbren- nungsmotors 1 führt.

Figur 3 zeigt den gleichen Aufbau der Aufladeeinrichtung wie Figur 2, jedoch kennzeichnet die in Figur 3 gezeigte Ventil- Stellung von Absperrventil 15a und Umschaltventil 16 die Re- kuperationsbetriebsart der Aufladeeinrichtung, die eingestellt wird, wenn die Last des Verbrennungsmotor 1 dynamisch reduziert und ein dynamischer Drehzahlabfall vorgegeben wird oder aus sonstigen Gründen ein überschüssiger Ladeluftmassenstrom 24 zur Verfügung steht. Dies entspricht im Fahrbetrieb eines Kraft ^¬ fahrzeugs etwa einem mehr oder weniger schnellen Bremsvorgang bei abgekoppeltem Getriebe oder auch einem Schubbetrieb bei bremsendem Verbrennungsmotor 1. Dabei wird das Drosselklap- penventil schnell geschlossen beziehungsweise geschlossen gehalten, während der Frischluftverdichter 6 des Abgasturboladers 4, bedingt durch seine Trägheit zunächst den Frisch- luftmassenstrom 24 weiter fördert und verdichtet. In der Re- kuperationsbetriebsart ist in diesem Fall vom Umschaltventil 16 der Durchgang vom Frischluftzweig IIb zur Frischluftzuführ- leitung 7 gesperrt, während der Durchgang von der Frischluftzuführleitung 7 zum Ansaugstutzen 7a, also die Frischluftzuführleitung 7 stromaufwärts des Frischluftzweigan- schlusspunktes 11c, geöffnet ist. Das Absperrventil 15a und damit der Ladeluftzweig IIa ist nunmehr geöffnet. Dabei muss das

Absperrventil 15a in dem Ladeluftzweig IIa nicht in jedem Fall komplett geöffnet sein sondern es kann die Ventilöffnung über eine externe Steuereinheit (nicht dargestellt) auch so geregelt sein, dass der momentane Soll-Ladedruck gehalten und genau nur der überschüssige Ladeluftmassenstromanteil aus der Lade ^¬ luftZuleitung 8 abgesteuert und auf die Verdichter-Turbine 13 zur Energierückgewinnung geführt wird.

Gleichzeitig ist der Motor-Generator 14 des Rekuperationsladers 14 auf Generatorbetrieb geschaltet, was dadurch symbolisiert ist, dass nur die "Motor"-Bezeichnung, nicht jedoch die "Ge- nerator"-Bezeichnung durchgestrichen ist.

Der vom Frischluftverdichter 6 gelieferte, überschüssige La- deluftmassenstrom 24 wird somit teilweise oder vollständig über das geöffnete Absperrventil 15a, den Ladeluftzweig IIa und die Verzweigungsleitung 11 auf die Hochdruckseite HD der Verdichter-Turbine 13 geführt. Die Verdichter-Turbine 13 wird vom Ladeluftmassenstrom 24 von der Hochdruckseite HD her angeströmt. Zur Optimierung der Anströmung kann, sofern vorhanden, eine variable Leitschaufelanordnung 13a auf den Turbinenbetrieb umgestellt werden.

Durch den Ladeluftmassenstrom 24 angetrieben, wirkt die Verdichter-Turbine 6 somit als Turbine, die wiederum den in Ge ^¬ neratorbetrieb geschalteten Motor-Generator 14 antreibt. Durch diesen Antrieb erzeugt der Motor-Generator 14 elektrische Energie, die vorteilhaft in einen entsprechenden Speicher, beispielsweise eine Batterie oder ein Kondensator (nicht dargestellt), eingeleitet werden kann. So kann vorteilhaft überschüssige Energie im System gehalten und nutzbar gemacht werden .

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die er ^¬ findungsgemäße Aufladeeinrichtung . Dieses Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und 4 durch eine geänderte Ventilanordnung gekennzeichnet, wobei ein Ab- Sperrventil im Ladeluftzweig und ein Absperrventil im

Frischluftzweig IIb zusammengenommen durch ein Umschaltventil 16a im Verzweigungspunkt lle der Verzweigungsleitung 11 ersetzt sind und ein weiteres Absperrventil 15c in der Frischluftzu ^¬ führleitung 7 in einem Frischluftmassenstrom 24 stromaufwärts zum Frischluftzweiganschlusspunkt 11c, also zwischen dem

Frischluftzweiganschlusspunkt 11c und dem Ansaugstutzen 7a der Frischluftzuführleitung angeordnet ist.

Das Umschaltventil 16a ist in diesem Fall so eingerichtet, dass es in einer von zwei Schaltstellungen den Durchgang von der Verzweigungsleitung 11 zum Frischluftzweig IIb und somit zur Frischluftzuführleitung 7 freigibt während es den Durchgang zum Ladeluftzweig IIa sperrt, was der Ventilstellung in der

Standardbetriebsart und der Verstärkerbetriebsart entspricht (nicht dargestellt) . In der zweiten Schaltstellung des Umschaltventils 17 ist, wie in Figur 4 dargestellt, der Durchgang von der Verzweigungsleitung 11 zum Frischluftzweig IIb und somit zur Frischluftzuführleitung 7 gesperrt während der Durchgang zum Ladeluftzweig IIa freigegeben ist, was der Ventilstellung in der Rekuperationsbetriebsart entspricht .

In der Rekuperationsbetriebsart ist gleichzeitig das Ab- Sperrventil 15c in der Frischluftzuführleitung 7 geöffnet, sodass der Frischluftverdichter 6 des Abgasturboladers 4 einen Frischluftmassenstrom 24 vom Frischluftfilterkasten 18 her ansaugen kann. Die Führung des Frischluft- oder Ladeluftmas- senstroms 24 entspricht somit dem in Figur 3 gezeigten Beispiel.

Nochmal kurz zusammengefasst betrifft die Erfindung also eine Aufladeeinrichtung und ein Betriebsverfahren für diese Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor 1, die einen Abgasturbolader 4 und einen Rekuperationslader 12 aufweist, der eine Verdichterturbine 13 und einen damit gekoppelten elekt- romechanischen Motor-Generator 14 aufweist. Dabei ist die Hochdruckseite HD der Verdichterturbine 13 mittels einer Ventilanordnung einerseits an die Frischluftzuführleitung 7 vor dem Abgasturbolader 4 und andererseits an eine LadeluftZuleitung 8 nach dem Abgasturbolader 4 anschließbar, wobei über die

Niederdruckseite ND der Verdichterturbine 13 ein Frischluft ^¬ massenstrom 24 ansaugbar oder ein Ladeluftmassenstrom 24 abblasbar ist. Der genannte Rekuperationslader 12 kann mittels einer Ventilanordnung und dem Motor-Generator 14 zwischen einer Standardbetriebsart, einer Verstärkerbetriebsart und einer Reku ^¬ perationsbetriebsart umgeschaltet werden, wobei er einerseits in der Verstärkerbetriebsart vom Motor-Generator 14 angetrieben als Verdichter zur Druckerhöhung in der Frischluftzuführleitung 8 wirkt oder andererseits vom Ladeluftstrom angetrieben als Turbine zur Energierückgewinnung mittels des Motor-Generators 14 wirkt oder neutral betreibbar ist.