Brennkraftmaschinen mit einem mechanischen Lader und einem Turbo-Compound, bestehend aus einer Abgasturbine und einem Untersetzungsgetriebe, sind bereits seit längerem Stand der Technik. Der mechanische Lader ist mit einer Brennkraft- maschine gekoppelt und verdichtet die zur Verbrennung benötigte Luft. Der Turbo-Compound nutzt die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Energie mittels der Abgas- turbine und leitet die aus dem Abgas gewonnene Leistung über das Untersetzungsgetriebe an die Brennkraftmaschine weiter.

Besonders Verdrängermaschinen finden als mechanische Lader in Brennkraftmaschinen Verwendung. Durch die kompakte Bauweise beispielsweise eines Schraubenladers ist dieser leicht an die Brennkraftmaschine adaptierbar und zeichnet sich unter anderem durch ein hohes Druckverhältnis bei niedrigen Drehzahlen, hohe Teillastwirkungsgrade und eine flach verlaufenden Förderkennline aus. Nachteilig ist die Leistungsaufnahme des mechanischen Laders, die von der Brennkraftmaschine aufgebracht wird.

Der Leistungsverlust durch den mechanischen Lader kann durch den Turbo-Compound ausgeglichen werden. Durch eine geeignete Auslegung kann der Turbo-Compound bereits bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen und/oder Last mehr Leistung abgeben als der mechanische Lader von der Brennkraftmaschine aufnimmt.

In Patentschrift DE 37 41 286 C2 ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, deren mechanischer Lader mittels eines Riemen- triebs mit der Brennkraftmaschine verbunden ist. Eine Abgas- turbine ist mittels eines Getriebes mit dem mechanischen Lader gekoppelt.

In der Schrift JP 63-055325 A ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, deren mechanischer Lader über ein erstes Getriebe und deren Abgasturbine über ein zweites Getriebe mit der Brennkraftmaschine gekoppelt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennkraft- maschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, deren mechanischer Lader und Turbo-Compound mit einem einfachen gemeinsamen Mittel an die Brennkraftmaschine koppelbar sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit einem mechanischen Lader und einem Turbo-Compound mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist gekennzeichnet durch die Koppelung des mechanischen Laders und des Turbo- Compounds mit der Brennkraftmaschine über einen gemeinsamen Riementrieb. Die Brennkraftmaschine weist eine Kurbelwelle auf, an deren vorderen Ende eine Riemenscheibe vorgesehen ist. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise in Querstrom- bauweise ausgeführt, so dass auf einer Seite der Brennkraft- maschine ein Einlasstrakt und dem zugeordnet der mechanische Lader vorgesehen ist und auf der anderen Seite der Brenn- kraftmaschine ein Auslasstrakt und dem zugeordnet der Turbo- Compound vorgesehen ist. Der Turbo-Compound weist eine Abgas- turbine sowie ein mit der Abgasturbine gekoppeltes Unter- setzungsgetriebe auf. Der mechanische Lader und der Turbo- Compound weisen jeweils eine Riemenscheibe auf, die zusammen mit der Riemenscheibe der Kurbelwelle und eines Riemens, der die drei Riemenscheiben miteinander koppelt, einen Riemen- trieb bildet.

Die Brennkraftmaschine treibt über den Riementrieb den mechanischen Lader an. Der mechanische Lader verdichtet die zur Verbrennung benötigte Luft und fördert die verdichtete Luft in den Einlasstrakt der Brennkraftmaschine.

Die Abgasturbine des Turbocompound ist über das Unter- setzungsgetriebe mit dem Riementrieb gekoppelt. Der Riemen- trieb und das Untersetzungsgetriebe bilden zusammen eine Gesamtübersetzung, die der Abgasturbine eine Drehzahl in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine zuordnet. Der Turbo-Compound nutzt die im Abgas der Brenn- kraftmaschine enthaltene Energie mittels der Abgasturbine und leitet die aus dem Abgas gewonnene Leistung über das Unter- setzungsgetriebe an die Brennkraftmaschine weiter.

Die Koppelung des mechanischen Laders und des Turbo-Compound mit der Brennkraftmaschine mittels eines Riementriebs ist besonders vorteilhaft, weil ein Riementrieb einen einfachen Aufbau hat, leicht zu montieren ist, keine Schmierung und kaum Wartung benötigt. Außerdem erlaubt ein Riementrieb mehr Freiheitsgrade, die Anordnung der Komponenten betreffend, da auch größere Achsabstände und Mehrfachantriebe einfach und kostengünstig zu realisieren sind. Schließlich sind auch ein geräuscharmer Lauf und eine Unempfindlichkeit gegen kurz- zeitiges Überlasten von Vorteil.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine möglich.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der mechanische Lader zuschaltbar und weist einen Bypass mit einem Bypassventil auf. Mechanische Lader sind in der Regel für den Volllast- betrieb ausgelegt. Dadurch kann es im Teillastbetrieb zu einem Luftüberschuss kommen, der über eine Bypassleitung von einer Druckseite zu einer Saugseite des mechanischen Laders rückführbar ist. Außerdem ist es vorteilhaft, den zuschaltbaren mechanischen Lader in Betriebspunkten ohne Aufladung von der Brennkraftmaschine zu entkoppeln und die Brennkraftmaschine über den Bypass Verbrennungsluft ansaugen zu lassen. Dadurch lässt sich der mechanische Lader optimal an unterschiedliche Betriebspunkte der Brennkraftmaschine anpassen und sich der Wirkungsgrad verbessern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der mechanische Lader in Form einer Strömungsmaschine ausgeführt. Vorteil- hafterweise ist die Strömungsmaschine als mechanischer Kreisellader ausgeführt. Der mechanische Kreisellader verfügt über einen Drehzahlvariator, ein Übersetzungsgetriebe und einen Verdichter. Der Drehzahlvariator ist als Umschlingungs- getriebe ausgeführt und ist von der Brennkraftmaschine antreibbar. Der Drehzahlvariator ist über eine schaltbare Kupplung mit dem Übersetzungsgetriebe verbunden. Das Übersetzungsgetriebe ist als Hochtreiber-Planetengetriebe ausgeführt. Das Übersetzungsgetriebe ist mit dem Verdichter verbunden. Durch die Verwendung des Verdichters sind prinzipbedingt hohe Wirkungsgarde der Aufladung erzielbar.

Durch die Entkoppelung der Verdichterdrehzahl von der Drehzahl der Brennkraftmaschine mittels des Umschlingungs- getriebes und das Anheben des Drehzahlniveaus mittels des Hochtreiber-Planetengetriebes ist der Verdichter auch bei wechselnden Drehzahlen der Brennkraftmaschine in optimalen Wirkungsgradbereichen betreibbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Unter- setzungsgetriebe in Form eines stufenlosen Getriebes ausgeführt. Das stufenlose Getriebe ist als Umschlingungs- getriebe vorgesehen. Vorteilhafterweise ist dadurch die Abgasturbine des Turbo-Compounds von der Drehzahl der Brennkraftmaschine entkoppelt und die Abgasturbine auch bei wechselnden Drehzahlen der Brennkraftmaschine in optimalen Wirkungsgradbereichen betreibbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Turbo- Compound eine Überholkupplung auf, die eine Leistungsüber- tragung von dem Turbo-Compound auf die Brennkraftmaschine zulässt. Der Turbo-Compound weist eine Abgasturbine sowie ein mit der Abgasturbine gekoppeltes Untersetzungsgetriebe auf.

In Abhängigkeit von der im Abgas enthaltenen Energie nimmt die Abgasturbine eine Leistung auf oder gibt eine Leistung über das Untersetzungsgetriebe und den Riementrieb an die Brennkraftmaschine ab. Die Überholkupplung ermöglich es den Turbo-Compound von der Brennkraftmaschine zu entkoppeln, wenn der Turbo-Compound der Brennkraftmaschine nachläuft. Vorteil- hafterweise gibt die Brennkraftmaschine über den Riementrieb keine Leistung an den Turbo-Compound ab.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Turbo- Compound eine Strömungskupplung auf. Vorteilhafterweise führt die Verwendung der Strömungskupplung zu einer Entkoppelung der Abgasturbine von der Drehzahl der Brennkraftmaschine.

Somit ist die Abgasturbine auch bei wechselnden Drehzahlen der Brennkraftmaschine in optimalen Wirkungsgradbereichen betreibbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Abgas- turbine ein Waste-Gate auf. Die Brennkraftmaschine weist neben dem mechanischen Lader und dem Turbo-Compound eine Abgasanlage auf. Die Abgasanlage ist stromab der Abgasturbine des Turbo-Compound angeordnet. Die Abgasanlage weist unter anderem einen Katalysator auf. Das Waste-Gate weist einen steuerbaren Bypass in einem Gehäuse der Abgasturbine auf. In Offenstellung des Waste-Gates bypassiert das Abgas die Abgas- turbine, so dass die Abgasturbine nicht vom Abgas der Brenn- kraftmaschine angetrieben wird. Durch die Bypassierung der Abgasturbine sinkt der Abgasgegendruck und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigt. Außerdem kann bei einem Kalt- start die Abgastemperatur auf einem hohen Niveau gehalten werden. Dies führt Vorteilhafterweise zu einer schnellen Erwärmung des Katalysators. In Schließstellung des Waste- Gates strömt das Abgas durch die Abgasturbine. Dadurch sinkt der Energiegehalt des Abgases, was zu einer niedrigeren Abgastemperatur führt und Pulsationen des Abgases vermindert.

Vorteilhafterweise bewirkt dies eine Schonung des Kataly- sators. Besonders in Betriebszuständen der Brennkraft- maschine, in denen der Turbo-Compound mangels ausreichender Energie im Abgas keine Leistung an die Brennkraftmaschine abgeben kann, ist eine Bypassierung der Abgasturbine von Vorteil.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung treibt der Riemen- trieb einen Generator an. Mit dem Riementrieb ist auf einfache Weise möglich, weitere Komponenten bzw. Aggregate der Brennkraftmaschine anzutreiben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Generator und der Turbo-Compound über einen zweiten Riementrieb miteinander gekoppelt. Die Brennkraftmaschine treibt über den Riementrieb den mechanischen Lader und den Generator an. Der Generator besitzt eine Welle, wobei an den Enden der Welle jeweils eine Riemenscheibe vorgesehen ist. Eine Riemenscheibe ist Teil des Riementriebs der Brennkraftmaschine. Die zweite Riemenscheibe ist Teil des zweiten Riementriebs, der einen Riemen und ein Riemenrad des Turbo-Compound umfasst. Vorteil- hafterweise ist es durch die Zwischenschaltung des Generators möglich, weitere Freiheitsgrade bezüglich der Bauraums zu gewinnen. Außerdem kann durch unterschiedliche Durchmesser der Riemenscheiben des Generators eine Untersetzung der Drehzahl des Turbo-Compounds auf die Brennkraftmaschine erfolgen. Dadurch ist es möglich, das Untersetzungsgetriebe mit einer kleineren Untersetzung vorzusehen.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Zwei konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Dabei zeigen : Fig. 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels und Fig. 2 eine schematisch vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.

In der Fig. 1 ist eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Bei der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Otto-Motor für Pkws.

Denkbar ist aber auch ein Einsatz für Dieselmotoren, insbesondere für Nfz. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Einlasstrakt 2 und dem zugeordnet einen mechanischen Lader 3 und einen Auslasstrakt 4 und dem zugeordnet einen Turbo- Compound 5 auf. Der Turbo-Compound 5 weist eine Abgasturbine 6 sowie ein mit der Abgasturbine 6 gekoppeltes Untersetzungs- getriebe 7 auf. Die Brennkraftmaschine 1, der mechanische Lader 3 und der Turbo-Compound 5 sind mittels eines Riemen- triebs 8 miteinander gekoppelt. Der Riementrieb 8 hat einen Riemen 9, der mit einem Riemenrad 10 auf einer Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine 1, einem Riemenrad 12 auf einer Aus- gangswelle 13 des Untersetzungsgetriebes 7 und einem Riemen- rad 14 auf einer Antriebswelle 15 des mechanischen Laders 3 den Riementrieb 8 bildet.

Die Abgasturbine 6 ist über eine Eingangswelle 16 mit dem Untersetzungsgetriebe 7 gekoppelt. Die Eingangswelle 16 führt zu einer Überholkupplung 17 und weiter zu dem Untersetzungsgetriebe 7. Die Überholkupplung 17 lässt nur eine Leistungsübertragung von dem Turbo-Compound 5 auf die Brennkraftmaschine 1 zu. Von dem Untersetzungsgetriebe 7 führt die Ausgangswelle 13 zu einer Strömungskupplung 18 und weiter zu dem Riemenrad 12. Entgegen der Darstellung nach Fig. 1 sind die Überholkupplung 17, das Untersetzungsgetriebe 7 und die Strömungskupplung 18 vorzugsweise zu einer Einheit zusammengefasst. Vorteilhafterweise ist das Untersetzungsgetriebe 7 als stufenloses Getriebe wie zum Beispiel ein Umschlingungsgetriebe bzw. Drehzahlvariator ausgeführt.

Die Antriebswelle 15 des mechanischen Laders 3 ist über eine schaltbare Kupplung 19 in Form einer Elektromagnetkupplung mit dem mechanischen Lader 3 verbunden. Die Elektromagnet- kupplung 19 ist entgegen der Darstellung nach Fig. 1 vorzugs- weise in das Riemenrad 14 integriert und ist mittels einer Signalleitung 20 von einem Steuergerät 21 ansteuerbar. Der mechanische Lader 3 verfügt über einen Bypass 22 mit einem Bypassventil 23. Das Bypassventil 23 ist mittels einer Signalleitung 24 von dem Steuergerät 21 ansteuerbar. Der Bypass 22 zweigt von einer Saugleitung 25 stromauf des mechanischen Laders 3 ab und mündet in eine Druckleitung 26 stromab des mechanischen Laders 3. Die Druckleitung 26 verbindet den mechanischen Lader 3 mit dem Einlasstrakt 2.

Der mechanische Lader 3 fördert die zur Verbrennung benötigte Luft von der Saugleitung 25 über einen Ladeluftkühler 27 in die Druckleitung 26 und weiter in den Einlasstrakt 2. In Offenstellung des Bypassventils. 23 fördert der mechanische Lader 3 zumindest einen Teil der verdichteten Luft über den Ladeluftkühler 27 in den Bypass 22 und weiter in die Saug- leitung 25.

Die Abgasturbine 6 weist ein Waste-Gate 28 auf. In Offen- stellung des Waste-Gates 28 wird das Abgas um die Abgas- turbine 6 herum bypassiert. Das Waste-Gate 28 ist mittels einer nicht dargestellten elektrischen Betätigungseinrichtung über eine Signalleitung 29 vom Steuergerät 21 steuerbar. Das Waste-Gate 28 ist einem Gehäuse der Abgasturbine 6 integriert. Stromab der Abgasturbine 6 ist eine Abgasleitung 30 mit einer Abgasanlage 31 vorgesehen. Die Abgasanlage 31 verfügt unter anderem über einen Katalysator 32 zur Reinigung der Abgase.

In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsforum der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 dargestellt, bei dem alle gleichen oder gleichwirkenden Bauteile mit denselben Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels gekennzeichnet worden sind. Abgeändert ist gegenüber dem ersten Ausführungs- beispiel lediglich, dass zwischen dem Riementrieb 8 und dem Turbo-Compound 5 zusätzlich ein Generator 33 geschaltet ist.

Der Generator 33 weist eine Antriebswelle 34 auf, an der das Riemenrad 12 des Riementriebs 8 und am anderen Ende der An- triebswelle 34 ein Riemenrad 35 vorgesehen ist. Das Riemenrad 35 ist Teil eines zweiten Riementriebs 36, der den Generator 33 und den Turbo-Compound 5 miteinander koppelt. Der Riemen- trieb 36 weist neben dem Riemenrad 35 einen zweiten Riemen 37 und ein Riemenrad 38 auf. Das Riemenrad 38 ist auf der Aus- gangswelle 13 des Untersetzungsgetriebes 7 vorgesehen.

Die Brennkraftmaschine 1 treibt über den Riementrieb 8 den mechanischen Lader 3 und den Turbo-Compound 5 an. Im Steuer- gerät 21 gehen die zur Betriebserfassung und Betriebs- steuerung der Brennkraftmaschine 1 erforderlichen Signale, wie zum Beispiel Drehzahl der Brennkraftmaschine, Abgas- temperatur und Gaspedalstellung, ein. Das Steuergerät 21 verarbeitet die eingehenden Signale und steuert die Brenn- kraftmaschine 1 mit dem mechanischen Lader 3 und dem Turbo- Compound 5 in an sich bekannter Weise.

Durch die Koppelung des mechanischen Laders 3 und dem Turbo- Compound 5 mittels eines Riementriebs 8 mit der Brennkraft- maschine 1 sind die Vorteile des mechanischen Laders 3 und dem Turbo-Compound 5 in optimaler Weise miteinander verein- bar. Der mechanische Lader 3 ermöglicht die Umsetzung eines spontanen Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine 1. Der Turbo-Compound 5 nutzt die im Abgas enthaltene spezifische Energie und führt sie direkt der Brennkraftmaschine 1 als mechanische Energie zu.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ist der mechanische Lader 1 als eine Sekundärluftpumpe nutzbar. Dabei fördert der mechanische Lader 3 zumindest einen Teil der für die Verbrennung benötigten verdichteten Luft in die Abgasanlage 29.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ist in Schließstellung des Waste-Gates 26 der erhöhte Abgasgegendruck für eine Abgasrückführung nutzbar. Dabei strömt zumindest ein Teil des Abgases vor der Abgasturbine 6 in den Einlasstrakt 2.